Estudio de viabilidad de la inclusión de un proceso de intercambio de calor en la mejora del proceso de producción de disolventes de uretano

TRABAJO DE FINAL DE GRADO ESTUDIO DE VIABILIDAD DE LA INCLUSIÓN DE UN PROCESO DE INTERCAMBIO DE CALOR EN LA MEJORA DEL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE DISOLVENTES DE URETANO. Memoria y anexos Autor: Gabriel Galindo García Director: José Ignacio Iribarren Laco Convocatoria: Junio 2023 Estudio de viabilidad de la inclusión de un proceso de intercambiador de calor en la mejora del proceso de producción de disolventes de uretano i Resum Al llarg de les pàgines d’aquest treball es realitza un estudi al disseny d’un bescanviador de calor. Es fa una aproximació del disseny en base a la selecció de materials de construcció, l’estimació de cost del sistema i els requeriments del disseny mecànic. Amb aquest objectiu s’investiga, utilitzant diferents llibres com a font bibliogràfica, una millora del procés de producció en base a la introducció d’un intercanviador de calor amb el fi de controlar la viscositat dels productes. Posteriorment, s’exemplifica aquesta teoria resumida en un procés concret, basat en un sistema ja existent. Concretament, es dissenya un sistema amb recirculació on es situa el bescanviador després del reactor, just abans d’envasar el producte. Memoria ii Resumen A lo largo de las páginas de este trabajo, se realiza un estudio en el diseño de un intercambiador de calor. Se realiza una aproximación del diseño en base a la selección de materiales de construcción, la estimación de coste del sistema y los requerimientos del diseño mecánico. Con este objetivo se investiga, utilizando distintos libros como fuente bibliográfica, una mejora del proceso de producción en base a la introducción de un intercambiador de calor con el fin de controlar la viscosidad de los productos. Posteriormente, se ejemplifica esta teoría resumida en un proceso concreto, basado en un sistema ya existente. Concretamente, se diseña un sistema con recirculación donde se ubica el intercambiador después del reactor, justo antes de envasar el producto. Estudio de viabilidad de la inclusión de un proceso de intercambiador de calor en la mejora del proceso de producción de disolventes de uretano iii Abstract Throughout the pages of this work, a study is carried out on the design of a heat exchanger. An approximation of the design is made based on the selection of construction materials, the system cost estimate and the mechanical design requirements. With this aim, an improvement of the production process based on the introduction of a heat exchanger in order to control the viscosity of the products is investigated, using different books as a bibliographic source. Subsequently, this theory is exemplified summarized in a specific process, based on an already existing system. Specifically, a recirculation system is designed where the exchanger is placed after the reactor, just before packaging the product. Memoria iv Agradecimientos En primer lugar, me gustaría agradecer a mis padres y a mi familia el apoyo incondicional que siempre me han dado, dedicando todo su tiempo y esfuerzo en educarme y formarme en la persona que soy hoy en día, sin ellos, nada de esto hubiese sido posible. Agradecer a la Universidad Politécnica de Catalunya y a todos los profesores que he tenido en estos 5 años de carrera que me han ayudado a desarrollar mi interés por la química y por la ingeniería, y guiarme hacia mis objetivos. También me gustaría agradecer al personal de Stahl por su ayuda durante la realización del proyecto, que aunque no fue posible la supervisión de este trabajo final de grado, me han facilitado el acceso a algunos datos importantes del polímero P13030. Finalmente, me gustaría dar las gracias a José Ignacio Iribarren Laco, tutor de este proyecto, por su dedicación y predisposición durante la realización del trabajo. Estudio de viabilidad de la inclusión de un proceso de intercambiador de calor en la mejora del proceso de producción de disolventes de uretano v Glosario 𝑄: Calor transferido por unidad de tiempo (W) 𝑈: coeficiente de transferencia de calor �Wm2·°C �� 𝐴𝑟𝑒𝑎: superficie de intercambiador (m2) ∆Tm : diferencia de temperatura entre la entrada y salida del intercambiador (°C) Ft : Factor de corrección ∆Tlm: Diferencia logarítmica de temperaturas (°C) 𝑅: Valores de temperatura adimensionales 𝑆: Valores de temperatura adimensionales T1: Temperatura polímero de entrada (°C) T2: Temperatura polímero de salida (°C) t1: Temperatura agua de entrada (°C) t2: Temperatura agua de salida (°C) 𝑡𝑒: Tiempo de enfriamiento (s) Nt: Número de tubos Db: Diámetro de haz (mm) d0: Diámetro exterior del tubo (mm) 𝐾𝑙: Parámetro para saber el diámetro de la carcasa (adimensional) n1: Parámetro para saber el diámetro de la carcasa (adimensional) Pt: Paso de tubo Carbon steel (C.S): acero al carbono Memoria vi Brass: latón Stainless steel (S.S): acero inoxidable Cb: Coste base (pesetas o €) fd: Factor característico por tipo de intercambiador fm: Factor de material ft: Factor corrector por temperatura fp: Factor debido a la presión entre carcasa y tubos fg: Factor correctivo del diámetro de tubo y de paso fnp: Factor debido al número de pasos de los tubos fi: Factor corrector por la longitud de los tubos Caudal: caudal de P13030 (kg/s) 𝐷𝑖𝑛𝑡: Diámetro interior de los tubos del intercambiador (mm) 𝐷𝑒𝑥𝑡: Diámetro exterior de los tubos del intercambiador (mm). Es lo mismo que d0 𝑑𝑒: Diámetro equivalente (mm) L: longitud de los tubos del intercambiador (m) v: velocidad (m/s) μ: viscosidad (kg/ms) ρ: densidad (kg/m3) Cp: capacidad calorífica específica (kJ/kg·°C) Kf: conductividad térmica (J/s·m·°C) μw: viscosidad lado de la pared (kg/m·s) 𝑅𝑒: número de Reynolds (adimensional) Estudio de viabilidad de la inclusión de un proceso de intercambiador de calor en la mejora del proceso de producción de disolventes de uretano vii 𝑁𝑢: número de Nusselt (adimensional) 𝑃𝑟: número de Prandtl (adimensional) ℎ𝑖: coeficiente transferencia de calor (Wm2·°C � ) AES: intercambiador formado por cabezal estacionario de canal y cubierta desmontable en extremo frontal. Coraza de un paso. Cabezal flotante con dispositivo de apoyo en extremo posterior. AEM: intercambiador formado por cabezal estacionario de canal y cubierta desmontable en extremo frontal. Coraza de un paso. Cabezal de espejo fijo tipo cubierta integrada en extremo posterior. AEU: intercambiador formado por cabezal estacionario de canal y cubierta desmontable en extremo frontal. Coraza de un paso. Cabezal posterior tipo haz de tubo en U. AKT: intercambiador formado por cabezal estacionario de canal y cubierta desmontable en extremo frontal. Coraza tipo rehervidor de caldera. Cabezal posterior tipo cabezal flotante sin contrabrida. BES: Intercambiador formado por cabezal tipo casquete cubierta integrada en extremo frontal. Coraza de un paso. Cabezal flotante con dispositivo de apoyo en extremo posterior. BEM: Intercambiador formado por cabezal tipo casquete cubierta integrada en extremo frontal. Coraza de un paso. Cabezal de espejo fijo tipo cubierta integrada en extremo posterior. BEU: Intercambiador formado por cabezal tipo casquete cubierta integrada en extremo frontal. Coraza de un paso. Cabezal posterior tipo haz de tubo en U. BKT: Intercambiador formado por cabezal tipo casquete cubierta integrada en extremo frontal. Coraza tipo rehervidor de caldera. Cabezal posterior tipo cabezal flotante sin contrabrida. Thermosiphon: intercambiador de calor autónomo por termosifón. Usados para la refrigeración de dos fases. AC/AC: material carcasa de acero al carbón y material de tubo de acero al carbono. AC/Cu: material carcasa de acero al carbón y material de tubo de cobre. AC/Mo: material carcasa de acero al carbón y material de tubo de monel (aleación niquel-cobre) AC/304: material carcasa de acero al carbón y material de tubo de acero inoxidable AISI 304. 304/304: material carcasa de acero inoxidable 304 y material de tubo de acero inoxidable AISI 304. Aquí pot anar el títol del vostre TFG/TFM 5 3. Introducción a los equipos de transferencia de calor 3.1. Descripción La transmisión de calor en fluidos es una parte esencial de la mayoría de los procesos químicos. Un intercambiador de calor es un equipo utilizado para enfriar o calentar un fluido que está más caliente de lo deseado, transfiriendo calor desde un fluido caliente hasta un fluido frio, o a la inversa. La transmisión de calor se realiza a través de una pared metálica o de un tubo que separa ambos fluidos y que permite esta transferencia. Las aplicaciones de los intercambiadores de calor son muy variadas y adoptan diferentes denominaciones: - Intercambiador de calor: realiza la función doble de calentar y enfriar dos fluidos - Condensador: condensa un vapor o mezcla de vapores - Enfriador: enfría un fluido por medio de agua - Calentador: aplicar calor sensible a un fluido - Rehervidor: conectado a la base de una torre fraccionadora proporciona el calor de reebullicion que se necesita para la destilación - Evaporador: un calentador que evapora parte del líquido Existen diferentes tipos de intercambiadores de calor utilizados durante los procesos químicos, aunque el equipo de transferencia de calor más utilizado es el intercambiador de calor de carcasa y tubos. Los diferentes tipos de intercambiadores se enumeran a continuación: - Intercambiador de doble tubo: el tipo más simple, utilizado para refrigeración y calefacción, - Intercambiadores de carcasa y tubos: utilizados para todas las aplicaciones. - Intercambiadores de placas y marcos (intercambiadores de calor de placas): utilizados para calefacción y refrigeración. - Intercambiadores de placas y aletas. - Intercambiadores de calor en espiral. - Refrigerados por aire: enfriadores y condensadores. - Contacto directo: enfriamiento y extinción. - Vasos agitados. - Calentadores de fuego. Annexos 6 El desarrollo de métodos de diseño fiables de intercambiadores de calor ha estado dominada en los últimos años por organizaciones comerciales de investigación como por ejemplo: Heat Transfer Research Inc. (HTRI) en los Estados Unidos, y Heat Transfer and Fluid Flow Service (HTFS) operado por la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido y Laboratorio Nacional de Ingeniería del Reino Unido. [1] 3.2. Procedimiento y teoría básica La ecuación general para el intercambio de calor a través de una superficie es: 𝑸=𝑼∗𝑨𝒓𝒆𝒂∗∆𝑻𝒎 (Ec. 3.1) El objetivo principal en el diseño de un intercambiador de calor es poder determinar la superficie requerida para el servicio especificado (tasa de transferencia de calor) utilizando el valor de diferencia de temperatura. 