2012
“Cada Cosa Tiene su Belleza, Belleza, Pero Per o No Todos Pueden Verla” Verla”
Confucio
Sustentante:
Profesor:
Informe:
Sistema Utilizado Utilizado .................................... .................................................... ................................... ................................ ............. 21 Intercambiador de Tubo y Coraza ................................... ................................................... ........................ ........ 22
Leyenda Leyenda del del Croqui Croquiss ................... .......... ................... .................. ................. .................. .................. .................. ............... ...... 23
HAZOP ................................................................................................. 34 ANALISIS HAZOP HAZOP ............................... .................................................. ....................................... ............................. ......... 35
FTA FTA ............................... .................................................. ....................................... .................................... ................................. ................. 37 TOP EVENT EVENT CALDERIN ELECT ELECTRICO RICO .......................... ................ ................. ................. ............. ... 38 TOP EVENT INTERCAMBIADOR DE TUBO Y CORAZA ............... 42 ANALISIS ANALISIS FTA CALDERIN CALDERIN ELECTRI ELECTRICO CO........ .... ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ....... ... 44 ANALISIS ANALISIS FTA INTER INTERCAMBIADOR CAMBIADOR DE TUBO Y CORAZA CORAZA........ .... ........ .... 50 ANALISIS ANALISIS FTA CA CALDERIN LDERIN ELECTRICO ELECTRICO (CUANTITATIVO) ......... 53 ANALISIS ANALISIS FTA INTERCAM INTERCAMBIADO BIADOR R DE TUBO TUBO Y CORA CORAZA (CUANTITATIVO) ............................... .................................................. ....................................... ............................. ......... 55
En el informe que se presenta a continuación se evaluaran varios parámetros referentes a los que son intercambiadores de calor, se realizarán ensayos en paralelo y a contra corriente. En este se desarrollaran las ideas y conceptos claves para el diseño de un intercambiador, int ercambiador, los análisis de riesgos necesarios, necesarios, los parámetros de diseño que se deben tomar en cuenta los ensayos y las gráficas que servirán de parámetro guías para el diseño del mismo. En el ensayo que se rea re alizó en e n el el labo l aboratorio ratorio de ingeniería química de de la (UASD) y mediante un análisis económico se puede decir que el costo aproximado para dicho proceso seria de
Todas las industrias químicas de proceso, utilizan en gran medida la transfferencia de energía en forma trans forma de calar calar.. El El propósito de este informe es aplicar la ecuació ecuación n de diseño, tal y como ha sido desarrollada, a la solución práctica de práctica de problemas industriales de transferencia de calor. Ya se han establecido con anterioridad, dos mecanismos de transferencia de calor: Molecular - la transferencia de calor debida a la acción molecular; esto se
conoce como conducción. Turbulento - la transferencia de calor debida a un proceso de mezclado; esto se
conoce por lo general como convección. Se ha establecido que estos dos mecanismos pueden existir de manera simultánea o individual. Un tercer mecanismo común de transferencia de calor, la radiación que aún no se ha discutido, se refiere a la transferencia de calor debida a la emisión y absorción de energía sin contacto físico. A diferencia de la conducción o convección, que dependen del contacto físico para la transferencia de energía térmica, la radiación depende de las ondas electromagnéticas, como un medio para la transferencia de energía térmica desde una fuente caliente, hasta un centro frío. La radiación puede verificarse de manera simultánea o independiente de los otros dos mecanismos de transferencia.
¿De qué depende el coeficiente de transferencia de calor en un intercambiador? 2. ¿Qué es la apreciación de un intercambiador?
¿Qué condiciones deben cumplirse para que el intercambiador en existencia sea apropiado para condiciones de proceso? ¿De qué depende la caída de presión del lado de la coraza?
Del tipo de convección (forzada o natural),De la velocidad del fluido, De la viscosidad del fluido, De la densidad del fluido, De la conductividad térmica del fluido, Del calor específico del fluido, Del coeficiente de dilatación del fluido, De la forma de la superficie de intercambio, De la rugosidad de la superficie de intercambio, De su temperatura. Es la investigación que se realiza Cuando todas las ecuaciones pertinentes se usan para calcular la adaptabilidad de un intercambiador existente para ciertas condiciones de proceso.
a. ¿Qué coeficiente U, puede “lograrse” por los dos fluidos como resultado de su flujo y sus coeficientes de película individuales , y b. Del balance balance de calor del área conocida A, y de la diferencia verdadera de temperatura para las temperaturas de proceso, se obtiene un valor de diseño o coeficiente de obstrucción , debe exceder a suficientemente, de manera que el factor de obstrucción, que es una medida del exceso de superficie, permita la operación del intercambiador por un periodo de servicio razonable. c. La caída de presión permitida para las dos corrientes no debe excederse. La caída caída de presión a través de la coraza de un intercambiador es proporcional al número de veces que el fluido cruza el haz entre los deflectores. También es proporcional a la distancia ( ) través del haz, cada vez que lo cruza.
