La cantidad de agua removida es entonces 34 Bls (4-6)x 1 = 34 bs D = = 4.5 35*24 hr E calor que se debe remover para enfriar el gas es: Q = M * C * T= 1 *1 6 * 29 * :7 *C 1T 9 9 9 379 24 i' C g = Co + Cp, Co =.528 Btullb of (Fig. 2.16 ref 1) Cp = 1.6 BTUlib mol F( Fit. 2.17 ref.1) Cg =.528 * 29 *.67 - BTU.... + 1.6 _ BTU b mold F lh mold F =11.86 BTU/lb mol OF 6 Q = 1*1 *11.86*(175-1) = 9.79MBTU l hr. >.: 379 E calor que se debe remover para enfriar el condensado es: =u7 *35 Y "*C1T=14.6*y *C *q *1T (} 24 (J (J () (J Tomando Co =.5 Y calculando Yo de y = 141.5 = 141.5 =.77 o 131.5+ o AP 131.5+52.3 Se puede calcular Q o de Q, = 14.6 *.77 *.5 * 6 *75 =253 MBTU hr E calor que se debe remover para enfriar el agua es: qw es toda el agua libre que se tendra para enfriar sea la que esta egando con el gas a 175 F mas el agua que se condense por el enfriamiento. E agua que se condense es 61
4.5 Bls/hr = 972 Bls'/D y el agua que lega a superficie es 15 Bls/d por tanto Qw = 35 *(15+ 97.2) *1*(175-1)= 1.75MBTU / hr. 24 34 E calor que se debe remover para condensar bs/hr de agua es: 24 34 *h. = Q ' 24.e H. hrg es la entalpia del vapor de agua a 175 F, y se obtiene de tablas de propiedades termodinamicas del vapor de agua. hrg = 996.3 34 * Q' = 996.3 = 1.41 MBTU / hr. 24 E calor que se requiere remover es =9.79 + 2.53 + 1.75 + 141 =15.48 MBTU/hr. 2.3 -. NTERCAMBADORES DE CALOR Aunque existen muchos tipos de intercambiadores de calor, se hablara solo de un intercambiador muy utilizado en operaciones de tratamiento de gas, conocido como de tubo y carcasa ; el cual consta de un tubo externo que leva en su interior una serie de tubos paralelos por entre los cuales va un fluido, normalmente el que se desea calentar, y estos tubos estan rodeados por otro fluido que fluye a traves del tubo externo y es el fluido que se utiliza para transmitir el calor. Cuando se va a utilizar como enfriador el fluido de enfriamiento ira por los tubos internos y el caliente rodea estos ultimos. De acuerdo con la direcci6n de flujo de los fluidos de calentamiento y a calentar se habla de intercambiadores de coflujo y de contraflujo; en el primer caso ambos fluidos fluyen en la misma direcci6n y en el segundo caso fluyen en direcci6n contra ria. Suponiendo un intercambiador conformado por dos tubos concentricos los casos de coflujo y contraflujo se representarian graficamente de la siguiente manera. E fluido caliente va por el anular y entra a una temperatura T 1 Y sale a una temperatura T 3 Y el fluido frio entra por el mismo extremo que 1 hace el fluido caliente a una temperatura T2 y sale a una temperatura T4 E comportamiento de la temperatura para los dos fluidos es diferente tal como se muestra a continuaci6n 62
T, T Cuando se tiene contraflujo la situacion es laigulen T-l-1-----... T J Fluido Caliente T L Observando el comportamiento de la temperatura en los dos casos se ve que los valores de T1 y T2 son diferentes para los dos casos 1 cual hace que, de acuerdo con la ecuacion (2.43) el valor de LMTD sea diferente de un caso al otro y por 1 tanto los requerimientos de area de transferencia de calor de acuerdo con la ecuacion (2.42) segun la cual a mayor valor de LMTD menor requerimiento de area para transferir una cantidad dada de calor Eare _ JlU-eJlOl11luando se tiene _contraflujo$e obtiene ma or LMTQ"para una temperatura 63
64 de entrada del fluido de calentamiento y del fluido a calentar dadas y por tanto en este caso habra mas eficiencia en la transferencia de calor. La figura 4 muestra un esquema de este tipo de intercambiador y como se puede apreciar, los principales componentes son E tubo externo con la entrada y salida para el fluido de calentamiento enfriamiento y la entrada y salida para el fluido a calentar enfriar Normalmente la entrada para el fluido de calentamiento esta en un extremo en la parte superior y la salida en el extremo opuesto en la parte inferior. La entrada y salida para el fluido a calentar puede estar en el mismo extremo en extremos opuestos dependiendo del recorrido que haga el fluido dentro del tubo exterior. Los tubos internos, los cuales son de la misma longitud, aproximadamente, que el tubo externo y paralelos a este. En algunos casos el fluido que va por estos tubos hace el recorrido de un extremo al otro por todos los tubos, en otros casos cuando se tienen bafles de separacion el fluido hace el recorrido de un extremo al otro por una parte de los tubos y regresa por otra parte de los tubos, en este caso se habla de un intercambiador de dos pasos. Bafles de Separacion Se utilizan para forzar el fluido que va dentro de los