Diseño de un Intercambiador de Calor (Reboiler)

Un intercambiador de calor es un dispositivo diseñado para transferir calor entre dos fluidos, o entre la superficie de un sólido y un fluido en movimiento. Los intercambiadores de calor se encuentran en muchos sistemas químicos o mecánicos. Son elementos fundamentales en los sistemas de calefacción, refrigeración, acondicionamiento de aire, producción de energía y procesamiento químico, y también en apartados de la vida cotidiana como calentadores, frigoríficos, calderas, ordenadores, el radiador del motor de un automóvil, pre calentadores, o enfriamiento de fluido entre otros.

En el presente proyecto se dará a conocer el funcionamiento de un Reboiler y los cálculos pertinentes. Cabe destacar que los datos proporcionados o buscados en la web fueron hallados en documentos de internet (Ficha Técnica) la cual nos da a conocer los calores reales de nuestro Reboiler. Los cálculos que nosotros ejecutaremos serán para realizar comparaciones desde los datos reales a los calculados en nuestro proyecto.

Se dará a conocer conceptos básicos pertinentes a nuestro sistema, en conjunto a esto por su puesto el esquema realizado en 2 y 3D que permitirá dar puntos más representativos a nivel gráfico y saber precisamente de qué se está hablando.

Justificación

 En el curso de 8vo paralelo “A” se desea demostrar los conocimientos adquiridos durante la asignación impartida por el docente Ing. Jouber Azua, presentando un proyecto de intercambiador de calor de coraza y tubo (Reboiler/hervidor) que presentará la respectiva base teórica, planteamiento de la problemática, esquemas del sistema para ser representativos y llegar a explicar de una mejor manera el proceso que se lleva a cabo dentro del intercambiador de calor de coraza y tubo (Reboiler/rehervidor), acompañado con los respectivos cálculos del sistema.

La utilización de intercambiadores de calor de haz de tubos y coraza está muy desarrollada dentro de la industria en general, por lo que es necesario que los estudiantes de Ingeniería Industrial tengan mayor conocimiento del comportamiento funcional de un intercambiador de calor de este tipo. 

Fundamentos Teóricos

Transferencia de Calor

En los tipos comunes, tales como intercambiadores de coraza y tubos y los radiadores de automóvil, la transferencia de calor se realiza fundamentalmente por conducción y convección desde un fluido caliente a otro frío que está separado por una pared metálica. (Conceptos de Intercambiadores de Coraza y tubo , 2018)

Intercambiadores de calor de coraza y tubos

Las unidades conocidas con este nombre están compuestas en esencia por tubos de sección circular montados dentro de una coraza cilíndrica con sus ejes paralelos al aire de la coraza.

Mezcla C20

El C20 es una sustancia mezclada o unida entre el Argón y Co2, son usados para aumentar la efectividad al momento de soldar, incrementa de a un 92% hasta un 95% su eficiencia. (Este será el fluido que interviene y pasa por los tubos de nuestro sistema)

En el presente proyecto nos vamos a basar en un Reboiler, el cual detallamos a continuación

¿Qué es un Reboiler?

Los Reboilers son equipos de producción de vapor cuyo funcionamiento parte de la transmisión de calor procedente de una fuente auxiliar de vapor y de la recuperación del condensado que se introduce directamente en el equipo. (Conceptos Reboiler, 2017)

Funcionamiento de un Reboiler de vapor

El cuerpo del Reboiler, en disposición horizontal, alberga en su interior un haz de tubos por dónde circula el vapor de la fuente auxiliar, diseñados específicamente para trabajar en las condiciones de caudal, presión y temperatura. (Reboiler y su funcionamiento , 2015)

Dicho haz tubular está sumergido en su totalidad en el condensado recuperado que absorberá el calor cedido por la fuente para la generación de vapor.

Dicho vapor queda almacenado en la cámara de vapor del equipo para su posterior paso a la línea de proceso.

A Continuación, se describe las partes del Reboiler (intercambiador de calor de coraza y tubo):

Representación gráfica de la distribución de un Reboiler:

1.      Entrada del fluido de lado de los tubos: En la entrada del lado de tubos ingresa Gasoil Pesado (HCGO)

2.      Salida del fluido del lado de los tubos: Por la salida inferior izquierda obtenemos el excedente de agua que ingresó inicialmente al sistema.

