CAPÍTULO 3. DIMENSIONAMIENTO DE LOS EQUIPOS

Temperatura y presión de diseño para los diferentes equipos

A ⎞ ⎛ T de diseño = T de operación × ⎜1 + ⎟+B ⎝ 100 ⎠

(Excepto el compresor, donde Tdiseño = Top)

A ⎞ ⎛ P de diseño = P de operación × ⎜1 + ⎟+B ⎝ 100 ⎠

(3.1)

donde A y B son parámetros ajustables por el usuario. Tabla 3.1 Parámetros A y B predeterminados para la temperatura Temperatura (°F) A Límite superior 32 0 70 -100 200 -100 600 0 0

B -50 70 250 50 50

Tabla 3.2 Parámetros A y B predeterminados para la presión Presión (psia) A Límite inferior Límite superior Rango 1 0 15 -100 Rango 2 15 50 -100 Rango 3 50 265 0 Rango 4 265 1015 0 Rango 5 1015 5

B 15 50 25 50 0

Rango 1 Rango 2 Rango 3 Rango 4 Rango 5

Límite inferior -459.67 32 70 200 600

Bombas Datos mínimos a especificar Información de las corrientes de entrada y de salida Datos importantes para el diseño Factor de sobrediseño Resultados Temperatura y presión de diseño, carga hidráulica, potencia del motor, velocidad del motor (rpm), eficiencia y peso. Dimensionamiento 56

El flujo obtenido de la información del simulador se multiplica por el factor de sobrediseño de la bomba ubicado en “Design Criteria”. Lo anterior aumenta la potencia requerida por la bomba. •

•

V de diseño = V de operación × Factor de sobrediseño

(3.2)

La eficiencia se toma del simulador, pero si no está especificada se usa un valor por default de 70%. Si la potencia no es está dada, Aspen IPE la calcula en base a la capacidad, la viscosidad y la carga hidráulica (head), y luego la multiplica por la eficiencia para obtener la potencia al freno, la cual se compara con una tabla de motores disponibles de potencia estándar para elegir la potencia final. En caso de que exista más de una corriente de entrada, la presión más baja se usará como la presión de operación de la bomba. La carga hidráulica se calcula con la siguiente expresión: H= hd − hs 2.31 ⋅ P h= sg

(3.3) (3.4)

donde: H = Carga total en ft h = Carga en ft hd = Carga en la descarga, ft hs = Carga en la succión, ft P = Presión en psia sg = Gravedad específica del fluido Para el cálculo se supone que no hay pérdidas por fricción ni en la entrada ni en la salida, y que no hay cargas estáticas ni cargas por velocidad.

Defaults Eficiencia = 70% Factor de sobrediseño = 1.1

Compresores Datos mínimos a especificar Información de las corrientes de entrada y de salida Potencia (para compresores reciprocantes)

Datos importantes para el diseño

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Tipo de controlador (motor eléctrico, motor de gas, turbina o ninguno) Resultados Temperatura y presión de diseño, velocidad del compresor (rpm), diámetro de entrada y salida, carga politrópica, potencia por etapa y peso.

Dimensionamiento Aspen IPE calcula la potencia si ésta no es especificada por el usuario ni es proporcionada por el simulador. Aspen IPE calcula entonces la potencia al freno usando una eficiencia mecánica de 100%, y la compara contra una tabla de motores disponibles de tamaños estándar. En caso de que la potencia al freno no esté en dicha tabla, el motor con la siguiente potencia más alta es elegido. Si la potencia es proporcionada ya sea por el usuario o por el simulador, Aspen IPE usa ese valor, sin embargo, para costear el compresor hace referencia a la tabla de motores disponibles. La selección del tipo de controlador (motor eléctrico, motor de gas, turbina o ninguno) afecta el consumo de servicios auxiliares. Defaults Presión mínima de entrada para compresores de aire = 14.696 psia Tipo de controlador = ninguno

Intercambiadores de calor Datos mínimos a especificar Información de las corrientes de entrada y de salida Datos importantes para el diseño Factor de sobrediseño, aplicación de la regla de los 2/3 Resultados Temperatura y presión de diseño en tubos y coraza, área de transferencia de calor, número de tubos, número de pasos y peso

