Equipos Industriales Esenciales: Diseño y Operación en Plantas de Proceso

Equipos Industriales Esenciales en Plantas de Proceso

1. Recipientes a Presión

Los recipientes a presión son equipos fundamentales ubicados en el área de proceso, diseñados para contener fluidos a presiones diferentes a la atmosférica.

1.1. Tipos de Recipientes

• Recipientes de Separación: Su función es separar fases líquido-gas. Para ello, proporcionan al vapor o gas una velocidad baja que permite la caída de las gotas de líquido al seno del mismo.
  • Parámetros importantes: Velocidad del gas, diámetro de la gota y flujo.
  • Tipos de Separadores:
    • Verticales: Ideales para caudales bajos (aproximadamente 10 GPM o 2,25 m³/h).
    • Horizontales: Adecuados para caudales superiores a 2,25 m³/h.
    • Esféricos: Utilizados para altas presiones (hasta 1000 PSI, equivalentes a unas 70 atmósferas).
• Recipientes de Acumulación: Su propósito es proporcionar estabilidad y continuidad de operación a los equipos y al proceso.
  • Parámetros importantes: Tiempo de residencia (τ).

2. Estanques de Almacenamiento

Los estanques son equipos diseñados para almacenar productos, operan a presión atmosférica y se ubican en el área de almacenamiento.

2.1. Tipos de Techo para Estanques

• Techo Fijo:

  Condición de vapor: >3 PSIA

  

  Condición de vapor: >6 PSIA

• Techo Mixto: Se utiliza cuando existe un componente sensible al oxígeno, combinando características de techo fijo y flotante.

2.2. Tipos de Estanques según su Función

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

3. Tipos de Cabezales

Los cabezales son las tapas de los recipientes a presión, y su diseño depende de la presión y el diámetro.

• Elípticos: Comúnmente usados para diámetros menores a 100 PSIG (presión manométrica).
• Hemisféricos: Preferidos para diámetros grandes, típicamente mayores a 15 pies.
• Dished Head with Knuckle Radius (Torisféricos): Utilizados para diámetros de hasta 15 pies o en rangos específicos de presión.

4. Bases de Diseño y Hojas de Especificación

4.1. Bases de Diseño

Las bases de diseño para equipos industriales incluyen:

• Descripción y explicación de las funciones del equipo.
• Análisis de posibles perturbaciones y escenarios (“¿qué pasaría si?”).
• Definición del equipo de destino y los flujos asociados.
• Determinación de los tiempos de residencia.
• Establecimiento de la posición del equipo en la planta.

4.2. Dimensionamiento

El dimensionamiento implica definir:

• Accesorios y boquillas.
• Falda (soporte del recipiente).
• Espesor de pared y espesor adicional por corrosión.

4.3. Hoja de Especificación General

Una hoja de especificación debe contener información detallada, clasificada en secciones:

• General: Número de TAG, servicio, cantidad.
• Proceso: Fluido, densidad, temperatura de operación/diseño, presión de diseño, presión de operación, temperatura ambiente máxima/mínima, viscosidad.
• Construcción: Código de diseño, diámetro interno, largo, volumen, posición, material, espesor de cabezales, espesor de manto, espesor por corrosión.

5. Hoja de Especificaciones para Intercambiadores de Calor

Una hoja de especificaciones para un intercambiador de calor es crucial y debe incluir:

• Nombre del proyecto, autor, ubicación de la planta.
• Volumen, tipo de intercambiador, tipo de carcasa por unidad, superficie por unidad.
• Fluidios por carcasa y por tubos.
• Condiciones de entrada y salida para ambos fluidos:
  • Flujo (másico o volumétrico)
  • Fracciones de vapor, líquido y no condensables
  • Temperatura (T)
  • Densidad (ρ)
  • Viscosidad (µ)
  • Conductividad térmica (k)
  • Capacidad calorífica (Cp)
  • Velocidad (v)
  • Entalpía de vaporización (ΔHvap)
  • Presión (P)
  • Caudal de calor (Q)
• Detalles de la Carcasa:
  • Presión y temperatura de diseño
  • Número de pasadas
  • Corrosión
  • Número de tubos (Nt)
  • Diámetro interno de tubos (Dint)
  • Espesor del tubo
  • Longitud de tubos (Lt)
  • Paso (Pitch)
  • Tipo de tubo
  • Diámetro de carcasa (Dc)
  • Material
  • Presión de tubos (Pt)
  • Presión de carcasa (Pc)
  • Esquema o configuración

6. Hornos y Reactores

Los hornos y reactores son considerados el corazón de una planta de proceso, junto con los compresores, forman los tres elementos principales.

