DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR CORAZA...

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DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR CORAZA Y TUBOS PARA OPTIMIZAR EL MARGEN DE REFINACIÓN EN LA UNIDAD DE DESTILACIÓN

COMBINADA DE LA REFINERÍA DE CARTAGENA (RCSA)

ALBEIRO GALVIS DIAZ DANILO DE JESÚS PACHECO ZUÑIGA

UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA CARTAGENA

FACULTAD DE INGENIERIA, ARQUITECTURA, ARTES Y DISEÑO INGENIERIA QUIMICA

2014

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DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALORCORAZA Y TUBOS PARA

OPTIMIZAR EL MARGEN DE REFINACIÓN EN LA UNIDAD DE DESTILACIÓN COMBINADA DE LA REFINERÍA DE CARTAGENA (RCSA)

ALBEIRO GALVIS DIAZ DANILO DE JESÚS PACHECO ZUÑIGA

Trabajo de grado presentado como requisito para optar al título de Ingeniero

Químico

TUTORES

ING. ADALBERTO MATUTE THOWINSON ING. RODRIGO RICARDO PAREDES

UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURA CARTAGENA FACULTAD DE INGENIERIA, ARQUITECTURA, ARTES Y DISEÑO

INGENIERIA QUIMICA 2014

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Nota de aceptación

----------------------------------------

----------------------------------------

----------------------------------------

--------------------------------------- Presidente del jurado

--------------------------------------- Jurado

--------------------------------------- Jurado

Cartagena de Indias D.T. Y C.

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DEDICATORIA.

Dedico este triunfo primero a DIOS que fue el que dirigió mi carrera durante estos

cinco años y el cual fue el motor que me impulsaba a seguir adelante pese a todas las adversidades que se presentaban durante el transcurrir de los semestres.

También dedico este triunfo a mi familia que por medio de su aporte hicieron

posible que mi carrera diera frutos. A mi madre que con esfuerzo y dedicación logro hacer de su hijo una persona establecida en la vida cultivándola con toda la

educación y valores que en mis años de vida pudo inculcarme. A mi padre que durante en el transcurso de mi vida estuvo al pie de mis metas y logros,

impulsándome a seguir adelante. A mis hermanos que en el transcurso de la carrera me apoyaron cada uno de los

pasos que daba.

DANILO PACHECO ZÚÑIGA

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DEDICATORIA.

Dedico este triunfo a DIOS por protegerme y acompañarme durante

toda la vida y en especial en los momentos difíciles.

A toda mi familia por brindarme su apoyo, en especial a mis padres por su comprensión incondicional y la oportunidad de prepararme profesionalmente.

A todos mis compañeros y amigos que hasta la fecha siempre han

estado a mi lado en las buenas y malas.

A todos los profesores que han aportado un granito de sus conocimientos para prepararme profesionalmente

y hacer de mí una mejor persona.

ALBEIRO GALVIS DIAZ

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CONTENIDO

1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN……………………………………… 15

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA..................................................... 15 1.2 FORMULACION DEL PROBLEMA……………………………………….. 16 1.3 JUSTIFICACION…………………………………………………………….. 16 1.4 OBJETIVOS………………………………………………………………….. 18 1.4.1 Objetivo General…………………………………………………………….. 18 1.4.2 Objetivos Específicos……………………………………………………….. 18 2. MARCO DE REFERENCIAL……………………………………................ 19

2.1 ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS…………………………………..... 19 2.2 MARCO TEORICO………………………………………………………….. 20 2.2.1 Petróleo……………………………………................................................ 20 2.2.1.1 Destilación Atmosférica del Petróleo……………………………………… 21 2.2.1.2 Productos de la Destilación Atmosférica………………………………….. 23 2.2.1.3 Destilación Al Vacío……………………………………………………….... 23 2.2.1.4 Productos de Destilación al Vacío……………………………………........ 24 2.2.2 Inspección e Integridad de Equipos Industriales.................................... 26 2.2.2.1 Análisis de fallas.................................................................................... 26 2.2.3 Transferencia de Calor……………………………………………………… 26 2.2.3.1 Transferencia de Calor por Conducción………………………………….. 27 2.2.3.2 Transferencia de Calor por Convección………………………………… 28 2.2.3.3 Transferencia de Calor por Radiación…………………………………… 28 2.2.4 Intercambiadores de Calor………………………………………………… 29 2.2.5 Tipos de Intercambiadores de Calor………………………………………. 29 2.2.5.1 Intercambiadores de Calor Según la Trayectoria de los Fluidos……… 29 2.2.5.2 Intercambiadores de Calor Según su Función……………………….. 32 2.2.5.3 Intercambiadores de Calor según sus Características de Construcción 33 2.2.6 Intercambiadores de Calor de Coraza y Tubos…………………………. 34 2.2.6.1 Designación Según TEMA ………………………………………………… 34 2.2.7 Componentes de un Intercambiador de Calor de Coraza y Tubos……. 36 2.2.7.1 Tubos………………………………………………………………………… 36 2.2.7.2 Coraza o Casco……………………………………………………………... 37 2.2.7.3 Cabezales…………………………………………………………………... 39 2.2.7.4 Cabezales Estacionarios o Fijos………………………………………….. 39 2.2.7.5 Cabezales Posteriores…………………………………………………….. 40 2.2.7.6 Deflectores o Bafles………………………………………………………… 42 2.2.7.7 Barras de soporte …………………………………………………………… 44 2.2.7.8 Espejo o Placa para tubos ………………………………………………… 44 2.2.7.9 Bridas………………………………………………………………………… 45 2.2.7.10 Boquillas…………………………………………………………………….. 45

Pág.

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2.2.8 Clasificación de los Intercambiadores de Coraza y Tubos……………. 46 2.2.8.1 Intercambiador de Calor tipo U…………………………………………... 46 2.2.8.2 Intercambiador de Calor Cabezal Fijo…………………………………… 47 2.2.8.3 Intercambiador de Calor Cabezal Flotante……………………………… 49 2.2.9 Métodos de Diseño de Intercambiadores de Calor…………………… 50 2.3 MARCO LEGAL……………………………………………………………. 51 2.4 MARCO CONCEPTUAL…………………………………………………... 51

3 DISEÑO METODOLOGICO……………………………………………….. 53

3.1 TIPOS DE INVESTIGACIÓN…………………………………………….. 53 3.2 TIPO DE DISEÑO ADOPTADO …………………………………………. 53 3.3 ENFOQUE ADOPTADO…………………………………………………... 53

3.4 TECNICAS DE RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN…………….. 54 3.4.1 Fuentes Primarias…………………………………………………………. 54 3.4.2 Fuentes Secundarias……………………………………………………… 54 3.5 HIPOTESIS…………………………………………………………………. 54 3.6 VARIABLES………………………………………………………………… 55 3.6.1 Variables Dependientes…………………………………………………… 55 3.6.2 Variables Independientes…………………………………………………. 55 3.7 OPERACIONALIZACIÓN DE LAS VARIABLES……………………… 55 3.8 PROCESAMIENTO DE LA INFORMACIÓN……………………………. 55

4. DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR………………………… 56

4.1 ANALISIS DE RESULTADO DE ENCUESTA…………………………… 56 4.2 ANALISIS FUNCIONAL DE OPERABILIDAD (HAZOP)……………….. 57 4.3 DISEÑO PRELIMINAR TERMICO DEL INTERCAMBIADOR………… 60 4.4 DISEÑO PRELIMINAR HIDRAULICO DEL INTERCAMBIADOR…… 69

4.5 REPORTES DE DISEÑO DE INTERCAMBIADOR DE CALOR……. 74 4.6 TABLA COMPARATIVA DEL EXCEL Y EL HTRI……………………. 76 4.7 PRESUPUESTO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR……………….. 80

5 CONCLUSIONES…………………………………………………………… 81

6 RECOMENDACIONES…………………………………………………….. 83

REFERENCIAS…………………………………………………………….. 84

ANEXOS……………………………………………………………………... 86

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LISTA DE TABLAS

Pág. Tabla 1.Fracciones obtenidas en la destilación atmosférica………………. 20 Tabla 2.Fracciones obtenidas al vacío……………………………………...... 21 Tabla 3.Descripción de tipos de coraza…………………………………….... 35 Tabla 4.Resumen de aplicaciones de cabezal estacionario……………….. 37 Tabla 5.Resumen de aplicaciones de cabezales posteriores……………… 39 Tabla 6.Resumen de cálculos térmicos………………………………………. 65 Tabla 7. Resumen de cálculos hidráulicos……………………………………. 69

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LISTA DE GRAFICAS

Pág. Grafica 1.Tendencia valorativa de la encuesta……………………………… 53 Grafica 2. Diagrama de tendencia porcentual de la encuesta…………….. 54

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LISTA DE FIGURAS

Pág. Figura 1.Torre de destilación atmosférica…………………………………… 20 Figura 2. Torre de destilación al vacío………………………………………. 23 Figura 3. Transferencia de calor por conducción…………………………… 25 Figura 4. Transferencia de calor por convección……………………………. 26 Figura 5. Intercambiador de calor de flujo paralelo…………………………. 28 Figura 6. Intercambiador de calor en contracorriente………………………. 29 Figura 7.Intercambiador de calor de flujo cruzado………………………….. 29 Figura 8.Intercambiador de calor de paso simple y múltiple paso………… 30 Figura 9. Intercambiador de calor regenerativo y no regenerativo………… 31 Figura 10.Intercambiador de coraza y tubos………………………………… 32 Figura 11.Nomenclatura TEMA……………………………………………..... 33 Figura 12.Componentes de un intercambiador de calor de coraza………. 34 Figura 13.Arreglo o Disposición de los tubos……………………………….. 35 Figura 14.Tipos de coraza…………………………………………………….. 36 Figura 15.Cabezal tipo bonete………………………………………………… 36 Figura 16.Corte de bafle o deflector………………………………………….. 41 Figura 17.Orientación de los bafles en la coraza…………………………… 41 Figura 18.Barras de soporte…………………………………………………... 41 Figura 19.Espejo para haz de tubos………………………………………….. 42 Figura 20.Bridas.......................................................................................... 43

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Figura 21.Ubicación de las brindas…………………………………………… 43 Figura 22.Tipos de boquillas para cabezales……………………………….. 44 Figura 23.Intercambiador de tubos en U…………………………………….. 45 Figura 24.Intercambiador de cabezal fijo…………………………………….. 46 Figura 25.Intercambiador de cabezal Flotante……………………………… 47 Figura 26.Configuración y número de tubos del diseño seleccionado…… 75 Figura 27.Dimensionamiento de compones de diseño seleccionado…….. 76 Figura 28.Intercambiador de calor en 3D de diseño seleccionado……….. 76

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LISTA DE ABREVIACIONES

ASME Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos LMTD Diferencia de Temperatura Media Logarítmica NTU Número de Unidades de Transferencia TEMA Asociación de Fabricantes de Intercambiadores Tubulares URC Unidad de Ruptura Catalítica

UDC Unidad de Destilación Combinada

MVGO Gasóleo Mediano de Vacío

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LISTA DE ANEXOS

Pág. Anexo A. Presupuesto………………………………………………………….. 81 Anexo B. Imágenes de intercambiador PS-E-8A…………………………... 81 Anexo C. Nomenclatura TEMA………………………………………………… 84 Anexo D. Factor de corrección de temperatura para intercambiador 1-2… 85 Anexo E. Coeficientes globales para intercambiadores de calor………….. 85 Anexo F. Dimensionamiento de tubo para intercambiador de calor………. 86 Anexo G. Conductividad térmica de tubos para intercambiadores de calor 87 Anexo H. Factores de Obstrucción……………………………………………. 88 Anexo I. Numero de tubos ¾ para intercambiadores de calor con arreglo cuadrado…………………………………………………………………………

88

Anexo J. Numero de tubos ¾ para intercambiadores de calor con arreglo triangular …………………………………………………………………………

89

Anexo K. Diámetro Equivalente para tubos de intercambiadores de calor 89 Anexo L. Factor de fricción…………………………………………………….. 90 Anexo M. Criterios de ubicación de los fluidos en el intercambiador……… 90 Anexo N. Conductividad térmica de hidrocarburos………………………….. 91 Anexo O. Factor de velocidad por los cabezales…………………………… 91 Anexo P. Viscosidad de agua………………………………………………….. 92 Anexo Q. Dimensionamiento de tubos de intercambiador seleccionado… 93 Anexo R. Datos de tuberías de acero al carbono……………………………. 94

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Anexo S. Espesores para tubos para intercambiadores de calor………… 94 Anexo T Viscosidad de líquidos………………………………………………. 96 Anexo U. Conductividad de tuberías...……………………………………….. 98 Anexo V. Encuesta……………………………………………………………… 98

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DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR CORAZA Y

TUBOSPARA OPTIMIZAR EL MARGEN DE REFINACIÓN EN LA UNIDAD DE DESTILACIÓN COMBINADA DE LA REFINERÍA DE

CARTAGENA (RCSA)

1. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La Unidad de Destilación Combinada (UDC) de la Refinería de Cartagena está diseñada para procesar 80000 BPD de crudo con una gravedad API entre 24.5 y 27.5, el cual es fraccionado a través de los procesos de destilación atmosférica y destilación al vacío. En la sección atmosférica se producen las siguientes corrientes: Gases de cima que se envían hacia la producción de gas combustible, nafta virgen que se envía hacia la producción de gasolina, Jet kerosene o combustible de aviación, diésel, gasóleo atmosférico y crudo reducido, este último se envía como carga a la sección de vacío, siendo fraccionado para obtener gasóleo liviano, gasóleo pesado y brea virgen que se envía como carga a la unidad de Viscorreductora1. En operación normal, la producción total de gasóleo son aproximadamente 20000 BPD y está compuesta por gasóleo atmosférico, gasóleo liviano de vacío y gasóleo pesado de vacío, la cual se divide en dos corrientes: una parte se envía como carga caliente hacia la unidad de ruptura catalítica (URC) y la otra se envía para su almacenamiento en tanques luego de pasar por el intercambiador de calor PS-E-8A. Sin embargo, ante la salida de servicio de la URC , sea por alguna perturbación operacional o para su mantenimiento programando se requiere suspender la carga caliente hacia esta unidad y se debe enviar la producción total de gasóleo hacia tanque, incrementándose la carga térmica sobre el intercambiador PS-E-8A, lo cual ocasiona que la corriente de gasóleo a la salida del PS-E-8A supera la temperatura de almacenamiento seguro hacia tanque establecida en 180°F, lo cual se constituye como una condición de alto riesgo desde el punto de vista de seguridad de proceso. Lo anterior, considerando una potencial voladura del techo del tanque debido a la generación de vapores de gasóleo y posible vaporización del agua arrastrada en el gasóleo en caso de superarse su temperatura de ebullición de 212°F.

