Plato Tipo Valvula

7/25/2019 Plato Tipo Valvula

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PDVSA N TITULO

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

APROB. FECHAAPROB.FECHA

TORRES DE FRACCIONAMIENTO

PDVSA, 1983

MDP04CF12 PLATOS TIPO VALVULA

APROBADA

NOV.97 NOV.97

NOV.97 Y.G.0 62 L.R.

MANUAL DE DISEO DE PROCESO

ESPECIALISTAS
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PLATOS TIPO VALVULA NOV.970

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Indice

1 ALCANCE 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 REFERENCIAS 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 ANTECEDENTE 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 DEFINICIONES 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 APLICACIONES 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 CONSIDERACIONES BASICAS DE DISEO 4. . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 PROCEDIMIENTO DETALLADO DE DISEO 11. . . . . . . . . . . . . . . . . .

8 NOMENCLATURA 23. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9 PROGRAMAS DE COMPUTACION 25. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1 ALCANCE

El alcance del presente documento cubre el diseo de proceso de los platos tipovlvula. Normalmente el diseo mecnico detallado y la distribucin arreglo delas vlvulas son manejados por el fabricante del plato. En el Apndice I II (segnsistema de unidades usado) se presenta un Formato de Clculos que muestra,paso a paso, el procedimiento de clculo detallado para el diseo de un plato tipovlvula. Para el diseo de las partes internas de torres, relacionadas con este tipode platos, tales como boquillas, cajas de retiro y conexiones con el rehervidor,consulte el documento PDVSAMDP04CF08. Para el diseo de plato paratransferencia de calor consulte el documento PDVSA MDP04CF13.

2 REFERENCIASEn la elaboracin de este document, las siguientes publicaciones han sidoconsultadas.

MANUALES TCNICOS PDVSA

1. PDVSADB201-R

MANUALES DE DISEO PDVSA

1. MDP04CF02Principios Bsicos.

2. MDP04CF04Modelaje Riguroso/Generacin de Balance de Masa yEnerga.

3. MDP04CF06Seleccin del Tipo de Plato.

4. MDP04CF08Otros Internos de Torres de Fraccionamiento.

5. MDP04CF10Platos Tipo Casquete de Burbujeo.

6. MDP04CF11Platos Tipo Surtidor.

7. MDP04CF13Transferencia de Calor por Contacto Directo.

8. MDP04CF14Eficiencia de Platos.

Otras Literaturas

1. Ludwig Ernest E. Applied Process Design for Chemical and

Petrochemical Plants. Volume 2. Second. Edition.Gulf PublishingCo.ISBN 0872017532 (v2)

2. Kister Henry Z.Distillation Design. McGraw Hill,inc. ISBN0070349096

3. Walas Stanley M.Chemical Process Equipment, Selection and Design.ButterworthHeineman. ISBN 0750693851

4. PROII Keyword Input Manual. Version 4.1. 1996, by Simulation SciencesInc.
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5. Maxwel J. B. Data Book on Hydrocarbons. Robert E. Krieger Publishing

Company.6. Watkins R. N. Petroleum Refinery Distillation. Second. Edition. Gulf

Publishing Co.ISBN 0872016722.

3 ANTECEDENTELas correlaciones desarrolladas para predecir la capacidad de los platosperforados se usaron para estimar las capacidades de los platos tipo vlvula, apartir de datos disponibles en el banco de datos de FRI sobre pruebas comercialesy sistemas aireagua para este tipo de platos. Obteniendose resultados quereproducan en buen grado el comprtamiento del plato, modelandolo mejor que las

correlaciones suministradas por los fabricantes de dichos platos. En base a estaexperiencia, las ecuaciones mostradas en este documento para estimar lacapacidad de los platos tipo vlvulas son idnticas a las utilizadas con platosperforados. Adicionalmente, las ecuaciones hidrulicas recomendadas en estedocumento estan basadas en los procedimientos de diseo del FRI. En el formatode clculos (presentado en el Apndice I II) se hace uso de estas ecuaciones,referenciandolas a travs de su nmero de identificacin asignado en el cuerpode este documento.

4 DEFINICIONES

Definiciones de conceptos tales como goteo, vaciado, arrastre, inundacin porchorro, flexibilidad (turndown), etc., se presentan en los documentos PDVSAMDP04CF02yPDVSA MDP04CF06Principios Bsicos y Seleccin delTipo de Platos.

5 APLICACIONESLos platos tipo vlvula no son recomendados para servicios sucios, corrosivos, ocon formacin de coque, tal como una fraccionadora de livianos en craqueo convapor, fraccionadoras de viscoreduccin, etc. Para estos servicios se prefiereplatos perforados. Si se prevuna severa formacin de coque, se deberan usar

placas deflectoras.En la mayora de las torres, los platos perforados con una flexibilidad de 2/1 3/1son normalmente adecuados y su uso es altamente recomendado. Si se requiereuna mayor flexibilidad, los platos tipo vlvula pueden ser especificados. Laexperiencia ha demostrado que las vlvulas se desgastan, por ejemplo en variasunidades de destilacin al vaco se ha presentado este problema. Parasolventarlo, las torres de destilacin al vaco deben ser dotadas con dispositivospara evitar el giro o rotacin de las vlvulas, y adicionalmente deben ser planaspara prevenir, en todas las aplicaciones, el contacto completo de la vlvula con la
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bandeja soporte del plato. En otros servicios, el uso de los platos tipo vlvulas

es recomendable cuando se qiere obtener una alta flexibilidad.Algunos ejemplos de servicios donde se requiere un amplio rango de flexibilidadson:

Cuando los flujos de vapor cambian considerablemente (y a menudoimpredeciblemente) en alguna seccin de la torre (ejemplo: Torres dereflujopropio).

Cuando una torre es utilizada en operacin bloqueada a flujos y composicionesde alimentacin variable.

Cuando se requiere operar las torres a bajos flujos (menor al 30% del diseo),debido a fluctuaciones en el flujo de alimentacin, por el cambio de las

demandas debido a las estaciones, demanda de clientes, etc. Cuando se requiere mantenimiento a equipos auxiliares y la unidad entera se

debe operar a bajas cargas.

La Figura 4. muestra el efecto del flujo de vapor (expresado como un % de lainundacin por chorro) sobre la eficiencia de un plato tipo vlvula tpico, (GlitschV1) comparando su comportamiento con el de un plato perforado. Observandoseque el plato tipo vlvula mantiene una alta eficiencia sobre un rango mayor de flujode vapor que el plato perforado.

6 CONSIDERACIONES BASICAS DE DISEO

El diseo apropiado de un plato tipo vlvula da como resultado una configuracinde plato que en las condiciones de operacin a las que se versometido realizarsu funcin de separacin con eficiencia razonable, serestable y no presentarcomportamientos inadecuados tales como inundacin por chorro, soplado,vaciado,capacidad mxima o mala distribucin de vapor, todo ello sin incurrir encostos excesivos.

El procedimiento de diseo que se presenta en este documento se basa en laaplicacin de criterios para definir una configuracin tentativa del plato, la cual sesomete a pruebas sucesivas que permiten decidir si la configuracin arregloseleccionado satisface los criterios de comportamiento previamente

mencionados. La aplicacin de estos criterios a su vez orientan la modificacin deldiseo tentativo para lograr un arreglo final satisfactorio.

Estas limitaciones de funcionamiento, previamente mencionados, son discutidasen detalle en los documentos PDVSA MDP04CF02 y PDVSAMDP04CF06.

Espaciamiento entre Platos

La combinacin ptima del espaciamiento entre platos y del dimetro de la torrees aquella que minimiza la inversin total de la torre, sujeta a la condicin de que
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el espaciamiento entre platos sea suficiente para permitir el acceso para

mantenimiento. La informacin de inversiones obtenida de programascomerciales de estimacin de costos, puede ser utilizada como una gua paradeterminar la inversin como una funcin del dimetro de la torre y delespaciamiento entre platos.

Los espaciamientos mnimos entre platos se discuten en la seccinProcedimiento Detallado de Diseo de este documento, bajo el nombreEspaciamiento entre Platos, Tamao y Configuracin Preliminar (Paso 2), dondese muestran los espaciamientos como una funcin del dimetro de la torre, tipode servicio y requerimientos de mantenimiento. Ver tambin las discusiones sobreel llenado del bajante en Hidrulica del Platoy en la Tabla 1.

