PLATOS DE CASQUETE DE BURBUJEO MANUAL

PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
TORRES DE FRACCIONAMIENTO
PDVSA N°
TITULO
MDP–04–CF–10
0
NOV.97
REV.
FECHA
APROB.
E1994
PLATOS DE CASQUETE DE BURBUJEO
APROBADA
44
DESCRIPCION
FECHA NOV.97
L.C.
PAG. REV.
APROB.
L.R.
APROB. APROB.
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1 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
3 ANTECEDENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
4 DEFINICIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
5 APLICACIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
6 CONSIDERACIONES BÁSICAS DEL DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
7 PROCEDIMIENTO DETALLADO DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
8 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
9 PROGRAMAS DE COMPUTACION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
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ALCANCE
Esta subsección cubre las técnicas para realizar el diseño de procesos de los
platos de casquetes de burbujeo en aplicaciones de transferencia de masa. El
diseño mecánico detallado y el arreglo de casquetes los maneja normalmente el
fabricante de los platos y sobre esa premisa se ha elaborado esta sección. Un
formato de cálculos que muestra paso a paso el procedimiento de diseño se
incluye en el Apéndice. Para el diseño de otros internos de la torre relacionados
con el plato tales como boquillas, cajas de retiro y conexiones del rehervidor
refiérase a la Subsección MDP–04–CF–08. Para el diseño de platos de casquetes
de burbujeo en servicios de transferencia de calor, refiérase a la Subsección
MDP–04–CF–13.
2
REFERENCIAS
MDP–04–CF–06 Selección del Tipo de Plato.
MDP–04–CF–08 Otros Internos de Torres de Fraccionamiento.
MDP–04–CF–13 Transferencia de Calor por Contacto Directo.
Consideraciones Económicas de Diseño
Ludwig Ernest E. ”Applied Process Design for Chemical and Petrochemical
Plants’’. Volume 2. Second. Edition.Gulf Publishing Co.ISBN 0–87201–753–2
(v–2)
Kister Henry Z.’’Distillation Design’’,McGraw Hill,inc. ISBN 0–07–034909–6
Walas Stanley M.’’Chemical Process Equipment, Selection and Design’’.
Butterworth–Heineman. ISBN 0–7506–9385–1
PROII Keyword Input Manual. Version 4.1. 1996, by Simulation Sciences Inc.
3
ANTECEDENTES
Los platos de casquetes de burbujeo fueron los elementos de contacto
fundamentales en las columnas de platos hasta los inicios de la década de los
cincuenta, debido a su alta eficiencia, buena capacidad y alta flexibilidad ante las
variaciones de flujo tanto de vapor como de líquido. Sin embargo, su alto costo
estimuló el desarrollo de alternativas más baratas que eventualmente los
desplazaron de esa posición de preferencia al permitir rendimientos comparables
por un costo hasta un 50% menor que el de estos platos. En la actualidad una de
esas alternativas, los platos perforados, son la primera opción para la mayoría de
las aplicaciones de las refinerías, pero para ciertas aplicaciones los platos de
casquetes de burbujeo siguen siendo la mejor elección, tal como se especifica en
las aplicaciones.
4
DEFINICIONES
Ver Subsección MDP–04–CF–06.
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APLICACIONES
Los platos de casquetes de burbujeo se aplican en la actualidad bien sea en
unidades de proceso construidas antes de que entraran en desuso, o en nuevos
diseños que deben cumplir con requerimientos especiales tales como alta
capacidad de reducción de flujos respecto a los de diseño (relaciones de
“turn–down’’ superiores a la de 3 a 1), flujos de líquido extremadamente bajos,
que requieren el sellado positivo que da este tipo de platos y cuando se requiere
la minimización de fugas. También pueden utilizarse cuando los dispositivos de
contacto más baratos, como los platos perforados o los de válvulas presentan una
desventaja específica para el servicio propuesto que no afecte así al plato de
casquetes de burbujeo, como pudiera ser el atascamiento de las válvulas de un
plato en servicios sucios o corrosivos o la falta de resistencia mecánica para
soportar los fuertes incrementos de presión que puede causar la vaporización
repentina de agua en torres donde pueda entrar o acumularse durante alguna fase
del ciclo de operación–mantenimiento de la torre.
6
CONSIDERACIONES BÁSICAS DEL DISEÑO
El diseño apropiado de un plato de burbujeo da como resultado un arreglo de plato
que en las condiciones de operación a las que se verá sometido realizará su
función de separación con eficiencia razonable, será estable y no presentará
comportamientos inadecuados tales como inundación por chorro, soplado,
vaciado o mala distribución de vapor, todo ello sin incurrir en costos excesivos.
El procedimiento de diseño que se presenta en esta Subsección se basa en la
aplicación de criterios para definir una configuración tentativa del plato, que se
somete a pruebas sucesivas que permiten decidir si el arreglo propuesto fallará
frente a los criterios de comportamiento ya mencionados, que a su vez orientan
la modificación del diseño tentativo para lograr un arreglo final satisfactorio.
En la Subsección MDP–04–CF–06 se tratan en detalle las limitaciones de los
platos mencionadas aquí.
Espaciamiento Entre Platos
La combinación óptima del espaciamiento entre platos y del diámetro de la torre
es aquella que minimiza la inversión total de la torre sujeta a la condición de que
el espaciamiento entre platos sea suficiente para permitir el acceso para
mantenimiento. La información de inversiones del Manual de Estimación de
Costos puede ser utilizada como una guía para determinar la inversión como una
función del diámetro de la torre y del espaciamiento entre platos.
Los espaciamientos mínimos entre platos se muestran en la tabla de la página 11
como una función del diámetro de la torre, tipo de servicio y requerimientos de
mantenimiento. Ver también las discusiones sobre el llenado del bajante en
“Hidráulica del Plato’’.
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Diámetro de la Torre
Junto con los criterios discutidos posteriormente en los puntos “Dimensionamiento
del Bajante’’, “Espacio libre en el Bajante’’ y “ Llenado del Bajante’’, el diámetro de
la torre debe proveer suficiente área de sección transversal para evitar arrastre de
acuerdo a la siguiente ecuación.
V a=
K d K mp H
F3
Ǹƪò ò_ ò ƫ
Ec. (1)
V
L
V
donde:
Va
=
Kd
=
Kmp
=
H
rv
rL
F3
=
=
=
=
Velocidad superficial del vapor máxima
permitida (Diseñar para un máximo de 100% de
Va)
Factor de corrección por capacidad de vapor
para el área del bajante. Ver ecuación (1a).
Factor de velocidad del vapor permitida,
basado en las propiedades del sistema.
(Fig. 1.).
Espaciamiento entre platos.
Densidad del vapor a condiciones de trabajo.
Densidad del líquido a condiciones de trabajo.
Factor cuyo valor depende de las unidades
usadas
K d=
As
Adi
=
=
Aw
=
En unidades
métricas
m/s
En unidades
inglesas
pie/s
mm
kg/m3
kg/m3
1000
pie
lb/pie 3
lb/pie 3
1
A s _ A di _ A w
0.92 A s
Area superficial de la torre.
Area de entrada al bajante. Con bajantes
inclinados o escalonados, se debe utilizar el
promedio de las áreas de entrada y salida del
bajante.
Area estimada de desperdicio
Ec. (1a)
m2
m2
pie2
pie2
m2
pie2
Una modificación en la ecuación (1) de Va para permitir calcular As directamente
se presenta en el formato de cálculo como ecuación (2b2). Ya que As y Kd
dependen una de otra, la solución de la ecuación que las liga requiere un cálculo
iterativo.
