Platos de Casquete de Burbujeo

 MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TORRES DE FRACCIONAMIENTO

PDVSA N °

MDP–04–CF–10

0

NOV.97

REV.

FECHA

PLATOS DE CASQUETE DE BURBUJEO

APROBADA DESCRIPCION FECHA NOV.97

APROB.

 PDVSA,

TITULO

1983

APROB.

44

L.C.

PAG.

REV.

L.R. APROB. APROB. FECHA NOV.97

ESPECIALISTAS

MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO

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Indice 1 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

3 ANTECEDENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

4 DEFINICIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

5 APLICACIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

6 CONSI ONSID DER ERAC ACIO IONE NES S BÁSICAS DEL DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

7 PROCED PROCEDIMI IMIENT ENTO O DET DETALL ALLADO ADO DE DIS DISE EÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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8 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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9 PROGRAMAS DE COMPUTACION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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ALCANCE Esta subsecci ón cubre las t écnicas para realizar el dise ño de procesos de los platos de casquetes de burbujeo en aplicaciones de transferencia de masa. El diseño mecánico detallado y el arreglo de casquetes los maneja normalmente el fabricante de los platos y sobre esa premisa se ha elaborado esta secci ón. Un formato de c álculos que muestra paso a paso el procedimiento de dise ño se incluye en el Ap éndice. Para el dise ño de otros internos de la torre relacionados con el plato tales como boquillas, cajas de retiro y conexiones del rehervidor refiérase a la Subsecci ón MDP – 04 04 – CF CF – 08. 08. Para el diseño de platos de casquetes de burbujeo en servicios de transferencia de calor, refi érase a la Subsecci ón MDP – 04 04 – CF CF – 13. 13.

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REFERENCIAS MDP – 04 04 – CF CF – 06 06 Selecci ón del Tipo de Plato. MDP – 04 04 – CF CF – 08 08 Otros Internos de Torres de Fraccionamiento. MDP – 04 04 – CF CF – 13 13 Transferencia de Calor por Contacto Directo. Consideraciones Econ ómicas de Dise ño Ludwig Ernest E. ”Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants ’’. Volume 2. Second. Edition.Gulf Publishing Co.ISBN 0 – 87201 87201 – 753 753 – 2 (v – 2) 2) Kister Henry Z. ’’Distillation Design ’’,McGraw Hill,inc. ISBN 0 – 07 07 – 034909 034909 – 6 Walas Stanley M.’’Chemical Process Equipment, Selection and Design ’’. Butterworth – Heineman. Heineman. ISBN 0 – 7506 7506 – 9385 9385 – 1 PROII Keyword Input Manual. Version 4.1. 1996, by Simulation Sciences Inc.

3

ANTECEDENTES Los platos de casquetes de burbujeo fueron los elementos de contacto fundamentales en las columnas de platos hasta los inicios de la d écada de los cincuenta, debido a su alta eficiencia, buena capacidad y alta flexibilidad ante las variaciones de flujo tanto de vapor como de l íquido. Sin embargo, su alto costo estimul ó el desarrollo de alternativas m ás baratas que eventualmente los desplazaron de esa posici ón de preferencia al permitir rendimientos comparables por un costo hasta un 50% menor menor que el de estos platos. En la actualidad una de esas alternativas, los platos perforados, son la primera opci ón para la mayor ía de las aplicaciones de las refiner ías, pero para ciertas aplicaciones los platos de casquetes de burbujeo siguen siendo la mejor elecci ón, tal como se especifica en las aplicaciones.

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DEFINICIONES Ver Subsecci ón MDP – 04 04 – CF CF – 06. 06.


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APLICACIONES Los platos de casquetes de burbujeo se aplican en la actualidad bien sea en unidades de proceso construidas antes de que entraran en desuso, o en nuevos diseños que deben cumplir con requerimientos especiales tales como alta capacidad de reducci ón de flujos respecto a los de dise ño (relaciones de “turn – down down’’ superiores a la de 3 a 1), flujos de l íquido extremadamente bajos, que requieren el sellado positivo que da este tipo de platos y cuando se requiere la minimización de fugas. Tambi én pueden utilizarse cuando los dispositivos de contacto más baratos, como los platos perforados o los de v álvulas presentan una desventaja espec ífica para el servicio propuesto que no afecte as í al plato de casquetes de burbujeo, como pudiera ser el atascamiento de las v álvulas de un plato en servicios sucios o corrosivos o la falta de resistencia mec ánica para soportar los fuertes incrementos de presi ón que puede causar la vaporizaci ón repentina de agua en torres donde pueda entrar o acumularse durante alguna fase del ciclo de operaci ón – mantenimiento mantenimiento de la torre.

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CONSIDERACIONES BÁSICAS DEL DISEÑ DISEÑO El diseño apropiado de un plato de burbujeo da como resultado un arreglo de plato que en las condiciones de operaci ón a las que se ver á sometido realizar á su función de separaci ón con eficiencia razonable, ser á estable y no presentar á comportamientos inadecuados tales como inundaci ón por chorro, soplado, vaciado o mala distribuci ón de vapor, todo ello sin incurrir en costos excesivos. El procedimiento de dise ño que se presenta en esta Subsecci ón se basa en la aplicaci ón de criterios para definir una configuraci ón tentativa del plato, que se somete a pruebas sucesivas que permiten decidir si el arreglo propuesto fallar á frente a los criterios de comportamiento ya mencionados, que a su vez orientan la modificación del dise ño tentativo para lograr un arreglo final satisfactorio. En la Subsecci Subsecc ión MDP – 04 04 – CF CF – 06 06 se tratan en detalle las limitaciones de los platos mencionadas aqu í. Espaciamiento Entre Platos La combinaci ón óptima del espaciamiento entre platos y del di ámetro de la torre es aquella que minimiza la inversi ón total de la torre sujeta a la condici ón de que el espaciamiento entre platos sea suficiente para permitir el acceso para mantenimiento. La informaci ón de inversiones del Manual de Estimaci ón de Costos puede ser utilizada como una gu ía para determinar la inversi ón como una función del diámetro de la torre y del espaciamiento entre platos. Los espaciamientos m ínimos entre platos se muestran en la tabla de la p ágina 11 como una funci ón del diámetro de la torre, tipo de servicio y requerimientos de mantenimiento. Ver tambi én las discusiones sobre el llenado del bajante en “Hidráulica del Plato ’’.


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Diámetro de la Torre Junto con los criterios discutidos posteriormente en los puntos “Dimensionamiento del Bajante’’, “Espacio libre en el Bajante ’’ y “ Llenado del Bajante ’’, el diámetro de la torre debe proveer suficiente área de sección transversal para evitar arrastre de acuerdo a la siguiente ecuaci ón. Va=

Kd Kp H F3



V L _  V

Ec. (1)



donde:

Va

=

Kd

=

Kp

=

H rv rL F3

= = = =

Velocidad superficial del vapor máxima permitida (Diseñar para un máximo de 100% de Va) Factor de corrección por capacidad de vapor para el área del bajante. Ver ecuación (1a). Factor de velocidad del vapor permitida, basado en las propiedades del sistema. (Fig. 1.). Espaciamiento entre platos. Densidad del vapor a condiciones de trabajo. Densidad del líquido a condiciones de trabajo. Factor cuyo valor depende de las unidades usadas

Kd= As Adi

= =

Aw

=

En unidades métricas m/s

En unidades inglesas pie/s

mm kg/m 3 kg/m 3 1000

pie lb/pie 3 lb/pie 3 1

As _ Adi _ Aw 0.92 As

Area superficial de la torre. Area de entrada al bajante. Con bajantes inclinados o escalonados, se debe utilizar el promedio de las áreas de entrada y salida del bajante. Area estimada de desperdicio

