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interdisciplinaria
ESTUDIO INTERCAMBIADOR 24 X 10 CAMPO MIRTO
Contenido
1. OBJETIVO32. INTERCAMBIADORES32.1. LADO DE LA CORAZA32.1.1.
REA SUPERFICIAL32.1.2. VELOCIDAD DE FLUJO42.1.3. DIMETRO
EQUIVALENTE52.1.4. NUMERO DE REYNOLDS52.1.5. NUMERO DE
PRANDTL.62.1.6. NUMERO DE NUSSELT62.1.7. NUMERO DE NUSSELT PARA
BANCOS DE TUBERA.72.2. LADO DE LOS TUBOS92.2.1. REA
SUPERFICIAL.92.2.2. VELOCIDAD DE FLUJO.92.2.3. DIMETRO
EQUIVALENTE102.2.4. NUMERO DE REYNOLDS102.2.5. NUMERO DE
PRANDTL102.2.6. NUMERO DE NUSSELT102.2.7. RGIMEN LAMINAR.112.2.8.
RGIMEN TURBULENTO122.3. COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE
CALOR.132.4. DIFERENCIA MEDIA LOGARTMICA DE TEMPERATURA133.
PROCEDIMIENTO DE ANLISIS INTERCAMBIADOR DE CALOR144.
RESULTADOS.195. CONCLUSIONES27
1. OBJETIVO
Realizar un anlisis multidisciplinar al proceso de calentamiento
de crudo, y obtener los factores que se relacionan a este.2.
INTERCAMBIADORES
Los intercambiadores instalados en Campo Mirto son del tipo de
coraza y tubos, un paso por la coraza y dos pasos por los tubos
(ver detalles EMD-CM-MC-PL-011). Se plante en el diseo que el
fluido frio viaje por la coraza y el fluido caliente por los
tubos.El problema fundamental que se presenta en el diseo de un
intercambiador de calor de cualquier tipo es la determinacin del
coeficiente global de transferencia de calor para el clculo de este
se debe analizar por separado el flujo en la coraza y en los tubos,
ya que el proceso de transferencia difiere del fluido en cuanto a
sus propiedades directas (viscosidad, Calores especficos, densidad,
composicin qumica); variando los coeficientes de transferencia de
calor .
2.1. LADO DE LA CORAZA
2.1.1. REA SUPERFICIAL
El flujo que pasa por la coraza es crudo y se analiza como un
fenmeno de conveccin externa forzada sobre un banco de ductos; como
se conoce el caudal de crudo que circula por cada intercambiador,
se debe determinar la velocidad dentro del intercambiador; La
velocidad lineal y el flujo msico cambia continuamente a travs del
haz de tubos, ya que el ancho de la coraza y el nmero de tubos vara
de cero en la parte superior y en el fondo, a un mximo en el centro
de la coraza. La longitud del rea de flujo es el espaciado entre
los deflectores; El paso de los tubos es la suma del dimetro del
tubo y el espacio adyacente entre los tubos; el rea transversal de
flujo para el lado de la coraza en un arreglo triangular est dada
por:
Donde: En la siguiente figura se presenta un arreglo triangular
tpico.
Figura 1. Paso y espacio adyacente en un arreglo triangular de
tubos.
2.1.2. VELOCIDAD DE FLUJO
La velocidad de flujo se calcula como:
Donde:
2.1.3. DIMETRO EQUIVALENTE
Para poder obtener correlaciones simples combinando tanto el
tamao como la cercana de los tubos y su tipo de arreglo, se logra
una buena correlacin si el radio hidrulico se calcula a lo largo en
lugar de a travs del eje mayor de los tubos; para una arreglo
triangular, el dimetro equivalente se calcula como:
Donde:
Una vez definidas la velocidad de flujo y el dimetro
equivalente, se determina el nmero de Reynolds.
