TEMA 9.2.- EBULLIDORES DE CARCASA Y TUBOS

CONTENIDOS DEL TEMA

9.2.1 Tipos de ebullidores9.2.2 Fundamentos de la transmisión de calor en ebullición9.2.3 Diseño de ebullidores con circulación forzada9.2.4 Diseño de ebullidores tipo termosifón9.2.5 Diseño de ebullidores tipo caldera

TEMA 9.2.- EBULLIDORES DE CARCASA Y TUBOS OBJETIVOS

La finalidad principal de este tema es conocer los tipos de ebullidores más habituales y aprender a dimensionar térmicamente los ebullidores de carcasa y tubos. Al finalizar este tema:9.2.1 Identificar las partes básicas de los distintos tipos de ebullidores9.2.2 Calcular el área de intercambio de calor necesaria para un ebullidor9.2.3 Seleccionar el ebullidor más adecuado para una determinada aplicación9.2.4Realizar el diseño térmico de ebullidores tipo caldera o de circulación forzada9.2.5 Realizar de forma aproximada el diseño térmico ebullidores de tipo termosifón

Métodos de diseño para:Ebullidores (calderines) → vaporizar una fracción de líquido (producto de colas de una columna de destilación)Vaporizadores

En vaporizadores → necesidad de separador

Ebullidor de circulación forzada

1.- Circulación forzada → el fluido se bombea con una bomba a través del cambiador, y el vapor formado se separa en la base de la columna. Para fluidos viscosos y sucios (velocs. altas)Para vacío y velocs. de vaporización ↓Costes de bombeo

1.1 Tipos de ebullidores

Ebullidor tipo termosifón vertical

2.- Termosifón → Circulación natural. (Por la diferencia en densidad entre la mezcla L+V en el intercambiador y la fase única (L) en la base de la columna)-Verticales con vaporización en los tubos-Horizontales con vaporización en carcasaEconómicosNo adecuados para viscosos y alto vacío

Base de la columna elevada para lograr la carga hidrostática requerida para el efecto termosifón → Coste soporte estructura↑

Ebullidor tipo termosifón horizontal

3.- Tipo caldera → (Ebullidor de bancada sumergida) ebullición sobre tubos inmersos en una piscina de líquido → No hay circulación de L a través del intercambiador → U↓No líquidos suciosTiempo residencia ↑Carcasas grandes → Costes ↑ (Ebullidorinterno: bancada dentro de la columna)Para vaporizadores → no necesita separador adicionalPara vacío y altas velocs. de vaporización Ebullidor tipo caldera

Ebullidor interno

Ebullidor interno

Selección del tipoFactores:1.Naturaleza del fluido del proceso (μ, tendencia a ensuciamiento)2.P de operación: vacío o P3.Disposición del equipo (particularmente la carga del altura)

9.2.2 Fundamentos de la TQ en ebullición

Estimación coefs. difícil → mejor valores experimentales

¡ Ebullición sobre superficie sumergida(ebullición nucleada en una piscina de líquido)

Ej.: Tipo caldera o tanque encamisadoSe podría dar también ebullición en película, sin embargo: → Todos los ebullidores/vaporizadores se diseñarán para operar en la región de ebullición nucleada

→ El medio calefactor será seleccionado y su T controlada para asegurar que la dif de T esté por debajo a la correspondiente al flujo crítico. Por ej.: si se va a utilizar calentamiento directo con vapor que va a llevar a una dif. de T demasiado alta, el vapor se usará para calentar agua y será este agua caliente la que se utilice como medio calefactor.

Ebullición nucleada en piscina de líq.hnb= f(natulareza superficie)→ Difícil correlaciones universales Foster y Zuber :

75.0·

24.0

24.024.029.05.0

49.045.079.0

)PP()TT(···

·Cp·k·00122.0h swswVL

LLLnb −−⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡=

ρλμσρ

S.I.:hnb: coef. de ebullición nucleada, W/m2·ºCkL: W/m·ºC CpL: J/kg ºCμL: N·s/m2 ρL, ρV: kg/m3 λ:J/kgσ: Tensión superficial, N/mTw: T de la superficie, ºC Ts: T de saturación, ºCPw: P de saturación a Tw, Pa Ps: P de saturación a Ts, Pa

Ec. de Mostinski (1963):

[ ]102.117.07.069.0 )·(10)·(4)·(8.1·)·()·(104.0 rrrcnb PPPQPh ++=

Pr = P/Pc

Q=q/A : densidad de flujo de calor, W/m2 = hnb·(Tw – Ts)

Para mezclas → h es < que el predicho por estas ecs.

