Parcial Calor Segunda Entrega

8/19/2019 Parcial Calor Segunda Entrega

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIASEDE MANIZALES

PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Camilo A. Olarte G – Ag!t"# Car$o#a N.

DISE%O INTERCAMBIADOR DE TUBO & CORAZA CON

FLUIDOS DE SERVICIO

INTRODUCCION'

El proceso de intercambio de calor entre dos fluido que están a diferentes temperaturas y

separados por una pared sólida se realiza en dispositivos denominados intercambiadores decalor. Estos procesos se dan en muchas aplicaciones de ingeniería.

El intercambiador de calor es un equipo de transferencia de calor empleado en procesosquímicos con la finalidad de intercambiar calor entre dos corrientes de un proceso. Cuando sedesea calentar un fluido, se emplean calentadores haciendo uso de vapor de agua, o en el casode refinerías de petróleo, el aceite caliente recirculado cumple la misma función. Losenfriadores cumplen funciones opuestas a la anterior, empleándose agua y aire como medios principales de refrigeración.

MARCO TEORICO'

Los fluidos de servicio se han convertido en una parte importante para los procesos industrialesque requieran, en algn punto, intercambiadores de calor, ya que dan unas e!celentes prestaciones a cambio de pocos efectos nocivos. Es en gran parte su amplio uso debido a que sucosto es relativamente ba"o a un largo plazo en comparación con otros fluidos usadosanteriormente, sus ba"os efectos nocivos con respecto al intercambiador #corrosión,ensuciamiento, caídas de presión, rangos de temperatura adecuados, ba"o cambio en laviscosidad en todo el rango de temperatura, etc.$ y en caso de fugas los efectos nocivos son prácticamente nulos a ba"as concentraciones.

E(er)i)io *.+. ,er#'

En una nueva instalación es necesario precalentar %&' ((( lb)h de aceite crudo de *&+- de%/( a 012+3, correspondiente al plato de alimentación de una torre fraccionadora. 4ay una línea

de gasoil de **+ - que pasa cerca de la torre a 2*(+3, disponible en cantidades relativamenteilimitadas. 5ebido a que el costo de bombeo de gasoil frio es prohibitivo, la temperatura degasoil del intercambiador, de regreso a la línea, no deberá ser menor de *((+3.

6e dispone de un intercambiador %70 de 02 plg 5 con 020 tubos de % plg 5E, %* 89: y %; enel gasoil y de %2 lb)plg en la línea de alimentación. 6erá el intercambiador aceptable si selimpia, y si es así, ?cuál será el factor de obstrucción@ -ara el gasoil las viscosidades son (.&centipoises a 2*(+3 y (./ centipoises a *((+3. -ara el crudo, las viscosidades son (.' centipoisesa 012+3 y 0.% centipoises a %/(+3. #nterp;lese graficando +3 A6. centipoises en un papellogarítmico$.


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%. 6e debe hallar las correlaciones de los fluidos primero para poder especificar el proceso.

6e calcula y se muestran las correlaciones que representan las propiedades de cada uno de los

fluidos en función de la temperaturaB

ACEITE CRUDO'

-D-E55E6 5EL CEE CF5D temperatura

#G3$2( %(( %2( 0(( 02( *(( *2( &((

cp#8F)lb>G3$

(,&&' (,&// (,2(* (,2* (,221 (,211 (,;%*(,;2

conductividad

#8F)h>ft>G3$ (,(/1'' (,(//'' (,(/;'' (,(/2% (,(/& (,(/0'' (,(/%'' (,(/(1'

densidad 2%,(&2 &',10 &1,2'2 &/,*/ &;,%&2 &&,'0 &*,;'2 &0,&/

Capacidad caloríficaB

0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500.4

0.50.6

0.7

f(x) = 0x + 0.42R² = 1

Cp Aceite Crudo

Cp Aceite CrudoLiner (Cp Aceite Crudo)

Temperatura

Cp

Conductividad tHrmicaB

0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500.07

0.07

0.0!

0.0!

f(x) = " 0x + 0.0!R² = 0.##

K Aceite Crudo

$ Aceite Crudo

Liner ($ Aceite Crudo)

Temperatura

k


3/41

5ensidadB

0 50 100 150 200 250 300 350 400 45040

42

44

46

4!

50

52

f(x) = " 0.02x + 52.27R² = 1

Densidad Aceite Crudo

%en&idd Aceite Crudo Liner (%en&idd Aceite Crudo)

Temperatura

Densidad

Aiscosidad

emperatura I

012 (,'%/( 0,%

100 1000

0.1

1

10

Temperatura

Viscosidad


4/41

150 170 1#0 210 230 250 270 2#0 3100

0.5

1

1.5

2

2.5

f(x) = " 0.01x + 3.!7R² = 1

Liner ()

Temperatura

Viscocidad

DO-TERM A'

