Mdp 05 e 01-Intercambiadores de calor generalidades PDF

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Intercambiadores de calor generalidades...

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PDVSA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR

PDVSA N

MDP–05–E–01

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JUL.95

REV.

FECHA

APROB.

E PDVSA 1983

TITULO

PRINCIPIOS BASICOS

116 DESCRIPCION FECHA AGO.95

PAG. APROB.

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APROB. APROB. FECHA AGO.95

ESPECIALISTAS

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Indice 1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 3

3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

4 CONSIDERACIONES BASICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9

Definiciones y descripciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Funciones de los intercambiadores de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mecanismos de transferencia de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proceso de transferencia de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Clasificación y aplicaciones de intercambiadores de calor . . . . . . . . . . . . Consideraciones generales de diseño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Consideraciones de diseño para intercambiadores de tubo y carcaza . . Problemas operacionales típicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Optimización de los sistemas de integración de calor . . . . . . . . . . . . . . . .

5 8 8 9 13 24 39 60 64

5 GUIA GENERAL PARA DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

5.1 5.2 5.3 5.4

Proceso de diseño de intercambiadores de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Criterios de selección para intercambiadores de calor . . . . . . . . . . . . . . . . Guía general para el diseño de intercambiadores de calor . . . . . . . . . . . . Programas de computación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67 69 71 73

6 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 APENDICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78 80

Tabla 1 Tabla 2a Tabla 2b Tabla 3 Tabla 4 Tabla 5 Tabla 6 Tabla 7 Tabla 8 Tabla 9 Tabla 10 Figura 1 Figura 2 Figura 3

Sumario de los diferentes tipos de intercambiadores de calor . . . Información requerida para el diseño de intercambiadores de calor (unidades métricas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Información requerida para el diseño de intercambiadores de calor (unidades inglesas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Coeficientes globales de transferencia de calor típicos (U0) . . . . . Temperatura de diseño del agua de enfriamiento entrando . . . . . . Factores de ensuciamiento típicos ri y ro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Caída de presión típicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Datos de tubos para intercambiadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Conductividades térmicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Selección de tipos de cabezales (TEMA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Número de pasos máximo por los tubos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hoja de especificación para intercambiadores de calor (unidades SI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elementos de los intercambiadores de tubo y carcaza . . . . . . . . . . Nomenclatura TEMA para intercambiadores de calor . . . . . . . . . .

81 82 84 86 93 95 100 101 102 103 104 105 106 107

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Figura 4 Figura 5 Figura 6a Figura 6b Figura 6c Figura 7 Figura 8 Figura 9

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Arreglos comunes de tubos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tipos de deflectores para la carcaza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tipos de carcazas comunes para intercambiadores de tubo y carcaza – carcaza de un paso (TEMA, Tipo AES) . . . . . . . . . . . . . Tipos de carcazas comunes para intercambiadores de tubo y carcaza – carcaza de flujo dividido (TEMA, Tipo AJS) . . . . . . . . . Tipos de carcazas comunes para intercambiadores de tubo y carcaza – carcaza de dos pasos (TEMA, Tipo AFS) . . . . . . . . . . . . Localización de la banda de sello . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mecanismos de condensación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tipos de intercambiadores de placa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

108 109 110 111 112 113 114 115

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OBJETIVO El objetivo de este documento es proveer al ingeniero de proceso y diseño con un conocimiento técnico/práctico que le permita comprender y familiarizarse con los parámetros que gobiernan el diseño de los equipos para transferencia de calor. El tema “Intercambiadores de Calor”, dentro del área de “Transferencia de Calor”, en el Manual de Diseño de Procesos (MDP), está cubierto por los siguientes documentos: PDVSA–MDP–

Descripción del Documento

05–E–01

Intercambiadores de Calor: Principios Básicos. (Este documento)

05–E–02

Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseño para para equipos de tubo y carcaza.

05–E–03

Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseño para Enfriadores de Aire.