Como en todo proceso de solución iterativa de ecuaciones el esfuerzo de cálculo
puede reducirse significativamente si se seleccionan buenos valores iniciales para
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las variables de cálculo, se sugieren dos procedimientos para estimar el área
superficial de la torre, y por consiguiente su diámetro. Primer procedimiento de
estimación: para el primer ensayo, As debería ser calculada basados en un valor
asumido para Kd = 0.95. Del valor resultante de As, se puede calcular un valor
”final’’, suficientemente preciso, de Kd. Nótese que en el formato de cálculo no se
debe tomar crédito de capacidad para espaciamiento entre platos más grandes
que 900 mm (36 pulgadas). Segundo procedimiento: Decida a que porcentaje de
la velocidad de vapor a máxima capacidad de la torre (VL(Lim)) se va a trabajar en
el equipo (siempre por debajo de 100%). Calcule con ayuda de la ecuación 2c1
del formato de cálculo el área libre del plato y para obtener un valor conservador
del diámetro calcule el área superficial del plato suponiendo que el área libre
estimada es el 88% del área superficial.
El factor de capacidad de vapor Kmp para las propiedades del sistema se presenta
en la Fig. 1. Esta correlación se basa en datos operacionales de torres que
manejan hidrocarburos. Debido a que la correlación es empírica, debería usarse
cualquier dato de capacidad disponible para el tipo de torre que se está diseñando.
Esto es especialmente válido para absorbedoras, servicios que no manejan
hidrocarburos y sistemas donde la viscosidad del líquido excede los 0.6 mPa.s
(cp). Los valores de Kmp para viscosidades de hasta 6 cp pueden leerse en la Fig.1,
pero deben utilizarse con precaución.
Capacidad Máxima
La ecuación (2c1) del formato de cálculos da la carga de vapor limitante para la
capacidad máxima. En caso de excederse esta carga, ocurrirá el fenómeno de
soplado y el líquido se dispersará en pequeñas gotas produciéndose su arrastre.
Debido a esta atomización del líquido, aumentar el espaciamiento entre los platos
no reducirá la cantidad de líquido arrastrado al plato superior. La relación de la
carga de vapor de diseño VL a la carga de vapor de máxima capacidad VL(Lim) debe
mantenerse por debajo de 100%. Si es necesario, el diámetro de la torre debe
incrementarse, aun cuando la ecuación (1) sobre arrastre haya sido satisfecha.
Sin embargo, el diámetro calculado mediante esta ecuación normalmente provee
suficiente área libre para satisfacer las limitaciones de capacidad máxima.
Número de Pasos de Líquido
Para diámetros menores o iguales a 1500 mm (5 pie), se deberían utilizar platos
de un solo paso. Los platos de casquetes de burbujeo de múltiples pasos deberían
ser considerados cuando el flujo de líquido está en el rango de 14 a 21 dm3/s por
metro de diámetro (4000 a 6000 gal/h por pie de diámetro) en platos de un solo
paso. A esos flujos, el gradiente de líquido en el plato comienza a hacerse grande
y por lo tanto se requiere una alta caída de presión a través del casquete para
mantener una distribución de vapor satisfactoria. Ambas condiciones causarían
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un llenado excesivo del bajante y requerirían espaciamientos muy grandes entre
los platos.
Dimensionamiento del Bajante
El área requerida en la entrada del bajante se ajusta por las limitaciones de
segregación o separación de la espuma para dar un líquido claro a la salida del
bajante sin acumularla en el plato. Si el área es insuficiente, la espuma puede
acumularse en el plato y causar inundación prematura. Esta separación es más
fácil mientras más difieran las densidades de las fases líquida y vapor, por lo que,
a medida que la temperatura del sistema se aproxime a la temperatura crítica, y
las densidades de las fases de vapor y líquido se aproximen una a la otra, la
segregación del vapor así como la predicción del área requerida para segregación,
serán cada vez más difíciles de realizar. Esto es más probable que suceda en
sistemas de destilación a altas presiones, por lo que se recomienda en esos casos
ser conservadores en la definición de las áreas de bajante.
La Fig.8 da la velocidad máxima permitida del líquido a la entrada del bajante
basada en la velocidad terminal de elevación de las burbujas de vapor arrastradas
a medida que ellas se liberan en el bajante. La velocidad calculada es una función
de las propiedades físicas de los fluidos y por lo tanto varía de un sistema a otro.
Los datos de FRI indican que la Fig.8 predice bastante bien la máxima velocidad
permisible de entrada al bajante aun para sistemas a alta presión. En
consecuencia, ésta puede ser utilizada para todos los sistemas. Sin embargo,
mientras no se encuentren disponibles más datos, la velocidad de entrada al
bajante debería ser limitada a un máximo de 0.15 m/s (0.5 pie/s). Para sistemas
espumantes, deberían usarse velocidades menores (en el orden de 0.06 m/s (0.2
pie/s)). La velocidad a la salida de un bajante inclinado o escalonado no debería
exceder dos veces la velocidad de entrada calculada, o 0.18 m/s (0.59 pie/s),
cualquiera que sea menor.
Para una buena distribución de líquido, la longitud de la salida de un bajante tipo
segmento circular debe ser al menos 65% del diámetro de la torre. Esto significa
que el área de salida del bajante (que es igual al área de entrada al plato de abajo)
debe ser por lo menos 6.8% del área superficial de la torre As. Si el área de entrada
al bajante requerida para satisfacer los criterios de velocidad permitida del líquido
excede el 12% del área superficial del plato, el fondo de un bajante recto resultaría
sobredimensionado, y en ese caso se debería considerar el uso de bajantes
inclinados o escalonados.
Cuando un bajante tipo segmento circular resulta en mucha más área que la
requerida para satisfacer el criterio de velocidad de entrada, se debe considerar
un bajante del tipo arco modificado. Ver Fig. 9. Ver otras relaciones geométricas
en MDP–03–S–03 Tabla 5.
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Espacio Libre del Bajante
El espacio libre o separación del bajante es la distancia vertical entre el borde del
fondo del bajante y la cubierta del plato a donde descarga. Este espacio libre no
debería ser más pequeño que 25 mm (1 pulgada) y se basa en una caída de
presión de 13 a 38 mm (0.5 a 1.5 pulgadas) de líquido caliente, de acuerdo a la
fórmula del vertedero sumergido, Ecuación (4g1) del formato de cálculo.
Sellado del bajante
Para impedir que parte del vapor se desvíe del plato subiendo a través del bajante,
éste debe sellarse con el líquido del plato inferior, es decir debe tener su extremo
de descarga sumergido en el líquido circundante. La condición crítica para este
sello ocurre al flujo mínimo de líquido, por lo tanto, se debe verificar que a esta
condición, la suma de la altura libre del líquido hi a la entrada del plato y la pérdida
de cabezal had bajo el bajante sea cuando menos igual al espacio libre del bajante
y preferiblemente excederla por 6 mm (0.25 pulgadas) de líquido caliente. Si el
cálculo muestra que no se obtiene sello, lo cual es raro en este tipo de platos, se
debe considerar el incrementar la altura del vertedero de salida, reducir el espacio
libre o separación del bajante mediante el uso de una caja de entrada hueca o
agregar un vertedero de entrada. No se recomienda el uso de bajantes con bordes
perfilados en este tipo de platos, ya que la reducción de caída de presión que se
logra de este modo no es capaz de compensar de modo significativo las elevadas
caídas de presión que producen los propios casquetes. El diseño final es aquel que
logra sellar el bajante a flujo mínimo y minimiza el llenado del bajante a los flujos
de diseño de vapor y de líquido.
Arreglo de los Casquetes de Burbujeo
Se recomiendan los lineamientos generales siguientes para evaluar el arreglo de
un plato existente o para diseñar un plato nuevo. Para el caso de diseño de platos
nuevos, se debe indicar al vendedor que manejará los detalles de diseño del plato
si se desea un paso o arreglo triangular o cuadrado, así como el diámetro de los
casquetes.
