soluciones prácticas para el ingeniero químico

MANUALES PRACTICOS

~ JS. _J)5Cj tHN .

SECCIN UNO Diseo del equipo

1: FluJo de fluidos, 2

1

Carga de velocidad . . . . . .. . . . . . . . . . . . .. . . .. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . .. . . . ... 3 Cada de presin en la tubera ................ .. .. . .... ....... ...... 4 Longitud equivalente..................................................... 4 Velocidades recomendadas ........................................... 5 Flujo bifsico................................................................. 7 Flujo compresible .......................................................... 9 Velocidad snica............................................................ 12 Medicin ........................................................................ 12 Vlvulas de control....................................................... 13 Vlvulas de alivio de seguridad.................................... 16

2: lntercambladores de calor, 1 9

TEMA ............................................................................ 20 Guas de seleccin . . . .. ... .. ... .. .. .. .. .. .... .. .. ..... .. ... . . . . . . . . . . .. .... 25 Cada de presin, casco y tubo ........ :............................ 27 Diferencia de temperaturas ........................................... 29 Dimetro del casco .. . . . . . . . ... .. .... .. . . .. .. .. .. .. ..... .. .. .. .. ..... ...... 30 Velocidad mxima del lado del casco .......................... 30 Velocidad mxima en las toberas ................................. 31 Coeficientes de transferencia de calor.......................... 31 Resistencias de las incrustaciones ................................ 38 Resistencias de los metales ........................................... 40 Condensadores al vaco................................................. 42 Intercambiadores de calor enfriados por aire:

tiro forzado en comparacin con el inducido ......... 42 Intercambiadores de calor enfriados por aire:

cada de presin del lado del aire ............................ 43 Intercambiadores de calor enfriados por aire:

capacidad aproximada .............................................. 44 Intercambiadores de calor enfriados por aire:

control de la temperatura .. . . . . . . . . . .. . . . . . .. . . . . . .. .. . . . . . . . . . .. . 46 Reglas empricas diversas .......................... ................ ... 48

---~~--- .. _,,;

Contenid1

3: Fracclonadoras, 169

Introduccin .................................................................. . Volatilidad relativa ....................................................... . Reflujo mnimo ............................................................ . Etapas mnimas ............................................................ . Reflujo real y etapas tericas reales ............................ . Platos reales .................................................................. . Eficiencia del plato ....................................................... . Dimetro de los platos con casquetes de burbujeo ..... . Dimetro de los platos perforados con vlvula

(factor F) .................................................................. . Dimetro de los platos perforados con vlvula

(Smith) ..................................................................... . Dimetro de los platos perforados con vlvula

(Lieberman) ............................................................. . Dimetro de los platos inundados ............................... . Dimetro de las fraccionadoras, generalidades ........... . Esquemas de control .................................................... . Tcnicas de optimizacin ............................................. . Re hervidores ................................................................. . Columnas empacadas ................................................... .

16: Absorbedoras, 93

Introduccin .................................................................. . Diseo de una absorbedora de hidrocarburos ............. . Absorbedoras de hidrocarburos, optimizacin ............ . Del tipo inorgnico ...................................................... .

5: Bombas, 100

Leyes de afinidad ......................................................... . Caballaje ....................................................................... . Eficiencia ...................................................................... . Flujo mnimo ................................................................ . Sistema general de succin .......................................... . NPSH disponible para el sistema de succin .............. .

iv Contenido

NPSH para el sistema de succin, para los estudios ..................................................................... 104

NPSH para el sistema de succin, con gas disuelto...................................................................... 105

1 mpulsor ms grande ...... ........................ ....................... 1 05 Materiales de construccin ........................................... 105

&: Compresoras, 108

Rangos de aplicacin .................................................... 109 Z generalizado ............................................................... 109 k generalizada................................................................ 11 O Clculo del caballaje ..................................................... 111 Eficiencia ....................................................................... 115 Elevacin de la temperatura............... .......................... 117 Controles de las oscilaciones de la presin... .............. 117

7: Elementos motoras, 118

Motores: eficiencia ........................................................ 119 Motores: tamaos de los arrancadores ......................... 120 Motores: factor de servicio ........................................... 120 Motores: ecuaciones tiles ............................................ 121 Motores: costos relativos .............................................. 121 Motores: sobrecarga ...................................................... 122 Turbinas de vapor: consumo de vapor ......................... 122 Turbinas de vapor: eficiencia........................................ 122 Turbinas de gas: consumos de combustible ................. 123 Motores de gas: consumos de combustible .................. 125 Expansores de gases: energa disponible ..................... 125

8: Separadores/acumuladoras. 126

Tiempo de residencia del lquido ................................. 127 Tiempo de residencia del vapor.................................... 128 Mtodo de clculo para vapor/lquido.......................... 129 Mtodo de clculo para lquido/lquido ....................... 131 Cada de presin ............................................................ 131 Espesor del recipiente ................................................... 132 Lavadores de gas ........................................................... 132 Tanques de reflujo......................................................... 132 Consejos generales sobre el diseo

del recipiente ............................................................ 133

9: Calderas, 134

Plantas de energa.......................................................... 135 Controles........................................................................ 135 Eficiencia trmica.......................................................... 136 Entalpa del gas de la chimenea ................................... 137 Cantidad de gas en la chimenea ................................... 138 Estabilidad del colector de vapor ................................. 139

Desfogue del desaereador ............................................ 140 Alcalinidad del agua ..................................................... 141 Control de la purga ....................................................... 141 Impurezas en el agua .................................................... 141 Conductividad en relacin con los slidos

disueltos .................................................................... 143 Slice en el vapor........................................................... 144 Aquebradizacin custica ............................................. 144 Calor de desecho ........................................................... 146

1 O: Torres de enfriamiento, 149

Balances del sistema ................................... ........ ......... 150 Datos de temperaturas.......................... ................ 150 Rendimiento ...................................... , ........................... !52 Estimacin del rendimiento: historia de un caso ......... 154 Unidades de transferencia ............................................. 154

SECCIN DOS Diseo del proceso 11: Retrloeracln, 158

157

Tipos de sistemas ......................................................... 159 Estimacin del caballaje por tonelada .......................... 159 Caballaje y servicio del condensador

para refrigerantes especficos................................... 160 Reemplazos del refrigerante ......................................... 178 Sistema en cascada de etileno/propileno ...................... 179 Necesidades para las unidades de chorro

de vapor .................................................................... 179 Necesidades para las unidades del tipo

de absorcin de amoniaco........................................ 182

12: Tratamiento de gases, 183

Introduccin................................................................... 184 Procesos de tratamiento de gases ................................. 184 Tratamiento de gases del tipo de reaccin ................... 186 Tratamiento de gases con solventes fsicos .................. 187 Del tipo fsico/qumico ................................................. 187 Del tipo de carbonato.................................................... 188 Del tipo intermitente con solucin ............................... 188 Del tipo intermitente con lecho .................................... 188

13: Sistemas de vaco, 190

Chorros para produccin de vaco................................ 191 Sistemas tpicos de chorro ............................................ 192 Suministro de vapor ...................................................... 193

Medicin de la infiltracin de aire ............................... 194 Tiempo para hacer el vaco........................................... 194 Recomendaciones de diseo ......................................... 195 Hoja de especificaciones del eyector......... ................... 196

14: Transportacin neumtica, 1 98

Tipos de sistemas .................. ....................................... 199 Presiones diferenciales .................................................. 200 Dimensionamiento del equipo ...................................... 200

15: Mezclado, 202

Mezcladoras de una sola etapa ..................................... 203 Mezcladoras de etapas mltiples .................................. 203 Puesta en contacto de gas/lquido ................................. 204 Mezclado de lquido/lquido ......................................... 204 Mezclado de lquido/slido ........................................... 204 Aplicaciones de las mezcladoras .................................. 205 Tobera mezcladora con aro de refuerzo ....................... 206

SECCIN TRES Diseo de la planta 16: Evaluacin de procesos. 209

207

Introduccin ................................................................... 21 O Definicin del estudio ................................................... 210 Definicin del proceso .................................................. 212 Especificaciones de los lmites de la batera ................ 220 Especificaciones de las instalaciones adicionales ........ 223 Inversiones de capital .................................................... 227 Costos de operacin ...................................... . ....... 234 Aspectos econmicos .................................................... 237 Financiamiento .............................................................. 241

17: Conllabllldad, 243

18: Metalurgia, 246

Aquebradizacin ............................................................ 247 Agrietamiento por corrosin con esfuerzo ................... 253 Ataque por hidrgeno ................................................... 254 Corrosin por picadura ................................................. 256 Escurrimiento plstico y vida hasta la ruptura por

escurrimiento plstico .............................................. 257 Formacin de polvo metlico ....................................... 259 Corrosin por cido naftnico ...................................... 261 Corrosin por cenizas de combustible ......................... 262

Contenido v

Fatiga trmica ................................................................ 264 Desgaste abrasivo .......................................................... 266 Tenacidad de las tuberas .............................................. 26 7 Errores comunes relacionados con la corrosin .......... 268

1 9: Seguridad, 269

Estimacin del LEL y del punto de inflamacin ......... 270 Capa de gas inerte en los tanques ................................. 270 Purgado del equipo ....................................................... 272 Carga esttica proveniente del flujo de fluidos ............ 273 Inflamabilidad de las mezclas ....................................... 276 Mltiples de alivio ....................................................... 279 Ventilacin natural ........................................................ 285

20: Controles, 286

Introduccin ................................................................... 287 Capacidad adicional para el control

de procesos ............................................................... 287 Limitaciones del controlador ........................................ 288 Falsa economa .............................................................. 288 Definiciones de modos de control ................................ 289 Comparaciones de los modos de control ..................... 289 Modo de control en relacin con la aplicacin ............ 289 Controles neumticos en comparacin

con los electrnicos .................................................. 290 Cromatgrafos de procesos ........................................... 290

SECCIN CUATRO Operaciones 21: Deteccin da fallas, 294

293

Introduccin ................................................................... 295 Fraccionamiento: listas de verificacin ........................ 295 Fraccionamiento: problemas de operacin ................... 299 Fraccionamiento: problemas mecnicos ....................... 306 Flujo de fluidos ............................................................. 309 Refrigeracin ................................................................. 310 Calentadores de tubo de humo ..................................... 311 Vlvulas de alivio de seguridad .................................... 312 Tratamiento de gases ..................................................... 313 Compresoras ....................... .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. ..... 31 7 Medicin ........................................................................ 319

22: Arranque, 320

Introduccin ................................................................... 321 Ajustes para los controles ............................................. 321

vi Contenido

Causas probables de problemas en los controles ......................................................... 322

Listas de verificacin ................................................... 324

23: Conservacin de la energa, 328

Oxgeno objetivo en exceso .......................................... 329 Prdida de calor en la chimenea ................................... 330 Punto de roco de los gases de la chimenea ................. 330 Valores equivalentes de combustibles .......................... 332 Sistemas de recuperacin de calor ............................... 333 Eficiencia del proceso ................................................... 334 Trampas de vapor .......................................................... 335 Expansores de gases ...................................................... 337 Fraccionamiento ............................................................ 338 Materiales aislantes ....................................................... 338

