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Estudio técnico para la selección de intercambiadores de calor en procesos de tratamiento de gas.
1. INTRODUCCIÓN
Durante el transcurso del tiempo y el avance de la tecnología en los
hidrocarburos fósiles, han ido desarrollándose cada ves mucho mas las
técnicas de exploración, perforación, producción y por ende el
TRATAMIENTO de los hidrocarburos.
Es por ello que es meritorio el avance de ciertas particularidades claves en
el proceso de tratamiento del gas natural así como lo son los
intercambiadores de calor.
La aplicación de nuevas tecnologías en los procesos industriales se ha
convertido en un componente esencial en la búsqueda de la competitividad
y rentabilidad económica de los proyectos, en este sentido nuestras
universidades deben ser puntales en la generación y captura inteligente de
conocimientos y en especial en áreas especificas identificadas en los
planes de desarrollo del país, como es el caso de la industria del
procesamiento del gas natural. En tal sentido el presente trabajo constituye
una investigación de carácter exploratorio sobre la aplicación de
intercambiadores de calor en el procesamiento del gas natural.
La investigación realizada por tener un carácter exploratorio aportará
conocimiento técnico que tendrá el efecto práctico de contribuir a facilitar la
evaluación de carácter técnico-económico de la viabilidad del uso de la
tecnología de intercambiadores en aplicaciones del gas natural pero desde
el punto de vista del conocimiento científico abre oportunidades para el
desarrollo de investigaciones en aplicaciones específicas, que permitan
aumentar el valor agregado nacional.
Aplicaciones que deben ser desarrolladas en toda su magnitud sin dejar
cabos de incertidumbre, es por eso que se tratara desarrollar de la manera
mas precisa y amplia posible para los procesos que serán seleccionados
durante la investigación, mostrando cada una de sus características.
A título de ejemplo, determinados casos de diseño requieren disminuir las
cantidades de calor transferido mediante un aislante térmico; otros implican
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procesos de transferencia de calor de un fluido a otro mediante
intercambiadores de calor; a veces el problema de diseño es controlar
térmicamente un proceso manteniendo las temperaturas de funcionamiento
de los componentes sensibles al calor dentro de unos márgenes
predeterminados, etc.
2. ANTECEDENTES
2.1 Antecedente General
En el proceso de documentación técnica se realizaron consultas
bibliográficas en diversas fuentes entre las que destaca la biblioteca de la
División de Estudios para Graduados de la Facultad Nacional de Ingeniería
(F.N.I.), y específicamente en la memoria técnica del programa de Ingeniería
de Gas Universidad de Zulia (Venezuela), donde sólo existe una referencia
bibliográfica en el área de diseños de equipos para transferencia de calor. En la
revisión de la memoria técnica de los demás programas o formas de titulación
del pàis no pudo identificarse otros trabajos realizados con esta área de
conocimiento.
En cuanto a las consultas bibliográficas realizadas en otras fuentes
nacionales se ha encontrado que está disponible para los diseñadores un
extenso y detallado conocimiento científico en área de transferencia de calor y
en diseño de intercambiadores de calor del tipo tradicional (tubo y carcaza),
pero en el área de tecnologías especiales de intercambiadores de calor el
conocimiento no es de fácil acceso.[1] A nivel internacional a través de
INTERNET se encontró que el conocimiento en esta área es de acceso
restringido, de carácter experimental y está exhaustivamente protegido por las
leyes de propiedad de activos de información, ya que dicho conocimiento es
considerado como un ventaja comparativa en el mercado de comercialización
de estos equipos.
2.2 Antecedentes Específicos
El tratamiento de este temá tiene su origen en un curso dado en el Instituto
Politécnico de Brooklyn por un periodo de varios años. Las posibilidades de
una instrucción colegiada modelada según los requerimientos de la ingeniería
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de proceso, fueron sugeridas y alentadas por el Dr. Donald F. Othmer, Jefe del
Departamento de Ingeniería Química.[2]
Para proveer el amplio grupo de herramientas de transferencia de calor
requeridas en la ingeniería de proceso, ha sido necesario presentar cierto
número de métodos de calculo empirico que no han aparecido previamente en
la literatura de la ingeniería.[2]
La documentación técnica sobre las aplicaciones de intercambiadores
compactos en procesos criogénicos disponibles en la industria Boliviana de gas
es escasa y data de hace al menos 15 años y la experiencia de campo en
aplicaciones de esta tecnología en la industria nacional no es accesible a los
investigadores especializados en el área. Considerando los planes de
expansión y de apertura en el área de Procesamiento de Gas Natural se
requiere la generación de conocimiento técnico de punta en esta área.[3]
[1 ]Incropera P. Frank/ De Witt David P: “Fundamentos de Transferencia de Calor”, 4ª.ed. Pub., Prentice Hall, 1999.
