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PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
TORRES DE FRACCIONAMIENTO
PDVSA N°
TITULO
MDP–04–CF–13
0
NOV.97
REV.
FECHA
APROB.
E1994
TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONTACTO
DIRECTO
APROBADA
32
DESCRIPCION
FECHA NOV.97
Y.G.
PAG. REV.
APROB.
L.R.
APROB. APROB.
FECHA NOV.97
ESPECIALISTAS
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA
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PDVSA MDP–04–CF–13
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Indice
1 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
3 ANTECEDENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4 DEFINICIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
5 TIPO DE EQUIPOS Y APLICACIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
6 CONSIDERACIONES BÁSICAS DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
7 DIVISION DE UNA TORRE EN SECCIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
8 PROCEDIMIENTOS DE CALCULO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
9 PROBLEMA TIPO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
10 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
11 PROGRAMAS DE COMPUTACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
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ALCANCE
El alcance del presente documento cubre el diseño de proceso de las secciones
de transferencia de calor por contacto directo, para servicios con recirculación,
usando platos, placas deflectoras, rejillas Glitsch o relleno. Las características
hidrodinámicas de estos dispositivos son discutidos en los siguientes documentos:
PDVSA–MDP–04–CF–09
PDVSA–MDP–04–CF–10
PDVSA–MDP–04–CF–11
PDVSA–MDP–04–CF–12
PDVSA–MDP–04–CF–07
PDVSA–MDP–04–CF–05
Platos Perforados
Platos Tipo Casquetes de Burbujeo
Platos Tipo Surtidor
Platos Tipo Válvulas
Torres Empacadas
Placas deflectoras (Campanas) y Rejillas
Glitsch
En la sección 8 de este documento se presenta el procedimiento de cálculo,
general y por dispositivo usado, de las secciones de transferencia de calor. En la
sección 9 se ejemplariza este procedimiento con el cálculo típico para una sección
de reflujo del tope de una fraccionadora de craqueo catalítico.
2
REFERENCIAS
En la elaboración de este documento, las siguientes publicaciones han sido
consultadas.
MANUAL DE DISEÑO PDVSA
1. MDP–04–CF–05 Selección de dispositivos de contacto.
2. MDP–04–CF–06 Selección del Tipo de Plato.
3. MDP–04–CF–07 Torres de Destilación Empacadas.
4. MDP–04–CF–09 Platos Perforados.
5. MDP–04–CF–10 Platos Tipo Casquete de Burbujeo.
6. MDP–04–CF–11 Platos Tipo Surtidor.
7. MDP–04–CF–12 Platos Tipo Válvulas.
Otras Literaturas
1. PROII Keyword Input Manual. Version 4.1. 1996, by Simulation Sciences
Inc.
2. Maxwell J. B. “Data Book on Hydrocarbons”. Robert E. Krieger
Publishing Company.
3. Watkins R. N. ’’Petroleum Refinery Distillation’’. Second. Edition. Gulf
Publishing Co.ISBN 0–87201–672–2.
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ANTECEDENTES
En las unidades de craqueo catalítico, las columnas de destilación y
fraccionamiento requieren del uso de recirculaciones para lograr una mejor
distribución de cargas calóricas en la columna, comparado con el caso en que todo
el enfriamiento fuese asignado al condensador del tope. Para lograr una
recuperación más eficaz del calor en dichas columnas, normalmente se instalan
una o más secciones de transferencia de calor o “recirculación”. El calor es
removido de la torre por transferencia de calor directa entre el vapor caliente en
ascenso y el líquido descendiendo, el cual es enfriado externamente y regresa
“recirculado”.
Como se menciono previamente, este documento solo trata el diseño de equipos
para servicios con recirculaciones. Para otro tipo de aplicaciones de transferencia
de calor por contacto directo (tales como recipientes de despresurización de
condensado, condensadores barométricos, torres de secado y torres de
enfriamiento con agua), el diseñador deberá consultar a los documentos
PDVSA–MDP adecuado a la aplicación en referencia.
4
DEFINICIONES
Para definiciones referente a los dispositivos usados (platos, rellenos, rejillas, etc.)
consultar los documentos PDVSA–MDP–04–CF–02 y PDVSA–MDP–04–CF–06.
Para definiciones sobre transferencia de calor, ver la sección 6, Consideraciones
Básicas de Diseño, en este documento.
Para definiciones de los elementos de cálculos, ver la sección 10, Nomenclatura,
en este documento.
5
TIPO DE EQUIPOS Y APLICACIONES
Para servicios de fraccionamiento, limpios (donde no hay ensuciamiento) y la
caída de presión no es crítica, la transferencia de calor puede lograrse con platos,
rejillas Glitsch o relleno. Pero en los casos donde caída de presión es crítica (por
ejemplo, destiladoras al vacío), debe usarse rellenos (por ejemplo anillos Pall),
seleccionados de acuerdo a las características corrosivas del fluido involucrado.
Para mayores detalles sobre selección del tipo de relleno ver documento
PDVSA–MDP–04–CF–07.
Para servicios de fraccionamiento, sucio (donde hay ensuciamiento) debe usarse
secciones de placas deflectoras (campanas o discos–orificios). Entendiéndose
por servicio sucio:
S Operaciones de lavado y remoción, donde los fluidos involucrados arrastran
sólidos tales como carbón, catalizador o sucio.
S Operaciones donde la formación de polímeros tiende a obstruir los internos de
la columna.
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Platos
Dado que los factores que afectan la transferencia de calor por contacto directo
entre vapor y líquido son similares a aquellos que afectan el fraccionamiento, los
platos de fraccionamiento son por lo tanto adecuados para el servicio de
transferencia de calor en secciones de recirculación donde no hay ensuciamiento.
En efecto, es regularmente conveniente utilizar el mismo diámetro de torre para
la sección de recirculación como para la sección de fraccionamiento
inmediatamente superior o inferior. Mientras los platos tipo surtidor, son
frecuentemente utilizados en servicios de recirculación para hidrocarburos
pesados, la selección del tipo de plato apropiado también depende de otras
consideraciones, tales como capacidad nominal y mínima, hidráulica y
mantenimiento.