24: Modelado de procesos aplicando la programacin lineal, 339

25: Propiedades, 345

Introduccin .......... . . ............................ 346 Propiedades fsicas aproximadas .................................. 346 Viscosidad de lquidos .................................................. 34 7 Humedad relativa .......................................................... 351 Tensin superficial ........................................................ 351 Coeficientes de difusin de gases ................................. 352 Agua e hidrocarburos .................................................... 354 Temperatura de hidratacin del gas natural ................. 358 Gases inorgnicos en el petrleo .................................. 360 Densidad de la espuma ................................................. 362 Dimetro equivalente .................................................... 363 Temperatura de autoignicin ........................................ 365 Energa libre de Gibbs de formacin ........................... 370 Nuevos refrigerantes ..................................................... 380

Apndices Apndice 1: Programacin de computadoras, 382

Apndice 2: Sistemas de Informacin geogrfica, 384

Apndice 3: Ideas de Internet, 386

381

Apndice 4: Administracin de la seguridad de procesos, 389

Apndice 5: Mtodos abreviados de hgalo usted mismo, 391

Apndice 6: Panorama para los estudiantes de Ingeniera, 398

Apndice 7: Iniciativas modernas de administracin, 401

Apndice 8: HoJas de especificaciones del proceso, 402

Hoja de datos del recipiente ....................................... 403 Hoja de datos del intercambiador de calor

de casco y tubos .................................... . .......... 404 Hoja de datos del intercambiad'" de tubo

doble (aleta en G) ..................................................... 405 Hoja de datos del intercambiador enfriado

por aire (aleta-ventilador) ........................................ 406 Hoja de datos del calentador de fuego directo ............. 407 Hoja de datos de la bomba centrfuga

(horizontal o vertical) ............................................... 408 Hoja de datos de la bomba

(turbina vertical- cmara o propulsor) ................. 409 Hoja de datos del tanque ............................................... 41 O Hoja de datos de la torre de enfriamiento .................... 411

indica, 415

SECCIN UNO Diseo del equipo

~os :e 'as ecuaciones ms tiks y bsicas son

u' t.h=-2g

t.u' t.P (V)+-+t.Z+ E =0 2g

(1)

(2)

en donde t.h = Prdida de carga en pies del fluido en movi-miento

u = Velocidad, en ftls g = 32.2 ft!s 2 P = Presin, en lb/ft2 V = Volumen especfico, en ft.l/Jb Z = Elevacin, en pies E= Prdida de carga debido a la friccin, en pies

del fluido en movimiento

En la ecuacin 1, t.h se llama "carga de velocidad". Esta expresin tiene una amplia utilidad que muchos no aprecian. Se usa ''corno es" para

l. Dimensionar los agujeros en un rociador 2. Calcular la fuga por un agujero pequeo 3. Dimensionar un orificio de restriccin 4. Calcular el flujo con un tubo pitot

Con un coeficiente, se usa para

l. Clculos de orificios 2. Relacionar las prdidas por accesorios, etctera.

Para un rociador que consiste en un tubo largo que tiene pequeos agujeros taladrados a lo largo de su extensin, la ecuacin 1 se aplica en forma directa. Esto se debe a que el dimetro del agujero y el tramo que el fluido recorre al pasar a travs de ese agujero tienen dimensiones semejantes. Por otra parte, un orificio necesita un coeficiente en la ecuacin 1, por-que el dimetro del agujero tiene una dimensin mucho ms

Flujo de fluidos 3

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

grande que el tramo de recorrido (digamos 1/s in, para muchos orificios). Los orificios se estudiarn con el ttulo de "Medi-cin", en este captulo.

Para los fluidos compresibles se debe tener cuidado en el sentido de que, cuando se alcanza la velocidad snica o de "ahogo", disminuir ms la presin corriente abajo no produce flujo adicional. Esto ocurre con una relacin de las presiones absolutas, corriente arriba a la de corriente abajo, de ms o menos 2: l. El flujo crtico debido a la velocidad snica prcti-camente no tiene aplicacin para los lquidos. La velocidad del sonido en los lquidos es muy elevada. Vase "Velocidad sni-ca", ms adelante en este captulo.

Todava se puede sacar ms provecho de Llh = u2/2g cuando se le usa con la ecuacin 2, la cual es la famosa ecuacin de Bernoulli. Los trminos son

l. El cambio en el producto PV 2. El cambio en la energa cintica o "carga de velocidad" 3. El cambio en la elevacin 4. La prdida por friccin

stos contribuyen a la prdida de carga al fluir en un tubo. Sin embargo, existen muchas situaciones en las que por azar, o a propsito, la carga u2/2g se convierte en PV, o viceversa.

Se cambia a propsito, de manera gradual, u2/2g en PV, en las situaciones siguientes:

I. Al entrar a los tambores separadores de fases para cortar la turbulencia y promover la separacin

2. Al entrar a los condensadores al vaco para cortar la cada de presin

En una forma de mezcladora de tanque, se desarrolla PV y se convierte de manera controlada en u2/2g. En las secciones apropiadas se analizarn estos ejemplos.

Fuenle

Branan, C. R., The Process Engineer's Pocket Handbook, volu-men 1, Gulf Publishing Co., Houston, Texas, pg. l.

4 Soluciones prcticas para el ingeniero qumico

Cada de presin en la tubera ------------------------

Una relacin fcil de manejar para el t1ujo turbulento en tubos comerciales de acero es:

en donde:

t>PF = Prdida de presin por friccin, psi/100ft equivalentes de tubo

W = Gasto, lb/h )...l ::: Viscosidad, cp p = Densidad, lb/ft3

Longitud equivalente

d = Dimetro interno del tubo, in (Nota: psi = lb/in2)

Esta relacin se cumple para un rango del nmero de Reynolds de 2100 a 106 Para tuhos lisos (supuestos para los clculos de la cada de presin del lado del tubo para los in-tercambiadores de calor), se debe de usar una constante de 23 000, en lugar de 20 000.

Fuente

Branan, Carl R., "Estimating Pressure Drop", Chemical EngineerinR, 28 de agosto de 1978.

----------------------~

En la tabla siguiente se dan las longitudes equivalentes de tubo para diversos accesorios.

Tabla 1 Longitud equivalente de vlvulas y accesorios, en pies

..

m Ensanchamiento Contraccin ;; >m e m :;o o ..,

" .. >.0 ;; u o Codo Codo Reduccin Reduccin .e ~

.5 e: o. "'

e u D. Codo do de Repentino estndar Repentina estndar e- o" e . " E.!! o o .o e

... !:: E o o do radio radio T T Curvas e .o ..2~ o.!! u .o 45' corto largo dura a Inglete de 90 Longitud equivalente en trminos del d pequeo o2 .., suave CIU ..,.., .., C

e .!! ..,..,

~~ m ..,$ ~ 3" > m o m e e m~ a ~ ;; m ~.g m m B~ i " '!' ;>. '!' ;>. " '!' ;>. '!' ;>. !!! > > u" u" u" 1ii ;;. > :; ~ e m e m e e '6> '6> '6> " " " " " " " " " " .i!:'C > o:!! o:!! o:!! o:!! o:!! e e e e e e e e e e ... o: o 0:~ a:.~ 0:~ o: o = = = : : : : : : : : : : > e N

"' ..

1'12 55 26 13 7 1 1 2 35 23 8 9 23 5 3 1 4 1 3 2 1 1 ~ 2 70 33 17 14 2 23 45 34 10 11 34 7 4 1 5 1 3 3 1 1 - 2% 80 40 20 11 2 2 .. 5 .. 3. 12 3. 8 5 2 6 2 4 3 2 2 ~ 3 100 50 25 17 2 2 6 4 14 4 10 6 2 8 2 5 4 2 2 -4 130 65 32 30 3 3 7 5 19 5 12 8 3 10 3 6 5 3 3 ~ 6 200 100 48 70 4 4 11 8 28 8 18 12 4 14 4 9 7 4 4 1 8 260 125 64 120 6 6 15 9 37 9 25 16 5 19 5 12 9 5 5 2

10 330 160 80 170 7 7 18 12 47 12 31 20 7 24 7 15 12 6 6 2 12 400 190 95 170 9 9 22 14 55 14 28 21 20 37 24 8 28 8 18 14 7 7 2 14 450 210 105 80 10 10 26 16 62 16 32 24 22 42 26 9 - ~ 20 16 8 - -16 500 240 120 145 11 11 29 18 72 18 38 27 24 47 30 10 - - 24 18 9 - -18 550 280 140 160 12 12 33 20 82 20 42 30 28 53 35 11 ~ ~ 26 20 10 - -20 650 300 155 210 14 14 36 23 90 23 46 33 32 60 38 13 - 30 23 11 -22 688 335 170 225 15 15 40 25 100 25 52 36 34 65 42 14 - - 32 25 12 - -24 750 370 185 254 16 16 44 27 110 27 56 39 36 70 46 15 - - 35 27 13 - -30 - - ~ 312 21 21 55 40 140 40 70 51 44 36 - ~ ~ 25 25 66 47 170 47 84 60 52 42 - - - 30 30 77 55 200 55 98 69 64 48 - - - 35 35 88 65 220 65 112 81 72 54 - - - 40 40 99 70 250 70 126 90 80 60 ~ ~ ~ 45 45 110 80 260 80 190 99 92

_L __

Fuentes

l. GPSA Engineering Data Book, Gas Processors Suppliers Association, lOa. edicin, 1987.

2. Branan, C. R., The Process Engineer's Pocket Handhook, volumen 1, Gulf Publishing Co., pg. 6.

Velocidades recomendadas Enseguida se dan varios flujos, velocidades y cadas de pre-

sin recomendados para diversos servicios de la tuhera.

Dimensionamiento de la tuberia de vapor en las plantas nuevas

Flujo y calda de presin mximos admisibles

Laterales Tuberias maestras

Presin, psig 600 175 30 600 175 30 Densidad, lb/ft3 0.91 0.41 0.106 0.91 1 .41 0.106 t..P, psi/1 00' 1.0 0.70 0.50 0.70 0.40 0.30

Tamao nominal del tubo, In lb/h x 10-3 mximas

3 7.5 3.6 1.2 6.2 2.7 0.9 4 15 7.5 3.2 12 5.7 2.5 6 40 21 8.5 33 16 6.6 8 76 42 18 63 32 14

10 130 76 32 108 58 25 12 190 115 50 158 87 39 14 260 155 70 217 117 54 16 360 220 100 300 166 78 18 300 130 227 101 20 170 132

Nota: 1) El vapor a 600 psig est a 750F. a 175 psig y 30 psig son vapores

saturados. 2) Con las capacidades nominales de flujo a 600 psig, los tamaos

internos del tubo, para los dimetros mayores nominales, se tomaron como sigue: 18/16.5", 14/12.8", 12/11.6", 10/9.75".

3) Si se usan otros tamaos de D./. reales del tubo, o si existe sobrecalentamiento local en sistemas de 175 psig o 20 psig, la cafda de presin admisible ser el criterio que rija el diseo.

4) psi = fbfin2; psig = lb/in 2 manomtricas.