Un intercambiador de calor es un equipo de transferencia de calor utilizado para recuperar calor entre dos corrientes de un proceso. Donde una de las corrientes se enfría y cede calor y la otra se calienta y recibe calor. El calor es recuperado al transferirse desde la corriente a mayor temperatura hacia la corriente de menor temperatura. La transmisión de calor se lleva a cabo mediante los mecanismos de convección y conducción. Las corrientes o fluidos pueden estar separados por una barrera sólida o pueden estar en contacto. También se definen como los aparatos que facilitan el intercambio de calor entre dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes y evitan al mismo tiempo que se mezclen entre sí. No es posible caracterizar los intercambiadores de calor que usan los ingenieros químicos mediante un diseño único; de hecho, existe una gran variedad de estos equipos. Sin embargo, la única característica que es común en la mayor parte de los intercambiadores de calor, es la transferencia de calor desde una fase caliente hasta una fase una fase fría, manteniendo las fases separadas mediante un límite sólido.
El intercambiador de calor más simple es el de doble tubo. El intercambiador de calor de doble tubo consiste en dos tubos concéntricos, de manera que por el tubo central fluye un fluido, mientras que por el espacio anular fluye otro, ya sea a contracorriente o en paralelo. Por lo general la longitud de cada sección se limita a la longitud normal de los tubos, de manera que si se requiere una superficie apreciable de transferencia de calor, se utilizan con frecuencia, bancos de secciones. Si el área requerida es demasiado grande, no es recomendable usar un intercambiador de doble tubo.
El uso de intercambiadores de doble tubo no se limita al intercambio de calor líquido--líquido líquido líquido,, sino que también puede usarse para el intercambio gas-líquido y para el el intercambio intercambio gas-gas. Los materiales materiales de de construcción construcción pueden pueden variar, variar, dependiendo de los fluidos que se manejen. Cualquiera de los dos fluidos puede desplazarse a través del conducto o anular, a velocidades relativamente altas, ayudando de esta manera al proceso de transferencia de calor.
Cuando se requiere una superficie de transferencia de calor grande, el tipo de intercambiador que se recomienda corresponde a la variedad de tubo y y coraza. coraza. En este tipo de calentador o enfriador, es posible obtener de manera económica y práctica, y práctica, una gran superficie de transferencia de calor, colocando los tubos en un haz; los extremos de los tubos se montan en un soporte de lámina. Esto se suele llevar a cabo expandiendo el extremo del tubo dentro de un agujero de fijación de la lámina de soporte, medi med iante un proceso que se conoce como "rolado". Entonces, el haz de tubos resultante está encerrado en una cubierta cilíndrica (la cilíndrica (la coraza), coraza), con el segundo fluido circulando alrededor y a través del haz de tubos.
Si el intercambio de calor se presenta entre dos fluidos en los que uno de ellos tiene una resistencia muy alta a la transferencia de calor en comparación con el otro, el fluido de mayor resistencia "controla" la velocidad de transferencia de calor .Tales casos ocurren por ejemplo, al calentar el aire con vapor de agua o en el calentamiento de un aceite muy viscoso con flujo laminar, mediante una mezcla de sales fundidas. La magnitud relativa del coeficiente de transferencia de calor es de aproximadamente 10 para el aceite o el aire, comparado con 2000 para el vapor o la sal. Esta pobre situación de transferencia de calor requerirá de una gran superficie de transferencia para obtener una velocidad de flujo razonable de aire o aceite.
A fin de compensar compensar la gran resisten resistencia cia del del aceite o aire, aire, es posible posible incrementa incrementarr la superficie de transferencia de calor expuesta a estos fluidos, extendiendo la superficie, como por la inclusión de aletas en el exterior del tubo. Las aletas se conocen como una superficie extendida; éstas incrementan de manera sustancial el área de transferencia en una cantidad de espacio dada.
