CAPITULO II

MARCO TERICO

Antecedentes de la investigacin Hernndez (2011), realiz el Diseo de un sistema de refrigeracin aplicado a la descarga de propano de buques en la Planta de Refrigeracin La Salina. El objetivo general de la investigacin fue disear un sistema de refrigeracin aplicado a la descarga de buques, para optimizar la produccin de gas en la planta, evitando la quema de gas en el mechurrio.

La investigacin fue del tipo proyectiva, ya que se plantearon soluciones para resolver la problemtica, tambin fue considerada descriptiva. El diseo de investigacin fue no experimental, ya que el sistema de refrigeracin se basa en los procedimientos establecidos en la planta. Como resultado se obtuvo la optimizacin del proceso de descarga de buques, minimizando las prdidas del propano durante el proceso de cabotaje y la disminucin de la contaminacin ambiental, por ende se considera factible. Esta investigacin agreg elementos importantes a la actual investigacin, ya que se obtienen procedimientos y mtodos tiles para disear el sistema de refrigeracin de pentano para la planta de fraccionamiento bajo grande. Castillo y Nava (2005), realiz el Diseo y construccin de un sistema de enfriamiento para la licuefaccin de gases txicos contenidos en recipientes a presin.

El propsito del estudio fue realizar un diseo completo del sistema de enfriamiento, construyendo un tanque de enfriamiento que contendr cloruro de calcio y en donde se sumerja la bombona, el evaporador, y seleccionado los dems componentes tales como la unidad condensante, el dispositivo expansor, el aislante a utilizar.

El sistema de agitacin se realizan las pruebas de campo es donde se utiliza un serpentn evaporador para enfriar el cloruro de calcio, utilizando fren 22 como refrigerante en el sistema.

El sistema construido cumple con la necesidad de enfriar el cloruro de calcio a -20 oC en un tiempo menor a 6 horas, llevando el cloruro a la temperatura requerida para su licuefaccin, minimizando as los posibles riesgos que se corren al instante de la extraccin de la vlvula. En consecuencia esta investigacin es de tipo experimental, de campo. Esta aporta datos tcnicos acerca del diseo del sistema de enfriamiento Torrez (2011), realiz la Evaluacin de la factibilidad de utilizar intercambiadores del rea de fraccionamiento del tren GLP-1 como parte del sistema de enfriamiento del tren GLP-2. Este estudio estuvo enfocado en la factibilidad del uso del sistema de enfriamiento del tren GLP-2 debido a la falla de los intercambiadores del tren GLP-1 en la planta de fraccionamiento UL. El objetivo general de la investigacin fue obtener resultados acerca del comportamiento de los intercambiadores de calor al ser sometidos a condiciones operacionales diferentes a las que fueron diseados, todo con el propsito de optimizar la produccin de propano en la planta. La propuesta fue usar los intercambiadores E10-A/B del tren GLP-1, como reemplazo de los D2-509/510 (fuera de servicio) del tren GLP-2. Los resultados obtenidos, fueron positivos, los intercambiadores E10-A/B presentaron un comportamiento operacional aceptable ya que pueden enfriar el propano y el butano a las temperaturas requeridas. Este estudio proporciona una idea clara acerca de la evaluacin de una propuesta, factibilidad operacional y econmica de un sistema, buscando las mejores opciones que permitan llevar a cabo un proceso. Esta investigacin se considera del tipo proyectiva ya que intenta proponer solucin a una situacin a partir de un proceso previo de investigacin.Marco Referencial PDVSA GAS

Resea Histrica

1953: El Ministerio de Minas e Hidrocarburos crea la direccin de petroqumica nacional, para contribuir a impulsar el desarrollo econmico, mediante la industrializacin del gas natural.

1970: se concluye el gasoducto Anaco Puerto Ordaz, con la longitud de 228 km. Este gasoducto suplir de gas natural a la Orinoco Mining Co. Siderrgica de Orinoco y otras industrias instaladas en la zona industrial de Puerto Ordaz. Comienza la construccin del gasoducto central del lago.

1974: es inaugurado en el complejo petroqumico del Tablazo Estado Zulia, la Planta de Procesamiento de Gas (GLP) con una capacidad de procesamiento de 165 MMPCED.

1975: se construy parte del gasoducto Morn Barquisimeto, lo que constituye la primera ampliacin de este importante gasoducto. El 29 de Agosto de 1975, en acto solamente efectuado en el saln elptico de capitolio federal, el presidente de la Repblica de la poca, puso el Cmplase a la ley orgnica que reserva al estado la industria y el comercio de los hidrocarburos.

1982: se iniciaron las obras de construccin del complejo criognico de Oriente, compuesto por una planta de extraccin de San Joaqun, Poliducto de 96 Km. (16) y una planta de fraccionamiento en Jose, Estado Anzotegui. Cuenta adems con un poliducto de 8 y 56 Km entre Jose y la refinera de Puerto la Cruz.

1983: se termina la construccin del gasoducto Quiriquire Maturn, con una longitud de 49,1 Km (dimetro 20) y capacidad de 200 MMPCD. Suministrar gas a la zona industrial de Maturn, la Toscaza y Jusepn.

1985: inicia actividades el Complejo Criognico de Oriente. La Planta de extraccin de San Joaqun, tiene una capacidad de 23 MMPCD de gas y la planta de fraccionamiento de 70.000 BPD.

1986: se reestructura la Gerencia de gas incorporado dentro de sus funciones la operacin de complejo criognico de Oriente y transferimiento a Lagoven y Maraven, las actividades de gas a ventas realizadas hasta la fecha por corcoven en el occidente del pas.

1992: en la planta de extraccin San Joaqun y fraccionamiento Jose se elev la capacidad de procesamiento de 800 a 1000 MMPCED y de 70 a 100 mil barriles diarios respectivamente. Durante el ao se incorporan a la red nacional de gasoductos 10 estaciones de medicin con el propsito de optimizar los procesos de transmisin y distribucin de gas.

1993: las reservas probadas remanentes de gas asociado se colocaron el 85 billones 568 mil millones de pies cbicos, 11,6% por encima de las de 1992. se culmin la primera fase de la ampliacin del complejo criognico de Oriente (ACCRO) que incrementa la capacidad de procesamiento a 1000 MMPCD y 100000 BPD de LGN, con un financiamiento externo de 442 MM$ y una inversin total de 46.758 MMBs.

1997: en el segundo semestre de 1997, PDVSA inicia un proceso de transformacin mediante el cul se estima crear valor y se emprende una reestructuracin organizacional con impacto en la gerencia de los procesos del negocio.

1998: el primero de Enero inicia operaciones PDVSA Gas, empresa filial de Petrleos de Venezuela integrada a la divisin de manufactura y mercadeo. Su responsabilidad es impulsar el negocio del gas natural en el pas, para lo cul se desarrolla las actividades de procesamiento, transporte y distribucin con otras empresas para la colocacin y venta de los mismos, logrndose la integracin armnica de las culturas, y equipos de trabajo en Oriente y Occidente.

1999: se promulga la ley orgnica de hidrocarburos gaseosos, la cul define el marco legal requerido para sustentar el negocio en toda la cadena de valor. Asimismo se obtuvo la aprobacin por parte del MEM de los campos del rea de anaco en el distrito gasfero de Venezuela.

2000: se contino con la incorporacin del marco legal de la industria del gas a travs de la aprobacin el 31 de Mayo del reglamento de la ley orgnica de hidrocarburos gaseosos (RLOHG) y la elaboracin, conjuntamente con el MEM, de la propuesta de organizacin del regulatorio de gas.

2001: en este ao se destaca la consolidacin de PDVSA Gas, SA,. Como empresa verticalmente integrada habindose concretado la transferencia personal, activos campos operativos del distrito Anaco y Bloque E Sur del lago. Se defini el portafolio de negocios alineado con el plan nacional de gas y se fortalecieron las relaciones con las filiales de PDVSA, para la concrecin de acuerdos de servicios.

2002: la situacin de conflicto generada a partir del 02 de Diciembre por un numerosos grupo de trabajadores de la industria petrolera, gener el cierre de pozos de petrleo y por consiguiente la produccin del gas asociado, esta situacin coadyuv a restringir el suministro de gas natural o metano de nuestros sistemas de redes y del gas licuado de petrleo (GLP) o propano a las plantas de llenado de las bombonas para el sector residencial y comercial/industrial que utiliza este tipo de envases.

Estos acontecimientos originaron importantes prdidas para PDVSA Gas y por ende para Venezuela. El llamado paro petrolero trajo como consecuencia la afectacin de las grandes reas de PDVSA Gas, como son la operacional, comercial y administrativa. En la primera ocurri una disminucin significativa en la disponibilidad de gas metano y de GLP domstico y comercial, debido al bajo aporte de gas asociado por el cierre de la produccin petrolera a consecuencia de altos inventarios de crudo, tambin problemas operacionales en la planta de extraccin San Joaqun, que redujeron su capacidad 50%, con la consiguiente disminucin en los volmenes procesados de Gas y LGN, esta situacin, a su vez, limit las entregas de gas metano al mercado interno.

Estos hechos desencadenaron el incumplimiento de los compromisos contractuales con los clientes, debido al poco gas disponible se distribuy con carcter prioritario a los sectores domsticos, elctricos y empresas bsicas de Guayana.

Por su parte, en el rea administrativa se suspendieron los servicios de telecomunicaciones, servidores, correo, soporte en sitio, SAP y dems sistemas financieros, operacionales paralizados los procesos de facturacin y cobranzas, lo que impidi la recuperacin del valor de las ventas de Gas metano y LGN.

En la segunda semana de Diciembre, comenz la afectacin de El palito, Bajo Grande y Ul por la paralizacin del centro refinador paraguan y la refinera el palito, afectando el suministro de GLP en bombonas para las comunidades y colectivas en general. La tercera semana fue el perodo ms crtico y los despachos de las gandlas se efectuaron desde Jose para todo el pas.

En la cuarta semana del mes de Diciembre, comenz a restablecerse lentamente el suministro, al incorporarse Guatire y el Guamache (isla de Margarita). Como consecuencia de esta situacin, la produccin de gas baj a 856 MMPCD; las entregas de gas metano al sistema de ventas se ubicaron en 1065 MMPCD; mientras que la produccin y ventas de LGN descendieron a 43 y 57 mil barriles diarios, respectivamente.

2003: en Enero se estabilizaron 5 fuentes de suministro de GLP: Jose, Guatire, Bajo Grande, Puerto la Cruz y el Guamache. Sin embargo, no estaba normalizado el suministro de Ul, Cardn y el palito. Para el logro de ese objetivo se definieron una serie de acciones entre las que se destacan: implantacin de una organizacin transitoria que permitiera acometer las tareas mas prioritarias y establecer un sentido de direccin para el personal; incorporacin de personal temporal para reforzar las reas ms dbiles y establecimiento de planes de trabajo y contingencias para darle continuidad a las actividades neurlgicas del negocio, como son: control operacional, facturacin y cobranzas, finanzas, telecomunicaciones e informtica y asuntos pblicos. Producto de esas acciones y del gran esfuerzo por todo el personal, a la fecha, PDVSA Gas logr recuperar sus niveles operativos.

Debido al paro petrolero de Diciembre del 2002, se realiz el proceso de pago de los grandes clientes de la industria (fallas en el sistema de cobranzas y facturacin), sobre todo en el sector siderrgico, ferrominero y petroqumico, para crear congestionamiento y problemas en la facturacin.

PDVSA Gas estaba para esta fecha funcionando con un 98% todos sus procesos. Abastecindose plenamente el consumo interno, recibiendo del sector produccin 1700 MMPCD completando el 100% de la demanda del mercado interno.

Se registr record de venta de gas en los sistemas que manejan Anaco- Barquisimeto, Anaco Puerto Ordaz y Anaco-Puerto la Cruz (Jose), con un valor de 1696 MMPCD, en el mes de Abril, superando el record anterior de 1690, establecido en diciembre de 2001.

2004: la nueva PDVSA Gas firm la buena pro de la fase 1 del proyecto ICO (Interconexin Centro Occidente) para el inicio de la construccin del tramo Quero Ro Seco.

En Abril, nuevamente se super el rcord de ventas de gas metano en el mercado interno, al elevar 1979 MMPCD en relacin al obtenido el mes de Marzo de este ao. PDVSA Gas inicio la construccin de la fase temprana del proyecto de interconexin Centro Occidente (ICO), que consta de un gasoducto de 70 Km de tubera de 36 de dimetro.

2005: por resolucin de la Junta Directiva de Petrleos de Venezuela S.A. se acord la integracin de los negocios de Gas, a nivel Nacional, con base en un plan de accin.

Bases tericas de la investigacin Pentano

Es un hidrocarburo o alcano con frmula qumica C5H12. La palabra pentano tambin puede referirse a sus ismeros estructurales, o a una mezcla de ellos. En la nomenclatura de la IUPAC, sin embargo, pentano es el nombre exclusivo del n-pentano; los otros dos (2) ismeros de cadena reciben los nombres de metilbutano y dimetilpropano Usos ms frecuentes del Pentano

El pentano y sus ismeros son componentes de la gasolina y de diferentes fracciones voltiles de la destilacin petrolfera. Se emplean en numerosos procesos de sntesis, incluyendo la fabricacin de productos intermedios, en reacciones de polimerizacin y como disolventes de extraccin. Su aplicacin ms importante se da en la industria de produccin de gasolina. En el caso de la industria petrolera PDVSA Gas el pentano producto se visualiza ser usado como alimentacin de la industria petroqumica Refinera Paraguan, alimentacin a la Industria Petroqumica Conversin Olefinas II, Combustible Turbinas Generadoras, Mercado de Exportacin y para la recuperacin de crudos pesados.Propiedades Fsicas y termodinmicas del pentano Algunas propiedades fsicas y termodinmicas del pentano pueden determinarse mediante el diagrama presin-entalpa que a continuacin se describe: Diagrama Presin-Entalpa del Pentano El diagrama presin-entalpa es una grfica que se utiliza para determinar los volmenes, fases, entropas, entalpias, volmenes especficos de un gas hidrocarburo o no-hidrocarburo (Fig. 1). La parte izquierda de la grafica es la regin de lquido saturado, y su lmite es hasta el centro de la curva (Domo) que divide las fases. La regin derecha obedece a la fase de vapor sobrecalentado, mientras que el rea bajo la curva representa la regin de mezcla. GPSA (2004)

Figura 1. Diagrama Presin-Entalpa del Pentano. Fuente GPSA 2004.Presin de saturacin del pentano.

La presin de saturacin, es aquella a la que una sustancia empieza a hervir a una temperatura dada. El pentano empieza a evaporarse a 97 F (36 C) a una presin de saturacin de 14,7 psia. Cengel (2009)Temperatura de saturacin del pentano:

Es aquella a la que una sustancia empieza a evaporarse a una presin dada. El pentano a 14,7 psia tiene una temperatura de saturacin de 97F. Cengel (2009)Calor Especfico del Pentano (Cp) Se define calor especfico como la energa requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia. En el caso del pentano el Cp a condiciones ambientales es de 0,5439 (BTU/Lb F) en estado lquido. GPSA (2004)

Figura 2. Diagrama de calores especficos para hidrocarburos lquidos en funcin de la temperatura. Fuente: Kern (1999)Conductividad trmica K del pentano

La conductividad trmica es la medida de la capacidad de un material para conducir calor, para el pentano la conductividad trmica puede calcularse por medio de la siguiente figura en funcin de la temperatura.

Figura 3. Conductividad trmica K de algunos hidrocarburos lquidos. Fuente: TEMA (2004).Viscosidad Absoluta del pentano ()

La viscosidad del pentano puede determinarse por medio de la siguiente figura y viene dada en centipoise (cP) conociendo la temperatura, esta es til para calcular el nmero de Reynolds y conocer el rgimen del flujo, es decir, si es laminar, en transicin o turbulento.

Figura 4. Diagrama de clculo viscosidades dinamicas (absoluta) de algunos hidrocarburos lquidos. Fuente: GPSA (2004).Densidad del pentano La densidad se define como la masa por unidad de volumen. En general depende de la temperatura y la presin, la densidad para la mayora de los gases es directamente proporcional a la presin e inversamente proporcional a la temperatura mientras que en los lquidos depende directamente de la presin. La densidad del pentano a distintas presiones y/o temperaturas se puede calcular conociendo el volumen especfico de la sustancia y la masa de la misma mediante la siguiente frmula:= m/V ; v = 1/v Donde v es el volumen especfico m es la masa V es el volumen es la densidad. Cengel (2009) Otra manera de calcularse la densidad es ubicando el valor de la presin y la temperatura o dos valores conocidos en el diagrama P-H del producto y ubicar su volumen especfico y debido a que la densidad es el inverso del volumen especfico, entonces se divide la unidad (1) entre el valor del volumen especificoPropano

Es un subproducto del procesamiento del gas natural y de la refinacin de petrleo, su smbolo qumico es C3H8. En condiciones ambientales el propano es incoloro e inodoro. Se convierte en lquido bajo presin moderada y es almacenado y provisto en su estado lquido. El propano es 270 veces ms denso como lquido que como vapor y es un abundante recurso de energa. Parte del propano producido en la planta de fraccionamiento Bajo Grande se aplica como refrigerante lquido.Propiedades fsicas y termodinmicas del propano Muchas de las propiedades del propano, tales como, fase, densidad, volumen especfico, entropa, entalpa al igual que muchos otros hidrocarburos pueden verse en la grafica de presin-entalpia del propano. El valor de una propiedad se puede conocer en funcin de dos datos conocidos. La regin izquierda de la grfica es la regin de lquido saturado, la regin derecha obedece a la fase de vapor sobrecalentado, mientras que el rea bajo la curva es la regin de mezcla. Esta grfica resulta til ya que se puede predecir el comportamiento del propano bajo condiciones determinadas de presin y temperaturas u otra variable conocida que al ser interceptada con otra variable genere un valor.

Figura 5. Diagrama presin-entalpia del propano. Fuente GPSA 2004Conductividad trmica K del propano

La conductividad trmica es la medida de la capacidad de un material para conducir calor, para el propano la conductividad trmica puede calcularse por medio de la figura 3, ubicando el valor de la temperatura a la cual est sometido el fluido se sigue la lnea verticalmente hacia arriba hasta interceptarla con la curva del hidrocarburo correspondiente, y luego se ubica el valor siguiendo la lnea horizontal hacia la izquierda. Este diagrama resulta til ya que a distintas temperaturas la conductividad trmica del propano vara y es necesaria conocerla.Calor especifico del propano (Cp) Se define calor especfico como la energa requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia este valor puede leerse al igual que el calor especfico del pentano en la figura 2.Sistema de refrigeracin Los sistemas de refrigeracin son muy comunes en las industrias encargadas del procesamiento del gas natural y procesos relacionados con la refinacin del petrleo, petroqumicas e industrias qumicas. Entre estos usos se resalta la utilizacin de sistemas de refrigeracin para el recobro de LGN y GLP as como tambin para el control del punto de roco de hidrocarburos, condensacin de reflujo en torres de fraccionamiento y plantas de gas natural licuado (GNL).

El funcionamiento de un sistema de refrigeracin tpico de una planta de procesamiento de gas natural est determinado generalmente por el uso de intercambiadores de calor, los cuales son equipos compuestos por una carcasa o cuerpo y un arreglo interno de tubos o segmentos de tubera para lograr el intercambio trmico entre fluidos. El fluido refrigerante se hace pasar por el lado de la carcasa (1) (a baja temperatura) y el producto que se desea enfriar por el lado de los tubos (A), el resultado es el intercambio de temperatura entre fluidos logrndose as la temperatura deseada. La seleccin del fluido refrigerante depende de los requerimientos de temperatura, disponibilidad, economa y experiencia previa.

Asimismo, se cuenta con un recipiente o tanque de recoleccin de vapores (economizador) (2) que se encarga de recibir el refrigerante generalmente propano, el cual se evapora en el intercambio trmico para luego ser dirigidos estos vapores a un compresor (3) que coloca de nuevo al propano a la presin de operacin (4). Seguidamente el propano se pasa por un condensador donde vuelve a su fase liquida (5), y se almacena en un tambor de almacenamiento de refrigerante, desde all se alimentan las carcasas de los intercambiadores de calor o chillers para iniciarse de nuevo el proceso. GPSA (2004)

Figura 6. Esquema de un Sistema de refrigeracin. Fuente GPSA 2004Ciclo de refrigeracin.

El efecto de refrigeracin se puede lograr con el uso de cualquiera de estos dos (2) ciclos: Expansin-compresin de vapor y Absorcin. El ciclo de refrigeracin de compresin de vapor puede sub-dividirse en cuatro pasos distintos utilizando el diagrama presin-entalpia, los cuales son: Expansin, Evaporacin, compresin y condensacin. El ciclo de refrigeracin por compresin de vapor se detalla a continuacin (Refirase Figura 7). GPSA (2004) Etapa de Expansin (primera etapa).

El punto de partida para un ciclo de refrigeracin es la disponibilidad del refrigerante lquido. El punto A, en la figura 7, representa el punto de burbuja del lquido refrigerante a su presin de saturacin, PA, y entalpa HLA. En la etapa de expansin la presin y la temperatura del refrigerante lquido son reducidas, al provocar su paso a travs de una vlvula de control lo que permite llegar a una presin B ms baja, PB. Esta presin inferior se determina en base a la temperatura deseada del refrigerante TB. Cabe mencionar que la entalpa se mantiene constante (proceso insentlpico) ya que no se produce trabajo, este efecto se conoce como efecto Joule-Thomsom. En el punto B la entalpa del lquido saturado es HLB mientras que la entalpa de vapor saturado correspondiente es HVB. En este sentido la entalpa total del punto A es igual a B. GPSA (2004) Etapa de evaporacin (segunda etapa).

El vapor formado en el proceso de expansin (A-B), solo corresponde a una fraccin del refrigerante, fsicamente la evaporacin completa tiene lugar dentro de un intercambiador o de un chiller ya que el calor es absorbido en el proceso de intercambio producindose la evaporacin. Tal y como se muestra la figura 7 en el tramo (B-C) la temperatura y presin se mantienen constantes. Mientras que la entalpa en el punto B es HVB. GPSA (2004) Etapa de Compresin (tercera etapa).

El refrigerante en fase gaseosa o vapores del refrigerante, dejan el chiller para pasar a la etapa de compresin, en la misma el refrigerante esta a una presin de saturacin PB a la cual le corresponde una temperatura TB y una entalpa HVB, la entropa en este punto es Sc. estos vapores son comprimidos isotrpicamente por el compresor elevando su presin hasta una presin PA como puede verse en el tramo C-D de la figura 7. GPSA (2004) Etapa de condensacin. (cuarta etapa)

El vapor sobrecalentado sale del compresor a una presin PA, y una temperatura TD. En la etapa de condensacin el refrigerante sobrecalentado es enfriado a una presin constante cercana a la temperatura del punto de roci TA. Aqu los vapores comienzan a condensarse a una temperatura constante. Durante el proceso de enfriamiento y condensacin, todo el calor y el trabajo absorbido por el refrigerante durante el proceso de evaporacin y compresin, debe ser removido para poderse completar el ciclo y de esta manera volverse a iniciar. GPSA (2004) Este ciclo hace referencia al aprovechamiento energtico ya que por lo general son ciclos cerrados que operan bajo los principios empleados en este proceso Expansin, Evaporacin, Compresin y Condensacin, los cuales generan un alto rendimiento y eficiencia gracias a la utilizacin de refrigerantes que pueden ser reutilizados o regenerados en el proceso.

Figura 7. Etapas del ciclo de refrigeracin. Fuente: GPSA 2004.Refrigerantes ms utilizados.

El tipo de refrigerante a utilizar, generalmente depender de los requerimientos de la temperatura deseada, disponibilidad, economa y experiencia previa. Por ejemplo para una planta procesadora de gas natural el etano y el propano pueden estar a la mano, mientras que en otras plantas no, en este sentido se pueden utilizar fcilmente debido a su disponibilidad en planta. Segn la GPSA los refrigerantes ms comunes se presentan a continuacin con sus propiedades fsicas: Cuadro 1Refrigerantes ms usados

Fuente: Datos obtenidos de la GPSA 2004. Mendoza y Barreto (2011)Intercambiadores del tipo tubo y carcasa El intercambiador de tubo y carcasa consiste de un haz de tubos paralelos encerrados en un estuche cilndrico llamado carcasa. Este es el tipo de intercambiador que se utiliza comnmente en las refineras. Puede ser diseado para presiones desde moderadas a altas y para soportar los esfuerzos externos e internos en las condiciones normales de operacin, debido a los cambios en temperatura y presin. Entre los tipos de intercambiador, el de tubo y carcasa es generalmente utilizado industrialmente, los mismos contienen un gran nmero de tubos (a veces varios cientos) empacados en un casco paralelo. La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve por dentro de los tubos, en tanto que el otro se mueve por fuera de estos pasando por el casco. Comnmente se le colocan deflectores (Baffles) para forzar al fluido a moverse en direccin transversal a dicho casco con el fin de mejorar la transferencia de calor y tambin para mantener un espaciamiento uniforme entre los tubos.

En este tipo de intercambiador de calor, los tubos se abren hacia ciertas zonas grandes de flujo, llamadas cabezales, que se encuentran en ambos extremos del casco, y en donde el fluido del lado de los tubos se acumula antes de entrar y salir de ellos. Hay tres tipos bsicos de intercambiadores de tubo y carcasa, dependiendo del mtodo utilizado para mantener los tubos dentro de la carcasa y del rango de presiones desde moderadas a altas: Intercambiador de cabezal fijo. El equipo tiene tubos rectos, asegurados en ambos extremos en placas de tubos soldados a la carcasa. En este tipo de construccin, algunas veces es necesario incorporar en la carcasa una junta de expansin o una junta de empaques, debido a la expansin diferencial de la carcasa y los tubos. Esta expansin se debe a la operacin del equipo a diferentes temperaturas y a la utilizacin de diferentes materiales en la construccin. La necesidad de esta junta es determinada tanto por la magnitud de la expansin diferencial como del ciclo operativo esperado. Cuando no se requieren estas juntas o empacaduras, el equipo ofrece el mximo de proteccin contra la fuga del lquido contenido en la carcasa. Son usados en servicios donde el fluido de la carcasa es un fluido limpio, como vapor de agua, refrigerante, gases, cierto tipo de agua de enfriamiento, etc.

Intercambiador con tubos en U.

Utiliza tubos en forma de U, con ambos extremos de los tubos sujetados a una placa de tubos simple, eliminndose as los problemas de expansin diferencial porque los tubos pueden expandirse y contraerse libremente, la forma de U absorbe estos cambios.

Intercambiador de cabezal fijo con junta de expansin o junta de empaques. Presenta dos placas de tubos, pero con solo una de ellas soldada a la carcasa y la otra movindose libremente, y as evitando los problemas de expansin diferencial. Los intercambiadores de calor de tubo-carcasa se clasifican todava ms segn el nmero de pasos que se realizan por el casco y por los tubos. Por ejemplo en los intercambiadores en los que los tubos forman una U en el casco, se dice que son de un paso por el casco y dos pasos por los tubos (a). De modo semejante a un intercambiador que comprende dos pasos en el casco y cuatro pasos en los tubos, se les llama de dos pasos por el casco y cuatro pasos por el tubo. (Cengel 2da Edicin)Consideraciones generales de diseo de un Intercambiador La velocidad de transferencia de calor de un fluido a otro, a travs de una pared de metal es proporcional al coeficiente global de transferencia de calor, el rea de la pared y a la diferencia de temperatura entre el fluido caliente y el fro:

Q = Uo x A x DTMe

Donde:

Q= Velocidad de transferencia de calor.

Uo= Coeficiente global de transferencia de calor basado en el rea externa de la superficie del metal.

A= rea externa de la superficie del metal a travs de la cual ocurre la transferencia de calor.

DTMe=Diferencia de temperaturas medias logartmicas entre los fluidos caliente y frio. Cuando se especifica un intercambiador de calor, el diseador casi siempre conoce o puede calcular sin mucha dificultad, los trminos Q y DTMe para las condiciones de proceso dadas. Para obtener el valor apropiado del rea de transferencia de calor requerida, se necesita evaluar solamente el coeficiente Uo.Coeficiente de transferencia de calor total (U) Comnmente un intercambiador de calor est relacionado con dos fluidos que fluyen separados por una pared slida como se explic anteriormente. En primer lugar en el proceso de intercambio, el calor se transfiere del fluido a la pared del tubo por conveccin, despus a travs de la pared por conduccin y por ltimo, de la pared hacia el fluido fro por conveccin. El clculo del coeficiente de transferencia de calor total U se calcula mediante la siguiente frmula:

Donde Rw es la resistencia de la pared del tubo, Rfi y Rfo son en factor de ensuciamiento interno y externos de los tubos.

Factor de Incrustacin (Factor ensuciamiento): El rendimiento de los intercambiadores de calor suele deteriorarse con el paso del tiempo como resultado de la acumulacin de depsitos sobre la superficie de transferencia de calor. La capa de depsitos representa una resistencia adicional y se hace que disminuya la velocidad de la misma. El efecto neto de estas acumulaciones sobre la transferencia de calor se representa por un factor de incrustacin Rf, el cual es una medida de la resistencia trmica introducida por la incrustacin. En las aplicaciones que es probable que ocurra debe considerarse en el diseo y seleccin de los intercambiadores de calor. La relacin del coeficiente de transferencia de calor total dada anteriormente (4) es vlida para las superficies limpias y es necesario modificarla para tomar en cuenta los efectos de la incrustacin sobre las superficies interior y exterior del tubo para un intercambiador de calor de carcasa y tubos se puede expresar. (Cengel Transferencia de Calor 2da Edicin)

R= Ri + (Rf, i / Ai) + Rpared + (Rf, o / Ao) + RoTemperatura de Operacin

Es la temperatura de fluido del proceso prevista para la operacin normal. Las temperaturas de operacin de un intercambiador son establecidas por las condiciones del proceso. Sin embargo, en ciertos casos, el diseador del intercambiador puede establecer las condiciones de operacin, pero estas en ningn caso pueden ser menores que las mnimas requeridas por el proceso. Temperatura de Diseo

Es la temperatura del metal que representa las condiciones coincidentes ms severas de temperatura. Esta temperatura es utilizada para el diseo mecnico de equipos y tuberas, incluyendo la seleccin de materiales.

Esta temperatura de diseo debe ser al menos 10C (18F) superior a la temperatura de operacin mxima, pero en ningn caso inferior que la mxima temperatura en casos de emergencia, como falla de servicios, bloqueo de operacin, falla de instrumentos, etc. La temperatura de diseo de equipos y sistemas protegidos por vlvulas de alivio, debe ser al menos la mxima temperatura coincidente con la presin de ajuste de la vlvula de alivio respectiva. Manual de Diseo de Procesos PDVSA (1995) Las temperaturas de diseo de los lados caliente y fro de un intercambiador se determinan independientemente en base a consideraciones de proceso y usando, normalmente, los siguientes criterios:

Para intercambiadores que operan a temperaturas entre 0C (32F) y 399C (750F), la temperatura de diseo debe definirse como la mxima temperatura de operacin esperada ms 14C (25F).

La mnima temperatura de diseo debe ser 66C (150F) para intercambiadores operando por encima de 0C (32F). Para intercambiadores que operan a 0C (32F) y a menores temperaturas, la temperatura de diseo debe definirse como la mnima temperatura de operacin esperada. Cuando exista la posibilidad de exponer a los tubos, la placa de tubos y el cabezal flotante a la temperatura de entrada del fluido caliente, como resultado de la prdida del medio enfriante, estos componentes deben ser diseados para la mxima temperatura de operacin esperada del fluido caliente.

Presin de diseo

Es la presin mxima, interna o externa, a ser utilizada para determinar el espesor mnimo de tuberas, recipientes u otros equipos. Para condiciones de vaco parcial o total, la presin externa es la mxima diferencia de presin entre la atmosfrica y la presin interna existente en los equipos. De no ser especificado de otra forma, la presin de diseo es la que se especfica en el tope del recipiente. Manual de Diseo de Procesos PDVSA (1995). Las presiones de diseo de los lados caliente y fro de un intercambiador se determinan independientemente en base a las condiciones de operacin, segn los siguientes criterios:

La presin de diseo debe ser igual a la mxima presin de operacin esperada mas el mayor valor entre un 10% de dicha presin y 172 kPa man. (25 psig).

La mnima presin de diseo debe ser 207 kPa man. (30 psig).Cada de presin La cada de presin en un intercambiador es producto de tres tipos de prdidas: las prdidas por friccin debido al flujo, las prdidas debidas a cambios en la direccin del flujo y las prdidas causadas por la expansin y contraccin en las entradas y salidas de las boquillas y tubos. El mtodo para calcular la cada de presin es diferente para cada tipo de intercambiador.

Figura 8. Cadas de presin Tpicas de intercambiadores de calor de tubo y carcasa. Fuente PDVSA (1995) Arreglo de las corrientes Los intercambiadores de carcasa y tubo, mltiples, se conectan usualmente en serie debido a la ventaja que se obtiene en la diferencia de temperatura efectiva, DTMe.

Nmero de carcasas El nmero total de carcasas necesarias para un intercambiador es generalmente fijado por la magnitud de la diferencia que existe entre la temperatura de salida del fluido caliente y la temperatura de salida del otro fluido. Esta diferencia es conocida como la extensin del cruce de temperatura. El cruce, adems de otras variables determinan el valor de Fn, denominado factor de correccin de temperatura; este factor debe siempre ser igual o mayor que 0.80. (El valor de Fn disminuye lentamente entre 1.00 y 0.80, pero luego decrece rpidamente hasta alcanzar un valor cercano a cero. El rea mxima por carcasa est usualmente limitado a una unidad con una carcasa de un dimetro interno de 1219 mm (48 pulg) o un haz de tubo de 13.6 t (15 short tons). (Estas limitaciones no se aplican necesariamente a intercambiadores de lmina de tubo fijos). En casos especiales, como rehervidores e intercambiadores de placa de tubos fija, se usan, ocasionalmente, grandes reas por carcasa. (reas hasta de 2300 m2 (25000 pie2) han sido usados en intercambiadores de placa de tubos fija).Seleccin de los Tubos El tamao nominal de los tubos de un intercambiador de calor es el dimetro exterior en pulgadas, los valores tpicos son 5/8, y 1 in. Con longitudes de 8, 10,12, 16 y 20 pies. Siendo la tpica de 16 pies. Los espesores de tubos estn dados segn BWG (Birmingham Wire Gauge) y se determinan por la presin de trabajo y factor de ensuciamiento.

Los valores tpicos son 16 18 para Latn Admiralty y 12, 13 14 para acero al carbono. La configuracin de los tubos puede ser cuadrada, cuadrada girada 90, o triangular. La cuadrada se utiliza por facilidad de limpieza mecnica. (Norma TEMA). Segn la norma TEMA una primera aproximacin de tubos a utilizar es: Dimetro in, arreglo triangular y separacin entre tubos 1 in con 16 ft de largo y espesor 14 BWG.

Figura 9.Conductividades trmicas de tubos, para intercambiadores de calor. Fuente PDVSA (1995)

Figura 10. Datos de tubos para intercambiadores. Fuente: PDVSA (1995)Arreglos de tubos Existen cuatro tipos de arreglos de tubos con respecto a la direccin transversal entre los bordes de los deflectores en el lado de la carcasa: cuadrado (90), cuadrado rotado (45), triangular (30) y triangular rotado (60). (Tube Layout)

Figura 11. Arreglos de tubos para intercambiadores de calor. Fuente PDVSA (1995)Deflectores

La trayectoria del fluido contenido en la carcasa depende del tipo y arreglo de los deflectores. En algunos casos el patrn de flujo afecta considerablemente la transferencia de calor, mientras que en otros carece de importancia, por ejemplo en intercambiadores con condensacin o cuando el valor del coeficiente de transferencia de calor del lado de la carcasa excede consideradamente al correspondiente del lado de los tubos. La mayora de los deflectores cumplen con dos funciones: (1) direccionar el flujo segn la trayectoria deseada y (2) soportar los tubos y prevenir vibracin. Los tipos de deflectores ms conocidos son: transversales, longitudinales y de ventana; los cuales se describen a continuacin. (Norma PDVSA MDP-05-E-01)Deflectores transversales (Crossflow Baffles)

Los deflectores transversales soportan a los tubos, restringen la vibracin de stos por choque con el fluido y direccionan el flujo, en el lado de la carcasa, transversalmente al haz de tubos (perpendicular al eje de los tubos); proporcionando un alto grado de turbulencia y un alto coeficiente de transferencia de calor, pero incrementando la cada de presin. Dentro de este tipo de deflectores el ms conocido y eficiente es el de segmento. (Norma PDVSA MDP-05-E-01)El corte del deflector

Es la porcin del deflector cortada para permitir el flujo a travs del deflector. El tamao de este corte afecta el coeficiente de transferencia de calor y la ciada de presin. Para los deflectores de segmento, esta porcin es expresada en porcentaje y viene dada como el cociente entre la altura del corte y el Dimetro de la carcasa. Usualmente, los cortes de los deflectores de segmento son de aproximadamente 25% de su rea, aunque el mximo corte prctico para los soportes de tubos es aproximadamente 48%.

Trabajos realizados (en una sola fase) por Heat Transfer Research Inst. (HTRI) en deflectores de segmento, indican que el rango de corte ptimo es de 15 a 30%, con 25%. Como el ptimo. Un corte mayor resultara en una pobre distribucin de flujo con espacios muertos detrs del deflector y disminucin de la ciada de presin y del coeficiente de transferencia. Un corte menor se traducira en una alta velocidad del fluido en el corte con incremento de la cada de presin, e igualmente existiran espacios muertos y remolinos detrs del deflector. (Norma PDVSA MDP-05-E-01)El espaciado del deflector Es el espacio longitudinal entre deflectores con una precisin hasta de 6 mm (1/4 pulg). A menor espaciado del deflector, mayor coeficiente de transferencia y mayor cada de presin; por lo que esta distancia debe definirse de manera tal que permita una alta velocidad y un alto coeficiente transferencia dentro de los lmites permisibles de cada de presin; es decir, haca un diseo ptimo del intercambiador. El espaciado mximo del deflector no debe exceder al dimetro de la carcasa y debe ser adecuado para proporcionar soporte a los tubos y prevenir la posible vibracin de los mismos.

Esta dimensin es definida en el TEMA como mximo tramo sin soporte (maximum unsoported span); siendo los valores recomendados una funcin del tamao del tubo y, para flujos sin cambio de fase, del dimetro de la carcasa. Si no existe cambio de fase en el fluido del lado de la carcasa, el espaciado de deflector no debe exceder el dimetro interno de la carcasa; de otra manera el fluido tendra que fluir paralelo a los tubos, en vez de perpendicular, produciendo as un coeficiente de transferencia de calor mucho ms bajo. Cuando se tiene condensacin o vaporizacin, el mximo espaciado de deflectores es solamente funcin del dimetro del tubo. (Norma PDVSA MDP-05-E-01)El mnimo espaciado de deflectores Requerido para mantener una buena distribucin de flujo, es el 20% del Dimetro interno de la carcasa pero no menor de 50 mm (2 pulg). Un espaciado de deflector muy pequeo obliga al fluido en la carcasa a desviarse, produciendo as una disminucin en el coeficiente de transferencia de calor. La orientacin de los cortes del deflector depende del tipo de fluido, del arreglo de tubos y del servicio. (Norma PDVSA MDP-05-E-01)Deflectores longitudinales

Este tipo de deflectores son usados para dividir la carcasa en dos o ms secciones, creando carcasas multipasos. Deben usarse soldados a la carcasa y a la placa de tubos para evitar que el fluido filtre a travs del collado entre el deflector y la carcasa, lo cual disminuira la eficiencia de la operacin de transferencia de calor. Debido a las dificultades encontradas para realizar un buen proceso de soldadura, cuando se requieren carcasas multipasos resulta ms econmico usar carcasas separadas por cada paso; a menos que el dimetro de la carcasa sea lo suficientemente grande que permita soldar con facilidad el deflector a la carcasa. (Norma PDVSA MDP-05-E-01)Deflectores de ventanas Cuando en un intercambiador se requiera baja cada de presin en la carcasa, por ejemplo en el manejo de gases, el uso de deflectores de flujo transversal resulta imprctico. En este caso deben usarse deflectores de flujo paralelo, conocidos como deflectores de ventana. La funcin principal de los deflectores de ventana es soporte de los tubos mientras permiten al fluido fluir paralelo a los tubos. Dentro de este tipo de deflectores el ms conocido y eficiente es el de segmento. (Norma PDVSA MDP-05-E-01)Anlisis de los intercambiadores de calor. Los dos mtodos para el anlisis de los intercambiadores de calor son: el de la Diferencia Media Logartmica de Temperatura (LMTD) el cual se aplica cuando se conocen las temperaturas de entrada y salida del fluido y el flujo msico. Por otra parte el otro mtodo es el Mtodo de la Efectividad-NTU este se utiliza para predecir las temperaturas del fluido caliente y frio en un intercambiador de calor especifico.

Para cualquiera de los dos mtodos utilizados es necesario tomar en cuenta las siguientes consideraciones:

Los intercambiadores de calor suelen operar durante largos periodos de tiempo sin cambios en sus condiciones de operacin por lo tanto se pueden considerar aparatos con flujo estable. Esto da paso a la siguiente consideracin.

El gasto de masa (flujo msico) de cada fluido permanece constante y las propiedades de los fluidos, como la temperatura y velocidad, en cualquier entrada o salida siguen siendo las mismas.

Asimismo, las corrientes de fluido experimentan poco o ningn cambio en sus velocidades y elevaciones y, como consecuencia, los cambios en la energa cintica y potencial son despreciables.

En general, el calor especfico de un fluido cambia con la temperatura; pero en un intervalo especfico de temperaturas, se puede considerar constante en algn valor promedio, con poca prdida de la exactitud.

La conduccin axial de calor a lo largo del tubo suele ser insignificante, y se puede considerar despreciable.

Por ltimo se supone que la superficie exterior del intercambiador de calor est perfectamente aislada, de modo que no se tiene perdidas de calor con el medio circundante, y cualquier transferencia de calor ocurre entre los fluidos.

El calor se transfiere desde el fluido caliente hasta el fluido fro de acuerdo con la segunda ley de la termodinmica.

Con estas hiptesis la primera ley de la termodinmica, requiere que la velocidad de la transferencia de calor (cantidad de calor transferido por unidad de tiempo) desde el fluido caliente sea igual a la transferencia de calor hasta el fluido frio, es decir:

Y

En donde los subndices C y F se refrieren a los fluidos caliente y frio respectivamente, Q es la cantidad de calor cedida o absorbida por unidad de tiempo, m flujo msico por unidad de tiempo, Cp calores especficos, Tent temperaturas de entrada y Tsal temperaturas de salida. En el anlisis de los intercambiadores de calor, a menudo resulta conveniente combinar el producto del flujo msico y el calor especifico de un fluido en una sola cantidad y a esta se le llama Razn de la Capacidad Calorfica, y se define por las corrientes de los fluidos frio y caliente como:

y Esta representa velocidad de la transferencia de calor necesaria para cambiar la temperatura de esa corriente en 1 C conforme fluye por el intercambiador de calor. Y puede resaltarse que en un intercambiador un fluido con una razn de capacidad calorfica grande experimentar un cambio pequeo en su temperatura y viceversa. Por lo tanto si se duplica el flujo msico de un fluido y al mismo tiempo se deja todo lo dems inalterado, se reducir a la mitad el cambio de temperatura de ese fluido.

; La velocidad de la transferencia de calor en un intercambiador de calor puede expresarse de manera anloga a la ley de newton del enfriamiento como:

Donde As es el rea de transferencia de calor (Cengel Transferencia de Calor 2da Edicin).Mtodo de la Diferencia Media Logartmica de Temperatura (LMTD).

Para este mtodo se toman en consideracin un intercambiador de flujo paralelo, uno a contra flujo y un intercambiador de flujo cruzado. La primera consideracin se realiza al de flujo paralelo.

Intercambiador de flujo paralelo:

En el intercambiador de calor de flujo paralelo la diferencia de temperatura entre los fluidos caliente y frio es grande a la entrada del intercambiador como se puede observar en la figura 14, pero disminuye en forma exponencial hacia la salida, en este caso la temperatura del fluido frio decrece y la del caliente aumenta a lo largo del intercambiador, pero la temperatura del fluido frio nunca puede sobrepasar la del caliente sin importar cuan largo sea dicho intercambiador.

Figura 12. Transferencia de calor en un intercambiador de flujo paralelo. Fuente Cengel (2009)Intercambiador de calor a contraflujo

Las consideraciones para los intercambiadores de calor a contraflujo son las siguientes:

En los intercambiadores de calor a contra flujo los fluidos entran por los extremos opuestos como se observa en la figura 15, a diferencia del intercambiador de flujo paralelo, a contraflujo la temperatura de salida del fluido frio es posible que sobrepase la temperatura de salida del fluido caliente.

En el caso lmite, el fluido frio se calentar hasta la temperatura de entrada del fluido caliente, sin embargo la temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser mayor que la temperatura de entrada del fluido caliente ya que sera una violacin a la segunda ley de la termodinmica.

Para temperaturas de entrada y de salida especficas, las diferencia de temperatura media logartmica siempre es mayor que la de un intercambiador de flujo paralelo, y por ende se necesita un rea superficial ms pequea (y por consiguiente un intercambiador ms pequeo) para lograr una velocidad de transferencia de calor especfica. Por lo tanto en los intercambiadores de calor es una prctica comn usar disposiciones a contra flujo.

Figura 13. Transferencia de calor en un intercambiador a contra flujo. Fuente: Cengel (2009)Intercambiadores de calor de flujo cruzado

La relacin para la diferencia de temperatura media logartmica solo se desarrolla para los intercambiadores de calor a contraflujo y de flujo cruzado. Tambin se desarrollan relaciones similares para los intercambiadores de calor de flujo cruzado pero las expresiones resultantes son demasiado complicadas debido a las complejas condiciones de flujo. En estos casos resulta conveniente relacionar la diferencia equivalente de temperatura con la relacin de la diferencia media logartmica para el caso de contraflujo como:

Donde F es el factor de correccin el cual depende de la configuracin geomtrica del intercambiador, y de las temperaturas de entrada y de salida de las corrientes de fluido fro y caliente. T ml, CF es la diferencia media logartmica de temperatura, para el caso del intercambiador a contraflujo, con las mismas temperaturas de entrada y de salida y se determina con base en la ecuacin (12). En las siguientes tablas se dan a conocer los valores de F para las configuraciones comunes de intercambiadores de tubo carcasa de flujo cruzado, en funcin de las razones P y R, entre dos temperaturas, definidas como: Donde P y R son las razones de entre dos temperaturas (es decir relaciona las Temperaturas de la carcasa y de los tubos)

Figura 14. Factor de Correccin para intercambiadores. Datos obtenidos en Transferencia de Calor Cengel. Fuente: Mendoza y BarretoDiferencia de Temperatura Media Logartmica. Como se mencion anteriormente la diferencia de temperatura entre los fluidos caliente y frio varia a lo largo del intercambiador de calor y resulta conveniente tener una diferencia media de temperatura Tm, para los dos tipos de intercambiadores mencionados anteriormente. Esta relacin puede aplicarse a ambas ya que se obtiene el valor exacto.

Esta es la diferencia de temperatura media logartmica y es la forma apropiada de la diferencia de temperatura promedio que debe usarse en el anlisis de los intercambiadores de calor. En este caso T1 y T2 representan la diferencia de temperaturas entre los dos fluidos en ambos extremos (entrada y salida) del intercambiador. Cabe resaltar que no existe diferencia a cul de los extremos se asigne como la entrada o la salida.

La diferencia de temperatura media logartmica se obtiene siguiendo el perfil real de las temperaturas de los fluidos a lo largo del intercambiador y es una representacin exacta de la diferencia de temperatura promedio entre los fluidos caliente y frio, y refleja sin margen de error el decaimiento exponencial de la diferencia de temperatura local.

Mtodo de la Efectividad-NTU

Luego de discutir el mtodo de la diferencia media de temperatura logartmica, y concluir que es el mtodo ms apropiado para dimensionar y seleccionar un intercambiador de calor cuando se conocen o se pueden determinar las temperaturas de entrada y de salida de los fluidos y los flujos msicos de los mismos. Una segunda clase de problema que se encuentra en el anlisis de los intercambiadores de calor es la determinacin de la velocidad de la transferencia de calor de los fluidos frio y caliente y las temperaturas de salida de los mismos para valores prescritos de flujo msico y temperaturas de entrada, cuando se especifican el tipo y el tamao de los intercambiador de calor.

En este caso se conoce el rea superficial A para la transferencia de calor pero se ignoran las temperaturas de salida. La tarea en este tipo de problema es determinar el rendimiento con respecto a la transferencia de calor de un intercambiador especfico, o bien, determinar si un intercambiador que tiene en fsico puede realizar el trabajo. El mtodo de la Nomenclatura para la identificacin de los intercambiadores de calor segn norma TEMA

Un intercambiador de calor de casco y tubo conforme a TEMA se identifica con tres letras, la primera letra es la indicativa del tipo del cabezal estacionario. Los tipos A (Canal y cubierta desmontable) y B (Casquete) son los ms comunes.

La segunda letra es la indicativa del tipo de casco. La ms comn es la E (casco de un paso) la F de dos pasos es ms complicada de mantener. Los tipos G, H y J se utilizan para reducir las prdidas de presin en el casco. El tipo K es el tipo de rehervidor de caldera utilizado en torre de fraccionamiento.

La tercera letra nos indica el tipo de cabezal del extremo posterior, los de tipo S, T y U son los ms utilizados. El tipo S (cabezal flotante con dispositivo de apoyo) el dimetro del cabezal es mayor que el del casco y hay que desmontarlo para sacarlo. El tipo T (Cabezal flotante sin contrabrida) puede sacarse sin desmontar, pero necesita mayor dimetro de casco para la misma superficie de intercambio. El tipo U (haz de tubo en U) es el ms econmico. Tipos de Intercambiadores de Casco y Tubos y sus partes:Intercambiador De Cabezal Flotante Interno (tipo AES)

Es el modelo ms comn, tiene casco de un paso, tubos de doble paso con canal y cubierta desmontable, cabezal flotante con dispositivo de apoyo. Tiene desviadores transversales y placas de apoyo. Sus caractersticas son:

Permite la expansin trmica de los tubos respecto al casco.

Permite el desmontaje

En lugar de dos pasos puede tener 4,6 u 8 pasos.

Los desviadores transversales, con el porcentaje de paso y su separacin modifican la velocidad en el casco y su prdida de carga.

El flujo es contracorriente y a favor de corriente en la mitad de los tubos.

Figura 15. Intercambiador tipo AES. Fuente: PDVSA GAS.

Intercambiador tipo AEP Este modelo permite cierto movimiento del cabezal flotante y puede desmontarse para limpieza. Tiene el inconveniente de necesitar ms mantenimiento para mantener el empaquetado y evitar las fugas.

Figura 16. Intercambiador tipo AEP. Fuente: PDVSA GAS.

Intercambiador De Cabezal Y Tubos Integrados (tipo CFU) Este modelo tiene el conjunto de tubos en U lo que permite un fcil desmontaje del conjunto de tubos. Tiene el inconveniente a la hora de sustituir un tubo daado. Tiene el desviador central unido a la placa de tubos.

Figura 17. Intercambiador tipo CFU. Fuente: PDVSA GAS.

Condensador De Flujo Dividido (tipo AJW)

Se utiliza fundamentalmente para condensar vapores, pues disminuye la prdida de carga. Parte del intercambiador se utiliza como condensador y parte puede utilizarse con enfriador. El desviador central divide el flujo en dos y el resto de desviadores lo llevan a travs de los tubos para enfriarse.

Figura 18. Intercambiador tipo AJW. Fuente: PDVSA GAS.Intercambiador tipo AKT Este intercambiador se caracteriza por la configuracin del casco. El conjunto de tubos puede ser tambin A-U, dando lugar al AKU.

Figura 19. Intercambiador tipo AKT. Fuente: PDVSA GAS.

Figura 20. Partes de un Intercambiador de Calor. Fuente: Datos obtenidos mediante revisin de archivos de la Gerencia de PDVSA GAS de Occidente. Mendoza y Barreto (2011)

Figura 21. Nomenclatura TEMA partes de un intercambiador de calor de tubo y carcasa. Fuente: Cao (2004)Gua general para el diseo de intercambiadores de calor

La norma PDVSA MDP-05-E-01 Rev.0 sugiere la metodologa a ser utilizada como una gua general para el diseo de cualquier tipo de intercambiador. A continuacin se menciona la metodologa a ser utilizada segn la norma PDVSA:Paso 1

Obtencin de la informacin de proceso (por ejemplo, propiedades de las corrientes) y mecnica (por ejemplo, arreglo de tubos) y de la funcin de la unidad o servicio dentro del proceso (por ejemplo, condensador). De acuerdo a los procedimientos que se presentan previamente, se requiere obtener la siguiente informacin mnima de proceso:1. Fase y naturaleza del flujo: lquido, vapor, gas, bifsico, vapor de agua, agua, hidrocarburos, etc.2. Flujos totales (entrando y saliendo de la unidad, mnimo por un lado): msico o volumtrico, especificado por fase cuando se trata de flujo bifsico.3. Propiedades de los fluidos: calor especfico, calor latente, conductividad trmica, viscosidad, peso molecular o gravedad especfica o densidad.

4. Condiciones de operacin: temperatura y presin a la entrada y/o salida de la unidad5. Cadas de presin permisibles: mxima permitida en cada lado6. Factores de Ensuciamiento: preferiblemente basados en experiencias operacionales.7. Condiciones de Diseo: temperatura y presin en cada lado de la unidad.

Ciertos detalles, tales como longitud del tubo, especificaciones del tipo de material, limitaciones en las dimensiones de la carcasa, etc., son normalmente especificados por el cliente. Paso 2. Definicin del tipo de intercambiador de acuerdo con los criterios de seleccin presentados.

Paso 3Localizacin de los criterios de diseo tpicos para el servicio en cuestin, criterios y consideraciones adicionales y la configuracin del intercambiador.Paso 4 Diseo trmico e hidrulico del intercambiador mediante el siguiente procedimiento de clculo:1. Calcular Q a partir de las consideraciones de proceso.2. Calcular DTMe a partir de las consideraciones de proceso, el tipo de intercambiador y el arreglo de los tubos.3. Suponer el valor del coeficiente global de transferencia de calor Uo. 4. Calcular el rea A basada en el Uo supuesto.5. A partir del A, calculada, determinar las dimensiones fsicas del intercambiador de calor.6. Calcular la cada de presin a travs del intercambiador y modificar el diseo interno, si se requiere, para obtener un balance razonable entre la cada de presin y el tamao del intercambiador.7. Calcular Uo a partir de las propiedades fsicas de los fluidos, factores de ensuciamiento y el arreglo del intercambiador.8. Recalcular A basndose en Q y los valores calculados de Uo y DTMe.9. Comparar el A calculado con el A supuesto y repetir los clculos hasta que stas reas se igualen.Paso 5 Definicin y dimensionamiento de las boquillas de entrada y de SalidaElementos Primarios del Control de Nivel En los tiempos modernos, en particular desde la revolucin industrial, la necesidad de medicin y control, ha seguido el paso con el incremento del nmero de variables, condiciones y factores que estn envueltos en la industrializacin. Sin embargo el nmero de variables que deben ser medidas y controladas siempre es incontable. En toda la industria petrolera y gasfera, se ha visto la necesidad de automatizar gran cantidad de procesos, dando mayor paso a la instrumentacin, para controlar todos los procesos que son de vital importancia. Existen cuatro variables bsicas de inters: temperatura, presin, nivel y flujo. Informe tcnico de instrumentacin PDVSA (2010).

Temperatura.

Es la cantidad de calor expresada en grados que contiene un cuerpo. Es decir, la temperatura mide o nos da idea del grado de calor o fro que contiene un cuerpo, siendo el calor unas de las formas de presentarse la energa.

Medicin de Temperatura.

La medida de temperatura constituye una de las mediciones ms comunes y ms importantes que se efectan en procesos industriales. Las limitaciones del sistema de medida quedan definidas en cada tipo de aplicacin, por la precisin, por la velocidad de captacin de temperatura, por la distancia entre el elemento de medida y el aparato receptor y por el tipo de instrumento indicador, registrador o controlador necesarios. Una caracterstica importante que tiene la temperatura en todo proceso industrial, es que por medio de ella se pueden controlar muchos parmetros del proceso. Informe tcnico de PDVSA (2010).

Instrumentos Medidores de Temperatura.

Buscando nuevos principios de medicin y mejorando los mtodos ya existentes, para satisfacer las demandas siempre crecientes en la industria. Para hacer frente a las exigencias de este extenso espectro para medir la temperatura, se han considerado varios principios fsicos como la base de los instrumentos para medir la temperatura. El rango de un instrumento que debe considerarse cuando se busca la solucin a un problema. La sensibilidad, la precisin, la velocidad de respuesta, la vida til, el costo, la disponibilidad de varios modelos de control automtico y resistencia a la corrosin, la vibracin y otras condiciones para uso industrial, son solo algunos de los factores que requieren atencin cuando se selecciona un equipo para medir temperatura. Existen diversos sensores de temperatura que se utilizan en la industria, entre ellos tenemos: termmetros de vidrio, termmetros bimtalicos, termmetros de resistencia para temperaturas muy fras, termopares, termistores, pirmetros de radiacin, entre otros. Informe tcnico de instrumentacin PDVSA (2010).

Presin.

Es una magnitud fsica que mide la fuerza por unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie. La presin es una de las variables industriales mas importantes ya que las reacciones qumicas dentro de un reactor ocurren a determinadas condiciones de presin y temperatura, controlando la presin se puede controlar indirectamente la densidad de un fluido, la fase del mismo as como en algunos casos la temperatura del mismo. La presin nos permite tambin controlar la seguridad del proceso ya que potencialmente es una de las variables ms peligrosas ya que una sobre presin de un recipiente o tubera puede provocar fugas, o ruptura y explosin del recipiente. Informe tcnico de PDVSA (2010).Presin Absoluta

La Presin Absoluta o Baromtrica es la presin medida tomando en cuenta la presin de la atmsfera terrestre; aproximadamente 14.7 psi a nivel del mar. Se denota con el postfijo abs o (absoluta) luego de la unidad de medida (psi abs).Presin Manomtrica o Relativa Es la presin medida sin tomar en cuenta la presin atmosfrica terrestre. Se denota con el postfijo g (gauge) luego de la unidad de medida (psi g).Caudal o Flujo El flujo es la cantidad de fluido que pasa a travs de una seccin por unidad de tiempo. Se puede hablar de flujo de lquido o gas. Normalmente se identifica con el flujo volumtrico o volumen que pasa por un rea dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se identifica con el flujo msico o masa que pasa por un rea dada en la unidad de tiempo. El funcionamiento de algunos medidores de fluido se encuentra afectado por las propiedades y condiciones del fluido; una consideracin bsica es si el fluido es un lquido o un gas. Otros factores que pueden ser importantes son la viscosidad, la temperatura, la corrosin, la conductividad elctrica, la claridad ptica, las propiedades de lubricacin y homogeneidad. Este factor determina la instalacin (bombas, gasoductos, entre otros), requeridas para transportar lquidos; es la cantidad que deber ser descargada. Dentro de las unidades de flujo que comnmente se utilizan en la industria tenemos: GPM galones por minuto, BPD barriles por da, CFD pies cbicos por da, CFH pies cbicos por hora, BPH barriles por hora, CFM pies cbico por minuto, LbsH libras por hora. Manual de operacin PRLS (2010).

Expansin de Gases

Consiste en la reduccin sbita de la presin de un gas, generalmente con la finalidad de disminuir su temperatura. Se utiliza en sistemas de refrigeracin y el refrigerante es sometido a este efecto. GPSA (2004)

Transferencia de calor

Cuando dos cuerpos a diferentes temperaturas son puestos en contacto, la temperatura de ambos tiende a equilibrarse. Para que el proceso anterior ocurra debe existir una transferencia de calor del cuerpo caliente al cuerpo fro. Esta cantidad de calor que se transfiere es medible y generalmente se expresa en BTU. El calor fluye, como resultado del gradiente de temperatura, desde el fluido caliente hacia el fro a travs de una pared de separacin, la cual se le denomina superficie o rea de transferencia de calor. Cengel (2009)

Mecanismos de transferencia de calor

La transferencia de calor, es una interaccin entre fluidos o materiales a consecuencia de un gradiente de temperaturas entre ellos. Esta interaccin ocurre mediante dos mecanismos diferentes, a saber: conduccin y conveccin. PDVSA Manual de Diseo de Proceso (1995)

Conveccin El mecanismo de conveccin est fuertemente influenciado por el patrn de flujo (dinmica de fluido); pero tiene asociado un intercambio de energa desde las zonas de alta hacia baja temperatura. Conveccin es transferencia de calor de un punto a otro en un fluido, gas o lquido, debido a la mezcla y movimiento de las diferentes partes del fluido. Existen dos mecanismos de transferencia de calor por conveccin, denominados conveccin forzada y conveccin natural. PDVSA Manual de Diseo de Proceso (1995)

Conduccin Conduccin es fundamentalmente transferencia de energa por contacto fsico en ausencia de movimiento del material a nivel macroscpico. Este mecanismo puede ocurrir en slidos, lquidos o gases. PDVSA Manual de Diseo de Proceso (1995)

Figura 8. Proceso de transferencia de calor. Fuente: Cengel 2009 Como se observa en la figura 6 la transferencia de calor desde el fluido

Caliente hasta la pared interna del tubo se da por conveccin y para determinar esta resistencia se emplea la siguiente frmula:

Los subndices i y o se refrieren a las superficies interior y exterior del tubo. Ai es el rea o superficie interior del tubo y se calcula:

Ai = Di L hi es el coeficiente de transferencia de calor por conveccin interna o coeficiente de pelcula, y se calcula:

K es la conductividad trmica del fluido.

Nu es el nmero de nusselt Mientras, que a travs de la pared interna del tubo la transferencia de calor hacia el fluido frio se da por conduccin y esta resistencia se calcula mediante la siguiente frmula:

K es la conductividad trmica del material de la pared y L es la longitud del tubo. Por ltimo la transferencia de calor desde la pared externa del tubo hacia el fluido frio se da por conveccin, y esta resistencia se calcula por medio de la siguiente frmula:

Donde Ao es la superficie externa del tubo y se calcula as:

Ao = Do Lho es el coeficiente de transferencia de calor por conveccin externa o coeficiente de pelcula.

Entonces la resistencia trmica total queda: (figura 1)

Rtotal= Ri + Ro + RParedProceso de transferencia de calor

En la seccin previa se ha planteado los diferentes mecanismos de transferencia de calor, aqu se plantean como a travs de estos mecanismos ocurre la transferencia de calor. Existen dos tipos generales de procesos; a saber: Sin cambio de fase, conocida tambin como calor sensible y con cambio de fase.

El proceso sin cambio de fase o calor sensible, como su nombre sugiere, involucra operaciones de calentamiento y enfriamiento de fluidos donde la transferencia de calor resulta solamente en cambios de temperatura; mientras que en el cambio de fase, la operacin se traduce en una conversin de lquido a vapor o de vapor a lquido; es decir, vaporizacin o condensacin. Muchas aplicaciones involucran ambos tipos de procesos.

Calor sensible La mayora de las aplicaciones de los procesos de transferencia de calor sin cambio de fase involucran el mecanismo de transferencia de conveccin forzada, tanto dentro de los tubos como sobre superficies externas. El coeficiente de transferencia de calor por conveccin depende de parmetros de dinmica de fluido, por ejemplo la velocidad.

En base al movimiento de fluido, el flujo dentro de los tubos se divide en tres regmenes de flujo, los cuales son medidos mediante un parmetro adimensional, llamado nmero de Reynolds, el cual es una indicacin de la turbulencia del flujo.

En cuanto al fenmeno de transferencia de calor por conveccin forzada sobre superficies externas, es importante mencionar que el proceso de transferencia de calor est ntimamente relacionado con la naturaleza del flujo; por ejemplo, la transferencia de calor sobre un haz de tubos depende del patrn de flujo y del grado de turbulencia; es decir, es funcin de la velocidad del fluido y del tamao y arreglo de los tubos. Debido a la complejidad del flujo en estos casos de transferencia calor sobre superficies externas dificulta su tratamiento analtico, las ecuaciones disponibles para el clculo del coeficiente de transferencia de calor se han desarrollado completamente en base a datos experimentales.

Numero de Reynolds

El Numero de Reynolds es un indicativo del tipo de flujo del fluido, laminar o turbulento. Un valor grande del nmero de Reynolds indica rgimen turbulento, mientras que un valor pequeo del nmero de Reynolds indica rgimen laminar.

Cuando el nmero de Reynolds es menor que 2.100 el flujo es laminar, cuando el nmero de Reynolds est entre 2.100 y 10.000 flujo de transicin, mientras que es flujo turbulento si el nmero de Reynolds es mayor que 10.000. Para cada uno de estos regmenes de flujo han sido desarrollados ecuaciones semiempricas las cuales son usadas para describir y predecir adecuadamente la transferencia de calor en la regin en consideracin.

Numero de Reynolds para un Tubo Circular

El nmero de Reynolds para un tubo circular se define como:

Donde es la densidad del fluido, es la viscosidad del fluido y D es el dimetro hidrulico o dimetro interno y se calcula:

Ac es el rea de la seccin transversal del tubo y P el permetro Vm es la velocidad media y su frmula viene dada por:

Donde v es el caudal del producto At es el rea transversal, la obtenemos as:

Numero de Nusselt

Este representa el mejoramiento de la transferencia de calor a travs de una capa de fluido, como resultado de la conveccin en relacin con la conduccin a travs de la misma capa. Cuanto mayor es el nmero de Nusselt ms eficaz es la transferencia de calor por conveccin. El clculo de Nu va a depender del clculo de nmero de Reynolds.

Donde Lc es la longitud caracterstica, k la conductividad trmica del fluido y h es el coeficiente de transferencia de calor por conveccin.

Flujo a travs de bancos de tubos

El flujo por el interior de los tubos se puede analizar al considerar el flujo por uno solo de ellos y al multiplicar los resultados por el nmero de tubos sin embargo este no es el caso para el flujo sobre los tubos, ya que influyen sobre el patrn de flujo y el nivel de turbulencia corriente abajo y, por consiguiente, sobre la transferencia de calor desde ellos y hacia ellos.

En los bancos de tubos las caractersticas del flujo son denominadas por la velocidad mxima Vmax que se tiene dentro del banco ms que por la velocidad aproximada V. por lo tanto, el numero de Reynolds se define sobre la base de la velocidad mxima como:

v es la viscosidad cinemtica En los bancos de tubos el nmero de Reynolds se basa en la velocidad mxima Vmax, que est relacionada con la velocidad de aproximacin, V, segn:

Tubos Alineados:

Escalonado con SD < (St + D) / 2

St es el paso transversal y SD el paso diagonal.

El flujo a travs de bancos de tubos se estudia de manera experimental ya que es demasiado complejo como para tratarse de forma analtica. Principalmente, se tiene inters en el coeficiente de transferencia de calor promedio para todo el banco de tubos, el cual depende del nmero de filas a lo largo del flujo as como de la disposicin y del tamao de los tubos. Se han propuesto varias correlaciones, todas basadas en datos experimentales para el nmero de Nusselt promedio para el flujo cruzado sobre bancos de tubos. Ms recientemente, Zukauskas ha propuesto correlaciones cuya forma general es

Donde los valores de las constantes C, m y n dependen del valor del nmero de Reynolds. En la tabla 7-2 se dan esas correlaciones explcitamente.

Cuadro 2

Nmero de Nusselt para Bancos de Tubos

Fuente: Datos obtenidos en Transferencia de Calor de Cengel. Todas las propiedades, excepto Pr, deben evaluarse en la media aritmtica de las temperaturas de admisin y de salida del fluido determinada a partir de:

Donde Ti y Te son las temperaturas del fluido en la admisin y en la salida del banco de tubos, respectivamente.

Las relaciones del nmero de Nusselt promedio del cuadro n 2 son para bancos de tubos con 16 o ms filas. El nmero de Nusselt promedio para bancos de tubos con menos de 16 filas se expresa como:

NuD, NL = FNuDDonde F es el factor de correccin.

Una vez que se conoce el numero de Nusselt y, por tanto el coeficiente de transferencia de calor promedio para el bancos de tubos completos, se puede determinar la velocidad de transferencia de calor a partir de la Ley de Newton de enfriamiento, mediante una diferencia de temperaturas apropiadas, T la velocidad de la transferencia de calor hacia un banco de tubos o desde este se determina a partir de

Donde Tln es la diferencia media logartmica de temperaturas h es el coeficiente de pelcula y As es el area superficial de intercambio de calor.

Intercambiador de calor.

Es el nombre genrico de un dispositivo mecnico, o equipo, diseado para transferir calor entre dos o ms corrientes de fluidos que fluyen a travs del equipo. Manual de diseo de procesos PDVSA (1995)

Los intercambiadores son diseados para satisfacer requerimientos especficos, son clasificados de acuerdo a diferentes criterios, tales como procesos y mecanismos de transferencia de calor, grado de compacticidad de la superficie, patrn de flujo, nmero de fluidos, geometra y tipo de construccin.

Operacionalizacin de la variableCuadro 2Objetivo General

Disear un Sistema de Refrigeracin de Pentano en la Planta de Fraccionamiento GLP Bajo Grande.

Definicin ConceptualDefinicin operacional

El objetivo fundamental es enfriar los productos fraccionados en la planta para su posterior almacenamiento en estado lquido, reducindose de esta manera el tamao de los recipientes, la emanacin de vapores y optimizando la produccin de la planta.

Un sistema de refrigeracin consiste en una red organizada de equipos y accesorios que hacen posible el intercambio trmico entre el producto y el refrigerante, dndose lugar al ciclo de refrigeracin. Para su diseo es necesario definir las propiedades y condiciones de los fluidos que intervienen en el proceso.

Variable GeneralDimensionesIndicadores

Sistema de Refrigeracin de PentanoFuncionamientoCiclo de refrigeracin.

Sistema de refrigeracin

Refrigerantes utilizados.

Parmetros Operacionales y de Diseo.Presin de Operacin y DiseoTemperatura Operacin y de DiseoPropiedades Fsicas y Termodinmicas del Pentano

Transferencia de calor

Equipos y accesorios asociadosIntercambiador de Calor

Vlvulas de estrangulacinTuberas

Mtodos de AnlisisLMTDNTU

A

1

2

5

4

3

Ec.1

Ec. 2

Ec. 3

Ec.4

Ec. 5

Ec. 6

Ec. 7

Ec.8

Ec.9

Ec.10

Ec.11

Ec.12

Ec.13

Ec. 14

Ec.15

Ec. 16

Ec.17

Ec.18

Ec.19

Ec. 20

12