Para detalles sobre diseño de proceso, hidráulica y mantenimiento de plato, ver
documentos
PDVSA–MDP–04–CF–06,
PDVSA–MDP–04–CF–09,
PDVSA–MDP–04–CF–10, PDVSA–MDP–04–CF–11 y PDVSA–MDP–04–CF–12
.
Placas Deflectoras, Campanas
Las Secciones de placas deflectoras son por lo general utilizadas únicamente para
servicios sucios o con carbón (coque). Una aplicación importante es la sección de
transferencia de calor en el fondo de la fraccionadora de una unidad de craqueo
catalítico. En este caso, el fondo de la torre es enfriado y recirculado sobre los
deflectores para desobrecalentar los vapores del reactor y remover el catalizador
arrastrado.
Para detalles sobre diseño de proceso, hidráulica y mantenimiento de las placas,
ver documento PDVSA–MDP–04–CF–05.
Rejilla Glitsch
Las ventajas de la rejilla Glitsch son:
S Poca caída de presión a altas capacidades.
S Buena eficiencia en la remoción de partículas.
S Baja susceptibilidad al ensuciamiento y coquificación, debido a un corto tiempo
de residencia del líquido
Dadas estas ventajas, las rejillas Glitsch deben ser consideradas para servicios
de lavado y remoción donde se presentan las siguientes situaciones:
a.
Caídas de presión críticas, requiriéndose que las mismas sean muy bajas.
Debido a que la ∆P por etapa teórica para rejillas es menor que para relleno,
se recomienda el uso de las rejillas.
b.
Problemas de arrastre serios, los cuales deben ser minimizados.
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c.
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Problemas de coquificación o ensuciamiento debido a un tiempo de
residencia del líquido muy alto.
Estos dispositivos, normalmente, se usan en las secciones de lavado de torres
atmosféricas y al vacío y en fraccionadoras de craqueo catalítico.
Las desventajas de las rejillas Glitsch son:
a.
Eficiencia de fraccionamiento baja.
b.
Transferencia de calor pobre a un alto costo.
Estudios recientes han demostrado que los anillos Pall son más económicos que
las rejillas Glitsch. Sin embargo, estos dispositivos han sido utilizados en
recirculaciones de torres al vacío.
Para detalles sobre diseño de proceso, hidráulica y mantenimiento de las rejillas,
ver documento PDVSA–MDP–04–CF–05.
Relleno
El uso de rellenos es económicamente atractivo en servicios donde no hay
ensuciamiento y donde se requiera, tanto una baja caída de presión como una
buena transferencia de calor o eficiencia de fraccionamiento. Por éstas razones,
los rellenos para torres son ampliamente aplicables a torres de vacío donde una
baja caída de presión y una buena eficiencia son deseables. Su aplicación más
común es en secciones de recirculación de torres de vacío. Aunque la caída de
presión por metro (pie) de lecho es generalmente mayor para rellenos que para
rejillas Glitsch, secciones con menor altura de relleno pueden diseñarse con
anillos Pall, debido a su mayor eficiencia. Por lo tanto, los lechos de relleno tienen
por lo regular una menor caída de presión total, con una menor inversión y
menores costos de operación que un lecho de rejillas Glitsch.
Para modificaciones de las secciones de reflujo circulante limitadas por capacidad
(torres atmosféricas y al vacío, fraccionadoras de craqueo catalítico), un relleno
puede ser un reemplazo económico para los platos, cuando se requieran mayores
flujos de vapor y líquido sin pérdida de la eficiencia de transferencia de calor. Por
supuesto, este incremento de capacidad puede lograrse mediante modificación en
la separación entre platos existentes, pero a costa de un incremento en el tiempo
de parada de la planta. Bajo estas condiciones, el uso de relleno puede ser
especialmente atractivo por su relativa facilidad de instalación.
6
CONSIDERACIONES BÁSICAS DE DISEÑO
Información Básica Requerida
El método de cálculo para diseñar secciones de transferencia de calor por
contacto directo está basado en el enfoque de “unidad de transferencia”. Este
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método es análogo al enfoque de “unidad de transferencia de masa” para la
eficiencia de fraccionamiento.
El número de platos (para platos o placas deflectoras) o altura de relleno
(incluyendo rejillas Glitsch) puede ser determinado en base al requerimiento de
calor, cargas a la columna, fuerzas motoras por temperatura y área de la columna.
El diseñador debe disponer de información sobre los balances de masa y energía
alrededor de las secciones de transferencia de calor y un diseño completo de la
torre (platos o relleno). Para obtener los balances de masa y energía, pueden
incluirse las secciones de transferencia de calor en programas de computación
para el cálculo plato a plato de torres de destilación (simuladores comerciales
como PROII de la empresa Simulation Sciences Inc. and Hysim de la empresa
Hyprotech).
Definiciones de Capacidades de Transferencia de Calor
Capacidad del Intercambiador (Qo): La capacidad del intercambiador, Qo, es la
cantidad de calor que es removida en el circuito de recirculación (pumparound)
externo de una sección de transferencia de calor en una columna. En este
intercambio se reduce la temperatura del líquido recirculante desde la temperatura
de retiro, to hasta la temperatura de retorno tPA (ver Figura A). En un diseño normal,
Qo y to son regularmente determinados por los balances de masa y energía, y el
diseñador debe seleccionar valores apropiados para tPA y para el flujo de
recirculación LPA. Los métodos para seleccionar estas valores son explicados en
los párrafos siguientes. Estas variables están relacionadas por la siguiente
ecuación:
Q o + L PA CPL ǒt o – t PAǓ
Ec. (1)
donde:
Qo
LPA
CPL
=
=
=
to
=
tPA
=
Capacidad de intercambiador
Flujo de recirculación de líquido
Calor específico del líquido a una
temperatura promedio
Temperatura de retiro de la recirculación
del líquido
Temperatura de retorno de la
recirculación del líquido
En unidades
métricas
kW
kg/s
kJ/kg °C
En unidades
inglesas
BTU/h
lb/h
BTU/lb °F
°C
°F
°C
°F
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Fig. A CORRIENTES DE RECIRCULACION Y TEMPERATURAS
Transferencia de Calor Requerida – En general, la cantidad total de calor
transferido dentro de la sección de transferencia de calor no es igual a la capacidad
del intercambiador. La diferencia entre los requerimientos de transferencia de
calor interna y externa puede visualizarse en sistemas que incluyan condensación
total del vapor, si se reconoce que el reflujo entrando en la sección, RI, suministra
algún enfriamiento adicional al de la recirculación de líquido. De igual manera, en
sistemas con vaporización total, el calor latente requerido para vaporizar el líquido
suministra un enfriamiento adicional de la recirculación.