3.2.1. Diferencia de temperatura: La ecuación anterior (Eq. 3.2) se usa para determinar el área necesaria para el intercambio de calor mediante una estimación de las diferencias de temperaturas (∆Tm), donde: ∆𝑻𝒎= 𝑭𝒕 ∗∆𝑻𝒍𝒎 (Ec. 3.2) Un valor de 𝐹𝑡 < 0,8 no es admisible por diseño. El factor de corrección es una función que depende de las temperaturas de la carcasa y las temperaturas de los fluidos. Normalmente esta correlacionado de dos valores de temperatura adimensionales, R y S, cuyos valores nos ayudaran a saber el valor real de 𝐹𝑡 . Aquí pot anar el títol del vostre TFG/TFM 7 Figura 3.1. Diagramas para determinar los valores de factor de corrección en 4 casos diferentes de intercambiadores (Fuente: R. K. Sinnot (1999). Coulson & Richardson’s chemical engineering, vol 6.) [1] 𝑹= (𝑻 𝟏 −𝑻 𝟐 ) (𝒕𝟐−𝒕𝟏) (Ec. 3.3) 𝑺= (𝒕𝟐−𝒕𝟏) (𝑻𝟏−𝑻𝟐) (Ec. 3.4) Annexos 8 ∆Tlm es la diferencia logarítmica de temperaturas: ∆𝑻 𝒍𝒎 = (𝑻𝟏−𝒕𝟐)−(𝑻𝟐−𝒕𝟏) 𝒍𝒏(𝑻 𝟏 −𝒕 𝟐 ) (𝑻𝟐−𝒕𝟏) (Ec. 3.5) Para poder aplicar esta fórmula, se debe cumplir que: no hay cambio en los calores específicos, el coeficiente global de transferencia de calor es constante y no hay pérdidas de calor. En el diseño, se puede suponer esta hipótesis siempre que el cambio de temperatura en cada corriente de fluido no sea muy grande. [1] 3.3. Análisis de intercambiadores de calor: la efectividad del método NTU El método de efectividad NTU (Número de Unidades de Transferencia) es un procedimiento para evaluar el desarrollo de los intercambiadores de calor. La ventaja principal de este método es que no requiere la evaluación de las diferencias de temperatura media. El principal uso de este método es en la calificación de un intercambiador existente. Se puede utilizar para determinar el rendimiento del intercambiador cuando se conocen el área de transferencia de calor y los detalles de construcción. La efectividad es la relación entre la tasa real de transferencia de calor y la tasa máxima posible. Aquí pot anar el títol del vostre TFG/TFM 9 3.4. Coeficiente total de transferencia de calor Los valores típicos del coeficiente global de transferencia de calor para varios tipos de intercambiadores de calor se dan en la siguiente tabla: Figura 3.2. Valores típicos de transferencia de calor en intercambiadores de tubos y placas (Fuente: Incropera & DeWitt (I)- Transferencia de calor ) [8] Annexos 10 Figura 3.3. Valores típicos de transferencia de calor en intercambiadores enfriados por aire (Fuente: Incropera & DeWitt (I)- Transferencia de calor ) [8] Figura 3.4. Valores típicos de transferencia de calor en intercambiadores de aceite sumergido (Fuente: Incropera & DeWitt (I)- Transferencia de calor ) [8] Aquí pot anar el títol del vostre TFG/TFM 11 3.5. Factor de ensuciamiento La mayoría de los fluidos que participan en el proceso ensuciarán las superficies de transferencia de calor del intercambiador. Por lo tanto, es necesario sobredimensionar un intercambiador para permitir la reducción del rendimiento durante el funcionamiento. Los factores de ensuciamiento generalmente se citan como resistencias de transferencia de calor, en lugar de coeficientes. Son difíciles de predecir y generalmente se basan en experiencias pasadas. Los valores típicos para los coeficientes y factores de ensuciamiento para fluidos de proceso y servicio comunes se dan en la Tabla 12.2. Estos valores son para intercambiadores de carcasa y tubos con tubos lisos (no con aletas). Los estándares TEMA (1988) y Ludwig (1965) proporcionan datos más extensos sobre los factores de ensuciamiento. Figura 3.5. Valores de factores de ensuciamiento (Fuente: Incropera & DeWitt (I)- Transferencia de calor)[8] La selección del coeficiente de ensuciamiento del diseño será a menudo una decisión económica. El diseño óptimo se obtendrá equilibrando el costo de capital adicional de un intercambiador más grande contra los ahorros en el costo de operación obtenidos por el mayor tiempo de operación entre limpiezas que brindará el área más grande. En caso que este factor de ensuciamiento fuese alto, se debe considerar duplicar el intercambiador. No he tenido en cuenta el factor de ensuciamiento, ya que el proceso se complicaba y la empresa no dispone de la información necesaria. Annexos 12 3.6. Detalles de construcción El intercambiador de carcasa y tubos es, la gran mayoría de las veces, el tipo de equipo de transferencia de calor más utilizado en la industria química. Las ventajas de este tipo son: 1. La configuración da una gran superficie en un pequeño volumen. 2. Buen diseño mecánico: una buena forma para el funcionamiento a presión. 3. Utiliza técnicas de fabricación bien establecidas. 4. Puede construirse con una amplia variedad de materiales. 5. Fácil de limpiar. 6. Procedimientos de diseño bien establecidos. Esencialmente, un intercambiador de carcasa y tubos consta de un haz de tubos encerrados en una carcasa cilíndrica. Los extremos de los tubos se encajan en placas tubulares, que separan los fluidos del lado de la carcasa y del lado de los tubos. Se proporcionan deflectores en la carcasa para dirigir el flujo de fluido y sostener los tubos. El conjunto de deflectores y tubos se mantiene unido mediante varillas de soporte y espaciadores, tal y como se ve en la figura: Figura 3.6. Esquema de un intercambiador (Fuente: Bejan A. & Kraus A. D. 2003 (I)- Heat transfer handbook) [11] Aquí pot anar el títol del vostre TFG/TFM 13 3.6.1. Tipos de intercambiadores A continuación, se explica con más detalle los diferentes tipos de intercambiadores que existen para llevar a cabo los procesos de intercambio de calor: Intercambiador de cabezal flotante interno: Figura 3.7. Esquema de un intercambiador de calor tipo de cabezal flotante (Fuente: Apuntes diseño de equipos e instalaciones Tema 7. Universidad de Salamanca ) [16] Es el modelo más común. Permite