Download - Trabajo
HERVIDOR VAPORIZADOR DE TERMOSIFON VERTICAL
Los reboilers o rehervidores son intercambiadores de calor que conectados a la
base de una columna de destilación proporcionan el calor necesario para devolver
el vapor al fondo de la columna y permitir así que se lleve a cabo la destilación.
Estos equipos pueden tomar diferentes formas, así por ejemplo, los
fraccionadores pequeños utilizados en el trabajo de plantas piloto tal vez
requieran simplemente de una olla con chaqueta.Pero necesariamente será
pequeña la superficie de transferencia de calor y la capacidad correspondiente de
generación de vapor.
El intercambiador de calor tubular interno construido en el fondo de la torre, es
una variación que proporciona una superficie mayor, pero su limpieza requiere
que se cancele la operación de destilación, además la altura del fondo de la
columna debe aumentarse, entre otras desventajas. Estos dos arreglos
proporcionan un vapor que entra en el plato de fondo en equilibrio con el producto
residual.
Figura 1. Olla con chaqueta Figura 2. Rehervidor interno
HERVIDOR VAPORIZADOR DE TERMOSIFON VERTICAL
Fuente: Jose Crespo, Selección y diseño térmico de rehervidores para torres de destilación
Función de un rehervidor en una torre de fraccionamiento
La función fundamental que tiene un rehervidor en un torre de fraccionamiento no
es más que transmitirle calor a la alimentación para que esta pueda alcanzar los
distintos puntos de ebullición requeridos para que ocurra la separación o
destilación de cada uno de los fluidos, ya que estos poseen distintos puntos de
ebullición lo cual hace posible este proceso.
En un tren de fraccionamiento a medida que la alimentación valla pasando por las
distintas torres, los rehervidor van a variar su capacidad calorífica dependiendo del
producto que se desea separar.
Clasificación de intercambiadores vaporizadores :
a) Intercambiadores vaporizadores de circulación forzada
b) Intercambiadores vaporizadores de circulación natural
HERVIDOR VAPORIZADOR DE TERMOSIFON VERTICAL
Fuente: Kern D, 1974, “Procesos de Transferencia de Calor” , Mc Graw – Hill.
Es el más utilizado en los procesos modernos de destilación siendo del mismo
tipo de tubo y coraza pero con la configuración vertical. El fluido de calefacción
circula fuera de los tubos (por la coraza) en contracorriente con el fluido a
evaporar, que circula por dentro de los tubos. En este equipo también retorna a
la torre una mezcla de líquido-vapor y es en el espacio en el fondo de la
columna, por debajo del último plato, donde se produce la separación.
Generalmente son intercambiadores 1-1.
Fig 3:
Rehervidor termosifón vertical conectado a la torre de destilación
HERVIDOR VAPORIZADOR DE TERMOSIFON VERTICAL
Fuente: Carl R. Branan, “Rules of Thumb for Chemical Engineers”
- Formas de circulación
Los intercambiadores de tipo termosifón (verticales y horizontales) tienen
dos formas de circulación:
La directa (o en un paso), cuando el líquido del último plato de la
torre se envía directamente al rehervidor, donde se vaporiza
parcialmente, mientras que la mezcla líquido-vapor que retorna a la
torre se separa en el fondo de la columna, de manera que, el
producto de fondo, está constituido por el líquido que se obtiene en
el termosifón el cual está en equilibrio con el vapor generado (Fig. 4),
es decir, que con circulación directa, los termosifones se comportan
como un plato teórico.