Dimetro de la TorreJunto con los criterios a ser discutidos posteriormente, en los puntosDimensionamiento del Bajante, Espacio libre en el Bajantey Sellado delBajante, el dimetro de la torre debe proveer suficiente rea de seccintransversal para evitar arrastre de acuerdo con las ecuaciones dadas acontinuacin (el nmero de las ecuaciones son los utilizados en el formato declculo de los Apndices I y II).

Para sistemas de hidrocarburos:

Vf

V

L

V

0.5

F8 KHL KEc. (3c)

Para sistemas acuosos:

Vf VLV0.5

F9 KHL K Ec. (3d)

donde:

En unidadesmtricas

En unidadesinglesas

Vf = Velocidad del vapor basada en el rea libre

promedio (ver Figura 10. para la definicin derea libre).

m/s pie/s

KHL = Espaciamiento entre platosFactor decapacidad de flujo de liquido (Figura 1a parala ecuacin 3c y (Figura 1b para la ecuacin3d.

adim adim

K = Tensin superficialFactor de capacidadpara la viscosidad (Figuras 2. y 3.)

adim adim

rV = Densidad del vapor a las condiciones deoperacin

kg/m3 lb/pie3
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rL = Densidad del lquido a condiciones de

operacin.

kg/m3 lb/pie3

F8 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

0.088392 0.29

F9 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

0.06096 0.20

La ecuacin (3c) debera ser usada en todos los sistemas de hidrocarburos y enaquellos sistemas cuando la tensin superficial es 40 mN/m. La ecuacin (3d)debera ser usada para sistemas acuosos y cuando la tensinsuperficial es > 40mN/m. Estas dos ecuaciones reemplazan la correlacin Kpv y K previamenteusada. La ecuacin (3c) debe ser usada cuando un sistema predominantementeacuoso tiene una tensin superficial 40 (por ejemplo: el sistema alcohol/agua).

A continuacin se presenta, para cada ecuacin, una lista de sistemas a los cualesdicha ecuacin es aplicable.

Ecuacin (3c) Ecuacin (3d)

Destiladoras atmosfricas y al vaco.Fraccionadores de unidades de craqueo convapor, coque y cataltica.

Absorbedores y regeneradores deaminasDespojadores de custicoDespojadores de aguas agrias

Todas las torres de hidrocarburos livianos Contactores y regenaradores de cidsulfrico

Absorbedores de hidrocarburos.Prefraccionadores

Absorcin de HCl, H2SO4, etc. enagua

Despojadores de partculas

Separadores de aromticos. Torres deHYDROFINER, GOFINER y RESIDFINER

Absorbedores y regeneradores deCatacarb

Sistemas acuosos que contienen alcoholes,cetonas y aldehdos, etc. si la tensin superficial40 mN/m

Secciones con lavado de agua

Adicionalmente, las ecuaciones anteriores deben ser usadas de acuerdo con losporcentajes apropiados de las velocidades de inundacin por chorro permitidossegn la Tabla 2.

Capacidad Mxima

La ecuacin (2c) del formato de clculos da la carga de vapor limitante para lacapacidad mxima. En caso de excederse esta carga, ocurrirel fenmeno desoplado y el lquido se dispersaren pequeas gotas producindose su arrastre.Debido a esta atomizacin del lquido, aumentar el espaciamiento entre los platosno reducirla cantidad de lquido arrastrado al plato superior. La relacin de lacarga de vapor de diseo VLa la carga de vapor de mxima capacidad VL(Lim)debemantenerse por debajo de 90%. Si es necesario, el dimetro de la torre debeincrementarse, aun cuando la ecuaciones (3c o 3d) sobre arrastre haya sidosatisfechas. Sin embargo, el dimetro calculado mediante estas ecuaciones (3c


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o 3d), normalmente provee suficiente rea libre para satisfacer las limitaciones de

capacidad mxima.Nmero de Pasos de Lquido

La capacidad de vapor en torres con altos flujos de lquido puede generalmenteser incrementada mediante el uso de platos de pasos mltiples. Estos platostienen una menor altura de lquido claro, comparados con platos de pasossencillos, por esta razn, una mayor distancia hacia el plato superior estdisponible para la separacin del vapor. Debido a que los platos de pasos mltiplesson ms costosos que los platos de pasos sencillos, stos slo pueden ser

justificados si se reduce el costo total de la torre. Generalmente, esto significa quese requiere una ganancia de capacidad mnima del 5 al 10% para los platos de

pasos mltiples. Sin embargo, cada caso debe ser estudiado por sus propiosmritos, ya que el costo total de la torredepende de varios factores, incluyendoaltura, dimetro, nivel de presin y de materiales de construccin.

El gradiente de lquido en los platos tipo vlvula es generalmente despreciable,debido a dos factores. Primero, el plato en sse encuentra relativamente libre deobstrucciones y por lo tanto ofrece una mnima resistencia al flujo de lquido.Segundo, el lquido que sale del bajante tiene un cabezal por velocidad, el cual enla mayora de los casos excede el gradiente hidrulico que de otra forma, serarequerido para mover el lquido a lo largo del plato. En platos con cajas de entradade receso o vertedero de entrada, la mayor parte de este cabezal de velocidad es

disipado. Sin embargo, estas son generalmente usadas para garantizar el sello delos bajantes a bajos flujos de lquido, en tal caso la altura del lquido generalmenteno es significante.

Dimensionamiento del Bajante

El rea requerida en la entrada del bajante se ajusta por las limitaciones desegregacin o separacin de la espuma para dar un lquido claro a la salida delbajante sin acumularla en el plato. Si el rea es insuficiente, la espuma puedeacumularse en el plato y causar inundacin prematura. Esta separacin es msfcil mientras ms difieran las densidades de las fases lquida y vapor, por lo que,a medida que la temperatura del sistema se aproxime a la temperatura crtica, y

las densidades de las fases de vapor y lquido se aproximen una a la otra, lasegregacin del vapor ascomo la prediccin del rea requerida para segregacin,sern cada vez ms difciles de realizar. Esto es ms probable que suceda ensistemas de destilacin a altas presiones, por lo que se recomienda en esos casosser conservadores en la definicin de las reas de bajante.

La Fig.6 da la velocidad mxima permitida del lquido a la entrada del bajante,basada en la velocidad terminal de elevacin de las burbujas de vapor arrastradasa medida que ellas se liberan en el bajante. La velocidad calculada es una funcinde las propiedades fsicas de los fluidos y por lo tanto vara de un sistema a otro.


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Los datos de FRI indican que la Fig.6predice bastante bien la mxima velocidad

permisible de entrada al bajante aun para sistemas a alta presin. Enconsecuencia, sta puede ser utilizada para todos los sistemas, a excepcin deaquellos cuyos valores estn dados en la Tabla 2. Sin embargo, mientras no seencuentren disponibles ms datos, la velocidad de entrada al bajante debera serlimitada a un mximo de 0.15 m/s (0.5 pie/s). Para sistemas espumantes, deberanusarse velocidades menores (en el orden de 0.06 m/s (0.2 pie/s)). La velocidad ala salida de un bajante inclinado o escalonado no debera exceder dos veces lavelocidad de entrada calculada, o 0.18 m/s (0.59 pie/s), cualquiera que sea menor.

Para una buena distribucin de lquido, la longitud de la salida de un bajante tiposegmento circular debe ser al menos 65% del dimetro de la torre. Esto significaque el rea de salida del bajante (que es igual al rea de entrada al plato de abajo)

debe ser por lo menos 6.8% del rea superficial de la torre As. Si el rea de entradaal bajante requerida para satisfacer los criterios de velocidad permitida del lquidoexcede el 12% del rea superficial del plato, el fondo de un bajante recto resultarasobredimensionado, y en ese caso se debera considerar el uso de bajantesinclinados o escalonados.

Cuando un bajante tipo segmento circular resulta en mucha ms rea que larequerida para satisfacer el criterio de velocidad de entrada, se debe considerarun bajante del tipo arco modificado.Ver Fig.9 del documento PDVSAMDP04CF10. Ver otras relaciones geomtricas en el documento PDVSAMDP03S03, Tabla 5.

Para mas detalles sobre los criterios de diseo para el dimensionamiento delbajante y de la pendiente del mismo ver Procedimiento Detallado de Diseo,paso 2, en este documento.