[2] Kreith Frank: “Principios de Transferencia de Calor”, 1ª.ed. Pub., Herrero Hermanos, 1970.
[3 Perry : “manual del Ingeniero Químico], 2ª ed.
3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.
Durante los procesos de tratamiento del gas natural existen diferentes
fallas, como la perdida de calor, evaporación, condensación, etc. Dichos
problemas radican escencialmente en los intercambiadores de calor
seleccionados para los procesos los cuales de llegar a ser inadecuados
persisten con el problema generando problemas de planta, perdidas
económicas.
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Considerando los planes de expansión y de apertura en el área
de Procesamiento de Gas Natural se requiere la generación de conocimiento
técnico de punta en esta área, destacando aspectos esenciales tales como:
criterios de diseño, cálculos, instalación, operación y mantenimiento de este
tipo de intercambiadores.
Esta discusión sobre cambiadores de calor adoptará la forma de un análisis
técnico; esto es, se destacarán los métodos que predicen el funcionamiento de
los cambiadores de calor, junto con una discusión sobre los métodos que
pueden emplearse para estimar el tamaño y tipo de intercambiador de calor
necesario para realizar una tarea en particular.
El problema esencialmente radica en las fallas técnicas durante los procesos
de tratamiento de gas, relativas a los intercambiadores de calor dichos
problemas pueden resumirse en perdidas de calor durante el proceso de
tratamiento cualquiera sea el mismo, lo cual reduce el rendimiento y por ende
la eficiencia del mismo.
Considerando los factores de vital importancia en el diseño, mantenimiento y
manipulación de los intercambiadores de calor se presenta una alternativa de
solución de acuerdo al proceso de tratamiento un intercambiador especifico
realizando previo estudio técnico.
3.1 Identificación del problema
Los factores de vital importancia en la descripción del diseño de
intercambiadores de calor seran determinados para la mejora en la aplicación
de los mismos en los procesos de tratado de gas natural considerando los
factores elementales para dicha aplicación.
En la actualidad la mayoría de procesos a nivel industrial se
encuentran automatizados, guiados por programas computarizados que
permiten establecer relaciones entre las variables involucradas, resultando en
una mayor confiabilidad general del sistema.
3.2 Formulación del problema
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¿Con el estudio técnico y la descripción de parámetros, para la
selección de intercambiadores de calor, se incrementara la eficiencia de los
procesos de tratamiento e gas natural?
4. OBJETIVOS
4.1 Objetivo General.
Desarrollar un análisis de los factores en el diseño, operación y
mantenimiento, para la selección de los intercambiadores de calor
aplicados en los procesos de tratamiento del gas natural.
4.2 Objetivos Específicos.
Establecer las variables de proceso requeridas para la selección de
los intercambiadores de calor, en dos procesos distintos de
tratamiento del gas.
Describir los aspectos a considerar en el mantenimiento de los
intercambiadores desarrollando los criterios básicos para la
operación segura y eficiente de los intercambiadores.
Realizar un análisis tecnico de la aplicación de los intercambiadores
de calor tipo compacto vs. otras alternativas técnicas disponibles
para el desarrollo de proyectos en la industria nacional.
5. JUSTIFICACIÓN.
5.1 Justificación Técnica
Los planes de negocio de la industria nacional del gas deberían
están orientados a asegurar la máxima rentabilidad, basándose en la
detección temprana de oportunidades, optimización de recursos y
adopción de mejores prácticas. En este último aspecto la estrategia
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tendría que apuntar al seguimiento inteligente de tecnologías que
puedan ser implantadas para aumentar la productividad de sus
procesos, como referencia se estima que a nivel mundial en la industria
del gas se dedica entre un 5 a un 15% de sus recursos a proyectos de
investigación y desarrollo, mientras que a nivel nacional se estima que
ese porcentaje baja a un 1%, esto obliga a un esfuerzo mayor en la
acertividad de la captura e incorporación de tecnologías para procesos
específicos.
5.2 Justificacion Academica
El presente trabajo esta enmarcado de esta estrategia al
desarrollar un análisis integral para contribuir a la incorporación de
tecnologías de punta en el área de intercambiadores de calor compacto
en aplicaciones de procesos de tratamiento del gas natural, además de
apoyar el proceso de actualización constante del acervo de
conocimientos técnicos de la Universidad.
6. ALCANCE.
En este trabajo se desarrollará un análisis de la aplicación en los
Procesos Criogénicos de Gas de los intercambiadores de calor de
aluminio soldado con superficie extendida fabricado bajo la modalidad de
diseño de placa con aletas, a los cuales se conoce universalmente como
“Intercambiadores de Calor Tipo Compacto” , considerando las variables
básicas de diseño necesarias para la elaboración de una aplicación para
el cálculo dimensional de equipos, los criterios generales para su
operación segura y eficiente, la metodología para su cálculo
dimensional, los aspectos económicos de su ciclo de vida y su
comparación con otras alternativas otras disponibles en el mercado.