2.1.4. NUMERO DE REYNOLDS
La transicin de flujo laminar a turbulento depende de la
configuracin geomtrica de la superficie, de su aspereza, de la
velocidad de la corriente libre, de la temperatura y tipo de
fluido, pero principalmente el rgimen de flujo depende de las
fuerzas de inercia con respecto a las fuerzas viscosas; para
conveccin externa forzada sobre un banco de ductos, el nmero de
Reynolds se expresa como:
Donde:
Los regmenes de flujo son los siguientes:
2.1.5. NUMERO DE PRANDTL.
Relaciona el espesor relativo entre la capa lmite de velocidad y
la capa limite trmica, se define como:
Donde:
2.1.6. NUMERO DE NUSSELT
Es un factor adimensional que se utiliza para simplificar el
clculo de coeficiente de transferencia de calor se calcula
como:
Para la determinacin de los nmeros adimensionales, se debe
considerar las propiedades, tanto para el crudo como para el aceite
trmico, a la temperatura media entre la entrada y la salida del
intercambiador. En los procesos de transferencia de calor, es de
gran importancia determinar si el fluido de trabajo se encuentra en
rgimen laminar o turbulento; el numero de Reynolds junto con el
numero de Prandtl, definen el rgimen de flujo y adems indican que
proceso (conduccin o conveccin) domina en la transferencia.
Un nmero de Reynolds pequeo, (menor a 2300), y de Prandtl
grande, (mayor a 1), indica que el mayor flujo de calor se da por
conduccin; por el contrario nmeros de Reynolds grandes y de Prandtl
pequeos indican que el mayor flujo ocurre por conveccin. En
procesos de calentamiento o enfriamiento, siempre se busca que el
fluido se encuentre en estado de turbulencia, ya que la
transferencia de calor por conveccin es ms eficiente que la
conduccin al existir mayor contacto entre sus molculas.
2.1.7. NUMERO DE NUSSELT PARA BANCOS DE TUBERA.
El flujo de calor a travs de bancos de tubera se estudia de
manera experimental ya que es demasiado complejo para tratarse
analticamente; el objeto principal de estudio es la determinacin
del coeficiente de transferencia de calor promedio, el cual depende
del nmero de filas, as como de su disposicin y el tamao de los
tubos.Se han propuesto varias correlaciones, todas basadas en datos
experimentales, para determinar el nmero de Nusselt promedio para
el flujo cruzado sobre bancos de tubos; las ms recientes por
Zukauskas[footnoteRef:1], tiene la forma general: [1: A. Zukauskas
. Heat Transfer from Tubes in Cross Flow, Advances in Heat
Transfer, Vol. 8. 1972]
Donde los valores de las constantes C, m, n dependen del nmero
de Reynolds y es el nmero de Prandtl evaluado a la temperatura
superficial de los tubos.En la siguiente tabla se presenta
explcitamente estas correlaciones para y ; la incertidumbre del
numero de Nusselt calculado con estas correlaciones de de ; como ya
se ha mencionado, todas las propiedades del fluido se evalan a la
temperatura media aritmtica entre a entrada y la salida de
intercambiador a excepcin de
Tabla 1.Correlaciones del nmero de Nusselt para flujo cruzado
sobre bancos de tubos[footnoteRef:2]. [2: A. Zukauskas, Heat
Transfer from Tubes in Cross Flow, Handbook of Single Phase
Convective Heat Transfer. Wiley Interscience, 1987.]
2.2. LADO DE LOS TUBOS
El flujo que pasa por el lado de los tubos se debe analizar como
un problema de conveccin interna forzada; las variables que
intervienen en este tipo de problemas y el procedimiento de clculo
es similar al de conveccin externa forzada (Lado de la coraza) con
algunas diferencias las cuales se explicarn a continuacin.
2.2.1. REA SUPERFICIAL.
El rea de superficie (seccin transversal) se calcula
directamente tomando como referencia el dimetro interior de un
tubo:
Donde:
2.2.2. VELOCIDAD DE FLUJO.
La velocidad de flujo se calcula como:
Donde: 2.2.3. DIMETRO EQUIVALENTE
Para este caso, el dimetro equivalente corresponde al dimetro
interior de la tubera
2.2.4. NUMERO DE REYNOLDS
Se calcula directamente utilizando los valores de dimetro
equivalente y velocidad de flujo.