05–E–04

Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseño para Intercambiadores de Doble Tubo. Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseño para Servicios Criogénicos.

05–E–05

Este documento, junto con los demás que cubren el tema de “Intercambiadores de Calor”, dentro del Manual de Diseño de Procesos (MDP) de PDVSA, son una actualización de la Prácticas de Diseño “Intercambiadores de Calor”, presentadas en la versión de Junio de 1986 del MDP (Sección 9).

2

ALCANCE Este documento presenta definición de conceptos y descripción de las metodologías involucradas en el diseño y evaluación de los equipos para intercambio de calor. En las subsecciones 4.1, 4.2, 4.3 y 4.4 se conceptualiza brevemente el proceso de transferencia de calor. La subsección 4.5 describe los diferentes tipos de intercambiadores de calor comunmente usados en la IPPCN y sus aplicaciones. En general, estos equipos se diseñan y fabrican para un servicio específico, por lo que el diseñador y/o fabricante requieren de información sobre la operación y el servicio para el cual será adquirido dicho equipo. Esta información les es suministrada por el ingeniero de proyecto o de proceso mediante una hoja de datos con todos los requisitos que el intercambiador debe cumplir, evitándose así la adquisición de un equipo inadecuado para el servicio requerido. En la Figura 1. se muestra un ejemplo de la hoja de especificación para los intercambiadores de tubo y carcaza.

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La subsección 4.6 presenta las consideraciones básicas de diseño para todos los tipos de intercambiadores de calor y la subsección 4.7 contiene las consideraciones generales para el diseño de intercambiadores de calor del tipo tubo y carcaza. Las subsecciones 4.8 y 4.9 intentan concientizar, al ingeniero responsable del diseño y/o evaluación de un intercambiador, sobre la problemática operacional y de integración energética relacionada con dichos equipos, y la importancia de considerar estos factores durante su fase de diseño y/o evaluación dado su gran impacto sobre los costos de mantenimiento, de producción y energéticos. Finalmente, en la sección 5 se describe el proceso de diseño y selección de intercambiadores de calor. Aunque en los documentos PDVSA–MDP–05–E–02 al 05 se cubre en detalle los procedimientos de cálculo. Ciertos aspectos tales como longitud del tubo, especificaciones del tipo de material, limitaciones en las dimensiones de la carcaza, etc., son normalmente especificados por el cliente; como parte de las Bases de Diseño para la instalación de una nueva refinería o, en el caso de refinerías y plantas químicas existentes, en la carta de requisición del trabajo o, en último caso, esta información puede ser generada durante las etapas iniciales del trabajo.

3

REFERENCIAS Manual de Diseño de Proceso (versión 1986) S Vols V y VI, Sección 9 “Intercambiadores de calor” S Vol I, Sección 1 “Consideraciones económicas de diseño” S Vol I, Sección 2 “Temperatura de diseño, presión de diseño y clasificación de bridas” S Vols VII y VIII, Sección 12 “Instrumentación y control” S Vol VIII, Sección 14 “Flujo de fluidos” Manual de Diseño de Proceso S PDVSA–MDP–08–SG–01 “Seguridad en el Diseño de Plantas: Introducción” Manual de Ingeniería de Diseño S PDVSA–MID–EA–201–PR “Equipo de carcaza y tubos para intercambio de calor” S PDVSA–MID–EA–202–PR “Equipo para intercambio de calor de doble tubo” S PDVSA–MID–EC–201–PR “Equipo para intercambio de calor : enfriador de aire” S PDVSA–MID–EF–202–R “Torre de enfriamiento de tipo inducido” S PDVSA–MID–EG–201–R “Calentadores desaereadores”