7. MARCO TEORICO
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7.1 Procesos de Transferencia e Intercambiadores de calor.
El balance energético de los procesos es una de las áreas donde se
hacen constantes investigaciones y desarrollo, puesto que es fundamental
en la optimización de costo del consumo energético, en la protección al
medio ambiente y en indicadores económicos tales como productividad y
eficiencia, dentro de una tendencia mundial de máximo aprovechamiento de
la capacidad instalada de las empresas. En consecuencia analizar los
fundamentos que rigen la transferencia de calor, los aspectos básicos del
diseño de equipos asociados a la transferencia de calor, y las funciones que
cumplen en los procesos industriales, son aspectos claves para el
desarrollo de los estudios en esta materia.
7.1.1 Introducción a los Procesos de Transferencia de calor.
El diseño de equipos para el aprovechamiento óptimo de los balances de
energía se basan en el conocimiento de los aspectos generales que
controlan los procesos de transferencia de calor, la cual puede se definida
en su accesión más general como “La energía en tránsito debido a una
diferencia de temperatura a partir de este concepto se han establecido tres
procesos básicos: conducción, convección y radiación.
7.1.2Definición del proceso de transferencia de calor por
convección.
La transferencia de calor por convección se origina por dos mecanismos,
la del movimiento molecular aleatorio(difusión), y el movimiento global o
macroscópico del fluido, y se asocia con la transferencia de calor entre una
superficie sólida y un líquido o gas, este modo de transferencia de calor
tiene una importancia fundamental en una amplia variedad de procesos
que se realizan en las plantas de tratamiento. El proceso se inicia con el
flujo de energía entre moléculas del fluido, este calor transferido permite que
aumente la energía interna y su temperatura, y desde estas moléculas se
transfiere la energía hacia otras regiones del fluido de menor temperatura,
así en este proceso se tiene que ”la transferencia total de calor se debe
entonces a una superposición de transporte de energía por el movimiento
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COMPONENENTES ELECTRÓNICOS
DISPOSTIVO DE CONTROLCON VENTILADORDE ENFRIAMIENTO
DISPOSTIVO DE CONTROLCON ENFRIAMIENTO A FLUJO NATURAL
CONVECCIÓNFORZADA CONVECCIÓN
NATURAL
Fuente: Incropera/De Witt [1].
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aleatorio de las moléculas y por el movimiento global del fluido. Se
acostumbra utilizar el término convección cuando se hace referencia a este
transporte acumulado y el término advección cuando se habla del transporte
debido a movimiento volumétrico.” Incropera/ De Witt [1]. En consecuencia el
estudio de este proceso implica el conocimiento de las propiedades del fluido
y la aplicación de metodologías de mecánica de fluidos.
La transferencia de calor por convección se puede dividir en dos clases (ver
figura 1): La convección libre o natural que se origina debido a una diferencia
de densidades en los fluidos y éstas a su vez se producen por los
gradientes de temperaturas en el fluido, y la convección forzada que se
caracteriza por la presencia de una bomba o un medio agitador que
interviene en el movimiento de mezclado del fluido.
FIGURA 1. REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE LOS PROCESOS DE
TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN.
La ley de convección fue propuesta en 1701 por el científico británico Isaac
Newton, y está dada por la expresión:
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qc = hcA (Ts–T)
En donde:
qc = Btu/hr
A = pie2
(Ts –T) = °F
Donde qc representa el flujo de calor por convección, el cual es
proporcional a la diferencia de temperaturas de la superficie y del fluido,
Ts–Trespectivamente, y A representa el área de transferencia de calor. La
constante de proporcionalidad hc se denomina coeficiente de transferencia
de calor por convección y depende de las condiciones en la capa limite, en
las que influyen la geometría de la superficie, la naturaleza del movimiento
del fluido y una variedad de propiedades termodinámicas del fluido y de
transporte.
7.2 Consideraciones para el Diseño de Intercambiadores de Calor
El diseño de intercambiadores implica la comprensión de los procesos
de transferencia de calor y la consideración de diversos aspectos técnicos
que analizados en forma rigurosa e integral permiten el óptimo
dimensionamiento de estos equipos, en el contexto operacional del proceso
en el cual serán utilizados.
7.3 Aspectos Térmicos en el diseño de Intercambiadores
El análisis térmico en el diseño de intercambiadores de calor incluyen el
cálculo de parámetros asociados a los fenómenos de transferencia de calor
que rigen el comportamiento operacional de estos equipos.
7.3.1Efectos del ensuciamiento.
