calculo de planta

7/31/2019 Calculo de Planta

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11 MANUAL DE CLCULOS

NDICE

Nota introductiva ....11-2

11.1. Diseo de tanques de almacenamiento y cubeta11-5

11.1.1. Caractersticas y clasificacin de los productos

11.1.2. Diseo de tanques de almacenamiento de etileno

11.1.3. Diseo de tanques de almacenamiento de acetaldehdo

11.1.4. Clculo del sistema de refrigeracin media caa

11.2. Diseo del reactor ..11-21

11.2.1. Diseo mecnico

11.2.2. Diseo funcional

11.3. Diseo del separador de fases.11-41



11.4. Diseo de los intercambiadores de calor 11-57

11.5. Diseo del absorbedor...11-77



11.6. Diseo de los tanques pulmn11-96

11.7. Diseo de las columnas de destilacin.11-100


11.7.2. Diseo funcional de la columna de destilacin extractiva DE-501-a

11.8. Diseo y eleccin de bombas..11-137


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11-1

11.9. Diseo y eleccin de compresores ...11-139

11.10. Diseo y eleccin de conducciones..11-141

11.11. Diseo de equipos para el tratamiento de gases....11-143

11.11.1. Diseo de la cmara de combustin

11.11.2. Diseo del absorbedor:

11.11.3. Diseo de la chimenea

11.12. Diseo de equipos para el tratamiento de lquidos medianteel proceso Fenton....11 -158

11.12.1. Caracterizacin de corrientes

11.12.2. Requerimientos para el proceso

11.12.3. Equipos

11.12.4. Recirculacin corriente

11.13. Diseo de un sistema de reactor biolgico de

membrana..11-164

11.13.1. Reactor biolgico de lodos activos

11.13.2. Mdulo de membranas

11.14. Servicios.11-167

11.14.1. Clculos del agua de refrigeracin

11.14.2. Clculos del vapor de agua

11.14.3. Clculos del gas natural

11.14.4. Clculos del grupo de fro (chiller)

11.14.5. Clculos de los cables elctricos y de la estacin transformadora


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11-2

NOTA INTRODUCTIVA:

El diseo mecnico de los equipos se calcular en base al cdigo ASME

(American Society of Mechanical Engineers), seccin VIII, divisin 1, en el que se

detalla el diseo, construccin e inspeccin de recipientes a presin.

As pues, se resumir en esta nota introductiva el manual de clculo de los espesores

de pared de los equipos sometidos a presin interna, con cuerpo cilndrico y fondo

superior e inferior toriesfrico.

Relacin de parmetros utilizados:

- Presin, P:

Para escoger la presin de diseo que se utilizar, se sumar la presin de

operacin del equipo a la presin hidrosttica que ejerza el lquido que contenga. A

este resultado se le aadir a su vez un 15% del total por motivos de seguridad, y se

redondear en alza. El valor obtenido ser el utilizado como presin de diseo. As se

muestra en la ecuacin 11.1.

ecuacin 11.1

La presin hidrosttica, se calcular de acuerdo con la ecuacin 11.2.

ecuacin 11.2

- Lmite elstico, S:

El lmite elstico variar en funcin del material escogido y de la temperatura

de operacin del equipo. Toda la planta, a excepcin del reactor, se disea en acero

inoxidable 304, por sus buenas prestaciones mecnicas. En la figura 11.1, se muestra

una tabla donde se refleja la dependencia del lmite elstico con la temperatura para

diferentes aceros.


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11-3

Figura 11. 1 Valores del lmite elstico a diferentes temperaturas (Sinnott R.K., 1983)

- Factor de soldadura, E:La soldadura es el medio por el que se realiza normalmente la unin entre

chapas. Debido a que representa una discontinuidad, a la vez que su realizacin

puede conllevar defectos, la zona de soldadura se considera debilitada.

As pues, en el clculo de los recipientes se introduce una reduccin del lmite elstico

multiplicando a este por un coeficiente denominado factor de soldadura (E). Este valor

es E=0,85, considerando que el radiografiado realizado es parcial.

- Sobreespesor de corrosin, C1:Se determina un margen o sobreespesor de corrosin para compensar la

corrosin que van sufriendo los equipos Este valor es habitualmente igual al mximo

espesor corrodo previsto durante diez aos, y en la prctica oscila de 1 a 6 mm

incrementndose a los espesores obtenidos para resistir las cargas a las que se

encuentran sometidos los recipientes.

Se ha decidido utilizar un margen de corrosin de 1 cm. para compensar las posibles

cargas a las que se pueda encontrar el recipiente debido a la corrosin que origine el

producto.- Tolerancia de fabricacin, C2:


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En las partes del equipo en que el material sufre una deformacin, como en las

curvaturas de los fondos toriesfricos, se pierde parte del espesor, por lo que se aade

un sobreespesor que equivale al 10% del espesor obtenido inicialmente.

- Factor M:

El factor M es aquel que muestra la relacin entre los radios que conforman un

fondo toriesfrico: r y L. En todos los equipos se utiliza una relacin L=10r, de lo que

resulta un valor de 1,54 del factor M.

Figura 11. 2 Detalle fondo toriesfrico

- Velocidad o presin del viento

Todos los equipos instalados en el exterior estn sometidos a la accin del

viento. Esto afectar ms en el caso de que los equipos estn a una gran altura.

En el caso de los tanques de almacenamiento estarn en el exterior pero se considera

que la accin del viento es muy pequea y no se tiene en cuenta en el diseo.

- Coeficiente ssmico

La accin ssmica no es uniforme en el globo terrestre, existiendo diversa

probabilidad de producirse movimiento ssmico en unas zonas u otras.

En esta planta se considera que no hay actividad ssmica y por lo tanto no se tiene encuenta el coeficiente ssmico para el diseo de los tanques.

As pues, en base al cdigo nombrado, se calcula el espesor de pared de un

cuerpo cilndrico con la frmula 11.3, y de los fondos toriesfricos con la frmula 11.4.

, ecuacin 11.3

, ecuacin 11.4


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11.1. DISEO DE TANQUES DE ALMACENAMIENTO Y CUBETAS

11.1.1. Caractersticas y clasificacin de los productos

Los productos susceptibles a ser almacenados son etileno, como materia prima, y

acetaldehdo, como producto principal de nuestra planta.

Para proceder al diseo de los tanques de almacenamiento se debe tener en cuenta

las caractersticas de los diferentes productos.

a. Etileno

- Extremadamente inflamable.

- Las mezclas gas/aire son explosivas.

- Debe ser almacenado a prueba de incendios, y separado de oxidantes fuertes.

- Producto clase A1.

b. Acetaldehdo

- Extremadamente inflamable.

- Las mezclas gas/aire son explosivas.- Nocivo para los organismos acuticos.

- Debe ser almacenado a prueba de incendios, separado de materiales

incompatibles, enfriado.

- Debe mantenerse en la oscuridad.

- Producto clase B1.

11.1.2. Diseo de tanques de almacenamiento de etileno

- Consideraciones de diseo

Para el almacenamiento de etileno, se elige tanque criognico que,

esencialmente es un tanque cilndrico de pared doble, para almacenar gases licuados.

El espacio anular entre la cara interna y externa del recipiente es llenado con material

aislante y sometido a alto vaco para lograr mnimas prdidas por evaporacin.


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El diseo de un equipo criognico es compacto, robusto y fcil de operar. El llenado

superior reduce la presin dentro del tanque, el llenado inferior la incrementa.

El sistema de presurizacin permite al operador incrementar la presin durante la

descarga de lquido a un tanque o a la lnea de gas a los evaporadores. Regulando la

apertura de las vlvulas de llenado de tope y de fondo, no ocurre ningn cambio

significativo de la presin durante el envo de lquido. Esto resulta en un suministro de

lquido constante a los vaporizadores.

Las caractersticas de dichos tanques vienen determinadas por su distribuidor,

la empresa CryoPlant, por lo que no se detallarn en el clculo de su diseo

especificaciones como el espesor de las paredes del tanque.

En la tabla11.1-1 se definen estas caractersticas.

Parmetro Unidad Valor

Capacidad Neta de Lquido l 100000

Mx.Presin de Trabajo bar 8

Peso Vaco Kg. 48250

Altura m 3,64

Longitud m 18

Tabla 11.1- 1 Caractersticas tanques criognicos CryoPlant

- Capacidad de los tanques

Los tanques son suministrados, por lo que las dimensiones de cada tanque ya

vienen definidas por CryoPlant, 100 m3.

Se estima el nmero de tanques para satisfacer los requerimientos de la planta por un

total de 3 das. Se aumenta en un 20% esa capacidad para evitar un vaciado completo

de los tanques, y procurar un buen funcionamiento de las bombas. Si se considera el

caudal requerido de etileno, junto con la densidad del etileno lquido, se obtiene la

capacidad requerida y as el nmero de tanques.

Para conocer la periodicidad de suministro del etileno, se consideran camiones de 30

m3.


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En la tabla 11.1-2 se muestran tales datos.

Parmetro Unidad Valor Aproximacin

Subministro Camiones/da 4,9472 5

Caudal ET Tn/h 6,2

Mgas,3dias kg (gas) 445248,0Vliq. 3dias m3 (liq) 784,0

Vrequerido (+ 20%) m3 940,8 1000

n tanques - 10,0

Peso vaco kg 48250

Peso en operacin kg 105042

Tabla 11.1- 2 Caractersticas suministro etileno

- Caractersticas principales

Mnimas prdidas por evaporacin debido al alto grado de vaco y llenado del

espacio con Polvo Aislante Expandido

Instalacin simple, costos bajos y fcil mantenimiento.

Construccin robusta, recipiente interior de acero inoxidable y exterior de acero

al carbono

Equipado con indicador de nivel de lquido, vlvulas de seguridad, manmetro,

sensor de vaco, vlvula de sobrepresin y otros accesoriosInstrumentos ubicados adecuadamente para fcil acceso y operacin

Adecuados para transferir ya sea gas licuado o vapores gaseosos a la presin

prefijada a lneas de distribucin

Los sistemas por termosifn para recipientes de almacenamiento criognicos

estn pensados para contener prdidas en el llenado de botellas Todas las vlvulas y

seguridades cumplen los cdigos estndar y la aprobacin est otorgada por la CCE.

El recipiente est pintado en epoxy blanco en su totalidad

En la figura 11.1-1, se puede observar un tanque de estas caractersticas.