Para sistemas con condensación total del vapor, el número total de unidades de
transferencia de calor requerido, NGH, puede ser calculado con la siguiente
ecuación:
ǒ Ǔ
GI
N GH + DT ) ln
DT lm
Go
Ec. (2)
donde:
NGH
=
DT
=
DTlm
=
Número total de unidades de transferencia
de calor requerido
Diferencia de temperatura de la fase
gaseosa, TI – To
Diferencia media logarítmica de
temperatura (DTML)
En
unidades
métricas
En
unidades
inglesas
°C
°F
°C
°F
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GI
=
Go
=
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Flujo de vapor entrando en la sección de
transferencia de calor
Flujo de vapor saliendo en la sección de
transferencia de calor
Indice norma
kg/s
lb/h
kg/s
lb/h
Para sistemas con vaporización total de líquido (tales como zonas de lavado en
destiladoras y las secciones de desobrecalentamiento en fraccionadoras de
craqueo catalítico) el número total de unidades de transferencia de calor requerido
está dado por la Ecuación 3.
N GH + DT
DT lm
Ec. (3)
Dimensionamiento de Secciones de Transferencia de Calor
El número requerido de platos o placas deflectoras y la altura de relleno requerida
son calculados a partir de las siguientes ecuaciones:
Para platos y placas deflectoras:
NA +
N GH km
NGH
Ec. (4)
donde:
NA
NGH
km
NGH
=
=
=
=
Número de platos reales
Número total de unidades de transferencia de calor
Factor de corrección para multicomponentes
Número de unidades de transferencia de calor por plato
Para rellenos (incluyendo rejillas Glitsch):
ƪ
Z + H GHP k m NGH –
ƫ
ZS
ZB
–
H GHS HGHB
Ec. (5)
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donde:
Z
HGH
=
=
ZS
=
ZB
=
En
unidades
métricas
m
m
En
unidades
inglesas
pie
pie
m
pie
m
pie
Altura de relleno requerida
Altura de una unidad de transferencia de
calor en fase gaseosa
sub–indice
P
para relleno
S
para rociadores
B
para espacio del plato de acumulación
Distancia vertical entre el tope del lecho y
la boquilla del rociador
Distancia vertical entre el fondo del lecho y
el plato de acumulación
Para secciones empacadas de transferencia de calor por recirculación, la
transferencia de calor asociada con la distribución de rociadores y el área abierta
debajo del lecho está incluida en el cálculo de la altura del relleno. Esta suposición
puede reducir la altura requerida del relleno hasta en un 10–20%.
Los métodos para el cálculo de NGH para platos o placas deflectoras y HGH para
los diferentes dispositivos en contracorriente son presentados en los
Procedimientos de Cálculo.
Determinación de la Temperatura de Retiro en Recirculaciones
La temperatura de retiro de la recirculación de líquido, to, es igual al punto de
burbuja ó ebullición del líquido retirado de la sección de recirculación. Esta
temperatura está determinada por:
a.
El flujo y rango de ebullición del producto (si lo hay alguno) inmediatamente
debajo de la recirculación.
b.
El grado de fraccionamiento en la torre debajo de la recirculación.
c.
El grado de fraccionamiento en la recirculación.
Las temperaturas de retiro de líquidos se pueden predecir en forma precisa
mediante programas de computación plato a plato, utilizados para el diseño
definitivo de todas las torres de fraccionamiento.
Las temperaturas de retiro para torres de separación de hidrocarburos pesados,
tales como destiladoras atmosféricas y al vacío, y fraccionadoras de craqueo
catalítico, deberían obtenerse por simulación con ASPECT. Si no se dispone de
este simulador, se pueden usar los simuladores comerciales, tales como PROII
de la empresa Simulation Sciences Inc. ó Hysim de la empresa Hyprotech); con
los cuales se obtendría un valor aceptable. Asimismo, para torres de separación
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de hidrocarburos livianos (light ends) que tengan recirculación, las temperaturas
de retiro pueden obtenerse simulando con los simuladores comerciales
previamente mencionados. Para una orientación sobre la simulación apropiada de
una recirculación utilizando estos programas, el lector deberá referirse al manual
del usuario de dichos simuladores.
Optimización de las Secciones de Transferencia de Calor
El número óptimo de platos de transferencia de calor (o altura de relleno) está
basado en un estudio económico que involucra el diámetro y altura de la torre,
superficie externa de transferencia de calor, y el costo de la bomba y de la energía.
Las variables involucradas en un estudio de optimización son la temperatura de
retorno, tPA, y el flujo de recirculación LPA.
Un incremento del flujo de recirculación, LPA, se traduce en un incremento de la
fuerza motora de la temperatura en el intercambiador y por lo tanto, reduce los
costos de intercambio de calor. Sin embargo, al aumentar, LPA, también aumenta
la temperatura de retorno, tPA; y en consecuencia, se reduce la fuerza motora de
la temperatura en la torre, lo cual puede resultar en un aumento de la cantidad
requerida de platos o volumen de relleno. Además, al aumentar LPA, aumentan los
costos de bombeo y pueden surgir problemas de hidráulica.
