2. En este trabajo se presentará una guía para la selección y el diseño de condensadores de tubo y coraza en columnas de destilación.
3. Introducción: La destilación es un proceso unitario utilizado en la industria desde hace muchos años .| La remoción del calor en una columna de destilación se realiza a través de un condensador. De forma indirecta, los condensadores permiten aumentar el grado de pureza del producto .| Según los requerimientos del destilado, será necesario un tipo de condensador adecuado: Este puede ser total o parcial. La condensación también va a depender de la posición del equipo o bien del lugar donde ésta se realice .|
4. Condensador Total; Todo el vapor a la salida de la torre es condensado, y posteriormente se separa, donde una parte del liquido se regresa a la torre (reflujo) y la otra es el producto deseado. Condensador Parcial o Mixto; Se obtiene una mezcla liquido-vapor en equilibrio, que luego entra a un separado. En el condensador parcial el destilado es exclusivamente vapor, mientras que todo el liquido que sale del separador regresa como reflujo a la torre. Para el condensador mixto, el destilado es tanto liquido como vapor, y una parte del liquido se regresa a la torre como reflujo. “ El reflujo siempre debe entrar a la torre en fase liquida”
5. TIPOS DE CONDENSADORES: Se clasifican dependiendo del arreglo, área de intercambio de calor, y otras características. En este trabajo se estudiaron los condensadores de tubo y de coraza, los cuales se pueden clasificar según su geometría y lugar donde se condensa el fluido, de la siguiente forma:
7. Condensadores Horizontales en la Coraza; El fluido que va a ser condensado circula por fuera de los tubos. (no es apropiado para la condensación total), presentan alta caída de presión, sin embargo se controla utilizando diferentes tipos de carcazas.
8. La condensación es por dentro de los tubos. Por lo general se diseñan en un arreglo de un sólo paso de tubos, o tubo en “U”. Este tipo de condensador, es útil, cuando se trata de fluidos que causan problemas por ensuciamiento o corrosión.
9. VERTICALES CORAZA La condensación ocurre fuera de los tubos. Son poco usados como condensadores en el tope, en cambio, son mas usados como rehervidores. Tiene bajo consumo de agua o fluido refrigerante y su mantenimiento no requiere detener el proceso.
10. VERTICALES TUBOS F. ASCENDENTE La condensación es por dentro de los tubos. Es usado en los condensadores parciales, donde pequeñas cantidades de vapor ascienden mientras que el condensado desciende por gravedad. La principal desventaja ocurre cuando la velocidad del vapor ascendente impide el descenso del condensado.
11. VERTICALES TUBOS F. DESCENDENTE Este arreglo es popular en la industria química. Tienen un coeficiente de transferencia de calor mas elevado que en la condensación fuera de los tubos. Presentan ventajas en el caso de mezclas multicomponentes, si la caída de presión se encuentra dentro de los limites establecidos.
13. Especificación De Las Condiciones Operacionales (datos de entrada). Antes de iniciar los cálculos para el diseño del condensador, se debe tener el problema referente al destilado bien definido, es decir, se debe conocer las composiciones de los productos que salen por el tope y la presión de operación de la columna. En general, la caída de presión en el condensador es despreciable, y se trabaja a la misma presión de la torre.
14. SELECCIÓN DE TIPO DE CONDENSADOR: Existen diversos factores que influyen en la selección del condensador, como lo son la temperatura, presión, entre otras. Es importante considerarlos, para determinar, si la condensación se realizará por dentro o por fuera de los tubos, en el caso de condensadores de tubos y corazas. Para las tablas de selección se tomó como referencia el trabajo de Odreman (2000) y Kister (1992). En la tabla 1, se presentan los parámetros para seleccionar el equipo según las condiciones de operación; tanto para condensación total o parcial.
