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Facultad de Química-Farmacia. DDeeppaarrttaammeennttoo ddee IInnggeenniieerrííaa QQuuíímmiiccaa..

Título: “Propuesta de diseño de un sistema de generación y distribución de vapor en el laboratorio de Operaciones

Unitarias de la Facultad de Química Farmacia.”

AAuuttoorr:: LLuuiiss NNoovvoo GGaarrccííaa.. TTuuttoorreess:: MMSScc.. JJoorrggee LLeeiivvaa MMaass..

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2008-2009

“““AAAÑÑÑOOO DDDEEELLL 555000 AAANNNIIIVVVEEERRRSSSAAARRRIIIOOO DDDEEELLL TTTRRRIIIUUUNNNFFFOOO DDDEEE LLLAAA RRREEEVVVOOOLLLUUUCCCIIIOOONNN”””

‹l u|xÇ átuxÅÉá Öâx xÄ ÅÉä|Å|xÇàÉ xá yâxÜét? xÄ ÅÉä|Å|xÇàÉ xá vtÄÉÜ? xÄ ÅÉä|Å|xÇàÉ xá ä|wtA

]Éá° `tÜà•A

A mi madre, por haberme educado y mostrado el camino correcto.

A mi hermana, para que le sirva de guía y ejemplo en el largo camino que le queda por recorrer.

A mi novia Alina, por ayudarme siempre.

A mi madre por todo el apoyo y confianza que siempre han depositado en mí.

A mi hermana, que representa mucho para mí. A mi novia que ha sido el motor impulsador.

A mi familia, que conté con su apoyo cada vez que lo necesité, en especial mi tío Ricardo y a mi abuela Ángela, que me han dedico

cada momento. A mis profesores en especial a mis tutores Jorge Leiva Mas y

Reinier Feit Leyva por su gran ayuda y dedicación. A mis compañeros de aula, por estar presentes cada día.

Gracias a todos, por ustedes he triunfado una vez más.

Resumen

Resumen

En el trabajo se realiza una valoración del sistema actual de generación y distribución

y consumo del vapor en el laboratorio de Operaciones Unitarias de la Facultad de

Química y Farmacia de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Como

primera etapa se realiza un diagnóstico del equipamiento utilizado en los sistemas

estudiados, concluyéndose que el laboratorio no esta en las mejores condiciones para

la realización de actividades docentes e investigativas en el área de transferencia de

calor. Posteriormente se realiza una valoración técnico económico donde se analizan

4 posibles variantes, se presentan los montos de las inversiones así como los costos

totales anuales. Se propone la variante numero 4 como la mas factible y se dan

recomendaciones para su implementación. Se utiliza el sistema de programación

EketchUpv5 para la representación dinámica de la localización exacta de los equipos

en el laboratorio. El sistema básico para la generación, distribución y consumo de

vapor con fines docentes ha sido simulado en HYSYS, se muestran los resultados

obtenidos con este simulador para las condiciones actuales del laboratorio y se

analizan, además, otras posibilidades con la inclusión de nuevos equipos. Se dan

recomendaciones para que este simulador sea utilizado previo a las prácticas

experimentales en el laboratorio con el fin de buscar los valores óptimos de las

variables operacionales.

1

Abstract

Abstract

In the work it is realized a valuation of the present system of generation and

distribution and consumption of the steam in the laboratory of Unitary

Operations of the Faculty of Chemistry and Pharmacy of the Central University

“Marta Abreu” of the Towns. As first stage is realized a diagnosis of the used

equipment in the studied systems, concluding that the laboratory not this in the

best conditions for the educational and research taking of steps in the area of

heat transference. Later a technical valuation is realized economic where 4

possible variants are analyzed, appear the annual amounts of the investments

as well as total costs. The variant sets out I number 4 as but the feasible one

and recommendations for their implementation occur. The system of

SketchUpv5 programming is used for the dynamic representation of the exact

location of the equipment in the laboratory. The basic system for the

generation, distribution and consumption of steam with educational aims has

been simulated in HYSYS, are the results obtained with this simulator for the

present conditions of the laboratory and they are analyzed, in addition, other

possibilities with the inclusion of new equipment. Recommendations occur so

that this simulator is used previous to the experimental practices in the

laboratory with the purpose of to look for the optimal values of the operational

variables.

2

Índice

Índice

Introducción 6

Capítulo I: Revisión Bibliográfica 8

1.1. Introducción a la Operación de transferencia de calor. 8

1.2. Mecanismos de transferencia de calor. 8

1.2.1. Transmisor de calor por conducción. 8

1.2.2. Transmisión de calor por convención. 9

1.2.3. Transmisión de calor por radiación. 11

1.3. Clasificación de los equipos de TC 12

1.3.1. Introducción 12

1.3.2. Clasificación Industrial. 14

1.3.3. Clasificación en base a la construcción. 18

1.3.4. Clasificación en base a los servicios. 20

1.4. Datos de diseño. 21

1.5. Coeficiente global de transferencia de calor. 23

1.6. Factor de incrustamiento. 25

1.7. Análisis térmico de un IC. 25

1.8. Metodología para el diseño de un IC. 26

1.9. Sistema de Generación de Vapor. 27

3

Índice

1.9.1. Generalidades. 27

1.9.1.1. Clasificación Industrial. 28

1.9.1.2. Producción estimada de vapor para calderas (piro y acua) tubulares. 29

1.9.1.3. Proceso de generación de vapor. 29

1.9.1.4. Diagrama de flujo de procedimiento experimental de la caldera. 32

1.9.2. Tratamiento de agua. 33

1.10. Simulador: HYSYS. 35

Capítulo II: Diagnóstico y análisis económico del laboratorio. 38

2.1. Introducción. 38

2.1.2. Diagnostico. 38

2.1.2.1. Generador de vapor. 39

2.1.2.2. Columna de destilación. 40

2.1.2.3. Fluidizador. 41

2.1.2.3. Evaporador de circulación forzada. 42

2.1.2.4. Secadero de bandeja. 43

2.1.2.5. Intercambiadores de calor. 45

2.1.2.6. Tuberías. 46

2.2. Análisis Económico 47

2.2.1. Costo de Inversión. 47

4

Índice

2.2.2. Costo total de producción. 49

2.2.3. Análisis de las diferentes alternativas. 44

Capitulo III: Simulación del sistema en HYSYS. 54

3.1. Análisis de las diferentes alternativas. 54

3.2. Pasos a seguir en la simulación. 54

3.3. Datos de las corrientes de entrada. 56

3.4. Datos de los equipos. 56

3.5. Análisis de las posibles variantes. 57

3.6. Análisis de los resultados. 66

Conclusiones 68

Recomendaciones 69

Bibliografía 70

Anexos 74

5

Introducción

Introducción

El laboratorio de Operaciones Unitarias es un centro de realización de prácticas

experimentales en el ámbito tecnológico, destinadas a satisfacer los requerimientos

pedagógicos de los estudiantes de la carrera de Ingeniería Química, actores

principales del proceso enseñanza-aprendizaje. El área de acción abarca ciencias

tales como Dinámica de fluidos, transferencia de calor, transferencia de masa y los

procesos tecnológicos conexos.

Este laboratorio tiene la misión fundamental de complementar la enseñanza teórica

con la realización de experiencias prácticas. Utilizando para ello la experimentación

y/o la investigación tecnológica en el ámbito de las Operaciones Unitarias y los

procesos tecnológicos inherentes, como método de aprendizaje. De modo tal que el

estudiante sea capaz de comprender la relación orgánica entre la teoría y la práctica y

simultáneamente algo que es importante, pueda desarrollar su creatividad.

En la Facultad de Química-Farmacia se lleva a cabo una investigación en aras del

funcionamiento del laboratorio de operaciones (principalmente de todos los equipos

que se le suministra vapor para su funcionamiento). En el que se cuenta con una

caldera, una columna de destilación, un fluidizador, un evaporador de circulación

forzada de película descendente y varios intercambiadores de calor de tubo y coraza

(tiene como función principal calentar un fluido frío, agua que pasa a través de sus

tubos, mediante un fluido caliente que pasa a través de su carcasa, vapor saturado a

10 atm); todos estos equipos serán utilizados con las tuberías y accesorio necesarios

para la realización de las prácticas de laboratorio de calor.

Es por ello que el objetivo general de este trabajo está dirigido a:

Realizar el diagnóstico y proponer variantes de diseño para el sistema de generación

y distribución de vapor en el laboratorio de Operaciones Unitarias de la Facultad de

Química Farmacia.

Sobre esta base ha sido redactada la siguiente hipótesis:

Mediante el diagnóstico e implementación de variantes tecnológicas del proceso de

generación y distribución de vapor, es posible la realización de actividades docentes e

6

Introducción

investigativas en el área de transferencia de calor en el Laboratorio de Operaciones

Unitarias.

Objetivos específicos:

1. Realizar el diagnóstico tecnológico de los equipos de generación y distribución de

vapor en el Laboratorio de Operaciones Unitarias.

2. Proponer diferentes alternativas para el restablecimiento del sistema de

generación y distribución de vapor que posibilite el desarrollo de las actividades

docentes e investigativas.

3. Realizar el análisis económico de las alternativas propuestas.

4. Proponer variantes utilizando el software profesional HYSYSv3.2 en la simulación

del sistema de generación y distribución de vapor en el laboratorio, que garanticen

el cumplimiento de los objetivos docentes e investigativos de la asignatura de

Transferencia de calor.

7

Capítulo I Revisión Bibliográfica

Revisión Bibliográfica

1.1. Introducción a la Operación de Transferencia de calor.

La transferencia de calor es la ciencia que trata de predecir el intercambio de energía

que puede tener lugar entre cuerpos materiales, como resultado de una diferencia de

temperatura. La termodinámica enseña que esta transferencia de energía se define

como calor. La ciencia de la transferencia de calor pretende no sólo explicar cómo la

energía térmica puede ser transferida, sino también predecir la rapidez con la que, bajo

ciertas condiciones específicas, tendrá lugar esa transferencia. El hecho de que el

objetivo deseado del análisis sea la rapidez de la transferencia del calor, señala la

diferencia entre la transferencia de calor y la termodinámica. La termodinámica trata

sistemas en equilibrio; puede usarse para predecir la cantidad de energía requerida

para llevar un sistema desde un estado de equilibrio a otro; no puede usarse, en

cambio, para predecir lo rápido que será el cambio, ya que el sistema no está en

equilibrio durante el proceso. La transferencia de calor complementa los principios

primero y segundo de la termodinámica, al proporcionar leyes experimentales

adicionales que se usan para establecer la rapidez de la transferencia de energía.

Como en la ciencia de la termodinámica, las leyes experimentales usadas como base

para la transferencia de calor son bastante simples y fácilmente extensibles, de modo

que abarcan gran variedad de situaciones práctica (Holman, 1979).

1.2. Mecanismos de Transferencia de Calor

Los mecanismos de transmisión del calor son: conducción, conversión y radiación.

1.2.1. Transmisión de calor por conducción.

Cuando en un cuerpo existe un gradiente de temperatura, la experiencia muestra que

hay una transferencia de energía desde la región a alta temperatura hacia la región de

baja temperatura. Se dice que la energía se ha transferido por conducción y que el flujo

de calor por unidad de área es proporcional al gradiente normal de temperatura:

xT

Aq

∂∂α Ec. (1.1)

8


Cuando se introduce la constante de proporcionalidad:

xTkAq

∂∂

−= Ec. (1.2)

Donde q es el flujo de calor y dT/dx es el gradiente de temperatura en la dirección del

flujo de calor. La constante positiva k se llama conductividad térmica del material, y se

ha puesto el signo menos para satisfacer el segundo principio de la termodinámica; el

calor debe fluir hacia las temperaturas decrecientes (Holman, 1979),

1.2.2. Transmisión de calor por convección.

Es bien conocido que una placa de metal caliente se enfriará más rápidamente cuando

se coloca delante de un ventilador que cuando se expone al aire en calma. Se dice que

el calor se ha cedido hacia fuera de la placa y al proceso se le llama transferencia de

calor por convección. Por ejemplo, se sabe que la velocidad a la que el aire pasa sobre

la placa influye evidentemente en el flujo de calor transferido. Pero influye en el

enfriamiento de forma lineal, es decir, si se duplica la velocidad, se duplicará el flujo de

calor? Cabría sospechar que el flujo de calor puede ser diferente si la placa se enfría

con agua en vez de con aire. (Carlos, 2002)

El gradiente de temperaturas depende de la rapidez a la que el fluido se lleva el calor;

una velocidad alta produce un gradiente de temperaturas grande, etc. Así pues, el

gradiente de temperaturas en la pared depende del campo de velocidades, y en el

análisis posterior se desarrollarán expresiones que relacionan las dos magnitudes. Sin

embargo, el mecanismo físico de la transferencia de calor en la pared es un proceso de

conducción (Chapman, 1968).

