Diseño e Implementan Del Un Intercambiador

 

UNIVERSIDAD SIMÓN I. PATIÑO FACULTAD FACULTA D DE INGENIERÍA Ingeniería Electromecánica 

Diseño e implementación del intercambiador 1I-1506 aplicado al área de alquilatos en YPFB Refinación S.A.

Proyecto de Grado de Licenciatura en Ingeniería Electromecánica

Wilfredo Martin Larico Centellas

Cochabamba –  Bolivia  Bolivia Julio 2016

 

 

DEDICATORIA A Dios y a nuestro Señor Jesucristo por ser mi guía, mi luz porque siempre escucharon mis oraciones y me acompañaron en las situaciones más difíciles. A mis padres Porfirio y Casilda que siempre me apoyaron y confiaron en mí, gracias por toda la confianza y el amor que supieron ofrecerme. A mi esposa Beatriz y mis hijas Raquel, Paola y Sofia que como familia siempre supimos apoyarnos en todo momento.

 

 

ÍNDICE RESUMEN…………...……………………………………….…………………......……….1   AB STR AC T ………………...….………………..….……………..…………….……………2 ………………...….………………..….……………..…………….……………2 

1. CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN..…………..……………………………..…………3  1.1.- Descripción de las unidades…………………….……...……...………………..……..3  1.2.- Descripción de la planta de “AVIGAS 100/130”……….……….………......…..……3 1.2.1.1.2. 1.- Un Unii dad de iisóm sóme er os d de e n-hexano (i sop soparafi arafi nas o a alqui lquilat latos) os)………...……….4 

1.3.- Proceso de obtención del alquilato ………………….…..……...……………….…….4  1.4.- Antecedentes del problema .……….……………………..……………………… ..…..6 1.5.- Problema a solucionar………….………....…………………………………….....….8  1.6.- Hipótesis……………..…………..………………………………………………..……9  1.7.- Objeto……………………………………...………….……………...……….…….…..9  1.8.- Objetivo general…..…………………………………………..……………..…………9  1.9.- Objetivos específicos……...…….……………………………………………………10  1.10.- Metodología de investigación……..………………………..………………..….…..10  1.10.1.- T i po d de e inve investig stiga ació ci ón………………………….…….…….………..…….….10  1.10.2.- D i se seño ño d de e la i nve nvestig stiga ació ci ón…………………..………………………………. 11

2. CAPÍTULO II DEFINICIONES…………………………..…………………………….………...……….12  2.1.- Fundamentos teóricos utilizados en el diseño ………………..….…………….……12 2.2.- Trasferencia de calor…………………………………………… ..……..……….…..12 2.3.- Mecanismos de la transferencia de calor ………………….…………..……….……12  2.4.- Aplicaciones..…...………………………………...…………..……………………….13  2.5.- Clasificación………...…………………...…………………………………..………..13   2.5.1. 2.5 .1.- De acu cue erdo al proc roce eso de tran ransfe sferen rencia cia…………….…..…………………....13 - De contacto directo …….…………………....….……………………..………13 - De contacto indirecto …….……….…………..……………………………….1 4

 2.5.2. 2.5 .2.- De acu cue erdo a los los mecanism canismo os de tran ransfe sferen rencia cia de ca calo lor  r ………….………….14 ………….………….14   2.5.3. 2.5 .3.- D e acu cue erdo al nú núm mero de fluido fluidos invo involu lucra crad dos…………..…………….....….14  2.5.4. 2.5 .4.- De acu cue erdo a la disp ispo osició sición n de los los fluid fluido os……..…………….……………..…15 2.5.4.1.- Intercambiadores de calor de paso único ………………….…………15 - Flujo en paralelo o cocorriente .………………...…………………….15

 

 

- Flujo en contracorriente o contraflujo ……………………..………….1 5 - Flujo cruzado……………………….…………………………..……..15 2.5.4.2.- Intercambiadores de calor de pasos múltiples ….………..…………….15

2.6.- De acuerdo al tipo de construcción de intercambiadores …..…….………..………16  2.6.1. 2.6 .1.- Intercambiadores de calor de tubería doble tipo “U” …….…….………….…1 6  2.6.2. 2.6 .2.- I nt nte erca rcam mbi adores enfri nfria ados por a aii re………….………………………………16   2.6.3. 2.6 .3.- I nt nte erca rcam mbi adores ti po placa lacass……………….………………..……………...…17   2.6.4. 2.6 .4.- I nt nte erca rcam mbi adores de ca casc sco o y tubo ubos…………..…………………………………1 8 - Tipo fijo o de tubos estacionarios ………………………………………….……1 8 - Tipo flotante……………………………………………………………….…….18  

3. CAPÍTULO III SELECCIÓN Y CÁLCULO.……………...………..………….……….20

3.1.- Código de identificación (IC)……………………...……..…………………….……...20  - 3.1.1.- P r i mer a vva ar i able…………….………………………………………………….22   - 3.1.2.3. 1.2.- Segunda var var i able……….………………………………..………………..……22  - 3.1.3.3.1.3. - T Te er ce cerr a var var i able…………..…………….……………………………..……….22  3.2.- Partes de un intercambiador ………...…..…………...…….………………………..23 

3.3.- Métodos para calcular la efectividad térmica ……..…………...………...……...….24   3.3.1. 3.3 .1.- Mé Méttodo ut utii liza lizad do para el cá cálc lculo ulo…………..........………..…..………………..25 

3.4.- Definición de las corrientes en el intercambiador 1I-1506 ……………………..…..25   3.4.1. 3.4 .1.- Pro Pr opi edades fí física sicass del prod roduc uctto frí o ga gaso solina lina L SR ………..………....…...….25   3.4.2. 3.4 .2.- D atos prod roduc uctto fr fríí o ga gaso solina lina L SR ………………….………………..………...28 

3.5.- Propiedades físicas del producto caliente (vapor) ………………..….……………..29   3.5.1. 3.5 .1.- Dat Dato os prod roduc uctto ca calie lient nte e vapor ……………………………….……………..…30 ……………………………….……………..…30 

3.6.- Cálculo flujo másico o (peso del flujo) del fluido caliente (M 2)………..…..…..…..30   3.6.1. 3.6 .1.- F ase sess del vapor e en n la act ctua uació ción n en el i nt nte erca rcam mbi ador 1I 1I -15 -1506 06...……..….….31 

3.7.- Cálculo del balance de calor ………….…..……………………….…………...……32  3.8.- Comportamiento de la temperatura ∆T……………..…………………...……….32  3.9.- Cálculo de la diferencia verdadera de temperaturas ∆T ……………..………….…34  3.9.1. 3.9 .1.- Me Med di a loga logarí rí tmi ca de la di fe fere renc ncii a de temperatura raturass (M L D T) ……..……..…..34   3.9.2. 3.9 .2.- Cál Cálcu culo lo del fa fact cto or d de e corr corr ecci cci ón ML D T p pa ara i nt nte erca rcam mbi adores res (1 - 2)............34  3.9.3. 3.9 .3.- Ub Ubii ca cació ción n del fa fact cto or d de e co corr rr ecci cci ón de temp. según según grá gr áfica fi ca………...…...…….35  ……….……...…….……..36   3.9.4. 3.9 .4.- Apl Aplii ca cacci ón del fa fact cto or d de e corr corr ecci cci ón F T pa  para ML DT ……….……...…….……..36

 

 

3.10.- Cálculo de la diferencia de temperaturas para la ubicación en la figura 3.6 …....36  3.11.- Cálculo de la constante calórica o temperatura promedio del flujo ...…………...36  3.12.- Ubicación de la Fracción calórica Fc. en la Figura 3.6 ....……...…………....…….36  3.13.- Cálculo de la temperatura calórica del fluido caliente (tubos) ..…....…….………36  3.14.- Cálculo de la temperatura calórica del fluido frío (carcasa)…….……………….36  3.15.- Selección de tipo de tubos …………...………...…………………….………………38  3.15.1  3.1 5.1..- Tub Tubo os……………….……………………………………….……………….38   3.15.2  3.1 5.2..- L ongitu ngitud d del tub ubo o….…………….………………………………..………….38   3.15.3  3.1 5.3..- Di ámetro y esp spe esor sor d de e la pared del tub ubo o….…………....……………………39 

3.16.- Datos del tubo del intercambiador antiguo ………………….………….…………40  3.17.- Cálculo del area de flujo de los tubos ………………………..………….………….40  3.18.- Cálculo del área transversal del flujo para el lado carcasa ………...…………….40  3.19.- Número de tubos…………..…………………………………………………….…..41  3.20.- Cálculo de la masa velocidad en los tubos (sólo para la caídas de presión) …..…41  3.21.- Cálculo de la masa velocidad de la carcasa (sólo para la caídas de presión) ...…41 3.22.- Número Reynolds……………..……...……………………………..……………….41  3.23.- Viscosidad del vapor………………..…………………………...…………………..42  3.24.- Cálculo del diámetro interno de tubos en pies ……………...………………..……45  3.25.- Cálculo del número Reynolds para tubos Ret. (sólo para caídas de presión) ...…45  3.26.- Viscosidad de la gasolina LSR ………………………………..…………………….45 ………………………………..…………………….45  3.27.- Diámetro equivalente para transferencia de calor (carcasa) .……………….……46  3.28.- Cálculo del del número Reynolds para carcasa Rec. (adimensional)…….……...….46  3.29.- Cálculo del factor de transferencia de calor ( jH) lado tubos (adimensional)……46  3.30.- Calor específico ( c ) del producto gasolina LSR. (carcasa) …………………....…48  3.31.- Conductividad térmica ( K ) del producto gasolina liviana……….….………...48  3.32.- Cálculo de la razón de viscosidad ……………………….……………...………….48 

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3.33.- Cálculo del coeficiente de de transferencia de calor del fluido externo ( )  producto gasolina liviana…………………………………………………………. ..48 3.34.- Condensación del vapor lado tubos…………….………….………………………49  3.35.- Tw : temperatura de la pared del tubo…...…………….………………..…………49  3.36.- Temperatura de la pared del tubo (tw )…………...……………..…………………50  3.37.- Cálculo de la viscocidad a la temperatura de la pared del tubo lado vapor (sólo para caída de presión), ( µw)…………………………………………………..50  

 

3.38.- Cálculo de la razón de viscosidad en los tubos (sólo para caída de presión) ..…...52 3.39.- Cálculo de la viscosidad a la temperatura de la pared del tubo lado carcasa (µw)…………………………………………………….……… .……. 52 3.40.- Cálculo de la razón de viscosidad lado carcasa ………...….…………...…………54  3.41.- Cálculo del coeficiente de transferencia de calor del fluido externo (h˳ corregido) producto gasolina liviana……………………………….………….54 

3.42.- Cálculo del coeficiente total de transferencia de calor (Uc) ….……..…….………54  3.43.- Cálculo de la superficie de transferencia de calor, pie² ……………………..….....55  3.44.- Cálculo del co coeficiente eficiente de d diseño iseño (UD)………….……..……..……….…….……..56  3.45.- Cálculo del factor de obstruccion combinado (Rd) …………..………………..….56  3.46.- Sumario de los coeficientes requeridos generales ………………..….…………….57  3.47.- Caídas de presión para vapor lado tubos …………………………..……...………57  3.48.- Volumen específico del del vapor lado tubos (datos de la Tabla 3.11).………..…….58 3.49.- Cálculo de la gravedad específica ……………………….………………….………58  3.50.- Cálculo de la caída de presión en los tubos ………………………………..………59  3.51.- Caídas de presión lado producto carcasa ...……………………………...……...…60  3.52.- Cálculo del número de cruces en la carcasa ...……………………………….…….62  3.53.- Ubicacíon de la gravedad específica de la gasolina LSR según figura 3.14 …..….62  3.54.- Cálculo de la caída de presion lado carcasa ……..…………………...……………63  3.55.- Disposición del mazo de tubos ………………........……………….………………..63  3.56.- Tubos para intercambiadores de calor…………...………….....………………….64  3.57.- Espaciado de los tubos…………………...…………………..……………...…..…..65  3.58.- Distribución de los tubos ……………...………..……………………..…………….65  3.59.- Diámetro del Haz de tubos ( bundle)………………….…………………………….66  3.60.- Corazas ( Shell  Shell)…………………………………..………………………..…………67  3.61.- Deflectores……………………… ………………………………...…………………… ………...……………………………………..…..67 ………………..…..67  3.62.- Cabezal flotante………………...…..……………………………………….………69 3.63.- Distribución en el cabezal de tubos y numeración de tubos ………...…....………69  4. CAPÍTULO IV MODELADO Y SIMULACIÓN DE PROCESOS……….…….…70 4.1.- Simulador de Procesos ASPE  A SPE N H HYS YSYS YS V-7.1 V -7.1………………………………………71  4.2.- Cálculo de Intercambiadores de Calor HTRI ( H eat Tr Tra ansfe nsferr R esea sear ch, I nc .) .)…....71

 

 

5. CAPÍTULO V MATERIALES Y COSTOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL INTERCAMBIADOR 1I-1506……………..……........….76  5.1.- Placa espejo de haz de tubos frontal y posterior …………………..…………..……76   5.1.1. 5.1 .1.- Cara Caract cte erí st stii ca cass del materi al……………..…….…....………..……………..….76 

5.2.- Varillas roscadas para tesador de armazón…………………………….…………..77   5.2.1. 5.2 .1.- Cara Caract cte erí st stii ca cass del materi al…...…..…………………………………………..77 

5.3.- Deflectores……………………… ………………………...……………………… ...………………………………………………… …………………………..77 ..77   5.3.1. 5.3 .1.- Cara Caract cte erí st stii ca cass del materi al………..………………….………...…………….77 

5.4.- Tubos fluido interno vapor …………………….…………………………………….78   5.4.1. 5.4 .1.- Cara Caract cte erí st stii ca cass del materi al…………….……………………………………..78 

5.5.- Tubos espaciadores para armazón………………………..…………………………78  5.6.- Cubierta del cabezal flotante………………………………...………………………79  5.6.1. 5.6 .1.- Cara Caract cte erí st stii ca cass del materi al……………….….……………..…………………79 

5.7.- Apoyos del cabezal flotador (media lunas) ……….…….……...……………………79  5.8.- Carcasa……………………… ……………………………………...…………...……… ……………...…………...……………………………80 ……………………80   5.8.1. 5.8 .1.- Cara Caract cte erí st stii ca cass del materi al……….…………………………………………..81    ASTM SA  –  106  106  –   B B……………….…….…………………………………...…81   ASTM SA  –  105  105…………….…………………………………………………..82 

5.9.- Bridas de la carcasa extremo del cabezal estacionario y posterior …..……………82   5.9.1. 5.9 .1.- Cara Caract cte erí st stii cas cas del materi al……………...………………………………..…82 

5.10.- Tapa posterior tipo casco………………….………………………………………..82   5.10.1  5.1 0.1..- Cara Caract cte erí st stica icass del materi al………..…..……………………………………84   5.10.2  5.1 0.2..- Cas Casq quillo…………………….………………………………………………84  

5.11.- Cabezal estacionario fijo con canal……………………………….………………..84  5.11.1  5.1 1.1..- Cara Caract cte erí st stii ca cass del materi al……..………………………………………….85  5.12.- Empaquetaduras…………….…...………………………………………………….85   5.12.1  5.1 2.1..- Cara Caract cte erí st stica icass del materi al………..…..…..………………………………..85 

5.13.- Análisis de costos de materiales………..……………………………...……………86  5.14.- Costos de construcción……………………………….....…………………………..87  6 CAPÍTULO VI CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES………………....…88  6.1.- Conclusiones………..………...……………...………………..………………………88  6.2.- Recomendaciones…………………………………...………………………….……..89   

 

ABREVIATURAS Y SIMBOLOGÍA………….……………..……...…………..……….90  BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………….117 

 

 

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1: Diagrama de la unidad de alquilatos………………….......……..…………..…..5 Figura 1.2: Intercambiador 1I-1506 antiguo, con pérdidas internas de vapor...……….….…7 Figura 1.3: Tapa posterior, empaquetaduras nueva y antigua respectivamente …….….……8 Figura 2.1: Intercambiador de calor tubos en “U” de doble tubo……..…..….……........…16  cruzado…………………...…..……….….....………..17  Figura 2.2: Intercambiador de flujo cruzado…………………...…..……….….....………..17 Figura 2.3: Intercambiador de placas empacadas empacada s (PHE)…………...…..…….……..……...17 

Figura 2.4: Intercambiador de tubos fijos………..…………….….....…….………………18  Figura 2.5: Intercambiador de tubos y carcasa………….……..…........……….…..………18  Figura 3.1: Tabla de selección de intercambiadores tipo carcasa y tubos ……...………..…21  Figura 3.2:  Intercambiador de tubos y carcasa tipo AES…………………...…....………..24 AES…………………...…....………..24  Figura 3.3:  Fases del vapor como actúa eenn el I –  1506  1506………..……………….....….…….31  Figura 3.4: Variacion de temp. en un intercambiador 1-2 relacionadacon el 1I-1506..........33 Figura 3.5: Factores de correccion MLDT para intercambiadores 1 -2……..………….…..35  Figura 3.6: Factor Fc de temperatura calórica ……………….….......…..….………..……..37  Figura 3.7 A: flujo turbulento en tubos…………… tubo s………………………..……………….… …………..……………….…....……..42 ....……..42  Figura 3.7 B: flujo laminar en tubos……………….…………..…...……………..………..42 tubos……………….…………..…...……………..………..42  Figura 3.8: Monograma de viscosidad de gases para la viscosidad del vapor ……....……..44  Figura 3.9: Curva de transferencia de calor para tubos…………......……….…..…………46  Figura 3.10: Curva para la ubicación de la transferencia de calor lado tubos………...…....47  Figura 3.11: Calentamiento, enfriamiento y flujo laminar isotérmico…….…….…………49   Figura 3.12: Temperatura de la pared del tubo ………..……………...…...………………..49  Figura 3.13: Monograma de viscosidad de gases para encontrar la viscosidad de la pared del tubo lado vapor ……………………………………..…………51 ……………………………………..…………51  Figura 3.14: Monograma de viscosidad de líq uidos de fracciones de petróleo ……......…..53  Figura 3.15: Factores de fricción para el lado de los tubos ………...…………….…….…..59  Figura 3.16: Factores de fr icción icción lado de la carcasa...……….……...……..…………….....61 carcasa...……….……...……..…………….....61  Figura 3.17: Gravedades específicas de hidrocarburos…….……………...……………….62 hidrocarburos…….……………...……………….62  Figura 3.18: Tubo rolado………………………………………….……..……..…………..63  Figura 3.19: Con inserto casquillo roscado…………...………….………….....…………..63  Figura 3.20: Arreglos comunes para los tubos de intercambiadores ……..……..……….....64  Figura 3.21: Forma de medición del paso entre tubo a tubo ……….……….……..……….65   

