Propuesta de diseño de un sistema de generación y distribución de vapor en el laboratorio de Operaciones Unitarias de la Facultad de Química Farmacia

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(1)Facultad de Química-Farmacia. Departamento de Ingeniería Química.. Título: “Propuesta de diseño de un sistema de generación y distribución de vapor en el laboratorio de Operaciones Unitarias de la Facultad de Química Farmacia.”. Autor: Luis Novo García. Tutores: MSc. Jorge Leiva Mas. Ing. Reinier Feyt Leyva.. 2008-2009. ““A UN NFFO OD DEE LLA A RREEV VO OLLU UCCIIO ON N”” AÑ ÑO OD DEELL 5500 A AN NIIV VEERRSSA ARRIIO OD DEELL TTRRIIU.

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(4) A mi madre, por haberme educado y mostrado el camino correcto. A mi hermana, para que le sirva de guía y ejemplo en el largo camino que le queda por recorrer. A mi novia Alina, por ayudarme siempre..

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(6) A mi madre por todo el apoyo y confianza que siempre han depositado en mí. A mi hermana, que representa mucho para mí. A mi novia que ha sido el motor impulsador. A mi familia, que conté con su apoyo cada vez que lo necesité, en especial mi tío Ricardo y a mi abuela Ángela, que me han dedico cada momento. A mis profesores en especial a mis tutores Jorge Leiva Mas y Reinier Feit Leyva por su gran ayuda y dedicación. A mis compañeros de aula, por estar presentes cada día. Gracias a todos, por ustedes he triunfado una vez más..

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(8) Resumen. Resumen En el trabajo se realiza una valoración del sistema actual de generación y distribución y consumo del vapor en el laboratorio de Operaciones Unitarias de la Facultad de Química y Farmacia de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Como primera etapa se realiza un diagnóstico del equipamiento utilizado en los sistemas estudiados, concluyéndose que el laboratorio no esta en las mejores condiciones para la realización de actividades docentes e investigativas en el área de transferencia de calor. Posteriormente se realiza una valoración técnico económico donde se analizan 4 posibles variantes, se presentan los montos de las inversiones así como los costos totales anuales. Se propone la variante numero 4 como la mas factible y se dan recomendaciones para su implementación. Se utiliza el sistema de programación EketchUpv5 para la representación dinámica de la localización exacta de los equipos en el laboratorio. El sistema básico para la generación, distribución y consumo de vapor con fines docentes ha sido simulado en HYSYS, se muestran los resultados obtenidos con este simulador para las condiciones actuales del laboratorio y se analizan, además, otras posibilidades con la inclusión de nuevos equipos. Se dan recomendaciones para que este simulador sea utilizado previo a las prácticas experimentales en el laboratorio con el fin de buscar los valores óptimos de las variables operacionales.. 1.

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(10) Abstract. Abstract In the work it is realized a valuation of the present system of generation and distribution and consumption of the steam in the laboratory of Unitary Operations of the Faculty of Chemistry and Pharmacy of the Central University “Marta Abreu” of the Towns. As first stage is realized a diagnosis of the used equipment in the studied systems, concluding that the laboratory not this in the best conditions for the educational and research taking of steps in the area of heat transference. Later a technical valuation is realized economic where 4 possible variants are analyzed, appear the annual amounts of the investments as well as total costs. The variant sets out I number 4 as but the feasible one and recommendations for their implementation occur. The system of SketchUpv5 programming is used for the dynamic representation of the exact location of the equipment in the laboratory. The basic system for the generation, distribution and consumption of steam with educational aims has been simulated in HYSYS, are the results obtained with this simulator for the present conditions of the laboratory and they are analyzed, in addition, other possibilities with the inclusion of new equipment. Recommendations occur so that this simulator is used previous to the experimental practices in the laboratory with the purpose of to look for the optimal values of the operational variables.. 2.

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(12) Índice. Índice Introducción. 6. Capítulo I: Revisión Bibliográfica. 8. 1.1. Introducción a la Operación de transferencia de calor.. 8. 1.2. Mecanismos de transferencia de calor.. 8. 1.2.1. Transmisor de calor por conducción.. 8. 1.2.2. Transmisión de calor por convención.. 9. 1.2.3. Transmisión de calor por radiación.. 11. 1.3. Clasificación de los equipos de TC. 12. 1.3.1. Introducción. 12. 1.3.2. Clasificación Industrial.. 14. 1.3.3. Clasificación en base a la construcción.. 18. 1.3.4. Clasificación en base a los servicios.. 20. 1.4. Datos de diseño.. 21. 1.5. Coeficiente global de transferencia de calor.. 23. 1.6. Factor de incrustamiento.. 25. 1.7. Análisis térmico de un IC.. 25. 1.8. Metodología para el diseño de un IC.. 26. 1.9. Sistema de Generación de Vapor.. 27. 3.

(13) Índice 1.9.1. Generalidades.. 27. 1.9.1.1. Clasificación Industrial.. 28. 1.9.1.2. Producción estimada de vapor para calderas (piro y acua) tubulares.. 29. 1.9.1.3. Proceso de generación de vapor.. 29. 1.9.1.4. Diagrama de flujo de procedimiento experimental de la caldera.. 32. 1.9.2. Tratamiento de agua.. 33. 1.10. Simulador: HYSYS.. 35. Capítulo II: Diagnóstico y análisis económico del laboratorio.. 38. 2.1. Introducción.. 38. 2.1.2. Diagnostico.. 38. 2.1.2.1. Generador de vapor.. 39. 2.1.2.2. Columna de destilación.. 40. 2.1.2.3. Fluidizador.. 41. 2.1.2.3. Evaporador de circulación forzada.. 42. 2.1.2.4. Secadero de bandeja.. 43. 2.1.2.5. Intercambiadores de calor.. 45. 2.1.2.6. Tuberías.. 46. 2.2. Análisis Económico. 47. 2.2.1. Costo de Inversión.. 47. 4.

(14) Índice 2.2.2. Costo total de producción.. 49. 2.2.3. Análisis de las diferentes alternativas.. 44. Capitulo III: Simulación del sistema en HYSYS.. 54. 3.1. Análisis de las diferentes alternativas.. 54. 3.2. Pasos a seguir en la simulación.. 54. 3.3. Datos de las corrientes de entrada.. 56. 3.4. Datos de los equipos.. 56. 3.5. Análisis de las posibles variantes.. 57. 3.6. Análisis de los resultados.. 66. Conclusiones. 68. Recomendaciones. 69. Bibliografía. 70. Anexos. 74. 5.

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(16) Introducción. Introducción El laboratorio de Operaciones Unitarias es un centro de realización de prácticas experimentales en el ámbito tecnológico, destinadas a satisfacer los requerimientos pedagógicos de los estudiantes de la carrera de Ingeniería Química, actores principales del proceso enseñanza-aprendizaje. El área de acción abarca ciencias tales como Dinámica de fluidos, transferencia de calor, transferencia de masa y los procesos tecnológicos conexos. Este laboratorio tiene la misión fundamental de complementar la enseñanza teórica con la realización de experiencias prácticas. Utilizando para ello la experimentación y/o la investigación tecnológica en el ámbito de las Operaciones Unitarias y los procesos tecnológicos inherentes, como método de aprendizaje. De modo tal que el estudiante sea capaz de comprender la relación orgánica entre la teoría y la práctica y simultáneamente algo que es importante, pueda desarrollar su creatividad. En la Facultad de Química-Farmacia se lleva a cabo una investigación en aras del funcionamiento del laboratorio de operaciones (principalmente de todos los equipos que se le suministra vapor para su funcionamiento). En el que se cuenta con una caldera, una columna de destilación, un fluidizador, un evaporador de circulación forzada de película descendente y varios intercambiadores de calor de tubo y coraza (tiene como función principal calentar un fluido frío, agua que pasa a través de sus tubos, mediante un fluido caliente que pasa a través de su carcasa, vapor saturado a 10 atm); todos estos equipos serán utilizados con las tuberías y accesorio necesarios para la realización de las prácticas de laboratorio de calor. Es por ello que el objetivo general de este trabajo está dirigido a: Realizar el diagnóstico y proponer variantes de diseño para el sistema de generación y distribución de vapor en el laboratorio de Operaciones Unitarias de la Facultad de Química Farmacia. Sobre esta base ha sido redactada la siguiente hipótesis: Mediante el diagnóstico e implementación de variantes tecnológicas del proceso de generación y distribución de vapor, es posible la realización de actividades docentes e. 6.

