Ezequiel Martinez Rodriguez

7/23/2019 Ezequiel Martinez Rodriguez

1/80

Universidad Veracruzana

EEssttuuddiiooppaarraallaasseelleecccciinnddeeuunnssiisstteemmaaddeeeennffrriiaammiieennttooddeeaaiirreeqquueepprroovviieenneeddeeuunnaabbaatteerraaddeessooppllaaddoorreess,,ddeellaaPPllaannttaaddee

EEfflluueenntteessddeellCCoommpplleejjooPPeettrrooqquummiiccaaMMoorreellooss

TESIS PROFESIONAL

Que para obtener el ttulo de:

INGENIERO QUMICO

Presenta:

EZEQUIEL MARTNEZ RODRGUEZ

Coatzacoalcos, Ver. Febrero 2009.


Facultad de Ciencias Qumicas


2/80



Facultad de Ciencias Qumicas

Coatzacoalcos, Veracruz, 18 de Febrero del 2009

Asunto: Autorizacin de orden de impresin

C. Ezequiel Martnez Rodrguez

ESTUDIANTE DE LA CARRERA DE

INGENIERA QUMICA PRESENTE:

Habiendo sido debidamente revisado y aceptado el trabajo recepcional presentado por Usted

denominado:

"Estudio para la seleccin de un sistema de enfriamiento de aire que proviene de una batera

de sopladores, de la Planta de Tratamiento de Efluentes del Complejo

Petroqumica Morelos"

En la MODALIDAD de: TesisY, estando de acuerdo con los Catedrticos que integran la Comisin Revisora de la experiencia

educativa que es satisfactorio su contenido como evidencia de desempeo para evaluar la EXPERIENCIA

RECEPCIONAL II, AUTORIZO a ustedes se proceda a la Impresin del citado trabajo.

ATENTAMENTE "LIS DE VERACRUZ: ARTE,

CIENCIA, LUZ"

Vo. Bo.M. en C. ERUVIEL FLANDES ALEMN

D i r e c t o r LIC. ENRIQUE TRINIDAD PREZ

S e c r e t a r i o

c.c.p. Expediente

w w w u v m x / c o a t z a A v U ni v e r s i d a d K m 7 5 T e l 21 15 713 C o at z ac o a l c o s Ver


3/80


Pgina | 1

Dedicatorias


4/80


Pgina | 4

Dedicatorias

A mis padres Griselda y Juvencio por darme las fuerzas y el apoyo en los

momentos en los que ms los necesitaba, porque son el motivo por el que yo

establec esta meta, por sacrificar un poco de sus comodidades para que yo

estudiara, y sobre todo por ser unos buenos padres que me han inculcado

principios, valores y el respeto hacia mis semejantes.

A mi nica hermana Claudia, por su apoyo incondicional, por sus consejos que

han sido, son y sern de mucha ayuda y toda mi vida como persona.

A mis abuelos Florida y Jorge que son parte importante en mi vida y que me

han apoyado y impulsado a culminar mis metas.

A mis tas y to que son como mis hermanos mayores Araceli, Migdalia, Aurelio,

Carmen y Josefina, que siempre me han estado animando a no darme porvencido y a seguir luchando.

Y a m por supuesto, es un auto-regalo que me doy por todo el esfuerzo que hice

durante todo el proceso de mi formacin como estudiante y que no terminara

aqu esta es solo un escaln ms.

El alma no puede imaginar nada sin acordarse de ninguna cosa pasada ms que con la

condicin de que el cuerpo contine existiendo


5/80


Pgina | 5

Agradecimientos


6/80


Pgina | 6

Agradecimientos

Primero que nada agradezco a dios el haberme dado la vida y los conocimientos

para culminar una meta mas.

A los maestros(as) que tanto en los salones de clase como fuera de ellos,

compartieron un poco de sus conocimientos y valores para que da con da me

fuera formando como un profesionista y como ser humano.

A mis amigos(as) Abigahil, Amil, Alan, Ceracire, Daniel, Elsa, Gilberto,

Gonzalo, Gabriela, Grisel, Joahana y Miriam que siempre me estuvieron

motivando para que concluyera este y muchos otros trabajos que con mucho

esfuerzo he logrado. Que fueron participes de mi formacin como estudiante ycomo persona, aportando conocimientos, ideales, valores y su aprecio.

A mis compaeros de clase, que da con da fueron aportndome un poco de sus

conocimientos.

De gente bien nacida es agradecer los beneficios que recibe

Gracia a todos Ustedes


7/80


Pgina | 7

Introduccin .......................................................................................................................... 1

Capitulo I. Generalidades............................................................................................ 2

1.1. Petroqumica Morelos S.A. DE C.V. ........................................................................ 3

1.1.1. Planta de Tratamiento de Efluentes ................................................................. 4

1.1.2. Problemtica ....................................................................................................... 5

1.2. Maquinaria Para el Movimiento de Gases .............................................................. 5

1.3. Aire .............................................................................................................................. 6

1.4. Transferencia de Calor ............................................................................................. 7

1.5. Mecanismos de Transferencia de Calor .................................................................. 7

1.5.1. Conduccin ......................................................................................................... 7

1.5.2. Conveccin .......................................................................................................... 8

1.5.3. Radiacin............................................................................................................. 9

1.6. Intercambiadores de Calor ..................................................................................... 10

1.7. Tipos de Intercambiadores de Calor ..................................................................... 11

1.7.1. Intercambiador de Doble Tubo .......................................................................... 11

1.7.1.1. Nomenclatura y Configuracin ................................................................... 13

1.7.1.2. Arreglo ........................................................................................................... 13

1.7.1.3. Tipos de Tubos. ............................................................................................. 14

1.7.2. Intercambiadores de Calor de Tubo y Coraza .................................................. 14

1.7.2.1. Tipos Principales de Construccin .............................................................. 151.7.2.1.1. Intercambiadores de Tubos en U. ........................................................... 151.7.2.1.2. Intercambiador de Calor de Cierre Hidrulico ..................................... 151.7.2.1.3. Intercambiador de Cabezal Flotante Extrable. .................................... 161.7.2.1.4. Intercambiador de Cabezal Flotante Interno. ....................................... 17

1.7.2.2. Partes que Componen los Intercambiadores de Tubo y Coraza .............. 19

1.7.2.3. Seleccin de la Trayectoria de Flujo. .......................................................... 23

1.7.3. Intercambiadores de Placas ................................................................................ 23

1.7.3.1. Disposicin de las Placas .............................................................................. 24

1.7.3.2. Seleccin de Empaquetaduras ..................................................................... 25

1.7.3.3. Modelos de Flujo y Arreglos ........................................................................ 26

Captulo II. Descripcin del Proceso ............................................................................... 27


8/80


Pgina | 8

2.1. Proceso de Tratamiento del Efluente ..................................................................... 28

2.1.1. Tratamiento Primario ...................................................................................... 28

2.1.2. Tratamiento Secundario. ................................................................................. 31

Captulo III. Seleccin del Sistema de Enfriamiento y Clculo ..................................... 32

3.1. Seleccin Del Intercambiador de Calor a sus Caractersticas ................................ 33

3.2. Metodologa de Clculos para Intercambiadores de Tubo Y Coraza .................... 35

Conclusiones y Recomendaciones ..................................................................................... 46

Anexos .................................................................................................................................. 48

Bibliografa .......................................................................................................................... 72


9/80


Pgina | 1

Introduccin

Todas las industrias de procesos involucran intercambios de calor sensible y calor

latente entre dos o ms fluidos, ya sea para enfriamiento o calentamiento, dependiendo de

las necesidades del proceso.

Para el enfriamiento se pueden utilizar una gran variedad de refrigerantes como:

metanol, gases, sustancias orgnicas, agua, etc. aunque el ms comn el agua por ser fcil

de obtener y su costo no es elevado.

El equipo para transferencia de calor es esencialmente usado en todas las industrias

de proceso, y el ingeniero de diseo debe estar familiarizado con los diferentes tipos de

equipo empleados para esta operacin. An cuando pocos de ellos estn involucrados en la

fabricacin de intercambiadores de calor, muchos ingenieros estn directamente

comprometidos con la especificacin y adquisicin de equipos de transferencia de calor. De

ah se deriva la gran importancia que tienen las consideraciones de diseo de procesos.

En la actualidad existe en el mercado una gran variedad de intercambiadores de calor

dependiendo de las necesidades de la industria:

a) Intercambiadores de doble tubo

b) Intercambiadores de tubo y coraza

c) Intercambiadores de tipo placa

El proyecto tiene la finalidad de hacer una seleccin y el diseo de un cambiador de

calor, que ayude a abatir un poco la temperatura a la que est llegando el aire a los

biorreactores y que no permite que se lleve a cabo adecuadamente la degradacin de la

carga orgnica, provocando que el efluente no salga con las especificaciones requeridas por

las normas nacionales. Este aire es suministrado por una batera de cinco sopladores y que

sirve para oxigenar el agua de los bioreactores de la planta de tratamiento de efluentes del

Complejo Petroqumico Morelos.