El tipo más simple de intercambiador el tipo fijo o intercambiador con cabezal de tubo estacionario Las partes esenciales son la coraza ( 1 ), equipada con dos entradas y que tiene dos cabezales de tubos o espejos (2) a ambos lados, que también sirven como bridas para fijar los dos carretes (3) y sus respectivas tapas (4). Los tubos se expanden en ambos espejos y están equipados con deflectores transversales (5) en el lado de la coraza. El cálculo de la superficie efectiva frecuentemente se basa en la distancia entre las caras interiores de los espejos en lugar de la longitud total de los tubos.
Tubos concéntricos
2 tés conectoras
Un cabezal de retorno
Un codo en U.
El fluido entra al tubo interior a través de una conexión roscada localizada en la parte externa del intercambiador. Las tés tienen boquillas roscadas que permiten la entrada y salida del fluido del anulo que cruza de una sección a otra a través del cabezal de retorno.
La tubería interior se conecta mediante una conexión en U que esta generalmente expuesta y que no proporciona superficie de transferencia de calor.
Cuando se arregla en dos pasos se llama horquilla.
Los tubos para intercambiadores de calor también se conocen como tubos para condensador y no deberán confundirse con tubos de acero u otro tipo de tubería obtenida por extrusión a tamaños normales de tubería de hierro. El diámetro exterior de los tubos para condensador o intercambiador de calor, es el diámetro exterior real en pulgadas dentro de tolerancias muy estrictas. Estos tubos para intercambiador se encuentran disponibles en varios metales, los que incluyen acero, cobre, admiralty, metal Muntz, latón, 70-30 cobreníquel, aluminio-bronce, aluminio y aceros inoxidables. Se pueden obtener en diferentes gruesos de pared, definidos por el calibrador Birmingham para alambre, que en la práctica se refiere como el calibrador BWG del tubo.
Las corazas hasta de 12 in de diámetro se fabrican de tubo de acero. Sobre 12 e incluyendo 24 in el diámetro exterior real y el diámetro nominal del tubo son los mismos. El grueso estándar para corazas con diámetros interiores de 12 a 24 in inclusive, es de 3/8 in, lo que es satisfactorio para presiones de operación por el lado de la coraza hasta de 300 lb/in. Se pueden obtener mayores gruesos para presiones superiores. Las corazas mayores de 24 in de diámetro se fabrican rolando placa de acero.
Es claro que se logran coeficientes de transferencia de calor más altos cuando el líquido se mantiene en estado de turbulencia. Para inducir turbulencia fuera de los tubos, es costumbre emplear deflectores que hacen que el líquido fluya a través de la coraza a ángulos rectos con el eje de los tubos. Esto causa considerable. Turbulencia aun cuando por la coraza fluya una cantidad pequeña de líquido. La distancia centro a centro entre los deflectores se llama espaciado de deflectores.
Puesto que los deflectores pueden espaciarse ya sea muy junto o muy separado, la masa velocidad no depende enteramente del diámetro de la coraza. Usualmente el espaciado de los deflectores no es mayor que una distancia igual al diámetro interior de la coraza, o menor que una distancia igual a un quinto del diámetro interior de la coraza. Los deflectores se mantienen firmemente mediante espaciadores.
Están ajustadas a los bordes de los tubos y pueden ser removidos para inspeccionarlos sin perturbar el arreglo de estos.
Fijar los tubos a la coraza
Por el contacto de los tubos y la resistencia eléctrica, entonces se transmite el calor. Los tubos calientan cierta área de contacto con el agua la cual transfiere el calor a todo el fluido por convección. Se denomina calor sensible sensible a la energía energía caloríf calorí fica que, aplicada a una sustancia, aumenta su temperatura. Calor sensible es aquel que recibe un cuerpo y hace que aumente su tempe te mperatura ratura sin afectar su estructura molecular y por por lo tanto su estado. Para aumentar aumentar la temperatura de de un cuerpo cuerpo hace falta apli aplicársele cársele una cierta cantidad de calor (energía). La cantidad de calor aplicada en relación con la diferencia de temperatura que se logre depende del del calor especí específfico del cuerpo, cuerpo, que q ue es distin disti nto para para cada sustanc s ustancia. ia. El calor de cambio de estado, es la energía requerida por una sustancia para cambiar de estado, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). Al cambiar de gaseoso a líquido y de líquido a sólido se libera la misma cantidad de energía. Es vapor a la temperatura de ebullición del líquido. Es el vapor que se desprende cuando el líquido hierve. Se obtiene en calderas de vapor. Representa la influencia de las propiedades del fluido, la superficie en contacto y el flujo, flujo, cuando ocurra ocurra una transferen transferencia cia de calor calor por convecci convección. ón. El El coeficiente de transferencia de calor o también llamado el coeficiente de película se representa por “h”.
