122451663 pdvsa manual de procesos intercambiadores de calor pdf

PDVSA N TITULO

REV. FECHA DESCRIPCION PAG. REV. APROB. APROB.

APROB. FECHAAPROB.FECHA

TRANSFERENCIA DE CALOR

PDVSA, 1983

MDP05E01 PRINCIPIOS BASICOS

AGO.95 AGO.95

INTERCAMBIADORES DE CALOR

JUL.950 116

MANUAL DE DISEO DE PROCESO

ESPECIALISTAS

REVISION FECHAMANUAL DE DISEO DE PROCESO

TRANSFERENCIA DE CALORINTERCAMBIADORES DE CALOR

PRINCIPIOS BASICOSJUL.950

PDVSA MDP05E01

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Indice1 OBJETIVO 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 ALCANCE 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 REFERENCIAS 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 CONSIDERACIONES BASICAS 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.1 Definiciones y descripciones 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Funciones de los intercambiadores de calor 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Mecanismos de transferencia de calor 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Proceso de transferencia de calor 9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Clasificacin y aplicaciones de intercambiadores de calor 13. . . . . . . . . . . . 4.6 Consideraciones generales de diseo 24. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Consideraciones de diseo para intercambiadores de tubo y carcaza 39. . 4.8 Problemas operacionales tpicos 60. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9 Optimizacin de los sistemas de integracin de calor 64. . . . . . . . . . . . . . . .

5 GUIA GENERAL PARA DISEO 67. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Proceso de diseo de intercambiadores de calor 67. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Criterios de seleccin para intercambiadores de calor 69. . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Gua general para el diseo de intercambiadores de calor 71. . . . . . . . . . . . 5.4 Programas de computacin 73. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 NOMENCLATURA 78. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 APENDICE 80. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Tabla 1 Sumario de los diferentes tipos de intercambiadores de calor 81. . . Tabla 2a Informacin requerida para el diseo de intercambiadores

de calor (unidades mtricas) 82. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabla 2b Informacin requerida para el diseo de intercambiadores

de calor (unidades inglesas) 84. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabla 3 Coeficientes globales de transferencia de calor tpicos (U0) 86. . . . . Tabla 4 Temperatura de diseo del agua de enfriamiento entrando 93. . . . . . Tabla 5 Factores de ensuciamiento tpicos ri y ro 95. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabla 6 Cada de presin tpicas 100. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabla 7 Datos de tubos para intercambiadores 101. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabla 8 Conductividades trmicas 102. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabla 9 Seleccin de tipos de cabezales (TEMA) 103. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabla 10 Nmero de pasos mximo por los tubos 104. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 1 Hoja de especificacin para intercambiadores de calor

(unidades SI) 105. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2 Elementos de los intercambiadores de tubo y carcaza 106. . . . . . . . . . Figura 3 Nomenclatura TEMA para intercambiadores de calor 107. . . . . . . . . .




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Figura 4 Arreglos comunes de tubos 108. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5 Tipos de deflectores para la carcaza 109. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 6a Tipos de carcazas comunes para intercambiadores de tubo y

carcaza carcaza de un paso (TEMA, Tipo AES) 110. . . . . . . . . . . . . Figura 6b Tipos de carcazas comunes para intercambiadores de tubo y

carcaza carcaza de flujo dividido (TEMA, Tipo AJS) 111. . . . . . . . . Figura 6c Tipos de carcazas comunes para intercambiadores de tubo y

carcaza carcaza de dos pasos (TEMA, Tipo AFS) 112. . . . . . . . . . . . Figura 7 Localizacin de la banda de sello 113. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 8 Mecanismos de condensacin 114. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 9 Tipos de intercambiadores de placa 115. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1 OBJETIVOEl objetivo de este documento es proveer al ingeniero de proceso y diseo con unconocimiento tcnico/prctico que le permita comprender y familiarizarse con losparmetros que gobiernan el diseo de los equipos para transferencia de calor.

El tema Intercambiadores de Calor, dentro del rea de Transferencia de Calor,en el Manual de Diseo de Procesos (MDP), est cubierto por los siguientesdocumentos:

PDVSAMDP Descripcin del Documento

05E01 Intercambiadores de Calor: Principios Bsicos. (Este documento)

05E02 Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseo para paraequipos de tubo y carcaza.

05E03 Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseo paraEnfriadores de Aire.

05E04 Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseo paraIntercambiadores de Doble Tubo.

05E05 Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseo paraServicios Criognicos.

Este documento, junto con los dems que cubren el tema de Intercambiadoresde Calor, dentro del Manual de Diseo de Procesos (MDP) de PDVSA, son unaactualizacin de la Prcticas de Diseo Intercambiadores de Calor, presentadasen la versin de Junio de 1986 del MDP (Seccin 9).

2 ALCANCEEste documento presenta definicin de conceptos y descripcin de lasmetodologas involucradas en el diseo y evaluacin de los equipos paraintercambio de calor.

En las subsecciones 4.1, 4.2, 4.3 y 4.4 se conceptualiza brevemente el procesode transferencia de calor.

La subseccin 4.5 describe los diferentes tipos de intercambiadores de calorcomunmente usados en la IPPCN y sus aplicaciones. En general, estos equiposse disean y fabrican para un servicio especfico, por lo que el diseador y/ofabricante requieren de informacin sobre la operacin y el servicio para el cualser adquirido dicho equipo. Esta informacin les es suministrada por el ingenierode proyecto o de proceso mediante una hoja de datos con todos los requisitos queel intercambiador debe cumplir, evitndose as la adquisicin de un equipoinadecuado para el servicio requerido. En la Figura 1. se muestra un ejemplo dela hoja de especificacin para los intercambiadores de tubo y carcaza.

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La subseccin 4.6 presenta las consideraciones bsicas de diseo para todos lostipos de intercambiadores de calor y la subseccin 4.7 contiene lasconsideraciones generales para el diseo de intercambiadores de calor del tipotubo y carcaza.

Las subsecciones 4.8 y 4.9 intentan concientizar, al ingeniero responsable deldiseo y/o evaluacin de un intercambiador, sobre la problemtica operacional yde integracin energtica relacionada con dichos equipos, y la importancia deconsiderar estos factores durante su fase de diseo y/o evaluacin dado su granimpacto sobre los costos de mantenimiento, de produccin y energticos.

Finalmente, en la seccin 5 se describe el proceso de diseo y seleccin deintercambiadores de calor. Aunque en los documentos PDVSAMDP05E02 al05 se cubre en detalle los procedimientos de clculo. Ciertos aspectos tales comolongitud del tubo, especificaciones del tipo de material, limitaciones en lasdimensiones de la carcaza, etc., son normalmente especificados por el cliente;como parte de las Bases de Diseo para la instalacin de una nueva refinera o,en el caso de refineras y plantas qumicas existentes, en la carta de requisicindel trabajo o, en ltimo caso, esta informacin puede ser generada durante lasetapas iniciales del trabajo.

3 REFERENCIAS

Manual de Diseo de Proceso (versin 1986)

Vols V y VI, Seccin 9 Intercambiadores de calor Vol I, Seccin 1 Consideraciones econmicas de diseo Vol I, Seccin 2 Temperatura de diseo, presin de diseo y clasificacin de

bridas Vols VII y VIII, Seccin 12 Instrumentacin y control Vol VIII, Seccin 14 Flujo de fluidos

Manual de Diseo de Proceso

PDVSAMDP08SG01 Seguridad en el Diseo de Plantas: Introduccin

Manual de Ingeniera de Diseo

PDVSAMIDEA201PR Equipo de carcaza y tubos para intercambio decalor

PDVSAMIDEA202PR Equipo para intercambio de calor de doble tubo PDVSAMIDEC201PR Equipo para intercambio de calor : enfriador de

aire PDVSAMIDEF202R Torre de enfriamiento de tipo inducido PDVSAMIDEG201R Calentadores desaereadores

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PDVSAMIDLTP2.1 Intercambiadores de calor requisicin, anlisis deofertas y detalles de compra

PDVSAMID90616.1.022 Sistemas de alivio

PDVSAMID90617.1.041 Guas de ingeniera para intercambiadores decalor de carcaza y tubo

Otras Referencias

Standards of Tubular Exchanger Manufactures Association (TEMA)

API Standard 661 Aircooled Heat Exchangers for General Refinery Services

API Standard 660 Heat Exchanger for General Refinery Services

API Bulletin 2516 Evaporation loss from lowpressure tanks (R 1993)

API Bulletin 2517 Evaporative loss from floating roof tanks third edition;Addendum 1994

API Manual of Petroleum Measurements Standards Ch 19 Evaporative lossmeasurement Section 1 Evaporative loss from fixedroof tanks (SupercedesBulletin 2518)

API Bulletin 2519 Evaporation loss from internal floating roof tanks (R 1990)

Afgan, N. H. & Schlnder, E. U.; Heat Exchanger Theory; First Edition McGrawHill (1974).

Chemical Engineering Magazine; Process Heat Exchange; McGraw Hill (1979)

Hewitt, G. F.; Shires, G. L. and Bott T. R.; Process Heat Transfer; First Edition;CRC Press, Inc. (1993)10.

Kays, W.M. and London, A.L.; Compact Heat Exchanger; Second Edition;McGraw Hill (1964)

Kakac, S. et All; Heat Transfer Design Method; First Edition; McGraw Hill (1974)

McKetta, J. J.; Heat Exchanger; First Edition; Marcel Dekker, Inc. (1991)

Schlnder, E. U.; Heat Exchanger Design Handbook; Vols. 2 & 3; First Edition,CRC Press, Inc. (1983)

Smith, G. & Patel A.; Step by Step through the Pinch; The Chemical EngineerJournal; Novembre 1987.