10/80


Pgina | 2

Capitulo I

Generalidades


11/80


Pgina | 3

1.1. Petroqumica Morelos S.A. DE C.V.

La empresa Petroqumica Morelos, S.A. de C.V., es una filial de PEMEX

Petroqumica. Situada al este de la ciudad de Coatzacoalcos, Veracruz, aproximadamente a

7.5 kilmetros de la carretera Coatzacoalcos-Villahermosa. Inici operaciones en el ao de1988.

Opera con 6 plantas de proceso donde se elaboran productos petroqumicos

derivados del Etileno y Propileno obtenindose como productos principales xido de

Etileno, Glicoles, Polietileno de alta Densidad, que constituyen materia prima para la

industria procesadora y transformadora de fibras sintticas, envases y artculos de plstico,

detergentes, cosmticos, solventes, pinturas y esmaltes, principalmente.

En el ao 2000 obtuvo la certificacin ISO 14001:1996, en el ao 2002 la ISO

9001:2000 y en el 2003 el tercer refrendo de Industria Limpia y Licencia Ambiental nica.

Fig. 1Vista satelital de Petroqumica Morelos S. A. DE C.V. (Google Earth)

PetroqumicaMorelos


12/80


Pgina | 4

1.1.1. Planta de Tratamiento de Efluentes

La planta de tratamiento de efluentes, se encuentra ubicada al Suroeste del Complejo

Petroqmico Morelos como se muestra en la Fig.2, fue diseada para tratar 19 000 m 3/da

de efluentes con una carga organica mxima de 20 Toneladas, provenientes de las oficinas

administrativas, talleres y plantas de proceso del complejo Petroqumico Morelos, asi como

los que provienen de las plantas aledaas como Clariant y Petroqumica Pajaritos.

Fig. 2Plano de ubicacin geografa de las plantas de proceso (Petroqumica Morelos).


13/80


Pgina | 5

1.1.2. Problemtica

La planta cuenta con un sistema de aireacin mediante sopladores y difusores de

burbuja fina. A causa del efecto de la compresin del aire por lo sopladores, se ha estado

presentando un incremento en la temperatura de descarga del aire en el biorreactor A.

Debido a que la planta se ubica en las costas del golfo de Mxico; en donde se

registran temperaturas promedio de 33 C en los meses de calor (Marzo-Agosto) con

valores pico en el da de 40 C, esta temperatura ambiente afecta a la temperatura de salida

de los sopladores, en los cuales la temperatura de salida es de 80 C y por tanto la

temperatura en las cmaras es de alrededor de 44 C, provocando un incremento de la

temperatura en el licor mezclado de las cmaras del biorreactor; en comparacin con las

cmaras del biorreactor B en donde se observan temperaturas menores de 40 C en el

mismo periodo debido a la perdida de temperatura que hay durante el recorrido del aire,

afectando consecuentemente la actividad metablica de los microorganismos y con ello la

calidad del efluente.

Mximas temperaturas 5promedio alcanzadas en Coatzacoalcos durante los pasados tres aos

Ao Ene. Feb. Mar. Abr. Mayo Jun. Jul. Ago. Sep. Oct. Nov. Dic.2008 27.4 29.4 30.2 33.7 34.8 33.8 31.9 32.5 30.5 29.2 27.7 28.1

2007 26.1 28.8 32.6 33.9 32.1 31.6 31.6 30.7 28.7 26.9 27.92006 26.9 27 30.5 33.7 33.4 30.8 31.1 31 32 31.2 28.1 26.6Datos obtenidos de http://www.tutiempo.net/clima/COATZACOALCOS/04-2008/767410.htm

1.2.

Maquinaria Para el Movimiento de Gases

Los ventiladores, sopladores y compresores son dispositivos para mover gases (casi

siempre aire). Los ventiladores descargan grandes volmenes de gases a presiones bajas delorden de varios cientos de milmetros de agua. Los sopladores y los compresores descargan

gases a altas presiones. En las bombas y los ventiladores, la densidad del fluido no vara de

manera apreciable y se puede suponer que existe un flujo incompresible. En el caso de los

sopladores y compresores se usa la teora de flujo compresible.


14/80


Pgina | 6

La maquinaria para mover gases comprende dispositivos mecnicos que se usan

para comprimir y mover gases los cuales se clasifican o se consideran generalmente desde

el punto de vista de las cargas de presin producidas, y son ventiladores para presiones

bajas, sopladores (o ventiladores) para presiones intermedias y compresores para presiones

elevadas.[2]

Sopladores y compresores. Para el manejo de volmenes de gases a presiones ms

altas que en los ventiladores, se usan diversos tipos de equipo. Los turbosopladores,

turboventiladores ocompresores centrfugos se emplean para mover grandes volmenes de

gas con elevaciones de presin desde unos 5 KPa hasta varios miles de KPa. Los principios

de operacin de un turbosoplador son los mismos de una bomba centrfuga. Un

turbosoplador tiene una apariencia fsica similar a la de una bomba centrfuga; la principal

diferencia consiste en que el gas del soplador es compresible. Como las bombas

centrfugas, la carga del turbosoplador es independiente del tipo de fluido. Para lograr

presiones ms elevadas an, se usan turbosopladores de etapas mltiples.

Los sopladores y compresores rotatorios son mquinas del tipo de desplazamiento

positivo y son, esencialmente, equipos de velocidad de flujo a volumen constante con

presin de descarga variable. Al variar la velocidad se modifica el gasto volumtrico. Los

detalles de construccin de los diversos tipos existentes son muy variables y de acuerdo conel modelo usado pueden obtenerse presiones de hasta 1000 KPa. [8]

1.3. Aire

El aire es una mezcla homognea de gases: nitrgeno (78%), oxgeno (20%) y argn

(0,9%) y aerosoles que principalmente se emiten desde la superficie terrestre o se originan

en la fase area y constituyen lo que conocemos como atmsfera, con un peso molecular de

29 gr/gr mol.

El aire limpio y puro forma una capa de aproximadamente 500 000 millones de

toneladas que rodea la Tierra.


15/80


Pgina | 7

Caractersticas fsicas del aire Es de menor peso que el agua. Es de menor densidad que el agua. Tiene Volumen indefinido. No existe en el vaco. Es incoloro, inodoro e inspido.

Propiedades qumicas del aire

Reacciona con la temperatura condensndose en hielo a bajas temperaturas yproduce corrientes de aire.

Est compuesto por varios elementos entre ellos el oxigeno (O2) y el dixido decarbono elementos bsicos para la vida.

En la industria el aire tiene una gran variedad de aplicaciones como medio de

enfriamiento, como medio para que se lleven a cabo las reacciones de combustin de ungas, para hacer pruebas neumticas a equipos, etc.

1.4.

Transferencia de Calor

La ciencia de la termodinmica trata de las transiciones cuantitativas y reacomodos

de energa como calor en los cuerpos de materia. La ciencia de la transferencia de calor

est relacionada con la razn de intercambio de calor entre cuerpos calientes y fros

llamados fuente y receptor. Los procesos de transferencia de calor se relacionan con las

razones de intercambio trmico, tales como las que ocurre en los equipos de transferencia

de calor, tanto en ingeniera mecnica como en los procesos qumicos. [3]

1.5. Mecanismos de Transferencia de Calor

Hay tres formas diferentes en las que el calor puede pasar de la fuente al receptor. Estasson, conduccin, conveccin y radiacin.

1.5.1. Conduccin

La conduccin de calor es un proceso de transferencia de energa trmica que tiene

lugar en los medios materiales entre regiones de diferente temperatura. Cuando las

molculas absorben energa trmica vibran alrededor de sus posiciones medias, aumentan la

amplitud de la vibracin y, por lo tanto, aumentan su energa cintica. Puede darse en


16/80


Pgina | 8

cualquier estado de agregacin de la materia, pero no en el vaco [5]. La velocidad de flujo

de calor en una direccin dada, puede ser expresada por la ecuacin o Ley de Fourier

como:

dxdTdAkdQ (1.1)

Donde:

Q = Cantidad de calor transferido en el tiempo, Btu/h

k =Constante de proporcionalidad, designada como la conductividad trmica, Btu/hr ft F

A =rea de transferencia de calor perpendicular a la direccin del flujo de calor, ft 2

t =Temperatura, F

x =Longitud de la ruta de conduccin en direccin del flujo de calor, ft

1.5.2.

Conveccin

El modo de transferencia de calor por conveccin se compone de dos mecanismos.

Adems de la transferencia de energa debido al movimiento molecular aleatorio (difusin),

la energa tambin se transfiere mediante el movimiento global, o macroscpico del fluido

el movimiento del fluido se asocia con el hecho de que, en cualquier instante, grandes

nmeros de molculas se mueven de forma colectiva o como agregados. Tal movimiento en

presencia de un gradiente de temperatura, constituye a la transferencia de calor. Como las

molculas en el agregado mantienen su movimiento, la transferencia total de calor se debe

entonces a una superposicin de transporte de energa por el movimiento aleatoria de las

molculas y por el movimiento global del fluido. Se acostumbra a utilizar el trmino

conveccin cuando se hace referencia a este transporte acumulado. [1]

La transferencia de calor por conveccin se clasifica de acuerdo a la naturaleza del

flujo. Hablamos de conveccin forzada cuando el flujo es causado por medios externos,

como un ventilador, una bomba o vientos atmosfricos. En cambio en la conveccin libre

(o natural) el flujo es inducido por fuerzas de empuje que surgen a partir de la diferencia de

densidades ocasionada por variaciones de temperaturas en el fluido.