Ec. (1a) m2 m2

pie2 pie2

m2

pie2

Una modificaci ón en la ecuaci ón (1) de Va para permitir calcular A s directamente se presenta en el formato de c álculo como ecuaci ón (2b2). Ya que A s y Kd dependen una de otra, la soluci ón de la ecuaci ón que las liga requiere un c álculo iterativo. Como en todo proceso de soluci ón iterativa de ecuaciones el esfuerzo de c álculo puede reducirse significativamente si se seleccionan buenos valores iniciales para


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las variables de c álculo, se sugieren dos procedimientos para estimar el área superficial de la torre, y por consiguiente su di ámetro. Primer procedimiento de estimaci ón: para el primer ensayo, A s debería ser calculada basados en un valor asumido para Kd = 0.95. Del valor resultante de A s, se puede calcular un valor ”final’’, suficientemente preciso, de K d. Nótese que en el formato de c álculo no se debe tomar cr édito de capacidad para espaciamiento entre platos m ás grandes que 900 mm (36 pulgadas). Segundo procedimiento: Decida a que porcentaje de la velocidad de vapor a m áxima capacidad de la torre (V L(Lim)) se va a trabajar en el equipo (siempre por debajo de 100%). Calcule con ayuda de la ecuaci ón 2c1 del formato de cálculo el área libre del plato y para obtener un valor conservador del diámetro calcule el área superficial del plato suponiendo que el área libre estimada es el 88% del área superficial. El factor de capacidad de vapor K p para las propiedades del sistema se presenta en la Fig. 1. Esta correlaci ón se basa en datos operacionales de torres que manejan hidrocarburos. Debido a que la correlaci ón es empírica, deber ía usarse cualquier dato de capacidad disponible para el tipo de torre que se est á diseñando. Esto es especialmente v álido para absorbedoras, servicios que no manejan hidrocarburos y sistemas donde la viscosidad del l íquido excede los 0.6 mPa.s (cp). Los valores de K p para viscosidades de hasta 6 cp pueden leerse en la Fig.1, pero deben utilizarse con precauci ón. Capacidad Máxima La ecuación (2c1) del formato de c álculos da la carga de vapor limitante para la capacidad máxima. En caso de excederse esta carga, ocurrir á el fenómeno de soplado y el l íquido se dispersar á en pequeñas gotas produci éndose su arrastre. Debido a esta atomizaci ón del líquido, aumentar el espaciamiento entre los platos no reducir á la cantidad de l íquido arrastrado al plato superior. La relaci ón de la carga de vapor de diseño VL a la carga de vapor de m áxima capacidad VL(Lim) debe mantenerse por debajo de 100%. Si es necesario, el di ámetro de la torre debe incrementarse, aun cuando la ecuaci ón (1) sobre arrastre haya sido satisfecha. Sin embargo, el di ámetro calculado mediante esta ecuaci ón normalmente provee suficiente área libre para satisfacer las limitaciones de capacidad m áxima. Número de Pasos de L í quido Para diámetros menores o iguales a 1500 mm (5 pie), se deber ían utilizar platos de un solo paso. Los platos de casquetes de burbujeo de m últiples pasos deber ían ser considerados cuando el flujo de l íquido está en el rango de 14 a 21 dm 3 /s por metro de diámetro (4000 a 6000 gal/h por pie de di ámetro) en platos de un solo paso. A esos flujos, el gradiente de l íquido en el plato comienza a hacerse grande y por lo tanto se requiere una alta ca ída de presi ón a través del casquete para mantener una distribuci ón de vapor satisfactoria. Ambas condiciones causar ían


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un llenado excesivo del bajante y requerir ían espaciamientos muy grandes entre los platos. Dimensionamiento del Bajante El área requerida en la entrada del bajante se ajusta por las limitaciones de segregaci ón o separación de la espuma para dar un l íquido claro a la salida del bajante sin acumularla en el plato. Si el área es insuficiente, la espuma puede acumularse en el plato y causar inundaci ón prematura. Esta separaci ón es más fácil mientras más difieran las densidades de las fases l íquida y vapor, por lo que, a medida que la temperatura del sistema se aproxime a la temperatura cr ítica, y las densidades de las fases de vapor y l íquido se aproximen una a la otra, la segregaci ón del vapor así como la predicci ón del área requerida para segregaci ón, serán cada vez m ás difíciles de realizar. Esto es m ás probable que suceda en sistemas de destilación a altas presiones, por lo que se recomienda en esos casos ser conservadores en la definici ón de las áreas de bajante. La Fig.8 da la velocidad m áxima permitida del l íquido a la entrada del bajante basada en la velocidad terminal de elevaci ón de las burbujas de vapor arrastradas a medida que ellas se liberan en el bajante. La velocidad calculada es una funci ón de las propiedades f ísicas de los fluidos y por lo tanto var ía de un sistema a otro. Los datos de FRI indican que la Fig.8 predice bastante bien la m áxima velocidad permisible de entrada al bajante aun para sistemas a alta presi ón. En consecuencia, ésta puede ser utilizada para todos los sistemas. Sin embargo, mientras no se encuentren disponibles m ás datos, la velocidad de entrada al bajante deber ía ser limitada a un m áximo de 0.15 m/s (0.5 pie/s). Para sistemas espumantes, deber ían usarse velocidades menores (en el orden de 0.06 m/s (0.2 pie/s)). La velocidad a la salida de un bajante inclinado o escalonado no deber ía exceder dos veces la velocidad de entrada calculada, o 0.18 m/s (0.59 pie/s), cualquiera que sea menor. Para una buena distribuci ón de líquido, la longitud de la salida de un bajante tipo segmento circular debe ser al menos 65% del di ámetro de la torre. Esto significa que el área de salida del bajante (que es igual al área de entrada al plato de abajo) debe ser por lo menos 6.8% del área superficial de la torre A s. Si el área de entrada al bajante requerida para satisfacer los criterios de velocidad permitida del l íquido excede el 12% del área superficial del plato, el fondo de un bajante recto resultar ía sobredimensionado, y en ese caso se deber ía considerar el uso de bajantes inclinados o escalonados. Cuando un bajante tipo segmento circular resulta en mucha m ás área que la requerida para satisfacer el criterio de velocidad de entrada, se debe considerar un bajante del tipo arco modif icado. Ver Fig. 9. Ver otras relaciones geom étricas en MDP – 03 – S – 03 Tabla 5.


