62603325 diseno del intercambiador de calor tubo coraza

DISEÑO DE EQUIPOS

1. DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR PARA EL CALENTAMIENTO DEL FENOL

BALANCE DE ENERGÍA EN EL INTERCAMBIADOR

DISEÑO PRELIMINAR

a.- La información para las resistencias térmicas, tomadas de las tablas ………….,

…………..y…………….

rgas = 0.045

ragua = 0.004

RT = 0.045 + 0.004 = 0.049

Entonces: Tabla Nº8 945DQ

b.- Por un balance de energía, considerando al amoniaco a su temperatura media de 170ºF y a 83

Psi.

(Fig. 15) Pag 930 DQ

(Tabla Nº 4) 906 DQ

(Fig. 2) 909 DQ

R, pag 710 DQ

El balance conduce a:

c.- La diferencia de temperatura es: Amoniaco =150 ºC

Agua =10 ºC

Gráfica Nº 1: Distribución de Temperatura para Enfriar

Amoniaco Seco con Agua de Mar

Y de acuerdo con la caída de Temperatura Media Logarítmica:

NH3

H·2

O95 ºC

245 ºC

85 ºC

95 ºC

d.- El área provisional por el método rápido es:

En vista de que el área es grande, (> de 100 ft2), será necesario utilizar un intercambiador de

casco y tubo.

DISEÑO RIGUROSO:

1. Propiedades físicas de los fluidos. Se tomarán las del amoniaco y agua a sus

temperaturas medias, ya dadas en el diseño rápido.

2. Resistencias a las incrustaciones de los fluidos:

NH3, gas =0.001 (Tabla: 11.2)

H2O de mar =0.002 (Tabla: 11.2)

3. Curso de los Fluidos:

Lado de tubos: Agua de Mar

Lado del casco: NH3, gas

4. : Se supone y se calcula el área en un 1º Tanteo:

5. Tubos: Los tubos son de las características siguientes: L=8’, 3/4’’ OD, lb BWG,

arreglo triangular con Pt=15/16 ’’. (Tabla: 9) pag 947 DQ

6. Determinación del Nº de tubos, Nt:

Tubo de ¾’’ OD= 0.1963 ft2/ft lineal (Tabla: 10) 948 DQ

Un tubo, a.t = 0.1963x8 = 1.6 ft2/tubo

De la Tabla 9, para 237 tubos se requiere un intercambiador 1-4 con placas de tubos fijos y

que alberga 266 tubos. El diámetro del casco corresponde a 19 ¼ ’’. Entonces el área

disponible es:

7. Se escogen 4 pasos en el lado de los tubos.

8. Se calcula el factor térmico, Ft para justificar el Nº de pasos en el lado del casco:

GRAFICO Nº 2: FACTORES DE CORRECCIÓN MLTD PARA INTERCAMBIADORES 1-2

FT

R=15

0.0625 P

0.837

De la Fig. 18 933 DQ con P=0.0625 y R=15 se tiene que Ft=0.837. Este último justifica que

efectivamente se puede usar un paso en el lado del casco.

9. El intercambiador estándar elegido es:

Tipo: Casco y Tubo.

Placa de Tubos: Fija.

Nº de Tubos en el Haz: 266.

Tubos de ¾ ’’ OD en arreglo triangular.

Pt = 15/16’’

10. Determinar el para los tubos con circulación de agua de mar: De la Tabla 10: el

área

a’,t = 0.302 pulg2 ( área de flujo/tubo) y el área de flujo en el haz:

La velocidad másica se obtiene conociendo previamente el flujo másico del agua:

Entonces:

Y la velocidad lineal del agua será entonces:

Como la velocidad es superior a la mínima recomendada se continúa el procedimiento. La Tº

media de agua es:

tm = 90ºF, y de la Fig. 25 940 DQ con los siguientes datos:Tubos de ¾” OD

tm = 90ºF

Se obtiene que el coeficiente para el agua en los tubos, = 660 Btu/hr.pie2.ºF

11. Se determina ahora el coeficiente de película para el fluido en el lado del casco, .

Para ello calcular la velocidad masica en dicho lado:

Seco

Y la velocidad masica:

El Nº de reynolds para el flujo en el lado del casco es:

PAG 943 DQ

Luego, en la ecuación (l):

De la Fig. 28 , =130, y el coeficiente de película, :

12. Calculo del coeficiente total conduce a:

13. El área requerida es:

En vista de que el área disponible es inferior al área calculada, se debe repetir el

procedimiento, en un segundo tanteo:

a. Se asume

b. Se calcula el área provisional requerida:

c. Se determina el Nº de tubos:

d. Empleando el mismo intercambiador 1-4, con placa de tubos fijo, se requerirá

un casco 21 ¼” de diámetro y con un actual de tubos de ¾” OD con 315

tubos.

e. Calculo de :

Entonces:

Y la velocidad sería:

Como la velocidad del agua de mar debe ser superior a la mínima recomendada y

con el fui de dar seguridad al diseño; se repite el procedimiento, en un tercer

tanteo, con un Nº mayor de pasos en el lado de los tubos.

a. Considerar el mismo

b. Entonces el requerimiento del área sigue igual a

c. El número de tubos requerido, de la tabla, es

d. Si se emplea ahora un intercambiador 1-8, el número actual de tubos es 332, y

el casco tendrá un diámetro de 23 ¼”.

e. Para el calculo de , se tendrá:

Entonces:

Y la velocidad sería:

De la Fig. 25 940 DQ, resulta que

f. El calculo de conduce a:

Y la velocidad masica:


Luego:

De la Fig.28, =120, y el coeficiente de película, :

g. El coeficiente total será:

h. El área requerida es entonces ahora:

Si se compara esta área con la disponibilidad en la unidad:

Esto quiere decir que hasta el momento, el intercambiador propuesto en el

tercer tanteo (Ds=23 ¼”; 1-8; Nt=332 tubos) es satisfactorio.

i. Se calcularan las caídas de presión:

LADO DE LOS TUBOS:

941 DQ

Remplazando:

Y en los canales de retorno:

Luego la caída de presión total en el lado de los tubos será:

Como la caída de presión que se permite en este lado es de 10 Psi, entonces el

valor obtenido de 7.7 es satisfactorio.

LADO DEL CASCO:


Entonces:

944 DQ

Esta caída también es satisfactoria.

j. Ahora se confecciona la HOJA DE ESPECIFICACIONES

k. DIAGRAMA DEL INTERCAMBIADOR

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA

INTERCAMBIADOR DE CALOREspecificaciones de Diseño

Planta: Para el Enfriamiento de Amoniaco Seco con Agua de MarDiseñista: Espinoza Huaman Saul Fecha: 09/06/15Nombre y detalle Nº: Intercambiador de Calor de Casco y Tubo E-100Función: Enfriar el Amoniaco Seco con Agua de MarOperación: ContinuaNúmero de unidades requeridas: 01 Uso regular: 01 Reserva: 0

Datos De DiseñoLado del Casco Lado del Tubo

Fluido: NH3 seco H2O de marCaudal(lb/hr): 9870 78500Temperatura de entrada(ºF): 245 85Temperatura de salida(ºF): 95 95Presión de operación(Psia): 83 83

Densidad(lb/pie3): 0.209 0.2532Capacidad Calorífica(Btu/lb.ºF): 0.53 1Calor latente(Btu/lb): 240 950Conductividad térmica(Btu/hr.pie.ºF): 0.017 0.358Viscosidad(lb/hr.pie): 0.029 1.99Peso Molecular: 17 18Número de Pasos: 8 8