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16. Otro factor importante en la selección de un condensador es la orientación (vertical u Horizontal). En las tablas 2 y 3 se presentan una serie de recomendaciones para realizar una elección apropiada cuando se trata de un condensador tota. En las tablas 4 y 5 se muestra la misma información, pero en este caso para un condensador parcial o mixto.
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19. Determinación De La Carga De Calor: Para estimar el calor necesario, se utiliza un balance de energía: Formula 1 En el condensador no hay acumulación de masa, por lo tanto el flujo másico que entra es igual al que sale: Formula 2 Las entalpías de entrada y salida de la mezcla se obtienen mediante el siguiente cálculo de la entalpía para mezclas: Formula 3 En el que ∆H de los componentes puede aproximarse a cero en el caso de hidrocarburos, ya que por lo general estas mezclas no se alejan del comportamiento ideal.
20. Selección Del Fluido Refrigerante: En muchos casos se sugiere el uso de agua, por su fácil obtención y su gran capacidad calorífica. En este caso, la mezcla se va a condensar desde su punto de rocío (tope de la columna) hasta su punto de burbuja (salida del condensador), sin llegar a ser subenfriada. Como la temperatura de operación de agua, es mayor que la temperatura en el punto de burbuja y de rocío de los componentes con que se va a trabajar (hidrocarburos livianos), entonces el agua es buen medio refrigerante. En el caso de mezclas de hidrocarburos muy livianos (metano, etano), se sugiere utilizar otro fluido refrigerante o agua fría si se trabaja a bajas presiones; pues la temperatura en el punto de burbuja y rocío de las mezclas de este tipo de compuestos, es mas baja que la temperatura de operación del agua a esta presión. Por esta razón, en las columnas de destilación se trabaja normalmente a presiones altas.
21. Cálculo De La Variación De Temperatura (∆ H): La variación de la temperatura del producto de destilación a lo largo del condensador no es constante. Por esta razón se plantean diferentes formas de estimar la variación de la temperatura durante el proceso. Para obtener la temperatura de la mezcla a lo largo del condensador, se calcula la temperatura de equilibrio para diferentes fracciones vaporizadas, desde cero (entrada como vapor saturado) hasta uno (salida como liquido saturado), utilizando la ecuación de Rachford-Rice y la ley de Raoult como modelo termodinámico. La temperatura del agua se resuelve dividiendo el condensador en secciones intermedias y resolviendo el balance de energía para el agua.
22. 1.- Un buen método para estimar la diferencia de temperaturas es calculando numéricamente el área entre la curva de temperatura del agua y de la mezcla. Para esto se divide la curva en varios segmentos y se calcula el área para cada una de las divisiones, finalmente el área total es la suma de todas las áreas calculadas. En la sig. Fig. se muestra una curva de la diferencia de temperaturas entre una mezcla de hidrocarburos (etano, propano, butano e isobutano) como fluidos condensantes y agua como fluido refrigerante.
23. 2.- Otra buena manera de estimar esta variación, es dividir la curva de temperatura en varios segmentos y calcular la diferencias de temperatura, en cada segmento por aproximación logarítmica. Los resultados obtenidos , serán mas exactos en la manera que aumente el numero de segmentos en los que se divide la curva.
24. 3.- Finalmente, un ultimo método para estimar la diferencia de temperatura es a través de una aproximación media logarítmica entre los valores de la temperatura a la entrada y salida del condensador; pero esta aproximación solo es valida si el fluido esta en una sola fase. Si el condensador esta trabajando en contra corriente, esta aproximación se puede calcular mediante la siguiente relación, que depende únicamente de las temperaturas de entrada y salida del condensador. Donde T r y T b son las temperaturas del rocío y de burbuja de la mezcla respectivamente, T s y T e son las temperatura de entrada y de salida del agua. Esta relación también es valida para calcular la diferencia de temperatura en cada segmento, si se prefiere dividir la curva de temperatura.