Ebullición convectiva (el fluido fluye sobre la superficie caliente) → Convección forzada + ebullición nucleada

Fluido en ebullición con flujo ascendente en un tubo:Ebullición convectiva en tubo vertical ascendente: Condiciones de flujo:

1.Región de única fase: en la entrada el líqentra subenfriado → Convección forzada

2.Ebullición subenfriada → ebullición local en la pared

3.Ebullición saturada → eb. global (= nucleada en una piscina)

4. Región de pared seca → elevada fracción de alimentación vaporizada, la pared se seca, y el líq restante permanece en forma de niebla. → TQ por convección y radiación

3. es el mecanismo + interesante para diseño de ebullidoresMétodo de Chen (1966)

hcb =h’c + h’bh’c: coef. de ebullición convectiva (anular dice el Kreith)h’b: coef. de ebullición nucleadah’c: se calcula partir del coef de convección en el líquido corregido por un factor (fc) que es función de Xtt

cL

LL

ccc fDkDxGfhh ···Pr)1·(023.0·' 4.0

8.0

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −==

μ

Factor de corrección, fc:

1.01213.0135.2

1.011

736.0

>⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

<=

ttttc

ttc

XSi

Xf

XSif

Xtt: parámetro de Lockhart-Martinelli

1.05.09.0

··1

1⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−

=L

v

v

L

tt xx

X μμ

ρρ

o Gráfica fc vs 1/Xtt

h’b: se calcula partir del coef de ebullición nucleada en piscina de líquido corregido por un factor (fS)fS ∈ (0,1) → Ebullición nucleada es más difícil en un líquido fluyendo

sswswVL

LLLsnbb fPPTTCpkfhh ·)()(

····.··00122.0·' 75.0·24.0

24.024.029.05.0

49.045,079.0−−

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡==

ρλμσρ

Factor fs:

70Re1.0

70Re5.32)·Re42.01(

5.32Re)·Re12.01(

178.0

114.1

>=

<<+=

<+=

−

−

TPs

TPTPs

TPTPs

Sif

Sif

Sif

25.1·)·1(Re cL

eTP fdxG

μ−

=

Gráfica fs vs ReTP

9.2.3 Diseño de ebullidores con circulación forzada

Cálculo de h:Suposición → Calor transferido sólo por convección

→ Valor conservador de h: Ebullición → q↑

Si evaporación es significativa → hcb (Método de Chen)Configuraciones habituales:Diseños convencionales de carcasa y tubos1 (carcasa) × 2 (tubos) → Fluido de proceso en carcasa1 × 1 → Fluido de proceso en tubos (u=3-9 m/s)

Flujo crítico en convección forzada→ difícil de predecirKern (1950) recomendó:Q < 63000 W/m2 (para orgánicos)Q < 95000 W/m2 (agua y disoluc. acuosas diluidas)

Veloc. no puede determinarse de forma explícita →Diseño complicado

Velocidad q interrelacionados → Métodos iterativos(-ΔP)

Balance de presiones → Velocidad de circulación

9.2.4Diseño de ebullidores tipo termosifón

Procedimiento de diseño:1.Calcular la veloc. de vaporización requerida2.Suponer U → Estimar A Distribuir el cambiador y dimensiones de las tuberías3.Suponer velocidad de circulación por el cambiador4.Calcular (-ΔP) en la tubería de entrada (1 fase)5.Dividir el cambiador en secciones y calcular (-ΔP) sección por sección del tubo6.Calcular (-ΔP) en la tubería de salida (2 fases)7.Comparar la caída de P calculada con la carga disponible →Si (-ΔP)calc > Cargadisponible → Volver a 38.Calcular U y q sección por sección a lo largo de los tubos9.Calcular la veloc. de vaporización a partir de q y comparar con el valor requerido en 1.10.Comprobar que no se sobrepasa la densidad de flujo de calor crítica en ningún punto de los tubosOptimizar el diseño repitiendo el proceso

Gráfica Coulson 12.59: Flujo de calor de diseño

vs. ΔT

Método aproximado de FRANK y PRICKETT

1.Diseños convencionales: Tubos → L = 2.5 – 3.7 m (L Standard = 2.44 m) → di = 25 mm (di↑ para ensuciamiento)2.Nivel de líquido a la altura de la placa tubular superior3.Coef. de ensuciamiento de proceso, 6000 W/m2·ºC4.Si fluido calefactor = vapor de agua→ coef. incluyendo ensuciamiento, 6000 W/m2·ºC5.Tuberías de entrada y salida sencillas6.Tubería de salida lo más corta posible y con una sección transversal al menos igual que la sección transversal total de los tubos7.Para Tr > 0.8 → utilizar la curva correspondiente a disoluciones acuosas 8.P mínima de operación = 0.3 bar9.El fluido a la entrada no debe estar muy subenfriado10.No es recomendable extrapolar

