Manuel de Jesús Córdoba Barradas 89
TANQUES De acuerdo con el estándar API 650, se denomina tanque de almacenamiento a los depósitos verticales para líquidos que operan a presión atmosférica (ó ligeramente mayor) y cuya presión de diseño no rebasa las 20” wc (0.05 kg/cm2). Los depósitos considerados son construidos de placa de acero y pueden ser fabricados en campo ó en taller, dependiendo del tamaño. Los tanques pueden ser abiertos a la atmósfera ó contar con una cúpula. Pueden instalarse sobre el piso ó enterrados. El tanque debe calcularse para que sus paredes (cuerpo) resistan la carga hidrostática del líquido almacenado ó del agua al estar completamente lleno. Por razones de economía, la cúpula del tanque se calcula para presiones de 8 a 10” wc. Manuel de Jesús Córdoba Barradas
90
CUPULA : PRESION
DE DISEÑO 8-10”
WC
CORAZA : PRESION DE
DISEÑO CARGA
HIDROSTATICA DEL LIQUIDO O DEL AGUA
PRESION DE OPERACIÓN : ATMOSFERICA
PARTES PRINCIPALES TANQUE ATMOSFÉRICO
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 91
FONDO : PRESION DE DISEÑO
CARGA HIDROSTATICA DEL LIQUIDO O DEL
AGUA
PROCEDIMIENTO DE CALCULO1. Determinar el volumen del líquido a almacenar : Estos tanques son usados como depósitos para las materias primas y productos, el criterio de diseño es el tiempo de almacenamiento.2. Dimensionar el tanque requerido operando a un nivel del 80% y con relación H/T entre 0.75 y 1.25 :
T = Diámetro del tanque (ft) V = Volumen del líquido a almacenar (ft3) H = Altura del tanque (ft)
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 92
V = ft 3
T =
4 V (T/H)3
0.8 PI H =
T(H/T)
3. Calcular el espesor de las paredes del tanque : Para líquidos con densidad mayor a la del agua
Para líquidos con densidad menor a la del agua
G = Gravedad específica del líquido CA = Tolerancia a la corrosión (pulg) Sd = Esfuerzo de diseño (psi) th = Espesor de placa (pulg)
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 93
th = 2.6 T (H – 1 ) G Sd +
CA
th = 2.6 T (H – 1 ) Sd +
CA
Sd = 2 Fluencia = 3
3 Resistencia 8
4. Calcular el espesor de la cúpula cónica autosoportada del tanque : Máximo O = 37° (pendiente 9 pulg por pie) Mínimo seno O = 0.165 (pendiente de 2 pulg por pie)
th = Espesor de la cúpula (pulg) D = Diámetro nominal del tanque (ft) O = Ángulo de la cúpula (grados) Espesor mínimo = 3/16” Espesor máximo = 1/2” El espesor calculado debe estar entre 3/16” y 1/2”, no se aceptan espesores menores a 3/16”.
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 94
th = T 400 sen O
5. Determinar la máxima presión de diseño :
Pmax = Presión máxima de diseño (pulg col agua) W = Peso de la cúpula (lb) El peso de la cúpula se determina con la diferencia de volúmenes de los conos multiplicado por la densidad del material de construcción del tanque.
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 95
Pmax =
0.245 W D2 + 8
th
Vc1
Vc2
Vc = Vc1 – Vc2 Vc =
PI3
R2 h
Wc =
Dens * Vc
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 96
RECIPIENTES DE PROCESO Los recipientes son los equipos con mayor aplicación en los procesos químicos, debido a la diversidad de funciones que pueden cumplir. Por ejemplo : * Tanques de almacenamiento Cilíndricos horizontales (salchichas) Cilíndricos verticales (balance) Esferas * Separadores Ciclónicos verticales Decantadores horizontales * Tanques flash Deareadores Knock out Vaporizadores * Columnas Destilación Absorción
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 97
DIMENSIONAMIENTO DEL RECIPIENTE
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 98
Antes de calcular los espesores de la placa con que se fabrica el recipiente, se calculan las dimensiones del tanque basado en las necesidades del proceso.
