Dimensionamiento de Una Caldera Acuotubular

DIMENSIONAMIENTO DE CALDERAS

Ana E. Zambrano T.

HIDROTRATAMIENTO DE DESTILADOS DE PIRÓLISIS

Dimensionamiento de Caldera Acuotubular ÍNDICE

Capítulo

I

Contenido

Pg.

DIMENSIONAMIENTO DE CALDERA ACUOTUBULAR I.1 Características de la Caldera de Tubos de Agua…………………

1

I.2 Áreas Básicas de una Caldera……………………………….…….

2

I.3 Componentes de las Calderas de Tubos de Agua……………….

4

I.4 Producción de Vapor…………………………………………………

9

I.5 Cálculos para el Dimensionamiento…………………………………

10

I.6 Diseño Frontal de la Caldera……………………………………..…

15

I.7 Diferencia Efectiva de Temperaturas (LMTD correspondiente)…

18

I.8 Determinación del coeficiente global de transferencia de calor para cada intercambiador….……………………………………………..

21

I.9 Área de Transferencia de calor requerida en cada intercambiador……………………………………………………………...

34

I.10 Ajuste de la longitud del área del Sobrecalentador y del Evaporador, empleando tubos con superficie extendida………..........

35

I.11 Caída de Presión en el Lado de los Tubos………………………

42

I.12 Caída de Presión en el Lado Envolvente………………………...

52

I.13 Altura de la chimenea y caída de presión en la sección de convección……..…………………………………………………………...

54

I.14 Especificación de la Bomba de alimentación de agua a la caldera P-401………….……………………………………………………

56

I.15 Tratamiento de Agua para Generación de Vapor……………….

63

I.16 ANEXOS…….……………………………………………………….

68

REFERENCIAS…………………………………………………………..

71

ii

HIDROTRATAMIENTO DE DESTILADOS DE PIRÓLISIS

Dimensionamiento de Caldera Acuotubular Caldera Generadora de Vapor (SG- 401) Las calderas modernas proporcionan la mayor parte de la fuerza motriz en el mundo y probablemente, sean las piezas mecánicas menos conocidas. Las calderas son tema de ingeniería, de leyes fiscales y de reglamentaciones en dependencias gubernamentales. I.1 Características de la Caldera de Tubos de Agua

•

Puede aumentar su capacidad de producción de vapor, aumentando el

número de tubos, independientemente del diámetro del calderín del evaporador. •

El calderín no está expuesto al calor radiante de la llama.

•

Alta libertad para incrementar las capacidades y presiones, lo cual es una

gran ventaja que tiene éste tipo de caldera frente a las calderas de tubo de humos (pirotubulares). Las calderas pueden emplear como medio de generación de calor combustibles líquidos y combustibles gaseosos. En el caso de éste diseño se escogió un combustible líquido, el fuelóleo, pués es más fácil de transportar y de almacenar y a pesar de presentar un poder calorífico relativamente bajo comparado con los demás, es eficiente debido a que los requerimientos de vapor del proceso no son tan elevados. En éste tipo de unidad los gases de combustión rodean a los bancos de tubos y el agua circula por el interior de dichos tubos, los cuales tiene una inclinación vertical, hacia un recipiente o colector de vapor localizado en el punto más alto de la caldera. [1] Caldera de Colector de Vapor Largo: en ellas el colector de vapor abarca toda la longitud de la caldera, esta unidad se muestra en la figura 1.

1

HIDROTRATAMIENTO DE DESTILADOS DE PIRÓLISIS

Dimensionamiento de Caldera Acuotubular

Figura 1. Caldera de casco largo. [1]

I.2 Áreas Básicas de una Caldera 1.- Sección de Convección: en ésta sección el calor contenido en los gases de combustión se transfiere al agua para producir vapor, la selección de la superficie de calentamiento y el espaciamiento entre los tubos, depende por completo del tipo de combustible que produce los gases de combustión con sus partículas de arrastre. En ésta sección se deben tomar las medidas necesarias para permitir que las partículas no quemadas pasen por los tubos y puedan captarse en los separadores inferiores. [1] La caída de presión y el flujo volumétrico son factores muy importantes para determinar el diseño general de la sección de convección. De la velocidad y

