trabajo

HERVIDOR VAPORIZADOR DE TERMOSIFON VERTICAL

Los reboilers o rehervidores son intercambiadores de calor que conectados a la

base de una columna de destilación proporcionan el calor necesario para devolver

el vapor al fondo de la columna y permitir así que se lleve a cabo la destilación.

Estos equipos pueden tomar diferentes formas, así por ejemplo, los

fraccionadores pequeños utilizados en el trabajo de plantas piloto tal vez

requieran simplemente de una olla con chaqueta.Pero necesariamente será

pequeña la superficie de transferencia de calor y la capacidad correspondiente de

generación de vapor.

El intercambiador de calor tubular interno construido en el fondo de la torre, es

una variación que proporciona una superficie mayor, pero su limpieza requiere

que se cancele la operación de destilación, además la altura del fondo de la

columna debe aumentarse, entre otras desventajas. Estos dos arreglos

proporcionan un vapor que entra en el plato de fondo en equilibrio con el producto

residual.

Figura 1. Olla con chaqueta Figura 2. Rehervidor interno


Fuente: Jose Crespo, Selección y diseño térmico de rehervidores para torres de destilación

Función de un rehervidor en una torre de fraccionamiento

La función fundamental que tiene un rehervidor en un torre de fraccionamiento no

es más que transmitirle calor a la alimentación para que esta pueda alcanzar los

distintos puntos de ebullición requeridos para que ocurra la separación o

destilación de cada uno de los fluidos, ya que estos poseen distintos puntos de

ebullición lo cual hace posible este proceso.

En un tren de fraccionamiento a medida que la alimentación valla pasando por las

distintas torres, los rehervidor van a variar su capacidad calorífica dependiendo del

producto que se desea separar.

Clasificación de intercambiadores vaporizadores :

a) Intercambiadores vaporizadores de circulación forzada

b) Intercambiadores vaporizadores de circulación natural


Fuente: Kern D, 1974, “Procesos de Transferencia de Calor” , Mc Graw – Hill.

Es el más utilizado en los procesos modernos de destilación siendo del mismo

tipo de tubo y coraza pero con la configuración vertical. El fluido de calefacción

circula fuera de los tubos (por la coraza) en contracorriente con el fluido a

evaporar, que circula por dentro de los tubos. En este equipo también retorna a

la torre una mezcla de líquido-vapor y es en el espacio en el fondo de la

columna, por debajo del último plato, donde se produce la separación.

Generalmente son intercambiadores 1-1.

Fig 3:

Rehervidor termosifón vertical conectado a la torre de destilación


Fuente: Carl R. Branan, “Rules of Thumb for Chemical Engineers”

- Formas de circulación

Los intercambiadores de tipo termosifón (verticales y horizontales) tienen

dos formas de circulación:

La directa (o en un paso), cuando el líquido del último plato de la

torre se envía directamente al rehervidor, donde se vaporiza

parcialmente, mientras que la mezcla líquido-vapor que retorna a la

torre se separa en el fondo de la columna, de manera que, el

producto de fondo, está constituido por el líquido que se obtiene en

el termosifón el cual está en equilibrio con el vapor generado (Fig. 4),

es decir, que con circulación directa, los termosifones se comportan

como un plato teórico.

Fig 4: Reboiler de un solo paso

VAPORIZACIÓN EN LA CORAZA

KETLE

ENFRIADOR

CALDERETA CON

HAZ EN LA COLUMNA

VAPORIZACIÓN EN LOS TUBOS

CALDERETA

HORIZONTAL DE

TERMOSIFON

CALDERETA

VERTICAL DE

TERMOSIFON

EVAPORADOR

VERTICAL DE TUBOS LARGOS



Circulación

recirculación: en

cuyo caso el líquido del

último plato de la torre se

mezcla con el líquido

procedente del

rehervidor en el

fondo de la columna, de

manera que tanto el producto de fondo de la destilación como el

líquido que se recircula al rehervidor están constituidos por esta

mezcla (Fig. 5). Por lo tanto los termosifones que operan con

circulación natural no constituyen un plato teórico, ya que, el

producto de fondo de la columna es una mezcla que no está en

equilibrio con el vapor generado en el rehervidor.

a) Reboiler de un solo paso


Fig 4: Reboiler con recirculación


- Fundamentos:

La influencia delos parámetros del gran diseño operacional y la

velocidad de circulación del líquido de rehervidores de termosifón se

discutirán aquí:

En un intercambiador de calor de termosifón, existe una interacción

mutua compleja entre el flujo de dos fases y la transferencia de

b) Reboiler con recirculación


calor. La transferencia de calor depende, entre otros en la presión, el

equilibrio vapor-líquido, las velocidades de flujo y las propiedades del

sistema, mientras que el flujo de dos fases está influenciado

principalmente por la tasa de transferencia de calor y la caída de

presión. La influencia específica de todos estos parámetros en los

hervidores de termosifón se discutirá en detalle.