Arreglo – Normalmente se prefiere el arreglo cuadrado porque reduce el gradiente
hidráulico y casquetes de 6 ó 4 pulgadas. El arreglo cuadrado debería
especificarse para nuevos diseños, sin embargo, si el gradiente hidráulico se
considera menos importante que la disponibilidad de área para colocar casquetes,
el arreglo triangular permite la colocación de mayor número de casquetes por
unidad de área de burbujeo que el arreglo cuadrado y pudiera ser el arreglo más
conveniente. Este caso puede presentarse cuando se requiere mayor cantidad de
casquetes por plato para aumentar capacidad y/o eficiencia, pero el diámetro de
la torre ya esté fijo, como puede ser el caso de “revamps’’ o eliminación de cuellos
de botella en plantas existentes.
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Espaciamiento de los Casquetes – En todos los platos de casquetes de burbujeo
se debería especificar un 10% más de casquetes por unidad de área de contacto
en la mitad de entrada del plato que en la mitad de salida. La mitad de entrada se
define como el área de contacto dentro de la primera mitad de la trayectoria del
flujo lfp como se muestra a continuación.
Con esto se busca compensar el efecto del gradiente hidráulico en el plato, que
tiende a desviar el flujo de vapor que viene del plato inferior hacia los casquetes
de la zona de salida de líquido, donde la profundidad es menor y entonces
aprovechar el mejor contacto líquido vapor que existe en la zona de entrada de
líquido al plato.
Normalmente se puede lograr la distribución de casquetes propuesta si en el tercio
de entrada de líquido al plato (trayectoria del flujo) se usa un espaciado de filas de
unos 215 mm (8 1/2 pulgadas) con casquetes de 150 mm (6 pulgadas) y un
espaciado de 150 mm (6 pulgadas) con casquetes de 4 pulgadas;y en el tercio de
salida una separación de 230 y 165 mm (9 y 6 1/2 pulgadas), respectivamente. En
platos de torres de vacío, los espaciamientos pueden ser reducidos a 25 mm (1
pulgada). Ya que se recomienda un arreglo cuadrado, estos valores definen el
espaciamiento dentro de cada fila, para mantener su geometría.
Tamaño del Casquete – Debido a su baja caída de presión, generalmente se
especifican casquetes elevados de 6 pulgadas para servicios de vacío y para la
eliminación de cuellos de botella en torres existentes. Los casquetes de burbujeo
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de 4 pulgadas se usan en platos con diámetros menores o iguales que 900 mm
(3 pie). Para platos con diámetros mayores que 900 mm (3 pie) se especifican
casquetes de 6 pulgadas. No obstante lo anterior, en el caso de torres con
diámetros mayores que 900 mm (3 pie), a las que por razones de bajo flujo de
vapor les correspondiera un bajo número de casquetes de 6 pulgadas por plato
que llevara a una mala distribución de vapor, se procederá a corregir la mala
distribución de vapor utilizando casquetes de 4 pulgadas. Los casquetes típicos
recomendados se muestran en la Tabla 1.
Distancia desde el Vertedero – La línea central de la fila de casquetes final debería
estar de 150 a 180 mm (6 a 7 pulgadas) de separación del vertedero cuando se
utilizan casquetes de 6 pulgadas y de 125 a 150 mm (5 a 6 pulgadas) en el caso
de los casquetes de 4 pulgadas.
Arrastre y Vaciado
El vaciado (’’dump’’) no debería ocurrir si el plato se diseña de acuerdo con los
criterios discutidos en ”Hidráulica del Plato’’. Para minimizar el arrastre se requiere
que la caída de presión a través de la ranura hs sea menor que la distancia hds
desde la cubierta o piso del plato hasta el tope de la ranura.
Hidráulica del Plato
Caída de Presión y Distribución de Vapor – El vapor fluyendo a través de un plato
debe vencer la resistencia de fricción en el casquete de burbujeo y chimenea
(“riser’’) más el cabezal de líquido arriba del punto donde el vapor sale de las
ranuras de los casquetes de burbujeo. Un flujo uniforme de vapor a través de la
sección transversal del plato depende de una resistencia total igual a través de
todas las secciones del plato. Datos de pruebas han demostrado que el cabezal
de líquido es más grande a la entrada del plato y decrece hacia la salida. Existe
un cabezal mínimo de líquido entre la mitad de salida de platos y el vertedero.
El perfil de cabezal de líquido asumido para propósitos de diseño se muestra en
la Fig. 5. Para compensar la reducción en el cabezal de líquido desde la entrada
al plato hacia la salida, la caída de presión de los casquetes de burbujeo debería
ser menor en la porción de entrada al plato. Esto se logra mediante la provisión
de 10% más de casquetes por unidad de área de contacto en la mitad de entrada
que en la mitad de salida, como se discutió anteriormente.
Para asegurarse de que todos los casquetes estén activos, la caída de presión
del casquete para un flujo de líquido dado debe ser, por lo menos, tan grande como
aquella mostrada por la curva inferior de de la Figura 3. La región de distribución
”pobre’’ debajo de esta curva representa los flujos de líquido para los que los
casquetes de entrada cesan de transportar vapor y por lo tanto vacían el líquido.
Cuando el flujo de líquido excede aquel obtenido de la curva de distribución
”buena’’ en la Figura 3, la caída de presión en el casquete debería ser
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incrementada. Esto puede lograrse mediante la clausura de cada tercer casquete
en cada fila en el lado de salida del plato.
Un modo alterno de incrementar la caída de presión del casquete es el de colocar
estrangulamientos en cada chimenea, restringiendo el flujo de vapor a través de
la misma. La Fig. 4. muestra este arreglo junto con las curvas para determinar el
factor de caída de presión de la chimenea, Kc. Si los obturadores (chokes) son
usados sólo en algunos de los casquetes, la caída de presión final de éstos (hcap)
debe obtenerse por un proceso iterativo. Ello ocurre debido a que el flujo de vapor
a los casquetes estrangulados (con un alto DP) será menor que a los no
estrangulados (bajo DP) ya que el vapor se dividirá según la caída de presión total
del plato.
Gradiente de Líquido – La altura del vertedero de salida se determina con la
Ecuación (4f1) del formato de cálculo, valor que se redondea por exceso hasta el
cuarto de pulgada más cercano. El procedimiento de cálculo asegura que la fila
de casquetes de salida, asumiendo alturas estándar de la chimenea, sea sellada
mediante 6 a 13 mm (1/4 a 1/2 pulgadas) de líquido. Asimismo, el procedimiento
está basado en la suposición de una depresión del cabezal de líquido de 25 mm
(1 pulgadas) a la salida del plato (Ver Fig. 5.).
La Figura 3 debería ser usada para estimar el gradiente de líquido en el plato, el
cual afecta la caída de presión total del vapor al incrementarse el cabezal
promedio de líquido en el plato. La Ecuación (4h1) muestra el efecto del gradiente
de líquido sobre la caída de presión del plato. Para propósitos de diseño se supone
que el nivel del líquido en el casquete promedio es igual a ho, el cabezal de salida
más una tercera parte del gradiente de líquido. El gradiente de líquido en un plato
determinado es la diferencia entre los niveles de entrada y salida del líquido en ese
plato o, de modo equivalente, su diferencia de profundidades entrada–salida en
el plato.
Llenado del Bajante – El llenado del bajante, como un porcentaje del
espaciamiento entre platos, no debería exceder los valores dados en la Fig.
2. donde se representa como una función de la presión. Pudiese ser necesario
incrementar el espaciamiento entre platos para cumplir con este requerimiento.
Eficiencia Global
Cuando fuese posible se debería utilizar la experiencia pasada como una guía
para determinar la eficiencia de los casquetes de burbujeo. En ausencia de datos
se puede asumir que un plato de este tipo, diseñado de acuerdo al procedimiento
descrito en esta subsección, tendrá la misma eficiencia de un buen diseño de
platos perforados. La eficiencia de los platos perforados puede calcularse
siguiendo el procedimiento en la Subsección MDP–04–CF–09 Eficiencia de
Platos.
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Transferencia de Calor
La Subsección MDP–04–CF–13 define el procedimiento para determinar el
número de platos de casquetes de burbujeo requerido para un servicio dado de
transferencia de calor.