3.      Cabezal fijo: Este es el que contiene dos puntos importantes del sistema, La entrada del fluido (agua) y la salida del excedente del mismo fluido.

4.      Haz de tubos:  Este es el conjunto de tubos paralelos, rectos o en forma de U, de nuestro generador de vapor.

5.      Deflectores: Un deflector está diseñado para soportar haces de tubos y dirigir el flujo de fluidos para una máxima eficiencia.

6.      Carcasa: Básicamente viene a ser el recubrimiento de todo el sistema donde se alberga tubos en u, deflectores y el fluido con el que se trabaje.

7.      Salida del fluido del lado de la carcasa: En esta salida superior del Reboiler, se emite del mismo Nafta Estable, siendo nuestro fluido resultante.

8.      Entrada del fluido del lado de la carcasa: En la entrada inferior del Reboiler ingresa Nafta Estable para ejecutar el proceso en el sistema.

9.      Cabezal Flotante: Esta parte del Reboiler contiene el extremo de los tubos en u y cierra nuestro sistema de vapor.

10.  Placa tubular: Es una placa de metal perforada para albergar los tubos, los cuales se fijan mediante expansión o soldadura.

DESCRIPCIÓN DEL CASO

El equipo seleccionado es un calentador (reboiler), hace parte una columna de rectificación, para el calentamiento del fluido de C20 que se encuentra en un reservorio cuyo calentamiento permitirá transformar el líquido en vapor.

El equipo consta de una coraza y por este lado fluye una mezcla de C20 y Vapor de agua saturado que será calentado para su respectiva separación. Este fluido ingresa al calentador a una temperatura de 122 °F y sale del sistema a 158,8 °F. En el interior del equipo, se encuentran una serie de tubos cada uno con un diámetro interior de 10 in  y diámetro exterior de 0,750, por los cuales fluye el Vapor saturado que se encuentra a una temperatura de entrada a 327,81 °F y sale a una temperatura de 327,81 °F, este fluido se encarga de calentar la mezcla. El sistema se encuentra conformado por 1 paso por la coraza, y 8 pasos por los tubos.

 Determinar:

1)      Flujo de calor requerido

2)      Masa de los fluidos que circulan por los tubos.

3)      Temperatura media logarítmica. (LMTD)

4)      Calcular el coeficiente global de transferencia de calor.

5)      El área de transferencia de calor y flujo de calo calculado

PRESENTACIÓN DEL ESQUEMA Y DATOS RELEVANTES

 

Representación gráfica en el software (diferentes ángulos y distancias):

Primera representación gráfica hallada de un Reboiler:

CÁLCULOS

 

FICHA TÉCNICA 

Especificaciones de diseño del intercambiador de calor de casco y tubo REBOILER (Unidades en SI)
Fluido caliente		Unidades (SI)	Fluido frio		Unidades (SI)
Nombre	Vapor Saturado		Nombre	Mezcla C2O
Flujo masico	24.685,2	Kg/h	Flujo masico	9.478,8	Kg/h
T inicial	164,339	°C	T inicial	50	°C
T final	164,339	°C	T final	70,444	°C
T media	0	°C	T media	60,222	°C
Calos especifico	0,796	Kcal/Kg °C	Calor especifico	0,484	Kcal/Kg °C
Viscosidad	4,03E-05	Pa.s	Viscosidad	3,46E-05	Pa.s
Conductividad	8,65E-05	Kw/m K	Conductividad	8,05E-05	Kw/m K
Densidad	988,179	Kg/m3	Densidad	0,261	Kg/m3
Factor de obstrucción	2,96E-09	Kw/m2 °C	Factor de obstrucción	1,58E-08	Kw/m2 °C
Calor transferido	-230,031	kw	Calor transferido	-230,031	kw
Características de tubos
	Características de los tubos	Unidades (SI)	TUBOS
tubos BWG	16		Diámetro int.	0,254	m
Cedula	-		Diametro exter.	0,01905	m
material de construcción	SS304		Espesor	0,1524	m
Longitud	1,219	m	Área transversal flujo	1,17E-04	m2
conductividad	0.01696	Kw/m K	Área lateral longitud	4,99E-03	m2/m
OD	3/4.		Diametro medio	0,0279	m
			Diametro equivalente	0,0238	m
características de la coraza
material de construcción	SS304		área	18,387443999	m2
tipo de diseño	placa fija		D. externo	0,254	m
arreglo	triangular	3/4 on 15/16	pasos por los tubos	8