Figura 11.1- 1 Tanque criognico CryoPlant


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- Diseo parque tanques de etileno

Para el diseo del parque de tanques de etileno, se sigue la normativa APQ

001, que determina el almacenamiento de productos qumicos inflamables.

Los recipientes de superficie para almacenamiento de lquidos debern alojarse

en el interior de un cubeto de retencin. Un grupo de recipientes dentro de un mismo

cubeto slo podrn contener lquidos de la misma clase o subclase para el que fueron

proyectados o de otra de riesgo inferior.

Los recipientes que contengan productos de la clase A se dispondrn aparte o en

cubetos separados de los que estn diseados para productos de las clases B, C y D.

El etileno pertenece a la clase A1.

En todos los cubetos los recipientes no deben estar dispuestos en ms de dos filas: es

preciso que cada fila de recipientes tenga adyacente una calle o va de acceso que

permita la libre intervencin de los medios mviles de lucha contra incendios.

La distancia en proyeccin horizontal entre la pared del recipiente y el borde interior

inferior del cubeto ser como mnimo de 1,5 m.

Las distancias se obtienen de la tabla 11.1-3.

Tabla 11.1- 3 Distancia entre paredes de recipientes. ITC_MIE_APQ 001


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Capacidad del cubeto. La normativa APQ 001 establece que:

Cuando un cubeto contenga dos o ms recipientes, su capacidad se establece:

i- Referido al recipiente mayor, considerando que no existe ste, pero s los dems, es

decir, descontando del volumen total del cubeto vaco el volumen de la parte de cada

recipiente que quedara sumergido bajo el nivel del lquido, excepto el del mayor.

ii- Referido a la capacidad global de los recipientes: el volumen total del cubeto,

considerando que no existe ningn recipiente en su interior.

Y en concreto para lquidos de subclase A1:

Cuando un cubeto contenga varios depsitos o tanques su capacidad debe ser igual al

mayor de los valores siguientes:

- 100 por 100 de la capacidad calculado segn i.

- 10 por 100 de la capacidad calculada segn ii.

Cada recipiente debe estar separado de los prximos por un terrapln o murete. Esta

separacin debe disponerse de manera que las capacidades de los compartimentos

sean proporcionales a las de los recipientes contenidos.

En la tabla 11.1-4 se muestran las caractersticas del parque de tanques de etileno.

Distancia pared-tanque m 1,5

Distancia tanque-tanque m 3,64

Dimensiones cubeto

Ancho m 13,92

Largo m 28,48

rea total m2 396,44

rea til m2 302,78

Hcubeto m 0,33

Hcubeto m 0,39 Sobredimensionamiento

Vtil cubeto m3 120

Tabla 11.1- 4 Diseo parque tanques etileno


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- Resumen diseo

DISEO MECNICO Valor

Material AISI 304

Presin de diseo (bar) 8

Temperatura de diseo (C)

DIMENSIONES

Dimetro interno (m) 3,64

Dimetro externo (m) 3,64

Altura lquido (m) 16,78

Altura cuerpo (m) 16,78

Altura fondo superior (m) 0,606Altura fondo inferior (m) 0,606

Altura total (m) 18

Capacidad lquido (m3) 100

Capacidad tanque (m3) 100

PESOS

Equipo vaco 48250

Equipo en operacin 105042

Tabla 11.1- 5 Resumen diseo tanques etileno

11.1.3. Diseo de tanques de almacenamiento de acetaldehdo

- Consideraciones de diseo

o Normativa APQ 001.

o Cdigo ASME, seccin VIII, divisin 1

o Tanque almacenamiento cilndrico vertical.

o Fondo inferior y superior: techo fijo toriesfrico.

o Almacenamiento enfriado, mediante serpentn.

o Atmsfera inerte.


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- Diseo funcional.

o Capacidad y dimensiones de los tanques

Se disean los tanques de acetaldehdo para albergar la produccin de 3 das

con un sobredimensionamiento del 20% para evitar el vaciado completo de los

tanques.

Se escoge como medida estandarizada de capacidad 150m3 para cada

tanque, para decidir el nmero de tanques que son precisos.

Si la planta llega a una produccin de 10,73 m3/h de acetaldehdo, durante 3 das,

trabajando 24 horas, ms el mencionado 20%, se requerirn 7 tanques de

almacenamiento de acuerdo con la ecuacin 11.1.1:

, ecuacin 11.1.1

Para el clculo del dimetro y la altura, se escoge una relacin de 1,5D=H, as

pues, se relacionan estos parmetros con el volumen de acuerdo con la frmula

11.1.2, y se calcula el dimetro y la altura del tanque mediante la ecuacin 11.1.3-4.

, ecuacin 11.1.2

, ecuacin 11.1.3

, ecuacin 11.1.4

Este ser el dimetro interior, siendo el dimetro exterior el correspondiente al

mismo ms los espesores calculados pertinentemente.

La altura de lquido en el tanque ser la obtenida mediante la frmula 11.1.4,

excepto por 0,5 metros de seguridad que se dejarn siempre sin llenar por motivos de

seguridad y procurar un buen funcionamiento de las bombas.

En esta altura no se contabiliza la altura de los fondos superior e inferior.

Se muestran los resultados en la tabla 11.1-8.

o Venteos


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Todo tanque atmosfrico de almacenamiento deber disponer de sistemas de

venteos para prevenir la formacin de vaco o presin interna, de tal forma que se

evite la deformacin del techo o de las paredes del tanque como consecuencia de

llenados, vaciados o cambios de temperatura ambiente.

Los venteos normales de un recipiente se dimensionarn de acuerdo con cdigos de

reconocida solvencia o como mnimo tendrn un tamao igual al mayor de las tuberas

de llenado o vaciado y en ningn caso inferiores a 35 milmetros de dimetro interior.

o Inertizacin

En los almacenamientos de superficie para lquidos de la subclase B1

(acetaldehdo), en tanques de techo fijo, se reduce el riesgo de incendio, al entrar en

contacto el producto con el oxigeno del aire, por medio de proteccin con gas inerte.

Esta proteccin, deber mantenerse en servicio permanente.

Las condiciones mnimas que deben cumplir las instalaciones de atmsfera inerte son

las siguientes:

El tipo de atmsfera inerte se debe elegir en funcin del producto almacenado,

puesto que ambos deben ser compatibles. En este caso se escoge nitrgeno como

gas inertizante.

El suministro de gas inerte y el gas contenido en el recipiente de almacenaje debern

ser analizados peridicamente para comprobar el contenido del oxgeno y/o de los

componentes que pudieran ser peligrosos.

Sistema de creacin de atmsferas inertes: aspiracin de gas inerte de un centro de

almacenamiento adecuado y expulsin a la atmsfera sin posterior recuperacin. El

conducto de entrada de gas inerte se conectar en el techo del recipiente de

almacenamiento. El sistema se dotar de los elementos de control y regulacin

necesarios que garanticen el funcionamiento permanente, as como de una alarma

que avise de su fallo.

- Diseo mecnico

o Material de construccin

Los materiales utilizados comnmente en la construccin de los recipientes

son: aceros al carbono, acero de baja aleacin y aceros inoxidables.

Debido a las necesidades mecnicas de la planta, y a la inflamabilidad del

acetaldehdo, se ha decidido utilizaraceros inoxidables, concretamente el INOX-304.


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o Presin de diseo

Los tanques de acetaldehdo se disean a presin atmosfrica, a la que se

aade la presin hidrosttica ejercida por el lquido. Tambin se sobredimensiona un

15% por seguridad.

Para conocer la presin hidrosttica, se debe contemplar el porcentaje de lquido

contenido en el tanque, y la densidad del mismo, parmetros reflejados en la tabla

11.1-6, junto con los dems parmetros necesarios para el clculo de espesores.

Con estos datos se calcula la presin de diseo a partir de la frmula 11.1 de la nota

introductiva.

o Temperatura de diseo

Segn la normativa vigente, el acetaldehdo debe ser almacenado a una

temperatura inferior a los 15 C. Para los clculos se considera una temperatura de

12C. Se consigue esa temperatura mediante un serpentn de media caa alrededor

del tanque.

o Espesor cuerpo y fondos

El clculo de espesores se hace mediante el procedimiento detallado en la nota

introductiva, frmulas 11.3 y 11.4.

En este caso, se utilizan los parmetros de la tabla 11.1.6:

Parmetro

T (C) 12

S (bar) 1650

E 0,85

Hliq (m) 7

Hcil (m) 7,54

Densidad msica (kg/m3) 0,78

Phidro (bar) 0,53508

P op (bar) 1,01

D (m) 5,03

r (m) 0,503

L (m) 5,03

C1 pared (mm) 1

C2 tori sup (mm) 0,6

C2 inf (mm) 0,6

L/r 10


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11-14

M 1,54

Tabla 11.1- 6 Parmetros para el clculo del diseo mecnico

o Peso del equipo

El peso del equipo vaco resulta de la suma del peso de los dos fondostoriesfricos junto con el peso del cuerpo del equipo. Estos datos se consiguen con el

espesor de cada una de las partes nombradas, y con la densidad del acero, que es

7900 kg/m3.

El peso del cuerpo se calcula con la ecuacin 11.1.5, mientras que la de los fondos,

con 11.1.6.

, ecuacin 11.1.5

, ecuacin 11.1.6

El peso del equipo en operacin, se obtiene sumando al valor obtenido como

peso del equipo vaco, el peso del fluido que ocupar nuestro recipiente, en este caso

acetaldehdo, que ser el porcentaje que ocupe ste fluido en la capacidad del equipo,

por la densidad que presente. La ecuacin 11.1.7 nos muestra esta relacin.

, ecuacin 11.1.7

- Diseo parque tanques acetaldehdo

Para el diseo del parque de almacenamiento de acetaldehdo se ha seguido la

normativa APQ 001, correspondiente al almacenamiento de productos inflamables, y

explicado en el apartado 11.1.2 Diseo de tanques de almacenamiento de etileno. Las

cubetas de retencin sirven para poder retener el producto en caso de fuga.

Las distancias entre tanques se aprecian en la tabla 11.1-3.

Los tanques deben disponerse como mximo en 2 filas, y separados entre s

por 2,5 metros (D/2). Habr una separacin entre los tanques y la pared de la cubeta

de 1,5 metros.