7
PROCEDIMIENTO DETALLADO DE DISEÑO
El procedimiento paso a paso para el diseño de un plato de casquetes de burbujeo
se muestra en el apéndice “Formato de Cálculo’’. Básicamente, el procedimiento
se basa en proponer un diseño tentativo con la ayuda de los principios arriba
mencionados, evaluarlo contra las diferentes limitaciones operacionales
potenciales y luego modificarlo como se requiera para llegar a un diseño óptimo
del plato. La decisión de cómo modificar el diseño tentativo requerirá juicio y
aplicación de las consideraciones básicas de diseño discutidas anteriormente. Los
números referidos a continuación son descritos en el formato de cálculo para los
diferentes pasos y ecuaciones.
Cargas de Vapor y Líquido (Paso 1)
Esta información se calcula normalmente como parte del balance de masa y
energía de la torre. Si las cargas de vapor y líquido mínimas no han sido
especificadas se asume que son el 50% de las cargas de diseño.
Arreglo, Tamaño y Espaciamiento Preliminar de los Platos (Paso 2)
Areas del Bajante – La velocidad del líquido libre de vapor entrando al bajante
debería estar limitada a aquella calculada de la Figura 8.En todo caso, no se deben
exceder los 0.15 m/s (0.5 pie/s) a la entrada del bajante. La velocidad de salida en
un bajante inclinado puede ser 2 veces la velocidad de entrada o un máximo de
0.6 pie/s (0.18 m/s).
Para sistemas espumantes use 0.2 pie/s (0.06 m/s).
Espaciamiento entre Platos – Un bajo espaciamiento entre platos (entre 450 y 600
mm (18 y 24 pulgadas)) a menudo es más económico. Para el primer ensayo se
puede utilizar un espaciamiento de 450 mm (18 pulgadas) o un valor tomado de
la tabla que se muestra abajo (el que sea más grande). Los valores dados a
continuación son los mínimos, determinados por consideraciones de
mantenimiento y espesor de la viga de soporte. En casos especiales, se pueden
utilizar espaciamientos menores (pero no por debajo de 300 mm (12 pulgadas));
sin embargo, ello dificulta el mantenimiento y requiere el uso de un pasahombre
de más en el plato por paso.
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ESPACIAMIENTO MÍNIMO ENTRE PLATOS, mm(3)
Diámetro de la Torre
mm
v1500
>1500, v2300
>2300, v3100
>3100, v6000
>6000 (2)
Servicio Limpio
pie
de 5 ó menos
de 5–1/2 a 7–1/2
de 8 a 10
de 10–1/2 a 16–1/2
de 17 y más
450
525
600
675
750
Servicio Sucio
525
600
750
850
925
NOTAS:
1. El mínimo espaciamiento entre platos con pasa–hombre (manhead) presente es 600 mm (24
pulgadas).
2. Para torres de diámetro mayor de 600 mm (24 pulgadas) se deben utilizar armaduras del tipo rejilla
para facilitar el mantenimiento y una buena distribución de vapor (Ver Subsección MDP–04–CF–08
donde se muestra un dibujo de una armadura enrejada)
3. Para convertir de mm a pulgadas divida entre 25.4
Tamaño Preliminar del Plato – El diámetro preliminar se calcula a partir del área
superficial As, la cual se determina con la Ecuación (2b2)(También se puede
utilizar el segundo procedimiento sugerido en la página 8 de esta Subsección). En
este punto, Adi y Ado (paso 2A) deberían ser chequeados para asegurarse que Ado
0.068 As. Si Adi es mayor que 0.12 As considerar un bajante en pendiente o
escalonado. Si la suma de Adi y Ado sobrepasa 45% de As, el diámetro de la torre
debería ser incrementado. Si el Adi requerido de acuerdo a la Ecuación (2a2) es
mucho menor que 0.068 As y el diámetro de la torre es mayor que 1800 mm (6 pie)
se puede considerar un bajante de arco modificado. Ver Fig.9.
Número de Pasos de Líquido – Los platos de dos pasos se deberían considerar
cuando el flujo de líquido está en el rango de 14 a 20 dm3/s por metro (4000 a 6000
gal/h por pie) de diámetro en un arreglo de un solo paso, donde los gradientes de
líquido y el llenado del bajante se hacen excesivos.
Capacidad Máxima – La carga de vapor correspondiente a la capacidad máxima
se calcula a partir de la Ecuación (2c1). La relación de las capacidades de diseño
y máxima debe mantenerse por debajo de 100%.
Arreglo, Tamaño y Espaciamiento Final de los Platos (Paso 3)
Usar el último valor de Dt calculado en la etapa 2(b) o 2(c) para el diámetro final.
Para diámetros calculados mayores de 3000 mm (10 pie) éste debería ser
redondeado por exceso hasta el múltiplo de 150 mm (6 pulgadas) más cercano
y para diámetros calculados menores que 3000 mm (10 pie) hasta el múltiplo más
cercano de 75 mm (3 pulgadas).
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Bajantes y vertederos – La longitud de la parte inferior del bajante debería ser
verificada para estar seguros de que sea por lo menos 65% del diámetro.
Adicionalmente, para platos de dos pasos, el ancho del bajante interior debe ser
por lo menos 200 mm (8 pulgadas). Ver las relaciones geométricas en
MDP–03–S–03 Tabla 5.
Placas Deflectoras para Evitar Mezclado en el Bajante – Cuando el flujo de líquido
excede 10 dm3/s por metro (3000 gph/pie) de diámetro por paso, en platos de
pasos múltiples se debe usar una placa deflectora para evitar mezclado en el
bajante. La misma debe colocarse longitudinalmente, suspendida sobre el bajante
interno o central y debe extenderse a todo lo largo del mismo. De este modo se
evita que la espuma salte de una sección del plato a otra y se le obliga a llegar al
bajante. Ver Subsección MDP–04–CF–08.
Hidráulica del Plato (Paso 4)
El arreglo cuadrado debería usarse para diseños de nuevas torres en conjunto con
uno de los casquetes estándares descritos en la Tabla 1. Si el vendedor de los
platos es el responsable de realizar el arreglo detallado, se debe especificar el
número de casquetes y verificar que se pueda obtener una distribución de vapor
razonable. Sin embargo no se requiere definir el arreglo detallado del plato.
Caída de Presión del Casquete – La caída de presión del casquete es la suma de
las caídas de presión de la chimenea y de la abertura. El cálculo de caída de
presión en la chimenea para los casquetes estándares mostrados en la Tabla 1,
se realiza con la ecuación (4b1). Para casquetes no estándares, debería usarse
el procedimiento descrito en la Tabla 2. La caída de presión del casquete debe
mantener al plato por encima de la curva de distribución ”pobre’’ de la Figura 3 en
todo su rango de flujos de operación.
Caída Total de Presión del Plato – La Ecuación (4h1) da el DP total a través del
plato.
Sellado del Bajante – A flujos mínimos, la suma del cabezal de entrada en el plato
hi y la pérdida de cabezal bajo el bajante Hud deben ser mayores que el espacio
libre del bajante. Si el sello no se puede obtener se debe considerar el uso de un
espacio libre menor, un vertedero de salida más grande, un vertedero de entrada
o una caja de receso.
Llenado del Bajante – El llenado del bajante, Ecuación (4k1), como un porcentaje
del espaciamiento entre platos, debe ser igual o menor que el valor permisible
determinado en la Figura 2. Si lo anterior no se cumple probablemente se tendrá
que incrementar el espaciamiento entre platos en vez de hacer otros ajustes para
reducir la caída de presión en el plato.
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NOMENCLATURA
Aa
Ab
Ac
Acap
Adi
Ado
Af
Am
=
=
=
=
=
=
=
=
Ar
=
As
=
Area anular del casquete, m2 (pie2) (Tabla 1)
Area de burbujeo, m2 (pie2) (Figura 6.)
Area transversal interior de la chimenea, m2 (pie2) (Tabla1)
Area transversal interior del casquete, m2 (pie2) (Tabla 2)
Area de entrada al bajante, m2 (pie2) (Figura 6.)