2

HIDROTRATAMIENTO DE DESTILADOS DE PIRÓLISIS

Dimensionamiento de Caldera Acuotubular circulación de vapor y de agua, depende la efectividad de la superficie de transferencia de calor flujo volumétrico. Por otra parte, en algunas aplicaciones

la superficie o tubos de

calentamiento son del tipo tubo sin recubrimiento, en otros casos la superficie de calentamiento es amplia, o del tipo de tubos aleteados. 2.- Hogar: en ésta sección se consumen los productos de la combustión y se libera calor, que se transfiere al agua y de ésta manera se produce vapor. Éste espacio debe diseñarse teniendo en consideración el tiempo, la turbulencia y la temperatura de la combustión; para lograr una combustión completa es necesario que el combustible tenga: el tiempo suficiente para que se consuma por completo, deberá existir suficiente turbulencia para obtener una mezcla completa de aire y combustible, con el fin de lograr un quemado suficiente. Deberá lograrse una temperatura suficientemente elevada para permitir la ignición de los productos. La forma del hogar está determinada por el tipo de combustible y el método de quemado. [1] La mayoría de los modelos de calderas de tubos de agua en la actualidad siguen uno de los tres diseños mostrados en la figura 2; los cuales se conocen como tipos A , D y O.

Figura 2. Tipos de Diseños de Caldera Acuotubular más utilizados en la actualidad. [2]

3

HIDROTRATAMIENTO DE DESTILADOS DE PIRÓLISIS

Dimensionamiento de Caldera Acuotubular En las calderas acuotubulares el calor se trasfiere en las paredes de humos como calor radiante desde la zona de mayor temperatura en el hogar, a consecuencia de la gran cantidad de calor absorbido por esta parte de la caldera, el agua de alimentación debe ser de la mejor calidad; también la circulación del agua debe ser rápida y plena para asegurar un flujo positivo a través de cada tubo en todo momento. [2]

I.3 Componentes de las Calderas de Tubos de Agua Sobrecalentadores, tiene como función añadir calor al vapor seco a la presión de saturación para lograr mayor temperatura en dicho vapor, el sobrecalentamiento se produce al pasar el caudal de vapor saturado proveniente de la caldera por un sobrecalentador de tipo convectivo o de tipo radiante. El tipo suspendido es un conjunto de haces colgantes, normalmente enfrentado contra el calor radiante mediante una pantalla de tubos [2] El Recalentador, es un sobrecalentador empleado por las calderas de centrales modernas, para incrementar el rendimiento de la planta. Mientras el sobrecalentador toma vapor del calderín de la caldera, el recalentador obtiene vapor utilizado de la turbina de alta presión

a una presión por debajo de la

caldera. Éste vapor a menor presión que pasa a través del recalentador, se calienta a 537 °C y después se introduce en la turbina de media o baja presión. El Evaporador, puede tratarse como un equipo separado, que tiene gran semejanza con los evaporadores verticales de tubo largo, ellos generalmente descargan un cabezal de vapor relativamente pequeño, en general no se mantiene el nivel de líquido en el cabezal de vapor y el tiempo de residencia del líquido es de unos pocos segundos.

4

HIDROTRATAMIENTO DE DESTILADOS DE PIRÓLISIS

Dimensionamiento de Caldera Acuotubular Los tubos comúnmente son de unas 2 in de diámetro, pero pueden ser menores que 1in; la longitud de los tubos puede variar de menos de 6m hasta 10,7m. El evaporador funciona generalmente mediante paso simple, aumentando la calidad del vapor a medida que el líquido y el vapor que se desarrolla pasen por el tubo. Las temperaturas de un líquido en el evaporador vertical de tubo largo están lejos de ser uniforme y su predicción resulta difícil. En el extremo inferior el líquido por lo común no hierve, y absorbe calor sensible; en algún punto hacia arriba del tubo, el líquido comienza a hervir, y a partir de ese punto la temperatura del líquido disminuye, debido a la reducción de la carga estática, a la fricción y a la desaceleración, hasta que la mezcla de vapor y líquido llega a la parte superior de los tubos a una temperatura sustancial del cabezal de vapor [3]. De manera que, la diferencia real de temperaturas en la zona de ebullición es siempre menor que la diferencia total de temperatura medida a partir del vapor y las temperaturas de carga de vapor. En la figura 3. se muestra patrones de flujo en un tubo evaporador vertical.

