t e s i stesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/16263/1/25-1-10020.pdf · lienta aceite mineral, el...
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86\t = INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL- V ----------------- -
1 ------------------------------------------------Escuela Superior de Ingeniería Quimica
e Industrias Extractivas
CALCULO DE UN INTERCAMBIADO!? DE CALOR PARA EL SISTEMA DE CALEFACCION DE UNA MAQUINA DE CALANDREO UTILIZANDO ACEITE MINERAL COMO MEDIO CALEFACTOR.
T E S I SQue para obtener el Título de INGENIERO QUIMICO INDUSTRIAL
p r e s e n t a n
LOURDES PATRICIA GAONA VAZQUEZ R A U L G A R C I A S O T O
México, D. F. 1986
IN S T IT U T O P O L IT E C N IC O N A C IO N A LCSCUEIA SUPrRIOR DL INGLNITR1A Ql 'VnC ̂ f INDI SI US TXTRU ilVAS
DIVISION DL SISTEMA Dr TITULACION
vit o, D F Diciembre 9 de 1985
LOURDES PATRICIA GAONA VAZQUEZ. c RAUL GARCIA SOTO.
Pasante de Ingeniero QUIMICO INDUSTRIAL. 1978-1982Presente
El tema de trabado y/o tesis para su examen profesional en la opcion TLSIS COLECTIVA
apiopuMoporelC ING. RUBEN LEMUS B4KE0H. píen seis el respormbfe
de la cahdad de trabado que usted presente, referida al temí “
el cual deberá usted desarrollar de acuerdo con el siguiente ordenCALCULO DE UN INTE RCAMBI ADOR DE CALOR PARA EL SISTEMA DE CALI TAC CiON T)E UNA MAOUISA DE CALANDREO UTILIZANDO ACEITE MINERAL COMO MEDIO CALEFACTOR,”
RESUMEN.I .- INTRODUCCION.
I I . - GENERALIDADES I I I . - CALCULOS.IV .- CONCLUSIONES.
BIBLIOGRAF A.
^ . í'YK47:p£&M CKI I V M A
LUI l_ U «Uf» I*C I UcVi
ING. RUBEN LEMUS BARRON._________________El Jefe de! Departamento de Opción
- ^ C?-—ING- RUBEN LEMUS BARRON.
El Jefe de la D ivisión de Sistemas de T itu L cion
ING. RUBEN LEMUS BARRON.El Profesor Onentaüt r
I N D I C E
R E S U M E N .
1 .4 INTRODUCCION 1
I I . - GENERALIDADES 3
I I I . - CALCULOS 19
IV .- CONCLUSIONES 29
BIBLIOGRAFIA
PAl L ALE JAfDRíj, CG* TUDO íft , AMOP.
RAUL, &PAGIAU pga T¡. APQYü Y P A C IE fC tó .
MARjAPITA Y ALFPFDO, p M SU. LU IA V j . i ElENOS
L X r FLCb.
LUZ WARiA , ALFREHO,. K IAPjARIT t AL E i. / ORO Y
ROSALBA, PLPr,Lt FORI" AN W P ÍE L)E E c / n ü ^
LO:.'PlDE-i PATPiGIA bA-.f
MI ESPERANZA; RAUL ALEJANDRO.
LULU; POR EL ESFUERZO REALIZADO.
MI PAPA; QUE CON SU CARACTER FORJO
MI ESPIRITU.
MI MAMA; QUE SUPO GUIARLO.
YOLA, FEDERICO,BIBIS, EEATRIZ, JAIME Y DAVID.
RAUL GARCIA SOTO.
OBJETIVO:
En el presente trabajo se realiza el cálculo termodmámico de un
mtercambiador de calor, el cual será empleado en la industria -
del plástico.
En dicho intercambiador se utiliza la energia calorifica prove—
mente de la combustión de gas butano para calentar aceite mine
ral que a su vez cederá calor a un sistema de calandreo de PVC.
El aceite tiene el nombre comercial de termino1 66 y es distri
buido por la Compañía Monsanto .
Debido a que el calor transferido por convección es mucho menor
que el calor transferido por radiación, en el cáculo del ínter-
cambiador el calor transferido por convección se considerará -
despreciable.
