principios basicos int de calor

PDVSAMANUAL DE DISEO DE PROCESOTRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR

PDVSA N

TITULO

MDP05E01

PRINCIPIOS BASICOS

0REV. APROB.

JUL.95FECHA DESCRIPCION FECHA AGO.95 APROB.

116PAG. REV. APROB. APROB. FECHA AGO.95

E1994

ESPECIALISTAS

MANUAL DE DISEO DE PROCESO

PDVSA MDP05E01 REVISION FECHA

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TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOSIndice manual Indice volumen

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Indice1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 CONSIDERACIONES BASICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 5.1 5.2 5.3 5.4 Definiciones y descripciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funciones de los intercambiadores de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mecanismos de transferencia de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proceso de transferencia de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Clasificacin y aplicaciones de intercambiadores de calor . . . . . . . . . . . . Consideraciones generales de diseo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Consideraciones de diseo para intercambiadores de tubo y carcaza . . Problemas operacionales tpicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Optimizacin de los sistemas de integracin de calor . . . . . . . . . . . . . . . . Proceso de diseo de intercambiadores de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Criterios de seleccin para intercambiadores de calor . . . . . . . . . . . . . . . . Gua general para el diseo de intercambiadores de calor . . . . . . . . . . . . Programas de computacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 3 4 55 8 8 9 13 24 39 60 64

5 GUIA GENERAL PARA DISEO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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6 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 APENDICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Tabla 1 Tabla 2a Tabla 2b Tabla 3 Tabla 4 Tabla 5 Tabla 6 Tabla 7 Tabla 8 Tabla 9 Tabla 10 Figura 1 Figura 2 Figura 3 Sumario de los diferentes tipos de intercambiadores de calor . . . Informacin requerida para el diseo de intercambiadores de calor (unidades mtricas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Informacin requerida para el diseo de intercambiadores de calor (unidades inglesas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Coeficientes globales de transferencia de calor tpicos (U0) . . . . . Temperatura de diseo del agua de enfriamiento entrando . . . . . . Factores de ensuciamiento tpicos ri y ro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cada de presin tpicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datos de tubos para intercambiadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conductividades trmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Seleccin de tipos de cabezales (TEMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nmero de pasos mximo por los tubos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hoja de especificacin para intercambiadores de calor (unidades SI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elementos de los intercambiadores de tubo y carcaza . . . . . . . . . . Nomenclatura TEMA para intercambiadores de calor . . . . . . . . . .

78 8081 82 84 86 93 95 100 101 102 103 104 105 106 107



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Figura 4 Figura 5 Figura 6a Figura 6b Figura 6c Figura 7 Figura 8 Figura 9

Arreglos comunes de tubos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tipos de deflectores para la carcaza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tipos de carcazas comunes para intercambiadores de tubo y carcaza carcaza de un paso (TEMA, Tipo AES) . . . . . . . . . . . . . Tipos de carcazas comunes para intercambiadores de tubo y carcaza carcaza de flujo dividido (TEMA, Tipo AJS) . . . . . . . . . Tipos de carcazas comunes para intercambiadores de tubo y carcaza carcaza de dos pasos (TEMA, Tipo AFS) . . . . . . . . . . . . Localizacin de la banda de sello . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mecanismos de condensacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tipos de intercambiadores de placa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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OBJETIVOEl objetivo de este documento es proveer al ingeniero de proceso y diseo con un conocimiento tcnico/prctico que le permita comprender y familiarizarse con los parmetros que gobiernan el diseo de los equipos para transferencia de calor. El tema Intercambiadores de Calor, dentro del rea de Transferencia de Calor, en el Manual de Diseo de Procesos (MDP), est cubierto por los siguientes documentos: PDVSAMDP Descripcin del Documento 05E01 Intercambiadores de Calor: Principios Bsicos. (Este documento) 05E02 Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseo para para equipos de tubo y carcaza. 05E03 Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseo para Enfriadores de Aire. 05E04 Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseo para Intercambiadores de Doble Tubo. 05E05 Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseo para Servicios Criognicos. Este documento, junto con los dems que cubren el tema de Intercambiadores de Calor, dentro del Manual de Diseo de Procesos (MDP) de PDVSA, son una actualizacin de la Prcticas de Diseo Intercambiadores de Calor, presentadas en la versin de Junio de 1986 del MDP (Seccin 9).

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ALCANCEEste documento presenta definicin de conceptos y descripcin de las metodologas involucradas en el diseo y evaluacin de los equipos para intercambio de calor. En las subsecciones 4.1, 4.2, 4.3 y 4.4 se conceptualiza brevemente el proceso de transferencia de calor. La subseccin 4.5 describe los diferentes tipos de intercambiadores de calor comunmente usados en la IPPCN y sus aplicaciones. En general, estos equipos se disean y fabrican para un servicio especfico, por lo que el diseador y/o fabricante requieren de informacin sobre la operacin y el servicio para el cual ser adquirido dicho equipo. Esta informacin les es suministrada por el ingeniero de proyecto o de proceso mediante una hoja de datos con todos los requisitos que el intercambiador debe cumplir, evitndose as la adquisicin de un equipo inadecuado para el servicio requerido. En la Figura 1. se muestra un ejemplo de la hoja de especificacin para los intercambiadores de tubo y carcaza. La subseccin 4.6 presenta las consideraciones bsicas de diseo para todos los tipos de intercambiadores de calor y la subseccin 4.7 contiene las



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consideraciones generales para el diseo de intercambiadores de calor del tipo tubo y carcaza. Las subsecciones 4.8 y 4.9 intentan concientizar, al ingeniero responsable del diseo y/o evaluacin de un intercambiador, sobre la problemtica operacional y de integracin energtica relacionada con dichos equipos, y la importancia de considerar estos factores durante su fase de diseo y/o evaluacin dado su gran impacto sobre los costos de mantenimiento, de produccin y energticos. Finalmente, en la seccin 5 se describe el proceso de diseo y seleccin de intercambiadores de calor. Aunque en los documentos PDVSAMDP05E02 al 05 se cubre en detalle los procedimientos de clculo. Ciertos aspectos tales como longitud del tubo, especificaciones del tipo de material, limitaciones en las dimensiones de la carcaza, etc., son normalmente especificados por el cliente; como parte de las Bases de Diseo para la instalacin de una nueva refinera o, en el caso de refineras y plantas qumicas existentes, en la carta de requisicin del trabajo o, en ltimo caso, esta informacin puede ser generada durante las etapas iniciales del trabajo.

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REFERENCIASManual de Diseo de Proceso (versin 1986) S Vols V y VI, Seccin 9 Intercambiadores de calor S Vol I, Seccin 1 Consideraciones econmicas de diseo S Vol I, Seccin 2 Temperatura de diseo, presin de diseo y clasificacin de bridas S Vols VII y VIII, Seccin 12 Instrumentacin y control S Vol VIII, Seccin 14 Flujo de fluidos Manual de Diseo de Proceso S PDVSAMDP08SG01 Seguridad en el Diseo de Plantas: Introduccin Manual de Ingeniera de Diseo S PDVSAMIDEA201PR Equipo de carcaza y tubos para intercambio de calor S PDVSAMIDEA202PR Equipo para intercambio de calor de doble tubo S PDVSAMIDEC201PR Equipo para intercambio de calor : enfriador de aire S PDVSAMIDEF202R Torre de enfriamiento de tipo inducido S PDVSAMIDEG201R Calentadores desaereadores



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S PDVSAMIDK366 Safety relief protection systems S PDVSAMIDLTP2.1 Intercambiadores de calor requisicin, anlisis de ofertas y detalles de compra S PDVSAMID90616.1.022 Sistemas de alivio S PDVSAMID90617.1.041 Guas de ingeniera para intercambiadores de calor de carcaza y tubo S PDVSAMID90617.1.042 Guas de ingeniera para intercambiadores de calor enfriados por aire Otras Referencias S Standards of Tubular Exchanger Manufactures Association (TEMA) S API Standard 661 Aircooled Heat Exchangers for General Refinery Services S API Standard 660 Heat Exchanger for General Refinery Services S API Bulletin 2516 Evaporation loss from lowpressure tanks (R 1993) S API Bulletin 2517 Evaporative loss from floating roof tanks third edition; Addendum 1994 S API Manual of Petroleum Measurements Standards Ch 19 Evaporative loss measurement Section 1 Evaporative loss from fixedroof tanks (Supercedes Bulletin 2518) S API Bulletin 2519 Evaporation loss from internal floating roof tanks (R 1990) S Afgan, N. H. & Schlnder, E. U.; Heat Exchanger Theory; First Edition McGraw Hill (1974). S Chemical Engineering Magazine; Process Heat Exchange; McGraw Hill (1979) S Hewitt, G. F.; Shires, G. L. and Bott T. R.; Process Heat Transfer; First Edition; CRC Press, Inc. (1993)10. S Kays, W.M. and London, A.L.; Compact Heat Exchanger; Second Edition; McGraw Hill (1964) S Kakac, S. et All; Heat Transfer Design Method; First Edition; McGraw Hill (1974) S McKetta, J. J.; Heat Exchanger; First Edition; Marcel Dekker, Inc. (1991) S Schlnder, E. U.; Heat Exchanger Design Handbook; Vols. 2 & 3; First Edition, CRC Press, Inc. (1983) S Smith, G. & Patel A.; Step by Step through the Pinch; The Chemical Engineer Journal; Novembre 1987.