Figura 3. Patrones de flujo en un tubo evaporador vertical con un flujo de líquido y vapor en corriente paralela hacia arriba. [4]

5

HIDROTRATAMIENTO DE DESTILADOS DE PIRÓLISIS

Dimensionamiento de Caldera Acuotubular Los Economizadores: son captadores del calor de los gases de combustión a temperaturas moderadamente bajas, después de que dichos gases abandonan las secciones de generación y sobrecalentamiento de la caldera. Cada combustible quemado tiene su temperatura de punto de rocío que puede producir acumulación de humedad sobre el economizador y corroer la superficie en un tiempo corto; la cantidad de superficie calefactora que podría utilizarse en el economizador está limitada por la temperatura final del gas en la salida, la cual debe ser superior el punto de rocío del gas para evitar la condensación. El agua de alimentación de bajo contenido en O2 es muy recomendada en los intercambiadores de tubo de acero. De manera que una caldera acuotubular es el conjunto de tres equipos de intercambio de calor interconectados: el economizador; el evaporador y el recalentador. En la figura 4. se muestra la parte interna de una caldera tipo D que presenta hogar inferior.

6

HIDROTRATAMIENTO DE DESTILADOS DE PIRÓLISIS

Dimensionamiento de Caldera Acuotubular

Figura 4. Generador de vapor con calderín grande en la parte superior y otro pequeño en la parte inferior. [2]

La figura 5. ilustra zona internas de un calderín típico que cumple dos funciones esenciales: separa el vapor del agua para suministrarla al sistema de bajantes limpia y separada del vapor para la circulación segura y correcta; y separar la humedad del vapor para entregar vapor de alta calidad; el nivel normal del agua es de 1,5 in (38,1 mm) por debajo de la línea central horizontal del calderín. Los eliminadores “vortex” separan los pasos del vapor y del agua en el calderín.

Figura 5. Parte internas de un calderín de vapor [2]

7

HIDROTRATAMIENTO DE DESTILADOS DE PIRÓLISIS

Dimensionamiento de Caldera Acuotubular El Objetivo de la Caldera Acuotubular en la Planta de Hidrotratamiento de Destilados de Pirólisis es: Producir vapor necesario para mantener en funcionamiento turbinas que mueven el eje de los motores de las bombas y compresores industriales. El procedimiento seguido para el dimensionamiento fue tomado de la publicación Ingeniería Química [3], Entre los parámetros supuestos cabe destacar el diámetro exterior de tubos, y un arreglo de lineal en los tubos, las velocidades de los gases en los distintos sectores de la caldera (lo cual depende del área y del recorrido que lleva) y los espacios de separación entre las zonas de transferencia de calor, economizador, evaporador y sobrecalentador. Se requiere una temperatura constante del vapor sobrecalentado por la mayoría de los diseñadores ya que en una turbina de vapor está diseñada para una temperatura determinada a la cual operará con la mayor eficiencia; para el caso que nos ocupa, las condiciones del vapor a la entrada y salida de de las turbinas es: Entrada a las turbinas: P1 = 650 psia = 43,8 barg T1 = 750 °F = 398,9°C H1 (BTU/lb) = 1376,375 = 764,653 Kcal/Kg 3 ρ1 (Kg/m ) = 15,325 Tsat = 494,75 °F = 257,083°C Hsat (BTU/lb) 1203,05 = 668,36 Kcal/Kg

Salida de a las turbinas: P2 = 58,2 psia =3barg T2 = 350°F =176,67°C H2 (BTU/lb) = 3

ρ2 (Kg/m ) =

1208,52

= 671,4015 Kcal/Kg'