 

Figura 3.22: Espejo frontal del haz de tubos……………………....……………..…..…….67  Figura 3.23: Ar mazón mazón espaciador espacia dor de deflectores………………………...………..……… deflectores………………………...………..……….68 .68   Figura 3.24: Detalle de deflectores segmentados……..….…...…..…….………………….68  Figura 3.25: Ensamble de anillo abrazadera ab razadera dividido……………………….…..……...….69  Figura 4.1: Introducción de da tos al programa HTRI…………...……….………...………72 HTRI…………...……….………...………72  Figura 4.2: Diseño gráfico del programa HTRI………...………………….…...……….…75 HTRI………...………………….…...……….…75  Figura 4.3: Diseño general del intercambiador programa HTRI…...………....………...…75  Figura 5.1: Placa espejo de haz de tubos frontal ………………………….…..……………76  Figura 5.2: Mazo de tubos ar mado mado con espaciadores…………….…….…….…………….78 espaciadores…………….…….…….…………….78  Figura 5.3: Tapa cabezal flotante………………………………….…....…….…...………..79  Figura 5.4: Cabezal flotante armado completo………………………..…....……...……….80 completo………………………..…....……...……….80  Figura 5.5: Tubo central carcasa del intercambiador…..….…………..……………………81 intercambiador…..….…………..……………………81  Figura 5.6: Bridas de la carcasa extremo del cabezal estacionario y posterior …….…....…82 …….…....…82  Figura 5.7: Material en Bruto para la construcción de la tapa posterior…….………..……83  Figura 5.8: Intercambiador armado listo para pintar……………..………….……..………83 pintar……………..………….……..………83  Figura 5.9: Cabezal estacionario fijo con canal …………………..………..…....………….84 

 

 

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1: Porcentajes para la obtención de la gasolina de aviación………..…..…..…...…….4 Tabla 1.2: Reporte de intervenciones de mantenimientos correctivos al 1I-1506.…..….....….8  Tabla 3.1: Informe de analisis de laboratorio propiedades del hidrocarburo……....…...…....25  Tabla 3.2: Propiedades del hidrocarburo (Parte 1)………....…………...……......….……....26 1)………....…………...……......….……....26   Tabla 3.2: Propiedades del hidrocarburo (Parte 2)………....………….....……....….……....27 2)………....………….....……....….……....27   Tabla 3.2: Propiedades del hidrocarburo (Parte 3)………....…..………...……...…..……....28  Tabla 3.3: Diferencia de temperaturas……………………...……………….… temperaturas……………………...……………….…………...….34 ………...….34  Tabla 3.4: Datos de tubos para condensadores e intercambiadores de calor  ca lor ….......……….....39 ….......……….....39  Tabla 3.5: Coordenadas X, Y de viscosidad de gases ……………………………..…..…..…43  Tabla 3.6: Coordenadas X, Y de viscosidad de gases …………………….....…..…...………50  Tabla 3.7: Coordenadas X, Y de viscosidad de fracciones fraccione s del petróleo......……..…………..52  Tabla 3.8: Coeficientes globales de transferencia de calor “Uc”…………..………… “Uc” …………..……………...…55 …...…55  Tabla 3.9: Factores de obstrucción……………...………………...……...…………………56  Tabla 3.10: Sumario de los coeficientes requeridos generales ……………..…..……………57  Tabla 3.11: Línea de saturación del vapor (volumen especifico)……………..…….…… e specifico)……………..…….…….…58 .…58   Tabla 3.12: Constantes para el cálculo del diámetro del haz de tubos ……….....…..……….66  Tabla 4.1: Sumario de datos calculado calcu lado en el programa HTRI……..………..……………….73  Tabla 4.2: Resultados finales de cálculo c álculo programa HTRI……..…………….....………..…..74  Tabla 5.1: Dimensión de los tubos para carcasas………..……...…………..……………….80  Tabla 5.2: Característica del material de las empaquetaduras…..…...……..……...…...… empaque taduras…..…...……..……...…...……85 …85   Tabla 5.3: Costos de materiales extraída del departamento depa rtamento de almacenes…..…….……..….86 

 

 

ÍNDICE DE ANEXOS ANEXO 1: Cabezal estacionario fijo con canal…..……………………….…….….………95 canal…..……………………….…….….………95   ANEXO 2: Placa espejo de haz de tubos frontal….……………….………………….…….96 frontal….……………….………………….…….96  ANEXO 3: Varillas roscadas para tesador de armazón……………………………….……97 armazón……………………………….……97   ANEXO 4: Tubos espaciadores para p ara armazón……………………………………..…...…..98 armazón……………………………………..…...…..98  ANEXO 5: Deflector………………………………………………………..………..……..99  ANEXO 6: Ensamblaje armazón mazo de tubos………………………………........…….100  ANEXO 7: Tubos de mazo……………………………………………………… mazo…………………………………………………………....…..101 …....…..101  ANEXO 8: Placa espejo de haz de tubos posterior………………………………..………102 posterior………………………………..………102  ANEXO 9: Apoyos del cabezal flotador (media lunas)…………………...………..… lunas)…………………...………..……..103 …..103   ANEXO 10: Cubierta del cabezal flotador……………………...…...…………….………104 flotador……………………...…...…………….………104  ANEXO 11: Empaquetadura de cabezal flotante…..……………………………..……….105 flotante…..……………………………..……….105   ANEXO 12: Ensamble mazo de tubos……………………………………………..……...106 tubos……………………………………………..……...106  ANEXO 13: Tubo central ce ntral de carcasa………………………..……………………..…..… carcasa………………………..……………………..…..….107 .107   ANEXO 14: Albardilla de soporte del equipo……..……………………………...………108  ANEXO 15: Brida de la carcasa extremo del cabezal c abezal estacionario………..………..….…109 ANEXO 16: Brida de la carcasa extremo del cabezal c abezal posterior…..…………….……...…110 posterior…..…………….……...…110   ANEXO 17: Casquillo de tapa ta pa posterior tipo casco………..……………………..….……111  ANEXO 18: Brida en la cubierta posterior del casco……………………………………..112 casco……………………………………..112   ANEXO 19: Tapa posterior tipo casco…………………………...………...………….…..113  ANEXO 20: Empaquetadura entre mazo y carcasa………..……………………….……..114  ANEXO 21: Empaquetadura entre cabezal fijo y mazo de tubos………..…………..……115  ANEXO 22: Ensamble general del I - 1506 intercambiador de tubo y carcasa………...…116

 

 

RESUMEN El presente proyecto describe los recursos que se utilizaron para el diseño e implementación del intercambiador 1I-1506 aplicado al área de alquilatos en YPFB Refinación S.A.  Los conceptos generales sobre la industria de los hidrocarburos, referente, más propiamente dicho a la producción de gasolina de aviación y en especial el área de alquilatos, alquilatos , son analizados con detalle para tener una mejor comprensión del tema estudiado. El problema existente es la presencia prese ncia de agua en forma de condensado de vapor eenn el alquilato, eso debido al mal funcionamiento de uno de los intercambiadores específicamente hablando del intercambiador 1I-1506, cuya deficiencia es el diseño de la empaquetadura y la tapa  posterior que fue diseñado alrededor del año 1979, ya que no cumple con la tarea de sellar los dos fluidos: tanto el vapor como el alquilato, al mismo tiempo evitar las pérdidas externas e internas. Para la solución del problema, se mejoró el diseño del intercambiador empleando estudios descriptivos y cálculos térmicos, buscando especificar las propiedades importantes de los cambios de temperatura a los que son sometidos, las pruebas de análisis de laboratorios y software nos dieron datos científicos fiables. En la construcción y el diseño del intercambiador se empleó la norma TEMA ( Tubular  Exchanger Manufacturers Associations, Inc.) para la confiablidad.

Obteniendo como resultado un sellado hermético de los dos fluidos. Las normas internacionales API ( American  American Petroleum Institute), exige el uso de intercambiadores de calor que representen seguridad en el manejo de los diferentes hidrocarburos.

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ABSTRACT The present project, describes the resources that were used for design and implementation of the interchanger 1I-1506 applied to the alquilatos unit in YPFB Refinación S.A.  The general concepts about the hydrocarbon industry, referring to gasoline of aviation and especially in the unit of alkylates, are analyzed carefully in order to have a better comprehension of the studied subject. The existent problem is the presence of water in form of condensed of vapor in the alkylates, that due to the bad operation of one of the interchangers specifically speaking of the interchanger 1I-1506 whose deficiency is since the design of the packing and the later cover that it was designed around the year 1979, doesn't fulfill the task of sealing the two fluids: as much the vapor as the alkylates, at the same time to avoid the external losses and you intern. To solve the problem, exchanger design was improved using descriptive and thermal calculations, looking specify the important properties of temperature changes to which they are subjected, testing laboratories and analysis software gave us reliable scientific data. In the construction and design of exchanger was used for standard TEMA (Exchanger Manufacturers Associations Tubular. Inc.) driveability. Resulting in a tight seal of the two fluids. International standards API (American Petroleum Institute), It requires the use of heat exchangers representing safe handling of different hydrocarbons.

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1. CAPÍTULO I

INTRODUCCIÓN

Es importante conocer nuestro mercado local en B Bolivia olivia para el desarrollo de nuestro  proyecto:  diseño e implementación del intercambiador 1I-1506 aplicado a la unidad de alquilatos para la producción de la gasolina de aviación. La industria del petróleo en nuestro país está manejada por la la Corporación  YPFB una de sus compañías es la parte de YPFB REFINACIÓN S.A.  Como la más importante del país, la Refinería Gualberto Villarroel de Cochabamba, que está destinada a la refinación del Petróleo Virgen de origen parafínico. Es la única planta en Bolivia Bolivia que produce la gasolina de aviación con estrictos parámetros de calidad tanto en rendimiento como de análisis de laboratorio, para una mejor comprensión del problema relataremos brevemente la obtención de la gasolina de aviación y posteriormente detallaremos el problema.

1.1 Descripción de las unidades La Planta de Carburantes tiene la finalidad de procesar la materia prima (Petróleo natural o Virgen) que llega a través de Oleoducto OSSA I a fin de obtener productos para su comercialización; como ser gasolinas, kerosene, diésel Oíl, gasolina de aviación y otros carburantes. La planta se compone de las siguientes unidades: Tanques de almacenamiento de productos, subproductos y crudo. Unidad de crudo. Unidad de recuperación de gases. Unidad de hydrobon –  platforming.  platforming. Planta AVI-GAS (donde se obtiene la gasolina de aviación).

1.2 Descripción de la planta de “AVI-GAS 100/130”  Las tres unidades que conforman la planta de “AVIGAS 100/130” son:   

Unidad de redestilado de platformado.

 

Unidad de alquilatos (isómeros de n-hexano).

 

Unidad de isopentano (deisopentanizadora).

3

 

Los porcentajes en que deben ser agregados cada uno de los componentes lo muestra la Tabla 1.1 para obtener una gasolina de aviación de calidad excelente. Tabla 1.1: Porcentajes para la obtención de la gasolina de aviación Redestilado de platformado

55 %v.

Isopentano

30 %v.

Isómeros de n-hexano (alquilatos)

15 %v.

Tetraetilo de plomo

1,06 ml/lt.

Anti-oxidante

------------

Colorante verde

-----------------------  

Fuente: “Refinería Gualberto Villarroel”, 2013  

1.2.1.1.2. 1.- Unid ni dad de isóm isóme er os d de e n-hexano ( i sop soparafi arafi nas o alq alqui uilat latos) os)

La unidad de isoparafinas o más conocida como de alquilatos  se puso en servicio el año 1986. Las columnas de destilación son equipos de unidades antiguas que fueron adaptadas al  proceso de obtención de isómeros. isómer os.  Tiene una capacidad de 1075 barriles por día. El objetivo de esta unidad es obtener isómeros de n-hexano (comercialmente conocidos como alquilatos) a partir de gasolina LSR para su utilización posterior en la preparación de gasolina de aviación (Manual de pro proceso ceso para operadores Refinería Gualberto Villarroel 2006).

1.3.- Proceso de obtención del alquilato   La unidad de recuperación de isoparafinas trabaja con un proceso de isomerización de nhexano; esto quiere decir que las cadenas lineales de hidrocarburos como el n-hexano se convertirá en cadenas ramificadas como el 2,2 dimetil-butano con el objeto de elevar el octanaje de la gasolina. 4

 

Figura 1.1: Diagrama de la unidad de alquilatos

Fuente: “R efinería efinería Gualberto Villarroel” 2013  La gasolina liviana L.S.R proveniente del tanque TK-2908 posee un base parafínica que es calentada por un intercambiador (I-1502) que cede calor al fondo de la torre T-1501; después se dirige a la alimentación de la torre (T-1501) donde sufrirá otra destilación. Como se utiliza la misma torre (T-1501) para el proceso de recuperación de isopentano y alquilato, y además se alimenta con la misma carga se debe diferenciar los dos procesos por las condiciones operativas; para la obtención de isopentano aumentaremos la presión y temperatura para sacar mayor cantidad de livianos por cabeza, no siendo así para la obtención de isómeros del hexano, ya que bajamos ba jamos la temperatura y por ende la presión y de esta manera tendremos mayor cantidad de pesados por la cabeza de la torre T-1501. El corte de cabeza contiene desde trazas de propano, butano, n-pentano, isómeros del  pentano y del hexano que salen a una temperatura de 65 °C, se envía directamente al acumulador donde para controlar la presión, la carga será enfriada por los enfriadores (E-1501 (E -1501 A/B) para entrar al acumulador (D-1501) con una presión interna de 0.8 Kg/cm 2.

5

 

Luego es transportada por la bomba 1P-1501 A/B; desde acá se bombeará este corte a la cabeza de la torre (T-1501) aumentando la presión para servir de reflujo y el excedente se envía al intercambiador I-1506 donde intercambiará calor con vapor de alta presión presión   sobre calentado (276°F y 41 PSI) y así se caliente antes de entrar a la torre T-1504 como alimentación. Con respecto al corte de fondo de la torre 1T-1504 que contiene normal hexano y algo de n pentano (temperatura de fondo= 110°C); es enviado por la bomba 1P-1509 A/B a un intercambiador (I-1507) donde adquirirá calor del vapor de alta presión (250 Psi) para regresar a la torre como recirculación para calentar el fondo de dicha torre. El excedente es bombeada al intercambiador I-1502 donde cederá calor a la carga de LSR y  posteriormente pasa por el enfriador enfria dor E-1502 para dirigirse a su respectivo tanque de Slop. En esta torre (T-1504) tendremos otra separación donde por cabeza obtenemos sólo pentano (temperatura de cabeza= 58°C) que se envía mediante la bomba 1P-1508 A/B a tanque para la producción de gasolina especial. Por el fondo de la torre, tendremos los isómeros del hexano (2,2 dimetil-butano, 2,3 dimetil butano y 2 metíl metíl-pentano -pentano como isómeros más importantes) con un octanaje entre 81 y 82 de RON; además este producto saldrá con una pureza de 85% como mínimo con una temperatura de 90°C. Actualmente, la T-1504 trabaja con una Tensión de Vapor REID (TVR) que oscila entre 6 y 7 Psi. Parte del fondo de esta torre es utilizada como recirculación (temperatura de reflujo= 91C°) calentada con vapor en el intercambiador I-1507. La parte restante se denomina alquilato que también es bombeada por la bomba 1P-1509 A/B y es enfriada en el enfriador E-1508 que sale del proceso y es enviada a almacenaje (TK-074) (Manual de proceso para operadores Refinería Gualberto Villarroel, 2006).

