Investigación -Intercambiadores de calor en Ingeniería química. PDF

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Investigación relacionada al tema Intercambiadores de calor en procesos de Ingeniería Química. Materia procesos de Separación II....

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Tecnológico de estudios superiores de Jocotitlán. Ingeniería Química. Procesos de Separación II Investigación: Intercambiadores de calor.

Mtro. Arturo Velasco Bernal Sexto semestre IF-0601

Integrantes: -Miguel Ángel Barrón Rueda. -Brandon De La Cruz Hernández. -Clarisa Serrano Colin.

Contenido INTRODUCCIÓN: ............................................................................................................................ 3 ESTIMACIÓN DE COSTOS Y MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN. ................................... 3 CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES EN EL DISEÑO Y SELECCIÓN DE CONDENSADORES........................................................................................................................ 6 Características fundamentales en el diseño de un Enfriador de aire, Rehervidor y vaporizador. ................................................................................................................................... 15

INTRODUCCIÓN: En el presente trabajo se dará a conocer información documental sobre la estimación de costos, materiales en la construcción de un intercambiador, características fundamentales en el diseño y/o selección de un condensador, un enfriador de aire, rehervidor y un vaporizador. Teniendo en cuenta todas estas características podemos tener el conocimiento suficiente al ponerlos en práctica al momento de trabajar con alguno de estos equipos de laboratorio.

ESTIMACIÓN DE CONSTRUCCIÓN.

COSTOS

Y

MATERIALES

DE

Materiales de Construcción. El material de construcción más común en los intercambiadores de calor es el acero al carbono. Otros materiales en orden de utilización son: • Acero inoxidable de la serie 300 • Níquel • Monel • Aleaciones de cobre, como latón Admiralty • Aluminio • Inconel • Acero inoxidable de la serie 400 Los materiales a utilizar se seleccionan de acuerdo a las indicaciones del capítulo 3, por su resistencia a la corrosión. Se utilizan tubos bimetálicos cuando las condiciones de temperatura y requisitos de corrosión no permiten la utilización de una aleación simple. Consisten en dos materiales laminados juntos. Hay que tener cuidado con la acción galvánica. También se encuentran intercambiadores de construcción no metálica como son tubos de vidrio, en casco de vidrio o acero. También se encuentran intercambiadores de calor de grafito, y de teflón.

Estimación de Costes. El coste de un INTERCAMBIADOR DE CALOR de CASCO Y TUBO se obtiene con la ecuación:

Donde: Ao = Área del intercambiador en ft2 NS = Número de celdas ∑Ci = Suma de factores de corrección. b = Coste unitario dado por:

k = valor unitario (k = 6.6 $ de 1982) p = Multiplicador por configuración de tubos: f = Multiplicador por cabezal fijo. r = Multiplicador por cabezal posterior. dSi = Diámetro del casco, in pi = Paso de tubos, in Si tomamos el valor de los factores y , g y = 0,129 + 0,0016 (dSi -12)/p

g = 1 + 0,95 (BWG -14)

Los valores de los factores de corrección son. Longitud, ft CL= 1,5(1 -L /20) Espesor Cg= y(g-1) Material canal CCM= 0,06(M2-1)

Material casco CMS= 0,1(M2-1) Material Tubo CMT= y(M-1) Material Placa tubos CMTS= 0,04(M2-1) Nº Pasos de tubo (NTP) CNTP= (NTP - 1)/100 vale 0 si NTP ≤ 2 Presión del casco (psi) CPS= (PDS /150 - 1)(0,07 + 0,0016 (dSi -12) Presión del tubo (psi) CPT= (PDT /150 - 1)(0,035 + 0,00056 (dSi -12) Tipo de Casco CS Con los siguientes valores para los factores:

CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES EN EL DISEÑO Y SELECCIÓN DE CONDENSADORES. Un condensador es un cambiador de calor latente que convierte el vapor de su estado gaseoso a su estado líquido, también conocido como fase de transición. Esto se logra al condensar los vapores usando agua de enfriamiento. El condensador puede ser de superficie, donde el vapor por condensar y el líquido de enfriamiento están separados por una pared metálica, o de contacto directo, donde el vapor y el líquido de enfriamiento se mezclan directamente. Las partes más significativas de un condensador son: Cuello: Es el elemento de unión con el escape de la turbina de vapor. Tiene una parte más estrecha que se une al escape de la turbina de vapor bien directamente mediante soldadura o bien a través de una junta de expansión metálica o de goma que absorbe los esfuerzos originados por las dilataciones y el empuje de la presión atmosférica exterior. La parte más ancha va soldada a la carcasa del condensador. Carcasa o cuerpo: Es la parte más voluminosa que constituye el cuerpo propiamente dicho del condensador y que alberga los paquetes de tubos y las placas. Suele ser de acero al carbono. Cajas de agua: Colector a la entrada y a la salida del agua de refrigeración (agua de circulación) con el objeto de que esta se reparta de forma uniforme por todos los tubos de intercambio. Suelen ser de acero al carbono con un recubrimiento de protección contra la corrosión que varía desde la pintura tipo epoxy (para el agua de río) hasta el engomado (para el agua de mar). Suelen ir atornillados al cuerpo del condensador. Tubos: Son los elementos de intercambio térmico entre el agua y el vapor. Su disposición es perpendicular al eje de la turbina. Suelen ser de acero inoxidable (agua de río) y titanio (agua de mar).

Placas de tubos: Son dos placas perforadas que soportan los dos extremos de los tubos. Constituyen la pared de separación física entre la zona del agua de las cajas de agua y la zona de vapor del interior de la carcasa. Suelen ser de acero al carbono con un recubrimiento (cladding) de titanio en la cara exterior cuando el fluido de refrigeración es agua de mar. La estanqueidad entre los extremos de los tubos y las placas de tubos se consigue mediante el abocardado de los extremos de los tubos y mediante una soldadura de sellado. Placas soporte: Placas perforadas situadas en el interior de la carcasa y atravesadas perpendicularmente por los tubos. Su misión es alinear y soportar los tubos, así como impedir que éstos vibren debido a su gran longitud. Su número depende de la longitud de los tubos. Suelen ser de acero al carbono. Pozo caliente: Depósito situado en la parte inferior del cuerpo que recoge y acumula el agua que resulta de la condensación del vapor. Tiene una cierta capacidad de reserva y contribuye al control de niveles del ciclo. De este depósito aspiran la bomba de extracción de condensado. Zona de enfriamiento de aire: Zona situada en el interior de los paquetes de tubos, protegida de la circulación de vapor mediante unas chapas para conseguir condiciones de subenfriamiento. De esta manera, el aire disuelto en el vapor se separa del mismo y mediante un sistema de extracción de aire puede ser sacado al exterior. Sistema de extracción de aire: Dispositivos basados en eyectores que emplean vapor como fluido motriz o bombas de vacío de anillo líquido. Su misión, en ambos casos, es succionar y extraer el aire del interior del condensador para mantener el vacío.

Condensadores de superficie Los condensadores de superficie se emplean cuando no se desea que se mezclen el condensado y el agua de enfriamiento. La corriente de vapor por lo regular contiene gases incondensables. Estos gases se desfogan en un tubo de ventilación en cualquier punto bien frío del condensador. Este tipo de condensador es muy caro, además de usar una mayor cantidad de agua, por lo que se evita su uso, si resulta mas viable el uso de un condensador de contacto directo.

Condensadores de contacto directo. En este tipo el agua de enfriamiento se pone en contacto directo con el vapor para condensarlo. El vapor entra al condensador y se condensa al elevarse contra una cortina de gotas de agua de enfriamiento. El condensador se sitúa en la parte superior de un tubo largo de descarga. El condensador está a una altura suficiente por encima del punto de descarga del tubo como para que la columna de agua en

el interior de éste compense de manera sobrada la diferencia de presión entre la presión absoluta baja en el condensador y la atmósfera. De esta manera, el agua se descarga por gravedad a través de un recipiente de sellado en el extremo inferior.