Para las relaciones geomtricas de cuerdas y crculos, ver el documento PDVSAMDP04CF10.

Espacio libre en el Bajante

El espacio libre o separacin del bajante es la distancia vertical entre el borde delfondo del bajante y la cubierta del plato a donde descarga. Este espacio libre nodebera ser ms pequeo que 25 mm (1 pulgada) y se basa en una cada de

presin de 13 a 38 mm (0.5 a 1.5 pulgadas) de l quido caliente, de acuerdo a lafrmula del vertedero sumergido, Ecuacin (5d) del formato de clculo.

En aquellos casos donde se manejen altos flujos de lquido se requerirel uso deun gran espacio libre en el bajante (por encima de 76 mm (3 pulg)) o una caja deentrada de receso (ver esquema en el documento PDVSAMDP04CF11),unborde de bajante perfilado (ver esquema en el documento PDVSAMDP04CF04) puede ser usado en su lugar.

Para los bordes de bajantes perfilados, el coeficiente de la ecuacin(5d) se reducede 160 a 53 cuando se usa el sistema mtrico y de 0.06 a 0.02 si se usa el sistema
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ingls. Sin embargo, este tipo de bajante no debe ser usado cuando una caja de

entrada o un vertedero de entrada ha sido especificado. Esto se debe a que laobstruccin presentada por el lado vertical de la caja de entrada de receso o porel vertedero de entrada causara turbulencia y eliminara el propsito del borde debajante perfilado, que es permitir el manejo de altos flujos de liquido.

Sellado del Bajante

Para impedir que parte del vapor se desve del plato subiendo a travs del bajante,ste debe sellarse con el lquido del plato inferior, es decir debe tener su extremode descarga sumergido en el lquido circundante. La condicin crtica para estesello ocurre al flujo mnimo de lquido, por lo tanto, se debe verificar que a esta

condicin, la suma de la altura libre del lquido, hi, a la entrada del plato y la prdidade cabezal, hud,bajo el bajante sea cuando menos igual al espacio libre del bajantey preferiblemente excederla por 6 mm (0.25 pulgadas) de lquido caliente. Si elclculo muestra que no se obtiene sello, lo cual es raro en este tipo de platos, sedebe considerar, en el siguiente orden de preferencia, incrementar la altura delvertedero de salida, o agregar un vertedero de entrada (ver la Figura 9de estedocumento, donde se presenta un esquema) o separar el bajante mediante el usode una caja de entrada hueca. Reducir el espacio libre del bajante, hasta 25 mm(1 pulg) es otra opcin a considerar, sujeto a la condicin que el llenado del bajanteno se sea excesivo a las condiciones de flujos de diseo. El bajante tambin debeser sellado a flujos mnimos, si es posible. Sin embargo, un bajante no sellado aflujos mnimos (menor igual a la mitad del flujo de diseo) no representa mayoresproblemas operacionales y es usualmente aceptado.

Las cajas de entrada hueca deberan ser evitadas a flujos de lquido superioresa los 28 dm3/s por metro (8000 gph/pie) de dimetro por paso. A estos altos flujosde lquido, la reversin en la direccin del flujoen el borde del bajante causa unaalta acumulacin de lquido aguas abajo del bajante. Este alto cabezal de entrada,a su vez, origina un vaciado del plato inferior a trvs de las vlvulas de las filas deentrada. Bajo estas condiciones, una mejor solucin es la de usar un bajante conborde perfilado, lo cual se discuta continuacin:

El uso de un bajante con borde perfilado debe considerars en el caso que el rangode flujos de lquido a manejarse es considerablemente amplio. Este tipo de bajantereduce la prdida de cabezal en un espacio libre dado, al compararse con laobtenida en un bajante perfilado estndar. Sin embargo, como se mencionopreviamente, este tipo de bajante no debe usarse en aquellos casos donde seespecifique una caja de entrada hueca o un vertedero de entrada.

El diseo final es aquel que logra sellar el bajante a flujo mnimo y minimiza elllenado del bajante a los flujos de diseo de vapor y de lquido.


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Area Abierta y Configuracin de las Vlvulas

A continuacin se presentan los lineamientos generales recomendados paraevaluar la configuracin el arreglo de un plato existente para disear un platonuevo. Es importante sealar que en el caso del diseo de platos nuevos,generalmente el vendedor se encarga de difinir la configuracin del plato y demanejar el detalle de diseo. Siendo recomendable indicarle al fabricante la caidade presin mxima permisible en el plato y las cargas mnimas y mximas al plato.

Los mtodos recomendados para especificar el rea abierta o rea de las vlvulasen un plato son discutidas en este documento, en la secin ProcedimientoDetallado de Diseo, Paso 4, Revisin de las Limitaciones de Proceso.

En general, los platos con baja rea abierta presentan una mayor cada de presin,

una eficiencia un poco ms alta y una mayor flexibilidad. Una buena aproximacinpreliminar del rea abierta sera 12% Ao/Ab. Si la cada de presin es crtica,inserciones especiales de baja Presin en los orificios pueden ser requeridas. Siel llenado del bajante es excesivo, el espaciamiento entre platos debe serincrementado en lugar de utilizar un plato de mayor rea abierta. Pero si elproblema no se resuelve de esta manera, se recomienda usar un rea abiertamayor, hasta del 15%; aunque se reducira la flexibilidad del plato.

El fabricante del plato tipo vlvula debe ser informado que se requiere la revisiondel arreglo final del plato, con el propsito de verificar si el arratre ha sidominimizado. Los criterios sobre arrastre Glitschs son discutidos en estedocumento, en la secin Procedimiento Detallado de Diseo, Paso 4, AreaAbierta y Configuracin.

El rea de desperdicio estdefinida como el rea no perforada que estlocalizadaa 76 mm (3 pulg) o ms del borde de la vlvula ms cerca. Normalmente, no existerea de desperdicio en los platos tipo vlvula, a menos que una cantidad muypequea de rea abierta sea requerida, y parte del plato se deje sin perforar.

Hidrulica del Plato

La cada de presin final en el plato seco generalmente se encuentra dentro delrango de 25 a 100 mm (1 a 4 pulg) de lquido caliente. El efecto de un incrementode la cada de presin en el plato seco (reduccin del rea abierta) en la hidrulica

del plato y en el llenado del bajante pueden ser calculados segn el punto 5f delformato de clculo.

El llenado del bajante, expresado como un porcentaje del espaciamiento entreplatos, es funcin de la presin de la torre y no debe exceder los valoresrecomendados en la Figura 7. Adicionalmente, en la Tabla 2se presentan loscriterios aplicables al llenado de los bajantes para torres de sistemas acuosos. Siel llenado del bajante excede esos valores, deber incrementarse elespaciamiento entre platos y/o el dimetro de la torre, para cumplir con eserequerimiento.


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Si se usan platos de dos pasos, se deben colocar placas deflectoras sobre los

bajantes internos, si el flujo de lquido excede 10 dm3

/s (3000gph/pie) por metrode dimetro por paso. Este criterio se aplica para evitar que el lquido salte a lolargo del bajante, originandose una inundacin prematura (ver documento PDVSADP04CF08).

Eficiencia del Plato

Cuando fuese posible se debe utilizar la experiencia pasada como una gua paradeterminar la eficiencia del plato. En ausencia de datos, se recomienda asumir queun plato de este tipo, diseado de acuerdo al procedimiento descrito en estedocumento, tendr la misma eficiencia de un plato perforado, con 8% Ao/Ab yorificios de 13 mm (1/2 pulg). La eficiencia de los platos perforados puede

calcularse siguiendo el procedimiento en el documento PDVSA MDP04CF09.Para clculos globales de eficiencia de Platos ver documento PDVSAMDP04CF14.

Transferencia de Calor

El documento PDVSAMDP04CF13define el procedimiento para calcular elcoeficiente de transferencia de calor para los platos tipo vlvula

Estudios para Eliminar Cuellos de Botella

En los estudios para eliminar cuellos de botella, la capacidad mxima til de la torredebe ser conocida. Para estimar esta capacidad se requiere disponer de

informacin precisa sobre la capacidad del plato y el comportamiento de laeficiencia. Si la informacin requerida no esta disponible, es necesario estimarlasmediante el uso de tcnicas generalizadas como el procedimiento de clculo quese decribe a continuacin.