la expansión térmica de los tubos respecto el casco, es fácil de desmontar para su limpieza, en lugar de dos pasos puede tener 4, 6 u 8 pasos, el flujo es a contracorriente y a favor de corriente en la mitad de los tubos. Intercambiador de lámina y tubo fijo: Figura 3.8. Esquema de un intercambiador de calor tipo de lámina y tubo fijo (Fuente: Apuntes diseño de equipos e instalaciones Tema 7. Universidad de Salamanca ) [16] Annexos 20 3.8. Consideraciones generales de diseño Cuando no se produzca un cambio de fase, los siguientes factores determinarán la asignación de las corrientes de fluido a la carcasa o los tubos. - Velocidad: si el fluido se mueve a alta velocidad por el intercambiador proporciona un coeficiente de intercambio de calor alto, aunque también provoca una caída de presión elevada; además, evita que se ensucie. Todo depende del estado en el que se encuentra: Líquidos: El fluido del proceso que circula por los tubos: 1 a 2 m/s, máximo 4 m/s si es necesario para reducir el ensuciamiento; si el líquido es agua: 1,5 a 2,5 m/s. Fluido por el lado de la carcasa: 0,3 a 1 m/s. Vapor: Dependerá de la presión a la que opere y la densidad del fluido: Figura 3.16. Valores típicos de velocidad (Fuente: Bejan A. & Kraus A. D. 2003 (I)- Heat Transfer Handbook) [11] - Corrosión: El fluido más corrosivo será el que circulará por dentro de los tubos, reduciendo los gastos de revestimiento. - Ensuciamiento: El fluido que tenga la mayor tendencia a ensuciar las superficies de transferencia de calor debe colocarse en los tubos. Esto proporciona un mejor control sobre la velocidad del fluido de diseño, y la mayor velocidad permitida en los tubos reducirá el ensuciamiento. Además, los tubos serán más fáciles de limpiar. - Temperaturas de fluidos: Si las temperaturas son lo suficientemente altas como para requerir el uso de aleaciones especiales, colocar el fluido de temperatura más alta en los tubos provoca una reducción del coste total. A temperaturas moderadas, colocar el fluido más caliente en los tubos reducirá las temperaturas de la superficie de la carcasa y, por lo Aquí pot anar el títol del vostre TFG/TFM 21 tanto, la necesidad de un revestimiento para reducir la pérdida de calor o por razones de seguridad. Como guía general, la mayor diferencia de temperatura debe ser de al menos 20 ºC, y la menor diferencia de temperatura de 5 a 7 ºC para intercambiadores enfriadores por agua. El aumento máximo de temperatura en el agua de refrigeración recirculada se limita a unos 30ºC. Cuando el intercambio de calor es entre fluidos de proceso para la recuperación de calor, las temperaturas óptimas de aproximación normalmente no serán inferiores a 20ºC. - Presiones de funcionamiento: La corriente de mayor presión debe asignarse al lado del tubo, ya que los tubos de alta presión serán más baratos que una carcasa de alta presión. Existen unos valores predeterminados, los cuales se pueden usar como una guía general y con los que, normalmente, darán diseños que están cerca del óptimo. Líquidos: Figura 3.17. Valores típicos de presión dependiendo de la viscosidad para líquidos (Fuente: Fuente: Bejan A. & Kraus A. D. 2003 (I)- Heat transfer handbook) [11] Vapor: Figura 3.18. Valores típicos de presión dependiendo de la viscosidad para vapores (Fuente: Bejan A. & Kraus A. D. 2003 (I)- Heat Transfer Handbook) [11] Annexos 22 - Caída de presión: Para la misma caída de presión, se obtendrán coeficientes de transferencia de calor más altos en el lado de los tubos que en el lado de la carcasa, y el fluido con la caída de presión más baja permisible debe asignarse al lado de los tubos. Si durante el proceso se produce una caída de presión alta, se debe tener cuidado para garantizar que la alta velocidad del fluido resultante no provoque erosión o vibración en los tubos. - Viscosidad: En general, se obtendrá un coeficiente de transferencia de calor más alto asignando el material más viscoso al lado de la carcasa, siempre que el flujo sea turbulento. Si no se puede lograr un flujo turbulento en la coraza, es mejor colocar el fluido en los tubos, ya que el coeficiente de transferencia de calor del lado de los tubos se puede predecir con más certeza. - Caudales: Asignar los fluidos con el caudal más bajo al lado de la carcasa normalmente dará el diseño más económico. Aquí pot anar el títol del vostre TFG/TFM 23 3.9. Coste de un intercambiador Podemos estimar el coste de un intercambiador de calor por métodos muy diversos, todos dependen del área de intercambio y del tipo de intercambiador. Siendo más precisa la estimación cuantos más datos de la construcción del intercambiador consideremos. Según el método Coulson, podemos saber el coste del intercambiador basándonos en el área de intercambio de calor y en el material del diseño: Figura 3.19. Esquema para determinar el coste de un intercambiador (Fuente: Apuntes Diseño de Equipos e Instalaciones Tema 7 ) [16] Annexos 24 Un segundo método, que denominaremos método factorial ampliado, nos permite conocer el coste del intercambiador de calor de forma más precisa, considerando un mayor número de factores de corrección al coste base, y que llamaremos Método factorial ampliado. La estimación se mejora fijando varios parámetros (tipo de intercambiador, número de pasos, presión, temperatura, longitud de los tubos), y se determina el coste a partir de la superficie calculada de intercambio, según la gráfica que relación miles de pts/m2 con la superficie, en m2. El coste total se obtiene