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Espacio Libre del Bajante El espacio libre o separaci ón del bajante es la distancia vertical entre el borde del fondo del bajante y la cubierta del plato a donde descarga. Este espacio libre no debería ser más pequeño que 25 mm (1 pulgada) y se basa en una ca ída de presión de 13 a 38 mm (0.5 a 1.5 pulgadas) de l íquido caliente, de acuerdo a la fórmula del vertedero sumergido, Ecuaci ón (4g1) del formato de c álculo. Sellado del bajante Para impedir que parte del vapor se desv íe del plato subiendo a trav és del bajante, éste debe sellarse con el l íquido del plato inferior, es decir debe tener su extremo de descarga sumergido en el l íquido circundante. La condici ón crítica para este sello ocurre al flujo m ínimo de líquido, por lo tanto, se debe verificar que a esta condici ón, la suma de la altura libre del l íquido hi a la entrada del plato y la p érdida de cabezal had bajo el bajante sea cuando menos igual al espacio libre del bajante y preferiblemente excederla por 6 mm (0.25 pulgadas) de l íquido caliente. Si el cálculo muestra que no se obtiene sello, lo cual es raro en este tipo de platos, se debe considerar el incrementar la altura del vertedero de salida, reducir el espacio libre o separaci ón del bajante mediante el uso de una caja de entrada hueca o agregar un vertedero de entrada. No se recomienda el uso de bajantes con bordes perfilados en este tipo de platos, ya que la reducci ón de caída de presión que se logra de este modo no es capaz de compensar de modo significativo las elevadas caídas de presión que producen los propios casquetes. El dise ño final es aquel que logra sellar el bajante a flujo m ínimo y minimiza el llenado del bajante a los flujos de diseño de vapor y de l íquido. Arreglo de los Casquetes de Burbujeo Se recomiendan los lineamientos generales siguientes para evaluar el arreglo de un plato existente o para dise ñar un plato nuevo. Para el caso de dise ño de platos nuevos, se debe indicar al vendedor que manejar á los detalles de dise ño del plato si se desea un paso o arreglo triangular o cuadrado, as í como el di ámetro de los casquetes. Arreglo – Normalmente se prefiere el arreglo cuadrado porque reduce el gradiente hidráulico y casquetes de 6 ó 4 pulgadas. El arreglo cuadrado deber ía especificarse para nuevos dise ños, sin embargo, si el gradiente hidr áulico se considera menos importante que la disponibilidad de área para colocar casquetes, el arreglo triangular permite la colocaci ón de mayor número de casquetes por unidad de área de burbujeo que el arreglo cuadrado y pudiera ser el arreglo m ás conveniente. Este caso puede presentarse cuando se requiere mayor cantidad de casquetes por plato para aumentar capacidad y/o eficiencia, pero el di ámetro de la torre ya est é fijo, como puede ser el caso de “revamps’’ o eliminación de cuellos de botella en plantas existentes.


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Espaciamiento de los Casquetes – En todos los platos de casquetes de burbujeo se debería especificar un 10% m ás de casquetes por unidad de área de contacto en la mitad de entrada del plato que en la mitad de salida. La mitad de entrada se define como el área de contacto dentro de la primera mitad de la trayectoria del flujo fp como se muestra a continuaci ón.

Con esto se busca compensar el efecto del gradiente hidr áulico en el plato, que tiende a desviar el flujo de vapor que viene del plato inferior hacia los casquetes de la zona de salida de l íquido, donde la profundidad es menor y entonces aprovechar el mejor contacto l íquido vapor que existe en la zona de entrada de líquido al plato. Normalmente se puede lograr la distribuci ón de casquetes propuesta si en el tercio de entrada de l íquido al plato (trayectoria del flujo) se usa un espaciado de filas de unos 215 mm (8 1/2 pulgadas) con casquetes de 150 mm (6 pulgadas) y un espaciado de 150 mm (6 pulgadas) con casquetes de 4 pulgadas;y en el tercio de salida una separaci ón de 230 y 165 mm (9 y 6 1/2 pulgadas), respectivamente. En platos de torres de vac ío, los espaciamientos pueden ser reducidos a 25 mm (1 pulgada). Ya que se recomienda un arreglo cuadrado, estos valores definen el espaciamiento dentro de cada fila, para mantener su geometr ía. Tamaño del Casquete – Debido a su baja ca ída de presi ón, generalmente se especifican casquetes elevados de 6 pulgadas para servicios de vac ío y para la eliminaci ón de cuellos de botella en torres existentes. Los casquetes de burbujeo


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de 4 pulgadas se usan en platos con di ámetros menores o iguales que 900 mm (3 pie). Para platos con di ámetros mayores que 900 mm (3 pie) se especifican casquetes de 6 pulgadas. No obstante lo anterior, en el caso de torres con diámetros mayores que 900 mm (3 pie), a las que por razones de bajo flujo de vapor les correspondiera un bajo n úmero de casquetes de 6 pulgadas por plato que llevara a una mala distribuci ón de vapor, se proceder á a corregir la mala distribuci ón de vapor utilizando casquetes de 4 pulgadas. Los casquetes t ípicos recomendados se muestran en la Tabla 1. Distancia desde el Vertedero – La línea central de la fila de casquetes final deber ía estar de 150 a 180 mm (6 a 7 pulgadas) de separaci ón del vertedero cuando se utilizan casquetes de 6 pulgadas y de 125 a 150 mm (5 a 6 pulgadas) en el caso de los casquetes de 4 pulgadas. Arrastre y Vaciado El vaciado (’’dump’’) no deber ía ocurrir si el plato se dise ña de acuerdo con los criterios discutidos en ”Hidráulica del Plato ’’. Para minimizar el arrastre se requiere que la caída de presi ón a través de la ranura h s sea menor que la distancia h ds desde la cubierta o piso del plato hasta el tope de la ranura. Hidráulica del Plato Caída de Presi ón y Distribuci ón de Vapor – El vapor fluyendo a trav és de un plato debe vencer la resistencia de fricci ón en el casquete de burbujeo y chimenea (“riser ’’) más el cabezal de l íquido arriba del punto donde el vapor sale de las ranuras de los casquetes de burbujeo. Un flujo uniforme de vapor a trav és de la sección transversal del plato depende de una resistencia total igual a trav és de todas las secciones del plato. Datos de pruebas han demostrado que el cabezal de líquido es más grande a la entrada del plato y decrece hacia la salida. Existe un cabezal mínimo de líquido entre la mitad de salida de platos y el vertedero. El perfil de cabezal de l íquido asumido para prop ósitos de diseño se muestra en la Fig. 5. Para compensar la reducci ón en el cabezal de l íquido desde la entrada al plato hacia la salida, la ca ída de presi ón de los casquetes de burbujeo deber ía ser menor en la porci ón de entrada al plato. Esto se logra mediante la provisi ón de 10% más de casquetes por unidad de área de contacto en la mitad de entrada que en la mitad de salida, como se discuti ó anteriormente. Para asegurarse de que todos los casquetes est én activos, la ca ída de presi ón del casquete para un flujo de l íquido dado debe ser, por lo menos, tan grande como aquella mostrada por la curva inferior de de la Figura 3. La regi ón de distribuci ón ”pobre ’’ debajo de esta curva representa los flujos de l íquido para los que los casquetes de entrada cesan de transportar vapor y por lo tanto vac ían el l íquido. Cuando el flujo de l íquido excede aquel obtenido de la curva de distribuci ón ”buena’’ en la Figura 3, la caída de presi ón en el casquete deber ía ser