Con el fin de entender la respuesta de la caldereta Termosifón a una

variación de los parámetros relevantes, es útil dividir la caldereta en

dos zonas: una zona de calentamiento en el que el líquido se calienta

hasta su punto de ebullición y por encima una zona de evaporización

en donde el líquido se evapora parcialmente por el calentamiento

adicional, así como por la caída de presión (flash). Los principales

mecanismos se muestran en la figura 5 (A). El coeficiente de

transferencia de calor es mucho más alto en la zona de

evaporización que en la zona de calentamiento. Por lo tanto, los

cambios de la longitud de estas dos zonas tienen una fuerte

influencia en la tasa global de transferencia de calor.

Figura 5 (B) ilustra la temperatura principal frente a la longitud del

tubo. El líquido que entra los tubos en el intercambiador de calor

tiene aproximadamente la misma temperatura que el líquido en la

parte inferior de la columna. Debido a la carga de líquido en la línea

de entrada vertical del líquido es sub enfriado significativamente en la

entrada del evaporador. Dentro de la zona de calentamiento la

temperatura aumenta hasta el punto de ebullición que depende

significativamente de la carga líquida. Empieza la ebullición cuando

el líquido ha alcanzado la temperatura de ebullición local. Aquí, la

zona de calentamiento termina y comienza la zona de evaporación.

Dentro de la zona de evaporación del estado de líquido a la

aproximadamente sigue la curva de presión de vapor.


A la presión atmosférica la longitud de la zona de calentamiento es

típicamente 20-50% de la longitud total del tubo. Este aumenta

significativamente cuando la presión disminuye. En servicios de gran

vacío la longitud de la zona de calentamiento se acerca o alcanza el

90% o incluso más de la longitud del tubo. Desde la zona de

evaporación se impulsa la circulación de líquido, la velocidad de

circulación disminuye drásticamente con la disminución de la

presión.

Fig 5: Reboiler termosifón vertical


- Características:

Restringidos a un máximo de 50% de vaporización, para evitar

operaciones erráticas debido a golpeteo, etc.

Valores típicos de vaporización: 10-35%

No se emplean con fluidos viscosos.

Longitudes típicas: 8 a 12 pie

Diâmetros de tubos: 1plg

- Ventajas

Más baratos

Lado del proceso fácil de limpiar

Se soporta fácilmente.

Bajo tiempo de residencia.

Tendencia a ser menos sucio.

Buen control

- Desventajas

Se requiere elevación de la torre para la circulación.

Sensible a fluctuaciones operacionales

Necesita de un cabezal constante de líquido de alimentación.

Alta temperatura de salida para materiales de amplio rango de

ebullición.

Se limita la vaporización a un 50%.


- Diseño de rehervidor termosifón vertical:

1. Balance térmico

Q = m.cp.∆T. (Intercambio de calor sensible)

Q = m.λ (Intercambio de calor con cambio de fase)

Donde:

Q = calor total transferido, Btu/hr

m = masa del fluido, lb/hr.

λ = Calor latente de vaporización, Btu/lb

Cp = capacidad calorífica del fluido, (Btu/lb.°F)

∆T = Diferencia de temperatura del fluido, °F

2. Propiedades físicas de los fluidos a temperatura media

a. Capacidad calorífica, cp ( Btu/lb.°F)

b. Viscosidad, µ (lb/pie.hr)

c. Conductividad, k (Btu/hr.pie.°F)

d. Densidad, ρ (lb/pie3)

e. Coeficiente de resistencia a la incrustación, r (Btu/hr.pie2.°F)-1

3. Características de los tubos (Tabla 1.1)

a. Diámetro exterior del tubo, (Do), pulg.

b. Diámetro interior del tubo, (Di), pulg.

c. Espesor (x), pulg

d. Área de sección transversal del tubo, at.

e. Area lateral longitudinal, alt, pie2.

f. Diámetro equivalente (De), pulg.

4. Suponiendo un flujo en contracorriente

ΔT L=MLTD .F t


MLTD=(T1−t 2)−(T 2− t1 )Ln (T1−t 2) /(T2−t 1)

=Δt2−Δt1

ln (Δt2 /Δt1)

F t=Se lee en figuras 18 a 23 de Manual. Para ello se calcula:

R=T 1−T 2

t2−t1y

S=t2−t1

T 1−t1

5. Determinar el curso de los fluidos

Termosifón horizontal

Lado de los tubos Lado del casco

Vapor caliente fluido a vaporizar

Termosifón vertical

Lado de los tubos Lado del casco

Fluido a vaporizar vapor caliente

6. Calcular coeficiente de película en el lado de los tubos, ht

hi=JH ( k

Di )( cp .μk )

1/3

( μμw )

0. 14

(para flujo turbulento)

ht=hiDiDo

Nre=Di .Gtμ

Gt=mt

ata t=

N t .at'

144 .n

JH = Factor térmico de Coldburn. Se determina en función al Nre.

Di = Diámetro interior de los tubos interiores, pies

Gt = velocidad másica en los tubos, lb/hr.pie2

mt = masa que circula por los tubos, lb/hr

at = area de sección transversal en el haz de tubos, pie2

a t'=

área de sección transversal de cada tubo, pie2

Nt = Numero de tubos en el haz, (estimado con ayuda de la tabla 1.3)


n= Número de pasos en los tubos.

NOTA: Cuando circula agua por los tubos, el caso es especial. Se hace uso de la figura 25, y se determina htploteandov (pie/s) con temperatura media del agua, en °F

Si la transferencia ocurre sin cambio de fase, entonces se estima

( μμw

)0. 14=1 . 0

7. Calcular coeficiente de película en el lado del casco, hs

hs=JH ( k

De )( cp .μk )

1/3

( μμw )

0 . 14

(para flujo turbulento)

Nre=De .Gsμ

Ga=ms

asas=

Ds .C .e144 .P t

Donde:

JH = Factor térmico de Coldburn. Se determina en función al Nre.

De = Diámetro equivalente, pies

Gs = velocidad másica en el casco, lb/hr.pie2

ms = masa que circula por el casco, lb/hr

as = área de sección transversal en el casco, pie2

Ds = Diámetro interior del casco, pulg.

C = espaciado de los tubos, pulg.

e = espaciado entre pantallas, pies.

Pt = distancia entre los centros de los tubos, pulg.

8. Calcular Coeficiente Total Limpio, Uc

UC=ht .hs

ht+hs , Btu/hr.pie2.°F

9. Cálculo del coeficiente total de diseño, Ud.

1Ud

= 1Uc

+RdRd =rt+r a

Donde:

Rd = Factor de obstrucción, (Btu/hr.pie2.°F)-1


rt= Coeficiente de resistencia a la incrustación del fluido en los tubos, (Btu/hr.pie2.°F)-1

r s= Coeficiente de resistencia a la incrustación del fluido en el casco, (Btu/hr.pie2.°F)-1

Calculo utilizando diseño riguroso

1Ud

=Do

ht . Di +riDo

Di

+xw . Do

Kw . Dm

+rs+1hs

Donde:xw=espesor de los tubos, pulg.kw=conductividad .del .metal , Btu/hr.pieDm=Diámetro medio, pulg

Donde: Dm= (Di + Do) / 2

10. Comprobación del área (A), pie2.

Área disponible: Ad = Nt.alt.L

Área de requerida:A= Q

Ud . ΔT L. F t

Debe cumplirse que: Ad > A

ΔT L=Temperatura media logarítmica, °F

factor térmico: Ft (se lee en los gráficos 2.1, 2.2, 2.3, …2.6)

Se determinan en función a P y R, siendo:

P=t2−t1

T 1−t tR=

T 1−T 2

t2−t1

La estrategia es que F t≥0 .75 Ft

Si no se cumple, se debe modificar el número de pasos.

Se comprueba el factor de obstrucción:

Rd = Uc−UdUc .Ud (de diseño)


Rd (diseño) >Rd (calculado)

11.Cálculo de la caída de presión en el lado de los tubos, psia.

ΔPT=ΔPt+ΔPr ( caída de presión en los tubos y en los retornos)

En los tubos:

ΔP t=f .G t

2 .L .n

5. 22 x1010 .Di . s .φ t f=ubicar en la figura 26 en función a Nre.

En los retornos

ΔPr=4 .n .v2

2. s .g' g'= 32.17 pie/s

12.Cálculo de la caída de presión en el lado del casco, psia.

ΔPs=f .G s

2 .Ds .(N+1 )

5. 22 X 1010 .D' e . s .φsN+1=12

Le

f = leer en figura 29.

Gs = velocidad másica en el casco, lb/hr.pie2

Ds = Diámetro interior del casco, pulg.

g’ = 32.17 pie/s2

L = Longitud del tubo, piese = espaciado entre pantallas, pulgadasDe

' =Di−do

De'= diámetro equivalente en el anillo, pulg.

s = Peso específicoΦs = relación de viscosidades.


- Elaboración del

prototipo:


Bibliografía:

- Kern D, 1974, “Procesos de Transferencia de Calor” , Mc

Graw – Hill.

- Carl R. Branan, “Rules of Thumb for Chemical Engineers”

- Perry H.R “Manual del Ingeniero Químico ”,McGraw-Hill.

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