curso de los fluidos
	tubo interior	unidades		coraza	unidades
fluido circulante	agua		fluido circulante	mezcla C4
velocidad másica	272,07100438	Kg/s.m2	velocidad másica	217,6568035	Kg/s.m2
n Reynolds	162803,2746		n Reynolds	151736,4162
Ht	2,0343448695	Kg/s.m2.°C	Ht	0,36780563114	Kg/s.m2.°C
parámetros del diseño
calor especifico	117.682,97755	julios/segundo	factor de incrustación	3,29E-04	W/m.K
coeficiente total limpio	809,22301055	julios/seg.m2.K	T media logarítmica	86,003	°C
coeficiente total sucio	600,24354667	julios/seg.m2.K	caída de presión T	6.722	pascales
área de transferencia	1,45E-02	m2	caída de presión S	0,138	pascales
longitud total	2,4384	m

PROPIEDADES DE LA MEZCLA DE C20 

TIPO DE FLUIDO	MEZCLA C20	UNIDADES
MASA DE FLUIDO	9478,8	Kg/h
TEMPERATURA DE ENTRADA	50	°C
TEMPERATURA DE SALIDA	70,444	°C
Cps	0,484	kcal/kg °C
Reynolds	6721,562
Densidad	0,261	kg/m3
velocidad	0,16	m/s
viscosidad dinámica	0,0026	pa/s

 

 

 

 

 

PROPIEDADES DEL VAPOR SATURADO  

TIPO DE FLUIDO	VAPOR SATURADO	UNIDADES
TEMPERATURA DE ENTRADA	178,5	°C
TEMPERATURA DE SALIDA	201,3	°C
CAIDA DE PRESION ADMISIBLE	1	Kgf/cm2
PRESION DE ENTRADA	26,1	Kgf/cm2 A
Cpt	0,7956	kcal/kg °c
Reynolds	151736,4162
Prandtl	42,31
diámetro interno	0,0211
Densidad	773,07	kg/m3

           

DATOS ADICIONALES PARA CALCULAR AREA DE TRASFERENCIA DE CALOR
DIAMETRO EXTERNO DEL TUVO(Dt)	0,01905
LONGITUD TOTAL DEL TUBO(Lto)	2,4384
NUMERO TOTAL DE TUBOS(Ntt)	16
LONGITUD EFECTIVA DEL TUBO(Lta)	1,219
ri	0,127
ro	0,009525
PI	3,141592

DATOS ADICIONALES PARA CALCULAR COEFICIENTE GLOBAL DE TRASFERENCIA DE CALOR
COEFICIENTE DE TRASFERENCIA DE CALOR DE LA CORAZA CORREGIDO(αsc)	216	W/m2 K
RESISTENCIA DE ENSUCIAMIENTO DE LA CORAZA(Rfs)	1,58E-08	m2 k/w
RESISTENCIA DE ENSUCIAMIENTO EN LOS TUBOS(Rft)	0,0008	m2 k/w
COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR DEL FLUIDO EN LOS TUBOS(αtc)	2,96E-09	W/m2 K
CONDUCTIVIDAD TERMICA DE LA PARED DEL TUBO(Atw)	18	W/m2 K
ESPESOR DE LA PARED DEL TUBO(Ltw)	0,1524	m

 

FLUJO DE CALOR REQUERIDO

CUADRO DE RESULTADOS

PARAMETROS	CALCULOS
FLUJO DE CALOR REQUERIDO	9,38E+04	Kcal/h
MASA DEL FLUJO QUE CIRCULA POR LOS TUBOS	5,17E+03	Kg/h
DUFERENCIA DE TEMPERATURA MEDIA LOGARITMICA	1,16E+02	c
COEFICIENTE GLOBAL DE TRASFERENCIA DE CALIR	1,70E-08	Kcal/h m2 °c
AREA DE TRASFERENCIA DE CALOR	2,33E+00	m2

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Podemos concluir que hemos aprendido, en primer lugar, a realizar cálculos de intercambiadores de calor, específicamente de coraza y tubo el cual según la investigación realizada son varios tipos, hay intercambiadores de coraza y tubo 1-2 y 1-4, entre otros.