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incrementada. Esto puede lograrse mediante la clausura de cada tercer casquete en cada fila en el lado de salida del plato. Un modo alterno de incrementar la ca ída de presi ón del casquete es el de colocar estrangulamientos en cada chimenea, restringiendo el flujo de vapor a trav és de la misma. La Fig. 4. muestra este arreglo junto con las curvas para determinar el factor de caída de presi ón de la chimenea, K c. Si los obturadores (chokes) son usados sólo en algunos de los casquetes, la ca ída de presi ón final de éstos (hcap) debe obtenerse por un proceso iterativo. Ello ocurre debido a que el flujo de vapor a los casquetes estrangulados (con un alto P) será menor que a los no estrangulados (bajo P) ya que el vapor se dividir á según la caída de presi ón total del plato. Gradiente de L íquido – La altura del vertedero de salida se determina con la Ecuación (4f1) del formato de c álculo, valor que se redondea por exceso hasta el cuarto de pulgada m ás cercano. El procedimiento de c álculo asegura que la fila de casquetes de salida, asumiendo alturas est ándar de la chimenea, sea sellada mediante 6 a 13 mm (1/4 a 1/2 pulgadas) de l íquido. Asimismo, el procedimiento está basado en la suposici ón de una depresi ón del cabezal de l íquido de 25 mm (1 pulgadas) a la salida del plato (Ver Fig. 5.). La Figura 3 debería ser usada para estimar el gradiente de l íquido en el plato, el cual afecta la ca ída de presión total del vapor al incrementarse el cabezal promedio de l íquido en el plato. La Ecuaci ón (4h1) muestra el efecto del gradiente de líquido sobre la ca ída de presión del plato. Para prop ósitos de diseño se supone que el nivel del l íquido en el casquete promedio es igual a h o, el cabezal de salida más una tercera parte del gradiente de l íquido. El gradiente de l íquido en un plato determinado es la diferencia entre los niveles de entrada y salida del l íquido en ese plato o, de modo equivalente, su diferencia de profundidades entrada – salida en el plato. Llenado del Bajante – El llenado del bajante, como un porcentaje del espaciamiento entre platos, no deber ía exceder los valores dados en la Fig. 2. donde se representa como una funci ón de la presión. Pudiese ser necesario incrementar el espaciamiento entre platos para cumplir con este requerimiento. Eficiencia Global Cuando fuese posible se deber ía utilizar la experiencia pasada como una gu ía para determinar la eficiencia de los casquetes de burbujeo. En ausencia de datos se puede asumir que un plato de este tipo, dise ñado de acuerdo al procedimiento descrito en esta subsecci ón, tendrá la misma eficiencia de un buen dise ño de platos perforados. La eficiencia de los platos perforados puede calcularse siguiendo el procedimiento en la Subsecci ón MDP – 04 – CF – 09 Eficiencia de Platos.


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Transferencia de Calor La Subsección MDP – 04 – CF – 13 define el procedimiento para determinar el número de platos de casquetes de burbujeo requerido para un servicio dado de transferencia de calor.

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PROCEDIMIENTO DETALLADO DE DISEÑO El procedimiento paso a paso para el dise ño de un plato de casquetes de burbujeo se muestra en el ap éndice “Formato de Cálculo’’. Básicamente, el procedimiento se basa en proponer un dise ño tentativo con la ayuda de los principios arriba mencionados, evaluarlo contra las diferentes limitaciones operacionales potenciales y luego modificarlo como se requiera para llegar a un dise ño óptimo del plato. La decisi ón de cómo modificar el dise ño tentativo requerir á juicio y aplicaci ón de las consideraciones b ásicas de dise ño discutidas anteriormente. Los números referidos a continuaci ón son descritos en el formato de c álculo para los diferentes pasos y ecuaciones. Cargas de Vapor y L í quido (Paso 1) Esta informaci ón se calcula normalmente como parte del balance de masa y energía de la torre. Si las cargas de vapor y l íquido mínimas no han sido especificadas se asume que son el 50% de las cargas de dise ño. Arreglo, Tama ño y Espaciamiento Preliminar de los Platos (Paso 2) Areas del Bajante – La velocidad del l íquido libre de vapor entrando al bajante debería estar limitada a aquella calculada de la Figura 8.En todo caso, no se deben exceder los 0.15 m/s (0.5 pie/s) a la entrada del bajante. La velocidad de salida en un bajante inclinado puede ser 2 veces la velocidad de entrada o un m áximo de 0.6 pie/s (0.18 m/s). Para sistemas espumantes use 0.2 pie/s (0.06 m/s). Espaciamiento entre Platos – Un bajo espaciamiento entre platos (entre 450 y 600 mm (18 y 24 pulgadas)) a menudo es m ás económico. Para el primer ensayo se puede utilizar un espaciamiento de 450 mm (18 pulgadas) o un valor tomado de la tabla que se muestra abajo (el que sea m ás grande). Los valores dados a continuaci ón son los mínimos, determinados por consideraciones de mantenimiento y espesor de la viga de soporte. En casos especiales, se pueden utilizar espaciamientos menores (pero no por debajo de 300 mm (12 pulgadas)); sin embargo, ello dificulta el mantenimiento y requiere el uso de un pasahombre de más en el plato por paso.


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ESPACIAMIENTO M Í NIMO ENTRE PLATOS, mm(3) Diámetro de la Torre mm v1500 >1500, 2300 >2300, 3100 >3100, 6000 >6000 (2)

Servicio Limpio pie de 5 ó menos de 5 – 1/2 a 7 – 1/2 de 8 a 10 de 10 – 1/2 a 16 – 1/2 de 17 y más

450 525 600 675 750

Servicio Sucio 525 600 750 850 925

NOTAS: 1. El mínimo espaciamiento entre platos con pasa – hombre (manhead) presente es 600 mm (24 pulgadas). 2. Para torres de diámetro mayor de 600 mm (24 pulgadas) se deben utilizar armad uras del tipo rejilla para facilitar el mantenimiento y una buena distribución de vapor (Ver Subsección MDP – 04 – CF – 08 donde se muestra un dibujo de una armadura enrejada) 3. Para convertir de mm a pulgadas divida entre 25.4

Tamaño Preliminar del Plato – El diámetro preliminar se calcula a partir del área superficial A s, la cual se determina con la Ecuaci ón (2b2)(Tambi én se puede utilizar el segundo procedimiento sugerido en la p ágina 8 de esta Subsecci ón). En este punto, Adi y Ado (paso 2A) deber ían ser chequeados para asegurarse que A do 0.068 As. Si Adi es mayor que 0.12 A s considerar un bajante en pendiente o escalonado. Si la suma de A di y Ado sobrepasa 45% de A s, el diámetro de la torre debería ser incrementado. Si el A di requerido de acuerdo a la Ecuaci ón (2a2) es mucho menor que 0.068 A s y el diámetro de la torre es mayor que 1800 mm (6 pie) se puede considerar un bajante de arco modificado. Ver Fig.9. Número de Pasos de L íquido – Los platos de dos pasos se deber ían considerar cuando el flujo de l íquido está en el rango de 14 a 20 dm 3 /s por metro (4000 a 6000 gal/h por pie) de di ámetro en un arreglo de un solo paso, donde los gradientes de líquido y el llenado del bajante se hacen excesivos. Capacidad M áxima – La carga de vapor correspondiente a la capacidad m áxima se calcula a partir de la Ecuaci ón (2c1). La relaci ón de las capacidades de dise ño y máxima debe mantenerse por debajo de 100%. Arreglo, Tama ño y Espaciamiento Final de los Platos (Paso 3) Usar el último valor de Dt calculado en la etapa 2(b) o 2(c) para el di ámetro final. Para diámetros calculados mayores de 3000 mm (10 pie) éste debería ser redondeado por exceso hasta el m últiplo de 150 mm (6 pulgadas) m ás cercano y para diámetros calculados menores que 3000 mm (10 pie) hasta el m últiplo más cercano de 75 mm (3 pulgadas).