En la tabla 11.1.-7 se recogen los datos de este diseo:


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V tanque mayor m3 150

10% Vglobal m3 105

Distancia pared-tanque m 1,5

Distancia tanque-tanque m 2,5

Dimensiones cubeto

Ancho m 15,5

Largo m 30,5

rea total m2 472,75

rea til m2 354,94

Hcubeto m 0,422

Hcubeto m 0,507

Vtil cubeto m3 180

Tabla 11.1- 7 Diseo parque almacenamiento acetaldehdo

11.1.4. Clculo del sistema de refrigeracin media caa

El acetaldehdo se almacena en estado lquido a la temperatura de 12C mientras

que la temperatura exterior est por encima. Sabiendo que la temperatura de

evaporacin de este compuesto es de aproximadamente 20C si la temperatura

exterior est por encima de este valor, con el calor transmitido se evaporara todo el

acetaldehdo.

Por esta razn es necesario el uso de un sistema de refrigeracin para mantener el

acetaldehdo en estado lquido.

Se calcula el calor que se cede desde el exterior considerando la temperatura ms

desfavorable externa (30C).

Calor perdido en el tanque

TAUQ , ecuacin 11.1.8

Dnde:

Q: calor cedido (W)

U: coeficiente global de transferencia de calor (W/m2K)

A: rea de transferencia de calor (m2)

T: diferencia de temperaturas entre el exterior y el interior del tanque (C)


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11-16

El coeficiente global de transferencia de calor es la suma de diferentes

coeficientes individuales:

1- coeficiente individual de conveccin interior del acetaldehdo.

Se utiliza un valor tpico de lquidos orgnicos

hi = 250 W/m2K

2- coeficiente de conduccin del acero.

k = 50 W/mK

3- coeficiente individual de conveccin exterior del aire.

Se utiliza un valor tpico del aire

he = 10 W/m2K

10

1

50

105

250

11113

ei hk

x

hUecuacin 11.1.9

Dnde

x: grueso de la chapa de acero del tanque (510-3 m)

De lo que resulta: U = 9,60 W/m

2

K

El rea de transferencia de calor es toda el rea del tanque teniendo en cuenta

el cuerpo y los cabezales.

Para calcular esta rea se supone que es un cilindro perfecto:

hDAcuerpo = 117,8 m2 ecuacin 11.1.10

Dnde:

D: dimetro = 5 m.

H: altura = 7,5 m.

24

DAcabezal 19,63 m2 ecuacin 11.1.11

Al tener dos cabezales el rea es 3926 m2

El rea total es la suma de las reas:

AT = 157 m2


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La diferencia de temperatura es de 18C ya que es la diferencia entre la

temperatura exterior (30C) y la interior (12C).

Por lo tanto el calor perdido es el siguiente:

TAUQ =23748 W

Necesidades de agua fra:

Las necesidades de agua fra de refrigeracin (agua de chiller) vienen fijadas

segn el intervalo de temperaturas que trabaja el chiller (7 y 12C):

TCmQ p hkgW

CCkg

W

mp

/5,409023748

712

5,4145

, ecuacin 11.1.12

Estos 4090,5 kg/h son igual a 4,09 m3/h (la densidad es 1 Kg/1 l) de agua de

chiller necesarios para cada tanque de acetaldehdo.

rea necesaria de la media caa

El rea necesaria de media caa se calcula de la siguiente manera:

TAUQ ,ecuacin 11.1.13

-La U que se utiliza es un coeficiente de transferencia global tpico entre un fluido

orgnico y el agua. El rango es entre 250 y 750 W/m2K. Se escoge un valor

intermedio de 500 W/m2K.

-El T es la diferencia de temperaturas entre el acetaldehdo (12C) y el agua fra. La

temperatura que se usa para el agua es la media de temperaturas entre la entrada y la

salida (7C y 12C). Por tanto la temperatura media es de 9,5C.

)5,912(500

23748

TU

QA 19 m2 , ecuacin 11.1.14


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11-18

Sabiendo el rea total de intercambio de la media caa ahora se calcula su

dimetro y su largada.

El dimetro se calcula a partir de la siguiente expresin:

AvQL , ecuacin 11.1.15

Dnde

QL = caudal volumtrico (4,09 m3/h)

v = velocidad tpica de circulacin de un lquido (3 m/s)

A = rea de paso del agua (m2)

El rea es de 3,7910-4 m2

Dimetro = A4

2,19 cm

La largada de la media caa se calcula con la siguiente expresin:

LDA

Largada =0219,0

19

DA 276 m

La descarga del acetaldehdo y la inertizacin.

Se tiene que saber la cantidad de acetaldehdo que se descarga cada da para

introducir el volumen correcto de nitrgeno como gas inerte.

La cantidad que se vaca viene definida segn la cantidad de acetaldehdo que

producimos diaria, es decir, hay que evacuar todo el acetaldehdo que se genera para

no tener una acumulacin.

La cantidad de acetaldehdo producido es de 255,18 m3/da. Por lo tanto se tendrn

que introducir 255,18 m3 de nitrgeno durante el tiempo de descarga para asegurar la

seguridad de los tanques.

Cuando el tanque se llene nuevamente de acetaldehdo se ir expulsando el

nitrgeno.


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Teniendo en cuenta que los camiones tienen una capacidad de 30 m3 la

cantidad que harn falta para que se lleven el acetaldehdo es la siguiente:

Nmero de camiones = 5,830

/18,2553

3

m

diam

, ecuacin 11.1.16

Para garantizar que el nivel de acetaldehdo en los tanques se mantiene

siempre constante harn falta que vengan 8 o 9 camiones durante todos los das de

forma alterna.


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- Resumen diseo

DISEO MECNICO Valor Aproximacin

Material AISI 304

Presin de diseo (bar) 1,78 2,00

Temperatura de diseo (C) 12,00

DIMENSIONES






Altura total (m) 9,22

Capacidad lquido (m3) 139,10

Capacidad tanque (m3) 150,00

ESPESORES

Espesor pared (mm) 4,59 5,00

Espesor fondo superior (mm) 7,12 8,00

Espesor fondo inferior (mm) 7,12 8,00

PESOS

Peso pared (kg) 4711,05

Peso fondo superior (kg) 486,07

Peso fondo inferior (kg) 486,07

Peso relleno (kg) 0,00

Equipo vaco (kg) 5683,18

Equipo en operacin (kg) 114180,38

Tabla 11.1- 8 Resumen diseo tanques acetaldehdo


24/180

11-21

11.2. DISEO DEL REACTOR


- Material de construccin

Para el diseo del reactor, el material de construccin elegido es el acero

inoxidable 304 junto con el titanio, con el que se proceder a revestir el interior del

reactor, para asegurar as una buena resistencia a la corrosin ante la mayora de

productos que se manipulan en el interior de este equipo.

- Presin de diseo

La presin de operacin del reactor se sita en un valor de 3,04 bares. As

pues, siguiendo las indicaciones para establecer una presin de diseo que se han

seguido en el clculo de los tanques de almacenamiento de acetaldehdo, y las

frmulas 11.1 y 11.2, detalladas en la nota introductiva, se establece la presin de

diseo.

En la tabla 11.2-1, se muestran la densidad del lquido y el porcentaje que ste ocupa

en el reactor.

- Temperatura de diseoLa temperatura de diseo es de 135C. A partir de ese valor, y por

extrapolacin, se encuentra con la tabla 11.1 el valor del mdulo de elasticidad del

material.

- Espesor cuerpo y fondos


introductiva, frmulas 11.3 y 11.4.En este caso, se utilizan los parmetros que aparecen en la tabla 11.2-1:

T (C) 135

S (bar) 1326

E 0,85

Hliq (m) 9,6

Hcil (m) 12

Densidad msica (kg/m3) 2,16Phidro (bar) 2,032128


25/180

11-22

P op (bar) 3,04

D (m) 3,59

r (m) 0,359

L (m) 3,59

C1 pared (mm) 1C2 tori sup (mm) 1,6

C2 inf (mm) 1,6

L/r 10

M 1,54


- Peso del equipo

El peso del reactor vaco resulta de la suma del peso de los dos fondostoriesfricos junto con el peso del cuerpo del equipo. Estos datos se consiguen con el

espesor de cada una de las partes nombradas, y con la densidad del material, tanto el

acero como el titanio. El peso del equipo se calcula con la frmula 11.1- 2, mientras

que la de los fondos, con 11.1-3.


peso del equipo vaco, el peso del fluido que ocupar nuestro recipiente, en este caso

la mezcla reactante, que ser el porcentaje que ocupe ste fluido en la capacidad delequipo, por la densidad que presente. La frmula 11.1-4 nos muestra esta relacin, la

tabla 11.2-1, los parmetros necesarios, y la tabla 11.2-2, los valores obtenidos.


26/180

11-23

- Resumen diseo


Material AISI 304



DIMENSIONES



Altura lquido (m) 9,60 80% del total






ESPESORES




PESOS






Equipo en operacin (kg) 226221,26

Tabla 11.2- 2 Resumen diseo reactor


27/180

11-24


- Tipo de reactor:

La reaccin de sntesis de acetaldehdo que tenemos en

nuestro reactor se trata de una reaccin catalizada de dos fases:

lquida y gaseosa dnde los reactivos etileno, oxgeno y el

producto acetaldehdo son gases. Mientras que el catalizador se

trata de una solucin acuosa de CuCl2, CuCl, PdCl2. Adems hay

HCl en la solucin para mantener las condiciones cidas para la

reaccin.

Por las caractersticas fsicas de la reaccin y debido que

tenemos dos fases una lquida y otra gas se utiliza un reactor de

burbujeo o tambin nombrado bubble column. En este tipo de

reactores la transferencia de materia y calor es muy eficiente y se

suelen utilizar cuando la reaccin que tiene lugar es lenta como en

nuestro caso.

- Suposiciones de diseo:

Se han hecho diferentes suposiciones para realizar el diseo del reactor a partir de

los diferentes balances de materia y energa.

En primer lugar, se considera que la concentracin de CuCl2 est en exceso en

comparacin a la concentracin de PdCl2. Con esta suposicin el esquema dereacciones queda simplificado de la siguiente forma:


28/180

11-25

C2H4 + 2CuCl2 + H2O PdCl2 CH3CHO + 2CuCl + 2HCl Reaccin r1.

O2 + 4CuCl + 4HCl 4CuCl2 + H2O Reaccin r2.

