Diseño y Cálculo de Separadores, Estanques e Intercambiadores de Calor Industriales

Separadores y Estanques de Almacenamiento

Funciones Principales

1. Separación Líquido-Gas

Consiste en separar las fases líquido-gas proporcionando al vapor o gas una velocidad baja que haga posible la caída de las gotas al seno del líquido.

Parámetros importantes:

• Velocidad del gas (v_gas)
• Diámetro de gota (d_gota)
• Flujo

2. Acumulación

Proporcionan estabilidad y continuidad de operación a los equipos y al proceso.

Parámetro importante:

• Tiempo de residencia (t_residencia)

Tipos de Separadores

• Verticales: Adecuados para caudal bajo (ej: 10 gpm ≈ 2.25 m³/h).
• Horizontales: Para caudales mayores a 2.25 m³/h.
• Esféricos: Utilizados en aplicaciones de alta presión (ej: 1000 psi ≈ 70 atm).

Estanques de Almacenamiento

Son equipos diseñados para almacenar productos que operan a presión atmosférica (P_atm) y están ubicados en el área de almacenamiento.

Tipos de Techo para Estanques

• Techo Fijo:

  Para líquidos con baja presión de vapor.

• Techo Flotante:

  Para líquidos con presión de vapor > 6 psia.

• Techo Mixto (Domo Geodésico + Techo Flotante Interno): Cuando existe un componente sensible al oxígeno o por regulaciones ambientales.

Tipos de Estanques según su Función

• De Materias Primas (MP).
• De Productos: Pueden ser intermedios, finales o fuera de especificación.

Tipos de Cabezales para Recipientes a Presión

• Elípticos (2:1): Opción común para presiones moderadas.
• Hemisféricos: Para altas presiones o grandes diámetros (ej: D > 15 ft).
• Toriesféricos (F&D - Flanged and Dished): Alternativa económica para presiones bajas/moderadas.
• Nota: La selección específica depende de la presión (P), diámetro (D) y código de diseño. Las condiciones mencionadas (ej: D < 15 ft, P < 100 psig) son ejemplos y pueden variar.

Diseño y Dimensionamiento de Recipientes

Bases de Diseño

Incluyen la descripción del servicio, explicación de las funciones, análisis de perturbaciones (¿qué pasaría si?), definición del equipo de destino y flujos, determinación de tiempos de residencia y posición del equipo.

Dimensionamiento

Implica definir accesorios, ubicación y tamaño de boquillas, diseño del soporte (falda o patas), cálculo del espesor de pared (por presión y por corrosión).

Hoja de Especificación

Debe contener secciones como:

• General: TAG N°, servicio, cantidad.
• Proceso: Fluido, densidad, T_operación / T_diseño, P_diseño, P_operación, T_amb max/min, viscosidad.
• Construcción: Código de diseño, diámetro interno, longitud (tangente-tangente), volumen, posición (vertical/horizontal), material, espesor de cabezales, espesor del manto, sobreespesor por corrosión.
• Boquillas: Lista detallada con tamaño, rating, tipo de cara, servicio, material, etc.

Cálculo (Método de Evans para Separadores)

Método de Evans:

Factor de separación (K_v o K_h):

Se obtiene de gráficos o correlaciones. Si es horizontal, K_h ≈ 1.25 K_v.

Velocidad máxima del gas (v_{gas max}):

Donde ρ_L es la densidad del líquido y ρ_G es la densidad del gas.

Área de separación requerida:

Donde Q_G es el caudal volumétrico del gas.

Boquillas (Ejemplo de Marcas Comunes)

Criterios Adicionales

• Espacio de Vapor: Usualmente se diseña para que el vapor ocupe un porcentaje del volumen (ej: 25%).

• Niveles de Líquido:

  Se definen niveles mínimo, normal, alto y muy alto (LAH, LALL).

• Criterio de las 6 pulgadas: Distancia mínima entre soldaduras o entre soldadura y nivel tangente.
• Relación L/D: Se selecciona según la presión y tipo de recipiente (usualmente entre 3 y 5 para separadores horizontales).
• Espesor (t): Se calcula según el código de diseño (ej: ASME VIII Div. 1), considerando la presión interna/externa, diámetro, material y temperatura.