Para expresar el efecto global de la convección, se utiliza la ley de Newton del

enfriamiento:

)(** αTTfAhq −= Ec. (1.3)

Aquí el flujo de calor transferido se relaciona con la diferencia global de temperaturas

entre la pared y el fluido, y el área A de la superficie. La magnitud h se denomina

coeficiente de transferencia de calor por convección, y la Ec. (1.3) es la ecuación que lo

define. Para algunos sistemas puede hacerse un cálculo analítico de h. En situaciones

9


complejas debe determinarse experimentalmente. Algunas veces, al coeficiente de

transferencia de calor se le denomina conductancia de película, a causa de su relación

con el proceso de conducción en una capa de fluido delgada y estacionaria en la

superficie de la pared. De la Ec. (1.3) se deduce que las unidades de h son vatios por

metro cuadrado y por grado Celsius, cuando el flujo de calor se expresa en vatios.

(Carlos, 2002)

Se puede anticipar que la transferencia de calor por convección dependerá de la

viscosidad del fluido además de depender de las propiedades térmicas del fluido

(conductividad térmica, calor específico, densidad). Esto es así, porque la viscosidad

influye en el perfil de velocidades y, por tanto, en el flujo de energía en la región

próxima a la pared. Si una placa caliente se expone al aire ambiente sin que haya

ningún dispositivo externo que lo mueva, se originará el movimiento del aire como

resultado del gradiente de la densidad del aire en las proximidades de la placa. A este

movimiento se le llama convección natural o libre (a) por oposición a la convección

forzada (b), que tiene lugar en el caso de un ventilador soplando aire sobre la placa

(Holman, 1979).

a-) En la convección libre, la fuerza motriz procede de la variación de densidad en el

fluido como consecuencia del contacto con una superficie a diferente temperatura, lo

que da lugar a unas fuerzas ascensionales; ejemplos típicos de tal convección libre son

la transmisión de calor entre la pared o el tejado de una casa en un día sin viento, la

convección en un tanque que contiene un líquido en el que se encuentra sumergida

una bobina de calefacción, el calor transferido desde la superficie de un colector solar

en un día en calma, etc (Kern, 1999).

b-) La convección forzada tiene lugar cuando una fuerza motriz exterior mueve un fluido

con una velocidad VF sobre una superficie que se encuentra a una temperatura TpF,

mayor o menor que la del fluido TF. Como la velocidad del fluido en la convección

forzada VF es mayor que en la convección libre, se transfiere, por lo tanto, una mayor

cantidad de calor para una determinada temperatura (Kern, 1999).

10


1.2.3. Transmisión de calor por radiación.

Mientras que la conducción y la convección térmicas tienen lugar sólo a través de un

medio material, la radiación térmica puede transportar el calor a través de un fluido o

del vacío, en forma de ondas electromagnéticas que se propagan a la velocidad de la

luz. Existen muchos fenómenos diferentes de radiación electromagnética pero en

Ingeniería Térmica sólo consideraremos la radiación térmica, es decir, aquella que

transporta energía en forma de calor (Chapman, 1968).

La cantidad de energía que abandona una superficie en forma de calor radiante

depende de la temperatura absoluta a que se encuentre y de la naturaleza de la

superficie.

(Carlos, 2002)

Un radiador perfecto o cuerpo negro emite una cantidad de energía radiante de su

superficie Qr, dada por la ecuación:

bEATAQr *** 4 == σ Ec. (1.4)

en la que Eb es el poder emisivo del radiador, viniendo expresado el calor radiante Qr en W, la

temperatura T de la superficie en °K, y la constante dimensional de Stefan-Boltzman en

unidades. SI, en la forma: 4281067.5

KmW°

∗= −σ

(Mills, 1983)

La ecuación anterior dice que toda superficie negra irradia calor proporcionalmente a la cuarta

potencia de su temperatura absoluta. Aunque la emisión es independiente de las condiciones

de los alrededores, la evaluación de una transferencia neta de energía radiante requiere una

diferencia en la temperatura superficial de dos o más cuerpos entre los cuales tiene lugar el

intercambio. Si un cuerpo negro irradia calor a un recinto que le rodea completamente y cuya

superficie es también negra, es decir, absorbe toda la energía radiante que incide sobre él, la

transferencia neta de energía radiante viene dada por: . )(** 42

411 TTAQr −= σ

(Kern, 1999)

11


1.3. Clasificación de los equipos de TC.

1.3.1. Introducción:

Los cambiadores de calor de tubos y concha extensivamente a través de la industria de

proceso y como comprensión tan básica de su diseño, la construcción y el

funcionamiento son importantes para el ingeniero practicante. El objetivo de este papel

es proporcionar una revisión de las cuestiones claves implicadas en su diseño termal

sin tener que referir a la literatura extensa disponible en este asunto. El diseño termal

óptimo de la carcasa y de un cambiador de calor del tubo implica la consideración de

muchos parámetros de diseño que obran recíprocamente que puedan ser resumidos

como sigue:

Proceso

• Asignaciones fluidas de proceso al shellside o al tubeside.

• Selección de especificaciones de la temperatura de la corriente.

• Límites del diseño de la gota de presión del shellside y del tubeside del ajuste.

• Límites de velocidad del shellside y del tubeside del ajuste.

• Selección de modelos del traspaso térmico y de coeficientes el ensuciar para el

shellside y el tubeside.

Mecánico

• Selección de disposición del cambiador de calor TEMA y número de pasos.

• Especificación de los parámetros del tubo - tamaño, disposición, echada y material.

• La determinación superior y más bajo diseña límites en longitud del tubo.

Especificación de los parámetros del shellside - materiales, corte del bafle,

espaciamiento del bafle y separaciones.

• Fijando superior y más bajo diseñe los límites en diámetro de la cáscara,

desconcierte el corte y desconcierte el espaciamiento.

(Ozisik, 1985)

12


Hay vario los paquetes del diseño y del grado de software disponibles, incluyendo

Aspen BJAC, HTFS y CCTHERM, que permiten al diseñador estudiar los efectos de los

muchos parámetros de diseño que obran recíprocamente y alcanzar un diseño termal

óptimo. Estos paquetes son apoyados por las bases de datos componentes extensas

de la característica física y los modelos termodinámicos. Debe ser tensionado que las

rutinas de la convergencia y de la optimización del software no alcanzarán

necesariamente un diseño práctico y económico sin el diseñador que fuerza

parámetros de una manera intuitiva. Es la intención de este papel proporcionar la

información básica y los fundamentales en un formato sucinto para alcanzar este

objetivo.

El papel se estructura en el software de Chemstations CCTHERM que permite el

diseño y el grado que se realizarán dentro de un modelo de proceso total usando

software del modelado de estado estacionario de CHEMCAD. Sin embargo los

principios implicados son aplicables a cualquier proceso de diseño de software. En los

accesorios se presenta una ayuda del diseño que incluye la información dominante

para la entrada de datos y un método del cálculo del atajo en Excel para permitir que

un cheque independiente sea hecho en los resultados de cálculos del software. El

diseño detallado y la construcción mecánicos que implican disposiciones de la hoja de

tubo, gruesos, separaciones, ayudas del tubo y la extensión termal no se consideran

sino que el diseño termal debe ser constante con los requisitos prácticos (Gregorik,

1968).

Las referencias de la fuente no se indican en el texto principal como este papel se debe

considerar como nota de dirección general para los usos comunes y no se piensan

para cubrir el especialista o usos críticos. Los símbolos usados no se definen en el

texto principal sino se detallan en la nomenclatura que se encontrará en accesorios.

Las ecuaciones presentadas requieren el uso de un sistema constante de unidades a

menos que estén indicadas de otra manera.

Teoría básica: La ecuación fundamental para el traspaso térmico a través de una superficie se da

cerca:

13


mTAUQ Δ= ** Ec. (1.5) El ∆Tlm medio logarítmico de la diferencia de la temperatura (LMTD) para el flujo a

contracorriente se da cerca

( ) (( )( )

)

1221ln

1221

tTtT

tTtTTlm

−−

−−−=Δ Ec. (1.6)

En diseño un factor de corrección se aplica al LMTD para permitir la salida del flujo a

contracorriente verdadero determinar la diferencia verdadera de la temperatura

mtm TFT Δ=Δ * Ec. (1.7)

El factor de corrección es una función de las temperaturas fluidas y del número de

pasos del tubo y de la cáscara y se correlaciona en función de dos cocientes sin

dimensiones de la temperatura

( )( )12

21

ttTTR

−−

= Ec. (1.8)

( )( )11

12

tTttS

−−

= Ec. (1.9)

Núcleo de condensación desarrolló una relación aplicable a cualquier cambiador de

calor con un número par de pasos y generó diagramas del factor de corrección de

temperatura; os diagramas para otros arreglos están disponibles en los estándares de

TEMA.

El coeficiente de traspaso térmico total U es la suma de varias resistencias individuales

como sigue:

00

111111

ffii hhx

khhU++++= Ec. (1.10)

El hf combinado del coeficiente que ensucia puede ser definido como sigue:

0

0*

ffi

ffi

hhhh

hf+

= Ec. (1.11)

14


Los coeficientes de traspaso térmico individuales dependen de la naturaleza del

proceso del traspaso térmico, de las características de la corriente y de los arreglos de

la superficie del traspaso térmico (Edwards, 2001).

En forma muy general, podemos clasificarlo según el tipo de superficie en:

Figura: 1.1Clasificación General

(Gorge, 2004)

1.3.2. Clasificación industrial

Los intercambiadores de calor se clasifican en 4 tipos:

a-) Carcaza y Tubo.

b-) Doble Tubo.

c-) Flujo Cruzado.

d-) Compacto.

a-) Carcaza y tubo: Es el intercambiador más ampliamente usado en la industria. En

este intercambiador un fluido fluye por el interior de los tubos, mientras el otro es

forzado a través de la carcaza y sobre el exterior de los tubos. Para asegurar que el

fluido por el lado de la carcaza fluya a través de los tubos e induzca una mayor

15


transferencia de calor, se colocan, deflectores ó placas verticales. Es corriente

encontrar intercambiadores de calor de 2, 4, 8, etc. pasos de tubos. De la misma

manera existe la posibilidad que exista varios pasos de carcaza (Mambre, 2002).

Figura: 1.2 Intercambiador de carcaza y tubo

b-) Doble Tubo: Es el intercambiador más sencillo, por el tubo interno circula uno de

los fluidos, mientras que el otro fluido circula por el espacio anular. Dependiendo del

sentido del flujo se clasifica en Flujo paralelo y Flujo contracorriente, este

intercambiador se muestra en la Figura: 1.2 (Mambre, 2002)

Figura: 1.3 Intercambiador de doble tubo.

En la figura siguiente se muestran esquemas de las dos configuraciones así como la

evolución de la temperatura de los fluidos en cada una de ellas:

16


Figura: 1.4 Configuración de temperatura en flujo paralelo y contracorriente.

c) Flujo cruzado: alternativamente los fluidos pueden moverse en flujo cruzado

(perpendicular uno al otro), tal como se señala en la figura 4.3. Los intercambiadores

en flujo cruzado se utilizan comúnmente en procesos de enfriamiento o calentamiento

de aire o gas. En la Figura 4.3 se señala a dos tipos de intercambiadores de calor de

flujo cruzado. Las dos configuraciones di fieren de acuerdo si el fluido que se induce

sobre los tubos esta mezclado o sin mezclar. Un fluido se dice que esta sin mezclar

debido a que las aletas previenen el movimiento en la dirección (y) que es la dirección

transversal a la dirección del flujo principal (x). En este caso la temperatura del fluido

varía con x y con y (Mambre, 2002).