Vd = 0.4 Va
Va = 0.2
DL - DV
DV
Va = Velocidad permisible del vapor (ft/seg) DL = Densidad del líquido (lb/ft3) DV = Densidad del vapor (lb/ft3)
Vd = Velocidad de diseño del vapor (ft/seg)D = 0.226
Vd DV
MV
D = Diámetro del tanque (pulg)) Mv = Flujo de vapor (lb/hr)
RECIPIENTE A PRESIÓN De acuerdo con el Código ASME Sección VIII, se denomina recipiente a presión a todo contenedor metáli-co generalmente cilíndrico (colocado horizontal ó vertical-mente) ó esférico que opera sometido a presión, ya sea interna ó externa. Las presiones de operación pueden ser mayores ó menores a la atmosférica (vacío). Los contenedores son construidos de placa de acero (ó algún otro metal) y se fabrican en taller. La unión de las placas se hace mediante cordones de soldadura. El recipiente debe calcularse para que sus paredes y cabezas resistan, al menos, la máxima presión alcanzable durante la operación. Esto se logra determinando el espesor de placa que pueda resistir la presión de diseño. Algunos recipientes que manejan sustancias peligrosas requieren se les aplique un tratamiento térmico (general-mente relevado de esfuerzos), para evitar corrosión en las soldaduras.
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 99
PRESION DE DISEÑO
* MENOR QUE
ATMOSFERICA (VACÍO) * MAYOR A 0.5
PSIG
CONDICIONES DE DISEÑO
* PRESIÓN * TEMPERATURA
RECIPIENTE A PRESIÓN
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 100
HORIZONTAL
VERTICAL
DEFINICIONESPresión de operación. Es la presión desarrollada
por el proceso y a la que el equipo está sometido durante la operación normal.
Presión Máxima de Trabajo Alcanzable (MAWP). Es la presión interna a la que el recipiente está sometido :
a) En condiciones máximas de corrosiónb) A la temperatura de diseñoc) En condiciones normales de operaciónd) Bajo efecto de otras cargas (viento, presión
externa, prueba hidrostática) que son aditivas a la presión interna.
Presión de diseño. Es la presión que se utiliza para el cálculo del espesor del recipiente, generalmente ésta presión es 20% mayor que la MAWP.
Presión de prueba hidrostática. Es la presión a la que se somete el recipiente para certificar que resiste la MAWP y es 1.5 veces la presión de diseño
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 101
DEFINICIONESEsfuerzo máximo permisible. Es la máxima carga
(fuerza) por unidad de área que resiste el material de cons-trucción del recipiente. El esfuerzo se determina experimentalmente sometiendo una probeta del mate-rial a un ensayo de tensión.
Eficiencia de la junta. Es la eficiencia con que trabajan las soldaduras de un recipiente. Esta depende del proceso de soldadura utilizado en la fabricación del recipiente.
Temperatura de diseño. Es la temperatura que se utiliza para calcular el espesor del recipiente.La importancia que tiene la temperatura de diseño radica en que los aceros reducen sus propiedades mecánicas conforme se incrementa la temperatura.
Propiedades mecánicas del material de construcción. Son la carga de Fluencia (esfuerzo al que el material se deforma irreversiblemente) y la Resistencia máxima, determinadas en un ensayo de tensión.