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Las resistencias a la transferencia de calor debidas al ensuciamiento
son causadas por sedimentos, polímeros y otros depósitos que se forman en
las paredes internas y externas de los tubos de los intercambiadores de
calor. Los valores que se utilizan en el diseño toman en cuenta las
resistencias que se esperan durante la operación normal del equipo y un
tiempo de servicio razonable entre los períodos de limpieza. La mayor parte
de los procesos de transferencia de calor incluyen fluidos que forman algún
tipo de suciedad o incrustación sobre la superficie de los tubos.
Dependiendo de los fluidos involucrados, estas incrustaciones varían en
cuanto a textura, espesor, naturaleza, conductividad térmica, dureza, etc., y
se comportan como una resistencia adicional al paso del calor. Si bien es
cierto, que cuando el intercambiador se instala está libre de tales
incrustaciones, el efecto de la resistencia adicional debe tomarse en cuenta
de alguna forma si es que se desea tener una evaluación más real del
comportamiento térmico del intercambiador y de su eficiencia a lo largo de
su vida útil. Los factores de ensuciamiento tabulados pretenden evitar que el
intercambiador transfiera menos calor que el requerido por el proceso,
durante un período aproximado de un año a un año y medio. Sin embargo,
esta tablas son solamente guías, debe considerarse la experiencia
acumulada para cada aplicación en particular. Para el diseño de
intercambiadores es muy importante considerar los criterios siguientes sobre
ensuciamiento:
a.- El ensuciamiento no es usualmente severo por debajo de los 250°F.
b.- El ensuciamiento es más severo cuando los fluidos se calientan que
cuando se enfrían.
c.- La vaporización en un intercambiador puede causar ensuciamiento
severo, debido a la concentración, de depósitos en el líquido
remanente hasta el punto de sobresaturación.
d. Altas velocidades de los fluidos de proceso tienden a reducir el
ensuciamiento.
e. En algunos procesos existe un ensuciamiento severo debido a las
reacciones orgánicas con oxígeno, que ocurren mientras la
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alimentación se encuentra almacenada en los tanques. Este proceso
de ensuciamiento puede reducirse estableciendo una atmósfera de
gas inerte en los tanques de almacenamiento.
7.4 Aspectos Mecánicos en el diseño de Intercambiadores
Las consideraciones que aseguran la integridad mecánica de los
equipos a lo largo de su vida útil son sin duda esenciales para asegurar la
continuidad operacional y la confiabilidad de los procesos asociados. En este
apartado se recopilan las prácticas de diseño más comunes basados en los
códigos de construcción y normativas vigentes.
7.4.1Presión de diseño
Las presiones de diseño de los lados caliente y frío de un intercambiador
se determinan, independientemente en base a las condiciones de operación,
partiendo de la aplicación de las normativas especificas, entre los cuales
destacan dos criterios básicos: La presión de diseño debe ser igual a la
máxima presión de operación esperada más el mayor valor entre un 10% de
dicha presión y 25 psig y la mínima presión de diseño debe ser 30 psig[4]
7.4.2Temperatura de diseño
Las temperaturas de diseño de los lados caliente y frío de un intercambiador
se determinan de forma independiente en base a consideraciones de
proceso, y usando las normativas de diseño, las cuales fijan, entre otros, los
siguientes criterios generales:[4]
[4] Gordon. “Cryogenic Plant Startup-Refrigeration and Exchangers”,
Hydrocarbon Engineerin, May/June 1997.
a. Para intercambiadores que operan a temperaturas entre 32°F y
750°F, la temperatura de diseño debe definirse como la máxima
temperatura de operación esperada mas 46°F.
b. La mínima temperatura de diseño debe ser 150°F para
intercambiadores operando por encima de 32°F.
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c. Para intercambiadores que operan a 32°F y a menores temperaturas,
la temperatura de diseño debe definirse como la mínima temperatura
de operación esperada.
d. Cuando exista la posibilidad de exponer a los tubos, o la placa de
tubos y/o al cabezal flotante a la temperatura de entrada del fluido
caliente, como resultado de la pérdida del medio enfriante, estos
componentes deben ser diseñados para la máxima temperatura de
operación esperada del fluido caliente.
7.5 Conexiones a Líneas de Proceso
Dos aspectos específicos son los más importantes: el tamaño de las
boquillas y la clasificación de bridas.
a. Tamaño de las boquillas: Las boquillas de los intercambiadores que
no sean de fabricación estándar, como por ejemplo los
intercambiadores de doble tubo, son del mismo tamaño de la línea a
la cual están conectadas. Debido a consideraciones de velocidad y
caída de presión, el tamaño de las líneas y boquillas es usualmente
más crítico en los servicios de vapor que en los de líquido. También
se debería verificar el ∆P a través de las boquillas en los servicios de
caída de presión baja. No se deberían utilizar boquillas de diámetro
mayor que 1/2 el diámetro del intercambiador por razones mecánicas.