1.4.- Antecedentes del problema  El problema es la presencia de agua en forma de condensado de vapor en el alquilato influyendo de sobre manera en la operación ya que no se podía controlar el proceso de obtención del alquilato. Esto se debía al mal funcionamiento del intercambiador 1I-1506 (equipo utilizado para calentar la alimentación de una de las columnas de destilación), que se tenía que intervenir con mantenimientos correctivos cada 3 meses. 6

 

Figura 1.2: Intercambiador 1I-1506 antiguo, con pérdidas internas de vapor

Fuente: “R efinería efinería Gualberto Villarroel” 2014  Como parte de mi responsabilidad siendo encargado del mantenimiento mecánico nos  propusimos hacer una se serie rie ddee pru pruebas ebas cambiando el tipo de empaquetadura, pero el diseño de la tapa tiene una arista viva que debe ser apretada con un torque limitado, el trabajo de esta arista es empujar la empaquetadura contra las paredes de la carcasa y lograr el apriete hermético. Cuando uno aprieta el torque más de lo permitido la arista va guillotinando la empaquetadura de teflón, se realizó cambio de otro tipo de empaquetadura, empaquetadur a,

pero sin

resultados positivos. A consecuencia de esta contaminación se debe cambiar dicha empaquetadura, según correo adjunto de la Gerencia de Mantenimiento Mecánico como solicitud por mi parte se realizaron varias intervenciones en muy poco tiempo, ya que los equipos estáticos como intercambiadores, acumuladores, torres, etc., se deben intervenir cada 4 años mínimamente. 7

 

Tabla 1.2: Reporte de intervenciones de mantenimientos correctivos al 1I-1506  1I-1506  Revisión (Prueba hidráulica de carcaza)   Revisión (Colocado de ciegos, vaporizado, Prueba hidráulica lado carcasa y lado tubos, cambio empaquetadura de teflón)   Colocado de placas ciegas para vaporizado, Revisar intercambiador Prueba hidráulica lado tubos, prueba hidráulica carcaza.  Colocado de placas ciegas, Revisar intercam intercambiador biador (Prueba hidrául hidráulica), ica), desmontaje de tapa campana rectificado y fabricado depresenta empaquetadura cobre presenta perdida, cambio de empaque de teflón perdida de se aumentó al anillo empaque en plancha 1/32" , Revisión de intercambiador (Perdida por tapa flotante)   Revisión de intercambiador (Empaquetadura de tapa de teflón en mal estado)  Revisión de intercambiador (Empaquetadura de tapa de teflón en mal estado, cambio)  Revisión de intercambiador (Empaquetadura de tapa de teflón en mal estado) 

03/02/2011 07:30  16/02/2012 07:30  02/04/2012 07:30 

16/05/2012 07:30  30/07/2012 07:30  02/01/2014 07:30  07/03/2014 07:30  23/08/2014 07:30 

Fuente: Gerencia Mantenimiento Mecánico refinería “Gualberto Villarroel”, 2014

1.5.- Problema a solucionar La deficiencia del intercambiador antiguo era el diseño de la tapa posterior  y la

empaquetadura de teflón, ya que tienen la tarea de sellar los dos fluidos, internamente el vapor con la gasolina liviana, y evitar las pérdidas externas.

Figura 1.3: Tapa posterior, empaquetaduras nueva y antigua respectivamente

La empaquetadura de teflón está en contacto con el vapor de alta presión que es reducida mediante la válvula de control que reduce de 250 PSI a 40 PSI. 8

 

Cuando es nueva, esta empaquetadura sella de manera óptima. Esto dura por unos 4 procesos degradándose de manera evolutiva en cada proceso de refinación. Esto porque el teflón es un material sin memoria, sometido a alta temperatura va deformándose y no recupera sus  propiedades, al punto de contaminar con taminar el producto.

1.6.- Hipótesis  El problema nos muestra que la presencia de agua en el alquilato cuando no sella la empaquetadura, no permite la la operación normal. En consecuencia, ocurren problemas en el el  proceso, falla por contaminación con agua que viene del intercambiador 1I-1506 como condensados de vapor. Este intercambiador fue diseñado para una baja producción de gasolina de aviación, hoy en día la demanda de la gasolina de aviación ha crecido en gran escala y el procesarla es más frecuente. Esto implica que los mantenimientos al equipo sean frecuentes en el año, lo que no debería ocurrir porque los tiempos de campaña para el mantenimiento son aproximadamente 4 años  para la intervención de los equipos estáticos como son los intercambiadores, enfriadores, acumuladores, torres, etc. Para la solución de nuestro problema, eliminación de la presencia de agua en el alquilato, debemos mejorar el diseño del intercambiador.

1.7.- Objeto En el mundo moderno actual se necesita equipos que den confiabilidad en las operaciones de  producción a aalta lta escala e scala para este fin es e s nuestro empeño eestudiar studiar la transferencia transfe rencia de calor calo r y obtener un diseño de intercambiador que garantice la producción que el consumidor final requiere y solucionar el problema de la contaminación de la gasolina de aviación con condensado de vapor que comercializa la Refinería Gualberto Villarroel.

1.8.- Objetivo general  Diseñar y construir un intercambiador que sea capaz de sellar herméticamente los fluidos: tanto del vapor como del producto con sus respectivas empaquetaduras y accesorios. Así  permitiendo una confiabilidad

9

 

1.9.- Objetivos específicos   

Selección del intercambiador según norma TEMA. ( Tubular Exchanger  Manufacturers Associations, Inc.).

 

Realizar el diseño térmico mediante el cálculo de intercambiadores.

 

Realizar el diseño mecánico a partir de los resultados obtenidos en el programa “CAD SOLIDWORK S S””.

 

Simular el proceso del intercambiador utilizando el software HTRI ( Heat Transfer    Research, Inc.).

 

Construcción del intercambiador y puesta en funcionamiento de operación óptima.

1.10.- Metodología de investigación El tipo de metodología que utilizaremos es cuantitativo, está asociada a la disponibilidad de fuentes de información confiables y soportadas con el rigor científico necesario para asegurar su validez, siendo éste un paso esencial para la programación y planificación de la investigación en función de asegurar el logro de los objetivos propuestos. Para cumplir los objetivos especificados, se utiliz utilizará ará una metodología sistem sistemática ática y concreta, concreta , orientada a la  realización del proyecto en sus distintas etapas, que se explican a continuación. 1.10.1.- T i po d de e i nvestig nvestiga ación ci ón

Considerando la clasificación más aceptada a nivel de la investigación:

Descriptiva: El propósito de nuestra investigación es describir situaciones situacio nes y eventos. Es decir, cómo se manifiesta el determinado fenómeno de la contaminación del producto con el vapor. Los estudios descriptivos buscan especificar las propiedades importantes de cualquier fenómeno en el intercambiador que sea sometido a análisis, el estudio descriptivo medirá de manera independiente las variables a los que se refieren. Aunque desde luego, pueden integrar las mediciones de cada una de dichas variables para decir como es y cómo se manifiesta el fenómeno y sus atributos de interés (Campus. Fca. Uncu. Edu. Ar, 2006). Atendiendo a esta clasificación, este trabajo dirigido realiza una investigación exploratoria del estado del arte de las tecnologías de los intercambiadores de calor para lograr la solución a la contaminación de la gasolina de aviación.

10

 

1.10.2.- D i se seño ño d de e la i nve nvest stii g ació ci ón 

La investigación desarrollada en este trabajo está orientada a solucionar un problema específico.  

Realizar el diseño térmico mediante el cálculo de intercambiadores. Es inicialmente un método hipotético deductivo.

 

Obtener y aplicar el modelo de diseño del intercambiador con el Software HTRI ( Heat  Heat Transfer Research, Inc.) a partir de información obtenida mediante recolección de

datos.  

Aplicar la norma que rige a nivel mundial para la construcción de intercambiadores TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Associations, Inc.) que especifica con detalle los tipos de materiales que pueden aplicarse para diferentes usos, técnicas de diseño y métodos de construcción.

 

Prueba, verificación y aplicación de resultados obtenidos.

El tipo de estudio que conlleva este proyecto es el estudio propositivo, debido a que se  plantea y se propone la solución a un problema específico.

11

 

2. CAPÍTULO II

DEFINICIONES

2.1.- Fundamentos teóricos utilizados en el diseño Para el diseño se requiere conocimientos previos de las propiedades fisicas de los intercambiadores de calor con los cuales se trabajaran. Al conocer las propiedades u ecuaciones que rigen su comportamiento esto permitira resolver cualquier problema de transferencia de calor que se pueda presentar en el diseño del intercambiador. intercambiador. Se define a continuacion varios conceptos importantes.

2.2.- Trasferencia de calor  La ciencia de la termodinámica trata de las transiciones cuantitativas y reacomodos de energía como calor en los cuerpos de  materia. La ciencia de la transferencia de calor está relacionada con la razón de intercambio de calor entre cuerpos calientes y fríos llamados  fuent  fue nte e y rec rece eptor. Para nuestro propósito es necesario comenzar  el estudio con información

 básica acerca de unos cua cuantos ntos fenómenos. Las fases de una sustancia sustanc ia simple, sólida, líquida líq uida y gaseosa, están asociadas con su contenido de energía. En la fase sólida, las moléculas o átomos están muy cercanos, dando esta rigidez. En la fase líquida existe suficiente energía térmica para extender la distancia de las moléculas adyacentes, de manera que se pierde la rigidez. En la fase de gas, la presencia de energía térmica adicional resulta en una separación relativamente completa de los átomos o moléculas, de manera que pueden permanecer en cualquier lugar de un espacio cerrado. También se ha establecido que, dondequiera que ocurra un cambio de fase fuera de la región crítica, se involucra una gran cantidad de energía en esa transición (Kern, 1999). En consecuencia analizar los fundamentos que rigen la transferencia de calor, los aspectos  básicos del diseño de equipos asociados a la transferenc transferencia ia de calor, y las funciones que cumplen en los procesos industriales, son aspectos claves para el desarrollo del estudio de nuestro proyecto.

2.3.- Mecanismos de la transferencia de calor Hay tres formas diferentes en las que el calor puede pasar de la fuente al recibidor, aun cuando muchas de las aplicaciones en la ingeniería son combinaciones de dos o tres. Estas conducci ucción, ón, conv conve ecci cción ón y rad radii ación (Kern, 1999).  son, cond

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2.4.- Aplicaciones  Un equipo de transferencia de calor cumple una función de cambiar la entalpía de una corriente. En otras palabras, un intercambiador transfiere calor entre dos o más corrientes de  proceso a diferentes temperaturas. Usualmente, no existen partes móviles en un intercambiador de calor. Los intercambiadores de calor son muy variados y reciben diferentes nombres: • Intercambiador de calor : Realiza la función doble de calentar y enfriar dos fluidos. • Condensador: Condensa un vapor o mezcla de vapores. • Enfriador: Enfría un fluido por medio de agua. • Calentador: Aplica calor sensible a un fluido. • Rehervidor : Conectado a la base de una torre fraccionadora proporciona el calor que se

necesita para la destilación. • Vaporizador:

Un calentador que vaporiza parte del líquido. 

2.5.- Clasificación Un Intercambiador de calor es un equipo utilizado para enfriar un fluido que está más caliente de lo deseado, transfiriendo este calor a otro fluido que está frío y necesita ser calentado. La transferencia de calor se realiza a través de una pared metálica o de un tubo que separa ambos fluidos. El diseño de intercambiadores implica la comprensión de los procesos de transferencia de calor y la consideración de diversos aspectos técnicos que analizados en forma rigurosa e integral permiten el óptimo dimensionamiento de estos equipos, en el contexto operacional del proceso en el cual serán utilizados.  2.5.1. 2.5 .1.- D e acu cue erdo al proc roce eso de tran ransfe sferen rencia cia  - De contacto directo

En este tipo de intercambiador, el calor es transferido por contacto directo entre dos corrientes en distintas fases (generalmente un gas y un líquido de muy baja presión de vapor) fácilmente separables después del proceso de transferencia de energía; como ejemplo, se tienen las torres de enfriamiento de agua con flujo de aire. El flujo de aire puede ser forzado o natural.

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- De contacto indirecto

En los intercambiadores de tipo contacto indirecto, las corrientes permanecen separadas y la transferencia de calor se realiza a través de una pared divisoria, o desde el interior hacia el exterior de la pared de una forma no continua. Cuando el flujo de calor es intermitente, es decir, cuando el calor se almacena primero en la superficie del equipo y luego se transmite al fluido frío, se denominan intercambiadores tipo transferencia indirecta, o tipo almacenador o sencillamente regenerador. La intermitencia en el flujo de calor es posible debido a que el  paso de las corrientes

tanto caliente como fría es alternado; como ejemplo pueden

mencionarse algunos precalentadores de aire para hornos. Aquellos equipos en los que existe un flujo continuo de calor desde la corriente caliente hasta la fría, a través de una delgada  pared divisoria son llamados intercambiadores tipo transferencia transferenc ia directa o simplemente recuperadores; éstos son los más usados a nivel industrial (González, 2002).

 2.5.2. 2.5 .2.- D e acu cue erdo a los los meca canism nismo os de tran ransfe sfere renc ncii a de ca calo lor  r  

Los mecanismos básicos de transferencia de calor entre un fluido y una superficie son: - Convección en una sola fase, forzada o libre. - Convección con cambio de fase, forzada o libre: condensación o ebullición. - Una combinación de convección y radiación. Cualquiera de estos mecanismos, o una combinación de ellos, pueden estar activo a cada lado de la pared del equipo. Por ejemplo, convección en una sola fase se encuentra en radiadores de automóviles, enfriadores, refrigeradores, etc. Conv Convección ección monofásica de un lado y bifásica del otro se puede encontrar en evaporadores, generadores de vapor condensadores, etc. Por su parte, la convección acompañada de radiación térmica juega un  papel importante en intercambiadores de metales líquidos, hornos, horn os, etc. (González, 2002).  2.5.3. 2.5 .3.- D e acu cue erdo al nú núm mero de fluido fluidos invo involuc lucrad rado os

La mayoría de los procesos de disipación o recuperación de energía térmica envuelve la transferencia de calor entre dos fluidos, de aquí que los intercambiadores de dos fluidos sean los más comunes, sin embargo, se encuentran equipos que operan con tres fluidos. Por ejemplo, en procesos criogénicos y en algunos procesos químicos: separación aire-helio, síntesis de amonio, et etc. c. (González, 2002). 14

 

 2.5.4. 2.5 .4.- D e acu cue erdo a la di sp spo osición de los los fluid fluido os

La escogencia de una disposición de flujo en particular depende de la eficiencia de intercambio requerida, los esfuerzos térmicos permitidos, los niveles de temperatura de los fluidos, entre otros factores. Algunas de las disposiciones de flujo más comunes son: 2.5.4.1.- Intercambiadores de calor de paso único

Se distinguen tres tipos básicos: -   Flujo en paralelo o cocorriente En este tipo ambos fluidos entran al equipo por el mismo extremo, fluyen en la misma dirección y salen por el otro extremo. Las variaciones de temperatura son idealizadas como unidimensionales Termodinámicamente es una de las disposiciones más pobres, sin embargo, se emplea en los siguientes casos: cuando los materiales son muy sensibles a la temperatura ya que produce una temperatura más uniforme; cuando se desea mantener la misma efectividad del intercambiador sobre un amplio intervalo de flujo y en procesos de ebullición, ya que favorece el inicio de la nucleación. -   Flujo en contracorriente o contraflujo En este tipo los fluidos fluyen en direcciones opuestas el uno del otro. La variación de temperatura son idealizadas como unidimensionales Esta es la disposición de flujo termodinámicamente superior a cualquier otra. -   Flujo cruzado En este tipo de intercambiador, los flujos son normales uno al otro. Las variaciones de temperatura son idealizadas como bidimensionales. Termodinámicamente la efectividad de estos equipos es intermedia a las dos anteriores (González, 2002). 2.5.4.2.- Intercambiadores de calor calo r de pasos múltiples

Una de las ventajas de los pasos múltiples es que mejoran el rendimiento total del intercambiador, con relación al paso único. Pueden encontrarse diferentes clasificaciones de acuerdo a la construcción del equipo: Paralelo - cruzado, contracorriente - paralelo, contracorriente - cruzado y combinaciones de éstos (González, 2002).

15

 

2.6.- De acuerdo al tipo de construcción de intercambiadores  2.6.1. 2.6.1 .- Intercambi  Intercambiadores adores de calor de tubería tubería doble tipo “U”  

Consiste en un tubo pequeño que está dentro de otro tubo mayor, circulando los fluidos en el interior del pequeño y entre ambos. Estos intercambiadores se utilizan cuando los requisitos de área de transferencia son pequeños.

Figura 2.1: Intercambiador de calor tubos en “U” de doble tubo  

Fuente: González, 2002  2.6.2.-I  2.6 .2.-I nt nte erca rcam mbi adores enfri nfria ados por a aii re

Consisten en una serie de tubos situados en una corriente de aire, que puede ser forzada con ayuda de un ventilador. Los tubos suelen tener aletas para aumentar el área de transferencia de calor. Pueden ser de hasta 40 ft (12 m) de largo y anchos de 8 a 16 ft (2,5 a 5 m). La selección de un intercambiador enfriado por aire frente a uno enfriado por agua es una cuestión económica, hay que consideran gastos de enfriamiento del agua, potencia de los ventiladores y la temperatura de salida del fluido (un intercambiador de aire, tiene una diferencia de temperatura de unos 15 ºF (8 ºC)). Con agua se obtienen diferencias menores. (González, 2002). 16

 

Figura 2.2: Intercambiador de flujo cruzado

Fuente: González, 2002   2.6.3. 2.6 .3.- I nt nte erca rcam mbi adores ti po placa lacass 

Llamados también intercambiadores compactos, pueden ser de diferentes tipos: • Intercambiadores de tipo placa y armazón, armazó n, similares a un filtro prensa. • Intercambiadores de aleta  de placa con soldadura, tiene una elevada área de Intercambio en

una disposición muy compacta. Por la construcción están limitados a pequeñas presiones, están compuestas de las siguientes  partes: 1 Barra de soporte. 2 Conjunto de placas y empaquetaduras. 3 Perno ppara ara compresión 4 cubierta móvil. 5 Barra de soporte. 6 Cubierta fija (González, 2002).

Figura 2.3: Intercambiador de placas empacadas (PHE)

Fuente: González, 2002 17

 

 2.6.4. 2.6 .4.- I nt nte erca rcam mbi adores de casc casco o y tub ubo os 

Hay dos tipos básicos de intercambiadores de tubo y carcaza:  

T i po fi j o o de tubos tubos esta estaci ciona onarr i os

Que tiene los tubos estacionarios y está unido a los dos extremos de los tubos fijos a la carcasa, se requiere de una junta de dilatación debido a la expansión diferencial que sufren los materiales que conforman el equipo (González, 2002).

Figura 2.4: Intercambiador de tubos fijos 

Fuente: González, 2002  

Tipo flotante

Tiene un sólo extremo de los tubos sujeto a la coraza, los problemas originados por la expansión diferencial se pueden eliminar empleando un cabezal de tubos flotantes que se mueve libremente dentro de llaa coraza o empleando tubos en forma de U en el extremo que no está sujeto. Está compuesto de las siguientes partes: 1 carcaza, 2 tubos, 3 placa de tubos, 4 deflectores, 5 deflectores longitudinales, 6 cabezal posterior, 7 cabezal fijo, 8 boquilla de carcaza, 9 boquillas para los tubos, 10 cabezal flotante (González, 2002).