Los regmenes de turbulencia que se manejan en este caso son
similares a los utilizados en conveccin externa forzada.
2.2.5. NUMERO DE PRANDTL
2.2.6. NUMERO DE NUSSELT
Para el clculo del nmero de Nusselt se debe tener en cuenta la
longitud de entrada trmica e hidrodinmica del fluido, quienes a su
vez dependen del rgimen de flujo.Si el flujo es laminar, se tiene
que:
Longitud de entrada hidrodinmica:
Longitud de entrada trmica.
Para flujo turbulento se tiene que:
El nmero de Nusselt se calcula dependi0.endo del rgimen de
flujo.
2.2.7. RGIMEN LAMINAR.
Si al calcular las longitudes de entrada se encuentra que la
longitud real de la tubera es mayor que el valor calculado, se
concluye que el flujo se encuentra completamente desarrollado y
entonces el nmero de Nusselt adquiere un valor constante y depende
de la condicin de frontera que se asuma en la superficie de la
tubera:
1. Flujo de Calor constante en la pared de la Tubera:
2. Temperatura constante en la pared del tubo:
De lo contrario, si la longitud real de la tubera es inferior al
valor calculado para la longitud de entrada, se asume que el fluido
no se encuentra completamente desarrollado y el nmero de Nusselt se
calcula dependiendo de las condiciones de frontera:
1. Flujo de Calor constante en la pared de la Tubera:
2. Temperatura constante en la pared del tubo:
Donde:
2.2.8. RGIMEN TURBULENTO
Si el flujo es turbulento y completamente desarrollado, se
utiliza la ecuacin de Colburn[footnoteRef:3], para determinar
Nusselt: [3: A. P. Colburn. Transactions of the AIChE 26 1995.]
Donde n = 0,4 para calentamiento y 0,3 para enfriamiento del
fluido que fluye por la tubera.
2.3. COEFICIENTE TOTAL DE TRANSFERENCIA DE CALOR.
Donde: = coeficiente convectivo de transferencia de calor,
coraza.= coeficiente convectivo de transferencia de calor,
tubos.
2.4. DIFERENCIA MEDIA LOGARTMICA DE TEMPERATURA
Donde h y c corresponde al fluido caliente y frio
respectivamente; en el diseo de intercambiadores las temperaturas
de entrada y salida se suponen, si despus de realizados los clculos
la diferencia entre las temperaturas calculadas y las supuestas es
significativa, se recalcula el sistema con las temperaturas
obtenidas en la primera corrida.
3. PROCEDIMIENTO DE ANLISIS INTERCAMBIADOR DE CALOR
ESCENARIO 1. Los datos que se aplican en estos clculos fueron
tomados de:Ingeniera Conceptual entregada por Emerald Energy Plc.
EMD-CM-PR-DS-013; DATASHEET INTERCAMBIADOR 24 X 10.
EMD-CM-MC-PL-011; INTERCAMBIADOR 24 X 10. Cromatografa Saybolt
Colombia, Mayo 4 de 2012. Crudo Villeta. EMD-CM-PR-GE-001; BALANCE
DE MASA Y ENERGIA CAMPO MIRTO.Informe Diario Intercambiador de
calor 24 x 10 Campo Mirto, PPE SA. SEGUIMIENTO DE TEMPERATURA HORA
HORA 17 archivos. Tomados desde 3 de Agosto de 2012 hasta 24 de
octubre de 2012.
Coraza.
Pozo Mirto 2 =340 Barriles/da crudo (cP) = 35102 @ 125F
(cP)=7091 @ 170F (cP)=899,5 T. in intercambiador= 114F=45C T. out
intercambiador=156F=68C
Tubos.
, oil trmico.