Los sistemas de tuberías alrededor de los intercambiadores, los
cuales incorporan válvulas múltiples, especialmente aquellos con
válvulas de control de ∆P alto, deberían examinarse de manera crítica
ya que se puede lograr un ahorro sustancial reduciendo el tamaño de
las boquillas del intercambiador y de las válvulas. Sin embargo, el
tamaño de las boquillas no debería reducirse hasta el punto en que la
caída de presión a través de las boquillas sea excesiva o ocurran
problemas de golpeteo.
b. Clasificación de las bridas: Las bridas se clasifican de acuerdo a la
temperatura y presión de diseño de cada uno de los lados del
intercambiador y tomando en consideración la información que se
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presenta en el documento. Las clases de bridas de entrada y salida
pueden ser diferentes en un mismo intercambiador, si ocurre un
calentamiento o enfriamiento suficiente dentro del mismo.
7.6 Funciones de los Intercambiadores de Calor
Las funciones básicas de los intercambiadores están asociadas a la
manipulación racional de la transferencia de energía térmica entre dos o más
fluidos a diferente temperatura, con el fin de obtener los balances de energía
necesarios para la viabilidad técnica de los procesos. Las funciones básicas
están basadas en un análisis de balances de energía optimizados y en
reducir al mínimo la necesidad de fuentes de energía térmica externa que
elevan los costos de producción. Partiendo de esta premisa, las funciones
típicas de los intercambiadores de calor en los procesos industriales son las
siguientes:[5]
7.6.1 Recuperación de calor
La corriente fría recupera parte del calor contenido en la corriente
caliente. Es decir, el proceso es únicamente el calentamiento y enfriamiento de
las corrientes involucradas, las cuales fluyen simultáneamente a ambos lados
del área de transferencia de calor.
7.6.2 Evaporación
Una de las corrientes involucradas en el intercambio de calor cambia de
fase líquida a vapor.
[5]Mc GrawHill. “Gas processing and termical changers”, Hydrocarbon
Engineerin, August 2008.
7.6.3 Condensación
Una de las corrientes involucradas en el intercambio de calor cambia de
fase de vapor a fase líquida.
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7.7 Intercambiadores de calor para procesos criogénicos
Los procesos cuyas operaciones se realicen a bajas temperaturas,
específicamente a temperaturas inferiores a las del medio ambiente,
necesitan ser altamente eficientes en la recuperación de energía, puesto que
a medida que la temperatura de operación disminuye, el costo de
compresión para la refrigeración aumenta y, por consiguiente, también
aumenta el incentivo de ahorro para alcanzar el más alto desempeño de los
intercambiadores, en función de lograr el mayor acercamiento posible entre
la temperatura de las corrientes de entrada y salida. En las plantas de baja
temperatura para la separación de licuados o purificación del gas natural, las
necesidades de refrigeración para enfriar las corrientes de alimentación es
suplida por corrientes de productos fríos. Adicionalmente a los enfriadores
principales de alimentación, los procesos criogénicos requieren otros
intercambiadores para la operación sobre rangos de temperatura más
limitados, pero siempre manteniendo un diferencial de temperatura bastante
pequeño. Además de los criterios térmicos de diseño ya mencionados, los
intercambiadores instalados en aplicaciones de baja temperatura deben
proveer una distribución uniforme del flujo dentro y entre las unidades en
paralelo, y además se requiere la mayor compacticidad posible (cociente
entre el área superficial y el volumen), para minimizar los costo del
aislamiento requerido para reducir la recuperación de calor desde el exterior
al proceso.[4]
Otros requerimientos adicionales en este tipo de intercambiadores es que
provean facilidades para eliminar los condensados arrastrados en las
corrientes de alimentación, cuya tasa de formación es incrementada a bajas
temperaturas, las cuales se depositan en forma de sólidos en la superficie de
transferencia de calor, y se acumulan hasta el punto que bloquean los pasos
de flujo reduciendo la eficiencia de diseño, en consecuencia se les debe
revaporizar y remover periódicamente. La forma más económica en costos y
tiempo para hacer esto, es mediante un arreglo que permita invertir el paso
de los flujos (el fluido caliente por el lado del fluido frío y viceversa),
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automáticamente y por un período suficientemente largo para permitir que
los sólidos se evaporen en una corriente de desechos dispuesta para tal fin.
Para cubrir estos requerimiento especiales se han diseñado varios tipos de
intercambiadores, aquí se consideran los de mayor importancia en el ámbito
de la industria del procesamiento del gas natural.[4]
7.7.1 Intercambiadores tipo de espirales Hampson Coil.
Estos intercambiadores consisten en un haz de tubos puesto alrededor de
un paso helicoidal (sifón) sobre un eje central y encerrado en una carcaza, la
cual se diseña para permitir que el número de tubos en cada hilera tengan la
misma longitud y su distribución sea uniforme. El patrón local de flujo en
cualquier punto del intercambiador es transversal, mientras que el patrón de
flujo total es esencialmente contracorriente. Los tubos más utilizados son los
de cobre y aluminio; de 1/8 a 1/2 pulg y de una longitud máxima de unos 200
pies.