Figura 2.5: Intercambiador de tubos y carcasa 

Fuente: González, 2002  18

 

Son los intercambiadores más ampliamente utilizados en la industria Química, Petrolera por estas razones vemos por conveniente usar este tipo de intercambiador. Las consideraciones de diseño están estandarizadas la norma TEMA The Tubular Exchanger manufacturers association.

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3. CAPÍTULO III

SELECCIÓN Y CÁLCULO

El papel de los intercambiadores de calor ha adquirido una gran importancia i mportancia ante la necesidad de ahorrar energía y disponer de equipos óptimos no sólo en función de su análisis térmico y del rendimiento económico de la instalación, sino también en función de otros factores como el aprovechamiento energético del sistema y la disponibilidad y cantidad de energía y de materias primas necesarias para cumplir una determinada función. Los intercambiadores de tubo y coraza son los más utilizados en las plantas de procesos, fundamentalmente porque tienen tres ventajas claves: a) permiten la utilización de grandes áreas de transferencia de calor, b) requieren mucho menos espacio para su instalación, c) reducen al mínimo los puntos de potenciales fugas (Narváez, 2014). Los intercambiadores de tubo y carcaza (o tubo y coraza) se diseñan de acuerdo a los estándares publicados por la Asociación de Fabricantes de Intercambiadores Tubulares, conocida como TEMA (T ubular ubular E  xchanger  M anufacturers  A ssociation) Asociación de Fabricantes de Intercambiadores Tubulares. TEMA presenta tres estándares para la construcción mecánica, los que especifican diseño, fabricación y materiales a utilizar en los intercambiadores de tubo y carcaza. Estos son: Clase R: Para aplicaciones en petróleo y procesos relacionados. Clase C: Para aplicaciones en procesos comerciales. Clase B: Para servicio en procesos químicos. (González, 2002). Los intercambiadores normalmente se clasifican de acuerdo con el arreglo del flujo y el tipo de construcción. construcción.   En nuestro caso usaremos los flujos contracorriente ya que es el más apropiado para el tipo de objetivo que nos trazamos.

3.1.- Código de identificación (IC) Considera 3 variables: 1.  Tipo de cabezal estacionario extremo frontal. 2.  Tipo de corazas. 3.  Tipo de cabezal extremo posterior. La Figura 3.1 nos muestra la tabla de selección según el tipo de cabezal estacionario, carcaza, y el cabezal posterior.

20

 

Figura 3.1: Tabla de selección de intercambiadores tipo carcasa y tubos

Fuente: Norma TEMA, 1999 21

 

 3.1.1. 3.1 .1.- Prim Pr ime era vari able

Tipo de cabezal estacionario: Letras: A, B, C, D, N. A) Conducto y cubierta desmontable B) Fijación con cubierta integrada. C) Conducto integrado y separador de tubo y cubierta desmontable. D) Sellado especial para altas presiones  N) Cabezal estacionario tipo N de tubos desmontables. Es la indicativa del tipo del cabezal estacionario. Los tipo A (Canal y cubierta desmontable) y

B (Casquete) son los más comunes.  3.1.2. 3.1 .2.- Se Segund gunda a vari able

Tipo de carcaza: Letras: E, F, G, H, J, K, X. E) Carcasa de un paso F) Carcasa de dos pasos (bafle longitudinal) G) Flujo cascada H) Doble flujo cascada J) Flujo dividido K) Carcasa tipo caldera X) Flujo partido Es la indicativa del tipo de carcasa. La más común es la E (carcasa de un paso) la F de dos  pasos es más complicada de mantener. Los tipos G, H y J se utilizan para reducir las pérdidas de presión en el casco. El tipo K  es  es el tipo de rehervidor de caldera utilizado en torre de fraccionamiento.  3.1.3. 3.1 .3.- Te Terce rcera ra vari able

Tipo de cabezal posterior: Letras: L, M, N, P, S, T, U, W.   L) Cabezal estacionario tipo A de tubos unidos. M) Cabezal estacionario tipo B de tubos desmontable. S) Cabezal flotante (conjunto anti retorno). P) Cabezal flotante con sello externo. S) Cabezal flotante deslizante. U) Tubo en U. T) Cabezal flotante montado axial. W) Tuberías flotantes de sellado externo. 22

 

 Nos indica el tipo de cabezal del extremo posterior, los de tipo S, T y U son los más utilizados. El tipo S (cabezal flotante con dispositivo de apoyo) el diámetro del cabezal es mayor que el del casco y hay que desmontarlo para sacarlo. El tipo T (Cabezal flotante sin contra brida) puede sacarse sin desmontar, pero per o necesita mayor diámetro de casco para la misma superficie de intercambio. El tipo U (haz de tubo en U) es el más económico, pero a la hora de mantenimiento necesita una gran variedad de tubos en stock (Hernández, 2014).

3.2.- Partes de un intercambiador Describimos a continuación en la Figura 3.2 el tipo de intercambiador AES que es el que utilizaremos. La descripción de sus componentes principales es el siguente:. 1) Cabezal estacionario fijo, canal

21) Cubierta del cabezal flotador, exterior

2) Cabezal estacionario, casquete

22) Faldón de lamina de cierre del flotador

3) Pestaña o canal p/sello

23) Brida de prensaestopas

4) Tapa plana o Cubierta del canal 5) Bridas de succ./desc. cabezal fijo

24) Empaquetadura 25) Anillo seguidor de empaquetadura

6) Placa o espejo de haz de tubos

26) Anillo de cierre hidraulico

7) Tubos

27) Bielas y espaciadores

8) Carcaza externa o tubo central

28) Deflectores desviadores o placas de apoyo

9) Tapa posterior tipo casco

29) Desviador de choque

10) Brida de carcaza cabezal estacionario

30) Desviador longitudinal

11) Brida de carcaza cabezal posterior

31) Separación de paso

12) Brida de succ./desc. dela carcaza

32) Conexión de ventila

13) Rosca p/ p/tapon tapon en la cubierta posterior posterior 33) Conexión de drenaje 14) Junta de expansión (empaquetadura)

34) Conexión de instrumentos

15) Placa de cierre del cabezal flotador

35) Albardilla de soportes del equipo

16) Cubierta del cabezal flotador

36) Talón elevador (orejas)

17) Brida del cabezal flotador

37) Ménsula de soporte

18) Apoyos del cabezal flotador

38) Vertedero

19) Anillo de cizalla dividido

39) Conexión de nivel de liquido

20) Brida de apoyo dividida

40) Soporte cabezal flotante

23

 

Figura 3.2:  intercambiador de tubos y carcasa tipo AES

Fuente: Norma TEMA, 1999 

Este tipo de equipo consiste en una carcasa cilíndrica [8] que contiene un arreglo de tubos [7]  paralelo al eje longitudinal longitudinal de la carcasa. Los tubos pueden o no tener aletas y están sujetos en cada extremo por la placa o espejo perforadas [6, 15]. Estos atraviesan a su vez a una serie de láminas denominadas deflectores ( bafles) [28] que al ser distribuidas a lo largo de toda la carcasa, sirven para soportar los tubos y dirigir el flujo que circula por la misma, de tal forma que la dirección del fluido sea siempre perpendicular a los tubos. El fluido que va por dentro de los tubos es dirigido por unos ductos especiales conocidos como cabezales o canales [31] (Hernández, 2014).

3.3.- Métodos para calcular la efectividad térmica Hay cuatro métodos del plan para calcular la efectividad termal de cambiadores de calor: 1. E-NTU método. (Efectividad de intercambio  –  Número  Número de Transferencia de Unidades) 2. P-NTU, método. (Efectividad térmica –  Número  Número de Transferencia de Unidades) 3. LMTD método. (Media Logarítmica de la Diferencia de Temperaturas) 4. Ψ-P método. Es una relación de:

24

 

3.3.1.- Método utilizado para el cálculo El método que utilizaremos para nuestro cálculo será ser á el método LMTD basado en los cálculos del Dr. Kern. Este método ha sido adoptado como un estándar por la industria la industria durante muchos años.

3.4.- Definición de las corrientes en el intercambiador 1I-1506  3.4.1. 3.4 .1.- Pro Pr opi edades fí física sicass del prod roduc uctto frí o ga gaso solina lina L SR

Para conocer las propiedades se realizar un análisis cromatográfico del de l producto al ingreso del intercambiador 1I-1506, se tomó la muestra y se llevó a laboratorios propios de la refinería.

Tabla 3.1:  Informe de analisis de laboratorio propiedades del hidrocarburo

Fuente: Refinería Gualberto Villarroel, 2014 De este análisis de la Tabla 3.1 de propiedad se introduce los datos al programa HISYS que es un simulador de análisis y de proceso y el resultado es el siguiente. 25

 

Tabla 3.2: Propiedades del hidrocarburo (Parte 1)

Fuente: Programa HYSYS , 2015 26

 

Tabla 3.2: Propiedades del hidrocarburo (Parte 2)

Fuente: Programa HYSYS , 2015 27

 

Tabla 3.2: Propiedades del hidrocarburo (Parte 3)

Fuente: Programa HYSYS , 2015

 3.4.2. 3.4 .2.- D atos prod roduc uctto fr fríí o gaso gasolina lina L SR - Temperatura de entrada del líquido frío........... TE1...........................45 ºC -

Temperatura de salida del líquido frío ………….TS2………….........65 ºC

-

Presión de entrada del producto frío…………………….…10 ,2 kgf/cm²

-

Caudal de entrada del producto………..13,22 x 41,8 (factor) = 552 BPD.  

-

Calor especifico de la Gasolina  LSR ……… ……… Cp1…….…..2,314 kJ/kg ºC 

1   = 0,5530    2,314 ˚ ∗ 4,184  ˚   –  Calor (Conversión) Cp1 –   Calor específico del líquido frío…...0,553 kcal/kg ºC 

-

Flujo másico o (Peso del flujo del fluido frío )………..... M1 = 3052 kg/h (Tabla 3.2 datos del informe final HYSYS) Conversión:

M1

   = .   = 6722,47 lb/h 28

 

3.5.- Propiedades físicas del producto caliente (vapor) El más común de los medios de calentamiento es el vapor, que en ocasiones introduce algunas dificultades en su uso, mencionaremos algunas de ellas: (1) El condensado caliente es muy corrosivo, y se debe tener cuidado para evitar que el condensado se acumule dentro del intercambiador donde el contacto con las partes metálicas causa daños. (2) Las líneas de condensado deben conectarse con bastante cuidado. Suponga que se usa vapor de escape a 5 lb/plg² y 228 ˚F p ara calentar un fluido frío a una temperatura de entrada de 100 ˚F. La temperatura de la pared del tubo estará entre las dos, pero más cerca a la del

vapor, digamos, 180°F, lo que corresponde a una presión de saturación de solamente 7,5 lb/plg²

para el condensado en la pared del tubo. Aun cuando el vapor entró a 5 lb/plg², la

 presión en el lado de vapor puede descender localmente a una presión menor que la atmosférica, de manera que el condensado no saldrá del calentador. En lugar de esto, se acumulará dentro del intercambiador hasta bloquear toda la superficie disponible para la transferencia de calor. Sin superficie, el vapor continúa sin condensarse y mantendrá su  presión de entrada lo suficiente para expeler algo o todo el condensado acumulado, restituyendo la superficie, dependiendo del diseño. La operación de calentamiento se hará cíclica y para vencer esta dificultad y obtener un flujo uniforme será necesario emplear una trampa de vapor o succión. (3) Es ventajoso en el calentamiento conectar el vapor a los tubos del calentador en lugar de a la coraza, puesto que el condensado puede, ser corrosivo, la acción se confina al lado de los tubos solamente, mientras que si el vapor se introduce en la coraza, pueden dañarse ambos. Cuando el vapor fluye a través de los tubos de un intercambiador 1-2, no hay necesidad de más de dos pasos en los tubos. Puesto que el vapor es un fluido que se condensa isotérmicamente, la diferencia verdadera de temperatura At y la MLDT son idénticas. Cuando Cua ndo se usa vapor sobrecalentado como medio de calentamiento, excepto en los desobrecalentadores, es costumbre despreciar el rango de temperatura de sobrecalentamiento, y considerar todo el calor cedido a temperatura de saturación correspondiente a la presión de operación Cuando el vapor se emplea en dos pasos del lado de los tubos, la caída de presión permitida deberá ser muy pequeña, deberá ser menos de 1.0 lb/plg². La caída de presión, incluyendo las  pérdidas de entrada y de salida a través de un intercambiador (Kern, 1999). 29

 

 3.5.1. 3.5 .1.- D atos prod roduc uctto calie calient nte e (vap (vapor)   -

Temperatura de entrada del vapor sobrecalentado….…… T VSC ………....…150 ºC 

-

Temperatura de saturación…………….………………… TSat ……...….......131 ºC

-

Temperatura de salida del vapor sub enfriado…………... TVSE …….….......…63 ºC 

-

Presión de entrada del producto caliente ……………………………..… 2,1 kgf/cm² 

-

Presión absoluta de entrada del producto caliente ……………..……….2,8 kgf/cm² Presión de salida del producto caliente…………………………..…..…1,8 kgf/cm² 

-

Calor especifico vapor sobre calentado ……………… Cp(H2O G)……….2010 j/kg ºC

-

-

1    = 0,4804    2010   ˚ ∗ 4184  ˚  Calor latente de vapor de agua ……………………∆Hvap  ………….…2257 kJ/kg.   1     2257  ˚ ∗ 4,184  =   = 539  ˚ Calor específico agua…………..…… Cp(H2O L)………..…………….... 1 kcal/kg°C 

3.6.- Cálculo flujo másico o (peso del flujo) del fluido caliente (M 2) De la ecuación de balance de calor despejamos  M2  Q1 = Q2 

M1  ∗ Cp1  ∗ (TS1   TE1)   = 2  ∗ p2 ∗ (2   1)  En nuestro caso existen tres fases del vapor, vale decir:

q1 = M2 ∗ Cp(H2O G) ∗ (TSat   TVSC) q2 = M2 ∗ ∆Hvap  q3 = M2 ∗ Cp(H2O L) ∗ (TVSE – TSat)

Fase vapor sobrecalentado. Fase de vapor saturado. Fase líquida (H2O). 

30

 

 3.6.1. 3.6 .1.- F ase sess del vapor en en la act ctua uacci ón en el i nt nte erca rcam mbiad iado or 1I 1I -15 -1506 06

Figura 3.3: Fases del vapor como actúa en el 1I-1506

₁

Variación de temp.T  ˚C 

vapor  sobrecalentado 

139˚------------------------------------------

₂

Sobre la curva de saturación. 

Tsat   131˚------------------------

63˚-------------

líquido subenfriado

Área de la superficie Para eso debemos desarrollar la ecuación en sus tres estados, vale decir: Q1 = (q1 + q2 + q3) M1* Cp1* (TS2  – – TE1) = - [ M2*Cp(H2O G)* (TSat - TVSC)+ M2*∆Hvap +M2* Cp(H2O L).* (TVSE  – – TSat) ]

Despejando M2 tendremos – TE1) = -M2*[ Cp(H2O G)* (TSat - TVSC)+ ∆Hvap + Cp(H2O L).* (TVSE  – – TSat) ] M1* Cp1* (TS2  –

∗ (TS2 – TE1) 2 =  Cp(H2O G) ∗ (TSat   MTVSC1 ∗) +Cp1∆H ∆Hvap  + Cp(H2O L) ∗ (TVSE – TSat)   Reemplazando valores tendremos:

2 =

3052 kg/h ∗ 0,553 kcal/kg°C kcal/kg°Ckcal ∗ ( 65 °Ckcal– 45 °C)   kcal 0,4804 kg °C∗ ( 131 °C – 150 °C)  539 kg + 1 kg °C∗ ( 63 °C – 131 °°CC)

M2 = 54,75 kg/h

M2

= , ,

 = lb/h

M2  = 120,6 lb/h 

31

 

3.7.- Cálculo del balance de calor

Q1 = M1  ∗ Cp1  ∗ (TS1   TE1)  Q1 = 3052 3052 kg/h ∗ 0.5 0.553 53 kcal/kg kcal/kg°C°C ∗ ( 65 °C – 45 °C) Q1 = 33755 kcal/h. Q2 = q1 + q2 + q3

Q2 = M M22 ∗ CCp( p(H2 H2OO G) G)∗∗ (T (TSa Satt  T) T)++ ∆Hv ∆Hvap ap + Cp( Cp(H2 H2OO L)∗ L) ∗ (TV (TVSE SE – TSat TSat)) 

Q2 = 54 54.75 .75 kg/h kg/h  0,4 0,4804 804 kcal kcal/kg /kg°C°C ∗ (13 (131°C 1°C – 150 150°C) °C)  539 kcal/kg kcal/kg + 1 kcal/kg° kcal/kg°CC (63°C (63°C – 131°C) 131°C)   Q2 = 33755 kcal/h.

Con este cálculo obtenido, ya podemos introducir los datos al programa HTRI (Heat Transfer  Research, Inc.) este programa tiene las cualidades de calcular todo tipo de intercambiadores

en la industria, en especial en el área petrolera.