La transferencia de calor por convección está dada por la ley de enfriamiento de newton, la cual dice que un objeto a temperatura diferente de la de sus alrededores terminará alcanzando una temperatura igual a la de sus alrededores. Recuperan calor entre dos corrientes en un proceso. El vapor y el agua de enfriamiento son servicios y no se consideran en el mismo sentido que las corrientes de proceso recuperables.
Se usan primariamente para calentar fluidos de proceso, y generalmente se usa vapor con con este fin, fin, aun cuando cuando en las refinerías refinerías de petróleo petróleo el aceite aceite caliente caliente recirculado tiene el mismo propósito.
Se emplean para enfriar fluidos en un proceso, el agua es el medio enfriador principal.
Son enfriadores cuyo propósito principal es eliminar calor latente en lugar de calor sensible.
Tienen el propósito de suplir los requerimientos de calor en los procesos de destilación como calor latente.
Se emplean para la concentración de soluciones por evaporación de agua.
Aprender Aprender
el modo modo de operación operación de un intercamb intercambiador iador doble doble tubo y un un intercambiador de tubo y coraza 1-2.
Aplicar
las técnicas técnicas de PHA a los equipos equipos utilizados utilizados en la práctica. práctica.
Media logarítmica de temperatura Velocidad de de masa Número de Reynolds Coeficiente de transferencia de calor Corrección h Coeficiente total limpio Coeficiente total de diseño Superficie requerida Etc.
1. El Coeficiente de Fricción estático estático depe d epende nde del de l Flujo de Calor 2. El coeficiente coeficiente Total limpio limpio depende de los coeficientes c oeficientes de transferencia transferencia de d e calor. 3. El área de flujo flujo es e s inv inv ersamente proporcional proporcio nal a la velocidad velocidad de de masa 4. El flujo flujo de calor depende d epende directament directamentee del peso del fluido
Tanque de Almacenamiento Calderin Termopares Rotámetro Intercambiador de Tubo y Coraza Enchufe Energizado
Sistema Energizado Bomba Tanque de Almacenamiento Válvulas Manómetros
Coraza Tapa Deflectores Entrada de Fluido a los Tubos Haz de Tubos Salida de Fluido de la Coraza Entrada de Fluido a los Tubos Salida de Fluido de los Tubos Cabezal
Tentrada =86ºF =86ºF Tsalida = 98ºF Flujo condensado=150 ml en 7 min Flujo de salida del agua= 1gal/22.65sg.
Mediante el desarrollo de los cálculos se pudieron confirmar las hipótesis anteriormente planteadas:
El Coeficiente de Fricción estático depende del Flujo de Calor
El coeficiente Total limpio depende de los coeficientes de transferencia de calor.
El área de flujo es inversamente proporcional a la velocidad de masa
El flujo de calor depende directamente del peso del fluido
1
RD$50,000
RD$69
2
RD$138.89
1
RD$30,000
RD$42
2
RD$83.33
1
RD$20,000
RD$28
2
RD$55.56
3
RD$10,000
RD$14
2
RD$83.33
6 52 1 1
0.065 0.01 2.25 0.95
RD$9.06 RD$9.06 RD$9.06 RD$9.06
2 2 2 2
RD$7.07 RD$7.07 RD$9.42 RD$40.77 RD$17.21
En este informe y/o experimento se pudieron confirmar las hipótesis anteriormente planteada, entre uno de ellas el hecho de que El flujo de calor depende directamente del peso del fluido Además se se pudieron pudieron determina determinarr los puntos puntos críticos críticos del equipo equipo de trabajo trabajo mediante la realización de ciertos análisis de riesgos (HAZOP, FTA).
Se debe tomar en cuenta a la hora de operar un intercambiador de calor que todos los subsistemas involucrados en el proceso estén operando eficientemente, eficie ntemente, debido a que se encuentran íntimamente relacionados. Realizar los análisis de riesgos necesarios.
Pude Ver más de cerca el funcionamiento de un intercambiador, con operaciones en paralelo y/o a contracorriente. Entre varias de las cosas aprendidas puedo mencionar el hecho de que el análisis de los intercambiadores de tipo abierto involucra la ley de la conservación de la masa y la primera primera ley de la termodinám termodinámica; ica; no se se necesitan necesitan ecuaciones ecuaciones de de relación relación para el análisis o diseño de este tipo de intercambiador. También me pude percatar nuevamente de que tan importante son los análisis de riesgos y la importancia que conlleva realizarlos antes de llevar a cabo cualquier proceso.