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 102
ESFUERZOS EN CUERPOS CILÍNDRICOS
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 103
S1 =
P D4 t
S2 =
P D2 t
Junta longitudin
al
Junta circunferenci
al
S1 = Esfuerzo longitudinal (psi) S2 = Esfuerzo circunferencial (psi) P = Presión interna ó externa (psi) D = Diámetro promedio (pulg) t = Espesor de la coraza (pulg), no incluye tolerancia a la corrosión
S2
S1
p
p
D
t
CÁLCULO DE ESPESORES CON PRESIÓN INTERNA
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 104
t = P RSE – 0.6P
Coraza cilíndrica
Cabezas esférica y semiesférica
p
R
tP = S E t
R + 0.6t1. Generalmente gobierna el esfuerzo en
soldaduras longitudinales 2. Cuando el espesor calculado excede la
mitad del radio ó P excede 0.385 SE, se aplica otra fórmula
t = P R2SE –
0.2PP = 2 S E t
R + 0.2t1. Para cabezas soldadas use la menor
eficiencia de soldadura (coraza ó cabezas) 2. Cuando el espesor calculado excede 0.356
R ó P excede 0.665 SE, se aplica otra fórmula
p
tR
CÁLCULO DE ESPESORES CON PRESIÓN INTERNA
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 105
t = P D2SE - 0.2P
Cono y sección cónica
P = 2 S E tD + 0.2t
1. Para cabezas elípticas donde la relación del eje mayor y el menor es diferente a 2:1, se aplica otra fórmula
t = P D2 cos a (SE -
0.6P)P = 2 S E t cos a
D + 1.2 t cos a1. Para ángulos mayores a 30°, se requiere un
análisis especial y se aplica otra fórmula
p
tD
Cabeza elíptica 2:1
p
tDa
CÁLCULO DE ESPESORES CON PRESIÓN INTERNA
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 106
t = 0.885 P LSE - 0.1P
Cabeza toriesférica
Para L/r = 16 2/3
P = S E t0.885L+0.
1t
p
tDL
r
Para L/r menor a 16 2/3
t = P L M2SE -2 P
P = 2 S E tML + 0.2t
A los espesores calculados se les suma la tolerancia a la corrosión (CA)
CÁLCULO DE ESPESORES CON PRESIÓN INTERNA
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 107
SimbologíaP = Presión de diseño ó MAWP (psi)S = Esfuerzo de diseño del material (psi)E = Eficiencia de la soldaduraR = Radio interno (pulg)D = Diámetro interno (pulg)t = Espesor de pared (pulg)a = Ángulo de la pared del conoL = Radio interno mayor de cabeza toriesférica (pulg)r = Radio interno de curvatura de cabeza toriesférica (pulg)M = Factor de cabeza toriesférica (ver tabla)C A = Tolerancia a la corrosión (pulg)
CÁLCULO DE ESPESORES CON PRESIÓN INTERNA
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 108
t = 0.885 P LSE +
0.8P
Cabeza toriesférica
Para L/r = 16 2/3
P = S E t0.885L-
0.8t
p
tDL
r
Para L/r menor a 16 2/3
t = P L M2SE + P(M-
0.2)P = 2 S E t
ML-t(M-0.2)
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 126
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 127
De acuerdo con el Estándar API-520-RP, se denomina dispositivo de relevo de presión a: Válvula de relevo. Dispositivo mecánico accionado por la presión estática corriente arriba, que abre en proporción al incremento de presión sobre la presión de apertura. Es usado para sistemas que manejan líquidos. Válvula de seguridad. Dispositivo mecánico accionado por la presión estática corriente arriba, de apertura rápida inmediata (acción pop) cuando la presión rebasa la presión de apertura. Es usado para sistemas que manejan gases, vapor y aire. Válvula de seguridad y relevo. Es aquella que puede usarse para líquidos, gases, vapor y aire.
Válvula de relevo de presión. Término genérico aplicado a las válvulas de seguridad y relevo.
DISPOSITIVOS DE RELEVO DE PRESIÓN
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 128
Disco de ruptura. Diafragma metálico delgado sostenido entre bridas que rompe a una presión determinada. El espesor del disco depende de la presión de ruptura. Máxima presión de trabajo permisible. Es la máxima presión a la que el recipiente puede operar, combinando el efecto de la temperatura, de acuerdo al código. Esta es la máxima presión a la que puede ser calibrada la válvula de seguridad. Acumulación. Es el incremento de presión alcanzado en el recipiente sobre la máxima presión de trabajo permisible, durante la descarga. Se expresa en porcentaje. Sobrepresión. Es el incremento de presión del recipiente sobre la presión de ajuste de la válvula, experimentado durante la descarga. Se expresa en porcentaje. Cuando la presión de ajuste es igual a la MAWP, la acumulación y la sobrepresión son iguales Presión de ajuste. Es aquella a la cual el dispositivo es calibrado para abrir.