Para medios de calefacción ≠ vapor de agua, y coefs. de ensuciamiento ≠ 6000 W/m2·ºC → Q leído en la fig. 12.59 hay que corregirlo:

idsC hhUU1

600011

60001

'11

+−+−='

''T

QUΔ

=

Q’ : densidad de flujo de calor leída en fig. 12.59hs: nuevo coef. del lado de la carcasa, W/m2·ºChid: coef. de ensuciamiento del lado de los tubos, W/m2·ºCUC: chef. global corregido, W/m2·ºC

Flujo de calor máximoFlujo pulsante de L y V Si q↑↑ → pulsaciones pueden cerrar paso al vapor. Solución: instalar una restricción al flujo en la entrada, válvula, orificio.Kern: Qtermosifón < 37900 W/m2

Collins: Termosifones horizontalesQ = 47300 W/m2 para di = 20 mm Q = 56800 W/m2 para di = 25 mm Termosifón vertical → Flujo máximo de q (Lee et al., 1956)

9.2.5 Diseño de ebullidores tipo calderaDiseño basado en datos para ebullición nucleadaVapor ascendente → 2 efectos contrapuestos:- Tendencia a envolver los tubos → reduce q- Aumento de turbulencia por las burbujas de vapor

Palen y Small (1964):- Suponer hnb para un tubo (Foster y Zuber): porque experimentalmente → h para bancadas > htubo- Flujo máximo: ec. para 1 tubo · Factor corrección por la distribución de los tubos

[ ] 25.02)··(···· VVLto

tbcb g

NdPKQ ρρρσλ

−⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

Qcb: densidad de flujo de calor crítica (máxima) para la bancada, W/m2

Kb: 0.44 para distribución cuadrada0.41 para distribución triangular

Pt: paso de tubodo: diámetro exterior tuboNt: nº tubos en bancada

Factor de corrección = 0.7 → Qbancada = Qnb·0.7Esta ec. predice valores↑Ebullidores tipo caldera comerciales → Qmax = 37900 W/m2

-Disposición de los tubos: Triangular o cuadrada → no efecto significante en el chef de TQ.-Pt = (1.5-2.0)·do para evitar bloqueo del vapor-Bancadas finas y largas son más efectivas-Carcasa con espacio suficiente para separar V y L-Diámetro carcasa requerido = f(q)

-Espacio entre el nivel del L y la carcasa > 0.25-Para evitar arrastre excesivo → Veloc. máxima en la superficie del líquido:

Q(W/m2)

Ds / Db (m)

25000 1.2 / 1.525000-40000 1.4 / 1.8

40000 1.7 / 2.0

2/1

·2.0 ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −<

v

vLvû

ρρρ

Cuando se requieren velocs. de vaporización bajas se puede utilizar un depósito vertical cilíndrico con un encamisado o serpentín por donde circula el fluido calefactor.- Diferencia de temperaturas: Isotermo en los 2 lados : (ΔT) = Tsat,1 – Tsat,2

Variación de T en un lado ( subenfiam. o sobrecal.):(ΔT)Ln

Variación de T en los 2 lados: F·(ΔT)Ln

- Si alimentación subenfriada → se incluye en q pero para (ΔT) se utiliza Tsat.

Mezclas

- Si T varía menos de 5ºC → Ecs. para compuestos puros - En otro caso → Factor de corrección experimental (Palen y Small, 1964)

(hnb)mezcla = fm·(hnb)puro

fm = exp [-0.0083(Tbo – Tbi)Tbo: T mezcla de vapores abandona el ebullidor, ºCTbi: T del líq. que entra al ebullidor, ºC

TEMA 9.2.- EBULLIDORES DE CARCASA Y TUBOS OBJETIVOS

La finalidad principal de este tema es conocer los tipos de ebullidores más habituales y aprender a dimensionar térmicamente los ebullidores de carcasa y tubos. Al finalizar este tema:9.2.1 Identificar las partes básicas de los distintos tipos de ebullidores9.2.2 Calcular el área de intercambio de calor necesaria para un ebullidor9.2.3 Seleccionar el ebullidor más adecuado para una determinada aplicación9.2.4Realizar el diseño térmico de ebullidores tipo caldera o de circulación forzada9.2.5 Realizar de forma aproximada el diseño térmico ebullidores de tipo termosifón