6.1. Hornos Industriales

Los hornos tienen dos funciones principales:

1. Calentar un producto: El producto pasa por serpentines, elevando su temperatura desde la entrada hasta la salida. Ejemplo: un calefón doméstico comparte principios similares.
2. Calentar y vaporizar: Calentar y vaporizar parcial o totalmente un producto para llevarlo al estado deseado.

Se caracterizan por grandes transferencias de calor (TdC) y la conversión de combustible en energía. La radiación es un mecanismo de transferencia de calor muy importante, y existen diversas configuraciones de hornos.

Un horno típico tiene un fluido principal que se calienta y una corriente que recupera calor, generalmente en la parte alta por donde salen los gases de combustión. (Nota: El líquido no entra por la chimenea; esta es la salida de gases. La frase "Líquido entra por la chimenea y va calentándose lentamente" parece ser una confusión o una descripción muy simplificada de un proceso de recuperación de calor en la sección de convección).

6.2. Zonas de Operación del Horno

• Zona de Radiación: Donde se encuentra la llama y se alcanzan las mayores temperaturas.
• Zona de Convección: Destinada a la recuperación de calor de los gases de combustión.

6.3. Elementos Principales de un Horno

• Zona de Radiación
• Zona de Convección
• Chimenea
• Quemador
• Sistema de control de flujo

6.4. Tipos de Hornos y Consideraciones Operativas

• Existen hornos verticales y horizontales, cuya elección depende del tipo de flujo (especialmente si es bifásico).
• Flujo Bifásico: Coexistencia de líquido y gas en una tubería. Pueden transmitirse a diferentes velocidades, lo que puede producir el fenómeno de golpe de ariete. Esto ocurre cuando una partícula de líquido es lanzada a alta velocidad por el gas y choca con un codo o cambio de dirección, generando un impacto o "remesón".
• Algunos hornos tienen dos cámaras, lo que permite operar al 50% de capacidad y solucionar diversos problemas operativos.
• Horno de Hidrólisis: Caracterizados por tener quemadores a los lados y operar a muy altas temperaturas.
• Termografía: Técnica capaz de detectar temperaturas y representarlas en un mapa de colores, útil para el monitoreo de hornos.
• Tubos con Aletas: Las aletas son áreas extendidas que, aunque los coeficientes de convección sean bajos, aumentan la transferencia de calor al incrementar el área de contacto.
• Combustión: Generalmente se opera con un exceso de aire, por ejemplo, un horno con aproximadamente 2% de oxígeno en los gases de combustión. Una combustión incompleta o ineficiente puede ocurrir con muy poco o demasiado oxígeno.
• Tiraje o Tiro: Es la presión diferencial que facilita la salida de los gases de combustión, generada por la variación de densidad entre los gases calientes y el aire exterior.

7. Calderas Industriales

Las calderas son equipos que generan vapor o agua caliente mediante la combustión de un combustible.

7.1. Tipos de Calderas

• Calderas Pirotubulares: Los gases de combustión circulan por el interior de los tubos, rodeados por agua.
• Calderas Acuotubulares: El agua circula por el interior de los tubos, que están rodeados por los gases calientes de la combustión.

7.2. Consideraciones de Diseño y Operación de Calderas

• La zona de radiación en las calderas tiene buenos coeficientes de transferencia de calor, mientras que la zona de convección es menos eficiente. En procesos de ebullición, un alto flujo y velocidad pueden destruir la capa límite, mejorando la transferencia.
• Caldera de Tiro Inducido: Utiliza ventiladores para forzar la salida de los gases de combustión.
• Las calderas de gran tamaño a menudo funcionan por diferencia de densidad, con un domo superior y uno inferior, lo que permite un funcionamiento por convección natural.
• Las calderas tipo paquete no son adecuadas para operar con carbón debido a la gran cantidad de hollín que generan.

8. Normativas y Estándares

La TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) establece las normas y configuraciones de construcción para los intercambiadores de calor, asegurando su diseño y fabricación adecuados.