1,96

Kg/m

Tsat =293,11 °F = 145,06°C Hsat (BTU/lb) = 1177,283

3

= 658,05 Kcal/Kg

8

HIDROTRATAMIENTO DE DESTILADOS DE PIRÓLISIS

Dimensionamiento de Caldera Acuotubular El combustible empleado para la combustión en la caldera es líquido, Fuel Oil N0. 4 seleccionado de la Tabla II.20 del Capítulo II. Los fuel oil son viscosos, además es necesario romper y pulverizar el fuel – oil por atomización para que el aire pueda combinarse con las finas gotitas de aceite; la temperatura que puede alcanzarse en la combustión es menor que la que puede esperarse en comparación al desprendimiento instantáneo del calor cuando se quema un gas. [2] La temperatura requerida en el quemador para los fuel número 4, 5, 6 es generalmente de unos 10 °F por debajo del punto de inflamación, para el fuel N0. 4 es de 65 °C, lo cual se puede lograr precalentando dicho combustible con parte del vapor que retorna de las turbinas, sin embargo, para el diseño en cuestión no se toma en cuenta precalentamiento alguno.

I.4 Producción de Vapor Está dada por el consumo de potencia de las turbinas que accionan a los compresores y a las bombas industriales. La capacidad de la caldera a dimensionar es de 27 t/h de vapor, lo que implica un sobrediseño de 5,3%, valor inferior al sobrediseño aplicado para otros equipos (10-20%), debido a que el vapor exhausto que sale de las turbinas puede ser perfectamente utilizado en proceso previo a su retorno a la caldera como condensado, en tal sentido se dispone de más de 20 t/h de vapor de media presión. Se tomaron los resultados del simulador de procesos ASPEN11.1 en virtud de las discrepancias insignificante respecto a los cálculos manuales. En la Tabla 1. se muestra la potencia requerida por cada turbina y la cantidad de vapor sobrecalentado que se involucra.

9

HIDROTRATAMIENTO DE DESTILADOS DE PIRÓLISIS

Dimensionamiento de Caldera Acuotubular Tabla 1. Resultado de la Simulación del sistema de compresión y bombeo para obtener la cantidad de vapor sobrecalentado a producir.

Equipo K-101 K-102 K-103 K-104 K-105 K-106 K-107 K-108 K-109 K-110 K-111 P-101 P-103 P-108 K-201 P-302 P-401

BHP (Hp) 167,957 184,903 261,076 267,435 269,662 280,843 283,892 292,192 293,371 297,641 283,554 72,860 78,835 21,653 404,412 208,064 61,022

mvapor (lb/h) 2546,027 2802,894 3957,589 4053,992 4087,748 4257,233 4303,448 4429,273 4447,147 4511,867 4298,326 1104,472 1195,036 328,229 6130,386 3153,989 925,017 Total

mvapor (t/h) 1,155 1,271 1,795 1,839 1,854 1,931 1,952 2,009 2,017 2,047 1,950 0,501 0,542 0,149 2,781 1,431 0,420 25,643

Potencia (Hp) 152,689 168,093 237,342 243,123 245,148 255,312 258,083 265,629 266,701 270,583 257,776 66,237 71,668 19,684 367,647 189,149 55,474

Cabezal % adiabático Discrepancia (lbf*ft/lb) en los BHP 109603,184 0,757 118164,547 0,803 75513,242 0,855 75647,916 0,925 75740,640 0,767 75971,899 0,833 76118,012 0,735 76364,590 0,680 76555,873 0,436 76839,949 0,022 72158,139 -0,301

53638,642

-0,607

I.5 Cálculos para el Dimensionamiento T rocío del gas Es la Tsat del vapor correspondiente a la Presión parcial del agua en ese gas Pp agua =XH2O (molar) x PTotal = 1,5377 psi T rocío = 116,4 °F = 46,9 °C

La mínima diferencia de temperatura entre el gas y el vapor de agua en el evaporador, denominado punto de contacto, (T4 – T6) se ajusta al sistema de manera que no sea tan estrecho como para proporcionar un área excesiva en el evaporador, ni tan grande para poder lograr la mayor recuperación del calor de los gases para una presión dada del vapor de agua, con frecuencia se obvia el