Su principal ventaja es su robustez para aplicaciones industriales y su fácil
proceso de selección y diseño, pero su alto costo por unidad de superficie de
área restringe el uso de intercambiadores de espiral para sólo aquellos
servicios donde otros tipos no son aplicables. Los intercambiadores de
espirales no pueden ser operados como intercambiadores reversibles, así
que para remover las impurezas sólidas, éstos deben ser puestos fuera de
servicio temporalmente, esto implica mayores costos de mantenimiento e
impacto sobre la continuidad operacional de los procesos.[4]
[4] Gordon. “Cryogenic Plant Startup-Refrigeration and Exchangers”,
Hydrocarbon Engineerin, May/June 1997.
7.7.2 Intercambiadores de Placas
Son equipos construidos por arreglos especiales de láminas de metal
muy delgadas y corrugadas, instaladas juntas en una carcaza y selladas en sus
bordes, para prevenir fugas hacia afuera, por un empaque compresible,
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formando así una serie de canales estrechos e interconectados, a través de los
cuales son pasados los fluidos. El fluido caliente y el frío siguen pasadizos
alternos y el calor es transferido a través de las láminas de metal con una
resistencia térmica relativamente baja, por su bajo espesor. La carcaza exterior
es una estructura rígida formado por una plancha de metal fija en uno de sus
lados y soportada en una columna en el otro, conectados a por una barra de
fijación y en el fondo por un riel. Estos intercambiadores presentan muchas
ventajas en comparación con las unidades de tubo y carcaza, siendo las más
importantes las siguientes:
1. Bajos costos de fabricación: El proceso de fabricación minimiza las
necesidades de soldadura, ya que sus componentes internos (láminas)
se integran a presión. Al ser constituidos de láminas planas no requiere
del uso de materiales específicos, y pueden usarse materiales con
propiedades especiales, con costos de soldadura muy altos, esto hace
que su diseño sea competitivo al punto que en el caso de
intercambiadores construidos de acero inoxidable pueden costar menos
que unidades de tubo y carcaza de acero al carbono diseñadas para la
misma carga calórica, con las ventajas metalúrgicas del acero
inoxidable.
2. Flexibilidad.– Son unidades adaptables a una gran variedad de
condiciones y de fluidos, y pueden ser modificadas fácilmente para
adaptarse a diferentes condiciones operacionales, con un simple
cambio en el número y/o la forma de las láminas. Las modernas
técnicas de fabricación ofrecen una gran variedad de opciones de platos
corrugados que satisfacen muchas especificaciones de diseño.
3. Alta eficiencia: Estos intercambiadores son unidades del tipo “superficie
extendida” , donde un área muy grande de transferencia de calor ocupa
un volumen pequeño, y con un coeficiente global de transferencia de
calor alto, en consecuencia, ocupan menos espacio e imponen menos
carga a las estructuras de las instalaciones, razones por lo que resultan
atractivos para su uso en lugares con limitaciones de espacio, de alto
costo estructural o con capacidad de carga limitada como barcos o
plataformas costa afuera. Adicionalmente esta ventaja hace que sean
competitivos en procesos con diferenciales de temperatura
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relativamente pequeñas. Adicionalmente, la forma de los canales de
paso reduce las posibilidades de zonas muertas y puntos de
sobrecalentamiento.
4. Facilidad de limpieza: Estas unidades pueden ser desmanteladas para
su limpieza en planta reduciendo los costos de logística de
mantenimiento y los tiempos de parada, lo cual es una ventaja
significativa en servicios muy sucios y que demanda una alta
confiabilidad de los procesos.
La aplicación de este tipo de unidades, tiene asociado un alto riesgo
potencial de derrame interno de los fluidos, dada la adyacencia de los
canales de paso de fluidos. Sin embargo existen técnicas de diseño y
construcción para hacer que cualquier derrame de los fluidos ocurra hacía
afuera de la unidad y no entre las corrientes del proceso, sin embargo su
uso no es permitido en fluidos inflamables o tóxicos. Debido a la naturaleza
de construcción el área efectiva de paso a través es pequeña, imponiendo
altas caídas de presión a través del equipo y, por consiguiente tienen
asociados altos costos de capital, demanda de capacidad de bombeo
instalada y de operación, lo que debe ser considerado en los estudios de
factibilidad económica. Otra limitante para su uso es que los rangos de
temperatura y presión son limitados, debido al material de la empacadura y
al diseño de su construcción a presión de sus láminas internas.[3]
7.7.3 Intercambiadores soldados de placas con aletas.
Estos equipos conocidos en la industria como intercambiadores
compactos, representan el “estado del arte” en intercambiadores de calor para
procesos a bajas temperaturas y en especial para aplicaciones criogénicas
para el procesamiento del gas natural, razón por la cual son objeto de estudio
en el presente trabajo especial de grado.
