estudio técnico para la selección de intercambiadores de calor en procesos criogénicos y de...

Estudio técnico para la selección de intercambiadores de calor en procesos de tratamiento de gas.

1. INTRODUCCIÓN

Durante el transcurso del tiempo y el avance de la tecnología en los

hidrocarburos fósiles, han ido desarrollándose cada ves mucho mas las

técnicas de exploración, perforación, producción y por ende el

TRATAMIENTO de los hidrocarburos.

Es por ello que es meritorio el avance de ciertas particularidades claves en

el proceso de tratamiento del gas natural así como lo son los

intercambiadores de calor.

La aplicación de nuevas tecnologías en los procesos industriales se ha

convertido en un componente esencial en la búsqueda de la competitividad

y rentabilidad económica de los proyectos, en este sentido nuestras

universidades deben ser puntales en la generación y captura inteligente de

conocimientos y en especial en áreas especificas identificadas en los

planes de desarrollo del país, como es el caso de la industria del

procesamiento del gas natural. En tal sentido el presente trabajo constituye

una investigación de carácter exploratorio sobre la aplicación de

intercambiadores de calor en el procesamiento del gas natural.

La investigación realizada por tener un carácter exploratorio aportará

conocimiento técnico que tendrá el efecto práctico de contribuir a facilitar la

evaluación de carácter técnico-económico de la viabilidad del uso de la

tecnología de intercambiadores en aplicaciones del gas natural pero desde

el punto de vista del conocimiento científico abre oportunidades para el

desarrollo de investigaciones en aplicaciones específicas, que permitan

aumentar el valor agregado nacional.

Aplicaciones que deben ser desarrolladas en toda su magnitud sin dejar

cabos de incertidumbre, es por eso que se tratara desarrollar de la manera

mas precisa y amplia posible para los procesos que serán seleccionados

durante la investigación, mostrando cada una de sus características.

A título de ejemplo, determinados casos de diseño requieren disminuir las

cantidades de calor transferido mediante un aislante térmico; otros implican

Guzman Villarroel Guillermo Enrique Página 1


procesos de transferencia de calor de un fluido a otro mediante

intercambiadores de calor; a veces el problema de diseño es controlar

térmicamente un proceso manteniendo las temperaturas de funcionamiento

de los componentes sensibles al calor dentro de unos márgenes

predeterminados, etc.

2. ANTECEDENTES

2.1 Antecedente General

En el proceso de documentación técnica se realizaron consultas

bibliográficas en diversas fuentes entre las que destaca la biblioteca de la

División de Estudios para Graduados de la Facultad Nacional de Ingeniería

(F.N.I.), y específicamente en la memoria técnica del programa de Ingeniería

de Gas Universidad de Zulia (Venezuela), donde sólo existe una referencia

bibliográfica en el área de diseños de equipos para transferencia de calor. En la

revisión de la memoria técnica de los demás programas o formas de titulación

del pàis no pudo identificarse otros trabajos realizados con esta área de

conocimiento.

En cuanto a las consultas bibliográficas realizadas en otras fuentes

nacionales se ha encontrado que está disponible para los diseñadores un

extenso y detallado conocimiento científico en área de transferencia de calor y

en diseño de intercambiadores de calor del tipo tradicional (tubo y carcaza),

pero en el área de tecnologías especiales de intercambiadores de calor el

conocimiento no es de fácil acceso.[1] A nivel internacional a través de

INTERNET se encontró que el conocimiento en esta área es de acceso

restringido, de carácter experimental y está exhaustivamente protegido por las

leyes de propiedad de activos de información, ya que dicho conocimiento es

considerado como un ventaja comparativa en el mercado de comercialización

de estos equipos.

2.2 Antecedentes Específicos

El tratamiento de este temá tiene su origen en un curso dado en el Instituto

Politécnico de Brooklyn por un periodo de varios años. Las posibilidades de

una instrucción colegiada modelada según los requerimientos de la ingeniería



de proceso, fueron sugeridas y alentadas por el Dr. Donald F. Othmer, Jefe del

Departamento de Ingeniería Química.[2]

Para proveer el amplio grupo de herramientas de transferencia de calor

requeridas en la ingeniería de proceso, ha sido necesario presentar cierto

número de métodos de calculo empirico que no han aparecido previamente en

la literatura de la ingeniería.[2]

La documentación técnica sobre las aplicaciones de intercambiadores

compactos en procesos criogénicos disponibles en la industria Boliviana de gas

es escasa y data de hace al menos 15 años y la experiencia de campo en

aplicaciones de esta tecnología en la industria nacional no es accesible a los

investigadores especializados en el área. Considerando los planes de

expansión y de apertura en el área de Procesamiento de Gas Natural se

requiere la generación de conocimiento técnico de punta en esta área.[3]

[1 ]Incropera P. Frank/ De Witt David P: “Fundamentos de Transferencia de Calor”, 4ª.ed. Pub., Prentice Hall, 1999.

