I.- ALCANCE El presente trabajo establece las secuencias de cálculo necesaria para la definición de las dimensiones de recipientes de procesos. En la primera parte se establecen criterios de carácter general aplicable a cualquier tipo de recipiente, dependiendo del servicio y condiciones de operación. Posteriormente se particulariza en el cálculo y definición del tipo de recipiente a usar en una separación líquido-vapor. Esta sección es aplicable para tanques flash de condensados y tanques knock-out para eliminación de líquidos. En la sección correspondiente a la separación líquido-líquido se mencionan las condiciones de la alimentación recomendables para cada tipo de recipientes y posteriormente el método de cálculo para dichos tanque. II GENERALIDADES A. VALORES DE LONGITUD/DIAMETRO (L/D) Por lo general los valores óptimos de L/D estarán dentro del rango 1.5 L/D 5 Dependiendo de la presión de operación se recomiendan los siguientes valores: Presión (psig) Vacío 0 Hasta 100 Hasta 300 Hasta600
L/D 1 1.5 3 4 5
B. TIEMPO DE RESIDENCIA A continuación se describen algunos criterios y recomendaciones para determinar tiempos de retención para líquidos en recipientes de proceso. PERSONAL Con experiencia Completamente entrenado Sin experiencia
FACTOR 1.0 1.2 1.5
INSTRUMENTACION Buena instrumentación Instrumentación standard Mala instrumentación
Multiplicar ambos factores por el tiempo de retención seleccionados.
FACTOR 1.0 1.2 1.5
TIEMPOS DE RETENCION DE LIQUIDOS
-
Recipientes amortiguadores (tanque de balance) Si la alimentación se controla desde el mismo cuarto de control Si la alimentación se recibe desde fuera de los límites de batería Si la alimentación se controla desde otro cuarto de control Si se alimenta a una torre operada desde otro cuarto de control Si se alimenta a una torre operada desde el mismo cuarto de control Si se alimenta por gravedad afuera de los límites de baterías Si se alimenta por bombeo afuera de los limites de baterías Si se alimenta a calentador a fuego directo Separador líquido-vapor Si es una zona de alta presión con otra de baja En la succión de un compresor Acumulador de reflujo en torre de destilación - Acumulador de reflujo y producto en torre de destilación
-
Almacenamiento y recirculación de condensados En recipientes horizontales: Deareador, recipiente de vapor 7.5-35 min. Recipiente de reflujo, recipiente separadores bombeo de líquidos 5-15 min. Recipientes separador de refrigerante 2.5-5 min. En resumen se puede concretar lo siguiente: Tanques de balance 15-20 min. Acumuladores de reflujo 5-10 min. Tanques knock-out 10 min.
15 min. 15 min. 20 min. 12 min. 8 min. 3 min. 15 min. 5-10 min. 4 min. 10 min. 3-5 min. 3 min. + tiempo de tanque de balance 2.5-6 min.
NOTAS: -
Los valores mas altos se toman cuando el control es por temperatura o cuando el fluido es bombeado. Los valores mas bajos se toman cuando el control es por flujo o el fluido fluye por gravedad. Si el control es por nivel se toman los valores intermedios
C. TIPO DE ETAPAS. Generalmente de acuerdo a la presión de diseño del recipiente se recomienda lo siguiente: TIPO P (PSI) DIAMETRO Tapas planas ATM Toriesféricas Hasta 100 D 15 Semielíptica 100 P 500 D 15 semiesférica P 500 D 15 La tabla anterior deberá ser tomada tan solo como guía ya que el diseño final del recipiente será decisión del departamento de mecánico.