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CONSIDERACIONES BASICAS4.1 Definiciones y descripcionesLa terminologa usada en esta serie de documentos del rea de Transferencia de Calor, ttulo Intercambiadores, es la que generalmente se usa en la IPPCN. A continuacin se definen y describen los trminos mas comunes:



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Refrigerador Es una unidad que utiliza un refrigerante para enfriar un fluido, hasta una temperatura menor que la obtenida si se utilizara aire o agua como medio de enfriamiento. Condensador Es una unidad en la cual los vapores de proceso se convierten total o parcialmente en lquidos. Generalmente, se utiliza agua o aire como medio de enfriamiento. El trmino condensador de superficie se refiere especficamente a aquellas unidades de carcaza y tubos que se utilizan para la condensacin del vapor de desecho, proveniente de las mquinas y de las turbinas a vapor. Un condensador de contacto directo es una unidad en la cual el vapor es condensado mediante contacto directo con el medio enfriante, eliminando la superficie de transferencia de calor que separa el medio enfriante y el vapor. Enfriador Es una unidad en la cual una corriente de proceso intercambia calor con agua o aire sin que ocurra cambio de fase. Evaporador Los evaporadores son intercambiadores de calor usados especficamente para concentrar soluciones mediante la evaporacin parcial del solvente, algunas veces hasta el punto que ocurra el fenmeno de la cristalizacin. Son diseados para optimizar la produccin del producto liquido o solido. Intercambiador Es el nombre genrico de un dispositivo mecnico, o equipo, diseado para transferir calor entre dos o mas corrientes de fluidos que fluyen a travs del equipo. Calentador Un calentador es un intercambiador de calor que aumenta la temperatura de una corriente, sin que normalmente ocurra un cambio de fase. Como fuente de calor puede utilizarse una corriente de servicio; tal como vapor de agua, aceite caliente, fluidos trmicos o lquidos qumicos (como el Humbletherm); o una corriente de proceso de entalpa alta; por ejemplo: la descarga de un reactor operado a alta temperatura. Existe una gran variedad de fluidos trmicos que han sido ampliamente usados y estn comercialmente disponibles; por ejemplo Dowtherm A (mezcla de 26.5% de Difenil (C6H5)2, y 73.5% de Oxido de Difenil (C6H5)2,O, con un punto de ebullicin de 257.1C.), y Dowtherm J ( (C10H14), con un punto de ebullicin de 181C.).



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Rehervidor Es un vaporizador frecuentemente usado para generar un flujo de vapor que suministra el calor latente de vaporizacin al fondo de una columna o torre fraccionadora. Existen dos tipos generales de rehervidores, aqullos que descargan una mezcla bifsica a la torre y los que retornan vapor solamente. Los primeros pueden operar mediante circulacin natural (comnmente llamados termosifones), o circulacin forzada (Ver documento PDVSAMDP05E02 para mayor informacin). Los termosifones son los tipos de rehervidores ms comunes. Los termosifones horizontales donde la vaporizacin ocurre en el lado de la carcaza son los ms usados en la industria petrolera. Normalmente, en los termosifones verticales, la vaporizacin ocurre en el lado de los tubos y se utilizan preferiblemente en las industrias qumicas. En un termosifn, se debe proveer suficiente cabezal de lquido a fin de mantener la circulacin natural del lquido a vaporizar. Los rehervidores de circulacin forzada requieren de una bomba para impulsar el lquido a vaporizar a travs del intercambiador. Este tipo de rehervidor no se utiliza con mucha frecuencia, debido a los costos adicionales del bombeo de la alimentacin al rehervidor; sin embargo, en algunos casos se requiere circulacin forzada para vencer limitaciones del cabezal hidrosttico y problemas de circulacin. Los rehervidores que retornan solamente vapor a la torre se denominan rehervidores de marmita (Kettle Reboilers), los cuales se caracterizan por carcazas largas, donde ocurre la separacin liquidovapor. El liquido es descargado como el producto de fondo de la columna y el vapor es retornado a la columna. Quizs la mejor manera de describir la operacin de estos rehervidores es comparndolas con una paila u olla hirviendo (para mayores detalles ver documento PDVSAMDP05E02). Generadores de Vapor (Calderas de Recuperacin de Calor) Los generadores de vapor son un tipo especial de vaporizadores utilizados para producir vapor de agua. Como fuente de calor se utiliza generalmente el calor en exceso que no se requiere para el proceso; de all que estos rehervidores se les llame comnmente Calderas de Recuperacin de Calor. Al igual que los rehervidores, los generadores de vapor pueden ser del tipo Kettle, de circulacin forzada o termosifones. Sobrecalentador Un sobrecalentador calienta el vapor por encima de su temperatura de saturacin.



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Vaporizador Un vaporizador es un intercambiador que convierte lquido a vapor. El trmino vaporizador se refiere normalmente a aquellas unidades que manejan lquidos diferentes al agua.

4.2

Funciones de los intercambiadores de calorLa funcin bsica de los intercambiadores es la transferencia de energa trmica entre dos o mas fluidos a diferente temperatura. El calor fluye, como resultado del gradiente de temperatura, desde el fluido caliente hacia el fro a travs de una pared de separacin, la cual se le denomina superficie o rea de transferencia de calor. Es decir, no existe fuente de energa trmica en un intercambiador de calor. Por otro lado, si los fluidos son inmiscibles, el rea fsica de transferencia de calor puede ser eliminada, y la interfase formada entre los fluidos puede servir como rea de transferencia de calor. En resumen, las funciones tpicas de un intercambiador de calor en los procesos industriales son las siguientes: 1. Recuperacin de calor: la corriente fra recupera parte del calor contenido en la corriente caliente. Es decir, calentamiento y enfriamiento de las corrientes involucradas, las cuales fluyen simultneamente a ambos lados del rea de transferencia de calor. Evaporacin: una de las corrientes involucradas en el intercambio de calor cambia de fase lquida a vapor. Condensacin: una de las corrientes involucradas en el intercambio de calor cambia de fase vapor a fase lquida.

2. 3.

4.3

Mecanismos de transferencia de calorLa transferencia de calor, como se defini previamente, es una interaccin entre fluidos o materiales a consecuencia de un gradiente de temperaturas entre ellos. Esta interaccin ocurre mediante tres mecanismos diferentes, a saber: conduccin, radiacin y conveccin. Estrictamente hablando, solamente los primeros mecanismos pueden clasificar como operaciones de transferencia de calor, porque dependen solamente de la existencia de un gradiente de temperatura. A diferencia de ellos, el mecanismo de conveccin esta fuertemente influenciado por el patrn de flujo (dinmica de fluido); pero tiene asociado un intercambio de energa desde las zonas de alta hacia baja temperatura. Conduccin es fundamentalmente transferencia de energa por contacto fsico en ausencia de movimiento del material a nivel macroscpico. Este mecanismo puede ocurrir en solidos, lquidos o gases. Radiacin es la transferencia de calor de un cuerpo a otro mediante el movimiento de ondas electromagnticas a travs del espacio, inclusive cuando exista vaco



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entre ellos. La radiacin puede ocurrir a travs de gases, lquidos o slidos; pero debido a la mayor capacidad de absorcin de energa de los medios densos, la radiacin del calor es mas eficiente a travs de los gases. Conveccin es transferencia de calor de un punto a otro en un fluido, gas o lquido, debido a la mezcla y movimiento de las diferentes partes del fluido. Existen dos mecanismos de transferencia de calor por conveccin, denominados conveccin forzada y conveccin natural. En la conveccin forzada, el movimiento del fluido es debido a fuerzas externas, tal como bombeo; mientras que en la conveccin natural el movimiento es inducido por la diferencia de densidades resultante de la diferencia de temperatura en el fluido. Cuando en la conveccin forzada la velocidad es relativamente baja, estos factores de diferencia de densidad y de temperatura pueden tener un efecto considerable. Los mtodos de clculo para cada uno de estos mecanismos son diferentes. El flujo de calor por conduccin es proporcional al gradiente de temperatura (ley de Fourier: Q=kA(dT/dX) ); por radiacin es funcin del incremento de la temperatura absoluta a la cuarta potencia (ecuacin de Stefan Boltzmann: Q=1.714 x 107A (T14 T24)) y por conveccin es proporcional a la diferencia de temperatura entre la superficie de transferencia y la masa de fluido en contacto con ella (ley de Newton Q=hA (T1 T2)). La diferencia entre estas ecuaciones reside, bsicamente, en el coeficiente de transferencia. As, el coeficiente por conduccin, denominado conductividad trmica, es una propiedad del medio de transferencia y puede ser medido directamente y el coeficiente por radiacin depende de una propiedad de la superficie radiante, llamada emisividad, la cual es medida directamente. Pero el coeficiente por conveccin es un parmetro emprico, obtenido experimentalmente, pero no medido directamente, por lo que el clculo de la transferencia de calor por conveccin es mas emprico que para los otros dos mecanismos, existiendo una gran dependencia de datos experimentales y sus correlaciones. Adicionalmente, este coeficiente incorpora elementos de dinmica de fluidos. Generalmente, en cualquier proceso de transferencia de calor se encuentran presente, simultneamente, varios de estos mecanismos; por ejemplo la transferencia de calor por conveccin incorpora calor por conduccin en el fluido; de hecho, si el fluido fuese noconductor no se dara la conveccin, pues el movimiento sirve para poner en contacto las partes fra y calientes.