17


Figura: 1.5 Intercambiador de flujo cruzado

En contraste para el haz de tubo sin aletear, el movimiento del fluido, se dice que esta

mezclado ya que la temperatura no cambia en la dirección transversal, siendo función

exclusiva de la dirección del flujo principal. Dado que el flujo dentro de los tubos esta

sin mezclar, ambos fluidos se dicen que están sin mezclar en el intercambiador

aleteado, mientras que un fluido esta mezclado y el otro sin mezclar en el

intercambiador no- aleteado. Es importante destacar que la condición de mezclado y

sin mezclar del intercambiador influencia significativamente el funcionamiento del

intercambiador de calor (Mambre, 2002).

Figura 1.6 Intercambiadores compactos

d-) Compacto: Intercambiadores de calor con relación área superficial/volumen, As/V

mayores que 700 m2/m3 se denominan intercambiadores de calor compacto, debido a

su pequeño tamaño y peso, los intercambiadores de calor compactos prevalecen en la

industria automotriz, industria aéreo - espacial y en sistemas marinos (Mambre, 2002).

Otros autores ((Mukherjee, 1998) lo clasifican en base a la construcción y en base al

servicio.

1.3.3. Clasificación en base a la construcción. Intercambiador fijo. Un cambiador de calor fijo tiene tubos rectos que se aseguran en

ambos extremos a los tubos soldados con autógena a la cáscara. La construcción

puede tener las cubiertas de canal desprendibles tipo cubiertas de canal o tubos

integrales. La ventaja principal de la construcción de los tubos y concha es su bajo

costo debido a su construcción simple. De hecho, el intercambiador fijo es el menos

18


tipo de construcción costoso, mientras no se requiera ninguna junta de dilatación. Otras

ventajas son que los tubos se pueden limpiar mecánicamente después del retiro de la

cubierta o del capo de canal, y que la salida del líquido del carcaza está reducida al

mínimo puesto que no hay empalmes ensanchados. Una desventaja de este diseño es

ésa puesto que el paquete se fija a la cáscara y no puede ser quitado, los tubos no se

puede limpiar mecánicamente. Así, su uso se limita para limpiar servicios en el lado de

la cáscara. Sin embargo, si un programa satisfactorio de la limpieza química puede ser

empleado, la construcción fija-tubos se puede seleccionar para ensuciar servicios en el

lado de la cáscara. En caso de diferencial grande la temperatura entre los tubos y la

cáscara, los tubos no podrá absorber la tensión diferenciada, de tal modo haciéndola

necesaria incorporar una junta de dilatación. Esto quita la ventaja del bajo costo en

gran parte.

Tubo en forma de "u": Como el nombre implica, los tubos de un cambiador de calor

del tubo en forma de "u" (el cuadro 3) está doblado en la forma de a U. Hay solamente

un tubo en un cambiador de calor del tubo en forma de "u". Sin embargo, el más barato

para el solo tubo es compensado por los costes adicionales contraídos para el doblez

de los tubos y del diámetro algo más grande de la cáscara (debido al radio mínimo de

la curva en U), haciendo el coste de un cambiador de calor del tubo en forma de "u"

comparable a el de un cambiador del tubo fijo. La ventaja de un cambiador de calor del

tubo en forma de "u" es que porque es un extremo libre, el paquete puede ampliarse o

contratar en respuesta a diferenciales de la tensión. Además, los lado de afuera del los

tubos pueden ser limpiados, mientras que el paquete de tubo puede ser quitado. La

desventaja de la construcción del tubo en forma de "u" es que los interiores de los

tubos no se pueden limpiar con eficacia, puesto que las curvas en U requerirían flexible

ejes del taladro del extremo para la limpieza. Así, los cambiadores de calor del tubo en

forma de "u" no deben ser utilizados para los servicios con un sucio líquido dentro de

los tubos.

Cabeza flotante: El cambiador de calor de la flotar-cabeza es el tipo más versátil de

STHE, y también el más costoso. En este diseño, un tubo y concha es fijo concerniente

a la cáscara, y el otro está libre “de flotar” dentro de la cáscara. Esto permite la

extensión libre del paquete de tubo, así como la limpieza de los interiores y de lo salida

19


de los tubos de los tubos. Así, la flotar-cabeza se puede utilizar para los servicios

donde están sucios el cáscara y los líquidos del salida de los tubos - haciendo esto el

tipo de construcción estándar usado en servicios sucios, por ejemplo en refinerías de

petróleo. La cubierta de la cabeza flotante es asegurada contra el tubo flotante

empernándolo a un anillo ingenioso del forro de la fractura. Este encierro de la flotar-

cabeza se establece más allá del extremo de la cáscara y es contenido por una

cubierta de la cáscara de un diámetro más grande. Para desmontar al cambiador de

calor, la cubierta de la cáscara es primera quitada, después el anillo del forro de la

fractura, y entonces la cubierta de la flotar-cabeza, después de lo cual el paquete de

tubo se pueden quitar del extremo inmóvil. En la construcción de TEMA T, el paquete

de tubo entero, incluyendo el montaje de la flotar-cabeza, se puede quitar del extremo

inmóvil, puesto que el diámetro de la cáscara es más grande que el reborde de la flotar-

cabeza. La cubierta del cabezal flotante se emperna directamente al tubo flotante para

no requerir un anillo del forro de la fractura. La ventaja de esta construcción que el

paquete de tubo se puede quitar de la cáscara sin la eliminación de la cáscara o de la

cubierta del cabezal flotante, así está reduciendo tiempo de mantenimiento. Este

diseño se adapta particularmente a la caldera que tiene un medio de calefacción sucio

donde los tubos en forma de "u" no pueden ser empleados (Mukherjee, 1998).

(Anexo I)

1.3.3. Clasificación en base al servicio.

Básicamente, un servicio puede ser monofásico (tal como el enfriamiento o la

calefacción de un líquido o de un gas) o bifásico (por ejemplo la condensación o la

vaporización). Puesto que hay dos lados a un STHE, éste puede llevar a varias

combinaciones de servicios.

Ampliamente, los servicios pueden ser clasificados en:

Monofásico (un paso por los tubos y uno por la coraza)

Condensación (Que condensa y el otro lado que se vaporiza)

Vaporización (en un lado que se condensación del lado y el otro monofásico).

Condensación/vaporiza (en un lado se vaporiza y el otro lado monofásico).

20


La nomenclatura utiliza generalmente:

Cambiador de calor: monofásico de los lados y corrientes de proceso (es decir, no

una utilidad).

Refrigerador: uno fluye el líquido de proceso y la otra agua o aire de enfriamiento.

Calentador: una corriente un líquido de proceso y la otra una utilidad caliente, tal

como vapor o aceite caliente.

Condensador: uno fluye el vapor de condensación y la otra agua o aire de

enfriamiento.

Refrigerador: uno fluye un líquido de proceso que es condensado en las

temperaturas sub-atmosféricas y la otra un refrigerante de ebullición o una corriente

de proceso.

Reboiler: una corriente una corriente de partes inferiores de una columna de

destilación y la otra una utilidad caliente (vapor o aceite caliente) o una corriente de

proceso.

(Mukherjee, 1998)

1.4. Datos de diseño de un Intercambiador de calor (IC).

Antes de discutir diseño termal real, miremos los datos que se deben suministrar por el

licenciador de proceso antes de que el diseño pueda comenzar:

o Flujos de ambas corrientes.

o Temperaturas de la entrada y del enchufe de ambas corrientes.

o Presión de funcionamiento de ambas corrientes. Esto se requiere para los gases,

especialmente si la densidad del gas no se suministra; no es realmente necesario

para los líquidos, pues sus características no varían con la presión.

o Gota de presión permisible para ambas corrientes. Esto es un parámetro muy

importante para el diseño del cambiador de calor. Generalmente, para los líquidos,

un valor de 0,5-0,7 kg/cm2 se permite por cáscara. Una gota de presión más alta se

autoriza generalmente para los líquidos viscosos, especialmente en el lado de los

21


tubos. Para los gases, el valor permitido es generalmente 0,05-0,2 kg/cm2, con 0.1

kg/cm2 siendo típicos.

o Ensuciar la resistencia para ambas corrientes. Si esto no se suministra, el diseñador

debe adoptar los valores especificados en los estándares de TEMA o basados en

experiencia anterior.

o Características físicas de ambas corrientes. Éstos incluyen viscosidad,

conductividad termal, densidad, y calor específico, preferiblemente en las

temperaturas de la entrada y del enchufe. Los datos de la viscosidad se deben

suministrar en las temperaturas de la entrada y del enchufe, especialmente para los

líquidos, puesto que la variación con temperatura puede ser considerable y es

irregular (ni linear ni con abscisas y ordenadas logarítmicas).

o Calor. El calor especificado debe ser constante para el lado de la coraza y el lado

de los tubos.

o Tipo de cambiador de calor. Si no suministrado, el diseñador puede elegir esto

basada sobre las características de los varios tipos de construcción descritos

anterior. De hecho, el diseñador está normalmente en una mejor posición que el

ingeniero de proceso para hacer esto.

o Línea tamaños. Es deseable emparejar tamaños del inyector con la línea tamaños

para evitar ampliadores o los reductores. Sin embargo, los criterios de clasificación

para los inyectores son generalmente más rigurosos que para las líneas,

especialmente para la entrada del lado de la cáscara. Por lo tanto, los tamaños del

inyector deben a veces estar un tamaño (o aún más en circunstancias

excepcionales) más grandes que la línea correspondiente tamaños, especialmente

para las pequeñas líneas.

o Tamaño preferido del tubo. El tamaño del tubo se de O.D. Algunos dueños de la ×

del grueso del ×señala como longitud del de O.D. (basado generalmente

sobre ×planta tienen un grueso preferido del consideraciones del inventario), y el

área disponible del diagrama determinará la longitud máxima del tubo. Muchos

22


dueños de la planta prefieren estandardizar las tres dimensiones, basadas otra vez

sobre consideraciones del inventario.

o Diámetro máximo de la cáscara. Esto se basa sobre requisitos del retiro del tubo-

paquete y es limitada por capacidades de la grúa. Tales limitaciones se aplican

solamente a los cambiadores con los paquetes de tubo desprendibles, a saber tubo

en forma de "u" y flotar-cabeza. Para los cambiadores fijos-tubesheet, la única

limitación es la capacidad de la fabricación del fabricante y la disponibilidad de

componentes tales como extremos y rebordes servidos. Así, limitan a los

cambiadores de calor de la flotar-cabeza a menudo a una identificación de la

cáscara de 1.4-1.5 m y de una longitud del tubo de 6 m o de 9 m, mientras que los

cambiadores de calor del fixedtubesheet pueden tener cáscaras tan grandes como

3 m y longitudes de los tubos hasta 12 m o más.

o Materiales de la construcción. Si los tubos y la cáscara se hacen de materiales

idénticos, todos los componentes deben estar de este material. Así, los materiales

solamente de la cáscara y del tubo de la construcción necesitan ser especificados.

Sin embargo, si la cáscara y los tubos están de diversa metalurgia, los materiales

de todos los componentes principales se deben especificar para evitar cualquier

ambigüedad. Los componentes principales son cáscara (y descasque la cubierta),

tubos, canal (y cubierta de canal), los tubesheets, y los bafles. Tubesheets puede

ser alineado o revestido.

o Consideraciones especiales. Éstos incluyen completando un ciclo, las condiciones

trastornadas, los panoramas alternativos del funcionamiento, y si la operación es

continua o intermitente.

(Mukherjee, 1998)

1.5. Coeficiente Global de Transferencia de Calor.

La temperatura superficial o los flujos de calor no son especificados para los

intercambiadores de calor. Esta complicación es resuelta mediante la utilización del

Coeficiente Global de Transferencia de Calor. Este coeficiente es definido en términos

de la resistencia térmica total a la transferencia de calor entre dos fluidos. Cuando

23


consideramos fluidos de un intercambiador de calor fluyendo fuera y dentro de un tubo

como se muestra en la figura:

Figura: 1.7 Coeficiente global de transferencia de calor para un tubo. (Luis, 1983) De manera que podemos escribir que:

ii

iii

AhKLrr

AhAUAU 1

2)/ln(1

1110

00

00 ++==

π

Ec. 1.12

Donde 0 U, designa al coeficiente global de transferencia de calor, referido al área

externa, y de igual forma, i U se refiere al coeficiente global de transferencia de calor

referido al área interna. Dicha distinción es necesaria, debido a que el área disponible

para transferencia de calor no es constante sino se crece cuando se avanza

radialmente.