Flujo de fluidos 5

Dimensionamiento de la tubera del agua de enfriamiento en las plantas nuevas

Flujo, velocidad y cada de presin mximos admisibles

LATERALES TUBERiAS MAESTRAS

Tamao Velo- Velo-del Flujo, cldad, LIP Flujo, el dad, LIP

tubo, in gal/mln fl/s ft/100' gal/mln ft/s ft/1 00'

3 100 4.34 4.47 70 3.04 2.31 4 200 5.05 4.29 140 3.53 2.22 6 500 5.56 3.19 380 4.22 1.92 8 900 5.77 2.48 650 4.17 1.36

10 1500 6.10 2.11 1100 4.48 1.19 12 2400 6.81 2.10 1800 5.11 1.23 14 3100 7.20 2.10 2200 5.13 1.14 16 4500 7.91 2.09 3300 5.90 1.16 18 6000 8.31 1.99 4500 6.23 1.17 20 6000 6.67 1.17 24 ... ... 11 000 7.82 1.19 30 ... ... 19 000 8.67 1.11

Dimensionamiento de la tuberia para diversos fluidos

Gas seco Gas hmedo Vapor a alta presin Vapor a baja presin Aire Uneas de vapor en general

Uquido ligeramente voltil cerca del punto de burbujeo, succin de la bomba

Descarga de la bomba, torre de reflujo

Cabezales del petrleo caliente Lneas de vapor al vacfo, por

debajo de 50 mm de presin absoluta

100 ft/s 60 fl/s 150 ft/s 100 ft/s 100 ft/s Velocidad mx. de 0.3 Mach 0.5

psi/100 ft Carga total de 0.5 ft, linea de

succin

3-5 psi/1 00 ft

1.5 psi/100 fl Mximo admisible de 5% de

la presin absoluta para la prdida por friccin


Velocidades sugeridas del fluido en tubo estndar y tuberia especial (Liquidas, gases y vapores a presiones bajas hasta 50 psig y 50F-1 oooF)

Las velocidades son slo sugerencias y deben de usarse para obtener una aproximacin del tamaflo de la linea, como punto

de partida para los clculos de la calda de presin -

Velocidad tentativa Fluido sugerida Material del tubo

Acetileno (Obsrvense las limitaciones en la presin) 4000 fpm Acero

Aire, O a 30 psig 4000 fpm Acero Amoniaco

Lquido 6 fps Acero Gas 6000 fpm Acero

Benceno 6 fps Acero Bromo

Lquido 4 fps Vidrio Gas 2000 fpm Vidrio

Calcio, cloruro de 4 fps Acero Carbono, tetracloruro 6 fps Acero

de Cloro (seco)

Liquido 5 fps Acero, Cd. 80 Gas 2000-5000 fpm Acero, Cd. 80

Cloroformo Lquido 6 fps Cobre y acero Gas 2000 fpm Cobre y acero

Etileno, gas 6000 fpm Acero Etileno, dibromuro de 4 fps Vidrio Etileno, dicloruro de 6 fps Acero Etilenglicol 6 fps Acero Hidrgeno 4000 fpm Acero cido clorhfdrico

Liquido 5 fps Revestido de caucho A. L., saran,

Gas 4000 fpm Haveg

Metilo, cloruro de Liquido 6 fps Acero Gas 4000 fpm Acero

Gas natural 6000 fpm Acero Aceites lubricantes 6 fps Acero Oxigeno

(A temp. ambiente) 1800 fpm mx. Acero (300 psig mx.) (A baja temp.) 4000 fpm Acero inox. tipo 304

Propilenglicol 5 fps Acero

Nota: R. L. = acero revestido de caucho; fpm == ft/min; fps = ft/s

El tamaflo final de la linea debe de ser aquel que d un equilibrio econmico entre la calda de presin

y una velocidad razonable

Velocidad tentativa Fluido sugerida Material del tubo

Sodio, hidrxido de 0-30% 6 fps Acero 30-50% Sfps y 50-73% 4 nfquel

Sodio, cloruro de, solucin Sin slidos Sfps Acero Con slidos (6 mfn.-15 mx.) Monel o nfquel

7.5 fps Percloroetileno 6 fps Acero Vapor

0-30 psi, saturado* 4000-6000 fpm Acero 30-150 psi, 6000-10000 fpm

saturado o sobrecalentado*

150 psi y ms, sobrecalentado 6500-15000 fpm

*Lineas cortas 15 000 1pm (mx.) cido sulfrico

88-93% 4 fps Acero inox.-316, plomo

93-100% 4 fps Hierro fundido y acero, Cd. 80

Azufre, bixido de 4000 fpm Acero Estireno 6 fps Acero Tricloroetileno 6 fps Acero Vinilo, cloruro de 6 fps Acero Vinilideno, cloruro de 6 fps Acero Agua

Servicio promedio 3-8 (6 prom.) fps Acero Alimentacin de

caldera 4-12 fps Acero Lineas de succin

de la bomba 1-5 fps Acero Econmico mximo

(usual) 7-10 fps Acero Agua de mar y R. L., concreto,

salobre, tubo revestido de revestido 5-8 fps l 3 (mln) asfalto, revestido Para concreto 5-t2 fps de saran, transite

Velocidades tpicas de diseo para el vapor* (fl/s)

Tamaos de las Fluido :S:6" lineas 8 ... 12 ... ~14"

Vapor saturado O a 50 psig 30-115 50-125 60-145

Gas o vapor sobrecalentado Oa10psig 50-140 90-190 110-250

11 a 100 psig 40-115 75-165 95-225 101 a 900 psig 30-65 60-150 65-165

* Los valores de la lista son gulas y deben determinarse los tamaos de las ffneas y las velocidades del flujo finales, mediante clculos apropiados, para adecuarse a las circunstancias. En la tabla no se incluyen las ffneas al vaco, pero suelen tolerar velocidades ms altas. En fas condiciones de alto vacfo. se requiere una evaluacin cuidadosa de la calda de presin.

NOTA: psig "" lb!in2

Velocidades admisibles usuales para los sistemas de duetos y de tuberas*

Servicio/aplicacin

Duetos de tiro forzado Conductos y cmaras de humo de tiro inducido Chimeneas cortas y altas lineas de agua (mx.) lneas de vapor a alta presin lineas de vapor a baja presin Lneas de vapor al vado lineas de aire comprimido Lineas de vapor de refrigerante

A alta presin A baja presin

Refrigerante lfquido Uneas de salmuera Duetos de ventilacin Rejillas de registro

Velocidad, ft/mln

2500-3500 2000-3000

2000 600

10 000 12 000-15 000

25000 2000

1000-3000 2000-5000

200 400

1200-3000 500

Reproducida con autorizacin, Chemical Engineer's Handbook, Ja. edicin, pg. 1642, McGraw-Hilf Book Co., Nueva York, N. Y.

FluJo bifsico El flujo bifsico (lquido/vapor) es bastante complicado e

incluso los mtodos largamente examinados no tienen gran exactitud. No se puede tener una certidumbre completa en cuanto a cul rgimen de flujo existe para una situacin dada. En el volumen 2 de los libros de diseo de Ludwig' y en GPSA Data Book2 se dan mtodos para analizar el comportamiento bifsico.

Para nuestros fines, se puede lograr una estimacin aproxi-mada de las situaciones bifsicas generales con la correlacin de Lockhart y Martinelli1. En el manual de Perry se encuentra una descripcin de esta correlacin. Para aplicar el mtodo se calcula la cada de presin de cada fase, como si estuviera sola en la lnea. Despus, se calcula el parmetro siguiente:

Flujo de lluldoo 7

Velocidades tpicas de diseo* para aplicaciones en sistemas de procesos

Servicio

Proceso en liquido, promedio Succin de la bomba (excepto ebullicin) Succin de la bomba (ebullicin) Agua de alimentacin de la caldera (descarga,

a presin) lineas de drenaje Liquido hacia el rehervidor (sin bomba) Mezcla de vapor-lquido que sale del rehervidor Vapor hacia el condensador Flujos en el separador por gravedad

Velocidad, ft/a

4-6.5 1-5

0.5-3 4-8

1.5-4 2-7

15-30 15-80

0.5-1.5

* Para usarse como gua, la calda de presin y el medio ambiente del sistema determinan la seleccin final del tamao del tubo. Para fluidos pesados y viscosos, las velocidades deben de reducirse a ms o menos 1Jz de los valores que se muestran. Los fluidos no contienen partlculas slidas suspendidas.

Velocidades sugeridas en el tubo de vapor, en el tubo que se conecta a las turbinas de vapor

Servicio; vapor

Admisin a la turbina Escape, sin condensacin Escape, de condensacin

Fuentes

Rango tfplco, ft/a

100-150 175-200 400-500

l. Branan, C. R., The Process Engineer's Pocket Handbook, volumen 1, Gulf Publishing Co_

2. Ludwig, E. E_, Applied Process Design for Chemical and Petrochemica/ P/ants, 2a_ edicin, Gulf Publishing Co_

3_ Perry, R. H., Chemica/ Engineer's Handbook, 3a. edicin, pg. 1642, McGraw-Hill Book Co.

en donde t>PL y t>PG son las cadas de presin de las fases_

Entonces el factor X se relaciona con Y L o Y 0 . Cualquiera de las dos que elija se multiplica por su cada de presin acom-paante con el fin de obtener la cada total de presin. La ecuacin siguiente5 se basa en los puntos tomados de las curvas de Y L y Y a del manual de Perry4, para las dos fases en flujo turbulento (el caso ms comn):

Y_ = 4_6X-'-78 + 12.5x-o.6s + 0_65 Ya= X2YL

8 Soluciones prcticas para el ingeniero quimico

4.0

2.0

" o o

~ 1.0 o. 1.8

O 0.6 c. 0.4 "O

"O ; u

0.2

0.1 0.08 0.06 0.05

2 3 4

X 100 X 1000 X 10000

Presin fin~l, 3.0 ,.,.

~02.0 ~;: ~~01.0 ~;; SO lOO 200 600 .. 02

Presin de 50100

X 100000

i

fin!31. psig

..

"O

"O o o

> ..

"O e -o o o

~ o o

"O 5 ~

Gasto, lb/h

Dimensionamiento de las lneas para vapor instantneo-condensado

El rango de X, para las curvas de Lockhart y Martinelli, es de 0.01 a 100.

Para el flujo de niebla o roco, Ludwig1 cita la sugerencia de Baker" de multiplicar los resultados obtenidos mediante las curvas de Lockhart y Martinelli por dos.

Para el caso frecuente de lneas de vapor instantneo-con-densado, Rus kan 7 proporciona la grfica de fcil manejo antes citada.

Con este diagrama se obtiene una rpida estimacin de la cada de presin del condensado en evaporacin instantnea, junto con las velocidades del fluido. Ejemplo: Si 1000 lb/h de condensado saturado a 600 psig (psig = lb/in2 manomtricas) se evaporan en forma instantnea a 200 psig, qu tamao de la lnea dar una cada de presin de 1.0 psi/100ft (psi= lb/in2) o menos'' ntrese al valor de 600 psig, en la parte de abajo de la insercin de la derecha y tmese la direccin hacia abajo

hasta la lectura de una presin final de 200 psig. Continese hacia la izquierda hasta llegar a la interseccin con la recta correspondiente a un gasto de 1000 lb/h y, enseguida, hacia arriba en forma vertical hasta seleccionar 1 Y2 in, para una cada de presin de 0.28 psi/100ft. Ntese que la velocidad dada por este tamao se alinea si sea usan 16.5 ftls; en la insercin de la derecha tmese la direccin hacia arriba, desde 600 psig hasta 200 psig, para encontrar el factor de correccin de la velocidad de 0.41, de modo que la velocidad corregida es de 6.8 ft/s.

