Curso de tuberías para plantas de proceso - 0205 Conexion a Intercambiadores

CURSO AVANZADO PARA EL DISEÑO DE TUBERÍAS EN PLANTAS QUÍMICAS, PETROQUÍMICAS, FARMACEUTICAS, NUCLEARES, ALIMENTARIAS, ALIMENTARIAS, ETC.

0205

CONEXIÓN DE TUBERÍAS EN INTERCAMBIADORES.

Patrocinado Patrocinado por; COMFIA & FUNDA CIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO. Pº del Prado, nº 24, 5ºA; 28014 Madrid; 913-697-294. Fax 914-203-074; E-mail [email protected]

CURSO AVANZADO PARA EL DISEÑO DE TUBERÍAS EN PLANTAS DE PROCESO PETROQUÍMICO, NUCLEAR, ETC. LA CONEXIÓN DE TUBERÍAS EN LOS INTERCAMBIADORES. INTERCAMBIADORES.

Índice de la unidad didáctica: 01 GENERALIDADES GENERALIDADES SOBRE INTERCAMBIADORES. 02 LOS INTERCAMBIADORES I NTERCAMBIADORES DE HAZ TUBULAR. 03 FUNCIONAMIENTO DE UN INTERCAMBIADOR DE HAZ TUBULAR. 04 LAS LA S TOBERAS DE LOS INTERCAMBIADORES INT ERCAMBIADORES DE HAZ TUBULAR. 05 PLANOS DEL FABRICANTE DEL INTERCAMBIADOR DE HAZ TUBULAR. 06 CONEXIÓN DE TUBERÍAS EN INTERCAMBIADORES DE HAZ TUBULAR. TUB ULAR. 07 LOS AIRCOOLERS Y SU CONEXIÓN CONEXI ÓN DE TUBERÍAS. TUBERÍAS . 08 POSICIONAMIENTO DE PLATAFORMAS, ESCALERAS Y BARANDILLAS. BARANDIL LAS.

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Pº del Prado, nº 24, 5ºA; 28014 Madrid; 913-697-294, fax 914-203-074; E-mail [email protected]. Dirigido por Jesús Escobar García 639-155-420; [email protected]

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Índice de la unidad didáctica: 01 GENERALIDADES GENERALIDADES SOBRE INTERCAMBIADORES. 02 LOS INTERCAMBIADORES I NTERCAMBIADORES DE HAZ TUBULAR. 03 FUNCIONAMIENTO DE UN INTERCAMBIADOR DE HAZ TUBULAR. 04 LAS LA S TOBERAS DE LOS INTERCAMBIADORES INT ERCAMBIADORES DE HAZ TUBULAR. 05 PLANOS DEL FABRICANTE DEL INTERCAMBIADOR DE HAZ TUBULAR. 06 CONEXIÓN DE TUBERÍAS EN INTERCAMBIADORES DE HAZ TUBULAR. TUB ULAR. 07 LOS AIRCOOLERS Y SU CONEXIÓN CONEXI ÓN DE TUBERÍAS. TUBERÍAS . 08 POSICIONAMIENTO DE PLATAFORMAS, ESCALERAS Y BARANDILLAS. BARANDIL LAS.



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01 GENERALIDADES GENERALIDADES SOBRE INTERCAMBIADORES. Un intercambiador de calor es un aparato en el cual dos fluidos circulan en direcciones normalmente opuestas, intercambian calor, efectuándose dicha transmisión de calor a través de la superficie que siempre separa a dichos fluidos. La velocidad de transmisión del calor del fluido caliente al frío viene determinada por: ? Las propi propieda edades des física físicass de los fluid fluidos os ? El caudal caudal que que pasa a través de sus componen componentes. tes. ? La temperatu temperatura ra superficia superficiall de sus sus componen componentes. tes. ? Las características características de la superficie que separa separa a ambos ambos fluidos. fluidos.

Existen muchos tipos de intercambiadores, y entre ellos los más utilizados en la Industria Petroquímica, son los siguientes: ? Intercamb Intercambiado iadores res de Carcasa Carcasa y Tubo Tubos. s. ? Aerorr Aerorrefr efrige igeran rantes tes.. ? Intercambi Intercambiador adores es de de doble doble tubo. tubo.

Figura 01; Esquema del funcionamiento interno de intercambiador de calor AEU, con carcasa de paso sencillo y haz tubular en “U”.

Un tipo de intercambiador como el de placas, relativamente novedoso, pese a su antigüedad, se utilizan desde hace más de 60 años, solo en los últimos años han ido incorporándose a las plantas químicas químicas y petroquímicas, petroquímicas, para cubrir un numero creciente de aplicaciones.

Aún dentro de cada uno de esos 4 tipos, se pueden fabricar intercambiadores con criterios de diseño muy variados.



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CURSO AVANZADO PARA EL DISEÑO DE TUBERÍAS EN PLANTAS DE PROCESO PETROQUÍMICO, NUCLEAR, ETC. LA CONEXIÓN DE TUBERÍAS EN LOS INTERCAMBIADORES.

Para realizar un buen trazado de las tuberías que conectan a un intercambiador es necesario conocer las peculiaridades propias del mismo.

Una regla de aplicación general, aunque con frecuentes excepciones es la siguiente: ? El fluido que se calienta circula en sentido ascendente ? El fluido que se enfría circula en sentido descendente.

En general, si no hay vaporización, o condensación, de ninguno de los fluidos durante el intercambio de calor, estos se podrían hacer circular en cualquier sentido. Sin embargo, la mejor transmisión de calor se obtiene haciendo que los fluidos circ ulen a contraflujo.

Si,

por

ejemplo,

en

un

intercambiador de carcasa y tubos, el fluido entra por la parte inferior de la carcasa y sale por la superior, en el haz de tubos entrará por la parte superior

y

saldrá

por

la

inferior.