10

HIDROTRATAMIENTO DE DESTILADOS DE PIRÓLISIS

Dimensionamiento de Caldera Acuotubular estudio económico que involucra la determinación del valor del punto de contacto, asumiéndolo entre 20 y 30K [5]. Para los cálculos realizados éste valor se fijó en 40 K, mediante ajuste del área de vaporización requerida. Por otra parte, la diferencia entre la temperatura de saturación y la de la salida del agua del economizador, denominada punto de aproximación, debe existir para evitar vaporización en el economizador cuando aumenta el caudal de gas con la caldera a baja carga,

normalmente se toma una temperatura de

entrada del agua en el evaporador de 10 a 25K inferior a la de saturación del vapor a la presión elegida, para los cálculos se ha fijado T6 – T7 = 21K

Tabla 5. Condiciones en cada una de las secciones de la caldera Suposición: Saturación en la caldera. Se toman T a 698,92 psi =

T1 = 879,96°C =

1105,37K

H (Kcal/Kg) 215,20

Sustancia GC

P5 (implica 7% de pérdida de 0,93

T6 = 261,69°C =

534,84K

667,79

Vap sat

T7 = (534,84-21)K =

513,84K

246,64

Liq. sat

T4 = 40+(T6+273,15))K =

574,84K

71,95

T5 = 750°F

672,04K

764,65

GC Vap. Sobrecalentado

T8 = 212 °F, P = 664,7psig

373,15K

100,95

presión en el sobrecalentador) [3] Pto. Aproximación (T6-T7): 21K Pto. Contacto (T4 -T6): 40K Caldera sin postcombustión

Se asume 80°C por las pérdidas de T y por la reposición de agua

T T5 T6 T7 T8

672,04 534,84 513,84 353,15

Liq.

Densidades (Kg/m^3) L V 15,33 781,00 24,42 827,52 1041

11

HIDROTRATAMIENTO DE DESTILADOS DE PIRÓLISIS

Dimensionamiento de Caldera Acuotubular En la Figura 6. se muestra el perfile de temperatura para el gas de combustión y para el agua a lo largo del transito por la caldera SG – 401. 1100

T2 1000

T1 gases

900 800

T5

700 600

agua - vapor

500

T6 = Tsat

T4

T3

T7

400 GENERADOR

RECALENTADOR

ECONOM IZA DOR

300 0

100

200

300

400

500

T8 600

Figura 6. Perfiles de Temperatura en la caldera.

Calor Transferido en el Evaporador - Recalentador (Qre)

Qre = mvapor × (H 5 − H 7 ) = 27000

Kg KCal KCal × (764,65 - 246,64) = 1,399 × 10 7 h Kg h

Pérdidas por radiación y convección (Lr)

2,00%

Masa de Gas (Mg)

Mg =

Qre Kg 1,399 × 10 7 KCal / h = 99,628 × 10 3 = (H 1 − H 4) × (1 − Lr ) (215,20 − 71,949) × (1 − 0,02) h

12

HIDROTRATAMIENTO DE DESTILADOS DE PIRÓLISIS

Dimensionamiento de Caldera Acuotubular Calor transferido en el economizador (Qec)

Qec = mvapor × (H 7 − H 8) = 27000

Kg KCal KCal × (246,64 - 100,95) = 3,931 × 10 6 h Kg h

= 4,575 × 10 6 Watts Calor transferido en el recalentador (Qr):

Qr = mvapor × (H 5 − H 6) = 27000

Kg KCal KCal × (764,7 - 667,8) = 2,615 × 10 6 h Kg h

= 3,042 × 10 6 Watts Calor Transferido en el Evaporador (Qe):

Qe = Qre − Qr = 1,137 × 10 7

KCal = 13,22 × 10 6 Watts h

Cálculo de T2: Empleando la tabla de entalpía de gases de combustión (Tabla II.18, Capítulo II), se determina, la entalpía 2 y con ella temperatura de los gases que le corresponde.

H1 - H2 =

Qr 2,615 × 10 6 KCal / h = = 26,82 KCal / Kg Mg × (1 − Lr ) 0,98 × 99,495 × 10 3 Kg / h

H2 = H1 − 26,82 KCal / Kg = (215,20 − 26,82 ) KCal / Kg = 188,38KCal / Kg Tabla 6. Entalpía de los gases de combustión a 1000 y 900 K i CO2 H2O O2 N2

Xi molar 0,119 0,105 0,039 0,738

∑ Xi molar × (Hi - Href) =

Xi molar *(Hi-Href) 1000K 900 K 946,94 794,62 649,86 548,26 212,74 180,28 3779,67 3213,85 192,59 163,23

Kcal/Kmol Kcal/Kg

13

HIDROTRATAMIENTO DE DESTILADOS DE PIRÓLISIS

Dimensionamiento de Caldera Acuotubular Interpolando entre H 1000K y H 900K T2 = 995,7K Cálculo de T3: De igual forma que en el caso anterior, T3 se determina a partir del calor transferido en el economizador.