Fuentes

l. Ludwig, E. E., Applied Process De.

3. Lockhart, R. W. y Martinelli, R. C., "Proposed Correlation of Data for lsothcrmal Two-Phasc, Two-Component Flow in Pipes", Chemical Engineering Prugress, 45:39-48, 1949.

4. Perry, R. H. y Oreen, D., Perry's Chemical Engineering Handbook, 6a. edicin, McGraw-Hill Book Co.

5. Branan, C. R., The Process Engineer's Pocket Handbook, volumen 2, Gulf Publishing Co.

Flujo compresible Para lneas "cortas", corno las de una planta, en donde

tJ.P> 10% PI> divdase en secciones en donde ..P < 10% P~> o bien, sese

liP = P - P, = __2!L_[0.323( fL + In (P,/P, )) S U 2 ] 1 P1 + P2 d 24

1 1

lomada de Max.wclP, en la cual se supone un flujo isotrmico del gas; en donde

liP =Cada de presin en la lnea, psi (lb/in2) P1, P2 =Presiones corriente arriba y corriente abajo, en psi

abs S1 =Gravedad especfica de vapor en relacin con el agua

= 0.00150 MPff d =Dimetro del tubo, en pulgadas

U 1 = Velocidad corriente arriba, ft/s f= Factor de friccin (supngase 0.005 para el trabajo

aproximado) L = Longitud del tubo, pies

liP= Cada de presin en psi (en lugar de psi por longitud estndar, como antes)

M= Peso molecular

Para tuberas 'largas", sense las siguientes, tomadas de McAIIister2:

Ecuaciones de uso comn para calcular datos hidrulicos para tuberas de gas

Panhandle A:

Qb = 435.87 X (Tb/Pb)i.0778 X D2.6182 X E X

0.0375xGx(h 2 -hi)XPpmm2

Tprom X Z prom

G o.8539 L T z X X prom X prom

0.5394

Flujo de fluidos 9

6. Baker, 0., "Multiphase Flow in Pipe Lines", Oil and Gas Jo urna/, 1 O de noviembre de 1958, pg. 156.

7. Ruskan, R. P., "Sizing Lines For Flashing Steam-Condensate", Chemical Engineering, 24 de noviembre de 1975, pg. 88.

Panhandle B:

0.0375xGx(h, -h 1)xPpmm 2 0.51

Tpmm xzpmm

G 091l X 1~ X Tprom X Zpmm

Wevmouth:

Q=433.5x(T"/P")x P, --P, xD2667 xE [ 2 2 ]0.5

GLTZ

Ppmm = 2/3 [P, + P,- (PI x P,)IPI + P,]

Se usa P prom para calcular el factor Z de compresibilidad del gas.

Nomenclatura para las ecuaciones de Panhandle

Qb = Gasto, scfd (ft3 estndar/da) Pb = Presin base, psia (lblft2 absolutas) T h ::: Temperatura base, oR

Tprom = Temperatura promedio del gas, 0 R P1 ::: Presin en la admisin, psia P2 = Presin en la salida, psia G = Gravedad especfica del aire (aire = 1.0) L = Longitud de la lnea, millas Z = Compresibilidad promedio del gas D = Dimetro interior del tubo, in h2 = Elevacin al final de la lnea, ft h 1 ::: Elevacin en el origen de la lnea, ft

Pprom =Presin promedio en la lnea, psia E = Factor de eficiencia E = 1 para el tubo nuevo, sin curvas, accesorios ni cambios

de dimetro E::: 0.95 para muy buenas condiciones de operacin, por

lo general dentro de los 12-18 primeros meses E= 0.92 para condiciones promedio de operacin E= 0.85 para condiciones desfavorables de operacin

10 Soluciones prcticas para el Ingeniero quimlco

Nomenclatura para la ecuacin de Wevmouth

Q = Gasto, Mcfd ( 1000 ft3/da) T 6 = Temperatura base, oR P6 = Presin base, psi a G = Gravedad especfica del gas (aire = 1) L = Longitud de la lnea, millas T = Temperatura del gas, 0 R Z = Factor de compresibilidad del gas D = Dimetro interior del tubo, in E= Factor de eficiencia. (Vase la nomenclatura de

Panhandle en relacin con los factores de eficiencia sugeridos)

Q =? G=0.6 T = I00F

Clculos muestra

L = 20 millas P1 = 2000 psia P2 = 1500 psia

Di f. de elev. = 100 ft D =4.026 in

Tb =60F P6 = 14.7 psia E= 1.0

Pprom = 2/3(2000 + 1500- (2000 X 1500/2000 + 1500))

= 1762 psia

Z a 1762 psia y I00F = 0.835.

Panhandle A: Qb = 435.87 X (520/14.7)1.0788 X (4.026)2.6182 X 1 X

[ ']0.5104 (2000)' _ 0500)2 _ 0.0375x0.6xl00x(l762) .

560x0.835 (0.6)0.8539 X 20 X 560 X 0.835

Qb = 16 577 Mcfd

Panhandle B:

Qb = 737 X (520/14.7)'-020 X (4.026)2.53 X 1 X

[ ']0.51 (2000)' _ (1 500)' _ 0.0375 X 0.6 X 100 X (1762)

560x o.835 (0.6)0.961 X 20 X 560 X 0.835

Q6 = 17 498 Mcfd

Weymouth: Q = 0.433 X (520/14.7) X ((2000)'- (1500)'/

(0.6 X 20 X 560 X 0.835)1112 X (4.026)2.667 Q = 11 101 Mcfd

Fuente

Pipecalc 2.0, Gulf Publishing Company, Houston, Texas. Nota: Pipecalc 2.0 calcular el factor de compresibilidad, el DI mnimo del tubo, la presin corriente arriba, la presin corrien-te abajo y el gasto para las ecuaciones de Panhandle A, Panhandle B, Weymouth, AGA y Colebrook-White. Los gastos hallados en los clculos muestra anteriores diferirn un poco de los calculados con Pipecalc 2.0, ya que la viscosidad usada en los ejemplos se extrajo de la figura 5, pg. 147. Pipecalc aplica el mtodo de Dranchuk y otros para calcular la compre-sibilidad del gas.

Longitudes equivalentes para lineas mltiPles. basadas en la ecuacin de Panhandle A

Condicin 1:

Una sola tubera que consta de dos o ms lneas de dime-tros diferentes.

Sean LE = Longitud equivalente L1, L2, ... , L" =Longitudes de cada dimetro

DI> D2, ... , Dn = Dimetro interno de cada lnea separa-da, correspondiente a L1, L2 ... , Ln

DE = Dimetro interno equivalente

[DE ]4.8539 [DE ]4.8539 [DE ]4.8539

L, =L, - +Lz - + .. L" -D1 D2 0 0

EJemplo. Una sola tubera, de 100 millas de longitud, consta de las lneas: JO millas con DE de 10',4 in, 40 millas con DE de 123.4 in y 50 millas con DE de 22 in.

Encuntrese la longitud equivalente (LE) en trminos del tubo con DE de 22 in.

L=50+40 2 1.5 .. +10 2 1.5 [ ]

4 85W [ ]4.8539

E 12.25 10.25 =50+ 614+ 364 = 1028 millas de longitud equivalente de tubo con DE de

22 in

Condicin 11:

Un sistema de tuberas mltiples que consta de dos o ms lneas paralelas de dimetros diferentes y longitudes dife-rentes.

Sean LE = Longitud equivalente L, L2, L3, ... , Ln:::::. Longitud de las diversas secciones

enlazadas d, d2, d3, .. , dn :::= Dimetro interno de cada una de

las lneas, correspondiente a las longitudes L1, L,, L3 ... Ln

L -L dE [

2.6182 ]LBSJ9

E- 1 d,2.6182 +d 22.6182 +d/6182 + ... dn2.M82

+ ...

L dE [

2.6182 ]I.S.SJ9

n d,2.6182 +d2

2.6182 +d3

2.6182 + ... dn2.6182

Sean LE = Longitud equivalente L1, L2, L3, ... , L" = Longitud de las diversas seccio-

nes enlazadas d~o dz, d3, ... , dn =Dimetro interno de cada una de

las lneas, correspondiente a las longitudes L1, L2, L3 ... L.

L - L dE [

2.6182 ]1.8539

E- 1 d2.6182 +d2

2.6182 +d3

2.6182 + ... dn2.6182

+ ...

dE [

2.6182 ]1.8539

Ln d2.6182 +d22.6182 +d/61112 + ... dn2.6182

cuando L1 = Longitud de la seccin no enlazada L2 = Longitud de la seccin con un solo enlace

Flujo de fluidos 11

L, = Longitud de la seccin con doble enlace dE= d1 = d2

entonces:

[

d2.6l8~ ]1.1\539 LE =L1 +0.27664 L, +L, 2d 2.6182 +d 2.01R2

1 3

cuando dE= d 1 = d, = d3

entonces LE= L 1 + 0.27664 L2 + 0.1305 L3

EJemplo. Un sistema mltiple consta de una seccin de 15 millas formada por tres lneas con DE de 85/s in y una lnea con DE de 103.4 in, y una seccin de 30 millas formada por dos lneas con DE de 85/s in y una lnea con DE de 10'.4 in.

Encuntrese la longitud equivalente en trminos de una sola lnea con DI de 12 in.

[

122.6182 ]1.8539 L -15 ----~~~~~~= E- 3(7.981)2.6182 +10.022.6182

122.6182 +30

[ ]

1.8539

2(7.981)2.6182 + 10.0226182

= 5.9 + 18.1 = 24.0 millas equivalentes de tubo con DI de 12 in

EJemplo. Un sistema mltiple consta de una sola lnea con DI de 12 in y 5 millas de longitud y una seccin de 30 millas formada por tres lneas con DI de 12 in.

Encuntrese la longitud en trminos de una sola lnea con DI de 12 in.

LE= 5 + 0.1305 X 30 = 8.92 millas equivalentes de una sola lnea con DI de

12 in

Bibliografa

l. Maxwell, J. B., Data Book on Hydrocarbons, Van Nostrand, 1965.