Caída de presión(Psia): Calculado: 2.01 7.6

Diseño: 3 10

Resistencia de incrustación: 0.001 0.002Calor Transferido (Btu/h):785000 LMTD: 51.8 ºF Uo global: Calculado: 36 Btu/hr.pie2.ºF Diseño: 30 Btu/hr.pie2.ºFÁrea de transferencia de calor: Calculada: 505 pie2 Diseño: 760 pie2

ConstrucciónPresión máxima de operación: Casco: 3 Psi Tubos: 10 PsiTemperatura máxima de operación: Casco: 245 ºF Tubos: 95 ºFTipo de intercambiador: Intercambiador de calor de Casco y TuboTubos: Disposición: Triangular Número: 332 OD: ¾” BWG: 16 Longitud: 95ºF Material de Construcción: Monel 400Casco: Ds: 23 ¼” Espesor: 0.1875” Material de construcción: Monel 400 Pantallas: Tipo: Segmentos Número: 8 Separación: 12”Acoplamiento: Casco: Entrada: Salida: Tubos: Entrada: Salida:Aislamiento: Tipo: Ninguno Espesor: Ninguno

Ing. Román J. Calderón Cárdenas

PROBLEMA Nº 2: Se desea calentar 9820lb/hr de benceno desde 80º F a 120º F para el

efecto se emplea tolueno caliente a 160º F que puede enfriarse hasta 100º F. Los pesos

específicos de amabas sustancias sonde 0.88 y 0.87, es decir, aproximadamente iguales a

0.88. La resistencia a la incrustación para cada fluido se fija en 0.001. La caída de

presión permisible para cada fluido se fija en 0.001. La caída de presión permisible para

cada fluido es de 10 Psi. Se dispone de tubos de 2”x 1 ” IPS y de 20 pies de longitud.

¿Qué tipo de cambiador de calor se requiere para esta operación?

Solución:

DISEÑO RÁPIDO

Necesitamos saber el área de transferencia requerida, por lo que usamos la siguiente

ecuación:

(1)

1. Cálculo de Q:

(2)

Donde:

1.1. Cálculo de :

Hallando del benceno a partir de la figura 2, en función a la , se

obtiene:

Reemplazando en la ecuación (2), se obtiene:

2. Cálculo de :

(3)

Construimos la siguiente tabla de información:

TABLA Nº 1: DIFERENCIA DE TEMPERATURAS ENTRE EL FLUIDO CALIENTE Y FRÍO

FLUÍDO Alta Temperatura Baja TemperaturaCaliente Tolueno 160 100Frío Benceno 120 80

FUENTE: Resultados obtenidos por el grupo

Por lo tanto, remplazando datos en la ecuación (3):

3. Cálculo dePor un diseño rápido (Ref:………………..

(4)

Remplazando datos en la ecuación (4):

90DU

Remplazando datos en la ecuación (1), el área de transferencia requerida sería:

En vista de que le área es pequeña, se debe usar un intercambiador de doble tubo.

DISEÑO RIGUROSO

1. El curso de los fluidos se selecciona de acuerdo a:

Por el tubo circulará: Benceno, ( = 9820 , área: 9277 pulg2)

Por el anillo circulará: Tolueno, ( = 6330 , área:9284 pulg2)

1.1. Cálculo del flujo másico del tolueno es:Usando la ecuación (2), se obtiene:

(5)

1.1.1. Cálculo de :


Hallando del benceno a partir de la figura 2, en función a la , se obtiene:


1.2. Cálculo de Q para el Tolueno, en la ecuación (2):

1.3. Cálculo de Área de transferencia para el tolueno en la ecuación (1):

2. El coeficiente de película para el lado de tubo (Benceno), es:2.1. Cálculo de :

(6)


(7)

Como el diámetro de la tubería debe darse o suponerse, entonces en nuestro caso los datos se encuentran en la tabla 11:Para el DI (diámetro interior) de la tubería de 1 ” IPS

Reemplazando en la ecuación (7):

Por último reemplazando en la ecuación (6), los datos obtenidos:

2.2. Cálculo de :

(8)

