Guia Equipos Operaciones Unitarias

(1)

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD BOLIVARIANA DE VENEZUELA CENTRO DE ESTUDIOS EN CIENCIAS DE LA ENERGÍA CENTRO DE ESTUDIOS EN CIENCIAS DE LA ENERGÍA Sede Principal Los Chaguaramos, Piso 9 Sede Principal Los Chaguaramos, Piso 9 Caracas Distrito Capital Caracas Distrito Capital 0212- 606383 - 0212-

0212- 606383 - 0212- 606398!606398!

GUÍA DE DISEÑO DE EQUIPOS

DE OPER

DE OPERACIONES

ACIONES UNIT

UNITARIAS

ARIAS

"ng# $es%s Puerta

"ng# Samanda &an'anilla

(2)

DISEÑO DE TANQUES ATMOSFERICOS DISEÑO DE TANQUES ATMOSFERICOS

Los tan(ues son dep)sitos dise*ados para almacenar l+(uidos  gases# Se Los tan(ues son dep)sitos dise*ados para almacenar l+(uidos  gases# Se presentan de orma cil+ndrica, a.iertos  es/ricos, con diersas dimensiones presentan de orma cil+ndrica, a.iertos  es/ricos, con diersas dimensiones de acuerdo a la capacidad de almacenae# ntre las categor+as de tan(ues, de acuerdo a la capacidad de almacenae# ntre las categor+as de tan(ues, eisten tres generales4

eisten tres generales4

 5an(ues atmos/ricos#5an(ues atmos/ricos#  5an(ues de .aa presi)n#5an(ues de .aa presi)n#  5an(ues de alta presi)n#5an(ues de alta presi)n#

Los Tanques A!os"#$%&os

Los Tanques A!os"#$%&os, son los tipos de tan(ues de almacenae ms, son los tipos de tan(ues de almacenae ms comunes,

comunes, tienen una presi)n dtienen una presi)n de hasta 2,! psig, usualmene hasta 2,! psig, usualmente son construidos ente son construidos en acero pero tam.i/n los ha de P7C Policloruro de 7inilo o en :;P Pol+meros acero pero tam.i/n los ha de P7C Policloruro de 7inilo o en :;P Pol+meros ;eor'ados con :i.ra#

;eor'ados con :i.ra#

Los Tanques 'e Ba(a P$es%)n

Los Tanques 'e Ba(a P$es%)n, estn dise*ados desde presiones internas, estn dise*ados desde presiones internas desde la atmos/rica hasta 1! psig, el material de construcci)n de este tipo de desde la atmos/rica hasta 1! psig, el material de construcci)n de este tipo de tan(ue es el acero, sin em.argo, tam.i/n los ha a.ricados en P7C  :;P tan(ue es el acero, sin em.argo, tam.i/n los ha a.ricados en P7C  :;P pero son menos comunes#

pero son menos comunes# Los

Los TTanqanques ues 'e 'e A*A*a a P$eP$es%)s%)n+n+ eseste te titipo po de de tatan(n(ue ue esest t didisese*a*ado do paparara presiones de operaci)n por encima de 1! psig#

presiones de operaci)n por encima de 1! psig# <tro m/todo para

<tro m/todo para la clasiicaci)n de 5la clasiicaci)n de 5an(ues es el an(ues es el siguientesiguiente,, a-. Tanques 'e Te&/o F%(o,

a-. Tanques 'e Te&/o F%(o, son usados para almacenar crudos  productos son usados para almacenar crudos  productos inlama.les, (ue tengan .aa presi)n de apor  (ue no presenten p/rdida por inlama.les, (ue tengan .aa presi)n de apor  (ue no presenten p/rdida por eaporaci)n# Son generalmente de orma c)nica# Poseen dispositios en el eaporaci)n# Son generalmente de orma c)nica# Poseen dispositios en el techo, para desaloar la presi)n ecesia durante la recepci)n de productos, o techo, para desaloar la presi)n ecesia durante la recepci)n de productos, o para mantener la presi)n interna en caso de .om.eo# =ctualmente, los techos para mantener la presi)n interna en caso de .om.eo# =ctualmente, los techos c)nicos estn siendo sustituidos por techos de orma geod/sica, los cuales c)nicos estn siendo sustituidos por techos de orma geod/sica, los cuales orecen maor ida %til

orecen maor ida %til

0-. Tanques 'e Te&/o F*oane,

0-. Tanques 'e Te&/o F*oane, se utili'an para almacenar productos oltiles se utili'an para almacenar productos oltiles como natas  gasolinas, en donde la unci)n del techo es la de eitar la como natas  gasolinas, en donde la unci)n del techo es la de eitar la ormaci)n de apores, al lotar so.re la parte superior del l+(uido# ste tipo de ormaci)n de apores, al lotar so.re la parte superior del l+(uido# ste tipo de tan(ue tiene como o.etio, eitar la p/rdida del producto por eaporaci)n  tan(ue tiene como o.etio, eitar la p/rdida del producto por eaporaci)n  propagaci)n de la ecitaci)n de la electricidad esttica#

propagaci)n de la ecitaci)n de la electricidad esttica# &-. Tanques 'e Do0*e Te&/o, F*oane 1

&-. Tanques 'e Do0*e Te&/o, F*oane 1

Do!o-Son utili'ados para almacenar productos oltiles e inlama.les nocios a la Son utili'ados para almacenar productos oltiles e inlama.les nocios a la salud, de.ido a la concentraci)n del >

salud, de.ido a la concentraci)n del > 22S# ste tipo de tan(ue tiene la inalidadS# ste tipo de tan(ue tiene la inalidad de eitar4

de eitar4

 P/rdida por eaporaci)n#P/rdida por eaporaci)n#  Contaminaci)n del am.iente#Contaminaci)n del am.iente#

(3)

DISEÑO DE TANQUES ATMOSFERICOS DISEÑO DE TANQUES ATMOSFERICOS

Los tan(ues son dep)sitos dise*ados para almacenar l+(uidos  gases# Se Los tan(ues son dep)sitos dise*ados para almacenar l+(uidos  gases# Se presentan de orma cil+ndrica, a.iertos  es/ricos, con diersas dimensiones presentan de orma cil+ndrica, a.iertos  es/ricos, con diersas dimensiones de acuerdo a la capacidad de almacenae# ntre las categor+as de tan(ues, de acuerdo a la capacidad de almacenae# ntre las categor+as de tan(ues, eisten tres generales4

eisten tres generales4

 5an(ues atmos/ricos#5an(ues atmos/ricos#  5an(ues de .aa presi)n#5an(ues de .aa presi)n#  5an(ues de alta presi)n#5an(ues de alta presi)n#

Los Tanques A!os"#$%&os

Los Tanques A!os"#$%&os, son los tipos de tan(ues de almacenae ms, son los tipos de tan(ues de almacenae ms comunes,

comunes, tienen una presi)n dtienen una presi)n de hasta 2,! psig, usualmene hasta 2,! psig, usualmente son construidos ente son construidos en acero pero tam.i/n los ha de P7C Policloruro de 7inilo o en :;P Pol+meros acero pero tam.i/n los ha de P7C Policloruro de 7inilo o en :;P Pol+meros ;eor'ados con :i.ra#

;eor'ados con :i.ra#

Los Tanques 'e Ba(a P$es%)n

Los Tanques 'e Ba(a P$es%)n, estn dise*ados desde presiones internas, estn dise*ados desde presiones internas desde la atmos/rica hasta 1! psig, el material de construcci)n de este tipo de desde la atmos/rica hasta 1! psig, el material de construcci)n de este tipo de tan(ue es el acero, sin em.argo, tam.i/n los ha a.ricados en P7C  :;P tan(ue es el acero, sin em.argo, tam.i/n los ha a.ricados en P7C  :;P pero son menos comunes#

pero son menos comunes# Los

Los TTanqanques ues 'e 'e A*A*a a P$eP$es%)s%)n+n+ eseste te titipo po de de tatan(n(ue ue esest t didisese*a*ado do paparara presiones de operaci)n por encima de 1! psig#

presiones de operaci)n por encima de 1! psig# <tro m/todo para

<tro m/todo para la clasiicaci)n de 5la clasiicaci)n de 5an(ues es el an(ues es el siguientesiguiente,, a-. Tanques 'e Te&/o F%(o,

a-. Tanques 'e Te&/o F%(o, son usados para almacenar crudos  productos son usados para almacenar crudos  productos inlama.les, (ue tengan .aa presi)n de apor  (ue no presenten p/rdida por inlama.les, (ue tengan .aa presi)n de apor  (ue no presenten p/rdida por eaporaci)n# Son generalmente de orma c)nica# Poseen dispositios en el eaporaci)n# Son generalmente de orma c)nica# Poseen dispositios en el techo, para desaloar la presi)n ecesia durante la recepci)n de productos, o techo, para desaloar la presi)n ecesia durante la recepci)n de productos, o para mantener la presi)n interna en caso de .om.eo# =ctualmente, los techos para mantener la presi)n interna en caso de .om.eo# =ctualmente, los techos c)nicos estn siendo sustituidos por techos de orma geod/sica, los cuales c)nicos estn siendo sustituidos por techos de orma geod/sica, los cuales orecen maor ida %til

orecen maor ida %til

0-. Tanques 'e Te&/o F*oane,

0-. Tanques 'e Te&/o F*oane, se utili'an para almacenar productos oltiles se utili'an para almacenar productos oltiles como natas  gasolinas, en donde la unci)n del techo es la de eitar la como natas  gasolinas, en donde la unci)n del techo es la de eitar la ormaci)n de apores, al lotar so.re la parte superior del l+(uido# ste tipo de ormaci)n de apores, al lotar so.re la parte superior del l+(uido# ste tipo de tan(ue tiene como o.etio, eitar la p/rdida del producto por eaporaci)n  tan(ue tiene como o.etio, eitar la p/rdida del producto por eaporaci)n  propagaci)n de la ecitaci)n de la electricidad esttica#

propagaci)n de la ecitaci)n de la electricidad esttica# &-. Tanques 'e Do0*e Te&/o, F*oane 1