La fase gas se comporta como un flujo pistn y la fase lquida se comporta

como un reactor contnuo de tanque agitado. Los componentes de la fase gas

avanzan a lo largo del reactor de forma que su concentracin va disminuyendo

a medida que van reaccionando. Por el otro lado, se considera que la

concentracin de la fase lquida es homognea en todo el reactor de manera

que en el estado estacionario la concentracin es nica. El reactor se mantiene

agitado con el recorrido de las burbujas del gas.

La reaccin tiene lugar en la fase lquida, es decir, que los dos reactivos

gaseosos etileno y oxgeno se transfieren a la fase lquida para poder

reaccionar. La reaccin en la fase lquida ocurre en el seno de ella mientras

que la reaccin que puede tener lugar en la pelcula se desprecia. Esto implica

como se ha comentado antes que se trata de una reaccin lenta. Por lo tanto,

como hay una transferencia de materia debido a tener dos fases y una

reaccin, la reaccin ser la etapa limitante de la velocidad de todo el proceso

ya que es la etapa ms lenta.

La resistencia en la transferencia de materia en la fase gas es despreciable.

Se considera que el reactor trabaja en condiciones isotermas. Las condiciones

isotermas se consiguen a partir de evaporar parte de la solucin del catalizador

debido al calor de reaccin. De esta forma se mantiene una temperatura

constante en el reactor y facilita mucho los clculos de diseo.

Se considera que la velocidad superficial de las burbujas de la fase gas es

constante.

Una vez se han mencionado todas las suposiciones realizadas para el diseo

tambin se debe decir que segn la forma de operar del reactor consiste en un reactor

semicontnuo.

En la fase gas tenemos una entrada continua de reactivos que tiene lugar a travs de

los difusores y una salida al final del reactor. Pero en la fase lquida no hay una

entrada continua de solucin de catalizador sino que esta solucin se mantiene

siempre dentro del reactor. La pequea salida de solucin que tiene lugar es una

cantidad que va mayoritariamente en el regenerador pero ya despus vuelve a entraren el reactor. Por esta razn, la cantidad de solucin que sale es la misma cantidad


29/180

11-26

que vuelve a entrar ya que slo se trata de una recirculacin que pasa por el

regenerador.

- Ecuaciones del balance de materia en cada fase:

Antes de presentar las diferentes ecuaciones del balance de materia de cada

componente se debe mencionar que el diseo se ha realizado para el estado

estacionario. Es decir que el trmino de acumulacin queda anulado.

Fase gas:

Para la fase gas se muestran las ecuaciones referidas a la variacin de la

concentracin al largo del reactor de los reactivos etileno y oxgeno debido a la

transferencia de materia de la fase gas a la fase lquida y la formacin del producto

acetaldehdo que representa la formacin de un mol de acetaldehdo por cada mol de

etileno que se transfiere de la fase gas a la lquida.

lHC

g

g

LAg HCH

HC

u

k

dx

HdC42

4242

42

. ecuacin 11.2.1

lO

g

g

LAg OH

O

u

k

dx

dO2

22

2

, ecuacin 11.2.2

lHC

g

g

LAg HCH

HC

u

k

dx

OHdC42

4242

42

, ecuacin 11.2.3

Dnde:

KLa = coeficiente de transferencia de materia de la fase lquida (m/s)

Ug= velocidad superficial del gas (m/s)

H = Constantes de Henry para el etileno y el oxgeno (m3 [lquido] / m3 [gas])

X= distancia del reactor (m)

Fase lquida:

En la fase lquida las ecuaciones siguientes muestran que la entrada de

materia de los reactivos etileno y oxgeno provenientes de la fase gas es igual a la

generacin. Los trminos de entrada y salida por conveccin no se han considerado


30/180

11-27

en el balance ya que como se ha explicado anteriormente todo el lquido que sale del

reactor vuelve a entrar. Por lo tanto estos dos trminos se anulan.

142

42

42

rHCH

HC

k lHC

g

La ecuacin 11.2.4

22

2

2

rOH

Ok l

O

gLA , ecuacin 11.2.5

Dnde:

2

2

4221

1[][2][][

]][[

HClCuClCuClHCl

HCPdClkr , ecuacin 11.2.6

]][[ 222 CuClOkr , ecuacin 11.2.7

Los componentes del catalizador y el cido clorhdrico cumplen las siguientes

ecuaciones:

212 42][

rrdt

CuCld, ecuacin 11.2.8

21 42][

rrdt

CuCld, ecuacin 11.2.9

21 42][

rrdt

HCld, ecuacin 11.2.10

Dnde los nmeros 2 y 4 son la estequiometria que tienen cada componente

en las reacciones r1 y r2.

En el estado estacionario se debe cumplir la siguiente ecuacin en los tres

componentes:

21 42 rr , ecuacin 11.2.11

- Mtodo iterativo de diseo del reactor:

Para realizar el diseo a partir de las ecuaciones anteriores se asumen diferentes

simplificaciones.

A partir de la ecuacin 11.2.1 y la 11.2.4 obtenemos la ecuacin 11.2.12:


31/180

11-28

g

g

u

r

dx

HdC142

. ecuacin 11.2.12

Integrando la ecuacin 11.2.12 se obtiene la siguiente ecuacin algebraica:

][][ 421

42 geg

g HCxu

rHC , ecuacin 11.2.13

Dnde:

[ geHC 42 ]: concentracin de etileno gas en la entrada del reactor (mol/l)

Como la velocidad r1 y ug no dependen de la distancia del reactor el clculo de

la integral no tiene mucha dificultad.

Nuestro mtodo seguido para encontrar las dimensiones del reactor a partir de

las diferentes ecuaciones que rigen el sistema se basa en un mtodo iterativo.

De la ecuacin 11.2.13 sabemos que r1 se trata de una expresin cintica donde sus

diferentes valores de concentraciones de los componentes alcanzan un valor concreto

en el estado estacionario (ya que se trata de un RCTA). Los valores de

concentraciones escogidos de los catalizadores y el cido clorhdrico son los

siguientes:

Tabla 11.2.3. Concentraciones de catalizador y cido clorhdrico.

Componente Concentracin (mol/l)

PdCl2 0,006

CuCl2 0,6

CuCl 0,16

HCl 0,0043

Estos valores se han tomado de referencia a partir de un artculo que realizaba

el estudio de este proceso y mencionaba un rango de concentraciones recomendado.

Los valores escogidos estn dentro de este rango.

La constante cintica k1 se ha determinado con la ecuacin de Arrhenius a

partir de encontrar dos datos de k1 a dos temperaturas distintas.


32/180

11-29

La ecuacin que relaciona la constante cintica con la temperatura es la

siguiente:

Tk

93,4408

exp45,92681 , ecuacin 11.2.14

Dnde:

k1: sus unidades son (mol/l)2/s

T: temperatura (K)

La velocidad del gas superficial utilizada en el artculo se ha considerado que

era demasiada pequea y comparando con otros artculos que trabajan con columnas

de burbujeo se ha escogido trabajar con una velocidad del gas de 0,3 m/s.

La concentracin de etileno en la entrada es la relacin del caudal molar de

etileno en la entrada y el caudal volumtrico total de entrada.

Mm

kmolsHC ge 0584,0

min/69,75

min/42,4][

342

Ahora ya slo nos falta saber la concentracin de etileno lquido de la ecuacin

8 (se encuentra en el trmino r1). A partir de saber esta concentracin; dando valores

de x (largada del reactor) se hace el reactor tan largo de tal forma que se consiga una

conversin de reaccin que nosotros creamos buena sabiendo por patentes que la

conversin se encuentra entre el 30 40%.

Para determinar la concentracin de etileno lquido se supone que este etileno

lquido est en equilibrio con el gas (relacin que se encuentra mediante la constantede Henry). Esta suposicin se basa en que la reaccin es muy lenta y por lo tanto la

transferencia del gas al lquido se supone lo suficiente rpida como para estar en

equilibrio continuamente.

El bucle de la iteracin seguido es el siguiente:


33/180

11-30

Calcular r1

Calcular [C2H4g] para diferentes

longitudes (ecuacin 8)

A partir de la constante deHenry

Calcular [C2H4l] paradiferentes longitudes

Calcular media [C2H4l]

[C2H4l]calculada = [C2H4l]supuesta ?

Se supone [C2H4l]supuesta

No

Si

[C2H4l] = [C2H4l]calculada


34/180

11-31

En la primera iteracin se recomienda usar una media de concentracin entre

la concentracin que entra del gas y la supuesta que sale suponiendo un grado de

conversin tpico y encontrar la concentracin del lquido a partir de la constante de

Henry.

Una vez ha convergido el bucle tambin se tiene que comprobar si la conversin

alcanzada en el reactor y la largada son factibles. Para encontrar la conversin y la

longitud deseada se han variado las concentraciones de catalizador y cido clorhdrico

dentro del rango proporcionado por el artculo hasta obtener unos resultados

coherentes.

En la ltima iteracin, los valores de concentraciones de catalizador y cido clorhdrico

presentes en el reactor son los que figuran en la tabla 1.

La longitud encontrada del reactor es de 12 m.

Mientras que la conversin alcanzada es del 35%.

Esta conversin se encuentra a partir de la concentracin de entrada de etileno

en el reactor y la concentracin de salida de este de la siguiente manera:

%3510005838,0

038037,005838,0%conversin

Es decir que un 35% de los moles de etileno que entran en el reactor

reaccionan para formar acetaldehdo.

La constante cintica, la constante de Henry y la concentracin de etileno

lquido se encuentran en la siguiente tabla:

Tabla 11.24. Constantes utilizadas y concentracin de etileno calculada.

K1 0,16 (mol/l)

2

/sHetileno 11,32 (m

3 [lquido] / m3 [gas])

[C2H4l] 4,24:10-3 M

Para saber las concentraciones utilizadas de oxgeno se sabe que en la

entrada hay una concentracin de 0,03128 M en la fase gas. Este valor se encuentra

igual que en el caso de etileno a partir de la relacin entre el caudal molar de oxgeno

de entrada y el caudal volumtrico total de entrada:


35/180

11-32

Mm

kmolsO ge 03128,0

min/69,75

min/367,2][

32

Como la entrada de oxgeno es estequiomtrica el porcentaje de conversin es

el mismo (35%) y por lo tanto la concentracin de salida de oxgeno gas es de 0,0203

M.

Ahora solo falta determinar la concentracin disuelta de oxgeno en el lquido.

Esta concentracin se encuentra a partir de la ecuacin 6.

21 42 rr

Sabiendo que se tiene que cumplir esta expresin en el estado estacionario se calcula

la concentracin de [O2l].

