Intercambiador Tubo y Coraza

•Intercambiador de Calor UNIVERSIDAD DE GUANAJUATO FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

IQ-30305

Asesor: •I.Q. Juan Ramón Cuesta Moheno Guanajuato, Gto., 26 de Abril del 2006 Presentan: Diego Omar Márquez Alvizu Cristian Luciano Guerrero Ramírez

siguiente indice

Donald Q. Kern Problema 6.5 12 000 lb/h de aceite lubricante de 26 °API (véase el Ej. 6.3 en el texto para viscosidades) deben enfriarse de 450 a 350 °F, calentando kerosena de 42°API de 325 a 375 °F. Se permite una caída de presión de 10 lb/plg2 en ambas corrientes y debe considerarse un factor de obstrucción mínimo de 0.004. (a)¿Cuántas horquillas de doble tubo de 2 1/4 por 11/2 plg IPS de 20 pies se requieren? (b) ¿Cómo deberán arreglarse? (c) ¿Cuál es el factor final de obstrucción?

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Donald Q. Kern Problema 6.5 DATOS CONOCIDOS Aceite Lubricante

26°API

Kerosena

42°API

Flujo de aceite Lubricante

12000 lb/hr

Temperatura. Entrada de aceite lubricante

450°F

Temperatura Salida De aceite lubricante

350°F

Caída de Presión

10 lb/in2

Factor de obstrucción

0.004

Temperatura. Entrada Kerosena

325°F

Temperatura Salida de Kerosena

375°F

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Problema 6.5 Esquema

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Solución Problema 6.5 Estamos Perdiendo “CALOR SENSIBLE”

1) BALANCE DE CALOR Q Ganado Kerosena = Q perdido Aceite Lubricante Q perdido AL=(12000 lb)(0.62)(450-350) Q perdido AL=744000 Btu/hr 744000 Btu/hr= Mk(0.63)(375-325) Mk=23,619.04762 lb/hr Flujo Caliente

Flujo Frio

Diferencia

450°F

Alta Temperatura

375°F

75°F

∆T2

350°F

Baja Temperatura

325°F

25°F

∆T1

50°F

∆T2 - ∆T1

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Solución Problema 6.5 NOTA: Sera imposible poner 30367.34694 lb/hr de Kerosena en una sola tubería o anulo, ya que el area de flujo en cada uno de ellos es muy pequeña. Supongase, como prueba, que se emplearan dos corrientes en paralelo. 2) CALCULO DE ΔTML ΔT1 = t1-T2 =25 °F ΔT2 = t2 – T1 = 75 °F

ΔTML = ΔT2 - ΔT1/ln(ΔT2 / ΔT1 ) ΔTML= (50 °F)/ln(75 °F/25 °F) = 45.5 °F 3) TEMPERATURAS CALORICAS

Δfc/ Δth = 25/75 = 0.3333 Datos de la Figura-17 Tc = 350 °F + 0.34(450 °F – 350 °F) = 384 °F tc = 325 °F + 0.34(375 °F – 325 °F) = 342 °F

Kc = 1.125 Fc = 0.34 siguiente anterior

Solución Problema 6.5 4) AREA DE FLUJO

Área anular: fluido caliente, Aceite

Tubo interior: fluido frío, Kerosena

Ced-40 IPS Tabla-11

Di = 1.38/12 = 0.115 ft

D2 = 2.469/12 = 0.2057 ft

Ai = П(Di2)/4

D1 = 1.66/12 = 0.1380 ft

Ai = 0.0104 ft2

A0 = П(D22- D12)/4 A0 = П((0.20572 – (0.13802))/4 A0 = 0.0481 ft2 De = (D22- D12)/D1 De= 0.1687 ft