Area de salida del bajante, m2 (pie2) (Figura 6.)
Area libre de la torre, m2 (pie2) (Figura 7.)
La menor del área anular entre el casquete y la chimenea (Aa) y el área de
reversión (At) m2 (pie2) (Tabla1)
Area de reversión, ej. área entre el tope de la chimenea y el lado inferior del
casquete, m2 (pie2) (Tabla1)
Area superficial de la torre, m2 (pie2)
As
=
Area de la ranura por casquete, m2 (pie2) (Tabla 1)
Aw
c
D
Dt
d
Fi
=
=
=
=
=
=
Area desperdiciada, m2 (pie2)
Espacio libre del bajante, mm (pulg)
Diámetro de la torre, mm (pie)
Diámetro preliminar de la torre, mm (pie)
Diámetro interior de la chimenea
Factor que depende de las unidades usadas (ver tabla al final)
G
H
Hs
=
=
=
Flujo másico del vapor, kg/s (pulg. de líquido caliente)
Espaciamiento entre platos, mm (pie)
Altura de la ranura del casquete, mm (pulg) (Tabla 1)
Hs’
=
Distancia vertical desde el tope de la ranura hasta algunos puntos sumidos
debajo del borde del casquete, mm (pulg) (ej. (Hs + E) > Hs’ > Hs ver Tabla 1
hl
=
hcap
hch
hd
hds
=
=
=
=
hG
ht
hi
ho
hr
=
=
=
=
=
hs
=
Cabezal de líquido sobre vertedero de salida, mm (pulg) de líquido
caliente
Caída de presión del casquete, mm (pulg) de líquido caliente
Caída de presión total de la chimenea, mm (pulg) de líquido caliente
Llenado del bajante, mm (pulg) de líquido caliente
Distancia desde el tope de la bandeja del plato al tope de la ranura, mm
(pulg) de líquido caliente
Gradiente del líquido del plato, mm (pulg) de líquido caliente
Caída de presión total en el plato, mm (pulg) de líquido caliente
Cabezal de entrada al plato, mm (pulg) de líquido caliente
Nivel de líquido en la salida del plato, mm (pulg) de líquido caliente
Porción de la caída de la chimenea para casquetes no estándares, mm
(pulg) de líquido caliente (Tabla 2)
Caída de presión de la ranura, mm (pulg) de líquido caliente
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ht
hu
=
=
hud
hwi
hwo
Kc
=
=
=
=
Kd
=
Kw
=
Kmp
=
L
LL
lfp
=
=
=
li
lo
lud
ML
Np
QL
QLD
=
=
=
=
=
=
=
SL
=
Va
=
Vc
Vdi
=
=
Factor de la capacidad del vapor basado en las propiedades del sistema,
adimensional
Flujo másico de líquido, kg/s (sistema métrico)
Flujo de líquido a condiciones de operación pie3/s
Longitud de la trayectoria del flujo, distancia entre la entrada y la salida del
bajante, m (pie)
Longitud del vertedero de entrada, mm (pulg)
Longitud del vertedero de salida , mm (pulg)
Longitud del borde del fondo del bajante, mm (pulg)
Carga de líquido, lb/s (solo unidades inglesas)
Número de pasos de líquido, adimensional
Flujo de líquido en el plato dm3/s a las condiciones de operación
Flujo de líquido en el plato, dm3/s por metro de diámetro (gph/pie de
diámetro) por paso a las condiciones de operación
Gravedad específica del líquido a las condiciones de operación,
adimensional
Velocidad permitida de líquido basada en el área superficial de la torre,
m/s (pie/s)
Flujo de Vapor, dm3/s (pie3/s) por casquete (Tabla 2)
Velocidad permitida de entrada del bajante, m/s (pie/s)
VL
=
Carga de vapor de diseño +
VL(Lim) =
Vr
Vsl
Vs’l
=
=
=
mL
rL
=
=
Caída de presión total del vapor por plato, mm (pulg) de líquido caliente
Porción de la caída de presión de la chimenea para casquetes no
estándares, mm (pulg) de líquido caliente (Tabla 2)
Pérdida de cabezal en el bajante, mm (pulg) de líquido caliente
Altura de la entrada al vertedero, mm (pulg) (Figura 6.)
Altura de la salida al vertedero, mm (pulg) (Figura 6.)
Coeficiente de caída de presión de la chimenea, adimensional (Tabla 1)
Factor de corrección de la capacidad de vapor para el área del bajante,
adimensional
Factor de la altura del vertedero de salida, adimensional (Tabla 1)
F3 M v
òv
Ǹò ò– ò , dm ńs (pie ńs)
v
L
3
3
v
Carga máxima de vapor dependiente de las propiedades del sistema,
dm3/s (pie3/s)
Velocidad del vapor a la chimenea, m/s (pie/s)
Velocidad del vapor a la ranura, m/s (pie/s)
Velocidad del vapor a la ranura (basada en el área de la ranura obtenida
usando Hs’, m/s (pie/s)
Viscosidad del líquido a condiciones de operación, mPa. s (cp)
Densidad del líquido a condiciones de operación, kg/m3 (lb/pie3)
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rv
gL
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Densidad del vapor a condiciones de operación, kg/m3 (lb/pie3)
Tensión superficial del líquido a condiciones de operación mN/m
=
=
Factores que dependen de las unidades usadas
9
F2 = Fig. 5
En unidades
métricas
25
En unidades
inglesas
1.0
F3 = Ec. 1
1000.0
1.0
F4 = (Tabla 2)
2.085x10 –12
1.4726
F5 = (Tabla 2)
3.5832x10 6
2.1840
F6 = (Tabla 2)
3065.48
1.7472
PROGRAMAS DE COMPUTACION
El simulador de procesos PROII de la empresa Simulation Sciences Inc., en su
sección de hidráulica de columnas cuenta con una opción de dimensionamiento
y evaluación de platos de casquetes de burbujeo que puede utilizarse para
predimensionar los platos de casquetes de burbujeo.
TABLA 1.
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TABLA 1
DIMENSIONES Y CONSTANTES DE CAIDA DE PRESION DE CASQUETE ESTANDAR
ELEVASOS VACIO
6 Pulg.
6 Pulg.
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(**) PARA CONVERTIR DE m 2 A PIE CUADRADO DIVIDA ENTRE 0.0929
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(*) PARA CONVERTIR DE mm A PULGADAS DIVIDA ENTRE 25.4
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TABLA 2. CAIDA DE PRESION DE LA CHIMENEA PARA CASQUETES NO
ESTANDARES
hch
=
hr
=
h r + hu
F4
òL
ǒ
d2 V c ò V0.5
A cap A m
Ǔ
1.71
donde:
d
=
En unidades
métricas
En unidades
inglesas
Diámetro interior de la chimenea
mm
pie
pie2
Acap
=
Area transversal interior del casquete
m2
Am
=
Area anular o reversión, cualquiera sea
menor
m2
pie2
Vc
=
Flujo de vapor por casquete
dm3/s
pie3/s
rL
=
Densidad del líquido a condiciones de
operación
kg/m3
lb/pie 3
rV
=
Densidad del vapor a condiciones de
operación
kg/m3
lb/pie 3
F4
=
Factor cuyo valor depende de las unidades
usadas
2.085 x 10–12
1.4726
Cuando el área de reversión es igual o más grande que el área de chimenea:
F d
h u + ò5
L
ǒ
V c ò V0.5
d2
Ǔ
2.09
donde:
F5
=
Factor cuyo valor depende de las unidades
usadas
3.5832 x 10–6
2.1840
Cuando el área de reversión es menor que el área de chimenea:
F6 d2
hu +
ò L Ar0.5
ǒ
V c ò V 0.5
d2
Ǔ
2.10
donde:
Ar
=
Es al área de reversión
m2
pie2
F5
=
Factor cuyo valor depende de las unidades
usadas
3065.48
1.7472
Caída de presión total de la chimenea = hch = hr + hu
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Fig 1. FACTOR DE CAPACIDAD DEL SISTEMA Kmp, PARA PLATOS DE CASQUETES
DE BURBUJEO EN SERVICIO DE HIDROCARBUROS
Figura 1
FACTOR DE CAPACIDAD DE SISTEMA Kmp
PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO
EN SERVICIO DE HIDROCARBUROS
Fig 2. LLENADO PERMISIBLE DEL BAJANTE PARA PLATOS DE CASQUETES DE
BURBUJEO (TODOS LOS SISTEMAS)
Fig 3.