4.4

Proceso de transferencia de calorEn la subseccin previa se ha planteado los diferentes mecanismos de transferencia de calor, y en esta subseccin se plantean como a travs de estos mecanismos ocurre la transferencia de calor. El objetivo es introducir un conocimiento general sobre los procesos de transferencia de calor. Existen dos



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tipos generales de procesos; a saber: (1) Sin cambio de fase, conocida tambin como calor sensible y (2) con cambio de fase. El proceso sin cambio de fase o calor sensible, como su nombre sugiere, involucra operaciones de calentamiento y enfriamiento de fluidos donde la transferencia de calor resulta solamente en cambios de temperatura; mientras que en el cambio de fase, la operacin se traduce en una conversin de lquido a vapor o de vapor a lquido; es decir, vaporizacin o condensacin. Muchas aplicaciones involucran ambos tipos de procesos. A continuacin se presentan descripciones generales sobre estos tipos de procesos de transferencia de calor; pero no siendo el objetivo de este MDP presentar un tratado terico sobre el tema, le remitimos para mayores detalles a las referencias mencionadas en la seccin 3. En los documentos 03/ 04/ 05, referidos a procedimientos de PDVSAMDP05E02/ diseo, se presentan las correlaciones usadas en la IPPCN en el diseo de intercambiadores. 4.4.1 Calor sensible La mayora de las aplicaciones de los procesos de transferencia de calor sin cambio de fase involucran el mecanismo de transferencia de conveccin forzada, tanto dentro de los tubos como sobre superficies externas. Como se menciono previamente (subseccin 4.3), el coeficiente de transferencia de calor por conveccin depende de parmetros de dinmica de fluido, por ejemplo la velocidad. En base al movimiento de fluido, el flujo dentro de los tubos se divide en tres regmenes de flujo, los cuales son medidos mediante un parmetro adimensional, llamado nmero de Reynolds, el cual es una indicacin de la turbulencia del flujo (para mayores detalles ver documento PDVSAMDP (Pendiente) (Consulta MDP versin 1986, Seccin 14). Los regmenes de flujo son : 1. 2. 3. Flujo laminar: nmero de Reynolds menor que 2.100. Flujo de transicin: nmero de Reynolds entre 2.100 y 10.000. Flujo turbulento: nmero de Reynolds mayor que 10.000.

Para cada uno de estos regmenes de flujo han sido desarrollados ecuaciones semiempricas las cuales son usadas para describir y predecir adecuadamente la transferencia de calor en la regin en consideracin. Aunque los coeficientes de transferencia de calor para flujo Laminar son considerablemente mas pequeos que para flujo Turbulento, en algunas casos se prefiere el flujo Laminar para reducir costos de bombeo. El mecanismo de transferencia de calor en este rgimen de flujo es bsicamente por conduccin. En la regin de Transicin, el flujo puede ser inestable y fluctuaciones en la cada de presin y en la transferencia de calor han sido observadas. Existe una gran



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incertidumbre en cuanto al comportamiento de los parmetros de transferencia de calor y de friccin del flujo; en consecuencia es aconsejable evitar el diseo de los equipos de intercambio de calor para operar dentro de esta regin. En cuanto al fenmeno de transferencia de calor por conveccin forzada sobre superficies externas, es importante mencionar que el proceso de transferencia de calor esta ntimamente relacionado con la naturaleza del flujo; por ejemplo, la transferencia de calor sobre un haz de tubos depende del patrn de flujo y del grado de turbulencia; es decir, es funcin de la velocidad del fluido y del tamao y arreglo de los tubos. Debido a la complejidad del flujo en estos casos de transferencia calor sobre superficies externas dificulta su tratamiento analtico, las ecuaciones disponibles para el clculo del coeficiente de transferencia de calor se han desarrollado completamente en base a datos experimentales. 03/ 04/ 05, referidos a En los documentos PDVSAMDP05E02/ procedimientos de diseo, se presentan las correlaciones usadas en la IPPCN en el diseo de intercambiadores sin cambio de fase. 4.4.2 Condensacin Condensacin, una de las operaciones de transferencia de calor mas importantes, es un proceso convectivo, mediante el cual el vapor es convertido en liquido cuando el vapor saturado entra en contacto con una superficie a temperatura mas baja. Este proceso ocurre en una gran variedad de aplicaciones y equipos (por ejemplo: sobre/dentro de tubos verticales/horizontales). El condensado se forma sobre la superficie fra y, bajo el efecto de la fuerza de gravedad fluye hacia abajo, sobre dicha superficie, en diferentes maneras, las cuales se describen a continuacin: Si el lquido condensado humedece la superficie formando una pelcula continua de lquido, sobre la superficie, el proceso se denomina Condensacin tipo pelcula, la cual se muestra en la Figura 8.b. La pelcula acta como un material aislante de la superficie y representa una resistencia o barrera a la transferencia de calor. Este tipo de condensacin es la que usualmente se asume en el diseo de condensadores y es la base terica del procedimiento de diseo para condensadores presentado en el documento PDVSAMDP05E02. Si por el contrario el lquido condensado no humedece la superficie, se forman gotas de liquido las cuales crecen lo suficiente para moverse al azar sobre la superficie por efecto de la gravedad. Este proceso se denomina Condensacin por gotas y se muestra en la Figura 8.a. En este proceso, porciones de superficie estn directamente expuestas al vapor, no existiendo resistencia al flujo de calor, por lo que se experimenta ratas de transferencia de calor mas elevadas que en la condensacin tipo pelcula. Por esta razn, la condensacin por gotas prodra ser preferida a la tipo pelcula; pero es una opcin imprctica dada la



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dificultad de mantenerla en el tiempo. La mayora de las superficies tienden a la formacin de pelcula despus de ser expuestas al vapor condensado durante un largo perodo de tiempo. Se ha intentado fomentar la condensacin por gotas mediante el uso de aditivos al vapor y tratamiento de la superficie (por ejemplo, revestimiento), sin xito, debido al incremento de costos operacionales, a su inefectividad en el tiempo y al ensuciamiento de la superficie, entre otros. Si las gotas de condensado se forman en la masa de la corriente de vapor, en lugar de sobre la superficie, el proceso se denomina Condensacin homognea, la Esta situacin puede ocurrir en cual se muestra en la Figura 8.d. condensadores parciales o en corrientes de vapor con gases incondensables, cuando el vapor o la mezcla gasvapor es enfriado por debajo del punto de roco. Este tipo de condensacin puede resultar en la formacin de una niebla de gotas de liquido en el vapor, las cuales por ser muy pequeas son difciles de separar por mtodos convencionales y pueden ser arrastradas en el venteo de condensador, presentando posibles problemas de contaminacin ambiental. Cuando el vapor condensa produciendo dos fases liquidas ( por ejemplo, una mezcla de vapores de agua e hidrocarburos), el proceso se conoce como Condensacin de lquidos inmiscibles. En estos casos, el patrn de condensacin es variable. Un enfoque conservador supone la presencia de dos pelculas de condensado y el calor se transfiere a travs de ambas pelculas en serie. Otro enfoque supone condensacin tipo pelcula para una de las fase, mientras que la otra forma gotas sobre la superficie de la pelcula, como se ilustra en la Figura 8.c. 4.4.3 Vaporizacin La vaporizacin puede ser definida como la adicin de calor a una masa lquida, en tal magnitud, que ocurre la generacin de vapor. Es un proceso convectivo que involucra cambio de fase de lquido a vapor. Esta subseccin intenta describir a continuacin, solo a ttulo informativo, los modos de transferencia de calor en el proceso de vaporizacin, y en el documento PDVSAMDP05E02 se presentan las correlaciones prcticas usadas en el diseo de intercambiadores, con vaporizacin. La vaporizacin ocurre cuando una superficie es expuesta a un liquido y mantenida a la temperatura de saturacin de ese lquido, dependiendo el flujo de calor de la diferencia de temperatura entre la superficie y la condicin de saturacin. Si la superficie esta sumergida en una piscina esttica de lquido, al proceso se le denomina Piscina de vaporizacin (Pool Boiling). Inicialmente no se forman burbujas o gotas de vapor y la transferencia de calor se da por conveccin natural. En el rea cerca de superficie caliente, el lquido absorbe un pequeo sobrecalentamiento y es subsecuentemente evaporado en la medida que se mueve hacia la superficie del lquido. Seguidamente, comienzan a



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formarse burbujas en la superficie de transferencia, las cuales inicialmente desaparecen por condensacin en la masa de lquido, al desprenderse de la superficie. A medida que la diferencia de temperatura se incrementa, crece el nmero de burbujas y solo alguna de ellas desaparecen en la superficie del lquido. Este rgimen se le denomina Vaporizacin por nucleacin. Eventualmente las burbujas se forman tan rpidamente y alcanzan a ser tan numerosas que se aglutinan, formando una pelcula continua de vapor sobre la superficie caliente, y finalmente el vapor es descargado desde la pelcula, en forma de burbujas regularmente espaciadas. Este rgimen se denomina Vaporizacin por pelcula, donde la transferencia de calor es por conduccin y conveccin a travs de la pelcula y, a medida que la temperatura de la superficie se incrementa, por significativa radiacin; siendo la transferencia de calor menos eficiente. Si la temperatura del lquido es menor que su temperatura de saturacin, el proceso se llama Vaporizacin subenfriada o local. Si el liquido es mantenido a su temperatura de saturacin, al proceso se le conoce como vaporizacin saturada. En este ltimo caso, las burbujas formadas se desprenden hacia el centro de la masa liquida. Estos dos ltimos modos de vaporizacin se encuentran presente cuando la vaporizacin ocurre en tubos verticales y se le conoce como Vaporizacin convectiva forzada.

4.5

Clasificacin y aplicaciones de intercambiadores de calorLos intercambiadores son diseados para satisfacer requerimientos especficos, existiendo en el mercado una gran diversidad de tipos que difieren en tamao y forma. Estos tipos son clasificados de acuerdo a diferentes criterios, tales como procesos y mecanismos de transferencia de calor, grado de compacticidad de la superficie, patrn de flujo, nmero de fluidos, geometra y tipo de construccin. Este ltimo criterio engloba un amplio rango de intercambiadores usados en la industria petrolera, los cuales se describen a continuacin. Por supuesto, existen otros tipos de intercambiadores de calor a los cuales no se hace referencia, pero stos no se utilizan con frecuencia en la industria petrolera.