2. McAIIister, E. W., Pipe Une Rules ofThumb Handbook, 3a. edicin. Gulf Publishing Co., pgs. 247-248.

3. Branan, C. R., The Profess Engineer's Pocket Handbook, volumen 1, Gulf Puhlishing Co., pg. 4.

12 Soluciones prcticas para el ingeniero qulmlco

Velocidad snica Para determinar la velocidad snica, sese

V, =~KgRT

en donde

V, = Velocidad snica, ft/s K = cc ... , la razn de los calores especficos, a presin

constante al de a volumen constante. Esta razn es de 1.4 para la mayor parte de los gases diatmicos.

g = 32.2 ft/s2 R = 1544/peso molecular T =Temperatura absoluta, en R

Medicin Orlllclo

% de 6h de prdida permanente de carga

Prdida DJDP permanente

0.2 95 0.4 82 0.6 63 0.8 40

Un diseador usa una prdida permanente= .h (1 ~ C0 )

en donde

U.,= Velocidad a travs del orificio, ft/s UP = Velocidad a travs del tubo, ft/s 2g = 64.4 ftis2 6h =Cada de presin en el orificio, ft de fluidos D =Dimetro

C0 = Coeficiente. (sese 0.60 para las aplicaciones tpicas, en donde 0.,/DP est entre 0.2 y 0.8 y Re, en la vena contracta, est por encima de 15 000.)

Para determinar la razn crtica de presiones para la veloci-dad snica de los gases a travs de una tobera u orificio, sese

. d . [21( lk/(k-1) razon cnt1ca e presiOnes = K+ 1)

Si la cada de presin es Jo suficientemente alta como para sobrepasar la razn crtica, se alcanzar la velocidad snica. Cuando K= 1.4, la razn = 0.53.

Fuente

Branan, C. R., The Process Engineer's Pocket Handbook, volu-men 1, Gulf Publishing Co.

Venturl

La misma ecuacin que para el orificio:

c.,= 0.98

La prdida permanente de carga es aproximadamente de 3-4% 6h.

Vertedero rectangular

F, = 3.33(L-0.2H)H 312

en donde

F, = Flujo, en ft3/s L = Ancho del vertedero, ft H = Altura del lquido sobre el vertedero, ft

TUbo pltot

6h=u 2/2g

Fuente

Branan, C. R., The Process En~::buer's Pocket Handbook, volu-men 1, Gulf Publishing Co.

Vlvulas de control Notas: l. Para esta seccin se usaron con amplitud las referencias

1 y 2 de la bibliografa. El procedimiento de dimensiona-miento es, en general, el de la Fisher Controls Company.

2. En los casos en que se cuenten con ellos, sense los datos de los fabricantes. Este manual proporcionar pa-rmetros aproximados, aplicables a una amplia gama de fabricantes.

3. Para disear una vlvula de control hay que asegurarse de aplicar uno de los mtodos modernos, como el que se da aqu, que toma en cuenta cosas como los factores de recuperacin de presin de la vlvula de control y la transicin de gas a flujo incompresible con una cada crtica de presin.

FluJo de lquidos

A travs de una vlvula de control, el fluido se acelera hasta cierta velocidad mxima. En este punto, la presin se reduce hasta su valor ms bajo. Si esta presin es menor que la presin de vapor del lquido, la evaporacin instantnea producir bur-bujas o cavidades de vapor. La presin se elevar o "recupe-rar" corriente abajo del punto de presin ms baja. Si la presin se eleva por encima de la presin de vapor, las burbujas o cavidades se aplastarn. Esto causa ruido, vibracin y dao fsico.

Cuando se tiene eleccin, disese para que no se produzca evaporacin instantnea. Cuando no hay alternativa, ubquese la vlvula para que la evaporacin instantnea se realice hacia un recipiente, si es posible. Si no se pueden evitar la evapora-cin instantnea o cavitacin, seleccincse el herraje que pue-da soportar estas condiciones severas. A la lnea corriente aba-jo se le tendrn que dar dimensiones para flujo bifsico. Se sugiere usar un adaptador cnico largo de la v,lvula de control hacia la lnea corriente abajo.

Al determinar las dimensiones de las vlvulas de control, en primer lugar sese

en donde

.Padmisible =Presin diferencial mxima admisible para fines de dimensionamiento, psi (lb/in2)

Km= Coeficiente de recuperacin de la vlvula (vase la tabla 3)

re= Razn crtica de presiones (vanse las tiguras 1 y 2)

P 1 =Presin de admisin al cuerpo, psia (lb/in2 absolutas)

Pv =Presin de vapor del lquido a la temperatura de admisin al cuerpo, psia

Flujo de fluidos 13

Esto da la


u 1 . o

Explicacin de los trminos:

C 1 = CgiCv (en algunos mtodos de dimensionamiento se usa e, o Y, en lugar de C)

Cg = Coeficiente de dimensionamiento para el gas Cs = Coeficiente de dimensionamiento para el vapor de agua Cv = Coeficiente de dimensionamiento para el lquido d 1 = Densidad del vapor de agua o de cualquier otro en la

admisin, lb/ft 3 G ~ Gravedad especfica del gas ~ peso molecular/29 P1 = Presin en la admisin de la vlvula, psia

t:\P = Cada de presin a travs de la vlvula, psi Q ~Gasto del gas, scfh (ft3 estndar/h) Os= Gasto del vapor de agua o de cualquier otro, lb/h T = Temperatura ahsoluta del gas en la admisin, uR

Tsc = Grados de sobrecalentamiento, F

Los coeficientes para la vlvula de control de la tabla 4 son para las condiciones cuando est completamente abierta. Para

Tabla 3 Coeficientes promedio de recuperacin de la vlvula, Km y C1* (Referencia 2)

Tipo de vlvula

De globo con ajuste por cmara: No balanceadas Balanceadas

De mariposa: De cola de pescado Convencional

De bola: Bola en V, bola modificada, etc. Bola de rea plena

De globo convencional: De lumbrera sencilla y doble (lumbrera plena) De lumbrera sencilla y doble (lumbrera reducida) De tres vlas

De codo: El flujo tiende a abrir (cuerpo estndar) El flujo tiende a cerrar (cuerpo estndar) El flujo tiende a cerrar (salida de venturi)

Camflex: El flujo tiende a cerrar El flujo tiende a abrir

De cuerpo partido

0.8 0.70

0.43 0.55

0.40 0.30

0.75 0.65 0.75

0.85 0.50 0.20

0.72 0.46 0.80

Para usarse slo si no se cuenta con datos del fabricante.

Tabla 4 Correlaciones de los coeficientes de las vlvulas

de control (Referencia 2)

e 1 = 36.59 e1 e1 '" 36.59 )Km C9 = C1ev

Km=ef=FL2

C8 = 1.83 e,ev ev = 19.99 eJC1

C9 = 19.99 es

e,

33 33

16 24.7

22

35 35

24.9 31.1 35

Los valores de Km calculados a partir de e, concuerdan con una diferencia de menos del 10% respecto de los datos publicados del mismo. Los valores de C 1 calculados a partir de Km concuerdan con una diferencia de menos del 21% respecto de los datos publicados del mismo.

20 40 60

Flujo de fluidos 15

De porcentaje igual

80

De manposa de60'

100 Porcentaje de la carrera nominal

Figura 3. stas son curvas caractersticas de las vlvulas comunes (Referencia 2).

lograr un buen control, la vlvula de control debe disearse para operar en condiciones de abertura parcial. En la figura 3 se muestra el rendimiento con abertura parcial para varios tipos de ajuste.

Reglas empricas para las vlvulas de control en general l. Tolerancia de diseo. Muchos usan el mayor de los si-

guientes: Qdimensionamiento = 1.3Qnormal Qdimcnsionamientn = 1.1 O mximo

2. Tipo de ajuste. sese el de porcentaje igual siempre que se tenga una gran incertidumbre en el diseo o se desea una amplia variacin de la capacidad. sese el lineal para los casos de pequea incertidumbre.

Limtese el flujo mximo/mnimo a alrededor de 10 para el ajuste de porcentaje igual y de 5 para el lineal. El ajuste de porcentaje igual suele requerir un tamao no-minal mayor del cuerpo que el lineal.

3. Para lograr un buen control, donde sea posible, hgase que la vlvula de control absorba del 50%-60% de la prdida de carga por el flujo del sistema.

4. Para vapor de agua saturado, mantngase la velocidad a la salida de la vlvula de control por debajo de 0.25 Mach.

5. Mantngase la velocidad en la admisin de la vlvula por debajo de 300 ft/s, para las de 2" y menores, y de 200 ft/s, para los tamaos ms grandes.

Blbllourala l. Fisher Controls Company, Sizing and Control Data, catlo-

go 10. 2. Chalfin, Fluor Corp., "Specifying Control Val ves", Chemi-

cal Engineering, 14 de octubre de 1974.

16 Soluciones prcticas para el ingeniero qU1m1co

----------------------------------- -- - . -------------

Vlvulas de alivio de seguridad El cdigo de la ASME proporciona los requisitos bsicos

para la proteccin contra sobrepresiones. La seccin I, Power Boilers (Calderas para plantas de energa), cubre las calderas de vapor, con calentamiento por hogar o de otro tipo. Todos Jos dems recipientes, incluyendo los cascos de los intercambiado-res de calor y equipo semejante que contienen presin, caen bajo la seccin VIII, Pressure Vessels (Recipientes a presin). La API RP 520 y documentos ms pequeos del API comple-mentan el cdigo de la ASME. En estos cdigos se especifica la acumulacin admisible. la cual es la diferencia entre la pre-sin de descarga, a la cual la vlvula alcanza su pleno flujo nominal y la presin prefijada a la que esta vlvula empieza a abrir. En la tabla 1 la acumulacin se expresa como un porcen-taje de la presin prefijada.

Tabla 1 Acumulacin expresada como porcentaje

de la presin prefijada

ASME Diseo Seccin 1 ASME tipico para Calderas Seccin VIII compreso

para plantas Recipientes ras, bombas de energfa a presin y tuberla

LQUIDOS expansin trmica 10 25 incendio 20 20

VAPOR DE AGUA sobrepresin 3 10 10 incendio 20 20

GAS O VAPOR sobrepresin 10 10 incendio 20 20

Los recipientes llenos por completo de lquido requieren proteccin contra la expansin trmica. Esas vlvulas de alivio en general son bastante pequeas. Dos ejemplos son:

l. Agua de enfriamiento que puede ser bloqueada por el fluido caliente que todava est fluyendo en el otro lado de un intercambiador.

2. Lneas largas hacia los patios de tanques que pueden yacer estancadas y expuestas al Sol.

Dimensionamiento

Cuando se disponga de ellos, sense las grticas y los datos de dimensionamiento del fabricante. En lugar de los datos de este ltimo, sese la frmula:

u= 0.4~2gtJ.h

en donde

tJ.h = Prdida de carga, en pies del fluido en movimiento u = Velocidad, en ft/s g = 32.2 ft/s2

Esto dar un rea conservadora de la vlvula de alivio. Para fluidos compresibles, sese ~h correspondiente a 1/2 P 1, si la diferencia de carga es mayor que la correspondiente a V2 P 1 (ya que se presenta la velocidad snica). Si la diferencia de carga est por debajo de la correspondiente a Y2 P1, sese la .h real.

Para recipientes llenos slo con gas o vapor y expuestos a incendio, sese:

A= 0.042 A, JP, (API RP 520, Referencia 3)

A ::: rea calculada de la tobera, in~ P1 = Presin prefijada (psig) x (l +acumulacin

fraccionaria) + presin atmosfrica, psia. Por ejemplo, si la acumulacin es del 10%, entonces (1 + acumu-lacin fraccionaria)= 1.10. (psig = lb/in2 manomtri-cas, psia = lb/in2 absolutas.)