tubos interiores hacer varios recorridos con el fin de mejorar la transferencia de calor. E esquema de calentador de la figura 2 muestra un bafle de separacion en el extremo derecho y por tanto el fluido a calentar que entra por (3) inicia el recorrido hacia el extremo zquierdo por los tubos interiores inferiores y al legar al extremo izquierdo regresan por los tubos interiores superiores; el fluido de los tubos interiores hace dos recorridos La salida del fluido a calentar esta en la parte superior del extremo derecho. Si se desea forzar el fluido de los tubos interiores a hacer mas recorridos se deben usar mas bafles de separacion. Bafles de Soporte Estan apoyados en las paredes del tubo exterior y su funcion es servir de apoyo a los tubos interiores y forzar el fluido del tubo exterior a hacer un mayor recorrido para mejorar la transferencia de calor. Placas Refractarias Van en los extremos del tubo exterior y su funcion es prevenir el excesivo calentamiento de las paredes del tubo en estos puntos E tamario del tubo exterior y el tamario y numero de los tubos interiores depende del volumen de fluido a calentar enfriar en la unidad de tiempo y de las caracteristicas del intercambio de calor (propiedades termicas del los fluidos, diferencia de temperatura, temperatura requerida en fluido a la salida). En los intercambiadores de calor, normalmente el incremento decremento en temperatura es moderado. Existen muchos tipos de intercambiadores del tipo tubo y carcasa dependiendo de las caracteristicas de sus tres componentes principales que son : La cabeza extremo delantero, el cuerpo carcasa y la parte posterior extremo trasero. La cabeza es el extremo por donde entra el fluido de calentamiento y el extremo trasero es el opuesto E cuerpo carcasa es la parte normalmente recta del intercambiador e incluye el arreglo de tubos interne que puede constar de un solo tubo, recto en U, de un grupo de tubos, tambien rectos en U Las referencias (1), (2) Y (5) presentan informacion detallada sobre los diferentes tipos de intercambiadores de acuerdo con las caracteristicas de sus tres
65 componentes principales y la metodologia para su denominacion de acuerdo con la TEMA (Tubular Exchangers Manufacturers Association). Aunque en la figura 4 se mostro el fluido de calentamiento fluyendo por el anular y el fluido a calentar por los tubos interiores se puede tener el caso contrario y en general el que se tenga el fluido a calentar fluyendo por el anular por el tubo interior depende de aspectos como caracteristicas del fluido, del material de la carcasa y del tubo interior, condiciones de operacion, etcetera. De acuerdo con la referencia (1) el fluido a calentar debe ir por el tubo interior en casos como los siguientes: Se requieren materiales especiales para soportar corrosion y/o temperaturas altas. E fluido esta a alta presion E fluido contiene va pores y gases no condensables E fluido tiene tendencia a formar escamas. Por otra parte eului.do a calentar podra ir por el anular en situaciones como las siguientes: ----.. -- -- 1 Se requieren caidas bajas de presion.,.. E fluido es viscoso. E fluido no presenta problemas para la transferencia de calor ( como depositacion de escamas, solidos productos de corrosion) Se pretende que haya vaporizacion, al menos parcial, del fluido. Un intercambiador que no presenta carcasa recta muy usado en procesos de tratamiento del gas, especialmente en la regeneraci6n de aminas y en el procesamiento del gas por refrigeraci6n, es el intercambiador de carcasa tipo "Kettle" el cual se conoce normalmente como "chiller" y cuya funcion es evaporar el fluido a calentar con el fin de separarlo de impurezas y luego condensar los vapores para seguir usando el fluido. La figura 5 muestra un esquema de este tipo de intercambiador el cual presenta dos diferencias fundamentales con respecto al intercambiador mostrado en la figura 4 que son la forma del cuerpo carcasa presenta una zona de ensanchamiento del diametro a partir del extremo frontal y luego una zona recta, y el fluido a calentar va por el anular y el de calentamiento por el haz de tubos interiores E diserio de la carcasa es con el fin de mejorar la evaporacion del fluido a calentar. Los vapores que se van liberando salen por la valvula ubicada en la parte superior central de la carcasa y la porcion liquida del fluido a calentar, que esta contaminado, sale por la valvula de la parte inferior del extremo posterior despues de pasar el rebosadero el cual tiene como funcion garantizar que los tubos por donde va el fluido de calentamiento esten siempre cubiertos con liquido Observese que el fluido de calentamiento entra por la valvula inferior del extremo delantero recorre los tubos internos hacia el extremo posterior y se regresa para salir por la valvula superior del extremo delantero. E fluido a calentar entra por la valvula inferior de la zona de ensanchamiento de la carcasa. 