5oJtherm emperatura

#G3$;( %(( 0(( *(( &(( 2(( ;(( /(( 1((

densidad#lb)ft*$

;; ;2 ;0 2' 2; 2* &' &2 &(

cp#8F)lb>G3$ (,*/ (,*' (,&0 (,&/ (,2 (,2* (,2/ (,;0 (,;1

conductividad#8F)h>ft>G3

$

(,(1%

(,(/1

(,(/*

(,(;1 (,(;* (,(21 (,(2* (,(&1(,(&

*

viscosidad#C-$

2 0 % (,2222 (,**** (,%;;/ (,%%%% (,%(22 (,%

viscosidad#lb)ft>h$

%0,% &,1& 0,&0%,*&&*

%(,1(;21

;(,&(*&%

&(,0;11;

0(,022*

%(,0&

0


5/41

0 100 200 300 400 500 600 700 !00 #000

5

10

15

f(x) = !.14 exp( "0.01 x )R² = 0.#2

μ Dowtherm A(lb/ft*h)

' %oter A(*,ft-) xponenti* (' %oter A(*,ft-))

Temeperatura

μ

0 100 200 300 400 500 600 700 !00 #000.04

0.05

0.06

0.07

0.0!

0.0#

f(x) = " 0x + 0.0!R² = 1

k Dowtherm A

/ %oter A Liner (/ %oter A)

Temperatura

k

0 100 200 300 400 500 600 700 !00 #000.3

10.3

20.3

30.340.3

50.3

60.3

70.3

f(x) = " 0.03x + 6!.!7R² = 0.##

Densidad Dowtherm A

%en&idd %oter A Liner (%en&idd %oter A)

Temperatura

Densidad


6/41

0 200 400 600 !00 10000.3

0.4

0.5

0.6

0.7

f(x) = 0x + 0.34

R² = 0.##

Cp Dowtherm A

Cp %oter ALiner (Cp %oter A)

Ais Title

Ais Title

DO-TERM G'

5oJtherm :emperatura

#G3$;( %(( 0(( *(( &(( 2(( ;(( /(( /*(

densidad#lb)ft*$

;2,;& ;&,2/ ;%,11 2',%' 2;,2 2*,1% 2%,%0 &1,&* &/,;0

cp#8F)lb>G3$

(,*;; (,*1& (,&*% (,&// (,20& (,2/ (,;%; (,;;* (,;//

conductividad#8F)h>ft>G3

$(,(/** (,(/%1 (,(;% (,(;&& (,(;* (,(2/ (,(2*0 (,(&'2 (,(&1&

viscosidad#C-$

%2,* ;,2 %,'/ (,'/ (,2/ (,*/ (,0; (,0 (,%1

viscosidad#lb)ft>h$

*/,(0; %2,/* &,/;/& 0,*&/& %,*/'& (,1'2& (,;0'0 (,&1& (,&*2;

0 100 200 300 400 500 600 700 !000

5

10

15

20

25

3035

40

f(x) = 24.01 exp( "0.01 x )R² = 0.#2

μ Dowther ! (lb/ft*h)

' %oter (*,ft-) xponenti* (' %oter (*,ft-))

Temeperatura

μ


7/41

0 100 200 300 400 500 600 700 !000.04

0.05

0.05

0.06

0.06

0.07

0.07

0.0!

f(x) = " 0x + 0.07R² = 0.#2

k Dowther !

/ %oter Liner (/ %oter ) Liner (/ %oter )

Liner (/ %oter )

Temperatura

k

0 100 200 300 400 500 600 700 !0040.3

45.3

50.355.3

60.3

65.3

70.3

f(x) = " 0.03x + 67.26R² = 1

Densidad Dowther !

%en&idd %oter Liner (%en&idd %oter )

Temperatura

Densidad


8/41

0 100 200 300 400 500 600 700 !000.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.550.6

0.65

0.7

f(x) = 0x + 0.34

R² = 1

Cp Dowther !

Cp %oter

Liner (Cp %oter )

Temperatura

Cp

AGUA'

gua #Aapor 6aturado 6eco$

emperatura #G3$

;( %(( 0(( *(( &(( 2(( ;(( /(( /(;

densidad#lb)ft*$

(,(((101/(;

(,((012*11%

(,(0'/0;2%;

(,%2&;22%%'

(,2*;;100*

%,&1%/((''*

*,/2'*'1&';

%*,%&(;(&&/

0(

hgf

#8F)lb>G3$ %(2' %(*/,0 '//,' '%(,% 10; /%*,' 2&1,2 %/0,% (

100 200 300 400 500 600 700 !00 #00 10000

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

f(x) = 0x + 0R² = 0.#6

k A"ua

/ Au Liner (/ Au)

Temperatura

k


9/41

0 100 200 300 400 500 600 700 !000

5

10

15

20

25

f(x) = 0 exp( 0.01 x )

R² = 0.#7

Densidad A"ua

%en&idd Au xponenti* (%en&idd Au)

Temperatura

Densidad

0 100 200 300 400 500 600 700 !000.3

200.3

400.3

600.3

!00.3

1000.3

1200.3

f(x) = " 0x2 + 0.!4x + #75.!3R² = 0.#7

hf" A"ua

f Au o*noi* (f Au)

Temperatura

hf"

0. Luego de haber obtenido las correlaciones procedemos a ver los datos que se tienen dele"ercicio y las especificaciones del tipo de intercambiador.