4 CONSIDERACIONES BASICAS

4.1 Definiciones y descripciones

La terminologa usada en esta serie de documentos del rea de Transferencia deCalor, ttulo Intercambiadores, es la que generalmente se usa en la IPPCN. Acontinuacin se definen y describen los trminos mas comunes:




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RefrigeradorEs una unidad que utiliza un refrigerante para enfriar un fluido, hasta unatemperatura menor que la obtenida si se utilizara aire o agua como medio deenfriamiento.

CondensadorEs una unidad en la cual los vapores de proceso se convierten total o parcialmenteen lquidos. Generalmente, se utiliza agua o aire como medio de enfriamiento.El trmino condensador de superficie se refiere especficamente a aquellasunidades de carcaza y tubos que se utilizan para la condensacin del vapor dedesecho, proveniente de las mquinas y de las turbinas a vapor.Un condensador de contacto directo es una unidad en la cual el vapor escondensado mediante contacto directo con el medio enfriante, eliminando lasuperficie de transferencia de calor que separa el medio enfriante y el vapor.

EnfriadorEs una unidad en la cual una corriente de proceso intercambia calor con agua oaire sin que ocurra cambio de fase.

EvaporadorLos evaporadores son intercambiadores de calor usados especficamente paraconcentrar soluciones mediante la evaporacin parcial del solvente, algunasveces hasta el punto que ocurra el fenmeno de la cristalizacin. Son diseadospara optimizar la produccin del producto liquido o solido.

IntercambiadorEs el nombre genrico de un dispositivo mecnico, o equipo, diseado paratransferir calor entre dos o mas corrientes de fluidos que fluyen a travs del equipo.

CalentadorUn calentador es un intercambiador de calor que aumenta la temperatura de unacorriente, sin que normalmente ocurra un cambio de fase. Como fuente de calorpuede utilizarse una corriente de servicio; tal como vapor de agua, aceite caliente,fluidos trmicos o lquidos qumicos (como el Humbletherm); o una corriente deproceso de entalpa alta; por ejemplo: la descarga de un reactor operado a altatemperatura.Existe una gran variedad de fluidos trmicos que han sido ampliamente usadosy estn comercialmente disponibles; por ejemplo Dowtherm A (mezcla de 26.5%de Difenil (C6H5)2, y 73.5% de Oxido de Difenil (C6H5)2,O, con un punto de ebullicinde 257.1C.), y Dowtherm J ( (C10H14), con un punto de ebullicin de 181C.).




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Rehervidor

Es un vaporizador frecuentemente usado para generar un flujo de vapor quesuministra el calor latente de vaporizacin al fondo de una columna o torrefraccionadora.

Existen dos tipos generales de rehervidores, aqullos que descargan una mezclabifsica a la torre y los que retornan vapor solamente. Los primeros pueden operarmediante circulacin natural (comnmente llamados termosifones), o circulacinforzada (Ver documento PDVSAMDP05E02 para mayor informacin).Los termosifones son los tipos de rehervidores ms comunes. Los termosifoneshorizontales donde la vaporizacin ocurre en el lado de la carcaza son los msusados en la industria petrolera. Normalmente, en los termosifones verticales, lavaporizacin ocurre en el lado de los tubos y se utilizan preferiblemente en lasindustrias qumicas. En un termosifn, se debe proveer suficiente cabezal delquido a fin de mantener la circulacin natural del lquido a vaporizar.

Los rehervidores de circulacin forzada requieren de una bomba para impulsar ellquido a vaporizar a travs del intercambiador. Este tipo de rehervidor no se utilizacon mucha frecuencia, debido a los costos adicionales del bombeo de laalimentacin al rehervidor; sin embargo, en algunos casos se requiere circulacinforzada para vencer limitaciones del cabezal hidrosttico y problemas decirculacin.

Los rehervidores que retornan solamente vapor a la torre se denominanrehervidores de marmita (Kettle Reboilers), los cuales se caracterizan porcarcazas largas, donde ocurre la separacin liquidovapor. El liquido esdescargado como el producto de fondo de la columna y el vapor es retornado ala columna. Quizs la mejor manera de describir la operacin de estosrehervidores es comparndolas con una paila u olla hirviendo (para mayoresdetalles ver documento PDVSAMDP05E02).

Generadores de Vapor (Calderas de Recuperacin de Calor)Los generadores de vapor son un tipo especial de vaporizadores utilizados paraproducir vapor de agua. Como fuente de calor se utiliza generalmente el calor enexceso que no se requiere para el proceso; de all que estos rehervidores se lesllame comnmente Calderas de Recuperacin de Calor. Al igual que losrehervidores, los generadores de vapor pueden ser del tipo Kettle, de circulacinforzada o termosifones.

SobrecalentadorUn sobrecalentador calienta el vapor por encima de su temperatura de saturacin.




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VaporizadorUn vaporizador es un intercambiador que convierte lquido a vapor. El trminovaporizador se refiere normalmente a aquellas unidades que manejan lquidosdiferentes al agua.

4.2 Funciones de los intercambiadores de calorLa funcin bsica de los intercambiadores es la transferencia de energa trmicaentre dos o mas fluidos a diferente temperatura. El calor fluye, como resultadodel gradiente de temperatura, desde el fluido caliente hacia el fro a travs de unapared de separacin, la cual se le denomina superficie o rea de transferencia decalor. Es decir, no existe fuente de energa trmica en un intercambiador de calor.Por otro lado, si los fluidos son inmiscibles, el rea fsica de transferencia de calorpuede ser eliminada, y la interfase formada entre los fluidos puede servir comorea de transferencia de calor.En resumen, las funciones tpicas de un intercambiador de calor en los procesosindustriales son las siguientes:1. Recuperacin de calor: la corriente fra recupera parte del calor contenido

en la corriente caliente. Es decir, calentamiento y enfriamiento de lascorrientes involucradas, las cuales fluyen simultneamente a ambos ladosdel rea de transferencia de calor.

2. Evaporacin: una de las corrientes involucradas en el intercambio de calorcambia de fase lquida a vapor.

3. Condensacin: una de las corrientes involucradas en el intercambio decalor cambia de fase vapor a fase lquida.

4.3 Mecanismos de transferencia de calorLa transferencia de calor, como se defini previamente, es una interaccin entrefluidos o materiales a consecuencia de un gradiente de temperaturas entre ellos.Esta interaccin ocurre mediante tres mecanismos diferentes, a saber:conduccin, radiacin y conveccin. Estrictamente hablando, solamente losprimeros mecanismos pueden clasificar como operaciones de transferencia decalor, porque dependen solamente de la existencia de un gradiente detemperatura. A diferencia de ellos, el mecanismo de conveccin esta fuertementeinfluenciado por el patrn de flujo (dinmica de fluido); pero tiene asociado unintercambio de energa desde las zonas de alta hacia baja temperatura.Conduccin es fundamentalmente transferencia de energa por contacto fsico enausencia de movimiento del material a nivel macroscpico. Este mecanismopuede ocurrir en solidos, lquidos o gases.Radiacin es la transferencia de calor de un cuerpo a otro mediante el movimientode ondas electromagnticas a travs del espacio, inclusive cuando exista vaco




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entre ellos. La radiacin puede ocurrir a travs de gases, lquidos o slidos; perodebido a la mayor capacidad de absorcin de energa de los medios densos, laradiacin del calor es mas eficiente a travs de los gases.Conveccin es transferencia de calor de un punto a otro en un fluido, gas o lquido,debido a la mezcla y movimiento de las diferentes partes del fluido. Existen dosmecanismos de transferencia de calor por conveccin, denominados conveccinforzada y conveccin natural. En la conveccin forzada, el movimiento del fluidoes debido a fuerzas externas, tal como bombeo; mientras que en la conveccinnatural el movimiento es inducido por la diferencia de densidades resultante de ladiferencia de temperatura en el fluido. Cuando en la conveccin forzada lavelocidad es relativamente baja, estos factores de diferencia de densidad y detemperatura pueden tener un efecto considerable.Los mtodos de clculo para cada uno de estos mecanismos son diferentes. Elflujo de calor por conduccin es proporcional al gradiente de temperatura (ley deFourier: Q=kA(dT/dX) ); por radiacin es funcin del incremento de latemperatura absoluta a la cuarta potencia (ecuacin de Stefan Boltzmann:Q=1.714 x 107A (T14 T24)) y por conveccin es proporcional a la diferencia detemperatura entre la superficie de transferencia y la masa de fluido en contacto conella (ley de Newton Q=hA (T1 T2)). La diferencia entre estas ecuaciones reside,bsicamente, en el coeficiente de transferencia. As, el coeficiente porconduccin, denominado conductividad trmica, es una propiedad del medio detransferencia y puede ser medido directamente y el coeficiente por radiacindepende de una propiedad de la superficie radiante, llamada emisividad, la cuales medida directamente. Pero el coeficiente por conveccin es un parmetroemprico, obtenido experimentalmente, pero no medido directamente, por lo queel clculo de la transferencia de calor por conveccin es mas emprico que paralos otros dos mecanismos, existiendo una gran dependencia de datosexperimentales y sus correlaciones. Adicionalmente, este coeficiente incorporaelementos de dinmica de fluidos.Generalmente, en cualquier proceso de transferencia de calor se encuentranpresente, simultneamente, varios de estos mecanismos; por ejemplo latransferencia de calor por conveccin incorpora calor por conduccin en el fluido;de hecho, si el fluido fuese noconductor no se dara la conveccin, pues elmovimiento sirve para poner en contacto las partes fra y calientes.