17/80


Pgina | 9

La siguiente ecuacin, conocida como laLey del enfriamiento de Newtonse usa como

base para la evaluacin de las velocidades de transferencia de calor por conveccin

TThq sn

(1.2)

Donde: h =coeficiente de transferencia por conveccin, W/m2C (Btu/h.pie2F)

qn=flujo de calor por conveccin (W/m2)

Ts=Temperatura de la superficie C (F)

T=Temperatura del fluido C (F)

La constante de proporcionalidad h es designada como el coeficiente de transferencia

de calor, y depende de las condiciones de la capa lmite, en las que influye la geometra de

la superficie, la naturaleza del fluido y una variedad de propiedades termodinmicas del

fluido y de transporte. El coeficiente de transferencia de calor, es similar a la conductividad

trmica k, es frecuentemente determinada sobre la base de datos experimentales.

1.5.3. Radiacin

La radiacin trmica es la energa emitida por la materia que se encuentra a una

temperatura finita. Sin importar la forma de la materia, la radiacin se puede atribuir a

cambios de las configuraciones electrnicas de los tomos o molculas constitutivos. La

energa del campo de radiacin es transportada por ondas electromagnticas. [1]

Cuando la energa radiante es transferida desde una fuente hacia un receptor sin que

existan de por medio molculas de otra sustancia, el mtodo de transferencia de calor es

designado como radiacin. Basndose en la segunda Ley de la termodinmica, Boltzman

estableci la ecuacin que describe la velocidad a la cual una fuente da calor, denominada

tambin como la Ley de la cuarta potencia:

4241 TTAq (1.3)Donde:

=Constante de Stefan Boltzmann: 5,67 x 10-8 W/m2K4 0,1714 x 10-8

Btu/(h)(ft2)(R)4

=Emisividad de la superficie

A =rea expuesta a la transferencia de calor, m2(ft2)


18/80


Pgina | 10

T =Temperatura absoluta, K (R)

La emisividad depende de las caractersticas de la superficie emitente y es similar a

la conductividad trmica y al coeficiente de transferencia de calor, puede ser determinada

experimentalmente. Parte de la energa radiante interceptada por un receptor, es absorbida,y parte puede ser reflejada. En adicin, el receptor, se comporta tambin como una fuente.

Pudiendo emitir energa radiante.

1.6.

Intercambiadores de Calor

Cualquier aparato diseado para trasmitir la energa calorfica desde un medio (gas o

liquido) hacia otro medio es denominado Intercambiador de calor. En estos, el calor es

transferido desde el medio caliente hacia el medio fro por conduccin y conveccin, yalgunas veces por radiacin en el caso de gases. Una condicin para la transferencia de

calor es que exista un gradiente de temperatura entre los dos medios. [7]

Los intercambiadores de calor donde dos fluidos estn en contacto directo uno con el

otro, se denominan intercambiadores directos. El rea necesaria para la transferencia es

proporcionada por las interfaces del lquido, por las gotas, o por las pelculas de lquido.

Los intercambiadores de calor en los cuales los dos fluidos estn separados uno del

otro por una pared divisora a travs de la cual se transporta el calor. Se denominan

intercambiadores indirectos. La pared que los separa proporciona el rea de transferencia

de calor. [7]

Los intercambiadores en los cuales un fluido de proceso es calentado o enfriado para

un servicio en la planta se denominan calentador oenfriador. Si la corriente de proceso es

vaporizada, el intercambiador es denominado vaporizadorsi la corriente es completamente

vaporizada, hervidor si se vaporiza parcialmente y si est asociada con una columna dedestilacin se denomina re-hervidor (reboiler), si se usa para concentrar una solucin se

denomina evaporador. Si el intercambiador se usa para condensar una corriente se

denomina condensador que puede ser total si toda la corriente condensa o parcial si

condensa parte de la corriente de proceso. Adems, segn las condiciones de operacin los


19/80


Pgina | 11

intercambiadores pueden ser con sobrecalentamiento en el caso de vaporizadores o con

subenfriamientoosobre enfriamientopara los condensadores. [7]

Quiz una de las ampliaciones ms importantes del fenmeno que se estudian se

encuentra en el diseo y seleccin de intercambiadores de calor. Aun cuando los problemasque abarca el diseo de un cambiador de calor son mltiples y de carcter muy diverso, la

metodologa para predecir el comportamiento trmico es sencilla.

Los aspectos que han de considerarse en el diseo de un intercambiador de calor son

los siguientes: esfuerzo mecnico y dilataciones trmicas de la tubera, problema de

corrosin, depsitos de slidos en las lneas de flujo, cadas de presin, peso y tamao del

intercambiador, y desde luego el costo. Este ltimo factor suele jugar un aspecto muy

importante en el diseo o seleccin de un tipo de intercambiador de calor y debe tenerse

siempre en mente.

1.7.

Tipos de Intercambiadores de Calor

Los tipos fundamentales de intercambiadores de calor que son:

Intercambiadores de doble tubo

Intercambiadores de tubo y corazaIntercambiadores de tipo placa

1.7.1.

Intercambiador de Doble Tubo

Consiste en un tubo pequeo dentro de otro tubo mayor, circulando los fluidos en el

interior del pequeo y entre ambos. En caso de que los fluidos circulen en direccionesopuestas, el intercambiador viene a contracorriente. En cualquiera de estos casos, uno de

los fluidos, el caliente o el frio, ocupa el espacio anular y el otro circula dentro del tubo

interior. [3]


20/80


Pgina | 12

Los intercambiadores de doble tubo generalmente se ensamblan en longitudes

efectivas de 12, 15 o 20 pies, la longitud efectiva es la distancia en cada rama sobre la que

ocurre transferencia de calor y excluye la prolongacin del tubo interior despus de la

seccin de intercambio. Cuando las horquillas se emplean en longitudes mayores de 20 pies

correspondientes a 40 pies lineales efectivos o ms de doble tubo, el tubo interior se vence

tocando el tubo exterior, por lo que hay una mala distribucin del fluido en el nulo. El rea

de transferencia de calor est dada por el rea lateral del tubo interior. [3]

Fig. 3Seccin transversal de un intercambiador de doble tubo (Procesos de Transferencia de Calor,Donald Q. Kern, Pg. 135)

Tlt LDA 1 (1.4)

Donde:

Alt=rea de transferencia de calor, m2(pies2)

D1=dimetro exterior del tubo interior, m (pies)

D2=dimetro interior del tubo exterior, m (pies)

LT=longitud total del intercambiador


21/80


Pgina | 13

1.7.1.1.Nomenclatura y Configuracin

Fig. 4. Intercambiador de doble tubo (Intercambiadores de Calor, MSc. Luis Moncada Albitres)

1. Tubo interior2. Tubo Exterior3. Acoplamientos o conexiones para el fluido que circula por el anillo4. Acoplamiento o conexiones para el fluido que circula por el tubo interno5. Espacio anular6. Retornos7. Entradas y salidas [6]

1.7.1.2.Arreglo

Fig. 5Intercambiador de doble tubo con arreglo en serie y arreglo en serie-paralelo (Procesos deTransferencia de Calor, Donald Q. Kern, Pg. 147)

Para ciertas operaciones, a este intercambiador se le configura en forma de horquillas

las cuales se acondicionan en serie y a estas en bancos de horquillas en paralelo.


22/80


Pgina | 14

1.7.1.3.Tipos de Tubos.

Para la construccin de estos intercambiadores se usan tubos de pared lisa y en

algunos casos el tubo interior puede ser de superficie extendida (tubos con aletas), las

cuales pueden ser transversales y longitudinales, (Fig. 6).

Fig. 6 Tubos con aletas (a) Transversales y (b) Longitudinales (Intercambiadores de Calor, MSc.

Luis Moncada Albitres)

1.7.2.Intercambiadores de Calor de Tubo y Coraza

Es el intercambiador ms ampliamente usado en la industria. En este intercambiador

un fluido fluye por el interior de los tubos (lado de los tubos), mientras el otro es forzado a

travs de la coraza y sobre el exterior de los tubos (lado del casco) como se muestra en la

Fig. 7. Consta de una envoltura cilndrica denominada coraza el cual envuelve a un

conjunto de tubos denominado haz de tubos.