Esa tabla da la informacin necesaria para realizar el clculo y el valor de

concentracin calculado:

Tabla 11.2.5. Constante utilizada y concentracin de oxgeno calculada.

K2 1041 (l/mol) /s

[O2l] 5,3510- M

- Subproductos formados:

Se ha observado que en el proceso se forman una serie de subproductos. La

formacin de estos es debido a una parte del etileno que reacciona paralelamente a la

reaccin principal para formar estos subproductos. A partir de datos de patentes se ha

considerado que un 2,5% del etileno reacciona para formar esta serie de

subproductos.

Estos subproductos y la cantidad que se forma en el reactor se encuentran en la

tabla 11.2.6:

Tabla 11.2.6. Subproductos formados en el reactor

Componente Cantidad (kmol/h)

cido actico 1,99

Crotonaldehdo 1,99

Cloruro de etileno 0,33Cloruro de metileno 0,33


36/180

11-33

- Balance de energa y operacin del reactor en condiciones isotermas:

Como se ha dicho anteriormente, nuestro reactor trabaja a condiciones isotermas

evacuando todo el calor generado en la reaccin a partir de evaporar la solucin de

catalizador.

El calor de la reaccin es de H= -244 KJ/mol de acetaldehdo

En el reactor se forman 1657,5 mols/min de acetaldehdo.

Q = 244 KJ/mol 1657,5 mols/min = 404430 KJ/min

Este es el calor que se genera en el reactor. Para evacuarlo se evapora la

solucin de catalizador. Considerando que la solucin es agua bsicamente se coge el

calor latente del agua para realizar el clculo.

Calor latente del agua (L) = 2253 KJ/Kg

A partir del calor que se genera y el calor latente del agua se encuentra el

vapor de agua que se evapora continuamente.

Q = mL m = Q/L = 404430/2253 = 179,50 kg/min

El calor especfico no se tiene en cuenta en el clculo ya que la diferencia de

magnitud entre el calor latente y el calor especfico es muy grande.

- Clculo del rea:

Para calcular el rea del reactor nos hemos basado en la relacin que hay entre el

caudal volumtrico la velocidad y el rea es decir: Q = v A.

Sabiendo el caudal volumtrico de los gases de salida (el de solucin de catalizador

no se toma en cuenta porque es muy pequeo) y su velocidad de circulacin (u g) se

encuentra el rea del reactor.

A partir del caudal molar de cada componente, el peso molecular y la densidad

se calcula el caudal volumtrico total de salida del reactor.


37/180

11-34

Tabla 11.2.7. Clculo del caudal volumtrico por cada componente

Componente Caudal molar

(kmol/min)

Peso molecular

(kg/kmol)

Densidad

(kg/m3)

Caudal

volumtrico (m3/s)

Oxgeno 1,54 32 2,87 0,286

Etileno 2,76 28 2,51 0,513acetaldehdo 1,66 44 3,95 0,308

Vapor agua 9,98 18 1,61 1,856

La densidad se ha calculado a partir de la ley de los gases ideales:

TR

PMP

, ecuacin 11.2.15

Dnde:

: densidad (kg/m3)

P: presin (atm)

PM: peso molecular (kg/kmol)

R: 0,082

T: temperatura (K)

Sumando todos estos valores de caudal volumtrico obtenemos un resultadode 2,96 m3/s. Hay que decir que no se han tenido en cuenta los componentes

formados como subproductos. Por esto se coge el valor del caudal volumtrico

obtenido con el simulador Hysys: 3,05 m3/s el cual es muy prximo al valor calculado.

A partir del caudal volumtrico total obtenido y la velocidad superficial del gas se

calcula el rea.

Q = vA2

3

16,10/3,0

/05,3

msm

sm

v

Q

A , ecuacin 11.2.16

Con el rea calculada se obtiene el dimetro del reactor:

mDDA 59,34

2 , ecuacin 11.2.17

La relacin que tenemos entre la longitud del reactor y su dimetro es de:

12/3,59 = 3,34


38/180

11-35

Es un valor que se considera bueno teniendo en cuenta que la relacin longitud

dimetro tpica en una columna de burbujeo se encuentra entre 3 y 4.

El volumen del reactor es:

322 92,1211234,34

4

mLDV , ecuacin 11.2.18

- Clculo del hold up del gas

Debido a que se trata de un reactor multifsico hay un porcentaje o hold up de

lquido y un porcentaje de gas.

Se utiliza la correlacin de Koide para calcularlo:

g

gg

ve

v

131, ecuacin 11.2.19

Dnde:

)064,0exp(5,35,43,1

TD

y

8,118,0 gve

DT: dimetro de la columna (m)

El hold up del gas resultante es de un 20%. Por lo tanto el hold up del lquido esdel 80%.

- Cantidad de catalizador y cido clorhdrico disuelto:

Ahora se calcula la cantidad de catalizador y cido clorhdrico que hay disuelta en

la solucin de catalizador.


39/180

11-36

Sabiendo las concentraciones de catalizador y cido clorhdrico en la solucin, el

volumen de lquido y el peso molecular se calculan los quilos que hay disueltos de

cada componente.

Tabla 11.2.8. Clculo de la cantidad disuelta de catalizador y HCl

Componente Concentracin (M) Peso molecular (kg/kmol) Cantidad disuelta(kg)

PdCl2 0,006 177,31 103,76

CuCl2 0,6 134,34 7862

CuCl 0,16 98,95 1544

HCl 0,0043 36,4 15,26

El volumen de lquido es de 97,54 m3 (121,920,8).

Existen unas prdidas de HCl debido a la formacin de cloruro de etileno y

cloruro de metileno. Estas prdidas se deciden que son la cantidad de estos

compuestos clorados que se van en la fase gas en el primer intercambiador de calor

del proceso.

Se considera que cada mol que se va de estos compuestos clorados es un mol que

desaparece de cido clorhdrico. Por tanto en el reactor hay una entrada continua de

cido clorhdrico para compensar estas prdidas.

Con el simulador Hysys se observa que la cantidad de compuestos clorados

que se va en la fase gas despus del primer condensador es de 1,0715 kmols/h.

Considerando que estos moles equivalen al cido clorhdrico que desaparece, a partir

del peso molecular del cido se obtiene el caudal msico que se tiene que agregar en

el reactor para que la concentracin de cido sea la deseada.

Se tienen que agregar39 kg/h.

- Cantidad de solucin de catalizador que se va al regenerador:

Se decide que la cantidad de solucin de catalizador que se va recirculando para

tratarla al regenerador es de 10,44 m3/h. Esto representa un tiempo de residencia

hidrulico de nueve horas.


40/180

11-37

hhm

m

Q

V

L

34,9/44,10

54,973

3

, ecuacin 11.2.20

- Diseo de los difusores:

La velocidad superficial del gas y el hold-up del reactor son dos parmetros que

vienen muy condicionados por el diseo de los difusores.

Hay diferentes tipos de difusores:

Figura 11.1.1. Tipos de difusores: a) difusor de un plato, b) difusor de mltiplos platos, c)

difusor tipo araa, d) difusor de tubos.

Se ha escogido un difusor de tubos tipo radial ya que mirando la bibliografa es

el que tiene menos prdida de carga.

El fenmeno que se tiene que evitar en los difusores de las columnas de burbujeo es

el weeping.

Este fenmeno ocurre cuando la energa cintica del gas a travs de los agujeros es

insuficiente para suportar el peso del lquido que est encima de estos agujeros.

Entonces el lquido entra en los difusores.


41/180

11-38

Para realizar el diseo de este difusor de tubos tipo radial nos basamos en

estos dos grficos siguientes, los cuales vienen representados a partir de las

condiciones que se encuentra nuestro reactor y de sus parmetros caractersticos

(densidad del lquido y del gas, altura del reactor, dimetro del reactor, y velocidad del

gas).

Figura 11.2.2. Representacin de diferentes cabezales de tubos (dH) y dimetros de tubos (dp)

en funcin de la prdida de presin y del nmero de tubos.

Es importante que la relacin entre prdidas de presiones que hay entre las

prdidas de presiones por friccin y las prdidas de presin que sufre el gas en

atravesar los agujeros sea menor que 0,1 (eje y derecho del grfico) para asegurar un

flujo uniforme.

Es por eso que se escoge un cabezal de tubos y un dimetro de tubos menor a esa

prdida de presin.

En nuestro caso se elige un cabezal de tubos de 0,25 m y un dimetro de tubo de0,038 m.


42/180

11-39

Figura 11.2.3. Representacin de diferentes relaciones de pich y dimetros de agujero en

funcin de la prdida de presin total el nmero de agujeros y el nmero de tubos.

De la figura 3 se escoge un dimetro de agujero de 4 mm y una relacin de

pitch y dimetro de agujero de 6.

Despus de haber decidido estos valores se calculan el resto de parmetros del

difusor.

Las ecuaciones utilizadas son las siguientes:

Primero se calcula la velocidad crtica en la que se produce el fenmeno del

weeping:

67,0

0

45,0

0

12,0

0

0 44,0

25,1d

H

d

x

d

Ldgv L

G

GLcrit , ecuacin 11.2.21

Dnde:

L: densidad del lquido (kg/m3)

D: densidad del gas (kg/m3)

g: constante de gravedad (m/s2)

d0: dimetro del agujero del difusor (m)

L: longitud del tubo del difusor (m)

x: pitch (m)

HL: altura del lquido en el reactor (m)


43/180

11-40

La velocidad que circula el gas por los agujeros tiene que ser mayor a esta

velocidad crtica.

El nmero de agujeros total se calcula a partir de la siguiente ecuacin:

2

0

2

dv

VDn

crit

Gtot , ecuacin 11.2.22

Dnde:

ntot: nmero total de agujeros

Vg: velocidad del gas en los agujeros (m/s)

D: dimetro de la columna (m)

Y la longitud de los tubos se calcula con esta expresin:

tottot ndd

xL 0

0

, ecuacin 11.2.21

La velocidad crtica es de 1,25 m/s.

La tabla siguiente muestra las caractersticas de nuestro difusor calculadas a

partir de las expresiones anteriores.

Tabla 11.2.9. Caractersticas del difusor

Tipo difusor Radial de tubos

Cabezal de tubos (m) 0,25

Dimetro del plato (m) 4,48

Dimetro del tubo (m) 0,038

Nmero de tubos 7

Longitud de un tubo (m) 1,436

Dimetro del agujero (mm) 4Pitch (m) 0,024

Nmero de agujeros 8000

Velocidad en el agujero (m/s) 30,32

Prdida de presin (Pa) 5470

Se observa que la velocidad en el agujero es superior a la velocidad crtica.

