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DISEÑO DE PLANTAS INDUSTRIALES IIDISEÑO DE PLANTAS INDUSTRIALES II

R h id C d dRehervidores y Condensadores

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Rehervidor• Aparato tubular cuyo fin es efectuar una

vaporización parcial de los productos de fondode una columna, con el objeto de producir unafase gaseosa que asegure el fraccionamiento enla sección de agotamiento de la torre.

Vaporizador: se emplea para vaporizar completamente unacorriente de procesocorriente de proceso.

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DISEÑO DE PLANTAS INDUSTRIALES II

Rehervidores


Rehervidores

Basado en efecto de convección: Basado en orientación:• Circulación natural• Circulación forzada

• Horizontal• Vertical

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Rehervidor de un solo paso


Rehervidor de un solo paso• Toman el líquido del plato de fondo de la columna, mediante un plato de

retiro total. El fluido pasa por el termosifón y luego el vapor y el líquido sonp p y g p y qintroducidos en la columna donde se separa el líquido como producto defondo y el vapor sube para la destilación.

• Pueden estar orientados vertical u horizontalmente.

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DESVENTAJASVENTAJAS:• Equivale a un plato teórico.• Temperatura del fondo se

DESVENTAJAS:• Requiere de más área en planta.• Columna debe elevarse más parae pe a u a de o do se

mantiene lo más baja posible.• El fondo de la columna se emplea

totalmente para retener volumen

proporcionar cabezal de líquidonecesario para operar.

• Peligro de vaporización excesiva.totalmente para retener volumende líquido • Alto ensuciamiento.

• Diseño de tubería de circulacióncrítico.crítico.

• Puede haber fugas de material delplato superior al de fondo si fallael selloel sello.

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Termosifón con recirculación


Termosifón con recirculaciónOperaciónOperación

• El líquido sale del fondo de la columna, circulal h id l i t lí idpor el rehervidor y la corriente vapor líquido

entran al plato de fondo.• Ebullición del lado del tubo.• Relaciones de recirculación mayor a 3. Para

operaciones al vacío hasta de 20.L it d d t b 2 5 6• Longitudes de tubo: 2,5 – 6 m.

• Orientación vertical y horizontal.

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T ifó i l ió


Termosifón con recirculación

Ventajas

Recirculaciones de líquido alta

Desventajas• Si se opera con ∆T altos puede haber

• Recirculaciones de líquido alta.• No presenta problemas de

ensuciamiento.

problemas de estabilidad• Dificultad operacional a presiones muy

bajas (<0,2 bar) o presiones muy altas( 0 9*P )(>0,9*Pc)

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Rehervidores de bombeo directo


Rehervidores de bombeo directo• Son intercambiadores de calor convencionales alimentados por una

bomba. Manejan velocidades lineales por tubo de 15‐20 pie/s.

• Se recomienda emplear paraSe recomienda emplear paracircunstancias especiales:– Cuando se necesita hacer circular

servicios extremadamente sucios.servicios extremadamente sucios.– Cuando se requieren altas velocidades

de circulación y/o un bajo incremento detemperatura.p

– Cuando el tamaño de rehervidor decirculación natural resulte muy grandepara el servicio.

– Para servicios donde el cabezalhidrostático está limitado.

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Rehervidores de bombeo directoVentajas D t jVentajas

• Utilizado en servicios viscosos osucios

Desventajas

• Costos de bombeo.sucios.

• Control total del flujo de circulación.• Maneja altos caudales de circulación.• Usado en altos requerimientos de

• Requiere elevar más la torre parasatisfacer el NPSH de la bomba.

superficie.• Opera a muy bajos caudales.

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Rehervidor de marmita


Rehervidor de marmita (Kettle reboiler)

T lí id d l f d d l t l d t d f d ti l• Toman líquido del fondo de la torre, el producto de fondo se retira en elrehervidor.

• Se emplea para altas relaciones de vaporización (>40%). Se logra 80%dei ió d l li t ió tvaporización de la alimentación comunmente.

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(Kettle reboiler)Ventajas

• Internos sencillos en la torre

• Temperatura del producto de fondo se mantiene lo más bajaposible.

• Requieren la elevación de torre más baja, y es por esto queencuentran aplicación donde los fondos de la torre no sonbombeados.bo beados

• Proveen un tiempo de residencia a la temperatura de ebullición máslargo y por esto no son recomendables para servicioslargo y por esto no son recomendables para serviciosexcesivamente sucios o con polimerización.

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Rehervidor de marmita (Kettle reboiler)

D t j

• Acumulación de sucio y depósitos en la zona de haces de tubo.