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FIGURA 3
CURVAS DE DISTRIBUCION Y GRADIENTES DE LIQUIDO
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Fig 4. CAIDA DE PRESION DE LA CHIMENEA PARA CASQUETES DE BURBUJEO DE
6” CON ESTRANGULACION
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Fig 5. BALANCE DE PRESION PARA PALTOS DE CASQUETES
DE BURBUJEO DE DOS PASOS
PLATO
TIPO
DP DEL CASQUETE
1
2
INTERIOR
EXTERIOR
h *cap
h cap
DP DEL TIPO
h *t + h *cap ) h *o– h ds ) h *Gń3
h t + h cap ) h o– h ds ) h Gń3
CABEZAL DE ENTRADA
h *i + h *wo ) h *1– F 2 ) h *G
h i + h wo ) h 1– F 2 ) h G
LLENADO DEL BAJANTE
ò
h *d + ǒh *t ) h *udǓ ò –Lò
L
V
ǒ
Ǔ)h
i
ǒ
Ǔ)h
ò
h d + ǒh t ) h udǓ ò –Lò
L
V
*
i
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Fig 6. NOMENCLATURA DE PLATOS
*
Para el significado de los símbolos, ver nomenclatura. Los términos con asteriscos se
refieren al bajante interior. Aquellos sin asterisco se refieren al bajante exterior. Ver
también la sección MDP–04–CF–08 para el manejo de platos con colectores de retiro.
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Fig 7. DEFINICIONES DE AREAS LIBRES
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No extrapolar, usar 0.15 m/s (0.5 pie/s) como máximo
Fig 8. VELOCIDAD PERMISIBLE DE ENTRADA AL BAJANTE
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Fig 9. RELACIONES GEOMETRICAS PARA BAJANTES TIPO ARCO MODIFICADO
La elevación es la distancia minima
entre la pared de la torre y el bajante
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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 1 de 9)
Unidades Métricas
Refinería y Proyecto
Fecha
Torre
Por
Sección de la torre (tope a fondo)
Plato Número
Diseño basado en No. de Platos
1. Cargas de Vapor y Líquido
Condiciones de Operación
a
a. Vapor
Temperatura °C
Presión manométrica kPa
Densidad ρv, kg/m3
Carga de vapor G, kg/s
G
Flujo de vapor, dm3ńs Q v + 1000
ò
V
(a condiciones de operación)
V L + dm 3ńs
Ǹò
L
òV
* òV
Ec.(1a1)
b. Líquido
Temperatura °C
Viscosidad µL; mPa.s
Tensión superficial σL, mN/m
Carga de líquido L, kg/s
Densidad ρL, kg/m3
L
Flujo de líquido Q L dm 3ńs + 1000
ò
L
(a condiciones de operación)
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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 2 de 9)
Unidades Métricas
2. Espaciamiento, Tamaño y Arreglo
Preliminar de Platos
Interior*
a. Area del bajante
òL * òV
òL
(Para usar la Figura 8)
s L2
m L òL
**
V dl + Velocidad permisible de
entrada al bajante, m/s
Adi +
Ql
1000 . V di
**
, m2
Fig. 6
Ec. (2a2)
Si Adi > 0.12 As, considerar un bajante
escalonado y calcular Ado de Ado = 0.5 Adi
o 0.0055 LL cualquiera sea menor
Mínimo Ado o Adi = 0.068 As.
Para sistemas espumosos use
Adi = 0.016 LL
b.
Tamaño preliminar del plato Kmp
(Figura 1)
Espaciamiento entre platos H, mm
No se debería tomar crédito de
capacidad para espaciamientos
mayores de 900 mm.
A S Preliminar +
Kd +
VL
, m 2 Ec. (2b1)
0.95 K mp H
ǒA S PreliminarǓ * A di _ A W
0.92 ǒA S PreliminarǓ
* Para platos de 2 pasos
** Usar el valor calculado 0 0.15 m/s, cualquiera sea menor
Exterior
Interior*
Exterior
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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 3 de 9)
Unidades Métricas
Número (s) de Plato
2. Espaciamiento,
Tamaño
Arreglo Preliminar de Platos
Interior*
y
b. Tamaño preliminar de platos (Cont.) Si
el bajante es inclinado o escalonado;
use (Adi + Ado)/2 en lugar de Adi. Asuma
Aw = 0.
Repita si Aw se le agrega
posteriormente
VL
AS +
, m 2 Ec. (2b2)
K d K mp H
D t + 1000
Ǹ4 pA
S
+ 1128 ǸA s , mm
Chequear Adi y Ado como % de As. Si
fuese necesario, corregir Kd, As y Dt.
Np = No. de pasos de líquido
QLD = dm3/s por metro de diámetro
por paso
Area libre Af, m2 (Figura 7)
c.
Capacidad máxima
ƪ
V L(Lim) + 378 A f
Donde b + 1.4
ƪ
ƫ
b
s
1 ) b òL * òV
Ǹò
L
ƫ
1ń4
Ec. (2c1)
* òV
òV
Carga de vapor de diseño; VL
VL/VL(LiM) como debe ser < 100%
Si fuese necesario, ajustar el
diámetro de la torre y repetir las
etapas 2 (a) y 2 (b).
3. Espaciamiento, Tamaño y Arreglo
Final del Plato
a. Area de la torre
D; Diámetro de la torre, mm
* Para platos de 2 pasos
** Usar el valor calculado 0 0.15 m/s, cualquiera sea menor
Exterior
Interior*
Exterior
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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 4 de 9)
Unidades Métricas
Número (s) de Plato
3. Espaciamiento,
Tamaño
y
Arreglo Final del Plato (Cont.)
Interior*
Exterior
Interior*
a. Areas de la torre (Cont.)
H, Espaciamiento entre platos, mm
Area superficial AS, m2
Area real de entrada al bajante,
Adi, m2 (Figura 6)
Area de salida al bajante, Ado m2
(Figura 6)
Area desperdiciada (si hay) Aw, m2
Area de burbujeo Ab, m2 (Figura 6)
Area libre Af, m2 (Figura 7)
b.
Longitud del vertedero
Longitud del vertedero de salida
lo, mm
Longitud del vertedero de entrada
ll, mm
Longitud del borde del fondo del
bajante lud, mm (Figura 6)
4. Hidráulica del Plato
a. Información sobre el casquete y arreglo
Tipo de arreglo (se recomienda el
cuadrado)
Tipo de casquete Tabla 1
Casquetes por palto
Espacio libre del bajante
Para el primer tanteo use 72
casquetes por m2 de área de
burbujeo Ab.
b. Caída de presión de la chimenea **
Area de la chimenea Ac, m2 (Tabla 1)
Velocidad de la chimenea Vr, m/s
Constante del casquete Kc, (Tabla 1)
* Para platos de 2 pasos
** Para casquetes no estandarizados ver procedimiento de cálculo en la Tabla 2
Exterior
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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 5 de 9)
Unidades Métricas
Número (s) de Plato
4. Hidráulica del Plato (Cont.)
b. Caída de presión de la chimenea **
(Cont.)