Limitaciones de las Correlaciones de Transferencia de Calor
A continuación se presenta la lista de los rangos de aplicación recomendados para
las correlaciones de transferencia de calor. Estos rangos fueron establecidos en
base a los rangos de los datos de transferencia de calor disponibles para
desarrollar las correlaciones. Debe tomarse en cuenta que estos datos fueron
obtenidos bajo condiciones hidráulicas favorables. Por lo tanto, cualquier
limitación hidráulica conflictiva predomina sobre los rangos especificados a
continuación:
Relleno o Rejillas Glitsch
Relación de Flujo Líquido, QL/As
Relación de Flujo en Fase de Vapor
1.4 a 34 dm3/s.m2 (2 a 50 GPM/pie2)
CS = 0.015 m/s (0.05 pie/s) a 90% de inundación
Platos Perforados, Válvula, Burbujeo y Tipo Surtidor
Relación de Flujo Líquido, QL/Nplo
1.24 a 63 dm3/s.m (0.5 a 25 GPM/pulg)
Plato Deflector (Campanas)
Relación de Flujo Líquido, QL/As
Relación de Flujo en Fase de Vapor
1.3 a 35 dm3/s.m2 (2 a 50 GPM/pie2)
CS = 0.015 m/s (0.05 pie/s) a 90% de
inundación Área Horizontal Libre 30 a 60% de As
Rociadores, Espacio Debajo del Relleno
Relación de Flujo Líquido, QL/As
Relación de flujo en Fase de Vapor
1.3 a 35 dm3/s.m2 (2 a 50 GPM/pie2)
CS = 0.015 a 0.09 m/s (0.05 a 0.3 pie/s)
Además de los rangos anteriores también deben observarse las siguientes
limitaciones.
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1.
Las correlaciones no deben aplicarse a la condensación o evaporación de
componentes puros o casi puros (por ejemplo enfriar o condensar vapor vivo
con agua). Tales aplicaciones no suelen estar limitadas por la transferencia
de calor de la fase gaseosa.
2.
A bajas cargas de vapor (menor de 0.1 kg/s.m2 (100 lb/h.pie2), el coeficiente
de transferencia de calor converge a un valor constante finito y no cero como
se predice. Así que el calor transferido en equipos tales como placas
deflectoras y relleno puede subestimarse considera– blemente cuando
ocurre una condensación total del vapor.
3.
Para todos los tipos de platos en contracorriente, debe revisarse que el
número estimado de platos no sea menor que 1.2 veces el número teórico.
El valor estimado puede ser a veces muy bajo debido al uso de la fuerza
motora del DTM; ya que el DTML es calculado en base a una condición de
contracorriente verdadera, mientras que en la realidad este tipo de platos
opera bajo un modo de flujo cruzado en cascada. El número mínimo de
platos teóricos se calcula por la siguiente ecuación:
ǒTT **tt Ǔ
T *T
ln ǒ t * t Ǔ
ln
N A(min) +
I
o
o
I
I
o
o
I
Ec. (6)
Selección de Materiales
Los materiales de construcción para las partes internas de una torre deben ser
apropiados para cada servicio de fraccionamiento. Algunas consideraciones que
afectan la selección de materiales son:
S
S
S
S
Costos.
Resistencia a la corrosión requerida.
Rango de temperaturas de operación.
Resistencia mecánica.
El diseñador deberá consultar a la sección de Ingeniería de Materiales de PDVSA
para la selección final.
Para aplicaciones de recirculación en sistemas de hidrocarburos pesados, los
anillos Pall de aluminio se han desempeñado satisfactoriamente en diversas
secciones de recirculación de destiladoras al vacío recientemente diseñadas. Sin
embargo, para nuevos diseños, consideraciones de corrosión y temperatura
deben aún ser revisadas por la Sección de Ingeniería de Materiales.
En general, el uso de relleno de cerámica debe evitarse, o solamente usarse en
aquellos casos donde sea la última alternativa. La experiencia con unidades
comerciales ha demostrado que este tipo de relleno es altamente susceptible a
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rotura por desgaste, especialmente durante arranques, cuando normalmente
ocurren oleadas en el flujo de vapor.
Para información adicional concerniente a los tipos de relleno, consultar el
documento PDVSA–MDP–04–CF–07.
7
DIVISION DE UNA TORRE EN SECCIONES
En algunas aplicaciones de transferencia de calor por contacto directo es
necesario dividir la torre en dos o más secciones para efectos de los cálculos,
dependiendo de la cantidad relativa de transferencia de calor latente y sensible en
cada sección. Cálculos separados de transferencia de calor son entonces
realizados para cada sección. Situaciones típicas que requieren la división de una
torre en secciones son:
S El enfriamiento de vapores sobrecalentados por debajo de su punto de rocío.
S El enfriamiento de vapores que contengan hidrocarburos y vapor de agua por
debajo de su punto de rocío.
Un ejemplo de este último es un condensador de contacto directo para una
fraccionadora de una unidad de craqueo con vapor de agua. Las secciones de
recirculación de destiladoras y fraccionadoras primarias regularmente no
requieren ser divididas.
Propósito
La razón para la división de una torre en secciones es obtener valores realísticos
de las fuerzas motoras de temperatura (∆Tm) para la transferencia de calor. En
general, los diferentes valores de (∆Tm) son obtenidos para cada sección de la
torre.
Cómo Dividir una Torre en Secciones
Considere los vapores como si ellos fuesen enfriados en una torre de transferencia
de calor. Los puntos de corte lógicos ocurren al conseguirse el punto de rocío del
agua o del hidrocarburo, o cuando se agotan los condensables de la fase de vapor.
La mejor manera de determinar los puntos de división es construyendo una curva
de condensación de vapores, en la cual los puntos de división aparecen como
cambios bruscos en la pendiente de la curva. Los datos para la construcción de
este diagrama pueden ser generados de una serie sucesiva de cálculos de
vaporización de los vapores pasando a través de la torre de transferencia de calor.
La Figura B muestra una curva de condensación de vapores con cinco regiones
generales. Cada una tiene características de transferencia de calor diferentes,
como se muestra en la figura. En la práctica, la mayoría de las torres que requieren
división en secciones exhiben sólo dos o tres de estas secciones. Por ejemplo, un
condensador por contacto directo conteniendo vapor de agua mezclado con
vapores de hidrocarburos tendría las secciones II, III y IV.
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Fig B. METODO DE DIVISIÓN DE UNA TORRE EN SECCIONES PARA CÁLCULOS DE
TRANSFERENCIA DE CALOR.