7 PROCEDIMIENTO DETALLADO DE DISEOEl procedimiento paso a paso para el diseo de un plato tipo vlvula se muestraen los Apndices Iy IIFormato de clculo de Platos tipo Vlvula. Bsicamente,el procedimiento consiste en asumir un diseo tentativo con la ayuda de losprincipios antes mencionados, evaluarlo contra las diferentes limitacionesoperacionales potenciales y luego modificarlo como sea requerido para alcanzarun diseo ptimo del platoo. La decisin de cmo modificar el diseo tentativo(cambio de dimetro, espaciamiento, arreglo, etc.) requerirjuicio y aplicacin delas consideraciones bsicas de diseo discutidas previamente. El nmero delpaso de clculo y de las ecuaciones referidas a continuacin son las descritas enel formato de clculo.

Cargas de Vapor y Lquido (Paso 1)

Se define como carga de vapor al flujo de vapor que entra al plato y como cargade lquido al flujo de lquido que sale del plato.
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Esta informacin es calculada normalmente como parte del balance de masa y

energa de la torre. Si las cargas de lquido y vapor mnimas no han sidoespecificadas, se asume 30% del valor de diseo.

En el diseo de sistemas de hidrocarburos pesados/despojadores con vapor (porejemplo, corrientes laterales y fondo de destiladoras) la hidrulica del platonormalmente se evalua asumiendo un flujo de vapor para el plato superior igualal flujo de vapor de despojamiento ms 60% molar (para despojadores de 4 platos)del total de los vapores de hidrocarburos despojados.Una vez que el plato superiores diseado, los platos inferiores pueden necesitar modificaciones debido a lareduccin del flujo de vapor. El diseo ptimo de los platos para estosdespojadores estdescrito en el documento PDVSA MDP04CF14.

Espaciamiento entre Platos, Tamao y Configuracin Preliminar (Paso 2)

Areas del Bajante La velocidad del lquido libre de vapor entrando al bajantedebe estar limirada a aquella calculada con la Figura 6 Tabla 2. La Figura 6puede ser utilizada para todos los sistemas con la excepcin de los sistemas cuyosvalores estn dados en la Tabla 2. Cuando se usa la Figura 6 no se debe excederuna velocidad de 0.15 m/s (0.5 pie/s) a la entrada del bajante.

Para sistemas conocidos con formacin de espuma, una velocidad muy baja deentrada al bajante debe ser usada (0.06m/s (0.2 pie/s) aproximadamente), noexistiendo un lmite inferior para la velocidad permitida de entrada al bajante. Sinembargo, si debido al largo tiempo de residencia se acelerar la deposicin oensuciamiento, se debe considerar el uso de bajantes segmentados o el uso dematerial moldeable, deflectores, etc. para asreducir el volumen del bajante.

Para los platos diseados por el fabricante con vertederos de salida que puedendoblarse hacia atrs, el rea no perforada entre el vertedero y el bajante debeconsiderarse como rea adicional de separacin para los clculos de velocidad deentrada al bajante.

La velocidad del lquido libre de vapor saliendo del bajante no deberexceder ados veces la velocidad de entrada obtenida con la Figura 6 , 0.18 m/s (0.6 pie/s),

cualquiera sea la menor. Para garantizar una buena distribucin del lquido haciael plato inferior, el rea de salida del bajante debe ser al menos 0.068 As; locualgarantiza que la longitud de la cuerda es al menos 65% del dimetro de la torrepara bajantes tipo cordal. Si el dimetro de la torre excede 1820 mm (6 pie) y elflujo de lquido requiere un rea del bajante igual a 0.068 As, considere el uso debajantes segmentados (ver documento PDVSA MDP04CF10 para eldimensionamiento de bajantes segmentados). Si un bajante segmentado esusado, este debe tener un ancho mnimo de 152 mm (6 pulg) en la parte msangosta.
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Con estos datos se puede calcular el rea del bajante a ser usada durante el primer

tanteo, sin embargo, las consideraciones del dimetro de la torre pueden requerirque el rea del bajante sea incrementada.

Espaciamiento de los Platos Un bajo espaciamiento entre platos (entre 457 y609 mm (18 y 24 pulgadas)) a menudo es ms econmico. Para el primer ensayose puede utilizar un espaciamiento de457 mm (18 pulgadas) o un valor tomadode la tabla que se muestra abajo (el que sea ms grande). Los valores dados acontinuacin son los mnimos, para la mayora de las aplicaciones, determinadospor consideraciones de mantenimiento y espesor de la viga de soporte.

En casos especiales, se pueden utilizar espaciamientos menores (especialmentesi el nmero de platos requeridos pueden ser construidos en una carcasa en lugar

de dos); sin embargo, ello dificulta el mantenimiento y requiere el uso de unpasahombre de ms en el plato por paso.

Por otro lado, los requerimientos de llenado del bajante pueden requerir el uso deun espaciamiento entre platos mayor que el mnimo requerido. Espaciamientohasta 910 mm (36 pulg) puede ser usado para permitir una mayor velocidadsuperficial del vapor.


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Mnimo Espaciamiento entre Platos, mm

(pulg)***Dimetro de la Torre mm (pie) Servicio

LimpioServicio Sucio

1 paso 2 mspasos

1520 (5 menos) 304 (12)* 457 (18)* > 1670 2300 (5 1/2a 7 1/2) 304 (12)* 530 (21)* 457 (18)*> 2430 3050 (8 a 10) 380 (15)* 609 (24) 530 (21)*> 3200 6000 (10 1/2a 19 1/2) 457 (18)* 680 (27) 609 (24)> 6090 ** (20 y ms) 530 (21)* 760 (30) 680 (27)

* Sin pasahombres entre platos. El mnimo espaciamiento entre platos con pasahombre(manhead) presente es 609 mm (24 pulgadas) 152 mm (6 pulg), ms que el dimetro delpasahombres, cualesquiera sea el mayor.

** Para torres de dimetro mayor de 6000 mm (30 pies) se deben utilizar armaduras del tiporejilla para facilitar el mantenimiento y una buena distribucin de vapor (Ver documentoPDVSA MDP04CF08donde se muestra un dibujo de una armadura enrejada).

*** Para convertir de mm a pulg., divida entre 25.4.

Dimetro de la TorreEl dimetro preliminar de la torre, Dt, es calculado con laecuacin (2a). Este valor, posiblemente requiera ajustes hacia arriba o haciaabajo, cuando se evalue el diametro de la torre contra las limitaciones potencialesoperacin. La ecuacin (2a) es una ecuacin simplificada para el clculo de la

capacidad de los platos tipo vlvula, la cual fue desarrollada a partir de datosproporcionados por FRI y por datos comerciales sobre platos tipo vlvulas y platosperforados.

Tamao Preliminar del Plato El rea superficial preliminar, As, es calculada apartir del dimetro preliminar Dt. En este punto Adi y Ado (Paso 2) deben serevaluadas para asegurar que Ado 0.068As. Si Adi > 0.12As para Platos de pasosimple si Adi > 0.10As para platos de 2 pasos, considere el uso de un bajanteinclinado o escalonado. Si la suma de Adi + Ado excede 60% de As, el dimetrode la torre debe ser incrementado, en cuyo caso KHL, Af y Dt deben ser corregidos,ya que . KHL es funcin del flujo de lquido por metro de longitud del vertedero de

salida y cambiar si el dimetro vara. Adicionalmente, para bajantessegmentados, use la longitud proyectada del vertedero y no la longitud total delvertedero.

Nmero de Pasos de Lquido El nmero de pasosdebe ser seleccionado deacuerdo con los criterios dados en la Tabla 1.

Si el cambio en el diametro final de la torre, Dt, no es considerable, respecto aldiametro calculado preliminalmente, es probable que el nmero de pasoscalculados en este punto se mantenga
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VertederosLos criterios para la seleccin de la altura del vertedero y el espacio

libre en el bajante estn dados en la Tabla 1. La altura de lquido claro, hc, en elplato debe ser evaluada a los flujos mximos de lquido, para asegurar el sello delbajante (Ver discusin previa sobre el sellado del bajante). Si no se puede lograrel sello, considere la posibilidad de utilizar una mayor altura del vertedero desalida, una caja de entrada hueca, un menor espacio libre del bajante, un bajantecon borde perfilado.

Para las relaciones geomtricas del plato, ver documento PDVSAMDP04CF10 y las Figuras 9y 10. de este documento.