Es un examen formal y sistemático, que se centra esencialmente en un proceso o sistema de una instalación industrial, que identifica, de forma cualitativa, los peligros, fallos y problemas de operabilidad, y evalúa las consecuencias de una mala operación.
Sus resultados se pueden usar como: Entrada de información de un estudio cuantitativo de riesgo. Base para realizar cambios en el diseño. Base para desarrollar instrucciones y procedimientos de operación. Base para desarrollar estándares de gestión y de control de calidad.
Revisar cuidadosamente un proceso y su operación, con el objetivo de determinar si las desviaciones del mismo pueden conducir a consecuencias no deseadas y de este modo poder identificar los peligros del proceso y los problemas de operación del mismo
Se centra en un accidente particular o fallo principal de un sistema (top event, los cuales son situaciones específicas de peligro que han sido identificadas anteriormente a través de otras técnicas PHA, como HAZOP) y proporciona un modelo gráfico (utiliza símbolos de la lógica Booleana (puertas AND, OR)) que muestra las combinaciones de fallos del equipo y errores humanos (causas) que pueden producir el fallo principal del sistema (top event).
La suelen utilizar los encargados de tomar decisiones como herramienta de comunicación, ya que puede estimar la probabilidad de que ocurra un determinado suceso o accidente que otra técnica PHA ha señalado como importante, Es muy apropiado para sistemas altamente instrumentados y redundantes, como los sistemas de alarma y de cierre.
Identificar las combinaciones de fallos del equipo y errores humanos que pueden pue den provocar provocar un accidente. accidente.
o
Alto voltaje Falta de regulación de voltaje Error humano. o
Daños a equipo Riesgo de salud.
o
1. Descuido del Personal 2. Ausencia o Mal mantenimiento o
1. Sobrecalentamiento de las resistencias 1.2. Perdida de tiempo 2. Caudal de agua insuficiente para operar el calderin
o
1. Descuido del Personal y/o Falta de mantenimiento 2. Desgaste o Daños de Piezas o
Reducción de caudal Contaminación del agua por impurezas Reducción del volumen del condensado
o
Exceso de Vapor Bajo flujo de agua hacia el calderin o
Explosión de calderin Rotura de accesorios de la tubería
o
Mala Calibración Calibración o
Lecturas Cálculos erróneos
o
Recolector mal ubicado Mal manejo de los instrumentos o
Perdida del volumen del condensado
o
Cortocircuito o
Lectura incorrecta de la temperatura.
o
Mal uso o
Perdida de tiempo Datos Erróneos
o
Falta Supervisión Falta de Cebado o
Daños a equipo
o
Perforaciones/ roturas/ corrosión o
Proceso Incompleto
o
Deterioro del Material o
Daños a equipo
o
Deterioro del Material o
Mala Transferencia de Calor Daños al equipo Pérdidas Económicas
o
Mal Ajuste o
Daños de equipo
o
Vibración o
Mala Transferencia de Calor
o
Tubos Tub os parcialmente ajust ajustados ados a la coraza coraza o
Mala Transferencia de Calor Daños al equipo Pérdidas Económicas
Error
Falta de
humano
regulación de voltaje
Alto Voltaje
Descuido de
Mal o Falta de
Personal
Mantenimiento
Descuido de Personal
Desgaste o Daños Daños de Piezas Pi ezas
Exceso de Vapor
Bajo Flujo de Agua hacia el Calderin
Mala Calibración
Recolector
Mal Manejo
mal Ubicado
de los Instrumentos
CortoCircuito
Mal Uso
Falta de
Falta de
Supervisión
Cebado
Roturas
Perforaciones
Corrosion
Deterioro del Material
Deterioro del Material
Mal Ajuste
Vibración
Tubos Parcialmente Ajustados a la Coraza
0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0.007 0.0065 0.006 0.0055 0.005 0.0045 0.004 0.0035 0.003 1
2
3
4
5
Kern Donald, 1981, Procesos de Transferencia de Calor, Compañía Editorial Continental, S. A., Decimoquinta impresión, pág. 143-860.
[Foust, Wenzel, Clump, Maus, Andersen], Principios de Operaciones Unitarias Guía para la selección y aplicación de técnicas PHA