3.8.- Comportamiento de la temperatura ∆T  Una gráfica típica de temperatura vs. longitud para un intercambiador que tiene un paso en la coraza y dos en los tubos, se muestra en la Figura 3.4 para el arreglo de tobera indicado. Respecto al fluido de la coraza, un paso en los tubos está en contracorriente y el otro en  paralelo cuando las corrientes corr ientes de proceso están en contracorriente contrac orriente y menores diferencias para flujo en paralelo. El intercambiador 1-2 es una combinación de ambos, y la MLDT para contracorriente o flujo paralelo no puede ser la diferencia verdadera de temperatura para un arreglo contracorriente-paralelo. La temperatura del fluido en la coraza puede sufrir cualquiera de dos variaciones cuando se desplaza de la entrada a la salida cruzando el haz de tubos varias veces en su trayectoria: (1) Se induce tal turbulencia que el fluido de la coraza se encuentra completamente mezclado a cualquier longitud X de la tobera de entrada, de manera que (1) se toma como la primera de las suposiciones para derivar la diferencia verdadera de temperatura en un intercambiador 1-2. Las suposiciones son: 1. La temperatura del fluido en la coraza está a una temperatura isotérmica promedio en cualquier sección transversal. 32

 

2. El área de calentamiento en cada paso es igual. 3. El coeficiente total de transferencia de calor es constante. 4. La razón de flujo de cada uno de los fluidos es constante. 5. El calor específico de cada fluido es constante. 6. No hay cambios de fase de evaporación o condensación en una parte del intercambiador. 7. Las pérdidas de calor son despreciables (Kern, 1999).

Figura 3.4: Variación de temperatura en un intercambiador 1-2 relacionada con el 1I-1506

Fuente: Kern, 1999 3.9.- Cálculo de la diferencia verdadera de temperaturas ∆T   Tabla 3.3: Diferencia de temperaturas  33

 

FLUIDO

FLUIDO

DIFERENCIA DE

CALIENTE

FRIO

TEMP.

302˚F TVSC 

ALTA TEMP.

167˚F TS1 

135˚F

∆T1 

145.4˚F TVSE 

BAJA TEMP.

116.6˚F TE1 

28.8˚F

∆T2 

156.6˚F

DIFERENCIAS

50.4˚F

106.2˚F (∆T1 - ∆T2)

 3.9.1. 3.9 .1.- Me Med di a loga logarí rí tmi ca de la di fe fere renc ncii a de temperatura raturass (M L DT) DT )

MLDT =  Ln∆T1∆T2 (∆T1/∆T2)  106,2   MLDT  =  Ln (135/28,8) MLDT = 158,28 ˚F   3.9.2. 3.9 .2.- Cál Cálcu culo lo del fa fact cto or d de e co corr rr ecci cci ón ML D T p pa ara i nt nte erca rcam mbi adores res (1 - 2)

La norma TEMA presento un conjunto de graficas que permiten un estimado manual, rápido y aproximado donde (FT) se define como el factor de corrección de temperatura para considerar la ineficiencia de un paso paralelo 3, 4, 5 etc., su valor será igual a la unidad cuando se trata de un intercambiador contra corriente puro y ante la existencia de un paso paralelo será menor que uno por consiguiente, la diferencia efectiva de temperatura será menor que la MLDT CC. “R” es el factor de rango y viene dado entre el rango de temperatura del fluido caliente y el

rango de temperaturas del fluido frio. “S” es el factor de eficiencia del intercambiador que relaciona el cambio real de temperatura

en el fluido frio con el máximo cambio que pueda tener ( Narváez,  Narváez, 2014).

R = − −   R = 156,6 50,4   R = 3,12 

TS1TE1   S = TVSCTS1 50,4   S = 302116,6 S =0,2715 

 3.9.3. 3.9 .3.- Ub Ubii cació cación n del fa fact cto or d de e co corr rr ecci cci ón de la di feren ferencia cia de temperat ratura urass según según la grá gr áfica fi ca 

FT  = 0,64 34

 

Figura 3.5: Factores de correccion MLDT para intercambiadores 1 -2

Fuente: Norma TEMA, 1999

 3.9.4. 3.9 .4.- Apl Aplii cac caci ón del fa facctor de de corr corr ecció ción n F T  p  pa   ara ML D T ∆T = MLDT • FT

35

 

∆T = 158,28 • 0,64 ∆T = 101,29 ˚F

3.10.- Cálculo de la diferencia de temperaturas para la ubicación en la Figura 3.6 Diferencia en la terminal fría 

∆T2 

Diferencia en la terminal caliente

∆T1 

28,8 135   = 0,213  3.11.- Cálculo de la constante calórica o temperatura promedio del flujo para la ubicación en la Figura 3.6  Uc = coeficiente total en la terminal fría (datos del informe final HTRI). Uh = coeficiente total en la terminal caliente (datos del informe final HTRI).

Kc = UhUc Uc  

,− ,  Kc  == 1,465, 3.12.- Ubicación de la fracción calórica Fc. en la Figura 3.6 Fc = 0,32

3.13.- Cálculo de la temperatura calórica del fluido caliente (tubos) Tc = TVSE + Fc • (TVSE - TVSC ) Tc = 145,5 + 0,32 • (302 –  145,5)  145,5) Tc = 195,58˚F 

3.14.- Cálculo de la temperatura calórica del fluido frío (carcasa) tc = TE1 + Fc • (TS1 - TE1 ) tc = 116,6 + 0,32 • (167 - 116,6) tc = 132,72 ˚F 

Figura 3.6: Factor Fc de temperatura calórica 36

 

    l   e    d   I    P    A    d   a    d   e   v   a   r    G

Fuente: Kern, 1999 

3.15.- Selección del tipo de tubos 37

 

 3.15.1  3.1 5.1..- Tub Tubo os

Los tubos para intercambiadores están disponibles con superficie lisa o aleteada. (Existe una gran variedad de tubos especiales disponibles, pero estos tubos especiales son raramente usados, por consiguiente no son discutidos en este documento). La selección de la superficie está basada en la aplicación, disponibilidad y economía del sistema. Los intercambiadores convencionales de tubo y carcaza usan tubos de superficie lisa, éstos están disponibles en cualquier tipo de material usado en la fabricación de intercambiadores y vienen en una gran diversidad de espesores; este tipo de tubos es apropiado para toda clase de intercambiadores de tubo y carcaza. Los tubos aleteados pueden ser una buena selección económica, si ésta implica el requerimiento de menor número de carcasas que el utilizar tubos lisos. En nuestro caso usaremos tubos lisos, ya que por la temperatura requerida no necesitamos mayor intercambiabilidad (Kern, 1999).  3.15.2  3.1 5.2..- L ongitu ngitud d del tub ubo o 

La selección de la longitud del tubo es afectada por la disponibilidad y el costo del mismo. Mundialmente las longitudes de tubo no mayor de 7,3 m (24 pies) son fáciles de obtener. Tubos más largos (hasta de 12,2 m (40 pies) para acero al carbono y 21,3 m (70 pies) para aleaciones de cobre pueden encontrarse en los Estados Unidos. Sin embargo, 6,1 m (20 pies) de longitud de tubo es la medida comúnmente preferida en las refinerías (PDVSA, 1995). El costo del área superficial del intercambiador depende sobre todo de la longitud del tubo. Mientras más largo sea el tubo, el diámetro del haz de tubo decrece para la misma área considerada. El ahorro resulta en la disminución del costo de las bridas de la carcasa, con un incremento nominal en el costo por una carcasa carca sa más larga. En los límites prácticos, la longitud del tubo no tiene penalidades en el costo a menos que ésta exceda de 7,3 m (24 pies) para acero y 9,1 m (30 pies) para aleaciones de cobre. Una desventaja del uso de tubos largos en unidades (como condensadores) colocados en estructuras, es el incremento en el costo por requerimientos de plataformas más grandes. Haces de tubos más largos también requieren mayor área para el lado de éstos, y por consiguiente, esto aumenta el área requerida para la  planta. Nuestra longitud ddee tubo antiguo es de 125,375 pulgadas o 10,452 pies, pero con el tipo de intercambiador que construiremos se modificara la longitud a 11,417 pies o 137  pulgadas, esto para poder pode r inplementar el cabezal flotante según diseño mecanico.  3.15.3  3.1 5.3..- D i ámetro y esp spe esor sor d de e la pared del tub ubo o

38

 

Los tubos de intercambiadores son suministrados sobre la base de un mínimo o un promedio de espesor de pared y un diámetro nominal. Para los tubos de intercambiadores, el diámetro nominal del tubo es el diámetro externo, el cual es e s fijo, el diámetro interno varía con el espesor nominal de la pared del tubo y la tolerancia del espesor de pared. El mínimo espesor de la  pared del tubo debe tener sólo tolerancias positivas, por consiguiente, el mínimo espesor es el espesor nominal de la pared del tubo. En el caso que la base sea el espesor promedio de la  pared del tubo, la tolerancia puede ser positiv positivaa o negativa; por tanto el espesor real de la pared  puede ser m mayor ayor o menor que eell espesor espe sor nomina nominal.l. La tolerancia permisible varía en función del material del tubo, diámetro, y el método de fabricación de éste (González, 2002). Se realiza una selección de los tubos de intercambiadores a utilizar en cuanto a tubos normalizados BWG - Birminghan Wire Gauge. Se selecciona mediante la tabla 3.4.

Tabla 3.4: Datos de tubos para condensadores e intercambiadores de calor

Fuente: Kern, 1999 3.16.- Datos del tubo del intercambiador antiguo 39

 

Diámetro exterior del tubo  = 3/4” o 0,750” pulgadas  Medida BWG = 12 (BWG - Birminghan Wire Gauge) Cantidad de tubos = 14 Espesor = 0,109” pulgadas  Diámetro interior = 0,532” pulgadas  Área interna = 0,223 pulgada² Longitud total del tubo = 125,375 pulgadas

3.17.- Cálculo del área de flujo de los tubos Área del flujo flujo por tubo de la Tabla 3.4 (At)= 0,223 pulgada² 

AT = 144∗ Nt ∗ At  AT = 14144∗ 0,223 ∗2 

AT = 0,0108 pies²

3.18.- Cálculo del área transversal del flujo para el lado carcasa DE carcasa = 6,653 pulgadas DI carcasa = 5,748 pulgadas de tubo = 0,75 pulgadas

AC = 1441 (π ∗4 DI2 Nt ∗ π ∗4de2)    π ∗ 5 , 7 4 8   π ∗ 0 , 7 5 1 AC = 144 ( 4 14∗ 4 ) 

AC = 0,1372 pies²

3.19.- Número de tubos 40

 

AC  Nt = AT Nt = 0,0,10372 108   Nt = 13 tubos, se redondea a 14 tubos.

3.20.- Cálculo de la masa velocidad en los tubos (sólo para caídas de presión) Caudal másico del fluido caliente ….. M2 = 120,6 lb/h

Gt = M2 AT   120,6   Gt = 0,0108 Gt = 11166,66 lb/(h)(pie²)

3.21.- Cálculo de la masa velocidad de la carcasa (sólo para caídas de presión) Caudal másico del fluido frío….. M1 = 6722,47  lb/h

Gc = M1 AC   Gc = 6722,47 0,1372   Gc = 48997,6 lb/(h)(pie²) 3.22.- Número Reynolds Cuando un líquido fluye en un tubo horizontal, puede hacerlo en forma de torbellino no localizado conocido como flujo turbulento, como se muestra en la Fig. 3.7 A graficando la velocidad local en la tubería vs. la distancia de su centro. ce ntro. Si la velocidad del líquido disminuye  bajo cierto valor determinado, la naturaleza natu raleza del flujo cambia y desaparece la turbulencia. Las partículas del fluido fluyen en líneas paralelas a lo largo del eje del tubo, esto se conoce como flujo laminar. Son sinónimos de flujo laminar, flujo viscoso, o flujo paralelo. Experimentos adicionales han indicado que el flujo laminar procede como com o el deslizamiento de 41

 

delgados cilindros concéntricos de líquido, uno dentro del otro, como se muestra en la Fig. 3.7 B. También se muestra que la distribución de las velocidades de los cilindros es parabólica con el máximo al centro aproximándose a cero en la pared del tubo.

Figura 3.7 A:  Flujo turbulento en tubos

Figura 3.7 B:  Flujo laminar en tubos

Fuente: Kern, 1999

Reynolds observó que el tipo de flujo adquirido por un líquido que fluya flu ya dentro de un tubo era influido por la velocidad, densidad y viscosidad del líquido, además del  diámetro del tubo. Por definición, la transferencia de calor por convección procede principalmente a resultado de mezclas por el flujo turbulento. El flujo laminar es, de hecho, una forma de conducción y en la práctica industrial es casi siempre deseable evitar condiciones tales como la baja velocidad de un líquido que origina flujo laminar (Kern, 1999). Los regímenes de flujo son: 1. Flujo Flujo laminar: número de Reynolds Reynolds menor que 2.100. 2. Flujo Flujo de transición: número de Reynolds entre 2.100 y 10.000. 3. Flujo Flujo turbulento: número de Reynolds mayor mayor que 10.000.

3.23.- Viscosidad del vapor en tubos

µ (tabla) = 0,0130

[Resultado de la Tabla 3.5 & Monograma 3.1]

Tabla 3.5: Coordenadas X, Y de viscosidad de gases. Para encontrar la viscosidad del vapor aplicado a la figura 3.8 42

 

Fuente: Kern, 1999  Figura 3.8: Monograma de viscosidad de gases, para la viscosidad del vapor 43

 

Temperatura calórica del fluido caliente Tc = 195,58 ˚F 

0.0130 

Fuente: Kern, 1999

44

 

µ (Monograma) = 0,0130 µ = Centipoises Centipoises  = 2 • µ (tabla)  Centipoises  = 2 • 0,0130 Centipoises = 0,026

µ vapor =

Centipoises •  2,42

µ vapor = 0,026 • 2,42 µ vapor = 0,0629

lb/(pie)(h) 

3.24.- Cálculo del diámetro interno de tubos en pies Di = 0,532 / 12

(Tabla 3.4: Datos de tubos para intercambiadores de calor)

Di = 0,04433 pies

3.25.- Cálculo del número Reynolds para tubos Ret. (Sólo para caídas de presión adimensional)

Ret= Di µ∗ Gt  0,04433∗ 11166,66   Ret= 0,0629 Ret = 7870 3.26.- Viscosidad de la gasolina LSR

µcentipoises

= 0,1934 (Datos de la Tabla 3.2: Propiedades del hidrocarburo HYSIS)

µ gasolina LSR = µ  •

2,42

µ gasolina LSR = 0,1934 • 2,42 µ gasolina LSR =

0,4680 lb/ (pie)(h) 45

 

3.27.- Diámetro equivalente para transferencia de calor (carcasa)   AC = 0,1372 pie² DI carcasa = 5,748 pulgadas

4 ∗ AC   De = (perimetro humedo) De = 4 ∗ 0,1372   0,75 (14 ∗ π ∗ 12 ) De = 0,1996 pie.

3.28.- Cálculo del número Reynolds para carcasa Rec. (adimensional)

Rec= De∗µ Gc  48997,6  Rec= 0,1996∗ 0,4680 Rec = 20897 3.29.- Cálculo del factor de transferencia de calor ( jH) lado tubos (adimensional)

Figura 3.9: Curva de transferencia de calor para tubos 

Fuente: Kern, 1999 L/D = 11,417 / 0,04433 L/D = 257,54 Rec = 20897 20897   46

 

Ubicación de factor de transferencia de calor (JH) lado tubos, según la Figura 3.8.   JH = 66  66 

Figura 3.10: Curva para la ubicación de la transferencia de calor lado tubos

Fuente: Kern, 1999 

47

 

3.30.- Calor específico ( c ) d del el producto gasolina LSR. (carcasa) ( c ) =  Mass Heat Capacity (kj/kg˚C) = 2,314 (Datos del informe Tabla 3.2)  Concuerda con la conversión.  ( c ) =  Mass Heat Capacity (Btu/lb˚F) = 0,5531 (Datos de la Tabla 4.2)

3.31.- Conductividad térmica ( K ) del producto gasolina liviana ( k ) = Thermal Conductivity (W/m-k) = 0,09852 (Datos del informe Tabla 3.2) Concuerda con la conversión.  ( k ) = Thermal Conductivity Btu/ (h)(pie²)(˚F/pie).  = 0,0569 (Datos de la Tabla 4.2)

3.32.- Cálculo de la razón de viscosidad.

ɸc = c ∗ µ/ 

 0,5531 ∗ 0,4680 ɸc = [ 0,0569 ] 

ɸc= 1,65 

˳

3.33.- Cálculo del coeficiente de de transferencia de calor del fluido externo ( ) producto gasolina liviana.

/ c ∗ µ k h˳= JH De      ɸc  h˳ = 66 ∗ 0,0569  ∗ 1,65  0,0956 ɸc h˳   = 64,81 

ɸċ 48

 

3.34.- Condensación del vapor lado tubos En el flujo laminar cuando el fluido fluye isotérmicamente, se supone que la distribución de la velocidad es parabólica. Cuando una cantidad dada de líquido se calienta a medida que se desplaza por el tubo, la viscosidad cerca de la pared de éste es menor que en la parte media. El fluido cerca de la pared se desplaza a mayor velocidad que como lo haría en flujo isotérmico y modifica la distribución parabólica de la velocidad, como se indica en la curva de calentamiento de la Figura 3.9. Si el líquido se enfría, ocurre lo contrario: el fluido cerca de la  pared fluye a menor velocidad que en flujo isotérmico, produciendo la distribución de velocidad indicada para enfriamiento (Kern, 1999).

Figura 3.11: Calentamiento, enfriamiento y flujo laminar isotérmico

Fuente: Kern, 1999  3.35.- Tw : temperatura de la pared del tubo La temperatura de la pared del tubo puede ser calculada a partir de las temperaturas calóricas cuando hi son conocidas refiriéndonos a la Figura 3.10.