Las prdidas de presin se pueden considerar despreciables en comparacin ala presin de entrada del gas.


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11-41

11.3. DISEO DEL SEPARADOR DE FASES


- Material de construccin

El material de construccin elegido es el acero inoxidable 304, por sus buenas

propiedades mecnicas, a la vez que ofrece una buena resistencia a la corrosin ante

los productos que se manipulan en el interior de este equipo.

- Presin de diseo

Para establecer una presin de diseo se ha seguido el mismo procedimiento

que en los tanques de almacenamiento de acetaldehdo, y las frmulas 11.1 y 11.2,

detalladas en la nota introductiva.

En la tabla 11.3-1, se muestra la densidad del lquido en el separador y en la tabla

11.3-2, el volumen que ocupa.

- Temperatura de diseo

La temperatura utilizada para el diseo mecnico del separador, es la

temperatura de operacin de stos, especificada en la tabla 11.3-1.

- Espesor cuerpo y fondos


introductiva, frmulas 11.3 y 11.4.

En este caso, se utilizan los parmetros que aparecen en la tabla 11.3-1:

T (C) 135

S (bar) 1326

E 0,85Hliq (m) 0,3506

Hcil (m) 4,7

Densidad msica (kg/m3) 2,16

Phidro (bar) 0,074215008

P op (bar) 3,04

D (m) 1,51

r (m) 0,151

L (m) 1,51

C1 pared (mm) 1


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11-42

C2 tori sup (mm) 0,5

C2 inf (mm) 0,5

L/r 10

M 1,54


- Peso del equipo

El peso del separador de fases vaco resulta de la suma del peso de los dos

fondos toriesfricos, junto con el peso del cuerpo. Estos datos se consiguen con el

espesor de cada una de las partes nombradas, y con la densidad del material, que es

7900 kg/m3.

El peso del equipo se calcula con la frmula 11.1- 2, mientras que la de los fondos,

con 11.1-3.


peso del equipo vaco, el peso del fluido que ocupar nuestro recipiente, que ser el

porcentaje que ocupe ste fluido en la capacidad del equipo, por la densidad que

presente. La frmula 11.1-4 nos muestra esta relacin, la tabla 11.3-1, los parmetros

necesarios, y la tabla 11.3-2, los valores obtenidos.


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11-43

- Resumen diseo


Material AISI 304



DIMENSIONES









ESPESORES




PESOS






Equipo en operacin (kg) 2132,89Tabla 11.3- 2 Resumen diseo separador


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11-44


El separador de fases es un equipo que se utiliza para separar un fluido

alimento que se encuentra formado por dos o ms fases y tiene diferentes densidades.

Existen diferentes formas de clasificar los separadores segn la siguiente tabla:

Segn su forma:Segn el medio de

separacin:

Segn el nmero de

fases a separar:

- Separadores cilndricos

(horizontales y verticales)

- Separadores esfricos

- Separadores de dos barriles

- Separadores por gravedad

(verticales)

- Separadores por impacto

(filtros)

- Separadores por fuerza

centrifuga

- Bifsicos

- Trifsicos

Tabla 11.3.1: clasificacin de los separadores

La factibilidad de utilizar un determinado tipo de recipiente la determina la

experiencia, secuencia de clculo, costo comparativo y condiciones ms favorables.

En este proyecto se ha seleccionado el separador cilndrico vertical bifsico con

eliminador de niebla, el cual es muy usado y no requiere tanta capacidad para

acumular el lquido, adems este es muy eficiente en la separacin con una baja

prdida de carga. Al tener el separador un eliminador de niebla, que es una malla

metlica perforada que ayuda a la separacin, el separador se hace de menores

dimensiones lo que comporta una reduccin en el coste del equipo.Existen diferentes criterios para definir el tipo de separador; sin embargo, la mayora

de los separadores utilizan los mismos principios de separacin que se rigen por la

mecnica de los fluidos; debido a esto, lo importante es que el diseo sea el correcto y

considere todas las partes necesarias para cumplir con los principios de separacin

indicados a continuacin.

Principios de Separacin: Los principios fundamentales para realizar la

separacin fsica de vapor, lquidos o slidos son: el momentum cantidad demovimiento, la fuerza de gravedad y coalescencia. Toda separacin puede emplear


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11-45

uno o ms de estos principios, pero siempre las fases de los fluidos deben ser

inmiscibles y de diferentes densidades para que ocurra la separacin. A continuacin

se describen los principios de separacin:

Momentum o cantidad de movimiento: si una corriente de fases, cambia de

direccin bruscamente, las partculas de la fase liviana cambiaran de direccin

o se movern ms rpido que las del fluido de mayor densidad o mas pesado,

este cambio en la cantidad de movimiento produce separacin de las fases.

Fuerza de gravedad: las gotas de lquido se separan de la fase gaseosa,

cuando la fuerza de gravedad que acta sobre las gotas de lquido es mayor

que la fuerza de arrastre del gas sobre la gota de lquido. Estas fuerzas se

expresan matemticamente usando la velocidad terminal de asentamiento Vt

considerando las propiedades de los fluidos.

Coalescencia: para las gotas ms pequeas de lquido que forman una especie

de neblina o llovizna que son arrastradas por la fase gaseosa y no pueden ser

separadas por gravedad, se utiliza un mecanismo coalescedor. Estos medios

son los demister, eliminadores de niebla o mallas que hacen que las pequeos

gotas colisionen formando gotas ms grandes que por su mayor tamao y peso

hacen que se precipiten por gravedad.

Acumulacin de lquido: los lquidos separados se acumulan en el fondo, esta

seccin permite que ciertas partculas de gas mezcladas con el lquido se

separen debido a un tiempo de retencin que debe permanecer el lquido

acumulado.

Partes de un separador: todo separador, ya sea horizontal y vertical, bifsico o

trifsico, para poder cumplir con los principios de separacin, deben de dotarse de los

mecanismos necesarios para cumplir con los principios de separacin indicados

anteriormente, para esto, se han establecido cuatro secciones principales (Figura-

11.3.1) que se definen a continuacin:


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11-47

apreciablemente y en consecuencia, la corriente de gas sube a una velocidad

reducida, provocando que las partculas dispersas de lquido se depositen en el fondo

del recipiente.

Durante la separacin secundaria se observan zonas de fase continua con gotas

dispersas (fase discontinua), sobre la cual acta la fuerza de gravedad, que se

encarga de decantar hasta cierto tamao de gotas de la fase pesada discontinua en la

fase liviana continua. Tambin produce la flotacin de hasta un cierto tamao de gotas

de la fase lquida liviana (fase discontinua), en la fase pesada continua. En esta parte

del recipiente la fase liviana se mueve a una velocidad relativamente baja y con muy

poca turbulencia.

Esta zona se disea en funcin de la velocidad crtica o terminal del gas, ya que esta

define el lmite mximo superior para la velocidad del gas dentro del separador; por

consiguiente, el separador debe trabajar a una velocidad inferior a la crtica, para

lograr que la fuerza de gravedad haga caer las partculas de lquido. Por lo tanto para

obtener las dimensiones de esta seccin es fundamental calcular lo mejor posible este

parmetro.

Seccin de extraccin de neblina (seccin-C figura-11.3.1): aqu se

separan las minsculas partculas de lquido que contiene el gas despus de haber

pasado por las dos secciones anteriores. Los eliminadores de niebla son aditamentos

para eliminar pequeas gotas de lquido que no pueden ser separadas por la simple

accin de la gravedad en separadores vaporlquido.

Las gotas finas alcanzan un tamao lo suficientemente grande para separarse por

gravedad: para lograrlo se hace necesario tener elementos como los eliminadores de

niebla Mallas para el caso de separadores lquidovapor, o las esponjas o platos

coalescedores, en el caso de la separacin lquidolquido.

Estos eliminadores se disean en funcin del valor de K asumido en la ecuacin deSouders Brown. Los fabricantes disean el extractor de neblina y luego lo ajustan en el

campo al valor de K asumido para obtener el funcionamiento esperado del separador.

No es necesario que el equipo posea eliminador de neblina; sin embargo al utilizar

estos elementos, se disminuye el tamao del separador, por esto suelen encontrarse

unidades pequeas que pueden manejar cantidades de gas mayores a lo esperado.

Seccin de acumulacin de lquido (seccin-D figura-11.3.1): el lquido con

cierta cantidad de gas se acumula en la parte inferior del separador. Esta seccin debedisearse en funcin del tiempo necesario que permita que el gas atrapado en el


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11-48

lquido se separe; este tiempo, depende del lquido a separar y debe proveerse al

separador del suficiente espacio de acumulacin para cumplir o superar con el tiempo

de retencin especifico.

El parmetro a utilizar para el diseo de esta seccin depende de los diseados, pero

debe considerarse que cierto volumen de lquido dentro del recipiente es obligatorio,

ya que evita que el gas escape por el fondo y la formacin de vrtices; para evitar

esto, se utilizan rompe vrtices que son elementos internos que estn adosados

internamente a las boquillas de lquido, y su funcin es evitar el arrastre de burbujas

de vapor/gas en la corriente lquida que deja el tambor.

Ejemplo de diseo del separador vertical:

El diseo de separadores, comprende proveer al recipiente de un dimetro,

longitud y elementos internos para lograr los principios de separacin. Dependiendo

del autor, fabricantes, tipo de separador y empresas que utilizan estos equipos, existen

diferentes criterios para su dimensionamiento. A continuacin se describe el

procedimiento utilizado para el diseo del separador:

a) Velocidad terminal: se han determinado constantes de Souders Brown: K

para calcular las velocidades terminales o crticas, y de esta forma obviar el tamao y

forma de partcula. En la tabla-11.3.2, se indica los rangos de K recomendados para

ser utilizados en la siguiente ecuacin, considerando un recipiente con una longitud

mayor a 10 pies:

' L gVt Kg

ecuacin 11.3.1

Vt: velocidad terminal (ft/seg).

L : densidad de lquido (lbm/ft 3 ): 44,57.

g : densidad de gas (lbm/ft 3 ): 0,08.

K: constante de Souders Brown (el promedio de la recomendada por la GPSA es de

0.35 ft/seg).