4.4 Proceso de transferencia de calorEn la subseccin previa se ha planteado los diferentes mecanismos detransferencia de calor, y en esta subseccin se plantean como a travs de estosmecanismos ocurre la transferencia de calor. El objetivo es introducir unconocimiento general sobre los procesos de transferencia de calor. Existen dos




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tipos generales de procesos; a saber: (1) Sin cambio de fase, conocida tambincomo calor sensible y (2) con cambio de fase.El proceso sin cambio de fase o calor sensible, como su nombre sugiere, involucraoperaciones de calentamiento y enfriamiento de fluidos donde la transferencia decalor resulta solamente en cambios de temperatura; mientras que en el cambio defase, la operacin se traduce en una conversin de lquido a vapor o de vapor alquido; es decir, vaporizacin o condensacin. Muchas aplicaciones involucranambos tipos de procesos.A continuacin se presentan descripciones generales sobre estos tipos deprocesos de transferencia de calor; pero no siendo el objetivo de este MDPpresentar un tratado terico sobre el tema, le remitimos para mayores detalles alas referencias mencionadas en la seccin 3. En los documentosPDVSAMDP05E02/ 03/ 04/ 05, referidos a procedimientos dediseo, se presentan las correlaciones usadas en la IPPCN en el diseo deintercambiadores.

4.4.1 Calor sensibleLa mayora de las aplicaciones de los procesos de transferencia de calor sincambio de fase involucran el mecanismo de transferencia de conveccin forzada,tanto dentro de los tubos como sobre superficies externas. Como se mencionopreviamente (subseccin 4.3), el coeficiente de transferencia de calor porconveccin depende de parmetros de dinmica de fluido, por ejemplo lavelocidad. En base al movimiento de fluido, el flujo dentro de los tubos se divideen tres regmenes de flujo, los cuales son medidos mediante un parmetroadimensional, llamado nmero de Reynolds, el cual es una indicacin de laturbulencia del flujo (para mayores detalles ver documento PDVSAMDP(Pendiente) (Consulta MDP versin 1986, Seccin 14). Los regmenes de flujo son:

1. Flujo laminar: nmero de Reynolds menor que 2.100.2. Flujo de transicin: nmero de Reynolds entre 2.100 y 10.000.3. Flujo turbulento: nmero de Reynolds mayor que 10.000.Para cada uno de estos regmenes de flujo han sido desarrollados ecuacionessemiempricas las cuales son usadas para describir y predecir adecuadamentela transferencia de calor en la regin en consideracin.Aunque los coeficientes de transferencia de calor para flujo Laminar sonconsiderablemente mas pequeos que para flujo Turbulento, en algunas casos seprefiere el flujo Laminar para reducir costos de bombeo. El mecanismo detransferencia de calor en este rgimen de flujo es bsicamente por conduccin.En la regin de Transicin, el flujo puede ser inestable y fluctuaciones en la cadade presin y en la transferencia de calor han sido observadas. Existe una gran




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incertidumbre en cuanto al comportamiento de los parmetros de transferencia decalor y de friccin del flujo; en consecuencia es aconsejable evitar el diseo de losequipos de intercambio de calor para operar dentro de esta regin.En cuanto al fenmeno de transferencia de calor por conveccin forzada sobresuperficies externas, es importante mencionar que el proceso de transferencia decalor esta ntimamente relacionado con la naturaleza del flujo; por ejemplo, latransferencia de calor sobre un haz de tubos depende del patrn de flujo y delgrado de turbulencia; es decir, es funcin de la velocidad del fluido y del tamaoy arreglo de los tubos. Debido a la complejidad del flujo en estos casos detransferencia calor sobre superficies externas dificulta su tratamiento analtico, lasecuaciones disponibles para el clculo del coeficiente de transferencia de calor sehan desarrollado completamente en base a datos experimentales.En los documentos PDVSAMDP05E02/ 03/ 04/ 05, referidos aprocedimientos de diseo, se presentan las correlaciones usadas en la IPPCN enel diseo de intercambiadores sin cambio de fase.

4.4.2 CondensacinCondensacin, una de las operaciones de transferencia de calor mas importantes,es un proceso convectivo, mediante el cual el vapor es convertido en liquidocuando el vapor saturado entra en contacto con una superficie a temperatura masbaja.Este proceso ocurre en una gran variedad de aplicaciones y equipos (por ejemplo:sobre/dentro de tubos verticales/horizontales). El condensado se forma sobre lasuperficie fra y, bajo el efecto de la fuerza de gravedad fluye hacia abajo, sobredicha superficie, en diferentes maneras, las cuales se describen a continuacin:Si el lquido condensado humedece la superficie formando una pelcula continuade lquido, sobre la superficie, el proceso se denomina Condensacin tipopelcula, la cual se muestra en la Figura 8.b. La pelcula acta como un materialaislante de la superficie y representa una resistencia o barrera a la transferenciade calor. Este tipo de condensacin es la que usualmente se asume en el diseode condensadores y es la base terica del procedimiento de diseo paracondensadores presentado en el documento PDVSAMDP05E02. Si por el contrario el lquido condensado no humedece la superficie, se formangotas de liquido las cuales crecen lo suficiente para moverse al azar sobre lasuperficie por efecto de la gravedad. Este proceso se denomina Condensacinpor gotas y se muestra en la Figura 8.a. En este proceso, porciones desuperficie estn directamente expuestas al vapor, no existiendo resistencia al flujode calor, por lo que se experimenta ratas de transferencia de calor mas elevadasque en la condensacin tipo pelcula. Por esta razn, la condensacin por gotasprodra ser preferida a la tipo pelcula; pero es una opcin imprctica dada la




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dificultad de mantenerla en el tiempo. La mayora de las superficies tienden a laformacin de pelcula despus de ser expuestas al vapor condensado durante unlargo perodo de tiempo. Se ha intentado fomentar la condensacin por gotasmediante el uso de aditivos al vapor y tratamiento de la superficie (por ejemplo,revestimiento), sin xito, debido al incremento de costos operacionales, a suinefectividad en el tiempo y al ensuciamiento de la superficie, entre otros.Si las gotas de condensado se forman en la masa de la corriente de vapor, en lugarde sobre la superficie, el proceso se denomina Condensacin homognea, lacual se muestra en la Figura 8.d. Esta situacin puede ocurrir encondensadores parciales o en corrientes de vapor con gases incondensables,cuando el vapor o la mezcla gasvapor es enfriado por debajo del punto de roco.Este tipo de condensacin puede resultar en la formacin de una niebla de gotasde liquido en el vapor, las cuales por ser muy pequeas son difciles de separarpor mtodos convencionales y pueden ser arrastradas en el venteo decondensador, presentando posibles problemas de contaminacin ambiental.Cuando el vapor condensa produciendo dos fases liquidas ( por ejemplo, unamezcla de vapores de agua e hidrocarburos), el proceso se conoce comoCondensacin de lquidos inmiscibles. En estos casos, el patrn decondensacin es variable. Un enfoque conservador supone la presencia de dospelculas de condensado y el calor se transfiere a travs de ambas pelculas enserie. Otro enfoque supone condensacin tipo pelcula para una de las fase,mientras que la otra forma gotas sobre la superficie de la pelcula, como se ilustraen la Figura 8.c.

4.4.3 VaporizacinLa vaporizacin puede ser definida como la adicin de calor a una masa lquida,en tal magnitud, que ocurre la generacin de vapor. Es un proceso convectivo queinvolucra cambio de fase de lquido a vapor.Esta subseccin intenta describir a continuacin, solo a ttulo informativo, losmodos de transferencia de calor en el proceso de vaporizacin, y en el documentoPDVSAMDP05E02 se presentan las correlaciones prcticas usadas en eldiseo de intercambiadores, con vaporizacin.La vaporizacin ocurre cuando una superficie es expuesta a un liquido ymantenida a la temperatura de saturacin de ese lquido, dependiendo el flujo decalor de la diferencia de temperatura entre la superficie y la condicin desaturacin. Si la superficie esta sumergida en una piscina esttica de lquido, alproceso se le denomina Piscina de vaporizacin (Pool Boiling). Inicialmenteno se forman burbujas o gotas de vapor y la transferencia de calor se da porconveccin natural. En el rea cerca de superficie caliente, el lquido absorbe unpequeo sobrecalentamiento y es subsecuentemente evaporado en la medidaque se mueve hacia la superficie del lquido. Seguidamente, comienzan a




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formarse burbujas en la superficie de transferencia, las cuales inicialmentedesaparecen por condensacin en la masa de lquido, al desprenderse de lasuperficie. A medida que la diferencia de temperatura se incrementa, crece elnmero de burbujas y solo alguna de ellas desaparecen en la superficie del lquido.Este rgimen se le denomina Vaporizacin por nucleacin. Eventualmente lasburbujas se forman tan rpidamente y alcanzan a ser tan numerosas que seaglutinan, formando una pelcula continua de vapor sobre la superficie caliente, yfinalmente el vapor es descargado desde la pelcula, en forma de burbujasregularmente espaciadas. Este rgimen se denomina Vaporizacin porpelcula, donde la transferencia de calor es por conduccin y conveccin a travsde la pelcula y, a medida que la temperatura de la superficie se incrementa, porsignificativa radiacin; siendo la transferencia de calor menos eficiente.Si la temperatura del lquido es menor que su temperatura de saturacin, elproceso se llama Vaporizacin subenfriada o local. Si el liquido es mantenidoa su temperatura de saturacin, al proceso se le conoce como vaporizacinsaturada. En este ltimo caso, las burbujas formadas se desprenden hacia elcentro de la masa liquida.Estos dos ltimos modos de vaporizacin se encuentran presente cuando lavaporizacin ocurre en tubos verticales y se le conoce como Vaporizacinconvectiva forzada.

4.5 Clasificacin y aplicaciones de intercambiadores de calorLos intercambiadores son diseados para satisfacer requerimientos especficos,existiendo en el mercado una gran diversidad de tipos que difieren en tamao yforma. Estos tipos son clasificados de acuerdo a diferentes criterios, tales comoprocesos y mecanismos de transferencia de calor, grado de compacticidad de lasuperficie, patrn de flujo, nmero de fluidos, geometra y tipo de construccin.Este ltimo criterio engloba un amplio rango de intercambiadores usados en laindustria petrolera, los cuales se describen a continuacin. Por supuesto, existenotros tipos de intercambiadores de calor a los cuales no se hace referencia, perostos no se utilizan con frecuencia en la industria petrolera.