2.2.1. Cálculo de par el benceno, en función a la , en la gráfica 14 y considerando lasa coordenadas respectivas; se obtiene:

Reemplazando datos en la ecuación (8), se tiene:

2.3. Cálculo de :Como el , es decir se trata de un flujo turbulento: por tanto usamos la relación de Sieder & Trate

(9)

2.3.1. Cálculo de :Usando la tabla 4, en función a la , se tiene:

ºF

86

0.092

100

140

0.087

Obteniéndose:


Reemplazando los datos anteriores, se obtiene:

Remplazando los datos obtenidos en la ecuación (9):

3. El coeficiente de película en el lado del anillo , para el tolueno:

3.1. Cálculo de :

(10)

Donde:


(11)

Como los diámetros de la tubería deben darse o suponerse, entonces en

nuestro caso los datos se encuentran en la tabla 11:

Para el DE (diámetro exterior) de la tubería de 1 ” IPS

Como los diámetros de la tubería deben darse o suponerse, entonces en

nuestro caso los datos se encuentran en la tabla 11:

Para el DI (diámetro interior) de la tubería de 2” IPS


Por último reemplazando en la ecuación (10), los datos obtenidos:

3.2. Cálculo de :

(12)

3.2.1. Cálculo de par el tolueno, en función a la , en la gráfica 14 y considerando lasa coordenadas respectivas; se obtiene:

3.2.2. Cálculo del :

Reemplazando datos en la ecuación (12), se tiene:

3.3. Cálculo de :Como el , es decir se trata de un flujo turbulento: por tanto usamos la relación de Sieder & Trate

(13)

3.3.1. Cálculo de :Usando la tabla 4, en función a la , se tiene:

ºF

86

0.086

130

167

0.084

Obteniéndose:


Reemplazando los datos anteriores, se obtiene:

Remplazando los datos obtenidos en la ecuación (13):

4. El coeficiente total ( ) se calcula por:

(14)

4.1. Calculó de :

4.2. Calculó de :Por dato se obtiene que

4.1. Calculó de :Por dato se obtiene que

Reemplazando datos en la ecuación (14), tenemos:

5. Por lo tanto el área requerida es:

Empleando la ecuación (1), y reemplazando datos se tiene:

Como los cálculos se han hecho en base al área exterior del tubo interior, se tiene que

un tubo de 1 ” IPS en la tabla 11, se dispone de:

0.435

Entonces la longitud del intercambiador debe ser:

Luego si se dispone la longitud total en arreglos de horquillas de 20 pies de longitud en

serie cada uno necesitaran 3 horquillas

Si se hubiera usado el criterio de , (coeficiente limpio) con la fig: ………… se

hubiera tenido lo siguiente:

, y con , se lee un

Si a este coeficiente se le añade lasa respectivas resistencias a la incrustación:

Entonces:

Y el área requerida habría sido, empleando la ecuación (1), y reemplazando datos se tiene:

La longitud total L:

Que también tendrían que arreglarse con 3 horquillas con 120 pies.

6. Las caídas de presión se calculan para cada lado:

6.1. Lado de anillo:( tolueno)

(15)

6.1.1. Cálculo de := Para tuberías comerciales se estima de:

(16)

6.1.1.1. Cálculo de :

Reemplazando en la ecuación (16), se tiene:



6.1.4. Cálculo de L:Consideramos la longitud total:


Reemplazando en la ecuación (15), todos los datos anteriores:

Si se considera las pérdidas en las entradas y salidas de cada horquilla, se tiene que:

(17)

Como: (18)

Reemplazando datos en la ecuación (18), se tiene que:

Reemplazando datos en la ecuación (17), se tiene que es:

Por lo tanto, el valor de total para el tolueno es:

(19)

Reemplazando los datos anteriores en la ecuación (19)

6.2. Lado del tubo interior:( benceno)

(20)

(20)