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Bajantes y vertederos – La longitud de la parte inferior del bajante deber ía ser verificada para estar seguros de que sea por lo menos 65% del di ámetro. Adicionalmente, para platos de dos pasos, el ancho del bajante interior debe ser por lo menos 200 mm (8 pulgadas). Ver las relaciones geom étricas en MDP – 03 – S – 03 Tabla 5. Placas Deflectoras para Evitar Mezclado en el Bajante – Cuando el flujo de l íquido excede 10 dm 3 /s por metro (3000 gph/pie) de di ámetro por paso, en platos de pasos múltiples se debe usar una placa deflectora para evitar mezclado en el bajante. La misma debe colocarse longitudinalmente, suspendida sobre el bajante interno o central y debe extenderse a todo lo largo del mismo. De este modo se evita que la espuma salte de una secci ón del plato a otra y se le obliga a llegar al bajante. Ver Subsecci ón MDP – 04 – CF – 08. Hidráulica del Plato (Paso 4) El arreglo cuadrado deber ía usarse para dise ños de nuevas torres en conjunto con uno de los casquetes est ándares descritos en la Tabla 1. Si el vendedor de los platos es el responsable de realizar el arreglo detallado, se debe especificar el número de casquetes y verificar que se pueda obtener una distribuci ón de vapor razonable. Sin embargo no se requiere definir el arreglo detallado del plato. Caída de Presi ón del Casquete – La caída de presi ón del casquete es la suma de las caídas de presi ón de la chimenea y de la abertura. El c álculo de caída de presión en la chimenea para los casquetes est ándares mostrados en la Tabla 1, se realiza con la ecuaci ón (4b1). Para casquetes no est ándares, debería usarse el procedimiento descrito en la Tabla 2. La ca ída de presi ón del casquete debe mantener al plato por encima de la curva de distribuci ón ”pobre’’ de la Figura 3 en todo su rango de flujos de operaci ón. Caída Total de Presi ón del Plato – La Ecuación (4h1) da el P total a trav és del plato. Sellado del Bajante – A flujos m ínimos, la suma del cabezal de entrada en el plato hi y la pérdida de cabezal bajo el bajante H ud deben ser mayores que el espacio libre del bajante. Si el sello no se puede obtener se debe considerar el uso de un espacio libre menor, un vertedero de salida m ás grande, un vertedero de entrada o una caja de receso. Llenado del Bajante – El llenado del bajante, Ecuaci ón (4k1), como un porcentaje del espaciamiento entre platos, debe ser igual o menor que el valor permisible determinado en la Figura 2. Si lo anterior no se cumple probablemente se tendr á que incrementar el espaciamiento entre platos en vez de hacer otros ajustes para reducir la ca ída de presi ón en el plato.


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NOMENCLATURA Area anular del casquete, m 2 (pie2) (Tabla 1) Area de burbujeo, m2 (pie2) (Figura 6.)

Aa Ab Ac Acap Adi Ado Af Am

= = = = = = = =

Ar

=

As

=

Area transversal interior de la chimenea, m 2 (pie2) (Tabla1) Area transversal interior del casquete, m 2 (pie2) (Tabla 2) Area de entrada al bajante, m2 (pie2) (Figura 6.) Area de salida del bajante, m2 (pie2) (Figura 6.) Area libre de la torre, m 2 (pie2) (Figura 7.) La menor del área anular entre el casquete y la chimenea (A a) y el área de reversión (A t) m2 (pie2) (Tabla1) Area de reversión, ej. área entre el tope de la chimenea y el lado inferior del casquete, m2 (pie2) (Tabla1) Area superficial de la torre, m2 (pie2)

As

=

Area de la ranura por casquete, m 2 (pie2) (Tabla 1)

Aw c D Dt d Fi

= = = = = =

Area desperdiciada, m2 (pie2) Espacio libre del bajante, mm (pulg) Diámetro de la torre, mm (pie) Diámetro preliminar de la torre, mm (pie) Diámetro interior de la chimenea Factor que depende de las unidades usadas (ver tabla al final)

G H Hs

= = =

Flujo másico del vapor, kg/s (pulg. de líquido caliente) Espaciamiento entre platos, mm (pie) Altura de la ranura del casquete, mm (pulg) (Tabla 1)

Hs’

=

Distancia vertical desde el tope de la ranura hasta algunos puntos sumidos debajo del borde del casquete, mm (pulg) (ej. (H s + E) > H s’ > Hs ver Tabla 1

hl

=

hcap hch hd hds

= = = =

hG ht hi ho hr

= = = = =

hs

=

Cabezal de líquido sobre vertedero de salida, mm (pulg) de l íquido caliente Caída de presión del casquete, mm (pulg) de líquido caliente Caída de presión total de la chimenea, mm (pulg) de líquido caliente Llenado del bajante, mm (pulg) de líquido caliente Distancia desde el tope de la bandeja del plato al tope de la ranura, mm (pulg) de líquido caliente Gradiente del líquido del plato, mm (pulg) de líquido caliente Caída de presión total en el plato, mm (pulg) de líquido caliente Cabezal de entrada al plato, mm (pulg) de líquido caliente Nivel de líquido en la salida del plato, mm (pulg) de l íquido caliente Porción de la caída de la chimenea para casquetes no est ándares, mm (pulg) de líquido caliente (Tabla 2) Caída de presión de la ranura, mm (pulg) de líquido caliente


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ht hu

= =

hud hwi hwo Kc

= = = =

Kd

=

Kw

=

Kp

=

L LL lfp

= = =

li lo lud ML Np QL QLD

= = = = = = =

SL

=

Va

=

Vc Vdi

= =

Factor de la capacidad del vapor basado en las propiedades del sistema, adimensional Flujo másico de líquido, kg/s (sistema métrico) Flujo de líquido a condiciones de operación pie3 /s Longitud de la trayectoria del flujo, distancia entre la entrada y la salida del bajante, m (pie) Longitud del vertedero de entrada, mm (pulg) Longitud del vertedero de salida , mm (pulg) Longitud del borde del fondo del bajante, mm (pulg) Carga de líquido, lb/s (solo unidades inglesas) Número de pasos de líquido, adimensional Flujo de líquido en el plato dm3 /s a las condiciones de operaci ón Flujo de líquido en el plato, dm 3 /s por metro de diámetro (gph/pie de diámetro) por paso a las condiciones de operaci ón Gravedad específica del líquido a las condiciones de operación, adimensional Velocidad permitida de líquido basada en el área superficial de la torre, m/s (pie/s) Flujo de Vapor, dm3 /s (pie 3 /s) por casquete (Tabla 2) Velocidad permitida de entrada del bajante, m/s (pie/s)

VL

=

Carga de vapor de diseño 

VL(Lim) = Vr Vs Vs’

= = =

L L

= =

Caída de presión total del vapor por plato, mm (pulg) de líquido caliente Porción de la caída de presión de la chimenea para casquetes no estándares, mm (pulg) de líquido caliente (Tabla 2) Pérdida de cabezal en el bajante, mm (pulg) de l íquido caliente Altura de la entrada al vertedero, mm (pulg) (Figura 6.) Altura de la salida al vertedero, mm (pulg) (Figura 6.) Coeficiente de caída de presión de la chimenea, adimensional (Tabla 1) Factor de corrección de la capacidad de vapor para el área del bajante, adimensional Factor de la altura del vertedero de salida, adimensional (Tabla 1)

F3 M v v



v 3 3 –  L  v , dm s (pie s)

Carga máxima de vapor dependiente de las propiedades del sistema, dm3 /s (pie 3 /s) Velocidad del vapor a la chimenea, m/s (pie/s) Velocidad del vapor a la ranura, m/s (pie/s) Velocidad del vapor a la ranura (basada en el área de la ranura obtenida usando Hs’, m/s (pie/s) Viscosidad del líquido a condiciones de operación, mPa. s (cp) Densidad del líquido a condiciones de operación, kg/m3 (lb/pie3)


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v L

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Densidad del vapor a condiciones de operación, kg/m3 (lb/pie3) Tensión superficial del líquido a condiciones de operación mN/m

= =

Factores que dependen de las unidades usadas

9

F2 = Fig. 5

En unidades métricas 25

En unidades inglesas 1.0

F3 = Ec. 1

1000.0

1.0

F4 = (Tabla 2)

2.085x10 – 12

1.4726

F5 = (Tabla 2)

3.5832x10 6

2.1840

F6 = (Tabla 2)

3065.48

1.7472

PROGRAMAS DE COMPUTACION El simulador de procesos PROII de la empresa Simulation Sciences Inc., en su sección de hidráulica de columnas cuenta con una opci ón de dimensionamiento y evaluaci ón de platos de casquetes de burbujeo que puede utilizarse para predimensionar los platos de casquetes de burbuj eo. TABLA 1.