Espaciamiento entre Platos, Tamao y Configuracin Final (Paso 3)

Dimetro de la Torre Para evaluar el diseo preliminar, definido en el paso 2,contra las limitaciones de inundacin por chorro, las diferentes areas de la torredeben ser calculadas a partir de ese diseo preliminar (ver paso 3a en el formatode clculo

Capacidad mxima. El factor de la carga de vapor correspondiente a lacapacidad mxima es calculada con la ecuacin (2c). La relacin entre los flujosde vapor de diseo y la capacidad mxima deben mantenerse por debajo del 90%.

Inundacin por chorro.El factor de la carga de vapor para la inundacin porchorro es calculado con las ecuaciones (3c) o (3d). La relacin entre el factor dela carga de vapor de diseo y el factor de inundacin por chorro no debe exceder

los porcentajes recomendados en la Tabla 2. Para sistemas no incluidos en laTabla 2, el fabricante debe ser consultado para obtener el valor adecuado.

Probabilidad de una operacin exitosa. La correlacin de capacidad dada eneste documento es la ms precisa actualmente disponible para platos tipo vlvula,para sistema de hidrocarburos y nohidrocarburos. Es ms precisa y menosconservadora que las correlaciones suministradas por fabricantes de platos tipovlvula. Sin embargo, esta correlacin debe ser usada con precaucin, porque noconsidera ningn factor de seguridad. A manera de ilustracin, a medida que elporcentaje de inundacin por chorro predicho aumente desde 85 a 90 a 100 a110%, el porcentaje de los casos en que la torre operarbien vara desde 96 a 91a 57 a 15%, respectivamente.

Adicionalmente, estas probabilidades estn basadas en la suposicin que elllenado del bajante y la velocidad de entrada al bajante son iguales menores quelos lmites permitidos. Si ste no es el caso, consulte al fabricante. Es importantemantener los lineamientos y recomendaciones dadas en la Tabla 2 para elporcentaje de inundacin por chorro predicho para usarse en un servicio dado.

Platos con Colectores de Retiro Un colector de retiro generalmente crea unagran rea de desperdicio (Aw) en el plato. Esta rea debe ser tomada enconsideracin para el clculo del rea de burbujeo (Ab) y del rea libre (Af)
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promedio. La siguiente figura muestra cmo determinar Ab para un plato con un

colector de retiro y Af para un plato debajo del colector de retiro. Debido a que elrea libre es reducida, el espaciamiento entre plato debajo del colector de retiropuede ser incrementado para favorecer la capacidad.

Ab

AfS

S/2

Revisin de las Limitaciones del Proceso (Paso 4)

Area Abierta y Configuracin Puesto que el plato tipo vlvula es undispositivode rea abierta variable, no es necesario evaluar el diseo final para verificar si haygoteo. Sin embargo, los platos tipo vlvula pequea pueden gotear y su ocurrenciaes una funcin de la fraccin del nmero total de vlvulas, las cuales permanecenabiertas bajo las condiciones de flexibilidad operacional (turndown). Estacondicin se discute en el siguiente punto.

El fabricante de los platos tipo vlvula se le debe solicitar evaluar el diseo finaldel plato para verificar si hay goteo (Glitsch usa el criterio de que el goteo ocurrecuando la cada de presin en el plato seco,en pulgadas de lquido caliente,excede el 20% del espaciamiento entre platos).

Area Abierta y Requerimientos de Flexibilidad Operacional

Hay dos mtodos para especificar del rea abierta de los platos tipo vlvula: (1)definir el rea abierta real o el nmero de vlvulas deseadas con base en losclculos de cada de presin efectuados por el diseador; (2) especificar la cada


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de presin mxima en el plato seco requerida para satisfacer los requerimientos

de flexibilidad operacional e indicar al fabricante, en una tabla, las cargas mximasy mnimas de los platos. Para los diseos nuevos, se prefiere la segundaalternativa, ya que el diseador no conoce qutipo de vlvula serusada hastaque la licitacin del equipo sea terminado. Mediante la especificacin de la cadade presin mxima del plato seco, el diseador puede completar los clculos decada depresin y llenado del bajante y de esta forma determinar el espaciamientoentre platos a ser usados.

La cada de presin mxima especificada en el plato seco, vara desde,aproximadamente, 25 hasta 100 mm (1 hasta 4 pulg) de lquido caliente y debe serdeterminada por la flexibilidad operacional de vapor requerida. Los fabricanteshan indicado que los platos tipo vlvula trabajan bien (sin fugas, ni goteo)

nicamente cuando una fraccin mnima de vlvulas estn abiertas (f = fraccindel total de vlvulas abiertas). Los siguientes valores son los mnimos valores def recomendados para evitar el goteoalas condiciones de flexibilidad operacional.

Platos de 1 paso f = 0.35

Platos de 2 pasos f = 0.50

Platos de 3 y 4 pasos f = 0.70

La siguiente ecuacin determina el valor de f para las vlvulas Koch o Glitsch.

f(1) K2

K1 1,35 tmmV20 (min)vdonde:

En unidadesmtricas

En unidadesinglesas

V0(min) = dm3s min103 total Ao, m

2

pie3s min103 total Ao, pie

2

(1) = K1, K2, m a partir de la Tabla 3

tm = Espesor de la vlvula mm (pulg.)Esta ecuacin fue derivada mediante la igualacin de las ecuaciones de la cadade presin en el plato seco parcialmente abierto para el nmero total de vlvulas(total Ao) y la cada de presin en el plato seco totalmente abierto para una fraccinde vlvulas (f).

De esta ecuacin podemos determinar la flexibilidad operacional para un plato tipovlvula, dada la cada de presin en el plato seco a flujos mximos cuando lasvlvulas estn totalmente abiertas (Pfo) y la fraccin deseada de las vlvulasabiertas a flujos mnimos (f).


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t Flexibilidad operacional VL(mx)VL(min)

P

fo

L

1f2K1

K21,35 f2 tmmPor lo tanto, la siguiente ecuacin puede ser utilizada para determinar la mximacada de presin en el plato seco a ser especificada para un plato tipo vlvula, sila flexibilidad operacional es conocida.

Pfo1,35 t2 f2 tmm

L 1f2 K1K2

Observe que todas las ecuaciones presentadas anteriormente fueron derivadaspara vlvulas GLITSCH y KOCH nicamente. Sin embargo, ellas pueden serusadas en diseos nuevos para determinar una cada de presin mximarazonable en el plato seco, y asespecificar la flexibilidad operacional requerida.Para ello se asume el espesor de las vlvulas, densidad del metal de las vlvulasy el espesor de la plataforma del plato. De la Figura 5 se puede estimar una ca dade presin mxima razonable en el plato seco, para un plato tipo vlvula tpicocomo una funcin de la flexibilidad operacional.

Observe que si la flexibilidad operacional deseada no puede obtenerse con platostipo vlvula estndares, los fabricantes pueden disear platos con vlvulas

especiales (por ejemplo, dos etapas de apertura (GLITSCH A1) arreglosespeciales de vlvulas (ejemplo: variando el peso de las vlvulas) para lograr unamayor flexibilidad operacional. Debido a que los fabricantes de los platos tipovlvula tienen estascapacidades de diseo, se sugiere, una vez ms, quenicamente debe especificarse: (1) Una mxima cada de presin razonable enel plato seco, (2) las cargas al plato y (3) indicar, mediante una nota, que laspulsaciones de las vlvulas deben ser minimizadas a baja capacidad. Estainformacin da al fabricante suficiente flexibilidad en el diseo del mejor arreglode las vlvulas para los requerimientos definidos para los platos. Si la flexibilidadoperacional requerida es muy grande (cerca de 10 a 1), vlvulas con dos etapasde apertura, ms costosas (tales como la GLITSCH A1), deben serespecificadas.

Cuando se suministre las cargas mximas y mnimas al fabricante de los platostipo vlvula, la torre debera ser dividida en secciones en el cual la flexibilidad delvapor en cada seccin no sea preferiblemente mayor de 3 4 a 1.