Tabla: 1.1 Valores típicos del coeficiente global de transf de calor, U.

Situación Física U (W/m^2*K)

Ventana Placa-Vidrio 6,20

Condensador de Vapor 1000-5000

Calentador de suministro de agua 1000-8000

Intercambiador de calor Agua-Agua 850-1700

Intercambiador de calor Agua-Aceite 110-340

(J.C.Smith, 1975)

24


1.6. Factor de incrustamiento.

Las expresiones anteriores para el coeficiente global de transferencia de calor, son

válidas para tubos limpios. Como es bien conocido las superficies interiores de los

tubos de un intercambiador de calor no permanecen limpias después de varios meses

de operación. Se forman escamas o depósitos en la superficie interior. La acumulación

de escamas o depósitos en el interior de los tubos, pueden afectar severamente el

valor del coeficiente global de transferencia de calor, U.

El efecto global de los depósitos se cuantifica por el denominado Factor de

encrustamiento o Factor de suciedad, Rf " el cual se determina experimentalmente. Su

efecto neto consiste en incrementar la resistencia al flujo de calor, o que en otras

palabras disminuir el coeficiente global de Transferencia de calor. Rf ", se relaciona con

el coeficiente Global teórico, mediante la siguiente expresión:

RfUteóricoUoperación

+=11 Ec. 1.13

Tabla: 1.2 Valores típicos del factor de encrustamiento.

Tipo de Fluido Rf (W/m^2*K)

Agua de mar por debajo de 50°C 0,0001

Vapor 0,0001

Agua de mar por encima de 50°C 0,0002

Refrigerantes 0,0002

Aire Industrial 0,0004

Aceite de Combustible 0,0010

(McAdams, 1964)

1.7. Análisis Térmico de un intercambiador de calor.

El objetivo de un análisis térmico de un intercambiador de calor es el de ser capaces de

expresar la cantidad total de calor transferido, q, del fluido caliente al fluido frío, en

términos del coeficiente global de transferencia de calor. El área de transferencia de

calor A, y las temperaturas de entrada y salida de los fluidos caliente y frío.

25


Un balance de energía da como resultado:

[Energía perdida por el flujo caliente]= [Energía ganada por el flujo frío]

O bien:

)()( 0,,0,, ciccchihhh TTcmTTcm −=− Ec. 1.14

Donde:

m h: Flujo másico del fluido caliente.

c h: Calor específico del fluido caliente.

Thi: Temperatura a la entrada del fluido.

Th0: Temperatura a la salida del fluido.

m c: Flujo másico del fluido frió.

c c: Calor específico del fluido frío.

Tci: Temperatura de entrada del fluido frío.

Tco: Temperatura de salida del fluido frío.

El producto (m × c) aparece con frecuencia en el análisis de intercambiadores de calor

y es denominado, Capacidad calorífica, C, C = (m × c).

Existen dos metodologías de análisis térmico de intercambiadores de Calor.

1. Método F-LMTD

2. Método Є- NTU

(Mambre, 2002)

1.8. Metodología para el diseño de un IC.

Los pasos a seguir en un diseño de un intercambiador de calor de tubos y concha son:

1. Comprobar el balance de energía, hemos de conocer las condiciones del proceso;

caudales, temperatura, presiones, propiedades físicas de los fluidos.

2. Asignar las corrientes al tubo y al casco.

26


3. Dibujar los diagramas térmicos.

4. Determinar el número de intercambiadores en serie.

5. Calcular os valores medios corregidos de la diferencia media de temperatura.

6. Seleccionar el diámetro, espesor, material, longitud y configuración de los tubos.

7. Estimar los coeficientes de película y de suciedad. Calcular los coeficientes globales

de trasmisión del calor.

8. Calcular la superficie de intercambio estimada.

9. Seleccionar el tamaño del casco (utilizando dos pasos en los tubos).

10. Calcular las pérdidas de presión en el lado de los tubos y recalcular el número de

pasos para cumplir con las perdidas de presión admisibles.

11. Asumir la separación entre los deflectores y el área de paso para conseguir las

perdidas de presión en casos admisible.

12. Recalcular los coeficientes de película lado de los tubos y el casco utilizando las

velocidades máxima disponible.

13. Recalcular los coeficientes globales de transmisión del calor y comprobar si

tenemos suficiente superficie de intercambio.

14. Si la superficie de intercambio es muy grande o muy pequeña revisar los estimados

de tamaño de carcaza y repetir las etapas del 9-13.

(Hill et al., 2002)

1.9. Sistema de Generación de Vapor.

1.9.1. Generadores de vapor. Generalidades.

Los generadores de vapor conocidos comúnmente en la terminología industrial como

calderas es un recipiente cerrado en el cual se calienta agua, se genera vapor o se

sobrecalienta (o cualquier combinación de las dos cosas) bajo presión o vacío

mediante la aplicación de calor de combustibles, electricidad o energía nuclear. Las

calderas se dividen generalmente en cuatro tipos clásicos: residencial, comercial,

industrial y para generación de energía eléctrica (Bernhard, 2002).

27


1.91.1. Clasificación Industrial.

Se suelen clasificar como:

a-) Tubos de Humo (Pirotubular)

b-) Tubos de agua (Acuotubular).

a-) Calderas de Tubos de Humo (Pirotubular)

En este tipo, el calor es transferido por la planta y los productos de combustión que

pasan a través de tubos. El agua calentada rodea el hogar interno y los haces de tubos.

Tipos de calderas Pirotubulares, (Estos se diferencian entre sí por el diseño del hogar)

El primer tipo se caracteriza por estar compuesta por un hogar de forma cilíndrica,

el calor es generado por combustibles derivado del petróleo.

Calderas con cajas de humo permiten el quemado del combustible sólidos por que

están dotadas de un espacio horizontal para los procesos de combustión

quemando una corriente vertical de la plancha o de los productos de combustión.

Caldera tubular con retorno horizontal, en esta unidad los productos de

combustión viajan a través del casco y retroceden a través de los tubos dentro del

recipiente a presión.

(Bernhard, 2002)

b-) Calderas de Tubos de Agua (Acuatubular)

Agua circulando por los tubos como su nombre lo indica, los productos de combustión

rodean usualmente a los tubos y el agua está en el interior de ellos, los tubos se

inclinan hacia un recipiente o domo en el punto más alto de la caldera. Algunos

fabricantes operan este tipo de unidad con tubos rectos o tubos doblados.

Es una caldera de tubos de agua con cabezal de cajón, los tubos de agua están

conectados a cabezales rectangulares dispuestos de modo que la mezcla de agua y

vapor en circulación suban hacia un domo colector. Los cabezales de cajón están

usualmente en cualquier extremo de los haces de tubos, y los productos de combustión

pasan entre cabezales y alrededor de los haces de tubos.

28


Algunas son de tipo de domo largo, esto es, cuando se mira al frente de la caldera, el

domo tiene la longitud de la caldera. Su consecuencia lógica es la caldera de domo

atravesado. Cuando se contempla desde el frente de la unidad, los domos están

instalados perpendicularmente a la larga línea central o a través de la caldera.

(Bernhard, 2002)

1.9.1.2 Producción estimada de vapor para calderas (Piro y Acua) tubulares.

Las unidades de tubo de humo (Pirotubular) se suministran casi siempre de

aplicaciones hasta de aproximadamente 30.000 Lb. = 2.100 Kg de vapor de agua por

hora. Se suministra para operar a baja presión 15 PSIG = 104*10^3 Pa y menos, y

como caldera de potencia hasta aproximadamente 300 PSIG = 2.100*10^3 Pa de

presión de vapor. Las calderas de tubos de agua (acuatubulares) para utilizarse en

aplicaciones industriales se proporcionan capacidades hasta casi de un millón de libras

1.000.000 Lb. = 450.000 Kg de vapor por hora. Las presiones de diseño varían desde

100 PSIG = 700*10^3 Pa hasta 1.200 o 1.400 PSIG = 8,3 ó 9,6*10^6 Pa con

temperaturas de vapor que varían desde la saturación hasta 1.000 ºF = 540 ºC

(Bernhard, 2002).

1.9.1.3. Proceso de Generación de Vapor.

La mayoría de las calderas tienen varias cosas en común. Usualmente, en la parte

inferior está un fogón o cámara de combustión (horno) a donde se alimenta el

combustible más barato o más disponible a través de un quemador para formar una

flama. El quemador está controlado automáticamente para pasar sólo el combustible

suficiente para mantener una presión de vapor deseada. La flama o calor es dirigida y

distribuída a las superficies de calentamiento, las cuales usualmente son tubos, tiros de

chimenea o serpentines de diámetro bastante pequeño (James, 2007). (Anexo: XVI)

En algunos diseños el agua fluye a través de los tubos o serpentines y el calor es

aplicado al exterior. A éstas se les denominan calderas acuotubulares. En otras

calderas los tubos o tiros de chimenea están inmersos en el agua y el calor pasa a

través del interior de los tubos. Estas son calderas humotubulares. Si el agua es

sometida a los gases calentados más de una vez, la caldera es de "dos-pasos", de

"tres-pasos", o de "pasos múltiples" (James, 2007).

29

http://www.monografias.com/trabajos14/impacto-ambiental/impacto-ambiental.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/presi/presi.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/transf-calor/transf-calor.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/problemadelagua/problemadelagua.shtml

http://www.monografias.com/trabajos13/termodi/termodi.shtml#teo


Figura: 1.8 Diagrama de Flujo Vapor-Agua

El agua calentada o vapor se levanta de la superficie del agua se vaporiza y es

colectada en una o varias cámaras o tambores. El tamaño del tambor determina la

capacidad de producción de vapor. En la parte superior del tambor de vapor se

encuentra la salida o el llamado "Cabezal de vapor", desde donde el vapor es

conducido por tuberías a los puntos de uso (Anexo: II).

En la parte superior del hogar mecánico se encuentra una chimenea de metal o de

ladrillo, la cual conduce hacia fuera los productos de la combustión como gases. En el

fondo de la caldera, normalmente opuesto del hogar mecánico, se encuentra una

válvula de salida llamada "purga de fondo". Por esta válvula salen del sistema la

mayoría del polvo, lodos y otras sustancias no deseadas, que son purgadas de la

caldera. En conjunto a la caldera existen múltiples controles de seguridad, para aliviar

la presión si esta se incrementa mucho, para apagar la flama si el nivel del agua es

demasiado bajo o para automatizar el control de nivel del agua. Un tubo de vidrio con

una columna de agua generalmente se incluye, para mostrarle al operador el nivel

interno del agua en la caldera (Alvaro y Claudio, 2009)

30



http://www.monografias.com/trabajos16/estrategia-produccion/estrategia-produccion.shtml

http://www.monografias.com/trabajos12/elproduc/elproduc.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/impacto-ambiental/impacto-ambiental.shtml

http://www.monografias.com/trabajos13/termodi/termodi.shtml#teo

http://www.monografias.com/trabajos11/teosis/teosis.shtml

http://www.monografias.com/trabajos/seguinfo/seguinfo.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/presi/presi.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/control/control.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/vidrio/vidrio.shtml


Figura: 1.9 Caldera de Vapor.

El agua de alimentación de las calderas debe ser bien tratada de lo contrario pudiera

causar los siguientes problemas:

1. Formación de costra

2. Corrosión

3. Formación de burbujas de aire

4. Adherencia del vapor al cilindro.

(Álvaro y Claudio, 2009)

31

http://www.monografias.com/Salud/Nutricion/

http://www.monografias.com/trabajos5/aguacald/aguacald.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/calidad-serv/calidad-serv.shtml#PLANT


1.9.1.4. Diagrama flujo del procedimiento operacional de la caldera.

(Smith, 2006)

32


1.9.2. Tratamiento de agua

En cualquier sistema de generación de vapor es de vital importancia el Agua a utilizar y

el tratamiento que se le debe dar, para así lograr la vida normal de la caldera y de los

equipos que utilizan la energía creada por esta. El agua es el fluido de trabajo de los

sistemas de vapor y una de las sustancias naturales más abundantes; sin embargo,

nunca se encuentra en estado puro, adecuado para la alimentación directa de una

caldera. Por lo común en estado natural, el agua se encuentra turbia, con materias

sólidas en suspensión fina. Incluso cuando está clara, el agua natural contiene

soluciones de sales y ácidos que dañan con rapidez el acero y los metales a base de

cobre de los sistemas de vapor (Anexo V y VI).