6.2.1. Cálculo de := Para tuberías comerciales se estima de:

Usando la ecuación (16)

6.2.1.1. Cálculo de :

Reemplazando en la ecuación (16), se tiene:



6.2.4. Cálculo de L:Consideramos la longitud total:


Reemplazando en la ecuación (20), todos los datos anteriores:

Si se considera las pérdidas en las entradas y salidas de cada horquilla, se tiene que:

(21)

Como: (22)

Reemplazando datos en la ecuación (22), se tiene que:

Reemplazando datos en la ecuación (17), se tiene que es:

Por lo tanto, el valor de , para el tolueno es:

(19)

Reemplazando los datos anteriores en la ecuación (19)

Como la caída de presión en cada caso satisface el límite recomendado de:, entonces el diseño es correcto.

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚFACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

Intercambiador de CalorEspecificaciones de Diseño

Planta : Para el calentamiento de benceno con tolueno

Diseñista : Espinoza Hhuaman Saul

Nombre y Detalle: Intercambiador de calor con doble tubo con 3 horquillas en serie E-

Función : Calentamiento de benceno a partir del tolueno caliente

Operación : Continua

Número de unidades requeridas: Uso regular: 1 Reserva: Ninguno

Datos de Diseño

Anulo Tubo InteriorFluido: Tolueno BencenoCaudal(lb/hr): 6330 9820Temperatura de entrada(ºF): 160 80Temperatura de salida(ºF): 100 120Presión de operación(Psia): 14.7 14.7Densidad(lb/pie3): 54.298 54.912Capacidad Calorífica(Btu/lb.ºF): 0.44 0.425Conductividad térmica(Btu/hr.pie.ºF): 0.0849 0.0907Viscosidad(lb/hr.pie): 0.99 1.21Caída de presión(Psia): Calculado: 9.27 3.645

Diseño: 10.00 10.00Resistencia de incrustación: 0.001 0.001

Calor transferido: 167000 Btu/hr LMTD: 28.8 ºF

U global: Calculado: 121 Btu/hr pie2 ºF Diseño: 110 Btu/hr pie2 ºF

Área de transferencia de calor: Disponible: 52.71 pie2 Requerido: 48 pie2

Construcción

Presión máxima de operación: Anulo: 10 Psia Tubos: 10 PsiaTemperatura máxima de operación: Anulo: 160 ºF Tubos: 120 ºFTipo de intercambiador: Intercambiador de calor de doble tuno en serieNúmero de horquillas: 3

Tubo interior: Diámetro estándar: 1 ” Longitud: 20 pies

Nº de tubos: 6 Cédula: 40Material de construcción: Monel 400

Tubo exterior: Diámetro estándar: 2” Longitud: 20 piesNº de tubos: 6 Cédula: 40Material de construcción: Monel 400

Acoplamiento: Anulo: Entrada: 6 Salida: 6Tubo: Entrada: 6 Salida: 6

Aislamiento: Ninguno Espesor: Ninguno

BIBLIOGRAFIA

B. V. KARLEKAR; “Transferencia de Calor”; Editorial McGraw-Hill;

Impreso en México1995; Segunda edición; Pág. 685.

DONALD Q. KERN; “Procesos de Transferencia de Calor”; Editorial

CECSA; Impreso en México; Vigesimosexta Reimpresión 1995. Pág. 1473-860

FRANK INCROPERA; “Fundamentos de Transferencia de Calor”; Editorial

Prentice Hall; Impreso en México 1996; Cuarta Edición; Pág. 581.

MAX,S PETERS; “Diseño de Plantas y su Evaluación Económica para

Ingenieros Químicos”; Editorial Geminis S.R.L.; Buenos aires 1978; Impreso

en Argentina.; Segunda Edición.

PABLO DIAZ BRAVO; “Transferencia de Calor”; Impreso en Perú 1994;

Segunda Edición; Pág. 181.

62603325 diseno del intercambiador de calor tubo coraza

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