Los intercambiadores compactos son definidos en la literatura como
”Una clase especial e importante de intercambiadores de calor se usa para
conseguir un área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen
muy grande ( 700 m2/m3)” Incoprera/De Wit [1]. Estos equipos se basan
en diseños complejos con arreglos de tubos con aletas o placas y se usan
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Estudio técnico para la selección de intercambiadores de calor en procesos de tratamiento de gas.
normalmente cuando al menos uno de los fluidos es un gas. Los tubos pueden
ser planos o circulares, y las aletas pueden ser de placa o circular, como se
muestra en la figura 2, y como puede apreciarse consisten en una serie de
láminas paralelas de aluminio, entre las cuales se encuentran formando
“sandwich”, hojas corrugadas de aluminio. El lado de cada “sandwich” está
sellado con barras de aluminio, formando así el paso completo de flujo, y la
construcción completa es soldada bajo procedimientos especiales como en
inmersión en un baño de sal derretida, para lograr una única estructura rígida.
Los cabezales de aluminio son entonces soldados a los extremos del cuerpo
del intercambiador. En la figura 3 se muestra el detalle de construcción de
estos equipos.
Algunas de las ventajas relacionadas con la construcción de
intercambiadores son las siguientes:
1. Se puede alcanzar un alto grado de compacticidad: El cociente de 450
pie2/pie3 entre superficie de área son valores estándar para los
fabricantes. En comparación con las unidades convencionales de tubo
y carcaza tienen un cociente de 50 a 75 pie2 /pie3.
2. Los arreglos multicorrientes para maximizar el aprovechamiento de los
balances de energía de los procesos pueden ser acomodados
fácilmente en una sola unidad mediante la selección adecuada del
espaciado de las láminas y la geometría de construcción de las
aletas para cada una de las corrientes. Estas unidades de corrientes
además permiten operar como unidades reversibles en el
desplazamiento de impurezas, minimizando los costos de
mantenimiento y reduciendo los tiempos de parada de la unidad.
3. Cualquier configuración requerida para estructurar una óptima “ red de
intercambiadores” pueden ser configurada.
4. Estos equipos tienen como una de sus principales atractivos para su
aplicación, su bajo requerimiento de carga para las estructuras de las
instalaciones y su flexibilidad para lograr formas geométricas que
permitan aprovechar al máximo lugares con limitaciones de espacio
como instalaciones móviles, flotantes e instalaciones cuesta afuera.
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Las limitaciones que se deben tener presentes en el diseño de aplicaciones con
estos equipos son:
1. La máxima presión de operación está limitada en equipos estándar es de
unos 650 psig, bajo condiciones estables, y de un máximo de 300 psig,
bajo condiciones reversibles.
2. El mantenimiento de los equipos requiere de una infraestructura
altamente especializada sobre todo en la corrección de las fugas
internas que son difíciles de localizar y de corregir en el campo, y se
necesitan equipos para soldar aluminio y se requiere de personal
experto.
3. Las restricciones de las pequeñas áreas de pasos a través de los
canales de los intercambiadores imponen caídas de presión
considerables.[3]
[3 Perry : “manual del Ingeniero Químico], 2ª ed.
FIGURA 2: DETALLES DE COSNTRUCCION DE INTERCAMBIADORES COMPACTOS .
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9. DISEÑO METODOLOGICO
La definición de la metodología a utilizar está asociada a la
disponibilidad de fuentes de información confiables y soportadas con el rigor
científico necesario para asegurar su validez, siendo este un paso esencial
para la programación y planificación de la investigación en función de asegurar
el logro de los objetivos propuestos. En tal sentido pueden definirse cuatro
aspectos metodológicos claves: seleccionar el tema de investigación, elaborar
el diseño, establecer los métodos y especificar las técnicas de recolección de
datos.
Selección de procesos de tratamiento específicos: el mismo estará
basado en la distinción de dos procesos relativamente diferentes respecto al
tratamiento de gas para la especificación y determinación de intercambiadores
de calor en dichos procesos.
Eleboracion de un diseño de selección: considerando las
características de cada proceso y los requerimientos de los intercambiadores
de calor, y las facultades de cada cambiador será determinado mediante el
estudio de los procesos.
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Estudio técnico para la selección de intercambiadores de calor en procesos de tratamiento de gas.
Establecer los parámetros y características de los
intercambiadores: una vs realizado el estudio y determinadas las
características y necesidades de cada uno de los procesos y también
comparando con las facultades de cada intercambiador de calor.