NOTA: Puesto que se supusierón dos corrientes paralelas, en cada tubo fluirán

w/2 lb hr

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Solución Problema 6.5 5) VELOCIDAD DE MASA fluido caliente, Aceite Lubricante

fluido frío, Kerosena

Ga = (12000 lb/hr )/ 0.048189 ft2 Ga = 249,018.067 lb/hr ft2

Ga = (23,619.04762 lb/hr )/ 2x0.0104 ft2 Ga = 1,135,528.846 lb/hr ft2

6) A 384 ° F

6) A 342° F

μ = cp μ =7.14 lb/fthr de la Figura-14

μ = 0.29 cp μ =(0.29)(2.42) = 0.7018 lb/ft hr Figura-14

Re = DeGa/ μ Re = (0.1687)(249,018.067)/(7.14) Re = 5,883.6623

Re = De Ga/ μ Re = (0.115)(,135,528.846)/(0.7018) Re = 186,072.7

Si solamente se necesitan dos horquillas En serie. L/D será 2x40/0.1687 = 474 Use L/D = 500

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Solución Problema 6.5 fluido caliente, Aceite Lubricante

fluido frío, Kerosena

7) jH= 60 de la Figura-24

7) jH= 350 de la Figura-24

8) A Tc = 384 °F

8) A Tc = 342 °F

Cp = 0.606 Btu/lb °F Figura-4 Cp = 0.62 Btu/lb °F Figura-4 k =0.685 BTU/h ft2 (°F/ft) Figura-1 k =0.075 BTU/h ft2 (°F/ft) Figura-1 (Cpμ/k)1/3 = 1.8485 PRANT (Cpμ/k)1/3 = 1.7968 PRANT

9) h0 = (jH)(k/De)(Cpμ/k)1/3 (Φa)

9) hi = (jH)(k/D)(Cpμ/k)1/3 (Φp)

h0/ Φa =450.345 BTU/h ft2 °F

hi / Φp = 410.14

tw = tc + (h0/Φa)/[( hi0/Φp) (h0/Φa)]

10) hi0 / Φp = (hi /Φp) (DI/DE)

tw = 367.445 °F de la Figura-14 Con 163.17 °F tenemos μw =18-69 Φa= (μ/μW)0.14 = 0.8741 ≈1

hi0 / Φp = 493.36 siguiente anterior

Solución Problema 6.5 11) COEFICIENTE TOTAL LIMPIO Uc = hi0 h0/ hi0+ h0 = 221.52 BTU/hr ft2 °F 12) COEFICIENTE TOTAL DE DISEÑO 1/Ud = 1/Uc + Rd Rd = 0.0045 + 0.004 = 0.0085 hrft2°F/Btu Ud = 76.8388 BTU/hr ft2 °F A = Q/Ud ΔTML A= 212.8045 ft2 Tabla 11. Superficie externa 0.435 ft L requerida = A/ S. ext = 489.19 ft LINEALES Suponiendo que una horquilla tiene 20 ft esto es equivalente a más de 12 Horquillas de 20 ft o 480 ft lineales, puesto que se emplean dos corrientes en paralelo, use 14 Horquillas 560 ft lineales. Las horquillas deberán tener los anulos y los tubos conectados en serie en 2 Bancos siguiente paralelos de 7 intercambiadores anterior La Ud corregida será Q/Aat Ud = 72.8388 BTU/hr ft2 °F Rd = 0.01824 De la formula

Solución Problema 6.5 CAIDAS DE PRESIÓN fluido caliente, Aceite Lubricante fluido frío, Kerosena

De’ = (D2-D1) = 0.06775 Re’a = De’ Gtol/ μ = 2,362.88 f = 0.0035+(0.264/(Re’a)0.42) f = 0.0136

De’ = (D2-D1) = 0.06775 Re’a = De’ Ga/ μ = 109,621.0877 f = 0.0035+(0.264/(Re’a)0.42) f= 5.5176x10-3

Figura-6

Figura-6 S = 0.76 ρ =(0.76)(62.5)= 47.5

S = 0.775 ρ =(62.5)(0.775)= 48.4 ΔFa = 4f Ga2La/2g ρ2De’ ΔFa =17.6 ft V= Ga/3600 ρ V= 1.9 ft

ΔFp = 4 f Gp2Lp/2g ρ2De’ ΔFp = 25.7 ft APp = (25.7)(47.45)/144 = 8.5 lb/plg2

AF = 8 (V2/2g’) = 0.45 ft APa = (16.7+0.45)(48.4) /144 = 5.8 lb/plg2 APp = 10 lb/plg2 APa = 10 lb/plg2

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Por su atención, “Gracias”…..

Solución 2 Problema 6.5 1) TEMPERATURAS CALORICAS Kc = 1.125 Fc = 0.34 Δfc/ Δth = 25/75 = 0.3333 Datos de la Figura-17 Tc = 350 °F + 0.34(450 °F – 350 °F) = 384 °F tc = 325 °F + 0.34(375 °F – 325 °F) = 342 °F

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Solución 2 Problema 6.5 2) CALOR ESPECIFICO Resultados: Cp Aceite Lubricante: oAPI=26 Tc=384oF Cp = 0.606 Btu/lb °F

Cp kerosena: oAPI=42 tc=342°F Cp = 0.62 Btu/lb °F siguiente anterior

Solución 2 Problema 6.5 3) VISCOSIDAD De la Figura-14

Aceite Lubricante: °API=26 Tc=384oF

μ =7.14 lb/fthr kerosena:

oAPI=42 tc=342°F

μ = 0.7018 lb/ft hr siguiente anterior

Solución 2 Problema 6.5 4) CONDUCTIVIDAD CALORICA Resultados: Aceite Lubricante: De la Figura-1 oAPI=26 Tc=384oF K = 0.685 Btu/hrft2(°F/ft)

kerosena: oAPI=42 tc=342°F K = 0.075 Btu/hrft2(°F/ft) °F

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Solución 2 Problema 6.5 5) ECUACIONES

6) BALANCE DE CALOR Estamos Perdiendo “CALOR SENSIBLE”

Q Ganado Kerosena = Q perdido Aceite Lubricante Q perdido AL=(12000 lb)(0.62)(450-350) Q perdido AL=744000 Btu/hr 744000 Btu/hr= Mk(0.63)(375-325) Mk=23,619.04762 lb/hr 7) DIFERENCIA MEDIA DE TEMPETRATURAS

ΔT1 = t1-T2 =25 °F ΔTML=45.5°F ΔT2 = t2 – T1 = 75 °F

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Solución 2 Problema 6.5 8) CALCULOS DE TUBERIA Área anular: fluido caliente, Aceite Lubricante Ced-40 IPS Tabla-11 D2 = 2.469/12 = 0.2057 ft D1 = 1.66/12 = 0.1380 ft A0 = П(D22- D12)/4 A0 = П((0.20572 – (0.13802))/4 A0 = 0.0481 ft2 De = (D22- D12)/D1 De= 0.1687 ft Espesor = 0.023 9) COEFICIENTE EXTERNO m/A=12000/0.0481 m/A=249,480.2495 lb/hft2 Re=5,883.663 Pr=1.8485 Nu=286.7424 Hi=954.8786 BTU/hft2oF

Tubo interior: fluido frío, Kerosena Di = 1.38/12 = 0.115 ft Ai = П(Di2)/4 Ai = 0.0104 ft2

9) COEFICIENTE INTERNO m/A=23619.0476/0.0104 m/A=2,271,062.269 lb/hft2 Re=186,072.7 Pr=1.7968 Nu=4,506.3393 Ho=2,449.0974 BTU/hft2oF

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Solución 2 Problema 6.5 10) COEFICIENTE Y AREA Coeficiente total de transferencia de calor Ecuación de diseño U = 76.8388 BTU/hr ft2 °F A = Q/Ud ΔTML A= 212.8045 ft2 Superficie externa para un tubo de 1.25 es 0.435 ft2 Longitud requerida es 489 ft Se necesitan 12 horquillas de 20 ft. CAIDAS DE PRESIÓN Tubo Espacio anular Para Re=2,362.88 se tiene un fd=0.136 Para Re=109,621.0877 se tiene un fd= 5.5176x10-3 V=1.91ft/seg V=1.67 ft/seg P=5.76 lb/in2 P=8.76 lb/in2

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