Figura 02; Diagrama con diferentes intercambiadores.

Los diagramas de tuberías, e instrumentos muestran normalmente en que forma se efectúa la circulación del flujo en los intercambiadores.

Cuando se encuentre un caso que contradiga las reglas generales sobre sentido de flujo ya enunciados, conviene investigar dicho caso por si hubiese un error.

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02 INTERCAMBIADORES DE HAZ TUBULAR. También llamados intercambiadores de carcasa y tubos, comúnmente a este tipo de intercambiador, se le denomina intercambiador de calor, sin adjetivos, por ser más antiguo que los otros tipos, estos intercambiadores son un equipo fundamental en el funcionamiento de una planta petroquímica, por ser los más frecuentemente utilizados en este tipo de industria.

En este intercambiador se efectúa el intercambio de calor entre dos corrientes de proceso; sin que en ellos se produzca cambio de estado físico (o fase).

Figura 02; Esquema del funcionamiento interno de intercambiador de calor AEU, con carcasa de paso sencillo y haz tubular en “U”.

Los intercambiadores de carcasa y tubos, se diseñan normalmente con arreglo a las normas TEMA (Tubular Exchanger Manufactures Association). Estas normas asignan a cada variante de los tres componentes principales de un intercambiador (carcasa, cabezal fijo y cabezal trasero) una letra, de forma que el tipo a que pertenece un intercambiador queda definido por un conjunto de tres letras. Sobre la base de esta simbología, cada intercambiador esta completamente definido con: ? La primera de estas letras nos fija el tipo de distribuidor; “front end stationary head types” (A, B,C, D y N). ? La segunda de dichas letras, nos indica el tipo de envolvente o carcasa; “shell types”. (E, F, G, H, J, K y X). ?

La tercera de las citadas letras nos dice si se trata, de intercambiadores de cabeza fija, cabeza flotante, o de tubos en "U"; “rear end head types” (L, M, N, P, S, T, U y W).



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Como puede observarse la letra N se encuentra duplicada, debido a que el tipo distribuidor que dicha letra representa, puede ser también utilizado como cabeza estacionaria (sin el tabique intermedio); sobre las combinaciones posibles pueden ser las siguientes; AES, BEU, CEM, etc.

El dibujo muestra las diferentes variantes de los componentes de un intercambiador y las letras que les corresponden.

El diseñador de tuberías recibe normalmente una hoja de datos en la que se incluye el tipo de intercambiador, que a título de ejemplo supondremos que es el AKU. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y E MPLEO.


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Figura 03; Esquema del funcionamiento interno de intercambiador de calor AKU, tipo “reboiler”.

Observando el dibujo precedente y el cuadro anterior, comprobaremos que el cabezal fijo es del tipo A, la carcasa es del tipo K y el cabezal trasero es del tipo U.

El conjunto de esta información nos define el intercambiador en cuestión como un rehervidor tipo “KETTLE”. Utilizando este código, cualquier intercambiador de carcasa y tubos puede ser identificado mediante un conjunto de tres letras.

Las normas TEMA también incluyen criterios y cálculos de diseño muy detallados. Del contenido de estas normas, en general, todo aquello que esté comprendido bajo el epígrafe de TEMA-R es de aplicación para refinerías, y lo comprendido en TEMA-C es de aplicación para plantas químicas. En general los intercambiadores diseñados con arreglo a la norma TEMA-C están destinados a un funcionamiento no muy intensivo, por lo cual son más ligeros y en consecuencias más baratos.

Complementamos esta tabla con una traducción de estas denominacione s: A ⇒ Distribuidor desmontable, con cabeza sin placa tubular, y tapa desmontable. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y E MPLEO.


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B ⇒ Distribuidor desmontable con fondo abombado, sin placa tubular. C ⇒ Distribuidor desmontable, de cabeza con placa tubular, y tapa desmontable. N ⇒ Distribuidor no desmontable con placa tubular, y tapa desmontable. D ⇒ Distribuidor desmontable con placa tubular, y tapa para alta presión . E ⇒ Cuerpo o envolvente de un paso. F ⇒ Cuerpo o envolvente de dos pasos, con bafle o separador longitudinal. G ⇒ Cuerpo o envolvente con repartidor o separador de flujo. H ⇒ Cuerpo o envolvente con doble repartidor o separador de flujo. J ⇒ Cuerpo o envolvente con divisor de flujo. K ⇒ Cuerpo o envolvente para “reboiler” o rehervidor tipo “Kettle. X ⇒ Cuerpo o envolvente con flujo cruzado. L ⇒ Cabeza fija, desmontable, con cabeza sin placa tubular, y tapa desmontable. M ⇒ Cabeza fija, desmontable de fondo abombado sin placa tubular. N ⇒ Cabeza fija, no desmontable con placa tubular, y tapa desmontable. P ⇒ Cabeza flotante con empaquetadura externa. S ⇒ Cabeza desmontable con placa tubular y tapa flotante. T ⇒ Cabeza desmontable con haz tubular y tapa flotante. U ⇒ Cabeza desmontable con haz tubular en “U”. W ⇒ Cabeza desmontable con haz tubular flotante y tapa con sellado externo.

03 FUNCIONAMIENTO DE UN INTERCAMBIADOR DE HAZ TUBULAR. El siguiente dibujo muestra los elementos más importantes de un intercambiador y a continuación se reflejan los pasos de los fluidos en su interior: ?

Uno de los fluidos penetra al intercambiador a través de la boca del cabezal fijo que se comunica con el haz tubular.

?

Dicho fluido se encuentra en su camino con la placa divisora y es obligado a penetrar a través de los tubos del haz tubular.