1 REFINERIA DE CARTAGENA S.A Manual de la Unidad de Destilación Combinada.

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Como una acción de mitigación para mantener la operación segura de la unidad de destilación combinada, se hace necesario disminuir el flujo de crudo (carga de crudo) para reducir la producción de gasóleo y poder alcanzar la temperatura de 180°F a la salida del PS-E-8A. Esta reducción del flujo de carga ocasiona una degradación económica afectando el margen de refinación. De tal forma, en el presente proyecto se propone Diseñar un intercambiador de calor coraza y tubos para optimizar el margen de refinación en la Unidad de Destilación Combinada de la Refinería de Cartagena (RCSA) que operara en paralelo con el intercambiador PS-E-8A, el cual permitirá que se procese los 80000 BPD de carga de crudo establecidos en el diseño de la unidad de destilación combinada y asumir la carga térmica para el almacenamiento seguro del gasóleo. 1.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

¿Qué parámetros técnicos, operativos, seguridad y económicos se requieren para diseñar un intercambiador de calor de coraza y tubos para el enfriamiento de gasóleo en la unidad de destilación combinada de la refinería de Cartagena? 1.3 JUSTIFICACIÓN El desarrollo industrial exige eficiencia y eficacia en los procesos para evitar pérdidas económicas y humanas , causadas generalmente por los disturbios operacionales y tipos de riesgos que se presentan a diario, éstos se potencializan al llevar a cabo actividades que no cumplen con las especificaciones tanto del diseño de la planta como las estipuladas en los manuales de procesos , por lo tanto es necesario enfocarse en el mejoramiento continuo para minimizar o evitar impactos negativos que coloquen en riesgo el patrimonio económico y humano de la organización . De acuerdo a lo establecido anteriormente es importante siempre tener en cuenta la operatividad, mantenimiento e inspección de los equipos industriales, ya que en estos recae gran parte de la responsabilidad del funcionamiento económico y flexible de la planta, por tal razón influyen en un mejor aprovechamiento de la energía térmica del proceso, permiten evitar el paro de la planta en forma frecuente y por periodos de tiempo prolongados. En la unidad de destilación combinada de la refinería de Cartagena se presenta una falla en el intercambiador de calor PS-E-8A utilizado para el enfriamiento de gasóleo producto de las torres de destilación (atmosférica y vacío) debido a que el equipo no está diseñado para procesar flujos mayores cuando se presentan condiciones de mantenimiento o parada de la unidad de ruptura catalítica (URC), también influenciado por el deterioro del equipo (ensuciamiento, corrosión, problemas mecánicos etc.) , lo cual evita cumplir con las condiciones de enfriamiento para el almacenamiento del gasóleo especificadas a una temperatura

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de 180 °F en los tanques, Como una acción de prevención para mantener la operación segura en la unidad de destilación combinada (UDC) se hace necesario disminuir el flujo de crudo para reducir la producción de gasóleo y alcanzar la temperatura de salida de 180 °F en el intercambiador de calor PS-E-8A , además de esta problemática se genera un riesgo severo de explosión de los tanques de almacenamiento por presurización causado por los vapores del gasóleo o por vaporización del agua arrastrada en la corriente del producto cuando la temperatura alcanza los límites de 212 °F punto de ebullición del agua, por estos motivos es necesario diseñar e instalar un intercambiador de calor de coraza y tubos que permita alcanzar el procesamiento de la carga total de gasóleo (atmosférico, vacío y viscorreducción)y de igual manera alcanzar el procesamiento de la carga de refinación de crudo a la cual se encuentra diseñada la unidad de destilación combinada (UDC), por lo tanto la implementación de este proyecto permitirá asumir la carga térmica de la corriente de gasóleo enviada hacia tanque ante la salida de servicio de la unidad de ruptura catalítica(URC), asegurando la continuidad de la operación de la unidad de destilación combinada de manera segura sin requerir la disminución del flujo de carga, esto se verá reflejado en el aumento en un 6.6% equivalente a 5000 BPD sobre la carga actual que corresponde a 75000 BPD para un procesamiento total de 80000 BPD que es lo requerido para mejorar las proyecciones económicas de la unidad de destilación combinada de la refinería de Cartagena. Con el diseño e instalación del intercambiador de calor en la unidad de destilación combinada de la refinería de Cartagena se facilitara la operación en la planta incrementando de forma considerable la carga del crudo, se mantendrá la integridad energética en el tren de precalentamiento lo que facilita la contribución ambiental según las proyecciones que tiene la empresa en este aspecto , además evitando riesgos que generen fallas operativas y posibles accidentes , por lo cual es considerable la viabilidad proyecto teniendo en cuentalo mencionado anteriormente, También considerando que tanto el tiempo de investigación, de implementación y de recuperación de la inversión son mínimos en comparación con las ganancias que tendrá con la implementación del intercambiador de calor de coraza y tubos , por lo cual se tiene considerado que la inversión será recuperada entre 2 a 4 meses basados en un aumento considerable de la producción en un 6% de la carga actual de crudo, el tiempo de implementación aproximadamente se estima entre 1 a 3 meses, por lo tanto refleja que en cuestión de tiempo es sumamente favorable porque se verá un cambio positivo en un corto plazo. El presente proyecto pertenece a la línea de ingeniería de procesos acorde a los objetivos del programa de Ingeniería Química, de igual manera acorde con los objetivos de la Universidad de San Buenaventura y su compromiso social, considerando indispensable la búsqueda de proyectos que propongan una solución

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práctica a la problemática socio ambiental2. Por lo tanto se propone la ejecución de este proyecto sobre el Diseño de un intercambiador de calor coraza y tubos para optimizar el margen de refinación en la Unidad de Destilación Combinada de la Refinería de Cartagena (RCSA). 1.4 OBJETIVOS

1.4.1 Objetivo General Diseñar un intercambiador de calor coraza y tubos para optimizar el margen de refinación en la Unidad de Destilación Combinada de la Refinería de Cartagena (RCSA). 1.4.2 Objetivos Específicos

Diagnosticar la condición actual del sistema de enfriamiento de gasóleo en la unidad de destilación combinada. Proponer una alternativa de diseño que cumpla con la carga térmica de la corriente de gasóleo especificada en el manual de proceso para su almacenamiento seguro. Validar el diseño del intercambiador de calor mediante un software especializado. Seleccionar los componentes de diseño y materiales del intercambiador de calor mediante las normas TEMA/ASME para la industria petrolera. Establecer los costos de fabricación, beneficios económicos, operativos y de seguridad del proyecto.

2UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA. Proyecto Educativo Bonaventuriano, Bogotá D.C., Colombia, 2007,

p. 43.

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2. MARCO REFERENCIAL

2.1 ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS Las investigaciones desarrolladas o existentes respecto al diseño de intercambiadores de calor para el enfriamiento de gasóleo en refinerías no son específicas para esta temática, pero cabe resaltar que se han desarrollado muchas investigaciones de diseño y construcción de intercambiadores de calor para una variedad de aplicaciones tanto en la refinería como industrias químicas que han permitido mejorar la operatividad, economía y seguridad , también proyectos orientados a necesidades académicas ; entre estas investigaciones se encuentran las siguientes : Fonseca Picón Laura Andrea, Riveros Vargas Laura Marcela, estudiantes de ingeniería mecánica de la universidad industrial de Santander (UIS) desarrollaron un software de diseño térmico y mecánico de intercambiadores de calor de casco y tubos con la finalidad de suministrarle a la escuela de ingeniería mecánica de la UIS , una herramienta informática que permitiera tanto el diseño térmico como mecánico de intercambiadores de casco y tubos , teniendo en cuenta las normas ASME y las recomendaciones TEMA utilizadas para su diseño ; En este proyecto se integraron varias herramientas informáticas que usualmente se trabajan de manera independiente como MATLAB como programa de diseño térmico y mecánico , y SOLIWORKS para los planos, los cuales facilitan la integración de texto, imágenes y gráficos para un mejor entendimiento3. En el año 2012,Pérez Moreno Jairo Alexander, estudiante de ingeniería mecánica de la Universidad Industrial de Santander, desarrollo el proyecto verificación del diseño mecánico y análisis financiero de los intercambiadores de calor programados para la reposición del 2012 en la refinería de Barrancabermeja de Ecopetrol, Este proyecto muestra los cambios que se presentan en el diseño mecánico al implementar nuevas metalurgias y así prever el impacto que ello genere , brindando mayor seguridad , eficiencia y confiabilidad en los cambios planteados .La verificación del diseño mecánico se realizó mediante el software de análisis y diseño de recipientes a presión PVElite y CodeCalc , dicho análisis se llevó a cabo en 16 intercambiadores en base a la norma ASME sección VIII división 1 y TEMA , también fueron sometidos a un análisis financiero (Costo/beneficio) presupuestando la perdida de producción que traería la no reposición del equipo o su mantenimiento metalúrgico4.

3 FONSECA PICON, Laura Andrea. RIVEROS VARGAS, Laura Marcela. Diseño Térmico y Mecánico de

Intercambiadores de Calor de Casco y Tubo. Bucaramanga Colombia ,2009 ,20p. 4PEREZ MORENO, Jairo Alexander. Verificación del Diseño Mecánico y Análisis Financiero de los Intercambiadores de

Calor Programados para la Reposición del 2012 en la Refinería de Barrancabermeja de Ecopetrol.

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Llangarí Lliguín Valeria, Solís Sánchez Germán Eduardo ,estudiantes de ingeniería mecánica, desarrollaron en el año 2012 un proyecto de grado de un diseño térmico e hidráulico de un intercambiador de coraza y tubos como recomendación para la refinería talara de Perú con colaboración de la industria ACERO DE LOS ANDES, donde analizaron los tipos de procesos de la refinería de los cuales lo más destacados fueron el calentamiento de crudo utilizando crudo reducido o producto de fondo de la torre destilación atmosférica, por lo cual se recomendó y selecciono un intercambiador tipo AES , otro proceso importante escogido fue la generación de vapor de agua en cual se utilizó gasóleo mediano de vacío (MVGO) como fluido de calentamiento , por tal motivo este proceso permite el cambio de fase del agua y a la vez el enfriamiento de la corriente de gasóleo , por el cual se seleccionó un intercambiador tipo AKT5. Bajo las normas TEMA para la industria del petróleo en la Unidad de Destilación Combinada de la Refinería de Cartagena se llevó a cabo el diseño e implementación de un intercambiador de calor de tipo coraza y tubos que permitiera suplir con la carga térmica de los circulantes medio de la torre atmosférica T-307 y el flujo circulante de crudo para evitar la ruptura en los intercambiadores posteriores al tren de precalentamiento por las altas temperaturas y la excesiva carga, denominado E-1006 en el esquema de proceso. Conforme a las normas TEMA para la industria del petróleo en la Unidad de Destilación Combinada de la Refinería de Cartagena se diseñó e instalo un intercambiador de calor de casco y tubos denominado E-1007 según el esquema de proceso que permitiera aprovechar el calor del diésel proveniente de la torre de destilación T-301 (torre caliente) para la producción de vapor de agua a partir de los condensados provenientes de otras etapas del proceso de refinación. 2.2 MARCO TEORICO 2.2.1 Petróleo. El petróleo es una mezcla muy compleja de hidrocarburos o compuestos orgánicos que puede contener miles de substancias diferentes con una gran cantidad de alguna de ellas y muy poco de otras, pero miles de variedades en cada caso. El petróleo puede ser procesado para producir diferentes productos deseables para aplicaciones industriales o cotidianas , tales como aceite combustible, gasolina, keroseno, GLP, asfalto, gasóleo entre otros, a partir de diferentes procesos o unidades, principalmente encontramos la destilación atmosférica o destilación primaria y destilación al vacío o destilación secundaria ,los productos obtenidos en estas torres de destilación pueden convertirse en materia de alimentación a varios procesos de refinación donde la estructura molecular son reordenadas , en unidades como cracking o ruptura catalítica ,alquilación , isomerización , reformación, coquización , hidrodesulfuración y

5LLANGARÍ LLIGUÍN, Valeria. SOLÍS SÁNCHEZ, Germán Eduardo. Diseño Térmico e Hidráulico de un

Intercambiador de Coraza y Tubos. Riobana Ecuador, 2012,15p.

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polimerización para el mejoramiento de sus características o propiedades lo que permite un mejor aprovechamiento económico6. 2.2.1.1 Destilación Atmosférica del petróleo. La destilación atmosférica permite la separación de los componentes de una mezcla de hidrocarburos, como lo es el petróleo, en función de sus temperaturas de ebullición. Para que se produzca la "separación o fraccionamiento" de los cortes, se debe alcanzar el equilibrio entre las fases líquido-vapor, ya que de esta manera los componentes más livianos o de menor peso molecular se concentran en la fase vapor y por el contrario los de mayor peso molecular predominan en la fase liquida, en definitiva se aprovecha las diferencias de volatilidad de los hidrocarburos. Básicamente el proceso consiste en vaporizar los hidrocarburos del crudo y luego condensarlos en cortes definidos, modificando fundamentalmente la temperatura y manteniendo la presión a 1 atm. La vaporización o fase vapor se produce en el horno y zona de carga de la columna fraccionadora, además del aprovechamiento del calor a partir de un tren de precalentamiento conformado por varios intercambiadores de calor. En el horno se transfiere la energía térmica necesaria para producir el cambio de fase y en la zona de carga se disminuye la presión del sistema, produciéndose el flash de la carga, obteniéndose la vaporización definitiva. La fase liquida se logra con reflujos o reciclo de hidrocarburos retornados a la torre atmosférica, estos reflujos son corrientes liquidas de hidrocarburos que se enfrían por intercambio con crudo o fluidos refrigerantes. La función u objetivo principal de estos, es eliminar o disipar en forma controlada la energía cedida a los hidrocarburos en el horno, de esta manera se enfría y condensa la carga vaporizada, en cortes o fracciones de hidrocarburos específicas, obteniéndose los combustibles correspondientes que generalmente son gases de cima, nafta liviana, nafta pesada, ACPM, queroseno, gasóleo atmosférico y residuo atmosférico. La columna posee bandejas o platos donde se produce el equilibrio entre los vapores que ascienden y los líquidos descendentes. En puntos o alturas exactamente calculadas existen platos colectores desde lo que se extraen los combustibles destilados (Ver figura 1). La diferencia fundamental entre las unidades de destilación atmosférica y vacío es la presión de trabajo. La torre de destilación atmosférica opera con presiones 1 atm (manométrica), mientras que la torre de vacío trabaja con presiones absolutas de 20 mm de Hg, esto permite destilar hidrocarburos de alto peso molecular que se descompondrían o craquearían térmicamente, si las condiciones operativas normales de la torre de destilación atmosférica fuesen sobrepasadas7.

6 CASTRO ARELLANO, Javier. TORRES ROBLES, Rafael. Análisis y Simulación de Procesos de Refinación de

Petróleo. México, ED Alfa omega. PRIMERA EDICION. 2002. 7 REFINERIA DE CARTAGENA S.A. Manual de entrenamiento TrdinYourRefiMCRYOperator (TYRO).

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Figura 1. Torre de Destilación Atmosférica

T

T

TV312

TI341

T

T-302

Despojadora

de ACPMLV302

P-303A/B

TI357

T

TI313

E-1002C

T

TI171

T

TI170

P-1001A/B

T

TI172PI152E-1002D

PT

FV324

P-308A/B

Vapor

65#

T

TI346

19

17

6

5

4

3

2

1

18

15

13

12

11

10

9

8

7

LIC304

crudo reducido

crudo

Despojadora de Keroseno T-304

vapor

65#

FV326

F

FV327

F

FV302

F

GOA

vapor

65#

FV354

F

Torre

Atmosférica

Caliente T-301

4

1

4

1

crudo

~ ~

~ ~

fondos líquidos

circulante inferior

T

TI336

P-302A/B

T

TI355

E-1001BE-1004

E-201

E-1001A

TI197TI361

T

TI300

crudo crudo

T

TV311

crudo

T

TI193 FV308

F

T

Torre

Atmosférica

Fría

Torre

Atmosférica

Fría

vapores de cima

Torre

Estabili-

zadora

Torre

Estabili-

zadora

Nafta a

E203B

Torre Atmos-

férica Fría

keroseno

circulante superior

Hornos

Atmosféricos

crudo

Hornos de

Vacío

crudo reducido

E310A/BF

vapores de cima

GOA

FV350

F

FV325

F

P-312A/BFV341

F

LIC305

FI324

T-303

Despojadora

de GOA

T TI310

a desaladores

TI112PV1B

E-1007

De D308

de PIC1

E-5

T

A

D308

crudo

E306

E305

F

F367

T

agua

TI149

agua

ACPM

a tratamientoT389

T

a tratamiento

ACPM

agua

FV311

F

TV206

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2.2.1.2 Productos de la Destilación Atmosférica. Las fracciones obtenidas a través de la destilación atmosférica serán descritas en la tabla 1, especificando el tipo de fracción, distribución de hidrocarburos en la fracción, rango destilación o temperatura del corte y el destino para el mejoramiento de sus características8.