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 129
Presión de operación. Es aquella a la cual el recipiente opera bajo condiciones normales. Esta presión siempre debe ser menor a la presión de ajuste y a la MAPW. Presión de relevo. Es la presión que alcanza el recipiente durante la descarga de la válvula. Presión de prueba en frío. Es la presión a la que se prepara la válvula para actuar en un banco de prueba. Esta presión incluye los factores de corrección para compensar las condiciones reales de operación. Contrapresión. Es la presión estática que existe en la salida del dispositivo de relevo de presión, debida a la presión del sistema donde descarga.
Capacidad. La capacidad de los dispositivos de relevo se refleja en el área de descarga ó tamaño de orificio. Los tamaños de válvula están relacionados con el tamaño y designación del orificio.
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 130
CAPACIDAD
W = C KD AD P MZ T
C = 520 2( k +
1 )
k( k - 1 )( k + 1 )
k =Cv
Cp
W = Flujo a través de la válvula ( lb/hr )KD = Coeficiente de descargaAD = Área de descarga ( pulg2 )P = Presión corriente arriba ( psia )M = Peso molecular del gas ó vaporT = Temperatura de entrada ( °R )Z = Factor de compresibilidad
Descarga libre
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 131
FACTOR DE COMPRESIBILIDAD ( Z )
Pc = Presión crítica ( psia )Tc = Temperatura crítica (°R)ω = Factor acéntrico
Correlaciones de Pitzer
Pr = Presión reducidaTr = Temperatura reducida
Z = 1 +
B PR T
= 1 +
B PcR Tc
PrTr
B PcR Tc
= B0 + ω B1
B0 = 0.083 -
B1 = 0.139 -
0.422Tr1.6
0.172Tr4.2
Tr =
Pr =
PPc
TTc
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 132
Con presión de oposición mayores que la Pc del fluídoBoquillas
W = 735 F2 KD AD
M P1 ( P1 - P2 ) Z T
F2 =
1 - rk
( k +
1 )
1 - r k( k - 1 )
r2 k
P1
P2r =
=
k( k - 1 )2
( k +
1 )P1
Pc
Pc = Presión crítica del fluído ( psia )P1 = Presión de descarga ( psia )P2 = Presión de oposición ( psia)
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 133
Dimensionamiento para relevo de gases ó vapor
AD = C K P1 Kb M
W T ZAD = 1.175 C K P1
Kb
V T Z G
AD = 6.32 C K P1 Kb
V T Z M
K = 0.975 V = Flujo de gas en scfm ( 14.7 psia y 60°F )
Dimensionamiento para relevo de líquidos
Kb =
735 F2 C
1 - r
AD = 38 K Kp Kw
Kμ
Q G1.25 ( P1 – P2 )
K = 0.62 Kw = 1.0 Kp = 1.0 Kμ = 1.0 Q = Flujo de líquido ( GPM )
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 134
Dimensionamiento para casos de fuegoAbsorción de calor
q = 21000 F AH
0.82q = Calor absorbido ( BTU/hr ) F = Factor ambientalAH = Área húmeda ( ft2 ) medida a una altura máxima de 25 ft
Tabla de factor ambiental Fa) Recipiente desnudo................................................ 1.00b) Recipiente aislado b.1) Conductividad 4 BTU/hr ft2 °F............................. 0.30 b.2) Conductividad 2 BTU/hr ft2 °F............................. 0.15 b.3) Conductividad 1 BTU/hr ft2 °F............................. 0.075c) Recipientes con sistemas de drenado
automático............... 1.00d) Recipientes con sistemas de diluvio
automático................. 1.00e) Recipientes subterráneos......................................... 0.00f) Recipientes enterrados........................................... 0.03