25. El calculo de la variación de la temperatura que proporciona los resultados mas precisos, es el primero, a través de un método integral, y se mejora la exactitud al amentar el numero de divisiones. La aproximación logarítmica entre la entrada y la salida es un método de fácil aplicación pero los resultados son deficientes, ya que en la mayoría de los casos de condensación de hidrocarburos no se puede suponer que la curva de temperatura se comporta como una función logarítmica. Las diferencias de exactitud entre los métodos empleados dependerán en gran medida de las composiciones de las sustancias presentes en la mezcla. En la figura 3, se observa que ambas curvas se alejan del comportamiento logarítmico, por lo tanto una aproximación logarítmica da resultados imprecisos.
26. En la tabla , se presenta la diferenciad e temperaturas para cuatro compuestos (etano, propano, n-butano e isobutano), en diferentes proporciones. Se muestra la desviación entre la temperatura calculada con el método integral (real), y la calculada con el método de la aproximación logarítmica entre la entrada y la salida del condensador. El error en el cálculo por ambos métodos, aumenta conforme disminuyen las composiciones de los componentes mas livianos En los condensadores de tubo y coraza el arreglo no es en contracorriente neto, por lo tanto se debe de realizar una corrección a partir de las temperaturas de entrada y salida de ambos fluidos al condensador. El factor de corrección f se obtiene de la literatura y es diferente para cada arreglo del condensador.
27. Cálculo Del Valor Del Coeficiente Global De Transferencia De Calor (U) Y Del Área De Transferencia De Calor (A)
28. Para el cálculo del coeficiente global de transferencia de calor, se utiliza la siguiente relación. Para los cálculos de U la resistencia a la transferencia de calor debido a la conductividad térmica de la tubería es muy pequeña y por esa razón se considera despreciable. El coeficiente convectivo (h) se calcula con distintas correlaciones obtenidas de la literatura, según los diferentes casos planteados: C. horizontal, C. vertical, por dentro o por fuera de los tubos, convección forzada, entre otros.
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31. En este ultimo caso, cuando las correlaciones dependen de la calidad, los resultados que se obtienen son mas precisos, pero requieren una estrategia de cálculo un poco laboriosa. Como se puede ver en la ecuación 5; no es posible calcular el coeficiente de transferencia (U), si no se conocen previamente las dimensiones del equipo. Por esta razón es necesario seguir un procedimiento iterativo que se explica a continuación.
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33. 1.- Primero de debe suponer una T w el primer estimado es un promedio entre las temperaturas promedio de los fluidos. 2.- Se desprecia la resistencia del tubo y se asume que la temperatura de superficie interna del tubo es igual a la temperatura de su superficie externa, para simplificar los cálculos. 3.- Después de conocida esta temperatura se puede estimar el coeficiente convectivo de la mezcla de hidrocarburos, la viscosidad del agua y calcular su coeficiente convectivo. 4.- Para cerrar el tanteo, se recalcula la T w por medio de la ecuación de convección para el fluido: 5.- Si la nueva temperatura de superficie es distinta a la supuesta se realizan todos los pasos previos, hasta que este valor se estabilice.
34. Verificación De Las Condiciones De Operación: Una ves finalizado el diseño del condensador, en necesario verificar, verificar que la caída de presión a lo largo del quipo está en el rango permitido (5 psi). De no cumplirse está condición será necesario reanudar los cálculos para un nuevo tipo de condensador o un nuevo arreglo del mismo tipo de condensador (paso de tubos, coraza, numero de tubos, diámetros, etc.). Kern (1974) propuso una serie de ecuaciones para el cálculo de la caída de presión dentro y fuera de los tubos. Fuera de los tubos Donde N+1 es el número de veces que el haz cruza.
35. Dentro de los tubos sin cambio de fase: Si dentro de los tubos, hay cambio de fase: Donde n=4 cuando ambas fases presentan flujo turbulento, o 3.5 cuando una o ambas fases están en régimen laminar.
36. Para la caída de presión tanto en la fase liquida, como en la fase vapor se tiene:
