Diseño

Los intercambiadores de calor gas a gas de alta temperatura se encuentran comúnmente dentro de las plantas de ácido sulfúrico y funcionan como intercambiadores o precalentadores para el lecho del catalizador y como precalentadores en el horno de azufre.

Estos recuperadores ven temperaturas muy altas y diferenciales de temperatura altos. Por lo general, al menos una, si no ambas corrientes de gas, son altamente corrosivas si se permite que se condensen.

Modos de falla comunes

Si se emplea un diseño estándar de carcasa y tubos, lo más probable es que ocurran varios modos de falla. Éstas incluyen:

Corrosión en el extremo frío: la corriente de gas frío a menudo ingresa al intercambiador de calor a una temperatura por debajo del punto de rocío de los constituyentes contenidos en la corriente de gas caliente. Esto crea un potencial para temperaturas de la superficie del material por debajo de ese punto de rocío. Estos se conocen comúnmente como puntos fríos. Si una corriente de gas está en contacto con un punto frío, se producirá condensación. El ácido resultante causará una corrosión localizada comúnmente conocida como corrosión del extremo frío.

Incrustaciones en el extremo frío: cuando hay presente una corriente de gas rica en SO3, los puntos fríos harán que el SO3 se precipite. El SO3 crea un vínculo tenaz con la pared del tubo de metal. Estos depósitos continúan acumulándose y si la unidad no se apaga para mantenimiento, el bloqueo resultante de la corriente de gas conducirá a problemas de capacidad obvios.

Fallas por estrés: los recuperadores de gas a gas de alta temperatura experimentan cambios de temperatura rápidos y extremos. Esto da como resultado una rápida y significativa expansión y contracción del material. Con los diseños estándar de carcasa y tubos, lo más probable es que los tubos se expandan a diferentes velocidades debido a la distribución desigual de la temperatura dentro del haz de tubos. Esto da como resultado fuerzas desiguales ejercidas sobre la placa tubular por los tubos y, en última instancia, el fallo de las soldaduras de la placa tubular.

Caída de presión imprevista: si la caída de presión es superior a la prevista, el caudal operativo también será inferior al previsto.

Todos estos modos de falla impiden el desempeño del recuperador y, en última instancia, el desempeño de toda la planta. Una vez en funcionamiento, el remedio o reparación es muy costoso y requiere mucho tiempo. Si no se soluciona, la vida operativa podría ser tan corta como varios años.

La solución

Es imperativo evaluar a fondo la aplicación prevista y diseñar el recuperador teniendo en cuenta esas demandas operativas y los modos de falla anteriores. Los problemas deben abordarse durante la fase de diseño para que la confiabilidad y la eficiencia puedan diseñarse en el recuperador.

Un análisis completo de la unidad es esencial para abordar los puntos fríos, las tensiones desiguales y la caída de presión antes de fabricar la unidad, de modo que se eviten costosos ajustes y reparaciones y se maximice la vida operativa y la productividad en general.

Dada la experiencia y los conocimientos, la solución es sencilla. El objetivo es crear simetría térmica dentro de la unidad. Las siguientes características ayudan a lograr ese objetivo:

Haz de tubos de paso variable: el paso, o la distancia entre los tubos, varía entre las filas. Esto permitirá una distribución de flujo más uniforme en todo el haz de tubos y conducirá a una temperatura uniforme en toda la placa de tubos. Esto también contribuye a una menor caída de presión y una mayor eficiencia térmica.

Arreglos de deflectores únicos: a diferencia de los arreglos estándar de carcasa y tubos, se utilizan ubicaciones de entrada y arreglos de deflectores que dan como resultado una combinación de flujo cruzado y flujo paralelo además del contraflujo común. Se incorporan varios pasos que permiten que la corriente de entrada de gas frío circule lejos de la corriente de gas caliente existente, evitando así los puntos fríos donde serían problemáticos. La disposición ayuda además con la uniformidad de la temperatura.

Plenums de entrada anulares completos: los plenos permiten que las corrientes de gas ingresen al recuperador a una velocidad más baja, promoviendo la uniformidad y evitando aún más los puntos fríos. Este diseño también evita áreas aisladas de mayor caída de presión común en las conexiones y aumenta la eficiencia de la unidad.

Diseño con análisis CFD y FEA

La dinámica de fluidos computacional (CFD) y el análisis de elementos finitos (FEA) son el núcleo de la evaluación exhaustiva que se requiere para verificar la caída de presión, las tasas de transferencia de calor, las temperaturas y el flujo a través del recuperador. La experiencia proporciona el punto de partida para determinar los pasos de los tubos y la disposición de los deflectores y los plenos. El diseño se ajusta en función del análisis inicial hasta que se prueban mediante ejecuciones posteriores. Este análisis es la diferencia entre una vida operativa de cinco años y una vida operativa de más de 20 años.