Tabla: 1.3 Limites recomendados de constituyentes de agua para las calderas.

PARTES POR MILLON (PPM)

Presión Lb/in2

Total de sólidos

disueltos Alcalinidad Dureza Sílice Turbidez Aceite

Fosfatos residuales

0-300 3500 700 0 100-60 175 7 140

301-450 3000 600 0 60-45 150 7 120

451-600 2500 500 0 45-35 125 7 100

(Angel, 2009)

Cuando el agua de alimentación se calienta, se evapora y sale de la caldera como

vapor destilado dejando las impurezas atrás. Entre más y más agua se evapora en la

caldera, se añade más líquido para reemplazarla. Como resultado de esto, la cantidad

de sólidos disueltos al interior de la caldera aumenta gradualmente. En poco tiempo se

acumula una gran cantidad de éstos en el agua de la caldera, provocando que no

hierva ya como agua ordinaria, sino como una especie de jarabe. Las burbujas de

vapor que suben no se separan fácilmente de la superficie; en vez de esto, se forman

grandes burbujas que, cuando revientan, arrastran con ellas hacia el espacio de vapor

33


algo de la película (solución) con que se formó la burbuja. Esta condición se denomina

comúnmente “acarreo”. (Lerma, 2008)

Además, algunos materiales que son altamente solubles a bajas temperaturas, debido

a la alta temperatura en la caldera, cambian su solubilidad, se transforman en

materiales con baja solubilidad y son precipitados, como es el caso del carbonato de

calcio (CaCO3), un compuesto presente en la mayoría de las aguas de alimentación

para calderas. La mayor parte de esta precipitación tiene lugar donde el agua de la

caldera está más caliente, es decir, donde el agua está en contacto con las zonas de

mayor transferencia de calor. El material precipitado se deposita en la superficie

caliente y forma incrustaciones (Lerma, 2008).

Estas incrustaciones, en forma de placas, son un buen aislante del calor y reducen el

grado de transferencia de calor. Conforme la incrustación crece, el vapor y el agua son

cada vez menos capaces de mantener estas superficies enfriadas y comienzan a

recalentarse, al grado de reducir la resistencia del metal de los tubos y causar su

ruptura. Dependiendo de las circunstancias, esta falla puede presentarse en forma de

ampollas o, incluso, provoca que se funda el material de los tubos. (Lerma, 2008).

El objetivo fundamental de esta unidad es reducir la dureza del agua hasta cero por los

daños que estos generan, con el objeto de utilizarla como agua de alimentación de las

calderas. El agua normalmente contiene una cierta cantidad de sales (Anexo: III), entre

las más importantes para la utilización en la generación del vapor se tienen: carbonato

de calcio y carbonato de magnesio. Estas sales de no eliminarse antes de ser usada en

las calderas pueden producir incrustaciones en los tubos (Anexo IV). Las incrustaciones

es la formación de depósitos sólidos y duros sobre la superficie interna de los tubos.

Para evitar esta formación en la planta de tratamiento de agua se tiene el proceso de

suavización en caliente que consiste en la formación de flóculos producto de la

reacción de la cal con las sales y lodos que contiene el agua. Este proceso es llamado

Termocirculador, luego se filtra el agua en filtros de carbón y finalmente se efectúa el

intercambio iónico en los suavizadores de zeolita, en donde se disminuye el contenido

de carbonato de calcio hasta valores de cero, después de esto el agua se almacena

para alimentar las calderas según la demanda de vapor (Lerma, 2008).

34

http://www.monografias.com/trabajos16/objetivos-educacion/objetivos-educacion.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/administ-procesos/administ-procesos.shtml#PROCE

http://www.monografias.com/trabajos12/elproduc/elproduc.shtml

http://www.monografias.com/trabajos14/nuevmicro/nuevmicro.shtml

http://www.monografias.com/trabajos/ofertaydemanda/ofertaydemanda.shtml


1.10. Simulador: Hysys

Al proceso de experimental un modelo se denomina simulación, y al dispositivo

utilizado, modelo y accesorios (sensores, registradores, indicadores, etc.) se llama

simulador.

Introducción al simulador de Procesos Hysys:

• Simulador de Procesos de Hyprotech soportado en Windows

• Completamente interactivo

• Estructura Modular no secuencial

• Propagación de la información bidireccional

• Flujo de la información parcial

(BanKs et al., 1996)

Aplicaciones Típicas del Hysys:

• Procesamiento de gases

• Refinería de petróleo

• Petroquímica

• Industria química en general

(BanKs et al., 1996)

Simulación de Procesos:

• Representación de procesos químicos a partir de una red de modelos matemáticos

integrados.

• HYSYS ha venido siendo y es, junto con ASPEN, uno de los dos mayores

programas de Simulación en Ingeniería Química. Este programa tan sólo puede

compararse con ASPEN

• Cada modelo matemático está diseñado para predecir el comportamiento de una

operación unitaria.

35


• Los modelos son configurados a través de una red de corrientes.

(Shannon, 1988)

Principales Características:

• Enorme base de datos de propiedades de sustancias.

• Enorme base de datos de modelos termodinámicos, incluyendo parámetros para

muchas mezclas.

• Gran cantidad de operaciones disponibles para estudios en estado estacionario y

dinámico.

• Optimizador incorporado.

• Módulos adiciones disponibles (Economix, Distil, Optimización RTO, etc...).

• Integración progresiva en el estándar CAPE.

• Filosofía de cálculo con propagación de variables hacia delante y atrás.

(Law y Kelton, 1991)

Etapas de una simulación:

• Formulación del problema: en este paso debe quedar perfectamente establecido el

objetivo de la simulación, y se deben detallar los siguientes factores: los resultados

que se esperan del simulador, el plan de experimentación, el tiempo disponible, las

variables de interés, el tipo de perturbaciones a estudiar, el tratamiento estadístico

de los resultados, y la complejidad del interfaz del simulador.

• Definición del Sistema: el sistema a simular debe estar perfectamente definido. Se

deben establecer las fronteras del sistema a estudiar y las interacciones con el

medio ambiente que serán consideradas.

• Formulación del modelo: esta comienza en el desarrollo de un modelo que captura

los aspectos relevantes del sistema real.

• Colección de datos: la naturaleza y cantidad de datos necesarios están

determinada por la formulación del problema y del modelo. Los datos pueden ser

36


obtenidos en registros históricos, experimentos en el laboratorio, mediciones

realizadas en el sistema real.

• Implementación del modelo en la computadora: el modelo es implementado

utilizando algún lenguaje computacional.

• Verificación: en esta etapa se comprueba que no hayas cometido errores durante la

implementación del modelo.

• Validación: se comprueba la exactitud del modelo empleado.

• Diseño de experimentos: se decide las características de los diseños a realizar: el

tiempo de arranque, el tiempo de simulación, y el numero de simulaciones.

• Experimentación: se realizan las simulaciones de acuerdo al diseño previo. Los

resultados son recolectados y procesados.

• Interpretación: se analiza la sensibilidad del modelo con respecto a los parámetros

que tienen asociados la mayor incertidumbre. El modelo será sensible a

determinados parámetros si para pequeños cambios en los valores de los mismos

la respuesta varia notablemente.

• Documentación: es la elaboración de una documentación técnica y manuales de

uso. La documentación técnica debe contar con una descripción detallada del

modelo y de los datos; también, se deberá incluir la evolución histórica de las

distintas etapas del desarrollo.

(Enrique, 2006)

Conclusiones parciales:

• Resulta necesario realizar un diagnostico al equipamiento del sistema de

generación, distribución y consumo de vapor para conocer su estado actual y el

cumplimiento de las normativas técnicas y recomendaciones que aparecen en la

literatura.

• El simulador HYSYS, se reporta en la literatura como una herramienta eficiente

en el análisis de procesos tecnológicos, siendo muy empleado en el análisis de

esquemas térmicos.

37

Capítulo II Diagnóstico y Análisis Económico del Laboratorio

Diagnóstico del Laboratorio de Operaciones

2.1. Introducción.

Etimológicamente el concepto diagnóstico proviene del griego, tiene dos raíces, día que

es a través de, y gignoskein que es conocer, así etimológicamente diagnostico significa

conocer a través de. El concepto de este significado es la identificación de la naturaleza

o esencia de una situación o problema y de la causa posible o probable del mismo, es

el análisis de la naturaleza de algo.

¿Quien puede enunciar un diagnostico? Cualquier persona que haga una afirmación o

conclusión acerca de la causa o esencia de un estado, situación o problema está

haciendo un diagnóstico.

Pasos para un diagnóstico.

· Observación.

· Descripción (es necesario un lenguaje).

· Clasificación.

· Observación crítica de los atributos (características).

· Selección de unas prioridades.

· Desarrollo de un criterio.

2.1.2. Diagnóstico:

El objetivo del presente diagnóstico es conocer la situación actual del equipo de

generación de vapor, así como de las principales redes de distribución y equipos

consumidores, entre ellos tenemos el generador de vapor, columna de destilación,

Fluidizador, evaporador de circulación forzada de película descendente, secador de

bandeja e intercambiadores de calor.

38


2.1.2.1. Generador de Vapor:

Este equipo no se encuentra apto para operar en estos momentos, Inspecciones

recientes recomiendan el cambio de parte de los tubos (fluses). La superficie externa

esta afectada por la corrosión, el recubrimiento (aislamiento) exterior de la caldera esta

en malas condiciones. Por la complejidad tecnológica del equipo y por el peligro

potencial que representa una falla en el mismo es necesaria su valoración por

especialistas de ALASTOR para contar con un dictamen técnico preciso. La bomba de

alimentación de agua a la caldera debe ser reparada y comprobada para garantizar el

caudal de agua a la presión de trabajo.

Datos de Chapa.

Producción /Hora – 700Kg/h

Superficie de calefacción – 16.3 m^2

Presión de Trabajo -- 10 Kg*F/cm^2

Tensión -- 220 V V 60 Hz

Fecha de fabricación -- 1981

Casco de 10 mm

Placa de 12 mm

Acero de 20 K.

Tubos de 73. 38. 18 3U

Largo de 2.05 m, Ancho 85 cm, Altura 1 m.

39


Figura: 2.1Generador de Vapor

2.1.2.2. Columna de Destilación:

Este equipo se encuentra funcionando, y es utilizado para el desarrollo de prácticas de

laboratorio, se encuentra en buen estado técnico, actualmente la energía utilizada es

eléctrica, el estado de la resistencia con que se encuentra trabajando no es la óptima,

se recomienda la utilización de vapor para este proceso. La columna tiene una altura

de 1.85 m, con un diámetro de 15 cm, 2 tanques de 45 cm de diámetro con una

resistencia de 2.5 Kw/h; y utilizando vapor seria un consumo de 4.47 Kg/h para que la

columna opere con los parámetros establecidos.

40


Figura: 2.2 Columna de Destilación.

2.1.2.3. Fluidizador:

Este equipo se encuentra funcionando y esta siendo utilizado para la realización de

prácticas de laboratorios de Operaciones Unitarias, se encuentra en buenas

condiciones técnicas, se cumplen con los objetivos de las prácticas, pero podría

sustituirse el ventilador por uno nuevo por los años que tiene de uso para obtener u

flujo de aire mas constante. Tiene 2m de altura con un diámetro de 20 cm si el aire es

transportado a lo largo de un tubo de 1.75 m, se recomienda la utilización del vapor

para sólidos con un mayor contenido de humedad.

41


Figura: 2.3 Fluidizador

2.1.2.4. Evaporador de Circulación Forzada de Película Descendente:

Este equipo hace años que no funciona, aunque en su exterior se encuentra en buenas

condiciones físicas, no sabemos su estado actual. Se recomienda su desarme para un

adecuado diagnóstico. Esta dispuesto a una altura de 2.35 m, con un diámetro de 75

cm y altura de 1.75 m ; se calculo el consumo de vapor máximo que puede ser

alimentado al evaporador por la velocidad máxima recomendadas para tubos de

diámetro de 1 plg y obtuvimos un valor de 320 Kg/h. (Bibliografía: Índice de

capacidades para Ingenieros de crudo de Cuba).