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. O g l I C u P A V 6

R A D N A T S E E T E U Q S A C E D N O I S E R P 1 E A D L B A A D I T A C E D S E T N A T S N O C Y S E N O I S N E M I D

S O . g S l A u P V E 6 L E

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9 2 9 0 . 0 E R T N E A D I V I D O D A R D A U C E I P A

4 . 5 2 E R T N E A D I V I D S A D A G L U P A m 2 m m E E D D R I R I T T R R E E V V N N O O C C A A R R A A P P ) * ) * ( * (


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TABLA 2. CAIDA DE PRESION DE LA CHIMENEA PARA CASQUETES NO ESTANDARES hch

=

hr

=

hr + h u F 4  L



d 2 V c



V 0.5

A cap A m



1.71

donde: En unidades métricas

En unidades inglesas

d

=

Diámetro interior de la chimenea

mm

pie

Acap

=

Area transversal interior del casquete

m2

pie2

Am

=

Area anular o reversión, cualquiera sea menor

m2

pie2

Vc

=

Flujo de vapor por casquete

dm 3 /s

pie 3 /s

L

=

Densidad del líquido a condiciones de operación

kg/m3

lb/pie 3

V

=

Densidad del vapor a condiciones de operación

kg/m3

lb/pie 3

F4

=

Factor cuyo valor depende de las unidades usadas

2.085 x 10 – 12

1.4726

Cuando el área de reversi ón es igual o m ás grande que el área de chimenea: h u 

F 5 d  L

  V c  V 0.5

2.09

d 2

donde: F5

=


3.5832 x 10 – 6

2.1840

Cuando el área de reversi ón es menor que el área de chimenea: h u 

F 6 d 2  L A r 0.5

  V c  V 0.5

2.10

d 2

donde: Ar

=

Es al área de reversión

m2

pie2

F5

=


3065.48

1.7472

Caída de presi ón total de la chimenea = h ch = hr + hu


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Fig 1. FACTOR DE CAPACIDAD DEL SISTEMA K p, PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO EN SERVICIO DE HIDROCARBUROS Figura 1 FACTOR DE CAPACIDAD DE SISTEMA K p PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO EN SERVICIO DE HIDROCARBUROS

Fig 2. LLENADO PERMISIBLE DEL BAJANTE PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (TODOS LOS SISTEMAS)

Fig 3.


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O D I U Q I L E D S E T N E I D A 3 R A G R Y U N G I O F I C U B I R T S I D E D S A V R U C

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Fig 4. CAIDA DE PRESION DE LA CHIMENEA PARA CASQUETES DE BURBUJEO DE 6” CON ESTRANGULACION


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Fig 5. BALANCE DE PRESION PARA PALTOS DE CASQUETES DE BURBUJEO DE DOS PASOS

PLATO TIPO P DEL CASQUETE

1

2

INTERIOR

EXTERIOR

h *cap

h cap

P DEL TIPO

h *t  h *cap  h *o – h ds  h *G3

h t  h cap  h o – h ds  h G3

CABEZAL DE ENTRADA

h *i  h *wo  h *1 – F 2  h *G

h i  h wo  h 1 – F 2  h G

LLENADO DEL BAJANTE

h *d  h *t  h *ud



L   –  L



V

hi





 h d  h t  h ud  – L  L V

h *i


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Fig 6. NOMENCLATURA DE PLATOS

*

Para el significado de los símbolos, ver nomenclatura. Los términos con asteriscos se refieren al bajante interior. Aquellos sin asterisco se refieren al bajante exterior. Ver también la sección MDP – 04 – CF – 08 para el manejo de platos con colectores de retiro.


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Fig 7. DEFINICIONES DE AREAS LIBRES

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Fig 8. VELOCIDAD PERMISIBLE DE ENTRADA AL BAJANTE

o m i x á

m o m o c ) s / e i p 5 . 0 ( s / m 5 1 . 0 r a s u , r a l o p a r t x e o N


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Fig 9. RELACIONES GEOMETRICAS PARA BAJANTES TIPO ARCO MODIFICADO

La elevación es la distancia minima entre la pared de la torre y el bajante


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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 1 de 9) Unidades M étricas Refinería y Proyecto

Fecha

Torre

Por Sección de la torre (tope a fondo) Plato Número Diseño basado en No. de Platos

1. Cargas de Vapor y L í quido Condiciones de Operación

a

a. Vapor Temperatura °C Presión manométrica kPa Densidad ρv, kg/m3 Carga de vapor G, kg/s G Flujo de vapor, dm3s Q v  1000 V (a condiciones de operación) V L  dm 3s



L

V



V

Ec.(1a1)

b. Líquido Temperatura °C Viscosidad µL; mPa.s Tensión superficial σL, mN/m Carga de líquido L, kg/s Densidad ρL, kg/m3 L Flujo de líquido Q L dm 3s  1000 L (a condiciones de operación)






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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 2 de 9) Unidades Métricas 2. Espaciamiento, Tama ño y Arreglo Preliminar de Platos

Interior*

a. Area del bajante

 L   V L (Para usar la Figura 8)

L2  L L V dl

**



Adi 

Velocidad permisible de entrada al bajante, m/s Ql

1000 . V di

**

, m2

Fig. 6 Ec. (2a2)

Si Adi > 0.12 As, considerar un bajante escalonado y calcular Ado de Ado = 0.5 Adi o 0.0055 LL cualquiera sea menor Mínimo Ado o A di = 0.068 As. Para sistemas espumosos use Adi = 0.016 L L b.

Tamaño preliminar del plato K p (Figura 1) Espaciamiento entre platos H, mm No se debería tomar crédito de capacidad para espaciamientos mayores de 900 mm. A S Preliminar  K d 

VL , m 2 Ec. (2b1) 0.95 K p H

A S Preliminar  A di _ A W 0.92 A S Preliminar

* Para platos de 2 pasos ** Usar el valor calculado 0 0.15 m/s, cualquiera sea menor

Exterior

Interior*

Exterior






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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 3 de 9) Unidades Métricas Número (s) de Plato 2. Espaciamiento, Tama ño Arreglo Preliminar de Platos

Interior*

y

b. Tamaño preliminar de platos (Cont.) Si el bajante es inclinado o escalonado; use (Adi + Ado)/2 en lugar de Adi. Asuma Aw = 0. Repita si Aw se le agrega posteriormente VL A S  , m 2 Ec. (2b2) K d K p H D t  1000



4 AS   1128

As

, mm

Chequear Adi y Ado como % de As. Si fuese necesario, corregir K d, As y Dt. Np = No. de pasos de líquido QLD = dm3 /s por metro de di ámetro por paso Area libre Af, m2 (Figura 7) c.

Capacidad máxima



V L(Lim)  378 A f Donde   1.4

 1  



L





V

L







V



14

Ec. (2c1)

V

Carga de vapor de diseño; V L VL /VL(LiM) como debe ser < 100% Si fuese necesario, ajustar el diámetro de la torre y repetir las etapas 2 (a) y 2 (b). 3. Espaciamiento, Tamaño y Arreglo Final del Plato a. Area de la torre D; Diámetro de la torre, mm * Para platos de 2 pasos ** Usar el valor calculado 0 0.15 m/s, cualquiera sea menor

Exterior

Interior*

Exterior


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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 4 de 9) Unidades Métricas Número (s) de Plato 3. Espaciamiento, Tama ño y Arreglo Final del Plato (Cont.)