(17) Introducción investigativas en el área de transferencia de calor en el Laboratorio de Operaciones Unitarias. Objetivos específicos: 1. Realizar el diagnóstico tecnológico de los equipos de generación y distribución de vapor en el Laboratorio de Operaciones Unitarias. 2. Proponer diferentes alternativas para el restablecimiento del sistema de generación y distribución de vapor que posibilite el desarrollo de las actividades docentes e investigativas. 3. Realizar el análisis económico de las alternativas propuestas. 4. Proponer variantes utilizando el software profesional HYSYSv3.2 en la simulación del sistema de generación y distribución de vapor en el laboratorio, que garanticen el cumplimiento de los objetivos docentes e investigativos de la asignatura de Transferencia de calor.. 7.

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(19) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. Revisión Bibliográfica 1.1. Introducción a la Operación de Transferencia de calor. La transferencia de calor es la ciencia que trata de predecir el intercambio de energía que puede tener lugar entre cuerpos materiales, como resultado de una diferencia de temperatura. La termodinámica enseña que esta transferencia de energía se define como calor. La ciencia de la transferencia de calor pretende no sólo explicar cómo la energía térmica puede ser transferida, sino también predecir la rapidez con la que, bajo ciertas condiciones específicas, tendrá lugar esa transferencia. El hecho de que el objetivo deseado del análisis sea la rapidez de la transferencia del calor, señala la diferencia entre la transferencia de calor y la termodinámica. La termodinámica trata sistemas en equilibrio; puede usarse para predecir la cantidad de energía requerida para llevar un sistema desde un estado de equilibrio a otro; no puede usarse, en cambio, para predecir lo rápido que será el cambio, ya que el sistema no está en equilibrio durante el proceso. La transferencia de calor complementa los principios primero y segundo de la termodinámica, al proporcionar leyes experimentales adicionales que se usan para establecer la rapidez de la transferencia de energía. Como en la ciencia de la termodinámica, las leyes experimentales usadas como base para la transferencia de calor son bastante simples y fácilmente extensibles, de modo que abarcan gran variedad de situaciones práctica (Holman, 1979). 1.2. Mecanismos de Transferencia de Calor Los mecanismos de transmisión del calor son: conducción, conversión y radiación. 1.2.1. Transmisión de calor por conducción. Cuando en un cuerpo existe un gradiente de temperatura, la experiencia muestra que hay una transferencia de energía desde la región a alta temperatura hacia la región de baja temperatura. Se dice que la energía se ha transferido por conducción y que el flujo de calor por unidad de área es proporcional al gradiente normal de temperatura: q ∂T Ec. (1.1) α A ∂x. 8.

(20) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. Cuando se introduce la constante de proporcionalidad: q = − kA. ∂T Ec. (1.2) ∂x. Donde q es el flujo de calor y dT/dx es el gradiente de temperatura en la dirección del flujo de calor. La constante positiva k se llama conductividad térmica del material, y se ha puesto el signo menos para satisfacer el segundo principio de la termodinámica; el calor debe fluir hacia las temperaturas decrecientes (Holman, 1979), 1.2.2. Transmisión de calor por convección. Es bien conocido que una placa de metal caliente se enfriará más rápidamente cuando se coloca delante de un ventilador que cuando se expone al aire en calma. Se dice que el calor se ha cedido hacia fuera de la placa y al proceso se le llama transferencia de calor por convección. Por ejemplo, se sabe que la velocidad a la que el aire pasa sobre la placa influye evidentemente en el flujo de calor transferido. Pero influye en el enfriamiento de forma lineal, es decir, si se duplica la velocidad, se duplicará el flujo de calor? Cabría sospechar que el flujo de calor puede ser diferente si la placa se enfría con agua en vez de con aire. (Carlos, 2002) El gradiente de temperaturas depende de la rapidez a la que el fluido se lleva el calor; una velocidad alta produce un gradiente de temperaturas grande, etc. Así pues, el gradiente de temperaturas en la pared depende del campo de velocidades, y en el análisis posterior se desarrollarán expresiones que relacionan las dos magnitudes. Sin embargo, el mecanismo físico de la transferencia de calor en la pared es un proceso de conducción (Chapman, 1968). Para expresar el efecto global de la convección, se utiliza la ley de Newton del enfriamiento: q = h * A * (Tf − Tα ). Ec. (1.3). Aquí el flujo de calor transferido se relaciona con la diferencia global de temperaturas entre la pared y el fluido, y el área A de la superficie. La magnitud h se denomina coeficiente de transferencia de calor por convección, y la Ec. (1.3) es la ecuación que lo define. Para algunos sistemas puede hacerse un cálculo analítico de h. En situaciones. 9.

(21) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. complejas debe determinarse experimentalmente. Algunas veces, al coeficiente de transferencia de calor se le denomina conductancia de película, a causa de su relación con el proceso de conducción en una capa de fluido delgada y estacionaria en la superficie de la pared. De la Ec. (1.3) se deduce que las unidades de h son vatios por metro cuadrado y por grado Celsius, cuando el flujo de calor se expresa en vatios. (Carlos, 2002) Se puede anticipar que la transferencia de calor por convección dependerá de la viscosidad del fluido además de depender de las propiedades térmicas del fluido (conductividad térmica, calor específico, densidad). Esto es así, porque la viscosidad influye en el perfil de velocidades y, por tanto, en el flujo de energía en la región próxima a la pared. Si una placa caliente se expone al aire ambiente sin que haya ningún dispositivo externo que lo mueva, se originará el movimiento del aire como resultado del gradiente de la densidad del aire en las proximidades de la placa. A este movimiento se le llama convección natural o libre (a) por oposición a la convección forzada (b), que tiene lugar en el caso de un ventilador soplando aire sobre la placa (Holman, 1979). a-) En la convección libre, la fuerza motriz procede de la variación de densidad en el fluido como consecuencia del contacto con una superficie a diferente temperatura, lo que da lugar a unas fuerzas ascensionales; ejemplos típicos de tal convección libre son la transmisión de calor entre la pared o el tejado de una casa en un día sin viento, la convección en un tanque que contiene un líquido en el que se encuentra sumergida una bobina de calefacción, el calor transferido desde la superficie de un colector solar en un día en calma, etc (Kern, 1999). b-) La convección forzada tiene lugar cuando una fuerza motriz exterior mueve un fluido con una velocidad VF sobre una superficie que se encuentra a una temperatura TpF, mayor o menor que la del fluido TF. Como la velocidad del fluido en la convección forzada VF es mayor que en la convección libre, se transfiere, por lo tanto, una mayor cantidad de calor para una determinada temperatura (Kern, 1999).. 10.

(22) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. 1.2.3. Transmisión de calor por radiación. Mientras que la conducción y la convección térmicas tienen lugar sólo a través de un medio material, la radiación térmica puede transportar el calor a través de un fluido o del vacío, en forma de ondas electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la luz. Existen muchos fenómenos diferentes de radiación electromagnética pero en Ingeniería Térmica sólo consideraremos la radiación térmica, es decir, aquella que transporta energía en forma de calor (Chapman, 1968). La cantidad de energía que abandona una superficie en forma de calor radiante depende de la temperatura absoluta a que se encuentre y de la naturaleza de la superficie. (Carlos, 2002) Un radiador perfecto o cuerpo negro emite una cantidad de energía radiante de su superficie Qr, dada por la ecuación: Qr = σ * A * T 4 = A * E b Ec. (1.4) en la que Eb es el poder emisivo del radiador, viniendo expresado el calor radiante Qr en W, la temperatura T de la superficie en °K, y la constante dimensional de Stefan-Boltzman en unidades. SI, en la forma: σ = 5.67 ∗ 10 −8. W m °K 4 2. (Mills, 1983) La ecuación anterior dice que toda superficie negra irradia calor proporcionalmente a la cuarta potencia de su temperatura absoluta. Aunque la emisión es independiente de las condiciones de los alrededores, la evaluación de una transferencia neta de energía radiante requiere una diferencia en la temperatura superficial de dos o más cuerpos entre los cuales tiene lugar el intercambio. Si un cuerpo negro irradia calor a un recinto que le rodea completamente y cuya superficie es también negra, es decir, absorbe toda la energía radiante que incide sobre él, la transferencia neta de energía radiante viene dada por: Qr = σ * A1 * (T1 − T2 ) . 4. 4. (Kern, 1999). 11.