2.2. CALENTADORES r _C_uando se -+equiere un incremento mas alto en tempratura se usan.os calentadores. En este caso se aplica -directamente calor sobre el fll.jido que se va a calentar. - - Los calentadores. p_ueden ser tubulares pirotubulares y los 2rimeros se conocen mas 'COm u.qmene omo calentadores directos, En cualquiera de los casos se aplica calor directamente s obre el fluido que se desea calentar. En el calentador tubular el fluido a calentar va por un serpentin que esta rodeado por una llama gases calientes de la combusti6n; en el pirotubular la llama los gases calientes de la combustion van por un tubo
." to., r:::» f" m C..c r::: <D 3» Q. <D r::: ::l z n }> r :u rn rn z n -j -j» :u ;8., 5"-<D C'l» 3 C".t--- W N» Q.., (.J) JT (.J) f11 l> Z l> Q. Z,, <D ---j - () Xl Xl» l> l> l> " l> :'" l> fll " l> rn, rn, f11,, \, " \ " C, C -, " " C C l> n rn l> rn l>, n n f11 n z l>,-» l> -,,.:.._ D _ l> rn Z rn Xl ---j Z - l> - () l> l> l> 3: Xl, rn f11 Z Z f11 - - Xl Z " -l rn 11 Xl - z _o..t- 1\ t f t t,)", r- t--t-- 14...1) " l- l-. U L. l-..,.. f- " i i,"' ; j 7
67 que esta rodeado por el fluido que se desea calentar Normalmente los calentadores de uno u otro tipo se usan en los siguientes casos: Calentadores Directos. Calentadores para aceite. Calentadores de gas de regeneracion Reherbidores de aminas y estabilizadores. Calentadores Pirotubulares. r\ Calentadores de agua para un intercamblador Evaporadores de propan hldrocarburos pesados Reherbldores de gllcol y ammas Generadores de vapor de baja presion. '\ La figura 6 muestra un esquema de un calentador directo tubular. Es un recipiente que tiene en su fondo uno varios quemadores donde se genera calor. Dentro del recipiente va un sepertin par donde fluye el fluido que se va a calentar y esta rodeado por la llama los gases calientes de la combustion originada en los quemadores. Los gases de la combustion abandonan el recipiente por la chimenea. E numero de quemadores el tamano del quemador y del serpentin, al igual que el numero de vueltas de este, depende del volumen de fluido a calentar en la unidad de tiempo y del incremento requerido en la temperatura. Este tipo de calentadores en manejo de gas se usan frecuentemente para calentar el gas de regeneracion de una torre de deshidratacion por adsorcion. La figura 7 es un esquema de un calentador directo pirotubular el cual como se puede observar consta de los siguientes componentes basicos recipiente, hogar quemadero, tubo de combustion y chimenea; ademas posee sistemas de control y seguridad. E hogar quemadero es la parte inicial del tubo de combustion y alii se realiza esta, produciendose la llama y los gases de la combustion los cuales continuan el recorrido por el tubo de combustion hasta salir por la parte final de este que es la chimenea. Normalmente el tubo de combustion es de dos pasos y el segundo paso retorno es comun que sea un haz de tubos de diametro mucho mas pequeno que el del tubo de combustion con el fin de mejorar la transferencia de calor hacia el fluido que se desea calentar. Tambien es comun que se tengan varios tubos de combustion trabajando en paralelo en el mismo calentador. La figura 8 muestra con mas detalle un esquema del hogar quemadero, y en ella se puede apreciar la linea de entrada de aire y la de combustible; esta ultima al entrar al quemadero se separa en la linea para el piloto y el quemador principal En el piloto se inicia la combustion y se continua y aumenta en el quemador principal. La linea del quemador principal se une con la linea de aire y termina en una camara donde se hace la mezcla aire combustible. La camara posee una serie de boquillas para atomizar la mezcla aire - combustible y hacer la combustion mas eficiente. La figura 9 muestra un diagrama mas completo de un calentador pirotubular, don de se muestran ademas de sus componentes principales otros accesorios para hacer mas eficiente la combustion y controlar el funcionamiento del recipiente La linea de gas combustible antes