Saber calcular los parámetros de un intercambiador es importante porque, en algún futuro puede servirnos en las industrias que vayamos a laborar muy aparte de que ya venga un equipo con su ficha técnica.

Hay que destacar que el intercambiador de calor que mencionamos en este proyecto es uno de los más utilizados en las industrias debido a su funcionabilidad.

Como recomendación para ejecutar este proyecto de dicha índole se recomienda verificar los valores de la ficha técnica que se vayan a usar, debido a que la dicha ficha técnica elegida puede no llegar a tener los datos pertinentes para los respectivos cálculos, se puede complicar y no llegar a calcular lo deseado por falta de información. 

REFERENCIAS

 

Conceptos de Intercambiadores de Coraza y tubo . (12 de 04 de 2018). Obtenido de https://natahenao.wordpress.com/about/calor-y-temperatura/calor/aplicaciones-del-calor/#:~:text=TRANSFERENCIA%3A%20En%20los%20tipos%20comunes,separado%20por%20una%20pared%20met%C3%A1lica.

Conceptos Reboiler. (25 de 03 de 2017). Obtenido de https://prezi.com/czitf4rgtdt0/principales-componentes-de-un-hervidor-industrial/?frame=04b471429bf0cf423468a140d2e3f6dc1f0e3909

Reboiler y su funcionamiento . (14 de 05 de 2015). Obtenido de https://www.cerney.es/productos/equipos-complementarios/reboiler

Linares, D. (2019). Obtenido de https://www.ecured.cu/Intercambiador_de_Calor#:~:text=4%20Evaporadores-,Clasificaci%C3%B3n,sufren%20una%20mezcla%20f%C3%ADsica%20completa.&text=Alternativos%3A%20ambos%20fluidos%20recorren%20un,entre%20los%20fluidos%20es%20despreciable

Definiciones de transferencia de Calor. (23 de Octubre de 2020). Obtenido de https://concepto.de/transferencia-de-calor/https://concepto.de/transferencia-de-calor/

Edibon - Ingeniería química. (18 de Mayo de 2018). Obtenido de https://www.edibon.com/es/ingenieria-quimica/operaciones-unitarias

Franklin Electric - Definiciones de NPSH y más. (14 de Febrero de 2014). Obtenido de https://franklinelinkmx.wordpress.com/2010/04/26/npsh-carga-de-succion-neta-positiva/#:~:text=NPSH%20(Net%20Positive%20Suction%20Head,tensi%C3%B3n%20de%20vapor%20del%20l%C3%ADquido.

Jaramillo, O. A. (2007). INTERCAMBIADORES DE CALOR. México: Universidad Nacional Autónoma de México. Obtenido de https://www.ier.unam.mx/~ojs/pub/HeatExchanger/Intercambiadores.pdf

URALINA - Sistema de tuberías. (29 de Noviembre de 2019). Obtenido de https://www.agronoms.cat/media/upload/editora_24/Cavitacion%20espa%C3%B1ol%202_editora_241_90.pdf

 

ANEXOS

Link del video

 https://drive.google.com/file/d/1-VejP-vn0ym2l_TuyzTtchU8cHIF-3OO/view?usp=sharing

Link del Esquema en el programa SketchUp

https://drive.google.com/file/d/1aPtwOppuNlnrRQsHox6Xe1sZKzmGZhgw/view?usp=sharing

Link de cálculos en Excel

https://drive.google.com/file/d/1EG7Yd2H1vCYSckPjyGhkd3XdeGLY0BZA/view?usp=sharing

Link del informe en PDF

https://drive.google.com/file/d/1I6AzR4KsNRmEvnnyZSXAdjsVUsyDGD2F/view?usp=sharing

Link de presentación en Power Point

https://drive.google.com/file/d/1O22VYB4XdK2TEymJB1OzINvbB6qr33Qf/view?usp=sharing