Modelo para la optimización económica del funcionamiento de intercambiadores de calor bajo condiciones de ensuciamiento

Abstract

La presente investigación se presenta en 11 capítulos, divididos en dos partes para una mejor exposición. La primera parte comprende los capítulos 1 al 7 inclusive, trata principalmente de diversos aspectos teóricos sobre los cuales está fundamentada la investigación. En el Capítulo 1 se tratan aspectos generales sobre los intercambiadores de calor de coraza y tubos: normas y diseños, partes y dispositivos mecánicos, etc. Asimismo, en el Capítulo 2 se hacen referencias generales sobre el petróleo, fluido sobre el cual se ha llevado a cabo este estudio, y comprende generalidades sobre su composición, origen y los procesos de refinación diseñados para su aprovechamiento. Los Capítulos 3 Y 4 contienen los principales aspectos teóricos sobre el fenómeno del ensuciamiento: sus causas, sus mecanismos más probables y la influencia de diversos factores en la evolución del mismo, junto con los progresos logrados hasta el día de hoy en la búsqueda de un modelo que permita explicar los procesos de ensuciamiento. Por otro lado, el Capítulo 5 hace mención de los fundamentos básicos de la transferencia de calor por convección y de las principales ecuaciones para la predicción de los coeficientes peliculares (h), y el Capítulo 6 trata sobre la predicción de propiedades del petróleo y sus fracciones, aspecto básico para la estimación de la convección térmica. Finalmente, el Capítulo 7 presenta referencias generales de Refinería La Pampilla, unidad operativa en donde fue realizado este estudio, haciéndose una reseña histórica de la misma y una descripción de sus instalaciones. La segunda parte comprende los capítulos 8 al 11 inclusive, y trata sobre el estudio en sí: datos, resultados, interpretación, correlaciones propuestas y optimización. El Capítulo 8. presenta una introducción previa al estudio del ensuciamiento de los intercambiadores en Refinería La Pampilla: Los equipos seleccionados, las correlaciones escogidas para la estimación de los coeficientes peliculares de transferencia de calor y de las propiedades de los fluidos, los problemas encontrados durante la evaluación de los datos y cómo fueron solucionados, así como el procedimiento seguido para el cálculo del ensuciamiento a través del método del Número de Unidades de Transferencia (NUT). El Capítulo 9 contiene un análisis del funcionamiento de los intercambiadores a partir de los resultados obtenidos. Se presentan tablas y gráficas del ensuciamiento respecto al tiempo, y se plantean algunas hipótesis acerca de las irregularidades observadas. Se discute también el funcionamiento desde el punto de vista estadístico, basado en el Criterio de la Desviación del Balance Térmico, aplicándose en base a éste una prueba estadística para los datos potencialmente erróneos (ver sección 9.5.0). En el Capítulo 10 se trata todo lo concerniente a la determinación de una ecuación que permita estimar el ensuciamiento en función del tiempo. Se presentan tablas con los datos ya depurados y listos para su ajuste, indicándose además el modelo sobre el cual se efectuó la correlación, el mismo que es una forma modificada del modelo de Kern - Seaton (ver ecuación 4.9). Finalmente, en el Capítulo 11 se presenta el análisis de optimización como aplicación de las correlaciones establecidas. Se analizan dos criterios: el de minimización de los costos por ensuciamiento (el criterio principal) y el de maximización de la energía térmica recuperada en el intercambiador, habiéndose deducido en cada caso una ecuación de optimización. Cada una de estas presenta características particulares, tales como límites de definición, asíntotas, etc., los cuales se discuten en la sección 11.3. En este capítulo, se presentan además algunos ejemplos de simulación y análisis de sensibilidad de costos, a partir de ciertos casos escogidos denominados “Casos Base“. Al final del presente trabajo se han incluido algunos apéndices, los cuales contienen aspectos complementarios que han servido de apoyo a la investigación efectuada. Entre estos se encuentran: el desarrollo de correlaciones para el Factor Calórico de Colburn, para la viscosidad del kerosene, en función del factor KuciF y de la densidad API, etc.; asimismo, los conceptos y métodos estadísticos empleados, tales como la Prueba de Nalimov, el método de los promedios móviles para el suavizamiento de curvas, etc. Por último, se incluyen diversos cálculos misceláneos, la deducción y el análisis en detalle de las fórmulas para calcular los periodos óptimos de operación y la descripción del programa INTCALC, empleado para simular el funcionamiento de los intercambiadores de calor, entre otros puntos.