As= rea expuesta del recipiente, ft2

Esto tambin dar resultados conservadores. Para entrada de calor de incendio a recipientes que contienen lquido, vase "Detenninacin de las velocidades de descarga".

La contrapresin influye sobre la presin prefijada de una vlvula convencional. La calibracin del resorte se puede ajus-tar para compensar la contrapresin constante. Para una con-trapresin variable de ms del lO% de la presin prefijada, se acostumbra pasar al tipo de fuelles balanceados, los cuales por lo general pueden tolerar una contrapresin variable de hasta el 40% de la prefijada. En la tabla 2 se dan los tamaos estndar del orificio.

Determinacin de las velocidades de descarga

Las causas ms comunes de sobrepresin son:

l. Incendio externo 2. Falla de los tubos de un intercambiador de calor 3. Expansin de los lquidos 4. Falla del agua de enfriamiento 5. Falla de la electricidad 6. Salida bloqueada

Flujo de fluidos 17

Tabla 2 Designaciones de las vlvulas de alivio

rea del orificio

(in') ~-----,

--'

o D 0.110 E 0.196

.

.

= F 0.307 ;; G 0.503 .

! . . .

'

H 0.785 " ~ J 1.287 "O K 1.838 e ... L 2.853 ;; M 3.60

. . 1

. . .

.

. .

.

e N 4.34 O p 6.38

.

.

a 11.05 e . "' A 16.0 ; . . T 26.0 e 1 X 2 1.5 X 2 1.

.

5 X 2.5 1.5 X 3 2x3 2.5 X 4 3x4 4x6 6x8 6 X 10 8 X 10

Tamao del cuerpo de la vlvula (dimetro de la admisin x dimetro de la salida), In

7. Falla de los controles automticos 8. Prdida de reflujo 9. Reaccin qumica (este calor a veces puede sobrepasar

al calor de un incendio externo)

Las plantas, situaciones y causas de sobrepresin tienden a ser tan diferentes como para desalentar la preparacin de pro-cedimientos generalizados de clculo para la velocidad de des-carga. En lugar ue un procedimiento prefijado, la mayor parte de estos problemas se pueden resolver de manera satisfactoria mediante simplificacin y anlisis conservadores. Tambin debe de hacerse notar que, por una suposicin general, no ocu-rrirn de manera simultnea dos condiciones de emergencia que no estn relacionadas.

De la lista dada, las tres primeras causas de sobrepresin son las ms sujetas a generalizacin que las otras y se anali-zarn.

Incendio

En la API RP 520 (referencia 3) se analiza la entrada de calor debida a un incendio. Una forma de su ecuacin para los recipientes que contienen lquido es:

Q = 21000 FAw 082

en donde

Q = Absorcin de calor, Btu/h Aw = Superficie total mojada, ft2

F = !'actor del medio ambiente

Los factores ambientales representados por F son:

Recipiente descubierto= 1.0 Aislado = 0.3/espesor del aislamiento, in Almacenamiento subterrneo = 0.0 Tierra que cubre arriba de la rasante = 0.03

La altura arriba de la rasante para calcular la superficie mojada debe de ser:

l. Para recipientes verticales: por lo menos 25 pies arriba de la rasante o cualquier otro nivel al cual pudiera soste-nerse el fuego.

2. Para recipientes horizontales: por lo menos igual al di-metro mximo.

3. Para esferas o esferoides: cualquiera de los dos que sea mayor entre el ecuador o 25 pies.

Falla de los tubos de un lntercamblador de calor

l. sese el fluido que entra del doble de la seccin trans-versal de un tubo, como se expresa en la API RP 520 (referencia 3) (un tubo cortado a la mitad expone dos secciones transversales en el corte).3

2. sese t.h = u2/2g para calcular el escape. Ya que ste acta de modo semejante a un orificio, se necesita un coeficiente; sese O. 7 _ Por tanto,

u= 0.7 ~2gt.h Para fluidos compresibles, si la carga corriente abajo es

menor que 1/2 de carga corriente arriba, sese V2 de carga co-rriente arriba como 8-h. De lo contrario, sese la 8-h real.


Expansin de los lquidos

Se puede usar la ecuacin siguiente para dimensionar las vlvulas de alivio para expansin de lquidos:

BH Q= 5!XIGC

en donde

(APl RP 520, Referencia 3)

Q = Capacidad requerida, gpm (gal/min) H = Entrada de calor, Blu/h B = Coeficiente de expansin volumtrica por F

= 0.000 l para el agua = 0.0010 para hidrocarburos ligeros = 0.0008 para la gasolina = 0.0006 para los destilados = 0.0004 para el aceite combustible residual

G = Gravedad especfica C = Calor especfico, Btu/lb op

Reglas emplrlcas para las vlvulas de alivio de seguridad

l. Comprubese la metalurgia para los hidrocarburos lige-ros que se evaporan instantneamente durante el alivio de presin. Se pueden producir temperaturas muy bajas.

2. Comprubese siempre la fuerza de reaccin del tubo de cola.

3. Los gatos de mano son de gran ayuda en las vlvulas grandes de alivio por varias razones. Una es dar posibi-lidad al operario de volver a asentar una vlvula de ali-vio que se dispara.

4. Las vlvulas de asiento plano tiene una ventaja sobre las vlvulas de asiento cnico, si las fuerzas de la planta tienen que refrentar las superficies (lo que suele suceder a medianoche).

5. La presin mxima proveniente de una explosin de un hidrocarburo y aire es de 7 x presin inicial, a menos que ocurra en un tubo largo, en donde se puede estable-cer una onda estacionaria. Puede resultar ms barato disear algunos tambores para soportar una explosin que suministrar un sistema de alivio de seguridad. Lo tpico es especificar 'A" como espesor mnimo de la pla-ca (slo para el acero al carbono).

Fuentes

l. Rearick, "How lo Dcsign Pressure Relief Systems", partes l y 11, Hydrocarbon Processing, agosto/septiembre de 1969.

2. ASME Boilcr and Pressure Vessel Code, secciones 1 y VIII. 3. Recommended Practice for the Design and Installation of

Prcssure Relieving Systems in Refineries; parte I, "Design", ltima edicin; parte ll, "lnstallation", ltima edicin, RP 520 del American Pctroleum lnstitute.

4. lsaacs, Marx, "Pressure Relief Systems", Chemical Engineering, 22 de febrero de 1971.

2 lntercambiadores de calor

TEMA .................................................................................. 20 Condensadores al vaco ..................................................... 42 Guas de seleccin .............................................................. 25 Intercambiadores de calor enfriados por aire: Cada de presin, casco y tobo ......................................... 27 tiro forzado en comparacin con el inducido ............ 42 Diferencia de temperaturas ............................................... 29 Intercambiadores de calor enfriados por aire: Dimetro del casco ............................................................. 30 cada de presin del lado del aire ................................ 43 Velocidad mxima del lado del casco .............................. 30 Intercambiadores de calor enfriados por aire: Velocidad mxima en las toberas ..................................... 31 capacidad aproximada .................................................. 44 Coeficientes de transferencia de calor ............................. 31 Intercambiadores de calor enfriados por aire: Resistencias de las incrt~:staciones .................................... 38 control de la temperatura ............................................. 46 Resistencias de los metales ................................................ 40 Reglas empricas diversas ................................................. 48


TEMA

Nomenclalura Los intercambiadores de calor de casco y tubos se designan

por el tipo de cabezal delantero, el tipo de casco y el tipo de

cabezal posterior, como se muestra en las figuras l-4 y tabla l, tomadas de las normas de la Tubular Exchangcr Manufacturers

A

B

e

D

EXTREMO DELANTERO TIPOS DE CABEZAL ESTACIONARIO

CANAL Y CUBIERTA DESMONTABLE

CASQUETE (CUBIERTA INTEGRAL)

SLO HAZ DE TUBOS

DESMONTABLE

SLO PLACA tt--~~~:3 DE TUBOS

FIJA

CANAL INTEGRAL CON PlACA DE TUBOS Y CUBIERTA DESMONTABLE

CIERRE ESPECIAL DE ALTA PRESIN

Association (TEMA).

TIPOS DE CASCO

~1 I 1~ E 1 L CASCO DE UN SOLO PASO

M

F ~ ~--------------- 1~ CASCO DE DOS PASOS CON DESVIADOR LONGITUDINAL N

[ 1 -----~----- 1~ G p DE FLUJO PARTIDO

~~--:--+ 1] H

S

DE FLUJO CON DOBLE PARTICIN

T

~1 1 1~ J 1 1 DE FLUJO DIVIDIDO u

T

K ~ : ) ' ' ' w _L .L

REHERVIDOR DEL TIPO DE MARMITA

Figura 1. lntercambiadores de calor.

(El texto contina en la pg. 23) EXTREMO POSTERIOR

TIPOS DE CABEZAL o:~-.,-;~ ~

PlACA DE TUBOS FIJA, COMO EL CABEZAL ESTACIONARIO ''A"

~~ PLACA DE TUBOS FIJA, COMO

EL CABEZAL ESTACIONARIO "BH

~ PlACA DE TUBOS FIJA, COMO

EL CABEZAL ESTACIONARIO "Cn

~ CABEZAL FLOTANTE EMPACADO

EN EL EXTERIOR

~,~:~, .~~'!"-'"== CABEZAL FLOTANTE CON

DISPOSITIVO DE RESPALDO

=====-=.-dtl[!:.=.=.=.=::~

~':~ih~t~ CABEZAL FLOTANTE

DE HAZ SACADO

:~ ~ HAZ DE TUBO EN U

c:~-r,:~

~ ' ' ' PLACA DE TUBOS FLOTANTE

EMPACADA CON ANILLO DE CIERRE HIDRULICO

lntercambiadores de calor 21

AES

Figura 2. Tipo AES.

AEP

Figura 3. Tipos BEM, AEP, CFU.

22 ::;oluclones practicas para el ingeniero quim1co

Figura J. Continuacin.

AKT

AJW

Figura 4. Tipos AKT y AJW.

lntercambiadorea de calor 23

Tabla 1 Partes y conexiones tipicas de los intercambiadores de calor

1. Cabezal estacionario: canal 19. Anillo partido de esfuerzo cortante 2. Cabezal estacionario: casquete 20. Brida postiza de respaldo 3. Brida del cabezal estacionario: canal 21. Cubierta del cabezal flotante: externa

o casquete 22. Faldn de la placa de tubos flotante 4. Cubierta del canal 23. Brida del prensaestopas 5. Tobera del cabezal estacionario 24. Empaquetadura 6. Placa de tubos estacionaria 25. Anillo seguidor de la empaquetadura 7. Tubos 26. Anillo de cierre hidrulico 8. Casco 27. Tirantes y espaciadores 9. Cubierta del casco 28. Desviadores transversales y placas de

10. Brida del casco: extremo del cabezal estacionario

11. Brida del casco; extremo del cabezal posterior

12. Tobera del casco 13. Brida de la cubierta del casco 14. Junta de expansin 15. Placa de tubos flotante 16. Cubierta del cabezal flotante 17. Brida del cabezal flotante 18. Dispositivo de respaldo del cabezal

flotante

(continuacin del texto de la pgina 20)

Clases

En la tabla 2 se hace una comparacin de las clases R, C y BdeTEMA.