El ajuste por presin es de un 83%, por lo tanto la K= Kx(0.83)=0.35x(0.83)=0.29.


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11-49

Reemplazando los valores anteriores en la ecuacin (1) el valor encontrado de

Vt=6,53 ft/seg.

Es importante indicar que las constantes K, se utilizan para separadores con

extractor de neblina, el valor utilizado para el diseo del separador debe indicarse para

la seleccin del demister o elemento coalescedor que se utilizar en la salida de gas

del equipo.

Tabla-11.3.2: valores recomendados para las constantes K

b) Dimetro del separador: el dimetro del separador influye en la seccin de

fuerzas gravitacionales; ya que un dimetro pequeo aumenta la velocidad dentro del

equipo y puede causar arrastre, evitando que las partculas de lquido se precipiten,esto tambin puede ser causado por la mala operacin si se disminuye la presin de

operacin del separador. El dimetro de un separador se determina en funcin del

caudal de gas y el primer paso es determinar el rea necesaria para el gas, que se

determina con la siguiente ecuacin:

Qg

Ag Vt ecuacin 11.3.2


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11-50

Donde:

Ag: rea de gas (ft) 2 .

Qg: caudal de gas de diseo en las condiciones de operacin del separador (ft 3 /seg).

Vt: velocidad terminal de asentamiento (ft/seg).

Primero se calcul el caudal de gas de diseo segn la siguiente expresin:

( ) 1,2diseoQg Qg 3 3( ) 1,2 104,67 (ft / ) 125,60 (ft / )diseoQg seg seg

Luego reemplazando el valor de la velocidad terminal y el caudal de gas de

diseo en la ecuacin 11.2.2, se encontr el valor del rea y el dimetro delrecipiente, as:

32125,60 (ft / ) 4

19,23(ft ) 4,95 (ft) =1,51 (mt)6,53 (ft/seg)

seg AgAg Dg

c) Boquillas del recipiente: como se observa en la figura 11.3.2, la dimensindel separador vertical depende del tamao de las boquillas del recipiente; estas

boquillas se dimensionan en funcin de la velocidad. A continuacin se describe el

clculo de los dimetros de las 3 boquillas que tiene el separador:

- Boquilla de entrada: se considera que la alimentacin del separador es solo

gas. Se calcula la velocidad en la boquilla de entrada (Ve) segn la siguiente

expresin en funcin de la densidad de la mezcla ( m ):

60Ve

m ecuacin 11.3.3

3 3 3 3

3

3 3

(0,12 (ft / ) 44,57 (lb/ft ) (125,60(ft / ) 0,08 (lb/ft )0,13 (lb/ft )

(0,12 (ft / ) 125,60 (ft / ))

QL L Qg g seg segm

QL Qg seg seg

Donde:


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11-51

QL: caudal de lquido de diseo: ( ) 1,2diseoQL QL .

Qg: caudal de gas de diseo.

L :densidad del lquido.

g ::

densidad del gas.

Reemplazando el valor de la densidad de la mezcla en la ecuacin (3) se

obtiene un valor de Ve= 165,4697357 (ft/seg). Este valor debe ser menor a 30 (ft/seg),

por lo tanto al calcular el rea de la boquilla de entrada (Ae) se reemplaza

directamente los 30 (ft/seg) en la Ve. Adems se encontr el valor del dimetro de la

boquilla de entrada:

3 32( ) ( ) (0,12 (ft / ) 125,60 (ft / )) 4 ( )4,19 (ft ) ( ) 2,31 (ft)

30( / )

diseo diseo boquillaboquilla

Qm QL Qg seg seg AAe D

Ve Ve ft seg

-Boquilla de salida del gas: para calcular el dimetro de la boquilla de salida del

gas se debe calcular la velocidad en la boquilla de salida de gas (Vg) de la siguiente

manera:

50Vgg

ecuacin 11.3.4

Reemplazando el valor de g en la ecuacin 11.3.4,

3

50168,55 (ft/seg)

0,08 (lb/ft )Vg

Ahora se determina el valor del rea de la boquilla de salida de gas (Ag) y surespectivo dimetro, as:

32125,60 (ft / ) 40,74 (ft ) ( ) 0,97 (ft)

168,55 (ft/seg)boquilla

Qg seg AgAg D

Vg

-Boquilla de salida del lquido: se recomienda un valor de la velocidad en la

boquilla de salida de liquido (Vl) de 3 (ft/seg) para poder calcular el rea de la boquilla

de salida de liquido (Al) y su respectivo dimetro de la siguiente manera:


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11-52

320,12 (ft / ) 40,04 (ft ) ( ) 0,23 (ft)

3( / )boquilla

QL seg AlAl D

Vl ft seg

d) Altura del separador vertical: la altura de un separador influye en la

seccin de fuerzas gravitacionales y en la de acumulacin de lquido. Se seleccion el

criterio dado por la GPSA (Gas Processors Suppliers Association) para establecer la

altura de recipientes verticales, segn la siguiente figura:

Figura-11.3.2: altura del separador vertical segn la GPSA

Donde:

Dv: dimetro del recipiente

De: dimetro exterior de la boquilla de salida

Di: dimetro exterior de la boquilla de entrada


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11-53

Figura -11.3.3: parte superior de un recipiente vertical

- Pasos de clculo:

1) Se verifica el volumen de retencin de lquido (Vrl), para determinar la altura de

lquido permanente en el recipiente (hl), se asumir tres minutos de retencin del

lquido (tr). Segn la siguiente expresin se obtiene el volumen de retencin de lquido:

3 360 0,12 (ft / ) 3(min) 60( ) 22,12 (ft )Vrl QL tr seg seg seg

La altura de lquido permanente en el separador se calcula de la siguiente

forma:

Vrlhl

A ecuacin 11.3.5

El rea del recipiente (A) es funcin del dimetro del separador (D) calculado

anteriormente, as se obtiene:

2 22( ) (4,95 (ft)) 19,23 (ft )

4 4

DA

Reemplazando el valor del rea y el volumen de retencin de liquido en la

ecuacin (5) se obtiene un valor de altura de lquido, hl= 1,15 ft


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11-54

2) Altura del nivel alto de lquido al mximo nivel de lquido (H2), se recomienda

1(ft).

3) Altura desde el nivel ms alto de lquido hasta el final de la boquilla (H3), se

recomienda dos veces el dimetro de la boquilla de entrada. As se obtiene una altura:

H3=2xDb=2x 2,31(ft) =4,62 (ft)

4) Altura del final de la boquilla al eliminador de neblina (H4), se recomienda

dimetro del recipiente o 24 pulgadas como mnimo, como el dimetro del recipiente

es 4,95 ft, se selecciona sta altura.

5) Altura del eliminador de neblina (H5) de 6 pulgadas=0.5 (ft).

6) Altura de la malla a la lnea tangente superior (Cm), se dimensiona con la

figura 11.3.3, es decir se utiliza la siguiente ecuacin:

2

Mod NodCm ecuacin 11.3.6

Donde:

Mod: dimetro del extractor de neblina= dimetro del separador.

Nod: dimetro de la boquilla de salida de gas.

Reemplazando los valores de Mod y Nod en la ecuacin (6) se obtiene un valor

de Cm= 1,99 (ft).

4,95 (ft)1,24 (ft)

4 4

Dho

Altura final = Cm-ho = 0,75 (ft)

7) La altura total del separador es el sumatorio de hl + H2 + H3 + H4 + H5 +altura final + 2xho, as se obtiene una altura de 15,44 (ft)= 4,71 (mt).


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11-55

8) La relacin longitud (altura) entre el dimetro es de:

3,12L

D

9) El volumen del separador se obtiene de la siguiente forma:

38,41( )Volumen rea altura m

A continuacin se presenta una tabla resumen de los parmetros ms

importantes de diseo del separador:

Separador

Dimetro (m) 1,51

rea (m) 1,79

Altura (m) 4,71

Volumen (m) 8,41

Tabla 11.3.3: resumen de diseo del separador

e) Eliminador de niebla tipo malla (mallas):

Se describe en general como demister malla de alambre, consiste en un

filtro trenzado de alambre, normalmente de acero inoxidable empacado en forma de

esponja cilndrica, con un espesor entre 3 y 7 pulgadas y densidad entre 10 y 12 lb/ft 3 .

Este elemento retiene las partculas lquidas hasta que adquieren un tamao

suficientemente grande como para que el peso supere tanto la tensin superficial

como la accin de arrastre producida por el gas. Posee una de las ms altas

eficiencias de remocin y es preferido debido a su bajo costo de instalacin.

Para el separador que tenemos en la planta, se seleccion del catlogo de la

empresa Koch-glitsch los DEMISTER Mist Eliminators (ver figura 11.3.4) en

material de acero inoxidable por las siguientes ventajas:

- Facilidad de instalacin en los equipos.


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- Bajo costo de instalacin.

- Alto rendimiento con baja cada de presin.

- Entrega rpida y en caso de emergencia hay entregas disponibles.

- Resistencia a la corrosin.

Cabe remarcar que esta empresa ha adoptado un valor de K=0,35 ft/seg como pauta

estndar para el diseo de estos demisters tradicionales; este mismo valor es el

asumido anteriormente en el diseo del separador:

Fig 11.3.4: demister de la empresa Koch-glitsch

f) Deflector de entrada:

De la empresa Sulzer se seleccion el siguiente deflector:

Fig. 11.3.5: deflector de entrada


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11-57

11.4. DISEO DE LOS INTERCAMBIADORES DE CALOR

- Tipos de intercambiadores de calor segn la fase del fluido:

En nuestro proceso de sntesis de acetaldehdo tenemos que diferenciar los

intercambiadores segn si el f luido que circula cambia de fase o no.

1. Cuando no hay cambio de fase se utiliza un intercambiador de carcasa y tubos

diseado por el mtodo de Kern.

2. Si el fluido cambia de fase, tambin se utiliza el mismo tipo de equipo:

intercambiadores de carcasa y tubos pero tienen una serie de modificaciones en

comparacin al caso anterior. Este cambio de fase puede ser debido a una

condensacin o a una evaporacin. En nuestro proceso encontramos los dos casos y

por lo tanto tenemos condensadores y evaporadores. Han sido diseados mediante el

mtodo de Kern pero con alguna modificacin ya que se tiene que considerar este

cambio de fase.

Adems dentro de los condensadores podemos distinguir dos tipos tambin.

Cuando el fluido que condensa todo o parcialmente. Entonces hablaremos de un

condensador total o un condensador parcial.