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Adems, con el objetivo de asegurar la vida mxima de las vlvulas, en todas las

especificaciones de platos tipo vlvula debe incluirse una nota que diga que: elarreglo de los platos tipo vlvula debe ser diseado de tal forma que se evite laspulsaciones de las vlvulas cuando se opere a cargas mnimas de vapor. Elfabricante puede lograr esta condicin mediante sellado, abriendo menosagujeros, usando vlvulas de varios pesos o cambiando el arreglo de los agujeros.

clculo del Area Abierta dadas las Dimensiones del Plato tipo vlvula

Para vlvulas redondas tpicas (GLITSH, HYDRONYL, KOCH, etc.), el dametrodel orificio es de aproximadamente 39 mm (1.53 pulg). El rea abierta en metroscuadrados puede ser determinada por la siguiente ecuacin:

Ao, m2 (pie) Nmero de vlvulaF10

Para vlvulas NUTTER (Rectangulares), el clculo del rea abierta es ms difcil.NUTTER hace dos tipos de vlvula: (1) una vlvula completa,llamada BDP, la cualtiene aproximadamente 127 mm (5 pulg) de largo y (2)una media vlvula, llamadaBDH, la cual tiene aproximadamente 64 mm (2 1/2pulg) de largo. El rea abiertade un plato tipo vlvula NUTTER es calculado con la siguiente ecuacin:

Ao, m2 (pie)

(Nmero de vlvulas) (Altura neta de la pata de la vlvula) (Kn)

F11

donde:

En unidadesmtricas

En unidadesinglesas

Kn = Para vlvulas BDP 245 mm 9,66 pulg

Kn = Para vlvulas BDH 116 mm 4,575 pulg

F10 = Factor cuyo valor depende de la unidadesusadas

845 78.5

F11 = Factor cuyo valor depende de la unidadesusadas

10.76 144

Altura neta de la pata de la vlvula (net leg lift)= altura total de la pata de la vlvula(gross leg lift)espesor de la bandeja del plato


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La altura total de la pata de la vlvula (gross leg lift) es generalmente definida por

un nmero que sigue el tipo de vlvula. Por ejemplo:Nmero de identificacin Altura total de la pata de la vlvu

mm (pulg.)*

313 7,94 (0.3125)

375 9,52 (0.3750)

438 11,11 (0.4375)

* Para convertir de mm a pulg divida entre 25.4

Hidrulica del Plato y Llenado del Bajante (Paso 5)

Esta parte del formato de clculo permite calcular los diferentes componentes dela cada de presin y el llenado del bajante. Los valores recomendados para elllenado de los bajantes expresados como una funcin del porcentaje delespaciamiento de los platos, para servicios especficos estdada en la Tabla 2.Para todos los otros servicios utilice los valores obtenidos de la Figura 7.

Eficiencia de los Platos (Paso 6)

La eficiencia de los platos debe ser calculada por el procedimiento dado en eldocumento PDVSAMDP04CF14, suponiendo un dimetro del orificio de 13mm (1/2pulg) y una relacin Ao/Ab de 8%, sin importar el verdadero valor de Ao/Abpara el plato. El nmero de platos reales requerido y el nmero de platos tericosse clcula a partir de este valor de eficiencia.

Informacin Requerida por el Fabricante de Platos tipo vlvula

Una especificacin tpica de diseo para un plato tipo vlvula debe incluir laespecificacin de la geometra de todo el plato (altura de los vertederos espaciolibre del bajante, altura del bajante, etc), pero no requiere informacin sobre el tipoy el nmero de vlvulas a ser usadas en el plato.

En su lugar, se debe suministrar una tabla con los valores de las cargas mximasy mnimas de lquido y vapor al plato con sus densidades para las diferentessecciones de la torre. Adicionalmente debe incluir las siguientes notas con losdibujos del plato:

Notas de los dibujos:

1. El nmero de vlvulas en un plato dado en cada seccin de la torredebera ser diseado de tal forma que la cada de presin en el plato secoa carga mxima de vapor estcerca pero no exceda los valoressiguientes en mm (pulg) de lquido caliente.

Nmero de Platos Mxima cada de presin en el plato seco

(lista) (lista)
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2. El arreglo de las vlvulas debera ser diseado para evitar pulsacin de las

vlvulas a cargas mnimas de vapor en cada seccin. Esto es para asegurarla vida mxima de las vlvulas.

Para todas las especificaciones de los platos tipo vlvula, sea o no el reade la vlvula especificada, las siguientes notas deben ser incluidas:

3. Todos los dibujos de los platos tipo vlvula deben ser sometidos a la revisindel propietario, antes que la aprobacin para construccin sea otorgada.

4. Las vlvulas deben ser construdas sin orificios a menos que se especifiqueotra cosa.

5. El diseo mecnico de los platos y la seleccin del material debe estar de

acuerdo con con los manuales tcnicos de PDVSA..6. El fabricante debe evaluar el arreglo para verificar las limitaciones del

arrastre.

Otros tipos de Platos tipo vlvula

Algunos fabricantes hacen platos cuyos orificios aparentan ser vlvulas, pero semantienen fijas en posicin totalmente abiertas (ejemplo,GLITSCH V0, NUTTERVGRID). La flexibilidad operacional de estos dispositivos es generalmente mejorque la de los platos perforados, pero no tan buenos como la de los de los platostipo vlvula; pero si menos costosos

Tambin stos son generalmente menos costosos que los platos tipo vlvula.Pruebas en los platos tipo NUTTER VGRID estn documentadas en un reportede R&D (EE.22E.73).

KOCHfabrica platos tipo vlvulas, conocidos como, Flexiperf, el cual consistede vlvulas y cubiertas de orificios perforados. La flexibilidad operacional de esteplato se encuentra entre el plato perforado y el plato tipo vlvula y es menoscostoso que el plato tipo vlvula.

Hay otros fabricantes que hacen platos con vlvulas propias (como Wyatt,Metawa). En general, las ecuaciones presentadas en el formato de clculos deeste documento pueden ser usadas para disear cualquier plato tipo vlvula, aun

cuando el mtodo para el clculo de la cada de presin en el plato seco (y por lotanto la presin total en el plato y el llenado del bajante) difiera plato a plato. Losfabricantes de platos pueden ser contactados para mayor informacin en relacinal diseo y uso de platos tipo vlvula no cubiertos en este documento.


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Platos en Cartuchos

Para torres de dimetros pequeos ( 760 mm (2.5 pie) de dimetro) es msconveniente tener juegos de platos prefabricados de tal forma que ellos puedanser insertados en una carcasa de la torre. Esto elimina la necesidad de soldaranillos de soportes en un rea pequea y facilita el mantenimiento. Variosfabricantes ofrecen estos platos prefabricados en cartuchos, pero nuestraexperiencia muestra que los platos NUTTER CARTRIDGEson superiores a losplatos de la competencia. Esto se debe a que este tipo de plato usa un tipo de metalpara sellar los anillos que resulta en un mejor sellado de la circunferencia que losotros dispositivos en el mercado.

Los platos estndares del tipo NUTTER CARTRIDGE se encuentran disponibles

en el mercado para torres de dimetro interno que van desde 304 hasta775 mm(12 hasta 30.5 pulg). El panel del plato puede ser equipado con vlvulas BDH deNUTTER, NUTTER VGRID, u orificios perforados. La Tabla 4 suministrainformacinpara cada paquete de plato estndar tipo NUTTER CARTRIDGE.

Note que el diseador tiene la opcin de especificar cualquier altura del vertedero,espacio libre del bajante y el espaciamiento entre platos queel desee. El tambinpuede especificar el nmero de vlvulas BDH o VGRIDpor plato, mientras questas sean menor que el nmero mximo especificado en la Tabla 4.

Los programas de simulacin comerciales disponibles en el mercado no puedenser utilizados directamente para disear este tipo de platos en cartuchos, ya que

estos tienen un area de desperdicio y bajantes no convencionales. En estos casoses mejor consultar a los fabricantes de platos al respecto.

El rea de burbujeo, rea del bajante y longitud del vertedero (la cual es tambinla longitud en el bajante excepto para diseos de dos bajantes inclinados) listadosen la Tabla 4 pueden ser usados, solamente, para propsitos de clculo de diseo.El rea libre es igual al rea de burbujeo ms el rea del bajante (usar el reapromedio del bajante en el diseo de bajantes inclinados).


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8 NOMENCLATURA

A = Area , m2(pie2)

Ab = Area de burbujeo, m2(pie2) (verFigura 9.)