(23) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. 1.3. Clasificación de los equipos de TC. 1.3.1. Introducción: Los cambiadores de calor de tubos y concha extensivamente a través de la industria de proceso y como comprensión tan básica de su diseño, la construcción y el funcionamiento son importantes para el ingeniero practicante. El objetivo de este papel es proporcionar una revisión de las cuestiones claves implicadas en su diseño termal sin tener que referir a la literatura extensa disponible en este asunto. El diseño termal óptimo de la carcasa y de un cambiador de calor del tubo implica la consideración de muchos parámetros de diseño que obran recíprocamente que puedan ser resumidos como sigue: Proceso •. Asignaciones fluidas de proceso al shellside o al tubeside.. •. Selección de especificaciones de la temperatura de la corriente.. •. Límites del diseño de la gota de presión del shellside y del tubeside del ajuste.. •. Límites de velocidad del shellside y del tubeside del ajuste.. •. Selección de modelos del traspaso térmico y de coeficientes el ensuciar para el shellside y el tubeside.. Mecánico •. Selección de disposición del cambiador de calor TEMA y número de pasos.. •. Especificación de los parámetros del tubo - tamaño, disposición, echada y material.. •. La determinación superior y más bajo diseña límites en longitud del tubo. Especificación de los parámetros del shellside - materiales, corte del bafle, espaciamiento del bafle y separaciones.. •. Fijando superior y más bajo diseñe los límites en diámetro de la cáscara, desconcierte el corte y desconcierte el espaciamiento.. (Ozisik, 1985). 12.

(24) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. Hay vario los paquetes del diseño y del grado de software disponibles, incluyendo Aspen BJAC, HTFS y CCTHERM, que permiten al diseñador estudiar los efectos de los muchos parámetros de diseño que obran recíprocamente y alcanzar un diseño termal óptimo. Estos paquetes son apoyados por las bases de datos componentes extensas de la característica física y los modelos termodinámicos. Debe ser tensionado que las rutinas de la convergencia y de la optimización del software no alcanzarán necesariamente un diseño práctico y económico sin el diseñador que fuerza parámetros de una manera intuitiva. Es la intención de este papel proporcionar la información básica y los fundamentales en un formato sucinto para alcanzar este objetivo. El papel se estructura en el software de Chemstations CCTHERM que permite el diseño y el grado que se realizarán dentro de un modelo de proceso total usando software del modelado de estado estacionario de CHEMCAD. Sin embargo los principios implicados son aplicables a cualquier proceso de diseño de software. En los accesorios se presenta una ayuda del diseño que incluye la información dominante para la entrada de datos y un método del cálculo del atajo en Excel para permitir que un cheque independiente sea hecho en los resultados de cálculos del software. El diseño detallado y la construcción mecánicos que implican disposiciones de la hoja de tubo, gruesos, separaciones, ayudas del tubo y la extensión termal no se consideran sino que el diseño termal debe ser constante con los requisitos prácticos (Gregorik, 1968). Las referencias de la fuente no se indican en el texto principal como este papel se debe considerar como nota de dirección general para los usos comunes y no se piensan para cubrir el especialista o usos críticos. Los símbolos usados no se definen en el texto principal sino se detallan en la nomenclatura que se encontrará en accesorios. Las ecuaciones presentadas requieren el uso de un sistema constante de unidades a menos que estén indicadas de otra manera. Teoría básica: La ecuación fundamental para el traspaso térmico a través de una superficie se da cerca:. 13.

(25) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. Q = U * A * ΔTm. Ec. (1.5). El ∆Tlm medio logarítmico de la diferencia de la temperatura (LMTD) para el flujo a contracorriente se da cerca. ΔTlm =. (T1 − t 2 ) − (T2 − t1 ) (T1 − t 2) ln (T 2 − t1). Ec. (1.6). En diseño un factor de corrección se aplica al LMTD para permitir la salida del flujo a contracorriente verdadero determinar la diferencia verdadera de la temperatura. ΔTm = Ft * ΔTm Ec. (1.7) El factor de corrección es una función de las temperaturas fluidas y del número de pasos del tubo y de la cáscara y se correlaciona en función de dos cocientes sin dimensiones de la temperatura. R=. (T1 − T2 ) (t 2 − t1 ). S=. (t 2 − t1 ) (T1 − t1 ). Ec. (1.8). Ec. (1.9). Núcleo de condensación desarrolló una relación aplicable a cualquier cambiador de calor con un número par de pasos y generó diagramas del factor de corrección de temperatura; os diagramas para otros arreglos están disponibles en los estándares de TEMA. El coeficiente de traspaso térmico total U es la suma de varias resistencias individuales como sigue:. 1 1 1 1 1 1 Ec. (1.10) = + + + + h0 h f 0 U hi h fi k x El hf combinado del coeficiente que ensucia puede ser definido como sigue: hf =. h fi * h f 0 h fi + h f 0. Ec. (1.11). 14.

(26) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. Los coeficientes de traspaso térmico individuales dependen de la naturaleza del proceso del traspaso térmico, de las características de la corriente y de los arreglos de la superficie del traspaso térmico (Edwards, 2001). En forma muy general, podemos clasificarlo según el tipo de superficie en:. Figura: 1.1Clasificación General (Gorge, 2004) 1.3.2. Clasificación industrial Los intercambiadores de calor se clasifican en 4 tipos: a-) Carcaza y Tubo. b-) Doble Tubo. c-) Flujo Cruzado. d-) Compacto. a-) Carcaza y tubo: Es el intercambiador más ampliamente usado en la industria. En este intercambiador un fluido fluye por el interior de los tubos, mientras el otro es forzado a través de la carcaza y sobre el exterior de los tubos. Para asegurar que el fluido por el lado de la carcaza fluya a través de los tubos e induzca una mayor. 15.

(27) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. transferencia de calor, se colocan, deflectores ó placas verticales. Es corriente encontrar intercambiadores de calor de 2, 4, 8, etc. pasos de tubos. De la misma manera existe la posibilidad que exista varios pasos de carcaza (Mambre, 2002).. Figura: 1.2 Intercambiador de carcaza y tubo b-) Doble Tubo: Es el intercambiador más sencillo, por el tubo interno circula uno de los fluidos, mientras que el otro fluido circula por el espacio anular. Dependiendo del sentido del flujo se clasifica en Flujo paralelo y Flujo contracorriente, este intercambiador se muestra en la Figura: 1.2 (Mambre, 2002). Figura: 1.3 Intercambiador de doble tubo. En la figura siguiente se muestran esquemas de las dos configuraciones así como la evolución de la temperatura de los fluidos en cada una de ellas:. 16.

(28) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. Figura: 1.4 Configuración de temperatura en flujo paralelo y contracorriente. c) Flujo cruzado: alternativamente los fluidos pueden moverse en flujo cruzado (perpendicular uno al otro), tal como se señala en la figura 4.3. Los intercambiadores en flujo cruzado se utilizan comúnmente en procesos de enfriamiento o calentamiento de aire o gas. En la Figura 4.3 se señala a dos tipos de intercambiadores de calor de flujo cruzado. Las dos configuraciones di fieren de acuerdo si el fluido que se induce sobre los tubos esta mezclado o sin mezclar. Un fluido se dice que esta sin mezclar debido a que las aletas previenen el movimiento en la dirección (y) que es la dirección transversal a la dirección del flujo principal (x). En este caso la temperatura del fluido varía con x y con y (Mambre, 2002).. 17.

(29) Capítulo I. Revisión Bibliográfica Figura: 1.5 Intercambiador de flujo cruzado. En contraste para el haz de tubo sin aletear, el movimiento del fluido, se dice que esta mezclado ya que la temperatura no cambia en la dirección transversal, siendo función exclusiva de la dirección del flujo principal. Dado que el flujo dentro de los tubos esta sin mezclar, ambos fluidos se dicen que están sin mezclar en el intercambiador aleteado, mientras que un fluido esta mezclado y el otro sin mezclar en el intercambiador no- aleteado. Es importante destacar que la condición de mezclado y sin mezclar del intercambiador influencia significativamente el funcionamiento del intercambiador de calor (Mambre, 2002).. Figura 1.6 Intercambiadores compactos d-) Compacto: Intercambiadores de calor con relación área superficial/volumen, As/V mayores que 700 m2/m3 se denominan intercambiadores de calor compacto, debido a su pequeño tamaño y peso, los intercambiadores de calor compactos prevalecen en la industria automotriz, industria aéreo - espacial y en sistemas marinos (Mambre, 2002). Otros autores ((Mukherjee, 1998) lo clasifican en base a la construcción y en base al servicio. 1.3.3. Clasificación en base a la construcción. Intercambiador fijo. Un cambiador de calor fijo tiene tubos rectos que se aseguran en ambos extremos a los tubos soldados con autógena a la cáscara. La construcción puede tener las cubiertas de canal desprendibles tipo cubiertas de canal o tubos integrales. La ventaja principal de la construcción de los tubos y concha es su bajo costo debido a su construcción simple. De hecho, el intercambiador fijo es el menos. 18.