5ecidimos escoger el 5oJtherm y el 5oJtherm :, ya que en el rango en el que estamostraba"ando si escogiHramos agua estaríamos traba"ando

- 5D94EK B

sustancia emperatura % emperatura 0

fluido frio ceite Crudo %/( 012

fluido caliente 5oJtherm *02 *((


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ceroinoxid*e

Arre*o& de tuo cor

$ t

Are de8u9o por

tuo(ft2)

e&pe&or

de *pre

d

dietro(ft)

externo(ft)

interno(ft)

*onitudde*

tuo(ft)

nuerode

p&o& ene*

tuo

t (ft)de8ect

ore&(ft)

24252

0:001!61111

0:0!3

tuo0:0!333

0:0675

16 20:1041667

cor 0:06 2:0!333 1 0:41666

*. hora lo siguiente que se debe hacer es definir la ubicación de los fluidos

5E L 8L *.& 5EL L8D 5E 6E4 -: %(; DKKD6 LD6 CED6

5EC6AD6 - L -D6CD 5E LD6 3LF5D6 E 6F D5E 5E -D55.Fli$o /or t0o. Fli$o /or )ora1a.

%. 3luido corrosivo.0. gua de enfriamiento.*. 3luido de ensuciamiento.&. 3luido menos viscoso.2. Aapor de alta presión.;. 3luido más caliente.

%. vapor condHnsate #menos corrosivo$.0. 3luido con amplio M #N%(( ;$

Con los criterios obtenidos de la tabla anterior pudimos evaluar y escoger cuál de los fluidosdebería ir por los tubos y cual debería ir por la coraza

omando los criterios e!puestos en la tabla anterior, y teniendo en cuenta que dentro denuestros fluidos no tenemos agua de enfriamiento ni vapor de alta presión decidimos enviar el5D94EK : por los tubos ya que se trata de un fluido menos viscoso.

&. 4acemos el cálculo de KL5, del 3, y 6, para comprobar si se puede arrancar conun intercambiador %70.

Calculo KL5B


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KL5O

(T 1− t 2)−(T 2−t 1)

ln [T 1−t 2T 2−t 1

] O 77:!!542266

Calculo 3tB

OT 1−T 2t 2−t 1 (,0*&/10;('

sO1−α

R−α O (,/*0&1&(/;

3t %70 O

√ R2+1∗ln( 1−S1− R∗S

)

( R−1 )∗ln 2−S ( R+1−√ R2+1)

2−S ( R+1+√ R2+1)

3t %70 O

A∗ln(B)

(C )∗ln( D E

)

3t %70 O (,'((1(2*

Lo anterior nos indica que podemos empezar nuestros cálculos con un intercambiador 07&, pero para efectos prácticos en este e"ercicio se traba"ará con un intercambiador %70.

2. El paso siguiente despuHs de haber calculado las propiedades es el de realizar el balancede energía para el fluido caliente y para el fluido frioB

8alance de materia y energía para determinar el flu"o de calorB

PO9c > Cph > d O 9f > Cpf > dt

Con los datos de ceite Crudo #*&+-$, como tenemos la información del fluido frio podemos

hallar el calor. 9cO %&'((( lb)hQ tmO 00/,2+3Q Cptm O (,2&1%BTU

lb°F #suponiendo que Cp

no varía mucho, para una mayor e!actitud se debería integrar$.

Qfrio O Jf > Cpm > #t07t%$


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Qf O 149000lb

h ∗(0,5481 Btulb°F )∗¿ #0127%/($

Qf O'2%1&'0,2Btu

h

6abemos que Pf O Pc, con lo que al tener el calor del fluido caliente, y las temperaturas se puede obtener el flu"o másico del fluido caliente #5D94EK :$.

;. 4allando el 3lu"o másico del 5D94EK : que entra al intercambiador necesario paracalentarQ se determina de la siguiente maneraB

9c OQ

Cp∗∆ T

0O*(( +3

%O*0/+3

W c O 7126##:4021lb

h

De!/2! $e $e)i$ir )3l $e lo! 4li$o! 5a /or t0o 6 )al /or )ora1a7 a$em3! $e )o#tar )o#!! )ara)ter"!ti)a! $e $i!e8o7 /ro)e$emo! a )orro0orar la! )o#$i)io#e! /ara tra0a(ar a

tem/eratra! me$ia! o e# ! $e4e)to $e #o )m/lirla! !e $e0er3 tra0a(ar a tem/eratra!)al9ri)a!.

Los criterios para el cálculo a temperaturas medias sonB

%. Cuando ninguno de los fluidos es demasiado viscoso en la terminal fría #% c-$.