Fig. 7 Intercambiador de tubo y coraza (Intercambiadores de Calor, MSc. Luis Moncada Albitres)


23/80


Pgina | 15

1.7.2.1.Tipos Principales de Construccin

1.7.2.1.1. Intercambiadores de Tubos en U.

El haz de tubos consiste en un panel estacionario de tubos en U (o de horquillas),

deflectores o placa de soporte y espaciadores y tirantes apropiados. El haz de tubos sepuede retirar de la carcasa del intercambiador de calor. Se proporciona un cabezal del lado

de los tubos (estacionario) y una cubierta con carcasa integrada, que se suelda a la carcasa

misma (Fig. 8). Cada tubo tiene libertad para dilatarse y contraerse, sin limitaciones debidas

a la posicin de los otros tubos. [8]

El diseo de tubos en U ofrece la ventaja de reducir el nmero de juntas. En la

construccin para altas presiones, esta caracterstica es muy importante, pues reduce tanto

el costo inicial como el de mantenimiento. Los tubos en U han incrementado su empleo demanera significativa, gracias al desarrollo de limpiadores hidrulicos que son capaces de

eliminar residuos depositados tanto en la parte recta como en la parte doblada en U de los

tubos. [8]

Fig. 8 Intercambiador de tubos en U (Manual del Ingeniero Qumico, 7ma. Edicin, Vol. 2; Capitulo 11,Equipos de Transferencia de Calor)

1.7.2.1.2. Intercambiador de Calor de Cierre Hidrulico

Los fluidos del lado de la carcasa y del lado de los tubos se retienen mediante

diferentes anillos de empaque de cierre hidrulico y se instalan en el panel de los tubos


24/80


Pgina | 16

flotantes. El anillo de cierre hidrulico lleva orificios de purga. Cualquier fuga a travs del

empaque pasa por los orificios de la purga y, luego cae. Las fugas de los empaques no

darn como resultado la mezcla de los fluidos en el interior del cambiador. [8]

La hechura del panel de tubo debe ser suficientemente grande para dejar margen paralos empaques, el anillo de cierre hidrulico y la dilatacin diferencial. La construccin de

anillo de cierre hidrulico se limita, en general, para temperaturas de diseo de 191 C (375

F) y para servicios ligeros con agua, vapor, aceite lubricante, aire, etc. La presin

manomtrica de diseo no sobrepasa los 300 lbf/plg2 para cambiadores de carcasa de

tubera y se limita a 150 lbf/plg2para carcasas de 24 a 42 pulgadas de dimetro. [8]

Fig. 9 Intercambiador de calor de cierre hidrulico (Manual del Ingeniero Qumico, 7ma. Edicin, Vol. 2;Capitulo 11, Equipos de Transferencia de Calor)

1.7.2.1.3. Intercambiador de Cabezal Flotante Extrable.

La construccin es similar a la del intercambiador de cabezal flotante interno con

anillo dividido de respaldo, con la excepcin de que la cubierta de cabezal flotante se sujeta

directamente con pernos al panel de tubos flotante. El haz de tubos se puede retirar de lacarcasa sin necesidad de demostrar la cubierta de la carcasa ni la del cabezal flotante. Esta

caracterstica reduce el tiempo de inspeccin y las reparaciones. [8]


25/80


Pgina | 17

Fig. 10.Intercambiador de cabezal flotante extrable (Manual del Ingeniero Qumico, 7ma. Edicin,Vol. 2; Capitulo 11, Equipos de Transferencia de Calor)

El espacio grande entre los tubos y la carcasa debe dejar margen tanto para el

empaque como para la sujecin con pernos a la cubierta del cabezal flotante. Este espacio

es de aproximadamente 2 a 2,5 veces el que se requiere en el diseo del anillo dividido. [8]

1.7.2.1.4. Intercambiador de Cabezal Flotante Interno.

El diseo de cabezal flotante interno se utiliza mucho en las refineras de petrleo,

pero su uso ha declinado en los ltimos aos.

El haz de tubos es desmontable el panel flotante se desplaza para acomodar lasdilataciones diferenciales entre la carcasa y los tubos. El lmite del tubo exterior se acerca al

dimetro interior del empaque en el panel flotante. Los espacios (entre la carcasa y el OTL)

son de 1 1/8 plg para las carcasas de tubera y 1 7/16 plg para carcasa de dimetro medio.

El anillo dividido de respaldo y un sistema de pernos, retienen normalmente, la

cubierta del cabezal flotante al panel flotante. Se sita ms all del extremo de la carcasa y

dentro de la cubierta de la carcasa mayor. Esta ltima, el anillo dividido de apoyo y la

cubierta del cabezal flotante se deben retirar antes de que puedan pasar al haz de tubos a

travs de la carcasa del intercambiador.


26/80


Pgina | 18

Fig. 11. Intercambiador de cabezal flotante interno (Manual del Ingeniero Qumico, 7ma. Edicin, Vol.2; Capitulo 11, Equipos de Transferencia de Calor)

Con un nmero par de pasos del lado del tubo, la cubierta del cabezal flotante sirve

como cubierta de retorno para el fluido del tubo. Con un nmero impar de pasos, se debe

extender una tubera con tobera desde la cubierta del cabezal flotante a travs de la cubierta

de la coraza.

Tabla. 1 Nomenclatura de los intercambiadores de Tubo y coraza.

1. Cabezal estacionario, canal.2. Cabezal estacionario, casquete3. Brida de cabezal estacionario, canal ocasquete4. Carcasa de canal5. Tobara de cabezal estacionario6. Panel de tubo estacionario7. Tubos8. Carcasa9. Cubierta de la carcasa10.Brida de carcasa, extremo cabezalestacionario11.Brida de carcasa, extremo cabezal posterior12.Tobera de la carcasa13.Junta de expansin14.Brida de la cubierta de la carcasa15.Panel de tubo flotante16.Cubierta de cabezal flotante17.Brida de cabezal flotante18.Dispositivo de apoyo del cabezal flotante19.Anillo de corte dividido

20. Brida de apoyo deslizante21. Carcasa del cabezal flotante, extrema22. Faldn del panel de tubos flotantes23. Brida del prensaestopas24. Empaque25. Prensaestopas26. Anillo de cierre hidrulico27. Bielas y espaciadores28. Deflectores transversales o placas de apoyo29. Placa de choque30. Deflector longitudinal31. Separacin de paso32. Conexin de venteo33. Conexin de drenaje34. Conexin de instrumentos35. Albardilla de soporte36. Taln elevador37. Mnsula de soporte38. Vertedero39.

Conexin de nivel de lquido

(Manual del Ingeniero Qumico, 7ma. Edicin, Vol. 2; Capitulo 11, Equipos de Transferencia de Calor)


27/80


Pgina | 19

1.7.2.2. Partes que Componen los Intercambiadores de Tubo y Coraza

El Haz de Tubos.Es un conjunto de tubos que se albergan dentro del casco y en sus extremos estn

soportados en la placa de tubos, la cual puede ser placa fija o con cabeza flotante. El

empleo de uno u otro tipo de placa depende de la diferencia de temperatura que se registre

en los extremos durante la operacin. Por lo general se usan tubos lisos y de manera

especial con superficie extendida.

Los tubos para intercambiador se encuentran disponibles en varios metales, los que

incluyen acero, cobre, admiralty, metal Muntz, latn, 70-30 cobre-nquel, aluminio-bronce,

aluminio y aceros inoxidables.

Fig. 12 Deflectores con orificios anulares (Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants;Volume 3, Pg. 20)

Arreglo o Disposicin de los Tubos en el Haz.Los tubos en un intercambiador son usualmente dispuestos en forma de un tringulo

equiltero (triangular) o de un cuadrado (cuadrangular) como se muestra en la Fig. 18.

El arreglo triangular permite albergar un mayor nmero de tubos dentro del casco y

da mayores coeficientes de pelcula, se emplea con fluidos limpios y cuando la limpieza se

realiza con medios qumicos. El arreglo cuadrado se emplea cuando se quiere albergar un

menor nmero de tubos y cuando la limpieza debe hacerse con medios mecnicos, se

emplea con fluidos con tendencia a formar incrustaciones, este arreglo produce bajas cadas

de presin en el lado del casco.


28/80


Pgina | 20

Fig. 13 Arreglo de los tubos (Procesos de Transferencia de Calor, Donald Q. Kern, Pg. 160)

La Placa de Tubos

Es una plancha metlica perforada segn el arreglo, sirve de sostn a los tubos en sus

extremos como se muestra en la Fig. 14.

a) Placa fija: Va fija al casco y se usa para diferencias de temperatura en los extremos de

hasta 90 C (200 F).

b) Placa de cabeza flotante: Para diferencias de temperaturas mayores a 90 C (200 F),

para evitar que los esfuerzos trmicos produzcan fracturas.

c) Placa de tubos en U: Se usan tubos en U para la evaporacin y en este caso la placa

que sostiene a los tubos en el extremo donde se produce el retorno se denomina placa

de tubos en U.

Fig. 14 Placa extrema(Intercambiadores de Calor, MSc. Luis Moncada Albitres)


29/80


Pgina | 21

Coraza.Es la envoltura cilndrica que cubre el haz de tubos. Sus principales caractersticas

son el dimetro y el espesor.

Dimetro: El casco se construye con tuberas de acero (o de otro material) de paredestndar hasta de 24 de dimetro. La British Standard (BS 3274) cubre intercambiadores

con dimetro de casco desde 150 mm (6) hasta 1067 mm (42). La TEMA Tubular

Exchanger Manufacturers Association, tiene intercambiadores estndares de hasta 1520

mm (60) de dimetro de casco.