42


Figura: 2.4 Evaporador de circulación forzada de película descendente.

2.1.2.4. Secadero de Bandeja:

Este equipo utiliza el vapor como medio de calentamiento, al encontrarse la caldera sin

funcional, este también lo esta; se encuentra en buenas condiciones técnicas, el

ventilador es el que puede encontrarse en malas condiciones por los años de uso, se

recomienda una sustitución del ventilador. Con un largo de 3.24 m, ancho de 0.5 m y

una altura de 1.27 m; se calculo el consumo de vapor máximo que puede ser

alimentado al secadero por la velocidad máxima recomendadas para tubos de diámetro

de 1 plg y obtuvimos un valor de 320 Kg/h. (Bibliografía: Índice de capacidades para

Ingenieros de crudo de Cuba)

43


Figura: 2.5 Secador de Bandeja.

2.1.2.5. Intercambiadores de Calor:

Existen cuatro tipos de intercambiadores de calor en el laboratorio de operaciones

unitarias, todos de tubos y concha, de ellos dos se encuentran en mal estado que no es

posible su recuperación(Figura: 2.7), los otros dos restantes se pueden utilizar en la

realización de las prácticas de laboratorio; el (a) de un paso por los tubos y uno por la

concha, con tubos de diámetro exterior igual a 27 mm y interior de 19.6 mm, con un

espesor de 3.7 mm y una longitud de 0.77 m y un total 14 tubos (paso triangular); el (b)

de cuatro paso por los tubos y uno por la concha, con tubos de diámetro exterior igual a

9.5 mm y interior de 7.25 mm, con un espesor en de 1.125 mm y una longitud de 1.125

m, y un total de 44 tubos (paso triangular); antes de ser utilizados deben ser sometidos

44


a un mantenimiento para trabajar con la máxima eficiencia posible. Ambos con un

consumo de vapor de 503.2 Kg/h.

Figura: 2.6.a) y b) Intercambiadores de Calor de tubo y coraza.

Figura: 2.7 Intercambiadores de Calor de tubo y coraza.

45


2.1.2.6. Tuberías y accesorios:

Estas se encuentran en mal estado técnico, contamos con una longitud total en la línea

central de 34.33 m, de diámetro exterior igual a 6.6 cm y uno interior de 5.24 cm y un

aislante de 3.14 cm de espesor, los bajantes de la tuberías para la distribución del

vapor a los diferentes equipos consumidores, son de diámetro interior de 2.33 cm y

exterior de 3.39 cm y un espesor de aislante de 3 cm, y una longitud total de 16.07 m ;

en total se utilizan 6 codos en la línea central, 7 te de reducido de línea central para los

bajantes, 8 válvulas para los bajantes y 10 codos en bajantes. Se recomienda una

prueba hidráulica en las tuberías para utilizar las partes en buen estado en la red

distribución de los equipos consumidores de vapor.

a) Deteriorada b) Buenas condiciones

Figura: 2.8 Estado de tuberías

46


Análisis Económico

2.2.1. Costo de inversión.

Costo de Inversión = Inversión fija + Inversión de trabajo

Inversión fija = costo directo + costos indirectos

Costos del equipamiento:

Costo actual = costo original * índice actual / índice original

Índice original 314 ---- año 1982 (Peter, 1991)

Índice Actual 468,2 (Chemicals Engineering, 2005)

Taba: 2.1 Costo del Equipamiento

Equipo Costo

Original($) Costo

Actual($) Referencia

Generador de Vapor 100450 149779,26 Fig. B-4 Peter (Pág. 809)

Intercambiadores de Calor-a (44) 1000 1491,08 Fig.15.15 Peter (Pág. 617)

Intercambiadores de Calor-b (14) 850 1267,42 Fig.15.15 Peter (Pág. 617)

Secador de Bandeja 10300 15358,15 Fig.16.29 Peter (Pág. 713)

Fluidizador 1500 2236,62 DOE/NETL-2002/1169

Evaporador 100000 149108,28 Fig.15.27 Peter (Pág. 623)

Columna de Destilación 65$/in*72,83in 7058,71 Fig.16.25 Peter (Pág. 710)

Total 326299,53

Tabla: 2.2 Costo de Tuberías

Diámetro Nominal (pulg.) Longitud (m) Precio ($ / m) Costo Act. ($)

2 1/2 34,33 11(Fig14.6) 377,63

1 16,07 9 (Fig14.6) 144,63

TOTAL 522,26

47


Tabla: 2.3 Costo de Accesorios

Accesorios Precios ($) Costo Act. ($) Diámetro Nominal (pulg.) C. V. C. V. C. V.

2 1/2 6 2 10,5 105 63 210

1 10 8 7 70 70 560

TOTAL (Fig. 14.4 Pág. 499) 903.00

Tabla: 2.4 Inversión Fija

Indicador Fórmula Costo

Equipamiento 100% $326299,53

Instalación de equipos 35% del costo de

equipamiento 114204,80

Aislamiento 9% del costo de


Instrumentación y control 6% del costo de


Tuberías y Accesorios 100% 1525,00

Instalaciones eléctricas 7% del costo de


Generación de vapor 3% de la inversión fija 0,03*IF

Distribución del vapor 1% de la inversión fija 0,01*IF

Suministro de agua 1% de la inversión fija 0,01*IF

Distribución de la electricidad 0.4% de la inversión fija 0,004*IF

Almacenamiento de las materias primas 2% de la inversión fija 0,02*IF

Cos

tos

dire

ctos

Ser

vici

os

Almacen. de los productos finales 1% de la inversión fija 0,01*IF

Supervisión y Ingeniería 5% de la inversión fija 0,05*IF

Gastos de puesta en marcha 10% de la inversión fija 0,1*IF

Cos

tos

indi

rec

Imprevistos 10% de la inversión fija 0,1*IF

48


Inversión fija (IF) = costos directos (CD) + costos indirectos (CI)

IF = 328692,20+ 84520,85+ 56347,23+ 1525,00+ 65738,44+ 0,03*IF + 0,01IF + 0,01*IF

+ 0,004*IF + 0,02*IF + 0,01*IF + 0,01*IF + 0,05*IF + 0,02*IF + 0,10*IF + 0,10*IF

IF = 536823,72 + 0,334*IF

IF = $ 281555,20 Inversión de trabajo (IT) = 10% de Inversión total (IT)

Costo de Inversión total (IT) = Inversión fija + Inversión de trabajo

IT = $ 806041,60 + 0,10*IT

IT = $ 312839,10 (Inversión total del proyecto) 2.2.2. Costo Total de Producción. Costo Total de Producción (CTP) = Costo de Fabricación (CF) + Gastos Generales

(GG)

• Costos de Fabricación (CF) = Costos Directos (CD) + Costos Indirectos (CI) +

Cargos Fijos (CFJ)

• Costos Directos (CD) = Costo de Materia Prima (MP) + Costo de Mano de Obra

(MO) + Supervisión (SP) + Requerimientos (RQ) + Mantenimiento y Reparación (MM) +

Suministros (SM) + Gastos de Laboratorio (LB)

• Costo de Mano de Obra (MO) = [10 - 20] % Costo Total de Producción (CTP)

• Supervisión (SP) = [10 – 25] % Costo Total de Producción (CTP) • Mantenimiento y Reparación (MM) = 2 % Costo de los Equipos (A1)

• Suministros (SM) = 15 % Mantenimiento y Reparación (MM) • Gastos de Laboratorio (LB) = [10 - 20] % Costo de Mano de Obra (MO)

49


• Costos Indirectos (CI) = [5 - 15] % Costo Total de Producción (CTP)

• Cargos Fijos (CFJ) = Depreciación (DP) + Seguros (SG) • Depreciación (DP) = 10 % Costo Total de Inversión (CTI) + [2 - 3] % Gastos

Indirectos de Construcción (BB)

• Seguros (SG) = 1 % Costo Total de Inversión (CTI) • Gastos Generales (GG) = Administración (AD) + Distribución y Venta (DV) +

Inversión y Desarrollo (ID) + Intereses (IN)

• Administración (AD) = [2 - 5] % Costo Total de Producción (CTP) / Período de Vida

• Distribución y Venta (DV) = [2 - 20] % Costo Total de Producción (CTP) • Inversión y Desarrollo (ID) = [2 – 5] % Costo Total de Producción (CTP) • Intereses (IN) = [0 - 7] % Costo Total de Inversión (CTI)

En este caso utilizaremos un 10% del costo total de producción.

Costo de la materia prima:

Las materias primas son:

- Agua de Abasto a la UCLV: Precio:0,25 $/m3 /983 Kg/m3.Cantidad: 700Kg/h

0,178 $/h

- Fuel oil: Precio: 0,343 $/Kg. Cantidad: 35,07Kg/h

VCN (Fuel oil) = 9600 Kcal/Kg --- 40193,2 KJ/Kg (Dato de CUPET)

Q = 1409660 Kj/h/40193,2 Kj/Kg = 35,07 Kg/h

El costo de las materias primas es: MP =21,22 $/h * 8h/d * 240 d/año = 40742,40 $/año

50


Costo de la mano de obra:

La cantidad de obreros es: obreros (según tabla 21 del Peter)

Costo: 2*300$/mes*1mes/24dias = 25 $/obrero-día = 3,125 $/obrero-h

El costo de la electricidad es: 0,063$/kW-h.

La potencia requerida es de: 100 kW

Costo de la electricidad:

100 kW*0,063 $/kW-h*8h/día = 50,4 $/día = 6,3 $/h

Costo del vapor de agua saturado: 0,08 $/Kg de vapor

Cantidad de vapor a utilizar (Kg/semestre)

Se realizaran dos prácticas (fluidizador, columna de destilación, secador de bandeja,

evaporador de circulación forzada), dividiendo el grupo de estudiantes a la mitad,

mientras que en los intercambiadores se realizaran 3 prácticas dividiendo el grupo

como mínimo en conjuntos de 5 para cumplir los objetivos de la práctica. Lo que nos da

un promedio de 23 prácticas en laboratorio de operaciones por semestre.

Con un consumo de vapor (en docencia) de 4300 Kg/semestre, y 4 veces al mes

durante tres horas para investigaciones de la facultad con un consumo de2500

Kg/semestre.

Consumo de vapor Total = 6800 Kg/semestre = 1semestre/112 d = 60,71 Kg/d

Costo del consumo de vapor: 60,71 Kg/d * 0,08 $/Kg = 4,86 $/día

51


Resultados del Coto Total de Producción.

Tabla: 2.5 Costos de Fabricación.

Indicador Fórmula Costo($)/h Costo($)/año

Materias primas - 12,20 23437,51

Mano de obra - 3,12 7200,00Supervisión 0,1*Mano de obra 720,00Requerimientos de

electricidad y vapor - 6,91

13261,71

Mantenimiento y

reparaciones 0,05*IF 14077,76

Suministros 0,005*IF 1407,77Cos

tos

dire

ctos

de

prod

ucci

ón

Laboratorio 0,1*Mano de obra 720,00Depreciación 0,1*CTI 31283,91Seguros 0,004*IF 1126,22

Cos

tos

fijos

Impuestos 0,1*IF 28155,52

Cos

tos

Indi

rect

Otros costos 0,5*(M.Obra+Sup.+ Mtto) 1099,89

Cos

tos

de fa

bric

ació

n

Costos de fabricación 122490,29

Gastos generales = 0,1*CTP

CTP = CF + GG = CF + 0,1*CTP

CTP = 136100,33 $/año Incluyendo todos los equipos y accesorios nuevos utilizados en el laboratorio de operaciones a los cuales se le va a suministrar vapor saturado para su funcionamiento.

52


2.2.3. Análisis de diferentes alternativas.

Tabla: 2.6 Variantes de Costo

Variantes Costo de Inversión Costo Total de Producción 1 312 839,10 136 100,33

2 170 406,30 97 271,57

3 27 339,57 58 269,98

4 15777.70 55118.09

(1) Compra de nuevos equipos, accesorios y tuberías presentes en el laboratorio

(2) Compra de todos los equipos tuberías y accesorios excepto la caldera.

(3) Compra de todos los equipos tuberías y accesorios menos la caldera y el

evaporador.

(4) Utilizar el 10% de costo de inversión de la caldera para su reparación y el 50% del

costo de tuberías y accesorios (suponiendo que el otro 50% lo podemos obtener de

los ya existentes) y un 10% del costo de los intercambiadores para su

mantenimiento.