Para calcular el consumo de agua promedio, se debe hacer un balance de calor en el condensador. Si el flujo de vapor en el condensador es V kg/h a temperatura Ts y el flujo de agua W kg/h con la temperatura de entrada T1 y una temperatura de salida T2. La ecuación es: 𝑽𝑯𝑺 + 𝑾𝒄𝒑 (𝑻𝟏 − 𝟐𝟕𝟑. 𝟐) = (𝑽 + 𝑾)𝒄𝒑 (𝑻𝟐 − 𝟐𝟕𝟑. 𝟐) Donde 𝐻𝑆 es la entalpia obtenida de las tablas de vapor y la presión de la corriente de vapor resolviendo. 𝑯𝒔 − 𝒄𝒑 (𝑻𝟐 − 𝟐𝟕𝟑. 𝟐) 𝑾 𝒌𝒈 𝒂𝒈𝒖𝒂 = = 𝒌𝒈 𝒗𝒂𝒑𝒐𝒓 𝒄𝒑 (𝑻𝟏 − 𝟐𝟕𝟑. 𝟐) 𝑽 Condensación en gotas y en película. Un vapor puede condensar sobre una superficie fría en una de dos formas, las cuales se describen por los términos goteo y película. En la condensación por formación de película, que es más común que la condensación por formación de gotas, el líquido condensado forma una película, o capa continua de líquido que fluye sobre la superficie del tubo por acción de la gravedad. Esta capa de líquido interpuesta entre el vapor y la pared del tubo es la que provoca la resistencia al flujo de calor, y por lo tanto fija el valor del coeficiente de la transferencia de calor.

En la condensación por goteo el condensado comienza a formarse en puntos microscópicos de nucleación. Los lugares típicos son hoyos diminutos, arañazos y manchas de polvo. Las gotas crecen y coalescen con otras que están en sus inmediaciones para formar pequeñas gotas visibles. Las gotas finas se reúnen a su vez formando arroyuelos que fluyen hacia abajo por acción de la gravedad, arrastran cualquier condensado y abandonan la superficie libre para la formación de nuevas gotitas. Coeficientes para la condensación en película. Las ecuaciones de Nusselt se basan en la suposición de que el vapor y el líquido en frontera externa de la capa del líquido están en equilibrio termodinámico, de forma tal que la única resistencia al flujo de calor es la que ofrece la capa de condensado que desciende con flujo laminar bajo la acción de la gravedad. También se asume que la velocidad del líquido en la pared es cero, que dicha velocidad del líquido en el exterior de la película no recibe influencia alguna de la velocidad del vapor, y que las temperaturas de la pared y el vapor son constantes. Tubos verticales. La teoría de Nusselt establece que, en la condensación por formación de película, ésta comienza a formarse en la parte superior del tubo y que el espesor de la misma aumenta con rapidez cerca de la parte superior para hacerlo luego más lentamente en la longitud restante del tubo. Se supone que el calor fluye a través de la película de condensado por conducción, de forma que el coeficiente local hx viene dado por 𝒉𝒙 =

𝒌𝒇 𝜹

Donde 𝛿 es el espesor de la película. Este es generalmente de un orden de magnitud dos a tres veces más pequeño que el diámetro del tubo. Para condensación en una superficie vertical

𝟑𝚪𝝁𝒇 𝜹 = ( 𝟐 )𝟏/𝟑 𝝆𝒇 𝒈

Donde 𝚪 es la carga del condesado, la velocidad de masa por unidad de longitud periférica. Ahora combinado las dos ecuaciones anteriores se obtiene una ecuación para el coeficiente local de transferencia de calor, a una distancia L partiendo del extremo superior de la superficie vertical.

𝝆𝟐𝒇𝒈 ) 𝒉𝒙 = 𝒌𝒇 ( 𝟑𝚪𝝁𝒇

𝟏/𝟑

Esta ecuación se puede aplicar tanto a la condensación interior como exterior de los tubos. Los vapores puros en general se condensan en el exterior de los tubos y para esta situación, con tubos verticales, el coeficiente local viene dado por las relaciones 𝒉𝒙 =

𝒅𝒒 𝝀𝒅𝒎󰇗 = 𝜟𝑻𝟎𝒅𝑨𝟎 𝜟𝑻𝟎𝝅𝑫𝟎𝒅𝑳

𝜆 = 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑒𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑚󰇗 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑙𝑜𝑐𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜

El coeficiente promedio h para todo el tubo, queda definido como 𝒉=

𝚪𝒃 𝝀 𝒒𝑻 = 𝑨𝟎𝜟𝑻𝟎 𝑳𝑻 𝜟𝑻𝟎

𝒒𝑻 = 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑳𝑻 = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑢𝑏𝑜 𝚪𝒃 = 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 (𝑒𝑥𝑡𝑟𝑒𝑚𝑜 𝑖𝑛𝑓𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟)𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑢𝑏𝑜

Eliminando hx de las ecuaciones y despejando 𝜟𝑻𝟎 e integrando con los limites adecuados se obtiene.