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? Los tubos conducen el fluido desde la parte inferior del cabezal fijo hasta la parte superior del mismo, a la cual va conectada la otra boca, y a través de ella sale el fluido. ?

Las partes superior e inferior del cabezal están herméticamente separadas por la placa divisora, de forma que un fluido solo podría pasar de una a otra, realizando un recorrido completo a través de los tubos.

? El otro fluido penetrará. en la carcasa a través de la boca de ésta y entrará en contacto con la superficie exterior de los tubos. ?

El recorrido de este segundo fluido que habiendo penetrado por la boca de la carcasa, se dirige por el interior de ésta, hacia la boca de salida, realizando un recorrido en zig-zag, obligado por las placas que sirven para mantener los tubos separados y que se encuentran situadas a lo largo de la carcasa, perpendicularmente al eje de la misma.

? Debido a este recorrido tortuoso, el contacto entre el líquido que circula por el interior de la carcasa y la superficie externa de los tubos será máxima con lo cual, el intercambio de calor entre ambas fluidos mejorara.

Figura 04; Intercambiador AES según Norma TEMA.

1 Tapa del cabezal fijo ⇔ Channel cover. 3 Conexión p/ Instrumentos

2 Brida del cabezal fijo ⇔ Instrument

⇔

Channel flange.

connection.

4 Tubuladuras del cabezal fijo ⇔ Channel nozzle. 5 Placa tubular fija ⇔ Stationary tubesheet. 7 Placa deflectora ⇔ Impingement plate.

6 Brida de la carcasa ⇔ Shell flange. 8 Haz tubular ⇔ Tubes.



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9 Carcasa ⇔ Shell. 10 Tirantes y espaciadores ⇔ Tie rods & spacers. 11 Placas transversales ⇔ Transverse baffles.

12 Placa soporte ⇔ Support plate.

13 Brida de la tapa del fondo 14 Zona cilíndrica del fondo

Shell cover flange.

⇔

⇔

Shell cover cylinder.

15 Venteo ⇔ Vent.

16 Tapa de la carcasa ⇔ Shell cover.17

Placa tubular flotante ⇔ Floating tubesheet.18 Tapa del cabezal flotante

⇔ Floating

head

cover. 19 Drenaje ⇔ Drain. 20 Brida de tapa del cabezal flotante ⇔ Floating head cover flange. 21 Anillo partido ⇔ Split ring.

22 Brida de la carcasa ⇔ Shell flange.

23 Soporte o apoyo

24 Cabezal fijo ⇔ Channel.

⇔

Support.

25 Placa divisora ⇔ Pass partition.

En el rehervidor o reboiler se vaporiza parcialmente un fluido de proceso, el fluido que aporta el calor puede ser vapor de agua, o bien, cualquier liquido caliente.

Los rehervidores (tipo termosifón) o reboilers, son intercambiadores, que pueden tener el haz tubular en posición

vertical

o

posición

horizontal.

Los

rehervidores horizontales están normalmente situados sobre fundaciones de hormigón de altura mínima, para reducir en lo posible la distancia de éstos, al suelo.

Figura 05; Esquema de funcionamiento de un rehervidor.

El dibujo siguiente muestra los componentes de un rehervidor tipo “Kettle” En este tipo de intercambiador el fluido que cede el calor siempre entra por la parte superior del cabezal fijo y sale por la parte inferior del mismo. El calor cedido por el fluido caliente se emplea. en vaporizar el líquido contenido en la carcasa del intercambiador, que penetra en él mismo, por la boca inferior próxima al cabezal.



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Figura 05; Intercambiador (tipo reboiler) AKU según Norma TEMA.

1 Tapa del cabezal fijo. Channel cover.

2 Brida del cabezal fijo Channel flange.

3 Conexión p/ Instrumentos. Instrument connection.

4 Tubuladuras del cabezal fijo Channel nozzle.

5 Placa divisora. ⇔ Pass partition.

6 Carcasa ⇔ Shell.

7 Tubuladura de la carcasa.

8 Conexión para nivel

Shell nozzle.

Liquid level connection.

9 Tapa de la carcasa. ⇔ Shell cover.

10 Vertedero ⇔ Weir.

11 Cabezal fijo.

12 Placa tubular fija.

Channel.

Stationary tubesheet.

13 Brida de la carcasa ⇔ Shell flange.

14 Soporte o apoyo

⇔

Support.

15 Tirantes y espaciadores ⇔ Tie rods & spacers. 16 Placa soporte ⇔ Support plate.

17 Haz tubular

⇔

Tubes.

La placa vertical o vertedero, hace el papel de muro de contención que permite que el haz tubular esté siempre cubierto por el nivel del líquido en el interior del intercambiador. Cuando este nivel asciende hasta la altura del borde del vertedero, comienza a rebosar y llenar la parte de la carcasa que está al otro lado del mismo, en la cual se encuentra la boca de salida, a la que va a parar el exceso de liquido, que habiendo entrado al intercambiador, no se vaporiza.



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Esta boca de salida está conectada a un controlador de nivel, que mantiene el nivel del líquido por encima de la boca, hasta la mitad de la altura del vertedero aproximadamente; habitualmente además del controlador, el intercambiador está dotado de un indicador de nivel que permite vigilar el nivel que alcanza el líquido que rebosa por el vertedero.

Los condensadores, son intercambiadores, en los que se produce un cambio de fase, el fluido

pasa parcial o totalmente, de vapor a liquido, el fluido refrigerante en teoría puede ser agua o aire; pero lo más habitual es la utilización de agua como medio refrigerante.

Este equipo es en realidad un intercambiador de haz tubular, tipo dos-dos, o dos-cuatro, generalmente de cabeza flotante, sus principales diferencias son: ? El calor es cedido desde un fluido de proceso en fase gaseosa, que cambia a fase liquida. ?