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 135
Tamaño de válvulas según estándar API-526Designación
de orificioArea efectiva
( pulg2)Entrada ( pulg )
Salida ( pulg )
Entrada (rating)
Salida (rating)
D 0.110 111
1.1/21.1/21.1/2
22222
2.1/2
150#300#600#900#
1500#2500#
150#150#150#300#300#300#
E 0.196 111
1.1/21.1/21.1/2
22222
2.1/2
150#300#600#900#
1500#2500#
150#150#150#300#300#300#
F 0.307 1.1/21.1/21.1/21.1/21.1/21.1/2
222
2.1/22.1/22.1/2
150#300#600#900#
1500#2500#
150#150#150#300#300#300#
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 136
Tamaño de válvulas según estándar API-526Designación
de orificioArea efectiva
( pulg2)Entrada ( pulg )
Salida ( pulg )
Entrada (rating)
Salida (rating)
G 0.503 1.1/21.1/21.1/21.1/2
22
2.1/22.1/22.1/22.1/2
33
150#300#600#900#
1500#2500#
150#150#150#300#300#300#
H 0.785 1.1/21.1/2
222
33333
150#300#600#900#
1500#
150#150#150#150#300#
J 1.287 22
2.1/22.1/21.1/2
33444
150#300#600#900#
1500#
150#150#150#150#300#
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 137
Tamaño de válvulas según estándar API-526Designación
de orificioArea efectiva
( pulg2)Entrada ( pulg )
Salida ( pulg )
Entrada (rating)
Salida (rating)
K 1.838 33333
44466
150#300#600#900#
1500#
150#150#150#150#300#
L 2.853 33444
44666
150#300#600#900#
1500#
150#150#150#150#150#
M 3.60 4444
6666
150#300#600#900#
150#150#150#150#
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 138
Tamaño de válvulas según estándar API-526Designación
de orificioArea efectiva
( pulg2)Entrada ( pulg )
Salida ( pulg )
Entrada (rating)
Salida (rating)
N 4.34 4444
6666
150#300#600#900#
150#150#150#150#
P 6.38 4444
6666
150#300#600#900#
150#150#150#150#
Q 11.05 666
888
150#300#600#
150#150#150#
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 139
Tamaño de válvulas según estándar API-526Designación
de orificioArea efectiva
( pulg2)Entrada ( pulg )
Salida ( pulg )
Entrada (rating)
Salida (rating)
R 16.0 6666
88
1010
150#300#300#600#
150#150#150#150#
T 26.0 6666
88
1010
150#300#300#600#
150#150#150#150#
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 140
DISPOSITIVOS DE VENTEO El estándar API 2000 indica que los tanques atmosféricos de almacenamiento de líquidos en su operación generan movimiento de la fase gaseosa, similar al proceso de respiración.
Los líquidos almacenado pueden ser: inflamables (FP<38°C) ó combustibles (FP>38°C). FP = Flash point (Temperatura a la cual el líquido empieza a generar vapores). Cuando se almacenan líquidos no volátiles, el tanque puede tener un venteo directo (cuello de ganso). Si se almacenan líquidos volátiles ó inflamables, se debe eliminar el cuello de ganso (no puede haber venteo directo) para reducir las pérdidas y evitar formación de mezclas explosivas. Los dispositivos utilizados para el venteo de tanques son : * Arrestaflamas * Válvulas de venteo presión/vacío * Venteos de emergencia
Los primeros son utilizados para evitar la propagación de flama al interior del tanque. Los últimos, eliminan la presión del tanque debida al calentamiento por fuego externo.