4.5.1 Intercambiadores del tipo tubo y carcazaEste es el tipo de intercambiador que se utiliza comnmente en las refineras. Noes caro, es fcil de limpiar y relativamente fcil de construir en diferentes tamaosy puede ser diseado para presiones desde moderadas a altas, sin que varesustancialmente el costo. Mecnicamente resistente para soportar las tensionesa la cual es sometido durante la etapa de fabricacin, el envo, montaje einstalacin en sitio; y los esfuerzos externos e internos en las condicionesnormales de operacin, debido a los cambios en temperatura y presin. Fcil demantener y reparar (aquellas partes sujetas a fallas frecuentes, tubos yempacaduras, son fciles de reemplazar). Adicionalmente, la disponibilidad de




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buenos procedimientos de diseo, de experticia y de facilidades de fabricacin,aseguran el diseo y construccin exitoso de este tipo de intercambiadores,convirtindoles en la primera opcin a seleccionarse para un proceso detransferencia de calor.El intercambiador de tubo y carcaza consiste de un haz de tubos paralelosencerrados en un estuche cilndrico llamado carcaza. En la Figura 2. se muestranlas diferentes partes de este tipo de intercambiadores.Hay tres tipos bsicos de intercambiadores de tubo y carcaza, dependiendo delmtodo utilizado para mantener los tubos dentro de la carcaza. El primero es elde tipo fijo o intercambiadores de placa de tubos fija o de cabezal fijo. En estecaso, el equipo tiene tubos rectos, asegurados en ambos extremos en placas detubos soldados a la carcaza. En este tipo de construccin, algunas veces esnecesario incorporar en la carcaza una junta de expansin o una junta deempaques, debido a la expansin diferencial de la carcaza y los tubos. Estaexpansin se debe a la operacin del equipo a diferentes temperaturas y a lautilizacin de diferentes materiales en la construccin. La necesidad de esta juntaes determinada tanto por la magnitud de la expansin diferencial como del ciclooperativo esperado. Cuando no se requieren estas juntas o empacaduras, elequipo ofrece el mximo de proteccin contra la fuga del liquido contenido en lacarcaza. El haz de tubos no puede ser removido para inspeccin y limpieza, peroel cabezal en el lado de los tubos, las empacaduras, la cubierta del canal, etc. sonaccesibles para mantenimiento y reemplazo de las partes. La carcaza puede serlimpiada por retrolavado o qumicamente. Los intercambiadores de cabezal fijoson usados en servicios donde el fluido de la carcaza es un fluido limpio, comovapor de agua, refrigerante, gases, cierto tipo de agua de enfriamiento, etc.El segundo tipo de intercambiadores de tubo y carcaza utiliza tubos en forma deU, con ambos extremos de los tubos sujetados a una placa de tubos simple,eliminndose as los problemas de expansin diferencial porque los tubos puedenexpandirse y contraerse libremente, la forma de U absorbe estos cambios. A estasunidades se les denomina intercambiadores con tubos en U. El haz de tubospuede ser removido de la carcaza para inspeccin y limpieza; pero la limpiezamecnica interna de los tubos y su reemplazo es difcil, por lo que este tipo deintercambiadores es usualmente aplicable en servicios limpios o cuando lalimpieza qumica es efectiva. El costo de estas unidades a presin baja esaproximadamente igual al de las unidades de cabezal fijo, pero a presin alta essignificativamente mas barato, por lo que es muy usado en este tipo de aplicacin.El tercer tipo de intercambiadores de tubo y carcaza, al igual que las unidades decabezal fijo, presenta dos placas de tubos, pero con solo una de ellas soldada ala carcaza y la otra movindose libremente, y as evitando los problemas deexpansin diferencial. A este diseo se le conoce como intercambiadores decabezal flotante. El haz de tubos de este tipo de intercambiador puede




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removerse para mantenimiento y para la limpieza mecnica de la carcaza y lostubos, tambin, pueden ser limpiados mecnicamente tanto en su exterior comoen su interior. El diseo de cabezal flotante es mas caro (aprox. en un 25%) queel diseo de cabezal fijo, y es apropiado para servicios asociados a altastemperatura y presiones, pero limitado a aquellos servicios donde la fuga del fluidocontenido en la carcaza es tolerable. Para mayor informacin sobre el diseo deeste tipo de intercambiadores, refirase a la Subseccin 4.7 y al documentoPDVSAMDP05E02.

Resumiendo, los tipos de intercambiadores de tubo y carcaza, en orden deincremento de costos, para rango de presiones desde moderadas a altas,existentes son:

1. Intercambiador de cabezal fijo.2. Intercambiador con tubos en U.

3. Intercambiador de cabezal fijo con junta de expansin o junta de empaques.4. Intercambiador de cabezal flotante.

El diseador debera elegir el tipo de intercambiador menos costoso, que seaaplicable al caso en estudio. En la Tabla 9 se presentan los tipos de cabezal fijoy flotante de la TEMA.

Las boquillas de entrada y salida del fluido contenido en la carcaza songeneralmente secciones de tubos estndares soldadas a la carcaza; aunquediseos especiales pueden ser requeridos en casos de baja cada de presin,distribucin uniforme del fluido o proteccin por erosin. (Por ejemplo, deflectoresde choque, cuando flujo bifsico o vapor saturado es admitido en la carcaza).La cubierta del canal es asegurada por pernos o atornillada al canal para permitirla inspeccin de la placa de tubos y de los tubos sin perturbar la operacin delequipo. Alternativamente, para el fluido por los tubos pueden usarse casquetescon boquillas bridadas o conexiones roscadas.

Otra de las partes importantes en la mayora de los intercambiadores es el arreglode los deflectores transversales, cuya funcin principal es el soporte de los tuboscontra las vibraciones y deformaciones. Otra funcin es definir la trayectoria delflujo alrededor de los tubos, mejorando la transferencia de calor, peroincrementando la cada de presin. Los deflectores mas usados son los de cortesegmentado.

Otras partes importantes en la construccin de estos equipos son las barrastirantes, los espaciadores, las bandas de sellos y, por supuesto, las empacaduras.Todas esta partes son discutidas en las subsecciones 4.6 y 4.7.




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Los intercambiadores de carcaza y tubos se disean y fabrican de acuerdo a losestndares de la Asociacin de Fabricantes de Intercambiadores Tubulares(Tubular Exchanger Manufacturers Association TEMA), con las modificacionesindicadas en el MIDEA201PR. De acuerdo a los patrones de TEMA existentres clases estndares de construccin mecnica de intercambiadores: R, C y B.De stas slo se considerarn las clases R y C. (La Clase B es muy similar a laClase C). El equipo que se fabrica de acuerdo a los patrones de la Clase R,cumplen con todos los requisitos para los servicios que involucran unatransferencia de calor elevada.Sin embargo, existe una cantidad numerosa de aplicaciones que no requieren estetipo de construccin. Estas se caracterizan por bajas tendencias a la corrosin yensuciamiento, requiriendo factores de ensuciamiento que no exceden de0.00035 m2C/W (0.002 hpie2F/BTU) y lmites permisibles de corrosin que noexcedan 3.0 mm (1/8 pulg), para la unidad que se est considerando. Este tipode unidades pueden ser consideradas como equipos cuya frecuencia demantenimiento es baja. En esta categora se encuentran los intercambiadores deservicio agua/agua, enfriadores de aire, y aplicaciones similares de corrientes queno sean hidrocarburos; tambin se incluyen algunos servicios de hidrocarburoslivianos, tales como: intercambiadores para fracciones livianos de crudo,calentadores de aceite lubricante y algunos calentadores de tanques de succin.Para estos servicios, se debera considerar la construccin Clase C. Aunque lasunidades que se fabrican de acuerdo a la Clase R o a la Clase C, cumplen contodos los requisitos de los cdigos pertinentes, (ASME u otros cdigosnacionales); las unidades Clase C se disean para lograr una mayor economa,pudindose conseguir un ahorro en costos de hasta el 5% con respecto a lasunidades Clase R.

4.5.2 Enfriadores de aireLos enfriadores de aire consisten de uno o ms ventiladores de flujo axial,velocidades relativamente bajas y dimetros grandes, que forzan o inducen al airea fluir a travs de un banco de tubos, generalmente con aletas. La configuracinbsica de una unidad es un banco de tubos aleteados montado sobre unaestructura de acero con una cmara de pleno y un anillo vnturi, un motor y otrosaccesorios como persianas, guardaventilador, alambrado e interruptores devibracin.La seleccin entre enfriadores de aire o intercambiadores convencionales detubos y carcaza, depende del balance econmico, el cual debe considerar en lainversin inicial, los costos de las facilidades requeridas dentro y fuera del rea,para la instalacin de los equipos y los costos de operacin de los mismos.En general, los enfriadores de aire resultan especialmente atractivos en aqullaslocalidades donde el agua escasea o requieren un tratamiento costoso como unatorre de enfriamiento, donde las leyes de contaminacin ambiental establezcan




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requisitos estrictos para los efluentes de agua, donde la expansin de los sistemasde agua de enfriamiento sea necesaria, o donde la naturaleza del medio enfriantecause taponamientos frecuentes o problemas de corrosin. En resumen, estasunidades requieren una inversin inicial mas alta que los enfriadores de agua perolos costos de operacin y mantenimiento son menores. Estos equipos se utilizancon frecuencia en combinacin con enfriadores de agua, cuando se requiereremover una gran cantidad de calor. En este caso los enfriadores de aireremueven primero la mayor parte del calor y el enfriamiento final se consigue conlos de agua. tambin pueden utilizarse como enfriadores de emergencia en casode requerirse un bombeo rpido de una corriente de proceso.Estas unidades an con el ventilador apagado, son capaces de remover porconveccin natural entre 15 y 35% del calor de diseo, dependiendo del rango detemperatura de la corriente de proceso entrando al enfriador.Los enfriadores de aire ocupan un rea relativamente grande. Por lo tanto, estasunidades se instalan normalmente encima de los tendidos de lneas y de losequipos de proceso, tales como tambores e intercambiadores. Para los criteriosde seguridad aplicados, ver el documento PDVSAMDP08SG01. Cuandose considere la instalacin de enfriadores de aire, se debera tomar en cuenta elefecto que puedan tener las prdidas de calor de los equipos circundantes, en latemperatura de entrada del aire.El documento PDVSAMDP05E03 presenta una descripcin detallada y elprocedimiento de diseo para los enfriadores de aire.