según: 𝑪= 𝑪𝒃∗𝒇𝒅∗𝒇𝒈∗𝒇𝒍∗𝒇𝒎∗𝒇𝒕∗𝒇𝒏𝒑 ∗𝒇𝒑 (Ec. 3.8) Como parte final del TFG, se hará un estudio de viabilidad económico de tres inversiones de diferentes intercambiadores, diseñados con distintos materiales. Aquí pot anar el títol del vostre TFG/TFM 25 4. Cálculos 4.1. Introducción al producto Stahl Ibérica se centra en la fabricación de tres tipos de prepolímeros de diferentes características: poliuretanos, acrílicas y híbridos. El caso de estudio es un poliuretano. El P13030 es un poliuretano “high solid” utilizado en procesos de performance couting para recubrimientos de tejidos flexibles que no contengan cuero. Por ejemplo, se utiliza en recubrimientos de ropa diseñada para realizar actividades físicas. Un polímero clasificado como “high solid” significa que contiene entre un 99 % y 100 % de sólidos, no contiene ningún tipo de medio solvente o acuoso. Esta característica le hace ser, frente a otros polímeros, un recubrimiento más eficaz y consistente; al no contener ningún tipo de disolvente acuoso, durante el proceso de secado la cantidad de recubrimiento no disminuye ya que gran parte está compuesta por sólidos. Otra ventaja respecto a otros polímeros es su resistencia a los procesos de hidrólisis, lo que significa que no se degrada en presencia de humedad. La producción de poliuretanos está formado por dos pasos: un primer paso donde se crea al prepolímero, y un segundo paso donde se aumenta el peso molecular para obtener el polímero final gracias a una extensión de la cadena. Para la producción del prepolímero del P13030 se necesita isocianatos alifáticos, polialcoholes tipo poliéteres (49 %) y tipo poliésteres (25 %), y, por último, catalizadores. Siempre debe existir un exceso de isocianato para poder realizar el segundo paso y crear el polímero final. Uno de los problemas es que, si el prepolímero envasado entra en contacto con agua, se producen moléculas de CO2 y ello podría dilatar el bidón de envasado, deformándolo o incluso hacerlo explotar. Por este motivo, es necesario guardarlo en tanques ATEX y evitar de esta forma el problema. Figura 4.1. Pictogramas de peligrosidad en la etiqueta del P13030 envasado (Fuente: Stahl) Annexos 26 4.2. Influencia composición del agua El agua que se utiliza en el intercambiador para el proceso de refrigeración no puede ser agua descalcificada. Muchas empresas añaden aditivos al agua para descalcificarla y evitar las incrustaciones por cal, que a la larga forman una barrera entre el fluido caliente y el fluido frio, evitando el intercambio de calor. Por contrapartida, con el agua blanda se evitan estas incrustaciones, pero es mucho más corrosiva. Además, por desconocimiento o por prácticas que son recurrentes y sistemáticas, pero sin justificación, en la industria química, a la hora de enfriar con agua durante un proceso de intercambio de calor, lo que se suele hacer es añadir un inhibidor de la corrosión en la entrada. Los inhibidores de la corrosión son substancias químicas que se añaden al fluido directamente, y provocan una disminución en la velocidad de corrosión. El problema es que hay algunos inhibidores que provocan un efecto rebote y dejan el agua excesivamente blanda, dando lugar al resultado contrario al que se buscaba. Se debe seleccionar un inhibidor que no altere la composición del agua. 4.3. Introducción al problema y solución El problema consiste en optimizar el tiempo de enfriamiento de 14000 kg de polímero, introduciendo un intercambiador de calor al final de la producción, donde entra a una temperatura de 95°C y sale a una temperatura de 50°C. En el caso base, estos 14000 kg, se tardan en enfriar 210 minutos (3,5 h) mediante un sistema de encamisado en el reactor, por lo que se enfría un caudal de 1,2 kg/s. La hipótesis propuesta es reducir el tiempo de refrigeración del polímero utilizando un intercambiador de calor. Para el diseño del intercambiador de calor, se debe tener en cuenta dos factores: lo primero es saber si participa agua durante el proceso, o si se producen sales inorgánicas como residuos. Es importante conocer estos datos, ya que influyen en la selección del tipo de intercambiador, más concretamente en el tema de la corrosión. En nuestro caso, no se producen sales minerales inorgánicas, ni participa agua en el proceso, de manera que utilizaremos un intercambiador de carcasa y tubos 1.2. Es un intercambiador típico compuesto por 1 paso de carcasa y dos pasos de tubo: Aquí pot anar el títol del vostre TFG/TFM 27 Figura 4.2. Esquema de un intercambiador de calor de un paso de carcasa, y dos pasos de tubos (Fuente: R. K. Sinnot (1999). Coulson & Richardson’s Chemical Engineering, vol 6) [1] A continuación, utilizando el intercambiador descrito anteriormente y fijando ciertos parámetros de diseño, se detallan los pasos para el cálculo de las medidas y las características de éste. Los valores de los parámetros fijados han sido seleccionados mediante iteración hasta obtener unos resultados acordes. Se fijaron los siguientes parámetros de diseño: - La velocidad del fluido dentro de los tubos está comprendida entre 1-2 m/s. - La longitud máxima de los tubos es de 7,3 m. - Los diámetros, interior y exterior, de los tubos, se utilizan valores nominales. - Número de tubos. Al principio se propuso la hipótesis con 10 tubos, pero la longitud excedía de los 7 m; era de 10 m. Finalmente el intercambiador está formado por 14 tubos. - Temperatura de salida del fluido frío. - El valor de U se encuentra entre 250-750 W/m2C; para el caso de estudio se utiliza 750 ya que con él se cumplían las especificaciones. - El tiempo nuevo que se tarda en enfriar los 14000 kg de polímero. Annexos 28 Tabla 4.1. Tabla de parámetros fijados previos al cálculo (Fuente: R. K. Sinnot (1999). Coulson & Richardson’s Chemical Engineering, vol 6) [1] 𝑡2 12°C 𝑡𝑒 3000 s 𝑈 750 W/m2C 𝐷𝑖𝑛𝑡 14,83 mm 𝐷𝑒𝑥𝑡 19,05 mm 𝑁𝑡 14 4.4. Calor transferido. Se pueden enfriar 14000 kg de polímero en 3000 s, dando un caudal de 4,67 kg/s. 