-. =.,. :... : -.;:, :"l :' ; r - -.... - "C :,... - :: r', >:,. 'J '"' ' :.. -. ;.- - " f... - -::: -::: ".. :. ;: - ': r :.. :-. ':: - =, ': r :.. :. - =., -, r :..! : :.. ". 'J :-: ;.. ::l..:: :.. f....- j. i: ' :.- :- :l :, '- :.!...!:: :.. - " -- -,...... ;.. - f,;.- ' r' r', r". J.=, - '" ;- 'J :.. :. Q...:., 1(,.c r-: x -i '..e i "" "..... <:.. -()-().. Q...... ; ::.. :.... -c:.... ".- ' ";.. 'J J U, -; ;. c: :... ;:, :.. :::. () ::: :::.;: 'C.:.. "... :-. " r... '-' =- t ::.. - '" E - -... ":. () '-' -- :.. ;. ;:, :. -- -.:: - :.. -::: /) - -:::.. LU. ". -.., -..r: -.:: -.....::..,, -, ;: -,... ;: '"... :::: d:.... #.'"' 'w...... ;:,,.: en,t. i r- x -:;-. '" - "'. LL u " \
de legar al quemadero se precalienta con el mismo fluido caliente del calentador para evaporar algunos componentes que puedan estar en estado liquido, y luego se hace pasar por un despojador; todo esto con el fin de que el combustible legue al quemadero en estado completamente gaseoso para garantizar una combustion completa, y evitar la formacion y depositacion de residuos solidos de la combustion en el tubo de combustion 1 cual puede generar zonas refractarias que van a complicar el proceso de transferencia de calor desde el interior del tubo de combustion hacia el fluido que rodea el tubo Los reguladores de presion antes del quemador principal y el piloto son para garantizar que el combustible legue a estos a una presion adecuada y la combustion se pueda realizar completamente en el quemadero. Si la presion del combustible es alta la llama de la combustion se va a presentar mas hacia adelante en el tuba de combustion y esto afectara la transferencia de calor porque habra menos tiempo de contacto de los gases de la combustion con el fluido a calentar y como (;onsecuencia los gases van a salir mas calientes por la chimenea. Por otra parte si la presion de combustible es baja la combustion se iniciara muy cerca de la salida del quemadero hacia la atmosfera y se puede tener la posibilidad de que la llama se salga del quemadero hacia la atmosfera creando el riesgo de un incendio; normalmente el quemadero en su salida hacia la atmosfera posee un dispositiv de seguridad conocido como atrapallama el cual impide que la llama salga hacia la atmosfera porque posee un sistema de refrigeracion que e baja la temperatura a la llama por debajo de la temperatura de ignicion E control del calentador consta de un sensor de temperatura y una valvula. Cuando el sensor detecta temperaturas por encima de un valor establecido hace cerrar un poco la valvula para reducir en algo la entrada de combustible y de esa manera generar menos calor; por otra parte cuando el sensor de temperatura detecta un valor bajo de esta hace abrir un poco mas la valvula de control para aumentar la cantidad de gas quemado y el calor generado. Ademas de los componentes mostrados, un calentador pirotubular posee otros sistemas de control especialmente para garantizar la seguridad en el funcionamiento del equipo Por ejemplo Se debe garantizar que el tubo de combustion siempre este cubierto por el fluido que se va a calentar; los gases de combustion que salen por la chimenea deben ser incoloros y estar a una temperatura moderada; en el tubo de combustion no deben presentar zonas de calentamiento excesivo; la llama debe mostrar que se esta haciendo una mezcla adecuada aire - combustible y estar centrada en el tubo de combustion, etc. Si la llama de combustion no esta centrada pod ria estar impactando contra la pared del tubo de combustion 1 cual podria calentarla demasiado con el riesgo de fundirse. E tubo de combustion tambien podria calentarse demasiado si en su parte externa se presentan depositaciones que mpidan la transferencia de calor desde la pared extern a del tubo hacia el fluido del proceso. Como ya se dijo antes en este mismo capitulo, el proceso de transferencia de calor en este tipo de calentador es mas complejo que en el caso de los intercambladores el calor se propaga desde el centro del tubo don de esta la llama, 1 gases de la combustion, hacia la pared interna del tubo por un proceso combinado de radiacion y conveccion y seria necesario en esta zona encontrar hr Y h ei para luego obtener una Rp como se plantea en la ecuacion (2.43) y esto es proceso complejo y poco practico. La referencia (1) plantea que en estos casos se encuentre el tamano del tubo de combustion usando un valor de flujo de calor a traves de la superficie extern a del tubo de combustion de acuerdo con el fluido que 1 esta rodeando; por ejemplo si el fluido es agua el flujo de calor es de 1 BTUlhr.lPie 2 y si es glicol amina el valor es de 75. Conociendo el flujo de calor y los requerimientos de calor el area de transferencia se calcula de
SER PENTN ENTRADA DE MEZCLA FRA, _ j --- / :. SALDA DE ------' MEZCLA CAL1ENTE / CHMENEA. -;, LNEA DE COtviBUSTON QUEMADORES Figura 6 -. Esquema de un Calentador tubular. 7