Conclusiones parciales:

1. Se determinó mediante el diagnóstico que el laboratorio de Operaciones

Unitarias no se encuentra en óptimas condiciones tecnológicas para la realización

de actividades docentes e investigativas, pero varios equipos pueden ser

aprovechados previa reparación y con un mantenimiento adecuado.

2. En la variante (1) obtenemos un costo total de inversión y de producción elevado

por la sustitución de todos los equipos y accesorios del laboratorio por nuevos,

variante esta que no consideramos factible para la Facultad, sin embargo la variante

(4), al incluir un 10% del costo de la caldera para su reparación, un 50% del costo

de las tuberías y un 10% para el mantenimiento de los intercambiadores de calor

obtenemos un costo de inversión de $ 15 777.70 la consideramos factible.

53

Capítulo III Simulación de Sistema de Generación y Distribución de Calor

Simulación en Hysys

3.1. Introducción:

Hysys es una herramienta que proporciona una simulación de un sistema determinado,

permitiendo interpretar un proceso, calcular las variables desconocidas y analizar la

influencia de unas variables con otras, logrando alcanzar las condiciones de operación

óptimas en el proceso.

Hysys es un Simulador Modular Secuencial, pues se basan en módulos de simulación

independientes que siguen aproximadamente la misma filosofía que las operaciones

unitarias, es decir, cada equipo: Bomba, válvula, intercambiadores, columnas, etc, es

representado a través de modelos específicos (Hyprotech, 1999)

El objetivo principal de la simulación fue analizar diferentes resultados obtenidos frente

a varios escenarios de estudio en el proceso de intercambio de calor a estudiar. Los

pasos a seguir en la simulación se proponen a continuación.

3.2. Pasos a seguir para la simulación de sistema de generación, distribución e intercambio de calor:

- Abrir HYSYS (Inicio/programas/Hyprotech/Hysys3.2/Hysys).

- Crear una lista con los componentes involucrados en la simulación; en este caso el

único compuesto presente es el agua.

- Seleccionar el paquete propiedades o ecuaciones para estimar las propiedades

termodinámicas y físico-químicas del agua. Para este caso se selecciona el paquete

de propiedades “ASME Steam”, el cual está específicamente diseñado con el fin de

determinar con la mayor exactitud las propiedades físicas y termodinámicas del

agua (Hyprotech, 1999).

- Una vez seleccionados el componente y el paquete de propiedades se entra al

ambiente de simulación (PFD por sus siglas en inglés). La columna a la derecha se

denomina la paleta de objeto, y es donde aparecen los módulos y operaciones con

las que cuenta el Hysys.

54


- Luego se crea la corriente de agua de entrada con la información de la tabla 3.1. El

flujo de agua en esta corriente se desconoce, el programa lo calculará después en

base a la capacidad de vapor a producir en la caldera (Anexo: VII).

- Para unir el condensado recirculado del proceso y el agua tratada se inserta en el

PFD el módulo “Mixer”, el cual representa un tanque mezclador donde la entrada

está constituida por el condensado y el agua tratada para la alimentación del

generador de vapor, las cuales se unen para entrar en el generador de vapor, la

salida por su parte esta compuesta por la corriente Agua Mezcla (Anexo: VIII).

- Para elevar la presión del agua de alimentación de 1 a 10 atm que es la presión de

trabajo de la caldera, se emplea un módulo de bombeo (Anexo: IX).

- Para simular el generador de vapor se inserta un módulo de calentamiento “Heater”,

al cual se le introduce agua a 10atm y como salida se obtiene vapor saturado a esa

misma presión. Este módulo calcula con los datos anteriores y la capacidad de

producción de 700 kg/h el calor necesario para llevar el agua desde la condición de

salida de la bomba hasta la condición de vapor saturado, además calcula el balance

de energía del generador (Anexo: X).

- Para la distribución de vapor a los intercambiadores y para otros usos del

laboratorio se inserta una T, a la cual se le introduce vapor a 10 atm y sale a estas

mismas condiciones (presión y temperatura), lo que por tres lugares de consumo

diferentes (Anexo: XI).

- Para el intercambio de calor se inserta dos intercambiadores (E-101, E-102), con

sus respectivos datos de diseño (Fig. a11 y a12) a los cuales se le introduce agua

por dentro de los tubos y vapor por la coraza y se obtiene agua caliente y un

condensado el cual se recirculara al sistema. Se medirán los parámetros de

operación para el cálculo de sus datos operacionales (Anexo: XII).

- Para la recolección de los condensados se inserta una T a la salida de los

intercambiadores, no cambia las condiciones del fluido (Anexo: XV).

55


- Para las pérdidas de calor en tuberías y accesorios insertamos calentador para

extraerle calor al sistema y que disminuya su temperatura (Anexo: XVI). (Hyprotech,

1999).

A continuación se ilustra la metodología con un ejemplo.

3.3. Datos de las corrientes de entrada para la simulación (Tabla: 3.1).

AGUA DE ALIMENTACIÓN A CALDERA DATOS

Temperatura 30ºC

Presión 10 atm

Flujo 700 kg/h

AGUA DATOS

Temperatura 30ºC

Presión 1 atm

Flujo 700 kg/h

3.4. Datos de los equipos (Intercambiadores de Calor) para la simulación (Tabla: 3.2).

INTERCAMBIADOR DE CALOR E-101 DATOS

Número de tubos 14 Diámetro interior de los tubos 19,60 mm Diámetro exterior de los tubos 27,00 mm Longitud de los tubos 0,77 m Diámetro de la Carcaza 140,50 mm Número de paso por los tubos 1 Número de pasos por la coraza 1

INTERCAMBIADOR DE CALO E-102 DATOS

Número de tubos 44 Diámetro interior de los tubos 7,25 mm Diámetro exterior de los tubos 9,50 mm Longitud de los tubos 1,05 m Diámetro de la Carcaza 142,0 mm Número de paso por los tubos 1 Número de pasos por la coraza 4

56


3.5. Análisis de las posibles variantes.

El sistema de generación y distribución de vapor general que se simuló consta de un

generador de vapor, dos intercambiadores y un sistema de recolección de condensado,

los cuales se modifican para obtener 4 variantes.

Variante 1

En esta variante insertamos, un módulo que simula un generador de vapor, dos

intercambiadores de calor conectados en paralelo, un sistema de recuperación del

condensado de los intercambiadores y del vapor dispuesto para otros usos, una válvula

reductora para disminuir la presión de 10 a 1 atmósfera y alimentarla al tanque de

condensado.

Figura 3.1. Simulación de la variante I utilizando el HYSYS. Tabla 3.3. Resultados de la simulación de la variante 1.

57


Nombre Agua entrada 1 Agua salida 1 Cond sat 1 Agua entrada 2 Agua salida 2

Fracción Vapor 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Temperatura (°C) 25.00 44.00 180.02 25.00 44.00

Presión (atm) 1.00 0.90 9.90 1.00 0.90

Flujo Mas (kg/h) 6985.90 6985.90 275.44 6985.90 6985.90

Flujo Volum (L/h) 7007.70 7053.52 310.66 7007.70 7053.52

Calor (kJ/h) -110522263.91 -09967536.49 -4176246.93 -110522263.91 -109967536.49

Nombre Vapor a E-101 Cond Agua mezcla Agua a caldera Agua tratada

Fracción Vapor 1.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Temperatura (°C) 180.46 180.02 83.87 84.00 27.00

Presión (atm) 10.00 9.90 1.00 10.00 1.00

Flujo Mas (kg/h) 275.44 550.88 700.00 700.00 70.00

Flujo Volum (L/h) 52862.01 621.31 722.45 722.20 70.26

Calor (kJ/h) -3621519.51 -8352493.85 -10902031.53 -10901153.10 -1106867.77

Nombre Cond a caldera Pérdidas de cond

Cond de otros usos

Cond a alta Presión Qperdagua

Fracción Vapor 0.00 0.00 0.00 0.00 <empty>

Temperatura (°C) 90.17 90.17 90.00 90.00 <empty>

Presión (atm) 1.00 1.00 10.00 9.90 <empty>

Flujo Mas (kg/h) 630.00 70.00 149.12 700.00 <empty>

Flujo Volum (L/h) 653.02 72.56 154.49 725.17 <empty>

Calor (kJ/h) -9795163.75 -1088351.53 -2318566.42 -10883515.28 357845.39

Nombre Cond sat 2 V Sat de cald

Otros usos Vapor a E-102 Qhorno



58





Calor (kJ/h) -4176246.93 -9203760.04 -1960721.03 -3621519.51 1697393.06

Nombre Cond R de IC Cond de IC Cond R OU Cond total Qperd






Calor (kJ/h) -8564948.87 -8564948.87 -2318566.42 -10883515.28 212455.02

Variante 2


intercambiadores de calor conectados en serie (el agua que sale del primer

intercambiador entra al segundo), un sistema de recuperación del condensado de los

intercambiadores y del vapor dispuesto para otros usos, una válvula reductora para

disminuir la presión de 10 a 1 atmósfera y alimentarla al tanque de condensado.

59


Tabla 3.4. Resultados de la simulación de la variante 2. Nombre Agua salida 1 Cond sat 1 Agua entrada 2 Agua salida 2 Cond sat 2

Fracción Vapor 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Temperatura (°C) 63.00 180.02 25.00 44.00 180.02

Presión (atm) 81.32 1003.25 101.32 91.32 1003.25

Flujo Mas (kg/h) 6985.90 275.68 6985.90 6985.90 275.44

Flujo Volum (L/h) 7.12 0.31 7.01 7.05 0.31

Calor (kJ/h) -109412314.88 -4179967.47 -110522263.91 -109967536.49 -4176246.93

Nombre Condensado Agua mezcla Agua a caldera Agua tratada Cond recirculado

Fracción Vapor 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Temperatura (°C) 180.02 83.87 84.00 27.00 90.00

Presión (atm) 1003.25 101.32 1013.25 101.32 1003.25

Flujo Mas (kg/h) 551.12 700.00 700.00 70.00 551.12

60


Flujo Volum (L/h) 0.62 0.72 0.72 0.07 0.57

Calor (kJ/h) -8356214.39 -10902031.53 -10901153.10 -1106867.77 -8568764.05

Nombre Perdid de cond

Cond de ROU 1.00 Qb Qhorno

Fracción Vapor 0.00 0.00 0.00 <empty> <empty>

Temperatura (°C) 90.17 90.00 90.00 <empty> <empty>

Presión (atm) 101.32 1013.25 1003.25 <empty> <empty>

Flujo Mas (kg/h) 70.00 148.88 700.00 <empty> <empty>

Flujo Volum (L/h) 0.07 0.15 0.73 <empty> <empty>

Calor (kJ/h) -1088351.53 -2314751.24 -10883515.28 878.43 1697393.06

Nombre V S de caldera Otros usos Vapor a E-102 Vapor a E-101 Qperd

Fracción Vapor 1 1 1 1 <empty>



Flujo Mas (kg/h) 700 148.8789658 275.4378258 275.6832084 <empty>


Calor (kJ/h) -9203760.042 -1957494.681 -3621519.507 -3624745.853 212549.6534

Nombre Cond de IC Cond de OU Cond total Cond caldera Qperdagua

Fracción Vapor 0 0 0 0 <empty>

Temperatura (°C) 90 90 90.16601282 90.16601282 <empty>


Flujo Mas (kg/h) 551.1210342 148.8789658 700 630 <empty>


Calor (kJ/h) -8568764.047 -2314751.238 -10883515.28 -9795163.756 357256.5566

Variante 3 En esta variante insertamos, un módulo que simula un generador de vapor, dos


61



reductora con un separador de componentes para simular un tanque flash con el

objetivo de disminuir la presión de 10 a 1 atmósfera y cuantificar la cantidad de vapor

que en la industria se pierde, pues este tanque esta a temperatura ambiente y al salir el

condensado a 10 atm parte del fluido se evapora. Este vapor recuperado puede ser

empleado en otros usos.