El medio refrigerante es agua a temperatura ambiente, o enfriada previamente, mediante torre de refrigeración, planta enfriadora, o “chiller”.

El dibujo siguiente muestra un condensador realizado mediante un intercambiador, tipo BEM diseñado para ser montado verticalmente sobre una estructura y cuya misión es condensar los vapores de cabeza que salen de una columna de destilación de crudo.

Figura 06; Condensador vertical BEM según Norma TEMA. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y E MPLEO.


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Se trata de un intercambiador vertical, de paso único a través de los tubos; todo el fluido a enfriar entra en forma de vapor a través de la tobera T1 , este fluido parcialmente condensado sale a través de las toberas T2 y/o T3 .

Los condensadores horizontales se dividen en dos tipos: ?

Condensadores inundados; diseñados de tal manera que durante su funcionamiento, el líquido resultante de la condensación cubre completamente el haz de tubos. Se sitúan a una altura mínima sobre el suelo; en ellos la tubería de salida del líquido, sale de la parte inferior y asciende hasta conectar con el acumulador que estará en una posición más elevada.

?

Condensadores elevados; en estos, el nivel del líquido producto de la condensación, no cubre el haz de tubos, y es necesario para el correcto funcionamiento, que estén a una elevación superior a la del acumulador que recibe el líquido formado, lo cual implica construir una plataforma metálica o de hormigón con la altura adecuada y capaz de soportar el peso del condensador en cuestión.

04 LAS TOBERAS DE LOS INTERCAMBIADORES DE HAZ TUBULAR. La tobera de un intercambiador consiste en un corto tramo de tubería que sale perpendicular a la pared del intercambiador y que lleva una brida soldada en el otro extremo, en algunos casos también se utilizan tubuladuras forjadas.

La situación de las toberas en el intercambiador, suele cumplir con las reglas siguientes: j El

fluido que se calienta debe entrar por su parte inferior y salir por la superior; lo contrario

ocurrirá con el fluido que se enfría; con esta disposición se evacuaran mejor los vapores, tanto los que se forman en el fluido que se calienta, como el que se va a enfriar. k

Las toberas se disponen de modo que los fluidos atraviesen el intercambiador en contracorriente, de forma que el fluido que se calienta circule de abajo hacia arriba y el fluido que se enfría, de arriba hacia abajo. Al no producirse en este equipo la contracorriente

pura, se pueden colocar las toberas de entrada y salida de la carcasa en la forma mas cómoda para conexión de la tuberías.



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En la mayoría de los casos, un diseñador al que se le presenta un intercambiador con una disposición de toberas, acepta esta colocación y en base a ella, dispone la colocación de las tuberías, sin tener en cuenta las numerosas posibilidades que aparecen cambiando la disposición de las toberas.

Casi siempre estas toberas están en posición vertical, saliendo de la parte superior o de la parte inferior del intercambiador, bien sea de la carcasa o del cabezal fijo. En muchos casos si se cambia la orientación de una tobera por ejemplo desviándola de la vertical 10º, 20º, 30º,ó 45º, se puede abaratar mucho el sistema de tuberías.

Cuando las toberas del intercambiador son de gran diámetro, que podemos considerarlo a partir de 10”, para las que salen de la parte inferior, se puede pedir que sean acodadas a 90º, con ello se podrá reducir considerablemente la altura de la cimentación del intercambiador.

También resulta conveniente pedir las toberas acodadas, cuando se presenta el caso de un intercambiador montado encima de otro, en los que coinciden, en el mismo eje vertical, dos toberas que no debiendo conectar entre sí, una apunta hacia arriba y la otra hacia abajo.

La petición de utilizar toberas tangenciales horizontales para el cabezal fijo, puede permitir, con frecuencia, realizar un diseño más económico y lógico.

Para cualquier petición de cambio de posición de las toberas, primero hay que estudiar el funcionamiento interno del intercambiador. Por ello hay que considerar que, si entre dos corrientes de fluido (una circulando por el interior del haz tubular y la otra por fuera, rodeando el haz de tubos) va a haber una transferencia de calor, ésta será tanto más eficiente cuanto más semejantes sean las variaciones de temperatura que van a sufrir uno y otro fluido.

En relación con el dibujo siguiente, esto significa que la tobera situada en la parte superior de la carcasa, es el punto de entrada del fluido que se va a enfriar. El fluido que se va a calentar deberá haber alcanzado su máxima temperatura al pasar cerca de este punto, cuando sale por la tobera superior del cabezal fijo.



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Figura 07; Intercambiador AES según Norma TEMA.

En algunos casos esta regla puede ser ignorada y la tobera superior de la carcasa puede situarse junto a la brida del cabezal flotante, si con ello se consigue un mejor trazado de tuberías.

Cuando la carcasa del intercambiador es de un solo paso, el cambio de situación de la tobera superior implica que se recoloque también la boca inferior de la carcasa, situándola junto a la brida del cabezal fijo.

Figura 08; Alternativas en la situación de las toberas de los intercambiadores.

Estos cambios de situación de las bocas sugeridos por el diseñador de tuberías deberán ser aprobados por escrito por parte del fabricante del intercambiador.

Para facilitar el trazado de tuberías, la regla básica del conexionado a un intercambiador podrá ignorarse en aquellos casos en que los fluidos que se manejan presentan una sola fase (líquido o vapor) y permanecen en esa misma fase en todo su recorrido a lo largo del intercambiador. Si esta condición se da, se puede aceptar, que el fluido que se calienta, circule de arriba abajo y el



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que se enfría de abajo a arriba. Esto, sin embargo, es inaceptable en el caso de que algunos de los fluidos experimenten una condensación o una vaporización.