El siguiente procedimiento puede ser usado como una guía para el diseño de
torres con servicio de transferencia de calor y que requieran su división en
secciones:
1.
Genere un diagrama de condensación de vapores realizando una serie
secuencial de cálculos de vaporización para los vapores de entrada. Los
simuladores comerciales previamente mencionados (PROII y HYSIM),
puede ser utilizado para estos cálculos. Divida la torre en secciones de
acuerdo a los puntos de corte en este diagrama.
2.
Seleccione un valor de To basado en la aproximación deseada a TI.
3.
Asuma TPA y calcule LPA requerido para remover Qo.
4.
Obtenga los flujos y las temperaturas del líquido para cada punto divisor de
secciones a partir de balances de masa y energía. Cuando la sección más
baja consiste en el enfriamiento de vapores sobrecalentados, asuma una
temperatura constante de líquido y que el enfriamiento está suministrado
únicamente por la evaporación del líquido.
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Calcule el número requerido de platos o la altura del lecho para cada sección,
utilizando los métodos mencionados previamente.
PROCEDIMIENTOS DE CALCULO
El procedimiento de cálculo para dimensionar secciones de transferencia de calor
ha sido dividido en dos secciones. La primera sección contiene cálculos comunes
a todos los tipos de equipos de contacto. La segunda sección está dividida en tres
subsecciones para diseñar secciones de transferencia de calor usando platos,
placas deflectoras o relleno. El diseñador debería realizar los cálculos
preliminares en la primera sección y entonces dependiendo del dispositivo de
contacto a ser utilizado, seleccionar el método apropiado para la segunda sección.
Cálculos Preliminares
1.
Determine las condiciones operacionales a partir de los balances de masa
y energía (simuladores PROII o HYSIM). Los valores requeridos son Go,
To, RI, tR, GI, TI, Ro y Qo. Además, determine las propiedades físicas
requeridas (gravedad específica de la recirculación, punto de ebullición
promedio de la recirculación y factor de caracterización de la recirculación)
y especificaciones de la torre (diámetro, área transversal).
2.
Obtenga la temperatura de retiro del liquido recirculante, to, usando los
simuladores PROII ó HYSIM.
3.
Asuma una temperatura de retorno de la recirculación, tPA, y calcule el flujo
de recirculación de liquido, LPA, requerido para remover Qo. (Estos valores
dependen principalmente del diseño del intercambiador. Normalmente, tPA
debería exceder la temperatura de condensación del agua en el plato
superior de la recirculación en 30°C (50°F). Además, refiérase a
“Optimización de las Secciones de Transferencia de Calor” bajo
Consideraciones Básicas del Diseño).
L PA +
4.
Qo
C PL ǒto – t PAǓ
Ec. (1)
Calcule tI mediante un balance de entalpía usando Ec. 7 o la versión
simplificada Ec. (8). La Ec. (7) puede requerir un cálculo de tanteo y error, ya
que un valor estimado de tI debe ser usado para obtener los calores
específicos. A menudo (CPL)R es aproximadamente igual a (CPL)PA y RI es
mucho menor que L PA. Bajo estas condiciones, el usar Ec. (8) resulta en un
error despreciable.
tI +
R I ǒCPLǓR t R ) LPA ǒC PLǓPA t PA
RI ǒC PLǓR t R ) LPA ǒC PLǓPA
Ec. (7)
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o
tI +
R I tR ) L PA t PA
R I ) L PA
Ec. (8)
donde:
En unidades
métricas
(CPL)R
=
Calor específico del reflujo interno
entrando, RI, de la recircirculación de
líquido a la temperatura promedio
tI ) tR
2
ǒ
(CPL)PA =
Calor específico del reflujo circulante
regresando LPA a la temperatura
promedio
t ) t
ǒ
5.
I
Ǔ
PA
2
kJ
kg °C
BTU
lb °F
kJ
kg °C
BTU
lb °F
Calcule ∆Tlm mediante la siguiente ecuación o de la Figura 4.
DT lm +
ǒT o – tIǓ – ǒT I – t oǓ
ln
6.
Ǔ
En unidades
inglesas
ǒ
Ǔ
Ec. (9)
T O – tI
T I – tO
Calcule el número total de unidades de transferencia de calor de la fase
gaseosa requeridas, usando la Ecuación (2) o la Ecuación (3).
Para condensación neta:
ǒ Ǔ
GI
N GH + DT ) ln
DT lm
GO
Ec. (2)
Para vaporización neta:
N GH + DT
DT lm
7.
Ec. (3)
Calcule el factor de corrección para multicomponentes usando la Figura
5. y lH
lH +
ǒ
Ǔ
t O – tI
T I – TO
Ec. (10)
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km de la Figura 5.
8.
Calcule el flujo volumétrico promedio de líquido, QL.
L I + L PA ) R I
Ec. (11)
L O + L PA ) P O ) R O
Ec. (12)
t AV +
tI ) tO
2
Ec. (13)
ρL a tAV (Maxwell, “Data Book on Hydrocarbons”)
L AV +
QL +
LI ) LO
òL
F 12 LAV
òL
Ec. (14)
Ec. (15)
Dispositivos–Cálculos Específicos
Platos
El siguiente procedimiento debe ser usado para dimensionar secciones de
transferencia de calor que contengan platos perforados, tipo válvula, casquete de
burbujeo ó tipo surtidor.
1.
Determine la longitud del vertedero de salida, o, y el número de pasos por
plato, Np.
2.
Calcule el número de unidades de transferencia de calor por etapa, NGH,
utilizando Ec. (16) o la Figura 1.
N GH + F 13
3.
ǒ Ǔ
QL
Np l o
0,21
Ec. (16)
Calcule el número de platos requeridos. (Para cálculos de diseño, multiplique
el número de unidades de transferencia por etapa por 0.85).
NA +
N GH km
NGH
Aproxime hasta el siguiente número entero.
Ec. (4)
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4.
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Indice norma
Verifique el mínimo número de platos teóricos.
ǒTT **tt Ǔ
T *T
ln ǒ t * t Ǔ
ln
N A(min) +
I
o
o
I
I
o
o
I
Ec. (6)
NA debe ser por lo menos 1.2 x NA(min).