Espesor: Para cascos de hasta 24 plg de dimetro, se usa la tolerancia dada para

tuberas NPS, y usualmente se usan espesores de 3/8 plg y se construyen a partir de tuberas

de dimensiones estndar, sobre los 24 plg se construyen a partir de placas roladas. Parafluidos muy corrosivos o cuando la presin en el lado del casco excede de 300 psig se

sugieren los mtodos para el clculo de espesores de tanques y recipientes a presin.

El dimetro del casco se debe seleccionar de tal manera que se pueda obtener cierto

espacio luz entre el dimetro del haz de tubosDty el dimetro interior del cascoDs. Este

espacio depender del tipo de intercambiador y las tolerancias de los fabricantes. [7]

Los Deflectores en el Casco y los Cabezales.En los cabezales se insertan pantallas longitudinales que permiten dirigir el flujo por

el lado de los tubos. Con la instalacin de estas pantallas se consiguen los intercambiadores

de mltiple paso. Tratndose de que se mantenga en el casco un solo paso con las pantallas

en los cabezales se puede obtener el intercambiador 1-2 (4, 6, 8, n pasos) como se muestra

en la Fig. 20.

La limitacin radica en la complejidad de la construccin y en el costo de la

operacin. A medida que aumentan los pasos la velocidad del fluido aumenta, tambin

aumenta la cada de presin. Por ello las series de intercambiadores de mltiple paso se

limitan a 6-n.


30/80


Pgina | 22

Fig. 15 Arreglo de los tubos, mostrando las particiones de los tubos en los cabezales (Intercambiadores deCalor, MSc. Luis Moncada Alvitres)

Los Deflectores en el Casco.

Son dispositivos mecnicos, a manera de compuertas transversales, que se insertan a

lo largo del casco de un intercambiador. Con los deflectores, se produce incremento de la

velocidad de fluido que pasa por el casco, aumentando su coeficiente de pelcula pero

aumentando tambin la cada de presin.

Tipos:

a) Pantalla de disco

Fig. 16 Deflector de disco y corona (Procesos de Transferencia de Calor, Donald Q. Kern, Pg. 163)

b) Pantalla perforada

Fig. 17 Deflector de orificio (Procesos de Transferencia de Calor, Donald Q. Kern, Pg. 163)

c) Deflector Segmentado al 15, 25, 35, y 45 % (ms comn al 25 %)


31/80


Pgina | 23

Fig. 18 Deflector segmentado al 25 % (Intercambiadores de Calor, MSc. Luis Moncada Alvitres)

1.7.2.3.Seleccin de la Trayectoria de Flujo.

Al escoger la trayectoria de flujo de dos fluidos, a travs del intercambiador, se

utilizan varios mtodos. El fluido de lado del tubo es ms corrosivo o esta ms sucio o a

una presin ms alta. El fluido del lado de la coraza es un liquido de viscosidad elevada, o

bien un gas.

Para presiones manomtricas de ms de 300 lbf/in2 para uno de los fluidos, la

construccin menos costosa corresponde a la circulacin del fluido a presin elevada por el

interior de los tubos.

1.7.3.

Intercambiadores de Placas

Un intercambiador de placas consiste de una armazn y de placas corrugadas o ranura

das de metal. La armazn incluye una placa fija, una placa de presin y partes de conexin

y presin. Las placas son presionadas unas a otras sobre una armazn (Fig. 19). Las placas

extremas no transfieren calor.


32/80


Pgina | 24

Fig. 19Partes del intercambiador de placas (Intercambiadores de Calor, MSc. Luis Moncada Alvitres).

1.7.3.1. Disposicin de las Placas

Series de placas son presionadas unas a otras, de tal manera que las corrugaciones

forman estrechos canales para el flujo de los fluidos, lo cual siempre produce turbulencia

an a velocidades muy bajas. Las corrugaciones tambin aumentan la rigidez de las

delgadas placas, hacindolas capaces de resistir deformaciones debido a las altas presiones.

Un adecuado nmero de soportes tambin ayuda a minimizar los riesgos de deformaciones

debido a las presiones.

Fig. 20 Disposicin de las empaquetaduras (Intercambiadores de calor, MSc Luis Moncada Arbitres)

Las placas pueden ser construidas de materiales que pueden ser trabajados en fro, sin

someterlos a un proceso de soldadura. El espesor de las placas vara entre 0,5 a 3,0 mm. La

distancia promedio entre placas (ancho de los canales) est entre 1,5 a 5,0 mm. Los

tamaos de las placas varan entre 0,03 a 1,5 m2. Las reas de transferencia se extienden

desde 0,03 hasta 1500 m2. Los grandes intercambiadores de placas manejan flujos de hasta

2500 m3/h.

1.Armazn fija

2.Conexiones de entrada y salida

3.Placas extrema inicial

4.Perno de ajuste

5.Empaquetadura

6.Placa trmicas

7.Conexiones entre placa

8.Placa externa de presin


33/80


Pgina | 25

El armazn de un intercambiador de placas consiste de dos placas extremas fuertes,

una barra vertical y dos barras horizontales, una en la parte superior y otra en la parte

inferior. Las placas trmicas estn suspendidas sobre las barras horizontales y presionadas

sobre las placas extremas.

Fig. 21 Flujos en un intercambiador de placas (Intercambiadores de calor, MSc Luis Moncada Arbitres)

Usando las empaquetaduras segn convenga, se puede arreglar el flujo en

contracorriente y los flujos individuales pueden ser divididos en corrientes paralelas, as

mismo las empaquetaduras sellan a las placas en sus bordes en todo su alrededor, haciendo

el diseo respectivo para dar lugar a las entradas y salidas que pueden ser en el tope o en el

fondo

1.7.3.2.Seleccin de EmpaquetadurasCada placa tiene una empaquetadura cuya funcin es efectuar un sello total y

cerrar la trayectoria de flujo de uno de los fluidos en las corrientes de proceso. Las

empaquetaduras van en una ranura alrededor del permetro de las placas y fijas a las

mismas.

La disposicin de las empaquetaduras debe hacerse de tal manera que se tenga un

mnimo de estas reas expuestas a los fluidos. La seccin transversal de las empaquetaduras

vara de acuerdo a los tipos de placas, siendo las ms comunes las de seccin trapezoidal u

oval. El ancho es generalmente de 5 a 15 mm., dependiendo del espaciado. Debido a que

las empaquetaduras no son muy elsticas comparadas con los plsticos, las placas y

armazn deben estar diseados para soportar grandes fuerzas de presin requeridas para el

sellado.


34/80


Pgina | 26

1.7.3.3.Modelos de Flujo y Arreglos

Los arreglos en intercambiadores de placas se muestran en la Fig. 22 y son:

a. Arreglo en serie.- una corriente continua cambia de direccin despus de cada

recorrido vertical.

b. Arreglo en paralelo.- la corriente principal se divide en sub-corrientes para

converger posteriormente en una sola

Los arreglos posibles en un intercambiador de placas son:

a) Arreglo en paralelo

b) Arreglo en Z

c) Arreglo en U

Fig. 22 Modelos de flujo y arreglos (Intercambiadores de calor, MSc Luis Moncada Arbitres

El nmero de canales paralelos est dado por el rendimiento del intercambiador y la

cada de presin permisible. El mayor nmero de canales disminuye la cada de presin. El

nmero de canales en serie es determinado por la eficiencia y los requerimientos de

intercambio de calor. Si un lquido es enfriado en flujo viscoso, el nmero de canales puede

ser reducido para incrementar la velocidad y por lo consiguiente aumentar el coeficiente de

transferencia de calor.


35/80


Pgina | 27

Captulo II

Descripcin del Proceso


36/80


Pgina | 1

2.1. Proceso de Tratamiento del Efluente

Para el tratamiento de los desechos de las plantas que operan en el complejo, se

implementaron dos tipos de tratamientos bsicos:

Tratamiento primario.

Tratamiento secundario.

El sistema de tratamiento secundario de efluentes que cuenta con los siguientes elementos

principales:

1. Dos reactores biolgicos.

2. Dos sedimentadores secundarios.

3. Un sistema de cloracin.4. Un crcamo de bombeo.

2.1.1.Tratamiento Primario

a. Sosa caustica:

Sistema de oxidacin:

En este sistema se trata la sosa custica agotada de plantas de etileno y fraccionadora.

La sosa custica agotada es almacenada en los tanques verticales, los cuales tienen un

tiempo de residencia alto que permitir el funcionamiento contino del sistema de

oxidacin.

Estos tanques tienen unas mamparas que permitirn separar el aceite e hidrocarburos

que le restan funcionalidad al sistema de oxidacin.

La sosa custica agotada es succionada de los tanques verticales de almacenamiento por

las bombas centrifugas. Estas bombas alimentan la sosa custica agotada al calentador de

carga, que es un cambiador con arreglo en contracorriente de tubos-coraza donde se

aprovecha el calor liberado en la reaccin de oxidacin para calentar la sosa custica

agotada. A la corriente de salida del calentador de carga se le inyecta una corriente de

vapor, para efectuar la reaccin en medio caliente, tambin se le inyecta una corriente de

aire que ser el medio oxidante.


37/80


Pgina | 29

El aire es inyectado por medio de los compresores reciprocantes.

