Boletín Técnico 104 TEX-MESH
Diseño de Eliminadores de Niebla tipo Vanes
Introducción
Para ciertas aplicaciones, los eliminadores de niebla tipo Vanes son una alternativa a los eliminadores de malla de alambre.
Conocidos comúnmente como eliminadores de niebla chevron o de láminas corrugadas, los vanes se construyen en zig-zag o en láminas paralelas con perfil sinusoidal. Los espaciadores proporcionan una separación constante entre las láminas. Los diseños de unidades tipo Vanes típicamente capturan gotas de niebla de 10 micras y mayores. Aún cuando no son tan eficientes como una colchoneta de mallas para remover gotas más pequeñas, las unidades tipo vanes dan un funcionamiento excelente en un número de casos en donde la eficiencia de remoción no es el único objetivo.
La siguiente información detalla el dimensionamiento y describe varios de los diseños, aplicaciones y características de funcionamiento de los eliminadores de niebla tipo vanes.
Descripción de la Operación de los Vanes
Los eliminadores de niebla tipo vanes o chevron remueven las gotas de los líquidos por el proceso de impacto inercial. El vapor que acarrea consigo las gotas de niebla se mueve a través del perfil sinusoidal o en zig-zag de los vanes, y las gotas líquidas de alta densidad se mueven en un perfil menos sinuoso que el vapor que les acompaña. Como resultado, en cada vuelta o quiebre de los vanes, éstas gotas se impactan contra su superficie. Algunas de estas gotas se adhieren a la pared del vane. Como el proceso continúa, más y más gotas se impactan contra los vanes.
Cuando una nueva gota se impacta sobre el vane en el mismo lugar en donde otra gota se ha quedado ya previamente, ocurre la coalescencia. Las gotas alcanzan eventualmente un tamaño y un peso que, debido a la gravedad, ya no les permite adherirse a la superficie de los vanes.
Flujo Horizontal vs. Flujo Vertical
Siempre es preferible una orientación de flujo horizontal a una vertical. En el flujo vertical, el drenado es más difícil porque la dirección del líquido que cae es opuesta a la del vapor, que sube. En el flujo horizontal, la dirección del vapor que sube forma un flujo cruzado con la dirección del líquido que cae. Como resultado, se logra un drenado mayor de líquido.

Los eliminadores de niebla tipo vanes pueden diseñarse para condiciones de flujo horizontal y vertical. Para el dimensionamiento se debe hacer la diferencia al seleccionar el factor k para flujo vertical o para flujo horizontal. Las unidades tipo vanes operan con velocidades más altas del vapor en flujo horizontal que en flujo vertical. Basándose en aplicaciones en campo y en resultados de pruebas efectuadas, se ha seleccionado un factor k de 0.65 pie/seg para aplicaciones de flujo horizontal. El factor k se reduce a 0.5 pie/seg para aplicaciones de flujo vertical.
Dimensionando Optimizaciones de Unidades tipo Vanes
Cuando se dimensionan unidades tipo Vanes para procesos nuevos, es sencillo, pero optimizar recipientes con vanes, requiere de especial atención para su dimensionamiento. En un recipiente de diseño nuevo, el area de los vanes determina el tamaño del recipiente. En el caso de una optimización, es a la inversa. El tamaño del recipiente predetermina el factor k y la velocidad real del vapor. Si la velocidad queda dentro del 30%-110% de la velocidad de vapor de diseño no hay de qué preocuparse.
Se debe considerar la alternativa de la orientación de los vanes para evitar el sub-dimensionarlos en los recipientes existentes con restricciones de area. Por ejemplo, si el diámetro de un recipiente no es lo suficientemente grande como para alojar los vanes para flujo vertical, se debe considerar la orientación de los vanes en una posición vertical de manera que el vapor fluya en forma horizontal. En tales casos, se deben diseñar los vanes como una unidad cuadrada o rectangular en donde el ancho es aproximadamente igual al diámetro del recipiente. Dividiendo el área efectiva calculada entre el ancho, se determina la altura de los vanes.

Dimensionando Eliminadores de Niebla tipo Vanes

A.- Fórmula
Para dimensionar un eliminador de nieblas del tipo vanes, usar una forma alternativa de la ecuación de Sounders-Brown. La ecuación de Sounders-Brown está definida por:

1. Vv = K X

En donde Vv = Velocidad del vapor (pie/seg)
K = Factor de velocidad de Sounders-Brown (pie/seg)
rl = Densidad del líquido (lb/pie3)
rg = Densidad del vapor (lb/pie3)

La velocidad del vapor también puede definirse de la siguiente manera:

2. Vv = V / (A X 60)

En donde V = Flujo volumétrico del vapor (pie3/min)

A = Area efectiva de la sección transversal de los vanes (pie2)

Enseguida, las ecuaciones (1) y (2) se combinan y se reacomodan de manera que la variable A aparezca en el lado derecho de la fórmula.

3. A = (V / (K X 60)) X&Mac195;rg /(rl-rg)

Ahora tenemos una ecuación para estimar el area efectiva de un eliminador de niebla del tipo vanes. Sin embargo, el area actual requerida (también conocida como el area neta) será la siguiente:

4. A NET = A + ABO

En donde A NET = Area neta requerida de los vanes (pie2)
ABO = Area perdida debida al bloqueo por la carcasa (pie2)		 Estimando la Caída de Presión a través de un Eliminador de Nieblas tipo Vanes.

La caída de presión a través de un eliminador de nieblas tipo Vanes, se calcula con la siguiente ecuación (6):

6. P = Eu*(Fs2/2gc)*(1 / (1-(2d/b)

En donde P = Caída de presión en húmedo a través de una unidad de vanes (Lb/pie2)
Eu = Número de Euler (sin dimensión)
Fs2 = Factor superficial f (pie/seg (lbm/pie3)1/2)
gc = Constante dimensional (32.17 lbm*pie/seg2*lbf)
d = Espesor de la película del líquido sobre las hojas, (pie)
b = Separación entre las hojas, (pie)

Varios Estilos de Vanes de Amistco y sus Eficiencias

Calculando la eficiencia de los Vanes
Algunos autores (2,3,4) utilizan la teoria del impacto por inercia para dar una manera significativa de estimar la eficiencia de remoción de las gotas de un eliminador de nieblas del tipo vanes. Estas teorías asumen como despreciable el efecto de la gravedad (válido para gotas pequeñas) y consideran la fuerza de arrastre de la fase gaseosa sobre las gotas como de primordial importancia. Utilice esta suposiciones junto con la 1ª Ley de Newton para formular las siguientes ecuaciones de eficiencia para los vanes:

5. h(Dp) = 1 – Exp – (rp*D2p*Vv*N*q / (515.7*mg*S*Cos2 q)

En donde h(Dp) = Eficiencia fraccional de remoción de gotas de diámetro Dp
rp = -densidad de las gotas (g/cm3)
Dp = Diámetro de las gotas (cm)
Vv = Velocidad de vapor superficial (cm/seg)
N = Número de hojas sucesivas
q = Angulo de inclinación de las hojas de los vanes en dirección del flujo del vapor (grados)
ug = Viscosidad del vapor (g/cm-seg)
S = Espaciamiento entre placas paralelas (cm)

Efecto de Varios Factores Físicos en la Eficiencia de los Vanes

Tamaño de Gota:
Droplets smaller than 10 microns will more likely by-pass the vane blades because they can follow the vapor stream around the vane’s zigzag more easily than can the larger mist droplets. Typically most vanes remove at least 99.9% of 20 micron and larger droplets. Some vanes with improved designs can remove droplets smaller than 20 microns.

Velocidad del Vapor:
Los eliminadores de niebla tipo vanes se diseñan cuidadosamente para optimizar la velocidad del vapor. Si la velocidad del vapor es muy baja, las gotas de niebla simplemente by-pasean las hojas de los vanes y siguen la trayectoria del vapor. Por otro lado, si la velocidad es muy alta, ocurre un proceso conocido como re-entrada. Las gotas que impactan la superficie de los vanes carecen de tiempo suficiente para coalescer antes de ser arrastradas por la corriente de vapor. Escogiendo un factor k en el rango de 0.5 pie/seg a 0.65 pie/seg como se describió con anterioridad, se previene cualquier situación.

Capacidad de Líquido:
Los eliminadores de niebla del tipo vanes tienen una capacidad de carga de líquido mayor que los eliminadores de niebla de malla de alambre. Los vanes de Amistco se diseñan para controlar una cantidad de líquido de entrada hasta de 10 gpm/pie2. Si un proceso es mayor de 5 gpm/pie2 de carga de líquido, se deben considerar los chevrons o vanes para la separación.

Densidad Relativa:
La densidad relativa entre el vapor y la fase líquida tiene una influencia significativa en la eficiencia de los vanes. En general, mientras mayor sea la diferencia de densidad entre las dos fases, más fácil será separarlas. El efecto de Momento de Inercia explica el fenómeno. A mayor densidad y a mayor tamaño de gota, mayor es la probabilidad de que se impacte sobre las hojas de los vanes, por lo tanto, la eficiencia de los vanes se incrementa.

Humectabilidad Superficial:
Otro aspecto físico que influye en la eficiencia de los vanes es la humectabilidad superficial. Esta es una medida de qué tan fácil las gotas de niebla impactan la superficie de los vanes formando una película líquida. Factores como la viscosidad del líquido, la textura de la superficie de los vanes, etc., influyen en la humectabilidad.

Viscosidad del Vapor:
Los vapores de baja viscosidad se mueven más fácilmente a través del perfil en zig-zag de un vane o un chevron, resultando en mayores eficiencias.

Efecto de los Factores del Diseño Mecánico en la Eficiencia de los Vanes

Separación entre las Hojas:
La separación entre las hojas afecta significativamente la eficiencia de los vanes. Para tamaños de gotas pequeñas se minimiza el espaciamiento entre las hojas para lograr alta eficiencia. Si entran sólidos con la corriente del vapor, el espaciamiento amplio entre las hojas de los vanes previene el taponamiento. Amistco ofrece una variedad de diseños de espacios para cumplir con las necesidades de diferentes procesos.
Número de hojas sucesivas:
El número de dobleces y secciones rectas en el perfil de un vane también determina su funcionamiento. Mientras mayor sea el número de hojas sucesivas en el diseño de los vanes la eficiencia será mayor. Típicamente, la alta eficiencia se obtiene cuando se utilizan 4 o más pasos (secciones rectas). Esto se traduce en un espesor total de vanes de de 8” a 12”. Amistco ofrece diseños de vanes en una gran variedad de pasos y espesores para lograr la eficiencia requerida.
Angulo de Inclinación:
El ángulo de inclinación es el ángulo entre la cara sesgada del vane y el patrón de flujo del vapor. Este ángulo debe ser amplio para optimizar la eficiencia. Para la mayoría de las aplicaciones, un ángulo de 45 grados optimiza la eficiencia.
Trampas de líquido para vanes de flujo horizontal:
En aplicaciones de flujo horizontal, los ganchos en los vanes formando una simple caja o una doble caja en cada paso de gas en el perfil de un vane, mejora la capacidad de drenaje de líquido.
Como las gotas impactan sobre la pared del vane y coalescen, las gotas grandes se capturan más fácilmente por los ganchos, que proveen patrones de drenaje vertical para que el líquido caiga. Los ganchos no se recomiendan para aplicaciones con contenido de sólidos o parafinas de entrada en el vapor a menos que se diseñe también un sistema de espreado para los vanes para prevenir taponamiento.



Cuándo especificar Vanes vs. Eliminador de Nieblas del tipo de Malla

Servicio Sucio:
Los líquidos con características sucias pueden manejarse mejor utilizando una unidad de vanes en lugar de una de malla. Debido a sus patrones amplios de flujo y a los mayores espesores de los materiales de lámina, las unidades del tipo vanes se adaptan mejor que las de mallas para separar líquidos sucios, ya que éstas tienen aberturas muy intrincadas y utilizan material de alambre delgado (0.011” o 0.006” de diámetro).

Carga alta de líquido:
Como se describió anteriormente, los vanes pueden controlar aplicaciones con cargas elevadas de líquido más eficientememente que las mallas. Una carga de líquido mayor de 5 gpm/pie2 puede causar inundación en un eliminador de nieblas del tipo de mallas. Una unidad del tipo de vanes está diseñada para manejar hasta 10 gpm/pie2 de flujo de líquido.

Alta Velocidad (Limitaciones de espacio):
Cuando se optimiza un recipiente existente u otro equipo, el área de instalación a menudo es inadecuada para una malla en una configuración horizontal. En otros casos, la alta velocidad del vapor disuade del uso de mallas. En tales casos, se recomienda una unidad del tipo de vanes en configuración vertical (flujo horizontal). El alto valor del factor k de la unidad del tipo de vanes disminuye el requerimiento de área del eliminador de niebla, ya que está diseñado para operar a velocidades de vapor más altas que las de mallas.

Corrosión:
Para procesos de gases o líquidos corrosivos (tales como H2S, HCl, H2SO4, NaOH, etc.). Típicamente, las unidades del tipo de vanes se fabrican en acero al carbón y en acero inoxidable 304 o 316. También se utilizan aleaciones exóticas específicas y termoplásticos para aplicarse en un amplio rango de ambientes corrosivos.

Limitaciones de Temperatura:
Tenemos disponibles unidades de eliminadores de niebla tipo Vanes y tipo Malla fabricados con materiales resistentes a alta temperatura. También tenemos disponibles varios materiales para aplicarse en rangos específicos de temperatura.

Mantenimiento:
La dificultad en el reemplazo de los eliminadores de niebla debido a su localización (en plataformas marinas) o en proceso (operación contínua) puede volver impráctico el uso de eliminadores de niebla del tipo de malla. Los eliminadores de niebla del tipo de vanes requieren muy poco o cero mantenimiento después de su instalación. La única excepción es cuando hay sólidos en exceso que tapan las hojas de los vanes.

Baja Caída de Presión:
Debido al espaciamiento ancho entre las hojas, las unidades del tipo de vanes tienen muy baja caída de presión comparadas a las unidades del tipo de malla. Típicamente, la caída de presión es menor a (1”c.v.a. ) una pulgada de columna de agua.

Upset de los Procesos (Picos):
Algunos procesos experimentan picos súbitos en el flujo. Durante un pico muy elevado, una malla puede dañarse más fácilmente. La construcción de una unidad del tipo de vanes es más durable y resistente a cualquier daño bajo condiciones de alta velocidad del flujo.

Formación de Espuma:
Los procesos que tienen problemas de espumas pueden beneficiarse con el uso de una unidad del tipo de vanes. Las unidades del tipo de vanes trabajan como rompedores de espumas pueden utilizarse para reducir la carga de un eliminador de nieblas posterior en el flujo.

Carga de Sólidos:
Los sólidos deben removerse antes de que el eliminador de nieblas del tipo de mallas pueda capturar las gotas finas de niebla. Si hay sólidos presentes en una corriente de vapor cargada de niebla, una unidad previa de vanes removerá los sólidos y las gotas grandes de niebla, de manera que la malla posterior pueda remover las gotas pequeñas más eficientemente.

Cuándo utilizar una combinación de Vanes y Mallas:

Las combinaciones de Vanes y Mallas separan de manera efectiva los sólidos, los líquidos y los vapores. Normalmente, las unidades del tipo de vanes se instalan previamente en el flujo para remover las partículas sólidas y las gotas grandes de niebla. Las unidades del tipo de mallas se instalan posteriormente en el flujo para remover las gotas finas de niebla (10 micras y menores). En algunas aplicaciones se agrega una malla a la cara de una unidad del tipo de vanes posterior al flujo para aglomerar algunos vapores. Aquí, la unidad de mallas coalesce a las gotas pequeñas en grandes para que sean removidas por los vanes. No es recomendable el uso de mallas para aglomerar en la separación de tres fases cuando hay sólidos presentes.