Tabla 1. Fracciones obtenidas en la Destilación Atmosférica

Productos o Fracción

Distribución de

Hidrocarburos en la Fracción

Rango de Destilación

(°C)

Destino

GLP

C1-C5 < 32.2 Enviado al sistema de fuel gas

Nafta Virgen Liviana

C5 – C7

32.2 – 93.3

Luego de la estabilización es carga para el complejo de gasolinas.

Nafta Virgen Pesada

C6 – C12

76.7- 204.4

Luego de la estabilización es carga para el complejo de gasolinas.

Queroseno

C12 – C18

176.7-288.7

Puede formar parte de la carga del complejo de gasolinas, del jet o gasóleo.

ACMP-Diésel

C15 -- C18

198.9-327

Puede formar parte del producto gasóleo, gasóleo marino o ser parte de la carga de la unidad de ruptura catalítica (Cracking).

Gasóleo Atmosférico

C16 – C21 >260

Puede ser carga de la unidad de ruptura catalítica o envió almacenamiento a tanques

Crudo

reducido atmosférico

>C20

>301.7

Generalmente es la carga de la torre al vacío, aunque puede ser carga de la unidad de ruptura catalítica.

2.2.1.3 Destilación al Vacío. Las unidades de Vacío, están diseñadas para operar en condiciones termodinámicas adecuadas para destilar las fracciones pesadas del crudo que generalmente es el residuo de la torre atmosférica, sin que se produzca la descomposición térmica de los mismos. Para lograrlo se baja la presión de

8CASTRO ARELLANO, Javier. TORRES ROBLES, Rafael. Análisis y Simulación de Procesos de Refinación de Petróleo.

México, ED Algaomega. PRIMERA EDICIÓN. 2002.

24

trabajo hasta alcanzar presiones absolutas de 20 mm de Hg en la zona de carga de la columna, el vacío es obtenido con eyectores (ver figura 2).En esta unidad, la energía necesaria para vaporizar el crudo reducido es suministrada totalmente en hornos, diseñados para minimizar la pérdida de carga (perdida de presión) con el fin de operar con la menor presión posible en los puntos donde se inicia la vaporización. La carga parcialmente vaporizada es enviada a la zona flash de la columna de destilación al vacío, donde se produce una corriente ascendente de vapores y otra descendente de líquidos, el principio es la condensación de vapores. La torre tiene características particulares, que la diferencian de las fraccionadoras atmosféricas. Los dispositivos o elementos mecánicos para producir el contacto liquido/vapor, son rellenos especiales (flexirings, ubicados en lechos ordenados) que permiten incrementar la superficie de interface, favoreciendo la transferencia de masa. El diámetro de la columna es diferente en zona de condensación, respecto de la zona superior o inferior de la misma. La zona de condensación o fraccionamiento tiene el mayor diámetro ya que las pérdidas de carga deben ser despreciables para mantener el vacío homogéneo en la totalidad de la torre. La zona de cabeza es de diámetro menor ya que el caudal de vapores en esta zona es muy bajo debido a que los productos solo son obtenidos lateralmente y no por la cabeza. El fondo de la columna tiene el menor diámetro, ya que se debe minimizar el tiempo de residencia del asfalto o brea para evitar la descomposición térmica y formación de “carbón” o coque en la torre9. 2.2.1.4 Productos de Destilación al Vacío. Los cortes o fracciones obtenidos a partir del residuo atmosférico en la torre de vacío serán descritos en la tabla 2.

Tabla 2. Fracciones Obtenidas en la Destilación Al Vacío

Productos o Fracción

Distribución de

Hidrocarburos en la Fracción

Rango de Destilación

(°C)

Destino

Gasóleo Liviano de

Vacío

C16-C18

230 – 370

Generalmente se dirige almacenamiento a tanques o la unidad de ruptura catalítica.

Gasóleo Pesado de

Vacío

C18 – C21

280-550

Generalmente es la carga de la unidad de ruptura catalítica o en ciertos casos se dirige almacenamiento a tanques.

Residuo de Vacío

>C21

>450

Puede ser carga de la unidad de viscorreducción o coquización.

9REFINERIA DE CARTAGENA S.A. Manual de entrenamiento TrdinYourRefiMCRYOperator (TYRO).

25

Figura 2. Torre de Destilación al Vacío

T

P-401/405 E-311A/B

Torre de Vacío

LIC401

crudo

E-1005

P-11A/B

LIC5

P-402A/B/CTI219

STR-402A/BPI414 PI415

PI411 PI410

FI429

TI216

PI2

PI413 P

TI215 T

PDI402

TI217

TIC407

TI186

TI113

TI122 TI187

FI131 vapor

65#FV3

F

T

T

P

FV426

F

F

T

T T T

crudo

F

TI213

T

LV402A

GOA

GOA y GOP

P P

T

crudo

E-310A/BTI116

T

crudo

E-2TI103

T

TI104

T

agua

E-8A

FI427

F

FV415

F

TI212

T

FI423

F

TI437

T

LV402B

T

P PTanques de

Gasóleo

gasóleo

agua agua agua

E-402A/B E-401 E-403

J-102A/B/C/D/E

vapor

600# PV334

P

venteo a

atmósfera

P

LV5

F

FI422

FV416

F

T-401

OR

condensado de

media presión

HV407

crudo

E-310C/DTI117

crudo

E-102TI163

E-8B/14

agua

T

Hornos

de Vacío

Hornos de

Vacío

URC

Unidad

Viscorreductora

gasóleo

Unidad

Viscorreductora

Torre

Atmosférica

Caliente

crudo reciclado

STR-401A/B

J-101A/B/C/D/E

TV314

T

gas para

presionar

brea virgen

crudo reducido

FV413

F

circulante

superior

lavado

caliente

gasóleo

pesado

producto

aceite de

enfriamiento

(quench)

Unidad

Viscorreductora

LIC402

gasoleo Sello Bombas Visco

P51Tambor acumulador

de cima

D3

P

a gasoleos

P404A/BLV204T435 F8

T F

P14LV2

U-300

TKGasóleo

Tambor Acumulador

de Condensado

D-401

a aceites

recuperados

LV430P-410A/B

U-300

P-411

LC411

Intercambiador problema

26

2.2.2 Inspección e integridad de equipos industriales El análisis de integridad de equipos de procesos se ha vuelto muy importante como herramienta de gestión de riesgo en la mayoría de las industrias que poseen equipos sometidos a presión , altas cargas térmicas y flujo , tales como recipientes , intercambiadores de calor , hornos y tanques de almacenamiento de productos peligrosos , ya que una falla en uno de ellos puede generar consecuencias graves , es por tal razón que es necesario garantizar la confiabilidad de las plantas o unidades de procesos , mediante un buen plan de integridad aplicado al mejoramiento continuo , que consiste en diferentes metodologías de estudio y/o análisis tendientes a detectar los mecanismos de fallas probables y activos en las plantas o equipos , determinar la velocidad de avance de los mismos , determinar las técnicas de inspección que detectan dichos mecanismos de falla y establecer las metodologías de reparación como así también las evaluaciones de aptitud para el servicio de los equipos de planta. La implementación de sistemas de manejo de la integridad de las industrias es fundamental para asegurar confiablemente la capacidad de operación de los equipos , especialmente controlar que no existan riesgos previsibles de falla que pongan en peligro la seguridad del personal , el medio ambiente y la infraestructura , además reduce costos por inspecciones excesivas y por consecuencia de falla10. 2.2.2.1 Análisis de fallas. Cuando un producto ingenieril cesa de realizar una o más de sus funciones, mucho antes del fin de su vida útil, se dice que ha fallado. Estas fallas pueden causar pérdidas de vidas, paradas imprevistas de planta, incrementos de los costos de mantenimiento y reparación. En razón de sus aspectos legales, los resultados de los análisis de fallas pueden ser usados como base de litigaciones y reclamos de seguros por esos es conveniente aplicar metodologías conocidas como análisis fallas HAZOP, LOPA, Etc. El análisis de falla es diseñado para:

Identificar los modos de falla (La forma de fallar del producto o pieza).

Identificar el mecanismo de falla (El fenómeno físico involucrado en la falla).

Determinar la causa raíz (El diseño, defecto, o cargas que llevaron a la falla).

Recomendar métodos de prevención de falla.

2.2.3 Transferencia de Calor La transferencia de calor es el fenómeno de transmisión de la energía que se genera cuando existe un gradiente de temperatura entre dos regiones, actuando

10

PEREZ MORENO, Jairo Alexander. Verificación del Diseño Mecánico y Análisis Financiero de los Intercambiadores de Calor Programados para la Reposición del 2012 en la Refinería de Barrancabermeja de Ecopetrol, Barrancabermeja , 2012, 20p.

27

como una fuerza impulsora; el calor como energía en tránsito fluye de la región de alta temperatura a la de temperatura más baja. La transferencia de calor puede verificarse por tres mecanismos de transferencia: conducción, convección y/o radiación11. 2.2.3.1 Transferencia de Calor por Conducción. Por este mecanismo, el calor puede ser conducido a través de sólidos, líquidos y gases. La conducción se verifica mediante la transferencia de energía cinética entre partículas adyacentes. En un gas las moléculas “más calientes”, que tienen más energía y movimiento, se encargan de impartir energía a las moléculas colindantes que están a niveles energéticos más bajos. Este tipo de transferencia siempre está presente, de mayor a menor grado, en sólidos, líquidos y gases en los que existe un gradiente de temperatura12.

Para un volumen de espesor ∆x, con área de sección transversal A y cuyas caras opuestas se encuentran a diferentes temperaturas T1 y T2, esto causa que el calor ∆q transferido en un tiempo ∆t fluya del extremo caliente al extremo frio como muestra la figura 3. La rapidez de transferencia de calor q está dada por la ley de la conducción de Fourier13.

Dónde: A: Área de transferencia de calor (m2) K: Conductividad térmica del material (W/m2 K) dT/dx: Gradiente de temperatura

11

ALVAREZ MEDINA, Jessevely. Evaluación del Sistema de Intercambiadores de Calor del Residuo no Convertido del Proyecto Conversión Profunda de la Refinería de Puerto de la Cruz, Puerto de la Cruz Venezuela, 2011,6p. 12

ALVAREZ MEDINA, Jessevely. Evaluación del Sistema de Intercambiadores de Calor del Residuo no Convertido del Proyecto Conversión Profunda de la Refinería de Puerto de la Cruz, Puerto de la Cruz Venezuela, 2011,6p.

13LLANGARÍ LLIGUÍN, Valeria. SOLÍS SÁNCHEZ Germán Eduardo. Diseño Térmico e Hidráulico de un Intercambiador de

Coraza y Tubos. Riobana Ecuador, 2012,4p

Figura 3.Transferencia de Calor por Conducción

28

2.2.3.2 Transferencia de Calor por Convección. La transferencia de calor por convección implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Además incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido. Existen dos tipos de transferencia de calor por convección: la convección forzada, en la que se provoca el flujo de un fluido sobre la superficie sólida por medio de una bomba, un ventilador, u otro dispositivo mecánico y la convección libre o natural, la cual el fluido más caliente o más frio que está en contacto con la superficie solida causa una circulación debido a la diferencia de densidades que resulta del gradiente de temperatura en el fluido14.

La superficie A entrega calor con una temperatura T2 al fluido adyacente que se encuentra a una temperatura T1como muestra la figura 4. Un modelo de transferencia de calor q por convección, recibe el nombre de ley de newton, es el siguiente15:

Dónde: h: Coeficiente de convección (W/m2 K) A: Superficie que entrega calor (m2) 2.2.3.3 Transferencia de Calor por Radiación. La radiación térmica es energía emitida por la materia que se encuentra a una temperatura dada, se produce desde una fuente hacia afuera en todas las direcciones. Esta energía es producida por los cambios en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivas y transportadas por ondas electromagnéticas o fotones, por lo que recibe el nombre de radiación electromagnética16.

14

ALVAREZ MEDINA, Jessevely. Evaluación del Sistema de Intercambiadores de Calor del Residuo no Convertido del Proyecto Conversión Profunda de la Refinería de Puerto de la Cruz, Puerto de la Cruz Venezuela, 2011,6p.

15 LLANGARÍ LLIGUÍN, Valeria. SOLÍS SÁNCHEZ Germán Eduardo. Diseño Térmico e Hidráulico de un Intercambiador de

Coraza y Tubos. Riobana Ecuador, 2012,4p 16

Ibíd, 5p.

Figura 4. Transferencia de Calor por Convección

29

Donde

= Emisividad, sus valores varían en el rango0< <1

2.2.4 Intercambiadores de Calor. Un equipo de intercambio de calor es el que transfiere energía térmica desde una fuente o fluido de mayor temperatura hacia un fluido de menor temperatura generalmente con ambos fluidos moviéndose a través del equipo. Esta transferencia puede realizarse por contacto directo entre fluidos o a través de una pared que separa la fuente de transmisión y el fluido o fluidos17. Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son muy variadas y reciben diferentes nombres:

Condensador: Son enfriadores cuyo propósito es eliminar el calor latente.

Enfriador: Enfría un fluido generalmente por medio de agua.

Calentador: Aplica calor sensible a un fluido.

Rehervidor: Conectado a la base de una torre fraccionadora proporciona calor de re-ebullición que se necesita para la destilación.

Vaporizador: Un calentador que vaporiza parte del líquido.

2.2.5 Tipos de Intercambiadores de Calor. Existen varias maneras de clasificar los equipos de transferencia de calor, pero las más comunes son las que a continuación se anuncian18.

Intercambiadores de calor según la trayectoria de los fluidos.

Intercambiadores de calor según su función.

Intercambiadores de calor según sus características de construcción.

2.2.5.1 Intercambiadores de Calor Según la Trayectoria de los Fluidos. De acuerdo a la trayectoria que tienen los fluidos que intervienen en el procesos de los equipos de intercambio de calor pueden clasificarse así19:

Flujo en paralelo

Flujo en contracorriente

17

FONSECA PICON, Laura Andrea. RIVEROS VARGAS, Laura Marcela. Diseño Térmico y Mecánico de Intercambiadores de Calor de Casco y Tubo .Bucaramanga Colombia, 2009, 22p. 18

Ibíd, 23p. 19

FONSECA PICON, Laura Andrea. RIVEROS VARGAS, Laura Marcela. Diseño Térmico y Mecánico de Intercambiadores de

Calor de Casco y Tubo .Bucaramanga Colombia, 2009, 23p.

30

Flujo cruzado

Paso simple y paso múltiple

Flujo en paralelo: Como lo ilustra la figura 5, existe un flujo en paralelo cuando el flujo interno y externo fluyen en la misma dirección y sentido. En este caso, los dos fluidos entran al intercambiador de calor por el mismo extremo y estos presentan una diferencia de calor significativa. La temperatura de los fluidos se aproxima una de la otra, es decir que uno disminuye su temperatura y el otro aumenta tratando de alcanzar el equilibrio térmico entre ellos. Debe de quedar claro que el fluido con menor temperatura nunca alcanza la temperatura del fluido más caliente20.

Figura 5. Intercambiador de calor de flujo paralelo

Flujo en contracorriente: Como se ilustra en la figura 6, se presenta contracorriente cuando los dos fluidos fluyen en la misma dirección pero en sentido opuesto. Cada uno de los fluidos entra al intercambiador de calor por diferentes extremos, ya que el fluido con menor temperatura sale en contracorriente en el extremo donde entra el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más frio se aproxima a la temperatura del fluido de entrada. Este tipo de intercambiador resulta ser más eficiente que otros tipos. En contraste con el intercambiador de flujo en paralelo, el intercambiador de contraflujo o contracorriente puede presentar la temperatura más alta en el fluido frio y la más baja temperatura en el fluido caliente una vez realiza la transferencia de calor en el intercambiador21.