RESUMEN:
En los últimos años la industria que emplea la piel como materia pri
ma para la fabricación de satisfactores destinados al consumo masivo
ha empleado como contratipo telas cubiertas de una película de PVC
* Cloruro de Polivinilo, que suple en apariencia, textura y color a -
la piel. A todas estas calidades se aúna a que su costo es mucho me
nor que el de la piel.
Una de las formas de realizar el recubrimiento de dichas telas es por
medio de cilindros calientes que giran en contrasentido y que adelga
zan la película de PVC para posteriormente depositarlo sobre el tex—
til, la máquina que realiza dicho trabajo recibe el nombre de calan—
dria.
Para que el PVC pueda ser fácilmente procesable es necesario mezclar
lo con diferentes tipos de aditivos que le proporcionan estabilidad -
al calor, flexibilidad, color etc.
El PVC es mezclado primeramente con los aditivos en mezcladoras con -
chaqueta de calentamiento en seguida la mezcla es pasada a una cama-
ra que contiene un rodillo y un pistón que preplástifica a la mezcla
de PVC, este equipo recibe el nombre de Bambury, enseguida se deposi
ta en un molino de dos rodillos que giran en contra sentido, los cua
les tienen calentamiento interno, posteriormente se deposita en los -
rodillos de la calandria para obtener la película de PVC.
El calor necesario para que la calandria pueda tener un trabajo conti
nuo proviene de un mtercambiador de calor que quema gas butano y ca
lienta aceite mineral, el cual fluye en la parte interna de los rodi
llos de la calandria y del molino.
En el calculo de dicho ínter cambiador se utiliza el método i iterativo
de Lo-o y Evans, el cual suponemos ínicialmente un flujo promedio de —
3255 Cal/Urs. en.2 (12000 Btu/htcs pie2)
Cloruro de Polivinilo
CALCULO DE UN INTERCAMB SISTEMA DE CALEFACCION LANDREO UTILIZANDO ACEI CALEFACTOR.
I INTRODUCCION:
En la historia de los r
ó decorativos, el material
piedades y el que se usó p
fué la piel.
Sin embargo debido a su
sidad de desarrollar nuevos
cidos como sustitutos del p
Siguieron entonces los d
(nitrato, acetato , acetato
una amplia aceptación.
En épocas más recientes
de vinilo; de los cuales el
múltiples aplicaciones es el
Cuando los tejidos natura
zan como materiales soporte
ruro de polivinilo, se obti
telas plásticas ó laminados
Un tipo de maquinaría que se
ción de estos laminados plás
La"Calandría" consta bási
gran diámetro que giran en c
nando presión y temperatura.
IADOR DE CALOR PARA EL DE UNA MAQUINA DE CA—TE MINERAL COMO MEDIO
ecubnmientos protectores -
más importante por sus pro
rimeramente con estos fines
alto costo, nació la nece-
materiales para ser ofre-
roducto natural,
erivados de la celulosa -
butirato) que han tenido
aparecieron los derivados
más importante por sus —
cloruro de polivinilo.
los ó sintéticos se utili
para las películas de cío
ene lo que se conoce como
plásticos.
emplea para la fabrica-
ticos es la "Calandria",
camente de rodillos de —
ontra sentido proporcio —
- ? -
Esta maquinaria requiere de cierta cantidad de calor
para poder efectuar la operación a la que está destinado
el presente trabajo se realizó para diseñar técnicamente
un íntercambi ador de calor que funcione con aceite mine
ral y que proporcione el calor necesario para que la "Ca
landría" efectúe el proceso de laminación.
- a -
Actualmente los plásticos vinílicos ocupan
do lugar en el volumen de producción de plásti
vel mundial y el primer lugar lo ocupan las po
ñas (polietileño, polipropileno).
Dada la gran variedad de usos que puede ten
variadas formas de proceso que pueden ser posi
los plásticos vinílicos, esta relevante posici
a mantener en el futuro.
II.1 NOCIONES ELEMENTALES DE POLIMEROS:
Tenemos que destacar en esta obra que las palabras -
"polímero y plástico" representan el mismo significado
en la industria de los plásticos y encierran la idea de
sustancias orgánicas que se pueden conformar con calor.
Para la constitución de las sustancias químicas, la
unidad básica individual es el Atomo, cuando varios —
átomos se agrupan en una estructura definida se obtiene
una molécula de un producto químico determinado.