Adi = Area de entrada al bajante, m2(pie2)

Ado = Area de salida del bajante, m2(pie2)

Af = Area libre promedio de la torre, m2(pie2) (rea superficial menos el promedio

aritmtico de las reas de entrada y salida del bajante(s) arriba del plato menos elrea de desperdicio); para platos de pasos mltiples, utilice el valor ms pequeode Af (ver Figura 10.). Para platos debajo de la caja de retiro, ver ProcedimientoDetallado de Diseo, Paso 3, Platos con Colectores de Retiro

Ao = Area abierta, m2(pie2)

As

= Area (total) superficial de la torre (total), m2(pie2)

Aw = Area de desperdicio, m2(pie2) (normalmente, cero para estos platos).

c = Espacio entre el plato y el bajante de entrada al plato, mm (pulg)

D = Dimetro, mm (pie)

Dt = Dimetro preliminar, mm (pie)

Eo = Eficiencia global porcentaje, %

Fi = Factor que depende de las unidades usadas (ver tabla al final)

f = Fraccin de las vlvulas abiertas a condiciones de flexibilidad operacional

G = Flujo msico del vapor, kg/s (lb/s)

H = Espaciamiento entre platos, mm (pie)

hc = Altura del lquido claro en el plato, mm (pulg) de lquido calientehd = Llenado del bajante, mm (pulg) de lquido caliente

hed = Cada de presin efectiva en plato seco, mm (pulg) de lquido caliente

hi = Cabezal de entrada al plato, mm (pulg) de lquido caliente

ht = Cada de presin total en el plato, mm (pulg) de lquido caliente

hud = Cada de presin en el bajante, mm (pulg) de lquido caliente

hwi = Altura del vertedero de entrada, mm (pulg)

hwo = Altura del vertedero de salida, mm (pulg)

KHL = Espaciamiento entre platosfactor de capacidad de flujo de lquido,adimensional (ver Figura 1.)

Kn = Constante para el clculo de rea abierta para vlvulas rectangulares NUTTER

K = Tensin superficialfactor de capacidad de flujo de lquido, adimensional (verFigura 3.)

K1 = Coeficiente para Ppo(ver Tabla 3)

K2 = Coeficiente para Pfo(ver Tabla 3)

L = Flujo msico de lquido, kg/s (lb/s)

LL = Flujo de lquido, (pie3/s) a las condiciones de operacin (Sistema Ingls)

LL(min) = Flujo mnimo de lquido, pie3/s a condiciones de operacin (Sistema ingls)


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fp = Longitud de la trayectoria del flujo (distancia entre los bajantes de entrada y

salida, mm (pie) (ver Figura 9.)i = Longitud del vertedero de entrada, mm (pulg) (ver Figura 9.)

o = Longitud del vertedero de salida , mm (pulg) (ver Figura 9.)

ud = Longitud del borde del fondo del bajante, mm (pulg) (ver Figura 9.)

Np = Nmero de pasos de lquido

Pfo = Cada de presin en el plato seco, con las vlvulas completamente abiertas, mm(pulg) de lquido caliente

Ppo = Cada de presin en el plato seco, con las vlvulas parcialmente abiertas, mm(pulg) de lquido caliente

QL = Flujo de lquido dm3/s (pie3/s) a condiciones de operacin

QL(min) = Flujo mnimo de lquido dm3/s (pie3/s) a condiciones de operacin

S = Distancia entre el fondo de la bandeja de retiro y el plato inferior. VerProcedimiento Detallado de Diseo, Paso 3, Platos con Colectores de Retiro

t = Relacin de flexibilidad operacional = V L(mx)/VL(min0tm = Espesor del metal de la vlvula, mm (pulg) (ver Tabla 3)

Vdi = Velocidad permitida del lquido claro en la entrada del bajante, m/s (pie/s)

Vf = Velocidad del vapor, basado en el rea libre promedio de la torre m/s (pie/s)

Va = Velocidad permitida del vapor basada en el rea superficial de la torre, m/s (pie/s)

VL(Lim) = Carga de vapor de diseo dm3

s pie3

s VL V

VL(Lim) = Capacidad mxima de vapor dependiente de las propiedades del sistema, dm3/s

(pie3/s)

Vo = Velocidad del vapor a travs del rea abierta, m/s (pie/s)

VL(Min) = Velocidad del vapor a travs del rea total abierta a cargas mnimas de vapor m/s(pie/s)

L = Viscosidad del lquido a condiciones de operacin, mPa. s (cp)

L = Densidad del lquido a condiciones de operacin, kg/m3(lb/pie3)

m = Densidad del metal de la vlvula, kg/m3(lb/pie3) (ver Tabla 3)

v = Densidad del vapor a condiciones de operacin, kg/m3(lb/pie3)

L = Tensin superficial del lquido a condiciones de operacin mN/m

std = Tensin superficial estndar del lquido, nM/m (ver Figura 2.)

=101,68

0,244

L0,55


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En unidades

mtricas

En unidades

inglesasF2=(Fig. 8.) 25,4 1,0

F8= (Ec. 3c) 0,088392 0,29

F9= (Ec. 3d) 0,06096 0,20

F10 845 78,5

F11 10,76 144

9 PROGRAMAS DE COMPUTACIONEn PDVSA se encuentran disponibles simuladores de proceso, tales comoPROII de la empresa Simulation Sciences Inc. and Hysim de la empresa

Hyprotech, que permiten un diseo preliminar de platos tipo vlvulas.

El simulador PROIIen su seccin de hidrulica de columnas cuenta con unaopcin de dimensionamiento y evaluacin de platos tipo vlvulas que puedeutilizarse para predimensionar dichos platos.

Fabricantes como KOCH, GLISHT, SULZER, NUTTER etc.suministranprogramas que permiten el calculo preliminar del plato.


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TABLA 1. PRINCIPIOS DE DISEO DE PLATOS TIPO VALVULA

Caractersticas deDiseo

ValoresSugeridos

RangoPermitido Comentarios

Calidad dlos DatosRespaldo

1. Tamao de lasVlvulas yConfiguracin

El rea abierta no necesita ser especificada por eldiseador. En su lugar; una tabla con las cargas y la cadade presin mxima permitida en el plato seco puede ser

Buena

a. Relacin del reaabierta a rea deburbujeo, Ao/Ab,porcentaje

8 a 12 5 a 15especificada y el fabricante del plato seleccionarelnmero y el tipo de vlvula requerida (Ver discusin en lacada de presin en el plato seco). En general, una menorrea abierta da una mayor cada de presin, una eficienciaun poco mejor y una mayor flexibilidad.

b. Cada de presin enel plato seco, hed,

mm (pulg) de lquidocaliente

75 mm(3 pulg)

25 a 100 mm(1 a 4 pulg)

Como fue discutido en el texto, la cada de presin mximarequerida en el plato seco es una funcin del rango de

flexibilidad operacional. La Figura 5. puede ser usada paraobtener un valor aproximado para especificar vlvulastpicas, aun cuando un rango de flexibilidad operacionalpuede ser alcanzado con una menor cada de presin en elplato seco, si vlvulas o arreglos especiales son usadospor los fabricantes.

Regular

c. Tamao de la vlvulay arreglo

Dado por el fabricante

d. Distribucin de lasvlvulas

El rea abierta debe ser distribuida uniformemente en elrea de burbujeo. No se deben colocar vlvulas a unadistancia menor de 50 mm (2 pulg) del bajante.

e. Area de burbujeo Ab 40 a 90%de As

La seleccin de la relacin Ao/Ab(del rango dado arriba)debera ser tal que el rea de burbujeo sea maximizada.Ab/Asmenor de 40% o mayor de 90% no deben ser

usadas, porque se encuentran fuera del rango donde existeinformacin disponible. Para platos que tienen un reaconsiderable de desperdicio, la relacin Ab/As estbasadaen la divisin de (Ab+ An) por As, siempre que el rea dedesperdicio se encuentre uniformemente distribuida en elplato.

Buena

f. Eficiencia del plato La eficiencia del plato tipo vlvula es mejor o igual a aquelladel plato perforado, siempre que no exista arrastre oinundacin. La eficiencia debe ser calculada con elprocedimiento dadoen el documento PDVSAMDP04CF14, suponiendo un dimento de orificio iguala 13 mm (1/2 pulg) y una relacin Ao/Ab de 8% sin importarel valor real de la misma.

g. Obturacin de

Vlvulas

Calculada La obturacin no es requerida generalmente, a menos que

la torre estsiendo diseada para un servicio futuro demayor capacidad o si algunos de los platos tienen carga devapor menor en el resto de la torre; (como los platossuperiores de absorbedoras y detanizadoras y los platosinferiores de despojadores con vapor para hidrocarburospesados). Para mantener una mejor eficiencia, obtureuniformemente dentro del rea de burbujeo, no en losalrededores de la periferia.