Desventajas

Acumulación de sucio y depósitos en la zona de haces de tubo.• Lado del proceso difícil de limpiar• El líquido se concentra en los componentes más pesados por lo que

se incrementa el punto de ebullición• Poca acumulación del producto de fondo en la torre.• Necesita de mayor área de planta para construcción• Necesita de mayor área de planta para construcción.• Los intercambiadores de marmita son más caros que las unidades

de tubo y coraza.

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Rehervidores internos


Rehervidores internos• El haz de tubos está insertado en la columna mediante una brida en el

lado de la columnalado de la columna• Se emplea para servicios de carga de calor baja.

VENTAJASVENTAJAS:• No requiere coraza, ni de tuberías de circulación, ni de deflectores

en el fondo de la columna.• No necesita área de planta.

DESVENTAJAS:• La longitud del haz de tubos está limitada al diámetro de la columnaLa longitud del haz de tubos está limitada al diámetro de la columna,

por ende, el diámetro del haz de tubos se restringe.• La brida de la columna puede ser costosa.• Lado del proceso difícil de limpiar• Lado del proceso difícil de limpiar.• Se forman incrustaciones.

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Termosifones


TermosifonesTermosifones Verticales• Restringidos a un máximo de 50% de vaporización, para evitar operaciones

erráticas debido a golpeteo, etc. Valores típicos de vaporización: 10-35%• No se emplean con fluidos viscosos.No se emplean con fluidos viscosos.• Longitudes típicas: 8 a 12 pie• Diámetros de tubos: 1 plg

Termosifones Horizontales

Li it d á i d 50% d i ió b• Limitados a un máximo de 50% de vaporización para asegurar buenaoperabilidad.

• No se recomiendan niveles de alimentación fluctuantes ni fluidos viscosos.

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Termosifón vertical


Termosifón verticalVentajas Desventajasj

• Más baratos• Lado del proceso fácil de limpiar

• Se requiere elevación de la torre parala circulación.

• Sensible a fluctuaciones• Se soporta fácilmente.• Bajo tiempo de residencia.• Tendencia a ser menos sucio.

• Sensible a fluctuacionesoperacionales.

• Necesita de un cabezal constante delíquido de alimentación.

• Buen controlq

• Alta temperatura de salida paramateriales de amplio rango deebullición.

• Se limita la vaporización a un 50%.

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Termosifón hori ontal


Termosifón horizontalVentajas DesventajasVentajas

• El lado que calienta es fácil de limpiar• Requiere menor elevación de la torre

Desventajas• Necesita más área de planta para

construcción.L t b í l d

qpara la circulación que un vertical.

• Bajo tiempo de residencia.• Buen control

• La tubería para el vapor generadopuede ser complicada.

• El lado del proceso es difícil de limpiar.Alt t t d lid• Alta temperatura de salida paramateriales de amplio rango deebullición.

• %vaporización máxima%vaporización máxima.

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Fenómenos de transferenciaFenómenos de transferencia de calor por ebulliciónEbullición burbujeanteEbullición en película

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Selección del rehervidor


Selección del rehervidor• Economía: costo de fundación y de tubería, altura requerida de la torre y costos

operacionales.

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Selección del rehervidorSelección del rehervidorInterferencia de vapor:Interferencia de vapor:• Flujo de calor máximo permisible para rehervidores de:

– Circulación natural: 15000 BTU/h pie2

– Circulación forzada: 21000 BTU/h pie2

– Para compuestos orgánicos: 20000 BTU/h pie2

Para soluciones acuosas: 35000 BTU/h pie2– Para soluciones acuosas: 35000 BTU/h pie2

• Coeficiente de película de vaporización: 300 BTU/h pie2 °F(soluciones orgánicas) y 1000 BTU/h pie2 °F (soluciones acuosas)

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Selección de Rehervidor


Selección de Rehervidor

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Diseño de termosifón (revisar en bibliografía recomendada)

C l l l l id d d i ió id• Calcular la velocidad de vaporización requerida.• Estimar el área requerida asumiendo U.• Establecer arreglo del intercambiador.• Asumir la velocidad de circulación a través del

intercambiador.• Calcular la caída de presión en la tubería de

entrada.• Dividir el intercambiador en secciones, y realizar los y

cálculos para cada sección.21


Diseño de termosifónse o de te os ó• Diseño convencional: longitud de tubos: 8 a 12

pie diámetro común: 1 plgpie, diámetro común: 1 plg.• Coeficiente de ensuciamiento lado proceso:

6000 6800 W/m2°C (no es estricto)6000-6800 W/m2 C. (no es estricto)• Coeficiente de calor para vapor de media

incluyendo ensuciamiento: 6000W/m2°Cincluyendo ensuciamiento: 6000W/m2 C.• Para temperaturas reducidas superiores a 0,8;

usar la curva correspondienteusar la curva correspondiente.• Presión mínima de operación: 0,3 bar.