Caída de presión de la chimenea
hch , mm de líquido caliente
2
h ch + 17100 k c V r ǒò Vńò LǓ Ec. (4b1)
c. Caída de presión de la ranura
Area de las ranuras por casquete
Asλ, m2
Altura de la ranura Hs, mm
Velocidad de la ranura Vsλ, m/s
Caída de presión de la ranura hs,
mm de líquido caliente
h s + 7.6
ȱV sl2 Hsl2ȳ
ȧ òL ȧ
Ȳ
ȴ
Nota: hs debe ser menor que hds
(de Tabla 1) para minimizar el
soplado del plato. Si hs es mayor
que Hs, use la siguiente ecuación
para caída de presión de la ranura:
h s + 430 ǒVȀ slǓ
2
òV
òL
La segunda ecuación para la caída
de presión ∆P de la ranura requiere
una solución por tanteo, ya que V’sp
es la velocidad a través del área
abierta total. Esta nueva área
corresponde a la suma de las áreas
de la ranura y la cilíndrica debajo
del casquete, un valor puede ser
asumido por el diseñador. La
solución es obtenida cuando el
valor calculado de hs se iguale a h’s
asumido para obtener V’sp
* Para platos de 2 pasos
Interior*
Exterior
Interior*
Exterior
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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 6 de 9)
Unidades Métricas
Número (s) de Plato
4. Hidráulica del Plato (Cont.)
d. Caída de presión del casquete
Caída de presión del casquete hcap,
mm de líquido caliente
+ h ch ) h s
Ec.(4d1)
Rata de líquido de diseño QLD, dm3/s
por metro de diámetro por paso
Máxima rata de líquido permisible
(Fig. 3 curva inferior)
La rata de líquido de diseño
debería ser menor que la máxima
permisible. Asuma el número
menor de casquetes y repita los
cálculos si hcap a la rata de diseño
cae por debajo de dicha curva en la
Figura 3.
e. Cabezal sobre el vertedero de salida
Cabezal sobre el vertedero, h1, mm
de líquido caliente
+ 6.9
ƪ
ƫ
1000 QL
lo Np
0.667
f. Altura del vertedero de salida
Factor del vertedero Kw, (Tabla 1)
Altura del vertedero de salida hwo,
mm
+ 25 K w * h 1
* Para platos de 2 pasos
Ec. (4f1)
Interior*
Exterior
Interior*
Exterior
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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 7 de 9)
Unidades Métricas
Número (s) de Plato
Interior*
4. Hidráulica del Plato (Cont.)
g. Pérdida de cabezal debajo del bajante
Pérdida de cabezal del bajante hud,
mm de líquido caliente
+ 159
ƪ
ƫ
1000 Q L
c lud N p
2
Ec. (4g1)
Asuma c = 38 mm. Si hud 25 mm,
ajuste hud 25 mm y calcule c de:
c+
ȱ 12 900 Q L ȳ
ȧl N Ǹh ȧ
Ȳ ud p udȴ
h. Caída de presión total del plato
Nivel de líquido a la salida del plato
ho, mm
+ h wo ) h 1 * 25
Cubierta del plato al tope de la
ranura hds, mm (Tabla1)
Gradiente de líquido hg, mm
(Figura 3)
Caída de presión total del plato ht,
mm de líquido caliente
+ h cap ) h o * h ds ) h Gń 3 Ec.(4h1)
i.
Sellado del bajante
Cabezal sobre el vertedero
Mínimos flujos h1 (min), mm
+ 6.90
ƪ
ƫ
1000 QL(min)
lo Np
a
0.667
Nivel de líquido a la salida del plato
a carga mínima ho (min), mm
+ h wo ) h 1 (min) * 25
Pérdida de cabezal en el bajante a
carga mínima hud, (min), mm
* Para platos de 2 pasos
Exterior
Interior*
Exterior
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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 8 de 9)
Unidades Métricas
Número (s) de Plato
Interior*
4. Hidráulica del Plato (Cont.)
i.
Sellado del bajante (Cont.)
Gradiente de líquido a carga mínima
hG (min), mm (Figura 3)
Cabezal de entrada a carga mínima
hi (min) mm
+ ho (min) ) H G (min)
Suma de hi (min) + hud (min)
Si hi (min) + hud (min) < c, el bajante
no será sellado a las ratas mínimas.
Considere reducir el espacio libre,
incrementando
la
altura
del
vertedero usando una caja de
entrada rebajada o agregando un
vertedero de entrada
j.
Cabezal de entrada
Para un plato sin vertedero de
entrada
Cabezal de entrada hi, mm = ho + hG
Para un plato con vertedero de
entrada
Cabezal de entrada hi, mm
+ 6.90
ǒ
Ǔ
1000 QL
l i Np
0.667
) hw
ó = ho + hG, cual sea mayor
k. LLenado del bajante
LLenado hd, mm de líquido caliente
+ ǒh t ) h udǓ
ǒò
L
Ǔ)h
òL
* òV
i
Ec. (4k1)
Si se usa una caja de receso,
multiplicar hud en la Ec. (4k1) por 2.0.
* Para platos de 2 pasos
Exterior
Interior*
Exterior
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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 9 de 9)
Unidades Métricas
Número (s) de Plato
4. Hidráulica del Plato (Cont.)
k. Sellado del bajante (Cont.)
Como porcentaje del espaciamiento
entre platos
El porcentaje debe ser menor o igual
a lo permisible de la Figura 2
5. Hidráulica del Plato
No. de platos teóricos requeridos
Eficiencia global (Ver página 5 del texto)
Plato reales especificados
* Para platos de 2 pasos
Interior*
Exterior
Interior*
Exterior
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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 1 de 9)
Unidades Inglesas
Refinería y Proyecto
Fecha
Torre
Por
Sección de la torre (tope a fondo)
Plato Número
Diseño basado en No. de Platos
1. Cargas de Vapor y Líquido
Condiciones de Operación
a
a. Vapor
Temperatura °F
Presión kPa manométrica
Densidad ρv, lb/pie3
Carga de vapor G, lb/s
Flujo de vapor, pie 3ńs + òG
V
(a condiciones de operación)
V L + pie 3ńs
Ǹò
L
òV
* òV
Ec.(1a1)
b. Líquido
Temperatura °F
Viscosidad µL; cP
Tensión superficial σL, mN/m
Densidad ρL, lb/pie3
Carga de líquido ML, lb/s
M
Flujo de líquido pie 3ńs + ò L
L
(a condiciones de operación)
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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 2 de 9)
Unidades Inglesas
Número (s) de Plato
2. Espaciamiento, Tamaño y Arreglo
Preliminar de Platos
Interior*
a. Area del bajante
òL * òV
òL
(Para usar la Figura 8)
s L2
m L òL
**
V dl + Velocidad permisible de
entrada al bajante, pie/s
Adi +
LL
V di
**
, pie 2 Fig. 6 Ec. (2a2)
Si Adi > 0.12 As, considerar un bajante
escalonado y calcular Ado de Ado = 0.5 Adi
o LL/0.6 cualquiera sea menor
Mínimo Ado o Adi = 0.068 As.
Para sistemas espumosos use
Adi = LL/0.2.
b.
Tamaño preliminar del plato Kmp
(Figura 1)
Espaciamiento entre platos H, pie
No se debería tomar crédito de
capacidad para espaciamientos
mayores de 3 pie.
A S Preliminar +
Kd +
VL
, pie 2 Ec. (2b1)
0.95 K mp H
ǒA S PreliminarǓ * A di _ A W
0.92 ǒA S PreliminarǓ
* Para platos de 2 pasos
** Usar el valor calculado 0 0.15 m/s, cualquiera sea menor
Exterior
Interior*
Exterior
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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 3 de 9)
Unidades Inglesas
Número (s) de Plato
2. Espaciamiento,
Tamaño
Arreglo Preliminar de Platos
Interior*
y
b. Tamaño preliminar de platos (Cont.) Si
el bajante es inclinado o escalonado;
use (Adi + Ado)/2 en lugar de Adi. Asuma
Aw = 0.
Repita si Aw se le agrega
posteriormente
VL
AS +
, m 2 Ec. (2b2)
K d K mp H
Dt +
Ǹ4 pA
S
+ 1.128 ǸA s , pie
Chequear Adi y Ado como % de As. Si
fuese necesario, corregir Kd, As y Dt.