Buena
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Calidad dlos DatosRespaldoComentarios

RangoPermitido

ValoresSugeridos

2. Espaciamientoentre platos

304760 mm12 a 30 pulg)

203910 mm(8 a 36 pulg)

Generalmente es econmico utilizar los valores mnimos,limitados por el llenado de los bajantes y los requerimientosde mantenimiento. Utilice espaciamiento variable paracompensar los cambios de carga de una seccin a otra yasminimizar la altura de la torre.

Buena

3. Nmero de pasos delquido

1 14 Para dimetros menores o iguales a 1500 mm Regularlquido (5 pie), utilice un solo paso. Para dimetros mayoresde 1500 mm (5 pie), utilice 2 pasos si el flujo de lquidoexcede 17 dm3/s por metro (5000 gph/pie) de dimetro y de1 paso si el flujo de lquido es igual o menor de 17 dm3/spor metro (5000 gph/pie) de dimetro. Para el diseo final,utilice el nmero de pasos que minimiza el costo total de latorre (ej: dimetro y altura de la torre) Cuando la distancia

lineal entre los bajan tes excede 4500 mm (15 pie), sedeben usar platos de paso mltiple o escalonados.

Regular

4. Bajantes yVertederos

a. Velocidad permitidaen la entrada del

Calculada La velocidad de entrada al bajante debe tener un valorinferior al determinado por la Figura 6. o el dado en la Tabla2, cualquiera sea el menor. A medida que la densidad delvapor se acerca a la densidad del lquido, la separacin delvapor se hace ms difcil y una mayor rea del bajante

Buena

bajante, m/s (pie/s) delquido claro

vapor se hace ms difcil y una mayor rea del bajantedebe ser utilizada (menor velocidad de entrada al bajante).Esto es especialmente crtico para torres que operan apresiones mayores de 1400 kPa manomtrica (200 psig).Para sistemas espumosos, utilice velocidades deentrada al bajante muy bajas ( 0.06 m/s) (0.2 pie/s).

b. Tipo de bajante Tipo decuerda

Segmentado La longitud de la cuerda debera ser al menos 65% deldimetro del plato para una buena distribucin del lquido.

Bajantes inclinados pueden ser utilizados para altos flujosde lquido, con velocidades mximas de salida de dosveces la velocidad de entrada 0.18 m/s (0.6 pie/s),cualquiera sea menor. Alternativamente, para proveermayor rea de burbujeo (y mayor capacidad), se puedenusar bajantes segmentados (de arco modificado, de 6 pulgde ancho), pero son algo ms costosos.

Buena

c. Ancho del bajanteInterno (entrada ysalida) deflectorespara evitar mezclado

203 mm(8 pulg)mnimo

Cada vez que el flujo de lquido exceda 10 dm3/s por metro(3000 gph/pie) de dimetro por paso, utilice una placadeflectora para torres para evitar mezclado de 355 a 406mm (14 a 16 pulg), sostenida a lo largo de la longitud en elcentro del bajante interno y extendiendo la longitud delbajante, para prevenir posible sobresalto por espuma queentre al bajante desde lados opuestos. La base de la placadeflectora para evitar mezclado debera estar al nivel de losvertederos de salida.

Buena

d. Altura del vertederode salida

50 mm(2 pulg)

0100 mm(04 pulg)

La altura del vertedero puede variar con el flujo de lquidopara dar un cabezal total de lquido en el plato (hc) en elrango de 50 a 100 mm (2 a 4 pulg). Valores menores sonsugeridos para torres de vaco y valores mayores paracasos donde se requiera un mayor tiempo de residencia.Una altura excesiva del vertedero de salida puede causaruna fuga prematura y por lo tanto debe ser evitada.

Buena


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Calidad dlos DatosRespaldoComentarios

RangoPermitido

ValoresSugeridos

e. Espacio libre delbajante

38 mm(1,5 pulg)

25 mm(1 pulg y ms)

Ajuste el espacio libre para que de una cada del cabezalde aproximadamente 25 mm pulg.) y mas (1 pulg). Valoresms altos pueden ser utilizados si es necesario paragarantizar el sello del bajante. Si existen flujos altos delquido, considere el uso de bajantes perfilados con unacaja de receso o un vertedero de entrada. La prdida decabezal con un borde de bajante perfilado no debe excederde 38 mm, para prevenir velocidades excesivas de lquidoen el lado de entrada al plato.

Buena

f. Sello del bajante Vertedero deentrada ocaja deentrada

hueca

En la mayora de los casos, el nivel del lquido sobre elplato puede ser lo suficientemente alto para sellar elbajante mediante el uso de un vertedero de salida. Sinembargo, si la suma de la altura del lquido claro en la

entrada del plato (hi) y la prdida de cabezal (hud) en elbajante es menor que el espacio libre del bajante a lascapacidades mximas, el bajante no sersellado. Si estoocurre, considere la posibilidad de incrementar la altura delvertedero de salida o use un vertedero de entrada o unacaja de entada de receso. Vertedero de entrada adems dellenado del bajante en algunos casos pueden ser deseadasen platos de 3 y 4 pasos para asegurar una distribucinuniforme del lquido. Las cajas de entradas de receso sonms costosas, pero pueden ser necesarias en algunoscasos cuando un sello operante requiere una alturaexcesiva del vertedero de salida. Tambin es deseabletener sellado el bajante a las capacidades mnimas.

Buena

g. Llenado del bajantecomo % delespaciamiento entreplatos

Vercomentarios

Ver Figura 7. para sistemas de hidrocarburos y criterios enla Tabla 2 para sistemas acuosos


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TABLA 2. CRITERIOS DE DISEO PARA TORRES ESPECIFICAS

Torres para Hidrocarburos Livianos y OtrosSistemas no Acuosos*

Porcentaje de Inundacin por Chorro (Jetflood) (Ver Ec. 3c)

Desmetanizadoras (y sistemas donde L> 2,0) 70

Deetanizadoras 80

Absorbedoras y deetanizadoras;absorbedordepropanizadora 90

Separadores etano/etileno, separadorasdespropanizadoras, C3/C4 85

Absorbedores de hidrocarburos (P 3450 kpaman (500 psig)) 80

Absorbedores de hidrocarburos (P < 3450 kpaman (500 psig)) 85

Otros sistemas de hidrocarburos 90

Sistemas no hidrocarburos (L< 40 mN/m(dinas/cm)) 90

Sistemas no hidrocarburos (L40 mN/m(dinas/cm))

Usar una correlacin para sistemasacuosos, donde aplique. En caso contrarioconsultar a fabricantes de platos.

Torres para Hidrocarburos pesados *Porcentaje de Inundacin por Chorro

(Jet flood) (Ver Ec. 3c)

FraccionamientoCritico

FraccionamientoNo Critico

Destiladoras atmosfricas, corrientes dedespojadores para destilacin atmosfrica alvaco 90 95

Fraccionadores de craqueo cataltico;fraccionadores primarios de craqueo convapor 90 95

Prefraccionadores, torres de vaporizacinsbita (flash) 90 95

Destilacin al vaco

80 80 a 85

Despojadores de fondo para destiladorasatmosfricas y al vaco 50 50


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REVISION FECHA



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TABLA 2 (CONT.)

Sistemas Acuosos% de Inundacin(Ec. 3d) Chorro

Velocidad deEntrada en elBajante, m/s(pie/s)**

% de Llenado delBajante

Despojadores con Custicay amina 60 0.09 (0.30) 40

Regeneradores de amina 75 0.075 (0.25) 50

Absorbedores Catarcarb:

Lean 60 0.075 (0.25) 40

Bulk 40 0.10 (0.35) 40

Despojadores Catarcarb:

Lean 70 0.075 (0.25) 50

Bulk 60 0.11 (0.35) 50

Despojadores de aguascidas 75 0.11 (0.35) 40

Secciones de lavado deagua 75 012 (0.40) 50

Otros lquidosacuosos/despojadores convapor 80 0.12 (0.40) 50

Otros sistemas acuosos consulte suplidores.

* Para el criterio de velocidad de entrada en el bajante y llenado del bajante, ver los puntos4

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