4.5.1

Intercambiadores del tipo tubo y carcaza Este es el tipo de intercambiador que se utiliza comnmente en las refineras. No es caro, es fcil de limpiar y relativamente fcil de construir en diferentes tamaos y puede ser diseado para presiones desde moderadas a altas, sin que vare sustancialmente el costo. Mecnicamente resistente para soportar las tensiones a la cual es sometido durante la etapa de fabricacin, el envo, montaje e instalacin en sitio; y los esfuerzos externos e internos en las condiciones normales de operacin, debido a los cambios en temperatura y presin. Fcil de mantener y reparar (aquellas partes sujetas a fallas frecuentes, tubos y empacaduras, son fciles de reemplazar). Adicionalmente, la disponibilidad de



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buenos procedimientos de diseo, de experticia y de facilidades de fabricacin, aseguran el diseo y construccin exitoso de este tipo de intercambiadores, convirtindoles en la primera opcin a seleccionarse para un proceso de transferencia de calor. El intercambiador de tubo y carcaza consiste de un haz de tubos paralelos encerrados en un estuche cilndrico llamado carcaza. En la Figura 2. se muestran las diferentes partes de este tipo de intercambiadores. Hay tres tipos bsicos de intercambiadores de tubo y carcaza, dependiendo del mtodo utilizado para mantener los tubos dentro de la carcaza. El primero es el de tipo fijo o intercambiadores de placa de tubos fija o de cabezal fijo. En este caso, el equipo tiene tubos rectos, asegurados en ambos extremos en placas de tubos soldados a la carcaza. En este tipo de construccin, algunas veces es necesario incorporar en la carcaza una junta de expansin o una junta de empaques, debido a la expansin diferencial de la carcaza y los tubos. Esta expansin se debe a la operacin del equipo a diferentes temperaturas y a la utilizacin de diferentes materiales en la construccin. La necesidad de esta junta es determinada tanto por la magnitud de la expansin diferencial como del ciclo operativo esperado. Cuando no se requieren estas juntas o empacaduras, el equipo ofrece el mximo de proteccin contra la fuga del liquido contenido en la carcaza. El haz de tubos no puede ser removido para inspeccin y limpieza, pero el cabezal en el lado de los tubos, las empacaduras, la cubierta del canal, etc. son accesibles para mantenimiento y reemplazo de las partes. La carcaza puede ser limpiada por retrolavado o qumicamente. Los intercambiadores de cabezal fijo son usados en servicios donde el fluido de la carcaza es un fluido limpio, como vapor de agua, refrigerante, gases, cierto tipo de agua de enfriamiento, etc. El segundo tipo de intercambiadores de tubo y carcaza utiliza tubos en forma de U, con ambos extremos de los tubos sujetados a una placa de tubos simple, eliminndose as los problemas de expansin diferencial porque los tubos pueden expandirse y contraerse libremente, la forma de U absorbe estos cambios. A estas unidades se les denomina intercambiadores con tubos en U. El haz de tubos puede ser removido de la carcaza para inspeccin y limpieza; pero la limpieza mecnica interna de los tubos y su reemplazo es difcil, por lo que este tipo de intercambiadores es usualmente aplicable en servicios limpios o cuando la limpieza qumica es efectiva. El costo de estas unidades a presin baja es aproximadamente igual al de las unidades de cabezal fijo, pero a presin alta es significativamente mas barato, por lo que es muy usado en este tipo de aplicacin. El tercer tipo de intercambiadores de tubo y carcaza, al igual que las unidades de cabezal fijo, presenta dos placas de tubos, pero con solo una de ellas soldada a la carcaza y la otra movindose libremente, y as evitando los problemas de expansin diferencial. A este diseo se le conoce como intercambiadores de cabezal flotante. El haz de tubos de este tipo de intercambiador puede



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removerse para mantenimiento y para la limpieza mecnica de la carcaza y los tubos, tambin, pueden ser limpiados mecnicamente tanto en su exterior como en su interior. El diseo de cabezal flotante es mas caro (aprox. en un 25%) que el diseo de cabezal fijo, y es apropiado para servicios asociados a altas temperatura y presiones, pero limitado a aquellos servicios donde la fuga del fluido contenido en la carcaza es tolerable. Para mayor informacin sobre el diseo de este tipo de intercambiadores, refirase a la Subseccin 4.7 y al documento PDVSAMDP05E02. Resumiendo, los tipos de intercambiadores de tubo y carcaza, en orden de incremento de costos, para rango de presiones desde moderadas a altas, existentes son: 1. 2. 3. 4. Intercambiador de cabezal fijo. Intercambiador con tubos en U. Intercambiador de cabezal fijo con junta de expansin o junta de empaques. Intercambiador de cabezal flotante.

El diseador debera elegir el tipo de intercambiador menos costoso, que sea aplicable al caso en estudio. En la Tabla 9 se presentan los tipos de cabezal fijo y flotante de la TEMA. Las boquillas de entrada y salida del fluido contenido en la carcaza son generalmente secciones de tubos estndares soldadas a la carcaza; aunque diseos especiales pueden ser requeridos en casos de baja cada de presin, distribucin uniforme del fluido o proteccin por erosin. (Por ejemplo, deflectores de choque, cuando flujo bifsico o vapor saturado es admitido en la carcaza). La cubierta del canal es asegurada por pernos o atornillada al canal para permitir la inspeccin de la placa de tubos y de los tubos sin perturbar la operacin del equipo. Alternativamente, para el fluido por los tubos pueden usarse casquetes con boquillas bridadas o conexiones roscadas. Otra de las partes importantes en la mayora de los intercambiadores es el arreglo de los deflectores transversales, cuya funcin principal es el soporte de los tubos contra las vibraciones y deformaciones. Otra funcin es definir la trayectoria del flujo alrededor de los tubos, mejorando la transferencia de calor, pero incrementando la cada de presin. Los deflectores mas usados son los de corte segmentado. Otras partes importantes en la construccin de estos equipos son las barras tirantes, los espaciadores, las bandas de sellos y, por supuesto, las empacaduras. Todas esta partes son discutidas en las subsecciones 4.6 y 4.7.



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Los intercambiadores de carcaza y tubos se disean y fabrican de acuerdo a los estndares de la Asociacin de Fabricantes de Intercambiadores Tubulares (Tubular Exchanger Manufacturers Association TEMA), con las modificaciones indicadas en el MIDEA201PR. De acuerdo a los patrones de TEMA existen tres clases estndares de construccin mecnica de intercambiadores: R, C y B. De stas slo se considerarn las clases R y C. (La Clase B es muy similar a la Clase C). El equipo que se fabrica de acuerdo a los patrones de la Clase R, cumplen con todos los requisitos para los servicios que involucran una transferencia de calor elevada. Sin embargo, existe una cantidad numerosa de aplicaciones que no requieren este tipo de construccin. Estas se caracterizan por bajas tendencias a la corrosin y ensuciamiento, requiriendo factores de ensuciamiento que no exceden de 0.00035 m2C/W (0.002 hpie2F/BTU) y lmites permisibles de corrosin que no excedan 3.0 mm (1/8 pulg), para la unidad que se est considerando. Este tipo de unidades pueden ser consideradas como equipos cuya frecuencia de mantenimiento es baja. En esta categora se encuentran los intercambiadores de servicio agua/agua, enfriadores de aire, y aplicaciones similares de corrientes que no sean hidrocarburos; tambin se incluyen algunos servicios de hidrocarburos livianos, tales como: intercambiadores para fracciones livianos de crudo, calentadores de aceite lubricante y algunos calentadores de tanques de succin. Para estos servicios, se debera considerar la construccin Clase C. Aunque las unidades que se fabrican de acuerdo a la Clase R o a la Clase C, cumplen con todos los requisitos de los cdigos pertinentes, (ASME u otros cdigos nacionales); las unidades Clase C se disean para lograr una mayor economa, pudindose conseguir un ahorro en costos de hasta el 5% con respecto a las unidades Clase R. 4.5.2 Enfriadores de aire Los enfriadores de aire consisten de uno o ms ventiladores de flujo axial, velocidades relativamente bajas y dimetros grandes, que forzan o inducen al aire a fluir a travs de un banco de tubos, generalmente con aletas. La configuracin bsica de una unidad es un banco de tubos aleteados montado sobre una estructura de acero con una cmara de pleno y un anillo vnturi, un motor y otros accesorios como persianas, guardaventilador, alambrado e interruptores de vibracin. La seleccin entre enfriadores de aire o intercambiadores convencionales de tubos y carcaza, depende del balance econmico, el cual debe considerar en la inversin inicial, los costos de las facilidades requeridas dentro y fuera del rea, para la instalacin de los equipos y los costos de operacin de los mismos. En general, los enfriadores de aire resultan especialmente atractivos en aqullas localidades donde el agua escasea o requieren un tratamiento costoso como una torre de enfriamiento, donde las leyes de contaminacin ambiental establezcan