Tabla: 3.5 Resultados de la simulación de la variante 3. Nombre Agua entrada 1 Agua salida 1 Cond sat 1 Agua entrada 2 Agua salida 2

Fracción Vapor 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Temperatura (°C) 25.00 44.00 180.02 25.00 44.00

Presión (atm) 1.00 0.90 9.90 1.00 0.90

Flujo Mas (kg/h) 387.78 387.78 15.29 387.78 387.78

Flujo Volum (L/h) 6985.90 6985.90 275.44 6985.90 6985.90

Calor (kJ/h) 7000.00 7000.00 275.99 7000.00 7000.00

Nombre A E-101 Cond Agua mezcla Agua a caldera Agua tratada

Fracción Vapor 1.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Temperatura (°C) 180.46 180.02 86.55 86.68 27.00

Presión (atm) 10.00 9.90 1.00 10.00 1.00

62


Flujo Mas (kg/h) 15.29 30.58 38.86 38.86 7.19

Flujo Volum (L/h) 275.44 550.88 700.00 700.00 129.57

Calor (kJ/h) 275.99 551.99 701.41 701.41 129.83

Nombre Conde a caldera

Pérdidas-cond C1 Cond ap Cond bp

Fracción Vapor 0.00 0.00 0.00 0.00 0.09

Temperatura (°C) 100.00 100.00 150.00 150.00 100.00

Presión (atm) 1.00 1.00 10.00 9.90 1.00

Flujo Mas (kg/h) 31.66 3.52 8.28 38.86 38.86

Flujo Volum (L/h) 570.43 63.38 149.12 700.00 700.00

Calor (kJ/h) 571.58 63.51 149.43 701.41 701.41

Nombre Cond sat 2 V Sat-caldera Otros usos A E-102 vapor

Fracción Vapor 0 1 1 1 1

Temperatura (°C) 180.0242554 180.4573761 180.4573761 180.4573761 99.99866794

Presión (atm) 9.90130767 10 10 10 1

Flujo Mas (kg/h) 15.28927502 38.85629174 8.277741698 15.28927502 3.674272618

Flujo Volum (L/h) 275.4378258 700 149.1243484 275.4378258 66.1923904

Calor (kJ/h) 275.9936707 701.4126289 149.4252875 275.9936707 66.32596938

Nombre Cond recirculado Cond de IC cond de

OU líquido

Fracción Vapor 0 0 0 0

Temperatura (°C) 150 150 150 99.99866794

Presión (atm) 9.90130767 9.90130767 10 1

Flujo Mas (kg/h) 30.57855005 30.57855005 8.277741698 35.18201913

Flujo Volum (L/h) 550.8756516 550.8756516 149.1243484 633.8076096

Calor (kJ/h) 551.9873414 551.9873414 149.4252875 635.0866596

Variante 4




reductora para disminuir la presión de 10 a 1 atmósfera y alimentarla al tanque de

condensado y una turbina para recuperar la energía.

63


Tabla: 3.6 Resultados de la simulación de la variante 4. Nombre Agua entrada 1 Agua salida 1 Cond sat 1 Agua entrada 2 Agua salida 2

Fracción de Vapor 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Temperatura (°C) 25.00 44.00 97.12 25.00 44.00

Presión (kpa) 101.32 91.32 91.32 101.32 91.32

Flujo Masico (kg/h) 6985.90 6985.90 267.04 6985.90 6985.90

Flujo (m^3/h) 7.00 7.00 0.27 7.00 7.00

Calo (kj/h) -110522263.91 -109967536.49 -4144028.33 -110522263.91 -109967536.49

Nombre Cond R Cond de IC Cond de OU Cond total Cond a caldera


Temperatura (°C) 90.00 90.00 90.00 90.00 90.00

Presión (kpa) 91.32 91.32 101.32 91.32 91.32

Flujo Masico (kg/h) 534.07 534.07 165.93 700.00 630.00

Flujo (m^3/h) 0.54 0.54 0.17 0.70 0.63

Calo (kj/h) -8304053.42 -8304053.42 -2579954.78 -10884008.20 -9795607.38

Nombre Cond sat 2 V. Sat caldera Otros usos Vapor A E-102 Vapor A E-101


Temperatura (°C) 97.12 180.46 100.00 100.00 100.00

Presión (kpa) 91.32 1013.25 101.32 101.32 101.32

Flujo Masico (kg/h) 267.04 700.00 165.93 267.04 267.04

64


Flujo (m^3/h) 0.27 0.70 0.17 0.27 0.27

Calo (kj/h) -4144028.33 -9203760.04 -2230293.61 -3589300.91 -3589300.91

Nombre Perdi de cond Cond de OU R vapor 1 Qb Qhorno

Fracción de Vapor 0.00 0.00 0.91 <empty> <empty>

Temperatura (°C) 90.00 90.00 100.00 <empty> <empty>

Presión (kpa) 91.32 101.32 101.32 <empty> <empty>

Flujo Masico (kg/h) 70.00 165.93 700.00 <empty> <empty>

Flujo (m^3/h) 0.07 0.17 0.70 <empty> <empty>

Calo (kj/h) -1088400.82 -2579954.78 -9408895.43 887.98 1697827.78

Nombre Cond Agua mezcla Agua caldera Agua tratada Qperd

Fracción de Vapor 0.00 0.00 0.00 0.00 <empty>


Presión (kpa) 91.32 91.32 1013.25 91.32 <empty>

Flujo Masico (kg/h) 534.07 700.00 700.00 70.00 <empty>

Flujo (m^3/h) 0.54 0.70 0.70 0.07 <empty>

Calo (kj/h) -8288056.66 -10902475.80 -10901587.82 -1106868.42 15996.77

Nombre Q Perdagua Q Turbina

Fracción de Vapor <empty> <empty>

Temperatura (°C) <empty> <empty>

Presión (kpa) <empty> <empty>

Flujo Masico (kg/h) <empty> <empty>

Flujo (m^3/h) <empty> <empty>

Calo (kj/h) 349661.17 205135.39

Tabla 3.7. Resultados comparativos de las variantes propuestas.

V1 V2 Variables E-101 E-102 E-101 E-102 Unid

Vapor en IC 275,43 275,43 275,43 275,43 kg/h Vapor OU 149,12 149,12 kg/h T Agua Sal. IC 44,00 44,00 44,00 63,00 °C Q en IC 554727,4 554727,4 555221,6 554727,4 kJ/h UA en IC 3811,42 3811,66 4388,62 3811,66 kJ/°C-h MLDT 145,54 145,53 126,51 145,53 °C Ft 1,00 0,99 1,00 0,99 Masa de AR 70,00 70,00 kg/h

V3 V4 Variables E-101 E-102 E-101 E-102 Unid

Vapor en IC 275,43 275,43 267,03 267,03 kg/h Vapor OU 149,12 165,92 kg/h

65


T Agua Sal, IC 44,00 44,00 44,00 44,00 °C Q en IC 554727,4 554727,4 554727,4 554727,4 kJ/h UA en IC 3811,42 3811,66 8706,05 8725,77 kJ/°C-h MLDT 145,54 145,53 63,71 63,57 °C Ft 1,00 0,99 1,00 0,99 Masa de AR 129,57 70,00 kg/h 3.6. Análisis general de los resultados.

• El simulador HYSYS permite analizar el sistema de generación, distribución y usos

del vapor aplicados específicamente al laboratorio de operaciones unitarias con fines

docentes e investigativos.

• Se han analizado a modo de ejemplo 4 variantes tecnológicas y operacionales, las

dos primeras pueden considerarse clásicas en las operaciones prácticas de la

asignatura, solo se diferencia en los arreglos de los dos calentadores que se

conectan en paralelo o en serie en función de los objetivos.

• Las variantes 3 y 4, presuponen introducir en el sistema nuevos equipos, en el caso

especifico de la variante 3, se añade un modulo para simular la separación del vapor

del agua condensada a la salida de los intercambiadores. Este vapor se cuantifica y

puede ser empleado en otras utilidades, esta simple medida recupera el vapor que de

otra forma iría a la atmósfera, se reutiliza con el respectivo beneficio económico y el

agua condensada se recircula al generador.

• En la variante 4 se inserta una turbina de vapor, su objetivo es utilizar la energía del

vapor en su expansión desde 10 hasta 1 atm, este procedimiento permite, por

ejemplo, la generación de energía eléctrica, de esta forma el proceso es más eficiente

y permite su evaluación de una forma más integral, favoreciendo esto los objetivos

docentes.

• Anexo a cada variante se reportan las tablas con los principales resultados obtenidos

a partir del simulador HYSYS, esto es de gran interés para seleccionar los valores

adecuados para realizar con posterioridad las corridas experimentales. A modo de

ilustración se reportan en la tabla 3.7 los resultados comparativos de las variantes

analizadas.

66


Conclusiones Parciales.

• Basándonos en la documentación y los tutoriales del software Hysysv3.2, se

propone una metodología para realizar la simulación del sistema de generación

y distribución de vapor en el laboratorio de operaciones unitarias, siendo

posible adaptarla a otras situaciones similares.

• Es posible la realización de prácticas de laboratorio vinculadas con la

transferencia de calor utilizando variantes , por ejemplo:

- Intercambiadores de calor conectados en paralelos.

- Intercambiadores de calor conectados en serie.

- Intercambiadores de calor conectados en paralelos y recirculación de los

condensados a un tanque flash.

- Intercambiadores de calor conectados en paralelos e introducción de una

turbina de vapor en el sistema para generar trabajo.

• Se obtienen los resultados de los balances de energía de cada alternativa

propuesta con el uso del Hysys. De las variantes analizadas consideramos que

la más integradora es la 4 ya que vincula conocimientos impartidos en varias

asignaturas, fundamentalmente Operaciones Unitarias y PIQ.

67

Conclusiones

Conclusiones

1. Del diagnóstico podemos concluir que el laboratorio no se encuentra en

óptimas condiciones de operación, lo cual puede mejorarse con un mínimo

de recursos materiales y humanos para la realización de actividades

docentes e investigativas de vital importancia para el desarrollo del ingeniero

químico.

2. De las alternativas propuestas, la que consideramos más factible es la 4, que

incluye un 10% del costo del generador de vapor, para su reparación, un

50% del costo de las tuberías y un 10% para el mantenimiento de los

intercambiadores de calor, con un costo total de inversión de $15 777,70.

3. Es factible y necesario la implementación de las prácticas de transferencia de

calor en el simulador HYSYS para buscar las mejores condiciones

operacionales en el trabajo experimental a nivel de laboratorio.

4. Mediante el simulador HYSYS es posible la implementación y análisis de

variantes tecnológicas que incluyen nuevos equipos, lo que posibilita un

análisis más integral al vincular diferentes disciplinas del curriculum de

estudio de la carrera de ingeniería química.

68

Recomendaciones

Recomendaciones

1. Realizar el diagnóstico técnico de la caldera por una entidad certificada

(ALASTOR).

2. Efectuar las inversiones, remodelaciones y mantenimientos propuestos en

este trabajo.

3. Incluir la realización de prácticas de caldera en el laboratorio de Operaciones

Unitarias, objetivo de la asignatura de PIQ-II.

4. Realizar trabajos posteriores en los cuales se profundice en los aspectos de

integración de todas las actividades docentes e investigativas a realizar en el

laboratorio de Operaciones Unitarias.

69

Bibliografía

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72

Anexo: I Clasificación en base a la construcción.

Anexo: II Diagrama del proceso general de generación de Vapor.

Anexo: III Impurezas mas comunes en el agua.

Anexo: IV Efectos de un tratamiento inadecuado del agua de la caldera.

Anexo: V Limites de composición del agua para calderas a varias presiones de trabajo.

Anexo: VI Límites de contenido de elemento del agua para calderas a varias presiones de trabajo.

Anexo: VII

Fig. a1.Ejemplo de corriente creada en Hysys

Anexo: VIII

Fig. a2. Módulo para el tanque de condensado. Entrada y salidas de corrientes.

Fig. a3. Módulo para el tanque de condensado. Resultado de los balances de masa y energía.

Anexo: IX

Fig. a4.

Fig. a5.

Fig. a6.

Anexo: X

Fig. a7. Generador de vapor usando el módulo de calentamiento. Entrada de las corrientes.

Fig. a8.

Anexo: XI

Fig. a9.

Fig. a10

Anexo: XII

Fig. a11

Fig. a12

Anexo: XIII

Fig. a13

Fig. a14

Anexo: XIV

Fig. a15 Anexo: XV

Fig. a16

Anexo: XVI

Anexo: XVII

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