Interior*

Exterior

Interior*

a. Areas de la torre (Cont.) H, Espaciamiento entre platos, mm Area superficial A S, m2 Area real de entrada al bajante, Adi, m2 (Figura 6) Area de salida al bajante, A do m2 (Figura 6) Area desperdiciada (si hay) A w, m2 Area de burbujeo Ab, m2 (Figura 6) Area libre Af, m2 (Figura 7) b.

Longitud del vertedero Longitud del vertedero de salida o, mm Longitud del vertedero de entrada l, mm Longitud del borde del fondo del bajante ud, mm (Figura 6)

4. Hidráulica del Plato a. Información sobre el casquete y arreglo Tipo de arreglo (se recomienda el cuadrado) Tipo de casquete Tabla 1 Casquetes por palto Espacio libre del bajante Para el primer tanteo use 72 casquetes por m 2 de área de burbujeo Ab. b. Caída de presión de la chimenea ** Area de la chimenea A c, m2 (Tabla 1) Velocidad de la chimenea V r, m/s Constante del casquete K c, (Tabla 1)

* Para platos de 2 pasos ** Para casquetes no estandarizados ver procedimiento de c álculo en la Tabla 2

Exterior


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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 5 de 9) Unidades Métricas Número (s) de Plato 4. Hidráulica del Plato (Cont.)

Interior*

b. Caída de presión de la chimenea ** (Cont.) Caída de presión de la chimenea hch , mm de líquido caliente h ch  17100 k c V r

2

VL

Ec. (4b1)

c. Caída de presión de la ranura Area de las ranuras por casquete Asλ, m2 Altura de la ranura H s, mm Velocidad de la ranura V sλ, m/s Caída de presión de la ranura h s, mm de líquido caliente

V h  7.6   s

2 s

H s

L

 

2

Nota: hs debe ser menor que h ds (de Tabla 1) para minimizar el soplado del plato. Si h s es mayor que Hs, use la siguiente ecuación para caída de presión de la ranura: h s  430 V s

2

V L

La segunda ecuación para la caída de presión ∆P de la ranura requiere una solución por tanteo, ya que V’sp es la velocidad a través del área abierta total. Esta nueva área corresponde a la suma de las áreas de la ranura y la cilíndrica debajo del casquete, un valor puede ser asumido por el diseñador. La solución es obtenida cuando el valor calculado de h s se iguale a h’s asumido para obtener V’sp

* Para platos de 2 pasos

Exterior

Interior*

Exterior


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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 6 de 9) Unidades Métricas Número (s) de Plato 4. Hidráulica del Plato (Cont.) d. Caída de presión del casquete Caída de presión del casquete hcap, mm de líquido caliente

 hch  h s

Ec.(4d1)

Rata de líquido de diseño QLD, dm3 /s por metro de diámetro por paso Máxima rata de líquido permisible (Fig. 3 curva inferior) La rata de líquido de diseño debería ser menor que la máxima permisible. Asuma el número menor de casquetes y repita los cálculos si h cap a la rata de diseño cae por debajo de dicha curva en la Figura 3. e. Cabezal sobre el vertedero de salida Cabezal sobre el vertedero, h 1, mm de líquido caliente

 6.9





1000 QL o Np

0.667

f. Altura del vertedero de salida Factor del vertedero K w, (Tabla 1) Altura del vertedero de salida h wo, mm

 25

Kw



h1


Ec. (4f1)

Interior*

Exterior

Interior*

Exterior


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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 7 de 9) Unidades Métricas Número (s) de Plato 4. Hidráulica del Plato (Cont.)

Interior*

g. Pérdida de cabezal debajo del bajante Pérdida de cabezal del bajante h ud, mm de líquido caliente

 159





1000 Q L c ud N p

2

Ec. (4g1)

Asuma c = 38 mm. Si h ud  25 mm, ajuste hud  25 mm y calcule c de: c 

 12 900 Q   N h  L

p

ud

ud

h. Caída de presión total del plato Nivel de líquido a la salida del plato ho, mm  hwo  h 1  25 Cubierta del plato al tope de la ranura hds, mm (Tabla1) Gradiente de líquido hg, mm (Figura 3) Caída de presión total del plato h t, mm de líquido caliente

 hcap  i.

ho





h ds

h G 3 Ec.(4h1)

Sellado del bajante Cabezal sobre el vertedero Mínimos flujos h 1 (min), mm

 6.90





1000 Q L(min)

 o Np

a

0.667

Nivel de líquido a la salida del plato a carga mínima ho (min), mm

 hwo 

h 1 (min)



25

Pérdida de cabezal en el bajante a carga mínima hud, (min), mm


Exterior

Interior*

Exterior


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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 8 de 9) Unidades Métricas Número (s) de Plato 4. Hidráulica del Plato (Cont.) i.

Interior*

Sellado del bajante (Cont.) Gradiente de líquido a carga mínima hG (min), mm (Figura 3) Cabezal de entrada a carga mínima hi (min) mm

 ho (min) 

H G (min)

Suma de hi (min) + hud (min) Si hi (min) + hud (min) < c, el bajante no será sellado a las ratas mínimas. Considere reducir el espacio libre, incrementando la altura del vertedero usando una caja de entrada rebajada o agregando un vertedero de entrada j.

Cabezal de entrada Para un plato sin vertedero de entrada Cabezal de entrada hi, mm = ho + hG Para un plato con vertedero de entrada Cabezal de entrada h i, mm



 6.90



1000 Q L  i Np

0.667



hw

ó = h o + h G, cual sea mayor k. LLenado del bajante LLenado hd, mm de líquido caliente

 ht 

h ud



L

L





V

h i Ec. (4k1)

Si se usa una caja de receso, multiplicar hud en la Ec. (4k1) por 2.0.


Exterior

Interior*

Exterior


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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 9 de 9) Unidades Métricas Número (s) de Plato 4. Hidráulica del Plato (Cont.) k. Sellado del bajante (Cont.) Como porcentaje del espaciamiento entre platos El porcentaje debe ser menor o igual a lo permisible de la Figura 2 5. Hidráulica del Plato No. de platos teóricos requeridos Eficiencia global (Ver página 5 del texto) Plato reales especificados


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Interior*

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



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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 1 de 9) Unidades Inglesas Refinería y Proyecto

Fecha

Torre

Por Sección de la torre (tope a fondo) Plato Número Diseño basado en No. de Platos

1. Cargas de Vapor y L í quido Condiciones de Operación

a

a. Vapor Temperatura °F Presión kPa manométrica Densidad ρv, lb/pie3 Carga de vapor G, lb/s Flujo de vapor, pie 3s  G V (a condiciones de operación) V L  pie 3s



L

V



V

Ec.(1a1)

b. Líquido Temperatura °F Viscosidad µL; cP Tensión superficial σL, mN/m Densidad ρL, lb/pie3 Carga de líquido ML, lb/s M Flujo de líquido pie 3s   L L (a condiciones de operación)






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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 2 de 9) Unidades Inglesas Número (s) de Plato 2. Espaciamiento, Tama ño y Arreglo Preliminar de Platos

Interior*

a. Area del bajante

 L   V L (Para usar la Figura 8)

L2  L L V dl

**



Adi 

Velocidad permisible de entrada al bajante, pie/s LL

V di

**

, pie 2 Fig. 6 Ec. (2a2)

Si Adi > 0.12 As, considerar un bajante escalonado y calcular Ado de Ado = 0.5 Adi o LL /0.6 cualquiera sea menor Mínimo Ado o A di = 0.068 As. Para sistemas espumosos use Adi = LL /0.2. b.