&-. Tanques 'e Do0*e Te&/o, F*oane 1

Do!o-Son utili'ados para almacenar productos oltiles e inlama.les nocios a la Son utili'ados para almacenar productos oltiles e inlama.les nocios a la salud, de.ido a la concentraci)n del >

salud, de.ido a la concentraci)n del > 22S# ste tipo de tan(ue tiene la inalidadS# ste tipo de tan(ue tiene la inalidad de eitar4

de eitar4

 P/rdida por eaporaci)n#P/rdida por eaporaci)n#  Contaminaci)n del am.iente#Contaminaci)n del am.iente#

(4)

ntre los techos, eiste una capa de nitr)geno para neutrali'ar el >

ntre los techos, eiste una capa de nitr)geno para neutrali'ar el > 2 2 S (ueS (ue e

ececede de el el tetechcho o llototanantete, , el el nitnitr)r)gegeno no es es susumimininiststrarado do popor r ununa a llululaa controladora e indicadora de presi)n P"C#

controladora e indicadora de presi)n P"C# '-. Tanques A0%e$os o S%n

'-. Tanques A0%e$os o S%n

Te&/o-Son los tan(ues construidos a cielo a.ierto, tipo represas  se utili'an para Son los tan(ues construidos a cielo a.ierto, tipo represas  se utili'an para almacenar grandes cantidades de productos (ue no

almacenar grandes cantidades de productos (ue no sean oltiles#sean oltiles# e-. Tanques 'e Fo$!a

e-. Tanques 'e Fo$!a

Es"#$%&a-Son los tan(ues utili'ados para almacenar productos .isicos ?as-L+(uido, Son los tan(ues utili'ados para almacenar productos .isicos ?as-L+(uido, (ue op

(ue operan a peran a presi)resi)n maon maor r (ue la a(ue la atmostmos/rica# /rica# l coml comportaportamientmiento de laso de las mol/culas se encuentra en constante moimiento circular, ocupando todo el mol/culas se encuentra en constante moimiento circular, ocupando todo el espacio (ue lo contiene#

espacio (ue lo contiene#

"-. Tanques &on Te&/o 1 Fon'o "-. Tanques &on Te&/o 1 Fon'o

C)n&a2o-ste tan(ue est dise*ado para almacenar productos con altas presiones, los ste tan(ue est dise*ado para almacenar productos con altas presiones, los cuales pueden ser eercidos por l+(uidos @o gases# stos tipos de tan(ues son cuales pueden ser eercidos por l+(uidos @o gases# stos tipos de tan(ues son de menor tama*o (ue los anteriores 

de menor tama*o (ue los anteriores  se utili'an maormente en las plantas dese utili'an maormente en las plantas de reinaci)n cumpliendo unciones de tam.or acumulador o

reinaci)n cumpliendo unciones de tam.or acumulador o tan(ue de epansi)n#tan(ue de epansi)n# Se presentan en orma ertical u

Se presentan en orma ertical u hori'ontal con .otas @o domos#hori'ontal con .otas @o domos# Pa$es 'e un Tanque 'e Te&/o F%(o,

Pa$es 'e un Tanque 'e Te&/o F%(o, a-. Bo&a 'e a"o$o,

a-. Bo&a 'e a"o$o, es la a.ertura u.icada en el techo del tan(ue, (ue permite es la a.ertura u.icada en el techo del tan(ue, (ue permite las la.ores de aoraci)n# = partir de la .oca de aoro, se determina la altura de las la.ores de aoraci)n# = partir de la .oca de aoro, se determina la altura de reerencia o el punto de aoraci)n del tan(ue# La .oca de aoro, se le conoce reerencia o el punto de aoraci)n del tan(ue# La .oca de aoro, se le conoce tam.i/n como clara .oa#

tam.i/n como clara .oa# 0-. Res3%$a'e$o,

0-. Res3%$a'e$o, son dispositios u.icados en el techo del tan(ue, el cual son dispositios u.icados en el techo del tan(ue, el cual imp

impide ide la la acuacumulmulaciaci)n )n de de prepresi)si)n n ececesiesia a al al reareali'li'arsarse e la la opeoperacraci)n i)n dede llenado# =dems permite la entrada de aire cuando el tan(ue est siendo llenado# =dems permite la entrada de aire cuando el tan(ue est siendo aciado, para eitar deormaciones#

aciado, para eitar deormaciones# &-. Ro!3e V%eno

&-. Ro!3e V%eno4 es una estructura metlica, en orma de alla, (ue permite4 es una estructura metlica, en orma de alla, (ue permite al aorador eectuar su la.or sin interrupci)n del iento# La misma posee una al aorador eectuar su la.or sin interrupci)n del iento# La misma posee una regla cali.rada para iar los nieles en el cordel para la toma de muestras# regla cali.rada para iar los nieles en el cordel para la toma de muestras# stos rompe 

stos rompe ientos solo eisteientos solo eisten en n en los tan(ues dlos tan(ues de techo io#e techo io# '-. Bo&a 'e Ins3e&&%)n o 'e V%s%a,

'-. Bo&a 'e Ins3e&&%)n o 'e V%s%a, es la estructura metlica .ridada, (ue es la estructura metlica .ridada, (ue permite el pase de personal al interior en caso de mantenimiento o reparaci)n permite el pase de personal al interior en caso de mantenimiento o reparaci)n del tan(ue#

del tan(ue# e-. Boqu%**as,

e-. Boqu%**as, es una punta de l+nea .ridada, u.icada en la parte inerior del es una punta de l+nea .ridada, u.icada en la parte inerior del tan(ue, el cual permite la instalaci)n de una tu.er+a auiliar para el drenae del tan(ue, el cual permite la instalaci)n de una tu.er+a auiliar para el drenae del ondo en caso de mantenimiento#

(5)

"-. Te$!o3o4o, espacio de la pared del tan(ue donde est u.icado

el termocupla de medici)n  transmisi)n de temperatura a la sala de control# =dems posee un indicador de temperatura, u.icado en la parte eterior del

tan(ue#

5-. L6nea 'e D$ena(e, es una instalaci)n u.icada mu cerca del ondo de los tan(ues, (ue permite desaloar el agua de los crudos  productos#

/-. L6neas 'e en$a'a 1 sa*%'a, son tu.er+as dise*adas para almacenar o transerir crudos  productos# =m.as l+neas estn u.icadas cerca del ondo del tan(ue cumpliendo con las normas de seguridad#

E7EMPLO4 Dise*ar un tan(ue atmos/rico para almacenar .enceno por 1! d+as a las siguientes condiciones4

D%a5$a!a 'e* Equ%3o:

T%e!3o 'e A*!a&ena!%eno, l tiempo de almacenamiento seleccionado ha sido de 1! D+as# 5iempo suiciente para no perder la continuidad del proceso,  la reposici)n de dicho compuesto#

T%3o 'e Tanque a U%*%4a$, Para conocer el tipo de tan(ue a utili'ar, se de.e hallar la presi)n de apor de la sustancia a alimentar a la temperatura de almacenamiento# La presi)n de apor es generalmente el criterio decisio para elegir el tipo de tan(ueA por eemplo, para .aas presiones se recomienda elegir un tan(ue tipo ?1 o ?2, para presiones ms eleadas, se recomienda elegir tan(ues tipo ?3#

Presi)n de 7apor del Benceno a la temperatura de =lmacenamiento4

La epresi)n para el clculo de la presi)n de apor del Benceno a una temperatura determinada es4

logP=-B@5C 6#90!-1211#03@220#95

La 5emperatura de <peraci)n es E0 FC# La presi)n de 7apor calculada para este alor de 5emperatura, es 182#8 mm>g 0#2E atm#

Para esta presi)n se recomienda escoger un 5an(ue del 5ipo ?2#

T – 101 F = 2550 kg/h ρ =859 kg/m3 T= 40 °C P= 1 atm Benceno

(6)

C8*&u*o 'e *a &a3a&%'a' 'e* anque,

La capacidad del tan(ue se calcula por medio de la cuaci)n4

 

 : t

C

Donde4

C es la capacidad del tan(ue, m3_#

: es la elocidad &sica del luido para almacenar, Gg@h#

_{s la densidad olum/trica del luido para almacenar, Gg@m}3_#

t es el tiempo de almacenamiento del luido, h# La capacidad calculada para este tan(ue es4