Fig 4: Reboiler de un solo paso
VAPORIZACIÓN EN LA CORAZA
KETLE
ENFRIADOR
CALDERETA CON
HAZ EN LA COLUMNA
VAPORIZACIÓN EN LOS TUBOS
CALDERETA
HORIZONTAL DE
TERMOSIFON
CALDERETA
VERTICAL DE
TERMOSIFON
EVAPORADOR
VERTICAL DE TUBOS LARGOS
HERVIDOR VAPORIZADOR DE TERMOSIFON VERTICAL
Fuente: Carl R. Branan, “Rules of Thumb for Chemical Engineers”
Circulación
recirculación: en
cuyo caso el líquido del
último plato de la torre se
mezcla con el líquido
procedente del
rehervidor en el
fondo de la columna, de
manera que tanto el producto de fondo de la destilación como el
líquido que se recircula al rehervidor están constituidos por esta
mezcla (Fig. 5). Por lo tanto los termosifones que operan con
circulación natural no constituyen un plato teórico, ya que, el
producto de fondo de la columna es una mezcla que no está en
equilibrio con el vapor generado en el rehervidor.
a) Reboiler de un solo paso
HERVIDOR VAPORIZADOR DE TERMOSIFON VERTICAL
Fig 4: Reboiler con recirculación
Fuente: Carl R. Branan, “Rules of Thumb for Chemical Engineers”
- Fundamentos:
La influencia delos parámetros del gran diseño operacional y la
velocidad de circulación del líquido de rehervidores de termosifón se
discutirán aquí:
En un intercambiador de calor de termosifón, existe una interacción
mutua compleja entre el flujo de dos fases y la transferencia de
b) Reboiler con recirculación
HERVIDOR VAPORIZADOR DE TERMOSIFON VERTICAL
calor. La transferencia de calor depende, entre otros en la presión, el
equilibrio vapor-líquido, las velocidades de flujo y las propiedades del
sistema, mientras que el flujo de dos fases está influenciado
principalmente por la tasa de transferencia de calor y la caída de
presión. La influencia específica de todos estos parámetros en los
hervidores de termosifón se discutirá en detalle.
Con el fin de entender la respuesta de la caldereta Termosifón a una
variación de los parámetros relevantes, es útil dividir la caldereta en
dos zonas: una zona de calentamiento en el que el líquido se calienta
hasta su punto de ebullición y por encima una zona de evaporización
en donde el líquido se evapora parcialmente por el calentamiento
adicional, así como por la caída de presión (flash). Los principales
mecanismos se muestran en la figura 5 (A). El coeficiente de
transferencia de calor es mucho más alto en la zona de
evaporización que en la zona de calentamiento. Por lo tanto, los
cambios de la longitud de estas dos zonas tienen una fuerte
influencia en la tasa global de transferencia de calor.
Figura 5 (B) ilustra la temperatura principal frente a la longitud del
tubo. El líquido que entra los tubos en el intercambiador de calor
tiene aproximadamente la misma temperatura que el líquido en la
parte inferior de la columna. Debido a la carga de líquido en la línea
de entrada vertical del líquido es sub enfriado significativamente en la
entrada del evaporador. Dentro de la zona de calentamiento la
temperatura aumenta hasta el punto de ebullición que depende
significativamente de la carga líquida. Empieza la ebullición cuando
el líquido ha alcanzado la temperatura de ebullición local. Aquí, la
zona de calentamiento termina y comienza la zona de evaporación.
Dentro de la zona de evaporación del estado de líquido a la
aproximadamente sigue la curva de presión de vapor.
HERVIDOR VAPORIZADOR DE TERMOSIFON VERTICAL
A la presión atmosférica la longitud de la zona de calentamiento es
típicamente 20-50% de la longitud total del tubo. Este aumenta
significativamente cuando la presión disminuye. En servicios de gran
vacío la longitud de la zona de calentamiento se acerca o alcanza el
90% o incluso más de la longitud del tubo. Desde la zona de
evaporación se impulsa la circulación de líquido, la velocidad de
circulación disminuye drásticamente con la disminución de la
presión.
Fig 5: Reboiler termosifón vertical
HERVIDOR VAPORIZADOR DE TERMOSIFON VERTICAL
- Características:
Restringidos a un máximo de 50% de vaporización, para evitar
operaciones erráticas debido a golpeteo, etc.