En cualquier caso, aún para aquellos fluidos que presentan una sola fase, la desviación de la regla básica de conexionado, solo se llevará a cabo si el fabricante da su aprobación.

El cambio en el sentido de circulación de los fluidos puede afectar la transmisión de calor, y en servicios críticos puede no ser aceptado.

Es importante para el diseñador de tubería, el saber que los cambios anteriormente citados son factibles, pero es aún más importante el saber cuando dichos cambios pueden ser utilizados para mejorar un trazado de tuberías.

En caso de intercambiadores superpuestos y conectados entre si, las toberas a conectar, estarán situadas lo mas próximas posible, para evitar tensiones excesivas o diferencias de dilatación entre ellos; el uso de las toberas curvadas, deberá limitarse a conexiones de gran diámetro, o cuando las presiones y temperaturas son altas, en ese caso será preciso recurrir a toberas curvadas y una pieza de unión. Se puede cambiar la posición de las tubuladuras de entrada y de salida del producto, pero deben mantenerse las toberas de productos fríos por la parte inferior.

Figura 09; Alternativas de montaje para intercambiadores superpuestos.



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En petroquímica es conveniente utilizar en los intercambiadores tubos de longitud y diámetros normalizados, de acuerdo con este criterio, las longitudes mas usuales son de 16' y 20', es decir, 3 m., 4,8 m. y 6 m., la longitud de 10' también suele ser utilizada.

Figura 10; Tabla de dimensiones normalizadas para el intercambiador de haz tubular.



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05 PLANOS DEL FABRICANTE DEL INTERCAMBIADOR DE HAZ TUBULAR. Para la producción de un intercambiador son necesarios numerosos planos de detalle que serán utilizados en el taller de fabricación. El fabricante deberá realizar un plano dimensional para aprobación, en el que aparezcan: ? La forma y dimensiones del intercambiador. ? Número, tamaño y situación de las toberas. ? Situación de los soportes. ? Datos de diseño, etc. Este plano deberá ser comentado en cuanto a dimensiones, posición de las toberas, tamaño, serie, etc, por el diseñador de tuberías. Los datos de diseño incluidos en ese plano deberán ser cotejados con la especificación que se envió al fabricante.

Figura 11; Plano dimensional para Intercambiador de haz tubular.

Es responsabilidad del diseñador de tuberías, comprobar que los datos que refleja el plano del intercambiador se ajustan a lo requerido, ya que estos planos dimensiónales no están a escala .



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06 CONEXIÓN DE TUBERÍAS EN INTERCAMBIADORES DE HAZ TUBULAR. El diseño del trazado de las tuberías, en la conexión a estos equipos, y como consecuencia, la disposición y orientación de las bocas y/o tubuladuras (toberas), normalmente son responsabilidad del proyectista de "piping", su trazado se determina con la ayuda de los datos proporcionados por las secciones, o departamentos de: ? Proceso. ? "Vessels" y/o recipientes (intercambiadores).

Los documentos que deben ser tenidos en cuenta, a lo largo del proceso de diseño, son: j

La especificación de diseño; en este documento se prescribe: Æ Las

k

magnitudes mínimas para pasarelas, espacios libres, escaleras, etc.

Æ La

accesibilidad a equipos, bocas de hombre, válvulas, etc.

Æ Lo

que debe tenerse en cuenta para el sistema de tuberías.

Æ Las

precauciones previstas para las descargas de las válvulas de seguridad.

Æ Los

detalles de los accesorios y del calorifugado de las tuberías, etc..

El diagrama de flujo ; en este plano, se encuentran los datos precisos para la instrumentación,

que aportan los valores complementarios del sistema y los detalles que servirán para el diseño del trazado de tuberías. l

Los planos del conjunto de la planta, y de la unidad, o "plot-plan"; en este plano, se da la

posición física de los equipos, y su situación con respecto a los otros aparatos que lo complementan, así como de sus accesorios principales, junto con las zonas previstas para el desmontaje del haz tubular y el lado accesible desde el camino o carretera de la unidad. m

El plano preliminar del equipo; que indica las dimensiones y los detalles de su interior, así

como la posición provisional o típica, de las bocas, dispuestas por la sección de proceso. En algunos casos se incluirán los datos previos de los esfuerzos admisibles sobre las bocas del equipo. n

Las normas de instrumentación; los dibujos de las normas indican; los detalles físicos de los

instrume ntos, (aparatos y accesorios), todo ello, de acuerdo con las normas ISA (Instruments Society of America), o las especificaciones de la Ingeniería, o según los catálogos de fabricantes, para cada uno de los diversos instrumentos, tales como: ? Reguladores y/o alarmas de nivel. ? Manómetros y/o termómetros. ? Reguladores de temperatura y/o alarmas de temperatura y/o presión, etc.. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y E MPLEO.


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Toda la documentación citada suele ser suficientes para el diseño y realización de los planos, con ella se planifica la disposición de las tuberías, en base a la situación de los equipos, teniendo presente lo prescrito por el cliente y/o en la especificación. Los datos son interpretados por el proyectista de "piping" y con ellos inicia el proceso de diseño del "layout" de tuberías.

En esta Unidad tan solo describiremos los datos esenciales con los que debe contar el diseñador, para poder realizar el trabajo, el cual incluye; el trazado de las tuberías, la determinación de la orientación de las bocas y el diseño de las plataformas de servicio si es que son necesarias, lo que no suele ser habitual, en el caso de los intercambiadores.

Debe permitirse un acceso adecuado a cada uno de los intercambiadores, por ello el espacio libre en torno al intercambiador será de un mínimo de 900 mm (3' 0"), esta dimensión permitirá un adecuado acceso a este equipo evitando los posibles obstáculos.