Platos Deflectores, Campanas
1.
Determine el área transversal de la torre, As, y la separación vertical de las
campanas, hs.
2.
Determine la velocidad promedio de los vapores en la sección de
transferencia de calor, VS.
Vs +
V s(tope) ) V s(fondo)
Ec. (17)
2
donde:
GI
F 14 òv A s
V s(tope) +
V s(fondo) +
GO
F 14 òv A s
ρV= puede ser determinada usando la ley de los gases ideales a condiciones
del tope y fondo de la sección.
3.
Determine el número de unidades de transferencia por etapa, NGH.
N GH + F 15
4.
ǒ Ǔ
QL
AS
0,5
ǒVSǓ
0,3
ǒh SǓ
0,5
Ec. (18)
Calcule el número de etapas requeridas. (Para cálculos de diseño,
multiplique NGH por 0.85)
NA +
N GH km
NGH
Aproxime hasta el siguiente número entero.
Ec. (4)
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Relleno
El siguiente procedimiento debe utilizarse para dimensionar secciones de
transferencia de calor rellenas (incluyendo rejillas Glitsch).
1.
Determine la siguiente información adicional del proceso: densidad del vapor
saliendo de la recirculación, rvo; densidad del líquido a la entrada y salida de
la recirculación, rLo y rLI,. También determine la separación entre la boquilla
del rociador y el tope del lecho, Zs, y entre el fondo del lecho y el plato de
acumulación, ZB.
2.
Determine el flujo volumétrico del líquido para las secciones de rociadores,
relleno y fondo.
3.
Q LI +
F 12 LI
òLI
QL +
F 12 LAV
ò LA
Q Lo +
F 12 Lo
òLo
Calcule la carga de gases saliendo de la sección de recirculación, Cs
Go
F 14 òVo A s
Ec. (19)
Ǹò
Ec. (20)
Vs +
Cs + Vs
4.
Ec. (15)
LI
ò Vo
* ò Vo
Calcule la altura de una unidad de transferencia de calor, HGH.
Para rociadores, HGHS:
Si Zs < 0.6 m (2 pie), utilice Zs = 0.6 m (2 pie) para esta ecuación
H GHS + F 16
ǒ Ǔ
QLI
As
–0,84
(C s) 0,33 (Z s) 0,29
Ec. (21)
ǒ Ǔ
Ec. (22)
Para relleno, HGHP:
H GHP + F 17 FT F S
QL
As
*1ń4
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Indice volumen
Indice norma
donde FS y FT pueden encontrarse en las Tablas 1 y 2, respectivamente.
Para la sección de fondo, HGHB:
H GHB + F 18
ǒ Ǔ
QLo
As
–0,46
Ec. (23)
Para secciones de recirculación de fondo en torres con más de 6 m (20 pie)
de diámetro, multiplique cada HGH por 1,5.
5.
Calcule la altura requerida del relleno. (Para cálculos de diseño divida cada
HGH entre 0,85).
ǒ
Z + H GHP k m NGH –
Ǔ
ZB
Zs
–
H GHS HGHB
Ec. (5)
La altura de lechos normalmente se redondea a incrementos de 0,1 m (3
pulg).
9
PROBLEMA TIPO
El ejemplo siguiente, consiste en una sección de recirculación del tope de una
fraccionadora de craqueo catalítico, ilustra los métodos para calcular el número
de platos o altura requerida de relleno para la transferencia de calor deseada. Para
generalizar el ejemplo, también se incluye el reflujo hacia la recirculación.
Refiérase a la Nomenclatura y a la Figura A, en este documento, para las
definiciones de los términos utilizados en los cálculos.
1.
Dados:
Capacidad externa del intercambiador de la recirculación,
Qo
Flujo del vapor a la salida Go
Temperatura del vapor a la salida, To
Reflujo interno a la entrada, RI
Temperatura del reflujo interno a la entrada, TR
Flujo de los vapores a la entrada, GI
Temperatura de los vapores a la entrada, TI
Reflujo interno a la salida, Ro
Flujo de retiro de producto, Po
Presión a la salida de los vapores
Factores que dependen de las unidades usadas
En unidades
métricas
21101 kW
En unidades
inglesas
72000000 BTU/h
29,6 kg/s
141,1°C
4,41 kg/s
110°C
89,6 kg/s
193,3°C
64,4 kg/s
0 kg/s
224,8 kPa
235000 lb/h
286°F
35000 lb/h
230°F
711000 lb/h
380°F
511000 lb/h
0 lb/h
32,6 psia
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Indice volumen
F12
F13
F14
F15
Indice norma
1000
0,98
1
0,15
1/8,02
1,18
3600
0,068
0,8499 kg/dm3
201,7°C
11,16
35° API
395°F
11,16
4115 mm
13,3 m2
182,2°C
13,5 pie
143 pie2
360°F
54,4°C
130°F
Propiedades Físicas
Gravedad de recirculación
Punto de ebullición promedio de la recirculación
Factor de caracterización de la recirculación
Especificaciones de la torre
Diámetro, DT
Área transversal, As
2. Temperatura de retiro del reflujo circulante, to
3. Asuma una temperatura de retorno de la recirculación, tPA
Calcule el flujo de recirculación de liquido, LPA
L PA +
4.
tI +
5.
DT lm +
ǒT O
Qo
21100
+
+ 73, 7 kgńs (585000 lbńh)
2, 24 (182, 2 – 54, 4)
C PL ǒto – t PAǓ
Calcule la temperatura de mezcla de líquido a la entrada, tI
R I tR ) L PA t PA
(4, 41) (110) ) (73, 7) (54, 4)
+
+ 57, 5°C (136°F)
4, 41 ) 73, 7
R I ) L PA
5DTlm
* t IǓ * ǒT I * t oǓ
ln
6.
ǒ
Ǔ
TO * t I
TI * t O
+
(141, 1 * 57, 75) * (193, 3 * 182, 2)
141,1 * 57,5
Ǔ
ln ǒ193,3
* 182,2
Calcule el número requerido de unidades de transferencia de calor en fase
gaseosa, NGH
ǒ Ǔ
ǒ Ǔ
GI
193, 3 * 141, 1
89, 6
N GH + DT ) ln
+
) ln
+ 2, 56
35, 8
DT lm
29, 6
GO
7.