29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39.

Tabla 2*

apoyo Desviador de choque Desviador longitudinal Particin de pasos Conexin del desfogue Conexin del drenaje Conexin para instrumento Silla de soporte Oreja de levantamiento Mnsula de soporte Vertedero Conexin para el nivel del lquido

Normas TEMA; 1978 Comparacin de las clases R, C y B

Prrafo

1.12

1.51

2.2 2.5

3.3 4.72

4.71

5.11

5.31

Tema

Definicin

Sobreespesor para corrosin en el acero al carbono

Dimetros de los tubos Espaciamiento de los tubos y

franja mlnima de limpieza

Dimetro mlnimo del casco Espesor del desviador

longitudinal Dimetro mnimo de los

tirantes rea cruzada de la cubierta del

cabezal flotante Construccin del anillo de

cierre hidrulico

*Publicada con autorizacin. Rubn, F. L.

R

Para las necesidades por lo general severas del petrleo y las aplicaciones de procesos relacionados.

Ve pulgada

314 DE de %, 1 , 1% y 2 pulgadas Franja de 1.25 x DE del tubo

de % pulgada.

8 pulgadas tabuladas V4 in mnimo

%pulgada

1.3 veces el rea de flujo de los tubos

375F mximo 300 psi (lb/in2) ms para dime-

tro de Casco de 24 pulgadas 150 psi para cascos de 25-42 pulgadas 75 psi para cascos de 43-60 pulgadas

e

Para las necesidades por lo general moderadas de las aplicaciones de procesos comerciales y generales. v~~ pulgada

A+%,%, Y2y% A + % los tubos de pueden

estar ubicados a 1 .2 x DE del tubo

6 pulgadas tabuladas % pulgada de aleacin, Y4

pulgada de AC % pulgada en cascos de 6-15

pulgadas la misma que el rea de flujo

de los tubos 600 psi mximo

B

Para servicio de procesos en general.

Y1e pulgada

A+% A + la franja puede ser de 3/1~

pulgada en los cascos de 12 pulgadas y menores, para tubos de% y%.

6 pulgadas tabuladas %pulgada de aleacin, v.

pulgada de acero al carbono % pulgada en cascos de 6-15

pulgadas la misma que el rea de flujo

de los tubos (Igual que la TEMA A.)


Prrafo Tema

6.2 Materiales de los empaques

6.32 Superficie perifrica de contacto del empaque

7.131 Espesor mfnimo de la placa de tubos con juntas expandidas de stos.

7.44 Ranurado de los agujeros para los tubos

7.51 Longitud de la expansin

7.7 Ranuras de la particin de los pasos de las placas de tubos

9.3 Conexiones de los machos para roscas de tuberfa

9.32 Conexiones para manmetros

9.33 Conexiones para termmetros

9.1 Construccin de las toberas

10.1 Tamao mfnimo de los tornillos

* Publicada con autorizacin. Rubin, F. L.

Fuentes

Tabla 2* (Continuacin) Normas TEMA; 1978

Comparacin de las clases R, C y B

R

Metal encamisado o metal slido para

a) la cubierta del cabezal flotante interno.

b) 300 psi y ms. e) todos los hidrocarburos.

Se especifica tolerancia en relacin con lo plano.

Dimetro exterior del tubo.

Dos ranuras.

Lo que sea menor entre 2 pulgadas o el espesor de la placa de tubos.

Se requieren ranuras de o/us pulgada de profundidad.

Acoplamiento de 6000 psi con macho de acero en barra.

Se requieren en toberas de 2 pulgadas y ms.

Se requieren en toberas de 4 pulgadas y ms.

No se hace referencia a bridas.

%pulgada

e

Metal encamisado o metal slido para

a) cabezal flotante interno

b) 300 psi y ms Se admite el asbesto para

presiones de 300 psi y menores.

No se especifica tolerancia.

0.75 x DE del tubo, para 1 pulgada y menores. % de pulgada para DE de 11/4. 1 pulgada para DE de 1 V2. 1.25 pulgadas para DE de 2.

Arriba de una presin de diseo de 300 psi y arriba de una temperatura de diseo de 350F: dos ranuras.

Lo que sea menor entre 2 x DE del tubo o 2 pulgadas.

Por encima de 300 psi, se requieren ranuras de 3/16 de profundidad o cualquier otro medio adecuado para retener los empaques en su lugar.

Acoplamiento de 3000 psi.

(Sern especificadas por el comprador.)

(Sern especificadas por el comprador.)

Igual que la TEMA R.

Se recomienda V2 in. Se puede usar tornillerla ms pequea.

B

(Igual que la TEMA C.)

No se especifica tolerancia.


(Igual que la TEMA R.)



Acoplamiento de 3000 con macho de acero en barra.



Todas las toberas de ms una pulgada deben contar con brida.

%pulgada

2. Rubin, F. L., "What's the Difference Between TEMA Exchangers Classes", Hydrocarbon Processing, 59, junio de 1980, pg. 92.

l. Normas de la Tubular Exchanger Manufacturers Associa-tion (TEMA), 7a. edicin.

3. Ludwig, E. E., Applied Process Design For Chemical and Petrochemical Plants, 2a. edicin, volumen 3, Gulf Publish-ing Co.


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

Guas de seleccin Enseguida se dan dos guas de fcil manejo para la selec-

cin de intercambiadores de calor de casco y tubos, tomadas de Ludwig 1 y la GPSA2

Tabla 1 Gua de seleccin para tipos de lntercambiadores de calor

Designacin Aplicaciones a las que mejor del tipo Caracteristlca significativa se ajusta Limitaciones

De placas de Las dos placas de tubos estn fijas Condensadores; lquido-liquido: Diferencia de temperaturas en tubos fijas. al casco. gas-gas; gas-lquido; enfriamien- los extremos de alrededor

to y calentamiento; horizontal o de 200F, debido a la. vertical; rehervido. expansin diferencial.

De cabezal o Una placa de tubos "flota" en el Elevadas diferenciales de Los empaques internos placa de tubos casco o con ste; el haz de temperatura, por encima de presentan el peligro de flotantes (haces tubos puede ser desmontable o extremos de 200F: fluidos fugas. Lo corrosivo de los desmontables y no del casco, pero la cubierta sucios que requieren la limpieza fluidos sobre las partes no desmonta- posterior se puede quitar para del interior asl como del exterior flotantes del lado del casco. bies). dejar expuestos los extremos de del casco; horizontal o vertical. Por lo general confinados a

tos tubos. unidades horizontales.

De tubos en U; de Slo se requiere una placa de Elevadas diferenciales de Los dobleces se deben hacer haces en U tubos. Los tubos se doblan temperatura que podran con cuidado o se pueden

para darles la forma de U. El requerir medidas relacionadas tener daos mecnicos y haz es desmontable. con la expansin en las peligro de ruptura. Las

unidades de tubos fijos. velocidades del lado de los Servicio limpio o condiciones tubos pueden causar erosin para una fcil limpieza tanto en del interior de las curvas. El el lado de los tubos como en el fluido no debe de tener del casco. Horizontal o vertical. partlculas suspendidas.

De marmita. Haz de tubos desmontable, sea Fluido en ebullicin del lado del Para instalacin horizontal. del tipo en U o de cabezal casco, como refrigerante o Ffsicamente grande para flotante. Casco agrandado para fluidos de procesos que se otras aplicaciones. permitir la ebullicin y el estn vaporizando. Enfriamien-desprendimiento de vapor. to, rpido o paulatino, del fluido

del lado de los tubos en la evaporacin del refrigerante del lado del casco.

De tubo doble. Cada tubo tiene su propio casco, Servicio con rea de transferencia Servicios apropiados para formando un espacio anular de calor relativamente pequea, tubos con atetas. El montaje para el fluido del lado de este o bien, en bancos para de un gran nmero a ltimo. Suele usarse tubo con aplicaciones ms grandes. menudo resulta costoso y aletas externas. Resulta especialmente requiere espacio.

adecuado para altas presiones del lado del tubo, arriba de 400 psig (lb/in2 manomtricas).

De serpentn. El serpentn para sumersin en Condensacin o cargas de calor El coeficiente de transferencia de una caja de agua o para ser ms o menos bajas sobre la calor es bajo, requiere un es-rociado con agua es el tipo ms transferencia sensible. pacio relativamente grande si sencillo de intercambiador. la carga de calor es elevada.

De secciones Los tubos no requieren casco, Condensacin; cargas de calor El coeficiente de transferencia abiertas de slo tos cabezales de los relativamente bajas sobre la de calor es bajo; ocupa tubos (enfriados extremos; suelen ser largos; el transferencia sensible. menos espacio que el por agua). agua se roela sobre la superfi- serpentln.

cie; los tubos exteriores se descascaran por expansin y contraccin. Tambin se pueden usar en caja de agua.

De secciones No se requiere casco, slo Condensacin; alto nivel de El coeficiente de transferencia abiertas de cabezales de tos extremos transferencia de calor. de calor es bajo, si la tubos (enfriados semejantes a los de las circulacin es por por aire) unidades de agua. conveccin natural, pero se Tubos simples o mejora con flujo forzado de con aletas. aire a travs de tos tubos.

Costo relativo en construc-

cln de acero al carbono

1.0

1.28

1.08

1.2-1.4

0.8-1.4

0.5-0.7

0.8-1.1

0.8-1.8

. ..


Tabla 1 (Continuacin) Guia de seleccin para tipos de intercambiadores de calor

Costo relativo en construc-

Designacin Aplicaciones a las que mejor cln de acero del tipo Caracterlstlca significativa se ajusta limitaciones al carbono

De placas y Compuesto de delgadas placas Fluidos viscosos, fluidos pastosos No es adecuado para ebullicin 0.8-1.5 armazones metlicas moldeadas, separadas corrosivos. Elevada transferen- o condensacin; lfmite de

por empaques. Compacto, de cia de calor. 350--500F por los empa-fcil limpieza. ques. Se usa slo para llqui-

do-liquido, no para gas-gas.

En espiral Compacto, de placas concntri- Flujo cruzado, condensacin, Corrosin proveniente del 0.8-1.5 cas; no cuenta con tubo de calentamiento. proceso; materiales desvo (bypass); elevada suspendidos. turbulencia.

De tubos peque- Resistencia qufmica de los tubos, Fluidos limpios, condensacin, Bajo coeficiente de transferen- 2.0A.O os de Tefln stos no se incrustan. intercambio cruzado. cia de calor.

Tabla 2 Guia de seleccin para intercambiadores de casco y tubos

(El costo aumenta de izquierda a derecha) --

De placa de tubos Tipo de diseo De tubo en "U" liJa

Medidas para la Tubos por separado Junta de expansin expansin con libertad para en el casco diferencial expandirse

Haz de tubos SI No desmontable

Reemplazo posible del SI No resulta prctico haz

Se pueden reemplazar Slo aquellos de la SI los tubos por fila exterior separado

Se puede limpiar el Dificil de hacerlo en SI, mecnica o interior de los tubos forma mecnica; qufmicamente

se puede realizar qufmicamente

Se puede limpiar el Slo qufmicamente Slo qulmicamente exterior de los tubos con espaciamiento triangular

Se puede limpiar el Sf, mecnica o Slo qufmicamente exterior de los tubos qufmicamente con espaciamiento cuadrado

Nmero de pasos por Es posible cualquier Normalmente no se los tubos nmero par prctico tienen limitaciones

Empaques internos SI SI eliminados

Fuentes

l. Ludwig, E. E., Applied Process Design For Chemical and Petrochemical Plants, 2a. edicin, volumen 3, Gulf Publish-ing Co.