𝟒𝒌𝒇 𝝆𝒇𝟐 𝒈 𝟏/𝟑 ) 𝒉= ( 𝟑 𝟑𝚪𝒃 𝝁𝒇 Ahora se reordena la ecuación anterior para incluir el número de Reynolds a la salida del condensado para la formación de película 4Γ𝑏 /𝜇𝑓

𝝁𝟐𝒇

𝟒𝚪 𝟏 𝒉( 𝟑 𝟐 )𝟏/𝟑 = 𝟏. 𝟒𝟕( 𝒃)−𝟑 = 𝟏. 𝟒𝟕 𝑹𝒆−𝟏/𝟑 𝝁𝒇 𝒌𝒇 𝝆𝒇 𝒈 Además, esta ecuación se utiliza en una forma equivalente en la que el termino Γ𝑏 se ha eliminado para obtener

𝒌𝟑𝒇𝝆𝒇𝟐 𝒈𝝀 𝟏/𝟒 ) 𝒉 = 𝟎. 𝟗𝟒𝟑( 𝜟𝑻𝟎 𝑳𝝁𝒇 Si existe una alta velocidad de vapor con dirección descendente, la película condensada se vuelve más delgada debido al esfuerzo cortante en la interface líquido-vapor, y aumentan las velocidades de transferencia de calor. El contraflujo de vapor y líquido tiende a reducir la velocidad de transferencia de calor, y puede conducir a la inundación del tubo. Tubos horizontales. Las siguientes ecuaciones, que corresponden a las ecuaciones para tubos verticales, son aplicables para tubos horizontales aislados:

𝒉(

𝝁𝒇𝟐

𝟏/𝟑

) 𝒌𝟑𝒇 𝝆𝟐𝒇 𝒈

𝟒𝚪´ −𝟏 = 𝟏. 𝟓𝟏( ) 𝟑 𝝁𝒇

𝒉 = 𝟎. 𝟕𝟐𝟗(

𝒌𝟑𝒇𝝆𝒇𝟐 𝒈𝝀

)𝟏/𝟒

𝜟𝑻𝟎 𝑫𝟎 𝝁𝒇

Donde Γ ´ es la carga de condensado por unidad de longitud del tubo 𝑚󰇗 /𝐿 Condensación de vapores sobrecalentados. Si el vapor que entra a un condensador está sobrecalentado, hay que transferir el calor sensible de sobrecalentamiento y el calor latente de condensación a través de la superficie de enfriamiento. Para el vapor de agua, debido al bajo calor específico del vapor sobrecalentado y el elevado calor latente de condensación, el calor de sobrecalentamiento es en general pequeño en comparación con el calor latente.

El efecto del sobrecalentamiento sobre la velocidad de transferencia de calor depende de que la temperatura de la superficie del tubo sea mayor o menor que la de la temperatura de condensación del vapor. Si la temperatura del tubo es más baja que la temperatura de condensación, el tubo se moja con condensado, lo mismo que en la condensación de vapor saturado, y la temperatura de la frontera exterior de la capa de condensado es igual a la temperatura de saturación del vapor a la presión existente en el equipo. Cuando el vapor está muy sobrecalentado y la temperatura del fluido frío a la salida es cercana a la de condensación, la temperatura de la pared del tubo puede ser mayor que la temperatura de saturación del vapor, de forma que no se produce condensación y la pared del tubo está seca. La pared del tubo permanece seca hasta que se reduce el sobrecalentamiento a un valor para el cual dicha pared está a una temperatura inferior a la de la condensación del vapor y comienza la condensación. Se considera que el equipo está formado por dos secciones, una de supresión de sobrecalentamiento y otra de condensación, que se toman en cuenta por separado en los cálculos. Condensación de vapores mezclados. Si el vapor contiene dos o más componentes volátiles (a menos que se trate de una mezcla azeotrópica), la temperatura de condensación no permanece constante en una presión dada. Los gradientes de concentración existen en las fases de vapor y líquida, como el componente o componentes con un alto punto de ebullición tienden a condensarse, enriqueciendo el vapor en el material de bajo punto de ebullición. Si la temperatura de enfriamiento es suficientemente baja, todo el vapor está en posibilidad de condensarse eventualmente; la composición del condensado será entonces la misma que la del vapor original. En otros casos, parte del material de bajo punto de ebullición no puede condensarse y debe ser descargado por venteo desde el condensador. Efecto de los incondensables.