4.5.3 Intercambiadores de doble tuboLos intercambiadores comerciales de doble tubo consisten de uno o ms tubos,encerrados dentro de otro tubo en forma de U u horquilla que hace el papel decarcaza. Aunque algunas secciones de los intercambiadores de doble tubo tienentubos lisos, la mayora tienen aletas longitudinales en la superficie externa de lostubos. Son unidades de costos relativamente bajos, resistentes y se puedendesmantelar fcilmente para limpieza, removiendo la tapa colocada en el extremoen U del tubo externo, desmontando ambos cierres frontales y retirando elelemento de transferencia de calor. Estos intercambiadores se encuentrandisponibles como unidades de fabricacin estndar.Las secciones de doble tubo permiten un flujo en contracorriente y corrienteverdadero, lo cual puede ser particularmente ventajoso cuando se requierentemperaturas de aproximacin pequeas o rangos de temperaturas grandes.Adems, las unidades de doble tubo encajan muy bien en aquellas aplicacionesque involucran presiones altas y/o flujos bajos, debido a que estas unidades sonde dimetros relativamente pequeos. Esto permite el uso de bridas pequeasy paredes delgadas, si se las compara con los equipos de carcaza y tuboconvencionales. Las secciones de doble tubo han sido diseados para presiones




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de 16500 kPa man. (2400 psig), inclusive, en el lado de la carcaza, y 103400 kPaman. (15000 psig), inclusive, en el lado de los tubos. Las juntas de metal a metal,juntas de anillo o anillos tipo O se utilizan en los cierres terminales frontales apresiones bajas.Los intercambiadores de doble tubo simple se encuentran disponibles en elmercado en diferentes tamaos. El dimetro nominal de la carcaza oscila entre50 y 100 mm (2 a 4 pulg) y el de los tubos internos entre 20 y 65 mm (3/42 1/2pulg). Estos intercambiadores pueden ser justificados econmicamente cuandola superficie equivalente de la carcaza y el tubo interno que se requiere, sea menorde 30 metros cuadrados (300 pie2).Los intercambiadores de doble tubo mltiples contienen hasta 64 tubos dentro deltubo exterior o carcaza. Los tubos internos, los cuales pueden ser lisos o conaletas, se encuentran disponibles en dimetros externos entre 16 mm y 22 (5/8 a7/8 pulg). Sin embargo, en aquellas secciones que contengan ms de 19 tubos,slo se utilizan normalmente tubos lisos. Los tamaos nominales de la carcazavaran entre 100 mm y 400 mm (4 y 16 pulg) de dimetro nominal.Para mayor informacin acerca de los intercambiadores de doble tubo, verdocumento PDVSAMDP05E04.

4.5.4 Intercambiadores de superficie extendida

En los tubos lisos, usualmente, la relacin entre la superficie externa y la internase encuentra en el rango de 1.1 a 1.5, dependiendo, por supuesto del dimetro yel espesor de pared. Aquellos tubos con una mayor relacin de superficies, en elrango 3 a 40, se les conoce como tubos de superficie extendida; y porantonomasia, los intercambiadores construidos con este tipo de tubos se lesdenomina Intercambiadores de superficie extendida.

Los tubos de superficie extendida presentan aletas, normalmente, transversaleso longitudinales; aunque otros tipos de aletas, como espigas (peg), espinas(spines) o helicoidal pueden ser usadas. Las aletas longitudinales, para diseosde flujo paralelo a los tubos, son especialmente aplicables en servicios donde lacada de presin es pequea y el fluido en el lado de las aletas es limpio. Las aletastransversales son generalmente para diseos de flujo perpendicular a los tubos.Este tipo de superficie se emplea cuando, debido a las propiedades detransferencia de calor de un fluido, existe una resistencia alta para el flujo de calor,mientras que las propiedades del otro fluido permiten una resistencia baja. Elfluido con la resistencia alta al flujo de calor se pone en contacto con la superficiede las aletas. En los documentos PDVSAMDP05E02/ 03 se presentanlas guas para la utilizacin de las superficies extendidas en los intercambiadoresde carcaza y tubos.




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4.5.5 Intercambiadores de placasDesde 1930 los intercambiadores de placa han sido usados en la industria qumicay de alimentos. Actualmente su uso se ha extendido considerablemente hacia laindustria petrolera, especialmente cuando se requiere un sistema de intercambiode calor compacto y flexible en rangos de temperatura por debajo de 250 C (482F) y 2533 kPa man. (368 psig).En estas unidades, la superficie de transferencia de calor es construida deplanchas de metal en lugar de tubos. Estas planchas pueden ser de superficie lisa,corrugada o canalizada. Dependiendo del tipo de superficie de la plancha y de laconfiguracin de la unidad, se conocen cuatro (4) tipos de intercambiadores deplaca, a saber : (1) intercambiadores de placas en espiral (Spiral Plate), (2)intercambiadores de placas con empacadura (PlateandFrame Exchanger), (3)intercambiadores de placas con aletas (PlateandFin Exchanger) y (4)intercambiadores de laminas repujadas (Patterned Plates).Dada la poca experiencia existente en estos tipos de intercambiadores, tanto enla IPPCN como en la compaas de ingeniera, este manual recomienda que eldiseo de estas unidades sea realizado por los vendedores o fabricantes de estasunidades, dada su experiencia en dicha rea.1. Intercambiadores de placas en espiral (Spiral Plate). Estas unidades

consisten, esencialmente, de dos planchas paralelas, enrolladas en espiraly soldados, adecuadamente, los extremos alternos de las planchasadyacentes para formar un par de canales concntricos. Las planchas sonseparadas por protuberancias abollonadas en una de las planchas. Un fluidoentra en el centro del espiral y fluye hacia afuera; mientras el otro entra enla periferia y fluye hacia el centro, en contracorriente. Debido a la trayectoriaen espiral de los fluidos, estas unidades presentan un coeficiente global detransferencia de calor ms alto que las unidades convencionales y unareduccin de la formacin de depsitos de sucio. En la mayora de losservicios no presentan problemas de expansin trmica y son relativamentefciles de limpiar. Son utilizables en el manejo de fluidos viscosos o concontenido de solidos, y como condensadores o reboilers. En la Figura 9.ase muestran versiones de este tipo de equipos.

2. Intercambiadores de Placas con Empacadura (PlateandFrameExchanger). En la Figura 9.b se muestra un intercambiador tpico deplacas. Estas unidades consisten en un conjunto de planchas de metal muydelgadas y corrugadas, mantenidas juntas en un bastidor y selladas en susbordes, para prevenir fugas hacia afuera, por una empacadura compresible,formando as una serie de pasadizos estrechos e interconectados, a travsde los cuales son bombeados los fluidos. El fluido caliente y el fro siguenpasadizos alternos y el calor es transferido a travs de las planchas con unaresistencia trmica relativamente baja. El bastidor es una estructura rgida




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formado por una placa fija en un extremo y una columna de soporte en el otro,conectados ambos en el tope por una barra de sustentacin y en el fondo porun riel gua. Estas unidades resultan atractivas para su uso en lugaresconfinados o sensibles al peso, como barcos o plataformas costa afuera (porejemplo, plataformas de produccin en el Lago de Maracaibo), debido a quelas superficies de transferencia son relativamente compactas y livianas.Pueden ser fabricadas con cualquier metal, aunque acero al carbono es pocousado porque el equipo no sera competitivo con las unidades de tubo ycarcaza. Los rangos de temperatura y presin son limitados a valoresrelativamente bajos, debido al material de la empacadura y de construccin.

3. Intercambiadores de placas con aletas (PlateandFin Exchanger).Los intercambiadores de placas con aletas representan la forma mascompacta de superficie de transferencia de calor, por lo menos en el casousual donde los fluidos deben mantenerse separados. El peso tambin esmantenido al mnimo. La presin de diseo puede alcanzar hasta 4826 kPaman. (700 psig.) y la temperatura en el orden de los 800C (1472F),inclusive temperaturas mas altas pueden usarse, si se utiliza como materialde construccin, cermica. Usualmente, el material de construccin esaluminio y las condiciones mximas de diseo son 4100 kPa man. (600 psig)y 67C (150F). Estas unidades son construidas de mltiples capas de hojasde metal corrugadas (aletas), formando una especie de matriz porosa ocorrugada, colocada entre lminas planas de metal que sirven comotabiques separadores, como se muestra en la figura 9.c. El fluido entrandoy saliendo de de la matriz corrugada es controlado por distribuidores, con unabarra lateral solida usada para prevenir que un fluido entre en los canales delotro fluido. Mas de un fluido puede ser manejado en una sola unidad,mediante el arreglo adecuado de los distribuidores. El conjunto de matrizcorrugada, laminas planas y barras laterales es soldado con una soldadurafuerte, resultando en una estructura resistente y rgida con una densidadvolumtrica del rea de transferencia de calor muy alta. Sin embargo, estasunidades presentan limitaciones en cuanto a su tamao, materiales deconstruccin y limpieza. Siendo esta ltima su limitacin mas generalizada,puesto que el tipo de construccin (completamente soldada y estrechospasadizos) no permite el acceso para una limpieza mecnica, y el uso dequmicos no resulta completamente satisfactorio dada la dificultad depenetracin del fluido de limpieza. Por lo tanto, este tipo de unidades sonespecificadas para servicios de fluidos limpios, siendo el rea mas comn deaplicacin los procesos criognicos, tales como produccin de gas naturalliquido, purificacin de hidrgeno etc., y actualmente se usan en las plantasde etileno.

