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Gestión de los intercambiadores de calor de tubos enrollados y análisis de sus perspectivas de aplicación. Los intercambiadores de calor de tubos enrollados no solo son equipos importantes en los grandes procesos químicos, sino que también constituyen dispositivos eficientes desde el punto de vista energético. Estos intercambiadores de calor tienen una estructura compleja, son costosos y se encuentran en partes críticas del equipo. Por lo tanto, si estos intercambiadores presentan alguna fuga, todo el equipo debe detenerse su funcionamiento. Además, fabricar uno nuevo llevaría al menos seis meses, lo que causaría pérdidas enormes a la empresa. La vida útil de un intercambiador de calor normal suele ser de unos 12 a 20 años. Las empresas pueden reemplazarlo de forma planificada, según las condiciones reales de uso y el plazo de vida útil del mismo. Sin embargo, en el país también hay muchas empresas que, debido a una mala gestión del intercambiador de calor, presentan problemas de calidad después de un uso muy breve. Para garantizar un funcionamiento a largo plazo del intercambiador de calor con tubos enrollados, es fundamental llevar a cabo una gestión integral durante todo el ciclo de vida de dicho dispositivo. 1. Introducción al intercambiador de calor de tubos enrollados. El intercambiador de calor de tubos enrollados está compuesto por dos partes: el núcleo de los tubos y la carcasa (Figura 1). Alrededor del núcleo del tubo se encuentran el cilindro central, los tubos de intercambio de calor, las tiras de sujeción y los abrazaderas para tubos. Los tubos de intercambio de calor están enrollados de manera compacta alrededor del cilindro central (Figura 2). Se utilizan arandelas planas y arandelas de forma especial para mantener la distancia entre los tubos, tanto en dirección transversal como longitudinal. Las arandelas se fijan a los tubos mediante abrazaderas. Los tubos de intercambio de calor y las placas de tuberías se conectan mediante soldaduras resistentes, además de mediante elementos de expansión. El cilindro central cumple una función de soporte durante su fabricación; por lo tanto, es necesario que tenga cierta resistencia y rigidez. La carcasa está compuesta por un cilindro y una tapa, entre otros componentes. Sus principales ventajas en la ingeniería son: a. Estructura compacta, con un gran área de transferencia de calor por unidad de volumen. En los tubos de transferencia de calor con un diámetro de 8 a 12 mm, el área de transferencia de calor por metro cúbico puede llegar a ser de 100 a 170 m². b. Es posible realizar la transferencia de calor con varios tipos de medios al mismo tiempo. c. La presión de operación dentro de los tubos es alta; actualmente, la presión máxima de operación en el extranjero puede alcanzar los 2156 MPa. d. La expansión térmica de los tubos de transferencia de calor se puede compensar automáticamente. e. Los intercambiadores de calor pueden diseñarse para tener un tamaño grande. 2. Aplicaciones industriales de los intercambiadores de calor de tubos enrollados En el extranjero, los intercambiadores de calor de tubos enrollados se utilizan ampliamente en los refrigeradores y licuadores de los grandes dispositivos de separación de aire (dispositivos para óxido de hidrógeno líquido y amoníaco líquido). La serie de intercambiadores de calor de tubos enrollados desarrollada por la empresa Linde para los sistemas de lavado con metanol en la producción de amoníaco sintético demuestra perfectamente las ventajas de este tipo de intercambiadores de calor. Los intercambiadores de calor de tipo tubo enrollado se utilizan actualmente en China principalmente en las unidades de síntesis de amoníaco para la producción de fertilizantes (proceso Texaco). En todo el país existen cerca de 20 unidades de este tipo; en cada una de ellas hay 6 intercambiadores de calor de tipo tubo enrollado. Las características específicas de estos intercambiadores se detallan en la Tabla 1. La mayoría de los intercambiadores de calor con tubos enrollables que formaban parte de los primeros diez equipos instalados en nuestro país ya han sido reemplazados. En la mayoría de los casos, esto se debe a que han alcanzado su vida útil; sin embargo, también hay muchos casos en los que el daño se ha producido debido a una mala gestión. La Tabla 2 muestra las principales causas de daño en los dispositivos de algunos usuarios, mientras que la Tabla 3 indica el porcentaje de causas de daño en los dispositivos. La gestión del uso de los intercambiadores de calor con tubos enrollados consta principalmente de 4 aspectos: el control del proceso de fabricación, la selección de técnicas adecuadas para la limpieza y eliminación de incrustaciones, la gestión eficaz del funcionamiento del dispositivo, y el uso correcto de las soluciones para corregir los defectos del producto. 3.1 Control del proceso de fabricación Debido a las características especiales de los intercambiadores de calor de tubos enrollados, los fabricantes deben realizar un control exhaustivo durante todo el proceso de producción, estableciendo requisitos de control diferentes según las distintas aplicaciones para las cuales se utilizarán dichos dispositivos. Contenido principal de control: a. Elección de las tuberías. Actualmente, los tubos que se utilizan son tubos de acero con costura y tubos de acero sin costura. Los tubos de acero con costura tienen una fiabilidad menor y son adecuados para aplicaciones a baja presión; en cambio, los tubos de acero sin costura presentan un mejor rendimiento general, pero tienen zonas débiles, por lo que es necesario someter las juntas a un tratamiento de solución térmica. Para medios altamente corrosivos, es recomendable utilizar tuberías de acero sin costuras; por el contrario, para otros casos, son más adecuadas las tuberías de acero con costuras. Cuando el diámetro del serpentín es grande, es recomendable utilizar tubos con costura; cuando el diámetro es pequeño, es mejor usar tubos sin costura. b. Control de los tubos colectores. La calidad del control de los serpentines afecta directamente la eficiencia de intercambio térmico del intercambiador, especialmente en lo que respecta a la formación de incrustaciones. Por lo tanto, al realizar la regulación, es necesario mantener una distancia adecuada entre las capas, sin espacios estrechos o rincones donde pueda haber obstrucciones. De esta manera, se evita que haya una distribución desigual de los fluidos, lo cual podría causar bloqueos y reducir el área de flujo del fluido. c. Control de la soldadura. La forma más común de daño en las tuberías enrolladas es la fuga en sus extremos, que constituyen una parte crucial del equipo. Por lo general, en los intercambiadores de calor de tipo tubular, para mejorar la eficiencia del intercambio térmico, se utilizan tubos pequeños y delgados; esto hace que sea fácil que se produzcan defectos durante el proceso de soldadura. Por lo tanto, es necesario controlar estrictamente la energía de soldadura; lo ideal es utilizar el método de soldadura automática, para que las costuras sean uniformes y completas. d. Los intercambiadores de calor con tubos enrollados funcionan en posición vertical; por lo tanto, es fácil que se produzca corrosión por espacio entre la placa inferior y los tubos. Esta también es una de las formas más comunes de daño. Por lo tanto, para realizar el proceso de expansión es necesario cumplir dos condiciones: primera, que haya un grado adecuado de expansión, a fin de eliminar los espacios entre las piezas y prevenir la corrosión; segunda, evitar una expansión excesiva, ya que esto podría causar deformaciones plásticas en la placa del tubo, lo cual disminuye la fiabilidad del proceso de expansión. Además de los aspectos mencionados anteriormente, el control en la fabricación de intercambiadores de calor de tipo tubo enrollado también incluye el control de los materiales y del diseño, con el fin de que los productos resultantes se adapten a las características de producción de cada empresa. 3.2 Elección de las técnicas de desincrustación. Actualmente, en las empresas nacionales, la mayoría de los daños en los intercambiadores de calor de tipo tubular se deben a que las técnicas de desincrustación con ácido aún no están lo suficientemente desarrolladas. En particular, el problema radica en el uso inadecuado de este método. Actualmente, los líquidos de decapado más utilizados son tres: solución al 5% de HCl, nitrato o ácido fluorhídrico, y ácido cítrico. De ellos, el decapado con HCl se utiliza principalmente en acero al carbono, mientras que los otros dos se emplean principalmente para el decapado del acero inoxidable. El nitrato o el ácido fluorhídrico son ácidos muy fuertes; funcionan mediante el principio de desprendimiento de la incrustación para eliminarla, pero causan corrosión con facilidad. Por su parte, el ácido cítrico elimina las incrustaciones a través de procesos de complejación, y su acidez es más baja. El autor analiza las causas de daño tomando como ejemplo un intercambiador de calor de metanol. En la empresa Zhenhai Refining & Chemical, durante el proceso de decapado con ácidos E9 y E10, el material utilizado para los tubos era acero al carbono. Se empleó ácido clorhídrico para el decapado. Después del proceso, el ácido acumulado en la parte inferior del intercambiador no se eliminó a tiempo, lo que causó que quedaran residuos de ácido en las zonas muertas entre los tubos. Durante los períodos de mantenimiento, esto provocó corrosión ácida, lo que dañó los tubos. En una planta química en Shanghái, se utilizó ácido fluorhídrico para el decapado de un intercambiador de tubos de 36 toneladas. Dado que el ácido fluorhídrico es muy corrosivo para las soldaduras, este penetró en las juntas entre los tubos, lo que causó grietas en las soldaduras. En la planta química de Ningxia, se utilizó ácido nítrico para eliminar la incrustación. Después de este proceso, se generó una gran cantidad de Fe3+. El tiempo de decapado fue algo largo, lo que hizo que la concentración de Fe3+ superara con creces el valor estándar de 6×10-4. El Fe3+ se adhirió a los tubos, causando corrosión. Además, debido al largo tiempo de uso del ácido nítrico, este no se eliminó a tiempo, lo que provocó una fuerte corrosión y daño en los tubos. Actualmente, el método de decapado más adecuado parece ser el uso de ácido cítrico, que es un ácido de intensidad moderada. Se procede a realizar el decapado varias veces, pero por periodos de tiempo cortos; en total, se pueden realizar de 5 a 6 procesos de decapado en un mismo intercambiador de calor. Cada proceso dura poco tiempo, lo cual permite limpiar bien el intercambiador y evitar que los niveles de Fe3+ superen los límites permitidos. De esta manera, se garantiza que el intercambiador de calor no sufra corrosión. El uso correcto de las técnicas de limpieza para eliminar la incrustación es muy importante para la vida útil de los intercambiadores de calor. Se debe prestar una atención especial a su aplicación, utilizando métodos adecuados para realizar el tratamiento con ácido. 3.3 Gestión de la operación del dispositivo: También hay muchos casos en los que se presentan problemas de calidad debido a las impurezas presentes en las materias primas. Según los requisitos de diseño, los intercambiadores de calor de tipo tubo enrollado se utilizan en situaciones en las que las impurezas en los medios a tratar son escasas y donde es fácil su limpieza. Dado que estos intercambiadores buscan ser lo más compactos posible, la distancia entre los tubos y entre las capas es bastante pequeña; por lo tanto, se exigen estándares más elevados a las materias primas utilizadas. Una vez que se producen fluctuaciones en el dispositivo, etc., es posible que haya muchas impurezas en las materias primas, lo que facilita la obstrucción. Por lo tanto, para llevar a cabo las operaciones de manera eficaz, es necesario tener en cuenta los siguientes aspectos: a. La selección de las materias primas. El contenido de impurezas en las materias primas debe controlarse estrictamente. Un aumento en la cantidad de impurezas hace que algunas de ellas se adhieran a los elementos de soporte entre las capas. Con el paso del tiempo, esto puede causar obstrucciones en los canales, lo que a su vez reduce significativamente la superficie de intercambio térmico. b. El diseño de la estructura del sistema es razonable. Para evitar que las impurezas grandes lleguen al intercambiador de calor, es necesario instalar una malla filtrante en la parte superior del sistema. El tamaño de los orificios de la malla debe ajustarse en función del tamaño de las impurezas. Solo después de que la materia prima haya sido filtrada puede entrar al intercambiador de calor. De esta manera, se evita que la materia prima cause obstrucciones dentro de las tuberías. c. Añadir un dispositivo de retroflujo. Durante el funcionamiento del intercambiador de calor, las impurezas tienden a depositarse en la parte inferior. Por un lado, esto obstruye los canales de flujo; por otro lado, provoca corrosión debajo de los depósitos de suciedad. Por eso, se implementa un sistema de retroenjuague en la parte inferior del intercambiador. Este sistema utiliza burbujas para agitar las impurezas acumuladas en su interior, permitiendo que estas se eliminen junto con el fluido que fluye a través del intercambiador. Además, durante el funcionamiento del dispositivo, es necesario prestar especial atención a los cambios de temperatura y presión al iniciar y detener su operación. Hay que controlar estrictamente la velocidad de aumento de temperatura y la correspondencia entre las presiones; de lo contrario, puede ocurrir una expansión o contracción desigual, lo que daña las conexiones entre las tuberías. 3.4 Elección adecuada de los planes de reparación de los equipos. Los intercambiadores de calor con tubos enrollables suelen tener un ciclo de funcionamiento largo, pero a menudo presentan problemas. Los problemas más comunes son las obstrucciones, las fugas en los tubos y las fugas en las conexiones de los mismos. Es muy importante elegir correctamente el plan de reparación adecuado para el equipo. Cuando el intercambiador de calor se obstruye, existen dos métodos para desobstruirlo: uno es usar una manguera de agua a alta presión, método este que se utiliza cuando la obstrucción no es muy grave; el segundo método consiste en utilizar ácidos para limpiarlo, y se emplea principalmente en casos de obstrucciones graves. Si se detecta una fuga en las tuberías del intercambiador de calor, solo se procederá a sellarlas una vez que se haya confirmado la fuga mediante pruebas de presión. En los intercambiadores de calor se ha producido una fuga en las tuberías. Existen dos formas de reparar este problema: si hay pocos conectores en las tuberías, se puede utilizar el método de taponarlos; pero si hay muchos conectores, taponarlos afectaría negativamente al rendimiento del intercambiador de calor. En ese caso, es mejor utilizar el método de soldadura para reparar las tuberías. Aunque la reparación de los intercambiadores de calor de tipo enrollado es compleja, existen muchos casos en los que esta reparación ha tenido éxito. Análisis de las perspectivas de aplicación de los intercambiadores de calor con tubos enrollados. Actualmente, los intercambiadores de calor con tubos enrollados se utilizan ampliamente en instalaciones de criogenia en el sector químico, como las plantas de separación del aire y las plantas de metanol. A medida que avanza la investigación sobre estos intercambiadores en China, diversas empresas nacionales han trabajado incansablemente para expandir su campo de aplicación. Se han logrado avances preliminares en este sentido, y existen las siguientes tendencias principales. 4.1 Gran escala de los intercambiadores de calor con tubos enrollados. Gracias al diseño especial de su estructura, estos intercambiadores tienen cabezales pequeños, y sus tubos pueden alcanzar longitudes de cientos de metros. Actualmente, ya se han desarrollado y fabricado algunos intercambiadores de calor con tubos enrollados de gran tamaño. La Figura 3 (omitiéndola aquí) muestra un gran intercambiador de calor de tipo tubular utilizado por Texas Petrochemicals. Las dimensiones de este intercambiador son de 1600 mm × 20000 mm; su peso es de 60 toneladas, y su área de intercambio térmico es de 2000 m². Esto representa aproximadamente el doble de la superficie de intercambio térmico de los intercambiadores convencionales de tipo carcasa. A medida que los dispositivos se vuelven más grandes, estos intercambiadores de calor con tubos enrollados también requieren ser cada vez más grandes. Por su parte, los intercambiadores de calor de tubos convencionales no pueden ser más grandes debido a las limitaciones impuestas por los tubos. 4.2 Intercambiadores de calor con tubos enrollados de alta temperatura: Los intercambiadores de calor con tubos enrollados poseen un alto rendimiento en el intercambio de calor. Sin embargo, actualmente se utilizan principalmente en dispositivos de criogenia. A partir del año 2001, empresas como Hefei General comenzaron a investigar los intercambiadores de calor de tipo tubo enrollado, destinados a su uso en condiciones de altas temperaturas (ver Figura 4). En el año 2002, estos intercambiadores de calor fueron puestos en servicio en la planta de refinación de Zhenhai. Estos intercambiadores utilizan acero CrMo, un material resistente a altas temperaturas. Los parámetros de operación se indican en la Tabla 4. Tras varios años de funcionamiento, el rendimiento de este intercambiador de calor cumple plenamente con los requisitos de uso, y su calidad es también bastante fiable. La aplicación exitosa de este producto ha permitido que el ámbito de uso de los intercambiadores de calor con tubos enrollados se **amplíe**, pasando de aplicaciones a bajas temperaturas a aplicaciones a altas temperaturas. Siempre y cuando el medio lo permita, estos intercambiadores también pueden aprovechar al máximo sus ventajas en la industria petrolera. 4.3 Alta presión en los intercambiadores de calor con tubos enrollados. Actualmente, los intercambiadores de calor con tubos enrollados se utilizan principalmente en situaciones en las que la presión en el lado del casco es alta, mientras que la presión en el lado de los tubos es baja. Por lo general, la presión en el lado del casco alcanza los 15,0 MPa, mientras que la presión en el lado de los tubos suele ser inferior a los 5,0 MPa. Debido a que la estructura de diseño del intercambiador de calor con tubos enrollados se caracteriza por una placa de tubos pequeña, un área grande para el flujo en el recinto exterior y tapas de entrada pequeñas en ambos extremos, esta estructura puede superar las desventajas de los intercambiadores de calor de alta presión convencionales. Los intercambiadores de calor de alta presión convencionales suelen ser de tipo con cabeza flotante o de tubos en forma de U. A medida que aumenta la presión, no solo se incrementa el espesor de la carcasa, sino que también es necesario elevar significativamente el grado de resistencia de las bridas. En los intercambiadores de calor de alta presión, cuando la presión supera los 10 MPa, si el espesor de la carcasa llega a los 1,4 metros, el intercambiador se vuelve muy grande y las bridas también son muy gruesas. Además, a medida que los dispositivos se vuelven más grandes, también es necesario ampliar constantemente los intercambiadores de calor de alta presión. Esto plantea dificultades en su fabricación. Por ejemplo, en el caso de los intercambiadores de calor de tipo anillo de sujeción utilizados en la hidrocracking, la presión en el interior de las tuberías es de 14,5 MPa, mientras que la presión en el exterior es de 18,5 MPa. El diámetro de estos intercambiadores es de 1,4 m. El peso del cuerpo del intercambiador alcanza los 45 toneladas, lo que hace su fabricación extremadamente difícil. Si se optara por utilizar intercambiadores de tipo flotante, sería muy complicado garantizar requisitos como la estanqueidad del mismo. Por lo tanto, a medida que las instalaciones de hidrogenación se vuelven más grandes, los intercambiadores de calor con anillos de sujeción también deben hacerse más grandes, alcanzando dimensiones de 1,6 m o 1,8 m. No solo es difícil su fabricación, sino que, debido a su gran tamaño, su inspección y mantenimiento resultan sumamente complicados. Por su parte, los intercambiadores de calor de tipo enrollado permiten aumentar su área al alargar su longitud; además, las placas tubulares en los extremos hacen que las bridas de conexión sean pequeñas, lo que facilita su fabricación. Actualmente, algunas instituciones nacionales están realizando investigaciones con el objetivo de reemplazar gradualmente a algunos intercambiadores de calor de alta presión utilizados en la industria petrolera, como los que se emplean en procesos de hidrocraqueo y reformado, por intercambiadores de tipo tubular. 4.4 Multiplexación de hilos en los intercambiadores de calor con tubos enrollados. A medida que las aplicaciones relacionadas con estos intercambiadores se vuelven más avanzadas, es posible lograr un intercambio de calor mediante múltiples flujos. Se trata de una característica especial que no pueden igualar otros tipos de intercambiadores de calor. Un intercambiador de calor permite que un medio en el circuito de la carcasa pueda intercambiar calor simultáneamente con dos o tres medios diferentes. De esta manera, se **mejora la eficiencia de intercambio de calor del dispositivo y también el espacio disponible para dicho intercambio**. Actualmente, en el país se ha iniciado gradualmente la investigación y fabricación de intercambiadores de calor de flujo múltiple. Ya se han puesto en uso algunos de estos productos. La Figura 5 (no mostrada aquí) muestra un intercambiador de calor de flujo múltiple desarrollado por Balin Petrochemicals. 4.5 Los intercambiadores de calor de tubos enrollados en versión miniatura: gracias a su eficiente capacidad de intercambio térmico, estos intercambiadores no solo se desarrollan hacia tamaños más grandes, sino que también van evolucionando gradualmente hacia versiones más pequeñas. En algunos espacios con limitaciones de espacio, los intercambiadores de calor convencionales no son capaces de satisfacer las necesidades de intercambio térmico; en cambio, los intercambiadores de calor con tubos enrollados permiten cumplir con esas necesidades en el mismo espacio. Precisamente debido a este excelente rendimiento, los intercambiadores de calor con tubos enrollados se utilizan en el ámbito de los dispositivos microscópicos. La Figura 6 muestra un intercambiador de calor de tipo tubo enrollado utilizado en un producto militar. Dado que el espacio disponible para este producto militar es limitado, tras realizar comparaciones repetidas, se eligió finalmente este tipo de intercambiador para permitir el intercambio de calor en ese espacio reducido. 5 Conclusión: El intercambiador de calor de tipo tubular es un tipo de intercambiador de calor eficiente y moderno. Por lo tanto, es muy importante gestionar adecuadamente todo el proceso relacionado con este equipo para garantizar su correcto funcionamiento. Además, a medida que las aplicaciones se vuelven más avanzadas, su ámbito de aplicación se expande cada vez más, lo que les permitirá desempeñar un papel cada vez más importante.