#5D94EK :$O (.1;0c-, #%O*0/$#ceite crudo *&+-$O(.' c-, #t0O012$

0. El intervalo de las temperaturas de los fluidos no e!cede de 2( a %((.

5D94EK O*0/7*((O0/

ceite crudoO%/(7012O%%2

*. La diferencia de temperaturas en las terminales deben ser moderadas o menores a 2(.

t% #*(( 7012$O %2+3t0 #*0/7%/($O %2/ +3


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nalizando las * consideraciones anteriormente descritas solo se cumple con la primeracondición para traba"ar por temperaturas medias, por lo tanto !e $e0e reali1ar /ortem/eratra! )al9ri)a!. Entonces -rocedemos a calcular el área del tubo, el área de la corazay el diámetro equivalente, los cuales necesitaremos para empezar con el cálculo de las

calóricasB

tO020

nO%

5iO(,(;/2ft

TERMINAL CALIENTE %O*0/+3 t0O012+3

-ara el corazaB t0O012 +3

G=wf at

tubo=¿G¿ 121%%;,/(10

La viscosidad se calcula reemplazando t2= 285°F en la siguiente ecuación:

y=2,42∗(−0,0104 x+3,8739 )

ℜ¿ Di∗G

O 0*('(,'%(&

!r¿ Di∗G

=7,30 %*1%

La conductividad se calcula reemplazando la temperatura en la ecuaciónB

y=−2E-5 x+0,082


14/41

RO(,(/;*

" u=0.36∗(ℜ )0.55∗( !r )0.33∗#0.14=¿ 167:#33#

h∗ Di$ =¿ 167:#33#

ho=¿ 216:2515

TERMINAL FRIA'

T 2=300℉ t 1=170℉

t 1=170℉

Gcora%a= lb

h∗ft 2

: O 121%%;,/(10

y=2,42∗(−0,0104 x+3,8739)

=5,096278

ℜcora%a= Di∗G

=9976,931214

y=0,0006 x+0,419

Cp=0,521


15/41

y=−2E-5 x+0,082

$ =0,0786

!rcora%a=C p∗ $ =33,78067224

(.2 S-r S %/,((( se asume para este cálculo que TO% y se toma la ecuación 0.*/ del libro deserth para eynolds en transición.

" u=0.116∗[ R&2

3−125]∗ !r1

3∗[1+( D ' )2

3 ]∗∅0,14

" u=183,82237

ho∗ Di$ =183,82237

ho=243,84687

Las temperaturas de pared sonB

T 1−t 2

1hoT 1

+ 1h iot 1

+$(∗1

hoT 1tw=T 1−¿

U

tJ O %/(,1('/1

tw=2,42∗(−0,0104∗tw+3,8739)

tw=

5,077


16/41

T 2−t 11

hoT 2+ 1

h iot 1+$(

∗1

hoT 2tp=t 1+¿

U

tp O %/(,/2%;

tp=2,42∗(−0,0104∗tw+3,8739)

tp=9,2470

Corrigiendo ∅ con tw y tp B

∅iT 2=

T 2

tw

=0,9452

∅ot 1=

t 1

tp

=1,7874

∅it 2= t 2

tp

=1,7866

Con ∅ corregido hallo nuevamente hi y hoB

" u=1432,8327

hi∗ Di$ =1432,8327

hi=1545,1280

h0T 1=1251,60


17/41

" u=183,8223

hi∗ Di$ =183,8223

hi=243,8468

" u=¿ %1*,100&

hi∗ Di

$ =183,8224

h0 t 2=243,8468

-ara %

y=8,1384∗&(−0,005 x)

=¿ *;,&/*/

y=−5E-5 x+0,0834

$ =0,0684

y=0,0004 x+0,3438


18/41

Cp=0,4638

ℜtubo=

D i∗G

=19228,3485

!r tubo=C p∗

$ =11,30

" u=0.116∗[ R&

2

3

−125]∗ !r

1

3

∗[1+(

D

' )2

3

]∗∅

0,14

" u=1432,8327

ho∗ Di

$

=1432,8327

hi=1545,1280

hio=1251,6037

Calculo nuevamente tp y tJB

T 1−t 21

hoT 1+

1

h iot 1+$(

∗1

hoT 1tw=T 1−¿

U


19/41

tw=304,2283

T 2− t 1

1hot 2

+ 1h iot 1

+$(∗1

hot 2tp=t 1+¿

U

tp=299,072

hora calculo u% y u0B

u1= 1

1

h iot 1+ 1

hot 2+$( O %;;,(&1

u2= 1

1

h iot 2+ 1

hoT 2+$(

=¿ %/0,((

6e sabe que u0 debe ser mayor a u%

hora se calculaB

$c=u2−u1

u1 =0,0358

r=T 2−t 1T 1− t 2

=4,6

Fc=

1

$c+

r

r−1

1+ln ($c+1)

l*r

− 1

$c

Fc=0,61966

Tc−T 2

T 1−T 2=0,61966


20/41

Tc=¿ *%2,&'%2

tc=241,2612

hora recalculamos las propiedades de cada sustancia a calóricasB

tc pr e* cor con *& propiedde& de* Aceite Crudo/ iu cp reino*d& prnd*t

0:07!63:30277607

#0:563756 153#4:6#036 23:6!#0

tw>tp> tc

-ero para nuestro caso no se cumple así que buscamos o se asume un valor para el Coeficientetotal para diseVo, abla 1. ,er#.

(Rd= 0:001 =5"10 p&i) tr9o& un >%=117:6445 ?tu,ft2@B con *oue **o& e* Dre ReueridE

Ar&+= Q

UD∗ FT ∗ ,'DT

(7)

Ar&+=1171,9130 ft 2

6e selecciona el diámetro de los tubos, el espesor de pared #89:$, y la longitud deltuboB

Fndu&tri*ente &e u& tuo& deE

%o=0:0!333ft


21/41

%i= 0:0675ft

t=0:1041667ft

13 ?G

L=16 ft.

He I uti*ir un rre*o cudrdo. He e*ie e* cudrdo porue * *ipie&e ce ecJnicente e& recoenddo pr 8uido& con tendenci forr incru&tcione&: e&te rre*o produce 9& cKd& de pre&in en e**do de * cor.

Con *o& dto& nteriore& * ecucin de ourier# deterino& e* nMerode tuo&

A&+uipo= - -%o-t-L (8)

%e&pe9ndo:

" t =¿ 252 tuo&

D. (/ia(&tro i*t&r*o /& lacora%a)=10 pl0=0.8333 ft

Con e* ?G=13 *eeo& de *


22/41

C = !t − Do=0,2083 ft

B=0,4167 ft (I*or entre 20P %F p* e* %F)

a1=

1

2∗ D. ∗C ∗B

!t =0,0868 ft 2(17)

Con N&t Jre c*cu*o& e* 8u9o trn&Ier&* por * corE

G1=wh

a1 =!5!116:70!2 *,ft2

• 3inalmente tenemos un intercambiador con las siguientes característicasB

Tubos Coraza

Do=0,08333 D=2,08333 plg

Di=0,0!"5 #c=$ coraza

#t=252 tu%os

L=$! &t '()=$3

n=!

*t=0,$0+$!!" &t

rreglo=triangular

• Evaluación tHrmica, cálculo de coeficientes de transferencia

Tubos $ Tc% &'#' +, - D.T0123 A4

t= 103#00!1:!3 *,ft2

I= 4#:66 ft /1

R&1= Di∗¿

=¿ 417315:#072

!r1=Cp∗

$ =10,8512

"u=1432,832799

i= 1545:12!0


23/41

hiot =hi∗ Di

Do =1251,6037

Btu

h° F ft 2

Cora5a $ tc% 6'#67'6 +, $ AC18T1 C29D.4

&=!5!116:70!2 *,ft2

D& (arr&0locua/ra/o )=4∗( !T 2− - ∗/o

2

4 ) - ∗/o

D&=0,05925

R&1= D&∗G1

=15394,69

Reien turu*ento

!r1=Cp∗

$ =23,6890

ho= "u∗$

D& =243,8468

Btu

h ft 2 2 F

"u=h o∗ D&

$ =183,82237

r Re 2-103QRe&Q1-106

* Reno*d& en * cor no& d rNien turu*ento: entonce& u&o& *&corre*cione& de u&&e*t rndt* pr N&te rNien: pr * ecucin de


24/41

u&&e*t inici*ente &uponeo& un =1: pero N&te &erJ correido J&de*nte.

• esistencias adicionales

Tubo $ D.T0123 A

Con un fctor de o&truccin ro=0.001.


25/41

A&xc&1o=11,0257

• -ara la caída de presión en los tubos

5!tubo1= 4 f ∗ '∗¿

2

∗*20∗ Di∗ 6∗( tp o tw )

*=¿

5!tubo1=0.07884 p1i

* 5!tubo1 e& peritido

• -ara la caída de presión en coraza

-rimero determinamos el nmero de crucesB

" +1= '

B∗2=76

numero par de cruces, boquillas del mismo lado

5!Cora%a= 4 f ∗ D. ∗( " +1)∗G12

20∗ 6∗ D&∗(

tp o tw )*=¿

1!52:47!6 p1i

- 5D94EK :B

sustancia emperatura % emperatura 0

fluido frio ceite Crudo %/( 012

fluido caliente 5oJtherm : 202 *((


26/41

2. hora lo siguiente que se debe hacer es definir la ubicación de los fluidos

5E L 8L *.& 5EL L8D 5E 6E4 -: %(; DKKD6 LD6 CED65EC6AD6 - L -D6CD 5E LD6 3LF5D6 E 6F D5E 5E -D55.

Fli$o /or t0o. Fli$o /or )ora1a./. 3luido corrosivo.1. gua de enfriamiento.'. 3luido de ensuciamiento.%(. 3luido menos viscoso.

%%. Aapor de alta presión.%0. 3luido más caliente.

*. vapor condHnsate #menos corrosivo$.&. 3luido con amplio M #N%(( ;$

Con los criterios obtenidos de la tabla anterior pudimos evaluar y escoger cuál de los fluidosdebería ir por los tubos y cual debería ir por la coraza

omando los criterios e!puestos en la tabla anterior, y teniendo en cuenta que dentro denuestros fluidos no tenemos agua de enfriamiento ni vapor de alta presión decidimos enviar el5D94EK : por los tubos ya que se trata de un fluido menos viscoso.

;. 4acemos el cálculo de KL5, del 3, y 6, para comprobar si se puede arrancar conun intercambiador %70.

Calculo KL5B

KL5O

(T 1− t 2)−(T 2−t 1)

ln [T 1−t 2T 2−t 1

] O /;.*21000%%

acer o

ino!idable

rreglos de tubo y coraza

Wa tXrea deflu"o por tubo #ft0$

espesor de

la pared

diámetro #ft$

e!terno #ft$

interno #ft$

longitud deltubo#ft$

numero de pasosen eltubo

-t #ft$deflect

ores#ft$

0& 020(,((%1;%%%

%(,(1* tubo

(,(1***

(,(;/2

%; 0(,%(&%;

;/

coraza0,(1*

** %

(,&%;;;


27/41

Calculo 3tB

O

T 1−T 2

t 2−t 1 O (.0%/*'%*(&

sO1−α

R−α O (./&%'*2&1&

3t %70 O

√ R2+1∗ln( 1−S1− R∗S

)

( R−1 )∗ln 2−S ( R+1−√ R2+1)

2−S ( R+1+√ R2+1)

3t %70 O

A∗ln(B)

(C )∗ln( D

E)

3t %70 O (.'(&%2'&/1

Lo anterior nos indica que podemos empezar nuestros cálculos con un intercambiador 07&, pero para efectos prácticos en este e"ercicio se traba"ará con un intercambiador %70.

;. El paso siguiente despuHs de haber calculado las propiedades es el de realizar el balancede energía para el fluido caliente y para el fluido frioB

8alance de materia y energía para determinar el flu"o de calorB

PO9c > Cph > d O 9f > Cpf > dt

Con los datos de ceite Crudo #*&+-$, como tenemos la información del fluido frio podemos

hallar el calor. 9cO %&'((( lb)hQ tmO 00/,2+3Q Cptm O (,2&1%

BTU

lb°F #suponiendo que Cpno varía mucho, para una mayor e!actitud se debería integrar$.

Qfrio O Jf > Cpm > #t07t%$

Qf O 149000lb

h ∗(0,5481 Btulb°F )∗¿ #0127%/($

Qf O'*'%;'*,2Btu

h


28/41

6abemos que Pf O Pc, con lo que al tener el calor del fluido caliente, y las temperaturas se puede obtener el flu"o másico del fluido caliente #5D94EK :$.

;. 4allando el 3lu"o másico del 5D94EK : que entra al intercambiador necesario para

calentarQ se determina de la siguiente maneraB

9c OQ

Cp∗∆ T

0O*(( +3

%O*0/+3

W c O /%0;'',&(0%lb

h

De!/2! $e $e)i$ir )3l $e lo! 4li$o! 5a /or t0o 6 )al /or )ora1a7 a$em3! $e )o#tar )o#!! )ara)ter"!ti)a! $e $i!e8o7 /ro)e$emo! a )orro0orar la! )o#$i)io#e! /ara tra0a(ar atem/eratra! me$ia! o e# ! $e4e)to $e #o )m/lirla! !e $e0er3 tra0a(ar a tem/eratra!)al9ri)a!.

Los criterios para el cálculo a temperaturas medias sonB

%. Cuando ninguno de los fluidos es demasiado viscoso en la terminal fría #% c-$.#5D94EK $O (.1;0c-, #%O*0/$#ceite crudo *&+-$O(.' c-, #t0O012$

0. El intervalo de las temperaturas de los fluidos no e!cede de 2( a %((.

5D94EK O*0/7*((O0/

ceite crudoO%/(7012O%%2

*. La diferencia de temperaturas en las terminales deben ser moderadas o menores a 2(.

t% #*(( 7012$O %2+3

t0 #*0/7%/($O %2/ +3

nalizando las * consideraciones anteriormente descritas solo se cumple con la primeracondición para traba"ar por temperaturas medias, por lo tanto !e $e0e reali1ar /ortem/eratra! )al9ri)a!. Entonces -rocedemos a calcular el área del tubo, el área de la coraza

y el diámetro equivalente, los cuales necesitaremos para empezar con el cálculo de las calóricasB


29/41

tO020

nO%

5iO(,(;/2ft

TERMINAL CALIENTE %O*0/+3 t0O012+3

-ara el corazaB t0O012 +3

G=wf

at

tubo=¿G¿ 121%%;,/(10

La viscosidad se calcula reemplazando t2= 285°F en la siguiente ecuación:

y=2,42∗(−0,0104 x+3,8739 )

ℜ¿ Di∗G

O 0*('(,'%(&

!r¿ Di∗G

=7,30 %*1%

La conductividad se calcula reemplazando la temperatura en la ecuaciónB

y=−2E-5 x+0,082

RO(,(/;*

" u=0.36∗(ℜ )0.55∗( !r )0.33∗#0.14=¿ 167:#33#

h∗ Di$ =¿ 167:#33#

ho=¿ 216:2515


30/41

TERMINAL FRIA'

T 2=300℉ t 1=170℉

t 1=170℉

Gcora%a= lb

h∗ft 2

: O 121%%;,/(10

y=2,42∗(−0,0104 x+3,8739)

=3,9696

ℜcora%a= Di∗G

=60767,3787

y=0,0006 x+0,419

Cp=0,4879

y=−2E-5 x+0,082

$ =0,0649

!rcora%a=C p∗

$ =29,8427


31/41

(.2 S-r S %/,((( se asume para este cálculo que TO% y se toma la ecuación 0.*/ del libro deserth para eynolds en transición.

" u=0.116∗[ R&2

3−125]∗ !r1

3∗[1+( D ' )2

3 ]∗∅0,14

" u=449,19048

ho∗ Di$ =449,19048

ho=349,8435

Las temperaturas de pared sonB

T 1−t 21hoT 1

+ 1

h iot 1+$(

∗1

hoT 1t w=T 1−¿

U

tJ O 02%,&/*%

tw=2,42∗(−0,0104∗tw+3,8739)

tw=5,3113

T 2−t 11

hoT 2+ 1

h iot 1+$(

∗1

hoT 2tp=t 1+¿

U

tp O 0&2,%%11


32/41

tp=2,42∗(−0,0104∗tw+3,8739)

tp=5,5177

Corrigiendo ∅ con tw y tp B

∅iT 2=

T 2

tw

=0,9168

∅ot 1=

t 1

tp

=0,7473

∅it 2=

t 2

tp

=0,7743

Con ∅ corregido hallo nuevamente hi y hoB

" u=448,3928

hi∗ Di$ =448,3928

hi=431,1214

h0T 1=242,6369

" u=182,9102


33/41

hi∗ Di$ =182,9102

ho=242,6369

-ara %

y=24,015∗&(−0,006 x)

=¿ *,*/2'

y=−3E-5 x+0,0739

$ =0,6409

y=0,0005 x+0,3379

Cp=0,5014

ℜtubo= D i∗G

=60767,3787

!r tubo=C

p

∗

$ =26,41

" u=0.116∗[ R&2

3−125]∗ !r1

3∗[1+( D ' )2

3 ]∗∅0,14

" u=479,4829


34/41

ho∗ Di$ =479,4829

hi=457,4524

hio=370,5513

Calculo nuevamente tp y tJB

T 1−t 21

hoT 1+

1

h iot 1+$(

∗1

hoT 1tw=T 1−¿

U

tw=288,6718

T 2− t 11

hot 2+

1

h iot 1+$(

∗1

hot 2tp=t 1+¿

U

tp=284,8715

hora calculo u% y u0B

u1= 1

1

h iot 1+ 1

hot 2+$( O %*;,(&02

u2= 1

1

h iot 2 +

1

hoT 2+$(

=¿

%*',*%*(


35/41

6e sabe que u0 debe ser mayor a u%

hora se calculaB

$c=u2−u1

u1 =0,02404

r=T 2−t 1T 1− t 2

=4,2592

Fc=

1

$c+

r

r−1

1+ln ($c+1)

l*r

−

1

$c

Fc=0,6148

Tc−T 2T 1−T 2

=0,6148

Tc=¿ *%;,;

tc=240,70

hora recalculamos las propiedades de cada sustancia a calóricasB

tc pr e* cor con *& propiedde& de* Aceite Crudo/ iu cp reino*d& prnd*t

0:07!6 3:3167 0:5634 1532#:604! 23:77


36/41

Tc>tw>tp> tc

-ero para nuestro caso no se cumple así que buscamos o se asume un valor para el Coeficientetotal para diseVo, abla 1. ,er#.

(Rd= 0:001 =5"10 p&i) tr9o& un >%=#5:1244 ?tu,ft2@B con *oue **o& e* Dre ReueridE

Ar&+= Q

UD∗ FT ∗ ,'DT

Ar&+=1319,9168 ft 2

6e selecciona el diámetro de los tubos, el espesor de pared #89:$, y la longitud deltuboB

Fndu&tri*ente &e u& tuo& deE

%o=0:0!333ft

%i= 0:0675ft

t=0:1041667ft

13 ?G

L=16 ft.

He I uti*ir un rre*o trinu*r. He e*ie e* trinu*r porue * *ipie&e ce ecJnicente e& recoenddo pr 8uido& con tendenci forr incru&tcione&: e&te rre*o produce 9& cKd& de pre&in en e**do de * cor.

Con *o& dto& nteriore& * ecucin de ourier# deterino& e* nMerode tuo&

A&+uipo= - -%o-t-L

%e&pe9ndo:

" t =¿ 252 tuo&

D. (/ia(&tro i*t&r*o /&lacora%a)=2,083 ft

Con e* ?G=13 *eeo& de *


37/41

Aor c*cu*o& e* Jre de 8u9o por p&oE

atubo= -

4 ∗ Di2=0,0035 ft 2

at = " t*∗atubo* pa1o1

=0,1502 ft 2

Con N&t Jre c*cu*o& e* 8u9o trn&Ier&* * Ie*ociddE

¿=wc

at =4741968,465 *,ft2 (13) I ¿22,42 ft /1

Oue &erJn u&do& en e* cJ*cu*o de Reno*d&.

• hora se calcula el área de la coraza, con el claro en tubos #C$ y el espaciadoentre bafles #8$B

C = !t − Do=0,02083 ft

B=0,4167 ft (I*or entre 20P %F p* e* %F)

a1=

1

2∗ D. ∗C ∗B

!t 0,15029 ft

2

Con N&t Jre c*cu*o& e* 8u9o trn&Ier&* por * corE

G1=wh

a1 =!5!116:70!2 *,ft2

• 3inalmente tenemos un intercambiador con las siguientes característicasB

Tubos Coraza

Do=0,08333 D=2,08333 plg

Di=0,0!"5 #c=$ coraza

#t=252

tu%os L=$! &t


38/41

'()=$3

n=!

*t=0,$0+$!!" &t

rreglo=triangular

• Evaluación tHrmica, cálculo de coeficientes de transferencia

Tubos $ Tc% &'7#76: +, - D.T0123 !4

t= 4741#6!:465*,ft2

I= 22:42 ft /1

R&1= Di∗¿

=¿ !#0#1:4733

!r1=Cp∗ $ =27,6822

"u=663,01579

i= 632:577!

hio=hi∗ Di Do

=512,4085 Btu

h° F ft 2

Cora5a $ tc% 6;#


39/41

Reien turu*ento

!r1=Cp∗

$ =23 77577

ho= "u∗$

D& =239,40

Btu

h ft 2 2 F

"u=ho∗ D&

$ =180,47044

r Re 2-103QRe&Q1-106

* Reno*d& en * cor no& d rNien turu*ento: entonce& u&o& *&corre*cione& de u&&e*t rndt* pr N&te rNien: pr * ecucin deu&&e*t inici*ente &uponeo& un =1: pero N&te &erJ correido J&de*nte.

• esistencias adicionales

Tubo $ D.T0123 !

Con un fctor de o&truccin ro=0.001.


40/41

U/1ucio= 1

1

hio+

1

ho+ro+rio+$(

=102,7861

Con N&te coeSciente de di&eTo podeo& **r e* Jre reuerid coprr* con e* Jre de* euipo: &K tendreo& e* P de exce&o de Jre: &iN&te e& enor 20 entonce& nue&tro intercidor e& decudo pr e*proce&o.

A r&+u&ri/a= Q

U/1ucio∗ F t 1−2∗ ,'DT

A r&+u&ri/a=1319,9168 ft 2

A&+uipo= " t*∗4 ∗ Do∗ '=1055,5329

A&xc&1o= A&+uipo− Ar&+u&ri/a

Ar&+u&ri/a∗100=¿

A&xc&1o=25,04743

• -ara la caída de presión en los tubos

5!tubo1= 4 f ∗ '∗¿2∗*

2 0∗ Di∗ 6∗( tp o tw )*=¿

5!tubo1=794,76 p1i

• -ara la caída de presión en coraza

-rimero determinamos el nmero de crucesB

" +1= '

B∗2=76

numero par de cruces, boquillas del mismo lado


41/41

5!Cora%a= 4 f ∗ D. ∗( " +1)∗G12

20∗ 6∗ D&∗( tp o tw )*=125,8608 p1i

CDCLF6DE6

%. Las temperaturas tomadas para el fluido de servicio, no admitieron valores con rangosde temperaturas adecuados para el desarrollo del e"ercicio, a pesar de saber que lastemperaturas deben ser de al menos &( grados diferentes.

0. Con el desarrollo del e"ercicio nos dimos cuenta que el me"or fluido de servicio que podemos usar es el doJtherm :, ya que este nos dio las caídas de presiones másadecuadas y permitidas, así como el 3t y el diseVo tHrmico.

*. Cuando calculamos el ft para este e"ercicio con cada fluido de servicio, nos pudimos dar cuenta que este valor nos arro"aba un arreglo de 07&, pero por practicidad decidimostraba"ar todo el problema con un arreglo %70.

&. El uso del agua en este problema no es el más adecuado, aunque se puede usar ba"ociertas circunstancias, por ser vapor a altas presiones y tambiHn que debe ir por la partede la coraza, lo que hace que el diseVo sea poco efectivo.

2. El desarrollo de este e"ercicio de cierta forma tiende a ser muy complicado si no se usauna herramienta informática, ya que los cálculos iterativos requieren una muy buenacantidad de tiempo para su realización.

;. La toma de decisiones dentro del desarrollo del e"ercicio es parte fundamental para quelos resultados arro"ados sean lo más acertados posibles y no se encuentreninconsistencias dentro de este, el actuar como un ingeniero dentro de los límites de estee"ercicio nos da un buen panorama de lo que puede llegar a ser la vida laboral de uningeniero químico.

/. Los errores de cálculo asociados al desarrollo del e"ercicio van directamenterelacionadas con las decisiones tomadas en el desarrollo del e"ercicio, así como lasunidades respectivas de cada valor hallado y el mHtodo de iteración usado.

88LD:3• 5avinder W. KehraQ 6hell and tube heat e!changersQ Yulio 02, %'1*.• Kartínez. E. #0(('$.Estudio para la selección de un sistema de enfriamiento de aire que

proviene de una bacteria de sopladores, de la planta de efluentes del comple"o petroquímica Korelos. Fniversidad Aeracruzana. Coatzacoalcos. KH!ico.

Parcial Calor Segunda Entrega

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