4. Intercambiadores de lminas repujadas (Patterned Plates). En estasunidades las superficies de transferencia de calor son construidas con dosplanchas de metal, una de las cuales o ambas son repujadas, unidas con




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soldadura normal o de latn de tal manera que forman canales parecidos aun serpentn. Un fluido circula a travs de dichos canales y el otro alrededorde la superficie externa de las planchas. Estas unidades son poco costosas,livianas y fciles de limpiar en el lado externo. Su aplicacin principal es elenfriamiento y calentamiento de tanques. Las unidades conocidas como losIntercambiadores Lamella o Ramen son construidos soldando estassuperficies de transferencia en una placa de tubos para formar un haz detubos que es colocado en una carcaza. Aunque generalmente se construyenpara presiones hasta 1724 kPa man. (250 psig), pueden ser diseadas parapresiones tan altas como 10342 kPa man. (1500 psig).

4.5.6 Intercambiadores de tipo espiral (Hampson Coil)Los intercambiadores de tubos en forma de espirales consisten de un grupo deserpentines concntricos enrollados en forma de espiral, los cuales estnconectados a placas o cabezales de tubos. Entre sus caractersticas se puedenmencionar las siguientes: son econmicos, de fcil instalacin y limpieza; seutilizan para flujo en contracorriente, no tienen problemas de expansindiferencial, son compactos y pueden ser usados para el intercambio de calor dedos o ms fluidos. Estas unidades se utilizan normalmente en las aplicacionescriognicas, donde la presin de proceso es 4500 kPa man. (650 psig) o mayor;siendo particularmente tiles en el manejo de fluidos viscosos y aplicables comocondensadores o rehervidores.El documento PDVSAMDP05E05 presenta detalles adicionales sobreestas unidades.

4.5.7 Otros tipos de intercambiadores de calorLa mayora de los tipos de intercambiadores se describieron previamente en lassubsecciones precedentes, pero ello no significa que se ha agotado ladisponibilidad de dispositivos para transferencia de calor; muchas otrasconfiguraciones especiales se encuentran disponibles en el mercado.A continuacin se describen brevemente algunos tipos de intercambiadores quese utilizan en la IPPCN bajo consideraciones especiales de proceso y/omateriales. Para mayor informacin sobre estos intercambiadores, consulte lasreferencias 7, 8, 9, y 13 mencionadas en la seccin 3. Adicionalmente, cuando serequiere utilizar este tipo de intercambiadores, se especifica normalmente el calora transferir dejndole el diseo a los fabricantes de este tipo especial de equipos,quienes disponen de metodologa de diseo, datos, experticia y garantizan laoperabilidad de los mismos.1. Intercambiadores tipo superficie raspadora (ScrapedSurface). Los

intercambiadores tipo superficie raspadora tienen un elemento rotatorioprovisto de una cuchilla sujeta a un resorte, la cual sirve para limpiar lasuperficie de transferencia de calor. Estos equipos pueden ser de baja (15




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a 150 rpm) y alta velocidad (200 a 2000 rpm) y ambos se utilizangeneralmente en plantas donde el fluido es muy viscoso o tiene tendencia aformar depsitos, como en las plantas de extraccin de parafinas (porejemplo: La Refinera de San Roque, CORPOVEN, S. A.). Las unidades dealta velocidad son especialmente usadas en aquellos servicios donde serequiere un corto tiempo de residencia para prevenir la formacin dedepsitos y la cristalizacin. Estos intercambiadores son de construccintipo doble tubo. El tubo interno, el cual lleva las cuchillas, se encuentradisponible en dimetros nominales de 150, 200 y 300 mm (6, 8 y 12 pulg,respectivamente). El tubo externo, el cual forma un pasadizo anular pordonde fluye el medio enfriante o refrigerante se dimensiona de acuerdo a lasnecesidades del caso en cuestin. El arreglo ms comn consiste en unmximo de 10 secciones horizontales de 300 mm (12 pulg) de dimetro o unmximo de 12 secciones horizontales de dimetro menor, conectadas enserie o series/paralelo formando dos filas verticales sobre una estructuraadecuada. Este tipo de arreglo se denomina soporte (Stand). Motores ycadena, o engranajes, ms los protectores apropiados complementan elsoporte (Stand). La secuencia normal de procesamiento incluye uno o msintercambiadores de soporte, seguidos de uno o ms enfriadores de soporteen servicio refrigerante.

2. Intercambiadores tipo bayoneta. Un intercambiador tipo bayonetaconsiste de un par de tubos concntricos, con el tubo externo soldado en unode sus extremos. El tubo interno o bayoneta sirve nicamente para suplir elfluido al ngulo localizado entre el tubo externo o funda y el interno. Latransferencia de calor ocurre solamente a travs del tubo externo, el cual esthecho normalmente de una aleacin muy costosa y el interno de acero alcarbono. Son unidades de gran utilidad cuando existe una diferenciaextremadamente alta entre el fluido del lado de la carcaza y el del lado de lostubos, ya que todas las partes sujetas a expansin diferencial, se muevenlibre e independientemente una de la otra; se utilizan en servicios con cambiode fase donde no es deseable tener un flujo bifsico en contra de la gravedad;son adecuadas en servicios en vaco, debido a su baja cada de presin yalgunas veces se coloca en tanques y equipos de proceso paracalentamiento y enfriamiento. Los costos por metro cuadrado para estasunidades son relativamente altos, ya que solamente el tubo externotransfiere calor al fluido que circula por la carcaza.

3. Enfriadores de pelcula vertical descendente. Los intercambiadores depelcula vertical descendente son del tipo de cabezal de tubos fijo. El aguase controla mediante un instrumento de medicin de la entrada de cada tuboy fluye por el interior de stos, formando una pelcula densa.

4. Enfriadores de serpentn (Worm Coolers). Estos enfriadores consistenen serpentines sumergidos en un recipiente con agua. Aunque estos




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enfriadores son de construccin simple, son extremadamente costosos pormetro cuadrado de superficie. Se utilizan solamente por razones especiales,por ejemplo, cuando se requiere un enfriamiento de emergencia y no existeotra fuente de agua disponible. La caja contiene agua suficiente para enfriarel lquido en caso que ocurra una perturbacin en la unidad y el agua deenfriamiento falle. Cuando se decide instalar estos equipos, los mismosdeberan utilizarse regularmente como parte del circuito de enfriamiento dela unidad.

5. Condensadores de contacto directo (Baromtricos). Un condensadorde contacto directo consiste en una torre pequea, en la cual el agua y elvapor circulan juntos. El vapor condensa mediante el contacto directo conlas gotas de agua. Su nombre se deriva del trmino cola de tubera larga(Long Tailpipe) o pata baromtrica (Barometric Leg), la cual se requierecuando es necesaria una descarga de condensado continua. Las unidadesde contacto directo se utilizan solamente cuando las solubilidades del medioenfriante y del fluido de proceso, son tales que no se crean problemas decontaminacin del agua o del producto. Las prdidas del fluido de procesoen el medio enfriante tambin deben evaluarse.

6. Enfriadores de cascada. Un condensador de cascada est constituido poruna serie de tubos colocados horizontalmente uno encima del otro y sobrelos cuales gotea agua de enfriamiento, proveniente de un distribuidor. Elfluido caliente generalmente circula en contracorriente respecto al flujo deagua. Los condensadores de cascada se utilizan solamente donde el fluidode proceso es altamente corrosivo, tal como sucede en el enfriamiento decido sulfrico. Estas unidades tambin se les conoce con el nombre deenfriadores de trombn (Trombone Coolers), enfriadores de gotas oenfriadores de serpentn.

7. Intercambiadores de grafito impermeable. Los intercambiadores degrafito impermeable se utilizan solamente en aquellos servicios que sonaltamente corrosivos, como por ejemplo, en la extraccin de isobutano y enlas plantas de concentracin de cidos y dmeros. Estas unidades seconstruyen en diferentes formas:a. Los intercambiadores de grafito cbico consisten de un bloque cbico

central de grafito impermeable, el cual es agujereado para proveerpasadizos para los fluidos de proceso y de servicio. Los cabezalesestn apernados a los lados del cubo de manera de distribuir el fluido.Los cubos se pueden interconectar para proveer rea adicional detransferencia de calor.

b. Los intercambiadores de grafito tipo bloque consisten de un bloque degrafito impermeable encerrado en una carcaza cilndrica. El fluido deproceso (lado de los tubos) fluye a travs de pasadizos axiales en el




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bloque, y el fluido de servicio (lado de la carcaza), circula porpasadizos transversales en el bloque.

c. Los intercambiadores de grafito de carcaza y tubos son iguales a losintercambiadores corrientes de carcaza y tubo, excepto que los tubos,las hojas de tubos y cabezales estn construidos de grafitoimpermeable.

4.6 Consideraciones generales de diseo4.6.1 Generalidades

La velocidad de transferencia de calor de un fluido a otro, a travs de una paredde metal es proporcional al coeficiente global de transferencia de calor, el rea dela pared y a la diferencia de temperatura entre el fluido caliente y el fro:

Q Uo x A x DTMe (Ec. 1)

donde:

En unidadesSI

En unidadesinglesas

Q

=

Velocidad de transferencia decalor

W

BTU / h

Uo

=

Coeficiente global detransferencia de calor basado enel rea externa de la superficiedel metal

W / m2 C

BTU / hpie2 F

A

=

Area externa de la superficie delmetal a travs de la cual ocurre latransferencia de calor

m2

pie2

DTMe

=

Diferencia de temperaturasmedias logartmicas entre losfluidos caliente y fro

C

F

Cuando se especifica un intercambiador de calor, el diseador casi siempreconoce o puede calcular sin mucha dificultad, los trminos Q y DTMe para lascondiciones de proceso dadas. Para obtener el valor apropiado del rea detransferencia de calor requerida, se necesita evaluar solamente el coeficiente Uo.Desafortunadamente, Uo es funcin del diseo y de las velocidades deensuciamiento. Por esta razn, el diseo de un intercambiador de calor requiereun clculo de ensayo y error (tanteo).