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 141
SALIDA DE AIRE O GAS
INERTE
INCREMENTO DE LA PRESION INTERNA
LLENADO
PROCESO DE RESPIRACION EN TANQUE ATMOSFERICO
VACIADO
REDUCCION DE LA PRESION
INTERNA
ENTRADA DE LIQUIDO AL
TANQUE
SALIDA DE LIQUIDO
DEL TANQUE
ENTRADA DE AIRE O
GAS INERTE
SUBE EL NIVEL DE LIQUIDO
BAJA EL NIVEL DE LIQUIDO
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 142
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 143
REQUERIMIENTOS DE VENTEO NORMALPRESIÓNa) Máximo flujo de llenado y máxima vaporizaciónb) Expansión y máxima vaporización debida al
calentamiento ambiental
VACÍOa) Máximo flujo de vaciadob) Contracción de vapores debida a enfriamiento
ambiental súbito
REQUERIMIENTOS DE VENTEO DE EMERGENCIAPRESIÓNa) Expansión y vaporización debida a la exposición
al fuego
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 144
Capacidad del venteo de presión
Combustibles FP>38°C
12 ft3 std aire libre
barril de flujohr
hr =2.14 m3 std aire libre
m3 de flujohr
hr =17.14 ft3 std aire libre
GPM de flujohr
Inflamables FP<38°C
6 ft3 std aire libre
barril de flujohr
hr =1.07 m3 std aire libre
m3 de flujohr
hr =8.57 ft3 std aire libre
GPM de flujohr
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 145
Calentamiento ambientalInflamables FP<38°CTanques > 20,000 barriles (840,000 Gal)
2 ft3 std aire libreft2 de área total
hr Área total = área de coraza + área de cúpula
Tanques < 20,000 barriles (840,000 Gal)1 ft3 std aire libre
barril
hr =1 ft3 std aire libre
42 gal
hr
Combustibles FP>38°C60 % del requerimiento de venteo de los inflamables
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 146
Capacidad del venteo de vacío5.6 ft3 std aire libre
barril de flujohr
hr =1.0 m3 std aire libre
m3 de flujohr
hr =8.0 ft3 std aire libre
GPM de flujohr
Calentamiento ambientalTanques > 20,000 barriles (840,000 Gal)
2 ft3 std aire libreft2 de área total
hr Área total = área de coraza + área de cúpula
Tanques < 20,000 barriles (840,000 Gal)
1 ft3 std aire libre
barril
hr =1 ft3 std aire libre
42 gal
hr
VENTEO DE EMERGENCIA DE AIRE O GAS INERTE
ALTERNATIVA : SOLDADURA FRAGIL EN LA UNION DE LA CÚPULA Y LA
CORAZAINCREMENTO EXAGERADO
DE LA PRESION INTERNA
DEBIDO A LA VAPORIZACION DEL LIQUIDO
TANQUE ATMOSFERICO EXPUESTO A FUEGO EXTERNO
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 147
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 148
VENTEO DE EMERGENCIAAbsorción de calor20 < AH < 200 ft2
200 < AH < 1000 ft2
1000 < AH < 2800 ft2
AH > 2800 ft2
Q = 20000 AH
Q = 199300 AH0.566
Q = 963400 AH0.388
Q = 21000 AH0.82
Capacidad
L Mscfh =
70.5 Q
Q = Calor absorbido (BTU/hr)L = Calor latente de vaporización (BTU/lb)M = Peso molecular
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 149
D
h
D
hg
AREA LATERAL
AL = 2
Π D g
AL = Π D h
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 108
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 109
Son aquellos equipos que permiten el intercambio de energía entre dos fluídos, sin que tengan contacto directo. Los fluídos pueden ser corrientes del proceso ó servicios auxiliares.