H4 - H3 =

Qec 3,933 × 10 6 KCal / h = 40,288 KCal / Kg = Mg × (1 − Lr ) 99,495 × 10 3 × 0,98 Kg / h

H 3 = H 4 − 40,288 KCal / Kg = (71,949 − 40,288)KCal / Kg = 31,6607 KCal / Kg Tabla 7. Entalpía de los gases de combustión a 400 y 300 K i CO2 H2O

Xi molar 0,119 0,105

O2 N2

0,039 0,738

∑ Xi molar × (Hi - Href) =

Xi molar *(Hi-Href) 400K 300 K 113,165 2,098 86,203 1,701 28,301 522,980 25,865

0,544 10,223 0,502

Kcal/Kmol

Kcal/Kg

Interpolando entre H400K y H300K T3 = 422,85K

14

HIDROTRATAMIENTO DE DESTILADOS DE PIRÓLISIS

Dimensionamiento de Caldera Acuotubular I.6 Diseño Frontal de la Caldera 1. Ancho del Economizador Para establecer su dimensión se fija la velocidad del agua, generalmente comprendida entre 1 y 2 m/s, siendo cada paso de una sola fila para mantener la homogeneidad de la temperatura; se fija la distancia entre centro de tubos, de manera que a partir del número de tubos el diámetro de cada uno y el espaciamiento entre ellos se obtiene el ancho del economizador, que corresponde a la longitud de la caldera. [3] velocidad del agua: Caudal de Agua: Diámetro externo Espesor mínimo: BGW Espesor del tubo Diámetro de los tubos Esfuerzo permisble [1]: ρ del agua =(ρT7 + ρT8)/2 Caudal de Agua: Área interna tubo No. Tubos = Q/(v x A) Pitch = 5,8 x Dext = 5,8 x 1,905 cm Clare = Pitch - Dext Ancho del Economizador: Velocidad del agua:

1 - 2 m/s 27000 Kg/h 0,75 in = 0,133 10 0,134 1,2243 12995,38 960 30,21 1,177 68,19 11,049 9,144 771,53 1,03

Se fija: 1,00 m/s 1,905 cm in in cm psi 3 Kg/m 3 m /h cm 2 69 tubos cm cm cm m/s

Acho del economizador = N 0 tubos × Dext + Clare × ( N 0 tubos + 1) = 69 × 1,905cm + 9,144cm × (70) = 771,53 cm

2. Cálculo Longitudinal del Evaporador Una vez conocida la longitud de la caldera, se puede calcular el número frontal de tubos del evaporador, para el paso más conveniente y ajustando la separación entre centro de tubos (pitch), de manera que ambos valores sean adecuados. [3]

15

HIDROTRATAMIENTO DE DESTILADOS DE PIRÓLISIS

Dimensionamiento de Caldera Acuotubular El caudal volumétrico en el evaporador es > que en las otras dos áreas. La velocidad máxima del vapor y de los gases secos está dada por la expresión, para tubos de acero:

v máx =

1800

P × PM

(2)

, ft / s

La velocidad máxima permitida del vapor que transita por el evaporador es:

v máx =

1800 698,92 psia × 18,015

= 16,05 ft / s = 4,892 m / s

No. Pasos v max agua: 10 ft/s v max vapor: 16,05 ft/s Flujo másica a través del evaporador: Diámetro de tubo (convencional): 1 1/4 in Espesor mínimo: BGW Espesor del tubo: Din (cm) 2