20

LLANGARÍ LLIGUÍN, Valeria. SOLÍS SÁNCHEZ Germán Eduardo. Diseño Térmico e Hidráulico de un Intercambiador de Coraza y Tubos. Riobana Ecuador, 2012,6p 21

Ibíd, 7p.

31

Figura 6. Intercambiador de calor en contracorriente

Flujo Cruzado: En la figura 7 se muestra el intercambiador de calor de flujo cruzado; uno de los fluidos fluye de manera perpendicular al otro , es decir , uno de los fluidos pasa a través de los tubos mientras que el otro pasa alrededor de dichos tubos formando un ángulo de 90°22.

Figura 7. Intercambiador de Calor de Flujo Cruzado

Paso Simple y Paso Múltiple. Un método que combina las características de dos o más intercambiadores y permite mejorar el desempeño de un intercambiador de calor es tener que pasar los dos fluidos varias veces dentro de un intercambiador de paso simple. Cuando los fluidos del intercambiador intercambian calor más de una vez, se denomina intercambiador de múltiple pasos. Si el fluido solo intercambia calor una sola vez, se denomina intercambiador de paso simple. En la figura 8 se muestra un ejemplo de estos intercambiadores. Comúnmente el intercambiador de múltiples pasos invierte el sentido del flujo en los tubos al utilizar dobleces en forma de “U” en los extremos, es decir, el dobles en forma de “U” permite al fluido fluir de regreso e incrementar el área de transferencia del intercambiador. Un segundo método

22

LLANGARÍ LLIGUÍN, Valeria. SOLÍS SÁNCHEZ Germán Eduardo. Diseño Térmico e Hidráulico de un Intercambiador de

Coraza y Tubos. Riobana Ecuador, 2012,8p

32

para llevar a cabo múltiples pasos es insertar deflectores dentro del intercambiador23.

Figura 8. Intercambiador de Calor de Paso Simple y Múltiple Paso.

2.2.5.2 Intercambiadores de Calor Según su Función. Los intercambiadores de calor también pueden ser clasificados por su función en un sistema particular. Una clasificación común es: Intercambiador regenerativo y no regenerativo24. Intercambiador de Calor Regenerativo. Un intercambiador regenerativo es

aquel donde se utiliza el mismo fluido (el fluido caliente y el fluido frio es el mismo) como se muestra en la figura 9. Lo que ocurres es, el fluido caliente abandona sistema cediendo su calor a un regenerador y posteriormente regresando al sistema. Los intercambiadores regenerativos son comúnmente utilizados en sistemas con temperaturas altas donde una porción del fluido del sistema se remueve del proceso principal y este es posteriormente integrado al sistema, un ejemplo de ello es cuando en las refinerías se utilizan las fracciones que salen de las torres de destilación para recuperar calor por medio del tren de precalentamiento. Ya que el fluido que es removido del proceso principal contiene energía, el calor del fluido abandona el sistema se usa para recalentar (regenerar) el fluido de regreso en lugar de expeler calor hacia un medio externo más frio lo que mejora la eficiencia del intercambiador de calor25.

Intercambiador de Calor no regenerativo: En un intercambiador de calor no regenerativo como se muestra en la figura 9, el fluido con mayor temperatura es enfriado por un fluido de un sistema separado, y la energía removida no es regresada al sistema. Es importante recordar que el término “Regenerativo/no

23


Coraza y Tubos. Riobana Ecuador, 2012,4p. 24

Ibíd, 9p. 25


Coraza y Tubos. Riobana Ecuador, 2012,9p.

33

regenerativo” solo se refiere a cómo funciona el intercambiador de calor en un sistema y no indica el tipo de intercambiador26.

Figura 9. Intercambiador de Calor Regenerativo y no Regenerativo.

2.2.5.3 Intercambiadores de Calor Según sus Características de Construcción. Los intercambiadores de calor son frecuentemente caracterizados por su construcción, los tres principales tipos de construcción son :

Intercambiador de calor de doble tubo.

Intercambiador de calor de placas.

Intercambiador de calor de coraza y tubos.

a) Intercambiador de calor de doble tubo: Este intercambiador de calor consiste en un tubo pequeño dentro de otro tubo de mayor diámetro, circulando uno de los fluidos en el interior del tubo de menor diámetro y el otro fluido entre ambos, pueden operar con flujo en paralelo y/o contracorriente.

b) Intercambiador de calor de placas. Un intercambiador de placas es un armazón con placas corrugadas o ranuras de metal. La armazón incluye una placa fija, una placa de presión y partes de conexión a presión. Las placas son presionadas unas a otras sobre una armazón.

c) Intercambiador de coraza y tubos: En este intercambiador un fluido fluye por el

interior de los tubos (lado de los tubos), mientras el otro es forzado a través de la coraza o casco y sobre el exterior de los tubos (lado del casco)27.

26



MARTÍNEZ RODRÍGUEZ, Ezequiel. Estudio para la Selección de un Sistema de Enfriamiento de Aire Proveniente de una Batería de Sopladores, de la Planta de Efluentes del Complejo Petroquímica Morelos. Coatzacoalcos Veracruz, 2009,11p.

34

2.2.6 Intercambiador de Calor de Coraza y Tubos Cuando se requiere grandes superficies de transferencia de calor, para satisfacer las necesidades industriales, aquellas pueden ser obtenidas más eficientemente por medio de intercambiadores de casco y tubos. La finalidad de este tipo de intercambiador de calor es la de transferir calor entre el fluido lado casco y el fluido que va por el lado de los tubos, como el fluido circula por separado en una cámara de intercambiador, los fluidos nunca se mezclan, y la transferencia de calor ocurre por convección y conducción a través de los tubos. Todos los elementos que entran en la construcción de los intercambiadores de coraza y tubos, han sido objeto de una normalización publicada por TEMA, que especifica las características mecánicas y térmicas correspondientes a las diversas condiciones de funcionamiento. Las principales partes del intercambiador de calor de casco y tubos son: Casco o coraza, cabezal estacionario, cabezal posterior y haz de tubos que serán descritos en puntos posteriores28.

Figura 10. Intercambiador de Coraza y Tubos.

2.2.6.1 Designación Según TEMA. Los intercambiadores de casco y tubos se diseñan de acuerdo a los estándares publicados por la asociación de fabricantes de intercambiadores de casco y tubos, conocida como TEMA (Tubular Exchangers Manufacturers Association).Las normas T.E.M.A clasifica los intercambiadores de casco y tubos en tres clases de acuerdo al proceso y las condiciones de operación los cuales se mencionan a continuación: Clase R: Incluye los intercambiadores de calor que utilizan en la industria del

petróleo y los procesos similares. Clase C: Abarca a los intercambiadores de calor en procesos moderados tales

como comerciales y generales.

2828

CUADRADO MANZON, Karina Cecilia. Diseño, Construcción y Pruebas de un Intercambiador de Carcasa y Tubos para el Laboratorio de Térmicas de la Facultad de Mecánica, Riobamba Ecuador, 2010,22p.

35

Clase B: Incluye los intercambiadores de calor que se utilizan en procesos químicos.

TEMA también propone un sistema de normas para la designación de los tipos de intercambiadores, conformada por tres letras que definen completamente el equipo. La primera letra designa al tipo de cabezal entrada o estacionario empleado; la segunda el tipo de casco o coraza y la tercera al tipo de cabezal posterior o salida29. Tipo de cabezal estacionario: Letras A, B, C, D, N. Tipo de coraza o casco: Letras E, F, G, H, J, K, X. Tipo de cabezal posterior: Letras L, M, N, P, S, T, U, W. Por lo tanto la descripción completa de estos equipos es como sigue: Diámetro de la Coraza / Longitud de los tubos XXX, donde XXX es igual a las letras que los definen según la figura 11.

Figura 11. Nomenclatura TEMA

29

CUADRADO MANZON, Karina Cecilia. Diseño, Construcción y Pruebas de un Intercambiador de Carcasa y Tubos para el

Laboratorio de Térmicas de la Facultad de Mecánica, Riobamba Ecuador, 2010,22p.

36

La selección del tipo de equipo es gobernada por factores tales como la facilidad de limpieza del mismo, la disponibilidad de espacios para la expansión entre el haz de tubos y la coraza, prevención de empaquetaduras en las juntas internas, y sobre todo la función que va a desempeñar30. 2.2.7 Componentes de un Intercambiador de Calor de Coraza y Tubos. Los componentes básicos de un intercambiador de calor de casco y tubos son: Los tubos (haz de tubos), Casco o coraza, Cabezales, bafles, barras de soporte, espejo de tubos (placa tubular), bridas y boquillas. Como se muestra en la figura 1231.

Figura 12. Componentes de un Intercambiador de Calor de Casco y Tubos.

2.2.7.1 Tubos: Los tubos son los componentes fundamentales, proporcionando la superficie de transferencia de calor entre el fluido que circula por interior de los tubos y la coraza. Los tubos pueden ser completos o soldados y generalmente están hechos de cobre o aleaciones de acero. Otras aleaciones de níquel, titanio o aluminio pueden ser requeridas para aplicaciones específicas. Los tubos pueden ser desnudos o con aletas. Las superficies extendías se usan cuando uno de los fluidos tiene un coeficiente de transferencia de calor (U) mucho menor que el otro fluido. La cantidad de pasos por los tubos y por la coraza dependen de la caída de presión disponible. A mayores velocidades, aumentan los coeficientes de transferencia de calor (U), pero también las perdidas por fricción y la erosión en los metales. Por lo tanto, si la pérdida de presión es aceptable, es

30CUADRADO MANZON, Karina Cecilia. Diseño, Construcción y Pruebas de un Intercambiador de Carcasa y Tubos para el Laboratorio de Térmicas de la Facultad de Mecánica, Riobamba Ecuador, 2010,22p.

31Ibid, 23p.

37

recomendable tener cantidad de tubos, pero de mayor longitud en un área reducida. En cuanto al espaciado de los tubos, los orificios correspondientes no pueden situarse muy cerca entre sí, ya que ello debilitaría estructuralmente el cabezal de tubos o espejo. La distancia más corta entre dos orificios adyacentes se denomina claro, y la distancia centro a centro en tubos adyacentes es el espaciado de tubos, con ambas dimensiones normalizadas32.La disposición de los tubos puede ser triangular o en cuadro, y sus variedades se muestran en la figura 13.

Figura 13. Arreglo o Disposición de los Tubos

La ventaja del espaciado cuadrado consiste en que los tubos resultan accesibles para limpieza externa y que tienen una baja caída de presión cuando el fluido fluye en la dirección indicada. En cambio en la disposición triangular se produce mayor turbulencia, debido a que el fluido que circula entre los tubos adyacentes a alta velocidad golpea directamente en la hilera siguiente. Esto supone que cuando la caída de presión y la limpieza son aspectos de menores consecuencias, al disposición triangular es la mejor para alcanzar valores altos del coeficiente de transferencia de calor en el lado de la coraza, consiguiéndose así coeficientes en torno al 25% mayores con la disposición en cuadro bajo condiciones similares. Los tubos se pueden obtener en diferentes espesores, definidos por el calibrador Birmingham en la práctica se denomina BGM del tubo33. 2.2.7.2 Coraza o Casco: La coraza es el contenedor del segundo fluido, generalmente es de sección circular y está hecha de una placa de acero al carbono conformado en forma cilíndrica y soldado longitudinalmente, los tipos de coraza se muestran en la figura 14.

32


Laboratorio de Térmicas de la Facultad de Mecánica, Riobamba Ecuador, 2010,24p. 33

Ibíd, 24p.

38

Figura 14. Tipos de Coraza

Tabla 3. Descripción de Tipos de Coraza

CORAZA

TIPO

DESCRIPCIÓN

Un solo paso

E Es el arreglo más común por ser económico y térmicamente eficiente, las boquillas están ubicadas en los extremos opuestos de la coraza, dependiendo del tipo y numero de deflectores empleados.

Dos pasos F Se utiliza cuando existe cruce de temperaturas y se pretende lograr una contracorriente pura o bien evitar un valor bajo de en el factor de corrección F al utilizar dos pasos en la coraza y más de cuatro en los tubos, evitando utilizar dos equipos en serie.

Flujo partido

G Presenta las cualidades de la coraza tipo “F”, su uso principal está en la condensación de vapores. El vapor entra por la parte superior de la coraza dividiéndose en dos por la placa de soporte que divide la coraza en dos, la ventaja es que el vapor se mantiene por un tiempo más largo en contacto con los tubos.

Flujo partido doble

H Flujo partido doble se utiliza para reducir la ciada de presión. En condensadores, la alimentación de vapor se divide en las dos boquillas de alimentación.

Flujo dividido

J Se emplea cuando el diseño se encuentra limitado por la caída de presión en la coraza, ya que la mitad del fluido del lado coraza atraviesa la misma área trasversal y solo la mitad de la longitudinal. Esta coraza tiene una boquilla central de entrada y dos de salida.

Rehervidor de caldera

K Se utiliza para generar vapor

39

2.2.7.3 Cabezales: A continuación se describen los tipos de cabezales para el intercambiador de casco y tubo (tubo y coraza), especificados por la norma TEMA, con la finalidad de seleccionar el más adecuado. Existen dos tipos de cabezales estacionarios (anteriores) y posteriores , la facilidad de acceso a los tubos es el factor que gobierna la selección del cabezal estacionario , mientras la necesidad de limpieza , el estrés térmico , los posibles problemas de empaquetaduras , el goteo y el costo, son factores que influyen en la selección del cabezal posterior34.

Figura 15. Cabezal tipo bonete

2.2.7.4 Cabezales estacionarios o fijos. Hay dos tipos básicos de cabezales fijos: los tipo canal (channel) y los tipo sombrero (Bonnet). La tabla 5 resume las aplicaciones más comunes de los cabezales estacionarios. Los cabezales de canal atornillados denominados según TEMA de tipo “A” consisten en ductos cilíndricos con bridas en ambos extremos, una de ella es atornillada en una cubierta plana y la otra a la placa de los tubos o a otra brida en el extremo de la coraza. Este tipo de cabezal se emplea cuando es frecuente la limpieza interna de los tubos. Otro tipo son los de canales o cabezales soldados denominados tipo C y N que son similares a los atornillados pero solo en un extremo posee bridas , las que son atornilladas a una cubierta plana , el otro extremo esta soldado a la placa de los tubos o la coraza. Al igual que en el tipo anterior, se tiene acceso in situ a los tubos, pero como el canal y la cubierta de tubos forman una unidad, el haz de tubos no puede ser extraído. Los canales soldados son más baratos que los atornillados, ya que solo poseen una brida en vez de dos, además son seleccionados para servicios de altas presiones y/o fluidos letales (peligrosos), dado que poseen un mínimo de juntas externas35.

34



Ibíd, 17p.

40

Tabla 4. Resumen de Aplicaciones de Cabezales Estacionarios

CABEZAL

APLICACIONES

A Es el más común entre los cabezales fijos y se aplica con placas de tubos , tubos en U y banco de tubos removibles

B Se emplea con placa de tubos fija, tubos en U, banco de tubos removible y coraza de tubos removibles.

C Se emplea en bancos de tubos removible y en diseños de placa de tubos fijas.