Intercambiadores de Calor

Métodos de Cálculo

Método Parés (Simplificado)

1. Coeficiente Global Estimado (U): 1/U = R₁ + R₂; donde R representa las resistencias de película y de ensuciamiento [h·°F·pie²/Btu]. Valores típicos de ensuciamiento (fouling factor):
   • Aire ≈ 0.045
   • Hidrocarburos livianos ≈ 0.03
   • Aromáticos ≈ 0.007
2. Diferencia Media Logarítmica de Temperatura (ΔT_ml): Calcular para flujo en contracorriente.
3. Área de Transferencia (A): A = Q / (U · ΔT_ml), donde Q es el calor transferido.
4. Número de Tubos (N_t): Seleccionar diámetro de tubo (ej: ¾″ BWG), arreglo (ej: 1″ pitch triangular), longitud (L, ej: 8, 16, 24 ft). Calcular área por pie lineal (a, ej: 0.1963 ft²/ft para ¾″). N_t = A / (a · L).
5. Diámetro de Carcasa (D_c): Estimar a partir de N_t y el arreglo de tubos (usando tablas o gráficos estándar).
6. Espesor de Carcasa (t): Calcular en función de P_diseño, tensión admisible del material y sobreespesor por corrosión (ej: 0.125″ o 1/8″).
7. Peso del Manto (P_manto): Estimación: P_manto ≈ 12.5 D_c · t · (L + D_c/6) (fórmula empírica, unidades consistentes).
8. Peso de los Tubos (P_tubos): p ≈ 0.47 lb/ft para acero. P_tubos = p · L · N_t.
9. Peso de las Placas Tubulares (P_placas): Estimación: P_placas ≈ 0.0014 D_c² · W (W: espesor placa).
10. Peso de los Baffles (P_baffles): Estimar basado en planchas de acero (ej: ¼″), número de baffles, y diámetro (D_c).

Método Riguroso

1. Propiedades Físicas: Buscar viscosidad (μ), densidad (ρ), capacidad calorífica (Cp), conductividad térmica (k) a la temperatura media para ambos fluidos (carcasa y tubos).
2. ΔT_ml Corregido (F_T): Calcular factor de corrección F_T basado en las temperaturas de entrada y salida (T₁, T₂, t₁, t₂) usando los parámetros P y R. ΔT_efectiva = F_T · ΔT_ml.
3. Estimación Inicial (Parés): Usar U estimado del método Parés para calcular A, L_t, N_t, D_c.
4. Lado Carcasa (Shell Side): Calcular área libre de flujo (A_s), velocidad másica (G_s), diámetro equivalente (D_eq).
5. Coeficiente Lado Carcasa (h_o): Calcular Reynolds (Re), Prandtl (Pr) → Nusselt (Nu) → h_o (usando correlaciones apropiadas, ej: Donohue, Kern).
6. Lado Tubos (Tube Side): Calcular área de flujo por tubo, velocidad, Re, Pr → Nu → h_i (coeficiente interno).
7. Coeficiente Global Calculado (U): 1/U = 1/h_o + r_o + r_w + r_i(A_o/A_i) + 1/h_i(A_o/A_i). Donde r_o, r_i son resistencias por ensuciamiento (fouling) externa e interna, r_w es la resistencia de la pared del tubo, A_o/A_i es la relación de áreas externa/interna.
8. Iteración: Comparar U calculado con U estimado. Si no convergen, usar el nuevo U en el paso 3 y repetir los cálculos (pasos 3 a 7) hasta alcanzar la convergencia. Una vez convergido, recalcular pesos si es necesario (pasos 6 a 10 del método Parés).

Hoja de Especificaciones para Intercambiadores

Debe incluir:

• Información general: Nombre proyecto, autor, ubicación planta, número de unidades, tipo TEMA, número de carcasas/unidad, Superficie/Unidad.
• Servicio: Fluido por carcasa y por tubos.
• Condiciones de Proceso (Entrada y Salida para ambos fluidos): Flujo (total, vapor, líquido, no condensable), Temperatura, ρ, μ, k, Cp, velocidad, ΔH_vap (si aplica), Presión de operación, Caída de presión admisible, Calor transferido (Q), Factor de ensuciamiento.
• Construcción - Carcasa: P_diseño y T_diseño, número de pasos, sobreespesor por corrosión, Diámetro interno (D_c), Material, Espesor.
• Construcción - Tubos: Número total (N_t), Diámetro externo, Espesor (BWG), Longitud (L_t), Pitch (arreglo), Tipo de tubo (liso/aletado), Material.
• Pesos estimados: Peso total, peso del haz de tubos, peso lleno de agua.
• Esquema preliminar y detalles de boquillas.