En el caso de que no sea necesario un acceso, la separación entre la brida del distribuidor, o la del cuerpo o carcasa, será de 375 mm (15"), según la que sea de mayor tamaño.

Se debe tener en cuenta, que cuando exista una batería de intercambiadores de cabeza flotante de no muy gran tamaño, estos serán provistos en la contrabrida de dicha cabeza, de un davit o pescante para su desmontaje, por lo que la separación entre ellos debe ser tomada desde el davit a la brida del otro intercambiador.

Las válvulas del intercambiador deben ser colocadas en cerca del terreno, lateralmente al cuerpo del equipo, para facilitar la maniobra y evitar el uso de válvulas accionadas a cadena.

No se deben acoplar válvulas directamente a las bridas del distribuidor o cabezal fijo del intercambiador; es preferible disponer un tramo de tubería desmontable entre las válvulas y las bridas, con ello se facilitan el desmontaje del cabezal y el haz de tubos.

Las tuberías de entrada y salida del intercambiador, se proyectaran de modo que se deje libre de obstáculos el espacio situado frente a la tapa y al distribuidor con el fin de obtener un fácil mantenimiento. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y E MPLEO.


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Figura 12; Planta y alzado de conexión de tuberías para Intercambiador de haz tubular.

Los soportes de los intercambiadores deberán tener la menor altura posible, para permitir al máximo el empleo de los equipos móviles de mantenimiento (grúas autopropulsadas).



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Estas grúas serán empleadas para el mantenimiento del haz tubular de los intercambiadores colocados sobre el pavimento, que tengan el eje del situado a una altura < 3.600 mm (12’-0”) sobre dicho pavimento.

En el caso en que se deba elevar el cambiador por necesidades del proceso, se preverá de una estructura en acero y/o hormigón, el tipo a elegir, deberá estar de acuerdo con la sección de Obra Civil.

En el caso en que se deba elevar el cambiador por necesidades de proceso se preverá de una estructura en acero u hormigón, el tipo a elegir deberá estar de acuerdo con la sección de obra civil. Dicha estructura, deberá estar provistos de un monorraíl, para el mantenimiento de las partes del intercambiador.

El método de extracción del haz tubular del intercambiador de calor situado sobre la estructura, será acordado con el cliente al comienzo del trabajo; pudiendo realizarse mediante grúa móvil, o equipos de situación permanente, como el monorraíl.

Cuando se desmonta el cabezal fijo, se puede extraer el haz tubular, para limpiarlo o sustituirlo. El haz tubular no siempre puede extraerse; en aquellos casos en que éste no es desmontable, el equipo recibe el nombre de intercambiador de placas tubulares fijas.

En aquellos casos en que el haz tubular sea desmontable, hay que prever una zona totalmente despejada frente al intercambiador para dar cabida al equipo utilizado para retirar el haz, además del espacio que el propio haz tubular necesita para ser separado del cuerpo del intercambiador.

En total el área despejada necesaria debe medir como mínimo, y a partir de la tapa del cabezal fijo, una longitud igual a la del haz tubular más 1,5 m (5’-0”). Habrá que prever asimismo un camino de acceso al intercambiador para un vehículo de carga.

Se debe comprobar, siempre que sea posible, que se dispone de espacio libre para la extracción del haz de tubos; por ello se debe verificar que hay, como mínimo, un espacio libre delante del cabezal del distribuidor, igual a la cota de extracción señalada en la “Hoja de instrucciones” del Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y E MPLEO.


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intercambiador, incrementada en 1.000 mm. También se debe comprobar que queda espacio, del orden de 1.000 a 1.500 mm, frente a la tapa (sí el intercambiador tiene este elemento), de modo que permita el desmontaje, fácilmente.

Cuando los intercambiadores están provistos de cabezal fijo y cabezal flotante en el haz tubular, la tapa de éste deberá disponer también de un área despejada para su montaje. Puesto que dicha tapa del cabezal flotante se desmonta y se retira levantándolo desde arriba con una pequeña grúa, no es aconsejable que haya ninguna tubería por encima de ella.

Se debe decidir cual de los dos soportes, sobre los que apoya el intercambiador, es el fijo; si no esta decidido, será necesario observar las tuberías que han de conexionarse, si existe una tubería de agua conectada a un colector enterrado, el soporte deberá ser aquel que este mas cercano al punto de la tubería que se entierra; por si todas las tuberías de conexión proceden de una bandeja de tuberías, convendrá que el soporte fijo sea el mas próximo a dicha bandeja.

Las elevaciones de los intercambiadores deberán ser fijadas (como mínimo) a una altura que permitan a la tubería de salida de la envolvente o carcasa disponer de los dispositivos de drenaje a una altura suficiente del pavimento.

Se deben agrupar a los intercambiadores de igual diámetro y mantener una cota de altura constante para los ejes de todos ellos.

Las bocas de los distribuidores (cabezales) deberán proyectarse alineadas sobre el mismo eje para cada grupo de cambiadores y en el caso de que el haz tubular de todos ellos, tenga la misma longitud, los ejes de los soporte también se planificaran alineados.

En el caso del montaje de intercambiadores en paralelo, se podrá poner la tubería en montaje simétrico, cua ndo dichos intercambiadores tengan una baja caída de presión.

Un buen criterio de diseño, es el de no superponer más de un cuerpo de intercambiador sobre otro, a menos que se indique lo contrario, se trate de intercambiadores con Ø < 12", o de doble tubo.



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La razón para no superponer 2 o 3 cuerpos de intercambiador en vertical, se debe a que requieren una mayor dimensión de la obra civil, ya que además del peso, también entra en juego, el momento (por rozamiento horizontal) con respecto a la base. Así mismo requieren un mayor gasto de conservación, debido a que crean problemas para el movimiento de los distribuidores y para la extracción de los haces de tubos.

Cuando una tubería deba acoplarse a una boca en un plano inferior con respecto al intercambiador, pasando por un lateral del mismo, compruébese que queda suficiente espacio contra la superficie del tubo (o su aislamiento) y el intercambiador, a fin de permitir la traslación del haz y las eventuales operaciones de aislamiento. Este espacio debe ser de 150 mm como mínimo.

Cuando se trate de un reboiler (rehervidor de fondo de c olumna) antes de establecer las cotas de altura de los cimientos de los caballetes, compruébese en el esquema la cota de seguridad necesaria entre el fondo de la columna correspondiente y el eje (o el fondo) del “reboiler”.

Si el intercambiador está provisto de niveles, se deben orientar, de forma que sean leídos con facilidad, desde la posición de la válvula de control (LCV) correspondiente.

En la orientación de las tomas de presión y de temperatura que generalmente se indican sobre cada conexión del intercambiador, hay que tener en cuenta las disposiciones de las tuberías.

La toma termométrica para las conexiones (lado tubos) debe orientarse hacia la zona libre, nunca hacia partes por las que desciendan tuberías. Esto permitirá la extracción de la vaina o termowell, que suele necesitar de una zona libre, de unos 600 mm.

Para los intercambiadores situados sobre estructuras, es conveniente reducir al mínimo la distancia entre el plano del suelo y el fondo del intercambiador.

En general, es conveniente apoyar directamente los soportes sobre la viga de sustentación, o bien, en casos específicos, cuando es necesario tener espacio para la inserción de alguna válvula, se pueden prolongar los soportes más allá de la longitud standard. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y E MPLEO.


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Se deberá construir la plataforma, de forma que sea desmontable por la zona de extracción del haz de tubos, si esto es necesario.

Figura 13; Alzado y planta de conexión de tuberías para Intercambiador de haz tubular, en plataforma. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y E MPLEO.


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Para dimensionar la altura del monorraíl, que generalmente debe ser previsto sobre la estructura destinada a los intercambiadores, se deben dejar unos 800 mm de luz, entre la generatriz superior de la tubería más gruesa (acoplada a las bocas superiores) y el fondo de la viga sobre la cual deberá correr el gancho (monorraíl). Esto permitirá, durante el mantenimiento, trasladar el polipasto usado para el desmontaje, del haz de tubos, del distribuidor y de la tapa trasera.

En el caso de dos o más intercambiadores colocados sobre el mismo plano de una estructura, la altura del monorraíl se fijará, teniendo en cuenta las dimensiones exteriores máximas del equipo que tenga mayores dimensiones.

En el caso de intercambiadores situados en planos diferentes de una estructura, el monorraíl se deberá colocar sobre los intercambiadores situados en el plano más alto.

Por lo tanto, para poder aprovechar el mismo monorraíl para la sustentación del haz de tubos, téngase la precaución de situar los ejes de los dos intercambiadores en el mismo plano vertical.

Se debe evitar colocar las tuberías sobre el eje longitudinal del intercambiador, sobre todo, cuando inmediatamente encima se encuentra el monorraíl, para permitir el libre desplazamiento del monorraíl.

Si no hay monorraíl, las tuberías pueden ser dispuestas en eje del intercambiador, pero es más conveniente situarlas con respecto a la generatriz inferior para facilitar su soporte; hay que considerar la posición del soporte deslizante, que suele estar en la parte opuesta al distribuidor.

En la colocación de las válvulas de aislamiento, se deben seguir los criterios de la especificación y en ausencia de ellos, se pueden considerar estos: ?

En servicios no severos, donde no sea necesario el aislamiento del haz tubular o carcasa durante el funcionamiento, no se deberán instalar válvulas de cierre en el lado del hidrocarburo.

? Cuando varios intercambiadores tengan un servicio común (agua o vapor) y se desee tener la posibilidad de no operar una, o más unidades, se deberán colocar válvulas de cierre en las líneas de entrada y salida del agua de enfriamiento de los intercambiadores, o vapor en el caso de transmisión de calor. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y E MPLEO.


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?

Si en el caso precedente, no se necesita aislar intercambiadores, no se deberá colocar una válvula de cierre en la línea de suministro del agua de enfriamiento al equipo.

La instalación de válvulas de venteo y drenaje, debe seguir los criterios de la especificación y en ausencia de ellos, se pueden considerar estos: ? Todas las válvulas serán de Ø 3/4". ? Las unidades compactas, formadas por 2 o más cuerpos, que tengan sus carcasas en servicio común, se deberá instalar la válvula de venteo en la unidad superior y la válvula de drenaje en la unidad inferior. ?

No se colocarán válvulas de drenaje, cuando no se requieran válvulas de cierre en las conexiones inferiores de las toberas de la carcasa y del haz tubular, siempre que se pueda lograr el drenaje a través de las tuberías.

? Cuando las válvulas de aislamiento se deban localizar junto a la tobera del intercambiador, las válvulas de venteo y drenaje deberán situarse en las toberas. ?

Si no hay válvulas de aislamiento y se requiere venteo o drenaje, estos deberán colocarse preferiblemente en las tuberías y no en las toberas.

Los tapones de todas las conexiones que no estén siendo utilizadas, deberán ser del mismo material que la línea que tenga una especificación mayor (ratting) entre las líneas de entrada y salida.

Las válvulas de cierre y la tubería de entrada a los intercambiadores de enfriamiento por agua, deben instalarse de tal forma, que aseguren que la unidad permanezca llena de agua (inundada), aunque falte el suministro de agua de enfriamiento.