Np = No. de pasos de líquido
QLD = GPH/pie de diámetro por paso
Area libre Af, pie2 (Figura 7)
c.
Capacidad máxima
ƪ
V L(Lim) + 0.62 A f
Donde b + 1.4
ƪ
ƫ
b
s
1 ) b òL * òV
Ǹò
L
ƫ
1ń4
Ec. (2c1)
* òV
òV
Carga de vapor de diseño; VL
VL/VL(LiM) como debe ser < 100%
Si fuese necesario, ajustar el
diámetro de la torre y repetir las
etapas 2 (a) y 2 (b).
3. Espaciamiento, Tamaño y Arreglo
Final del Plato
a. Area de la torre
D; Diámetro de la torre, pie
* Para platos de 2 pasos
** Usar el valor calculado 0 0.15 m/s, cualquiera sea menor
Exterior
Interior*
Exterior
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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 4 de 9)
Unidades Inglesas
Número (s) de Plato
3. Espaciamiento,
Tamaño
y
Arreglo Final del Plato (Cont.)
Interior*
Exterior
Interior*
a. Areas de la torre (Cont.)
H, Espaciamiento entre platos, pie
Area superficial AS, pie2
Area real de entrada al bajante,
Adi, pie2 (Figura 6)
Area de salida al bajante, Ado pie2
(Figura 6)
Area desperdiciada (si hay) Aw, pie2
Area de burbujeo Ab, pie2 (Figura 6)
Area libre Af, pie2 (Figura 7)
b.
Longitud del vertedero
Longitud del vertedero de salida
lo, pulg
Longitud del vertedero de entrada
ll, pulg
Longitud del borde del fondo del
bajante lud, pulg (Figura 6)
4. Hidráulica del Plato
a. Información sobre el casquete y arreglo
Tipo de arreglo (se recomienda el
cuadrado)
Tipo de casquete Tabla 1
Casquetes por palto
Espacio libre del bajante
Para el primer tanteo use 22
casquetes por pie2 de área de
burbujeo Ab.
b. Caída de presión de la chimenea **
Area de la chimenea Ac, pie2 (Tabla 1)
Velocidad de la chimenea Vr, pie/s
Constante del casquete Kc, (Tabla 1)
* Para platos de 2 pasos
** Para casquetes no estandarizados ver procedimiento de cálculo en la Tabla 2
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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 6 de 9)
Unidades Inglesas
Número (s) de Plato
4. Hidráulica del Plato (Cont.)
b. Caída de presión de la chimenea **
(Cont.)
Caída de presión de la chimenea
hch , pulg de líquido caliente
2
+ K c V r ò V ń SL Ec. (4b1)
c. Caída de presión de la ranura
Area de las ranuras por casquete
Asλ, pie2
Altura de la ranura Hs, pulg
Velocidad de la ranura Vsλ, pie/s
Caída de presión de la ranura hs,
pulg de líquido caliente
h s + 0.29
ȱV sl2 Hsl2ȳ
ȧ SL ȧ
Ȳ
ȴ
Nota: hs debe ser menor que hds
(de Tabla 1) para minimizar el
soplado del plato. Si hs es mayor
que Hs, use la siguiente ecuación
para caída de presión de la ranura:
h s + 0.025 ǒVȀ slǓ
2
òV
SL
La segunda ecuación para la caída
de presión de la ranura requiere
una solución por tanteo, ya que V’sp
es la velocidad a través del área
abierta total. Esta nueva área
corresponde a la suma de las áreas
de la ranura y la cilíndrica debajo
del casquete, un valor puede ser
asumido por el diseñador. La
solución es obtenida cuando el
valor calculado de hs se iguale a h’s
asumido para obtener V’sp
* Para platos de 2 pasos
Interior*
Exterior
Interior*
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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 6 de 9)
Unidades Inglesas
Número (s) de Plato
4. Hidráulica del Plato (Cont.)
d. Caída de presión del casquete
Caída de presión del casquete hcap,
pulg de líquido caliente
+ h ch ) h s
Ec.(4d1)
Rata de líquido de diseño QLD,
GHP/pie de diámetro por paso
Máxima rata de líquido permisible
(Fig. 3 curva inferior)
La rata de líquido de diseño
debería ser menor que la máxima
permisible. Asuma el número
menor de casquetes y repita los
cálculos si hcap a la rata de diseño
cae por debajo de dicha curva en la
Figura 3.
e. Cabezal sobre el vertedero de salida
Cabezal sobre el vertedero, h1, pulg
de líquido caliente
+ 0.5
ƪ
ƫ
0.667
GPM
lo N p
f. Altura del vertedero
Factor del vertedero Kw, (Tabla 1)
Altura del vertedero de salida hwo,
pulg
+ Kw * h 1
Ec. (4f1)
* Para platos de 2 pasos
Interior*
Exterior
Interior*
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HOJA DE CALCULO PARA PLATOS DE CASQUETES DE BURBUJEO (Parte 7 de 9)
Unidades Inglesas
Número (s) de Plato
Interior*
4. Hidráulica del Plato (Cont.)
g. Pérdida de cabezal debajo del bajante
Pérdida de cabezal del bajante hud,
pulg de líquido caliente
+ 0.06
ƪ
ƫ
2
GPM
c lud N p
Ec. (4g1)
Asuma c = 1.5 pulg. Si hud 1.0 pulg,
ajuste hud 1 pulg y calcule c de:
c+
ȱ 0.25 GPM ȳ
ȧl N Ǹh ȧ
Ȳ ud p udȴ
h. Caída de presión total del plato
Nivel de líquido a la salida del plato
ho, pulg
+ h wo ) h 1 * 1.0
Cubierta del plato al tope de la
ranura hds, pulg (Tabla1)
Gradiente de líquido hg, pulg
(Figura 3)
Caída de presión total del plato ht,
pulg de líquido caliente
+ h cap ) h o * h ds ) h Gń 3 Ec.(4h1)
i.
Sellado del bajante
Cabezal sobre el vertedero
Mínimos flujos h1 (min), pulg
+ 0.5
ƪ
ƫ
a
0.667
GPM (min)
lo Np
Nivel de líquido a la salida del plato
a carga mínima ho (min),pulg
+ h wo ) h 1 (min) * 1.0
Pérdida de cabezal en el bajante a
carga mínima hud, (min), pulg
* Para platos de 2 pasos
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Unidades Inglesas
Número (s) de Plato
Interior*
4. Hidráulica del Plato (Cont.)
i.
Sellado del bajante (Cont.)
Gradiente de líquido a carga mínima
hG (min), pulg (Figura 3)
Cabezal de entrada a carga mínima
hi (min) pulg
+ ho (min) ) H G (min)
Suma de hi (min) + hud (min)
Si hi (min) + hud (min) < c, el bajante
no será sellado a las ratas mínimas.
Considere reducir el espacio libre,
incrementando
la
altura
del
vertedero usando una caja de
entrada rebajada o agregando un
vertedero de entrada
j.
Cabezal de entrada
Para un plato sin vertedero de
entrada
Cabezal de entrada hi, pulg = ho + G
Para un plato con vertedero de
entrada
Cabezal de entrada hi, pulg
+ 0.5
ƪ ƫ
0.667
GPM
li N p
) h wi
ó = ho + hG, cual sea mayor
k. LLenado del bajante
LLenado hd, pulg de líquido caliente
+ ǒh t ) h udǓ
ǒò
L
Ǔ)h
òL
* òV
i
Ec. (4k1)
Si se usa una caja de receso,
multiplicar hud en la Ec. (4k1) por 2.0
como porcentaje de espaciamiento.
* Para platos de 2 pasos
Exterior
Interior*
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Unidades Inglesas
Número (s) de Plato
Interior*
5. Hidráulica del Plato
No. de platos teóricos requeridos
Eficiencia global (Ver página 5 del texto)
Plato reales especificados
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