Valores típicos de vaporización: 10-35%
No se emplean con fluidos viscosos.
Longitudes típicas: 8 a 12 pie
Diâmetros de tubos: 1plg
- Ventajas
Más baratos
Lado del proceso fácil de limpiar
Se soporta fácilmente.
Bajo tiempo de residencia.
Tendencia a ser menos sucio.
Buen control
- Desventajas
Se requiere elevación de la torre para la circulación.
Sensible a fluctuaciones operacionales
Necesita de un cabezal constante de líquido de alimentación.
Alta temperatura de salida para materiales de amplio rango de
ebullición.
Se limita la vaporización a un 50%.
HERVIDOR VAPORIZADOR DE TERMOSIFON VERTICAL
- Diseño de rehervidor termosifón vertical:
1. Balance térmico
Q = m.cp.∆T. (Intercambio de calor sensible)
Q = m.λ (Intercambio de calor con cambio de fase)
Donde:
Q = calor total transferido, Btu/hr
m = masa del fluido, lb/hr.
λ = Calor latente de vaporización, Btu/lb
Cp = capacidad calorífica del fluido, (Btu/lb.°F)
∆T = Diferencia de temperatura del fluido, °F
2. Propiedades físicas de los fluidos a temperatura media
a. Capacidad calorífica, cp ( Btu/lb.°F)
b. Viscosidad, µ (lb/pie.hr)
c. Conductividad, k (Btu/hr.pie.°F)
d. Densidad, ρ (lb/pie3)
e. Coeficiente de resistencia a la incrustación, r (Btu/hr.pie2.°F)-1
3. Características de los tubos (Tabla 1.1)
a. Diámetro exterior del tubo, (Do), pulg.
b. Diámetro interior del tubo, (Di), pulg.
c. Espesor (x), pulg
d. Área de sección transversal del tubo, at.
e. Area lateral longitudinal, alt, pie2.
f. Diámetro equivalente (De), pulg.
4. Suponiendo un flujo en contracorriente
ΔT L=MLTD .F t
HERVIDOR VAPORIZADOR DE TERMOSIFON VERTICAL
MLTD=(T1−t 2)−(T 2− t1 )Ln (T1−t 2) /(T2−t 1)
=Δt2−Δt1
ln (Δt2 /Δt1)
F t=Se lee en figuras 18 a 23 de Manual. Para ello se calcula:
R=T 1−T 2
t2−t1y
S=t2−t1
T 1−t1
5. Determinar el curso de los fluidos
Termosifón horizontal
Lado de los tubos Lado del casco
Vapor caliente fluido a vaporizar
Termosifón vertical
Lado de los tubos Lado del casco
Fluido a vaporizar vapor caliente
6. Calcular coeficiente de película en el lado de los tubos, ht
hi=JH ( k
Di )( cp .μk )
1/3
( μμw )
0. 14
(para flujo turbulento)
ht=hiDiDo
Nre=Di .Gtμ
Gt=mt
ata t=
N t .at'
144 .n
JH = Factor térmico de Coldburn. Se determina en función al Nre.
Di = Diámetro interior de los tubos interiores, pies
Gt = velocidad másica en los tubos, lb/hr.pie2
mt = masa que circula por los tubos, lb/hr
at = area de sección transversal en el haz de tubos, pie2
a t'=
área de sección transversal de cada tubo, pie2
Nt = Numero de tubos en el haz, (estimado con ayuda de la tabla 1.3)
HERVIDOR VAPORIZADOR DE TERMOSIFON VERTICAL
n= Número de pasos en los tubos.
NOTA: Cuando circula agua por los tubos, el caso es especial. Se hace uso de la figura 25, y se determina htploteandov (pie/s) con temperatura media del agua, en °F
Si la transferencia ocurre sin cambio de fase, entonces se estima
( μμw
)0. 14=1 . 0
7. Calcular coeficiente de película en el lado del casco, hs
hs=JH ( k
De )( cp .μk )
1/3
( μμw )
0 . 14
(para flujo turbulento)
Nre=De .Gsμ
Ga=ms
asas=
Ds .C .e144 .P t
Donde:
JH = Factor térmico de Coldburn. Se determina en función al Nre.