𝑪𝒂𝒖𝒅𝒂𝒍=𝟏𝟒𝟎𝟎𝟎 𝟑𝟎𝟎𝟎 =𝟒,𝟔𝟕 𝒌𝒈/𝒔 (Ec. 3.1) Se conocen los valores de calor especifico del polímero, 2,01 kJ/kg °C, y las temperaturas de entrada y salida, 95 y 50 °C, respectivamente. Mediante la siguiente ecuación, podemos obtener el valor del calor intercambiado: 𝑸= 𝑪𝒂𝒖𝒅𝒂𝒍∗𝑪𝒑∗𝜟𝑻 (Ec. 4.2) El valor de calor cedido por el polímero es de 422,1 kW; de manera que, el valor del calor absorbido por el agua es el mismo, pero signo opuesto. Aquí pot anar el títol del vostre TFG/TFM 29 4.5. Caudal de enfriamiento. Mediante la fórmula anterior (Ec.4.1), aplicada al agua, se puede saber el valor del caudal de enfriamiento. Aplicando los valores de calor especifico, 4,18 k J/kg °C, y las diferencias de temperatura de entrada y salida, 7 °C y 12 °C, el valor de caudal de enfriamiento es de 20,2 kg/s 4.6. Área de intercambio requerida. Para saber el área de intercambio de calor necesario, previamente, se debe calcular el valor de ΔTm de la ecuación 3.2; para su cálculo se hace una hipótesis de disposición a contracorriente, definiendo en cada extremo las temperaturas de entrada y salida: Figura 4.3. Diagrama de las temperaturas de entrada y salida de cada fluido (Fuente propia) ∆𝑻𝒎𝒍= (𝟗𝟓−𝟏𝟐)−(𝟓𝟎−𝟕) 𝒍𝒏(𝟗𝟓−𝟏𝟐) (𝟓𝟎−𝟕) =𝟔𝟎,𝟖𝟐 °𝑪 (Ec. 3.5) Se calculan a continuación los valores de los números adimensionales de 𝑅 y S (Eq. 3.3 y Eq. 3.4): 9 y 0,05, respectivamente. A partir del gráfico (Figura 4.4) el valor del factor de corrección ( 𝐹𝑡) vale 1. 95 °C 50 °C 12 °C 7 °C Annexos 36 Tabla 4.3. Tabla de valores del agua a 9°C (Fuente: Handbook of chemistry and physics, 95 th Edition )[18] 𝜇 0,001 kg/m·s 𝜌 997 kg/m3 𝐶𝑝 4,18 kJ/kg°·C 𝐾𝑓 0,58 J/s·m°C 𝑣 * 1,86 m/s d 𝑒 * 13,52 mm 𝐿 * 7,1 m *Los valores con asteriscos han sido calculados previamente. Aplicando la ecuación (Ec. 4.6), el valor de Reynolds es de 21600 (flujo turbulento). En el caso del agua, al ser el fluido que circula entre la carcasa y los tubos, el diámetro utilizado es el valor de diámetro equivalente ( d 𝑒): La fórmula para calcular el diámetro equivalente, considerando una disposición rectangular, es: 𝒅 𝒆 =𝟏,𝟏 𝒅𝒆𝒙𝒕 ×(𝒑 𝒕 𝟐 −𝟎,𝟗𝟏𝟕∗𝒅 𝒆𝒙𝒕 𝟐 )=𝟏,𝟏 𝟏𝟗,𝟎𝟓 ×((𝟏,𝟐𝟓∗𝟏𝟗,𝟎𝟓) 𝟐 −𝟎,𝟗𝟏𝟕∗𝟏𝟗,𝟎𝟓 𝟐 ) =𝟏𝟑,𝟓𝟐 𝒎𝒎 Figura 4.9. Tabla para saber el valor de 𝒑𝒕 (Fuente: R. K. Sinnot (1999). Coulson & Richardson’s chemical engineering, vol 6. ) [1] (Ec. 4.31) Aquí pot anar el títol del vostre TFG/TFM 37 Aplicando la ecuación (Ec. 4.7), el valor de Prandlt es de 7,2 Para calcular el número de Nusselt en al agua, y siendo flujo turbulento, se utiliza una formula diferente al caso anterior: 𝑵𝒖𝒔𝒔𝒆𝒍𝒕=𝟎,𝟎𝟐𝟑∗𝑹𝒆𝒚𝒏𝒐𝒍𝒅𝒔𝟎,𝟒∗𝑷𝒓𝒂𝒏𝒅𝒍𝒕𝟎,𝟑𝟑 = 𝟐,𝟒𝟐 (Ec. 4.12) Para este caso, al ser el agua el fluido de enfriamiento, el exponente elevado al número de Reynolds es de 0,4 y no de 0,3. . Annexos 38 5. Selección de material y coste La selección de materiales es, sin duda, una de las tareas más complicadas en la industria química, ya que como criterios se deben marcar la elección de un material u otro, además de las propiedades mecánicas y el coste, y sobre todo debe tener en cuenta la resistencia a la corrosión. En general, podemos decir que, para una planta química, la mayor parte de los equipos deben ser de una capacidad elevada que pueda garantizar una producción también alta, por lo que normalmente suelen ser los metales y aleaciones metálicas los materiales escogidos. Sin embargo, para pequeñas capacidades o en planta piloto, existen numerosos materiales poliméricos, como los plásticos fluorados, las poliamidas e incluso los GRP (glass reinforced plastics), que pueden cumplir sobradamente con el requerimiento de una resistencia mecánica suficiente. Además de la resistencia mecánica y a la corrosión, los materiales metálicos elegidos deben ser fácilmente transformables y mecanizables, y por último, económicamente viables para la política de la empresa. En esta línea de razonamiento, es el departamento de finanzas el que debe fijar los criterios de inversión que hagan viable el material, no solamente en cuanto a su duración en el tiempo, sino en cuanto a su rentabilidad económica global. Por tanto, es la empresa la que debe fijar el criterio de inversión más adecuado según su disponibilidad de crédito y situación de flujo de caja global. Uno de los criterios más utilizados es la fijación de un determinado porcentaje de recuperación de la inversión, entre un 10-20%, que debe ser detallado en el momento de la inversión. La manera de proceder consiste entonces [2] en la selección de tres materiales diferentes, con sus respectivos costes de instalación, de reposición, depreciación, mantenimiento, etc., calculando a continuación cuál de ellos cumplirá con el porcentaje de recuperación de la inversión fijado por la empresa. Se estudian diversos diseños de intercambiadores mediante dos métodos para poder determinar el coste de ellos, el Método Coulson y un segundo método más específico denominado Método Factorial Ampliado, previamente explicados en la introducción. La estimación de costes constituye uno de los aspectos más importantes del diseño de ingeniería química, y representa la