[2] Kreith Frank: “Principios de Transferencia de Calor”, 1ª.ed. Pub., Herrero Hermanos, 1970.

[3 Perry : “manual del Ingeniero Químico], 2ª ed.

3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

Durante los procesos de tratamiento del gas natural existen diferentes

fallas, como la perdida de calor, evaporación, condensación, etc. Dichos

problemas radican escencialmente en los intercambiadores de calor

seleccionados para los procesos los cuales de llegar a ser inadecuados

persisten con el problema generando problemas de planta, perdidas

económicas.



Considerando los planes de expansión y de apertura en el área

de Procesamiento de Gas Natural se requiere la generación de conocimiento

técnico de punta en esta área, destacando aspectos esenciales tales como:

criterios de diseño, cálculos, instalación, operación y mantenimiento de este

tipo de intercambiadores.

Esta discusión sobre cambiadores de calor adoptará la forma de un análisis

técnico; esto es, se destacarán los métodos que predicen el funcionamiento de

los cambiadores de calor, junto con una discusión sobre los métodos que

pueden emplearse para estimar el tamaño y tipo de intercambiador de calor

necesario para realizar una tarea en particular.

El problema esencialmente radica en las fallas técnicas durante los procesos

de tratamiento de gas, relativas a los intercambiadores de calor dichos

problemas pueden resumirse en perdidas de calor durante el proceso de

tratamiento cualquiera sea el mismo, lo cual reduce el rendimiento y por ende

la eficiencia del mismo.

Considerando los factores de vital importancia en el diseño, mantenimiento y

manipulación de los intercambiadores de calor se presenta una alternativa de

solución de acuerdo al proceso de tratamiento un intercambiador especifico

realizando previo estudio técnico.

3.1 Identificación del problema

Los factores de vital importancia en la descripción del diseño de

intercambiadores de calor seran determinados para la mejora en la aplicación

de los mismos en los procesos de tratado de gas natural considerando los

factores elementales para dicha aplicación.

En la actualidad la mayoría de procesos a nivel industrial se

encuentran automatizados, guiados por programas computarizados que

permiten establecer relaciones entre las variables involucradas, resultando en

una mayor confiabilidad general del sistema.

3.2 Formulación del problema



¿Con el estudio técnico y la descripción de parámetros, para la

selección de intercambiadores de calor, se incrementara la eficiencia de los

procesos de tratamiento e gas natural?

4. OBJETIVOS

4.1 Objetivo General.

Desarrollar un análisis de los factores en el diseño, operación y

mantenimiento, para la selección de los intercambiadores de calor

aplicados en los procesos de tratamiento del gas natural.

4.2 Objetivos Específicos.

Establecer las variables de proceso requeridas para la selección de

los intercambiadores de calor, en dos procesos distintos de

tratamiento del gas.

Describir los aspectos a considerar en el mantenimiento de los

intercambiadores desarrollando los criterios básicos para la

operación segura y eficiente de los intercambiadores.

Realizar un análisis tecnico de la aplicación de los intercambiadores

de calor tipo compacto vs. otras alternativas técnicas disponibles

para el desarrollo de proyectos en la industria nacional.

5. JUSTIFICACIÓN.

5.1 Justificación Técnica

Los planes de negocio de la industria nacional del gas deberían

están orientados a asegurar la máxima rentabilidad, basándose en la

detección temprana de oportunidades, optimización de recursos y

adopción de mejores prácticas. En este último aspecto la estrategia



tendría que apuntar al seguimiento inteligente de tecnologías que

puedan ser implantadas para aumentar la productividad de sus

procesos, como referencia se estima que a nivel mundial en la industria

del gas se dedica entre un 5 a un 15% de sus recursos a proyectos de

investigación y desarrollo, mientras que a nivel nacional se estima que

ese porcentaje baja a un 1%, esto obliga a un esfuerzo mayor en la

acertividad de la captura e incorporación de tecnologías para procesos

específicos.

5.2 Justificacion Academica

El presente trabajo esta enmarcado de esta estrategia al

desarrollar un análisis integral para contribuir a la incorporación de

tecnologías de punta en el área de intercambiadores de calor compacto

en aplicaciones de procesos de tratamiento del gas natural, además de

apoyar el proceso de actualización constante del acervo de

conocimientos técnicos de la Universidad.