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requisitos estrictos para los efluentes de agua, donde la expansin de los sistemas de agua de enfriamiento sea necesaria, o donde la naturaleza del medio enfriante cause taponamientos frecuentes o problemas de corrosin. En resumen, estas unidades requieren una inversin inicial mas alta que los enfriadores de agua pero los costos de operacin y mantenimiento son menores. Estos equipos se utilizan con frecuencia en combinacin con enfriadores de agua, cuando se requiere remover una gran cantidad de calor. En este caso los enfriadores de aire remueven primero la mayor parte del calor y el enfriamiento final se consigue con los de agua. tambin pueden utilizarse como enfriadores de emergencia en caso de requerirse un bombeo rpido de una corriente de proceso. Estas unidades an con el ventilador apagado, son capaces de remover por conveccin natural entre 15 y 35% del calor de diseo, dependiendo del rango de temperatura de la corriente de proceso entrando al enfriador. Los enfriadores de aire ocupan un rea relativamente grande. Por lo tanto, estas unidades se instalan normalmente encima de los tendidos de lneas y de los equipos de proceso, tales como tambores e intercambiadores. Para los criterios de seguridad aplicados, ver el documento PDVSAMDP08SG01. Cuando se considere la instalacin de enfriadores de aire, se debera tomar en cuenta el efecto que puedan tener las prdidas de calor de los equipos circundantes, en la temperatura de entrada del aire. El documento PDVSAMDP05E03 presenta una descripcin detallada y el procedimiento de diseo para los enfriadores de aire. 4.5.3 Intercambiadores de doble tubo Los intercambiadores comerciales de doble tubo consisten de uno o ms tubos, encerrados dentro de otro tubo en forma de U u horquilla que hace el papel de carcaza. Aunque algunas secciones de los intercambiadores de doble tubo tienen tubos lisos, la mayora tienen aletas longitudinales en la superficie externa de los tubos. Son unidades de costos relativamente bajos, resistentes y se pueden desmantelar fcilmente para limpieza, removiendo la tapa colocada en el extremo en U del tubo externo, desmontando ambos cierres frontales y retirando el elemento de transferencia de calor. Estos intercambiadores se encuentran disponibles como unidades de fabricacin estndar. Las secciones de doble tubo permiten un flujo en contracorriente y corriente verdadero, lo cual puede ser particularmente ventajoso cuando se requieren temperaturas de aproximacin pequeas o rangos de temperaturas grandes. Adems, las unidades de doble tubo encajan muy bien en aquellas aplicaciones que involucran presiones altas y/o flujos bajos, debido a que estas unidades son de dimetros relativamente pequeos. Esto permite el uso de bridas pequeas y paredes delgadas, si se las compara con los equipos de carcaza y tubo convencionales. Las secciones de doble tubo han sido diseados para presiones



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de 16500 kPa man. (2400 psig), inclusive, en el lado de la carcaza, y 103400 kPa man. (15000 psig), inclusive, en el lado de los tubos. Las juntas de metal a metal, juntas de anillo o anillos tipo O se utilizan en los cierres terminales frontales a presiones bajas. Los intercambiadores de doble tubo simple se encuentran disponibles en el mercado en diferentes tamaos. El dimetro nominal de la carcaza oscila entre 50 y 100 mm (2 a 4 pulg) y el de los tubos internos entre 20 y 65 mm (3/42 1/2 pulg). Estos intercambiadores pueden ser justificados econmicamente cuando la superficie equivalente de la carcaza y el tubo interno que se requiere, sea menor de 30 metros cuadrados (300 pie2). Los intercambiadores de doble tubo mltiples contienen hasta 64 tubos dentro del tubo exterior o carcaza. Los tubos internos, los cuales pueden ser lisos o con aletas, se encuentran disponibles en dimetros externos entre 16 mm y 22 (5/8 a 7/8 pulg). Sin embargo, en aquellas secciones que contengan ms de 19 tubos, slo se utilizan normalmente tubos lisos. Los tamaos nominales de la carcaza varan entre 100 mm y 400 mm (4 y 16 pulg) de dimetro nominal. Para mayor informacin acerca de los intercambiadores de doble tubo, ver documento PDVSAMDP05E04. 4.5.4 Intercambiadores de superficie extendida En los tubos lisos, usualmente, la relacin entre la superficie externa y la interna se encuentra en el rango de 1.1 a 1.5, dependiendo, por supuesto del dimetro y el espesor de pared. Aquellos tubos con una mayor relacin de superficies, en el rango 3 a 40, se les conoce como tubos de superficie extendida; y por antonomasia, los intercambiadores construidos con este tipo de tubos se les denomina Intercambiadores de superficie extendida. Los tubos de superficie extendida presentan aletas, normalmente, transversales o longitudinales; aunque otros tipos de aletas, como espigas (peg), espinas (spines) o helicoidal pueden ser usadas. Las aletas longitudinales, para diseos de flujo paralelo a los tubos, son especialmente aplicables en servicios donde la cada de presin es pequea y el fluido en el lado de las aletas es limpio. Las aletas transversales son generalmente para diseos de flujo perpendicular a los tubos. Este tipo de superficie se emplea cuando, debido a las propiedades de transferencia de calor de un fluido, existe una resistencia alta para el flujo de calor, mientras que las propiedades del otro fluido permiten una resistencia baja. El fluido con la resistencia alta al flujo de calor se pone en contacto con la superficie de las aletas. En los documentos PDVSAMDP05E02/ 03 se presentan las guas para la utilizacin de las superficies extendidas en los intercambiadores de carcaza y tubos.



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4.5.5

Intercambiadores de placas Desde 1930 los intercambiadores de placa han sido usados en la industria qumica y de alimentos. Actualmente su uso se ha extendido considerablemente hacia la industria petrolera, especialmente cuando se requiere un sistema de intercambio de calor compacto y flexible en rangos de temperatura por debajo de 250 C (482 F) y 2533 kPa man. (368 psig). En estas unidades, la superficie de transferencia de calor es construida de planchas de metal en lugar de tubos. Estas planchas pueden ser de superficie lisa, corrugada o canalizada. Dependiendo del tipo de superficie de la plancha y de la configuracin de la unidad, se conocen cuatro (4) tipos de intercambiadores de placa, a saber : (1) intercambiadores de placas en espiral (Spiral Plate), (2) intercambiadores de placas con empacadura (PlateandFrame Exchanger), (3) intercambiadores de placas con aletas (PlateandFin Exchanger) y (4) intercambiadores de laminas repujadas (Patterned Plates). Dada la poca experiencia existente en estos tipos de intercambiadores, tanto en la IPPCN como en la compaas de ingeniera, este manual recomienda que el diseo de estas unidades sea realizado por los vendedores o fabricantes de estas unidades, dada su experiencia en dicha rea. 1. Intercambiadores de placas en espiral (Spiral Plate). Estas unidades consisten, esencialmente, de dos planchas paralelas, enrolladas en espiral y soldados, adecuadamente, los extremos alternos de las planchas adyacentes para formar un par de canales concntricos. Las planchas son separadas por protuberancias abollonadas en una de las planchas. Un fluido entra en el centro del espiral y fluye hacia afuera; mientras el otro entra en la periferia y fluye hacia el centro, en contracorriente. Debido a la trayectoria en espiral de los fluidos, estas unidades presentan un coeficiente global de transferencia de calor ms alto que las unidades convencionales y una reduccin de la formacin de depsitos de sucio. En la mayora de los servicios no presentan problemas de expansin trmica y son relativamente fciles de limpiar. Son utilizables en el manejo de fluidos viscosos o con contenido de solidos, y como condensadores o reboilers. En la Figura 9.a se muestran versiones de este tipo de equipos. Intercambiadores de Placas con Empacadura (PlateandFrame Exchanger). En la Figura 9.b se muestra un intercambiador tpico de placas. Estas unidades consisten en un conjunto de planchas de metal muy delgadas y corrugadas, mantenidas juntas en un bastidor y selladas en sus bordes, para prevenir fugas hacia afuera, por una empacadura compresible, formando as una serie de pasadizos estrechos e interconectados, a travs de los cuales son bombeados los fluidos. El fluido caliente y el fro siguen pasadizos alternos y el calor es transferido a travs de las planchas con una resistencia trmica relativamente baja. El bastidor es una estructura rgida

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formado por una placa fija en un extremo y una columna de soporte en el otro, conectados ambos en el tope por una barra de sustentacin y en el fondo por un riel gua. Estas unidades resultan atractivas para su uso en lugares confinados o sensibles al peso, como barcos o plataformas costa afuera (por ejemplo, plataformas de produccin en el Lago de Maracaibo), debido a que las superficies de transferencia son relativamente compactas y livianas. Pueden ser fabricadas con cualquier metal, aunque acero al carbono es poco usado porque el equipo no sera competitivo con las unidades de tubo y carcaza. Los rangos de temperatura y presin son limitados a valores relativamente bajos, debido al material de la empacadura y de construccin. 3. Intercambiadores de placas con aletas (PlateandFin Exchanger). Los intercambiadores de placas con aletas representan la forma mas compacta de superficie de transferencia de calor, por lo menos en el caso usual donde los fluidos deben mantenerse separados. El peso tambin es mantenido al mnimo. La presin de diseo puede alcanzar hasta 4826 kPa man. (700 psig.) y la temperatura en el orden de los 800C (1472F), inclusive temperaturas mas altas pueden usarse, si se utiliza como material de construccin, cermica. Usualmente, el material de construccin es aluminio y las condiciones mximas de diseo son 4100 kPa man. (600 psig) y 67C (150F). Estas unidades son construidas de mltiples capas de hojas de metal corrugadas (aletas), formando una especie de matriz porosa o corrugada, colocada entre lminas planas de metal que sirven como tabiques separadores, como se muestra en la figura 9.c. El fluido entrando y saliendo de de la matriz corrugada es controlado por distribuidores, con una barra lateral solida usada para prevenir que un fluido entre en los canales del otro fluido. Mas de un fluido puede ser manejado en una sola unidad, mediante el arreglo adecuado de los distribuidores. El conjunto de matriz corrugada, laminas planas y barras laterales es soldado con una soldadura fuerte, resultando en una estructura resistente y rgida con una densidad volumtrica del rea de transferencia de calor muy alta. Sin embargo, estas unidades presentan limitaciones en cuanto a su tamao, materiales de construccin y limpieza. Siendo esta ltima su limitacin mas generalizada, puesto que el tipo de construccin (completamente soldada y estrechos pasadizos) no permite el acceso para una limpieza mecnica, y el uso de qumicos no resulta completamente satisfactorio dada la dificultad de penetracin del fluido de limpieza. Por lo tanto, este tipo de unidades son especificadas para servicios de fluidos limpios, siendo el rea mas comn de aplicacin los procesos criognicos, tales como produccin de gas natural liquido, purificacin de hidrgeno etc., y actualmente se usan en las plantas de etileno. Intercambiadores de lminas repujadas (Patterned Plates). En estas unidades las superficies de transferencia de calor son construidas con dos planchas de metal, una de las cuales o ambas son repujadas, unidas con