+ 35, 8°C (64, 5°F)
Calcule el factor de corrección para multicomponentes, lH
lH +
t o – tI
182, 2 – 57, 5
+
+ 2, 39
193,
3 – 141, 1
T I – To
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Indice norma
km (de la Figura 5.) = 3,05
8.
Flujo de líquido a la entrada de la recirculación, LI
LI= LPA + RI = 73,7 + 4,41= 78,1 kg/s (620000 lb/h)
Flujo de líquido a la salida de la recirculación, Lo
Lo = LPA + Ro + Po = 73.7 + 64.4 + 0 = 138.1 kg/s (1096000 lb/h)
Flujo de líquido promedio, LAV
L AV +
LI ) Lo
78, 1 ) 138, 1
+
+ 108, 1 kgńs (858000 lbńh)
2
2
Temperatura promedio del líquido, tAV
t AV +
to ) tI
57, 5 ) 182, 2
+
+ 119, 9°C (248°F)
2
2
ρL a tAV (Maxwel, Data Book on hydrocarbons) = 759 kg/m3 (47.4 lb/pie3)
Flujo volumétrico de líquido, QL
QL +
F 12 LAV
(1000) (108, 1)
+
+ 142, 4 dm 3ńs (2257 GPM)
759
òL AV
Para Platos (Perforados, Tipo Surtidor, Casquete de Burbujeo y tipo Válvula)
9.
Longitud del vertedero de salida lo
de pasos de líquido en el plato
3,150 m (124 pulg) Número
Np
10.
1
N GH + F 13
ǒ Ǔ
QL
Np l o
0,21
ǒ
142, 4
+ 0, 98
(1) (3, 150
Ǔ
0,21
+ 2, 18
multiplique por 0.85 para diseño
NGH = 0,85 x 2,18 = 1,85
11.
Número de platos requeridos
NA +
N GH km
(2, 56) (3, 05)
+
+ 4, 24 (Utilice 5 platos)
1, 84
NGH
12. Verifique el número mínimo de platos
N A(min) +
– 182,2Ǔ
ln ǒ193,3
141,1 – 57,5
– 141,1
Ǔ
ln ǒ193,3
182,2 – 57,5
+ 2, 32
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Indice volumen
Indice norma
Ya que NA > 1,2 NA(min), el valor calculado de 5 platos es válido.
Para Platos Deflectores, Campanas
9.
Separación vertical entre campanas, hs
0.61 m (2 pie)
10. Velocidad promedio del vapor, Vs
V S(tope) +
Go
F 14 òv A s
ò v + 4, 30 kgńm 3(0, 268 lbńpie 3) (Ley de Gases Ideales)
V S(tope) +
29, 6
+ 0, 518 mńs (1, 70 pieńs)
(4, 30) (13, 3)
V S(fondo) +
GI
F 14 òv A s
ò v + 6, 23 kgńm 3(0, 388 lbńpie 3) (Ley de Gases Ideales)
V S(fondo) +
11.
N GH + F 15
ǒ Ǔ
QL
As
89, 6
+ 1, 08 mńs (3, 56 pieńs)
(6, 23) (13, 3)
0,5
(V s) 0,3(h s) 0,5 + 0, 15
4
ǒ142,
Ǔ
13, 3
0,5
(0, 80) 0,3(0, 61) 0,5 + 0, 359
Multiplique por 0,85 para diseño.
NGH = 0.85 x 0.359 = 0.305
12. Número requerido de etapas
NA +
N GH km
(2, 56) (3, 05)
+
+ 25, 6
0, 305
NGH
Utilice 26 etapas.
Para Relleno
Asuma como tipo de relleno anillos Pall de metal de 50 mm (2 pulg)
(Fs = FT = 1,0).
9.
Densidad del vapor saliendo de la recirculación, rvo
En unidades
métricas
4,30 kg/m3
En unidades
inglesas
0,268 lb/pie3
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Indice volumen
Densidad del líquido entrando en la
recirculación, rLI
Densidad del líquido saliendo de la
recirculación, rLo
Altura de la boquilla del rociador
sobre el lecho, ZS
Separación entre el lecho y el plato
acumulador, ZB
F12
F14
F16
F17
F18
Indice norma
812 kg/m3
50,7 lb/pie3
705 kg/m3
44,0 lb/pie3
0,457 m
1,5 pie
1,22 m
4,0 pie
1000
1
6,68
0,31
1,85
1/8,02
3600
14,5
1,12
7,27
10. Flujo volumétrico de líquido
F 12 LI
(1000) (78, 1)
+ 96, 2 dm 3ńs (1525 GPM)
òLI +
812
Q LI +
Q L + 2257 GPM
Q Lo +
11.
F 12 Lo
(1000) (138, 1)
+ 195, 9 dm 3ńs (3106 GPM)
òLo +
705
Carga de vapor saliendo de la recirculación
V AS +
CS + VS
GO
29, 6
+
+ 0, 518 mńs (1, 70 pieńs)
F 14 òvo A S
(4, 30 (13, 3)
Ǹò ò– ò
vo
LI
vo
+ 0, 518
Ǹ8124,–304, 30 + 0, 0378 mńs (0, 124 pieńs)
12. Alturas de una unidad de transferencia de calor
Rociadores
Zs es < 0,6 m, utilice Zs = 0,6 m para esta ecuación
H GHS + F 16
ǒ Ǔ
QLI
AS
–0,84
ǒCSǓ
0,33
ǒZ SǓ
0,29
ǒ Ǔ
96, 2
+ 6, 68
13, 3
h GHS + 0, 373m (1, 22 pie)
–0,84
(0, 0378) 0,33 (0, 6) 0,29
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Indice norma
Relleno
H GHP + F 17
ǒ Ǔ
QL
AS
ǒ
–1ń4
142, 4
+ 0, 31
13, 3
Ǔ
–1ń4
+ 0, 171 m (0, 562 pie)
Sección de Fondo
H GHB + F 18
ǒ Ǔ
QLo
AS
–0,46
195, 9
Ǔ
+ 1, 85 ǒ
13, 3
–0,46
+ 0, 537 m (1, 76 pie)
Divida cada HGH entre 0,85 para diseño.