La mezcla formada por la sosa custica agotada-vapor y aire es alimentada por el fondo

a la torre de oxidacin, la cual est formada por tres cmaras que trabajan completamente

inundadas y en cada cmara se encuentran anillos con orificios difusores que permiten el

contacto entre el aire y la sosa gastada.

El producto oxidado sale por el domo de la torre de oxidacin y pasa a travs del

calentador de carga donde cede el calor liberado en la reaccin a la alimentacin de la torre

oxidadora.

El producto oxidado es almacenado en el tanque de almacenamiento de producto

oxidado y posteriormente para aprovechar sus caractersticas de alcalinidad es enviado

mediante las bombas a los diversos sistemas de neutralizacin.

b. Aceites

La mayor cantidad de aguas aceitosas producidas en el C. P. Morelos se conducirn

hacia el rea de tratamiento de efluentes a travs de una red de drenaje aceitoso.

El emisor final de drenaje aceitoso se conducir hacia el registro distribuidor, al cual

tambin llegaran, el drenaje aceitoso del rea de tratamiento de efluentes, y de las otras

plantas de proceso del complejo.

Este consta de compuertas para distribuir el flujo y para sacar de operacin las

mallas de retencin, adems tiene un canal vertedor para sacar sobre flujos en caso de que

se presenten.

Las aguas aceitosas procedentes del registro distribuidor pasaran por unas mallas de

retencin de slidos estas mallas tienen la funcin de retener partculas de tamao de plg

y mayores.

Una vez que las aguas aceitosas han pasado por las mallas de retencin de slidos,

se envan hacia el crcamo de bombeo, el cual tambin cuenta con mallas retenedoras de

slidos, las cuales tienen la abertura de mallas ms pequeas que las anteriores.


38/80


Pgina | 30

Este crcamo de bombeo consta de tres canales independientes, uno de los cuales

siempre estar disponible para entrar en operacin en caso de asentamiento de slidos en

cualquiera de los otros dos canales que estn funcionando. Los canales del crcamo de

bombeo estn diseados para que operen como separadores API y as poder sedimentar

slidos y elevar la capa de aceite.

En este crcamo de bombeo se encuentran instaladas las bombas tipo Arqumedes,

una por cada canal, las cuales elevan el agua a una altura de 5.5 m, estas tienen la funcin

de enviar las aguas aceitosas a baja velocidad para evitar la emulsin aceite agua.

Estas bombas tipo Arqumedes suministran el agua aceitosa hacia el separador

gravimtrico tipo API modificado, el cual consta de tres canales.

Las aguas residuales del separador API pasan a travs de canales hacia las fosas de

igualacin. La funcin de estas es igualar el flujo hacia el tratamiento secundario en cuanto

a concentracin de contaminantes, temperatura, etc.

Cada fosa tiene tubos espumaderas para recolectar aceite en caso de que se pase

cierta cantidad del separador nicamente como una alternativa, pues normalmente no

deber haber flujo de aceite hacia las fosas de igualacin.

El aceite recuperado tanto en el separador API como en las fosas de igualacin se enviara al

crcamo de bombeo de aceite recuperado.

Otra de las funciones de este crcamo de bombeo, adems de almacenar aceite, es la

de servir como decantador de aceite-agua. El aceite recuperado es enviado a unas

salchichas decantadoras de aceite-agua por medio de bombas centrifugas.

Estas salchichas tienen una pierna en la parte inferior con indicadores de nivel que permiten

ver la separacin de fases aceite-agua y as purgar al drenaje aceitoso, por medio de una

vlvula, el agua que al separarse se almacenara en el fondo.


39/80


Pgina | 31

2.1.2. Tratamiento Secundario.

El sistema est formada por dos reactores biolgicos, los cuales reciben la descarga

de las fosas de igualacin del sistema de tratamiento primario; en los reactores biolgicos

se inyecta aire al efluente mediante sopladores, posteriormente se pasara el flujo a dos

clarifloculadores en donde se sedimentaran los lodos biolgicos arrastrados por el fluido.

Estos lodos se extraern hacia un crcamo de bombeo para llevarlos a un

centrifugado en donde se separa el agua del lodo, estos son depositados en un lecho de

secado para usarse como relleno.


40/80


Pgina | 32

Captulo III

Seleccin del Sistema de

Enfriamiento y Clculo


41/80


Pgina | 33

3.1. Seleccin Del Intercambiador de Calor a sus Caractersticas

De acuerdo a las propiedades de cada uno de los intercambiadores, no

es posible utilizarlos en cualquier proceso industrial, para ello es necesario

hacer la seleccin utilizando las caractersticas fsicas y qumicas del procesoal cual se va a aplicar.

Intercambiadores de placas

Ventajas Desventajas Mayor rea de transferencia por unidad

de volumen.

Puede operar con ms de dos fluidos

Alta turbulencia, producindose un

coeficiente de pelcula elevado y baja

incrustacin; lo cual lleva consigo una

disminucin en el rea necesaria para la

transferencia de calor

Bajas cadas de presin

Facilidad para extender o rearreglar launidad para incrementos o

modificaciones de las cargas de calor

Facilidad de mantenimiento

Inhabilidad de sellar confiablemente las

juntas entre cada una de las placas.

Opera a bajas presiones.

Operan con lquidos

MSc. Luis Moncada Albitres, Intercambiadores de Calor Frank P. Incropere, David P. De Witt; Fundamentos de Transferencia de Calor.

Intercambiadores de calor de tubo y coraza

Ventajas Desventajas Su configuracin proporciona grandes

reas de transferencia en pequeos

espacios.

Puede operar con diferentes tipos de


42/80


Pgina | 34

fluidos.

Soportan altas presiones y altas

temperaturas de operacin.

Procedimientos de diseo y tcnicas de

fabricacin bien establecidas.

MSc. Luis Moncada Albitres, Intercambiadores de Calor Robert H. Perry, Don W. Green; Manuel del Ingeniero Qumico Frank P. Incropere, David P. De Witt; Fundamentos de Transferencia de Calor.

Intercambiador de doble tubo

Ventajas Desventaja Se usa en operaciones de transferencia

de calor sensible y condensacin.

La principal desventaja en el uso de los

intercambiadores de doble tubo es la

pequea superficie de transferencia de

calor contenida en una horquilla simple.

Pequeas areas de transferencia de

calor

MSc. Luis Moncada Albitres, Intercambiadores de Calor

De acuerdo a lo mostrado en las tablas anteriores de las ventajas y desventajas de los

tipos de intercambiadores, es ms recomendable el uso de un intercambiador de tubo ycoraza, que proporcionara grandes reas de transferencia de calor en pequeos espacios,

trabaja tanto a altas presiones como a bajas y puede operar con diferentes fluidos.


43/80


Pgina | 1

3.2. Metodologa de Clculos para Intercambiadores de Tubo Y Coraza

Pedida de calor en el ducto.

Debido a la falta de disponibilidad de espacio y la altura del ducto a la salida de los

sopladores, se propuso instalarlo a una distancia donde fuese ms factible tanto por la alturacomo por la prdida de calor (conduccin y conveccin) con la del medio ambiente.

Se calculo la perdida de calor a lo largo del ducto hasta el punto donde se instalara

el cambiador de calor. Para ello se utilizo como temperatura del ambiente 97.7F (36.5 C).

y el ha se obtuvo de la Fig. 13 del Anexo 2.

Primera iteracin

1. Flujo de calor.

Para obtener el valor de hase supuso una temperatura de 174 F, y con la ayuda de la

Fig. 13 se obtuvo una ha= 1.92 Btu/hr ft2F

1

1 1log2

3.2

DhD

D

k

ttq

aSc

as

linealfthr

Btuq

214.953

122492.1

1

25.23

24log

262

3.2

8.96176

2. Perdida de temperatura por pie lineal

c

S

sk

DDqtt

2

log3.2 11

Ft

814.175262

25.23

24log3.2214.953

1761

Segunda iteracin.

linealfthrBtuq

167.958

122493.1

1

25.23

24log

262

3.2

8.96176

Ft

813.175262

25.23

24log3.226.948

1761

Teniendo el flujo de calor de la tuberia, se hizo uso de las herramientas del simulador

Hysys pera determinar la perdida de temperatura que se tiene a lo largo de los dos ductos,


44/80


Pgina | 36

uno de 12 plg de diametro esterior y 2.5 m de longitud y otro de 24 plg de diametro exterior

y 35 m de longitud. Sabiendo que los sopladores descargan a una presion de 0.52 kg/cm2

manometrica.

Hysys 1 Simulacin de la prdida de calor en el ducto

De la simulacion se obtuvo la temperatara de 71.22 72 C en el punto en el cual se

instalara el intercambiador de calor.


45/80


Pgina | 37

Calculo de la temperatura optima de salida del agua de enfriamiento:

La salida del refrigerante siempre juega un papel importante en los costos del

intercambiador, por lo que es necesario hacer los calculos de cual es la temperatura a la que

conviene que salgo.