Dimensionamiento La corriente de proceso se usa para estimar calores latentes, calor específico, resistencia de la película líquida, coeficiente global de transferencia de calor y el factor de ensuciamiento (fouling factor). La carga térmica se obtiene del reporte del simulador o se estima en base a la información de las corrientes de entrada y salida. Para calcular la presión de diseño en tubos y coraza se aplica la regla de los 2/3 si está seleccionada en la forma “Design Criteria”. Esta regla modifica la presión de diseño del lado de menor presión (tubos o coraza) hasta un 67% de la presión de diseño del lado de mayor presión. De acuerdo con esta regla, si la presión de

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diseño del lado de menor presión es al menos 2/3 de la presión de diseño del lado de mayor presión, entonces la sobrepresión sobre el lado de baja presión no provocará su ruptura. P de diseño del lado de menor presión =

2 (P de diseño del lado de mayor presión ) 3

(3.5)

Si sólo se especifican las condiciones de la corriente de proceso, Aspen IPE determina el servicio auxiliar a utilizar basándose en la mínima diferencia de temperaturas, lo que significa que para minimizar las pérdidas por transferencia de calor se selecciona el servicio con la aproximación de temperatura más cercana a la corriente de proceso. La mínima diferencia de temperatura entre la corriente de proceso y el servicio auxiliar es 1°F. Los servicios auxiliares disponibles se eligen en la forma “Utility Specifications” de la carpeta “Process Design”. Tabla 3.3 Servicios Auxiliares empleados por Aspen IPE para intercambiadores de calor Intervalo de Temperatura Presión Precio Entrada °C/°F Salida °C/°F psia Dólares (2005) Enfriamiento Agua 23.9/75 35/95 50 55/106gal -29.8/-21.64 Freón 12 -29.8/-21.64 15.5 0/103lb Propano -40/-40 -40/-40 15.5 0/103lb -45.6/-50 0/103lb Propileno -45.6/-50 15.5 -90/-130 Etano -90/-130 15.5 0/103lb Etileno -101.1/-150 -101.1/-150 15.5 0/103lb Calentamiento Aceite de alta temperatura Aceite de baja temperatura Vapor de alta presión Vapor de media presión Vapor de baja presión

385/725 315/600 229.2/444.6 184.2/363.6 164.3/327.8

357.2/675 287.8/550 229.2/444.6 184.2/363.6 164.3/327.8

25 25 400 165 100

0/103lb 0/103lb 5.35/103lb 4.46/103lb 3.72/103lb

La diferencia promedio de temperatura (MTD) se estima en base a la temperatura del fluido en tubos y coraza, y depende del número de pasos, de modo que la diferencia logarítmica de temperatura (LMTD) se multiplica por el factor de corrección F para obtener el valor de MTD.

MTD = F ⋅ LMTD

(3.6)

El factor de corrección se calcula como sigue: R=

Tin caliente − Tout caliente Tout fria − Tin fria

(3.7)

59

P=

Tout fria − Tin fria Tin caliente − Tin fría

(3.8)

Si R≠1 ⎛ 1 − P' R ⎞ ln⎜ ⎟ ⎡ R 2 +1⎤ 1 − P' ⎠ ⎝ F= ⎢ ⎥ ⎢⎣ 1 − R ⎥⎦ ⎡ 2 − P' R + 1 − R 2 + 1 ⎤ ln ⎢ ⎥ 2 ⎢⎣ 2 − P' R + 1 + R + 1 ⎥⎦

( (

P' =

⎡1 − PR ⎤ ⎢⎣ 1 − P ⎥⎦ ⎡1 − PR ⎤ ⎢⎣ 1 − P ⎥⎦

) )

(3.9)

1/ N

−1 (3.10)

1/ N

−R

Si R = 1 F=

P' 2

( (

) )

⎡ ⎤ (1 − P') ln ⎢ 2 − P' 2 − 2 ⎥ ⎣ 2 − P' 2 + 2 ⎦

P' =

P P − NP + N

(3.11)

(3.12)

En el caso de condensación y ebullición F = 1 donde: F = Factor de corrección R = Radio de capacidades caloríficas P’ = Efectividad térmica usando la transformación de Bowman P = Efectividad térmica global del intercambiador N = Número de corazas T = Temperatura El coeficiente global de transferencia de calor se toma del reporte del simulador o se calcula en base a las propiedades de los fluidos en coraza y tubos. Aspen IPE determina la posición de los fluidos en el intercambiador de tubos y coraza dependiendo de sus propiedades.