Tamaño preliminar del plato K p (Figura 1) Espaciamiento entre platos H, pie No se debería tomar crédito de capacidad para espaciamientos mayores de 3 pie. A S Preliminar  K d 

VL , pie 2 Ec. (2b1) 0.95 K p H

A S Preliminar  A di _ A W 0.92 A S Preliminar

* Para platos de 2 pasos ** Usar el valor calculado 0 0.15 m/s, cualquiera sea menor

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Interior*

Exterior


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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 3 de 9) Unidades Inglesas Número (s) de Plato 2. Espaciamiento, Tama ño Arreglo Preliminar de Platos

Interior*

y

b. Tamaño preliminar de platos (Cont.) Si el bajante es inclinado o escalonado; use (Adi + Ado)/2 en lugar de Adi. Asuma Aw = 0. Repita si Aw se le agrega posteriormente VL A S  , m 2 Ec. (2b2) K d K p H D t 



4 AS   1.128

A s ,

pie

Chequear Adi y Ado como % de As. Si fuese necesario, corregir K d, As y Dt. Np = No. de pasos de líquido QLD = GPH/pie de diámetro por paso Area libre Af, pie2 (Figura 7) c.

Capacidad máxima



V L(Lim)  0.62 A f Donde   1.4

 1  



L





V

L







V



14

Ec. (2c1)

V

Carga de vapor de diseño; V L VL /VL(LiM) como debe ser < 100% Si fuese necesario, ajustar el diámetro de la torre y repetir las etapas 2 (a) y 2 (b). 3. Espaciamiento, Tamaño y Arreglo Final del Plato a. Area de la torre D; Diámetro de la torre, pie * Para platos de 2 pasos ** Usar el valor calculado 0 0.15 m/s, cualquiera sea menor

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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 4 de 9) Unidades Inglesas Número (s) de Plato 3. Espaciamiento, Tama ño y Arreglo Final del Plato (Cont.)

Interior*

Exterior

Interior*

a. Areas de la torre (Cont.) H, Espaciamiento entre platos, pie Area superficial A S, pie2 Area real de entrada al bajante, Adi, pie2 (Figura 6) Area de salida al bajante, A do pie2 (Figura 6) Area desperdiciada (si hay) A w, pie2 Area de burbujeo Ab, pie2 (Figura 6) Area libre Af, pie2 (Figura 7) b.

Longitud del vertedero Longitud del vertedero de salida o, pulg Longitud del vertedero de entrada l, pulg Longitud del borde del fondo del bajante ud, pulg (Figura 6)

4. Hidráulica del Plato a. Información sobre el casquete y arreglo Tipo de arreglo (se recomienda el cuadrado) Tipo de casquete Tabla 1 Casquetes por palto Espacio libre del bajante Para el primer tanteo use 22 casquetes por pie 2 de área de burbujeo Ab. b. Caída de presión de la chimenea ** Area de la chimenea Ac, pie2 (Tabla 1) Velocidad de la chimenea V r, pie/s Constante del casquete K c, (Tabla 1)

* Para platos de 2 pasos ** Para casquetes no estandarizados ver procedimiento de c álculo en la Tabla 2

Exterior


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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 6 de 9) Unidades Inglesas Número (s) de Plato 4. Hidráulica del Plato (Cont.) b. Caída de presión de la chimenea ** (Cont.) Caída de presión de la chimenea hch , pulg de líquido caliente

 Kc

2

V r  V  SL Ec. (4b1)

c. Caída de presión de la ranura Area de las ranuras por casquete Asλ, pie2 Altura de la ranura H s, pulg Velocidad de la ranura V sλ, pie/s Caída de presión de la ranura h s, pulg de líquido caliente

V h  0.29   s

2

H s

s

 

2

SL

Nota: hs debe ser menor que h ds (de Tabla 1) para minimizar el soplado del plato. Si h s es mayor que Hs, use la siguiente ecuación para caída de presión de la ranura: h s  0.025 V s

2

V SL

La segunda ecuación para la caída de presión de la ranura requiere una solución por tanteo, ya que V’sp es la velocidad a través del área abierta total. Esta nueva área corresponde a la suma de las áreas de la ranura y la cilíndrica debajo del casquete, un valor puede ser asumido por el diseñador. La solución es obtenida cuando el valor calculado de h s se iguale a h’s asumido para obtener V’sp


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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 6 de 9) Unidades Inglesas Número (s) de Plato 4. Hidráulica del Plato (Cont.) d. Caída de presión del casquete Caída de presión del casquete hcap, pulg de líquido caliente

 hch  h s

Ec.(4d1)

Rata de líquido de diseño QLD, GHP/pie de diámetro por paso Máxima rata de líquido permisible (Fig. 3 curva inferior) La rata de líquido de diseño debería ser menor que la máxima permisible. Asuma el número menor de casquetes y repita los cálculos si h cap a la rata de diseño cae por debajo de dicha curva en la Figura 3. e. Cabezal sobre el vertedero de salida Cabezal sobre el vertedero, h1, pulg de líquido caliente

 0.5

 

0.667

GPM o N p

f. Altura del vertedero Factor del vertedero K w, (Tabla 1) Altura del vertedero de salida h wo, pulg

 Kw 

h1

Ec. (4f1)


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Interior*

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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 7 de 9) Unidades Inglesas Número (s) de Plato 4. Hidráulica del Plato (Cont.)

Interior*

g. Pérdida de cabezal debajo del bajante Pérdida de cabezal del bajante h ud, pulg de líquido caliente





2

GPM c ud N p

 0.06

Ec. (4g1)

Asuma c = 1.5 pulg. Si h ud  1.0 pulg, ajuste hud 1 pulg y calcule c de: c 

 0.25 GPM   N h  ud

p

ud

h. Caída de presión total del plato Nivel de líquido a la salida del plato ho, pulg  hwo  h 1  1.0 Cubierta del plato al tope de la ranura hds, pulg (Tabla1) Gradiente de líquido hg, pulg (Figura 3) Caída de presión total del plato h t, pulg de líquido caliente

 hcap  i.

ho



h ds



h G 3 Ec.(4h1)

Sellado del bajante Cabezal sobre el vertedero Mínimos flujos h 1 (min), pulg

 0.5





a

0.667

GPM (min) o Np

Nivel de líquido a la salida del plato a carga mínima ho (min),pulg

 hwo 

h 1 (min)



1.0

Pérdida de cabezal en el bajante a carga mínima hud, (min), pulg


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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 8 de 9) Unidades Inglesas Número (s) de Plato 4. Hidráulica del Plato (Cont.) i.

Interior*

Sellado del bajante (Cont.) Gradiente de líquido a carga mínima hG (min), pulg (Figura 3) Cabezal de entrada a carga mínima hi (min) pulg

 ho (min) 

H G (min)

Suma de hi (min) + hud (min) Si hi (min) + hud (min) < c, el bajante no será sellado a las ratas mínimas. Considere reducir el espacio libre, incrementando la altura del vertedero usando una caja de entrada rebajada o agregando un vertedero de entrada j.

Cabezal de entrada Para un plato sin vertedero de entrada Cabezal de entrada h i, pulg = ho + G Para un plato con vertedero de entrada Cabezal de entrada h i, pulg

 0.5

 

0.667

GPM i N p



h wi

ó = h o + h G, cual sea mayor k. LLenado del bajante LLenado hd, pulg de líquido caliente

 ht 

h ud



L

L





V

h i Ec. (4k1)

Si se usa una caja de receso, multiplicar hud en la Ec. (4k1) por 2.0 como porcentaje de espaciamiento.


Exterior

Interior*

Exterior

Platos de Casquete de Burbujeo

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