MLDTUQC

ttCp

CQC FW

T

12

U = 30 Btu/hr ft2F, supuesto deacuerdo la viscosidad del fluido

=7200 hr

Cp = 1 Btu/lb F

Cf = para se supone 20% de reparcin y mantenimiento y 10% de depreciacin. A un costo

unitario de 4 dls por ft2, el cargo fijo anuel es: [3]

Cf = $4 x 0.3 = $1.2

xt 1762

188.968.1141 t

2168.0

12.1$

8300$01.0720030 2

lb

hrFhrft

Btu

cC

CU

f

w

06.98.96104

1046.161

1

21

t

TT

Con el clculo anterior y el uso de la fig. 14 del apndice calcular 1

2

t

t

1.71

2

t

t

Ft 8.11473.446.1612

De acuerdo al clculo la temperatura optima de salida del refrigerante debe ser de 114.8 F

(46 C)

Ft

73.441.78.961042


46/80


Pgina | 38

Calculo para el intercambisdor de calor

La planta trabaja con cinco sopladores, cada uno fue diseado para un flujo de 5000

ft3/min, de aqu que se tenga un flujo de aire de 25000 ft3/min que es equivalente a

96100.177 lb/hr, el aire sale inicialmente con una temperatura de 80 C, con una perdida de

temperatura en la trayectoria de 8 C, al punto donde se instalar el intercambiador llegar

con una temperatura de 72 C (161.6 F), saliendo del mismo a 40 C (104 F) que es la

temperatura adecuada para el proceso en los biorreactores.

Entrada del

aire

T1=161.6 F

Salida del

aire

T2=104 F

Entrada del

Agua

t1=96.8 F

Salida delAgua

t2=114.8 F


47/80


Pgina | 1

1. Calculo del la carga trmica que entra al intercambiador.

Para la conversin del flujo volumtrico a flujo msico se utiliza la densidad del aire a la

temperatura de salida del aire que es 1.0262 kg/m3, lo que dio un valor de 96100.77 lb/hr.

El Cp se obtiene de la Fig. 6 del Anexo 2

TCpmQ

FFFlb

Btuhr

lbQ

1046.16125.077.96100 hr

BtuQ 137.1383851

2. Flujo msico del agua necesaria para enfriar la carga de calor que entra al

intercambiador se determina de acuerdo al flujo de calor con la siguiente formula.

TCp

Qw

FFFlbBtuhr

Btu

w

8.968.1141

137.1383851

hrlbw 619.76880

3. Calculo de la diferencia verdadera de temperatura, media logartmica de temperatura

MLDT.

12

21

1221

ln tT

tT

tTtTMLDT

FF

FF

FFFFMLDT

61.6

8.96104

8.1141ln

8.961048.1146.161

FMLDT 156.21

12

21

tt

TTR

FF

FFR

8.968.114

1046.161

2.3R

11

12

tT

ttS


48/80


Pgina | 40

FF

FFS

8.966.161

8.968.114

278.0S

4. Factor de diferencia de temperatura,

112

112ln1

11ln1

2

2

2

RRS

RRSR

RSSRFt

12.312.3278.02

12.312.3278.02ln12.3

278.02.31278.01ln12.3

2

2

2

tF

923.0tF

tFMLDTT

923.0156.21T

FT 3.19

Datos para el dimensionamiento delIntercambiador

Datos de la Tubera delcambiador

Datos de la Corazadel cambiador

*DE = 0.75 Plg **DI = 19.25 plg

*DI = 0.584 Plg **Pasos = 1

*BWG = 14 B = 4 plg

*a' = 0.268 plg C = 0.25

Pasos = 4 P t = 1.0 plg

DI = 0.048666 Ft **N t = 262

L = 13 Ft

(*) Los datos de la tubera se obtendrn de la tabla 7 del apndice.(** )Los datos se obtendrn de la tabla 8 del apndice.Tomada de Donald Q. Kern, Procesos de Transferencia de Calor.

Fluido frio (agua):lado de los tubos


49/80


Pgina | 41

5. Calculo del rea de flujo.

n

aNa tt

144

;

4144

268.0262 2inat

2122.0 ftat

6. Masa velocidad

t

ta

wG

;

2122.0

96100

ft

hrlb

Gt

Calculo de la velocidad del agua por los tubos

5.623600 5.7883393600 tGu

segft

u 5.3

7. Calculo del Nmero de Reynolds lado de los tubos.

Como la viscosidad del agua no es tan grande y la MLDT no excede de 50 F, se usara la

temperatura promedio de T1- T2, y t1 -t2en lugar de Tc, tc.

Ftc

8.105

2

8.1148.96 y FTc

8.132

2

1046.161

Lahrft

lbcpOH 5.142.262.0

2 a la temperaturas calricas, se toma de la tabla 5 del

Anexo 2, multiplicada por 2.42

t

t

DGRe

fthrlb

fthrlbFt

t

5.1

5.788339048666.0

Re2

42.25570Re t

267D

L

8. Obtener JH de la fig. 9, kde la tabla 2 del Anexo 2

25.788339 fthrlbGt


50/80


Pgina | 42

FfthrBtuk

332.0 ;

80HJ ;

31

k

Cp

D

k

j

hH

t

i

3

1

332.0

5.11

048666.0

332.080

FFthrBtu

hrFtlb

FlbBtu

Ft

FFthrBtu

h

t

i

3.902t

ih

DE

DIhh

t

i

t

i

0 59.70275.0

584.03.9020

t

ih

9. Temperatura de la pared del tubo.

cctti

t

cw tT

hh

htt

00

0

Ftw 7.109

Con la temperatura de la pared se determina la viscosidad haciendo uso de la tabla 5 del

Anexo 2.

hrftlb

cpw 48.142.261.0 14.0

w

t

002.148.1

5.114.0

hrftlb

hrftlb

t

10. Calculo del coeficiente corregido

t

t

i

ihh

00

Ffthr

Btuhi

20 19.70459.702002.1


51/80


Pgina | 43

Fluido caliente:lado de la coraza

11. Calculo del rea de flujo

T

sP

BCDIa

144

2134.00.1144

lg425.0lg19 ftppas

12. Masa velocidad

s

sa

wG

2966.575106134.0

898.111600

fthrlbG

s

2020

917.010.1

dP

d

D Te

ftDe 059.0

12

75.0917.00.175.0

10.1 22

13. Calculo del Nmero de Reynolds lado de los tubos. Lahrft

lbAire

040656.0 se

obtiene a las temperaturas calricas y haciendo uso de la Tabla 4 del Anexo 2.

se

s

GDRe

fthr

lb

fthrlbft

s

04066.0

966.575106059.0

Re2

022.837120Re s

14. Obtener JH de la fig. 10, kde la tabla 3 y de la tabla 4 del Anexo 2.

FfthrBtuk

014.0 ; 550HJ

31

k

Cp

D

kj

hH

s

i

31

014.0

04066.025.0

059.0

014.0

550

Ffthr

Btu

hrftlb

FlbBtu

ftFfthr

Btu

hs

i

9.116s

ih

Con la temperatura de pared se obtiene la viscosidad del aire.


52/80


Pgina | 44

hrftlb

ai 05203.0

14.0

w

s

97.005203.0

04066.014.0

hrftlb

hrftlb

s

15. Calculo del coeficiente corregido.

s

s

hh

00

Ffthr

Btuhi

20 97.11297.09.116

16. Calculo del coeficiente total limpio Uc.

00

00

hh

hhU

i

i

c

Ffthr

BtuUc

235.97

97.11219.704

97.11219.704

17. Calculo del rea de transferencia de calor

linealftft

a

2

2618.0

tLNaA

22

7.891262132618.0 ftlinealftlinealft

ftA

tA

QUD

FfthrBtu

Fft

hrBtu

UD

891.735.80

3.19

137.1383851

2

18. Calculo del factor de obstruccin en la tubera del cambiador de calor.

Dc

Dc

d UU

UU

R

ft

FfthrBtu

FfthrBtu

FfthrBtu

FfthrBtu

Rd 0022.0

35.8035.97

35.8035.97

2

2


53/80


Pgina | 45

Cada de presin lado de la coraza.

2

2

lg0015.0

pft

f ; ftDs .5833.2 ; 1s

BLN 121 39

4

13121

N

se

ss

ssD

NDfGP

10

2

1022.5

1

97.01059.01022.5

75.125833.2966.575106lg

0015.0

10

2

22

2

ft

fthrlb

pFt

Ps

2lg4.10

p

lbPs

Cada de presin lado tubos

rtT PPP t

t

tDs

LnfGP

10

2

1022.5

002.110487.01022.5

4135.7883390013.0

10ft

fthr

lb

Pt

2lg5.16

plbPt

14425.624

2

gV

snPr

Con el flujo msico y la Fig. 12 del Anexo 2 obtener el siguiente valor.