D Se emplea especialmente a altas presiones (lado tubo >1000 psi)

El cabezal tipo sombrero denominado según TEMA tipo “B” consiste en un barril cuyo fondo tiene forma de sombrero y del otro lado tiene una brida que permite el atornillado de los tubos o la coraza. Este tipo es más económico que los dos anteriores, y después de removerlos, permite un acceso directo al haz de tubos una vez que se han desconectado las tuberías externas de las boquillas del cabezal; por lo que es empleado cuando la limpieza interna de los tubos no es frecuente. El cabezal tipo “D” es utilizado especialmente para servicios de alta presión (presiones de diseño del lado de los tubos superiores a 1000 psi). 2.2.7.5 Cabezales Posteriores. Estos cabezales pueden ser de tres tipos: Fijos, flotantes o tubos en “U”. Los cabezales fijos se denominan según TEMA de tipo L, M y N contribuyen a un sistema rígido ya que la placa de los tubos (espejo) está adherida a la coraza, razón por la cual a los intercambiadores de calor con este tipo de cabezales se les denomina como tipo caja. El interior de los tubos puede limpiarse mecánicamente, pero el haz de los tubos no puede ser removido sin cortar la coraza, la limpieza exterior de los mismos solo puede ser efectuada por medios químicos. Por ello, estos equipos solo deben ser usados con fluidos limpios en el lado de la coraza. Entre las ventajas más relevantes del cabezal fijo están: pueden emplearse con cualquier número de pasos de tubos ; cada tubo puede ser reemplazado en forma individual; ausencia de uniones internas , lo que elimina una potencial fuente de fugas de un fluido a otro; permite acomodar un mayor número de tubos que cualquier otro cabezal dentro de un determinado diámetro de coraza , es adecuado para manejar altas presiones y/o manejo de fluidos peligrosos; su costo es relativamente bajo un poco más caro que el tipo de tubos en “U”. Los intercambiadores que emplean tubos en “U” (TEMA tipo U) solo necesitan cubierta para los tubos, lo que permite que estos puedan “moverse libremente” respecto a la coraza. Por otra parte el haz de tubos para limpieza mecánica externa, pero

41

internamente debe limpiarse con químicos, por lo que el fluido a circular por los tubos debe ser relativamente limpio36. Los cabezales flotantes son denominados así ya que mientras el fijo se encuentra adherido a la coraza o casco, estos se encuentran virtualmente flotando dentro de la misma, permitiendo la extracción completa del haz de tubos y la ocurrencia de movimientos diferenciales entre los tubos y la coraza. Existen cuatro tipos de cabezales flotantes, denominados de anillos divididos o tipo “S”, tracción continua o tipo “T”, flotante empacado externamente o tipo “P” y flotante sellado externamente o tipo “W”37. El cabezal tipo “S” está construido con una placa de tubo flotante entre un anillo dividido y una cubierta de placa de tubos. La placa se puede mover libremente dentro de la cubierta de la coraza. Como existe una junta interna, este cabezal es propenso a sufrir fugas, por lo tanto su presión interior se limita a 50 bares aproximadamente, este tipo de cabezal es recomendado para diseños con tubos removibles38. El cabezal tipo “T” está construido con placas de tubo flotante atornilladas a la cubierta de la placa de tubos. Posee la ventaja de reducir el tiempo de limpieza ya que el acceso a los tubos es muy sencillo; además permite el manejo de presiones de 70 bares. Sin embargo el número de tubos que éste permite acomodar es menor a cualquier otro tipo de cabezal y la posibilidad de fuga permanece39. En el cabezal tipo “W”, también conocido como tipo anillo de faro, los fluidos se encuentran separados por dos empaquetaduras, una para la coraza y otra para los tubos, su uso se encuentra limitado para uno o dos pasos de tubos, bajas presiones y fluidos no peligrosos40. Por último, el cabezal flotante externo tipo “P” posee todas las ventajas del tipo de faro, es decir, del tipo “W” además de no tener restricciones en cuanto a la elección del fluido del lado de los tubos. No obstante, en la coraza se debe restringir las bajas presiones y fluidos no letales, dada la presencia de sellos en este lado. En la tabla 6 se resumen las características de los cabezales posteriores41.

36

LLANGARÍ LLIGUÍN, Valeria. SOLÍS SÁNCHEZ Germán Eduardo. Diseño Térmico e Hidráulico de un Intercambiador de Coraza y Tubos. Riobana Ecuador, 2012,17p.

37Ibíd, 17p.

38LLANGARÍ LLIGUÍN, Valeria. SOLÍS SÁNCHEZ Germán Eduardo. Diseño Térmico e Hidráulico de un Intercambiador de


Ibíd, 18p. 40

Ibíd, 18p. 41

Ibíd, 18p.

42

Tabla 5. Resumen de Aplicaciones de Cabezales Posteriores.

CABEZAL APLICACIONES

L Se emplea en intercambiadores con placa de tubos fija, cuando se requiere limpieza mecánica en el lado de los tubos.

M Se emplea con intercambiadores con placa de tubos fija, para servicios de altas presiones.

N Se emplea en intercambiadores con placa de tubos fija

P Se le denomina cabezal empacado externamente. Permite expansión y se puede diseñar para cualquier número de pasos. Los fluidos no se mezclan en caso de presentarse fugas en las empaquetaduras. Es un diseño muy costoso

S Se le denomina cabezal de anillo dividido. Tiene a la placa de tubos entre un anillo divido removible y la cubierta, la cual tiene un diámetro mayor que la coraza. Se recomienda para bancos de tubos removibles.

T Comúnmente se le denomina cabezal flotante de arrastre. Puede ser removido de la coraza. Solo permite un número par de pasos para los tubos.

U Diseño sencillo que requiere una placa de tubos sin junta de expansión y es muy fácil de remover. No es posible remover tubos individuales, la limpieza de la U es muy difícil, diseño económico.

W Se le denomina cabezal flotante empacado con anillo de faro. Es posible un arreglo de uno o dos pasos para los tubos. El sistema de tubos más deflectores es fácil de remover, diseño económico.

2.2.7.6 Deflectores o Bafles: Usualmente se instalan deflectores del lado de la coraza, bien sea transversal o longitudinal. Los deflectores longitudinales se usan cuando se requieren dos o más pasos por la coraza o para sustituir a dos corazas tipo E en serie. Estos deflectores son denominados también divisores de paso. El divisor de pasos debe ajustar perfectamente en los surcos de la placa de tubos (espejo) y en cabezal para minimizar la posibilidad de derrame de una división a otra, lo que traería como consecuencia un serio deterioro en el funcionamiento del intercambiador. Los deflectores longitudinales pueden ser diseñados removibles o soldados. Los primeros se emplean con cabezales flotantes y requieren de bandas de sello flexibles o un dispositivo entre el deflector y la coraza que evite la fuga del fluido. Los segundos se utilizan con cabezales fijos y no requieren de juntas de expansión42.

42


Coraza y Tubos. Riobana Ecuador, 2012,18p.

43

Los deflectores o bafles transversales se emplean para soportar los tubos evitando así el pandeo, vibración y para incrementar el coeficiente de transferencia de calor del fluido debido al aumento de turbulencia y por lo tanto del número de Reynolds (Re), pero al momento del diseño es necesario tener en cuenta que no afecte la caída de presión sugerida para este tipo de equipo. Este tipo de bafles pueden ser segmentados con o sin tubos en la ventana, multi-segmentados o de disco y anillo, para deflectores segmentados el corte está entre el 15-40 % (el mejor resultado se obtiene con 25% de corte) del diámetro interno de la coraza, es decir que generalmente el deflector corresponde al 75% del diámetro de la coraza, en el caso del espaciado entre deflectores el mínimo es del 20% del diámetro interno de la coraza , este parámetro es vital en el diseño , por lo general el espaciado optimo está entre 30 a 60%43.

Figura 16. Corte del bafle o deflector.

Los deflectores se clasifican de acuerdo a la posición del corte: horizontal y/o vertical .La figura 23 muestra cómo se pueden posicionar los bafles en la coraza de acuerdo con su orientación, la tabla 7 muestra las ventajas y desventajas.

Figura 17. Orientación de los bafles en la coraza.

43

Ibíd, 18p.

44

2.2.7.7 Barras de soporte. Las barras de soporte con componentes que dan soporte a los bafles y los mantiene a distancia optima de diseño. Si no se colocaran estas barras durante el ensamble del arreglo de tubos y los bafles de la coraza, los bafles podrían moverse a lo largo de los tubos causando un mal desempeño térmico del intercambiador de calor o dañado a los tubos por pandeo o vibración. La figura 25 muestra los bafles sujetos a las barras de soporte44.

Figura 18. Barras de Soporte

2.2.7.8 Espejo o Placa para tubos. Los espejos son unos de los componentes más importantes del intercambiador de calor de casco y tubos, debido a que su propósito es separar los fluidos de la coraza y de los tubos, además de darle soporte al arreglo de tubos, barras de soporte, bafles o deflectores, a la coraza y los cabezales. La figura 26 muestra de espejos para el haz de tubos45.

Figura 19. Espejos para haz de tubos

44

FLORES GONZALES, Rafael. Fabricación y Validación Experimental de un Intercambiador de Tubo y Coraza, México D.F, 2007, 45p. 45

Ibíd, 45p.

45

2.2.7.9 Bridas. Las bridas sirven para acoplar partes del intercambiador de calor y unir la tubería a las tuberías del proceso. Generalmente las bridas son de acero al carbono forjadas de acuerdo a las especificaciones técnicas, aunque también se utilizan fundiciones de hierro para servicios de baja presión. Las bridas tienen una capacidad asignada como 150, 300, 400, 600, 900,1500 y 2500 libras, esta capacidad que corresponde a presiones de servicio a una temperatura especificada46.

Figura 20. Bridas

Figura 21. Ubicación de las Bridas.

Por lo general las bridas 1, 2, 3 y 5 pueden seleccionar de bridas estándar establecidas en códigos como la TEMA, o catálogos de fabricantes, para diámetros de bridas o diámetro interno del recipiente en donde estén ubicadas, menores a 24 pulgadas, para diámetros mayores de bridas deben diseñarse, la construcción especial de las bridas 4,6y7, requiere de un procedimiento establecido por la ASME47. 2.2.7.10 Boquillas. Las boquillas son componentes que permiten el enlace con las bombas de los circuitos de los fluidos de trabajo que pasaran por el intercambiador de calor y con los instrumentos de medición del intercambiador de calor, pero principalmente tienen la finalidad de proporcionar una buena distribución del fluido en el arreglo de tubos. La siguiente figura muestra las diferentes formas de unir las boquillas al equipo y/o cabezales.

46


Ibíd, 46p.

46

Las boquillas radiales son las más adecuadas para los cabezales debido a que tiene una mejor distribución del fluido en el arreglo de los tubos, aumentando la transferencia de calor del equipo, apropiada para intercambiadores de calor horizontales48.

Figura 22. Tipos de boquillas para los cabezales

2.2.8 Clasificación de los Intercambiadores de Calor de Coraza y Tubos. Los intercambiadores comúnmente usados por sistemas de mantenimiento, economía, montaje y construcción son los que a continuación se describen:

Intercambiador Tipo U

Intercambiador de cabezal fijo

Intercambiador de cabezal flotante 2.2.8.1 Intercambiador de Calor tipo U. En este tipo de intercambiador, los tubos son doblados en forma de U y están unidos a una única placa porta tubos. De esta manera los tubos pueden moverse relativamente al casco eliminando los problemas de movimiento diferencial entre el casco y los tubos, este tipo de intercambiador proporciona que el haz de tubos pueda ser retirado, permitiendo que el exterior de los tubos sea limpiado con medios mecánicos, pero usualmente es necesario la limpieza con medios químicos en el interior de los tubos. Por lo tanto el tipo de tubo en U está limitado a trabajar con fluidos no ensuciantes en el lado tubo aunque algunos fluidos ensuciantes pueden ser transportados por el lado de la coraza49. Los tubos en U tienen diferentes radios de curvaturas, como resultado una vez hecho el haz de tubos, solo los tubos que están en la periferia son accesibles para la renovación, mientras los tubos daños que se encuentran en filas interiores deben ser taponados. La principal ventaja del intercambiador con los tubos en U es

48




47

que cada tubo puede extenderse y contraerse independientemente al estar unido a una única placa porta tubos , haciéndolo muy apropiado para servicios donde se presente choque térmico muy grande o para servicios de alta presión50.

Figura 23. Intercambiador de Tubos en U

1. Boquilla 2. Coraza 3. Espaciador 4. Brida 5. Soporte 6. Bafle 7. Tubos en U

2.2.8.2 Intercambiador de Cabezal Fijo. Los intercambiadores de cabezal fijo son el diseño más simple de coraza y tubos, y se construye sin juntas empaquetadas en el lado del casco. Existen diversos tipos de construcciones , los que tienen ambas placas porta tubos soldadas al casco formando de cierta manera una caja para que de esta forma se proporcione un sello absoluto para prevenir las fugas del fluido por el lado coraza y los cabezales son apernados a la coraza51.

50


Calor de Casco y Tubo .Bucaramanga Colombia, 2009, 28p. 51

Ibid, 33p.

48

En otros intercambiadores de este tipo se suelda la coraza y los cabezales a la placa porta tubos o espejo formando una unidad integral. A veces el diámetro de la placa porta tubos se extiende más allá del diámetro de la coraza y tiene en su periferia una brida con agujero para pernos, los cuales permiten unir las placas porta tubos a los cabezales. En este tipo de intercambiador, la coraza puede ser llenada completamente de tubos para lograr la máxima transferencia de calor, pero esto incrementa la caída de presión en el lado de la coraza, y limita el intercambiador de calor a servicios relativamente limpios. Después de remover las cubiertas de los cabezales en cada extremo del intercambiador de calor se obtiene el acceso a los tubos, por lo tanto el interior de los tubos pueden ser limpiados por medios mecánicos. Como el haz de tubos no puede ser removido, la limpieza del exterior de los tubos se hace por medio de químicos, esto limita al intercambiador de placa porta tubos fija a trabajar con fluidos ensuciantes por el lado de casco o coraza aunque algunos fluidos ensuciantes pueden ser guiados a través de los tubos52.

Figura 24. Intercambiador de Cabezal Fijo

1. Coraza 2. Bafle 3. Espaciador 4. Boquillas 5. Cubierta del Canal 6. Separación de paso 7. Espejo o Placa porta tubo 8. Tubo

52



49

2.2.8.3 Intercambiador de Cabezal Flotante. Este tipo de intercambiador se caracteriza por tener una hoja de tubos fijas, mientras que la otra flota libremente permitiendo el movimiento diferencial entre la coraza y los tubos, este es el diseño indicado en servicios en los que la limpieza de tubos o su remplazo es frecuente. Hay dos tipos básicos de intercambiador de cabezal flotante. Uno emplea un cabezal flotante (es decir deslizante) con o sin anillo seccionado. El otro usa una empaquetadura para permitir la expansión térmica, este se llama comúnmente intercambiador de cabezal flotante de unión empaquetada y no se usa en servicio con fluidos peligrosos o cuando las fugas pueden ser toxicas. Hay numerosos subtipos de intercambiadores de cabezal flotante cuyas diferencias están en el diseño del cabezal de la cubierta. Los diseños de la cubierta apuntan a evitar y prevenir que se tuerza el cabezal o el haz de tubos, lo cual producirá fugas. Se requiere un maquinado preciso y un ensamble muy exacto, por lo tanto esto genera un costo elevado de fabricación e instalación. Otros usan un anillo espaciador y un segundo anillo o abrazadera a 90° de la primera para obtener una unión más fuerte, el cabezal generalmente está sujeto por unas placas53.

Figura 25. Intercambiador de Cabezal Flotante

1. Separador de Paso 2. Coraza 3. Barras tirantes 4. Espejo o Placa porta tubos 5. Cabezal Flotante 6. Bafles 7. Silla de Soporte 8. Cabezal Estacionario

53

CALAHORRANO BANGARROTE, Christian Roney. Diseño de un intercambiador de calor para el circuito flushing en la unidad de FCC en Refinería esmeralda. Riobamba Ecuador, 2012, 9p.