(30) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. tipo de construcción costoso, mientras no se requiera ninguna junta de dilatación. Otras ventajas son que los tubos se pueden limpiar mecánicamente después del retiro de la cubierta o del capo de canal, y que la salida del líquido del carcaza está reducida al mínimo puesto que no hay empalmes ensanchados. Una desventaja de este diseño es ésa puesto que el paquete se fija a la cáscara y no puede ser quitado, los tubos no se puede limpiar mecánicamente. Así, su uso se limita para limpiar servicios en el lado de la cáscara. Sin embargo, si un programa satisfactorio de la limpieza química puede ser empleado, la construcción fija-tubos se puede seleccionar para ensuciar servicios en el lado de la cáscara. En caso de diferencial grande la temperatura entre los tubos y la cáscara, los tubos no podrá absorber la tensión diferenciada, de tal modo haciéndola necesaria incorporar una junta de dilatación. Esto quita la ventaja del bajo costo en gran parte. Tubo en forma de "u": Como el nombre implica, los tubos de un cambiador de calor del tubo en forma de "u" (el cuadro 3) está doblado en la forma de a U. Hay solamente un tubo en un cambiador de calor del tubo en forma de "u". Sin embargo, el más barato para el solo tubo es compensado por los costes adicionales contraídos para el doblez de los tubos y del diámetro algo más grande de la cáscara (debido al radio mínimo de la curva en U), haciendo el coste de un cambiador de calor del tubo en forma de "u" comparable a el de un cambiador del tubo fijo. La ventaja de un cambiador de calor del tubo en forma de "u" es que porque es un extremo libre, el paquete puede ampliarse o contratar en respuesta a diferenciales de la tensión. Además, los lado de afuera del los tubos pueden ser limpiados, mientras que el paquete de tubo puede ser quitado. La desventaja de la construcción del tubo en forma de "u" es que los interiores de los tubos no se pueden limpiar con eficacia, puesto que las curvas en U requerirían flexible ejes del taladro del extremo para la limpieza. Así, los cambiadores de calor del tubo en forma de "u" no deben ser utilizados para los servicios con un sucio líquido dentro de los tubos. Cabeza flotante: El cambiador de calor de la flotar-cabeza es el tipo más versátil de STHE, y también el más costoso. En este diseño, un tubo y concha es fijo concerniente a la cáscara, y el otro está libre “de flotar” dentro de la cáscara. Esto permite la extensión libre del paquete de tubo, así como la limpieza de los interiores y de lo salida. 19.

(31) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. de los tubos de los tubos. Así, la flotar-cabeza se puede utilizar para los servicios donde están sucios el cáscara y los líquidos del salida de los tubos - haciendo esto el tipo de construcción estándar usado en servicios sucios, por ejemplo en refinerías de petróleo. La cubierta de la cabeza flotante es asegurada contra el tubo flotante empernándolo a un anillo ingenioso del forro de la fractura. Este encierro de la flotarcabeza se establece más allá del extremo de la cáscara y es contenido por una cubierta de la cáscara de un diámetro más grande. Para desmontar al cambiador de calor, la cubierta de la cáscara es primera quitada, después el anillo del forro de la fractura, y entonces la cubierta de la flotar-cabeza, después de lo cual el paquete de tubo se pueden quitar del extremo inmóvil. En la construcción de TEMA T, el paquete de tubo entero, incluyendo el montaje de la flotar-cabeza, se puede quitar del extremo inmóvil, puesto que el diámetro de la cáscara es más grande que el reborde de la flotarcabeza. La cubierta del cabezal flotante se emperna directamente al tubo flotante para no requerir un anillo del forro de la fractura. La ventaja de esta construcción que el paquete de tubo se puede quitar de la cáscara sin la eliminación de la cáscara o de la cubierta del cabezal flotante, así está reduciendo tiempo de mantenimiento. Este diseño se adapta particularmente a la caldera que tiene un medio de calefacción sucio donde los tubos en forma de "u" no pueden ser empleados (Mukherjee, 1998).. (Anexo I) 1.3.3. Clasificación en base al servicio. Básicamente, un servicio puede ser monofásico (tal como el enfriamiento o la calefacción de un líquido o de un gas) o bifásico (por ejemplo la condensación o la vaporización). Puesto que hay dos lados a un STHE, éste puede llevar a varias combinaciones de servicios. Ampliamente, los servicios pueden ser clasificados en: ¾ Monofásico (un paso por los tubos y uno por la coraza) ¾ Condensación (Que condensa y el otro lado que se vaporiza) ¾ Vaporización (en un lado que se condensación del lado y el otro monofásico). ¾ Condensación/vaporiza (en un lado se vaporiza y el otro lado monofásico).. 20.

(32) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. La nomenclatura utiliza generalmente: ¾ Cambiador de calor: monofásico de los lados y corrientes de proceso (es decir, no una utilidad). ¾ Refrigerador: uno fluye el líquido de proceso y la otra agua o aire de enfriamiento. Calentador: una corriente un líquido de proceso y la otra una utilidad caliente, tal como vapor o aceite caliente. ¾ Condensador: uno fluye el vapor de condensación y la otra agua o aire de enfriamiento. ¾ Refrigerador: uno fluye un líquido de proceso que es condensado en las temperaturas sub-atmosféricas y la otra un refrigerante de ebullición o una corriente de proceso. ¾ Reboiler: una corriente una corriente de partes inferiores de una columna de destilación y la otra una utilidad caliente (vapor o aceite caliente) o una corriente de proceso. (Mukherjee, 1998) 1.4. Datos de diseño de un Intercambiador de calor (IC). Antes de discutir diseño termal real, miremos los datos que se deben suministrar por el licenciador de proceso antes de que el diseño pueda comenzar: o Flujos de ambas corrientes. o Temperaturas de la entrada y del enchufe de ambas corrientes. o Presión de funcionamiento de ambas corrientes. Esto se requiere para los gases, especialmente si la densidad del gas no se suministra; no es realmente necesario para los líquidos, pues sus características no varían con la presión. o Gota de presión permisible para ambas corrientes. Esto es un parámetro muy importante para el diseño del cambiador de calor. Generalmente, para los líquidos, un valor de 0,5-0,7 kg/cm2 se permite por cáscara. Una gota de presión más alta se autoriza generalmente para los líquidos viscosos, especialmente en el lado de los. 21.

(33) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. tubos. Para los gases, el valor permitido es generalmente 0,05-0,2 kg/cm2, con 0.1 kg/cm2 siendo típicos. o Ensuciar la resistencia para ambas corrientes. Si esto no se suministra, el diseñador debe adoptar los valores especificados en los estándares de TEMA o basados en experiencia anterior. o Características. físicas. de. ambas. corrientes.. Éstos. incluyen. viscosidad,. conductividad termal, densidad, y calor específico, preferiblemente en las temperaturas de la entrada y del enchufe. Los datos de la viscosidad se deben suministrar en las temperaturas de la entrada y del enchufe, especialmente para los líquidos, puesto que la variación con temperatura puede ser considerable y es irregular (ni linear ni con abscisas y ordenadas logarítmicas). o Calor. El calor especificado debe ser constante para el lado de la coraza y el lado de los tubos. o Tipo de cambiador de calor. Si no suministrado, el diseñador puede elegir esto basada sobre las características de los varios tipos de construcción descritos anterior. De hecho, el diseñador está normalmente en una mejor posición que el ingeniero de proceso para hacer esto. o Línea tamaños. Es deseable emparejar tamaños del inyector con la línea tamaños para evitar ampliadores o los reductores. Sin embargo, los criterios de clasificación para los inyectores son generalmente más rigurosos que para las líneas, especialmente para la entrada del lado de la cáscara. Por lo tanto, los tamaños del inyector deben a veces estar un tamaño (o aún más en circunstancias excepcionales) más grandes que la línea correspondiente tamaños, especialmente para las pequeñas líneas. o Tamaño preferido del tubo. El tamaño del tubo se de O.D. Algunos dueños de la × del grueso del ×señala como longitud del. de O.D. (basado generalmente. sobre ×planta tienen un grueso preferido del consideraciones del inventario), y el área disponible del diagrama determinará la longitud máxima del tubo. Muchos. 22.