De = Diámetro equivalente, pies
Gs = velocidad másica en el casco, lb/hr.pie2
ms = masa que circula por el casco, lb/hr
as = área de sección transversal en el casco, pie2
Ds = Diámetro interior del casco, pulg.
C = espaciado de los tubos, pulg.
e = espaciado entre pantallas, pies.
Pt = distancia entre los centros de los tubos, pulg.
8. Calcular Coeficiente Total Limpio, Uc
UC=ht .hs
ht+hs , Btu/hr.pie2.°F
9. Cálculo del coeficiente total de diseño, Ud.
1Ud
= 1Uc
+RdRd =rt+r a
Donde:
Rd = Factor de obstrucción, (Btu/hr.pie2.°F)-1
HERVIDOR VAPORIZADOR DE TERMOSIFON VERTICAL
rt= Coeficiente de resistencia a la incrustación del fluido en los tubos, (Btu/hr.pie2.°F)-1
r s= Coeficiente de resistencia a la incrustación del fluido en el casco, (Btu/hr.pie2.°F)-1
Calculo utilizando diseño riguroso
1Ud
=Do
ht . Di +riDo
Di
+xw . Do
Kw . Dm
+rs+1hs
Donde:xw=espesor de los tubos, pulg.kw=conductividad .del .metal , Btu/hr.pieDm=Diámetro medio, pulg
Donde: Dm= (Di + Do) / 2
10. Comprobación del área (A), pie2.
Área disponible: Ad = Nt.alt.L
Área de requerida:A= Q
Ud . ΔT L. F t
Debe cumplirse que: Ad > A
ΔT L=Temperatura media logarítmica, °F
factor térmico: Ft (se lee en los gráficos 2.1, 2.2, 2.3, …2.6)
Se determinan en función a P y R, siendo:
P=t2−t1
T 1−t tR=
T 1−T 2
t2−t1
La estrategia es que F t≥0 .75 Ft
Si no se cumple, se debe modificar el número de pasos.
Se comprueba el factor de obstrucción:
Rd = Uc−UdUc .Ud (de diseño)
HERVIDOR VAPORIZADOR DE TERMOSIFON VERTICAL
Rd (diseño) >Rd (calculado)
11.Cálculo de la caída de presión en el lado de los tubos, psia.
ΔPT=ΔPt+ΔPr ( caída de presión en los tubos y en los retornos)
En los tubos:
ΔP t=f .G t
2 .L .n
5. 22 x1010 .Di . s .φ t f=ubicar en la figura 26 en función a Nre.
En los retornos
ΔPr=4 .n .v2
2. s .g' g'= 32.17 pie/s
12.Cálculo de la caída de presión en el lado del casco, psia.
ΔPs=f .G s
2 .Ds .(N+1 )
5. 22 X 1010 .D' e . s .φsN+1=12
Le
f = leer en figura 29.
Gs = velocidad másica en el casco, lb/hr.pie2
Ds = Diámetro interior del casco, pulg.
g’ = 32.17 pie/s2
L = Longitud del tubo, piese = espaciado entre pantallas, pulgadasDe
' =Di−do
De'= diámetro equivalente en el anillo, pulg.
s = Peso específicoΦs = relación de viscosidades.
HERVIDOR VAPORIZADOR DE TERMOSIFON VERTICAL
- Elaboración del
prototipo:
HERVIDOR VAPORIZADOR DE TERMOSIFON VERTICAL
Bibliografía:
- Kern D, 1974, “Procesos de Transferencia de Calor” , Mc
Graw – Hill.
- Carl R. Branan, “Rules of Thumb for Chemical Engineers”
- Perry H.R “Manual del Ingeniero Químico ”,McGraw-Hill.