Figura 3.12: Temperatura de la pared del tubo

Fuente: Kern, 1999  49

 

3.36.- Temperatura de la pared del tubo (tw ) Coeficiente medio de la película = h io  hio = 171,47 (Btu/pie² h ˚F) (Datos de la Tabla 4.2)  Tc = 195,58˚F  tc = 132,72˚F 

hio (Tc  tc)  Tw =tc+ hio+h˳ 171,47 (195,58132,72)  Tw =132,72+ 171,47+64,81 Tw = 178 ˚F 

3.37.- Cálculo de la viscocidad a la temperatura de la pared del tubo lado vapor (Sólo para caída de presión), (µw). Tabla 3.6: Coordenadas X, Y de viscosidad de gases. Para encontrar la viscosidad del vapor en la pared del tubo, aplicado a la figura 3.13

Fuente: Kern, 1999 50

 

Figura 3.13: Monograma de viscosidad de gases para encontrar la viscosidad de la pared del tubo lado vapor a: Tw = 178 ˚F 

0.0120  

Fuente: Kern, 1999

51

 

µ (Monograma) µ w =

2•

= 0,0120

µ agua

µ = Centipoises 

Centipoises = 2 • µ(Monograma)   Centipoises = 2 • 0,0120  Centipoises = 0,024

µ w  = µ  •

2,42 

µ w = 0,024 • 2,42 µ w = 0,05808

lb/(pie)(h)

3.38.- Cálculo de la razón de viscosidad en los tubos (Sólo para caída de presión)

µ vapor = 0.0629

lb/(pie)(h)

, µ vapor ɸt= [ µw ]   , 0,0629 ɸt= [ 0,05808 ]   ɸt= 1.01  3.39.- Cálculo de la viscosidad a la temperatura de la pared del tubo lado carcasa ( µw) Tabla 3.7: Coordenadas X, Y de viscosidad de fracciones del petróleo. Para encontrar la viscosidad de la gasolina LSR, aplicado a la figura 3.14  

Fuente: Kern, 1999 52

 

Figura 3.14: Monograma de viscosidad de líquidos de fracciones de petróleo a:

Tw = 178˚F 

Fuente: Kern, 1999 53

 

µ (Monograma) µw =

= 0,175

2 • µ(Monograma)

µ = Centipoises 

Centipoises = 2 •µ(Monograma)   Centipoises = 2 • 0,175 

Centipoises = 0,35

µ w  = µ   •

2,42

µw = 0,35 • 2,42 µw = 0,847 lb/(pie)(h)  3.40.- Cálculo de la razón de viscosidad lado carcasa

, µ gasolina LSR ]   ɸc = [ , µw 0,4680 ɸc = [ 0,847 ]   ɸc = 0,92  3.41.- Cálculo del coeficiente individual de transferencia de calor del fluido externo ( h˳ corregido)

producto gasolina liviana

˳   • ɸc  ɸ h˳ = 64,81  • 0,92 h˳ =

h˳ = 59,62

Btu/(h)(pie²)(˚F) 

3.42.- Cálculo del coeficiente total de transferencia de calor (Uc)

hio ∗ h˳   Uc = hio + h˳ 171,47 ∗ 59,62  Uc = 171,47 + 59,62 Uc = 44,23 Btu/( Btu/(h)(pi h)(pie²)(˚F) e²)(˚F)  54

 

Si realizamos una comparación con respecto a la tabla de valores aproximados de los coeficientes globales de transferencia de calor “Uc” , podemos notar que estamos dentro los

rangos admisibles.

Tabla 3.8: Coeficientes globales de transferencia de calor “Uc”  

Fuente: Holman, 1998

3.43.- Cálculo de la superficie de transferencia de calor, pie² Superficie por pie lineal A” = 0,1963 pies² (Dato de la Tabla 3.4)

A = Nt ∗ Lt∗ A”   

A = 14 11,417 1963 31,3761 31,3∗76111,4 pie² pie17²  ∗ 0,1963 55

 

3.44.- Cálculo del co coeficiente eficiente de d diseño iseño (UD) Q = 33755 kcal/h = 134007,35 Btu/h

∆t= 101,29 ˚F  UD =   ∗Q ∆  UD = 31,3761 134007,35 ∗ 101,29  UD = 42,166 Btu/(h)(pie²)(˚F)   

3.45.- Cálculo del factor de obstrucción combinado (R d)

 UD  Rd = Uc Uc ∗ UD Rd = 44,23  42,16  44,23 ∗ 42,16

Rd = 0,001107 0,001107   (h)(pie²)(˚F)/ Btu  El factor de obstrucción es muy bajo ya que la gasolina es un producto limpio.

Tabla 3.9: Factores de obstrucción

Fuente: Kern, 1999 56

 

Tabla 3.10: Sumario de los coeficientes requeridos generales   hio = 171,47

h exterior

h˳ = 59,62

Uc = 44,23 Btu/( Btu/(h)(pi h)(pie²)(˚F) e²)(˚F)  UD = 42,166 Btu/(h)(pie²)(˚F)  R d = Calculado

0,001107

R d = Requerido

0,0005 (Tabla 3.9)

3.47.- Caídas de presión para vapor lado tubos  Cuando el vapor se emplea en dos pasos del lado de los tubos, la caída de presión permitida deberá ser muy pequeña, menos de 1,0 lb/plg², particularmente si el condensado regresa por gravedad a la caldera. En un sistema de regreso de condensados por gravedad, éstos fluyen hacia la caldera debido a la diferencia en carga estática entre la columna vertical de vapor y la columna vertical de condensado. La caída de presión, incluyendo las pérdidas de entrada y de salida a través de un intercambiador deben calcularse tomando la mitad de la caída de presión  para el vapor, calculada en la forma usual por la ecuación (3.47) para las condiciones de entrada de vapor. Ecuación. (3.47)

∗ L ∗ n  ƒ ∗ Gt 1 ∆Pt = 2 ∗ 5,22 ∗ 10 ∗ Di ∗ s ∗ ɸt Donde n es el número de pasos, L la longitud del tubo. No se dan las desviaciones, pero la curva ha sido aceptada por la Tubular Exchanger Manufacturers Association. Al fluir de un  paso al otro, pasando por el carrete y el cabezal flotante, el fluido cambia de dirección  bruscamente por 180˚, aun cuando el área de flujo en el carrete y la cubierta del cabezal

flotante no deberán ser menor que el área de flujo combinada de todos los tubos en un solo  paso. La masa velocidad se calcula por el gasto de vapor de entrada y el área de flujo del primer  paso (que no necesariamente necesar iamente es igual al primer paso). El número de Reynolds se basa en la masa velocidad y la viscosidad del vapor como se encuentra en el Monograma 3.2. La gravedad específica usada en la Ec. Ec . (3.47) es la densidad del vapor obtenida de los datos Tabla Tab la 3.11 para la presión de entrada dividida por la densidad del agua tomada a 62,5 lb/pie. Es claro 57

 

que este cálculo es una aproximación. Sin embargo, es conservador ya que la caída de presión  por pie de longitud disminuye sucesivamente sucesi vamente con el cuadrado de la masa velocidad, mientras que la aproximación anterior supone un valor más cercano a la media de la entrada y la salida (Kern, 1999).

Tabla 3.11: Línea de saturación del vapor (volumen especifico) Temperatura ºF ºC

Pres abs. Lbf/pulg²

Volumen especifico  pies³/lb Vf  

Vg

295

146.1

62.129

0.01740

6.9423

296

146.7

63.080

0.01741

6.8438

297

147.2

64.042

0.01742

6.7470

298

147.8

65.016

0.01743

6.6518

299

148.3

66.002

0.01744

6.5583

300

148.9

67.000

0.01745

6.4663

302

150.0

69.033

0.01747

6.2869

304

151.1

71.114

0.01749

6.1134

306

152.2

73.246

0.01751

5.9456

308

153.3

75.428

0.01753

5.7834

Fuente: Tablas de Vapor 1970

3.48.- Volumen específico del vapor lado tubos (Datos de la Tabla 3.11) Temperatura de entrada del vapor 150 ºC o  o 302 ˚F son: Vg = 6,2869 pie³/lb.

3.49.- Cálculo de la gravedad específica del vapor lado tubos

S = 1/6,2869 62,5   S= 0,002544

 

58

 

3.50.- Cálculo de la caída de presión del vapor en los tubos Para

Ret = 7870 7870   Figura 3.15: Factores de fricción lado de los tubos  tubos  

Fuente: Kern, 1999  1999  Caída de presión del vapor según la figura 3.12 ƒ = 0,0007 pie²/pulg² 59

 

∗  ∗   ƒ ∗  1 ∆P (tubos) = 2   ∗ 5.22 ∗ 10 ∗  ∗  ∗ ɸ  ∗ 11,417 ∗ 2 0,0007 ∗ 11166,66 1 ∆P (tu (tubo bos)s) = 2   ∗ 5,22 ∗ 10 ∗ 0,04433 ∗ 0,002544 ∗ 1,01 ∆P (tu (tubos) bos) = 0,167 0,167 lb/p lb/pulg ulg²²  Esta es una caída de presión relativamente baja para vapor con retorno de condensados a una válvula de control y descarga al drenaje. El intercambiador es satisfactorio.

3.51.- Caídas de presión lado producto carcasa La caída de presión a través de la carcasa de un intercambiador es proporcional al número de veces que el fluido cruza el haz entre  los deflectores. También es proporcional a la distancia a través del haz, cada vez que lo cruza, se ha obtenido una correlación usando el producto de la distancia a través del haz, tomando

Ds, en pies como el diámetro interior de la carcasa y el

número de veces que el haz se cruza como N + 1, donde N es el número de deflectores. Si  L es la longitud del tubo en pies.  Número de cruces, cruce s, N+1 = longitud del tubo, pulgadas/Espaciado de los deflec deflectores, tores, pulgadas = 12 • L/B

Si la longitud del tubo es 11pies con 417 pulgadas y los deflectores se espacian 22 pulgadas  habrá 5 cruces o 5 deflectores. Siempre habrá un número impar  de cruces si las dos boquillas de la coraza están en lados opuestos de la misma, y un número par si las dos boquillas están en el mismo lado  de la coraza. Con un espaciado de los deflectores estrecho, a   intervalos convenientes como de 6 pulg. o menores, se puede omitir un deflector si el número de cruces no es un número entero. El diámetro equivalente usado para calcular la caída de presión es el mismo que para la transferencia de calor, se desprecia la fricción adicional de la carcasa. La ecuación isotérmica para la caída de presión para fluidos que se calientan o enfrían y que incluye las pérdidas de entrada y salida es:

Ecuación 3.51

∆P (carcasa) = 5,22 ƒ ∗ 10 Gc²∗∗DcDe∗ (N∗ +s 1)∗ ɸc 60

 

Donde s es la gravedad específica del fluido. La Ecuación (3.51) da la caída de presión en libras por pie cuadrado. Para permitir la solución directa de ∆P (carcasa), en lb/plg’, se han graficado en la Figura 3.13 factores de fricción dimensionales para el lado de la coraza  pie²/pulgada². Para obtener la caída de presión mediante me diante la ecuación 3.51 (Kern, 1999).

Figura 3.16: Factores de fricción lado de la carcasa Para Rec = 20897

Fuente: Kern, 1999  1999  Caída de presión lado carcasa según la figura 3.13

ƒ  = 0,00185 pie²/pulg² 

61

61

 

3.52.- Cálculo del número de cruces en la carcasa (N+1) = 12 L/B (N+1) = 12 • 11,417 / 5 (N+1) = 27,40

3.53.- Ubicacíon de la gravedad específica de la gasolina LSR según figura 3.14 Datos: 150˚F con un grado 76˚API

Figura 3.17: Gravedades específicas de hidrocarburos

Fuente: Kern, 1999 (Gravedad específica) S = 0,63

62

 

3.54.- Cálculo de la caída de presión lado carcasa Dc (interno) = 5,748 pulg/ 12 = 0,479 pies

Gc = 48997,6 lb/(h)(pie²)

ɸc= 0,92   ∗Dc∗(N+1) ∗ Gc    ƒ ∆P(carcasa)   = 5,22 ∗ 10∗Dc∗(N+1)  ∆P(carcasa) ∗ De ∗ s ∗ ɸc De = 0,1996 pies

0,00185 ∗48997,6 ∗ 0,4479 79 ∗ 27,4400 ∆P(carcasa) = 5,22 ∗ 10 ∗ 0,199 9966 ∗ 0,63 ,63 ∗ 0,9922 ∆P(car ∆P( carcas casa)a) = 0,965 0,965 lb/p lb/pulg ulg²²  3.55.- Disposición del mazo de tubos El equipo de tubo y coraza involucra la expansión de un tubo en un espejo y la formación de un sello que no fuga bajo condiciones razonables de operación. Un ejemplo simple y común de tubo expandido se muestra en la Figura 3.14. En el espejo se perfora un orificio cuyo diámetro es apenas mayor que el diámetro exterior del tubo, además se cortan dos o más hendeduras en la pared de este orificio.

Figura 3.18: Tubo rolado

Figura 3.19: Con inserto casquillo roscado

Fuente: Kern, 1999 Se coloca el tubo dentro del orificio, y se inserta un rolador expansor de tubos en el final del tubo. El rolador es un mandril rotatorio que tiene conicidad pequeña. En algunos usos industriales es deseable d eseable instalar tubos en el espejo, de manera que puedan ser fácilmente removidos, como se muestra en la Figura. 3.15. En la práctica, los tubos se empacan en el espejo mediante casquillos, y usando anillos de metal suave como empaques (Kern, 1999).

63

 

3.56.- Tubos para intercambiadores de calor Los tubos para intercambiadores de calor también se conocen como tubos para condensador y no deberán confundirse con tubos de acero u otro tipo de tubería obtenida por extrusión a tamaños normales de tubería de hierro. El diámetro exterior de los tubos para condensador o intercambiador de calor, es el diámetro exterior real en pulgadas dentro de tolerancias muy estrictas. Estos tubos para intercambiador se encuentran disponibles en varios metales, los que incluyen acero, cobre, admiralty, metal  Muntz , latón, 70-30 cobre-níquel, aluminio-bronce, aluminio y aceros inoxidables. Se pueden obtener en diferentes gruesos de pared, definidos por el calibrador BWG - Birminghan Wire Gauge. Calibrador Birmingham para espesor.

MATERIAL DE LOS TUBOS A UTILIZAR. SA 179 → Tubos de acero

BS 3274 → Otros materiales  En la Tabla 3.4 se enlistan los tamaños de tubo que generalmente están disponibles, de los cuales los de ¾” y 1”   pulgada de diámetro exterior son los más comunes en el diseño de

intercambiadores de calor.

Figura 3.20: Arreglos comunes para los tubos de intercambiadores

a)  Arreglo en cuadrado 90˚ 

b) Arreglo triangular 30˚ y rotado a 60˚ 

c) 

d) Arreglo triangular con espacios para limpieza

Arreglo en cuadrado rotado 45˚ 

Fuente: Kern, 1999

64

 

3.57.- Espaciado de los tubos Los orificios de los tubos no pueden taladrarse muy cerca uno de otro, ya que una franja demasiado estrecha de metal entre los tubos adyacentes, debilita estructuralmente el cabezal de tubos o espejo. La distancia más corta entre dos orificios adyacentes es el claro o ligadura,  y éstos a la fecha, son casi estándar. Los tubos se colocan en arreglos, ya sea triangulares o

cuadrados, como se muestra en las Figuras 3.16a y b. La ventaja del espaciado cuadrado es que los tubos son accesibles para limpieza externa y tienen pequeña caída de presión cuando el fluido fluye en la dirección indicada en la Figura. 3.16a. El espaciado de los tubos PT es la distancia menor de centro a centro en tubos adyacentes. Los espaciados más comunes para arreglos cuadrados son de 3/4 pulgada del diámetro externo. En la Figura 3.16c. El arreglo en cuadro ha sido rotado 45˚, y permanece esencialment e lo mismo que en la figura 3.16a . En la

Figura 3.16d. se muestra una modificación del espaciado triangular que permite una limpieza mecánica. Si los tubos se separan suficientemente, es posible dejar los pasajes indicados para limpieza (Kern, 1999).

3.58.- Distribución de los tubos

Figura 3.21: Forma de medición del paso de tubo a tubo

Fuente: Kern, 1999 Pt: Paso de tubo  Normalmente:

Pt = 1,50 1,50 x do   

Pt = 1,50 0,8500 1,062x 0,85

(que concuerda con el cálculo del programa HTRI).

65

 

3.59.- Diámetro del haz de tubos ( bundle) Figura 3.22: Espejo frontal del haz de tubos

Fuente: Hadimek productos, 2014 Porque las placas de partición ocupan espacio en la placa tubular, se realiza un cálculo con fórmulas empíricas que nos proporcione el diámetro de la bancada donde se situarán los tubos.

Tabla 3.12: Constantes para el cálculo del diámetro del haz de tubos

Fuente: Procedimientos de PDVSA 1994 

66

 

Estimación empírica de Db.

/₁  Db= do  [ ₁ ]   /. 14 Db= 19,05  [0,249]   Db = 118,248 mm. Dónde: Db = Diámetro de la bancada en milímetros.  Nt = Número de tubos. do = Diámetro externo de los tubos.

₁ ₁

k  , n  = Constantes empíricas. De la Tabla 3.11

3.60.- Corazas (Shell)  Las corazas hasta de 12 pulgadas de diámetro IPS se fabrican de tubo de acero sobre 12  pulgadas e incluyendo 24 pulgadas el diámetro eexterior xterior real y el diámetro nominal no minal del tubo son los mismos. El grueso estándar para corazas con diámetros interiores de 12 a 24 pulgadas inclusive, es de 3/8 pulgadas, lo que es satisfactorio para presiones de operación por el lado de la coraza hasta de 300 lb/plg². Se pueden obtener mayores gruesos para presiones superiores. Las corazas mayores de 24 pulgadas de diámetro se fabrican rolando placas de acero (Kern, 1999). 