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El procedimiento general utilizado en el diseo de intercambiadores de calor sedescribe en la seccin 5.

4.6.2 Coeficiente global de transferencia de calor (U0)Esta disertacin terica sobre los coeficientes globales de transferencia de calores aplicable a todos los tipos de intercambiadores, excepto los de contacto directo.Cuando el calor fluye desde un fluido que circula por un lado de un tubo a otro fluidoque circula por el otro lado del tubo, dicho calor debe vencer las resistenciassiguientes: Rio, la cual es la resistencia de la pelcula laminar del fluido en el interior del tubo,

referida al rea externa del tubo. rio, la cual es la resistencia (factor de ensuciamiento) del material extrao

depositado en el interior de tubo, referida al rea externa del tubo. rw, la cual es la resistencia de la pared del tubo. ro, la cual es la resistencia (factor de ensuciamiento) del material extrao

depositado en el exterior del tubo. Ro, la cual es la resistencia de la pelcula laminar del fluido en el exterior del tubo.La suma de estas cinco resistencias se denomina resistencia total Rt y se definecomo:

Uo 1Rt(Ec. 2)

Los factores de ensuciamiento rio y ro se estiman basados en la experiencia outilizando los valores tpicos que se muestran en la Tabla 5. El trmino rw se calculaa partir del espesor y la conductividad trmica del metal. Rino y ro son funcionesde la velocidad msica y de las propiedades fsicas del fluido, y se evalan a partirde las correlaciones dadas en las subsecciones siguientes. Estas correlacionesestn dadas en trminos de hio y ho, donde 1/Ro = hi y 1/Rio = hio. Los trminosh se denominan coeficientes de pelcula.Los trminos de resistencia se expresan por unidad de rea (m2 o pie2). El rease refiere a los metros cuadrados (pie2) de superficie, donde ocurre la resistencia.Como las resistencias se suman para obtener una resistencia total, cadaresistencia debe estar referida a una misma rea en lugar de a su propia rea. Estoracionaliza los trminos y hace posible que puedan adicionarse. Es prcticacomn utilizar el rea externa de los tubos, como base para los clculos y laespecificacin de los intercambiadores. Esto se indica normalmente con elsubndice io, como se mostr anteriormente. Por ejemplo, hio es el coeficienteinterno basado en el rea externa del tubo. Para un tubo, hio = hi (di/do), dondehi es el coeficiente interno basado en el rea interna del tubo. Este factor ya hasido incluido en las correlaciones presentadas en este manual.




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La hoja de especificacin de intercambiadores de calor, que se muestra en laFigura 1., indican que dos coeficientes totales de transferencia de calor deberanser calculados; se debera calcular un coeficiente limpio y otro sucio (La hoja deespecificacin de los enfriadores de aire se muestra en el documentoPDVSAMDP05E03). El coeficiente limpio (Commercially CleanCoefficient) es el coeficiente total que puede esperarse cuando un intercambiadornuevo se pone por primera vez en servicio. Este coeficiente se calcula de lamanera siguiente:

1Uc Rc Rio Ro rw F1 (Ec. 3)

El factor F1 (F1 = 0.0002 m2 C/W = 0.001 h.pie2 F / BTU) es una resistencia quese estima por el ensuciamiento de un intercambiador nuevo debido a loslubricantes utilizados durante la expansin (Tube Roller Lubricants) de los tubos,la corrosin causada por la prueba hidrosttica del equipo, etc. Se supone queesta resistencia se divide uniformemente entre las superficies del lado de lacarcaza y del lado de los tubos.

4.6.3 Temperaturas de operacinLas temperaturas de operacin de un intercambiador son establecidas por lascondiciones del proceso. Sin embargo, en ciertos casos, el diseador delintercambiador puede establecer las condiciones de operacin, pero estas enningn caso pueden ser menores que las mnimas requeridas por el proceso. Acontinuacin se presentan criterios para la seleccin de la temperatura deoperacin:1. Temperatura de las corrientes a almacenaje La temperatura mxima de

una corriente enviada a un almacenaje abierto a la atmsfera, se establecegeneralmente de acuerdo a criterios de seguridad, aspectos econmicos oconsideraciones especiales del proceso (Ver documentoPDVSAMDP08SG01): a. Criterios de seguridad Una corriente enviada a un tanque situado

a nivel del mar y abierto a la atmsfera, no debera exceder latemperatura a la cual su presin de vapor verdadera sea 89.6 kPa abs.(13 psia). Este valor se reduce 11.3 kPa, por cada 1000 m (0.5 psi porcada 1000 pie) de elevacin. Para las corrientes pesadas cuyapresin de vapor verdadera es difcil de determinar, la temperaturamxima a almacenaje debera ser el valor ms bajo entre 28C (50F)por debajo del punto inicial de ebullicin ASTM y 8C (15F) por debajodel punto de inflamacin mnimo. Las corrientes no deberan enviarsea almacenaje a temperaturas superiores de 90 a 120C (200 a 250F).Si se opera en este rango de temperatura o por encima de l, el agua




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remanente en el tanque podra evaporarse ocasionando underramamiento del tanque.

b. Aspectos econmicos La seleccin de la temperatura ptima deuna corriente enviada a un tanque de techo cnico, se basageneralmente en un balance econmico entre el costo en que seincurre al aumentar la superficie del enfriador y el consumo de aguade enfriamiento, y el ahorro que se produce al reducir las prdidas porvaporizacin del producto enviado a almacenamiento. El mtodo paradeterminar las prdidas por vaporizacin se presentan en losBoletines API siguientes:

API Bulletin 2516 Evaporation loss from lowpressure tanks (R1993)

API Bulletin 2517 Evaporative loss from floating root tanks thirdedition; Addendum 1994

API Manual of Petroleum Measurements Standards Ch 19 Evaporative loss measurement Section 1 Evaporative loss fromfixedroof tanks (Supercedes Bulletin 2518).

API Bulletin 2519 Evaporation loss from internal floating roof tanks(R 1990).

Como las prdidas en un tanque de techo flotante son despreciables,la temperatura ptima es la mxima que se permita por razones deseguridad (Consulte al respecto el Manual de Ingeniera de Riesgosde PDVSA).

c. Consideraciones especiales La oportunidad para optimizar latemperatura de una corriente que va a almacenaje es mayor para losproductos intermedios. Sin embargo, se requieren consideracionesespeciales para los casos siguientes:

c.1. Corrientes que se almacenan antes de un proceso que requiere larefrigeracin de la alimentacin.

c.2. Corrientes cuyas propiedades se degradan permanentemente atemperaturas altas de almacenamiento.

c.3. Corrientes que se almacenan antes de ser mezcladas. Lastemperaturas de almacenaje de estas corrientes deberan elegirsedespus de considerar las propiedades y la temperatura de la mezcla,suponiendo que no exista prdidas de calor en el almacenajeintermedio.




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Adems de la alimentacin mencionada anteriormente, latemperatura de una corriente que va al almacenaje final, est limitadanormalmente a un mximo de 57C (135F), si el producto tiene queser transportado por barco o tanquero. Sin embargo, algunas vecesse utilizan temperaturas superiores a los 65C (150F), pero elprocedimiento de operacin a temperaturas elevadas tiene que seraprobado por el personal de embarque.

2. Temperatura del agua de enfriamiento Las temperaturas de salidamximas permitidas para el agua de enfriamiento (determinadas porconsideraciones de ensuciamiento), en enfriadores que no sean recipientesllenos de agua son las siguientes (Box Coolers):

Agua Salada 48C (120F) Agua Salobre 51C (125F) Agua Dulce 54C (130F)La temperatura mxima de operacin utilizada para un proyectodebera verificarse con el cliente, ya que sta tiene una influenciaimportante en la determinacin de la superficie.Otro criterio igual o ms importante, es el de la mxima temperaturapermitida para la pelcula del agua de enfriamiento. Esta es latemperatura de pelcula promedio a la salida del agua. Los lmites sonlos siguientes: Agua Salada 60C (140F) Agua Dulce 65C (150F)Para los intercambiadores tipo serpentines sumergidos en recipientescon agua, la temperatura de salida mxima del agua de enfriamientoes 65C (150F), tanto para el agua salada como el agua dulce. Si sepermite que las temperaturas de pelcula del agua excedan los valoresanteriores, puede ocurrir un ensuciamiento catastrfico.En aquellos casos donde la temperatura de salida de la corrientecaliente es igual o menor que la temperatura de salida mximapermitida del agua de enfriamiento, se requiere hacer un pequeoestudio econmico para determinar la temperatura ptima de salidadel agua. Este estudio consiste en comparar superficie versusrequerimientos de agua de enfriamiento, para diferentes valores detemperatura de salida del agua. Sin embargo, para este caso latemperatura de salida del agua se determina diseando elintercambiador de manera tal que el factor de correccin de ladiferencia de temperaturas media logartmica (Fn) sea igual al valormnimo permitido (0.8). Se debe mantener presente la posibilidad deutilizar una unidad de dos pasos en la carcaza o dos carcazas en serie,para estas situaciones.




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Algunas veces, un condensador o un enfriador puede disearseutilizando una gran cantidad de agua de enfriamiento con unatemperatura de salida relativamente baja. Cuando este sea el caso, sedebera tener presente la posibilidad de reutilizar esta agua en otrosenfriadores, donde la temperatura de salida del agua sea igual a lamxima permitida. Los intercambiadores tipo serpentn sumergido enrecipiente con agua operan con agua que ha sido utilizadapreviamente.En la Tabla 4 se presenta una lista de las temperaturas de entrada delagua de enfriamiento, que se recomienda utilizar en el diseo deacuerdo a la ubicacin de la refinera y al tipo de agua.