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S PDVSA–MID–L–TP–2.1 “Intercambiadores de calor requisición, análisis de ofertas y detalles de compra” S PDVSA–MID–90616.1.022 “Sistemas de alivio” S PDVSA–MID–90617.1.041 “Guías de ingeniería para intercambiadores de calor de carcaza y tubo” Otras Referencias S Standards of Tubular Exchanger Manufacture’s Association (TEMA) S API Standard 661 “Air–cooled Heat Exchangers for General Refinery Services” S API Standard 660 “Heat Exchanger for General Refinery Services” S API Bulletin 2516 “Evaporation loss from low–pressure tanks (R 1993)” S API Bulletin 2517 “Evaporative loss from floating roof tanks third edition; Addendum – 1994” S API Manual of Petroleum Measurements Standards Ch 19 – Evaporative loss measurement Section 1 – “Evaporative loss from fixed–roof tanks (Supercedes Bulletin 2518) S API Bulletin 2519 “Evaporation loss from internal floating roof tanks (R 1990)” S Afgan, N. H. & Schlûnder, E. U.; Heat Exchanger Theory; First Edition McGraw Hill (1974). S Chemical Engineering Magazine; Process Heat Exchange; McGraw Hill (1979) S Hewitt, G. F.; Shires, G. L. and Bott T. R.; Process Heat Transfer; First Edition; CRC Press, Inc. (1993)10. S Kays, W.M. and London, A.L.; Compact Heat Exchanger; Second Edition; McGraw Hill (1964) S Kakac, S. et All; Heat Transfer Design Method; First Edition; McGraw Hill (1974) S McKetta, J. J.; Heat Exchanger; First Edition; Marcel Dekker, Inc. (1991) S Schlûnder, E. U.; Heat Exchanger Design Handbook; Vols. 2 & 3; First Edition, CRC Press, Inc. (1983) S Smith, G. & Patel A.; Step by Step through the Pinch; The Chemical Engineer Journal; Novembre 1987.

4

CONSIDERACIONES BASICAS 4.1

Definiciones y descripciones La terminología usada en esta serie de documentos del área de Transferencia de Calor, título Intercambiadores, es la que generalmente se usa en la IPPCN. A continuación se definen y describen los términos mas comunes:

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Refrigerador Es una unidad que utiliza un refrigerante para enfriar un fluido, hasta una temperatura menor que la obtenida si se utilizara aire o agua como medio de enfriamiento. Condensador Es una unidad en la cual los vapores de proceso se convierten total o parcialmente en líquidos. Generalmente, se utiliza agua o aire como medio de enfriamiento. El término “condensador de superficie” se refiere específicamente a aquellas unidades de carcaza y tubos que se utilizan para la condensación del vapor de desecho, proveniente de las máquinas y de las turbinas a vapor. Un “condensador de contacto directo” es una unidad en la cual el vapor es condensado mediante contacto directo con el medio enfriante, eliminando la superficie de transferencia de calor que separa el medio enfriante y el vapor. Enfriador Es una unidad en la cual una corriente de proceso intercambia calor con agua o aire sin que ocurra cambio de fase. Evaporador Los evaporadores son intercambiadores de calor usados específicamente para concentrar soluciones mediante la evaporación parcial del solvente, algunas veces hasta el punto que ocurra el fenómeno de la cristalización. Son diseñados para optimizar la producción del producto liquido o solido. Intercambiador Es el nombre genérico de un dispositivo mecánico, o equipo, diseñado para transferir calor entre dos o mas corrientes de fluidos que fluyen a través del equipo. Calentador Un calentador es un intercambiador de calor que aumenta la temperatura de una corriente, sin que normalmente ocurra un cambio de fase. Como fuente de calor puede utilizarse una corriente de servicio; tal como vapor de agua, aceite caliente, fluidos térmicos o líquidos químicos (como el “Humbletherm”); o una corriente de proceso de entalpía alta; por ejemplo: la descarga de un reactor operado a alta temperatura. Existe una gran variedad de fluidos térmicos que han sido ampliamente usados y están comercialmente disponibles; por ejemplo “Dowtherm A” (mezcla de 26.5% de Difenil (C6H5)2, y 73.5% de Oxido de Difenil (C6H5)2,O, con un punto de ebullición de 257.1 C.), y “Dowtherm J” ( (C10H14), con un punto de ebullición de 181 C.).