(34) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. dueños de la planta prefieren estandardizar las tres dimensiones, basadas otra vez sobre consideraciones del inventario. o Diámetro máximo de la cáscara. Esto se basa sobre requisitos del retiro del tubopaquete y es limitada por capacidades de la grúa. Tales limitaciones se aplican solamente a los cambiadores con los paquetes de tubo desprendibles, a saber tubo en forma de "u" y flotar-cabeza. Para los cambiadores fijos-tubesheet, la única limitación es la capacidad de la fabricación del fabricante y la disponibilidad de componentes tales como extremos y rebordes servidos. Así, limitan a los cambiadores de calor de la flotar-cabeza a menudo a una identificación de la cáscara de 1.4-1.5 m y de una longitud del tubo de 6 m o de 9 m, mientras que los cambiadores de calor del fixedtubesheet pueden tener cáscaras tan grandes como 3 m y longitudes de los tubos hasta 12 m o más. o Materiales de la construcción. Si los tubos y la cáscara se hacen de materiales idénticos, todos los componentes deben estar de este material. Así, los materiales solamente de la cáscara y del tubo de la construcción necesitan ser especificados. Sin embargo, si la cáscara y los tubos están de diversa metalurgia, los materiales de todos los componentes principales se deben especificar para evitar cualquier ambigüedad. Los componentes principales son cáscara (y descasque la cubierta), tubos, canal (y cubierta de canal), los tubesheets, y los bafles. Tubesheets puede ser alineado o revestido. o Consideraciones especiales. Éstos incluyen completando un ciclo, las condiciones trastornadas, los panoramas alternativos del funcionamiento, y si la operación es continua o intermitente. (Mukherjee, 1998) 1.5. Coeficiente Global de Transferencia de Calor. La temperatura superficial o los flujos de calor no son especificados para los intercambiadores de calor. Esta complicación es resuelta mediante la utilización del Coeficiente Global de Transferencia de Calor. Este coeficiente es definido en términos de la resistencia térmica total a la transferencia de calor entre dos fluidos. Cuando. 23.

(35) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. consideramos fluidos de un intercambiador de calor fluyendo fuera y dentro de un tubo como se muestra en la figura:. Figura: 1.7 Coeficiente global de transferencia de calor para un tubo. (Luis, 1983) De manera que podemos escribir que:. 1 1 = = U 0 A0 U i Ai. Donde. 0. 1 ln(r0 / ri ) 1 1 + + h0 A0 2πKL hi Ai. Ec. 1.12. U, designa al coeficiente global de transferencia de calor, referido al área. externa, y de igual forma, i U se refiere al coeficiente global de transferencia de calor referido al área interna. Dicha distinción es necesaria, debido a que el área disponible para transferencia de calor no es constante sino se crece cuando se avanza radialmente. Tabla: 1.1 Valores típicos del coeficiente global de transf de calor, U. Situación Física Ventana Placa-Vidrio. U (W/m^2*K) 6,20. Condensador de Vapor. 1000-5000. Calentador de suministro de agua. 1000-8000. Intercambiador de calor Agua-Agua. 850-1700. Intercambiador de calor Agua-Aceite. 110-340. (J.C.Smith, 1975). 24.

(36) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. 1.6. Factor de incrustamiento. Las expresiones anteriores para el coeficiente global de transferencia de calor, son válidas para tubos limpios. Como es bien conocido las superficies interiores de los tubos de un intercambiador de calor no permanecen limpias después de varios meses de operación. Se forman escamas o depósitos en la superficie interior. La acumulación de escamas o depósitos en el interior de los tubos, pueden afectar severamente el valor del coeficiente global de transferencia de calor, U. El efecto global de los depósitos se cuantifica por el denominado Factor de encrustamiento o Factor de suciedad, Rf " el cual se determina experimentalmente. Su efecto neto consiste en incrementar la resistencia al flujo de calor, o que en otras palabras disminuir el coeficiente global de Transferencia de calor. Rf ", se relaciona con el coeficiente Global teórico, mediante la siguiente expresión:. 1 1 = + Rf Ec. 1.13 Uoperación Uteórico Tabla: 1.2 Valores típicos del factor de encrustamiento. Tipo de Fluido. Rf (W/m^2*K). Agua de mar por debajo de 50°C. 0,0001. Vapor. 0,0001. Agua de mar por encima de 50°C. 0,0002. Refrigerantes. 0,0002. Aire Industrial. 0,0004. Aceite de Combustible. 0,0010. (McAdams, 1964) 1.7. Análisis Térmico de un intercambiador de calor. El objetivo de un análisis térmico de un intercambiador de calor es el de ser capaces de expresar la cantidad total de calor transferido, q, del fluido caliente al fluido frío, en términos del coeficiente global de transferencia de calor. El área de transferencia de calor A, y las temperaturas de entrada y salida de los fluidos caliente y frío.. 25.

(37) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. Un balance de energía da como resultado: [Energía perdida por el flujo caliente]= [Energía ganada por el flujo frío] O bien: m h c h (Th ,i − Th , 0 ) = mc c c (Tc ,i − Tc , 0 ) Ec. 1.14. Donde: m h: Flujo másico del fluido caliente. c h: Calor específico del fluido caliente. Thi: Temperatura a la entrada del fluido. Th0: Temperatura a la salida del fluido. m c: Flujo másico del fluido frió. c c: Calor específico del fluido frío. Tci: Temperatura de entrada del fluido frío. Tco: Temperatura de salida del fluido frío. El producto (m × c) aparece con frecuencia en el análisis de intercambiadores de calor y es denominado, Capacidad calorífica, C, C = (m × c). Existen dos metodologías de análisis térmico de intercambiadores de Calor. 1. Método F-LMTD 2. Método Є- NTU (Mambre, 2002) 1.8. Metodología para el diseño de un IC. Los pasos a seguir en un diseño de un intercambiador de calor de tubos y concha son: 1. Comprobar el balance de energía, hemos de conocer las condiciones del proceso; caudales, temperatura, presiones, propiedades físicas de los fluidos. 2. Asignar las corrientes al tubo y al casco.. 26.

(38) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. 3. Dibujar los diagramas térmicos. 4. Determinar el número de intercambiadores en serie. 5. Calcular os valores medios corregidos de la diferencia media de temperatura. 6. Seleccionar el diámetro, espesor, material, longitud y configuración de los tubos. 7. Estimar los coeficientes de película y de suciedad. Calcular los coeficientes globales de trasmisión del calor. 8. Calcular la superficie de intercambio estimada. 9. Seleccionar el tamaño del casco (utilizando dos pasos en los tubos). 10. Calcular las pérdidas de presión en el lado de los tubos y recalcular el número de pasos para cumplir con las perdidas de presión admisibles. 11. Asumir la separación entre los deflectores y el área de paso para conseguir las perdidas de presión en casos admisible. 12. Recalcular los coeficientes de película lado de los tubos y el casco utilizando las velocidades máxima disponible. 13. Recalcular los coeficientes globales de transmisión del calor y comprobar si tenemos suficiente superficie de intercambio. 14. Si la superficie de intercambio es muy grande o muy pequeña revisar los estimados de tamaño de carcaza y repetir las etapas del 9-13. (Hill et al., 2002) 1.9. Sistema de Generación de Vapor. 1.9.1. Generadores de vapor. Generalidades. Los generadores de vapor conocidos comúnmente en la terminología industrial como calderas es un recipiente cerrado en el cual se calienta agua, se genera vapor o se sobrecalienta (o cualquier combinación de las dos cosas) bajo presión o vacío mediante la aplicación de calor de combustibles, electricidad o energía nuclear. Las calderas se dividen generalmente en cuatro tipos clásicos: residencial, comercial, industrial y para generación de energía eléctrica (Bernhard, 2002).. 27.