De cabezal flotante De cabezal flotante empacado en el con anillo de De cabezal flotante

exterior respaldo partido con haz sacado

Cabezal flotante Cabezal flotante Cabezal flotante

SI SI S

SI SI SI

SI SI SI

SI, mecnica o SI, mecnica o Sf, mecnica o qufmicamente qufmicamente qufmicamente

Slo qufmicamente Slo qufmicamente Slo qumicamente

SI, mecnica o SI, mecnica o Sf, mecnica o qufmicamente qulmicamente qumicamente

Normalmente no se Normalmente no se Normalmente no se tienen limitaciones tienen limitaciones tienen limitaciones

SI No No

2. GPSA Engineering Data Book, Gas Processors Suppliers Association, lOa. edicin. 1987.

Cada de presin, casco y tubo Cada de presin del lado del tubo

Esta cada de presin est compuesta de varias partes, las cuales se calculan como se muestra en las tablas 1 y 2.

Tabla 1 Clculo de la calda de presin del lado del tubo

en los intercambiadores de casco y tubos

Parte

Calda de presin en nmero de

cargas de velocidad Ecuacin ------------ --------------

Entrada ms salida del intercambiador

Entrada ms salida de los tubos

Prdidas en los extre-mos, en los casque-tes y canales del lado del tubo

Prdida en el tubo recto

1.5

1.0

u ' 6.h=1.6-'-2g

(Este trmino es pe-queo y con frecuencia se desprecia)

6.h = 1.5 Ur2 N 2g

D.h=1.0U/ N 2g

Vase el capitulo 1, Flujo de fluidos, Calda de presin en la tuberfa

t.h = Prdida de carga en pies del fluido en movimiento Up = Velocidad en el tubo que conduce al intercambiador y que sale de

/, ff/s Ur = Velocidad en /os tubos N = Nmero de pasos en /os tubos

Tabla 2 Clculo de la calda de presin del lado del tubo

en los intercambladores enfriados pOr aire

Parte

Todas las prdidas, excepto para el tubo recto

Prdida en el tubo recto

Calda de presin en nmero aproximado de cargas de velocidad

2.9

Ecuacin

h=2.9U/ N 2g

Vase el captulo 1, Flujo de fluidos, Calda de presin en la tubera

Tabla 3 Relaciones de los patrones de tubos

a b

Triangular

a=c b = 0.866c

Cuadrado alineado

a=c b=c

Cuadrado en zigzag

a= 1.414c b = 0.707c

lntercambladores de calor 27

Cada de presin del lado del casco

Patrones de los tubos Con desviadores segmentarios, en donde el fluido del lado

del casco fluye a travs del haz de tubos, entre aquellos. son usuales los siguientes patrones de tubos:

1. Triangular: Al unir los centros de tres tubos adyacentes se forma un tringulo equiltero. Cualquier lado de este tringulo es el espaciamiento entre tubos, c.

2. Cuadrado alineado: El fluido del lado del casco tiene franjas de circulacin rectas, a diferencia del patrn triangular. en donde las capas alternadas de tubos estn desalineadas. Este patrn facilita la limpieza, ya que se puede hacer pasar una lanza por completo a travs del haz, sin interferencia. Este patrn tiene menos cada de presin que el triangular pero los requisitos del casco son mayores y se tiene un menor coeficiente de transfe-rencia de calor para una velocidad dada, con muchos niveles de velocidades. Al unir los centros de cuatro tu-bos adyacentes. se forma un cuadrado. Cualquier lado de este cuadrado es el espaciamiento entre tubos, c.

3. Cuadrado en zigzag, a menudo mencionado como cua-drado girado: Al girar 45 el espaciamiento alineado de los cuadrados ya no se le da al fluido del lado del casco franjas despejadas a travs del haz. El espaciamiento e se define como para el cuadrado alineado.

Necesitamos definir otros dos trminos: espaciamiento transversal a y espaciamiento longitudinal b. Para obtener un dibujo de estas dimensiones vase el artculo fuente. Para nuestros fines, las longitudes apropiadas se muestran en la tabla 3.

FluJo turbulento

Para el flujo turbulento a travs de los bancos de tubos, se dan una ecuacin modificada de Fanning y un nmero modifi-cado de Reynolds:

Re'= DoUmxP .L

en donde

.P, = Prdida por friccin, en lb/ft2 f'' = Factor modificado de friccin

28 Soluciones prcticas para el ingeniero qufmico

NR ~ Filas de tubos por paso del casco (NR siempre es igual al nmero de espacios libres mnimos a travs de los cua-les el fluido pasa en serie. Para el cuadrado con espa-ciamiento en zigzag, la Umxo la cual se requiere para calcular Re', se puede presentar en los espacios libres transversales a o en los diagonales c. En este ltimo caso, NR es menor en uno que el nmero de filas de tubos.

N re= Nmero de pasos en el casco p ~ Densidad. lb/ftl

El factor modificado de friccin se puede determinar al apli-car las tablas 4 y 5.

Tabla 4 Determinacin de f"' para cinco filas de tubos o ms

C/00 Ambos en las

mismas unidades de longitud Triangular

Re' x 1 o-3-- 2 8 20 40 1.25(mln) 0.210 0.155 0.130 0.107 1.50 0.145 0.122 0.090 0.074 2.00 0.118 0.096 0.081 0.066 3.00 0.089 0.076 0.063 0.052

Cuadrado en zigzag Re' x 10-3"""' 2 8 20 40 1.25(mln) 0.139 0.135 0.116 0.099 1.50 0.081 0.079 0.080 0.071 2.00 0.056 0.057 0.055 0.053 3.00 0.052 0.050 0.045 0.038

Cuadrado alineado Re'x 10-3 ... 2 8 20 40 1.25(mln) 0.130 0.106 0.088 0.063 1.50 0.125 0.103 0.079 0.061 2.00 0.108 0.090 0.071 0.058 3.00

Tabla 5 Factor de correccin f"' para menos de cinco filas

de tubos

Nmero de filas Factor de correccin 1.30

2 1.30

3 1.30

Umx =Velocidad lineal mxima (a travs del rea de la seccin transversal mnima), ft/s

g ~ 32.2 ftis2 Re'~ Nmero de Reynolds modificado Du =Dimetro exterior del tubo, ft

J.l ~Viscosidad, lb/ft s; ccntipoises x 0.000672

4 1.30

Se ha desarrollado una ecuacin para cinco filas de tubos o ms. Para cada C/D0 , la relacin general aproximada es como sigue:

f"= Y/Re021

Una tabla del valor de Y es la siguiente:

Tipo de espaciamiento de los tubos

Cuadrado Cuadrado C/00 Triangular alineado en zigzag

1.25 {mn) 1.0225 0.8555 0.6571 1.50 0.7150 0.5547 0.6234 2.00 0.6188 0.3948 0.5580 3.00 0.4816 0.3246

FluJo laminar

d DcUmx p 40 Por debajo e .::..:ccc=~ = , en donde Dl. es el espacio Jl

en donde

libre entre los tubos en pies, el flujo es laminar. Para esta regin, sese

L ~Longitud de la trayectoria del flujo, ti De= Dimetro equivalente, ft; 4 veces el radio hidrulico

0 ~4 (rea de f1ujo de la seccin transversal) U ( 4ab -!J e (pcrimetro mojado) o nD}

Cada de presin por los desviadores

Las ecuaciones previas determinan la cada de presin a travs del haz de tubos. Para la cada adicional por el tlujo a travs del rea libre arriba, debajo o alrededor de los desvia-dores segmentarios, sese

en donde

W ~ Flujo, en lb/s N 8 = Nmero de desviadores en serie por paso en el casco S8 = rea de la seccin transversal para el tlujo alrededor

del desviador segmentario, ft2

FluJo paralelo a los tubos

Para el flujo paralelo a Jos tubos, o bien, en un espacio anular, por ejemplo, un intercambiador de calor de tubo doble, sese

~p = 2fpU 2L gD,

Diferencia de temperaturas En lo que sigue slo se considerar el flujo a contracorrien-

te. Es bien sabido que la temperatura media logartmica es la diferencia correcta de temperaturas que se debe de usar en la expresin:

en donde

q = Carga de calor, en Btu/h U = Coeficiente total de transferencia de calor, en Btu/h

ft2 op A = rea superficial de los tubos, en ff?

llT M = Diferencia media de temperaturas, en F. Para el caso presente es la diferencia media logartmica de temperaturas.

~T = GTD-LTD M ln(GTD/LTD)

en donde

GTD =Diferencia mayor de temperaturas (greater tempera-ture difference)

LTD =Diferencia menor de temperaturas (lesser temperature difference)

Cuando GTDILTD < 2, la media aritmtica se encuentra a menos de alrededor del 2% de la media logartmica.

stas se refieren a las temperaturas terminales de los nuidos fro y caliente, la de admisin de uno de los fluidos en compa-racin con la de salida del otro. Para un intercambiador cruza-do, sin cambio de fase, la ~T M da resultados exactos por el O u jo a verdadera contracorriente. Sin embargo, la mayor parte de los intercambiadores de calor se desvan de la contracorriente ver-dadera, de modo que se necesita un factor de correccin, E

Estos factores de correccin se dan en varios textos sobre transferencia de calor. En lugar de las curvas del factor de correccin, aplquese el procedimiento siguiente para deducir el factor:

l. Supngase que la temperatura del lado del casco vara en forma lineal con respecto a la longitud.

2. Como primer intento en relacin con el lado del tubo, supngase que, en cada paso, se transfiere una cantidad

en donde

L'.P = Cada de presin, lb/ft2 f =Factor de friccin


Fuente Scovill Heat Exchanger Tube Manual, Scovill Manufacturing

Company, Copyright 1957.

igual de calor, con capacidad calorfica constante del !luido.

3. Usando las temperaturas en los extremos de cada paso del casco y de los tubos, calclese L'.T M para cada paso de estos ltimos. A partir de esto. se determina la fraccin de la carga total para cada paso de los tubos.

4. Para las nuevas temperaturas en los extremos, calclese la nueva ~ T M para cada paso de los tubos.

5. El promedio aritmtico de las ~T M para cada paso de los tubos es la ~T M corregida por el nmero de pasos. F = ~ T M corregida/ 6. T M no corregida.

El procedimiento antes descrito dar con rapidez nmeros muy cercanos a los de las curvas. Algo respecto de lo cual se debe ser cuidadoso en los intercambiadores cruzados es tener un diseo que tenga una de las llamadas "cruz de temperatu-ras". En la figura l se muestra un ejemplo.

En la figura l, el fluido ms fro que se est calentando sale con una temperatura ms elevada que la de salida del otro flui-do. Para los intercambiadores reales de calor, que se desvan del fluj

soluciones prácticas para el ingeniero químico

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