D ESPESOR DE PLACA 1.- En costuras longitudinales (en el cilindro) PR t= SE -0.6 P 2.- En costuras circunferenciales (en el cilindro) PR t= 2 SE -0.4 P Solo usar esta fórmula si Ec
EL C= Circunferencial L= Longitudinal
2 3.- En tapas elipsoidales PR t= SE - 0.4 P 4.- En tapas toriesféricas 0.885 PL t= SE - 0.1 P 5.- Tapas hemiesféricas PL t= 2 SE - 0.2 P 6.- Fondos cónicos PR t=
cos (S.E - 0.6 P)
30º
7.- En servicio de vacío
t= 5/3 t
donde P = Presión de diseño, psi t = Espesor mínimo de la placa, sin considerar corrosión, pulg. R = radio interno sin considerar corrosión, pulg. S = máximo esfuerzo tensil del material, psi. E = eficiencia de la costura. L = radio interno de la esfera o corona, pulg. = ángulo entre el centro de la línea de cabezas a la pared inclinada del cono. VALORES PARA S DE ALGUNOS ACEROS AL CARBON (Válidos en los rangos de -20 a 650ºF) MATERIAL A-283 A-283 A-283 A-283
GRADO A B C D
S (psi) 45000 50000 55000 60000
A-285 A-285 A-285
A B C
45000 50000 55000
A-515 A-515 A-515 A-515
55 60 65 70
55000 60000 65000 70000
E = Fm x Fa x Fr Grado A B C D
Fm = Factor de material 1.00 0.97 0.92 0.90 Fa = Factor de confiabilidad
Totalmente radiografiado Muestras radiografiadas Sin radiografiar Si se relevan esfuerzos Si no se releva esfuerzos
1.00 0.80 0.60 Fr = Factor de carga 1.00 0.80
III. SERVICIO LIQUIDO-VAPOR A TANQUES VERTICALES Los separadores verticales son utilizados cuando existe cargas de líquidos pequeñas, poca disponibilidad de espacio o cuando se requiere un control de nivel exacto. Para recipientes verticales, la velocidad ascendente del vapor se selecciona muy baja para evitar el arrastre del líquido. El eliminador de niebla se utiliza para incrementar la capacidad del vapor manejada y para usar recipientes mas pequeños. Los separadores verticales no se usan cuando hay tres fases (vapor y dos fases liquidas) ya que se requieren de internos especiales para realizar una buena separación. 1.- Tanques para evaporación instantánea de condensados de vapor de agua (tanques flash) a. Cálculo del porciento de vaporización Una determinada mas de condensado de un sistema de vapor al pasar de una presión superior a una inferior disipa calor que sirve para eliminar una cierta cantidad de condensado. A la relación de vapor formado entre el condensado se llama porciento de vaporización y sirve para definir el volumen del tanque destinado al vapor.
Balance de masa Mc = MV + MLv Balance de Calor MCHC = MVHV + MLHL De donde se despeja MV = HC - HL = HC -HL MC HV - HL Donde: % de evaporación = HC -HL x 100 la cantidad de producto producido se obtiene multiplicando la cantidad de condensado por el porciento de vaporización. MV = MC (% de evaporación) / 100
Tabla 1 % evaporación (en peso) Presión en la linea de condensado (psig) 10 20 30 40 50 100 150 200 250 300 400 500 600
Presión del tanque de evaporación (psig) 0 3 5 7 8 9 13 17 19 21 23
5 1.5 3 5 6 8 12 15 18 20 22
10
20
30
40
50
100
2 4 4 6 10 13 16 18 20
2 3 4 8 12 14 16 18
1.5 3 7 10 13 15 17
2 6 9 12 14 16
4 8 11 13 14
4 6 8 10
150
200
250
300
400
500
3 5 7 10.5 13 16
2.5 4.5 8 11 14
2 6 8.5 12
4 6.5 10
3 6.5
3.5
b. Velocidad del vapor. En tanques verticales la velocidad permisible del vapor basado en área seccional, esta dada por: Va = 0.2
L - V V
donde: Va = Velocidad permisible del vapor (pie/s) L = Densidad del condensado (lb/pie3) V = Densidad del vapor (lb/pie3) La velocidad de diseño del vapor a usar es: Vd = 0.4 Va (pie/s) c. Determinación del diámetro del tanque D = 0.226
Mv v - V d
(pulg)
El valor obtenido deberá incrementarse a un valor múltiplo de 6.
Otra forma de determinar el diámetro del tanque sin necesidad de calcular velocidades y contar con datos de densidad es a travéz de la siguiente tabla: TABLA 2 DIAMETRO INTERNO DEL TANQUE Vapor formado, Mv (lb/hr) 100 300 500 750 1000 1500 2000 4000 6000 8000 10000 15000 20000 25000
Presión en el tanque de evaporación, P2 (psig) 1 9 12 18 18 24 30 30 42 48 54 60 66 66 72
5 6 12 18 18 18 24 30 36 42 54 54 60 66 66
10 6 9 12 18 18 24 24 36 42 48 54 60 60 66
25 6 9 9 12 18 18 18 30 36 36 42 48 54 60
50
75
100
150
200
6 9 9 12 18 18 24 30 30 36 42 48 54
6 6 9 9 12 12 18 24 30 30 36 42 48
6 6 9 12 12 18 24 24 30 30 36 42
6 6 9 9 9 18 18 18 24 30 30 36
6 6 9 9 12 18 18 18 24 30 30
NOTAS: - Esta tabla es válida si la alimentación del condensado se hace tangencialmente al diámetro del tanque. Si se alimenta por arriba, multiplicar Mv por 1.33 antes de entrar a la tabla. - No interpole. Lea en el valor tabulado inmediato superior al que busca. d. Determinación de la demás dimensiones del tanque. Una vez determinado el diámetro, referirse a las tabla 3 y 4 o 5 y 6 y a las figuras 1 o 2 a fin de determinar las demás dimensiones. Nótese que la dimensión "D" es el diámetro interno del tanque, nuestra referencia.