El diseño y construcción de los cambiadores de calor está regulado por los estándares de TEMA (Asociación de Fabricantes de Intercambiadores Tubulares)
Los cambiadores de calor se clasifican en tres tipos dependiendo de la aplicación : * Clase R para Refinerías y Plantas Petroquímicas * Clase C para procesos comerciales y generales * Clase B para servicio en procesos Químicos
CAMBIADORES DE CALOR
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 110
El TEMA designa a los cambiadores en base a la combinación de tres parte principales : * Cabezal frontal * Coraza * Cabezal posterior
El tamaño del cambiador está definido por : * Diámetro interno de la coraza * Longitud de los tubos
La especificación general de un cambiador de calor, está dada por : * Tipo de cambiador (R, C, B) * Designación (ej. AES, BEM) * Tamaño (19” Diam x 12’ Long)
PARTES PRINCIPALES
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 111
PARTES PRINCIPALES
Designación del cambiador
Tipo de cabezal frontal
Tipo de coraza
Tipo de cabezal posterior
CABEZAL FRONTAL
CABEZAL POSTERIO
RCORAZ
A
Diámetro
interno
Longitud de tubos
Tamaño del
cambiador
Diámetro interno de la coraza
Longitud de tubos
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 112
Existen diferentes tipos de arreglo de tubos (Pitch) en los espejos del cambiador de calor :
ARREGLO DE TUBOS
30° Triangula
r
60° Triangular rotado
45° Rómbico
90° Cuadrad
o
DEFLECTORES (BAFFLES) Su función es generar turbulencia en el fluido del lado coraza, provocando cambios de dirección
El Pitch cuadrado facilita la limpieza mecánica del equipo.
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 113
* Segmental * Doble segmental * Triple segmental
TIPOS DE BAFFLES
ORIENTACIÓN DEL CORTE EN BAFFLES Ejemplo para baffle Segmental
Horizontal
Vertical Rotado
La punta de la flecha indica el espacio libre por donde pasa el fluido por el lado de la coraza
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 114
TIPO DE OPERACIÓNPARALELO CONTRACORRIENTE
T1 T1 T2T2t1 t1
t2t2
T1
T2
t1
t2
T1
T2
t1
t2
ΔT1 = T1 – t1 ΔT2 = T2 – t2 ΔT1 = T1 – t2 ΔT2 = T2 – t1
ΔT1 - ΔT2
ln ΔT1 / ΔT2
LMTD =
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 115
ECUACIÓN DE DISEÑO Q = U A LMTDCARGA TÉRMICAFLUJOS EN PARALELO
Q = mc Cpc (Tc1-Tc2) = mf Cpf (Tf2- Tf1)FLUJOS EN CONTRACORRIENTE
Q = mc Cpc (Tc1-Tc2) = mf Cpf (Tf1- Tf2)MÁXIMA CARGA TÉRMICA TRANSFERIBLE Q = mmin Cpmin (Tc1-Tf1)
ECUACIÓN DE DISEÑO MODIFICADA Q = U A Є CMTDЄ = eficiencia del intercambiadorCMTD = LMTD corregida CMTD = F x LMTD
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 116
CORRECCIÓN DE LA LMTDAprovechamiento del
potencial de temperatura
No de pasos por tubos
No de pasos por coraza
Intercambiador de 1 paso por coraza y 2 pasos por tubos
Tce - TcsTts - TteR
=Tts - TteTce - TteS
=
F =R2 + 1 1 - S
1 - RSln
2 – S(R + 1 +
R2 + 1)2 – S(R + 1 - R2 + 1)
( R – 1 ) ln
Intercambiador de 2 pasos por coraza y 4 pasos por tubos
2 – S(R + 1 +
2 ( R – 1 )F =
R2 + 1 1 - S1 - RS
ln
R2 + 1
( 1 – S )( 1 – RS ) +- 1 – R + R2 + 1ln
2 S
2 S2 S
2 S - 1 – R + ( 1 – S )( 1 – RS ) -
EFICIENCIAFlujos en paralelo
ε =
1- e - NUT (1 + C*)
1 + C*
ε =
1- e- NUTC* = 0
C* = 1 ε =