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soldadura normal o de latn de tal manera que forman canales parecidos a un serpentn. Un fluido circula a travs de dichos canales y el otro alrededor de la superficie externa de las planchas. Estas unidades son poco costosas, livianas y fciles de limpiar en el lado externo. Su aplicacin principal es el enfriamiento y calentamiento de tanques. Las unidades conocidas como los Intercambiadores Lamella o Ramen son construidos soldando estas superficies de transferencia en una placa de tubos para formar un haz de tubos que es colocado en una carcaza. Aunque generalmente se construyen para presiones hasta 1724 kPa man. (250 psig), pueden ser diseadas para presiones tan altas como 10342 kPa man. (1500 psig). 4.5.6 Intercambiadores de tipo espiral (Hampson Coil) Los intercambiadores de tubos en forma de espirales consisten de un grupo de serpentines concntricos enrollados en forma de espiral, los cuales estn conectados a placas o cabezales de tubos. Entre sus caractersticas se pueden mencionar las siguientes: son econmicos, de fcil instalacin y limpieza; se utilizan para flujo en contracorriente, no tienen problemas de expansin diferencial, son compactos y pueden ser usados para el intercambio de calor de dos o ms fluidos. Estas unidades se utilizan normalmente en las aplicaciones criognicas, donde la presin de proceso es 4500 kPa man. (650 psig) o mayor; siendo particularmente tiles en el manejo de fluidos viscosos y aplicables como condensadores o rehervidores. El documento PDVSAMDP05E05 estas unidades. 4.5.7 presenta detalles adicionales sobre

Otros tipos de intercambiadores de calor La mayora de los tipos de intercambiadores se describieron previamente en las subsecciones precedentes, pero ello no significa que se ha agotado la disponibilidad de dispositivos para transferencia de calor; muchas otras configuraciones especiales se encuentran disponibles en el mercado. A continuacin se describen brevemente algunos tipos de intercambiadores que se utilizan en la IPPCN bajo consideraciones especiales de proceso y/o materiales. Para mayor informacin sobre estos intercambiadores, consulte las referencias 7, 8, 9, y 13 mencionadas en la seccin 3. Adicionalmente, cuando se requiere utilizar este tipo de intercambiadores, se especifica normalmente el calor a transferir dejndole el diseo a los fabricantes de este tipo especial de equipos, quienes disponen de metodologa de diseo, datos, experticia y garantizan la operabilidad de los mismos. 1. Intercambiadores tipo superficie raspadora (ScrapedSurface). Los intercambiadores tipo superficie raspadora tienen un elemento rotatorio provisto de una cuchilla sujeta a un resorte, la cual sirve para limpiar la superficie de transferencia de calor. Estos equipos pueden ser de baja (15



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a 150 rpm) y alta velocidad (200 a 2000 rpm) y ambos se utilizan generalmente en plantas donde el fluido es muy viscoso o tiene tendencia a formar depsitos, como en las plantas de extraccin de parafinas (por ejemplo: La Refinera de San Roque, CORPOVEN, S. A.). Las unidades de alta velocidad son especialmente usadas en aquellos servicios donde se requiere un corto tiempo de residencia para prevenir la formacin de depsitos y la cristalizacin. Estos intercambiadores son de construccin tipo doble tubo. El tubo interno, el cual lleva las cuchillas, se encuentra disponible en dimetros nominales de 150, 200 y 300 mm (6, 8 y 12 pulg, respectivamente). El tubo externo, el cual forma un pasadizo anular por donde fluye el medio enfriante o refrigerante se dimensiona de acuerdo a las necesidades del caso en cuestin. El arreglo ms comn consiste en un mximo de 10 secciones horizontales de 300 mm (12 pulg) de dimetro o un mximo de 12 secciones horizontales de dimetro menor, conectadas en serie o series/paralelo formando dos filas verticales sobre una estructura adecuada. Este tipo de arreglo se denomina soporte (Stand). Motores y cadena, o engranajes, ms los protectores apropiados complementan el soporte (Stand). La secuencia normal de procesamiento incluye uno o ms intercambiadores de soporte, seguidos de uno o ms enfriadores de soporte en servicio refrigerante. 2. Intercambiadores tipo bayoneta. Un intercambiador tipo bayoneta consiste de un par de tubos concntricos, con el tubo externo soldado en uno de sus extremos. El tubo interno o bayoneta sirve nicamente para suplir el fluido al ngulo localizado entre el tubo externo o funda y el interno. La transferencia de calor ocurre solamente a travs del tubo externo, el cual est hecho normalmente de una aleacin muy costosa y el interno de acero al carbono. Son unidades de gran utilidad cuando existe una diferencia extremadamente alta entre el fluido del lado de la carcaza y el del lado de los tubos, ya que todas las partes sujetas a expansin diferencial, se mueven libre e independientemente una de la otra; se utilizan en servicios con cambio de fase donde no es deseable tener un flujo bifsico en contra de la gravedad; son adecuadas en servicios en vaco, debido a su baja cada de presin y algunas veces se coloca en tanques y equipos de proceso para calentamiento y enfriamiento. Los costos por metro cuadrado para estas unidades son relativamente altos, ya que solamente el tubo externo transfiere calor al fluido que circula por la carcaza. Enfriadores de pelcula vertical descendente. Los intercambiadores de pelcula vertical descendente son del tipo de cabezal de tubos fijo. El agua se controla mediante un instrumento de medicin de la entrada de cada tubo y fluye por el interior de stos, formando una pelcula densa. Enfriadores de serpentn (Worm Coolers). Estos enfriadores consisten en serpentines sumergidos en un recipiente con agua. Aunque estos

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enfriadores son de construccin simple, son extremadamente costosos por metro cuadrado de superficie. Se utilizan solamente por razones especiales, por ejemplo, cuando se requiere un enfriamiento de emergencia y no existe otra fuente de agua disponible. La caja contiene agua suficiente para enfriar el lquido en caso que ocurra una perturbacin en la unidad y el agua de enfriamiento falle. Cuando se decide instalar estos equipos, los mismos deberan utilizarse regularmente como parte del circuito de enfriamiento de la unidad. 5. Condensadores de contacto directo (Baromtricos). Un condensador de contacto directo consiste en una torre pequea, en la cual el agua y el vapor circulan juntos. El vapor condensa mediante el contacto directo con las gotas de agua. Su nombre se deriva del trmino cola de tubera larga (Long Tailpipe) o pata baromtrica (Barometric Leg), la cual se requiere cuando es necesaria una descarga de condensado continua. Las unidades de contacto directo se utilizan solamente cuando las solubilidades del medio enfriante y del fluido de proceso, son tales que no se crean problemas de contaminacin del agua o del producto. Las prdidas del fluido de proceso en el medio enfriante tambin deben evaluarse. Enfriadores de cascada. Un condensador de cascada est constituido por una serie de tubos colocados horizontalmente uno encima del otro y sobre los cuales gotea agua de enfriamiento, proveniente de un distribuidor. El fluido caliente generalmente circula en contracorriente respecto al flujo de agua. Los condensadores de cascada se utilizan solamente donde el fluido de proceso es altamente corrosivo, tal como sucede en el enfriamiento de cido sulfrico. Estas unidades tambin se les conoce con el nombre de enfriadores de trombn (Trombone Coolers), enfriadores de gotas o enfriadores de serpentn. Intercambiadores de grafito impermeable. Los intercambiadores de grafito impermeable se utilizan solamente en aquellos servicios que son altamente corrosivos, como por ejemplo, en la extraccin de isobutano y en las plantas de concentracin de cidos y dmeros. Estas unidades se construyen en diferentes formas: a. Los intercambiadores de grafito cbico consisten de un bloque cbico central de grafito impermeable, el cual es agujereado para proveer pasadizos para los fluidos de proceso y de servicio. Los cabezales estn apernados a los lados del cubo de manera de distribuir el fluido. Los cubos se pueden interconectar para proveer rea adicional de transferencia de calor. Los intercambiadores de grafito tipo bloque consisten de un bloque de grafito impermeable encerrado en una carcaza cilndrica. El fluido de proceso (lado de los tubos) fluye a travs de pasadizos axiales en el

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bloque, y el fluido de servicio (lado de la carcaza), circula por pasadizos transversales en el bloque. c. Los intercambiadores de grafito de carcaza y tubos son iguales a los intercambiadores corrientes de carcaza y tubo, excepto que los tubos, las hojas de tubos y cabezales estn construidos de grafito impermeable.

4.64.6.1

Consideraciones generales de diseoGeneralidades La velocidad de transferencia de calor de un fluido a otro, a travs de una pared de metal es proporcional al coeficiente global de transferencia de calor, el rea de la pared y a la diferencia de temperatura entre el fluido caliente y el fro: Q + U o x A x DTMe (Ec. 1)

donde:

En unidades SI W En unidades inglesas BTU / h Q = = Velocidad de transferencia de calor Uo Coeficiente global de transferencia de calor basado en el rea externa de la superficie del metal W / m2 C BTU / hpie2 F A = Area externa de la superficie del metal a travs de la cual ocurre la transferencia de calor Diferencia de temperaturas medias logartmicas entre los fluidos caliente y fro m2 pie2 DTMe = C F

Cuando se especifica un intercambiador de calor, el diseador casi siempre conoce o puede calcular sin mucha dificultad, los trminos Q y DTMe para las condiciones de proceso dadas. Para obtener el valor apropiado del rea de transferencia de calor requerida, se necesita evaluar solamente el coeficiente Uo. Desafortunadamente, Uo es funcin del diseo y de las velocidades de ensuciamiento. Por esta razn, el diseo de un intercambiador de calor requiere un clculo de ensayo y error (tanteo).