Clculos:
Coraza:
1. rea de flujo:
2. Flujo msico caliente:
3. Dimetro Equivalente:
4. velocidad de flujo:
5. Numero de Reynolds.
6. Numero de Prandtl
7. Nmero de Nusselt
Con los valores de y , se escoge la correlacin apropiada de la
tabla 1.
Tubos:
1. rea de flujo:
2. Flujo caliente:
3. Dimetro equivalente:
4. Velocidad de flujo:
5. Numero de Reynolds
6. Numero de Prandtl
7. Para la determinar el nmero de Nusselt se asume que el flujo
se encuentra en desarrollo y el calor transferido a lo largo de la
pared del tubo es constante, por tanto se aplica la ecuacin:
Coeficiente global de transferencia de calor.
Diferencia de temperatura media logartmica.
Calor transferido.
4. RESULTADOS.
Para presentar los resultados, se debe tener en cuenta las 3
(tres) cromatografas entregadas por Emerald Energy Plc:
1. Octubre de 2011, entrega adjunta con pliegos de licitacin.
15,6 API Viscosidad: 11.996 Cp2. 21 de marzo de 2012, va mail. 14,5
API Viscosidad: 30.062 Cp3. 4 de mayo de 2012, va mail. 16,3 API
Viscosidad: 35.102 Cp
Los datos faltantes (Temperaturas, Caudales) se toman de los
informes correspondientes:
Escenario 1: Condicin Actual, Datos tomados de informes
SEGUIMIENTO DE TEMPERATURA HORA HORA. desde 26 de septiembre de
2012 hasta 24 de octubre de 2012. Escenario 2: Condicin de diseo,
Ingeniera Conceptual Entregada por Emerald Energy Plc, documento:
EMD-CM-PR-DS-013; DATASHEET INTERCAMBIADOR 24 X 10.
Escenario 1: Temperatura Entrada Aceite Trmico 195F (Caso
Actual)
El archivo de clculos (Calculo_termico.Xls) presenta la muestra
de todos los clculos anteriores para las 3 viscosidades de crudo
entregadas por Emerald Energy Plc durante el desarrollo del
proyecto Facilidades Definitivas Campo Mirto; en 2 posibles
eventos: 1. Condicin actual de operacin (340 BFPD) y 2. Condicin de
diseo (2000 BFPD). Todas en relacin al pozo Mirto 2. Durante el
desarrollo del anlisis, las condiciones de proceso del aceite
trmico son las mismas para los dos escenarios (Caudal de Entrada
7.5 GPM, y Temperatura de Entrada 195 F).
Comparacin de variables proceso de calentamiento (Caudal de
Fluido: 340 BFPD)
Viscosidad (Centipoises)Calor transferido (W)T. salidaE-101 (
C)T. salidaE-101 ( F)ReynoldsPrandtlNusseltCoeficiente Convectivo
(W/m^2.C)
11.99639.747,4171,73161,120,6359.480,7582,92100,54
30.06235.314,2563,28145,900,2568.735,2560,1572,92
35.10235.445,5462,46144,430,15162.399,8960,7073,59
Tabla 2. Variables y resultados del Anlisis (Caso actual: Caudal
Mirto 2: 340 BFPD).
Comparacin de variables proceso de calentamiento (Caudal de
Fluido: 2000 BFPD)
Viscosidad (Centipoises)Calor transferido (W)T. salida E-101
(C)T. salida E-101 (F)ReynoldsPrandtlNusseltCoeficiente Convectivo
(W/m^2.C)
11.99647.776,0077,90172,233,7259.480,75168,46204,24
30.06245.975,0069,90157,901,4897.676,00140,43170,25
35.10246.240,0068,95156,111,27162.399,89144,07174,66
Tabla 3. Variables y resultados del Anlisis (Caso actual: Caudal
Mirto 2: 2000 BFPD).
Escenario 2: Temperatura Entrada Aceite Trmico 350F
El archivo de clculos (Calculo_termico.Xls) presenta la muestra
de todos los clculos anteriores para las 3 viscosidades de crudo
entregadas por Emerald Energy Plc; en 2 posibles escenarios: 1.
