Diseño

Los intercambiadores de calor de gas a gas de alta temperatura se encuentran comúnmente en 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 elevados. Normalmente, al menos una, si no ambas, corrientes de gas son altamente corrosivas si se les permite condensarse.

Modos de falla comunes

Si se emplea un diseño estándar de carcasa y tubo, lo más probable es que se produzcan varios modos de fallo. Éstas incluyen:

Corrosión en el extremo frío: la corriente de gas frío a menudo ingresa al intercambiador de calor a una temperatura inferior al punto de rocío de los componentes 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 entra en contacto con un punto frío, se producirá condensación. El ácido resultante causará corrosión localizada comúnmente conocida como corrosión en el extremo frío.

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

Fallas por estrés: los recuperadores de gas a gas de alta temperatura experimentan cambios de temperatura rápidos y extremos. Esto da como resultado una expansión y contracción del material rápida y significativa. Con diseños de carcasa y tubos estándar, 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 de tubos por los tubos y, en última instancia, fallas en las soldaduras de la placa de tubos.

Caída de presión imprevista: si la caída de presión es mayor de lo previsto, el caudal operativo también será menor de lo 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 reducirse a varios años.

La solución

Es imperativo evaluar minuciosamente 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 se pueda diseñar confiabilidad y eficiencia en el recuperador.

Un análisis exhaustivo 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 ajustes y reparaciones costosos 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 más uniforme del flujo en todo el haz de tubos y generará una temperatura uniforme en toda la placa de tubos. Esto también contribuye a una menor caída de presión y una mayor eficiencia térmica.

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

Plenums de entrada anulares completos: los plenums permiten que las corrientes de gas ingresen al recuperador a menor velocidad promoviendo la uniformidad y evitando aún más los puntos fríos. Este diseño también evita áreas aisladas de mayor caída de presión comunes en las conexiones y mejora 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 a la hora de determinar los pasos de los tubos y la disposición de los deflectores y el pleno. El diseño se ajusta en función del análisis inicial hasta que se prueban en 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 considerable de computación, 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 áreas de mayor preocupación. La experiencia nos dice que normalmente se encuentran en regiones de baja temperatura, ya que éstas son la ubicación más frecuente de las fallas.

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

A fin de proporcionar medidas y disposiciones iniciales/presupuestarias, se necesita un enfoque simplificado para una evaluación inicial. Para este análisis inicial, se pueden hacer suposiciones para los flujos de gas basándose 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 un análisis del “área de interés” con relativa rapidez para confirmar la sospecha de un posible punto frío en esa región.

Luego se puede modificar y volver a analizar el diseño del recuperador. Con el modelo simplificado, resulta práctico ejecutar varias iteraciones para centrarse en la disposición más ventajosa.

Ajustar y reevaluar

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

Los deflectores primero guiarán el aire en una disposición paralela, paralela 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 precomprimen durante la instalación para que funcionen casi de manera normal a las elevadas temperaturas experimentadas durante la operación.

Elección del material

Durante la selección del material se debe considerar la temperatura máxima de funcionamiento y la composición del gas. La temperatura más alta del metal, determinada mediante el análisis CFD, y la composición de la corriente son los principales criterios utilizados en la determinación de materiales. Los costos de materiales y fabricación, la disponibilidad y la vida operativa deseada también son parte de la ecuación. La experiencia y los conocimientos son las mejores herramientas a la hora de determinar el material que minimice los costes y maximice la vida útil.

Análisis de vibraciones

Como ocurre con cualquier diseño de intercambiador de calor, se debe revisar el potencial de vibración. Pequeños ajustes en la disposición de los deflectores y las configuraciones de las boquillas pueden eliminar los problemas de vibración y se abordan fácilmente durante la fase de diseño. Si se ignora, la vibración puede resultar muy costosa de abordar en el campo.

Placa tubular flotante

Dependiendo de la configuración del recuperador, la frecuencia con la que realizará el ciclo y la rapidez y extremación del aumento de las temperaturas, se podría recomendar una placa tubular flotante. Una placa tubular flotante absorbería las tensiones adicionales causadas por estas condiciones y eliminaría aún más la preocupación por fallas en la soldadura.

Solucionar problemas durante la fase de diseño es la clave del éxito

En conclusión, abordar el potencial de corrosión e incrustaciones en el 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 ayudada 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