859 360 * 2550  C  1069 m3

Ca3a&%'a' $ea* 'e* anque, La capacidad o.tenida para el tan(ue de.e aproimarse a una capacidad ta.ulada, para de esta manera, poder tomar los datos disponi.les en la .i.liogra+a# =dems, esto permite dise*ar con un porcentae de so.redise*o si se escoge una capacidad por encima de la calculada# La capacidad ms pr)ima por encima de la calculada es de 1220 m3_{# Hna e' seleccionada esta capacidad, se pueden o.tener el porcentae de}

so.redise*o#

C8*&u*o 'e* Po$&ena(e 'e So0$e'%se9o, l porcentae de so.redise*o se puede calcular en .ase a la capacidad calculada  su dierencia con la capacidad real4 Iso.redise*o  C C Creal  J100 Iso.redise*o  1220 1069 1220_ J1001EI D%!ens%)n 'e *as &/a3as,

K%mero de las chapas por irola4 K   2 * D  6 2 12 * _   chapas D12 m

=ltura del cuerpo 10#8 m =ltura de la chapa 1#8 m

2



es el ancho de una irola

K%mero de irolas del cuerpo4 10#8@1#8 6 irolas K%mero total de chapas4

irolas

ch K K

K  

(7)

Es3eso$ 'e* anque 1 !ae$%a* a u%*%4a$,

Para determinar el espesor de pared se de.e conocer la presi)n  temperatura de dise*o del e(uipo, donde la primera estar comprendida por la presi)n de apor del compuesto as+ como de la presi)n hidrosttica del l+(uido, esto en ista (ue el almacenamiento se dar en condiciones atmos/ricas#

PopPghPatm)serica 0#2E8!9J9#8J10#8@1013001 Pop2#1E atm

Pdise*o1#1!J2#1E 2#E6 atm 1!I so.redise*o Pmanom/trica dise*o 2#E6J1E#-1E# 21#E6 psig

5emperatura de dise*o 121FC temp operaci)n E0FCM 93FC

Seg%n la ta.la de resistencia (u+mica de los materiales, se tiene (ue para el compuesto a almacenar, se puede utili'ar acero, (ue tienen una .uena resistencia para contenerlo# Se emplear como material de ela.oraci)n del tan(ue acero al car.ono C-Si, numero S=-!16, grado !! cuo alor de esuer'o seg%n la reerencia es de 13800psi# Puede entonces calcularse el espesor del material# n .ase a los tipos de ustas soldadas, se asume un alor de la eiciencia  de la unta de 0,8! suponiendo (ue el material ue radiograiado por 'onas, para colocar un pe(ue*o so.redise*o al e(uipo, mientras (ue seg%n el mismo autor, c es el margen de corrosi)n cuo alor satisactorio para recipientes es de 0,12! pulg# e Ec Pmag S D Pmag _ ₀_.₈_* * * 2 *   e mm pulg 14.2 56 . 0 125 . 0 46 . 21 * 8 . 0 85 . 0 * 13800 * 2 4 . 472 * 46 . 21    

D%!ens%ones 'e* Tanque T.:;:

Capacidad, m3 ₁₂₂₀

Dimetro, m 12

=ltura del cuerpo, m 10#8

Supericie del ondo, m2 _113#1

:orma del techo s/rico, lecha 1@12

structura Sin pies derechos

=ngulo de ca.e'a, mm 0J0J

5echoespesor de chapa, mm !

:ondoespesor de chapa,

mm 8

spesor del cuerpo, mm 1E#2

K%mero de chapas totales 36

5ipo ?2cil+ndrico ertical

(8)

DISEÑO DE SEPARADORES

n el caso de me'clas aporNl+(uido, la me'cla de ases entra al separador , si eiste, choca contra un aditamento interno u.icado en la entrada, lo cual hace (ue cam.ie el momentum de la me'cla, proocando as+ una separaci)n gruesa de las ases# Seguidamente, en la secci)n de decantaci)n espacio li.re del separador, act%a la uer'a de graedad so.re el lu+do permitiendo (ue el l+(uido a.andone la ase apor  caiga hacia el ondo del separador secci)n de acumulaci)n de l+(uido# sta secci)n proee del tiempo de retenci)n suiciente para (ue los e(uipos aguas a.ao pueden operar satisactoriamente , si se ha tomado la preisi)n correspondiente, li.erar el l+(uido de las .ur.uas de gas atrapadas# n el caso de separaciones (ue incluan dos ases l+(uidas, se necesita tener un tiempo de residencia adicional, dentro del tam.or, lo suicientemente alto para la decantaci)n de una ase l+(uida pesada,  la Olotaci)n de una ase l+(uida liiana Kormalmente, pueden identiicarse cuatro 'onas principales en los separadores

Se3a$a&%)n 3$%!a$%a

l cam.io en la cantidad de moimiento de las ases a la entrada del separador genera la separaci)n gruesa de las ases# sta 'ona inclue las .o(uillas de entrada  los aditamentos de entrada, tales como delectores ) distri.uidores# Se3a$a&%)n se&un'a$%a

Durante la separaci)n secundaria se o.seran 'onas de ase continua con gotas dispersas ase discontinua, so.re la cual act%a la uer'a de graedad# sta uer'a se encarga de decantar hasta cierto tama*o de gotas de la ase pesada discontinua en la ase liiana continua# 5am.i/n produce la lotaci)n de hasta un cierto tama*o de gotas de la ase l+(uida liiana ase discontinua, en la ase pesada continua# n esta parte del recipiente la ase liiana se muee a una elocidad relatiamente .aa  con mu poca tur.ulencia#

Se3a$a&%)n 3o$ &oa*es&en&%a

n ciertas situaciones, no es acepta.le (ue gotas mu inas de la ase pesada discontinua sean arrastradas en la ase liiana4 por ello es necesario (ue, por coalescencia, tales gotas inas alcancen un tama*o lo suicientemente grande para separarse por graedad4 para lograrlo se hace necesario tener elementos como los eliminadores de nie.la ) &allas para el caso de separadores l+(uidoN apor, o las esponas o platos coalescedores, en el caso de la separaci)n l+(uidoNl+(uido

Re&o*e&&%)n 'e *as "ases *6qu%'as

Las ases l+(uidas a separadas re(uieren de un olumen de control  emergencia para una operaci)n conia.le  segura de los e(uipos aguas a.ao#

(9)

Para audar al proceso de separaci)n @) impedir pro.lemas de

operaci)n aguas a.ao del e(uipo separador, dentro del tam.or se incluen ciertos aparatos, los cuales sern conocidos gen/ricamente como O"nternos# ntre los internos ms usados se tienen4

N De"*e&o$es < D%s$%0u%'o$es < C%&*ones 'e en$a'a4 stos aditamentos internos adosados a las .o(uillas de entrada, se emplean para producir un cam.io de cantidad de moimiento o de direcci)n de luo de la corriente de entrada,  as+ producir la primera separaci)n mecnica de las ases, adems de generar en el caso de los distri.uidores, un patr)n de luo dentro del recipiente (ue acilite la separaci)n inal de las ases, reduciendo posi.lemente el tama*o de la .o(uilla de entrada , en cierta medida, las dimensiones del e(uipo mismo#

N E*%!%na'o$es 'e N%e0*a4 Los eliminadores de nie.la son aditamentos para eliminar pe(ue*as gotas de l+(uido (ue no pueden ser separadas por la simple acci)n de la graedad en separadores aporNl+(uido# ntre los dierentes tipos eistentes, destacan las mallas de alam.re ) plstico, conocidos popularmente como Odemisters ) O&allas

N Ro!3e 2)$%&es4 stn adosados internamente a las .o(uillas de l+(uido,  su unci)n es eitar el arrastre de .ur.uas de apor@gas en la corriente l+(uida (ue dea el tam.or#

C*as%"%&a&%)n 1 'es&$%3&%)n 'e *os se3a$a'o$es

Los separadores pueden clasiicarse, seg%n su orma en4 N Separadores cil+ndricos

N Separadores es/ricos

N Separadores de dos .arriles

5am.i/n los separadores cil+ndricos pueden clasiicarse seg%n su orientaci)n en4

N Separadores erticales N Separadores hori'ontales

Cons%'e$a&%ones 5ene$a*es %!3o$anes,

 Separadores de l+(uido son usualmente hori'ontales# Separadores

?as-li(uido son generalmente erticales

 ;elaci)n )ptima Largo@Dimetro es de 2,! a !

 l tiempo de residencia para tam.ores de reluo es de ! minutos

 Los separadores li(uido-li(uido de.en ser dise*ados para elocidades

de 2 a 3 plg@min

 7elocidad del gas en separadores gas-li(uido  G

5 , 0          vap vap liq   

(10)

E7EMPLO, Dise*ar un separador ertical (ue tiene como o.etio

separar la racci)n de apor del cloro (ue sale de un apori'ador# Las condiciones son las siguientes4

D%a5$a!a 'e* Equ%3o:

D%se9o 'e* Se3a$a'o$, 7elocidad terminal stoGes4

H5 G        V V L    _0#!

A G0#3! para separadores hori'ontales  G0,1 para separadores erticales H5 0#1        82 . 0 82 . 0 1 . 91 _0#!  1#86 pie@s A H7  0#!H5  1#E pie@s Caudal apor4 Q7  3,62 pie3@s

Dimetro del separador

D7        4 . 1 * 62 . 3 * 4 

0#! _{ 1#8 pie A} _{Rrea  2#!E pie}2

Caudal l+(uido4 QL  2#0 pie3@min

5>  !1 !min A 7>  2#0 pie3@minJ!min  10#3! pie3

V-101 F = 9,5 t/h P = 1,5 barg T = -1 ºC !"#la $-V Cl%r% F = 4,9 t/h T = 4%C P = 3 barg Cl%r% $&'(&)% F = 4,6 t/h T = 4 %_C P = 3 barg Cl%r% ga*

(11)

5s  21  2minA 7s  2#02  E#1E pie3

=lturas4

>h  10,3! pie3_{@2,!E pie}2_{ E,0 pie}

>s  E,1E pie3_{@2,!E pie}2_{ 1,63 pie}

>LLL  1! plg  1#2! pie

>L"K  12  0#32  12#32 plg  con delector interno  1#03 pie

>D  36  0#!0#32  36#16 plg  3#01 pies

>5otal  1#2!  E#0  1#63  1#03  3# 01 11 pies

spesor 4 Pop  E atm A Pdise*o  1,2Eatm  E,8 atm 20I so.redise*o Pman dise*o  !!,9   0,125 lg + 9 , 55  2 , 1 + 85 , 0 + 13800  2 lg+ 6 , 21 + 9 , 55  p psig psi p psig _   0,18 plg  E,! mm D%!ens%ones Se3a$a'o$ V.:;: Pa$8!e$o Va*o$ Diametro 1,8 pie =ltura 11 pies

spesor carca'a  ca.e'ales

semies/ricos E,! mm

(12)

DISEÑO DE INTERCAMBIADORES CARCAZA = TUBO Ine$&a!0%a'o$es 'e* %3o u0o 1 &a$&a4a

ste es el tipo de intercam.iador (ue se utili'a com%nmente en las reiner+as# Ko es caro, es cil de limpiar  relatiamente cil de construir en dierentes tama*os  puede ser dise*ado para presiones desde moderadas a altas, sin (ue ar+e sustancialmente el costo# &ecnicamente resistente para soportar las tensiones a la cual es sometido durante la etapa de a.ricaci)n, el en+o, montae e instalaci)n en sitioA  los esuer'os eternos e internos en las condiciones normales de operaci)n, de.ido a los cam.ios en temperatura  presi)n# :cil de mantener  reparar a(uellas partes suetas a allas recuentes, tu.os  empacaduras, son ciles de reempla'ar# =dicionalmente, la disponi.ilidad de .uenos procedimientos de dise*o, de eperticia  de acilidades de a.ricaci)n, aseguran el dise*o  construcci)n eitoso de este tipo de intercam.iadores, conirti/ndoles en la primera opci)n a seleccionarse para un proceso de transerencia de calor# l intercam.iador de tu.o  carca'a consiste de un ha' de tu.os paralelos encerrados en un estuche cil+ndrico llamado carca'a#

>a tres tipos .sicos de intercam.iadores de tu.o  carca'a, dependiendo del m/todo utili'ado para mantener los tu.os dentro de l a carca'a# l primero es el de tipo io o %ne$&a!0%a'o$es 'e 3*a&a 'e u0os "%(a o 'e &a0e4a* "%(o- n este caso, el e(uipo tiene tu.os rectos, asegurados en am.os etremos en placas de tu.os soldados a la carca'a# n este tipo de construcci)n, algunas eces es necesario incorporar en la carca'a una unta de epansi)n o una unta de empa(ues, de.ido a la epansi)n dierencial de la carca'a  los tu.os# sta epansi)n se de.e a la operaci)n del e(uipo a dierentes temperaturas  a la utili'aci)n de dierentes materiales en la construcci)n# La necesidad de esta unta es determinada tanto por la magnitud de la epansi)n dierencial como

del ciclo operatio esperado# Cuando no se re(uieren estas untas o empacaduras, el e(uipo orece el mimo de protecci)n contra la uga del li(uido contenido en la carca'a# l ha' de tu.os no puede ser remoido para inspecci)n  limpie'a, pero el ca.e'al en el lado de los tu.os, las empacaduras, la cu.ierta del canal, etc# son accesi.les para mantenimiento  reempla'o de las partes# La carca'a puede ser limpiada por retrolaado o (u+micamente# Los intercam.iadores de ca.e'al io son usados en sericios donde el luido de la carca'a es un luido limpio, como apor de agua, rerigerante, gases, cierto tipo de agua de enriamiento, etc#

l segundo tipo de intercam.iadores de tu.o  carca'a utili'a tu.os en orma de H, con am.os etremos de los tu.os suetados a una placa de tu.os simple, eliminndose as+ los pro.lemas de epansi)n dierencial por(ue los tu.os pueden epandirse  contraerse li.remente, la orma de H a.sor.e estos cam.ios# = estas unidades se les denomina %ne$&a!0%a'o$es &on u0os en U- l ha' de tu.os puede ser remoido de la carca'a para inspecci)n  limpie'aA pero la limpie'a mecnica interna de los tu.os  su reempla'o es di+cil, por lo (ue este tipo de intercam.iadores es usualmente aplica.le en

(13)

sericios limpios o cuando la limpie'a (u+mica es eectia# l costo

de estas unidades a presi)n .aa es aproimadamente igual al de las unidades de ca.e'al io, pero a presi)n alta es signiicatiamente mas .arato, por lo (ue es mu usado en este tipo de aplicaci)n#

l tercer tipo de intercam.iadores de tu.o  carca'a, al igual (ue las unidades de ca.e'al io, presenta dos placas de tu.os, pero con solo una de ellas soldada a la carca'a  la otra moi/ndose li.remente,  as+ eitando los pro.lemas de epansi)n dierencial# = este dise*o se le conoce como %ne$&a!0%a'o$es 'e &a0e4a* "*oane# l ha' de tu.os de este tipo de intercam.iador puede remoerse para mantenimiento  para la limpie'a mecnica de la carca'a  los tu.os, tam.i/n, pueden ser limpiados mecnicamente tanto en su eterior como en su interior# l dise*o de ca.e'al lotante es mas caro apro# en un 2!I (ue el dise*o de ca.e'al io,  es apropiado para sericios asociados a altas temperatura  presiones, pero limitado a a(uellos sericios donde la uga del luido contenido en la carca'a es tolera.le#

Cons%'e$a&%ones 5ene$a*es %!3o$anes

 Para la ecuaci)n Q  H=: L&5D usar :  0,9 ms com%n

 La coniguraci)n de luo ms usual es de un 1 paso por carca'a  dos

2 pasos por tu.os 1-2

 Los tu.os ms usados son de  plg 1,9 cm de dimetro eterno en un

espaciado triangulas de 1 plg con 16 pies E,9 m de largo#

 Los intercam.iadores carca'a  tu.o se usan para areas de intercam.io

de calor maores de 20 m2

 Las elocidades t+picas por los tu.os son4 3 a 10 pie@s 1 a 3 m@s para

l+(uidos  30 a 100 pie@s 9 a 30 m@s para gases

 Los luidos (ue son corrosios, sucios  a altas presiones de.er+an

colocarse en el lado de los tu.os# Los luidos iscosos  condensantes se de.en colocar en el lado de la carca'a#

 Las ca+das de presi)n de.en estar en el rango de 3 a 10 psia

 La dierencia m+nima de temperatura para intercam.iadores de calor

carca'a  tu.o de.e ser de ! a 10 TC

 l espaciado de delectores ms usual es de 0,E M Dc M 0,6 con un corte

del 2! al 3! I Ba*an&e 'e ene$56a

Para el dise*o de un intercam.iador de calor es esencial relacionar la transerencia total de calor con dierentes aria.les tales como las temperaturas de entrada  salida de los luos, el coeiciente glo.al de transerencia de calor  el rea total de intercam.io# n particular si m es la masa del luido caliente  r+o, Cp la capacidad calor+ica de los luidos  Q es la

transerencia total de calor entre el luido caliente  el r+o, las potencias cedidas o a.sor.idas por las dos corrientes pueden calcularse mediante las siguientes ecuaciones4

(14)

Qc  mc Cp,c 5c,e N 5c,s

Q  m #Cp, 5,s N 5,e

Siendo los su.+ndices c   los correspondientes a los luidos caliente  r+o respectiamente  los su.+ndices e  s a las secciones de entrada  salida del intercam.iador respectiamente# ste .alance se puede aplicar si se considera desprecia.le la transerencia de calor entre el intercam.iador  sus alrededores as+ como los cam.ios de energ+a potencial  cin/tica de los luidos, no eisten cam.ios de ase de los mismos  sus calores espec+icos se mantienen constantes#

Te!3e$au$a !e'%a *o5a$6!%&a 1 &oe"%&%ene 5*o0a* 'e $ans"e$en&%a 'e &a*o$

La relaci)n (ue se esta.lece entre el calor transerido  la dierencia de temperaturas ha de desarrollarse en unci)n del coeiciente glo.al de transerencia de calor H  el rea de intercam.io =# Sin em.argo, como la dierencia de temperatura ar+a con la posici)n en el intercam.iador es necesario tra.aar con la siguiente epresi)n4

Q  H#=# L&5D

Donde L&5D es la dierencia de temperatura media logar+tmica, (ue depende de la dierencia de temperatura en las regiones de entrada  salida de los dos luidos4 L&5D  + /  ₁ ₂ 2 1 T T Ln T T     

n el caso de intercam.iadores en contraluo4

U51  5c,e N 5,s  U52  5c,s N 5,e

E"%&%en&%a 'e un %ne$&a!0%a'o$

Se puede utili'ar la eiciencia de un intercam.iador como parmetro (ue mide la actuaci)n del intercam.iador en uncionamiento# La potencia mima (ue es capa' de disipar un intercam.iador se da cuando la temperatura de salida del luido r+o coincide con la entrada del luido caliente o la temperatura de entrada del luo r+o coincida con la salida del luido caliente rea de intercam.io ininita# La eiciencia (ueda deinida como la ra')n entre la transerencia real de calor  la transerencia de calor mima posi.le#

+  +  +  +  +  +  , , -& , , , , , -& , , , -a p ce f e s f e f f p f e f e c p s c e c c p c T T mC T T C m T T mC T T C m q q        

Por otro lado se deinen los parmetros K5H n%mero de unidades transeridas  Cr de la orma4

(15)

K5H  -& + mC _p UA Cr  -a -& +  +  p p mC mC

Cpmin Capacidad calor+ica de menor alor num/rico

De esta manera se o.tiene4

++ 1  ! 1 ++ 1  ! 1 r r r C NTU C C NTU         K5H  - _         1 1 1 1 r r C Ln C  

Lon5%u' 'e* Ine$&a!0%a'o$

5 1 15 1 _ _ L Dc Dc  Dimetro de la carca'a

L  Longitud del intercam.iador A$$e5*o 'e u0os 5 , 1 25 , 1   do Pt

Pt  distancia entre los centros de los tu.os do  dimetro eterno de los tu.os

D%8!e$o 'e *a &a$&a4a L do do Pt Ao Dc 2 637 , 0        =o  Rrea re(uerida N>!e$o 'e u0os L d Ao Nt o  

C8*&u*o 'e Coe"%&%enes G*o0a*es 'e T$ans"e$en&%a 'e Ca*o$ ?L%!3%o 1 Su&%o@ o i o o i i o l h k d d d h d d U 1 2 + / l 1    o i o o i o o s h  k d d d d  d h d d U 1 2 + / l 1     

(16)

HL  Coeiciente ?lo.al de 5ranserencia de Calor Limpio

HS  Coeiciente ?lo.al de 5ranserencia de Calor Sucio

ho  Coeiciente de conecci)n eterno

hi Coeiciente de conecci)n interno

G  coeiciente de conducci)n do  dimetro eterno de carca'a

di  dimetro interno de carca'a

Coe"%&%ene 'e L%!3%e4a 1 Fa&o$ 'e Ensu&%a!%eno

C! U C!  s st   1 _st l s  U U   1 1

C:  Coeiciente de limpie'a  0,8! alor t+pico ;st  :actor de ensuciamiento total

So0$e'%se9o 'e* 8$ea

S=  100 HL#;st Ca6'a 'e P$es%)n  t pt " f N pt V N V D L f P 2 2 2 2             _5u.os   eq c pc c D D N f# N P  + 1  2 _    _{Carca'a}

  actor de ricci)n de :anning Kpt  Kumero de pasos por tu.os

V  :actor de p/rdidas

7  7elocidad por los tu.os

  densidad del luido

Kpc  Kumero de pasos por carca'a

K  Kumero de delectores Dc  Dimetro de carca'a

De(  Dimetro e(uialente

?  luo msico por unidad de rea

DISEÑO DE EVAPORADORES

La eaporaci)n es el proceso +sico por el cual una sustancia en estado l+(uido pasa al estado gaseoso, tras ha.er ad(uirido energ+a suiciente para encer la tensi)n supericial# = dierencia de la e.ullici)n, este proceso se produce a

(17)

cual(uier temperatura, siendo ms rpido cuanto ms eleada

a(u/lla# Ko es necesario (ue toda la masa alcance el punto de e.ullici)n# Cuando eiste un espacio li.re encima de un l+(uido calentndose, una racci)n de sus mol/culas est en orma gaseosa, al e(uili.rase, la cantidad de materia gaseosa deine la presi)n de apor saturante, la cual depende de la temperatura# Si la cantidad de gas es inerior a la presi)n de apor saturante, una parte de las mol/culas pasan de la ase l+(uida a la gaseosa4 eso es la eaporaci)n# 7ista como una operaci)n unitaria, la eaporaci)n es utili'ada para eliminar el apor ormado por e.ullici)n de una soluci)n l+(uida para as+ o.tener una soluci)n concentrada# n la gran maor+a de los casos, la eaporaci)n ista como operaci)n unitaria se reiere a la eliminaci)n de agua de una soluci)n acuosa#

l o.etio de la eaporaci)n es concentrar una soluci)n consistente en un soluto no oltil  un solente oltil# n la maor parte de las eaporaciones, el solente es agua# La eaporaci)n se reali'a apori'ando una parte del solente para producir una soluci)n concentrada de licor espeso# La eaporaci)n diiere del secado en (ue el residuo es un l+(uido a eces altamente iscoso en e' de un s)lidoA diiere de la destilaci)n en (ue el apor es generalmente un solo componente,  a%n cuando el apor sea una me'cla, en la eaporaci)n no se intenta separar el apor en raccionesA diiere de la cristali'aci)n en (ue su inter/s reside en concentrar una soluci)n  no en ormar cristales# n la rontera entre eaporaci)n  cristali'aci)n dista mucho de ser n+tida# La eaporaci)n produce a eces una suspensi)n de cristales en un licor madre saturado#

n la eaporaci)n por lo general, el producto alioso es el l+(uido concentrado licor espeso mientras (ue el apor se condensa  se desecha# Sin em.argo, en un caso espec+ico es pro.a.le (ue ocurra lo contrario# l agua mineral se eapora con recuencia a in de o.tener un producto eento de s)lidos para la alimentaci)n de calderas, para procesos con re(uerimientos especiales o para el consumo humano# sta t/cnica se conoce con recuencia con el nom.re de destilaci)n de agua, pero t/cnicamente es eaporaci)n# Se han desarrollado procesos de eaporaci)n a gran escala (ue se utili'an para la recuperaci)n de agua pota.le a partir de agua de mar# n este caso, el agua condensada es el producto deseado# S)lo se recupera una racci)n del agua total contenida en la alimentaci)n, mientras (ue el resto se deuele al mar#

Ca$a&e$6s%&as 'e* *6qu%'o a e2a3o$a$

Concentraci)n4 aun(ue la soluci)n de alimentaci)n (ue entra como licor a un eaporador puede estar suicientemente diluida teniendo muchas de las propiedades +sicas del agua, a medida (ue aumenta la concentraci)n la soluci)n ad(uiere cada e' un carcter ms indiidualista# La densidad  la iscosidad aumentan con el contenido de s)lidos hasta (ue la soluci)n se

transorma en saturada o el licor se uele demasiado iscoso para una transerencia de calor adecuada# La e.ullici)n continuada de una soluci)n saturada da lugar a la ormaci)n de cristales, (ue es preciso separar, pues de lo contrario, los tu.os se o.struen# La temperatura de e.ullici)n de la soluci)n

(18)

puede tam.i/n aumentar en orma considera.le al aumentar el

contenido de s)lidos, de modo (ue la temperatura de e.ullici)n de una soluci)n concentrada puede ser mucho maor (ue la del agua a la misma presi)n#

:ormaci)n de espuma4 algunos materiales, en especial las sustancias orgnicas, orman espuma durante la apori'aci)n# Hna espuma esta.le acompa*a al apor (ue sale del eaporador, causando un uerte arrastre#

Sensi.ilidad a la temperatura4 muchos productos (u+micos inos, productos armac/uticos  alimentos se deterioran cuando se calientan a temperaturas moderadas durante tiempos relatiamente cortos# n la concentraci)n de estos materiales se necesitan t/cnicas especiales para reducir tanto la temperatura del l+(uido como el tiempo de calentamiento#

"ncrustaciones4 algunas soluciones depositan costras so.re la supericie de calentamiento# n estos casos, el coeiciente glo.al disminue progresiamente hasta (ue llega un momento en (ue es preciso interrumpir la operaci)n del eaporador  limpiar los tu.os#

&ateriales de construcci)n4 siempre (ue es posi.le, los eaporadores se construen con alg%n tipo de acero# Sin em.argo, muchas soluciones atacan a los metales errosos  se produce contaminaci)n# n estos casos se utili'an materiales especiales tales como co.re, n+(uel, acero inoida.le, aluminio, graito  plomo# De.ido a (ue los materiales son caros, resulta especialmente desea.le o.tener eleadas elocidades de transerencia de calor con el in de minimi'ar los costos del e(uipo#

Hn eaporador es un intercam.iador de calor entre luidos, de modo (ue mientras uno de ellos se enr+a, disminuendo su temperatura, el otro se calienta aumentando su temperatura, pasando de su estado l+(uido original a estado apor ca.iendo la posi.ilidad de un calentamiento ulterior, con lo (ue se dice (ue alcan'a el estado de apor so.recalentado# = in de cuentas un eaporador, es un intercam.iador de calor ms compleo, en el (ue adems de producirse el cam.io de ase pueden darse otros en)menos asociados a la concentraci)n de la disoluci)n, como la ormaci)n de s)lidos, la descomposici)n de sustancias# Los eaporadores se a.rican en mu diersos tama*os  con distintas disposiciones, siendo prousamente empleados en gran cantidad de procesos t/rmicos# Los eaporadores, de.en uncionar siempre a ac+o parcial, pues esta medida reduce la temperatura de e.ullici)n en la cmara de eaporaci)n# <tro punto a tener en cuenta es (ue cuando se procede a la instalaci)n de cascadas de etapas en serie, estas de.en de ir en ac+o sucesio, es decir en la cmara de cada eaporador de.e ha.er siempre menos presi)n (ue en el anterior,  en el primero de ellos siempre menos de la atmos/rica# De no ser as+ la eaporaci)n no tendr+a eecto

T%3os 'e e2a3o$a'o$es

(19)

a :luo ascendente pel+cula ascendente . :luo descendente pel+cula descendente c Circulaci)n or'ada

2 aporadores de tu.os cortos circulaci)n natural Cons%'e$a&%ones 5ene$a*es

 Los eaporadores ms comunes son de tu.o ertical largo con

circulaci)n natural o or'ada# l rango de tu.os a de  plg a 2,! plg 19 a 63 mm en dimetro  de 12 a 30 pies 3,6 a 9,1 m de largo

 7elocidades por los tu.os de circulaci)n or'ada son generalmente de

1! a 20 pie@s E,! a 6 m@s

 La leaci)n del Punto de .ullici)n BP es la dierencia entre la

temperatura de la soluci)n  la temperatura del apor saturado# BP maores de  F: 3,9 FC resulta en un eaporador de E a 6 eectos en serie#

 Las presiones inter-etapas pueden ser incrementadas con eectores 20

a 30I eiciencia o compresores mecnicos 0 a !I eiciencia

E7EMPLO, Hn eaporador de simple eecto ha de concentrar 20000 l.@h 900 Gg@h de una disoluci)n de hidr)ido s)dico al 20 por 100 hasta un !0 por 100 de s)lidos# La presi)n manom/trica del apor de agua ser 20 l.$pulgJ 1,3 atm  la presi)n a.soluta en el espacio de apor 100 mm >g 1,93 l.$pulg2# l coeiciente glo.al se estima (ue ser 2!0 Btu@pieW-h-O: 1E00 X@mW-<C# La temperatura de la alimentaci)n es 100 O: 3,8 OC# Calc%lese la cantidad de apor de agua consumido, la econom+a  la supericie de caleacci)n (ue se re(uiere#

SOLUCIN

La cantidad de agua eaporada se o.tiene a partir de un .alance de materia# La alimentaci)n contiene 80@20  E ". de agua por ". de s)lidoA la disoluci)n concentrada contiene !0@!0  1 ". de agua por ". de s)lido# La cantidad eaporada es E - 1   3 ". de agua por ". de s)lido, o sea 3  20 000  0,20  12 000 l.@h La elocidad de luo de disoluci)n concentrada ri' es 20000 - 12 000  8000 l.@h 3630 Gg@h#

Consumo de vapor de agua. La temperatura de apori'aci)n de la disoluci)n

de !0 por 100 a una presi)n de 100 mm >g se o.tiene como sigue# 5emperatura de e.ullici)n del agua a 100 mm >g  12E O:

5emperatura de e.ullici)n de la disoluci)n  19 O: leaci)n del punto de e.ullici)n  19 - 12E  3 O:

Las entalp+as de la alimentaci)n  de la disoluci)n concentrada se o.tienen a partir de la :igura4

(20)

=limentaci)n, 20 I de s)lidos, 100 O:4 HJ  !! Btu@l.

Disoluci)n concentrada, !0 I de s)lidos, 19 O:4 H  221 Btu@l.

La entalp+a del apor (ue a.andona el eaporador se o.tiene a partir de las ta.las del apor de agua# La entalp+a del apor de agua so.recalentado a 19 O:  1,93 1.$pulgW es 11E9 Btu@l., (ue es H, en la cuaci)n#

l calor de apori'aci)n del apor de agua 1, a una presi)n manom/trica de 20 l.@@pulgW, es 939 Btu@l.#

La elocidad de transmisi)n de calor  el consumo de apor de agua pueden o.tenerse ahora a partir de la cuaci)n 4

(  20 000 - 800011E9  8000  221 - 20000  !!  1E E!6 000 B5H@h 939 14456000  s m  1! E00 l.@h 6990 Gg@h

Economía. La econom+a es 12000@1!E00  0,8#

Superficie de calefacción. La temperatura de condensaci)n del apor de

agua es 2!9 O:# l rea de caleacci)n re(uerida es

   + 197 259  250 14456000

A _{930 pie}2_{86,E m}2_

Si la entalp+a del apor H, estuiese .asada en el apor saturado a la presi)n

del espacio de apor en e' del apor so.recalentado, la elocidad de transmisi)n de calor ser+a 1E#036#000 Btu@h E11!, GX  el rea de caleacci)n ser+a 906 pie2_{8E,2 m}2_{# Por tanto, la aproimaci)n introduce un}

error de solamente un 3 por 100#

(21)

stn deinidos como e(uipos donde se genera calor (ue se o.tiene

de la com.usti)n de com.usti.les, generalmente l+(uidos o gaseosos con el o+geno del aire# Hsualmente se suministra un m+nimo de aire en eceso# n el horno, los gases (ue resultan de la com.usti)n ocupan la maor parte del olumen de calentamiento# l horno contiene una o arias cmaras ormadas por una serie de tu.er+as o serpentines  por cuo interior circula el luido (ue se desea calentar con el calor (ue genera la com.usti)n#

En$e *as se&&%ones 'e *os /o$nos es8n *as s%5u%enes,

 Se&&%)n 'e Con2e&&%)n, es la secci)n por donde entra la carga a los

hornos  el calor se transiere por conecci)n con los gases de la com.usti)n, se utili'a para precalentar el luido (ue entra el horno# sta transerencia se da entre una supericie s)lida  un l+(uido o un gas#

 Se&&%)n 'e Ra'%a&%)n, en esta secci)n, el calor se transiere tanto por

radiaci)n en orma de ondas electromagn/ticas con la llama de los (uemadores como por conecci)n# sta secci)n se utili'a para llear la temperatura del luido (ue se calienta al alor deseado#

s importante resaltar (ue la dierencia .sica entre un horno con otra clase de intercam.iadores de calor es (ue el horno posee e(uipos de uego en su interior, las otras clases de intercam.iadores, no lo poseen# La unci)n principal de un horno es generar una cantidad espec+ica de calor a temperaturas relatiamente aprecia.les# ste calor es luego transerido a un luido sin producir so.recalentamiento de las partes (ue integran el horno#

C*as%"%&a&%)n 'e *os o$nos-:-. Se5>n su u%*%'a',

 o$no Re/e$2%'o$ 'e Co*u!na, su inalidad es eaporar parcialmente

el olumen de carga etra+do de una columna de destilaci)n# ?eneralmente , /ste reheridor, est compuesto de tres corrientes4

a-. Hna (ue llea el luido l+(uido de la columna al reheridor#

0-- <tra (ue llea el luido como una me'cla .isica l+(uido-apor del reheridor a la columna#

&-. n la maor+a de los casos, del reheridor sale otra corriente (ue llea parte del l+(uido a otra parte del sistema#

 o$no 'e a*%!ena&%)n 'e una Co*u!na 'e F$a&&%ona!%eno, se usa

para eaporar parcialmente olumen de una carga de raccionamiento# ?eneralmente, la corriente entra al horno en estado l+(uido saturado# Sin em.argo, en algunos casos, la corriente de entrada al horno puede contener una acci)n aprecia.le de apor# n las reiner+as de crudo se usa este tipo de horno en la alimentaci)n de las torres de destilaci)n atmos/rica# Los luidos entran al horno con temperaturas en el rango de 3!0 a E!0 T:  son lleadas a temperaturas en el rango de 6!0 a !0 T:# =ll+ se eapora alrededor de un 60I del olumen de carga  pasa a la

(22)

 o$no 3$e&a*ena'o$ 'e un Rea&o$ Qu6!%&o, se usa para

llear la temperatura del olumen de carga (ue sire de alimentaci)n a un reactor (u+mico# sto permite parte del control de la reacci)n (u+mica# Las ariaciones del olumen de carga, de alas presiones  temperaturas de uncionamiento del horno pueden ser aprecia.les# llo depende undamentalmente del tipo de proceso (ue se reali'a en el reactor (u+mico#

 o$no 3a$a e* Ca*ena!%eno 'e F*u%'os V%s&osos, en muchos casos,

los .it%menes, crudos pesados  etra pesados poseen iscosidades altas (ue imposi.ilitan su transporte a tra/s de tu.er+as# stos hornos pueden calentar dichos luidos  reducir sus iscosidades, de esta manera se hace posi.le el .om.eo entre regiones (ue puedan estar aprecia.lemente distantes#

 o$nos a3*%&a'os a F*u%'o 'e Re&%$&u*a&%)n, se usan para

incrementar la temperatura de un luido de recirculaci)n# Los luidos (ue luen a tra/s de este tipo de hornos son generalmente l+(uidos, tanto a la entrada como a la salida del horno# ste tipo de hornos, permite llear el luido de circulaci)n a diersos usos particulares con lo cual se minimi'an los costos de e(uipos a (ue un solo horno se puede emplear para reali'ar arias unciones# Los luidos de circulaci)n generalmente son4 aceites reinados, sales diluidas  l+(uidos patentados#

-. Se5>n *a o$%ena&%)n 'e* Se$3en6n en *a Se&&%)n Ra'%ane

 o$nos Ve$%&a*es, en este tipo de horno, los tu.os del serpent+n de la

secci)n radiante estn colocados erticalmente# Los hornos erticales se clasiican en4

a-. >orno de ;adiaci)n 5otal  Coniguraci)n 7ertical Cil+ndrica#

0-. >orno de Serpent+n >elicoidal  Coniguraci)n 7ertical-Cil+ndrica#

&-- >orno con Conecci)n de :luo Cru'ado  Coniguraci)n 7ertical Cil+ndrica#

'-- >orno de Secci)n "ntegral por Conecci)n  Coniguraci)n 7ertical Cil+ndrica#

e-- >orno con Serpent+n ;adiante en orma de H# "-- >orno de do.le encendido  Serpent+n 7ertical#

 o$nos o$%4ona*es, en los hornos hori'ontales# Los tu.os del

serpent+n de la secci)n radiante estn colocados hori'ontalmente# Los hornos hori'ontales es clasiican en4

a-- >orno tipo Ca.ina  Coniguraci)n >ori'ontal#

0-. >orno tipo Ca.ina dos celdas  Coniguraci)n >ori'ontal#

&-- >orno tipo ca.ina con Pared Diisoria  Coniguraci)n >ori'ontal#

'-- >orno con Quemador en la Pared posterior de Cmara de Com.usti)n  Coniguraci)n >ori'ontal#

e-- >orno con Quemador en la Pared posterior de la Cmara de Com.usti)n  Secci)n por Conecci)n Lateral#

"-- >orno de Do.le ncendido  Coniguraci)n >ori'ontal# SECCION DE RADIACION

(23)

a 5ama*o de tu.os  n%mero de pasos4

Siempre (ue sea posi.le, los dimetros de los tu.os de.en ser seleccionados del tama*o de tu.os nominales estndar "PS, en el rango de ! a 20 cm 2 a 8 pulg# De.ido a (ue la carga del horno, Gg@s l.@s es determinada por los re(uerimientos del proceso, la secci)n transersal interna del rea total del tu.o re(uerida es determinada diidiendo la carga por la elocidad msica# sta rea de la secci)n transersal determina el dimetro interno de los tu.os  el n%mero de pasos paralelos a tra/s de la secci)n de radiaci)n  usualmente a tra/s de la secci)n de conecci)n4

. Disposici)n de la secci)n de radiaci)n4

l siguiente criterio general de distri.uci)n de.e ser usado en todas las coniguraciones de hornos4

:- l espacio entre el centro de los tu.os de radiaci)n de.e ser 2 eces el dimetro nominal, codos de cura cerrada en H Short radius HN.end#

- Los tu.os de radiaci)n adacentes a la pared de.en estar u.icados a una distancia de 1#! eces el dimetro nominal aleado de la pared#

- Los tu.os de las es(uinas en la secci)n de radiaci)n de.en ser u.icadas de tal manera de eitar 'onas muertas a (ue estos tu.os reci.en menos calor (ue la cantidad promedio#

(24)

- Para asegurar una isi.ilidad adecuada desde las puertas de

o.seraci)n de la secci)n de radiaci)n, el espacio entre tu.os a estas puertas de.e ser 3 eces el dimetro nominal Long radius HN.end#

# Se de.e mantener compati.ilidad entre la distri.uci)n de tu.er+a a la entrada  la recolecci)n de tu.er+a a la salida cuando se est/ colocando el arreglo de los tu.os#

Las longitudes mimas para secciones de conecci)n o para secciones de radiaci)n hori'ontales, de.en ser limitadas a 30 m, 100 pie de.ido a la diicultad de su maneo# Por otro lado, las longitudes mimas de tu.os erticales de.en ser limitadas a 1! m, !0 pie o ms pe(ue*os de.ido a la ecesia mala distri.uci)n del calor de entrada en tu.os largo#

(25)

SECCION DE CONVECCION

A$$e5*o 1 es3a&%a!%eno 'e *os u0os =un(ue los tu.os de la secci)n de conecci)n pueden ser situados en orma triangular o rectangular, siempre se usan ormas de tringulos e(uilteros o is)sceles para las secciones de conecci)n de hornos# Coeicientes de transerencia de calor para tu.os lisos en orma triangular han sido incluidos con las ecuaciones de transerencia de calor de.ido a (ue la orma triangular es ms com%n para calderas#

Ve*o&%'a' !8s%&a 'e *os 5ases 'e &o!0us%)n

DISEÑO DE CIMENEA

C/%!eneas so3o$a'as 3o$ e* sue*o  Las chimeneas por de.ao de una altura de 6 m 2!0 pie son hechas de acero, las maores de 6 m 2!0 pie son de concreto#

C/%!eneas so3o$a'as 3o$ /o$nos  stas siempre son de acero# La altura mima econ)mica para estas chimeneas es de E! a 60 m 1!0 a 200 pie por encima del piso# Para alturas maores de 60 m 200 pie se de.e especiicar una chimenea soportada por el piso# l dimetro es una unci)n de la cantidad de luo de gas de com.usti)n# Las chimeneas de.en ser dise*adas para una elocidad de #6 m@s 2! pie@s# Cuando los gases de com.usti)n pasan directamente a la chimenea, el dimetro no de.e ser maor (ue la anchura eterna alrededor de 300 mm 12 pulg maor (ue la anchura interna de la secci)n de conecci)n#

(26)

MULTIPLES = LINEAS DE TRANSFERENCIA

Los m%ltiples son utili'ados para distri.uir  recolectar luidos de los dierentes pasos de los hornos# stos m%ltiples de.en estar dise*ados para alcan'ar una distri.uci)n uniorme del luo en todos los pasos del horno# Hna mala distri.uci)n del luo por los pasos del horno puede causar (ue algunos de ellos se (ueden sin luo, resultando en so.recalentamiento  (uema de los tu.os#

(27)

DISEÑO DE CALDERAS PIROTUBULARES

Caldera Generadora de Vapor (SG-401)

Cantidad de apor saturado a generar4 1,E 1030 Vg# @h  1!000 Vg@h asumiendo E0I so.redise*o

Condiciones del apor saturado a generar4 202 o_{C  16 .ar}

Tu0o o5a$

Para calcular las dimensiones del tu.o hogar es necesario determinar las dimensiones de la llama, producida por la com.usti)n com.usti.le l+(uido, (ue en este caso de trata de uel oil, cuas caracter+sticas se muestran en la siguiente ta.la, Co!0us%0*e Fue*.o%* Poder calor+ico inerior 9600 Vcal#@Vg# Componente I peso Car.ono 86#33 >idr)geno 13#!8 ='ure 0#09 Ba*an&e 'e ene$56a F(!l&l = 0,944 t/h P = 1 barg T = 35 %_C &r! = 122653_/h T = 28 %_C P = 1 barg g(a = 15 t/h P = 1 barg T = 60 %_C Va%r *at= 15t/h P = 15 barg T = 202 %_C (%* = 12000 3_/h P = 0,01 barg T = 262 %_C

(28)

 

 C T T!  16bar 

-   s 

Donde4

Q4 Calor suministrado por la caldera

m4 &asa de apor producido por la caldera

Cp4 Poder calor+ico del agua a presi)n constante# 5e4 5emperatura del l+(uido saturado a la caldera#

5s4 5emperatura de salida del apor de la caldera

16 .ar#4 Calor latente de apori'aci)n a 16 .ar#





"cal _h "g "cal C C C "g "cal h "g $ 202º 60º 462 9060000 º 1 15000 _ _    _  Reque$%!%enos 'e &o!0us%0*e

Conocido el calor necesario, (ue de.e suministrarse al l+(uido saturado (ue se alimenta a la caldera para llearlo al estado de apor saturado, se determina la cantidad de com.usti.le B uel-oil a ser (uemado#

h "g "g "cal h "cal PC% $ & E C'(&UST%&L / 944 9600 9060000   

D%!ens%ones 'e* u0o /o5a$,

Con la masa de com.usti.le, se determinan las dimensiones de la llama, sustituendo4

m D  0.1794427 1,2

m L  0.294412  6,14

Ca$5a 1 'ens%'a' Es3e&6"%&a

La carga espec+ica  la densidad espec+ica se calculan en unci)n de las dimensiones de la llama, seg%n las ecuaciones4

Carga especiica L D Q      4 ₂ 12E6260#91 3 m h Vcal  Densidad especiica      4 ₂ D Q 1009!86#3 2 m h Vcal  Se eriica (ue4 Carga espec+ica



1290000 3 m h Vcal  Densidad spec+ica



200000 2 m h Vcal 

(29)

So0$e'%se9o 'e *as '%!ens%ones 'e* u0o /o5a$, D 1,2 m

L6,! m

C8*&u*o 'e *a su3e$"%&%e 'e Ra'%a&%)n,

Se supone cmara h%meda  la supericie de radiaci)n se o.tiene por la siguiente ecuaci)n4 2 2 63 , 25 4 / m D L D A_     

C8*&u*o 'e *a e!3e$au$a a* "%na* 'e* /o5a$,

4 100 273 _          t C = Qt t t t ; ; ; Donde4

C E#1 para uel oil

C F

t_;  2000 Para uel oil# Despeando4 t  1121 o_C

Vo*u!en 'e 5ases que sa*en 'e *a &a*'e$a,

Para o.tener el olumen de gases (ue se producen por la com.usti)n del uel oil, se asume un eceso de aire de 20I  se lee en Y18Z, esta magnitud es igual a 12,688 m3_@Vg#

Ca*o$ a0so$0%'o 3o$ $a'%a&%)n en e* /o5a$,

:> ; B PC" Q

Q   

Donde Q:> es el calor al inal del hogar  se calcula por la siguiente ecuaci)n4

P #) ) !) & V T C $     Donde4 ?>

5 _{es la temperatura de los gases de salida (ue se puede aproimar a la}

temperatura al inal del hogar, (ue a ha sido preiamente calculada#

CP es el poder calor+ico a olumen constante para el com.usti.le# Para el uel <il este alor es de4 0#32

C F m Vcal 3 h "cal $_!)  5000000 h "cal $_  4060000

(30)

F*u(o &a*o$6"%&o Me'%o- F*u(o Ca*o$6"%&o M8H%!o- Ca*o$ a0so$0%'o en e* Tu0o o5a$, 2 158408 m h "cal A $   med   _  2 -a  0.70.25 L_D+med  325396 "cal _h_*_m  h "cal L D $₎  _med   3881706

Clculo de la temperatura &ima del hogar4 C N k e t t _-a _s 15 _-a 1 396º           Donde4

5s4 5emperatura de saturaci)n del apor de agua4 202FC 4 spesor del tu.o en mm 10mm

G  3800 C º -#al 2_ K  3EE0 C º -#al 2_

La temperatura mima es menor (ue el l+mite de E20 FC para acero tipo = E2 ;C", es por esto (ue se ha seleccionado este material para la construcci)n de la caldera#

D%!ens%ona!%eno 'e *a &8!a$a $ase$a,

Para dimensionar la cmara trasera es necesario conocer el dimetro de la .oca de acceso,  el dimetro  longitud de la cmara del hogar# stos dos %ltimos se encuentran en Y18Z

m D D_C) 1.46 ₎ 1,752 m # L_C>  0 6 m D D_&  0.5* ₎  0,6

= continuaci)n se encuentra un es(uema de la parte trasera del hogar, (ue audar a identiicar las dierentes supericies (ue conorman esta parte de la caldera#

(31)

1 7 3 2 4 6 5 1 Tubo hogar Envolvente c. hogar

Placa tubular c. hogar

Placa trasera c. hogar

Placa trasera caldera

Boca trasera c. hogar

Haz tubular 2 3 4 5 6 7

:igura OCmara trasera de la caldera pirotu.ular En2o*2ene 'e &8!a$a 'e /o5a$

S1DC> L 3,3 m2 P*a&a $ase$a S2 





4  _C2  _2   2,128 m2 P*a&a u0u*a$ S3



_C2 _2



T )_T2 4    4         0,33 m2 Donde4

DC>4 Dimetro interior de la cmara del hogar

DB4 Dimetro eterior de la .oca de acceso.

D>4 Dimetro eterior del tu.o del hogar#

L4 Longitud interior de la cmara del hogar#

K54 K%mero de tu.os del primer ha' tu.ular# 120

d54 Dimetro eterno de los tu.os 0,062m 3O#

2 3 2 1 S S 6,16m S S _T    

Coe"%&%ene 5*o0a* 'e $ans"e$en&%a 'e &a*o$ en *a 4ona,

La transerencia de calor en esta 'ona se reali'a por conecci)n  radiaci)n, por lo (ue el coeiciente glo.al ser4

V V

(32)

l coeiciente de calor por conecci)n se toma, conocida la 5&temperatura

media entre la salida del tu.o hogar  la entrada del ha' de tu.er+as# Para este alor se toma un aproimado (ue consiste en restarle !0FC a la temperatura de salida de los gases del tu.o hogar, a (ue se considera (ue este es el delta de temperatura mimo (ue puede llegar a eperimentar los gases#

C C T T ₍  _gh 50º 1071º C h m "cal " _ º 65 , 20 ₂ 

l coeiciente de transerencia por conecci)n se estima en .ase a un calor conocido para determinar la elocidad de los gases en esta cmara a (ue la elocidad es aria.le a lo largo de la misma#

s m L D & V * C) C) ) ₃_,₁₇ 3600     2 75 . 0 º 35 , 12 m C h "cal * " " _C  _'   2 º 2 , 5 m C h "cal " _'  2 º 33 m C h "cal " 

C8*&u*o 'e* &a*o$ a0so$0%'o en &a'a una 'e *as 3a$es 'e *a &8!a$a $ase$a, a nolente4 h "cal T " S $₁  ₁  5445 . Placa trasera h "cal D med T " S $ 182703 4 2 2 2        c Placa 5u.ular4 h "cal T S " $3   3 1209,5

l calor total a.sor.ido por la cmara trasera es la sumatoria de los calores calculados anteriormente4

h "cal $_C)  189357

(33)

Ca*o$ que en$a a* 3$%!e$ /a4 u0u*a$,

l calor (ue entra al primer ha' tu.ular no ser otro (ue la resta entre el calor al inal del tu.o hogar  el calor total a.sor.ido por la cmara trasera#

h "cal $

$

$_)T  _!)  _C) 4810643

ste calor permite conocer la temperatura del hogar en este punto a (ue4

& V $ C t h )T P g *  

l t/rmino de la derecha es un alor conocido, entonces, se de.e .uscar una com.inaci)n de 5g  Cp (ue satisaga la igualdad#

3 6 , 401 * h m "cal & V $ h )T _

La com.inaci)n (ue hace eacta la igualdad es4 Cp0#3 C m h "cal º 3 5g1100 FC#

P$%!e$ /a4 u0u*a$,

La transmisi)n de calor en esta 'ona se produce por conecci)n en su maor+a# De.ido a (ue los gases estn toda+a a mu altas temperaturas, se produce transerencia de calor por radiaci)n, pero este tipo de transerencia no ser tomada en cuenta para el dise*o del primer ha' tu.ular#

Coe"%&%ene 'e &on2e&&%)n ?&:@, 25 . 0 75 . 0 1 095780. dT * " " _C   '  t Donde4

Vc1 es el coeiciente de conecci)n en Vcal#@hJm2_JFC

Vo seg%n ta.la con L&5D

d5, dimetro eterior de los tu.os, en m#

Xt es la elocidad de los gases en el ha' tu.ular en m@s#

s m m h seg h "g "g m Nt dt +& V *t ) 6,08 120 + 0762 . 0  3600 944 688 , 12 4 3600 4 2 3 2               C m h "cal "o º 3 , 42 ₂ 

(34)

C m h "cal " _C º 86 , 29 ₂ 1 

Cálculo de la superficie de calefacción del primer haz tubular 4

2

1 Nt dt Lt 120 0.0762m 6,5m 186,7m

S _)T         

C8*&u*o 'e *a e!3e$au$a !e'%a *o5a$6!%&o en e* /a4 u0u*a$,

l alor de t2 al inal del ha' tu.ular es desconocido,  como resultado )ptimo despu/s del tanteo se tomarn EE0FC#

L&D5 C t t t t t t S S º 497 202 440 202 1100 l 440 1100 l 2 1 2 1                    

Ca*o$ a0so$0%'o en e* 3$%!e$ /a4 u0u*a$,

h "cal L(DT S " $₁_)T  _C₁ ₁_)T   2770706

Se de.e cumplir (ue4

Calor al inicio del ha' tu.ular-Calor a.sor.ido en el ha' tu.ular 7hJt2JCp

h "cal $ $_)T  ₁ _)T  2039937 h "cal Cp t & V ₎*  ₂  2202537 Ierror  8 I

Se5un'o a4 u0u*a$,

La temperatura de entrada al segundo ha' tu.ular se toma como EE0FC de esta manera, se asume (ue en la cmara anterior las p/rdidas de temperatura (ue sure el gas, son desprecia.les# Como temperatura de salida del segundo ha' tu.ular, se tomarn 60FC por encima de la temperatura de saturaci)n del apor, para asegurar de esta manera (ue el apor (ue se produce, est realmente saturado# De esta manera 53202FC60FC  262FC#

Ca*o$ a0so$0%'o en e* se5un'o /a4

u0u*a$-

_t _Cp _t _Cp



"cal _h

& V

$₂_)T  _h *  ₂  ₂  ₃  ₃  682836