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El procedimiento general utilizado en el diseo de intercambiadores de calor se describe en la seccin 5. 4.6.2 Coeficiente global de transferencia de calor (U0) Esta disertacin terica sobre los coeficientes globales de transferencia de calor es aplicable a todos los tipos de intercambiadores, excepto los de contacto directo. Cuando el calor fluye desde un fluido que circula por un lado de un tubo a otro fluido que circula por el otro lado del tubo, dicho calor debe vencer las resistencias siguientes: Rio, la cual es la resistencia de la pelcula laminar del fluido en el interior del tubo, referida al rea externa del tubo. rio, la cual es la resistencia (factor de ensuciamiento) del material extrao depositado en el interior de tubo, referida al rea externa del tubo. rw, la cual es la resistencia de la pared del tubo. ro, la cual es la resistencia (factor de ensuciamiento) del material extrao depositado en el exterior del tubo. Ro, la cual es la resistencia de la pelcula laminar del fluido en el exterior del tubo. La suma de estas cinco resistencias se denomina resistencia total Rt y se define como: Uo + 1 Rt (Ec. 2)

Los factores de ensuciamiento rio y ro se estiman basados en la experiencia o utilizando los valores tpicos que se muestran en la Tabla 5. El trmino rw se calcula a partir del espesor y la conductividad trmica del metal. Rino y ro son funciones de la velocidad msica y de las propiedades fsicas del fluido, y se evalan a partir de las correlaciones dadas en las subsecciones siguientes. Estas correlaciones estn dadas en trminos de hio y ho, donde 1/Ro = hi y 1/Rio = hio. Los trminos h se denominan coeficientes de pelcula. Los trminos de resistencia se expresan por unidad de rea (m2 o pie2). El rea se refiere a los metros cuadrados (pie2) de superficie, donde ocurre la resistencia. Como las resistencias se suman para obtener una resistencia total, cada resistencia debe estar referida a una misma rea en lugar de a su propia rea. Esto racionaliza los trminos y hace posible que puedan adicionarse. Es prctica comn utilizar el rea externa de los tubos, como base para los clculos y la especificacin de los intercambiadores. Esto se indica normalmente con el subndice io, como se mostr anteriormente. Por ejemplo, hio es el coeficiente interno basado en el rea externa del tubo. Para un tubo, hio = hi (di/do), donde hi es el coeficiente interno basado en el rea interna del tubo. Este factor ya ha sido incluido en las correlaciones presentadas en este manual.



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La hoja de especificacin de intercambiadores de calor, que se muestra en la Figura 1., indican que dos coeficientes totales de transferencia de calor deberan ser calculados; se debera calcular un coeficiente limpio y otro sucio (La hoja de especificacin de los enfriadores de aire se muestra en el documento El coeficiente limpio (Commercially Clean PDVSAMDP05E03). Coefficient) es el coeficiente total que puede esperarse cuando un intercambiador nuevo se pone por primera vez en servicio. Este coeficiente se calcula de la manera siguiente: 1 + R ) R ) R ) r ) F w c o 1 io Uc (Ec. 3)

El factor F1 (F1 = 0.0002 m2 C/W = 0.001 h.pie2 F / BTU) es una resistencia que se estima por el ensuciamiento de un intercambiador nuevo debido a los lubricantes utilizados durante la expansin (Tube Roller Lubricants) de los tubos, la corrosin causada por la prueba hidrosttica del equipo, etc. Se supone que esta resistencia se divide uniformemente entre las superficies del lado de la carcaza y del lado de los tubos. 4.6.3 Temperaturas de operacin Las temperaturas de operacin de un intercambiador son establecidas por las condiciones del proceso. Sin embargo, en ciertos casos, el diseador del intercambiador puede establecer las condiciones de operacin, pero estas en ningn caso pueden ser menores que las mnimas requeridas por el proceso. A continuacin se presentan criterios para la seleccin de la temperatura de operacin: 1. Temperatura de las corrientes a almacenaje La temperatura mxima de una corriente enviada a un almacenaje abierto a la atmsfera, se establece generalmente de acuerdo a criterios de seguridad, aspectos econmicos o consideraciones especiales del proceso (Ver documento PDVSAMDP08SG01): a. Criterios de seguridad Una corriente enviada a un tanque situado a nivel del mar y abierto a la atmsfera, no debera exceder la temperatura a la cual su presin de vapor verdadera sea 89.6 kPa abs. (13 psia). Este valor se reduce 11.3 kPa, por cada 1000 m (0.5 psi por cada 1000 pie) de elevacin. Para las corrientes pesadas cuya presin de vapor verdadera es difcil de determinar, la temperatura mxima a almacenaje debera ser el valor ms bajo entre 28C (50F) por debajo del punto inicial de ebullicin ASTM y 8C (15F) por debajo del punto de inflamacin mnimo. Las corrientes no deberan enviarse a almacenaje a temperaturas superiores de 90 a 120C (200 a 250F). Si se opera en este rango de temperatura o por encima de l, el agua



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remanente en el tanque podra evaporarse ocasionando un derramamiento del tanque. b. Aspectos econmicos La seleccin de la temperatura ptima de una corriente enviada a un tanque de techo cnico, se basa generalmente en un balance econmico entre el costo en que se incurre al aumentar la superficie del enfriador y el consumo de agua de enfriamiento, y el ahorro que se produce al reducir las prdidas por vaporizacin del producto enviado a almacenamiento. El mtodo para determinar las prdidas por vaporizacin se presentan en los Boletines API siguientes: API Bulletin 2516 Evaporation loss from lowpressure tanks (R 1993) API Bulletin 2517 Evaporative loss from floating root tanks third edition; Addendum 1994 API Manual of Petroleum Measurements Standards Ch 19 Evaporative loss measurement Section 1 Evaporative loss from fixedroof tanks (Supercedes Bulletin 2518). API Bulletin 2519 Evaporation loss from internal floating roof tanks (R 1990). Como las prdidas en un tanque de techo flotante son despreciables, la temperatura ptima es la mxima que se permita por razones de seguridad (Consulte al respecto el Manual de Ingeniera de Riesgos de PDVSA). c. Consideraciones especiales La oportunidad para optimizar la temperatura de una corriente que va a almacenaje es mayor para los productos intermedios. Sin embargo, se requieren consideraciones especiales para los casos siguientes:c.1. Corrientes que se almacenan antes de un proceso que requiere la refrigeracin de la alimentacin. c.2. Corrientes cuyas propiedades se degradan permanentemente a temperaturas altas de almacenamiento. c.3. Corrientes que se almacenan antes de ser mezcladas. Las temperaturas de almacenaje de estas corrientes deberan elegirse despus de considerar las propiedades y la temperatura de la mezcla, suponiendo que no exista prdidas de calor en el almacenaje intermedio.



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Adems de la alimentacin mencionada anteriormente, la temperatura de una corriente que va al almacenaje final, est limitada normalmente a un mximo de 57C (135F), si el producto tiene que ser transportado por barco o tanquero. Sin embargo, algunas veces se utilizan temperaturas superiores a los 65C (150F), pero el procedimiento de operacin a temperaturas elevadas tiene que ser aprobado por el personal de embarque. 2. Temperatura del agua de enfriamiento Las temperaturas de salida mximas permitidas para el agua de enfriamiento (determinadas por consideraciones de ensuciamiento), en enfriadores que no sean recipientes llenos de agua son las siguientes (Box Coolers): Agua Salada 48C (120F) Agua Salobre 51C (125F) Agua Dulce 54C (130F) La temperatura mxima de operacin utilizada para un proyecto debera verificarse con el cliente, ya que sta tiene una influencia importante en la determinacin de la superficie. Otro criterio igual o ms importante, es el de la mxima temperatura permitida para la pelcula del agua de enfriamiento. Esta es la temperatura de pelcula promedio a la salida del agua. Los lmites son los siguientes: Agua Salada 60C (140F) Agua Dulce 65C (150F) Para los intercambiadores tipo serpentines sumergidos en recipientes con agua, la temperatura de salida mxima del agua de enfriamiento es 65C (150F), tanto para el agua salada como el agua dulce. Si se permite que las temperaturas de pelcula del agua excedan los valores anteriores, puede ocurrir un ensuciamiento catastrfico. En aquellos casos donde la temperatura de salida de la corriente caliente es igual o menor que la temperatura de salida mxima permitida del agua de enfriamiento, se requiere hacer un pequeo estudio econmico para determinar la temperatura ptima de salida del agua. Este estudio consiste en comparar superficie versus requerimientos de agua de enfriamiento, para diferentes valores de temperatura de salida del agua. Sin embargo, para este caso la temperatura de salida del agua se determina diseando el intercambiador de manera tal que el factor de correccin de la diferencia de temperaturas media logartmica (Fn) sea igual al valor mnimo permitido (0.8). Se debe mantener presente la posibilidad de utilizar una unidad de dos pasos en la carcaza o dos carcazas en serie, para estas situaciones.