Desarrollo de un estudio de selección: una ves realizado el estudio
técnico y comparando las características de los intercambiadores de calor se
determinara los adecuados para cada proceso.
9.1 Identificación de Variables
9.1.1 Variable independiente
Descripción y estudio de parámetros de intercambiadores de
calor.
9.1.2 Variable dependiente
Incremento de la eficiencia de los procesos de tratamiento de gas
natural.
9.2 Tipo de Investigación.
Considerando la clasificación más aceptada a nivel de la investigación:
La investigación desarrollada en este trabajo se basa en un “Diseño
No Experimental”. Estos tipos de investigación se dividen generalmente en:
Transeccional ó Transversal: Los diseños de investigación transeccional o
transversal recolectan datos en un solo momento , en un tiempo único. Su
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Estudio técnico para la selección de intercambiadores de calor en procesos de tratamiento de gas.
propósito es describir variables, y analizar su incidencia e interrelación en un
momento dado, tienen característica de foto de una variable en un contexto y
momento dado.
En este trabajo el enfoque se centra en determinar el estado actual de la
tecnología de intercambiadores de calor para lo cual su diseño será un
desarrollo transeccional, las investigaciones que de este se deriven podrán
usarlo como referencia del desarrollo de esta tecnología y apuntar a la
captura inteligente de cambios tecnológicos.
9.3 Método de la Investigación
El método seleccionado para la investigación es el DEDUCTIVO de
acuerdo a la siguiente caracterización:
El proceso partirá desde la generalización de los intercambiadores de
calor y puntualizara en los más característicos que cumplan con los aspectos
técnicos de cada proceso seleccionado.
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Estudio técnico para la selección de intercambiadores de calor en procesos de tratamiento de gas.
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Estudio técnico para la selección de intercambiadores de calor en procesos de tratamiento de gas.
11. TEMARIO TENTAVIVO
CAPITULO I
1.1. INTRODUCCIÓN
1.2. ANTECEDENTES
1.2.1 Antecedentes Generales
1.2.2 Antecedentes Especificos
1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.3.1 Identificacion de Problema
1.3.2 Formulacion del Problema
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 Objetivo general
1.4.2 Objetivos Especificos
1.5 JUSTIFICACION
1.5.1 Justificacion Tecnica
1.5.2 Justificacion Academica
1.6 ALCENCE
CAPITULO II
2.1 MARCO TEORICO
2.1.1 Procesos de transferencia e intercambiadores de calor.
2.1.1.1 Introduccion a los procesos de transferencia de
calor.
2.1.1.2 Definicion del proceso de tranferencia de calor por
convección.
2.1.2 Consideraciones para el diseño de intercambiadores de
calor.
2.1.3 Aspectos térmicos en el diseño de intercambiadores
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Estudio técnico para la selección de intercambiadores de calor en procesos de tratamiento de gas.
2.1.3.1 Efectos del ensuciamiento
2.1.4 Aspectos mecanicos en el diseño de intercambiadores de
calor
2.1.4.1 Presion de diseño
2.1.4.2 Temperatura de diseño
2.1.5 Conexiones a líneas de proceso
2.1.6 Funciones de los intercambiadores de calor
2.1.6.1 Recuperacion de calor
2.1.6.2 Evaporacion
2.1.6.3 Condensacion
2.1.7 Intercambiadores de calor para procesos crigenicos
2.1.7.1 Intercambiadores tipo de espirales Hampson Coil
2.1.7.2 Intercambiadores de placas
2.1.7.3 Intercambiadores soldados de placas con aletas
2.1.7.4 Intercambiadores tipo compacto
CAPITULO III
3.1 Estudio de las características de los procesos
3.2 Simulaciones de procesos para medir la eficiencia de los
mismos
3.3 Cantidades de calor perdidos
3.4 Factor de suciedad y su incidencia en los procesos
3.5 Simulación de factores mecánicos en los intercambiadores
3.6 Control de rendimiento
3.7 Alternativas varias para los procesos de tratamiento
3.8 Análisis de procesos diferentes y comparar ventajas
3.9 Rendimiento de los procesos y cantidades de calor perdido
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Estudio técnico para la selección de intercambiadores de calor en procesos de tratamiento de gas.
12. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
1. Incropera P. Frank/ De Witt David P: “Fundamentos de
Transferencia de Calor”, 4ª.ed. Pub., Prentice Hall, 1999.
2. Kreith Frank: “Principios de Transferencia de Calor”, 1ª.ed. Pub., Herrero Hermanos, 1970.
3. Perry : “manual del Ingeniero Químico], 2ª ed.
4. Gordon. “Cryogenic Plant Startup-Refrigeration and Exchangers”, Hydrocarbon Engineerin, May/June 1997.
5. Mc GrawHill. “Gas processing and termical changers”,
Hydrocarbon Engineerin, August 2008.
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