La polimerización consiste en la unión de moléculas
de un compuesto simple llamado "monómero", para dar un
compuesto de peso molecular más elevado (múltiplo en
tero del peso molecular del monómero), llamado polímero.
Cuando el número de moléculas de un monómero unidas
entre sí es muy grande, se habla entonces de un alto po-
limero.
I I GENERALIDADES:
el según
eos a ni
1iole fi —
er y las
bles con
ón se va
- 4 -
II.2.-
Existen ocasiones en que el polímero se obtiene a partir
de dos monómeros diferentes y entonces recibe el nombre de
"copolímero", si son tres monómeros diferentes se denomina
"terpolímero".
De esta manera se obtienen polímeros con propiedades ín
termedias de punto de fusión, viscosidad, etc. determinadas
Los polímeros ó plásticos se dividen en dos grandes gru
pos:
1) Termoplásticos (P.V.C., PolietLLeno)
2) .~ Termofijos (Fenolicos, Melamina)
Los termoplásticos son de cadena lineal y se pueden tra
bajar por medio de calor repetidas veces.
En cambio los termoestables ó termofijos solamente se les
puede trabajar una vez con calor quedando entonces perma
nentemente formados ó solidificados suelen tener estructuras
de encadenamiento tridimensional permanente en su estado
final.
RESINAS VINILICAS.
Se fabrican en base a los monómeros vinílicos: cloruro -
de vinilo, acetato de vmilo y otros. Cuando se trata de —
cloruro de vmilo el polímero obtenido es el cloruro de poli-
vinilo ó abreviadamente "P.V.C." que proviene de su nombre
en inglés Poly-Vmyl-Ch lorie le".
Las resinas de P.V.C. comerciales, tienen aproximadamen
te la siguiente composición
- 5 -
CARBONO 4 1 - 3 9 % EN PESO
CLORO 55—56 % EN PESO
HIDROGENO 4-5 % EN PESO
Y sus propiedades son: buena conductividad, resistencia
al agua, aceite, grasas, ácidos , alcalis y muchos disolven
tes.
Hay cuatro métodos de fabricación industrial que son:
1.- SUSPENSION: Resinas de uso general.
2.- EMULSION: Resinas de uso general y pastas de P.V.C.
3.- MASA: Resinas de la más alta calidad.
4.- SOLUCION: Resinas para adesivos y lacas.
Siendo los tres primeros los más importantes. Las resi
nas de P.V.C. fabricadas por el método de suspensión son
las más ampliamente usadas..
Dentro de cualquier grupo de resmas de P.V.C. se cla
sifican estas por el llamado "Valor K" que se obtiene a par
tir de las viscosidades de una solución de la resina en de
terminados disolventes especiales tales como ciclohexanona
ó nitrobenceno, así se obtienen los siguientes tipos de resina.
VALOR “K" PESO MOLECULAR USOS
45—55 BAJO INYECCION
55-60 MEDIO/BAJO EXTRUSIONCALANDREOINYECCION
60-66 MEDIO/ALTO CALANDREOEXTRUSION
MAYOR 65 ALTO PROCESOS ES PECIALES
- 6-
Para facilitar el proceso de fabricación de laminados -
plásticos las resinas de P.V.C. son mezcladas con diferen
tes sustancias que a la vez proporcionan diferentes carac
terísticas al producto final.
Dentro de una formula de P.V.C. para ser procesada en
una Calandria encontramos los siguientes componentes.
- RESINA DE P.V.C.
- PLASTIFICANTE.
- ESTABILIZADOR.
- CARGA.
- DESMOLDANTE, LUBRICANTE.
- PIGMENTOS.
II.3.- PLASTIFI CANTES:
Son productos químicos casi siempre líquidos con alta -
temperatura de ebullición, transforman las resinas de P.V.C.
duras y rigidas en productos flexibles para procesarse mejor.
En la producción de materiales plásticos siempre son nece
sarias buenas condiciones de flujo cuando se emplean polime
ros de alto peso molecular, ya que de esto depende que sea
rentable el producto.