N i d t l i• No se recomiendan extrapolaciones.22


Consideraciones de diseño para rehervidores tipo marmita

• Se recomiendan establecer relaciones de diámetro de• Se recomiendan establecer relaciones de diámetro de coraza/ diámetro de haz de tubos

• El espacio libre entre nivel de líquido y coraza debe ser• El espacio libre entre nivel de líquido y coraza debe ser al menos de 0,25m.

• Pt/Detubo = 1 5-2Pt/Detubo = 1,5 2

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CondensadoresCondensadores• Por lo general, son aparatos tubulares todos del tipo de cabezal

flotante Como el fluido frío es el agua de mar se emplean tubosflotante. Como el fluido frío, es el agua de mar, se emplean tubosadmiralty ¾ plg, 16 BGW, 16 pie largo.

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Configuración de condensadoresConfiguración de condensadores

• Horizontal con condensación en la coraza y elHorizontal con condensación en la coraza y elmedio de enfriamiento en los tubos.

• Horizontal con condensación en los tubos.

• Vertical con condensación en la coraza.

• Vertical con condensación en los tubos.

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Selección de Condensadores

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Condensadores verticalesCondensadores verticales

• Usualmente se emplean cuando se quieresubenfriar el condensado.

• Permite una fácil regulación de las superficiesde los tubos que trabajan para la condensación.q j p

• Aplica ecuación de Nusselt empleando caudalmásico del condensado por unidad delmásico del condensado por unidad delperímetro de tubo.

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Condensadores en servicios de vacíoCondensadores en servicios de vacío

• Utilizar coeficientes de transferencia de 130 BTU/hpie2°F• Utilizar coeficientes de transferencia de 130 BTU/hpie2 F• Para calcular la diferencia verdadera de temperatura,

use la temperatura de rocío del vapor en vez de lause la temperatura de rocío del vapor en vez de latemperatura de rocío de hidrocarburo como latemperatura de entrada de la zona.p

• Diseñar para caídas de presión de 3 a 12 mmHg.• Estimar caída de presión en boquilla basado en lap q

pérdida de tres cargas de cabezal de velocidad para lasboquillas de entrada y salida.

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Fenómenos de transferencia de calor por condensación

• Condensación en película• Condensación en gotas

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Condensación dentro y fuera de los tubosyTubos Verticales

Correlación de Nusselt

hcv = coeficiente promedio de condensaciónGv = carga de condensado en el tubo (Wc) por perímetro de tubov c

(Ntpdo)kL = conductividad térmica del condensadoρL = densidad del condensadoρL densidad del condensadoρv = densidad del vaporµL = viscosidad del condensadog = constante de gravedad

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Condensación fuera de los tubosTubos Horizontales

C l ió d K• Correlación de Kern

hc = coeficiente promedio de condensaciónhcb = coeficiente promedio de condensaciónGh = carga de condensado en el tubo (Wc) por unidad de longitud de

tubo (NtL)kL = conductividad térmica del condensadoρL = densidad del condensadoρ = densidad del vaporρv = densidad del vaporµL = viscosidad del condensadog = constante de gravedadg gNr = número de tubos en una fila vertical

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Zonas de condensaciónZonas de condensación• Condensación de un vapor puro• Condensación precedida de un enfriamiento del vapor yCondensación precedida de un enfriamiento del vapor y

seguida de refrigeración del condensado• Condensación de un vapor complejoCondensación de un vapor complejo

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BibliografíaBibliografía• Normas PDVSA• Normas PDVSA.• GPSA.• Ludwig, Applied Process Design for Chemical and

Petrochemical Plants Volume 3, 3ra Edition• Walas, Stanley. Chemical Process Equipment.• Trambouze, Pierre. IFP. Petroleum Refining.Trambouze, Pierre. IFP. Petroleum Refining.

Materials and Equipment.• TOWLER G y R Sinnott Chemical Engineering DesignTOWLER, G y R. Sinnott. Chemical Engineering Design.Butterworth‐Heinemann. 33


Bibliografía recomendada• Normas PDVSA / GPSADisponible en BIACI:Disponible en BIACI:• Ludwig, Applied Process Design for Chemical and Petrochemical

Plants Volume 3, 3ra Edition.Gulf Publishing Company.g p y• Walas, Stanley. Chemical Process Equipment. Butterworth‐

Heinemann

• Kern , Donald. Transferencia de calor. CECSA• Kakac, Sadik y Liu Hongtan. Heat Exchangers. Selection, rating

and thermal design CRC PRESSand thermal design. CRC PRESS.• Sekulic Dusan y Ramesh Shah. Fundamentals of heat

exchanger design. JOHN WILEY & SONS, INC.g g ,• Artículos recomendados en página web

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