fase previa a la implementación práctica de los equipos necesarios para la puesta en funcionamiento de una planta química. Por otra parte, las plantas químicas, al igual que el resto de plantas de otros sectores industriales, tiene como objetivo la obtención de unos beneficios a Aquí pot anar el títol del vostre TFG/TFM 39 partir de las correspondientes inversiones iniciales, contabilizando la cuantía de los diferentes costes asociados al proceso de construcción, instalación, producción, etc. Es por esta razón también muy importante seleccionar adecuadamente el criterio de rentabilidad más adecuado, que esté de acuerdo con la política económica particular de cada empresa. Existen diferentes procedimientos para la estimación de costes de equipos, que se diferencian en el grado de aproximación. A continuación se muestra una tabla comparativa de precios teniendo en cuenta diferentes variables como el coste de mantenimiento o de instalación del intercambiador; gracias a esta tabla se puede estudiar la inversión más rentable. Figura 5.1. Tabla comparativa de precios de tres tipos diferentes de intercambiadores (Fuente: Coste de Intercambiadores 11) Material A Material B Material C Coste compra 25000 € 30000 € 35000 € Coste de instalación 15000 20000 25000 Coste total instalación 40000 50000 60000 Coste adicional sobre A - 10000 20000 Vida estimada en años 4 10 10 Coste estimado mantenimiento por año 5000 4500 3000 Coste anual sustitución 10000 5000 6000 Coste total anual 15000 95000 9000 Ahorro anual sobre A - 5500 6000 Tasa sobre ahorro (34%) - 1870 2040 Ahorro neto - 3630 3960 Retorno de la inversión sobre A - 36,3 % 19,8% Annexos 40 5.1. Método Coulson El Método Coulson permite determinar el coste de compra de un intercambiador especificando, previamente, el material de fabricación, el factor de presión y el factor de tipo. Con este método se obtiene un precio muy aproximado del coste de compra, ya que se tienen en cuenta pocos factores determinantes. En mi caso, al ser un intercambiador estándar y común, que trabaja a presión atmosférica (x1), el tipo de factor es “floating head” (x1), el área de intercambio es de 9, 3 m2, aproximadamente de 10 m2. Figura 5.1. Selección de factores para determinar el coste según el método Coulson ( Fuente: Apuntes diseño de equipos e instalaciones Tema 7 ) [16] El coste base debe ser multiplicado por estos dos factores según la siguiente fórmula: 𝑪𝒐𝒔𝒕𝒆 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍=𝑪𝒐𝒔𝒕𝒆 𝒃𝒂𝒔𝒆×�𝒇𝒊 =𝑪𝒐𝒔𝒕𝒆 𝒃𝒂𝒔𝒆×𝒇𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓 𝒅𝒆 𝒑𝒓𝒆𝒔𝒊𝒐𝒏×𝒇𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓 𝒅𝒆 𝒕𝒊𝒑𝒐 (Ec. 5.1) El valor del coste total se obtiene en £ y en el año 1998, por lo que se debe aplicar un factor de corrección al año 2022 (siempre se calcula respecto el año anterior al actual) y calcular el coste en €. Se estudian 3 casos diferentes: - Acero al carbono en la carcasa/Acero al carbono en los tubos. - Acero al carbono en la carcasa/Acero inoxidable en los tubos. - Acero inoxidable en los tubos/Acero inoxidable en los tubos. Aquí pot anar el títol del vostre TFG/TFM 41 5.1.1. Acero al carbono/Acero al carbono Figura 5.2. Esquema para determinar el coste de un intercambiador de acero al carbono/Acero al carbono (Fuente: Apuntes diseño de equipos e instalaciones Tema 7 ) [16] Mirando el gráfico, el coste base es de: 𝟑,𝟖 𝒙 𝟏𝟎𝟎𝟎 £ = 𝟑𝟖𝟎𝟎 £. (Ec. 5.2) Multiplicando este valor por los valores de los factores, el coste total es de 3800 £ según el año 1998. En euros es de: 𝟑𝟖𝟎𝟎 £ × 𝟏,𝟏𝟑 € 𝟏 £ �=𝟒𝟐𝟗𝟒 € 𝒔𝒆𝒈𝒖𝒏 𝒆𝒍 𝒂ñ𝒐 𝟏𝟗𝟗𝟖. (Ec. 5.3) Actualizando el valor del coste del año 1998 (390) al año 2022 (793): 𝑪𝒐𝒔𝒕𝒆 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 (€)×𝑪𝑬𝑷𝑪𝑰 (𝟐𝟎𝟐𝟐) 𝑪𝑬𝑷𝑪𝑰 (𝟏𝟗𝟗𝟖)=𝟒𝟐𝟗𝟒×𝟕𝟗𝟑 𝟑𝟗𝟎=𝟖𝟕𝟑𝟏€ 𝒆𝒏 𝒆𝒍 𝒂ñ𝒐 𝟐𝟎𝟐𝟐 (Eq. 5.4) Annexos 42 5.1.2. Acero al carbono/Acero inoxidable Figura 5.3. Esquema para determinar el coste de un intercambiador de acero al carbono/Acero inoxidable (Fuente: Apuntes diseño de equipos e instalaciones Tema 7 ) [16] Mirando el gráfico, el coste base es de: 𝟓 𝒙 𝟏𝟎𝟎𝟎 £ = 𝟓𝟎𝟎𝟎 £. (Ec. 5.5) Multiplicando este valor por los valores de los factores, el coste total es de 5000 £ según el año 1998. En euros es de: 𝟓𝟎𝟎𝟎 £ × 𝟏,𝟏𝟑 € 𝟏 £ �=𝟓𝟔𝟓𝟎 € 𝐬𝐞𝐠𝐮𝐧 𝐞𝐥 𝐚ñ𝐨 𝟏𝟗𝟗𝟖. (Ec. 5.6) Actualizando el valor del coste del año 1998 (390) al año 2022 (793): 𝑪𝒐𝒔𝒕𝒆 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 (€)×𝑪𝑬𝑷𝑪𝑰 (𝟐𝟎𝟐𝟐) 𝑪𝑬𝑷𝑪𝑰 (𝟏𝟗𝟗𝟖)=𝟓𝟔𝟓𝟎×𝟕𝟗𝟑 𝟑𝟗𝟎=𝟏𝟏𝟒𝟖𝟖€ 𝒆𝒏 𝒆𝒍 𝒂ñ𝒐 𝟐𝟎𝟐𝟐 (Eq. 5.7) Aquí pot anar el títol del vostre TFG/TFM 43 5.1.3. Acero inoxidable/Acero inoxidable Figura 5.4. Esquema para determinar el coste de un intercambiador de acero inoxidable/Acero inoxidable (Fuente: apuntes diseño de equipos e instalaciones Tema 7 ) [16] Mirando el gráfico, el coste base es de: 𝟗 𝒙 𝟏𝟎𝟎𝟎 £ = 𝟗𝟎𝟎𝟎 £. (Ec. 5.8) Multiplicando este valor por los valores de los factores, el coste total es de 9000 £ según el año 1998. En euros es de: 𝟗𝟎𝟎𝟎 £ × 𝟏,𝟏𝟑 € 𝟏 £ �=𝟏𝟎𝟏𝟕𝟎 € 𝒔𝒆𝒈𝒖𝒏 𝒆𝒍 𝒂ñ𝒐 𝟏𝟗𝟗𝟖. (Ec. 5.9) Actualizando el valor del coste del año 1998 (390) al año 2022 (793): 𝑪𝒐𝒔𝒕𝒆 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 (€)×𝑪𝑬𝑷𝑪𝑰 (𝟐𝟎𝟐𝟐) 𝑪𝑬𝑷𝑪𝑰 (𝟏𝟗𝟗𝟖)=𝟏𝟎𝟏𝟕𝟎×𝟕𝟗𝟑 𝟑𝟗𝟎=𝟐𝟎𝟔𝟕𝟗 € 𝒆𝒏 𝒆𝒍 𝒂ñ𝒐 𝟐𝟎𝟐𝟐 (Eq. 5.10) Annexos 44 La opción más económica, según el método Coulson, es un intercambiador diseñado de acero al carbono para carcasa y tubos. Aquí pot anar el títol del vostre TFG/TFM 45 5.2. Método Factorial Ampliado Con este segundo método, se obtiene un valor más acorde con la realidad del coste del intercambiador, ya que se introduce un