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Algunas veces, un condensador o un enfriador puede disearse utilizando una gran cantidad de agua de enfriamiento con una temperatura de salida relativamente baja. Cuando este sea el caso, se debera tener presente la posibilidad de reutilizar esta agua en otros enfriadores, donde la temperatura de salida del agua sea igual a la mxima permitida. Los intercambiadores tipo serpentn sumergido en recipiente con agua operan con agua que ha sido utilizada previamente. En la Tabla 4 se presenta una lista de las temperaturas de entrada del agua de enfriamiento, que se recomienda utilizar en el diseo de acuerdo a la ubicacin de la refinera y al tipo de agua. 3. Temperatura de aproximacin La seleccin del arreglo ptimo de una serie de intercambiadores (tren de intercambiadores), requiere de un estudio econmico ms complejo debido al gran nmero de variables que se tienen que considerar. En muchos casos, no solamente el calor total requerido se debe distribuir entre los intercambiadores y un horno (o vapor), sino que se debe tener en cuenta que este calor puede ser suministrado por otras corrientes de diferentes niveles de entalpa, que se encuentren disponibles. Se deben considerar los costos de inversin de los intercambiadores, enfriadores y el horno (o calentador a vapor). Los costos de operacin de estos equipos tambin deben incluirse. Es posible transferir mucho calor al extremo fro de un tren de intercambiadores de calor o requerir un rea excesiva en un punto ms distante donde la corriente que se calienta ha aumentado su temperatura. Tambin, cuando se desea obtener la mayor cantidad de calor que sea posible, la temperatura de aproximacin (diferencia de temperatura entre las temperaturas de salida de las corrientes) que se utilice debe ser pequea, de manera tal que el diseo resulte econmico. En aquellos casos donde el costo del combustible es alto (mayor de $1.40 por milln kJ (1.5$ por milln de BTU)), es muy importante efectuar un anlisis crtico a la parte econmica. Para mayores detalles ver subseccin 4.9. Sin cambio de fase

4.6.4

Diferencia efectiva de temperatura A. La diferencia de temperatura efectiva, DTMe, entre los fluidos caliente y fro es la fuerza motora del mecanismo de transferencia de calor. Esta temperatura se calcula a partir de la diferencia de temperatura media logartmica en contracorriente, la cual se corrige mediante factores, los cuales toman en consideracin el arreglo de flujo que se vaya a utilizar. B. Con cambio de fase En el caso de condensacin o vaporizacin, la relacin entre Q y la temperatura del fluido no es lineal. En este caso, se hace necesario dividir el intercambiador en



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zonas de manera tal que Q sea aproximadamente lineal con las temperaturas para cada zona. Basadas en las diferencias de temperaturas media logartmicas y los calores transferidos en cada una de las zonas, se obtiene un DTMe total para todo el intercambiador. Los mtodos que se utilizan para obtener el DTMe se presentan en los documentos que tratan sobre cambio de fase (PDVSAMDP05E02 03/ ). 4.6.5 Factores de ensuciamiento Las resistencias a la transferencia de calor debidas al ensuciamiento son causadas por sedimentos, polmeros y otros depsitos que se forman en las paredes internas y externas de los tubos de los intercambiadores de calor. Los valores que se utilizan en el diseo toman en cuenta las resistencias que se esperan durante la operacin normal del equipo y un tiempo de servicio razonable entre los perodos de limpieza. Los factores de ensuciamiento se representan con los smbolos rio y ro. En la Tabla 5 se presentan los factores de ensuciamiento normales para diferentes tipos de servicio, basados en las recomendaciones de la Asociacin de Fabricantes de Intercambiadores Tubulares (TEMA) y en la experiencias pasadas de la IPPCN. Observe que estos factores aplican a la superficie sobre la cual el ensuciamiento ocurre. Aunque parece algo ridculo ajustar un valor de poca precisin a un rea de referencia, este paso se requiere para los clculos por computadora y se hace durante los clculos manuales con el propsito de ser consistente. Los factores de ensuciamiento tabulados pretenden evitar que el intercambiador transfiera menos calor que el requerido por el proceso, durante un perodo aproximado de un ao a un ao y medio. Sin embargo, esta tabla es solamente una gua, ya que cuando exista informacin que pueda ser utilizada para determinar con precisin el factor de ensuciamiento para un servicio en particular, este factor debera utilizarse en lugar de los valores que se presentan en la Tabla 5. La importancia de los factores de ensuciamiento depende del valor del coeficiente de transferencia de calor limpio, Uc; mientras mejor sea este coeficiente ms importante es el factor de ensuciamiento. Despus de un clculo preliminar de Uc, es fcil determinar el efecto que tiene el doblar (o disminuir a la mitad) los factores de ensuciamiento que se han supuesto sobre el tamao del intercambiador. Si este efecto es pequeo (5% o menos), no se justifica determinar un factor de ensuciamiento ms preciso. Sin embargo, muchas veces el Uc es tan grande que el tamao del intercambiador depende exclusivamente del valor del factor de ensuciamiento. En estos casos, se debera examinar minuciosamente los datos de planta que se encuentran disponibles. Para el diseo de intercambiadores es muy importante considerar los criterios siguientes sobre ensuciamiento:



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1. 2.

El ensuciamiento no es usualmente severo por debajo de los 120C (250F). El ensuciamiento es ms severo cuando los hidrocarburos se calientan que cuando se enfran. Esto se cumple particularmente para los crudos que contienen sales disueltas en el agua y slidos suspendidos. El tren de precalentamiento de crudo de las unidades de destilacin, muchas veces incluye un desalador o un tambor vaporizador para remover el agua antes que el crudo alcance la temperatura de evaporacin del agua. De esta manera, se reduce el ensuciamiento de los intercambiadores de crudo causado por las sales. La vaporizacin en un intercambiador puede causar ensuciamiento severo, debido a la concentracin, de depsitos en el lquido remanente hasta el punto de sobresaturacin. Altas velocidades tienden a reducir el ensuciamiento. Esto se cumple especialmente en los casos de agua de enfriamiento que contiene sal, crudo con arena y gases con partculas. La alimentacin a los hidrofinadores, reformadores catalticos y plantas de desintegracin cataltica, muchas veces se ve afectada por un proceso de ensuciamiento severo debido a las reacciones orgnicas con oxgeno, que ocurren mientras la alimentacin se encuentra almacenada en los tanques. Este proceso de ensuciamiento puede reducirse estableciendo una atmsfera de gas inerte en los tanques de almacenamiento. Los fondos de una torre de destilacin de crudo, aunque son pesados y se encuentra a una temperatura elevada, no ocasionan normalmente mucho ensuciamiento (siempre y cuando la temperatura de la zona de vaporizacin instantnea no sea excesiva).

3.

4.

5.

6.

4.6.6

Cada de presin La cada de presin en un intercambiador es producto de tres tipos de prdidas: las prdidas por friccin debido al flujo, las prdidas debidas a cambios en la direccin del flujo y las prdidas causadas por la expansin y contraccin en las entradas y salidas de las boquillas y tubos. El mtodo para calcular la cada de presin es diferente para cada tipo de intercambiador y se discutir en las subsecciones correspondientes. En la tabla 6 se presentan valores tpicos de cada de presin en intercambiadores. El diseo de un intercambiador de calor esta basado usualmente en un balance econmico entre el costo de la superficie del intercambiador y el costo de las bombas o compresores. El costo de un servicio, como por ejemplo el agua, se incluye con frecuencia en este balance econmico. Velocidades msicas altas a travs del intercambiador permiten un coeficiente de transferencia mayor y un rea menor, pero se requiere una cada de presin mayor. Esta situacin requiere



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de una instalacin con costos de inversin y operacin de la bomba o el compresor mayores y un costo de inversin del intercambiador menor. En algunas ocasiones, un sistema en particular puede tener una cada de presin excesiva, la cual debera ser utilizada para minimizar el costo del intercambiador. En general, la necesidad de hacer un balance econmico detallado entre la cada de presin y el rea del intercambiador, puede determinarse observando el efecto que tiene el coeficiente de pelcula individual sobre el coeficiente total de transferencia de calor. Poco se gana especificando una cada de presin mayor para un fluido en un intercambiador, si el otro fluido tiene un coeficiente de pelcula significativamente bajo. Para tales casos, un balance econmico detallado es innecesario. No es deseable tener altas cadas de presin, ya que stas contribuyen a la erosin, requiriendo el uso de internos de espesor excesivo y de vlvulas, accesorios o tuberas de una clasificacin mayor en el circuito del intercambiador. 4.6.7 Temperatura y presin de diseo Los criterios presentados en el documento PDVSAMDP (Pendiente) (Consultar MDP versin 1986, Seccin 2) (Temperatura de diseo, presin de diseo y clasificacin de bridas) deberan ser seguidos al fijar las condiciones de diseo. C. Presin de diseo Las presiones de diseo de los lados caliente y fro de un intercambiador se determinan independientemente en base a las condiciones de operacin., segn los siguientes criterios (para mayores detalles ver el documento PDVSAMDP (Pendiente) (Consultar MDP versin 1986, Seccin 2). 1. La presin de diseo debe ser igual a la mxima presin de operacin esperada mas el mayor valor entre un 10% de dicha presin y 172 kPa man. (25 psig). La mnima presin de diseo debe ser 207 kPa man. (30 psig). Ocasionalmente, uno de los pases internos de un intercambiador puede fallar. Entonces el lado de presin alta podra ejercer su presin sobre el lado de presin baja. Si la presin de diseo del lado de presin baja es mayor o igual a los dos tercios de la presin de diseo del lado de presin alta, no se requiere ninguna consideracin adicional en caso que alguno de los internos falle. Los intercambiadores se prueban hasta por lo menos 150% de la presin de diseo y pueden utilizarse satisfactoriamente bajo esta presin por perodos cortos de tiempo. Si la presin de diseo del lado de presin baja es menor que dos tercios de la presin de diseo del lado de presin alta, se debe examinar el sistema para ver que pasara cuando ocurra un flujo rpido a travs de un pase interno que haya fallado. Si existe un camino adecuado de escape para el

2.



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fluido de alta presin o si una vlvula de control automtica abre de

principios basicos int de calor

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