Condicin actual de operacin (340 BFPD) y 2. Condicin de diseo (2000
BFPD). Todas en relacin al pozo Mirto 2. Durante el desarrollo del
anlisis, las condiciones de proceso del aceite trmico son las
mismas para los dos escenarios (Caudal de Entrada 7.5 GPM, y
Temperatura de Entrada 350 F).
Comparacin de variables proceso de calentamiento (Caudal de
Fluido: 340 BFPD)
Viscosidad (Centipoises)Calor transferido (W)T. salidaE-101 (
C)T. salidaE-101 ( F)ReynoldsPrandtlNusseltCoeficiente Convectivo
(W/m^2.C)
11.99678.883,30126,26259,200,63 59.480,75 168,46 100,54
30.06274.010,60112,01233,660,25 97.676,00 140,43 83,80
35.10274.714,20110,55231,000,15 162.399,89 70,92 85,98
Tabla 4. Variables y resultados del Anlisis (Caso actual: Caudal
Mirto 2: 340 BFPD).
Comparacin de variables proceso de calentamiento (Caudal de
Fluido: 2000 BFPD)
Viscosidad (Centipoises)Calor transferido (W)T. salida E-101
(C)T. salida E-101 (F)ReynoldsPrandtlNusseltCoeficiente Convectivo
(W/m^2.C)
11.99694.834,00138,56281,003,72 59.480,75 168,46 204,24
30.06291.260,00122,00253,001,48 97.676,00 140,43 170,25
35.10291.784,00120,00249,001,27 162.399,89 144,07 174,66
Tabla 5. Variables y resultados del Anlisis (Caso actual: Caudal
Mirto 2: 2000 BFPD).
4.1 TEMPERATURA DE SALIDA
Al ser el mismo intercambiador ciertos parmetros se mantienen
constantes; todos los relacionados a la geometra y operacin del
equipo, como se observa en el numeral 3; los dems parmetros cambian
de acuerdo a la composicin del crudo; con los datos obtenidos se
procede a un balance de energa en el crudo para obtener el
diferencial de temperatura, este a su vez se limita por la
temperatura de entrada al intercambiador (130F=C. diseo, 106F=C.
actual) que es la temperatura de cabeza de pozo, para finalmente
tabular la temperatura del crudo a la salida del intercambiador
contra la viscosidad de dicho fluido.
Los resultados obtenidos se presentan en la siguiente
figura.
Figura 2. Temperatura de salida crudo vs viscosidad dinmica.
INGENIERA PARA LA CONSTRUCCIN DE LAS FACILIDADES DE PRODUCCIN
BLOQUE MARANTA - CAMPO MIRTO INGENIERA MECNICA
DOCUMENTO NMERO:REV.:PGINA:FECHA DE EMISIN:FECHA DE REVISIN:
EMD-CM-MC-015A1Pgina 1 de 3226-10-201226-10-2012
PREPARADO POR:REVISADO POR:APROBADO POR:APROBADO POR:
F.M / L.A. / M. G.W.MP.P
TITULO:ESTUDIO INTERCAMBIADOR 24 X 10 CAMPO MIRTO
Figura 3. Seguimiento de temperatura Diario Campo Mirto 9 Oct
2012.4.2 CONDICIN ACTUAL DE OPERACIN1. Mirto-2 API 16,3 Viscosidad:
35.102 Cp.CALOR REQUERIDO
Coeficiente Total de Transferencia de Calor29,71722207W/m^2.
C
rea de transferencia de calor26m^2
Variables ProcesoT in oil c / f91195,8
T out oil c / f65,5149,9
T in crudo c / f41,11105,998
T out crudo c / f57,93136,274
Diferencia media logartmica de temperatura45,87542133C
Calor transferido al crudo35445,54217W
Calor Transferido crudo137661,5677BTU/h
T salida Crudo62,45939237C
T salida Crudo144,4269063F
2. Mirto-2 API 16,3 Viscosidad: 11.996 Cp.CALOR REQUERIDO
Coeficiente Total de Transferencia de Calor33,3238656W/m^2.