Cuando una mezcla multicomponente contiene un gas incondensable, la velocidad de condensación se reduce en forma importante. Al igual que en la condensación de una mezcla de vapores condensables, existe transferencia de masa de uno o más componentes en la fase de vapor, pero aquí las moléculas condensantes se deben difundir a través de una película de gas no condensable, la cual no se moverá hacia la superficie condensante. Conforme procede la condensación, la cantidad relativa de gas inerte en la fase de vapor aumenta en forma significativa. La presión parcial del vapor condensante es menor que la presión total, la cual hace disminuir la temperatura de condensación en equilibrio. Además, la presión parcial del vapor condensante en la superficie del condensado debe ser menor que en la fase global de vapor-gas, con el fin de proporcionar una fuerza impulsora para la transferencia de masa a través de una película gaseosa. Posteriormente, esto reduce la temperatura de condensación, y en general el cambio en la temperatura debido a la transferencia de masa es mayor que el cambio en la temperatura de equilibrio.

Características fundamentales en el diseño de un Enfriador de aire, Rehervidor y vaporizador. Enfriador de aire: Es una unidad en la cual una corriente de proceso intercambia calor con agua o aire sin que ocurra cambio de fase. Los enfriadores de aire ocupan un área relativamente grande por lo que generalmente

se

ubican

encima

de

equipos

de

proceso

(tambores,

intercambiadores, etc.). Como los ventiladores son generalmente muy ruidosos, no pueden instalarse cerca de áreas residenciales. Al diseñar estos equipos se debe tomar en cuenta el efecto de las pérdidas de calor de los equipos circundantes sobre la temperatura del aire de entrada, así como, tener mucho cuidado para que cumplan con los requerimientos de servicio aún en días calurosos y/o que el fluido no se congele dentro de los tubos en invierno. El aire en vez del agua, podría parecer una elección obvia a la hora de seleccionar un refrigerante, ya que se encuentra en el ambiente en cantidades ilimitadas. Desafortunadamente, el aire es un medio de transferencia de calor pobre en comparación con el agua, la que posee una conductividad térmica cerca de 23 veces mayor que el aire a 35 °C; el calor específico del agua es cuatro veces más grande y su densidad, comparada con la del aire a presión y temperatura atmosférica es unas 800 veces mayor. En consecuencia, para una determinada cantidad de calor a transferir, se requiere de una mayor cantidad de aire, aproximadamente 4 veces más en masa y 3200 en volumen. Como conclusión, a menos que el agua sea inasequible, la elección entre agua y aire como refrigerante depende de muchos factores y se debe evaluar cuidadosamente antes de tomar una decisión. Por lo general, este tipo de intercambiadores se emplea en aquellos lugares donde se requiera de una torre de enfriamiento para el agua o se tenga que ampliar el sistema de agua de enfriamiento, donde sean muy estrictas las restricciones ambientales en cuanto a los efluentes de agua y donde el medio refrigerante resulte muy corrosivo o provoque taponamientos excesivos.

Rehervidor: Es un vaporizador que suministra el calor latente de vaporización al fondo (generalmente) de una torre fraccionadora. Hay dos tipos generales de rehervidores, aquellos que envían dos fases a la torre para separar el vapor del líquido y los que retornan vapor solamente. Los primeros pueden operar mediante circulación natural (comúnmente llamados termosifones( o circulación forzada. Los termosifones son los tipos de rehervidores más comunes. Los termosifones horizontales donde la vaporización ocurre en el lado de la carcasa, son los más utilizados en la industria petrolera. En los del tipo vertical, la vaporización ocurre en el lado de los tubos y se utilizan preferiblemente en las industrias químicas. En un termosifón, se debe disponer de suficiente cabezal a fin de mantener la circulación natural del líquido a evaporar. Los rehervidores de circulación forzada requieren de una bomba para impulsar el líquido a evaporar a través del intercambiador. Este tipo de rehervidor no se utiliza con mucha frecuencia, debido a los costos adicionales del bombeo, sin embargo, en algunos casos pued...