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1 1 1 = + U h tubos h coraza

(3.13)

donde: U = Coeficiente global de transferencia de calor htubos = Coeficiente de transferencia de calor de los tubos hcoraza = Coeficiente de transferencia de calor de la coraza Tabla 3.4 Correlaciones para calcular el coeficiente de transferencia de calor de los tubos Correlaciones para calcular el coeficiente de transferencia de calor de los tubos Mecanismo Régimen de flujo Correlación Una fase Laminar Schlunder Turbulento Gnielinski Ebullición (tubos verticales) Steiner/Taborek Ebullición (tubos horizontales) Shah Condensación (tubos verticales) Laminar Nusselt Laminar ondulado Kutateladze Labuntsov Turbulento Condensación (tubos horizontales) Anular Rohsenow Estratificado Jaster/Kosky Tabla 3.5 Correlaciones para calcular el coeficiente de transferencia de calor de la coraza Correlaciones para calcular el coeficiente de transferencia de calor de la coraza Mecanismo Régimen de flujo Correlación Una fase Bell-Delaware Ebullición Jensen Condensación (vertical) Laminar Nusselt Laminar ondulado Kutateladze Turbulento Labuntsov Condensación (horizontal) Kern Finalmente el área de transferencia se calcula usando la ecuación 3.14 y multiplicando el valor obtenido por el factor mínimo de sobrediseño, que se toma de “Design Criteria”. A'=

Q U ⋅ MTD

A diseño = A' × Factor de sobrediseño

(3.14) (3.15)

Para intercambiadores de cabeza flotante y de tubos en U se debe especificar un número par de pasos en tubos.

Defaults

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Longitud de tubo = 20 ft Diámetro externo de tubo = 1 in Grosor de tubo = 0.02 - 0.34 in Pitch = 1.25 x diámetro externo del tubo Pasos en tubos = 1 Pasos en coraza = 1 Factor de sobrediseño = 1.15 Regla de los 2/3 = Sí

Tanques (vessels) Datos mínimos a especificar Información de las corrientes de entrada y de salida Requerimientos de diseño Se permite un máximo de 3 corrientes de salida, de las cuales 2 pueden ser líquidas. Datos importantes para el diseño Tiempo de residencia, altura/diámetro (L/D), método para calcular la velocidad máxima del vapor, diámetro de partícula del líquido, factor de diseño para la velocidad del vapor.

- Tanques horizontales Multiplicador del factor de separación, área del vapor/área de sección transversal del tanque. - Tanques verticales Altura del eliminador de rocío, altura mínima sobre el eliminador de rocío, altura mínima del nivel de líquido al eliminador de rocío. - Tanques agitados Tipo de agitador - Tanques de almacenamiento Días de retención, horas de retención al día, altura/diámetro, porcentaje de espacio del volumen total del tanque para el vapor. Resultados Temperatura y presión de diseño, diámetro, altura o longitud y peso

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Tanques horizontales Cálculo de la longitud La longitud se determina en base al volumen de líquido retenido, el cual se obtiene a partir del flujo de líquido y el tiempo de residencia. La longitud se calcula con las siguientes fórmulas:

l vol = l vfr ⋅ rt L=

(3.16)

(4)(l vol ) πD 2 (1 − rvc )

(3.17)

donde: L = Longitud del tanque lvol = Volumen de líquido retenido lvfr = Flujo volumétrico del líquido rt = Tiempo de residencia rvc = Área del vapor/Área de sección transversal del tanque Si no es especificado, el valor de L/D se calcula como sigue: Si P