Técnicas simplificadas

Los programas CFD y FEA se han vuelto más potentes a lo largo de los años y son capaces de analizar modelos muy grandes con una malla muy fina. Pueden analizar modelos de transferencia de calor que son muy sensibles y difíciles de converger. Sin embargo, esto requiere un tiempo de computadora considerable, lo que no siempre es posible cuando se necesita un precio presupuestario aproximado para un proyecto en las etapas iniciales del trabajo de diseño.

Existen técnicas para simplificar este modelado que implican centrarse en las áreas de mayor preocupación. La experiencia nos dice que estos se encuentran típicamente en regiones de baja temperatura, ya que estas son con mayor frecuencia la ubicación de las fallas.

El análisis de esta área de interés implica una serie muy complicada de superficies, incluido el flujo de gas en el interior y el exterior del tubo y un modelo detallado de la pared del tubo en sí. Completar este análisis para cada tubo del paquete requiere mucho tiempo y es engorroso.

Para proporcionar arreglos y dimensionamiento inicial/presupuestario, se necesita un enfoque simplificado para una evaluación inicial. Para esta evaluación inicial, se pueden hacer suposiciones para los flujos de gas basados ​​en una capa límite estándar y coeficientes de transferencia de calor por convección. También se pueden hacer suposiciones para modelar los tubos como una sola superficie.

Con un modelo simplificado, se puede completar relativamente rápido un análisis del "área de interés" para confirmar la sospecha de un potencial punto frío en esa región.

El diseño del recuperador se puede modificar y volver a analizar. Con el modelo simplificado, es práctico ejecutar varias iteraciones para concentrarse en el arreglo más ventajoso.

Ajustar y reevaluar

Según los hallazgos del análisis inicial del "área de interés", se modifica el paso de los tubos para permitir un flujo más uniforme en el lado de la carcasa y más uniformidad en la placa de tubos. La entrada de aire se reubica más arriba en la carcasa para coincidir con las temperaturas más cálidas de la pared del tubo. Luego, la disposición del deflector se ajusta para adaptarse a esta ubicación de entrada única.

Los deflectores primero guiarán el aire en un arreglo de corriente paralela, paralelo al gas caliente. A esto le sigue una sección de flujo cruzado, y el resto del flujo se dirige en contracorriente al gas caliente en los tubos. Los deflectores también se evalúan para minimizar la caída de presión.

Finalizando el diseño

Sería negligente no mencionar varias otras consideraciones en esta discusión que tienen un impacto significativo en la vida operativa del recuperador.

junta de dilatación

Las juntas de expansión con bridas y conductos están diseñadas y ubicadas a lo largo de la carcasa para aliviar las tensiones debidas a la expansión térmica. Las juntas de expansión se comprimen previamente durante la instalación para que funcionen casi normalmente a las temperaturas elevadas experimentadas durante la operación.

Elección del material

La temperatura máxima de funcionamiento, así como la composición del gas, deben tenerse en cuenta durante la selección del material. La temperatura más alta del metal, determinada a través del análisis CFD, y la composición de la corriente son los principales criterios utilizados en la determinación de los materiales. Los costos de materiales y fabricación, la disponibilidad y la vida útil deseada también son parte de la ecuación. La experiencia y los conocimientos son las mejores herramientas para determinar el material que minimiza el costo y maximiza la vida útil.

Análisis de vibraciones

Como con cualquier diseño de intercambiador de calor, se debe revisar el potencial de vibración. Los pequeños ajustes en la disposición del deflector y las configuraciones de la boquilla pueden eliminar los problemas de vibración y se abordan fácilmente durante la fase de diseño. Si se ignora, la vibración puede ser muy costosa de abordar en el campo.

Placa tubular flotante

Dependiendo de la configuración del recuperador, la frecuencia con la que ciclará y la rapidez y el aumento extremo de las temperaturas, se puede recomendar una placa de tubos flotante. Una placa de tubos flotante absorbería las tensiones adicionales causadas por estas condiciones y eliminaría aún más la preocupación de las fallas de soldadura.

La ingeniería de los problemas durante la fase de diseño es la clave del éxito

En conclusión, abordar el potencial de corrosión y ensuciamiento del extremo frío, minimizar las tensiones desiguales y evaluar la caída de presión durante la fase de diseño es crucial para ahorrar costos a largo plazo y maximizar la vida útil. Esto se logra mejor con experiencia asistida por análisis CFD y FEA. Con esta atención al detalle en la fase de diseño, el resultado será un recuperador con una vida operativa de más de 20 años.

Recursos adicionales