TABLA 3 Dimensiones para tanques evaporadores con diámetro de 30" y mayores (ver fig. 1)
A 15 17 18 25 26 1/2 32 32 34
B 50 60 70 80 84 82 86 84
C 15 18 21 24 27 30 33 36
D 30 36 42 48 54 60 66 72
E 5 5 5 7 3/4 7 3/4 10 3/4 10 3/4 9 3/4
F 4 8 8 12 12 16 16 16
G 5 5 5 7 3/4 7 3/4 10 3/4 10 3/4 9 3/4
H 18 18 18 18 18 18 18 18
I 16 3/8 16 3/8 16 3/8 16 3/8 16 3/8 22 3/8 22 3/8 22 3/8
TABLA 4 Boquillas en tanque s con diámetro de 30" o mayores (ver fig. 1) Boquillas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
30 2 2 4 1/2 2
36 4 2 6 1/2 2
42 4 3 6 1/2 3
48 6 3 8 1/2 3
54 6 3 8 1/2 3
60 8 3 10 1/2 3
66 8 3 10 1/2 3
72 8 4 12 1/2 3
1/2 3 3/4 12
1/2 3 3/4 12
1/2 3 3/4 12
1/2 4 3/4 12
1/2 4 3/4 12
1/2 4 3/4 12
1/2 6 3/4 20
1/2 6 3/4 20
Servicio Alimentación Válv. De alivio Salida de vapor Ind. De presión Alt. Valv. Alivio Conex. Para ird. De nivel Drenaje Salida de cond. Ind. De temperatura Reg. inspección
NOTA: Todas las dimensiones son en pulgadas. TABLA 5 Dimensiones para tanque evaporadores con diámetro de 6" hasta 24" (ver fig. 2) A 3 5/16 5 1/4 6 3/4 10 1/4 7 1/2
B 14 23 28 44 33
C 10 15 11/16 20 30 11/16 22 1/2
D 6 8 12 18 24
E 3 3 3 4 4
F 3 3 3 4 4
TABLA 6 Boquillas en tanques con diámetros de 6" hasta 24" (ver fig. 2)
J 5 5 6 6 6 6 6 6
Boquilla No. 1 2 3 4 5 6 7
6 1 1/2 1 2 1/2 1 1 3/4
8 1 1/2 1 2 1/2 1 1 3/4
12 1 1/2 1 1/2 2 1/2 1 1/2 1 1/2 3/4
18 2 1 1/2 4 1/2 1 1/2 1 1/2 3/4
24 2 2 4 1/2 1 1/2 2 3/4
Servicio Alimentación Válvula de alivio Salida de vapor Indicador de presión Trampa de vapor Purga Indicador de temp.
NOTA: Todas las dimensiones son en pulgadas. 2. Tanque de proceso a. Calculo de velocidad permisible de diseño del vapor V=K
L - V V
Valores recomendados para K (pie/s) Recipientes separadores
Sin eliminador de niebla
Con eliminador de niebla
0.126
0.267
0.079
0.157
0.157
0.314
En la succión de un compresor En la alimentación a una turbina Otros tipos b. Calculo de diámetro mínimo Dmin = 0.226 (Mv/VV)1/2
Pulg. Donde Mv = flujo de vapor (lb/hr).
Redondear Dmin al múltiplo de 6 inmediato superior. c. Dimensionamiento de las boquillas. El diámetro de las boquillas se calcula como: d = 0.226 (M / V rec)1/2
Pulg.
Donde vrec es la velocidad recomendada en la tubería (pies/s) d. Seleccionar el tiempo de retención adecuada entre los niveles máximos y mínimo de operación con resultado en el punto B del capitulo II
e. Cálculo del volumen del recipiente requerido. V=
ML L 60 v
Pie3
donde ML = Flujo del líquido (lb/hr) f. Cálculo del nivel útil del recipiente requerido h = 2200 (V / D2)
Pulg.
g. Definir la geometría final del recipiente, incluyendo la altura del líquido calculada y el espacio recomendada para el vapor. B. TANQUES HORIZONTALES. Estos recipientes son utilizados únicamente cuando se manejan cargas grandes de líquidovapor y el recipiente debe proporcionar un tiempo de retención grande para el líquido. Para recipientes horizontales se selecciona la velocidad horizontal lo suficientemente baja para permitir que las gotas de líquido arrastrada caigan durante el trayecto del vapor a través del recipiente. 1. Método de dimensionamiento a. Se calcula la velocidad del vapor como: Vt = K
L - V V
pie/s
las K utilizadas son las mismas del punto A.2.a de este mismo capitulo. b. Del punto B del capitulo II se selecciona un tiempo de residencia para el líquido L. c. Se supone una fracción del volumen ocupado por el vapor, fav (fav min. = 0.15). Se recomienda iniciar con un valor de fav. = 0.15 d. Se calcula el diámetro del tanque
D = 0.2257
Mv V fav vt
redondeando D al múltiplo de 6 mayor más cercano. e. Se calcula la porción de área ocupada por el líquido
pulg.
fal = 1 - fav f. Se busca en la tabla 7 el valor de h/d correspondiente al fal g. Se calcula la altura en el tanque ocupada por el vapor Fhv = D (1- h/D)
pulg.
h. Si fhv es menor que 0.2 D o que 15 pulg (lo que sea mayor) habrá que proponer un fav mayor y regresar al inciso d. i. El nivel mínimo del líquido en el tanque debe ser 6 pulg para dejar un sello al vapor, por lo tanto en la tabla 7 buscamos la fracción muerta del volumen del líquido, falm, que corresponde a un h/D de 6"/D j. Calculamos la fracción del volumen ocupada por el líquido. falu = Fal - falm
(ver fig. 4)
k. Calculamos la longitud del separador L = 28.8
ML L D2 L falu
pulg.
l.Se calcula la relación L/D. Se esta dentro del rango recomendado en la sección II.A el diseño esta completo. Si L/D es muy chico, aumentar fav y regresar al inciso d. Si L/D es muy alto, disminuir fav (fav mínimo = 0.15) y regresar al inciso d. IV. SEPARACION LIQUIDO-LIQUIDO
A. TANQUES VERTICALES El empleo de este tipo de tanque solo deberá ser considerado cuando los flujos son relativamente pequeños y no exista una tercera fase (vapor). El método presentado se basa en la existencia de una banda definida de dispersión en la interfase.
1. Método de dimensionamiento.
a. Calcule la velocidad relativa entre la fase continua y las gotas de 100 micras de diámetro en la interfase: V = 12.86 donde
Sg11 - Sg12
(pulg/min)
Sg11 = densidad relativa de la fase pesada. Sg12 = densidad relativa de la fase ligera. = viscosidad de la fase continua (Cp.)
b. Suponga que la velocidad global vertical de la fase continua sea igual a la velocidad relativa calculada en a). Calcule el área transversal requerida en cada fase. Ai =
0.4615
(pulg2)
Mi Sgi Vi
Ai = área requerida en la fase i. Mi = Flujo de la fase i (lb/hr) c. Calcule el diámetro requerido en cada fase Di =
4 Ai
(pulg.)
redondeando cada diámetro al múltiplo de 6 inmediato superior. d. El diámetro mayor será el diámetro del tanque. Si este diámetro es mayor a 36 pulgadas probablemente un tanque horizontal resulte más práctico. e. La altura del cilindro para cada fase, será igual a su respectivo "diámetro" calculado. Como limite, el mínimo de altura en cada fase será de 24 pulg. f. Se deberá considerar una "zona muerta" de 6 pulg de altura arriba y abajo del centro de línea de la boquilla de alimentación horizontal la cuál deberá encontrarse a la altura de la interfase. Ver fig. 5 B. TANQUES HORIZONTALES Se deberá considerar estos tanques siempre que haya flujos grandes o exista una tercera fase (vapor). Para separaciones difíciles quizá sea necesario recurrir a maquinas centrifugas o coaguladores, pero estos equipos no se discuten en este trabajo.
1. Método de dimensionamiento.
a. Determine la velocidad horizontal para cada fase líquida. (/45)2 F i 0.15
Vli = Donde
(pie/min)
= tensión superficial entre las dos fases líquidas (dinas/cm) i = viscosidad de la fase i (cp) F = Factor de claridad
Para la mayoría de las aplicaciones F = 0.65 Cuando se requiere una interfase nítida F = 1.00 b. Calcule la velocidad de la fase vapor (si la hay) Vv = 9.42
l - v v
(pie/min)
donde l = densidad del líquido ligero (lb/pie3) v = densidad del vapor (lb/pie3) c. Calcule el área requerida para cada fase Ai =
Mi i vi 60
(pie2)
donde Mi = flujo masico de la fase i (lb/hr) i = densidad de la fase i (lb/pie3) vi = velocidad de la fase i (pie/min) d. Sume las tres áreas requeridas AT Av + AL1 + AL2 e. Calcule el diámetro preliminar D =
24
AT
(pulg)
f. Calcule la fracción de área ocupada por las dos fases líquidas fal = AL1 - AL2 AT
g. Busque en la tabla 7 el valor de h/D correspondiente. h. Calcule la altura de la "zona muerta" en la interfase
hm = (0.1) D (h/D)
(pulg)
ó hm = 6 pulg (lo que sea mayor) i. Calcule el diámetro del recipiente D = D + hm 6"
(pulg)
Donde las últimas 6 pulgadas se deben al volumen muerto en el fondo del tanque. Redondeo al múltiplo de 6 inmediato superior. Si no hay fase vapor siga en el punto g). j. Calcule el área transversal del tanque A =
D2 576
(pie2)
k. Calcule la fracción de área transversal ocupada por el vapor fav = (Av/A) l. En la tabla 7 busque la relación h/D correspondiente a (1-fav) m. Calcule la altura ocupada por el vapor fhv = ( 1 - h/D ) n. Calcule hfv min. fhv min = 0.2 D ó fhv min 12" (lo que sea mayor) o. Si fhv es mayor que fhv min, siga al paso q) p. Si fhv es menor que fhv min, recalcule D D = D + fhv min - fhv Redondee D al múltiplo de seis inmediato superior y regrese al paso j). q. Calcule la altura util de la fase mas pesada, hl2 útil. Calcule fal2 Fal2 = (AL2/A) Calcule la altura del volumen muerto como 6"/D y busque la fracción de volumen correspondiente falm en la tabla 7. Calcule la fracción de volumen ocupada por el líquido más pesado. Fal2 +/- fal2 + falm
Busque la altura correspondiente a este volumen (hl2t) y restele 6 pulgadas. hl2 útil = hl2t - 6" r. Calcule la altura útil de la fase ligera hli Calcule fali. Fali = (ALi/A) Calcule la altura hasta la banda de la interfase h3 h3 = hl2t + hm hm se calcula en el inciso h. Busque la fracción de área fa3 correspondiente a h3 Sume fal1 + fa3. Busque en la tabla 7 la altura total del líquido h4. Calcule la altura útil de la fase ligera hli. hli = h4 - h3 u. Calcule la longitud requerida en cada fase como Li = 2 (hi/vsi) vii
por velocidad de sedimentación.
y como Li =
MLi Li 60 Li ALi
pro tiempo de residencia recomendado
vli se calculó en el inciso a. hi se calculó en los incisos q y r y vsi se calculó en el inciso s. Esta relación se basa en que la velocidad mínima es aproximadamente dos veces la velocidad promedio. La longitud del separador será la mayor de las dos longitudes calculadas. 2. Consideraciones especiales a. Los sedimentos que manejan emulsiones deben contar con un tiempo adicional para lograr la ruptura de la emulsión. b. Para evitar que se formen vórtices cuando un líquido pesado fluye hacia una boquilla en el fondo se deberá considerar una sumergencia mínima a la instalación de mamparas antiremolinos. c. La fase ligera deberá removerse preferiblemente por derrame hacia la sección acumuladora. d. Si el flujo en la fase pesada es poco en comparación con la ligera, se recomienda considerar el empleo de una pierna vertical. En este caso el diámetro del tubo horizontal se diseña para que contenga solo la fase vapor, la fase ligera y 6 pulg. de
volumen muerto. La interfase y el volumen de la fase pesada se incluirán en la bota. e. En caso de usar las bota o pierna su diámetro mínimo será de 8 pulg. y el máximo de 36 pulg. La velocidad vertical o deberá exceder la velocidad ascendente de las gotas del líquido ligero y nunca será mayor de 5 pulg/min. Si hay vapor, la altura del nivel máximo del líquido deberá estar al menos 18 pulg arriba de la raíz de la bota.