1- e-2NUT
2
Flujos en contracorriente
1- C* e- NUT (1 + C*)ε =
1- e - NUT (1 + C*) ε =
1- e- NUTC* = 0
C* = 1 ε =
NUT
1 + NUT
Cambio de faseε = 100%
C* = 0
C* = 1 ε = 50%
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 117
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 118
COEFICIENTE GLOBAL DE TRANSFERENCIASuperficies limpias
Uo =1 ro ln (ro/ri)
2 Π k + ro hi
ri+h
o
1Basado en área externa del tubo
Ui =1 ri ln (ro/ri)
2 Π k+ ro ho
ri+hi
1Basado en área interna del tubo
Superficies suciasUo =
1 ro ln (ro/ri)2 Π k + ro hi
ri+h
o
1
++ RiRo
Ui =1 ri ln (ro/ri)
2 Π k+ ro ho
ri+hi
1
++ RiRo
UoAo = UiAi= UA
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 119
COEFICIENTES DE PELICULAIntercambiadores de doble tuboInterno (lado tubos) flujo laminar (Re<2100) sin cambio de fase
hi Dk
= 1.86
D G1/3
Dµ
Cp µ k L µ
w
µ 0.14 =
1.86
4 w Cp 1/3
µw
µ 0.14Π k L
Interno (lado tubos) flujo turbulento (Re>2100) sin cambio de fase
hi Dk
= 0.027
D G1/3
µCp µ k µ
w
µ 0.14
0.8
hi Dk
jH =-1/3
Cp µ k µ
w
µ -0.14
En ánuloshi ri
ro
hio =
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 120
COEFICIENTES DE PELICULAIntercambiadores de doble tuboExterno
ho= jH
k1/3
De
Cp µ k µ
w
µ -0.14= k
Ho Do-1/3Cp
µ kk
1/3
De
Cp µ k
COEFICIENTE GLOBALIntercambiadores de doble tubo
hio hoUc = hio +
ho
1UD
=UC + RD
1
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 121
ho= jH
kDe
Øc
1/3Cp µ k
Intercambiadores de tubo y coraza
Coeficiente de película externo
0.55De Gc
µw
µ 0.14= 0.36k
ho De1/3Cp
µ kµ
Coeficiente de película interno
µw
µ 0.14 2360 (Sg ΔPt) Cp k0.33
µ
0.44 0.67
0.54hi =
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 122
Intercambiadores tipo soloaire
Coeficiente de película interno
0.76 k 2
µ W
3 1/3
( hi )c =
Di ρ g 2 n L Di
Condensación
Enfriamiento
0.0225 kµ
0.8( hi )e = k Di
Di G Cp µ0.4
Coeficiente de película aletas
nΔP
0.343 207.6 ρ Cp k0.33
µ
0.343
0.67
0.356
hf =
12
Dt 0.41
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 123
Banco de tubosEcuación de Colburn (flujo turbulento)
ho= jH
k1/3
De
Cp µ k
0.6Dt Gµ
µw
µ 0.14-2/3Cp µ k
hp= 0.53 Cp Gp
-0.44Dp Gpµ
µw
µ 0.14-2/3Cp µ k
hb= 0.27 Cp Gv
-0.44Dv Gvµ
Ecuación de Colburn (flujo laminar)
µw
µ 0.14-2/3Cp µ k
hp= 1.47 Cp Gp
-0.62Dp Gpµ
µw
µ 0.14-2/3Cp µ k
hb= 0.74 Cp Gv
-0.62Dv Gvµ
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 124
TEMPERATURAS DE PARED DEL TUBOFluído caliente fuera de los tubos
tw = ti +
( To – ti )ho
hio + ho
tw = To - ( To – ti )hi
ohio + ho
Fluído caliente dentro de los tubos
tw = ti +
( To – ti )hi
ohio + ho
tw = To - ( To – ti )ho
hio + ho
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 125
CAÍDA DE PRESIÓNIntercambiadores de doble tuboTubo interno Ánulo
ΔP (psi) = 72 g ρ
D
f G2 L ΔP (psi) = g ρ2
De
2 f G2
L + 144
2g
v2 ρ
Intercambiadores de doble tuboSin cambio de faseCoraza
ΔP (psi) = 2 g ρ De
Øc
f G2 Dc (n +
1) =f G2 Dc (n +
1) 5.22 x 1010 De Sg
Øc Tubos
ΔP (psi) =
f Gt2 L n
5.22 x 1010 De Sg
Øt
+ 4 n
v22 g
Sg
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 150
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 151
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 152
Manuel de Jesús Córdoba Barradas 153