En climas fríos, se instalara un "by-pass" entre las tuberías de entrada y salida de agua; antes de las válvulas de bloqueo; para hacer circular el agua por fuera del interca mbiador, en caso de avería, o de dejar a éste fuera de servicio, evitándose la congelación del agua en las tuberías.

La conexión directa entre dos toberas de distintos intercambiadores (que no forman una unidad compacta), solo es admisible si las bridas son del tipo de cara plana, o de cara resaltada; si las bridas son para junta de tipo anillo, será preciso recurrir a toberas curvadas y una pieza de unión. Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y E MPLEO.


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Las conexiones para los rehervidores deberán estudiarse con mucho cuidado debido a los problemas de dilatación que suelen presentarse. Estos equipos deberán oponer la menor resistencia a las dilataciones; para ello se sitúan a veces sobre soportes especiales deslizantes.

Esta última solución solo es posible en rehervidores no muy grandes, pues en caso contrario, los esfuerzos sobre las toberas de la torre serían inadmisibles.

Una alternativa al montaje horizontal de los rehervidores, la constituye su disposición vertical.

Una variante del intercambiador de haz tubular, es la constituida por los llamados intercambiadores de doble tubo, los cuales se utilizan, cuando: ? La superficie requerida para el intercambio es pequeña. ? Se trabaja con fluidos a altísimas presiones. ? Es necesario realizar la contracorriente pura.

Estos intercambiadores de doble tubo, se pueden agrupar mediante su interconexión, su disposición puede ser: ? En serie. ? En paralelo. ? Mixta, cuando hay mezcla de ambos tipos.

Figura 14; Alzado y perfil de Intercambiador de doble de 12 grupos en montaje mixto.



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07 LOS AIRCOOLERS Y SU CONEXIÓN DE TUBERÍAS. Estos intercambiadores tienen como objeto, refrigerar el fluido caliente mediante un medio refrigerante como el aire, sin que en el fluido se efectúe cambio de estado físico alguno; se utilizan, cuando debido a su baja temperatura, la energía calorífica del fluido no puede ser aprovechada.

El uso de aero-refrigerantes no es aconsejable, cuando la diferencia entre la temperatura de salida del producto y la del aire, (de proyecto, o ambiente) es igual o inferior a 10 ºC; cuando esto sucede, es mejor recurrir a un sistema mixto aire/agua, enfriando con aire los niveles altos de temperatura y usando el agua para el enfriamiento final, mediante un “cooler”.

Este intercambiador esta constituido por un haz de varias filas de tubos aleteados, alineados en sentido horizontal, pero desfasados en la vertical, con distanciadores entre los tubos aleteados que impide la deformación de estos. Cada haz de tubos está preparado para permitir la expansión térmica, ya que en realidad, solo uno de los dos cabezales será fijo, mientras el otro estará en una posición deslizante.

En el haz de tubos aleteados, el aire movido por un ventilador entra de abajo hacia arriba, a través del citado conjunto de tubos. El tiro puede ser forzado, cuando el ventilador está situado bajo los haces de tubos o inducido cuando el ventilador es situado sobre dichos haces de tubos. Ambos sistemas tienen ventajas y desventajas, por lo que la elección queda al criterio del ingeniero de proyecto.

Las ventajas del tiro forzado (motor inferior), respecto al sistema por inducción, son: ? Consumos energéticos más bajos ? Mejor acceso al grupo motor-ventilador. ? Facilidad en el desmontaje de los haces de tubos.

Las ventajas del tiro por inducción (motor superior), respecto al sistema forzado, son: ? Mayor tiro natural, útil en el caso de falta, de energía eléctrica. ? Menor reciclado del aire, factor clave en el caso de refrigeración, o condensación de fluidos, teniendo una pequeña diferencia con la temperatura de proyecto del aire.



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Figura 15; Alzado y planta del Intercambiador tipo “aircooler”.



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Los intercambiadores de calor por aire o aircoolers, tienen que montarse elevados y sin obstáculos en las proximidades que impidan a los ventiladores la absorción del volumen de aire requerido para el buen funcionamiento del equipo; tanto en aerorefrigerantes de tiro forzado, como de tiro inducido.

Manteniendo las condiciones citadas, pueden situarse los aircoolers, sobre: ? El puente de tuberías (Pipe rack). ? La estructura de otros equipos. ? En estructura independiente.

En el caso más habitual de aerorefrigerantes de tiro forzado, casi siempre se aprovecha la estructura del pipe rack para su instalación, porque aunque el equipo queda siempre a una elevación considerable, está perfectamente justificado, ante el ahorro económico y de superficie que supone la instalación en estructura independiente.

Si se sitúan sobre la estructura de otros equipos, éstos no deben ser: ? Compresores de aire o gas. ? Cuadros eléctricos ? Cualquier otro equipo que produzca gran cantidad de calor. Porque perjudican la función del aircooler, ya que el aire caliente dificulta el enfriamiento del fluido en el equipo. Tampoco puede colocarse el aircooler sobre equipos que puedan tener pérdida de gases explosivos.

El aircooler se debe emplazar como mínimo, a 15,0 m (50’-0") del horno más próximo, la distancia debe ser considerada en línea horizontal de. En todos los casos, para la situación de los aircoolers hay que tener en cuenta las indicaciones del Cliente.

Si sobre el equipo hay varias bocas, la tubería debe ser proyectada de modo que se asegure un flujo uniforme sobre dichas bocas. La tubería debe estar convenientemente soportada y tener la flexibilidad necesaria para evitar un empuje sobre las bocas del equipo superior a la carga admisible dada por el fabricante. En general, ninguna tubería deberá pasar por encima del cambiador por aire, de modo que impida la extracción del haz tubular de éste.



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Curso de tuberías para plantas de proceso - 0205 Conexion a Intercambiadores

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