Estas condiciones pueden ser logradas por la aplicación
de calor y presión ó por el uso de solventes; aunque es un
efecto temporal ya que cuando el polímero se enfría y el sol
vente se evapora, el polímero recupera su estado natural. .
th mejoramiento permanente en el flujo da como consecuen
cía suavidad y flexibilidad, que será requerida en poste
riores aplicaciones de los productos obtenidos y que puede
ser lograda por la mezcla del polímero con un líquido orgá
meo de alta temperatura de ebullición que recibe el nombre
de pías tifie ante.
- 8 -
El P.V.C. es atraído siempre en sentado longitudinal por los enlaces químicos. Lateralmente existen entre las cadenas fuerzas de Vander Waals y las fuerzas de dipolo que enlazan las cadenas.
Una teoría dice que el plastiflcante actúa disminuyendo las fuerzas entre las cadenas por la solvatación de los grupos polares del polímero-polímero.
Otra teoría dice que el pías tabicante actúa como lubricante entre la masa rígida del polímero haciendo que las cade—
ñas polímericas se muevan fácilmente.Las propiedades que se exigen en un plastificante ideal
son:a).- Buena compatibilidad con la resina de P.V.C.b).- Baja volatilidad.c).- No inflamable.d).- Buena estabilidad a la luz y al calor.e).- No tóxico.f).- Buenas propiedades a bajas temperaturas.
Por supuesto que algunas propiedades son algo conflictivas entre sí y por ello no existen pías tifie antes ideales, por lo cual en la práctica se usan mezclas de pías tifie antes para cada aplicación.
Existen dos clases de plastificantes para resinas de - -
TEORIA DE LA PLA S T IF IC A C IO N :
-9 -
II.4.-
P.V.C. los pías tifie antes primarios y los secundarios.Los pías tifie antes primarios son aquellos que son muy com
patibles con el P.V.C. y que pueden ser usados como únicos en la formula.
Los secundarios son aquelllos que tienen una compatibilidad limitada con el P.V.C. y que por lo tanto no se pueden usar solos en la formula, sino con los plastificante primarios
Los esteres itálicos sori los pías tifie antes más comunmente usados, un 80% del uso general es de este tipo.
Debido a su costo y propiedades el DOP (di 2 etil hexil ftalato), el DI0P (di issoctil ftalato) y el DI0P (di iso decil ftalato) son los más usados.
ESTABILIZADOR ES:Los problemas de procesamiento desde el momento en que
se iniciaba el uso de P.V.C. (hace 50 años) eran debido asu gran inestabilidad con el calor.
Por ello es que entonces se usaban los copolímeros que se podían procesar bien y con temperaturas más bajas.
En los años 1930, 1940 se comenzaron a usar los primerospías tifie antes y los primeros estabilizadores y a partir deentonces se produjo el gran desarrollo de la industria de los plásticos de P.V.C.
Los estabilizadores son productos químicos que evitan la descomposición o degradación del P.V.C.
- 10 -
MECANISMOS DE DESCOMPOSICION DEL P .V .C .
H A HT~* A ^ * KS-CH-CH-CH.-CH-----------► -CH-CH-CH-CH - +HCI
c'i CP" c t* (+)
- JcH=CH-CH=CH2-—— *■ - j L c j - c l c | C„+ Hgf
ó * luz ultravioleta
Este proceso se produce por la desintegración de los extremos de la cadena de la molécula del P.V.C. desprendiéndose el gas ácido clorhídrico y degradándose progresivamen te el material. La descomposición del material comienza; - cuando se pone amarillo, luego marrón y finalmente negro.
En general, las resinas de P.V.C. de alto peso molecular (ó de cadena más larga) resisten mucho más a la degradación que las resinas de bajo peso molecular (cadena corta).
El problema de la degradación del P.V.C. es que una vez que ha comenzado es muy difícil detenerlo, pués tiende a propagarse por reacción en cadena. El papel que desempeña un estabilizador es bloquear cualquier inicio de descomposición qué pueda existir por excesos locales de temperatura.
-11 -
11.5.- CARGAS:Inicialmente el P.V.C. se trabaja sin cargas, pero pron
to se le fueron incorporando diferentes productos inorgánicos con el fín de disminuir su costo. Estos productos inorgánicos (minerales) también pueden fabricarse sintéticamente y son productos en forma de polvo con densidades generalmente superiores al P.V.C.
Aparte de disminuir el costo introducen otras propiedades como: capacidad de absorción disminuir el brillo y aumentar la rigidez del plástico.