(39) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. 1.91.1. Clasificación Industrial. Se suelen clasificar como: a-) Tubos de Humo (Pirotubular) b-) Tubos de agua (Acuotubular). a-) Calderas de Tubos de Humo (Pirotubular) En este tipo, el calor es transferido por la planta y los productos de combustión que pasan a través de tubos. El agua calentada rodea el hogar interno y los haces de tubos. Tipos de calderas Pirotubulares, (Estos se diferencian entre sí por el diseño del hogar) . El primer tipo se caracteriza por estar compuesta por un hogar de forma cilíndrica, el calor es generado por combustibles derivado del petróleo.. . Calderas con cajas de humo permiten el quemado del combustible sólidos por que están dotadas de un espacio horizontal para los procesos de combustión quemando una corriente vertical de la plancha o de los productos de combustión.. . Caldera tubular con retorno horizontal, en esta unidad los productos de combustión viajan a través del casco y retroceden a través de los tubos dentro del recipiente a presión.. (Bernhard, 2002) b-) Calderas de Tubos de Agua (Acuatubular) Agua circulando por los tubos como su nombre lo indica, los productos de combustión rodean usualmente a los tubos y el agua está en el interior de ellos, los tubos se inclinan hacia un recipiente o domo en el punto más alto de la caldera. Algunos fabricantes operan este tipo de unidad con tubos rectos o tubos doblados. Es una caldera de tubos de agua con cabezal de cajón, los tubos de agua están conectados a cabezales rectangulares dispuestos de modo que la mezcla de agua y vapor en circulación suban hacia un domo colector. Los cabezales de cajón están usualmente en cualquier extremo de los haces de tubos, y los productos de combustión pasan entre cabezales y alrededor de los haces de tubos.. 28.

(40) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. Algunas son de tipo de domo largo, esto es, cuando se mira al frente de la caldera, el domo tiene la longitud de la caldera. Su consecuencia lógica es la caldera de domo atravesado. Cuando se contempla desde el frente de la unidad, los domos están instalados perpendicularmente a la larga línea central o a través de la caldera. (Bernhard, 2002) 1.9.1.2 Producción estimada de vapor para calderas (Piro y Acua) tubulares.. Las unidades de tubo de humo (Pirotubular) se suministran casi siempre de aplicaciones hasta de aproximadamente 30.000 Lb. = 2.100 Kg de vapor de agua por hora. Se suministra para operar a baja presión 15 PSIG = 104*10^3 Pa y menos, y como caldera de potencia hasta aproximadamente 300 PSIG = 2.100*10^3 Pa de presión de vapor. Las calderas de tubos de agua (acuatubulares) para utilizarse en aplicaciones industriales se proporcionan capacidades hasta casi de un millón de libras 1.000.000 Lb. = 450.000 Kg de vapor por hora. Las presiones de diseño varían desde 100 PSIG = 700*10^3 Pa hasta 1.200 o 1.400 PSIG = 8,3 ó 9,6*10^6 Pa con temperaturas de vapor que varían desde la saturación hasta 1.000 ºF = 540 ºC (Bernhard, 2002). 1.9.1.3. Proceso de Generación de Vapor. La mayoría de las calderas tienen varias cosas en común. Usualmente, en la parte inferior está un fogón o cámara de combustión (horno) a donde se alimenta el combustible más barato o más disponible a través de un quemador para formar una flama. El quemador está controlado automáticamente para pasar sólo el combustible suficiente para mantener una presión de vapor deseada. La flama o calor es dirigida y distribuída a las superficies de calentamiento, las cuales usualmente son tubos, tiros de chimenea o serpentines de diámetro bastante pequeño (James, 2007). (Anexo: XVI) En algunos diseños el agua fluye a través de los tubos o serpentines y el calor es aplicado al exterior. A éstas se les denominan calderas acuotubulares. En otras calderas los tubos o tiros de chimenea están inmersos en el agua y el calor pasa a través del interior de los tubos. Estas son calderas humotubulares. Si el agua es sometida a los gases calentados más de una vez, la caldera es de "dos-pasos", de "tres-pasos", o de "pasos múltiples" (James, 2007).. 29.

(41) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. Figura: 1.8 Diagrama de Flujo Vapor-Agua El agua calentada o vapor se levanta de la superficie del agua se vaporiza y es colectada en una o varias cámaras o tambores. El tamaño del tambor determina la capacidad de producción de vapor. En la parte superior del tambor de vapor se encuentra la salida o el llamado "Cabezal de vapor", desde donde el vapor es conducido por tuberías a los puntos de uso (Anexo: II). En la parte superior del hogar mecánico se encuentra una chimenea de metal o de ladrillo, la cual conduce hacia fuera los productos de la combustión como gases. En el fondo de la caldera, normalmente opuesto del hogar mecánico, se encuentra una válvula de salida llamada "purga de fondo". Por esta válvula salen del sistema la mayoría del polvo, lodos y otras sustancias no deseadas, que son purgadas de la caldera. En conjunto a la caldera existen múltiples controles de seguridad, para aliviar la presión si esta se incrementa mucho, para apagar la flama si el nivel del agua es demasiado bajo o para automatizar el control de nivel del agua. Un tubo de vidrio con una columna de agua generalmente se incluye, para mostrarle al operador el nivel interno del agua en la caldera (Alvaro y Claudio, 2009). 30.

(42) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. Figura: 1.9 Caldera de Vapor. El agua de alimentación de las calderas debe ser bien tratada de lo contrario pudiera causar los siguientes problemas: 1. Formación de costra 2. Corrosión 3. Formación de burbujas de aire 4. Adherencia del vapor al cilindro. (Álvaro y Claudio, 2009). 31.

(43) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. 1.9.1.4. Diagrama flujo del procedimiento operacional de la caldera.. (Smith, 2006). 32.

(44) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. 1.9.2. Tratamiento de agua En cualquier sistema de generación de vapor es de vital importancia el Agua a utilizar y el tratamiento que se le debe dar, para así lograr la vida normal de la caldera y de los equipos que utilizan la energía creada por esta. El agua es el fluido de trabajo de los sistemas de vapor y una de las sustancias naturales más abundantes; sin embargo, nunca se encuentra en estado puro, adecuado para la alimentación directa de una caldera. Por lo común en estado natural, el agua se encuentra turbia, con materias sólidas en suspensión fina. Incluso cuando está clara, el agua natural contiene soluciones de sales y ácidos que dañan con rapidez el acero y los metales a base de cobre de los sistemas de vapor (Anexo V y VI). Tabla: 1.3 Limites recomendados de constituyentes de agua para las calderas. PARTES POR MILLON (PPM) Presión Lb/in2. Total de sólidos. Alcalinidad Dureza. Sílice. Turbidez Aceite. disueltos. Fosfatos residuales. 0-300. 3500. 700. 0. 100-60. 175. 7. 140. 301-450. 3000. 600. 0. 60-45. 150. 7. 120. 451-600. 2500. 500. 0. 45-35. 125. 7. 100. (Angel, 2009) Cuando el agua de alimentación se calienta, se evapora y sale de la caldera como vapor destilado dejando las impurezas atrás. Entre más y más agua se evapora en la caldera, se añade más líquido para reemplazarla. Como resultado de esto, la cantidad de sólidos disueltos al interior de la caldera aumenta gradualmente. En poco tiempo se acumula una gran cantidad de éstos en el agua de la caldera, provocando que no hierva ya como agua ordinaria, sino como una especie de jarabe. Las burbujas de vapor que suben no se separan fácilmente de la superficie; en vez de esto, se forman grandes burbujas que, cuando revientan, arrastran con ellas hacia el espacio de vapor. 33.