Área interna tubo =Pix(2,494 )/4 = 4,886 cm

2 3,048 m/s 4,892 m/s 27000 Kg/h 3,175 cm 0,1334 in 10 0,134 in 2,4943 cm 2

0,0004886m

2

Dimensionando para las condiciones menos favorables (mayor velocidad) X (título de ρ mezcla 2 3 # tubos G (Kg/h*m ) v (m/s) Q (m /h) 3 vapor) (Kg/m ) 120 460470,941 0,970 47,117 4,775 2,715 Pitch = 2,01 x Dext = 6,3818 cm Clare = Pitch – Dext = 3,207 cm Longitud del Evaporador: 769,02 cm

G=

m vapor # tubos × Ainterna del tubo

=

27000 Kg / h = 460470,941 Kg / h.m 2 2 −4 120 × 4,886 × 10 m

= 127,91 Kg / s.m 2

16

HIDROTRATAMIENTO DE DESTILADOS DE PIRÓLISIS

Dimensionamiento de Caldera Acuotubular

ρ mezcla = (1 − X ) × ρ liq + X × ρ vap

(3)

ρ mezcla = (0,03 × 781 + 0,97 × 24,42 )Kg / m 3 = 47,117 Kg / m 3

Q=

v=

mvapor # tubos × ρ mezcla

=

27000 Kg / h m3 4 , 775 = h 120 × 47,117 Kg / m 3

Q 4,775m 3 / h = = 2,715 m / s Ainterna del tubo × 3600 s / h 4,886 × 10 − 4 m 2 × 3600 s / h

Longitud ..del..Evaporador =# tubos × Dext + Clare × (# tubos + 1) ....... = 120 × 3,175cm + 3,20cm × (121) = 769,02cm

La alimentación se realiza desde un solo inicio y se disponen dos pasos del fluido por la zona de los gases de combustión. 3. Cálculo Longitudinal del Sobrecalentador Los cálculos se realizan en forma similar a los del evaporador: v max vapor: 16,63 ft/s Diámetro de tubo (convencional): 2in ANSI Cédula Diámetro Externo Espesor mínimo: Espesor del tubo: Diámetro Interno 2 2 Área interna tubo =Pi x 5 /4 cm v tubos (vapor) No. Tubos: = Q/(v x A) Pitch = 2,01 * Dext Clare = Pich – Dext = Longitud del Sobrecalentador: G (Kg/s*m^2) v (m/s)

5,1 m/s 40 6,0325 0,133 in 0,203 5,001 0,00196 3,96 62,9 12,125 6,09

cm in cm 2 m m/s 63 tubos cm cm

769,99 cm

218159,670 3,954

17

HIDROTRATAMIENTO DE DESTILADOS DE PIRÓLISIS

Dimensionamiento de Caldera Acuotubular I.7 Diferencia Efectiva de Temperaturas (LMTD correspondiente) Evaporador: Si sólo varía la temperatura de un fluido, zona de evaporación, y si se desprecia el calentamiento del agua desde T7 a T6, la diferencia efectiva de temperatura estará dada por la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD):

LMTD =

(T 2 − T 6) − (T 4 − T 6) (T 2 − T 4) = (T 2 − T 6) (T 2 − T 6) Ln Ln (T 4 − T 6) (T 4 − T 6)

LMTD =

(4)

(995,74 − 574,84) = 172,2 K ( 995,74 − 534,84 ) Ln (574,84 − 534,84)

El tipo de circulación que se presenta en las calderas de tubos de agua en el recalentador y en el economizador, no viene modelado por ninguna de las configuraciones sencillas de las que se dispone: •

Circulación paralela de un paso

•

Circulación cruzada con ambas corrientes divididas

•

Circulación cruzada con ambas corrientes mezcladas

•

Circulación cruzada con una corriente dividida y otra mezclada

•

Circulación paralela con más de un paso por los tubos

•

Circulación paralela con dos pasos por la envolvente y un número par de

pasos los tubos. El modelo de cálculo a utilizar, adopta una solución intermedia de la diferencia efectiva de temperatura, para los casos circulación cruzada (corriente dividida: agua / vapor, corriente mezclada: gas) y circulación paralela con más de un paso por los tubos; suponiendo propiedades constantes. [3]

18

HIDROTRATAMIENTO DE DESTILADOS DE PIRÓLISIS

Dimensionamiento de Caldera Acuotubular Expresión para la circulación cruzada:

δTM

Con:

Pc =

cruzada

=

Pc × (Tci − Thi ) ⎡ 1 ⎛ ⎞⎤ ⎢ Ln⎜ 1 − Pc × Rc ⎟ ⎥ ⎠⎥ Ln ⎢1 − ⎝ Rc ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦

Tcf − Tci Thi − Tci

Rc =

;

(5)

Thi − Thf Tcf − Tci

La expresión para la circulación paralela con más de un paso en los tubos se obtiene tomando en cuenta las hipótesis: .- Temperatura uniforme del lado envolvente en cada sección transversal. .-

Área de transferencia invariante en cada paso.