3.61.- Deflectores  Es claro que se logran coeficientes de transferencia de calor más altos cuando el líquido se mantiene en estado de turbulencia. Para inducir turbulencia fuera de los tubos, es costumbre emplear deflectores que hacen que el líquido fluya a través de la coraza a ángulos rectos con el eje de los tubos. Esto causa considerable turbulencia aun cuando por la coraza fluya una cantidad pequeña de líquido. La distancia centro a centro entre los deflectores se llama espaciado de deflectores. Puesto que los deflectores pueden espaciarse, ya sea muy junta o muy separada, la masa velocidad no depende enteramente del diámetro de la coraza. Usualmente, el espaciado de los deflectores no es mayor que una distancia igual al diámetro interior de la coraza, o menor que una distancia igual a un quinto del diámetro interior de la coraza. Los deflectores se mantienen firmemente mediante espaciadores como se muestra en

67

 

la Figura 3.19, que consisten en un pasador atornillado en el cabezal de tubos o espejo y un cierto número de trozos de tubo que forman hombreras entre deflectores adyacentes.

Figura 3.23: Armazón espaciador de deflectores

Fuente: Kern, 1999

Hay varios tipos de deflectores que se emplean en los intercambiadores de calor, pero los más comunes son los deflectores segmentados que es muestran en la Figura 3.20.

Figura 3.24: Detalle de deflectores segmentados.

Fuente: Kern, 1999 Los deflectores segmentados son hojas de metal perforadas cuyas alturas son generalmente un un 75% del diámetro interior de la coraza. Éstos se conocen como deflectores con 25% de corte, aun cuando otros deflectores fraccionales se empleen también en la industria. Pueden ser arreglados, como se muestra: para flujo “arriba y abajo” o pueden ser rotados 90° para un flujo “lado con lado”, este último aplicable en una mezcla de líquido y gas. Es el espaciado del

68

 

deflector y no el 25% de su corte, el que determina, como se mostrará después, la velocidad efectiva del fluido en la coraza (Kern, 1999). 

3.62.- Cabezal flotante  El cabezal flotante tiene un gran número de ventajas mecánicas. Por el uso de un arreglo de anillo seccionado en el cabezal flotante de tubos y una coraza más grande que lo cubre y lo acomoda. Los detalles del anillo seccionado se muestran en la Figura 3.21. El cabezal flotante de tubos se sujeta mediante una abrazadera a la tapa de la cabeza ca beza flotante y un anillo abrazadera que se coloca detrás del cabezal de tubos, el cual está dividido por mitad para permitir desmantelarse.

Figura 3.25: Ensamble de anillo abrazadera dividido.

Fuente: Kern, 1999  3.63.- Distribución en el cabezal de tubos y numeración de tubos La distribución actual es para una coraza de 5 3/4 pulgadas. DI, con tubos de 3/4 pulgada. DE y en arreglo de paso triangular de 1,062 o 1 3/32 pulgadas. Acomodado para dos pasos en los tubos. También se muestra la colocación de las divisiones para el carrete y la tapa del cabezal flotante junto con la orientación de los pasos. Usualmente, los tubos no se colocan simétricamente en el cabezal. Generalmente, se dispone de un espacio extra en la entrada para minimizar los efectos de contracción del fluido que entra a la coraza. Cuando los tubos se distribuyen con los mínimos espacios permitidos entre las divisiones y tubos adyacentes y dentro de un diámetro libre de obstrucciones llamado el límite exterior de tubo (Kern, 1999).  

69

 

4. CAPÍTULO IV

MODELADO Y SIMULACIÓN DE PROCESOS

Muchos fenómenos naturales y procesos industriales difícilmente pueden ser reproducidos en laboratorio, y cuando son posibles los costos se tornan muy elevados, además que se necesita de equipos caros, mano de obra altamente especializada y principalmente tiempo. Una alternativa a los experimentos de laboratorio es la modelación matemática, en este caso, el problema es representado por un conjunto de ecuaciones matemáticas que tiene como objetivo prever el comportamiento del fenómeno estudiado. Estas ecuaciones son resueltas numéricamente utilizando herramientas computacionales. Un modelaje matemático posee varias ventajas en relación a procedimientos experimentales, entre estas se puede citar:  

Menor costo y tiempo de ejecución.

 

Validación de los equipos en dimensiones reales.

 

Fácil alteración geométrica y operacional.

En los últimos años, la simulación de procesos ha llegado a ser una herramienta adecuada y oportuna de apoyo para el diseño, caracterización, optimización y monitoreo del funcionamiento de procesos industriales y además su uso se está extendiendo en las instituciones de formación de ingenieros químicos electromecánicos por lo tanto, cualquier error en el procedimiento ocasionaría atrasos y costos. Existe una gran variedad de simuladores de procesos comerciales, algunos de las cuales son  poderosas herramientas de cálculo, con inmensos bancos de datos que contienen las  propiedades físicas de miles de compuestos y sustancias químicas, selección de modelos termodinámicos, cálculos de equipos (teórico y real), análisis de costo, estado de agregación y condiciones de operación, que le dan al simulador la ventaja de una gran versatilidad (Martínez, 2000). Algunos de estos simuladores de procesos. Comercial son:  

 Aspen Plus (Aspen Technology, USA), HYSYS (Hyprotech, Canada). V 7.1

 

HTRI. ( Heat  Heat Transfer Research, Inc.), cálculo de intercambiadores.

 

La modelación para el diseño mecánico a partir del programa Solidwork .

70

 

4.1.- Simulador de Procesos ASPE  A SPE N H HYS YSYS YS V V-7.1 -7.1 El simulador usado para calcular las propiedades físico químicas y termodinámicas de la gasolina LSR y vapor de Agua fue el “ HYSYS 7.1” de la empresa Aspen tech. Los resultados finales se encuentran insertados en la Tabla 4.2: Propiedades del hidrocarburo  programa HYSYS.  AspenTech  fue fundada en 1981, con el único objetivo de la comercialización de tecnología

como parte del  Advanced System for Process Engineering   (ASPEN) en el Instituto de Tecnología de Massachusetts.

Desde entonces,

AspenTech ha adquirido más de 20

compañías líderes en la industria como parte su estrategia para ofrecer una solución completa e integral a la industria de procesos. HYSYS es un software de los más avanzados en ingeniería de procesos es completamente interactivo y es posible obtener acceso a altos niveles de definición de geometría de los equipos, obteniendo resultados detallados. Hysis actualmente forma parte del grupo de módulos de simulación que actualmente ofrece ASPENTECH.

4.2.- Calculo de Intercambiadores de Calor Programa HTRI (H eat T Trr ansfer nsfer R esea sear ch, I nc ..))

Con el fin de desarrollar el análisis térmico del intercambiador existente y el diseño térmico del intercambiador nuevo se ha utilizado una herramienta muy reconocida dentro de la especialidad de procesos de intercambio de calor tal como es el software HTRI V-5 La Xchanger Suite de HTRI cuenta con módulos de cálculo descritos a continuación: “Xace” Evalúa el desempeño de enfriadores por aire geométricamente especificados.

Se usa información rigurosa mecánica del equipo. Permite flujo bifásico en tubos. el   desempeño para aquellos  aquellos  “Xist”  Diseña condensadores  condensadores  de tubo y carcaza y evalúa el  geométricamente especificados.  especificados.  Se usa y produce información  información   rigurosa mecánica del  del  equipo. Permite líquido  líquido  ebullendo en tubos   tubos “Xphe” 

Evalúa

el desempeño

de intercambiadores de placas geométricamente

especificados. Se usa información rigurosa mecánica del equipo. Fluidos monofásicos solamente. “Xspe” 

Diseña y evalúa rehervidores termosifones y de flujo forzado, con los tubos

verticales, rehervidores de flujo forzado, con los tubos horizontales, y rehervidores de placa en espiral.

71

 

Se usa y produce información rigurosa mecánica del equipo. El fluido caliente puede ser un vapor condensando. “Xfh”  Simula

el comportamiento de un horno existente, además de hacer cálculos de

combustión con cualquier tipo de combustible.  combustible.   Útil para resolver problemas operativos, evaluar diseños competitivos de vendedores, Evaluar cambios para remodelar hornos viejos, etc. Los resultados finales del programa de cálculo son los siguientes:

Figura 4.1: Introducción de datos al programa HTRI

Fuente: programa HTRI, 2010

72

 

Tabla 4.1: Sumario de datos calculado en el programa HTRI

Fuente: programa HTRI, 2010 

73

 

Tabla 4.2: Resultados finales de cálculo programa HTRI

Fuente: programa HTRI, 2010

74

 

Figura 4.2: Diseño gráfico del programa HTRI

Figura 4.3: Diseño general del intercambiador programa HTRI

Fuente: programa HTRI, 2010

75

 

5. CAPÍTULO V MATERIALES Y COSTOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL INTERCAMBIADOR 1I-1506 En este capítulo se presenta cada uno de las partes con detalles como breve descripción de trabajo, características del material del que está construido, costo del material y del maquinado en detalle de lo que forman parte para la construcción de este intercambiador el objetivo será la cotización aproximada de cada uno de los elementos que tiene el intercambiador.

5.1.- Placa espejo de haz de tubos frontal y posterior   Esta placa frontal y la otra posterior tiene la propiedad de ser insertado en las perforaciones los tubos donde circulara el vapor. En los extremos ti tiene ene la cara de los 2 espejo anverso anverso y reverso ranuraciones para el sellado hermético éntrelas cámaras de vapor y la cámara de carcaza lado producto.  5.1.1. 5.1 .1.- Cara Caract cte erí st stii cas cas del materi al

SA 516-60 son aceros para recipientes a presión resistentes al calor. Los aceros en calidad A/SA 516 Gr.60 se caracterizan por una buena soldabilidad. Se utilizan sobre todo para la fabricación de calderas, recipientes a presión y tuberías de transporte de líquidos calientes. Asimismo, ofrecen buenas propiedades en altas y bajas temperaturas. El estado de suministro del producto habitualmente es laminación controlada.

Figura 5.1: Placa espejo de haz de tubos frontal

Fuente: construcción del 1I-1506, 2014

76

 

Composición química dependerá del grado y el espesor, en nuestro caso el grado 60 tendrá la siguiente composición: carbono 0,27  –   0,31%, manganeso 0,79  –   1,3%, fosforo 0,035% máximo, sulfuros 0,035% máximo, silicio 0,13  –  0,45%.  0,45%.

5.2.- Varillas roscadas para tesador de armazón Son 4 tesadores que van al contorno distribuidos de manera equitativa en la parte posterior de la placa espejo de haz de tubos frontal insertados con una rosca de 3/8”NC. Traspasando cada ca da

uno de los deflectores a distancias paralelas uno del otro.  5.2.1. 5.2 .1.- Cara Caract cte erí st stica icass del materi al

Estas varillas son construidas de barra de acero AISI 1020. Es un acero clasificado en el grupo de los aceros bajo carbono. Su composición química le permite entregar un mejor desempeño en sus propiedades mecánicas, soldabilidad y maquinabilidad que otros aceros del mismo grupo. Tiene un rango de maquinabilidad de alrededor del 76%. Fácil de ser soldado por los procedimientos más comunes. Composición química: carbono 0,20%, manganeso 0,60  –  0,90   0,90 %, fósforo 0,04 % máximo, sulfuro 0,05% máximo, dureza: 120 - 150 HB.

5.3.- Deflectores Los deflectores son los separadores de pasos, pasos , en nuestro caso longitudinales, el tipo de arreglo que lleva es e s triangulas de 60˚, estos deflectores también sirven para soportar los tubos evitando

así el pandeo y vibración. También se incrementa el coeficiente de transferencia de calor del fluido, ya que, variando la distancia entre bafles, el diseñador puede modificar (en ciertos intervalos) la velocidad del fluido por la coraza, induciendo turbulencia. Esto también altera la caída de presión.  5.3.1. 5.3 .1.- Cara Caract cte erí st stii cas cas del materi al Estos deflectores son construidos de plancha de ¼” de espesor de acero SA –  53  53 B.  B. 

Esta especificación de acero galvanizado de grado B en la siguiente calidad de tipo E resistencia eléctrico- soldable (ERW). Composición química: carbono 0,30%, manganeso 1,20 % máximo, fósforo 0,05 % máximo, sulfuro 0,045% máximo, cromo 0,40 % máximo, níquel 0,40 % máximo.

77

 

5.4.- Tubos fluido interno vapor Proporcionan la superficie de transferencia de calor entre un fluido que fluye fluye dentro de ellos y otro que fluye sobre su superficie externa, son 14 piezas que en los extremos están soldadas en la cara frontal de la placa espejo de haz haz de tubos frontal y posterior. Se obtuvo los datos para construcción de la Tabla 3.4 calibrador BWG del tubo.

 5.4.1.- Cara  5.4.1.Caract cte erí st stii cas cas del materi al El estándar de producción de calidad del acero es ASTM SA179 A179/ASME  A179/ASME  los tubos

son desnudos, vale decir, no aletados, sin costuras, acero de bajo carbono, para intercambiador de calor, condensadores y equipos de transferencia de calor de tubos y similares.   Composición química: carbono 0,06  –   0,18%, manganeso 0,27  –   0,63 %, fosforo 0,035 % máximo, sulfuros 0,035% máximo. El tubo tendrá una dureza de 72 HRB propiedades de  prueba mecánica (resistencia a la tracción, límite elástico, alargamiento, la quema, la compresión, flexión, dureza, prueba de impacto), prueba de superficie y de dimensión. Prueba no destructiva, prueba hidrostática. Tratamiento de la superficie aceite de inmersión,  barniz y granallado.

5.5.- Tubos espaciadores para armazón  Estos tubos dan las separación exacta entre la placa espejo de haz de tubos frontal y los deflectores. El material es el mismo de los tubos fluido vapor: a cero ASTM SA179.

Figura 5.2: Mazo de tubos armado con espaciadores

Fuente: Construcción del 1I-1506, 2014

78

 

5.6.- Cubierta del cabezal flotante Es la tapa flotante que se encarga de sellar herméticamente interno el fluido que va dentro los tubos, que es el vapor y externamente el producto que es la gasolina.  5.6.1. 5.6 .1.- Cara Caract cte erí st stii cas cas del materi al

Acero ASTM SA 266 Gr. 2 (0.4~1.05). Estos materiales se usan ampliamente para las  pestañas del cuerpo, retrocediendo dispositivos de cambiadores de calor y vasos de acumuladores.   El elemento que representa la diferencia es el manganeso, tiene varias acumuladores. ventajas como aumenta fuerza tensor, dureza. El manganeso también tiende a aumentar la  proporción de penetración del carbono, car bono, capaz formar el sulfuro su lfuro del manganeso ma nganeso (Mn, S) con azufre que es beneficioso a mecanizar. Al mismo tiempo, se opone al carácter quebradizo del azufre y es beneficioso al acabado de la superficie de acero del carbono.

Figura 5.3: Tapa cabezal flotante

Fuente: Construcción del 1I-1506, 2014 5.7.- Apoyos del cabezal flotador (media lunas) Son los soportes para aprisionar al cabezal flotante contra el haz de tubos posterior estas media lunas tienen la característica de tener un ángulo en su diámetro interno este ángulo es centrado al contorno de la tapa haz de tubos posterior. El material para la construcción es el mismo que el de la cubierta del cabezal flotador ASTM SA 266.

79

 

Figura 5.4: Cabezal flotante armado completo

Fuente: Construcción del 1I-1506, 2014 5.8.- Carcasa Es el recipiente para el fluido externo es de sección transversal circular. Las corazas hasta de 12 pulgadas de diámetro IPS se fabrican de tubo de acero, como se dan en la tabla 5.1

Tabla 5.1: Dimensión de los tubos para carcasas

Fuente: Troubay & Cauvin, 1998

80

 

 posee una brida de entrada de producto p roducto de 1”150 y otra salida de producto lleva un reductor

de 1 ½” a 2” y luego viene la brida de 2”150,   usualmente en la la brida de entrada lleva una  placa de impacto, en nuestro caso no lleva por la cantidad de tubos y el espacio. En los extremos del tubo central de carcaza están soldadas las bridas de la carcasa carcasa extremo del cabezal estacionario y posterior. También consta de la albardilla de soporte del equipo para su anclaje.

Figura 5.5: Tubo central carcasa del intercambiador

Fuente: Construcción del 1I-1506, 2014  5.8.1. 5.8 .1.- Cara Caract cte erí st stii cas cas del materi al

Tubo central

SA –  106  106 –   B B

Tubo de 1”

SA –  106  106 –   B B

Reductor de 1 ½”a 2”  Bridas de 1” y de 2” 

SA –  106  106 –   B B SA –  105  105

Soporte del equipo

AISI –  1020  1020 material que se detalló en el punto 5.2.1 . 

 ASTM SA  –  106   106  –   B  Caño sin costura de presión (también conocido como ASME SA106

 para fluidos por tuberías) normalmente se usa en la construcción de aceite y refinerías de gas,  plantas de poder, plantas petroquímicas, ollas, y naves donde el conducto debe transportar los fluidos y gases que exhiben temperaturas superiores y niveles de presión. Composición química: carbono 0,25%,

manganeso 0,27  –   0,93 %, fósforo 0,035 %

máximo, sulfuro 0,035% máximo, silicio 0,10 % mínimo, cromo 0,40 % máximo, cobre 0,40% máximo, molibdeno 0,15 % máximo, níquel 0,40 % máximo, vanadio 0,08 % máximo.   máximo.

81

 

 ASTM SA  –  105  105 

Bridas de 1” y 2”, Clase 150, tipo de brida welding neck , RF, Dimensiones

 bajo norma ASME B 16.5.   1,05 %, fósforo 0,035 % Composición química: carbono 0,35% máximo, manganeso 0,60  –  1,05 máximo, sulfuro 0,040% máximo, silicio 0,10  –  0,35  0,35 % mínimo, cromo 0,30 % máximo.

5.9.- Bridas de la carcasa extremo del cabezal estacionario y posterior Estas bridas frontal y la otra posterior tiene la propiedad de ser insertados en tubo central de la carcasa tienen una guía en el orificio central con ajuste duro y posteriormente costuras de soldadura interna y externa. En los extremos tiene la ccara ara de los 2 espejos anverso y reverso ranuraciones para el sellado hermético entre la placa espejo de haz de tubos frontal y lado  posterior para el sellado de la tapa tipo campana.