(45) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. algo de la película (solución) con que se formó la burbuja. Esta condición se denomina comúnmente “acarreo”. (Lerma, 2008) Además, algunos materiales que son altamente solubles a bajas temperaturas, debido a la alta temperatura en la caldera, cambian su solubilidad, se transforman en materiales con baja solubilidad y son precipitados, como es el caso del carbonato de calcio (CaCO3), un compuesto presente en la mayoría de las aguas de alimentación para calderas. La mayor parte de esta precipitación tiene lugar donde el agua de la caldera está más caliente, es decir, donde el agua está en contacto con las zonas de mayor transferencia de calor. El material precipitado se deposita en la superficie caliente y forma incrustaciones (Lerma, 2008). Estas incrustaciones, en forma de placas, son un buen aislante del calor y reducen el grado de transferencia de calor. Conforme la incrustación crece, el vapor y el agua son cada vez menos capaces de mantener estas superficies enfriadas y comienzan a recalentarse, al grado de reducir la resistencia del metal de los tubos y causar su ruptura. Dependiendo de las circunstancias, esta falla puede presentarse en forma de ampollas o, incluso, provoca que se funda el material de los tubos. (Lerma, 2008). El objetivo fundamental de esta unidad es reducir la dureza del agua hasta cero por los daños que estos generan, con el objeto de utilizarla como agua de alimentación de las calderas. El agua normalmente contiene una cierta cantidad de sales (Anexo: III), entre las más importantes para la utilización en la generación del vapor se tienen: carbonato de calcio y carbonato de magnesio. Estas sales de no eliminarse antes de ser usada en las calderas pueden producir incrustaciones en los tubos (Anexo IV). Las incrustaciones es la formación de depósitos sólidos y duros sobre la superficie interna de los tubos. Para evitar esta formación en la planta de tratamiento de agua se tiene el proceso de suavización en caliente que consiste en la formación de flóculos producto de la reacción de la cal con las sales y lodos que contiene el agua. Este proceso es llamado Termocirculador, luego se filtra el agua en filtros de carbón y finalmente se efectúa el intercambio iónico en los suavizadores de zeolita, en donde se disminuye el contenido de carbonato de calcio hasta valores de cero, después de esto el agua se almacena para alimentar las calderas según la demanda de vapor (Lerma, 2008).. 34.

(46) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. 1.10. Simulador: Hysys Al proceso de experimental un modelo se denomina simulación, y al dispositivo utilizado, modelo y accesorios (sensores, registradores, indicadores, etc.) se llama simulador. Introducción al simulador de Procesos Hysys: •. Simulador de Procesos de Hyprotech soportado en Windows. •. Completamente interactivo. •. Estructura Modular no secuencial. •. Propagación de la información bidireccional. •. Flujo de la información parcial. (BanKs et al., 1996) Aplicaciones Típicas del Hysys: •. Procesamiento de gases. •. Refinería de petróleo. •. Petroquímica. •. Industria química en general. (BanKs et al., 1996) Simulación de Procesos: •. Representación de procesos químicos a partir de una red de modelos matemáticos integrados.. •. HYSYS ha venido siendo y es, junto con ASPEN, uno de los dos mayores programas de Simulación en Ingeniería Química. Este programa tan sólo puede compararse con ASPEN. •. Cada modelo matemático está diseñado para predecir el comportamiento de una operación unitaria.. 35.

(47) Capítulo I •. Revisión Bibliográfica. Los modelos son configurados a través de una red de corrientes.. (Shannon, 1988) Principales Características: •. Enorme base de datos de propiedades de sustancias.. •. Enorme base de datos de modelos termodinámicos, incluyendo parámetros para muchas mezclas.. •. Gran cantidad de operaciones disponibles para estudios en estado estacionario y dinámico.. •. Optimizador incorporado.. •. Módulos adiciones disponibles (Economix, Distil, Optimización RTO, etc...).. •. Integración progresiva en el estándar CAPE.. •. Filosofía de cálculo con propagación de variables hacia delante y atrás.. (Law y Kelton, 1991) Etapas de una simulación: •. Formulación del problema: en este paso debe quedar perfectamente establecido el objetivo de la simulación, y se deben detallar los siguientes factores: los resultados que se esperan del simulador, el plan de experimentación, el tiempo disponible, las variables de interés, el tipo de perturbaciones a estudiar, el tratamiento estadístico de los resultados, y la complejidad del interfaz del simulador.. •. Definición del Sistema: el sistema a simular debe estar perfectamente definido. Se deben establecer las fronteras del sistema a estudiar y las interacciones con el medio ambiente que serán consideradas.. •. Formulación del modelo: esta comienza en el desarrollo de un modelo que captura los aspectos relevantes del sistema real.. •. Colección de datos: la naturaleza y cantidad de datos necesarios están determinada por la formulación del problema y del modelo. Los datos pueden ser. 36.

(48) Capítulo I. Revisión Bibliográfica. obtenidos en registros históricos, experimentos en el laboratorio, mediciones realizadas en el sistema real. •. Implementación del modelo en la computadora: el modelo es implementado utilizando algún lenguaje computacional.. •. Verificación: en esta etapa se comprueba que no hayas cometido errores durante la implementación del modelo.. •. Validación: se comprueba la exactitud del modelo empleado.. •. Diseño de experimentos: se decide las características de los diseños a realizar: el tiempo de arranque, el tiempo de simulación, y el numero de simulaciones.. •. Experimentación: se realizan las simulaciones de acuerdo al diseño previo. Los resultados son recolectados y procesados.. •. Interpretación: se analiza la sensibilidad del modelo con respecto a los parámetros que tienen asociados la mayor incertidumbre. El modelo será sensible a determinados parámetros si para pequeños cambios en los valores de los mismos la respuesta varia notablemente.. •. Documentación: es la elaboración de una documentación técnica y manuales de uso. La documentación técnica debe contar con una descripción detallada del modelo y de los datos; también, se deberá incluir la evolución histórica de las distintas etapas del desarrollo.. (Enrique, 2006) Conclusiones parciales:. •. Resulta necesario realizar un diagnostico al equipamiento del sistema de generación, distribución y consumo de vapor para conocer su estado actual y el cumplimiento de las normativas técnicas y recomendaciones que aparecen en la literatura.. •. El simulador HYSYS, se reporta en la literatura como una herramienta eficiente en el análisis de procesos tecnológicos, siendo muy empleado en el análisis de esquemas térmicos.. 37.

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(50) Capítulo II. Diagnóstico y Análisis Económico del Laboratorio. Diagnóstico del Laboratorio de Operaciones 2.1. Introducción. Etimológicamente el concepto diagnóstico proviene del griego, tiene dos raíces, día que es a través de, y gignoskein que es conocer, así etimológicamente diagnostico significa conocer a través de. El concepto de este significado es la identificación de la naturaleza o esencia de una situación o problema y de la causa posible o probable del mismo, es el análisis de la naturaleza de algo. ¿Quien puede enunciar un diagnostico? Cualquier persona que haga una afirmación o. conclusión acerca de la causa o esencia de un estado, situación o problema está haciendo un diagnóstico. Pasos para un diagnóstico. · Observación. · Descripción (es necesario un lenguaje). · Clasificación. · Observación crítica de los atributos (características). · Selección de unas prioridades. · Desarrollo de un criterio. 2.1.2. Diagnóstico: El objetivo del presente diagnóstico es conocer la situación actual del equipo de generación de vapor, así como de las principales redes de distribución y equipos consumidores, entre ellos tenemos el generador de vapor, columna de destilación, Fluidizador, evaporador de circulación forzada de película descendente, secador de bandeja e intercambiadores de calor.. 38.

(51) Capítulo II. Diagnóstico y Análisis Económico del Laboratorio. 2.1.2.1. Generador de Vapor: Este equipo no se encuentra apto para operar en estos momentos, Inspecciones recientes recomiendan el cambio de parte de los tubos (fluses). La superficie externa esta afectada por la corrosión, el recubrimiento (aislamiento) exterior de la caldera esta en malas condiciones. Por la complejidad tecnológica del equipo y por el peligro potencial que representa una falla en el mismo es necesaria su valoración por especialistas de ALASTOR para contar con un dictamen técnico preciso. La bomba de alimentación de agua a la caldera debe ser reparada y comprobada para garantizar el caudal de agua a la presión de trabajo. Datos de Chapa. ¾ Producción /Hora – 700Kg/h ¾ Superficie de calefacción – 16.3 m^2 ¾ Presión de Trabajo -- 10 Kg*F/cm^2 ¾ Tensión -- 220 V V 60 Hz ¾ Fecha de fabricación -- 1981 ¾ Casco de 10 mm ¾ Placa de 12 mm ¾ Acero de 20 K. ¾ Tubos de 73. 38. 18 3U ¾ Largo de 2.05 m, Ancho 85 cm, Altura 1 m.. 39.