mayor número de factores correctores del coste base. A continuación se muestran los factores a tener en cuenta: Figura 5.5. Características seleccionadas para determinar el coste de un intercambiador (Fuente: Apuntes diseño de equipos e instalaciones Tema 7 ) [16] Annexos 52 Presupuesto y análisis económico El análisis económico de este Trabajo Final de Grado comprende dos apartados bien diferenciados. En primer lugar, el coste asociado al puesto de trabajo de un ingeniero, considerando que el resto de recursos puestos a disposición por la empresa, se consideran amortizados y no representan, por tanto, un coste adicional. En segundo lugar, el estudio económico concreto del intercambiador. a) Horas dedicadas: la realización del estudio ha requerido 4 horas diarias desde el 6 de febrero de 2023, hasta el día 10 de junio de 2023; he realizado el trabajo durante 126 días, cada día 4 horas. Un sueldo de un ingeniero junior ronda alrededor de cobrar 8€/h. La facturación total ha sido de 4032 € b) Estudio de viabilidad del intercambiador: Las tres opciones que se estudian en la tabla comparativa, se han basado en las características físicas y químicas del P13030 y el agua de refrigeración. Según la información facilitada por Stahl referente al polímero, dadas sus propiedades, es muy recomendable que los tubos interiores del intercambiador sean de acero inoxidable; el acero AISI 316 respecto al AISI 304 es más resistente a la corrosión por picadura producida por los cloruros en el agua. La diferencia clave entre ambos grados de acero es que el AISI 316 contiene molibdeno (3-5%), el cual mejora drásticamente la resistencia a la corrosión por picadura. Aunque tanto el inox 304 como el AISI 316 son adecuados para ambientes extremos, solo el segundo resistirá a la exposición a largo plazo a los cloruros, y aunque su precio de compra sea un poco más elevado que el 304, queda compensado por su resistencia a la corrosión [5]. Una opción mejorada seria la selección de inoxidables AISI 304-L y 316-L, formulaciones bajas en carbono para una mejor resistencia a la corrosión intergranular, que puede surgir en las zonas colindantes a las soldaduras. Aquí pot anar el títol del vostre TFG/TFM 53 Tabla de presupuesto. Comparación económica según el método factorial ampliado (Fuente propia) Opción A B C Tipo de intercambiador (material carcasa/material tubos) Acero al carbono/Inox 304 Acero al carbono/Inox 316 Inox 304/Inox 304 Coste compra (€) 18417 23171 27342 Coste instalación ($) 20000 22000 25000 Coste instalación (€) 18243 20460 22803 Coste total instalación (€) 36660 45171 50145 Coste adicional o sobrecoste sobre A (€) - 8511 13485 Vida estimada (años) 10 11 12 Coste estimado mantenimiento por año 4500 3500 3000 Coste anual sustitución 3666 4107 4179 Coste total anual 9612 7607 7179 Ahorro anual sobre A - 2005 2433 Tasa sobre ahorro (20%) - 401 487 Ahorro neto - 1604 1956 Retorno de la inversión sobre A - 18,84 % 14,5% Annexos 54 Como se puede ver en la tabla de comparación económica, la mejor opción es el caso B ya que existe un retorno más alto de la inversión sobre el más barato; tomando como base la opción A, la recuperación con la opción B es superior a la opción C. Queda por tanto bien justificado que la mejor opción es la B, ya que no sólo se selecciona el mejor intercambiador en función del material más adecuado, de acuerdo con los requerimientos estándar de resistencia a la corrosión, sino que dicha selección tiene en cuenta además un criterio económico de rentabilidad, es decir, se combinan ambos aspectos para la optimización en la selección final del material. Aquí pot anar el títol del vostre TFG/TFM 55 Bibliografía [1] R. K. Sinnot (1999). Coulson & Richardson’s chemical engineering, vol 6. [2] Max. S. Peters, Klauss. D. Timmerhaus (1958). Plant design and economics for chemicals engineers. [3] Panreac Quimica SA (1996). Panreac Catálogo General. [4] https://www.studocu.com/es-mx/document/universidad-autonoma-detlaxcala/flujo-de-fluidos/tarea-6-significado-intercambiadores-aes-cfu-y-bem-yaceros-contenido-en-carbono/11347924 [5] https://ferrosplanes.com/inox-304-vs-inox-316-diferencias/ [6] https://canviclimatic.gencat.cat/es/actua/factors demissio associats a lenergia/index.h tml [7] Cengel Y.A. & Boles M.A. 5th ed (I)- Thermodynamic An Engineering Approach, 5th edition by Yunus A. Ç [8] Incropera & DeWitt (I)- Transferencia de calor [9] Intermediate Heat Transfer [10] Alcock C.B. 2001 (I)- Thermochemical processes [11] Bejan A. & Kraus A. D. 2003 (I)- Heat transfer handbook [12] Couper J.R. et al 2nd ed (I)- Chemical process equipment selection and design [13] Finlayson B.A. 2006 (I)- Introduction to Chemical Engineering Computing [14] Stolen S. 2003 ()- Chemical Thermodynamics of Materials - Macroscopic and Microscopic Aspects [15] Winterbone, D.E. - Advanced Thermodynamics for Engineers [16] Apuntes diseño de equipos y instalaciones Tema 7. Universidad de Salamanca [17] https://eligenio.com/es/blog/cuanto-consume-un-ordenador-desobremesa/#:~:text=El%20consumo%20de%20un%20ordenador%20de%20sobre mesa%20en%20jornada%20laboral,descanso%2C%20este%20consumo%20se%20i ncrementar%C3%A1. Annexos 56 [18] Handbook of chemistry and physics, 95 th Edition Aquí pot anar el títol del vostre TFG/TFM 57 Annexos A A1. Logsheet del P13030: Annexos 58 Aquí pot anar el títol del vostre TFG/TFM 59 Annexos 60 Aquí pot anar el títol del vostre TFG/TFM 61 Annexos 68 A7. Especificaciones del P13030 realizadas en planta piloto: A8. CEPCI: