Ejercicios Resueltos de Int. de Calor[1]
February 20, 2017 | Author: glen_ | Category: N/A
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UNIVERSIDAD NACIONAL “PEDRO RUÍZ GALLO” Facultad de Ingeniería Química e Industrias Alimentarías
D DE ES SA AR RR RO OLLLLO O
D DE E
LLO OS S
E EJJE ER RC CIIC CIIS SO O
IIN NTTE ER RC CA AM MB BIIO OD DE EC CA ALLO OR R
Diseño de Plantas Industriales I
Lambayeque- julio - 2010
D DE E
PROBLEMAS PROPUESTOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DE DOBLE TUBO
2.- Se quiere calentar 18000 lb/hr de orto xileno desde 100 hasta 150°F, enfriando 18000 lb/hr de alcohol butílico de 170 hasta 140°F, en un intercambiador de calor de doble tubo. Disponibles para este propósito hay 5 horquillas de 20 pies cuyos ánulos y tubos están colocados en serie. Los intercambiadores son de 3*2 IPS. A) ¿Cuál es el factor de obstrucción? B) ¿cuáles son sus caídas de presión? C) Si las corrientes frías y calientes en (a) se cambian con respecto al anulo y al tubo interior, como justifica esto o refuta su decisión inicial respecto a donde colocar las corrientes calientes.
18000 Lb/hr Orto xileno t1 = 170 ºF Alcohol butílico T1 =100ºF
T2 = 150ºF
18000 Lb/hr t2= 140ºF
PROPIEDADES FÍSICAS
PROPIEDADES
ORTOXILENO ΔT=125ºF
ALCOHOL BUTILICO ΔT=155ºF
BTU Lbº F
0.43
0.2081
FÍSICAS
UNIDADES
Calor Específico
Cp,
Viscosidad
,
LB Pie.hr
0..61
0.282
Conductividad Térmica
K,
BTU hr. pie.º F
0.090
0.0180
r
BTU . 2 hr. pie º F
0.001
0.001
1
DISEÑO RAPIDO TL
T1 T2 28 .85 º F T1 ln T2
Estimac. de U=20-140 promedio U=70
170 ºF ΔT1= 20°F 140ºF ΔT2= 40°F
150ºF
100ºF
CALCULO D77ºF EL AREA ESTIMADA A
Q Ud .TL
A 190.10 pie 2
CALCULO DEL CALOR ESTIMADO
TIPO Y CARACTERÍSTICAS DE LOS TUBOS 3X2 IPS di = 2.0677´´ Di = 3.068´´ At = 3.350 pulg2 Aa = 2.944 pulg2 Alt = 0.62 pies2/pie d0 = 2.380´´ De= 1.575´´ CURSO DE LOS FLUIDOS
TUBO: alcohol butílico ANILLO: orto xileno CALCULO DE HT :LADO DE LOS TUBOS
Gt
mt at
Gt
18000 3.350
Gt=77371.34 lb/pie2 ºF
Nre
Di * Gt
0.62 *104216.1 Nre 12 0.0152 * 2.42 Nre 146381.54 figura.N 24 Jh 182 0.096 0.69 * 0.98 * 2.42 ht 180 * * 0.096 0.620 / 12 ht 261.05
1/ 3
HT CORREGIDO Ht=261.05*di/do=261.05*2.067/2.380 Ht=261.05*2.067/2.380 Ht=2226.72
CALCULO DE HO :
(
) (
)
⁄
(
)
ma aa 18000 Ga .944 Ga
Ga 880434.78lb / hr. pie 2 º F
Nre
Di * Ga
1.575 * 880434.78 12 Nre 0.610 * 2.42 Nre 782280.08
Figura N°24
⁄ 78.22 ⁄
(
CALCULO DE Uc : UC
ht * ha ht ha
UC
226.72 * 344.54 22672 344.54
UC 136.74
⁄
) (
)
( )
CALCULO DE UD :
1 1 Rd Ud UC Rd Rt Ro Rd 0.001 0.001 Rd 0.0020 Udc 107.38 A
Q Ud * TL .
A
372600BTU/h 107.38 * 28.85
A 120 ..275 pie 2
CÁLCULO DE LA CAÍDA DE PRESIÓN EN LOS TUBOS
f * Gt 2 * Lt 72 * g * * Di f 0.0002
Pt
0.0002 * 77371.34 * 20 72 * 4.18 * 108 * 0.81 * 0.81 * 20.67 12 Pt 2.83 psi 2
Pt
CALCULO DE DE PRESIÓN EN EL ANILLO:
f * Ga 2 * Lt Pa 72 * g * * Di * Nre
Dé * Ga
Dé Di do Dé 0.688 Nre 410336.76 f 0.0047 0.0047 * 41036.76 * 200 Pa 72 * 4.18 * 108 * 0.87 * 62.4 * 0.688 Pa 0.65 psi 2
(
(
)(
)(
)
)
4.- Se Debe calentar 7000 lb/hr de anilina desde 100 hasta 150ºF mediante enfriamiento de 10000 lb/hr de tolueno con una temperatura inicial de 185ºF en un intercambiador de calor de doble tubo, con tubos de 2x1 ‟‟ IPS, de 20 pies de longitud. Se requiere un factor de obstrucción de 0.005. a)¿Cuántas horquillas serán necesarias?. ¿Cómo deben arreglarse?. ¿Cuál es el factor final de obstrucción? .
Tolueno 10000 lb/h 185ºF
7000 lb/h Anilina
Anilina
IC- 4 100ºF
150ºF
Tolueno T ºF ?
Hacemos un arreglo en paralelo:
Desarrollamos el primer intercambiador
Características de los tubos Tubos 2x1 ‟‟ IPS de 20 ‟ de longitud r =0.005 Propiedades de la Anilina (T promedio= 125ºF) Cp(125ºF)= 0.518 Q ganado = m anilina * Cp anilina* ΔT Q ganado = Q ganado = 90650 Determinamos la temperatura de salida del tolueno Cp(185ºF) = 0.47
Q ganado = -Q perdido 90650
= -(
)
T=165.7ºF
T promedio =(
)=175.37ºF
Cp(175.37ºF) = 0.465
Q ganado = -Q perdido 90650
= -(
)
T=165.5ºF
T promedio =(
)=175.25ºF
Cp(175.25ºF) = 0.462
Q ganado = -Q perdido 90650
= -(
)
T=165.4ºF
T promedio =(
)=175.2ºF
Cp(175.2ºF) = 0.462
Q ganado = -Q perdido 90650
= -(
)
T1=165.4ºF (temperatura de salida del tolueno)
185 ºF
Tolueno
165.4ºF 150ºF Anilina
Agua cruda 35ºF
100 ºF 65.4ºF
Hallamos variación de temperatura media logarítmica y luego determinamos el área con el Ud. supuesto: 70 (tabla 1.4-manual de intercambiadores de calor para solventes orgánicos Ud (20-120) )
ΔTL =
=48.63
AREA ESTIMADO:
A=
Δ
= 26.63 pie2
=
Solventes Orgánicos UD (20-120) → 70 Por lo tanto : 26.63 pie2 < 100 pie2
(Doble tubo)
ESTIMAMOS PROPIEDADES FISICAS 1) Propiedades físicas a la temperatura promedio: Propiedad
FLUIDO A ANILINA
CALENTAR
FLUIDO A TOLUENO
125ºF
175.2º F
Cp, Btu / lb ºF
0.518
0.462
, cp
2.05
0.34
K, Btu / h.pie2 ºF
0.1
0.0834
3 ρ lb/ pie
63.65
54.29
Btu 2 hr . pie .º F r
0.005
0.005
ENFRIAR
2) Características de los tubos: 2x1 ‟‟ IPS , tubos de 20pies de longitud.
di=1.38”
do=1.66”
xi=0.14”
at=1.5 pulg2
Di=2.067”
Do=2.38”
ao=1.19 pulg2
alt=0.435pie2/pie
De=0.915”
Dm=1.52”
3) Curso de los Fluidos:
manilina = 3500 lb/h mtolueno = 10000 lb/h
-Lado del tubo interior: Tolueno -Lado del Anillo: Anilina 4) Calculo del Coeficiente de transferencia en el tubo interior (tolueno):
hi = Jh ( ) * (
) 1/3 * (
di
= 1.38 pulgadas *
k
=
Cp.
= 0.462 BTU/Lb ºF
µ
=
)0.14
0.0834 BTU /pie ºF
0.34 centipoise
Jh = necesito el numero de Reynols
Cálculo del número de Reinols Nre = µ di
= 0.8228 Lb /pie hora = 1.38pulgadas *
Gt =
=
= 960000 Lb/hr *pie2
Gt =
Nre =
(
)
Nre = 134175.98 ≈ 134176
Jh = 320 (en curva de transferencia de calor lado de los tubos en la fig24) hi = Jh ( ) * (
) 1/3 * (
)0.14 =1
hi = 320 (
)1/3 * (
)*(
)0.14
hi = 377.1 Btu/hr *pie2 *ºF ht = 377.1*
=313.48
ht = 313.48 Btu/hr *pie2 *ºF
5) Calculo del Coeficiente de transferencia en el anulo (anilina): ho = Jh ( ) * (
) 1/3 * (
)0.14
De = 0.915 pulgadas * k
=
0.1 BTU /pie ºF
Cp.
= 0.518 BTU/Lb ºF
µ
=
2.05 centipoise
Jh = necesito el numero de Reynols
Cálculo del número de Reinols Nre = µ
= 4.961 Lb /pie hora
De = 0.915pulgadas *
Ga =
=
= 423529.41 Lb/hr *pie2
Ga =
Nre =
(
)
Nre = 6509.6 ≈ 6510
Jh = 24 (en curva de transferencia de calor lado de los tubos en la fig24) ho = Jh ( ho = 24 (
)*( )*(
) 1/3 * (
)0.14 ) 1/3 * (
ho = 92.88 BTU/hr *pie2 *ºF
)0.14
6) Calculo del Coeficiente total de transferencia(limpio):
=
Uc
=
Uc
= 71.65 BTU/h *pie2 *ºF
7) Calculo del Coeficiente total de diseño(sucio):
=
+ Rd
=
+ 0.01
Rd =0.005 + 0.005 = 0.01 UD = 41.7 ≈ 42 BTU/hr *pie2 *ºF 8) Calculo del área de transferencia:
A=
=
A = 44.38pies2 < 100pies2 9) Calculo de Longitud total del intercambiador:
=
L=
L = LT = 102.02 pies
10) Calculo del Nº de Horquillas: NH =
=
=2.55 ≈ 3 horquillas
=
Corregimos el LT = NH * L = 3 * 20 * 2 LT = 120 pies Área corregida A= LT *alt A= 120pie * 0.435 A= 52.2 pies2
11) Calculo de la caída de presión en el lado del tubo interior, psia:
∆ Pt =
Gt =960000Lb/hr *pie
2
= 54.29 Lb/pie3
LT =120 pies
di = 1.38 pulgadas *
g = 4.18 *108 pies/hr2
NRe = 134176
f = 0.0035 +
∆ Pt =
=0.0054
=3.18 psia
∆ Pt = 3.18 < 10 psia (ok) por ser liquido.
12) Calculo de la caída de presión en el lado del tubo exterior o anulo
∆ PA
=
∆ Pa
+
Salida de presión en los tubos
∆ Pa
∆ Pes
entradas y salidas
= = Di - do = (2.067 – 1.66) pulg
= 0.407 pulgadas
Nre = (
)
Nre = Nre = 2895.53
f = 0.0035 +
= 0.0128
∆ Pa =
∆ Pa = 4.24 psia
∆ Pes
=
*
=
pies /seg
n = número de horquillas
g‟ = 32.17 pies /seg2
=
∆ Pes
=
=
*
1.85 pies /seg
= 0.071 psia
∆ PA = ∆ Pa + ∆ Pes = 4.24 psia + 0.071psia
∆ PA
= 4.311 psia < 10 psia (ok) por ser liquido.
Desarrollamos el segundo intercambiador
Características de los tubos Tubos 2x1 ‟‟ IPS de 20 ‟ de longitud r =0.005 Propiedades de la Anilina (T promedio= 125ºF) Cp(125ºF)= 0.518 Q ganado = m anilina * Cp anilina* ΔT Q ganado = Q ganado = 90650 Determinamos la temperatura de salida del tolueno Cp(155.5ºF) = 0.452
Q ganado = -Q perdido 90650
= -(
)
T=145.3ºF
T promedio =(
Cp(155.4ºF) = 0.452
Q ganado = -Q perdido
)=155.4ºF
90650
= -(
)
T=145.3ºF
T promedio =(
)=155.4ºF
Cp(155.4ºF) = 0.452
Q ganado = -Q perdido 90650
= -(
)
T2=145.3ºF (temperatura de salida del tolueno)
165.4 ºF
Tolueno
145.3ºF 150ºF Anilina
Agua cruda 15.4ºF
100 ºF 45.3ºF
Hallamos variación de temperatura media logarítmica y luego determinamos el área con el Ud. supuesto: 70 (tabla 1.4-manual de intercambiadores de calor para solventes orgánicos Ud (20-120) )
ΔTL =
=27.71ºF
AREA ESTIMADO:
A=
Δ
= 46.73 pie2
=
Solventes Orgánicos UD (20-120) → 70 Por lo tanto : 46.73 pie2 < 100 pie2
(Doble tubo)
ESTIMAMOS PROPIEDADES FISICAS 1) Propiedades físicas a la temperatura promedio: Propiedad
FLUIDO A ANILINA
CALENTAR
FLUIDO A TOLUENO
125ºF
155.4º F
Cp, Btu / lb ºF
0.518
0.452
, cp
2.05
0.36
K, Btu / h.pie2 ºF
0.1
0.0843
3 ρ lb/ pie
63.65
54.29
Btu 2 hr . pie .º F r
0.005
0.005
ENFRIAR
2) Características de los tubos: 2x1 ‟‟ IPS , tubos de 20pies de longitud.
di=1.38”
do=1.66”
xi=0.14”
at=1.5 pulg2
Di=2.067”
Do=2.38”
ao=1.19 pulg2
alt=0.435pie2/pie
De=0.915”
Dm=1.52”
3) Curso de los Fluidos:
manilina = 3500 lb/h mtolueno = 10000 lb/h
-Lado del tubo interior: Tolueno -Lado del Anillo: Anilina 4) Calculo del Coeficiente de transferencia en el tubo interior (tolueno):
hi = Jh ( ) * (
) 1/3 * (
di
= 1.38 pulgadas *
k
=
Cp.
= 0.452 BTU/Lb ºF
µ
=
)0.14
0.0843 BTU /pie ºF
0.36 centipoise
Jh = necesito el numero de Reynols
Cálculo del número de Reinols Nre = µ di
= 0.8712 Lb /pie hora = 1.38pulgadas *
Gt =
=
= 960000 Lb/hr *pie2
Gt =
Nre =
(
)
Nre = 126721.76 ≈ 126722 (Flujo turbulento)
Jh = 310 (en curva de transferencia de calor lado de los tubos en la fig24) hi = Jh ( ) * (
) 1/3 * (
)0.14 =1
hi = 310 (
)1/3 * (
)*(
)0.14
hi = 379.87 Btu/hr *pie2 *ºF ht = 380*
=315.9
ht = 316 Btu/hr *pie2 *ºF
5) Calculo del Coeficiente de transferencia en el anulo (anilina): ho = Jh ( ) * (
) 1/3 * (
)0.14
De = 0.915 pulgadas * k
=
0.1 BTU /pie ºF
Cp.
= 0.518 BTU/Lb ºF
µ
=
2.05 centipoise
Jh = necesito el numero de Reynols
Cálculo del número de Reinols Nre = µ
= 4.961 Lb /pie hora
De = 0.915pulgadas *
Ga =
=
= 423529.41 Lb/hr *pie2
Ga =
Nre =
(
)
Nre = 6509.6 ≈ 6510
Jh = 24 (en curva de transferencia de calor lado de los tubos en la fig24) ho = Jh ( ho = 24 (
)*( )*(
) 1/3 * (
)0.14 ) 1/3 * (
ho = 92.88 ≈ 93BTU/hr *pie2 *ºF
)0.14
6) Calculo del Coeficiente total de transferencia(limpio):
=
Uc
=
Uc
= 71.85 BTU/h *pie2 *ºF
7) Calculo del Coeficiente total de diseño(sucio):
=
+ Rd
=
+ 0.01
Rd =0.005 + 0.005 = 0.01 UD = 41.8 ≈ 42 BTU/hr *pie2 *ºF 8) Calculo del área de transferencia:
A=
=
=
A = 77.89pies2 < 100pies2 9) Calculo de Longitud total del intercambiador:
=
L=
L = LT = 179.1pies
10) Calculo del Nº de Horquillas: NH =
=
=4.48 ≈ 5 horquillas
Corregimos el LT = NH * L = 5 * 20 * 2 LT = 200 pies Área corregida A= LT *alt A= 200pie * 0.435 A= 87 pies2
11) Calculo de la caída de presión en el lado del tubo interior, psia:
∆ Pt =
Gt =960000Lb/hr *pie
2
= 54.29 Lb/hora
LT =200 pies
di = 1.38 pulgadas *
g = 4.18 *108 pies/hr2
NRe = 134176
f = 0.0035 +
∆ Pt =
=0.0054
=5.3 psia
∆ Pt = 5.3 < 10 psia (ok) por ser liquido.
12) Calculo de la caída de presión en el lado del tubo exterior o anulo
∆ PA
=
∆ Pa
+
Salida de presión en los tubos
∆ Pa
∆ Pes
entradas y salidas
= = Di - do = (2.067 – 1.66) pulg
= 0.407 pulgadas
Nre = (
)
Nre = Nre = 2895.53
f = 0.0035 +
= 0.0128
∆ Pa =
∆ Pa = 7.07 psia
∆ Pes
=
*
=
pies /seg
n = número de horquillas
g‟ = 32.17 pies /seg2
=
∆ Pes
=
=
*
1.85 pies /seg
= 0.118 psia
∆ PA = ∆ Pa + ∆ Pes = 7.07 psia + 0.118psia
∆ PA
= 7.188 psia < 10 psia (ok) por ser liquido.
RESPUESTAS Serán necesarias un total de 8 horquillas (3 horquillas para el primer intercambiador y 5 horquillas para el segundo intercambiador). Deben arreglarse en paralelo. El factor final de obstrucción es 0.01.
6.- Un liquido se enfría desde 350 hasta 300 ºF, mediante otro que se calienta desde 290 hasta 316 ºF, en un intercambiador de doble tubo. ¿Cómo se desvía la diferencia verdadera de temperatura de la LMDT si, A). El fluido caliente esta en serie y el fluido frio fluye en dos trayectorias paralelas en contracorriente. ? Solución
Donde: Fluido caliente Fluido frio T1=350ºF T2=300ºF 1.0.
Cálculo de la LMDT:
LMDT = 19,61ºF
2.0.
Cálculo de la diferencia verdadera de temperatura (∆t)?
Diferencias de Tº t1=290ºF ( t2=316ºF (
) =34ºF )=10ºF
Para una corriente fría en serie y n corrientes en paralelo
(
) ( )
)……. (1)
Donde:
;
n=2, # de corrientes frías en paralelo
Reemplazando en (1), calculamos
= 0.28
Para la diferencia máxima de temperatura es conveniente emplear los términos del límite máximo de temperatura.
Rpta: El MLDT se desvía con un error de 16.73 % de la diferencia de temperatura verdadera. Cuando se hace el arreglo de fluido caliente en serie y el fluido frio fluye en dos trayectorias paralelas en contracorriente.
B). El fluido caliente esta en serie y el fluido frio en tres trayectorias de flujo paralelo a contracorriente. ? Solución
Donde: caliente
Fluido Fluido frio
1.0.
T1=350ºF T2=300ºF
Cálculo de la LMDT:
LMDT = 19,61ºF ´
Diferencias de Tº t1=290ºF t2=316ºF
( (
) =34ºF )=10ºF
2.0.
Cálculo de la diferencia verdadera de temperatura (∆t)?
Para una corriente fría en serie y n corrientes en paralelo
(
) ( )
)……. (1)
Donde:
;
n=3, # de corrientes frías en paralelo
Reemplazando en (1), calculamos
= 0.335
Para la diferencia máxima de temperatura es conveniente emplear los términos del límite máximo de temperatura.
Rpta: El MLDT se desvía con un error de 2.4% de la diferencia de temperatura verdadera. Cuando se hace el arreglo de fluido caliente en serie y el fluido frio en tres trayectorias de flujo paralelo a contracorriente
C. El rango del fluido frio en (a) y en (b) se cambia de 276ºF a 300ºF?
A). El fluido caliente esta en serie y el fluido frio fluye en dos trayectorias paralelas en contracorriente. ? Solución
Donde:
1.0.
Fluido caliente T1=350ºF T2=300ºF Cálculo de la LMDT:
LMDT = 35.424ºF
Fluido frio t1=276ºF t2=300ºF
Diferencias de Tº ( ) =50ºF ( )=24ºF
2.0.
Cálculo de la diferencia verdadera de temperatura (∆t)?
Para una corriente fría en serie y n corrientes en paralelo
(
) ( )
)……. (1)
Donde:
;
n=2, # de corrientes frías en paralelo
Reemplazando en (1), calculamos
= 0.267
Para la diferencia máxima de temperatura es conveniente emplear los términos del límite máximo de temperatura.
Rpta: El MLDT se desvía con un error de 79.3 % de la diferencia de temperatura verdadera. Cuando se hace el arreglo de fluido caliente en serie y el fluido frio fluye en dos trayectorias paralelas en contracorriente.
B). El fluido caliente esta en serie y el fluido frio en tres trayectorias de flujo paralelo a contracorriente. ? Solución
Donde:
Fluido caliente
3.0.
T1=350ºF T2=300ºF
Cálculo de la LMDT:
LMDT = 35.424ºF
Fluido frio t1=276ºF t2=300ºF
Diferencias de Tº ( (
) =10ºF )=34ºF
4.0.
Cálculo de la diferencia verdadera de temperatura (∆t)?
Para una corriente fría en serie y n corrientes en paralelo
(
) ( )
)……. (1)
Donde:
;
n=3, # de corrientes frías en paralelo
Reemplazando en (1), calculamos
= 0.2085
Para la diferencia máxima de temperatura es conveniente emplear los términos del límite máximo de temperatura.
Rpta: El MLDT se desvía con un error de 123.1% de la diferencia de temperatura verdadera. Cuando se hace el arreglo de fluido caliente en serie y el fluido frio en tres trayectorias de flujo paralelo a contracorriente
PROBLEMAS PROPUESTOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DE CASCO Y TUBO
2.- Se quiere enfriar vapores de oxigeno a presión atmosférica de 300 a 100°F., para ello se puede utilizar como medio de enfriamiento de agua a 85°F que se puede calentar hasta 100°F. se cuenta con un intercambiador de casco y tubo de 31´´Ds, de 1-8 pasos, tubos de 3/4´´ OD por 16 BWG, la de cada tubo es de 12 pies, con 600 tubos con arreglo triangular de Pt= 1 los deflectores están espaciados 24´´¿ será adecuado el equipo para la operación?
H2O t1 = 85 ºF Vapores de oxigeno T1 =300ºF
T 2 = 100ºF
t2= 100ºF
TIPO Y CARACTERÍSTICAS DE LOS TUBOS Ds=31´´
(1-8) pasos
¾ OD
16 BWG
Los deflectores
e=24´´
300 ºF ΔT1= 200°F 140ºF ΔT2= 55°F
85ºF
77ºF
100ºF
PROPIEDADES FÍSICAS PROPIEDADES FÍSICAS
UNIDADES BTU Lbº F
AGUA ΔT=92.5ºF
OXIGENO ΔT=200ºF
1
0.23
Calor Específico
Cp,
Viscosidad
,
LB Pie.hr
0.79
0.024
Conductividad Térmica
K,
BTU hr. pie.º F
0.359
0.01822
Densidad
,
Lb pie 3
62.4
0.067
r
BTU . 2 hr . pie º F
0.0005
0.003
1
HALLAMOS LA DENSIDAD DEL OXIGENO
(
CALCULO DEL CALOR ESTIMADO
CURSO DE LOS FLUIDOS TUBO: Agua CASCO: oxigeno
⁄
)
CURSO SUPUESTO Intercambiador de casco y tubo de ¾‟‟ de diámetro BWG=16 Pt=1 Pasos de (1-8) CARACTERÍSTICAS DE LOS TUBOS Ø EXTERNO
:
3/4 ´´
Ø INTERNO
:
0.62´´
BWG
:
16
XW
:
0.065´´
at
:
0.30191 pulg2
a lt
:
0.19635 pie2/pie
Ø EQUIVALENTE
:
0.9375
CALCULO DE HT :LADO DE LOS TUBOS
at
Nt * a ' t 144 * n
at
600 * 0.30191 144 * 8
at 0.1572 pies 2
Gt
mt at
Gt
48000 0.1572
Gt=305343.51 lb/pie2 ºF
mh2 o
Q Cp * T
720000 1 * 15 mh2 o 48000lb / hr mh2 o
figura 25
Ht= 374
CALCULO DE HS : 1
0.14 k Cp * 3 hs JH * * * s De k
C=1´´- 3/4´´= 0.25´´
Ds * C * B 144 * Pt 31 * 0.25´´*24´´ as 144 * 1 as
as 1.29 pies 2 ms Gs as 15000 Gs 1.29 Gs 11627.91lb / hr. pie 2 º F
Nre
Di * Gs
0.73 * 11627.91 Nre 12 0.024 * 2.42 Nre 12179.14 Jh 62
⁄
(
CALCULO DE Uc :
⁄
) (
)
( )
UC
ht * hs ht hs
UC
309.17 * 16.74 309.17 16.54
UC 15.88
CALCULO DE UD :
1 1 Rd Ud UC Rd Rt Ro Rd 0.0005 0.003 Rd 0.014 Ud 15.15
CALCULO DEL AREA DE DISEÑO AD = (Nt)*(L.)*(alt) AD = 600*0.19635*12 AD = 1413..72
UD
Q Ad * MLDT * Ft
UD
720000 1413.2 *1.42 * 0.95
UD 7.506
BTU hr. pie 2 F
Uc Ud Uc * Ud 16 7.506 Rdd 16 * .506 Rdd 0.0710 pie 2 Rdd
AREA REQUERIDA:
A
A
Q Ud .TL .Ft
720000 16 * 71.42 * 0.95
A 663.23
CÁLCULO DE LA CAÍDA DE PRESIÓN EN LOS TUBOS
f * Gs 2 * L * n Pt 5.22 * 1010 * Di * s * i Nre
Di * Gt
Nre 8251.95 f 0.00032 0.00032 * 305343.51 * 12 * 8 Pt 5.22 * 1010 * 0.62 / 12 * 1 Pt 1.06 psi 2
CALCULO DE DE PRESIÓN DE RETORNO:
Pr
2 * n *V 2 s*g
Pr 0.013 * 8 Pr 0.104 psi
Pt Pt Pr Pt 1.06 0.104 Pt 1.164 psia
CALCULO
DE
DE
PRESIÓN
EN
EL
CASCO:
f * Gs 2 * Ds( N 1) Ps 5.22 * 1010 * De * s * s
N 1 12 *
L e
N 1 6 f 0.0022 0.0022 * 11627.91 * 31(6.0) Ps 5.22 * 1010 * 0.73 / 12 * 0.91 Ps 0.02 psi 2
Si es adecuado el diseño porque la caída de presión tanto en tubos como es casco es menor que 10psi
4.- Una solución de NaOH de 15 Bé(11% de NaOH con s=1.115) se descarga de un tanque de disolvente a razón de 50000 lb/hr a 190ºF y debe enfriarse hasta 120ºF empleando agua a 80ºF. Para evitar corrosión, la temperatura del agua de enfriamiento no debe exceder de 120ºF (agua de río sin tratar). Las caídas de presión permisibles para cada fluido son de 10 psi. La standard con tubos de 1” OD, 14 BWG y 16 pies de longitud en diversos materiales de construcción. Datos: Solución caustica de 15ºBé, µ=1.4 cp a 100ºF, 0.43 cp a 210ºF, k=90% de la del agua, Cp= 0.88Btu/lb.ºF. ¿Será adecuado el intercambiador standard para esta operación? Si así fuera, ¿De qué material debería estar construido?
Desarrollo:
Agua 80ºF
50000 lb/h NaOH(15Bé)
IC- 4
120ºF
190ºF
Agua 104ºF
Q ganado = -Q perdido MA*CpA* ΔTA = (-MB*CpB* ΔTB) MA * 1 *(104-80) = -(50000*0.88*(120-190)) MA = 128333.33 lb/h (masa de agua de rio)
190 ºF
Tolueno
120ºF 104ºF Anilina
Agua cruda 86ºF
80 ºF 40ºF
Hallamos variación de temperatura media logarítmica y luego determinamos el área con el Ud. supuesto:375 (tabla 1.4-manual de intercambiadores de calor para solventes orgánicos Ud (250-500) )
ΔTL =
=60.1ºF
AREA ESTIMADO:
A=
Δ
= 136.67 pie2
=
Solventes Orgánicos UD (250-500) → 375 Por lo tanto: 136.67 pie2 > 100 pie2
(Casco y tubo)
ESTIMAMOS PROPIEDADES FISICAS 1) Propiedades físicas a la temperatura promedio: Propiedad
FLUIDO A NaOH(15Bé)
ENFRIAR FLUIDO A CALENTAR AGUA DE RÍO
155ºF
92 º F
Cp, Btu / lb ºF
0.88
1.0
, cp
0.915
0.8
K, Btu / h.pie2 ºF
0.323
0.359
3 ρ lb/ pie
69.576
62.4
Btu 2 hr . pie .º F r
0.001
0.001
2) Curso de los Fluidos: Lado de los tubos: Agua de río Lado del Casco : NaOH (15 Bé)
3) Características de los Tubos: 1” OD 14 BWG; L=16‟ ; Do =1” ; Di =0.834” , at ‟=0.54629 pulg2 ; alt=0.26180 pie2/pie
De =1.25” X=0.083”
4) Estimamos el número de tubos: 136.67pies2 = (Nt)*(16 pies)*(0.2618
)
Nt = 32.63 ≈33 tubos NOTA: La variación de temperatura a 3 pies/segundo para q el r=0.001 5) Calculo del coeficiente de película en el lado de los tubos(ht):
En la fig. 25 se calcula el hi = 1630 → Tpromedio =92ºF y v=7.53pie/s El factor de corrección por ser tubos de 14 BWG es 0.95 de la tabla que está arriba de la fig 25 del manual de intercambiadores de calor. hi= 1630* 0.95 = 1548.5 ht = hi *
= 1548.5 *
= 1291.45
ht = 1291.45
6) Calculo del coeficiente de película en el lado del casco(hs):
*(12) ≤ e ≤ 12 2.4 ≤ e ≤ 12 epromedio = (12+2.4)/2 = 7.2 ≈ 8” e =8”
as =
=
= 0.33
as = 0.33 c= Pt -1” = 1.25”-1” = 0.25” c=0.25”
Gs = ms /as =50000 / 0.133 =375000 Gs = 375000
NRe = NRe = 13971.68 → JH = 66
⁄
hs = JH ( )
⁄
hs = 66* hs = 470.4 ≈ 471
7) Calculo del coeficiente total limpio Uc
Uc
Uc
hs * ht hs ht
1292 * 471 Btu 345 .2 345 1292 471 hr. pie2 .º F
8) Calculo del coeficiente total de diseño UD
1 1 Rd Ud Uc Rdc =0.001+0.001=0.002
Ud 204 .1
Btu 204 hr. pie 2 .º F
no está en el rango estimado (250- 500). Corregimos:
Ad 40 * 16 pie * 0.2618 pie2 / pie Ad = 167.55 pie2
Ad =167.55 pie2 Factor Térmico, Ft=?
R 2.92 S 0.22 Si R = 2.92
UD
Ft = 0.89
Q Ad * MLDT * Ft
UD= 343.67
RdD
Btu hr. pie2 .º F
1 1 0.0000129 UD UC
El factor de obstrucción es mayor (RdD > RdC = 0.0000129 >0.002) no se cumple
SEGUNDO TANTEO
DS = 12”
Nt = 40 tubos
Calculo de Ft
R=
=
S=
=
Ft = 0.89
figura 25
= 2.92
= 0.22
Velocidad =
NaOH(15Bé)
va por el casco
Agua de río
Gt =
tubos
50000 Lb/hora 128333.33 Lb/hora
=
at =
pie2
=
= 0.0379
pies 2
= 3386103.694Lb/hr *pie2
Gt =
Velocidad =
=
= 15.07 pie/s
La velocidad del agua no está en el rango de (1-10) por lo tanto no se cumple.
TERCER TANTEO
DS = 12”
Nt = 45 tubos
Calculo de Ft
=
R=
S=
=
Ft = 0.89
figura 25
= 2.92
= 0.22
Velocidad =
NaOH(15Bé)
va por el casco
Agua de río
Gt =
tubos
50000 Lb/hora 128333.33 Lb/hora
=
at =
pie2
=
= 751806.268 Lb/hr *pie2
Gt = Velocidad =
= 0.1707 pies 2
=
= 3.346 pie/s
Calculo del coeficiente de película en el lado de los tubos(ht):
En la fig. 25 se calcula el hi = 840 → Tpromedio =92ºF y v=3.346pie/s El factor de corrección por ser tubos de 14 BWG es 0.95 de la tabla que está arriba de la fig 25 del manual de intercambiadores de calor. hi= 840* 0.95 = 798 ht = hi *
= 798 *
= 665.532
ht = 665.532
Calculo del coeficiente total limpio Uc
Uc
Uc
hs * ht hs ht
665 .532 * 470 .4 Btu 275 .6 275 .6 665 .532 470 .4 hr. pie 2 .º F
8) Calculo del coeficiente total de diseño UD
1 1 Rd Ud Uc Rdc =0.001+0.001=0.002
Ud 177 .67
Btu 178 hr. pie 2 .º F
no está en el rango estimado (250- 500). Corregimos:
Ad 45 * 16 pie * 0.2618 pie2 / pie
Ad = 188.496pie2 Ad =188.496 pie2 Factor Térmico, Ft=?
R 2.92 S 0.22 Si R = 2.92
UD
Ft = 0.89
Q Ad * MLDT * Ft
UD= 305.48
RdD
Btu hr. pie2 .º F
1 1 0.00035 UD UC
El factor de obstrucción es mayor (RdD > RdC = -0.00035 >0.002) no se cumple
RPTA: No es adecuado el intercambiador estándar para esta operación.
6.- En la planta de alimentos se quiere diseñar un intercambiador de calor con la finalidad de calentar 6640 lb/hr de una solución acuosa desde 50ºF hasta 82.4ºF para lo cual se usa vapor de agua de 250ºF. la planta dispone de tubos de 2x3” IPS de 6 pies de longitud de acero inoxidable 304, de placas de 400mm x 60mm y 0.5 mm de espesor también de acero inoxidable 304 y de tubos 3/8”, 16 BWG, en cantidades suficientes como para la construcción de cualquier tipo de intercambiador de calor. En un estudio preliminar, se ha determinado que para calentar la solución acuosa, la transferencia de calor en ambos se realiza correctamente, y la relación en costos entre un intercambiador de calor de doble tubo, de placas, y de casco y tubos es de 1: 2.5: 2.2respectivamente. Diseñe el equipo más adecuado, y si tuviera que elegir entre dos de los equipos, elija el más económico. Las propiedades de la solución acuosa a temperatura media son: Cp=1.045 Btu/lb.ºF u= 18.5 lb/pie.hr k= 0.346(Btu/pie2.hr.ºF)-1 ρ=62.8lb/pie3 r=0.0035 Solución:
o Tapromedio= 250ºF (del vapor de agua) o tapromedio= 66.2ºF (de la solución acuosa)
Diseño rápido 1.0.
Balance térmico: Con respecto a la solución acuosa
Q=m*Cp*∆T
Con respecto al vapor de agua. En la tabla termodinámica a 250ºC encontramos el calor latente de vaporizacion que es 945.5 Btu/lb.
2.0.
Calculo de la LMDT:
250
250
50 200ºF
82.4 167.6 ªºººº
3.0.
Calculo del área de transferencia:
Donde el = (100 - 500) Btu/hr.pie2.ºF Para solución acuosa con viscosidad > 2 cp – vapor =150 Btu/hr.pie2.ºF
< 100 pies2; I.C. doble tubo
4.0.
Propiedades de los fluidos:
Propiedades
Solución acuosa (66.2ºF) Vapor de agua (250ºF)
λ; Btu/lb
-------
945.5
Cp; Btu/lb.ºF
1.045
---------
u; lb/pie.hr
18.5
0.03146
k; Btu/pie2.hr.ºF)-1 0.346
0.346
ρ; lb/pie3
62.8
0.072443
r
0.0035
0
-
6.0.
Cu de los fluidos. -Po r el tubo
interior: vapor de agua Por el anulo: solución acuosa
Características de los tubos Del anulo o Di=3.068‟‟ o Do=3.5‟‟ o At=2.944 pulg2 o Deq=1.575‟‟
7.0.
5.0. rso
Del tubo interior -. di= 2.067‟‟ -. do=2.38‟‟ -. at=2.944 pulg2 -. alt=0.622 pie2/pie
Calculo del coeficiente de película en el tubo interior (ht) para el vapor de agua: ⁄
( )(
)
⁄
Como se hace pasar vapor de agua por los tubos: ht= 1500 BTU/h.pie2.F por teoría.
8.0.
Calculo del coeficiente de película en casco “hs” (para la solución acuosa) ⁄
En la fig. 24 con NRe hallamos JH=8
⁄
(
)(
)
⁄ Cálculo de tw, que es la temperatura en la pared del tubo. Tapromedio= 250ºF (V.de agua)
tapromedio= 66.2ºF (Sol. acuosa)
⁄ ⁄
⁄
(
)
(
)
⁄ 9.0.
Calculo del coeficiente total de calor “limpio” Uc: ⁄
10.0. Calculo del coeficiente total de calor de diseño “sucio” Ud:
donde : Rd = rsol. acuosa+ rvapor de agua = 0.0035
⁄ rango
11.0. Calculo del área:
12.0. Calculo de Lt:
13.0. Calculo del # de horquillas (Nh):
Ltcorregida:
Area corregida: 14.0. Calculo de la caída de presión en el tubo interior (∆Pt): Datos: -. -. -. ρ= 0.072443 lb/pie3
Menor a 1 psi, por ser gaseoso, está OK 15.0. Calculo de la caída de presión en el anulo (∆Po):
Datos para calcular -.
:
OK dentro del
-. -.
Datos para calcular
:
-. -.
Finalmente:
Menor a 10 psi, por ser liquido, está OK El tipo de I.C. a diseñar es de doble tubo por que tiene baja área de transferencia y su costo de diseño es el menor.
8.- Se requiere calentar 70 000 lb/h de etanol 100% desde 60ºF hasta 140ºF a presión atmosférica. Para el calentamiento se emplea vapor de agua saturado a 2301F. Se dispone de tubos ¾ OD, 14 BWG y 10 pie de longitud. La resistencia a la incrustación del vapor de agua se considera despreciable. ¿Qué tipo de intercambiador se requiere para esta operación y cuáles son sus características?
1.Balance térmico: Cp etanol a 100ºF =0.63 BTU/lb.F λ = 920 BTU/lb.F (fig. 12)
Hallando la masa de vapor:
2.- Diseño rápido
Ud estimado = 75 (entre 50 y 100)
Hallando el factor de corrección de LMDT:
Como R=0,
230
230
140 90
60
3.- Propiedades Físicas: Propiedades especificas Cp (Btu/Lb.ºF ) µ r k ρ
Etanol (T=100ºF) 0.62 0.85 0.001 0.105 49.35
Vapor agua (T=221ºF) 0.45 0.0127 -----0.01395 0.036
4.- Calculo de “A”: El IC será de Casco y Tubo.4.-
5.- Curso de los fluidos Lado de TUBOS:
Vapor de Agua
Lado de CASCO:
Etanol 100%
Tomando como guía el texto de Donald Kern, por ser vapor de agua, se le hace pasar por los tubos, debido a que el condensado puede ser corrosivo, además se trabaja el intercambiador, como si fuera un condensador 1-2, ya que el vapor va a ceder su calor latente al etanol, condensándose en el interior de los tubos. Para el vapor de agua: tc – t = 707-230=477ºF agua = 9220BTU/lb
6.- Características de los tubos: ¾ „‟OD D0=0.75‟‟ Di=0.584‟‟ .=0.26787 Arreglo Δ
14 BWG .=0.19635 De=0.93750‟‟ L=10pie Pt=15/16 “
Nt=191 tubos Como se hace pasar vapor de agua por los tubos: ht= 1500 BTU/h.pie2.F
7.- Hallando el coeficiente de película en casco “hs” (para etanol) Para IC 1-2, de acuerdo a las diferencias de temperaturas, el IC será de PLACA FIJA Ds=15 ¼ “=15.25”
Nt=193
De= 0.55”
⁄ ⁄ ⁄
(
)
En la fig. 28 con NRe hallamos JH=48
⁄
(
⁄
)(
)
⁄
(
)
(
)
8.- Calculo de coeficiente total de calor “limpio” Uc:
9.- Calculo del coeficiente total de calor de diseño “UD”:
OK dentro del rango
OK
10.- Hallando la caída de presión en TUBOS:
⁄
(
⁄
)
Con NRe en la fig. 26, f=0.00022
⁄
(
⁄
)
OK
11.-Calculo de caída de presión en lado de CASCO:
n=1
De‟= 0.55
Φs=1.19
s=0.79 GS=361 197.11
Hallando “f” en la fig. 29 f=000022
⁄
OK
10.- Una planta química emplea un intercambiador de calor de casco y tubo para enfriar 12000lb/hr de aceite mineral desde 200°F hasta 100°F el intercambiador tiene 8 pasos en el lado de los tubos y un paso en el lado del casco. Las caídas de presión en el tubo y en el casco son 2.4 y 1.0psi respectivamente. El valor calculado del coeficiente total en base a la superficie limpia (Uc) es igual a 80 BTU/hrpie 2 °F, los coeficientes de película Hi Y Ho son iguales. Asuma que la resistencia de la pared de los tubos es despreciable. Como resultado de una ampliación de la planta el flujo de aceite incrementara en un 50%. Será posible utilizar el mismo intercambiador para enfriar el flujo alimentado de aceite desde 200 hasta 100°F, o sera necesario comprar un intercambiador adicional. Debido a las limitaciones de las capacidades de las bombas existentes las caídas de presión máxima permisible en el lado de los tubos y en el lado del casco son 6 y 10 psi respectivamente. La temperatura de salida del agua permitida como máximo es de 120°F. Se puede considerar que la caída de presión tanto en el lado de los tubos como en el lado del casco es proporcional V2 Y hi y ho son proporcionales a V0.8 y V0.5 respectivamente (v es la velocidad de flujo en pie/sg). Datos
Nt=72
L=16pies
1´´OD
Aceite mineral Cp=0.45 btu/lb°F
12 BWG S=0.825
u=7.34cp
H2O t1 = 77 ºF Aceite mineral T1 =200ºF
T2 = 100ºF
t2= 120ºF
TL
T1 T2 45 .73 º F T1 ln T2
200 ºF ΔT1= 80°F 100ºF ΔT2= 23°F
120ºF
77ºF
77ºF
AMPLIACION DE PLANTA FLUJO DE ACEITE aumenta 50% entonces 18000lb/hr Será posible utilizar el mismo intercambiador de calor. CAIDAS MAXIMAS PERMISIBLES
Pt Vt 2
Tubos < 6 psi Tubos < 10 psi
Ps Vs 2
CARACTERÍSTICAS DEL INTERCAMBIADOR
hi Vi0.8
ho Vo0.5
DATOS Nt= 72
L= 16pies
1`` OD
16BWG
Aceite mineral : Cp= 0.45 Btu/lb F
S= 0.825
μ= 7.34cp
PROPIEDADES FÍSICAS
PROPIEDADES FÍSICAS
UNIDADES BTU Lbº F
Calor Específico
Cp,
r
BTU . 2 hr. pie º F
AGUA ΔT=92.5ºF
ACEITE ΔT=200ºF
1
0.45
0.003
0.002
1
CURSO DE LOS FLUIDOS TUBO: Agua CASCO: Aceite CARACTERÍSTICAS DE LOS TUBOS
1``OD
12 BWG
Do=1``
Di=0.752``
Alt= 0.26180
Atv= 0.48029pulg2
Entonces: Nt= 72
n=8
T 200 100º F 100º F Por lo tanto es de placa fija
CALCULO DE Uc : h t= h s
ht * hs ht hs ht 2 80 2ht ht 160
UC
hs 160
Uc=80
Pt 1 1
4
Ds 17 1
4
CALCULO DE UD :
1 1 Rd Ud UC Rd Rt Ro Rd 0.003 0.002 Rd 0.005 Ud 57.14 CALCULO DEL AREA DE DISEÑO AD = (Nt)*(L.)*(alt) AD = 72*0.26180*16 AD = 301.5936 CALCULO DEL CALOR ESTIMADO
Q= 12000*0.45*(200-100) Q=540000BTU/h
R
200 100 2.33 120 77
S
120 77 0.35 200 77
ft 0.98
UD
Q Ad * MLDT * Ft
UD
540000 301.5936 * 45.73 * 0.98
UD 40
BTU hr. pie 2 F
Uc Ud Uc * Ud 80 40 Rdd 80 * 40 Rdd 0.0125 pie 2 Rdd
AREA REQUERIDA:
A
A
Q Ud .TL .Ft
540000 40 * 45.73 * 0.98
A 301 .24 pies 2
AHORA ANALIZAREMOS PARA EL FLUJO MASICO DE ACEITE MINERAL Q= m*cp*ΔT Q= 18000*0.45*(200-100ºF) Q=810000 BTU/h
UD
Q Ad * MLDT * Ft
UD
810000 301.5936 * 45.73 * 0.98
UD 59 .93
BTU hr. pie2 F
Uc Ud Uc * Ud 80 59.93 Rdd 80 * 59.93 Rdd 0.0042 pie 2 Rdd
Rdd < Rdc 0.0042 < 0.005
NO CUMPLE
AHORA VERIFICAMOS AREAS
Ac
Q Ud .TL .Ft
Ac
810000 40 * 45.73 * 0.98
Ac 451 .85 pies 2 Ad < Ac 301.5936 < 451.85
NO CUMPLE
POR LO TANTO: N o es recomendable utilizar el mismo intercambiador de calor ya que el área de diseño debe ser mayor que el área calculada debido a esto la planta química debe de comprar un intercambiador de calor adicional.
12.-En un proceso de una planta química se enfrían 100000 lb/h de vapor de oleofina desde 190 a 110°F .para el enfriamiento se emplea agua de rio desde 80 hasta 120°F.En esta operación se está usando un intercambiador de calor de casco y tubos 1-6(DI=25”,Nt=226).El dpto. de diseño de planta ha detectado que la eficiencia de la operación no es la requerida(el vapor de oleofina no se enfría hasta la temperatura deseada).Para dar solución a este problema se pide a usted investigue la deficiencia. Con el fin de mejorar la eficiencia, solo sugiera usar un intercambiador 3-12 que se halla disponible en la planta (DI=25”,Nt=228 tubos) a) Cuales son las causas de la ineficiencia de la operación del intercambiador? b) ¿Se podrá usar el intercambiador 3-12 en lugar del 1-6 en forma satisfactorio? Porque? (para esta pregunta solo considere las operaciones térmicas del intercambiador y no las caídas de presión) Cálculos para intercambiador de calor de caso y tubos 3-12 DI=25¨
NT=228 Agua t1=80ºF
Vapores de oleofina 100000lb/h T1=190ºF t2=120ºF
T2=110 ººF.44. ..44...4 4.44ºF F
Hallando las propiedades del vapor de oleofina y del agua a su temperatura promedio que son de 150ºF Y 100ºF respectivamente. Propiedades especificas Cp (Btu/Lb.ºF ) µ r k ρ
Vapor oleofina 0.42 0.011 0.001 0.013 0.25
de agua 1 1.65 0.002 0.363 62.47
1.- Haciendo el balance térmico con respecto al vapor de olefina Q=mvapor de oleofina*Cp*ΔT Q=100000 lb/h*0.42 Btu/Lb.ºF*(190-110)ºF Q=3360000BTU/h
2.- Curso de los fluidos Lado de los tubos: agua de rio Lado del casco: vapor de oleofina 3.- Características de los tubos: Tabla 1.1 1„‟OD
16 BWG
D0=1‟‟ Di=0.87‟‟ .=0.59447 Arreglo Δ
.=0.26180 De=1.25000‟‟ L=12pie
5- Calculo de LMDT
190ºF 120ºF 70ºF
110ºF 80ºF 30ºF
LMDT=
7.- Hallamos la masa de agua Q=magua*Cp*ΔT 3360000 BTU/h =magua lb/h*1Btu/Lb.ºF*(120-80)ºF magua =84000 lb/h
Calculo de Ht
⁄
En fig. con “V” y la Tprom del agua hallamos y corregimos Ht = 1170*0.935=1093.95 BTU/h Corrigiendo el Ht:
Calculo del coeficiente de película en el casco “Hs” Ds=23.25”
Pt= 5/4”
¾ OD
C=0.25
e=13.95
⁄ ⁄
(
⁄
)
En la fig. 28 con NRe hallamos JH=500 ⁄
(
⁄
)(
)
⁄ Calculo del coeficiente total de transferencia limpio “Uc”
Calculo del coeficiente total de transferencia sucio “UD”
⁄
Hallando el área de diseño: Ad = 228*0.26180*12 Ad=717pie2 Determinando el UD de diseño:
⁄
Cálculos para intercambiador de calor de casco y tubos 1-6 DI=25¨
NT=226
Calculo de Ht
⁄
En fig. con “V” y la Tprom del agua hallamos y corregimos Ht = 680*0.935=635.8 BTU/h Corrigiendo el Ht:
Calculo del coeficiente de película en el casco “Hs” Ds=23.25”
Pt= 5/4”
¾ OD
C=0.25
e=13.95
⁄ ⁄ (
⁄
)
En la fig. 28 con NRe hallamos JH=500 ⁄
(
⁄
)(
)
⁄ Calculo del coeficiente total de transferencia limpio “Uc” ⁄
Calculo del coeficiente total de transferencia sucio “UD”
⁄
Hallando el área de diseño: Ad = 226*0.26180*12 Ad=710pie2 Determinando el UD de diseño:
⁄
b)Rpta: Si se podrá usar en forma satisfactoria el intercambiador de calor 3-12 porque factores como ht, Ud JH Y Uc proporcionan una mayor transferencia de calor que en el I.C 1-6 , además el fluido pasara más veces por el casco y también por los tubos esto generara un mayor tiempo de residencia del fluido y por consiguiente una mayor transferencia de calor a pesar de tener pantallas más cortas.
a)
Con el paso del tiempo se acumulan depósitos sobre las superficies de transferencia de calor de los intercambiadores que incrementan la resistencia térmica y hacen que disminuya la velocidad de transferencia de calor. El efecto neto de la acumulación de depósitos se cuantifica mediante el llamado factor de incrustación, Rf , que está tabulado para los diferentes fluidos. La acumulación puede producirse en la pared interior, en la exterior o en las dos simultáneamente lo cual se reflejará en el coeficiente global de transferenica de calor. Es posible que la masa de fluido refrigerante en este caso el agua no sea la cantidad requerida para enfriar la corriente de vapor de oleofina.
4) En un intercambiador de calor de doble tubo, un fluido se enfría de 300 a 275ºF calentando un fluido frio de 100 a 290ºF. Si el fluido caliente esta en serie, ¿Cómo sería la diferencia verdadera de temperatura dividiendo la corriente caliente en: (a) dos corrientes paralelas y (b) en tres corrientes paralelas?
T2=275ºF t1=100ºF
T1=300ºF T2=290ºF Haciendo que el fluido caliente este en serie para hallar LMDT
300
275
210 90
100 175
Haciendo que el fluido caliente valla en 2 corrientes paralelas, entonces el fluido frio ira en serie.
Para la corriente fría en serie, “n” corrientes calientes en paralelo:
R”=0.263 ⁄
⁄
(
)
Conclusión: La diferencia de temperatura no cambiaria considerablemente, ya que LMDT es 127.8ºF y el
Haciendo que el fluido caliente valla en 3 corrientes paralelas, y que el fluido frio este en serie
R”=0.395 ⁄
(
)
8) Se desea enfriar una mezcla gaseosa de 2570 lb/hr de CO, 12.8 lb/hr de CH3I y 2.4 lb/hr CH3COOH, desde 140ºF hasta 83ºF a 102 psia. Para el enfriamiento se debe usar agua a 77 F Se dispone de tubos de 4” y de 3” IPS con numero de cedula 40. Se permite una caída de presión de 5psi en cada corriente. ¿Se puede usar un intercambiador de doble tubo? De ser así, cuantas horquillas tendría el arreglo del intercambiador?
Agua 77ºF
2585.2 lb/h Mezcla gaseosa
Mezcla gaseosa
IC- 4
140ºF
83ºF
Agua 104ºF
Q ganado = -Q perdido m*1*(104-77)= -(
)
m= 1356.225 lb/h de agua
140 ºF
M. gaseo
83ºF 104ºF Agua
Agua cruda 36ºF
77 ºF 6ºF
Hallamos variación de temperatura media logarítmica y luego determinamos el área con el Ud. supuesto: 26 (tabla 1.4-manual de intercambiadores de calor para solventes orgánicos Ud (2-50) )
ΔTL =
=16.74
AREA ESTIMADO:
A=
Δ
= 84.33 pie2
=
Solventes Orgánicos UD (2-50) → 26 Por lo tanto : 84.33 pie2 < 100 pie2
(Doble tubo)
ESTIMAMOS PROPIEDADES FISICAS 1) Propiedades físicas a la temperatura promedio: Propiedad
FLUIDO AGUA
A
CALENTAR FLUIDO A M.gaseosa
90.5ºF
111.5º F
Cp, Btu / lb ºF
1
0.2485
, cp
0.81
0.0189
K, Btu / h.pie2 ºF
0.358
0.01068
3 ρ lb/ pie
62.4
0.47
Btu 2 r hr. pie .º F
0.001
0.01
ENFRIAR
2) Características de los tubos: 4x3 ‟‟ IPS , tubos de 20pies de longitud.
di=3.068”
do=3.5”
xi=0.216”
at=7.38 pulg2
Di=4.026”
Do=4.5”
ao=3.14 pulg2
alt=0.917pie2/pie
De=1.14”
Dm=3.284”
3) Curso de los Fluidos:
Mgases = 2585.2 lb/h Magua = 1356.23 lb/h
-Lado del tubo interior: gases -Lado del Anillo: Agua 4) Calculo del Coeficiente de transferencia en el tubo interior (mezcla gaseosa):
hi = Jh ( ) * (
) 1/3 * (
di
= 3.068 pulgadas *
k
=
Cp.
= 0.2485 BTU/Lb ºF
µ
=
)0.14
0.01068 BTU /pie ºF
0.0189 centipoise
Jh = necesito el numero de Reynols
Cálculo del número de Reinols Nre = µ di
= 0.0457 Lb /pie hora = 3.068pulgadas *
Gt =
=
= 50442.93 Lb/hr *pie2
Gt =
Nre =
(
)
Nre = 281966.32 ≈ 281966
Jh = 590 (en curva de transferencia de calor lado de los tubos en la fig24) hi = Jh ( ) * (
) 1/3 * (
)0.14 =1
hi = 590 (
)1/3 * (
)*(
)0.14
hi = 25.16 Btu/hr *pie2 *ºF ht = 25.16*
=22.05
ht = 22.05 Btu/hr *pie2 *ºF
5) Calculo del Coeficiente de transferencia en el anulo (agua): ho = Jh ( ) * (
) 1/3 * (
)0.14
De = 1.14 pulgadas * k
=
0.358 BTU /pie ºF
Cp.
= 1 BTU/Lb ºF
µ
=
0.81 centipoise
Jh = necesito el numero de Reynols
Cálculo del número de Reinols Nre = µ
= 1.9602 Lb /pie hora
De = 1.14pulgadas *
Ga =
=
= 62196.31 Lb/hr *pie2
Ga =
Nre =
(
)
Nre = 3014.31 ≈ 3014
Jh = 12.8 (en curva de transferencia de calor lado de los tubos en la fig24) ho = Jh ( ho = 12.8 (
)*(
) 1/3 * ( )*(
ho = 85 BTU/hr *pie2 *ºF
)0.14 ) 1/3 * (
)0.14
6) Calculo del Coeficiente total de transferencia(limpio):
=
Uc
=
Uc
= 17.51 BTU/h *pie2 *ºF
7) Calculo del Coeficiente total de diseño(sucio):
=
+ Rd
=
+ 0.01
Rd =0.01 + 0.001 = 0.011 UD = 14.68 ≈ 15 BTU/hr *pie2 *ºF 8) Calculo del área de transferencia:
A=
=
A = 145.8pies2 < 200pies2 9) Calculo de Longitud total del intercambiador:
=
L=
L = LT = 159 pies
10) Calculo del Nº de Horquillas: NH =
=
=3.975 ≈ 4 horquillas
= 145.8
Corregimos el LT = NH * L = 4 * 20 * 2 LT = 160 pies Área corregida A= LT *alt A= 160pie * 0.917 A= 146.72 pies2
11) Calculo de la caída de presión en el lado del tubo interior, psia:
∆ Pt =
Gt =50442.93Lb/hr *pie
2
= 0.47 Lb/pie3
LT =160 pies
di = 3.068 pulgadas *
g = 4.18 *108 pies/hr2
NRe = 281966.32
f = 0.0035 +
∆ Pt = ∆ Pt = 0.55 < 5 psia (ok)
=0.0049
=0.55 psia
12) Calculo de la caída de presión en el lado del tubo exterior o anulo
∆ PA
=
∆ Pa
+
Salida de presión en los tubos
∆ Pa
∆ Pes
entradas y salidas
= = Di - do = (4.026 – 3.5) pulg
= 0.526 pulgadas
Nre = (
)
Nre = Nre = 1390.81
f = 0.0035 +
= 0.0161
∆ Pa =
∆ Pa = 0.12 psia
∆ Pes
=
*
=
pies /seg
n = número de horquillas
g‟ = 32.17 pies /seg2
=
∆ Pes
=
=
0.28 pies /seg
*
= 0.0021 psia
∆ PA = ∆ Pa + ∆ Pes = 0.12 psia + 0.0021psia
∆ PA
= 0.1221 psia < 5 psia (ok).
Rpta: Si se puede usar un intercambiador de doble tubo de 4*3” IPS, el arreglo del intercambiador tendría 4 horquillas.
18) Para enfriar 140000 lb/hr de extracto butílico desde 88°F hasta 41°F se tiene una solución de cloruro de calcio a 24.8°F que puede calentarse hasta 41°F. Para realizar tal operación se quiere diseñar y construir un intercambiador de calor, y para ello se cuenta con tubos de 3/4" OD, 16 BWG, 8 pies de longitud, y de acero inoxidable 304. Las propiedades físicas de los fluidos son:
Extracto butílico @ 64.5°F
Cloruro de calcio @ 32.9°F
Cp
0.56
0.68
Btu/lb.°F
3.7
5.1
cp
k
0.096
0.32
Btu/hr.pie.°F
r
0.001
0.0035
Cloruro de calcio t1 = 24.8 ºF estracto butílico T1 =88ºF
T2 = 41ºF
140000 Lb/hr t2= 41ºF
CALCULO DEL CALOR NECESARIO Q= m*cp*ΔT Q= 140000*0.56*(47ºF) Q=3684800 BTU/h
CALCULO DEL FLUJO MASICO DEL CaCl2 mcacl2
Q Cp * T
3684800 0.68 * 16.2 mcacl2 334495.2796.lb / hr mcacl2
DISEÑO RAPIDO T L
T1 T2 28 .91º F T1 ln T2
Estimac. de U=40-100 promedio U=70
88 ºF ΔT1= 47°F 41ºF ΔT2= 16.2°F
41ºF
24.8ºF
A
Q 77ºF Ud .TL
A
3684800 70 * 28.91
A 1821 pies 2 PROPIEDADES FÍSICAS
PROPIEDADES FÍSICAS
EXTRACTO CLORURO BUTILOCO DE CALCIO ΔT=64.5ºF ΔT=32.9ºF
UNIDADES BTU Lbº F
Calor Específico
Cp,
Viscosidad
,
Conductividad Térmica
K,
r
BTU . 2 hr. pie º F
0.56
0.68
LB Pie.hr
3.7*2.42
5.1*2.42
BTU hr. pie.º F
0.096
0.32
0.001
0.0035
1
CURSO DE LOS FLUIDOS TUBO: cloruro de calcio CASCO: extracto butílico CURSO SUPUESTO Intercambiador de casco y tubo de ¾‟‟ de diámetro BWG=16 Pt=15/16 Pasos de (1-4) CARACTERÍSTICAS DE LOS TUBOS Ø EXTERNO
:
0.75 ´´
Ø INTERNO
:
0.62´´
BWG
:
16
at
:
0.19635 pulg2
a lt
:
0.39270 pie2/pie
Ø EQUIVALENTE : ESP DEFLE :
0.937 12
ESTIMADO DEL NUMERO DE TUBOS
Nt
A L * alt
Nt
1821 8 * 0.3927
Nt 580 CALCULO DE HT :LADO DE LOS TUBOS
Gt
mt at
Gt
334495.2796 0.19635
Gt=1703566.486 lb/pie2 ºF
Nre
Di * Gt
0.62 * 1703566.486 12 Nre 5.1 * 2.42 Nre 7131.55 figura.N 24 Jh 24 0.32 0.68 * 5.1 * 2.42 ht 24 * * 0.32 0.62 / 12 ht 442
1/ 3
HT CORREGIDO Ht=442*di/do=442*0.62/0.75 Ht=365 CALCULO DE HS : 1
0.14 k Cp * 3 hs JH * * * s De k
C=0.9375´´- 0.75´´= 0.1875´´
Ds * C * B 144 * Pt 27 * 0.1875´´*24´´ as 144 * 15 16 2 as 0.9 pies as
ms as 140000 Gs 0 .9 Gs
Gs 155555.55lb / hr. pie 2 º F
Nre
Di * Gs
0.75 * 155555.55 12 Nre 3.7 * 2.42 Nre 9722.2 Jh 50
0.32 0.68 * 3.7 * 2.42 hs 50 * * 0.32 0.75 / 12 hs 109.3
CALCULO DE Uc :
ht * hs ht hs 365 *109.36 Uc 365 109.36 Uc 84 UC
1/ 3
CALCULO DE UD :
1 1 Rd Ud UC Rd Rt Ro Rd 0.001 0.0035 Rd 0.005 Ud 61.035 CALCULO DEL AREA DE DISEÑO AD = (Nt)*(L.)*(alt) AD = 608*0.2937*8 AD = 1428.56 R
88 41 2.9 41 24.8
S
41 24.8 1 41 24.8
ft 0.96
UD
UD
Q Ad * MLDT * Ft 3684800 1428.56 * 28.91 * 0.96
UD 90 .12
BTU hr. pie2 F Uc > Ud 84 > 90.12
NO CUMPLE
Por lo tanto a estas condiciones no cumple este intercambiador de calor porque el coeficiente (Uc) tiene que ser mayor que el coeficiente de diseño (Ud)
20) En una nueva instalación es necesario precalentar 149000 lb/hr de aceite crudo 34° API de 170 a 285°F, correspondiente al plato de alimentación de una torre fraccionadora. Hay una línea de gasoil de 33° API que pasa cerca de la torre a 530°F, disponible en cantidades relativamente ilimitadas .Debido a que el costo de bombeo de gasoil, frío es prohibitivo, la temperatura de gasoil del intercambiador, de regreso a la línea, no deberá ser menor de 300°F. Se dispone de un intercambiador 1-2 de 25 pulgadas Di con 252 tubos de 1 pulgada de DE, 13 BWG y 16‟0‟‟largo, arreglados es seis pasos en arreglo triangular de 1 ¼” de paso. Los deflectores de la coraza están espaciados a 5 pulgadas de los centros .Se permite una caída de presión de 10 lb/pulg2 en el gasoil y de 15 lb/pulg en la línea de alimentación. Será el intercambiador aceptable si se limpia. Si es así, ¿cuál será el factor de obstrucción?. Para el gasoil las viscosidades son 0.4 centipoises a 530°F y 0.7 centipoises a 300°F. Para el crudo, las viscosidades son 0.9 centipoises a 285°F y 2.1 centipoises a 170°F (interpólese °F vs Centipoises en un papel logarítmico).
t1 = 530ºF Gasoil
33ºAPI
Aceite crudo T1 =170ºF
T 2 = 285ºF
t2= 300ºF
CALCULO DE LAS TEMPERATURAS CALORICAS
Tc / Tn 130º F / 245º F 0.53 Es un rango de temperatura de 230ºF (34º API) se lee en la figura 17 el Kc KC=0.40
Fc=0.451
T º gasoil t 2 Fc(t1 t 2 ) T º gasoil 300º F 0.451(530 300)º F T º gasoil 395.45º F
T º aceitecrudo T1 Fc(T2 T1 ) T º aceitecrudo 170º 0.451(285 170)º F
T º aceitecrudo 217.723º F
PROPIEDADES FÍSICAS PROPIEDADES FÍSICAS
UNIDADES
Calor Específico
Cp,
Viscosidad
ACEITE CRUDO GASOIL 31ºAPI 33ºAPI
BTU Lbº F
0.515
0.635
,
LB Pie.hr
1.996
0.554
Conductividad Térmica
K,
BTU hr. pie.º F
0.0755
0.070
r
BTU . 2 hr. pie º F
0.003
0.002
Densidad
,
0.81*62.4
0.76*62.4
Lb pie 3
1
DISEÑO RAPIDO T L
T1 T2 181 .5º F T1 ln T2
Estimac. de U=20-140 promedio U=70 530 ºF ΔT1= 245°F 300ºF ΔT2= 130°F
285ºF
170ºF
CURSO DE 77ºF LOS FLUIDOS TUBO: aceite crudo CASCO: Gasoil CARACTERISTICAS DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR CORAZA Ds= 25pulg B= espacio de los deflectores= 5`` Pasos: 1 TUBOS Nº de tubos = 252 Pt= 1``
longitud = 16``
BWG= 1 ¼ ``
pasos: 6
CALCULO DEL CALOR ESTIMADO
Q= 149000*0.515*(285-170) Q=8824525 BTU/h
mgasoil
Q Cp * T
8824525 0.635 * 230 mgasoil 60421.lb / hr mgasoil
R
530 300 2 285 170
S
285 170 0.319 580 170
Ft= 0.85 CALCULO DE HT :LADO DE LOS TUBOS
Gt
mt at
Gt
149000 0.1503
Gt=991351 lb/pie2 ºF
Nre
Di * Gt
0.81 * 991351 12 Nre 1.996 * 2.42 Nre 13853 figura.N 24 Jh 52
0.0755 0.515 *1.996 * 2.42 ht 52 * * 0.0755 0.81 / 12 ht 186.5
HT CORREGIDO Ht=186.5*di/do=186.5*0.81/1 Ht=151.065
CALCULO DE HS : 1
0.14 k Cp * 3 hs JH * * * s De k
C=1.25´´- 1´´= 0.25´´ Ds * C * B 144 * Pt 25 * 0.25´´*5´´ as 144 * 1.25 as
as 0.1736 pies 2 ms Gs as 60421 Gs 0.1736 Gs 348047lb / hr. pie 2 º F
Nre
Di * Gs
0.72 * 348047 Nre 12 0.554 * 2.42 Nre 15576 Jh 68
1/ 3
0.0755 0.635 * 0.554 * 2.42 hs 68 * * 0.0755 0.72 / 12 hs 183
CALCULO DE Uc :
ht * hs ht hs 151*183 Uc 151 183 Uc 82.75.btu / hr. pie 2 º F UC
CALCULO DE UD :
1 1 Rd Ud UC Rd Rt Ro Rd 0.003 0.002 Rd 0.005 Ud 58.53 CALCULO DEL AREA DE DISEÑO AD = (Nt)*(L.)*(alt) AD = 252*0.26180*16 AD = 1055.57 AREA REQUERIDA:
A
A
Q Ud .TL .Ft
8824525 58.53 *181.5 * 0.85
A 977 .27 pies 2
1/ 3
CÁLCULO DE LA CAÍDA DE PRESIÓN EN LOS TUBOS Pt
f * Gt 2 * L * n 5.22 * 1010 * Di * s * i
Nre
Di * Gt
Nre 13853 f 0.00025 0.00025 * 991351 * 16 * 6 5.22 * 1010 * 0.81 / 12 * 1 Pt 8.26 psi 2
Pt
CALCULO DE DE PRESIÓN DE RETORNO:
Pr
2 * n *V 2 s*g
Pr 0.125 * 6 Pr 0.75 psi
Pt Pt Pr Pt 8.26 0.75 Pt 9.01 psia
CALCULO DE DE PRESIÓN EN EL CASCO:
f * Gs 2 * Ds( N 1) Ps 5.22 *1010 * De * s * s N 1 12 *
L e
N 1 38.4 f 0.0019 0.0019 * 348047 * 25(38.4) 5.22 *1010 * 0.72 / 12 * 0.71 Ps 8.28 psi 2
Ps
PROBLEMAS PROPUESTOS DE CONDENSACION 4.- Se ingresa 57000 lb/hr de hexano casi puro a la coraza de un condensador vertical 1-2 a 5psig y 220ºF. El rango de condensación es de 177 a 170ºF, a esta temperatura se envía al almacenaje. El agua de enfriamiento es usada entre 90 y 120ºF. Se dispone de un condensador de 31” de DI, 650 tubos de ¾”, 16BWG, 16‟ de largo, 4 pasos en los tubos con arreglo triangular de 1”. Los deflectores se encuentran a 18”. Calcule la diferencia verdadera de temperatura, el factor de obstrucción y las caídas de presión.
1.
Balance de calor
Hexano en el desobrecalentamiento (Cp=0.454 Btu/lb ºF a 198.5 ºF) Q1= 57000*0.454*(220 - 177)=1112754 Btu/hr
Condensación Entalpia hexano vapor a 19.7 psia y 177ºF =340 Btu/hr Entalpia hexano liquido a 19.7 psia y 170ºF =185 Btu/hr Q2= 57000*(340 - 185)=8835000 Btu/hr QT=Q1 + Q2 = 9947754 Btu/hr mH2O = QT/Cp*ΔT = 9947754/(1)*(120 – 90) = 331591.8 lb/hr Δt agua= 8835000/(1)* 331591.8 = 26.64 ºF
2.
en la condensación
Δt Balanceado (paralelo-condensador vertical) Desobrecalentamiento Fluido Caliente Fluido frio 200 ºF 90 ºF 177 ºF 93.36 ºF
Diferencia 110 ºF 83.64 ºF
(Δt)d =96.2 ºF Condensación Fluido Caliente Fluido frio 177 ºF 93.36 ºF 170 ºF 120 ºF (Δt)c =65.4 ºF
Diferencia 83.64 ºF 50 ºF
Hallando la diferencia verdadera de temperatura Δt = QT/ (Q1/ (Δt)d + Q2/ (Δt)c ) Δt = 9947754 /((1112754 / 96.2) + (8835000 /65.4)) = 67.8 ºF
3.
….rpta
Características del intercambiador.
Tipo
: De caso y tubo 1-4
Tubos
: ¾” OD; 16 BWG
Longitud
: 16‟
Numero de tubos
: 650
Distancia entre centros
: Pt = 15/16”
Arreglo
: Triangular
Pantallas
: Fijas al 25%
Area transversal
: 0.30191 pulg2
Area lateral longitudinal
: 0.19635 pie2/pie
Diámetro interno
: 0.62”
Numero de pasos en los tubos
:n=4
Ds = 31”, e = 18” c = Pt – DE =1 – 0.75 =0.25” Como el rango de temperaturas es menor o igual a 93°F, el
intercambiador es de placa fija.
4.
Curso de los fluidos Casco: hexano Tubos: agua blanda
5.
Fluido caliente: casco (hexano)
Desobrecalentamiento as = Ds x c x e / (144 x Pt) as = 31 x 0.25 x 18 / (144 x 1) = 0.0.96875 pie2 Gs = ms / as = 57000 lb/hr / 0.96875 pie2 = 58838.71 lb/hr.pie2
A temperatura 198.5 ºF (hexano) µ = 0.0191 lb/hr.pie De = 0.73” fig (28) K = 0.0103 btu/hr.pie.°F Res = DexGs/μf = (0.73/12) pie x 58838.71 lb/hr.pie2/0.0191 lb/hr.pie Res = 187400.8
JH =265 fig (28)
Hallando ho =42.4 btu/hr.pie2.°F
6.
Fluido frio: tubos(agua) at = Nt x at‟ / 144 x n = 650 x 0.30191 pulg2 / 144 x 4 = 0.341 pie2 Gt = mt/at =(331591.8 lb/hr)/0.341 pie2 =972409.97 lb/hr.pie2 V = Gt / 3600 x ρ = 972409.97 lb/hr.pie2 / 3600 x 62.4 lb/pie3 V = 4.33 pie/seg Por tratarse de agua recurrimos a la figura 25 del manual para hallar el valor de hi en función de la velocidad (pie/seg.). hi = 1130 btu/ hr.pie2°F ht = hi x Di / OD ht = 1130 btu/ hr.pie2°F x 0.62” / 0.75” ht = 934 btu/ hr.pie2°F
7.
Coeficiente total limpio Ud de desobrecalentamiento Ud = ht x hc /(ht + hc)= 934 x 42.4 /(934 +42.4) Ud = 40.56 btu/hr.pie2.°F
8.
Superficie limpia necesaria para el desobrecalentamiento Ad Ad = 1112754/(40.56*96.2) =285.2 pie2
9.
Condensación en el casco Go = W/3.1416*Nt*Do 4*Go/µf>2000 Go = 57000/3.1416*650*(0.75/12) = 446.6 lb/hr.pie2
4*446.6/0.5566>2000 es de posición vertical tv= (170+177)/2=173.5 ºF t = (90+120)/2 =105 ºF tw= t +(ho)*(tv – t)/(ho + ht) tf = (tv+tw)/2 1) suponemos un ho =110 entonces reemplazando la tf = 143 ºF kf= 0.0779 µf=0.5566 sf=0.66 ho(µf2/(kf3.( sf*62.4)2.g))Λ(1/3)=1.5(4*Go/µf) Λ(-1/3) Resultando ho =104 Por lo tanto consideramos ht= ho = 105
10.
Coeficiente total limpio Uc de condensacion Ud = ht x hc /(ht + hc)= 934 x 105 /(934 +105) Ud = 94.3 btu/hr.pie2.°F
11.
Superficie limpia necesaria para la condensacion Ac Ac = 8835000/(94.3*65.4) =1432.6 pie2
12.
Superficie limpia total AT AT=Ad+Ac=285.2 pie2 +1432.6 pie2 = 1717.8 pies2
13.
Coeficiente total limpio requerido Uc= (40.56*285.2+94.3*1432.6)/ (285.2 +1432.6) =85.4 btu/hr.pie2.°F 1/UD = 1/Uc + Rd 1/ UD = 1/ 85.4 btu/hr.pie2.°F + 0.002 hr.pie2.°F/btu UD = 72.9 btu/hr.pie2.°F
14.
Area de diseño Adiseño=Nt*L*alt=650*16*0.19635=2042.04 pie2 Adiseño> AT ……….OK
15.
Factor de obstrucción Calculo UD de diseño UD = 9947754 / (Ad x ΔTL )= / (2042 x 67.8) UD = 71.85 btu/hr.pie2.°F 1/UD = 1/Uc + Rd 1/ 71.85 = 1/85.4 btu/h.pie2.°F + Rd Rd = 0.0022
….rpta
Como Rd diseño > Rd requerido; el intercambiador si es adecuado.
16.
Calculo de la caída de presión en los tubos ΔPT.
Calculo de la caída de presión en los tubos ΔPt ΔPt = f x Gt2 x L x n /(5.22 x 1010 x Di x s x ɸt) ΔPt = 0.00027x 331591.8 2 x 16 x 4 / (5.22 x 1010 x 0.0517 x1 x 1) ΔPt = 0.7 psi
Calculo de la caída de presión en los retornos ΔPr ΔPr = 4 x n x v2 x 62.5/( s x 2g x 144) ΔPr = 4 x 4 x 4.332 x 62.5/ (1 x 2 x 32.17 x 144)= 2 psi
Calculo de la caída de presión total ΔPT = ΔPt + ΔPr ΔPT = 0.7psi + 2 psi = 2.7 psi Como ΔPT < 10 psi; el intercambiador si es adecuado.
17.
Calculo de la caída de presión en el casco ΔPS. Desobrecalentamiento Res=187400 ……………..f=0.00122 Ld =L *Ad/AT Ld =16*285.2/1717.8 = 2.656 pies N +1 =12 * Ld/e=12*2.656/18 =1.77
Peso mol hexano=86 ρ=86/359*(658.2/492)*(14.7/19.7)=0.240 lb/pie3 s=0.240/0.075=3.2 Ds =31” ΔPS = f x Gs2 x Ds x (N+1) / (5.22 x 1010 x De x s x Фs) Reemplazando valores ΔPS= (0.00122 x 58838.712 x (31/12) x1.77)/ ( 5.22x1010x (0.73/12) x 3.2 x 1) ΔPS = 0.002 psi.
Condensación N +1 =12 * Lc/e=12*13.344/18 =8.896 A 173.5 ºF μf =0.01839 sf=0.66 Res = DexGs/μf = (0.73/12) pie x 58838.71 lb/hr.pie2/0.01839 lb/hr.pie Res = 194615 De acuerdo con la figura 29 del manual: f = 0.00125
ΔPS = 1 x f x Gs2 x Ds x (N+1) / (2 x 5.22 x 1010 x De x s)
Reemplazando valores ΔPS= (1x0.00125x58838.712 x (31/12) x8.896)/ (2x5.22x1010x (0.73/12) x 0.66)
ΔPS = 0.024psi.
Por lo tanto ΔPS = 0.002 + 0.024 =0.026 psi Como ΔPS < 1 psi; el intercambiador si es adecuado.
NOTA : - Los ejercicios 6, 12, 14,16 son repetidos, así que se encuentran desarrollados en los ejercicios anteriores. - El problema 14 sobre calentar el yoduro de potasio no tiene pregunta ¿?
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