(52) Capítulo II. Diagnóstico y Análisis Económico del Laboratorio. Figura: 2.1Generador de Vapor 2.1.2.2. Columna de Destilación: Este equipo se encuentra funcionando, y es utilizado para el desarrollo de prácticas de laboratorio, se encuentra en buen estado técnico, actualmente la energía utilizada es eléctrica, el estado de la resistencia con que se encuentra trabajando no es la óptima, se recomienda la utilización de vapor para este proceso. La columna tiene una altura de 1.85 m, con un diámetro de 15 cm, 2 tanques de 45 cm de diámetro con una resistencia de 2.5 Kw/h; y utilizando vapor seria un consumo de 4.47 Kg/h para que la columna opere con los parámetros establecidos.. 40.

(53) Capítulo II. Diagnóstico y Análisis Económico del Laboratorio. Figura: 2.2 Columna de Destilación. 2.1.2.3. Fluidizador: Este equipo se encuentra funcionando y esta siendo utilizado para la realización de prácticas de laboratorios de Operaciones Unitarias, se encuentra en buenas condiciones técnicas, se cumplen con los objetivos de las prácticas, pero podría sustituirse el ventilador por uno nuevo por los años que tiene de uso para obtener u flujo de aire mas constante. Tiene 2m de altura con un diámetro de 20 cm si el aire es transportado a lo largo de un tubo de 1.75 m, se recomienda la utilización del vapor para sólidos con un mayor contenido de humedad.. 41.

(54) Capítulo II. Diagnóstico y Análisis Económico del Laboratorio. Figura: 2.3 Fluidizador 2.1.2.4. Evaporador de Circulación Forzada de Película Descendente: Este equipo hace años que no funciona, aunque en su exterior se encuentra en buenas condiciones físicas, no sabemos su estado actual. Se recomienda su desarme para un adecuado diagnóstico. Esta dispuesto a una altura de 2.35 m, con un diámetro de 75 cm y altura de 1.75 m. ; se calculo el consumo de vapor máximo que puede ser. alimentado al evaporador por la velocidad máxima recomendadas para tubos de diámetro de 1 plg y obtuvimos un valor de 320 Kg/h. (Bibliografía: Índice de capacidades para Ingenieros de crudo de Cuba).. 42.

(55) Capítulo II. Diagnóstico y Análisis Económico del Laboratorio. Figura: 2.4 Evaporador de circulación forzada de película descendente. 2.1.2.4. Secadero de Bandeja: Este equipo utiliza el vapor como medio de calentamiento, al encontrarse la caldera sin funcional, este también lo esta; se encuentra en buenas condiciones técnicas, el ventilador es el que puede encontrarse en malas condiciones por los años de uso, se recomienda una sustitución del ventilador. Con un largo de 3.24 m, ancho de 0.5 m y una altura de 1.27 m; se calculo el consumo de vapor máximo que puede ser alimentado al secadero por la velocidad máxima recomendadas para tubos de diámetro de 1 plg y obtuvimos un valor de 320 Kg/h. (Bibliografía: Índice de capacidades para Ingenieros de crudo de Cuba). 43.

(56) Capítulo II. Diagnóstico y Análisis Económico del Laboratorio. Figura: 2.5 Secador de Bandeja. 2.1.2.5. Intercambiadores de Calor: Existen cuatro tipos de intercambiadores de calor en el laboratorio de operaciones unitarias, todos de tubos y concha, de ellos dos se encuentran en mal estado que no es posible su recuperación(Figura: 2.7), los otros dos restantes se pueden utilizar en la realización de las prácticas de laboratorio; el (a) de un paso por los tubos y uno por la concha, con tubos de diámetro exterior igual a 27 mm y interior de 19.6 mm, con un espesor de 3.7 mm y una longitud de 0.77 m y un total 14 tubos (paso triangular); el (b) de cuatro paso por los tubos y uno por la concha, con tubos de diámetro exterior igual a 9.5 mm y interior de 7.25 mm, con un espesor en de 1.125 mm y una longitud de 1.125 m, y un total de 44 tubos (paso triangular); antes de ser utilizados deben ser sometidos. 44.

(57) Capítulo II. Diagnóstico y Análisis Económico del Laboratorio. a un mantenimiento para trabajar con la máxima eficiencia posible. Ambos con un consumo de vapor de 503.2 Kg/h.. Figura: 2.6.a) y b) Intercambiadores de Calor de tubo y coraza.. Figura: 2.7 Intercambiadores de Calor de tubo y coraza.. 45.

(58) Capítulo II. Diagnóstico y Análisis Económico del Laboratorio. 2.1.2.6. Tuberías y accesorios: Estas se encuentran en mal estado técnico, contamos con una longitud total en la línea central de 34.33 m, de diámetro exterior igual a 6.6 cm y uno interior de 5.24 cm y un aislante de 3.14 cm de espesor, los bajantes de la tuberías para la distribución del vapor a los diferentes equipos consumidores, son de diámetro interior de 2.33 cm y exterior de 3.39 cm y un espesor de aislante de 3 cm, y una longitud total de 16.07 m ; en total se utilizan 6 codos en la línea central, 7 te de reducido de línea central para los bajantes, 8 válvulas para los bajantes y 10 codos en bajantes. Se recomienda una prueba hidráulica en las tuberías para utilizar las partes en buen estado en la red distribución de los equipos consumidores de vapor.. a) Deteriorada. b) Buenas condiciones. Figura: 2.8 Estado de tuberías. 46.

(59) Capítulo II. Diagnóstico y Análisis Económico del Laboratorio. Análisis Económico 2.2.1. Costo de inversión. Costo de Inversión = Inversión fija + Inversión de trabajo Inversión fija = costo directo + costos indirectos Costos del equipamiento: Costo actual = costo original * índice actual / índice original Índice original 314 ---- año 1982 (Peter, 1991) Índice Actual 468,2 (Chemicals Engineering, 2005). Taba: 2.1 Costo del Equipamiento Equipo. Costo. Costo. Original($). Actual($). Generador de Vapor. Referencia. 100450. 149779,26. Intercambiadores de Calor-a (44). 1000. 1491,08. Fig.15.15 Peter (Pág. 617). Intercambiadores de Calor-b (14). 850. 1267,42. Fig.15.15 Peter (Pág. 617). 10300. 15358,15. Fig.16.29 Peter (Pág. 713). Fluidizador. 1500. 2236,62. DOE/NETL-2002/1169. Evaporador. 100000. 149108,28. Fig.15.27 Peter (Pág. 623). 65$/in*72,83in. 7058,71. Fig.16.25 Peter (Pág. 710). Secador de Bandeja. Columna de Destilación. Fig. B-4 Peter (Pág. 809). 326299,53. Total. Tabla: 2.2 Costo de Tuberías Diámetro Nominal (pulg.). Longitud (m). Precio ($ / m). Costo Act. ($). 2 1/2. 34,33. 11(Fig14.6). 377,63. 1. 16,07. 9 (Fig14.6). 144,63. TOTAL. 522,26. 47.

(60) Capítulo II. Diagnóstico y Análisis Económico del Laboratorio. Tabla: 2.3 Costo de Accesorios Diámetro Nominal. Accesorios. Precios ($). Costo Act. ($). C.. V.. C.. V.. C.. V.. 2 1/2. 6. 2. 10,5. 105. 63. 210. 1. 10. 8. 7. 70. 70. 560. (pulg.). TOTAL (Fig. 14.4 Pág. 499). 903.00. Tabla: 2.4 Inversión Fija Indicador Equipamiento Instalación de equipos. Instrumentación y control Tuberías y Accesorios Instalaciones eléctricas. indirec. Costos. 100%. Costo $326299,53. 35% del costo de equipamiento. 114204,80. 9% del costo de equipamiento. 29366,96. 6% del costo de equipamiento 100%. 19577,97 1525,00. 7% del costo de equipamiento. 22840,97. Generación de vapor. 3% de la inversión fija. 0,03*IF. Distribución del vapor. 1% de la inversión fija. 0,01*IF. Suministro de agua. 1% de la inversión fija. 0,01*IF. Distribución de la electricidad. 0.4% de la inversión fija. Almacenamiento de las materias primas. 2% de la inversión fija. 0,02*IF. Almacen. de los productos finales. 1% de la inversión fija. 0,01*IF. Supervisión y Ingeniería. 5% de la inversión fija. 0,05*IF. Gastos de puesta en marcha. 10% de la inversión fija. 0,1*IF. Imprevistos. 10% de la inversión fija. 0,1*IF. Servicios. Costos directos. Aislamiento. Fórmula. 0,004*IF. 48.