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Rehervidor Es un vaporizador frecuentemente usado para generar un flujo de vapor que suministra el calor latente de vaporización al fondo de una columna o torre fraccionadora. Existen dos tipos generales de rehervidores, aquéllos que descargan una mezcla bifásica a la torre y los que retornan vapor solamente. Los primeros pueden operar mediante circulación natural (comúnmente llamados termosifones), o circulación forzada (Ver documento PDVSA–MDP–05–E–02 para mayor información). Los termosifones son los tipos de rehervidores más comunes. Los termosifones horizontales donde la vaporización ocurre en el lado de la carcaza son los más usados en la industria petrolera. Normalmente, en los termosifones verticales, la vaporización ocurre en el lado de los tubos y se utilizan preferiblemente en las industrias químicas. En un termosifón, se debe proveer suficiente cabezal de líquido a fin de mantener la circulación natural del líquido a vaporizar. Los rehervidores de circulación forzada requieren de una bomba para impulsar el líquido a vaporizar a través del intercambiador. Este tipo de rehervidor no se utiliza con mucha frecuencia, debido a los costos adicionales del bombeo de la alimentación al rehervidor; sin embargo, en algunos casos se requiere circulación forzada para vencer limitaciones del cabezal hidrostático y problemas de circulación. Los rehervidores que retornan solamente vapor a la torre se denominan rehervidores de marmita (Kettle Reboilers), los cuales se caracterizan por carcazas largas, donde ocurre la separación liquido–vapor. El liquido es descargado como el producto de fondo de la columna y el vapor es retornado a la columna. Quizás la mejor manera de describir la operación de estos rehervidores es comparándolas con una paila u olla hirviendo (para mayores detalles ver documento PDVSA–MDP–05–E–02). Generadores de Vapor (Calderas de Recuperación de Calor) Los generadores de vapor son un tipo especial de vaporizadores utilizados para producir vapor de agua. Como fuente de calor se utiliza generalmente el calor en exceso que no se requiere para el proceso; de allí que estos rehervidores se les llame comúnmente “Calderas de Recuperación de Calor”. Al igual que los rehervidores, los generadores de vapor pueden ser del tipo “Kettle”, de circulación forzada o termosifones. Sobrecalentador Un sobrecalentador calienta el vapor por encima de su temperatura de saturación.

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Vaporizador Un vaporizador es un intercambiador que convierte líquido a vapor. El término vaporizador se refiere normalmente a aquellas unidades que manejan líquidos diferentes al agua.

4.2

Funciones de los intercambiadores de calor La función básica de los intercambiadores es la transferencia de energía térmica entre dos o mas fluidos a diferente temperatura. El calor fluye, como resultado del gradiente de temperatura, desde el fluido caliente hacia el frío a través de una pared de separación, la cual se le denomina superficie o área de transferencia de calor. Es decir, no existe fuente de energía térmica en un intercambiador de calor. Por otro lado, si los fluidos son inmiscibles, el área física de transferencia de calor puede ser eliminada, y la interfase formada entre los fluidos puede servir como área de transferencia de calor. En resumen, las funciones típicas de un intercambiador de calor en los procesos industriales son las siguientes:

4.3

1.

Recuperación de calor: la corriente fría recupera parte del calor contenido en la corriente caliente. Es decir, calentamiento y enfriamiento de las corrientes involucradas, las cuales fluyen simultáneamente a ambos lados del área de transferencia de calor.

2.

Evaporación: una de las corrientes involucradas en el intercambio de calor cambia de fase líquida a vapor.

3.

Condensación: una de las corrientes involucradas en el intercambio de calor cambia de fase vapor a fase líquida.

Mecanismos de transferencia de calor La transferencia de calor, como se definió previamente, es una interac...