Por otra parte, reducen el alargamiento y la flexibilidad, y aumentan la absorción de agua.
Las cargas más usadas en P.V.C. son los carbonates de calcio y los silicatos.
11.6.- LUBRICANTES:Los lubricantes tienen una importantísima influencia en
el proceso de los plásticos, ya que de éstos depende la velo cidad de fusión, la cual está en función de la temperatura presión y fuerza de corte; viscosidad en fusión, la cual de pende de la fuerza cohesiva entre las moléculas de la resina y la adhesión entre el polímero y las partes metálicas callentes.
La más importante propiedad de los lubricantes, es el - efecto de estabilidad. En el caso del P.V.C. los lubricar- fes que contienen grupos OH, ó dobles ligaduras actúan co-
- 12 -
II.7.-
mo co-estabiüzadores y sirven como aceptadoresde cloro, - mientras que los ácidos grasos incrementan la acidez del compuesto y promueven la degradación.
En general, los lubricantes pueden ser clasificados en dos categorías, internos y externos.
La característica más importante de los lubricantes externos es que actúan para evitar que los polímeros se peguen en las partes metálicas.
Los lubricantes internos se solubilazan con las resmas di aminuyendo la fuerza de cohesión de las moléculas forman do una mezcla de bajo coeficiente de fricción. La más - importante característica es que promueven el flujo del - polímerp con un mínimo de esfuerzo.
En calandreo pequeñas cantidades de lubricante externo es requerido para que haya un deslizamiento en los rodillos y un buen deslizamiento en los bancos.
PIGMENTOS:Los colorantes ó pigmentos son sustancias que absorben
la mayor parte de los colores básicos del espectro de la — luz solar y reflejan su color propio fuertemente. Los pigmentos negros absorben todos los colores del espectro y por lo tanto no reflejan, apareciendo como negros.
Las propiedades más importantes de los pigmentos usados en P.V.C. son:
- 13 -
III
1.- Insolubles en plastificantes2.- Resistentes al ácido clorhídrico3.- Moderada o buena resistencia al calor4.- Buena resistencia a la luz5.- Fácilmente disponibles
DESCRIPCION DEL EQUIPO
El equipo empleado en el proceso de la laminación de PVC, es elque a continuación se detalla:
a).- MEZCLADORA.- Es una tina con tapa hermética y chaqueta - de calentamiento, en la parte inferior tiene una compuerta por la cual se descarga, la acción de mezclado se realiza con aspas que se encuentran en la parte interior de la me2S dadora.
b).- BAMBURY.- Es una máquina que preplastifica a toda la me_z cía de PVC y está constituida por una camara con chaqueta de calentamiento, un pistón, un rodillo y controles de tem peratura.
c).- MOLINO.- Son dos rodillos con calentamiento interno que giran en contra sentido para presionar y plastificar la —
mezcla de PVC.
d).- CALANDRIA.- Es una máquina constituida por cuatro rodillos de acero inoxidable con calentamiento interno, los cuales -
- u «
giran en contrasentido, la presión que ejercen estos rodillos sobre el PVC ya plastificado es controlada neumáticamente para dar el espesor - deseado al PVC.Una vez laminado el PVC, es pasado por una serie de rodillos con enfria_ miento para posteriormente ser cortado al ancho y embobinado.
DESCRIPCION DE PROCESOPara poder llevar a cabo el proceso de plastificación y laminación del cloruro de polivinilo, es necesario una máquina que consta de rodillos los cuales tienen un calentamiento interno, dicha máquina recibe el —
nombre de calandria. Existen diferentes tipos de calandrias; de dos rodillos, de tres rodillos, de rodillos arreglados en forma "L" invertí̂
da.El cloruro de polivinilo pasa por el espacio que hay entre rodillo y ro dillo, formándose una lámina de plástico para ir reduciendo el espesor del material y obtener al final una lámina de plástico con el espesor - deseado.Los rodillos de la calandria son movibles para poder ajustar el espesor final. El medio de calentamiento para mantener los rodillos en la tem peratura adecuada de trabajo es el tema que a continuación discutiremos. Los límites de temperatura que se requieren para efectuar el proceso de laminación de PVC, es de 170°C a 250°C, por lo tanto se propone utilizar un aceite mineral para proporcionar el calentamiento adecuado de los rodillos. Así mismo se necesita un inteicambiador de calor para poder calentar el aceite mineral.El diseño de dicho intercambiador es el motivo del presente trabajo.