3. Temperatura de aproximacin La seleccin del arreglo ptimo de unaserie de intercambiadores (tren de intercambiadores), requiere de un estudioeconmico ms complejo debido al gran nmero de variables que se tienenque considerar. En muchos casos, no solamente el calor total requerido sedebe distribuir entre los intercambiadores y un horno (o vapor), sino que sedebe tener en cuenta que este calor puede ser suministrado por otrascorrientes de diferentes niveles de entalpa, que se encuentren disponibles.Se deben considerar los costos de inversin de los intercambiadores,enfriadores y el horno (o calentador a vapor). Los costos de operacin deestos equipos tambin deben incluirse. Es posible transferir mucho calor alextremo fro de un tren de intercambiadores de calor o requerir un reaexcesiva en un punto ms distante donde la corriente que se calienta haaumentado su temperatura. Tambin, cuando se desea obtener la mayorcantidad de calor que sea posible, la temperatura de aproximacin(diferencia de temperatura entre las temperaturas de salida de las corrientes)que se utilice debe ser pequea, de manera tal que el diseo resulteeconmico. En aquellos casos donde el costo del combustible es alto (mayorde $1.40 por milln kJ (1.5$ por milln de BTU)), es muy importante efectuarun anlisis crtico a la parte econmica. Para mayores detalles versubseccin 4.9.

4.6.4 Diferencia efectiva de temperaturaA. Sin cambio de faseLa diferencia de temperatura efectiva, DTMe, entre los fluidos caliente y fro es lafuerza motora del mecanismo de transferencia de calor. Esta temperatura secalcula a partir de la diferencia de temperatura media logartmica encontracorriente, la cual se corrige mediante factores, los cuales toman enconsideracin el arreglo de flujo que se vaya a utilizar.B. Con cambio de faseEn el caso de condensacin o vaporizacin, la relacin entre Q y la temperaturadel fluido no es lineal. En este caso, se hace necesario dividir el intercambiador en




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zonas de manera tal que Q sea aproximadamente lineal con las temperaturas paracada zona. Basadas en las diferencias de temperaturas media logartmicas y loscalores transferidos en cada una de las zonas, se obtiene un DTMe total para todoel intercambiador. Los mtodos que se utilizan para obtener el DTMe se presentanen los documentos que tratan sobre cambio de fase (PDVSAMDP05E02 / 03).

4.6.5 Factores de ensuciamientoLas resistencias a la transferencia de calor debidas al ensuciamiento soncausadas por sedimentos, polmeros y otros depsitos que se forman en lasparedes internas y externas de los tubos de los intercambiadores de calor. Losvalores que se utilizan en el diseo toman en cuenta las resistencias que seesperan durante la operacin normal del equipo y un tiempo de servicio razonableentre los perodos de limpieza. Los factores de ensuciamiento se representan conlos smbolos rio y ro.En la Tabla 5 se presentan los factores de ensuciamiento normales para diferentestipos de servicio, basados en las recomendaciones de la Asociacin deFabricantes de Intercambiadores Tubulares (TEMA) y en la experiencias pasadasde la IPPCN. Observe que estos factores aplican a la superficie sobre la cual elensuciamiento ocurre. Aunque parece algo ridculo ajustar un valor de pocaprecisin a un rea de referencia, este paso se requiere para los clculos porcomputadora y se hace durante los clculos manuales con el propsito de serconsistente. Los factores de ensuciamiento tabulados pretenden evitar que elintercambiador transfiera menos calor que el requerido por el proceso, durante unperodo aproximado de un ao a un ao y medio. Sin embargo, esta tabla essolamente una gua, ya que cuando exista informacin que pueda ser utilizadapara determinar con precisin el factor de ensuciamiento para un servicio enparticular, este factor debera utilizarse en lugar de los valores que se presentanen la Tabla 5.La importancia de los factores de ensuciamiento depende del valor del coeficientede transferencia de calor limpio, Uc; mientras mejor sea este coeficiente msimportante es el factor de ensuciamiento. Despus de un clculo preliminar de Uc,es fcil determinar el efecto que tiene el doblar (o disminuir a la mitad) los factoresde ensuciamiento que se han supuesto sobre el tamao del intercambiador. Sieste efecto es pequeo (5% o menos), no se justifica determinar un factor deensuciamiento ms preciso. Sin embargo, muchas veces el Uc es tan grande queel tamao del intercambiador depende exclusivamente del valor del factor deensuciamiento. En estos casos, se debera examinar minuciosamente los datosde planta que se encuentran disponibles.Para el diseo de intercambiadores es muy importante considerar los criteriossiguientes sobre ensuciamiento:




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1. El ensuciamiento no es usualmente severo por debajo de los 120C (250F).2. El ensuciamiento es ms severo cuando los hidrocarburos se calientan que

cuando se enfran. Esto se cumple particularmente para los crudos quecontienen sales disueltas en el agua y slidos suspendidos. El tren deprecalentamiento de crudo de las unidades de destilacin, muchas vecesincluye un desalador o un tambor vaporizador para remover el agua antesque el crudo alcance la temperatura de evaporacin del agua. De estamanera, se reduce el ensuciamiento de los intercambiadores de crudocausado por las sales.

3. La vaporizacin en un intercambiador puede causar ensuciamiento severo,debido a la concentracin, de depsitos en el lquido remanente hasta elpunto de sobresaturacin.

4. Altas velocidades tienden a reducir el ensuciamiento. Esto se cumpleespecialmente en los casos de agua de enfriamiento que contiene sal, crudocon arena y gases con partculas.

5. La alimentacin a los hidrofinadores, reformadores catalticos y plantas dedesintegracin cataltica, muchas veces se ve afectada por un proceso deensuciamiento severo debido a las reacciones orgnicas con oxgeno, queocurren mientras la alimentacin se encuentra almacenada en los tanques.Este proceso de ensuciamiento puede reducirse estableciendo unaatmsfera de gas inerte en los tanques de almacenamiento.

6. Los fondos de una torre de destilacin de crudo, aunque son pesados y seencuentra a una temperatura elevada, no ocasionan normalmente muchoensuciamiento (siempre y cuando la temperatura de la zona de vaporizacininstantnea no sea excesiva).

4.6.6 Cada de presinLa cada de presin en un intercambiador es producto de tres tipos de prdidas:las prdidas por friccin debido al flujo, las prdidas debidas a cambios en ladireccin del flujo y las prdidas causadas por la expansin y contraccin en lasentradas y salidas de las boquillas y tubos. El mtodo para calcular la cada depresin es diferente para cada tipo de intercambiador y se discutir en lassubsecciones correspondientes. En la tabla 6 se presentan valores tpicos decada de presin en intercambiadores.El diseo de un intercambiador de calor esta basado usualmente en un balanceeconmico entre el costo de la superficie del intercambiador y el costo de lasbombas o compresores. El costo de un servicio, como por ejemplo el agua, seincluye con frecuencia en este balance econmico. Velocidades msicas altas atravs del intercambiador permiten un coeficiente de transferencia mayor y unrea menor, pero se requiere una cada de presin mayor. Esta situacin requiere




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de una instalacin con costos de inversin y operacin de la bomba o el compresormayores y un costo de inversin del intercambiador menor. En algunas ocasiones,un sistema en particular puede tener una cada de presin excesiva, la cualdebera ser utilizada para minimizar el costo del intercambiador.En general, la necesidad de hacer un balance econmico detallado entre la cadade presin y el rea del intercambiador, puede determinarse observando el efectoque tiene el coeficiente de pelcula individual sobre el coeficiente total detransferencia de calor. Poco se gana especificando una cada de presin mayorpara un fluido en un intercambiador, si el otro fluido tiene un coeficiente de pelculasignificativamente bajo. Para tales casos, un balance econmico detallado esinnecesario.No es deseable tener altas cadas de presin, ya que stas contribuyen a laerosin, requiriendo el uso de internos de espesor excesivo y de vlvulas,accesorios o tuberas de una clasificacin mayor en el circuito del intercambiador.

4.6.7 Temperatura y presin de diseoLos criterios presentados en el documento PDVSAMDP (Pendiente) (ConsultarMDP versin 1986, Seccin 2) (Temperatura de diseo, presin de diseo yclasificacin de bridas) deberan ser seguidos al fijar las condiciones de diseo.C. Presin de diseoLas presiones de diseo de los lados caliente y fro de un intercambiador sedeterminan independientemente en base a las condiciones de operacin., segnlos siguientes criterios (para mayores detalles ver el documento PDVSAMDP(Pendiente) (Consultar MDP versin 1986, Seccin 2).1. La presin de diseo debe ser igual a la mxima presin de operacin

esperada mas el mayor valor entre un 10% de dicha presin y 172 kPa man.(25 psig).

2. La mnima presin de diseo debe ser 207 kPa man. (30 psig).Ocasionalmente, uno de los pases internos de un intercambiador puedefallar. Entonces el lado de presin alta podra ejercer su presin sobre el ladode presin baja. Si la presin de diseo del lado de presin baja es mayor oigual a los dos tercios de la presin de diseo del lado de presin alta, no serequiere ninguna consideracin adicional en caso que alguno de los internosfalle. Los intercambiadores se prueban hasta por lo menos 150% de lapresin de diseo y pueden utilizarse satisfactoriamente bajo esta presinpor perodos cortos de tiempo.Si la presin de diseo del lado de presin baja es menor que dos tercios dela presin de diseo del lado de presin alta, se debe examinar el sistemapara ver que pasara cuando ocurra un flujo rpido a travs de un paseinterno que haya fallado. Si existe un camino adecuado de escape para el




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fluido de alta presin o si una vlvula de control automtica abre de manerade proveer una va de escape adecuada, no es necesario tomar en cuentaconsideraciones adicionales. Pero si la va de escape puede ser bloqueada,o es inadecuada, el diseador debera establecer la presin mnima por fallainterna (presin de equilibrio bajo condiciones de una falla interna) que serequiere para manejar esta emergencia (Ver los siguientes do

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