50

2.2.9 Métodos de Diseño de Intercambiadores Existen dos métodos importantes para el diseño de intercambiadores de calor: el LMTD (Log Mean Temperature Difference o Diferencia de Temperatura Media Logarítmica) y el NTU (Number of Transfer Units o Número de Unidades de Transferencia). El método NTU es, básicamente, un método para el análisis de intercambiadores de calor. A través de él podemos analizar el comportamiento de un determinado intercambiador de calor (un equipo que ya está construido) bajo parámetros diferentes a los de diseño. En este método se utilizan varias curvas para la determinación de la relación entre la efectividad y los NTU54

. El LMTD es un método de diseño. En él, con el conocimiento de las temperaturas de entrada y salida y el flujo másico de los fluidos es posible determinar el área de transferencia de calor siguiendo un procedimiento lógico. Considerando que lo que se desea es realizar el diseño, más no el análisis, de un intercambiador, se selecciona el método LMTD. Además, este método facilita la utilización de programas de computadora para realizar el diseño55. 2.3 MARCO LEGAL El diseño de recipientes a presión, como el de la gran mayoría de los equipos para procesos industriales, se encuentra regido por normas y códigos. Para el caso de los intercambiadores tipo tubular, el código más empleado es el ASME que se encuentra constituido por un conjunto de normas, especificaciones, fórmulas de diseño y criterios que permite construir un equipo optimo y eficiente para las características del proceso y operatividad en la planta, específicamente se manifiestan estos puntos en la sección VIII de la ASME en la división I. La aplicación de dicho código, requiere un amplio criterio para la implementación correcta del mismo en el diseño. Asimismo existen las normas TEMA (Tubular Exchangers Manufactures Association) cuya finalidad es regular los criterios de diseño y fabricación de intercambiadores de casco y tubos. Todos los elementos que integran la construcción de intercambiadores de calor de tipo tubular, han sido objeto de una normalización publicada por TEMA, que especifica las características mecánicas y térmicas para el diseño del equipo correspondiente a las diversas condiciones de funcionamiento, por otra parte es importante indicar que la categoría o clase a emplear de este tipo de norma es la denominada CLASE R que corresponde a los requisitos de diseño, fabricación y

54


Laboratorio de Térmicas de la Facultad de Mecánica, Riobamba Ecuador, 2010,34p. 55

Ibíd, 35p.

51

materiales más estrictos de la norma TEMA teniendo en cuenta que se emplea para condiciones severas de operación , procesos de petróleo y sus derivados. En el caso específico de Ecopetrol define una serie de bases y criterios de diseño de equipos mecánicos de tipo estático dirigido a los profesionales de diseño tanto de Ecopetrol como las diferentes compañías de ingeniera donde estable y da conocer los estándares de diseño de intercambiadores de calor tanto en la construcción y montaje según sus consideraciones de operación. 2.4 MARCO CONCEPTUAL API: American Petroleum Institutees una organización que se encarga de la elaboración de normas en el área de toda la industria del petróleo y el gas natural. AREA DE TRANSFERENCIA: Es el área o superficie por donde transita el calor debido a un gradiente de temperatura entre el sistema y el entorno. ASME: American Society of Mechanical Engineers es un conjunto de normas, especificaciones, fórmulas de diseño y criterios basados en muchos años de experiencia, todo aplicado al diseño, fabricación, instalación y recipientes sujetos a presión. CAIDA DE PRESIÓN: Es la perdida de presión de un fluido desde un punto inicial a uno final cuando fluye por una tubería debido a factores como la fricción, accesorios entre otros aspectos operativos. CALOR: Es la energía transferida a través de una frontera de un sistema debido a la diferencia de temperatura entre el sistema y el entorno del sistema, los sistemas no contienen calor, contienen energía, y el calor es una energía en tránsito. CALOR LATENTE: Es la cantidad de energía necesaria para comunicar en forma de calor a una sustancia que se mantiene a presión constante para que cambie de fase. CALOR SENSIBLE: Es la cantidad de energía necesaria para comunicar en forma de calor a una sustancia que se mantiene a presión constante para que varié su temperatura sin que haya cambio de fase. COEFICIENTE DE CONVECCIÓN: Es una función de la geometría del sistema, de las propiedades del fluido, de la velocidad del flujo y de la diferencia de temperaturas. FLUJO LAMINAR: Es un flujo que tiene un movimiento ordenado, en el que las partículas del fluido se mueven en líneas paralelas (capas), sin que se produzca mezcla de la materia entre las distintas capas.

52

FLUJO MASICO: Se llama flujo másico a la cantidad de masa que atraviesa una determinada superficie cada segundo y tiene unidades Kg/s, Lb/s. FLUJO TURBULENTO: Es un flujo que tiene un movimiento caótico, desordenado con mezcla intensiva entre las distintas capas. HAZ DE TUBOS: Es el elemento formado por un conjuntos de tubos, situado en el interior de la coraza y orientado paralelamente a ella. LADO CORAZA: Es llamado de esa forma al conducto por donde circula el fluido que pasa por interior de los tubos de transferencia. LADO TUBOS: Es llamado de esa forma a los conductos por donde circula el fluido que baña a los tubos de transferencia. NUSSELT: El número de nusselt (Un) es un numero adimensional que mide el aumento de la transmisión de calor desde una superficie por la que un fluido discurre o fluye (por convección) comparada con la transferencia de calor si esta ocurriera solamente por conducción. PRANDTL: El número de prandtl (Pr) es un numero adimensional proporcional al cociente entre la difusividad del momento (viscosidad) y la difusividad térmica. PELIGRO: Fuente, situación o acto con potencial de daño en términos de enfermedad o lesión a las personas, o una combinación de estos. REYNOLDS: El Reynolds es un numero adimensional definida como la relación entre los términos conectivos y los términos viscosos de la ecuación de Navier-Stokes que gobiernan el movimiento de los fluidos. RIESGO: Es la probabilidad de ocurrencia de un evento que atente contra la integridad física, mental y/o social del sujeto expuesto causando accidente o enfermedad. SEGURIDAD INDUSTRIAL: Es la disciplina que se encarga de la conservación de la salud de la empresa (Industria). TEMA: Tubular Exchangers Manufacturers Association es una norma internacional que tiene como finalidad regular los criterios de diseño y fabricación de los intercambiadores de casco y tubos. UDC: Denominada en la refinería de Cartagena como la unidad de destilación combinada , la cual está constituida por las dos torres de destilación una atmosférica y la otra al vacío , para el procesamiento de crudo de petróleo.

53

3. DISEÑO METODOLOGICO 3.1 TIPOS DE INVESTIGACIÓN Este estudio está delimitado por el tipo de investigación proyectiva de acuerdo con los objetivos planteados para su desarrollo y ejecución, el cual se encuentra orientado a la solución de un problema de tipo práctico que abarca diseño, elaboración de planes (planes de operación) o propuesta; además de plantear como es el caso alternativas de cambio y mejoramiento con el fin de optimizar las condiciones presentes y eliminar problemáticas futuras que causen riesgo al proceso y el personal de trabajo. La investigación proyectiva permite proponer soluciones que impliquen explorar, describir y proponer alternativas de cambio, específicamente orientados a proyectos que conlleven al diseño o creación de algo, es por tal razón que el término proyectivo está referido a proyecto en cuanto a propuesta, en el cual se plantean dos métodos de desarrollo de la investigación, el primer método recibe el nombre de perspectiva que implica que la propuesta se planifique desde el presente hacia el futuro; por el contrario la prospectiva que orienta la planificación y desarrollo de la investigación ubicándose desde el futuro y desde allí venir hasta el presente determinando los pasos para lograr los objetivos concebidos56. 3.2 TIPO DE DISEÑO ADOPTADO El diseño adoptado en esta investigación es de tipo no experimental, teniendo en cuenta que en el desarrollo del proyecto no es necesaria la manipulación deliberada de las variables, ya que estas se encuentran establecidas y especificadas según las condiciones de operación para el enfriamiento del gasóleo que permitirá un almacenamiento seguro, por lo tanto la realización de este proyecto se adaptara a las condiciones de operación. La investigación no experimental es aquella donde resulta imposible manipular variables o asignar aleatoriamente las condiciones o a los sujetos. De hecho, no hay condiciones o estímulos a los cuales se expongan los sujetos del estudio, si no que se observan situaciones ya existentes, es decir que las variables independientes ya han ocurrido y no pueden ser manipuladas, por lo tanto el investigador no tiene control sobre dichas variables, no puede influir sobre ellas porque ya sucedieron o están establecidas, al igual que sus efectos57. 3.3 ENFOQUE ADOPTADO

56

ACHAERANDIO ZUAZO, Luis. Iniciación a la Práctica de la Investigación. Guatemala, ED. MAGNA TERRA, Séptima edición. 2010.

57Ibid, 60p.

54

El enfoque que enmarcada este estudio es de tipo cuantitativo debido a la recolección y análisis de datos necesarios para dar respuesta a interrogantes de la investigación y validar la hipótesis planteada por medio de demostraciones y uso de la estadística que nos permitirá analizar datos a través de los conceptos y variables establecidas en la investigación. El objetivo de la investigación cuantitativa es el de adquirir conocimientos fundamentales y el modelo más adecuado que nos permita conocer la realidad de una manera más imparcial, ya que se recogen y analizan datos a partir de las variables y argumentos teóricos. 3.4 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE LA INFORMACIÓN 3.4.1 Fuentes Primarias La información de campo necesaria para llevar a cabo el desarrollo del proyecto se obtendrá de acuerdo a las fuentes de información, tales como entrevista y una encuesta realizada a personal técnico especializado para conocer las causas, consecuencias y restricciones generadas por las fallas en el enfriamiento y almacenamiento adecuado del gasóleo en la unidad de destilación combinada de la refinería de Cartagena y a la vez nos permitirá dar mejores recomendaciones acompañadas con la puesta en marcha de nuestro proyecto y además el sistema de información de refinería (RIS). 3.4.2 Fuentes Secundarias Este tipo de información fue recopilada por medio de artículos suministrados por la biblioteca universidad de san buenaventura, tesis de grado relacionados con el diseño de intercambiadores de calor, manual de operación de la unidad de destilación combinada , libros de diseño de equipos de transferencia de calor , documentos que relaciona las normas pertinentes para el diseño de intercambiadores de calor de coraza y tubos como es TEMA y ASME , además registros de operatividad dela planta de destilación y los diagramas de procesos.

3.5 HIPÓTESIS Hipótesis Alternativa (Ha) El diseño del intercambiador de calor de coraza y tubos para el enfriamiento de gasóleo permitiría aumentar el procesamiento de la carga de crudo en un 6,6 %, y además tener la capacidad de diseño de procesar la totalidad del flujo de gasóleo dirigido tanto almacenamiento como a la unidad de ruptura catalítica. Hipótesis Nula (Ho) El diseño del intercambiador de calor de coraza y tubos para el enfriamiento de gasóleo no permitirá aumentar el procesamiento de la carga de crudo en un 6,6%

55

y de igual manera tener la capacidad de procesar la totalidad del flujo de gasóleo dirigido tanto almacenamiento como a la unidad de ruptura catalítica. 3.6 VARIABLES 3.6.1 Variables Dependientes

Área de transferencia de Calor

Caída de Presión Intercambiador

Temperaturas de Salida de los Fluidos 3.6.2 Variables Independientes

Flujo Másico de los fluidos

Velocidad de los fluidos

Temperatura de entrada de los fluidos 3.7 OPERACIONALIZACION DE VARIABLES

TIPO VARIABLES DIMENSIÓN SIMBOLO

DEPENDIENTES

Área de transferencia de calor

Área ft2

Caída de presión Presión PSIG

Temperaturas de Salida Temperatura °F

INDEPENDIENTES

Flujo másico Flujo Lb/h

Velocidad de los fluidos Velocidad ft/s

Temperaturas de entrada

Temperatura °F

3.8 PROCESAMIENTO DE LA INFORMACION Para verificar o comprobar los datos obtenidos en el diseño del intercambiador de calor de coraza y tubos, se realizara una evaluación del diseño con dos herramientas que son el software HTRI y ASPEN , tomando como punto de partida el método practico LMDT con el fin de establecer una dimensionamiento optimo del diseño tanto mecánico , térmico e hidráulico. Se identificara las características físico-químicos de los fluidos mediante registros de las bases de datos que tiene la unidad de destilación combinada y el data sheet del intercambiador que opera actualmente para el servicio de enfriamiento de gasóleo, esto facilitara la selección del intercambiador adecuado conforme a las normas TEMA y seleccionar los materiales pertinentes bajo las normas ASME correspondientes a las características de los fluidos.

56

4. DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR 4.1 ANALISIS DE RESULTADO DE ENCUESTA La encuesta (Anexo V),se desarrolló con el fin observa el conocimiento del operador sobre el proceso y operatividad de los intercambiadores de la unidad de la destilación combinada de la Refinería de Cartagena, además comprobar los inconvenientes operativos generados por el enfriamiento del gasóleo en el intercambiador PS-E-8A , esta encuesta consta de 10 preguntas con respuesta de SI y NO , la cual se desarrolló en unidad de destilación combinada de la refinería de Cartagena con 10 operadores; para logar una mayor veracidad y no comprometer al personal de la sección se hizo de manera anónima.

En el eje de las abscisas se encuentra el número de la pregunta y en el eje ordenado la sumatoria de las respuestas tanto positivas como negativas. En donde se evidencia el total el acuerdo de los 10 encuestados en las preguntas 2 y 8. Pregunta 2. ¿Tiene conocimiento que el intercambiador de calor PS-E-8A para enfriamiento de gasóleo ha presentado fallas? Cual (es). Los diez operarios respondieron que SI y además todos coinciden que se ha presentado ruptura de tubos por las altos flujos y las excesivas cargas térmicas.

0

1

2

3

4

5

6

7

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9

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MA

TO

RIA

DE

L

AS

R

ES

PU

ES

TA

S

NUMERO DE LA PREGUNTA

Resp Posit

Resp Neg

Grafica 1 .TENDENCIA VALORATIVA DE LA ENCUESTA

57

Pregunta 8. ¿Considera usted que se debe implementar un intercambiador de calor que opere con la carga total de gasóleo (Almacenamiento y URC) en caso de parada de la planta URC (Cracking)?. El total de los diez encuestados afirman que SI es necesario la implementación de un intercambiador de calor.

En el diagrama de barras se denotan otros puntos relevantes que permiten identificar la necesidad de mejorar la condición de operación para el enfriamiento de gasóleo, donde el 80% de los encuestados consideran que una mala operación del intercambiador de calor PS-E-8A acarrea una problemática económica y de seguridad , además un 90% manifiestan de manera puntual las consecuencias que se generan cuando el intercambiador no cumple con las condiciones especificadas en el manual de proceso , que es la ruptura de tubos y posible voladura del techo del tanque de almacenamiento de gasóleo. 4.2 ANALISIS FUNCIONAL DE OPERABILIDAD (HAZOP) Para el desarrollo del diseño del intercambiador de calor se tuvo en cuenta un análisis funcional de operatividad (HAZOP), con el fin de identificar los riesgos y problemáticas , la identificación de estos puntos promueve presentar una propuesta de diseño que permita mejorar las condiciones de operación de la unidad de destilación combinada de la refinería de Cartagena, cumplir con las condiciones de almacenamiento del gasóleo, mejorar el margen económico y de seguridad.

0

1

2

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80%

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80%

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50%

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0%

20%

30%

SU

MA

TO

RIA

DE

LA

S R

ES

PU

ES

TA

S

NUMERO DE LA PREGUNTA

Grafica 2. DIAGRAMA TENDENCIA PORCENTUAL DE LA

ENCUESTA

Resp Posit

Resp Neg

58

ANALISIS HAZOP AREA: Enfriamiento de Gasóleo

UNIDAD:

Unidad de Destilación Combinada (UDC)

INTENCION DE DISEÑO:

Proponer una alternativa de diseño que cumpla con las especificaciones de enfriamiento y

almacenamiento de gasóleo.

Establecer un plan de mejora para cumplir con las especificaciones de enfriamiento y almacenamiento

según el manual de operación.

No. Palabra

Guía

Desviación Causa Consecuencias Salvaguarda Acción Recomendación

1 Mayor Flujo de gasóleo Fuera de

servicio o

parada de

la unidad

de ruptura

catalítica.