I. A M I Ñ A S D E P I A T I C O I V . C .
CAiANDRIA Dt RODILLOS ARREGLADOS IN FORMA DE "I" INVERTIDA.
REGULADORESDETEMPERATURA
TANQUE DE EXPANSION DIAGRAMA DE FLUJO DEL SISTEMA DE CALENTAMIENTO.
- 16 -
El aceite que se propone es fabricado por la Compañía Monsanto cuyo nombre comercial es Terminal 66.
Terminal 66 es un fluido sintético diseñado para la - transferencia de calor que ofrece bajas presiones de bombeo con una notable alta temperatura de trabajo de hasta 343°C, es ideal para sustituir fluidos orgánicos que tienen baja temperatura de ebullición.
Es un fluido que se usa en sistemas de calentamiento no presurizados así como también en sistemas de calentamien to indirecto ya que ayuda al proceso puesto que no requiere de equipos costosos de ventilación; no esta clasificado - como un fluido de transferencia de calor resistente al fuego y consecuentemente el uso de dispositivos de protección deben ser requeridos para minimizar el riesgo, ofrece un — largo servicio de vida dentro del rango de temperatura recomendado y no corroe los metales comunmente usados en el diseño de equipos de transferencia de calor.
V DISEÑO DEL INTERC AM B IAD O S
GENERALIDADES DEL TERMINAL 66Com posición Terfenil modificadoApariencia liquido claro amarillentoPeso especifico 25/15.5oC 1.004Viscosidad cinemática a 38° C 30 StokesContenido de humedad 100 ppmTemperatura de congelación -26.1° C 15° FTemperatura de flash 177° C 350° FTemperatura de inflamación 194° C 380° F
- 17 -
AJT (ASTM-D- 2155) 374° C 705° FCoeficiente térmico deexpansión 0.000850 /°C 0.000472/°FFango de ebullición
10% 339° C 643° F90% 353° C 668° F
Calorde Vaporización Calculado 83 Cal/gr. 105 Btu/lb
ECUACIONES PARA PROPIEDADES FISICAS COMO FUNCION DE LA TEMPERATURA *1
DENSIDAD = 64 46-00236 T (°F) t=3Ib/pie3
CALOR ESPECIFICO Cp = 0 3472 + O000468 T (°F) t=J btu/lb °F
CONDUCTIVIDAD TERMICA K = O O +039 - I 496 X I0"5 T(°F) - I 92X I O-8 TZ(°F)
t=lt btu/hrs pie °FVISCOCIDADyM =10Exp lOExp j]2 08855-4 3363 log.,0T(°R}£ -O75(T? IOO°F)
PRESION DE VAPORIZACION = Exp Jh14 2331-13045 9/ T(0Rj} 1=1 psia
Debido a que la mayoría de la literatura y gráficas uti 1 i zadas están en el sistema inglés se trabajará en estas
unidades, haciendo al final del trabajo la conversión al sistema métrico decimal.
U 0 S
DATOS GENERALES. CALOR REQUERIDO: COMBUSTIBLE MEDIO CALEFACTOR:TEMPERATURA DELACEITE:
500 000 Kcal/hrs.Gas comercial (butano) Aceite "Terminal 66"
ENTRADASALIDA
170° C 250° C
338 °F 482° F
- 1 8 -
El intercambiador de calor que se pretende calcular en el presente trabajo es de forma cilindrica colocado horizontalmente»
La parte interna del intercam biador contiene un serpentín por el cual fluye el aceite que se calienta por me- .dio del calor producido por la combustión del gas.
Asimismo como la cantidad de calor transferido por - convección es despreciable en comparación con la cantidad de calor transferido por radiación este trabajo se dará - por concluido al calcular la zona de transferencia de calor por radiación.
SALIDA DE ACEITE
CALENTADOR DE FUEGO DIRECTO
- 19 -
CONVERSION AL SISTEMA INGLES DEL CALOR REQUERIDO.
Q = 500000 kcal/hrs.x lbtu/0.252kcal. = 1984127 btu /hrs.
CALCULO DE LA CANTIDAD DE ACEITE REQUERIDO
CP= 0.3472 ♦ 0.000468 T ( 1 )
SABENOS QUE:( 2 )
SUSTITUYENDO (1) en (2 ) y resolviendor T*Q = W \ (0.3472+0.000468T) dtA
Despejando W y con una eficiencia del 80% del Ínter-cambiador
W = Q/0.8(77.63) = l984l27btu lbs/0.8(77.63)btu hrs. = 31 949.48 Ibs/hrs.
CALCULO DE LAS TEMPERATURAS DEL FLUIDO
Considerando que el 70* de la transferencia de calor es por radiación y la transferencia por convección es despreciable
Tenperatura de paso= ... T,.„.<0)
T e m p e ra tu ra de paso= 4 8 2 — 0 .7 ( 4 8 2 - 3 3 8 ) = 3 8 1 .2 °F
aplicando límitesQ = W Jo3472(482-338)+000468(482*-338*) /2^J= W(77.63)
- 20 -
T = Tpaso + Tsalida / 2
sustituyendo valores
T = 381 2 + 482 / 2 = 431 6°F
Temperatura promedio de la pared del tubo
T = T +100 =431 6 + 100 = 531 °FC A LC U LO _D E _LA _P S E U D O _T E M P E R A T U R A _D E _F LA M A
Tomando en exceso el 25% de aire y empleando como combustible gas butano.La reacción de combustión del gas butano
2 C4Hi0+ 13 02---- 8 C02 + 10 H20 gassabemos que
AH° =-687 640 Cal/gr mo1 J 1 I, t-2®6 del butanoCalor latente del agua (H^O) = 10 520 cal/gr mol
^AH£88 = 2mol(-687640cal/mol}+IO mol (10520 cal/mol ) = -1270080 cal203
suponiendo que q=0 : .AH=0Moles de 0^ requerido =13moles en exceso de 0^ = 0.25 (13) = 3.25
PROMEDIO DE TEMPERATURAS DEL FLU IDO CALEFACTOR
moles de N,, in t r o d u c id o s = 16 .2 5 (79/21) = 61 .13
- 21 -
R E A C T I V O S
1 a t m .
2 5 ° C
2 mol C 4 H I0
l 6 . 2 5 m o l 0 2
6 1 . 1 3 mol . N *
P R O D U C T O S
t atm
T ° C
AH» + AH°p= AH=0 2 9 8
AH*p = - AH°2g8_1270 080 cal
sabemos que:A H ° p = A H | # e = 1 2 7 0 0 8 0 c o l .
empleando un método interativo suponiendo T= IBOO* c
A = i 2 5 4 9 9 8 c a l
4 H ° p = A H f 0 8
125499 8 = 1270080
AH°p- J8(t§ 8 ' J- 1OC1O 2 5 ) +- 3 2 5 ( 8 9 ) + 61 13 (7 8 f | nnol cal/mol °C x |T 8 0 0 - 2 5 |oC
Pseudo temperatura de flama = 1800°C = 3272°F El diseño del mtercambiador de calor es a fuego directo - suponiendo un valor máximo de absorción por radiación de 12000 Btn/hrs pie 2 se busca la temperatura del interior - del calentador empleando la ecación de Stefen-Boltzm an.
Qr= 1740 JTt q /IOOQ)4— (Tt)/I000rj
donde:Qr= Btn/ hrs pie2
Ta= temperatura del calentador en ° KTb= temperatura de la superficie del tubo °R
Despejando Ta
0r/|740 = (Ta/1000)4 - (Tb/1000)4
- 23-
(Ta/IOOO)*= Qr/1740 +(Tb/IOOO)4 (Ta /1000)4= 12000/1740+(2II 2/I000)4 (Ta / 1000)4= 6 8966 + 19 896 = 26 7931 Ta = (26 7931 f \ 1000 Ta = 2275.12°R = 1815 I2°F
CALCULO DEL AREA REQUERIDA PARA LA ZONA DE RADIACION.