C
rea de transferencia de calor26m^2
Variables ProcesoT in oil c / f91195,8
T out oil c / f65,5149,9
T in crudo c / f41,11105,998
T out crudo c / f57,93136,274
Diferencia media logartmica de temperatura45,87542133C
Calor transferido al crudo39747,40575W
Calor Transferido crudo154368,9235BTU/h
T salida Crudo71,73203833C
T salida Crudo161,117669F
4.3 CONDICION DE DISEO1. Mirto -2 API 16.3 Viscosidad: 35.102
Cp.CALOR REQURIDO
Coeficiente Total de Transferencia de Calor38,77901392W/m^2.
C
rea de transferencia de calor26m^2
T in oil c / f176,66349,988
T out oil c / f121,11249,998
T in crudo c / f65,55149,99
T out crudo c / f93,33199,994
Diferencia media logartmica de temperatura91,06966488 C
Calor transferido al crudo91821,38686W
Calor Transferido crudo356611,1643BTU/h
T salida Crudo120,8554262 C
T salida Crudo249,5397671 F
2. Mirto -2 API 16.3 Viscosidad: 11.996 Cp.CALOR REQUERIDO
Coeficiente Total de Transferencia de Calor40,06733962W/m^2.
C
rea de transferencia de calor26m^2
T in oil c / f176,66349,988
T out oil c / f121,11249,998
T in crudo c / f65,55149,99
T out crudo c / f93,33199,994
Diferencia media logartmica de temperatura91,06966488 C
Calor transferido al crudo94871,89898W
Calor Transferido crudo368458,5859BTU/h
T salida Crudo138,6408313 C
T salida Crudo281,5534963 F
5. CONCLUSIONES
1. En un proceso de transferencia de calor en espacios
confinados, los fluidos presentan comportamientos complejos, de
forma tal que para caracterizar el tipo de comportamiento se
emplean dos nmeros adimensionales: 1. El nmero de Reynolds
relaciona las fuerzas inerciales con las fuerzas viscosas del
fluido, e indica que para valores pequeos, el fluido tiene un
rgimen laminar y a valores altos (> 2300) el rgimen es
turbulento. 2. El nmero de Prandtl es la relacin entre la
transferencia de calor por conveccin y por conduccin del fluido;
cuando se tiene valores bajos de Prandtl, reina la transferencia
por conveccin, y por el contrario a valores altos, la transferencia
ocurre por conduccin.De este anlisis se concluye que en fluidos
laminares el numero de Reynolds es bajo y Prandtl alto, caso
contrario en fluidos turbulentos, Reynolds alto y Prandtl bajo.
Para entender mas fcilmente el proceso de transferencia de calor
y su relacin con la viscosidad de los fluidos, se busc una relacin
matemtica (con base en las ecuaciones que permiten modelar un
intercambiador de tubos y coraza) entre el intercambio de calor y
la viscosidad (factor de gran relevancia en los procesos de
transferencia de calor) el cual relaciona el coeficiente convectivo
de transferencia de calor h con el numero de Nusselt, Re, Pr y K
(conductividad trmica del fluido).