6. ALCANCE.

En este trabajo se desarrollará un análisis de la aplicación en los

Procesos Criogénicos de Gas de los intercambiadores de calor de

aluminio soldado con superficie extendida fabricado bajo la modalidad de

diseño de placa con aletas, a los cuales se conoce universalmente como

“Intercambiadores de Calor Tipo Compacto” , considerando las variables

básicas de diseño necesarias para la elaboración de una aplicación para

el cálculo dimensional de equipos, los criterios generales para su

operación segura y eficiente, la metodología para su cálculo

dimensional, los aspectos económicos de su ciclo de vida y su

comparación con otras alternativas otras disponibles en el mercado.

7. MARCO TEORICO



7.1 Procesos de Transferencia e Intercambiadores de calor.

El balance energético de los procesos es una de las áreas donde se

hacen constantes investigaciones y desarrollo, puesto que es fundamental

en la optimización de costo del consumo energético, en la protección al

medio ambiente y en indicadores económicos tales como productividad y

eficiencia, dentro de una tendencia mundial de máximo aprovechamiento de

la capacidad instalada de las empresas. En consecuencia analizar los

fundamentos que rigen la transferencia de calor, los aspectos básicos del

diseño de equipos asociados a la transferencia de calor, y las funciones que

cumplen en los procesos industriales, son aspectos claves para el

desarrollo de los estudios en esta materia.

7.1.1 Introducción a los Procesos de Transferencia de calor.

El diseño de equipos para el aprovechamiento óptimo de los balances de

energía se basan en el conocimiento de los aspectos generales que

controlan los procesos de transferencia de calor, la cual puede se definida

en su accesión más general como “La energía en tránsito debido a una

diferencia de temperatura a partir de este concepto se han establecido tres

procesos básicos: conducción, convección y radiación.

7.1.2Definición del proceso de transferencia de calor por

convección.

La transferencia de calor por convección se origina por dos mecanismos,

la del movimiento molecular aleatorio(difusión), y el movimiento global o

macroscópico del fluido, y se asocia con la transferencia de calor entre una

superficie sólida y un líquido o gas, este modo de transferencia de calor

tiene una importancia fundamental en una amplia variedad de procesos

que se realizan en las plantas de tratamiento. El proceso se inicia con el

flujo de energía entre moléculas del fluido, este calor transferido permite que

aumente la energía interna y su temperatura, y desde estas moléculas se

transfiere la energía hacia otras regiones del fluido de menor temperatura,

así en este proceso se tiene que ”la transferencia total de calor se debe

entonces a una superposición de transporte de energía por el movimiento


COMPONENENTES ELECTRÓNICOS

DISPOSTIVO DE CONTROLCON VENTILADORDE ENFRIAMIENTO

DISPOSTIVO DE CONTROLCON ENFRIAMIENTO A FLUJO NATURAL

CONVECCIÓNFORZADA CONVECCIÓN

NATURAL

Fuente: Incropera/De Witt [1].


aleatorio de las moléculas y por el movimiento global del fluido. Se

acostumbra utilizar el término convección cuando se hace referencia a este

transporte acumulado y el término advección cuando se habla del transporte

debido a movimiento volumétrico.” Incropera/ De Witt [1]. En consecuencia el

estudio de este proceso implica el conocimiento de las propiedades del fluido

y la aplicación de metodologías de mecánica de fluidos.

La transferencia de calor por convección se puede dividir en dos clases (ver

figura 1): La convección libre o natural que se origina debido a una diferencia

de densidades en los fluidos y éstas a su vez se producen por los

gradientes de temperaturas en el fluido, y la convección forzada que se

caracteriza por la presencia de una bomba o un medio agitador que

interviene en el movimiento de mezclado del fluido.

FIGURA 1. REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE LOS PROCESOS DE

TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN.

La ley de convección fue propuesta en 1701 por el científico británico Isaac

Newton, y está dada por la expresión:



qc = hcA (Ts–T)

En donde:

qc = Btu/hr

A = pie2

(Ts –T) = °F

Donde qc representa el flujo de calor por convección, el cual es

proporcional a la diferencia de temperaturas de la superficie y del fluido,

Ts–Trespectivamente, y A representa el área de transferencia de calor. La

constante de proporcionalidad hc se denomina coeficiente de transferencia

de calor por convección y depende de las condiciones en la capa limite, en

las que influyen la geometría de la superficie, la naturaleza del movimiento

del fluido y una variedad de propiedades termodinámicas del fluido y de

transporte.

7.2 Consideraciones para el Diseño de Intercambiadores de Calor

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.

7.3 Aspectos Térmicos en el diseño de Intercambiadores

El análisis térmico en el diseño de intercambiadores de calor incluyen el

cálculo de parámetros asociados a los fenómenos de transferencia de calor

que rigen el comportamiento operacional de estos equipos.

7.3.1Efectos del ensuciamiento.



Las resistencias a la transferencia de calor debidas al ensuciamiento

son causadas por sedimentos, polímeros y otros depósitos que se forman en

las paredes internas y externas de los tubos de los intercambiadores de

calor. Los valores que se utilizan en el diseño toman en cuenta las

resistencias que se esperan durante la operación normal del equipo y un

tiempo de servicio razonable entre los períodos de limpieza. La mayor parte

de los procesos de transferencia de calor incluyen fluidos que forman algún

tipo de suciedad o incrustación sobre la superficie de los tubos.

Dependiendo de los fluidos involucrados, estas incrustaciones varían en

cuanto a textura, espesor, naturaleza, conductividad térmica, dureza, etc., y

se comportan como una resistencia adicional al paso del calor. Si bien es

cierto, que cuando el intercambiador se instala está libre de tales

incrustaciones, el efecto de la resistencia adicional debe tomarse en cuenta

de alguna forma si es que se desea tener una evaluación más real del

comportamiento térmico del intercambiador y de su eficiencia a lo largo de

su vida útil. Los factores de ensuciamiento tabulados pretenden evitar que el

intercambiador transfiera menos calor que el requerido por el proceso,

durante un período aproximado de un año a un año y medio. Sin embargo,

esta tablas son solamente guías, debe considerarse la experiencia

acumulada para cada aplicación en particular. Para el diseño de

intercambiadores es muy importante considerar los criterios siguientes sobre

ensuciamiento:

a.- El ensuciamiento no es usualmente severo por debajo de los 250°F.

b.- El ensuciamiento es más severo cuando los fluidos se calientan que

cuando se enfrían.

c.- La vaporización en un intercambiador puede causar ensuciamiento

severo, debido a la concentración, de depósitos en el líquido

remanente hasta el punto de sobresaturación.

d. Altas velocidades de los fluidos de proceso tienden a reducir el

ensuciamiento.

e. En algunos procesos existe un ensuciamiento severo debido a las

reacciones orgánicas con oxígeno, que ocurren mientras la



alimentación se encuentra almacenada en los tanques. Este proceso

de ensuciamiento puede reducirse estableciendo una atmósfera de

gas inerte en los tanques de almacenamiento.

7.4 Aspectos Mecánicos en el diseño de Intercambiadores

Las consideraciones que aseguran la integridad mecánica de los

equipos a lo largo de su vida útil son sin duda esenciales para asegurar la

continuidad operacional y la confiabilidad de los procesos asociados. En este

apartado se recopilan las prácticas de diseño más comunes basados en los

códigos de construcción y normativas vigentes.

7.4.1Presión de diseño

Las presiones de diseño de los lados caliente y frío de un intercambiador

se determinan, independientemente en base a las condiciones de operación,

partiendo de la aplicación de las normativas especificas, entre los cuales

destacan dos criterios básicos: La presión de diseño debe ser igual a la

máxima presión de operación esperada más el mayor valor entre un 10% de

dicha presión y 25 psig y la mínima presión de diseño debe ser 30 psig[4]

7.4.2Temperatura de diseño

Las temperaturas de diseño de los lados caliente y frío de un intercambiador

se determinan de forma independiente en base a consideraciones de

proceso, y usando las normativas de diseño, las cuales fijan, entre otros, los

siguientes criterios generales:[4]

[4] Gordon. “Cryogenic Plant Startup-Refrigeration and Exchangers”,

Hydrocarbon Engineerin, May/June 1997.

a. Para intercambiadores que operan a temperaturas entre 32°F y

750°F, la temperatura de diseño debe definirse como la máxima

temperatura de operación esperada mas 46°F.

b. La mínima temperatura de diseño debe ser 150°F para

intercambiadores operando por encima de 32°F.



c. Para intercambiadores que operan a 32°F y a menores temperaturas,

la temperatura de diseño debe definirse como la mínima temperatura

de operación esperada.

d. Cuando exista la posibilidad de exponer a los tubos, o la placa de

tubos y/o al cabezal flotante a la temperatura de entrada del fluido

caliente, como resultado de la pérdida del medio enfriante, estos

componentes deben ser diseñados para la máxima temperatura de

operación esperada del fluido caliente.

7.5 Conexiones a Líneas de Proceso

Dos aspectos específicos son los más importantes: el tamaño de las

boquillas y la clasificación de bridas.

a. Tamaño de las boquillas: Las boquillas de los intercambiadores que

no sean de fabricación estándar, como por ejemplo los

intercambiadores de doble tubo, son del mismo tamaño de la línea a

la cual están conectadas. Debido a consideraciones de velocidad y

caída de presión, el tamaño de las líneas y boquillas es usualmente

más crítico en los servicios de vapor que en los de líquido. También

se debería verificar el ∆P a través de las boquillas en los servicios de

caída de presión baja. No se deberían utilizar boquillas de diámetro

mayor que 1/2 el diámetro del intercambiador por razones mecánicas.

Los sistemas de tuberías alrededor de los intercambiadores, los

cuales incorporan válvulas múltiples, especialmente aquellos con

válvulas de control de ∆P alto, deberían examinarse de manera crítica

ya que se puede lograr un ahorro sustancial reduciendo el tamaño de

las boquillas del intercambiador y de las válvulas. Sin embargo, el

tamaño de las boquillas no debería reducirse hasta el punto en que la

caída de presión a través de las boquillas sea excesiva o ocurran

problemas de golpeteo.

b. Clasificación de las bridas: Las bridas se clasifican de acuerdo a la

temperatura y presión de diseño de cada uno de los lados del

intercambiador y tomando en consideración la información que se



presenta en el documento. Las clases de bridas de entrada y salida

pueden ser diferentes en un mismo intercambiador, si ocurre un

calentamiento o enfriamiento suficiente dentro del mismo.

7.6 Funciones de los Intercambiadores de Calor

Las funciones básicas de los intercambiadores están asociadas a la

manipulación racional de la transferencia de energía térmica entre dos o más

fluidos a diferente temperatura, con el fin de obtener los balances de energía

necesarios para la viabilidad técnica de los procesos. Las funciones básicas

están basadas en un análisis de balances de energía optimizados y en

reducir al mínimo la necesidad de fuentes de energía térmica externa que

elevan los costos de producción. Partiendo de esta premisa, las funciones

típicas de los intercambiadores de calor en los procesos industriales son las

siguientes:[5]

7.6.1 Recuperación de calor

La corriente fría recupera parte del calor contenido en la corriente

caliente. Es decir, el proceso es únicamente el calentamiento y enfriamiento de

las corrientes involucradas, las cuales fluyen simultáneamente a ambos lados

del área de transferencia de calor.

7.6.2 Evaporación

Una de las corrientes involucradas en el intercambio de calor cambia de

fase líquida a vapor.

[5]Mc GrawHill. “Gas processing and termical changers”, Hydrocarbon

Engineerin, August 2008.

7.6.3 Condensación

Una de las corrientes involucradas en el intercambio de calor cambia de

fase de vapor a fase líquida.



7.7 Intercambiadores de calor para procesos criogénicos

Los procesos cuyas operaciones se realicen a bajas temperaturas,

específicamente a temperaturas inferiores a las del medio ambiente,

necesitan ser altamente eficientes en la recuperación de energía, puesto que

a medida que la temperatura de operación disminuye, el costo de

compresión para la refrigeración aumenta y, por consiguiente, también

aumenta el incentivo de ahorro para alcanzar el más alto desempeño de los

intercambiadores, en función de lograr el mayor acercamiento posible entre

la temperatura de las corrientes de entrada y salida. En las plantas de baja

temperatura para la separación de licuados o purificación del gas natural, las

necesidades de refrigeración para enfriar las corrientes de alimentación es

suplida por corrientes de productos fríos. Adicionalmente a los enfriadores

principales de alimentación, los procesos criogénicos requieren otros

intercambiadores para la operación sobre rangos de temperatura más

limitados, pero siempre manteniendo un diferencial de temperatura bastante

pequeño. Además de los criterios térmicos de diseño ya mencionados, los

intercambiadores instalados en aplicaciones de baja temperatura deben

proveer una distribución uniforme del flujo dentro y entre las unidades en

paralelo, y además se requiere la mayor compacticidad posible (cociente

entre el área superficial y el volumen), para minimizar los costo del

aislamiento requerido para reducir la recuperación de calor desde el exterior

al proceso.[4]

Otros requerimientos adicionales en este tipo de intercambiadores es que

provean facilidades para eliminar los condensados arrastrados en las

corrientes de alimentación, cuya tasa de formación es incrementada a bajas

temperaturas, las cuales se depositan en forma de sólidos en la superficie de

transferencia de calor, y se acumulan hasta el punto que bloquean los pasos

de flujo reduciendo la eficiencia de diseño, en consecuencia se les debe

revaporizar y remover periódicamente. La forma más económica en costos y

tiempo para hacer esto, es mediante un arreglo que permita invertir el paso

de los flujos (el fluido caliente por el lado del fluido frío y viceversa),



automáticamente y por un período suficientemente largo para permitir que

los sólidos se evaporen en una corriente de desechos dispuesta para tal fin.

Para cubrir estos requerimiento especiales se han diseñado varios tipos de

intercambiadores, aquí se consideran los de mayor importancia en el ámbito

de la industria del procesamiento del gas natural.[4]

7.7.1 Intercambiadores tipo de espirales Hampson Coil.

Estos intercambiadores consisten en un haz de tubos puesto alrededor de

un paso helicoidal (sifón) sobre un eje central y encerrado en una carcaza, la

cual se diseña para permitir que el número de tubos en cada hilera tengan la

misma longitud y su distribución sea uniforme. El patrón local de flujo en

cualquier punto del intercambiador es transversal, mientras que el patrón de

flujo total es esencialmente contracorriente. Los tubos más utilizados son los

de cobre y aluminio; de 1/8 a 1/2 pulg y de una longitud máxima de unos 200

pies.

Su principal ventaja es su robustez para aplicaciones industriales y su fácil

proceso de selección y diseño, pero su alto costo por unidad de superficie de

área restringe el uso de intercambiadores de espiral para sólo aquellos

servicios donde otros tipos no son aplicables. Los intercambiadores de

espirales no pueden ser operados como intercambiadores reversibles, así

que para remover las impurezas sólidas, éstos deben ser puestos fuera de

servicio temporalmente, esto implica mayores costos de mantenimiento e

impacto sobre la continuidad operacional de los procesos.[4]

[4] Gordon. “Cryogenic Plant Startup-Refrigeration and Exchangers”,

Hydrocarbon Engineerin, May/June 1997.

7.7.2 Intercambiadores de Placas

Son equipos construidos por arreglos especiales de láminas de metal

muy delgadas y corrugadas, instaladas juntas en una carcaza y selladas en sus

bordes, para prevenir fugas hacia afuera, por un empaque compresible,



formando así una serie de canales estrechos e interconectados, a través de los

cuales son pasados los fluidos. El fluido caliente y el frío siguen pasadizos

alternos y el calor es transferido a través de las láminas de metal con una

resistencia térmica relativamente baja, por su bajo espesor. La carcaza exterior

es una estructura rígida formado por una plancha de metal fija en uno de sus

lados y soportada en una columna en el otro, conectados a por una barra de

fijación y en el fondo por un riel. Estos intercambiadores presentan muchas

ventajas en comparación con las unidades de tubo y carcaza, siendo las más

importantes las siguientes:

1. Bajos costos de fabricación: El proceso de fabricación minimiza las

necesidades de soldadura, ya que sus componentes internos (láminas)

se integran a presión. Al ser constituidos de láminas planas no requiere

del uso de materiales específicos, y pueden usarse materiales con

propiedades especiales, con costos de soldadura muy altos, esto hace

que su diseño sea competitivo al punto que en el caso de

intercambiadores construidos de acero inoxidable pueden costar menos

que unidades de tubo y carcaza de acero al carbono diseñadas para la

misma carga calórica, con las ventajas metalúrgicas del acero

inoxidable.

2. Flexibilidad.– Son unidades adaptables a una gran variedad de

condiciones y de fluidos, y pueden ser modificadas fácilmente para

adaptarse a diferentes condiciones operacionales, con un simple

cambio en el número y/o la forma de las láminas. Las modernas

técnicas de fabricación ofrecen una gran variedad de opciones de platos

corrugados que satisfacen muchas especificaciones de diseño.

3. Alta eficiencia: Estos intercambiadores son unidades del tipo “superficie

extendida” , donde un área muy grande de transferencia de calor ocupa

un volumen pequeño, y con un coeficiente global de transferencia de

calor alto, en consecuencia, ocupan menos espacio e imponen menos

carga a las estructuras de las instalaciones, razones por lo que resultan

atractivos para su uso en lugares con limitaciones de espacio, de alto

costo estructural o con capacidad de carga limitada como barcos o

plataformas costa afuera. Adicionalmente esta ventaja hace que sean

competitivos en procesos con diferenciales de temperatura



relativamente pequeñas. Adicionalmente, la forma de los canales de

paso reduce las posibilidades de zonas muertas y puntos de

sobrecalentamiento.

4. Facilidad de limpieza: Estas unidades pueden ser desmanteladas para

su limpieza en planta reduciendo los costos de logística de

mantenimiento y los tiempos de parada, lo cual es una ventaja

significativa en servicios muy sucios y que demanda una alta

confiabilidad de los procesos.

La aplicación de este tipo de unidades, tiene asociado un alto riesgo

potencial de derrame interno de los fluidos, dada la adyacencia de los

canales de paso de fluidos. Sin embargo existen técnicas de diseño y

construcción para hacer que cualquier derrame de los fluidos ocurra hacía

afuera de la unidad y no entre las corrientes del proceso, sin embargo su

uso no es permitido en fluidos inflamables o tóxicos. Debido a la naturaleza

de construcción el área efectiva de paso a través es pequeña, imponiendo

altas caídas de presión a través del equipo y, por consiguiente tienen

asociados altos costos de capital, demanda de capacidad de bombeo

instalada y de operación, lo que debe ser considerado en los estudios de

factibilidad económica. Otra limitante para su uso es que los rangos de

temperatura y presión son limitados, debido al material de la empacadura y

al diseño de su construcción a presión de sus láminas internas.[3]

7.7.3 Intercambiadores soldados de placas con aletas.

Estos equipos conocidos en la industria como intercambiadores

compactos, representan el “estado del arte” en intercambiadores de calor para

procesos a bajas temperaturas y en especial para aplicaciones criogénicas

para el procesamiento del gas natural, razón por la cual son objeto de estudio

en el presente trabajo especial de grado.

Los intercambiadores compactos son definidos en la literatura como

”Una clase especial e importante de intercambiadores de calor se usa para

conseguir un área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen

muy grande ( 700 m2/m3)” Incoprera/De Wit [1]. Estos equipos se basan

en diseños complejos con arreglos de tubos con aletas o placas y se usan



normalmente cuando al menos uno de los fluidos es un gas. Los tubos pueden

ser planos o circulares, y las aletas pueden ser de placa o circular, como se

muestra en la figura 2, y como puede apreciarse consisten en una serie de

láminas paralelas de aluminio, entre las cuales se encuentran formando

“sandwich”, hojas corrugadas de aluminio. El lado de cada “sandwich” está

sellado con barras de aluminio, formando así el paso completo de flujo, y la

construcción completa es soldada bajo procedimientos especiales como en

inmersión en un baño de sal derretida, para lograr una única estructura rígida.

Los cabezales de aluminio son entonces soldados a los extremos del cuerpo

del intercambiador. En la figura 3 se muestra el detalle de construcción de

estos equipos.

Algunas de las ventajas relacionadas con la construcción de

intercambiadores son las siguientes:

1. Se puede alcanzar un alto grado de compacticidad: El cociente de 450

pie2/pie3 entre superficie de área son valores estándar para los

fabricantes. En comparación con las unidades convencionales de tubo

y carcaza tienen un cociente de 50 a 75 pie2 /pie3.

2. Los arreglos multicorrientes para maximizar el aprovechamiento de los

balances de energía de los procesos pueden ser acomodados

fácilmente en una sola unidad mediante la selección adecuada del

espaciado de las láminas y la geometría de construcción de las

aletas para cada una de las corrientes. Estas unidades de corrientes

además permiten operar como unidades reversibles en el

desplazamiento de impurezas, minimizando los costos de

mantenimiento y reduciendo los tiempos de parada de la unidad.

3. Cualquier configuración requerida para estructurar una óptima “ red de

intercambiadores” pueden ser configurada.

4. Estos equipos tienen como una de sus principales atractivos para su

aplicación, su bajo requerimiento de carga para las estructuras de las

instalaciones y su flexibilidad para lograr formas geométricas que

permitan aprovechar al máximo lugares con limitaciones de espacio

como instalaciones móviles, flotantes e instalaciones cuesta afuera.



Las limitaciones que se deben tener presentes en el diseño de aplicaciones con

estos equipos son:

1. La máxima presión de operación está limitada en equipos estándar es de

unos 650 psig, bajo condiciones estables, y de un máximo de 300 psig,

bajo condiciones reversibles.

2. El mantenimiento de los equipos requiere de una infraestructura

altamente especializada sobre todo en la corrección de las fugas

internas que son difíciles de localizar y de corregir en el campo, y se

necesitan equipos para soldar aluminio y se requiere de personal

experto.

3. Las restricciones de las pequeñas áreas de pasos a través de los

canales de los intercambiadores imponen caídas de presión

considerables.[3]

[3 Perry : “manual del Ingeniero Químico], 2ª ed.

FIGURA 2: DETALLES DE COSNTRUCCION DE INTERCAMBIADORES COMPACTOS .



9. DISEÑO METODOLOGICO

La definición de la metodología a utilizar está asociada a la

disponibilidad de fuentes de información confiables y soportadas con el rigor

científico necesario para asegurar su validez, siendo este un paso esencial

para la programación y planificación de la investigación en función de asegurar

el logro de los objetivos propuestos. En tal sentido pueden definirse cuatro

aspectos metodológicos claves: seleccionar el tema de investigación, elaborar

el diseño, establecer los métodos y especificar las técnicas de recolección de

datos.

Selección de procesos de tratamiento específicos: el mismo estará

basado en la distinción de dos procesos relativamente diferentes respecto al

tratamiento de gas para la especificación y determinación de intercambiadores

de calor en dichos procesos.

Eleboracion de un diseño de selección: considerando las

características de cada proceso y los requerimientos de los intercambiadores

de calor, y las facultades de cada cambiador será determinado mediante el

estudio de los procesos.



Establecer los parámetros y características de los

intercambiadores: una vs realizado el estudio y determinadas las

características y necesidades de cada uno de los procesos y también

comparando con las facultades de cada intercambiador de calor.

Desarrollo de un estudio de selección: una ves realizado el estudio

técnico y comparando las características de los intercambiadores de calor se

determinara los adecuados para cada proceso.

9.1 Identificación de Variables

9.1.1 Variable independiente

Descripción y estudio de parámetros de intercambiadores de

calor.

9.1.2 Variable dependiente

Incremento de la eficiencia de los procesos de tratamiento de gas

natural.

9.2 Tipo de Investigación.

Considerando la clasificación más aceptada a nivel de la investigación:

La investigación desarrollada en este trabajo se basa en un “Diseño

No Experimental”. Estos tipos de investigación se dividen generalmente en:

Transeccional ó Transversal: Los diseños de investigación transeccional o

transversal recolectan datos en un solo momento , en un tiempo único. Su



propósito es describir variables, y analizar su incidencia e interrelación en un

momento dado, tienen característica de foto de una variable en un contexto y

momento dado.

En este trabajo el enfoque se centra en determinar el estado actual de la

tecnología de intercambiadores de calor para lo cual su diseño será un

desarrollo transeccional, las investigaciones que de este se deriven podrán

usarlo como referencia del desarrollo de esta tecnología y apuntar a la

captura inteligente de cambios tecnológicos.

9.3 Método de la Investigación

El método seleccionado para la investigación es el DEDUCTIVO de

acuerdo a la siguiente caracterización:

El proceso partirá desde la generalización de los intercambiadores de

calor y puntualizara en los más característicos que cumplan con los aspectos

técnicos de cada proceso seleccionado.



11. TEMARIO TENTAVIVO

CAPITULO I

1.1. INTRODUCCIÓN

1.2. ANTECEDENTES

1.2.1 Antecedentes Generales

1.2.2 Antecedentes Especificos

1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.3.1 Identificacion de Problema

1.3.2 Formulacion del Problema

1.4 OBJETIVOS

1.4.1 Objetivo general

1.4.2 Objetivos Especificos

1.5 JUSTIFICACION

1.5.1 Justificacion Tecnica

1.5.2 Justificacion Academica

1.6 ALCENCE

CAPITULO II

2.1 MARCO TEORICO

2.1.1 Procesos de transferencia e intercambiadores de calor.

2.1.1.1 Introduccion a los procesos de transferencia de

calor.

2.1.1.2 Definicion del proceso de tranferencia de calor por

convección.

2.1.2 Consideraciones para el diseño de intercambiadores de

calor.

2.1.3 Aspectos térmicos en el diseño de intercambiadores



2.1.3.1 Efectos del ensuciamiento

2.1.4 Aspectos mecanicos en el diseño de intercambiadores de

calor

2.1.4.1 Presion de diseño

2.1.4.2 Temperatura de diseño

2.1.5 Conexiones a líneas de proceso

2.1.6 Funciones de los intercambiadores de calor

2.1.6.1 Recuperacion de calor

2.1.6.2 Evaporacion

2.1.6.3 Condensacion

2.1.7 Intercambiadores de calor para procesos crigenicos

2.1.7.1 Intercambiadores tipo de espirales Hampson Coil

2.1.7.2 Intercambiadores de placas

2.1.7.3 Intercambiadores soldados de placas con aletas

2.1.7.4 Intercambiadores tipo compacto

CAPITULO III

3.1 Estudio de las características de los procesos

3.2 Simulaciones de procesos para medir la eficiencia de los

mismos

3.3 Cantidades de calor perdidos

3.4 Factor de suciedad y su incidencia en los procesos

3.5 Simulación de factores mecánicos en los intercambiadores

3.6 Control de rendimiento

3.7 Alternativas varias para los procesos de tratamiento

3.8 Análisis de procesos diferentes y comparar ventajas

3.9 Rendimiento de los procesos y cantidades de calor perdido



12. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

1. Incropera P. Frank/ De Witt David P: “Fundamentos de

Transferencia de Calor”, 4ª.ed. Pub., Prentice Hall, 1999.

2. Kreith Frank: “Principios de Transferencia de Calor”, 1ª.ed. Pub., Herrero Hermanos, 1970.

3. Perry : “manual del Ingeniero Químico], 2ª ed.

4. Gordon. “Cryogenic Plant Startup-Refrigeration and Exchangers”, Hydrocarbon Engineerin, May/June 1997.

5. Mc GrawHill. “Gas processing and termical changers”,

Hydrocarbon Engineerin, August 2008.


estudio técnico para la selección de intercambiadores de calor en procesos criogénicos y de...

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