.- No hay cambio de fase en ninguna de las dos corrientes. .- Las propiedades y por lo tanto el coeficiente de transferencia global (U), son constantes. [3]

δTM

paralela

=

Pc × (Thi − Tci ) × 1 + Rc 2 ⎡ 2 2 ⎤ ⎢ Pc − 1 − Rc + 1 + Rc ⎥ Ln ⎢ ⎥ ⎢ 2 − 1 − Rc − 1 + Rc 2 ⎥ ⎥⎦ ⎣⎢ Pc

δTM =

(δT

M paralela

+ δTM cruzado 2

)

(6)

(7)

19

HIDROTRATAMIENTO DE DESTILADOS DE PIRÓLISIS

Dimensionamiento de Caldera Acuotubular Economizador: Tcf (K) T7 513,840

Tci (K) T8 373,150

Thi (K) T4 574,840

Thf (K) T3 422,849

Pc

Rc

0,698

1,080

δTM

Pc × (Tci − Thi )

1/(1-PcRc)

A = Ln(1/(1-PcRc))

1-A/Rc

Ln(1-A/Rc)

-140,690

4,058

1,401

1,297

0,260

Pc × (Thi − Tci )× 1 + Rc

2

δTM =

(K)

541,644

Ln

2 − 1 − Rc + 1 + Rc 2 Pc 2 − 1 − Rc − 1 + Rc 2 Pc

2 − 1 − Rc + 1 + Rc 2 Pc 2 − 1 − Rc − 1 + Rc 2 Pc

1,440

0,365

202,922

cruzada

δTM

paralela

(K)

556,694

(541,644 + 556,694 ) = 549,17 K 2

Sobrecalentador: Tcf T5 672,039

Tci T6 534,840

Pc × (Tci − Thi ) 1/(1-PcRc) -137,199

Thi T1 1105,370

Rc

0,240

0,799

1-A/Rc

Ln(1-A/Rc)

0,213

0,733

-0,311

Pc × (Thi − Tci )× 1 + Rc

δTM =

Pc

A = Ln(1/(1- PcRc))

1,238

175,623

Thf T2 995,735

2

δTM

cruzada

(K)

441,619

Ln

2 − 1 − Rc + 1 + Rc 2 Pc 2 − 1 − Rc − 1 + Rc 2 Pc

2 − 1 − Rc + 1 + Rc 2 Pc 2 − 1 − Rc − 1 + Rc 2 Pc

1,489

0,398

δTM

paralela

(K)

441,304

(441,619 + 441,304) = 441,461 K 2

20

HIDROTRATAMIENTO DE DESTILADOS DE PIRÓLISIS

Dimensionamiento de Caldera Acuotubular I.8 Determinación del coeficiente global de transferencia de calor para cada intercambiador Para finalizar el dimensionamiento de la caldera, se debe hallar el área requerida para transferir la potencia térmica en cada cambiador, con la finalidad de relacionar ésta área con la altura de los tubos. [3] El área se determina a partir de la ecuación: Q = A.U .δTM

(8)

Y es necesario calcular el coeficiente global de transmisión U, para lo cual se requiere la determinación de los coeficientes de transmisión, tanto en el lado tubos como en el lado envolvente, además de establecer los coeficientes de ensuciamiento térmico externo e interno, la eficiencia de la aleta, en caso de usar tubos aleteados, y el espesor y conductividad térmica del material de los tubos y aletas. [3] Coeficiente de transferencia de Calor superficial interior (Lado Tubos) Una Fase: Se utiliza la ecuación Dittus-Boelter para flujo turbulento cuyo rango de aplicación es: 0,6