Temperatura

excesiva del

gasóleo para

almacenamiento

.

Posible voladura

de techo del

tanque de

almacenamiento

Instalar una

válvula de

control en la

línea de

entrada del

gasóleo.

Disminuir

la carga

de crudo

o la

producció

n de

gasóleo.

Instalar un

intercambiador de

calor que opere en

paralelo con el

actual y procesar

la carga total de

gasóleo.

2 Menor Flujo de gasóleo Baja

producció

n de

gasóleo.

Apertura

de la

Válvula

de línea

de entrada

en mala

posición.

Dificultades en

el bombeo por

aumento de

viscosidad del

gasóleo.

Cambio de las

propiedades del

gasóleo.

Instalar un

sistema

controlador e

indicador de

flujo.

Aumentar

la

producció

n de

gasóleo.

Mejorar la

destilación en la

torre.

59

3 Mayor Temperatura de

gasóleo

Alto flujo

de

gasóleo.

Alta

temperatu

ra del

agua de

proceso.

Bajo flujo

de agua

de

enfriamie

nto

Volatilización

del gasóleo en el

tanque de

almacenamiento

.

Voladura de

techo del tanque

de

almacenamiento

.

Instalar un

sistema

controlador e

indicador de

temperatura.

Disminuir

la carga

de crudo

o la

producció

n de

gasóleo

Instalar un

intercambiador de

calor que opere en

paralelo con el

actual y permita

cumplir con la

temperatura de

salida

especificada para

el gasóleo.

4 Menor Temperatura de

gasóleo

Bajo flujo

de

gasóleo.

Aumenta la

viscosidad del

gasóleo

By- pass en

la línea de

gasóleo.

Aumentar

la carga

de

gasóleo.

Reducir la carga

hacia cracking,

para aumentar la

carga de

almacenamiento.

5 NO Flujo de agua de

proceso

Bomba

de

descarga

fuera de

servicio o

apague en

las

bombas

Romper la

tubería del

intercambiador

By- pass en

la línea de

gasóleo.

Apertura

total del

by-pass ,

con el fin

de

disminuir

el flujo de

gasóleo

hacia el

intercamb

iador

Mantenimiento

preventivo a las

bombas de agua

enfriante para

evitar que falle.

60

4.3 DISEÑO PRELIMINAR TERMICO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR Según los datos de operación y propiedades de los fluidos, establecidos en el data sheet del intercambiador PS-E-8A se basara el diseño del intercambiador que operara en paralelo con el fin de procesar la carga total de gasóleo. Datos de operación y propiedades de los fluidos.

Resultados de diseño térmico Flujo másico lado coraza (m1)= 265700 Lb/h Flujo másico lado tubos (m2) =1360000 Lb/h Temperatura de entrada lado coraza (T1) = 374 °F Temperatura de salida lado coraza (T2) = 125 °F Temperatura de entrada lado tubos (t1)= 86 °F Temperatura de salida lado tubos (t2)= 100 °F Factor de ensuciamiento fluido caliente = 0,003 Factor ensuciamiento fluido frio = 0,001 Balance de Energía Q1= m1Cp1∆T1 = 265700Lb/h * 0,4933 Btu/Lb °F * (374 – 125) °F= 32640000 Btu/h Q2=m2Cp2∆T2 =1360000 Lb/H* 1 Btu/Lb °F * (110-86) °F = 32640000 Btu/h CALCULO DEL LMTD.

Fluido1 Fluido2

Cp 0,493 Btu/Lb °F 𝝁 3,1 Lb/ft h Cp 1 Btu/Lb °F 𝝁 1,94 Lb/ft h

K 0,058 Btu/h ft °F Pr 26,37 ------- K 0,356 Btu/h ft °F Pr 5,45 -------

S 0,742 ------ 𝝆 48,86 Lb/ft3 S 1 ------ 𝝆 62,4 Lb/ft3

T1 374 °F T2 125 °F t1 86 °F t2 110 °F

m 265700 Lb/h Q 32640000 Btu/h m 1360000 Lb/h Q 32640000 Btu/h

CORAZA TUBOS Gasoleo

Propiedades Fluido 1

Agua

Propiedades Fluido 2

Calculo del Calor Transferido Calculo del Calor Transferido

61

∆Tln= (∆T2- ∆T1) / [Ln (∆T2/∆T1)]

∆Tln= (264 °F- 39°F)/ [Ln (264/39)] = 117,65 °F Factor de corrección del LMDT (FT)

Ta = Temperatura entrada de fluido lado coraza Tb = Temperatura salida de fluido lado coraza ta = Temperatura entrada de fluido lado tubos tb = Temperatura salida de fluido lado tubos R=( 374°F -125°F)/ (110°F- 86°F) = 10,375 P=(110°F- 86°F)/(374°F – 86°F) = 0,08333 Factor de corrección para intercambiador 1-2 , Por el anexo D o por ecuación FT= 0,906 ~ Calculado LMTD corregido

∆Tm = 0,906 * 117,65 °F = 106,59 °F Estimación de UD UD ~ 25 – 60 Btu/h ft2 °F UDescogido = 54 Btu/h ft2 °F

62

Calculo de area de tranferencia de calor y numero de tubos A= Area de transferencia requerida nt= Numero de tubos calculados D0= Diametro externo del tubo = ¾ in = 0,75 in A = q / ( UD FT∆Tln) A = (32640000 Btu/h) / (54Btu/h ft2 °F* 0,906* 117, 65 °F) A= 5671 ft2 nt = A/(π D0 L) nt= 5671 ft2 / [π* (0,75 in /12)* 15 ft] = 1925 tubos. Calculo de numero de paso por los tubos y velocidad de fluido por los tubos

Se requiere un numero de reynolds mayor o igual a 10000,

mt = Flujo masico de fluido por los tubos np= Numero de pasos por los tubos nt= numero de tubos calculados Di= Diametro interno del tubos µ = Viscosiad de fluido lado tubos V= Velocidad de fluido por los tubos

(

)

= 8974,39 np

Re = 8974,39 * 2 = 17949 flujo turbulento , Numero de pasos= 2

(

)

63

(

)

Valor recomendado de la velocidad del fluido por los tubo es entre 3 – 8 ft/s Determinación del tamaño de la coraza y el numero de tubos actuales Para tubos de diametro ¾ in , arreglo triangular con pitch de 1 in , dos pasos por los tubos, para una configuracion del equipo AES y basandonse en el numero de tubos calculados que corresponde nt= 1925 tubos, el numero de tubos que se ajusta según la tabla de datos del anexo J son 2100 tubos y una coraza con diametro interno que corresponde a ds= 48 in. Calculo de coeficiente global requerido

(

)

Ureq= 43,94 Btu/h ft2 °F Calculo de hi

( ⁄ )

k= conductividad del fluido Re = Numero de reynolds para fluido lado tubo Pr = Numero de prandtl µ= viscosidad del fluido a temperatura del fluido

= viscosidad defluido a temperatura de la superficie del tubo

64

Cp = Capacidad calorifica Se asume el factor de correccion de viscosidad igual a uno

(

)

(

)

Calculo de ho B= 0,17*ds

C= PT- Do

as=

G= m/as

De= de/12 Re = De G/ µ

65

B= Espacio entre bafles ds = Diámetro interno de la coraza as= Área de la coraza C’= Espacio entre tubos PT = Pitch = Espacio centro a centro entre tubos G= Flujo másico por área superficial Re= Numero de Reynolds de fluido lado coraza B= 0, 17 * 54 in = 9,18 in Do = ¾ in y PT= 1 in C´=1 in – 0, 75 in = 0, 25 in

= 0,861ft2

De= 0,73 in/12 = 0,06083 ft , de= 0,73 in para arreglo triangular y diámetro de tubo ¾ in.

Calculo del factor de colburn, JH

(

)

(

)

JH= 19,707

( ⁄ )

66

Se asume que el factor de corrección de viscosidad es igual 1

(

⁄ )

ho = 55,92 Btu/h ft2 °F Calculo de Coeficiente Global Limpio, UC

[

]

Para continuar UC> Ureq

[(

)

(

)

(

)

]

UC = 55,202 Btu/ h ft2 °F Factor de ensuciamiento, RD

El factor de ensuciamiento para el agua es 0,001 h ft2 °F/Btu y para el gasóleo el valor del factor de ensuciamiento corresponde a 0,003 h ft2 °F/Btu

67

Calculo de Coeficiente Global con ensuciamiento, UD

[

]

(

)

(

)

Para continuar UD> Ureq

Calculo de Over-Surface y Over-Desing Over-Surface es el exceso de área superficial, para compensar el ensuciamiento, donde generalmente es aceptables valores entre 10%-40%, valores superiores no son comunes y Over-Desing corresponde al sobredimensionamiento del intercambiador de calor, que generalmente recibe valores menores al 10%.

68

Tabla 6. Resumen de Cálculos Térmicos

RESUMEN DE CALCULOS TERMICOS

Q (Transf. De calor ) 32640000 Btu/h

Factor de corrección de LMDT 0,91 -------

LMDT corregido 106,7 °F

Área de Transferencia de Calor 5671 ft2

nt ( Numero de tubos) 2366 tubos

Diámetro de la coraza 54 in

Longitud del tubo 15 ft

Velocidad lado tubos 3,0 ft/s

Diámetro externo del tubo 0,75 in

Ureq 43,90 Btu/h*ft2*°F

Picth 1 in

hi 598,38 Btu/h ft2 °F

ho 55,92 Btu/h ft2 °F

UC 55,202 h*ft2*°F/Btu

RD 0,00421 Btu/h*ft2*°F

UD 44,979 Btu/h*ft2*°F

Over-Surface 26 %

Over-Desing 2 %

69

4.4 DISEÑO PRELIMINAR HIDRAULICO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR El diseño hidráulico permite establecer las caídas de presión en que se puede operar tanto el fluido por lado coraza como el fluido lado tubo, datos que se encontraran en la siguiente tabla. Caída de presión por fricción lado tubo

(

)

(

)

Caída de presión por retorno de flujo lado tubo

70

Caída de presión por boquillas

mt = Flujo másico por lado tubo Ns= Numero de corazas Dn= Diámetro de la boquilla de entrada

Caída de presión por fricción lado coraza

{ (

) }

71

(

)

0,0056

0,00121

{ (

) }

0,142 ;

(

)

Caída de presión por boquilla lado coraza

72

(

)

( (

)

)

(

)

73

Tabla 7. Resumen de Cálculos Hidráulicos

RESUMEN DE CALCULOS HIDRAULICOS

Caída de presión lado tubos

∆Pf 0,807 Psi

∆Pr 0,1002 Psi

∆Pn 3,04 Psi

∆P Total 3,94 Psi

Caída de presión lado coraza

∆Pf 3,73 Psi

∆Pn 0,16 Psi

∆P Total 3,88 Psi

74

4.5 REPORTES DE DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR EN HTRI Reporte Data Sheet del Intercambiador de Calor

HEAT EXCHANGER RATING DATA SHEET Page 1

US Units

Service of Unit Item No.

Type AES Orientation Horizontal Connected In 1 Parallel 1 Series

Surf/Unit (Gross/Eff) 5413.35 / 5293.06 ft2 Shell/Unit 1 Surf/Shell (Gross/Eff) 5413.35 / 5293.06 ft2

PERFORMANCE OF ONE UNIT

Fluid Allocation Shell Side Tube Side

Fluid Name GAS OIL HEAVY WATER

Fluid Quantity, Total 1000-lb/hr 265.700 1360.00

Vapor (In/Out) w t% 0.0 0.0 0.0 0.0

Liquid w t% 100.0 100.0 100.0 100.0

Temperature (In/Out) F 374.00 125.00 86.00 110.00

Density lb/ft3 48.660 48.660 62.430 62.430

Viscosity cP 1.3000 1.3000 0.8200 0.8200

Specif ic Heat Btu/lb-F 0.4900 0.4900 1.0000 1.0000

Thermal Conductivity Btu/hr-ft-F 0.0580 0.0580 0.3560 0.3560

Critical Pressure psia

Inlet Pressure psia 102.000 50.000

Velocity ft/sec 0.65 8.00 3.14

Pressure Drop, Allow /Calc psi 10.000 1.394 10.000 5.870

Average Film Coefficient Btu/ft2-hr-F 108.25 836.21

Fouling Resistance (min) ft2-hr-F/Btu 0.00300 0.00100

Heat Exchanged 32.5290 MM Btu/hr MTD (Corrected) 97.9 F Overdesign 5.30 %

Transfer Rate, Service 62.79 Btu/ft2-hr-F Calculated 66.12 Btu/ft2-hr-F Clean 91.63 Btu/ft2-hr-F

CONSTRUCTION OF ONE SHELL Sketch (Bundle/Nozzle Orientation)

Shell Side Tube Side

Design Pressure psig 150.000 150.000

Design Temperature F 374.00 374.00

No Passes per Shell 1 2

Flow Direction Dow nw ard Upw ard

Connections In inch 1 @ 7.6250 1 @ 7.6250

Size & Out inch 1 @ 7.6250 1 @ 7.6250

Rating Liq. Out inch @ @

Tube No. 1838 OD 0.7500 inch Thk(Avg) 0.0650 inch Length 15.000 ft Pitch 1.0000 inch Layout 30

Tube Type Plain Material CARBON STEEL Pairs seal strips 6

Shell ID 48.0000 inch Kettle ID inch Passlane Seal Rod No. 0

Cross Baff le Type PERPEND. SINGLE-SEG. %Cut (Diam) 17.09 Impingement Plate None

Spacing(c/c) 10.3029 inch Inlet 23.5311 inch No. of Crosspasses 15

Rho-V2-Inlet Nozzle 1113.24 lb/ft-sec2 Shell Entrance 1638.60 Shell Exit 1638.60 lb/ft-sec2

Bundle Entrance 288.37 Bundle Exit 464.97 lb/ft-sec2

Weight/Shell 28687.7 Filled w ith Water 42158.5 Bundle 15108.6 lb

Notes: Thermal Resistance, % Velocities, ft/sec Flow Fractions

Shell 61.09 Shellside 0.65 A 0.432

Tube 9.57 Tubeside 3.14 B 0.309

Fouling 27.84 Crossflow 1.64 C 0.043

Metal 1.51 Window 1.71 E 0.216

F 0.000

15

ft

48

inch

75

Reporte de Specification sheet

HEAT EXCHANGER SPECIFICATION SHEET Page 1

US Units

Job No.

Customer:ECOPETROL Reference No.

Address Proposal No.

Plant Location Date 1/24/2015 Rev

Service of Unit Item No.