- Decisin del fluido que circula por carcasa y por tubos:

Es importante decidir que fluido circula por carcasa y cual por tubos.

En la mayora de intercambiadores de nuestro proceso uno de los fluidos que

circula sufre un cambio de fase. Este fluido que condensa o se evapora se decide que

circula por carcasa por cuestiones prcticas de circulacin, ya que es ms fcil lacirculacin de una mezcla gas lquido por carcasa que por tubos.

Tambin se debe tener en cuenta que cuando la condensacin es parcial es ms

fcil poder separar la fase gas y la lquida si el fluido circula por carcasa.

Cuando no hay cambio de fase los criterios son los siguientes:


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Pasaremos por tubos:

Los fluidos ms corrosivos (de esta forma si hay una fuga queda la carcasa

para proteger).

Los fluidos ms sucios (los tubos son ms fciles de limpiar).

Los fluidos que estn a temperaturas ms elevadas (as la parte externa del

intercambiador no estar a elevada temperatura).

Pasaremos por carcasa:

Los fluidos ms viscosos.

El caudal ms bajo.

- Proceso de diseo:

En primer lugar se muestra el diseo de un intercambiador de carcasa y tubos sin

cambio de fase siguiendo los pasos del mtodo de Kern. Una vez mostrado el mtodo

se presentaran las consideraciones que se han tenido en cuenta para hacer la

modificaciones de ste mtodo cuando tenemos cambio de fase.

El intercambiador que sirve de ejemplo es el HE-503-a/b. Se trata del segundo

intercambiador que hay en la recirculacin, despus de la salida de colas de lasegunda torre de destilacin.

Primero de todo se muestra la tabla dnde se encuentran las caractersticas fsicas

y qumicas de cada uno de los corrientes que entran en la unidad.

Tabla 11.4.1. Caractersticas de las corrientes de carcasa y tubos

carcasa: agua tubos: fluido proces

ENTRADA SALIDA media ENTRADA SALIDA mediafase L L L L

Temperatura (C) 7 12 9,5 65 31 48

Presin (atm) 1 1 1 1 1 1

Caudal msico (kg/s) 262,6 262,6 262,6 38,03 38,03 38,03

densidad (kg/m3) 1021 1017 1019 976,4 1004 990,2

viscosidad (kg/ms) 1,42E-03 1,23E-03 1,32E-03 4,30E-04 7,97E-04 6,14E-04

Cp (J/kg*C) 4125 4166 4145,5 4200 4219 4209,5

conductividad (W/mK) 0,5816 0,5903 0,58595 0,6581 0,6812 0,66965


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11-59

Las propiedades fsicas de los dos fluidos se han sacado a partir del simulador

Hysys.

1. Balance trmico

A partir del balance trmico se puede saber la cantidad de caudal msico

necesario de agua.

)()( 1221 ttCmTTCMq pttpSS , ecuacin 11.4.1

Dnde:

S: carcasa (shell).t: tubos.

M,m: caudal msico (kg/s).

Cp: capacidad calorfica (J/kgC).

q: calor intercambiado (W).

Las incgnitas son el calor (q) y mt (caudal msico de agua).

q= 5442967,69 Wmt= 262,6 kg/s

2. Clculo de DTML

2.1 Decidir el tipo de circulacin (paralelo, contracorriente)

Se decide que el tipo de circulacin es en contracorriente.

T1 = T1 t2 = 24C

T2 = T2 t1 = 53C

Una vez calculada la diferencia de temperaturas se calcula el DTML:

2

1

21

lnT

TTT

DTML =36,6C, ecuacin 11.4.2


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11-60

2.2 Decisin del nmero de pasos por carcasa (ns) y por tubos (nt).

En la primera iteracin se supone que el nmero de pasos por carcasa y el

nmero de pasos por tubo es uno. El nmero de carcasa se mantiene a uno ya que es

el ms tpico y para tener ms de uno hay que tener unas temperaturas entre el fluido

de los tubos y el fluido de la carcasa que no sean adecuadas. El nmero de tubos se

incrementa o disminuye en las diferentes iteraciones para que el intercambiador

cumpla todos los parmetros. El nmero final de pasos por tubo escogido es de 4.

3. Correccin DTML (DTML)c

La correccin se realiza con el parmetro F que est en funcin del nmero de

pasos por carcasa y por tubos y de las temperaturas de entrada y salida del

intercambiador.

(DTML)c = DTMLF

Si F>0,85, corregir DTML

Si F


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11-61

sobredimensionado y lo damos por bueno. Como mucho dejamos que sea un 15%

sobredimensionado. Si el valor calculado al punto 7 es mayor a un 15% hay que volver

a suponer otra U.

4.2 Clculo de la rea total del intercambiador

Se encuentra de la siguiente manera:

cDTMLU

qA

)(=102,19 m2, ecuacin 11.4.5

4.3 Seleccin de las caractersticas de los tubos

El dimetro de los tubos se recomienda que sea entre 16 y 50 mm. En nuestro

caso el dimetro es de 30 mm. Se recomienda que sea pequeo por temas

econmicos pero por aspectos de limpieza es mejor utilizarlos grandes. Otra razn

porque se ha escogido grande ha sido para disminuir la velocidad del fluido en los

tubos.

El espesor de los tubos viene en funcin de la presin interna y del factor de corrosin.

A partir del cdigo ASME se ha calculado el espesor necesario para resistir esta

presin. En este caso se necesita un espesor de 1 mm.

A consecuencia de este espesor el dimetro interno es de 28 mm.La longitud tpica de tubos es entre 1,83 a 4,88 metros. Escogiendo tubos largos se

obtiene un dimetro de carcasa menor y de esta forma se consiguen reducir los costes

si hay presiones elevadas en el interior de la carcasa.

Los tubos tienen una largada de 5 metros pero se tienen que restar 2,5 cm por lado

para realizar la conexin con el cabezal.

La largada de los tubos es un poco superior a la tpica pero es la nica forma para que

la relacin que hay entre la largada de los tubos y el dimetro de carcasa se encuentre

dentro del rango (punto 4.7).

4.4 Distribucin de los tubos

Se define el pitch como la distancia entre los centros de dos tubos

consecutivos.

La distribucin de los tubos puede ser triangular, cuadrada o romboidal. La distribucin

triangular y romboidal proporcionan altas velocidades de transferencia de calor, pero

en cambio las prdida de presin son altas comparadas con el pitch cuadrado. Como

nuestro caso no hay prdidas de presin muy considerables se escoge unadistribucin triangular.


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11-62

El pitch recomendado y que utilizamos es de 1,25 veces el dimetro externo de

los tubos. En este caso es de 37,5 mm.

4.5 Clculo del nmero de tubos, Nt.

A partir de los valores del dimetro externo de los tubos y de su longitud se

puede calcular el rea de intercambio de un tubo At:

LDA Et =0,46 m2 , ecuacin 11.4.6

Con el rea total de intercambio necesaria (A) y A t se calcula el nmero de

tubos Nt.

t

totalt

A

AN =219,05 220, ecuacin 11.4.7

4.6 Clculo del dimetro de carcasa

Los dimetros tpicos de carcasa suelen oscilar entre 150 mm y 1520 mm.

Para calcular el dimetro de carcasa se tiene que sumar al haz de tubos (bundle

diameter, Db) el espacio que tiene que existir entre el haz de tubos y la pared externa

de la carcasa que depender bsicamente del tipo de carcasa utilizada. Este espacio

se puede calcular segn el tipo de carcasa a partir de unas grficas. Los tipos de

carcasa que se contemplan en esta figura corresponden a los que se especifican en lasiguiente tabla:

Tabla 11.4.2. Tipos de carcasa

Fixed and U-tube Tipo U/L/M/N

Outside packed head Tipo P

Split-ring floating head Tipo S/W

Pull-trough floating head Tipo T

Se elige el tipo T y se representa la grfica que servir para saber el dimetro

de carcasa.


66/180

11-63

Grfica 11.4.1. Representacin de la carcasa tipo T

Para obtener el dimetro de la carcasa es necesario conocer el dimetro del

haz de tubos (Db). El dimetro del haz de tubos depende tanto del nmero de pasos

por tubos, como el nmero de tubos y del pitch escogido. Se calcula a partir de la

siguiente expresin:

776

1/1

1

n

tEb K

NDD , ecuacin 11.4.8

Dnde:

Nt = nmero de tubos.

Db = dimetro del haz de tubos en mm.

DE = dimetro exterior de los tubos en mm.

n1 y K1 = son funcin del pitch escogido y del nmero de pasos por tubos segn la

siguiente tabla:

Tabla 11.4.3. Valores de n1 y K1 para pitch triangular.

Pitch triangular pt = 1,25 DE

Pasos por tubo 1 2 4 6 8

K1 0,319 0,249 0,175 0,0743 0,0365

n1 2,142 2,207 2,285 2,499 2,675

Tabla 11.4.4. Valores de n1 y K1 para pitch cuadrado.

Pitch cuadrado pt = 1,25 DE

Pasos por tubo 1 2 4 6 8

K1 0,215 0,156 0,158 0,0402 0,0331

n1 2,207 2,291 2,263 2,617 2,643


67/180

11-64

Como tenemos un pitch triangular y 4 pasos por tubo utilizamos los valores de

K1 = 0,175 y n1 = 2,285

A partir de la grfica 1 y con todos los parmetros encontrados se obtiene un

Ds = 0,77 m

4.7 Comprobacin de la relacin L/Ds

Se comprueba que el cociente entre la longitud de los tubos y el dimetro de

carcasa est comprendido entre 4 y 6.

Si L/Ds est entre 4 y 6 se pasa al siguiente punto (4.8).

Si L/Ds es menor que 4 se supone un valor de L ms grande y se vuelve al

punto 4.5.

Si L/Ds es mayor que 6 se supone un valor de L ms pequeo y se vuelve al

punto 4.5.

En nuestra caso la relacin que tenemos al final de diferentes iteraciones es de

L/Ds=5,75

Como se trata de un valor intermedio entre 4 y 6 podemos seguir con el punto 4.8.

4.8 Seleccin del nmero de pasos por tubo (npt) mediante velocidades tpicas decirculacin de tubos (vt).

Para calcular la velocidad del paso del fluido por tubos primero tenemos que

calcular el rea de paso por un tubo (Apaso1tubo) y el nmero de tubos por paso (Ntp).

El rea d

calculo de planta

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