Figura 5.6: Bridas de la carcasa extremo del cabezal estacionario y posterior

Fuente: Construcción del 1I-1506, 2014  5.9.1. 5.9 .1.- Cara Caract cte erí st stii cas cas del materi al

El material de construcción es acero ASTM SA 266  –  2N  2N que ya en el punto 6.6.1 se explicó con detalle.

5.10.- Tapa posterior tipo casco  Corresponde a la parte posterior del intercambiador donde sella conjuntamente con la carcasa recorre el fluido interior carcasa que en nuestro caso sería la gasolina. La brida de la carcasa extremo del cabezal posterior tiene un asiento de empaquetadura ranurado, lo mismo

82

 

que la tapa posterior tipo casco la cual en la parte intermedia lleva una empaquetadura que no  permite la pérdida de fluido hacia el medio ambiente.

Figura 5.7: Material en bruto para la construcción de la tapa posterior

Figura 5.8: Intercambiador armado listo para pintar

Fuente: Construcción del 1I-1506, 2014  

83

 

 5.10.1  5.1 0.1..- Cara Caract cte erí st stii ca cass del materi al

Brida de la cubierta posterior del casco S SA A 266  –  2N.   2N. Material que se detalló en el punto 5.6.1.  5.10.2  5.1 0.2..- Cas Casq quillo

Fabricado bajo norma ASME B 16.9. Material ASTM SA 234.  Composición química: carbono 0,30% máximo, manganeso 0,29  –   1,06 %, fósforo 0,050 % máximo, sulfuro 0,058% máximo, silicio 0,10 % mínimo, cromo 0,40 % máximo, molibdeno 0,15%, níquel 0,40%, cobre 0,40%, vanadio 0,08%.

5.11.- Cabezal estacionario fijo con canal Corresponden a la parte del intercambiador que permite la distribución del fluido que viaja  por los tubos. Tiene dos cámaras separadas. El primero que cue cuenta nta con una entrada de vapor que consta de una brida de 1” 150, dos niples y un codo. El segundo que e s la salida del vapor en forma de condensado de vapor que consta de una brida de 1” 150, dos niples y  un codo.

Figura 5.9: Cabezal estacionario fijo con canal

Fuente: Construcción del 1I-1506, 2014  

84

 

 5.11.1  5.1 1.1..- Cara Caract cte erí st stii ca cass del materi al 

Brida de cabezal estacionario fijo

SA 266 –  2N.  2N. ya descrito.

Tapa elíptica de entrada y salida de vapor con canal.

SA 266 –  2N.  2N. ya descrito.

 Niples de 1” de diferentes longitudes 

SA 106 –  B.  B. ya descrito.

Codos de 1” 

SA 106 –  B.  B. ya descrito.

Bridas de 1” 

SA 105 ya descrito.

5.12.- Empaquetaduras Las empaquetaduras son usadas como elementos de sellado, apretada contra las superficie de las bridas rellena las imperfecciones entre ellas proporcionando el sellado, cuyas fuerzas de aplastamiento inicial y fuerza de sellado, puedan confortar a las fuerzas de las bridas como son las fuerzas radiales, de separación separ ación y de los bulones. Las partes que llevan empaque empaquetaduras taduras en el equipo son las siguientes:

1.  Empaquetadura entre el cabezal fijo y el mazo de tubos 1 pieza. 2.  Empaquetadura entre mazo de tubos y carcasa 1 pieza.

espesor 1/8”  espesor 1/8” 

3.  Empaquetadura del cabezal flotante 1 pieza.

espesor 1/8” 

4.  Empaquetadura entre la carcasa y la tapa post. Tipo casco 1 pieza. espesor 1/8”  5.  Empaquetaduras para bridas de 1” ANSI 150, 3 piezas. 

espesor 1/16” 

6.  Empaquetaduras para bridas de 2” ANSI 150, 1 pieza. 

espesor 1/16” 

 5.12.1  5.1 2.1..- Cara Caract cte erí st stii ca cass del materi al

NA1002 (TEADIT) es un lámina comprimida que contiene fibra aramida, cargas de refuerzo y caucho NBR. Es un producto de uso universal indicado principalmente para derivados de  petróleo, solventes, agua, vapor saturado satur ado y productos químicos en general.

Tabla 5.2: Característica del material de las empaquetaduras  

Fuente: Teadit, 2012 

85

 

5.13.- Análisis de costos de materiales A continuación presentamos el costo de materiales en bruto extraído del departamento de almacenes gestión 2006, ya que no encontramos datos más recientes y también costo de accesorios y empaquetaduras para la construcción del intercambiador de calor:

Tabla 5.3: Costos de materiales extraída del departamento de almacenes. Refinería Gualberto Villarroel Designación

Ítem

Cant.

Costo Costo total unitario en en dólares dólares 60 60

1

Placa espejo de haz de tubos frontal

1

2

Placa espejo de haz de tubos posterior

1

40

40

3

Varillas 3/8”NC.para tesador de armazón  

4

8

32

4

Deflectores

5

4

20

5

Tubos fluido interno vapor

14

15

210

6 7

Tubos espaciadores para armazón Cubierta del cabezal flotador

15 1

0,30 70

40 70

8

Apoyos del cabezal flotador (medias lunas).

1 par

40

40

9

Carcasa. Tubo central

1

400

400

10

Carcasa. Reductor de 1 ½”a 2” 

1

40

40

11

Carcasa. Brida de 2” WN RF 

1

30

30

12

Carcasa. Niple de 1”x

1

2.5

2.5

13

Carcasa. Codo 90˚ RL R L BW 1” 

2

10

10

14

Carcasa. Niple Niple de 1”x 16” 

1

15

15

15

Carcasa. Brida de 1”150# WN RF SA 105 

1

15

15

16

Carcasa. Brida del extremo del cabezal

1

60

60

1

100

100

2 ¾” largo. 

estacionario 17

Carcasa. Bridas del extremo del cabezal  posterior

18

Carcasa.Albardilla de soporte del equipo

2

30

60

19

Casquillo de tapa posterior tipo Casco.

1

100

100

20

Brida de la cubierta posterior tapa tipo Casco.

1

100

100

21

Cabezal estacionario. Brida del cabezal.

1

60

60

86

 

Continuación de la tabla 5.3 22

Cabezal estacionario. Tapa elíptica con canal.

1

30

30

23

Cabezal estacionario. Niple de 1”x 3 ½” 

2

3,5

3,5

24

Cabezal estacionario. Codos de 1” Schedule 80  

2

10

20

25

Cabezal estacionario. Niple de 1”x 5 ½” 

1

6

6

26 27

Cabezal estacionario. Niple de 1”x 1”  Cabezal estacionario. Bridas de 1”ansi 150#  

1 2

3 15

3 30

28

Empaquetaduras en general fibra de aramida

4

20

80

29

Prisioneros de ¾”x 4” NC. B7 B7 + Doble tuercas

8

8,75

70

12

6

72

16

9

144

B16 para cabezal fijo frontal 30

Prisioneros de 1/2”x 3” NC. B7 + Doble

tuercas B16 para tapa flotante 31

Prisioneros de ¾”x 4 1/2” NC. B7 + Tuercas T uercas

B16 para tapa posterior tipo campana Costo total en dólares Americanos

1951

Fuente: Almacenes R.G.V. 2009   5.14.- Costos de construcción En el costo de construcción se utilizaría mano de obra directa de un tornero fresador, un soldador calificado y 4 asistentes técnicos propios de la empresa. Los asistentes técnicos se encargan en cargan de la selección del material adecuado, del armado de todas las piezas, de las pruebas hidráulicas y del montaje en general. El soldador calificado se encarga de las uniones de soldadura de todas las costuras bajo  procedimientos de soldadura 3G. El tornero calificado se encarga del maquinado referente al torneado que comprende cilindrados, refrentados, perforado de las diferentes bridas del intercambiador bajo medidas de planos y acabado fino. Los costos del proceso de construcción no se emiten en este documento ya que la empresa emite planillas de sueldos según categorías que no son de acceso a ningún personal.

87

 

6. CAPÍTULO VI

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

6.1.- Conclusiones  

Fabricado el intercambiador tipo tubos y coraza 1I-1506 se terminó la contaminación de la gasolina LSR con condensado de vapor de agua, cumpliendo con las especificaciones para constituirse como componente del producto final de alquilato

 para la preparación de gasolina de aviación.   Mediante el empleo del programa HYSYS se obtuvo de forma práctica las especificaciones requeridas tanto de la gasolina como del vapor; por otra parte el  programa HTRI nos sirvió como una guía comparativa del cálculo manual qu quee se realizó a un cálculo computarizado, demostrando que las ecuaciones tienen un rango de aplicación

amplio para intercambiadores frecuentemente encontrados en

refinación.  

Con la adecuación al intercambiador 1I-1506, se ha comprobado que la implementación de un cabezal flotante, el sellado independiente de los fluidos es más hermético y más confiable, por tanto la aplicación de este tipo de intercambiador mejora las condiciones mecánicas para el proceso requerido. 

 

La selección de materiales realizadas está bajo control de calidad requerido por la norma ASME, que tiende a exigencias estrictas para que soporten presiones y temperaturas y no sufran desgastes prematuros por corrosión, oxidación, erosión o por abrasión.

 

El intercambiador que se construyó tiene un peso de 680 kg. a comparación del que existía anteriormente, cuyo peso era de 590 kg. existiendo existien do un excedente de 90 kg. Este  peso excedente no afecta los soportes sopor tes de las bases. 

 

Según la mantenibilidad programada, nuestro tiempo invertido en realizar cálculos, selección, construcción e implementación, es justificable. Con las implementaciones realizadas este intercambiado, según se programe por paro de planta deberá trabajar 4 años sin interrupción, según especifica el MTBF ( Mean Time Between Faulures) o tiempo medio entre fallas. 

 

En nuestro país existe una considerable demanda en el consumo de gasolina de aviación por parte de las empresas de transporte aéreo, este producto tiene un riguroso control de laboratorio bajo exigencias que deben cumplirse, la simple

88

 

 presencia de humedad en rangos no permitidos causarían causar ían accidentes por congelación congelac ión de la gasolina en espacio aéreo.    

La presencia de vapor de agua en gasolina que es procesada en la columna de destilación de esta planta es un factor de seguridad que debería ser previsto, ya que el agua a mayores temperaturas tiende a expandirse en magnitud y si esto no es controlado podría ocasionar daños irreparables en los equipos.  

 

Las normas internacionales API exigen el uso de intercambiadores de calor que representen seguridad en el manejo de los diferentes hidrocarburos; es por esto nuestra inquietud de conocer conocer llas as normas que rigen rigen para la fabricación de de estos equipos. 

6.2.- Recomendaciones  

Para tener un control del equipo se recomienda recom ienda la implementación de un lazo de control que permita el control de la temperatura de salida de la gasolina.  

 

Se sugiere la evaluación de la posible instalación de una trampa  –  bomba  bomba de vapor de agua en la línea de salida del intercambiador para poder recuperar el agua tratada y devolverla a una línea de condensados o agua de retorno al área de servicios técnicos,  porque es una pérdida invaluable a través del tiempo, y es conocimie conocimiento nto de todos que el agua es un recurso natural que no debemos desperdiciarlo. 

 

Con el desarrollo de este trabajo se da todas las garantías que un intercambiador nuevo  podría ofrecer, ya que se emplea la misma tecnología y los tipos de materiales requeridos para las diferentes solicitudes de esfuerzo y fatiga. Con el diseño del anterior intercambiador siempre existía, cada tres meses, pérdida por empaquetadura y por tanto contaminación del producto.  

 

Las empaquetaduras de cada parte de los cuerpos sellantes sufren degradación por el tiempo de trabajo que se someten a temperaturas de hasta 1 80 ˚C y presiones de 150 PSI, por tanto es necesario la sustitución de las empaquetaduras por otras de características similares.

 

Es necesario que en cada paro de planta se realice una inspección que incluya la medición de espesor de tubos internos, carcasa, tapas para formar un historial de seguimiento de buen funcionamiento del equipo.  

89

 

ABREVIATURAS Y SIMBOLOGÍA

 

90

 

I

Intercambiador.

BPD

Barriles Por Día.

T

Torre

m3/día

Metros Cúbicos Día

PSI o lb/pie²

 Pound Square Inch.  o libra pie cuadrado.

LSR MSR

 Light separated refined  (gasoline  (gasoline liviana).  Medium separated refined  (gasoline  (gasoline media).

TK

Tanque.

TVR

Tensión de Vapor Reid   aa 100 ̊F (38 ̊ C). 

 ̊ C

Temperatura Grados Celsius. 

 ̊ F

Temperatura Grados Fahrenheit.

P

 Pump o bomba.

FC

Control de flujo.

E

Enfriador.

A

Área pie2 

lb.

Libra.

ft

pie.

D

( Deposition  Deposition) Acumulador o reservorio.

TE1 

Temperatura de entrada del líquido frío.

TS1 

Temperatura de salida del líquido frío.

Cp1

Calor específico de la gasolina LSR.

Cp(H2O G)

Calor específico vapor sobrecalentado.

H2O L   Cp Cp( ( ) Kg.

Calor específico agua. Kilogramo.

Kgf.

Kilogramo fuerza.

K J.

Kilo joule.

Pulg.

Pulgada.

Pabs

Presión absoluta.

∆Hvap 

Calor latente de vapor de agua.

Q1

Balance de calor.

Q2

Balance de calor.

q1

Sub balance de calor 1 en la fase de vapor sobrecalentado sobrecalentado..

91

 

q2

Sub balance de calor 2 en la fase de vapor saturado.

q3

Sub balance de calor 3 en la fase de líquido (H2O).

MLDT 

Media logarítmica de la diferencia de temperaturas.

R

Grupo de temperaturas TVSC- TVSE / TS1 - TE1 adimensional.

S

Grupo de temperaturas TS1 - TE1 / TVSc - TS1 adimensional.

FT

Factor de corrección.

Fc Tc

Fracción calórica. Temperatura calórica del fluido caliente

tc

Temperatura calórica del fluido frío.

DE carcaSa

Diámetro externo de la carcasa.

Di carcaSa

Diámetro interno de la carcasa.

de tubo

Diámetro externo del tubo.

Dit

Diámetro interno del tubo.

 De

Diámetro equivalente para transferencia de calor.

a 

Superficie de transferencia de calor, pies².

Pt

Paso de tubo.

D b

Diámetro del haz de tubos ( bundle).

ASTM

 American Society for Testing and Materials. 

SA

Especificaciones ferrosas.

K  

Conductividad térmica del material o constante de proporcionalidad  btu/hr*pie*°f.

qk

Flujo de calor por conducción. 

dT o T

Diferencial de temperatura.

d x M1

Distancia x en la dirección del flujo de calor. Flujo másico del fluido frío (kg/h) o (lb/h).

M2

Flujo másico del fluido caliente (kg/h) o (lb/h).

TVSC

Temperatura de entrada del vapor sobrecalentado.

TSat

Temperatura de saturación.

TVSE 

Temperatura de salida del vapor sub-enfriado.

∆T1

Diferencia en la terminal caliente.

∆T2

Diferencia en la terminal fría.

Uc

Coeficiente total en la terminal fría.

92

 

Uh

Coeficiente total en la terminal caliente.

Kc

Constante calórica o temperatura promedio del flujo.

Aț 

Área de flujo de los tubos.

A′t 

Área interna.

 Nt

Número de tubos.

 Np

Número de pasos.

Ac Gt

Área transversal del flujo para el lado coraza. Masa velocidad en los tubos lb/(h)(pie²).

Gc

Masa velocidad en los carcasa lb/(h)(pie²).

µ 

Viscosidad, centipoises x 2,42 = lb/(pie)(h).

   

Número Reynolds para tubos.  Cálculo del número Reynolds para la carcasa.

 jH

Factor de transferencia de calor. c alor.

(c)

Calor específico del producto gasolina LSR.

(k) ( )

Conductividad térmica del producto gasolina liviana LSR. Coeficiente de transferencia de calor del fluido externo gasolina

˳

liviana. hio

Coeficiente medio de la película.

(tw)

Temperatura de la pared del tubo.

(µw) 

Cálculo de la viscosidad a la temperatura de la pared del tubo lado vapor.

(µw) 

ɸț  ɸ 

Calculo de la viscocidad a la temperatura de la pared del tubo lado carcasa. Calculo de la razon de viscosidad en los tubos. Cálculo de la razon de viscosidad lado carcasa.

(Uc)

Coeficiente total de transferencia de calor.

(UD) 

Coeficiente total de diseño de la transferencia de calor.

(R D) 

Factor de obstrucción combinado.

∆Pt 

Caidas de presión para vapor lado tubos.

ṿ 

Volumen específico del vvapor apor pie³/lb.

  ∆Pċ  

Gravedad específica. Caídas de presion lado producto carcasa. 

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ANEXOS

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BIBLIOGRAFÍA A.L. Casillas. 1978 Máquinas. Cálculos de taller impreso en España. Donald Q. Kern. 1997 Procesos de Transferencia de Calor. Mc Graw Hill Book Company, Inc. México. Dosinda González-Mendizábal 2002 Guía de intercambiadores de calor. s.e. s.i. G P S A ( Gas Processors Suppliers Association) Electronic Data Book. 1998  Eleventh Edition. Tulsa, Oklahoma. J. P. Holman. 1998 Transferencia de calor. Mc Graw Hill Hill / Interamericana de España. PDVSA Manual de Diseño de Procesos. 1995 Intercambiadores de tubo y carcasa MDP – 0055 – E – 02 02 s.e. s.i. T. Kuppan. s.f.  Heat Exchanger design Handbook. Marcel Marcel Dekker, Inc. New Y York. ork. TROUBAY & CAUVIN. 1998  Piping equipment / Materiel Petrole. s.e. s.i. Standards of de Tubular Exchanger Exc hanger Manufacturers Association. TEMA. 1999 octave edition 25. North Broadway Tarrytown, New York.