Size 48.0000 x 180.000 inch Type AES Horz. Connected In 1 Parallel 1 Series

Surf/Unit (Gross/Eff) 5413.35 / 5293.06 ft2 Shell/Unit 1 Surf/Shell (Gross/Eff) 5413.35 / 5293.06 ft2

PERFORMANCE OF ONE UNIT

Fluid Allocation Shell Side Tube Side

Fluid Name GAS OIL HEAVY WATER

Fluid Quantity, Total lb/hr 265700 1360000

Vapor (In/Out)

Liquid 265700 265700 1360000 1360000

Steam

Water

Noncondensables

Temperature (In/Out) F 374.00 125.00 86.00 110.00

Specif ic Gravity 0.7798 0.7798 1.0005 1.0005

Viscosity cP 1.3000 1.3000 0.8200 0.8200

Molecular Weight, Vapor

Molecular Weight, Noncondensables

Specif ic Heat Btu/lb-F 0.4900 0.4900 1.0000 1.0000

Thermal Conductivity Btu/hr-ft-F 0.0580 0.0580 0.3560 0.3560

Latent Heat Btu/lb

Inlet Pressure psia 102.000 50.000

Velocity ft/sec 0.65 3.14

Pressure Drop, Allow /Calc psi 10.000 1.394 10.000 5.870

Fouling Resistance (min) ft2-hr-F/Btu 0.00300 0.00100

Heat Exchanged Btu/hr 32529030 MTD (Corrected) 97.9 F

Transfer Rate, Service 62.79 Btu/ft2-hr-F Clean 91.63 Btu/ft2-hr-F Actual 66.12 Btu/ft2-hr-F

CONSTRUCTION OF ONE SHELL Sketch (Bundle/Nozzle Orientation)

Shell Side Tube Side

Design/Test Pressure psig 150.000 / 150.000 /

Design Temperature F 374.00 374.00

No Passes per Shell 1 2

Corrosion Allow ance inch

Connections In inch 1 @ 7.6250 1 @ 7.6250

Size & Out inch 1 @ 7.6250 1 @ 7.6250

Rating Intermediate @ @

Tube No. 1838 OD 0.7500 inch Thk(Avg) 0.0650 inch Length 15.000 ft Pitch 1.0000 inch Layout 30

Tube Type Plain Material CARBON STEEL

Shell ID 48.0000 inch OD inch Shell Cover

Channel or Bonnet Channel Cover

Tubesheet-Stationary Tubesheet-Floating

Floating Head Cover Impingement Plate None

Baffles-Cross Type SINGLE-SEG. %Cut (Diam) 17.09 Spacing(c/c) 10.3029 Inlet 23.5311 inch

Baffles-Long Seal Type

Supports-Tube U-Bend Type

Bypass Seal Arrangement Tube-Tubesheet Joint

Expansion Joint Type

Rho-V2-Inlet Nozzle 1113.24 lb/ft-sec2 Bundle Entrance 288.37 Bundle Exit 464.97 lb/ft-sec2

Gaskets-Shell Side Tube Side

-Floating Head

Code Requirements TEMA Class

Weight/Shell 28687.7 Filled w ith Water 42158.5 Bundle 15108.6 lb

Remarks:

Reprinted w ith Permission (v6 )

15

ft

48

inch

76

4.5.1 En la tabla siguiente vamos a comparar los aspectos más importantes que existen de los cálculos en Excel vs el Data Sheet arrojado con el HTRI y obtener los errores relativo.

ITEM SIMBOLO DESCRIPCIONVALOR DEL

HTRI

VALOR EN

EXCELUNIDAD

ERROR

RELATIVO

1 FLUJO DE CALOR REQUERIDO 32529030 32640000 BTU/h 0,34%

2

m_2

MASA DEL FLUJO QUE CIRCULA POR

LA CORAZA265700 265700 BTU/h 0%

3MASA DEL FLUJO QUE CIRCULA POR

LOS TUBOS1360000 1360000 LB/h 0%

4 LMTDDIFERENCIA DE TEMPERATURA

MEDIA LOGARITMICA98 106.59 °F 8,76%

5COEFICIENTE GLOBAL DE

TRANSFERENCIA DE CALOR62,79 43,9 30,08%

6 AAREA DE TRANSFERENCIA DE CALOR

CALCULADA5413 5761 6,42%

7 NUMEROS DE PASOS EN LA CORAZA 1 1 PASOS 0%

8 NUMERO DE PASOS EN LOS TUBOS 2 2 PASOS 0%

9 DIAMETRO DE LA CORAZA 48 54 in 12,50%

10 DIAMETRO EXTERNO DEL TUBO 0,75 0,75 in 0%

11 L LONGITUD EFECTIVA DEL TUBO 15 15 ft 0%

12 nt NUMERO TOTAL DE TUBOS 1828 2366 Tubos 29,43%

13 ∆P T CAIDA DE PRESION LADO CORAZA 5,87 3,88 psig 33,90%

14 V VELOCIDAD POR LOS TUBOS 3,14 3 ft/s 4,45%

15 Over Surface EXCESO DE AREA SUPERFICIAL 23,53 26 % 10,49%

16 Over Desing SOBREDIMENSIONAMIENTO 5,3 2 % 62,26%

17 B ESPACIO ENTRE BAFLES 10,3 9,18 in 10,87%

18 UDCOEFICIENTE GLOBAL CON

ENSUCIAMIENTO66,12 44,79 32,25%

⁄

⁄

77

Figura 26. Dimensionamiento del diseño seleccionado El esquema según la simulación permite diseño un intercambiador de calor de tipo AES, basado en los datos de diseño preliminar por medio del método exceso de porcentaje de área.

78

Figura 27. Dimensionamiento de componentes de diseño seleccionado

79

Figura 28. Intercambiador de calor en 3D de diseño seleccionado

4.7 PRESUPUESTO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR

MATERIALES, EQUIPOS Y DISPOSITIVO CANTIDAD UNIDAD COSTO UNITARIO COSTO TOTAL

CORAZA 1 UN 928.000.000 928.000.000

CANAL 1 UN 109.000.000 109.000.000

TAPA CANAL 1 UN 96.290.000 96.290.000

TAPA FLOTANTE Y ANILLO BIPARTIDO 1 UN 92.450.000 92.450.000

TAPA CASCO 1 UN 108.450.000 108.450.000

HAZ DE TUBO 1 UN 809.000.000 809.000.000

SUB - TOTAL 2.143.190.000

ACCESORIOS CANTIDAD UNIDAD COSTO UNITARIO COSTO TOTAL

TUBERIA DE ACERO DESCARGA/CARGA 10 MT 2.300.000 23.000.000

CODOVALVULA DE ACERO AL CARBON 8X150 3 UN 8.200.000 24.600.000

VALVULA DE ACERO 6x150 3 UN 6.900.000 20.700.000

CODOS 8 UN 500.000 4.000.000

SUB - TOTAL 72.300.000

MANO DE OBRA DURACION UNIDAD COSTO DIA COSTO TOTAL

METALMECANICO 90 DIAS 84.000 7.560.000

SOLDADOR 90 DIAS 100.000 9.000.000

SUB - TOTAL 16.560.000

IMPREVISTOS NA NA NA 223.205.000

TRANSPORTE NA NA NA 4.000.000

TOTAL NA NA NA 2.459.255.000

La base de este presupuesto es por diseños previos desarrollados en la refinería de Cartagena para procesos similares y además bases de datos suministrados por ingenieros de planta, la selección de los materiales coraza y tubo es de acuerdo a las propiedades de los fluidos en tránsito, los materiales para tubos es acero al carbono y para la coraza acero y los accesorios fueron seleccionados teniendo en cuenta las condiciones de operación del sistema de enfriamiento de gasóleo.

80

5 CONCLUSIONES En primera instancia, se analizó el marco teórico del intercambiador de tubos y coraza conforme a las normas TEMA y ASME, identificando los diversos tipos y configuraciones existentes, siendo el más común el tipo AES para llevar a cabo el servicio de enfriamiento de gasóleo, el cual tiene una coraza de un paso, este permite la expansión térmica de los tubos respecto a la coraza y es más fácil el desmontaje y limpieza interna de los tubos. Además a partir del marco teórico se determinaron las ecuaciones y el método de diseño apropiado que recibe el nombre método de diseño de exceso de superficie para llevar a cabo el diseño térmico e hidráulico del intercambiador de calor de tubos y coraza, con el fin de presentar una propuesta que brinde unos resultados satisfactorios para la operación en la unidad de destilación combinada de la refinería de Cartagena. Por lo tanto , se comparó los parámetros térmicos e hidráulicos pertinentes del diseño del intercambiador AES, entre el software HTRI y el programa desarrollado en Excel para la selección optima de diseño, este último se encuentra resumido en los cálculos desarrollados en el presente proyecto , también esta adjunto el data sheet del diseño intercambiador de calor seleccionado y arrojado por el software HTRI , Esta comparación permitió elegir el diseño adecuado para la operación y a la vez el dimensionamiento apropiado. Se determinó que el intercambiador de calor será construido con una configuración de dos pasos por los tubos y uno por la coraza y arreglo triangular, teniendo en cuenta que cumplían con el rango de recomendación de los parámetros de diseño como la velocidad por los tubos que corresponde a 3,14 ft/s , el exceso de superficie con un valor del 40% , el sobredimensionamiento del equipo con un valor correspondiente a 4,69 % , además se hizo una variación del factor de ensuciamiento del gasóleo con valores entre 0,003-0,005 h ft2 °F/ Btu para identificar el diseño que permite llevar a cabo la operación con el mínimo manteniendo debido a la obstrucción por el ensuciamiento , diseño que corresponde a una coraza de 48 in de diámetro , un longitud de tubo de 16 ft , la cantidad de tubos es de 1838 y caída de presión por lado tubo es 0,974 psi , y por lado coraza 5,212 psi , se hicieron variaciones del factor de ensuciamiento desde 0,003 hasta 0,0046 arrojaban el diseño seleccionado , es decir satisface el tope del rango de ensuciamiento y todos los parámetros de selección son los óptimos para la operación. En primera instancia, al implementar y/o construir el intercambiador de calor se estaría estableciendo un proceso más seguro y viable para mejorar el margen económico de la unidad de destilación combinada de la refinería de Cartagena, teniendo en cuenta que la recuperación de la inversión se estima entre un periodo entre 2 a 4 meses , Este mejoramiento se llevara a cabo por medio del

81

procesamiento de la carga total de gasóleo en caso tal se presente parada de planta de la unidad ruptura catalítica , con el fin de cumplir con la carga térmica del gasóleo y a la vez cumplir con la temperatura de salida establecida para el almacenamiento seguro , evitando posteriores accidentes . La instalación del intercambiador evitara que se disminuya la carga de crudo y la producción de gasóleo, pero además garantizara una mejor operación en la unidad de destilación combinada, la adaptación de este proyecto respecto a la ampliación de la refinería de Cartagena es oportuna, ya que la unidad destilación combinada no dejara de funcionar con el propósito de cumplir con los objetivos de producción de la empresa.

82

6 RECOMENDACIONES

Se recomienda instalar el intercambiador de calor en paralelo con el PS-E-8A porque permitirá una operación segura, si en tal caso deja de funcionar uno de los intercambiadores el otro permitirá procesar el gasóleo. Es necesario que el operador de planta tenga conocimiento de las condiciones límites de operación de los intercambiadores de la unidad destilación combinada. Es indispensable verificar las variables de operación, en especial la temperatura del gasóleo, teniendo en cuenta que afecta la calidad del producto y además produce inconvenientes de almacenamiento - Cabe recomendar que el análisis de fallas de equipos implementado en la refinería se haya implementado con mayor frecuencia para evitar percances de operación como la que se presenta actualmente en la unidad de destilación combinada de la refinería de Cartagena

Incluir dentro de la metodología la inspección basada en riesgo (RBI) implementada a los equipos en Ecopetrol S.A Realizar taller criticidad, con el fin si aplica como equipo critico o no crítico.

83

REFERENCIAS

ACHAERANDIO ZUAZO, Luis. Iniciación a la Práctica de la Investigación. Guatemala, ED. MAGNA TERRA, Séptima edición. 2010.

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84

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ANEXOS Anexo A Presupuesto

MATERIALES, EQUIPOS Y DISPOSITIVO CANTIDAD UNIDAD COSTO UNITARIO COSTO TOTAL

CORAZA 1 UN 928.000.000 928.000.000

CANAL 1 UN 109.000.000 109.000.000

TAPA CANAL 1 UN 96.290.000 96.290.000

TAPA FLOTANTE Y ANILLO BIPARTIDO 1 UN 92.450.000 92.450.000

TAPA CASCO 1 UN 108.450.000 108.450.000

HAZ DE TUBO 1 UN 809.000.000 809.000.000

SUB - TOTAL 2.143.190.000

ACCESORIOS CANTIDAD UNIDAD COSTO UNITARIO COSTO TOTAL

TUBERIA DE ACERO DESCARGA/CARGA 10 MT 2.300.000 23.000.000

CODOVALVULA DE ACERO AL CARBON 8X150 3 UN 8.200.000 24.600.000

VALVULA DE ACERO 6x150 3 UN 6.900.000 20.700.000

CODOS 8 UN 500.000 4.000.000

SUB - TOTAL 72.300.000

MANO DE OBRA DURACION UNIDAD COSTO DIA COSTO TOTAL

METALMECANICO 90 DIAS 84.000 7.560.000

SOLDADOR 90 DIAS 100.000 9.000.000

SUB - TOTAL 16.560.000

IMPREVISTOS NA NA NA 223.205.000

TRANSPORTE NA NA NA 4.000.000

TOTAL NA NA NA 2.459.255.000

Anexo B IMÁGENES DE LA PLANTA Imágenes de Ubicación del Intercambiador de Calor

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Imágenes de intercambiador PS-E-8A

88

ANEXO C NOMENCLATURA TEMA

89

ANEXO D GRAFICA FACTOR CORRECCIÓN DE TEMPERATURA INTERCAMBIADOR1-2

ANEXO E COEFICIENTES GLOBALES PARA INTERCAMBIADORES DE CALOR

90

ANEXO F DIMENSIONES DE TUBOS PARA INTERCAMBIADORES DE CALOR

Continua

91

ANEXO G CONDUCTIVIDADES TERMICAS DE TUBOS PARA INTERCAMBIADORES DE CALOR

92

ANEXO H FACTORES DE OBSTRUCCIÓN

ANEXO I NUMERO DE TUBOS ¾ PARA INTERCAMBIADORES DE CALOR CON ARREGLO CUADRADO

93

ANEXO J NUMERO DE TUBOS ¾ PARA INTERCAMBIADORES DE CALOR CON ARREGLO TRIANGULAR

ANEXO K DIÁMETROS EQUIVALENTES

94

ANEXO L FACTOR DE FRICCIÓN

ANEXO M CRITERIOS DE UBICACIÓN DE LOS FLUIDOS EN EL INTERCAMBIADOR

95

ANEXO N CONDUCTIVIDAD TERMICA DE HIDROCARBUROS

ANEXO O FACTOR DE VELOCIDAD POR LOS CABEZALES

96

ANEXO P VISCOSIDAD DE AGUA

97

ANEXO Q DIMENSIONAMIENTO DE TUBOS PARA CONDENSADORES

98

ANEXO R DATOS DE TUBERIA DE ACERO AL CARBONO

ANEXO S ESPESORES DE TUBERIA PARA INTERCAMBIADORES DE CALOR

99

ANEXO T VISCOSIDAD DE LIQUIDOS

101

ANEXO U CONDUCTIVIDAD DE TUBERIAS

ANEXO V ENCUESTA

Encuesta de inspección de condiciones operativas de intercambiador de calor

Estudiantes de Ingeniería Química:

Danilo Pacheco Zúñiga Albeiro Galvis Díaz

Objetivo: Identificar el grado de

conocimiento que tiene el operador sobre las condiciones operativas del intercambiador PS-E-8A

Fecha:

NOMBRE DEL ENCUESTADO:

Cargo:

No. Preguntas S N NP Observaciones

1. ¿La empresa implementa métodos de análisis de fallas para los equipos? Cual.

2. ¿Tiene conocimiento que el intercambiador de calor PS-E-8A para enfriamiento de gasóleo ha presentado fallas? Cual (es).

3. ¿Considera usted que las condiciones mecánicas, térmicas e hidráulicas del intercambiador PS-E-8A actualmente afectan la operatividad de la planta?

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4. ¿Tiene conocimiento de lo que sucede cuando el intercambiador de calor PS-E-8A no cumple con la carga térmica o temperatura de salida del gasóleo? Cual.

5. ¿Conoce usted de las condiciones límites de operación del intercambiador de calor PS-E-8A?

6.

¿Conoce usted de los data sheet de los intercambiadores de calor?

7. ¿Considera que la condición operativa del intercambiador PS-E-8A actualmente afecta la economía y seguridad de la empresa?

8. ¿Considera usted que se debe implementar un intercambiador de calor que opere con la carga total de gasóleo (Almacenamiento y URC) en caso de parada de planta de la URC (Cracking)?

9. ¿Tiene conocimiento de las condiciones de almacenamiento del gasóleo?

10. En las condiciones actuales , cual considera seria la operación más adecuada

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