De la relacin encontrada , es posible concluir que el
coeficiente de transferencia de calor convectivo depende
directamente del nmero de Nusselt, y este a su vez de Re, Pr y K
(conductividad trmica del fluido). Dicho coeficiente es
directamente proporcional a la transferencia de Calor, y es ms
sensible a la variabilidad del nmero Re, es decir a la turbulencia,
si aumenta el valor de Re (disminuyendo la viscosidad y/o
aumentando el caudal), aumenta la transferencia de calor:
Donde: El rgimen de turbulencia (Re) aumenta si la velocidad del
fluido aumenta o la viscosidad disminuye. Como se observa a
continuacin:
Donde:
Para el anlisis del intercambiador se tiene que para los 3 casos
del crudo, el flujo es laminar (ver tablas 2 t 3), por lo tanto la
transferencia de calor ocurre en mayor parte por conduccin; es
posible mejorar este proceso, si se aumenta la transferencia por
conveccin, ya que al aumentar la turbulencia, el fluido presenta un
efecto de mezcla, y la energa cintica que lleva el fluido, ayuda a
distribuir de manera ms rpida la energa trmica. Esta energa cintica
se ve reflejada en la presin dinmica aplicada al fluido, por lo
tanto al aumentar la presin de descarga de la bomba
electrosumergible en cabeza pozo, la velocidad del fluido aumentar
en el intercambiador de calor.
De las tablas 2 y 3, es posible concluir que al aumentar el
caudal de crudo (de 340 a 2000 BFPD), el numero de Reynolds para el
crudo de 35.102 Cp cambia de 0.15 a 1.27, generando que la
transferencia de calor hacia el mismo aumente en un 30%, pasando de
35.445,54 W a 46.240 W y que su temperatura de salida cambie de
144F a 156F.
2. De las Tablas 4 y 5, es evidente que manteniendo el caudal de
aceite trmico constante pero incrementando la temperatura de
entrada del mismo hasta los 350F, es posible obtener temperaturas
de salida del crudo de 35.102 Cp de 231 F para el caso del flujo de
340 BFPD y de 249 F para el caso de 2000 BFPD. Esto a su vez
permite ajustar la temperatura del aceite a un valor determinado
para lograr el calentamiento deseado en el crudo a la salida del
intercambiador.
3. En la figura 2, se observa que existe una relacin directa
entre el calor especfico de un fluido (Cp) y la Viscosidad, ya que
en crudos de mayor viscosidad, los componentes mas pesados
(asfltenos, parafinas, C7+) existen en mayor proporcin, aumentando
el Cp del fluido. Esto se traduce en que crudos de mayor viscosidad
necesitan ms energa para llegar al mismo nivel energtico de un
crudo menos viscoso (Temperatura de salida).
4. En la figura 3 se observa que el intercambiador opera en
estado estable, ya que las diferencias de temperatura se mantienen
constantes (deltas) a pesar de la variabilidad de la temperatura
ambiente. Adems, si se compara la temperatura calculada por el
mtodo descrito en este documento, se observa que no esta alejado de
la realidad y se ha logrado una buena aproximacin con este
algoritmo.
5. Se debe tener en cuenta que las condiciones de operacin
actual (ver informes SEGUIMIENTO HORA-HORA), difieren de las
condiciones presentadas por Emerald Energy Plc en la ingeniera
conceptual (EMD-CM-PR-DS-013; DATASHEET INTERCAMBIADOR 24 X 10);
por lo tanto el funcionamiento del sistema trmico (Quemador/Caldera
Aceite Intercambiador) no ser equivalente al diseado, estas
variaciones se deben principalmente por dos factores que no se
cumplen a cabalidad actualmente. La temperatura de los pozos es
inferior a la temperatura de diseo (130 F), la viscosidad con que
se disearon los intercambiadores fue la entregada por Emerald
Energy Plc el 21 de marzo de 2012 (11996,7 Cp), y se presenta un
cambio el 4 mayo de 2012 (35102 Cp) cuando los intercambiadores se
encontraban ya en fase de construccin.
6. El coeficiente convectivo h del lado de la coraza disminuy un
27% (lo que se traduce en una reduccin de la transferencia de calor
hacia el crudo), pasando de 100.54 W/m^2. C para el crudo de 11.996
Cp a 73.59 W/m^2. C para el crudo de 35.102 Cp). Esta reduccin en
la transferencia de calor de un crudo respecto al otro hace que
para el mismo intercambiador y las mismas condiciones de proceso
(caudal de aceite trmico, temperatura del mismo y caudal de crudo)
temperatura de salida del crudo menos viscoso sea 161,12 F y de
144,43 F para el crudo mas viscoso.
7. Las temperaturas de salida de los fluidos en la condicin
actual de operacin (crudo y aceite trmico) difieren en 13 F,
condicin ms favorable que el delta aceptable de diseo (50F), lo que
indica un aprovechamiento de energa trmica del 25% ms ptimo.
8. El intercambiador en cuestin fue diseado bajo dos normas,
como se describe en el documento EMD-CM-MC-ES-009 Especificaciones
tcnicas intercambiador 24X10, ASME Section VIII Div 1 Pressure
Vessels, TEMA (Standards of The Tubular Exchanger Manufacturers
Association). Por lo tanto el material, las uniones soldadas, las
boquillas, las silletas, y todo el conjunto funciona para una
presin mxima (MAWP) de 234 Psi a 585 F (ver informacin
EMD-CM-MC-MC-009 Clculo Intercambiador 24 X 10), su capacidad
volumtrica de 2000 BFPD no es afectada por la viscosidad del
fluido, sin embargo, el proceso interno para calentar el crudo, si
depende de esta propiedad. Dado el caso en que sea necesario
aumentar la presin dinmica para aumentar la turbulencia, el
intercambiador se encuentra en plena capacidad de soportar la carga
por temperatura y presin.
9. De este anlisis se concluye que gracias a la robustez del
diseo en la ingeniera conceptual, el intercambiador cumple
satisfactoriamente su papel de calentar el fluido frio, aun en las
condiciones mas adversas, como lo son: la lejana de los
calentadores, la columna de liquido en contra del fluido en el
proceso de transferencia, disminucin de la temperatura de entrada
del fluido frio, disminucin del flujo msico del crudo, aumento
drstico de la viscosidad del crudo y variabilidad de la temperatura
ambiente.6. BIBLIOGRAFIA
Cengel L. Yunus. A. Transferencia de Calor, Segunda Edicin,
McGraw Hill, Mxico julio de 2007. Kern. Donald Q. Procesos de
Transferencia de Calor, CECSA, Trigsima Primera Edicin, Mxico 1999.
Shah. R. K. u. A. L. London: Laminar Flow Forced Convection in
Ducts. New York, San Francisco, London: Academic Press (1978).
ANEXO MEMORIAS DE CALCULO:1. ESTUDIO INTERCAMBIADOR 24 X 10
CAMPO MIRTO / API 16.3; 35102 cP, Tin Oil Trmico 195F, 340
BFPD.
2. ESTUDIO INTERCAMBIADOR 24 X 10 CAMPO MIRTO / API 15.5; 30062
cP, Tin Oil Trmico 195F, 340 BFPD.
3. ESTUDIO INTERCAMBIADOR 24 X 10 CAMPO MIRTO / API 16.6; 11996
cP, Tin Oil Trmico 195F, 340 BFPD.
4. ESTUDIO INTERCAMBIADOR 24 X 10 CAMPO MIRTO / API 16.3; 35102
cP, Tin Oil Trmico 350F, 340 BFPD.
5. ESTUDIO INTERCAMBIADOR 24 X 10 CAMPO MIRTO / API 15.5; 30062
cP, Tin Oil Trmico 350F, 340 BFPD.
6. ESTUDIO INTERCAMBIADOR 24 X 10 CAMPO MIRTO / API 16.6; 11996
cP, Tin Oil Trmico 350F, 340 BFPD.
7. ESTUDIO INTERCAMBIADOR 24 X 10 CAMPO MIRTO / API 16.3; 35102
cP, Tin Oil Trmico 195F, 2000 BFPD.
8. ESTUDIO INTERCAMBIADOR 24 X 10 CAMPO MIRTO / API 15.5; 30062
cP, Tin Oil Trmico 195F, 2000 BFPD.
9. ESTUDIO INTERCAMBIADOR 24 X 10 CAMPO MIRTO / API 16.6; 11996
cP, Tin Oil Trmico 195F, 2000 BFPD.