075.01442

5.622

g

V

2lg

008.01

0019.024

plbPr

2lg09.17

plbP

T

Registro de Clculos

kag= 0.332 Btu/F hr ftkai= 0.014 Btu/F hr ftag= 3.630 lb/ft hrai= 0.041 lb/ft hr


54/80


Pgina | 46

Conclusiones y Recomendaciones

Q = 1383851.137 Btu/hrm = 96100.773 lb/hrw = 76880.619 lb/hrMLDT = 21.156 FR = 3.2

S = 0.278Ft = 0.913t = 19.315 F

Lado TubosLado

Cuerpo Unidadesat= 0.122 0.603 ft

2Gt = 788339.488 575106.966 lb/hr ft2De = 0.059 ftRe = 25570.41 837120.022 AdimensionalL/D = 267.123 Adimensional

jH= 80 550 Adimensionalhi/t= 902.304 Adimensionalh0/s= 116.94 Adimensionalhi0/t= 702.59 Adimensionaltw= 109.65 Fw= 1.476 0.052 lb/ft hr = 1.002 0.966 Adimensionalhio= 704.19 Btu/F hr ft

2ho= 112.973 Btu/F hr ft

2Uc= 97.355 Btu/h ft

2F

A = 891.69 ft2UD= 80.35 Btu/h ft

2FRd= 0.0021 h ft

2F/BtuP = 10.401 17.09 lb/plg2


55/80


Pgina | 47

De acuerdo a la seleccin y clculos realizados del intercambiador de calor se

concluye que si se logra disminuir la temperatura hasta la requerida por el proceso de

degradacin de la materia orgnica. La temperatura de entrada del aire al sistema ser de 40

C (96.8 F)

Las cadas de presiones son adecuadas y es una de las consideraciones para el diseo,

con esta se permitir que el aire llegue a los biorreactores con la suficiente presin para

oxigenar el agua. Por el lado de los tubos se tendr una cada de presin adecuada, con una

velocidad del agua de 3.5 ft/seg.

Para el clculo se determino que una separacin separacin entre los deflectores de 4

plg y un espaciado entre los tubos de 1 plg, proporciona un Reynolds turbulento del lado de

la coraza, lo que mejorara la transferencia de calor.

Como fluido refrigerante se utilizar el agua, que de acuerdo al clculo de flujo de

calor se necesitaran 836.94 m3/da. El agua necesaria para el enfriamiento se obtendr de la

que es tratada en la misma planta (En la tabla B del anexo 1 se muestran los promedios de

descargas de agua tratada), que satisface los requerimientos, haciendo un arreglo en la

salida del tratamiento secundario para desviar una parte hacia el intercambiador.


56/80


Pgina | 48

Anexos


57/80


Pgina | 49

ANEXO 1.

IMGENES Y DATOS DE DESCARGAS DE AGUA LA PLANTA

Imagen A2Vista del un soplador para un flujo de 5OOO PCM

Imagen A3 Vista lateral de la batera de sopladores


58/80


Pgina | 50

Imagen A4Recorrido del ducto por el que se transporta el aire hacia los biorreactores

Imagen A5 Entrada de aire a los biorreactores a travs de una tubera de 12 plg


59/80


Pgina | 51

Tabla B. Descargas mensuales de agua tratada

Promedio de descarga de agua tratadaDescarga(m3/da)

Ene. Feb. Mar. Abr. Mayo Jun. Jul. Ago. Sep. Oct. Nov.

ArroyoColorado 20129 13310 11871 12833 15354 18067 16871 8205 22527 23774 12167LagunaPajaritos

12344 12065 10696 12422 13693 16091 15802 14049 17592 15326 12855

Total(m3/da)

32473 25375 22567 25255 29047 34158 32673 22254 40119 39100 25022

Datos obtenidos de la Planta de Efluentes del Complejo Petroqumico Morelos


60/80


Pgina | 52

ESPECIFICACIONES TCNICAS DE LOS SOPLADORES


61/80


Pgina | 53

ESPECIFICACIONES TCNICAS DE LOS SOPLADORES


62/80


Pgina | 54

NOMENCLATURA USADA PARA LOS CLCULOS

hrlbaire,delmasicoFlujom

Fa,temperaturdediferencialadealogartmicMediaMLDT

Fttubo,delLongitudL

FtFFthrBtutrmica,dadConductivik

nalAdimensiocalor,deciatransferenparaFactorJ

FFthrBtutubo,delexteriordimetroalreferidohideValorh

FFthr

Btumente,respectivaexterior,fluidointerior,fluido

general,encalordeciatransferendeeCoeficienth,hh,

hrFtgravedad,ladenAceleracig

Fthlbvelocidad,MasaG

plgFtfriccin,deFactorf

nalAdimensioa,temperaturdediferenciadeFactorF

Ftpresin,decadaycalordeciatransferenparaeequivalentDimetroD

Fttubos,losdeexteriorDimetroDE

Fttubos,losdeinteriorDimetroDI

Ftcoraza,ladeinteriorDimetroD

FlbBtues,derivacionlasencalientesflui.doslosdeespecficoCalorCp

Plgtubos,losentreEspaciadoC

Ftlineal,pieporexternaSuperficiea

Ftflujo,deAreaa

Ftcalor,deciatransferendeSuperficieA

2

H

2i0

2

0i

2

2

2

2

T

e

s

2

2


63/80


Pgina | 55

Fthrlb2.42scentipoisetubo,delparedladeatemperaturlaaViscosidad

Fthrlb2.42scentipoise,Viscosidad

,viscosidaddeRelacin

hrlbfrio,fluidodelmasicoFlujo

FFthrBtudiseo,deylimpiocalordeciatransferendeesCoeficientU,U

Fa,temperaturdeverdaderaDiferenciat

Ffro,fluidodelslidayentradadeaTemperaturtyt

F

fro,fluidodelcalricaaTemperaturt

Fcaliente,fluidodelcalricaaTemperaturT

Fcaliente,fluidodelslidayentradadeaTemperaturTyT

nalAdimensio,especficaGravedads

nalAdimensioa,temperaturdeGrupoS

nalAdimensioa,temperaturdeGrupoR

hrBtucalor,deFlujoQ

plglbregreso,deytuboslosdetotalpresindeCadaP

plgtubos,losdePasoP

tuboslosenpasosdeNmeron

tubosdeNmeroN

corazalaensdeflectoredeNmeroN

2Dc

21

c

c

21

2

t

w

w

w

14.0


64/80


Pgina | 1

ANEXO 2

Tabla 1.

56


65/80


Pgina | 57

Tabla 2. Conductividades trmicas de lquidos

Tomada de Donald Q. Kern, Procesos de Transferencia de Calor, Pg. 906.


66/80


Pgina | 58

Tabla 3. Conductividades trmicas de gases y vapores.



67/80


Pgina | 59

Tabla 4. Viscosidades de gases. Para usar como coordenada con la Fig. 4.1

Tomada de Donald Q. Kern, Procesos de Transferencia de Calor, Pg. 929


68/80


Pgina | 60

Fig. 4.1. Viscosidades de gases (Tomada de Donald Q. Kern, Procesos de Transferencia de Calor, Pg.906.


69/80


Pgina | 61

Tabla 5. Viscosidades de lquidos. Para usar como coordenada con la Fig. 5.1



70/80


Pgina | 62

Fig. 5.1. Viscosidades de lquidos



71/80


Pgina | 63

Fig. 6. Calores especficos de gases a 1 atm.



72/80


Pgina | 64

Tabla 7.Datos de tubos para condensadores e intercambiadores de calor

Tomada de Donald Q. Kern, Procesos de Transferencia de Calor.


73/80


Pgina | 65

Tabla 8. Disposicin de los espejos de tubos en arreglo triangular.



74/80


Pgina | 66

Figura 9. Curva de transferencia de calor lado de tubos (Adaptada de Seider y Tate)



75/80


Pgina | 67

Figura 10. Curva de transferencia de calor para lado de la coraza con haz de tubos con deflectores segmentados 25 %



76/80


Pgina | 68

Figura 11. Factores de friccin, para lado de tubos (Standards Exchanger Manufactur ers Association, 2a. Ed.New YMk,1949)



77/80


Pgina | 69

Fig. 12. Prdida de presin por retorno, lado de tubos



78/80


Pgina | 70

Fig. 13.Transferencia de calor por conduccin y radiacin en tubos horizontales



79/80


Pgina | 71

Fig. 14 Temperatura optima del agua de salida



80/80


Bibliografa

1. F. Mills; Transferencia de Calor

Mc Graw Hill

2. C. J. Geankoplis; Procesos de Transporte y Operaciones Unitarias

Ed. CECSA, 3 Edicin.

3. Donald Q. Kern; Procesos de Transferencia de Calor

CECSA, trigsima segunda reimpresin: 2001

4. Ernest E. Ludwig, Retired Consulting Engineer, Baton Rouge, Louisiana. Applied

process design For Chemical and Petrochemical Plants

Ed. Gulf Professional Publishing, Volume 3, Third Edition

5. Frank P. Incropere, David P. De Witt; Fundamentos de Transferencia de Calor.

Prentice Hall, Cuarta Edicin.

6. Jos ngel Manrique Valdez; Transferencia de Calor

Alfaomega, Segunda edicin.

7. MSc. Luis Moncada Albitres, Intercambiadores de Calor

8. Robert H. Perry, Don W. Green; Manuel del Ingeniero Qumico

Mc Graw Hill, Sptima Edicin
http://www.fisicanet.com.ar/monografias/monograficos1/es07_aire.phphttp://www.fisicanet.com.ar/monografias/monograficos1/es07_aire.php

Ezequiel Martinez Rodriguez

Documents

Transcript of Ezequiel Martinez Rodriguez