HGHS = 0,373 / 0,85 = 0,439 m (1,44 pie)
HGHP = 0,171 / 0,85 = 0,201 m (0,661 pie)
HGHB = 0,537 / 0,85 = 0,632 m (2,07 pie)
13. Altura requerida de relleno
ƪ
Z + H GHP k m NGH –
+ 0, 97 m (3, 2 pie)
ƫ
ƪ
ǒ
Ǔ ǒ
ZS
ZB
0, 457
1, 22
–
+ 0, 201 (3, 05) (2, 56) –
–
0, 439
H GHS HGHB
0, 632
Ǔƫ
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10 NOMENCLATURA
AB
=
Area de burbujeo del plato, m2 (pie2)
As
=
Area transversal de la torre, m2 (pie2)
CPL
=
Calor específico del líquido, kJ/kg °C (BTU/lb °F)
CPV
=
Calor específico del vapor, kJ/kg °C (BTU/lb °F)
Cs
=
Carga de vaporesńpie 2, + V S
DT
=
Diámetro de la torre, mm (pie)
Fi
=
Factor que depende de las unidades usadas (ver tabla al final)
FS
=
Factor de dimensionamiento del relleno, adimensional
FT
=
Factor de tipo de relleno, adimensional
G
=
Flujo de vapores, kg/s (lb/h)
HGH
=
Altura de una unidad de transferencia de calor en fase gaseosa, m (pie)
hs
=
Separación vertical entre campanas, m (pie)
km
=
Factor de corrección para multicomponentes, adimensional
L
=
Flujo de líquido, kg/s (lb/h)
lo
=
Longitud del vertedero de salida del plato, m (pulg)
NA
=
Número real de platos, adimensional
=
Ǹò ò– ò
V
L
V
, mńs (pieńs)
NGH
=
Número de unidades de transferencia de calor en fase gaseosa por plato,
adimensional
Número total requerido de unidades de transferencia de calor, adimensional
NP
=
Número de pasos de líquido por plato, adimensional
P
=
Presión, kPa (psia)
PO
=
Retiro de producto de una sección de reflujo circulante, kg/s (lb/h)
QL
=
Flujo volumétrico de líquido, dm3/s (GPM)
QO
=
Capacidad externa de intercambiador de la recirculación, kW (BTU/h)
R
=
Reflujo interno, kg/s (lb/h)
T
=
Temperatura del vapor, °C (°F)
DT
=
TI – To, °C (°F)
DTlm
=
Diferencia de temperatura media logarítmica (DTLM), °C (°F)
t
=
Temperatura del líquido, °C (°F)
VB
=
Velocidad de los vapores basada en el área de burbujeo del plato, m/s (pie/s)
VS
=
Velocidad de los vapores basada en el área transversal de la torre, m/s (pie/s)
Z
=
Altura requerida de relleno, m (pie)
ZB
=
Separación entre el lecho de relleno y el plato acumulador, m (pie)
NGH
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ZS
=
Separación entre las boquillas de los rociadores y el lecho de relleno, m (pie)
lH
=
to – tI
, adimensional
TI – To
rL
=
Densidad del líquido, kg/m3 (lb/pie3)
rV
=
Densidad de los vapores, kg/m3 (lb(pie3)
Subscritos
=
B
=
Promedio de las condiciones a la entrada y salida de una sección de
transferencia de calor
Espacio abierto de contacto entre el lecho de relleno y el plato acumulador
I
=
Entrada a la sección de transferencia de calor
O
=
Salida de la sección de transferencia de calor
PA
=
Recirculación externa
R
=
Reflujo interno
S
=
Espacio abierto de contacto entre los rociadores y el lecho de relleno
AV
Factores Fi
En unidades
métricas
En unidades
inglesas
F12
(Ec. 15)
1000
1/8,02
F13
(Ec. 16)
0,98
1,18
1
3600
F14
F15
(Ec. 18)
0,15
0,068
F16
(Ec. 21)
6,68
14,5
F17
(Ec. 22)
0,31
1,12
F18
(Ec. 23)
1,85
7,27
11 PROGRAMAS DE COMPUTACIÓN
En PDVSA se encuentran disponibles simuladores de proceso, tales como
PROII de la empresa Simulation Sciences Inc. and Hysim de la empresa
Hyprotech, que pueden ser usados en el diseño de las secciones de transferencia
de calor.
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Fig 1. CORRELACION DE TRANSFERENCIA DE CALOR PARA PLATOS
PERFORADOS TIPO VALVULA, CASQUETE DE BURBUJEO Y TIPO SURTIDOR
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Fig 2. CORRELACION DE TRANSFERENCIA DE CALOR PARA PLATOS
DEFLECTORES (CAMPANAS)
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Fig 3. CORRELACIONES DE TRANSFERENCIA DE CALOR PARA DISPOSITIVOS DE
CONTACTO EN CONTRA–CORRIENTE
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Fig 4. MONOGRAMA PARA EL DTlm
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Fig 5. FACTOR DE CORRECION PARA MULTICOMPONENTES, KM
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TABLA 1. FACTORES DE DIMENSIONAMIENTO DE RELLENO
FS
16 mm (5/8 pulg)
metal
plástico (cerámica)
0,47
0,43
25 mm (1 pulg)
metal
plástico (cerámica)
0,60
0,65
38 mm (1 1/2 pulg)
metal
plástico (cerámica)
0,78
0,79
50 mm (2 pulg)
metal
plástico (cerámica)
1,00
1,00
90 mm (3 1/2 pulg)
metal
plástico (cerámica)
1,73
1,72
TABLA 2. FACTORES PARA EL TIPO DE RELLENO
FT
Anillos Pall de Metal
1,00
Anillos Pall de Plástico
1,16
Anillos Raschig de Metal
1,62
Anillos Raschig de Cerámica
1,70
Sillas Intalox Plásticas
1,17
Sillas Intalox de Cerámica
1,21
Sillas Berl de Cerámica
1,55
Rejilla Glitsch
2,02