El 70% del calor total se transfiere por radiación por
A„ = Q /Q =1388 8889btu hrs pie2 / 12000 hrs btu =115 74 pie
Empleando tubo de
DIAMETRO NOMINAL 5 I O m m BWG II
lo tanto QR = O 7 QtQh=0 7(1984 127) btu/hrs=l 388 888 9 btu/hrs Qr = I2000 btu/hrs pie2
Calculo del área de radiación
Diámetro 51.0 mm 2 plgespesor de la pared 3.05 mm 0.12 plg
area interna 1569.67 nn2 2.433 plg2superficie externa= 15.95 cm2
/cm p ie 2 / p ie e x t e rn a 0 .5 2 3 6
in t e r n a = 14 .04 cm2
/cm in t e r n a 0 .4 6 0 8
— ?4 —
Calculo de la masa velocidadMasa velocidad= W/Ai - 20 345 85 Ib /2 433plg2 X I p¡e2/ 144 plg2
= 1204 195 7 Ib /hrs pie2
DENSIDAD P = 64 46-0 0236 (647.6)°F = 49 17 Ib/pie3
Velocidad= Masa Velocidad/ 9 =1204 195.7 Ib pie5/ 49.17 Ib hrs pie2 = 24 490 pie/hrs.
Longitud total= A» /Superficie ext s 115 7 4 pie2/0.5236 piez/pie = 221 046pieexpuesta a la radiaciónUtilizando un tubo en espiral cuyo diámetro de la espiral sea de 116.8 cms. (46 plg) con un espacio entre vuelta y vuelta de 8.89 cm (3.5 plg) centro a centro del tubo
116.8
-v
Equivalente de la superficie plana fria.Acp = espacio centro a centro x 'n x D Acp = 3 5 plg X X 46 plg /144 = 3512 pie*
Razón centro a centro= espacio centro a centroDe xt.
Razón centro a centro; 3.5 = 1.752
-2b -
Con razón centro a centro igual a 1.75 en la figura 1.1 se encuentra el factor de efectividad= 0.925
ACp= 3.512x 0.925 ACp= 3.249 pie 2si se emplean 28 vueltas se tendríaAcp=3.249 pie 2 x 28Acp=90.972 pie 2
DISTANCIA CENTRO A CENTRO DIAMETRO DEL TUBO
Dimensiones del calentador diámetro^ 157.48 cmLongitud^ 274.32 cm
A tapas - 2 Tí r2 2= 2 (5-167)2 pie 2= 2
5.167 pie 9.0 pie
41.936 pie 2
A lateral^ 'ü' OL = (5.E7) (9.0) pie 2= 146.093 pie 2A total- A lateral + A tapas= 41.936+146.093=188.029 pie 2Aw= Area de la sección de radiaciónAw= At - Acpt= 188.029-90.972=97.057 pie 2Aw /<£ACpt.
= 97.0 57/90.972= 1.066
Volumen del calentador V= T» r2 h = '¡f (5-167) 2 (9.0) pie 3= 188.716 pie 3
2
FIG. 1.1
L= Longitud promedio de radiación L= 2/3 3 1 V"' = 2/3 (188 .716 ) 1/3 = 3 .8 2 3 p ie
- 26 -
Como no es aire precalentado el valor del calor del aire de como ustión ( a) equivaleal valer del calor del combustible, asumimos que el valor del calor perdido por los - tubos ( ) dividido por elvalor del calor de combustión ( %-N ) ^ n es iguala 0.02 y suponiendo una temperatura de 1400° Fcon PL- 0.89 pie atm .T= 1400 °Fde la figura 1.3Emisividad= 0.29
20 v 60 80 300PORCENTAJE Dt AIRf- EN EXCESO
Con el 25% de exceso de aire y figura 1.2Presión C02= 0.108.1 atmPresión H20= 0.1248 atm
0.2332
atm (3.823) piet KVA ! tvEPARADA ü! DUOS PARA 16 (ASES L0MBISTI-- ELES. NO rS APLUABLI- - PARA AROMATICOS O OTROS COMBUSTIBLES NO ÜSUAI FS
F ig u r a 1 .3 E m is iv id a d
- 27 -
EHISlVÍDAD - CAS
con
OTRVA PREPARADA DE DATOS PARA 16 GASFS COMBISTI — BLLS NO ES APLICAB! L - P iKA AROMATICOS O OTROS COMBUSTIBLES NO tSUALES.
Calor contenido en el gas
- ¿8 -
Acprf= 90.972 pie (0.43) - 39.117 pie 2
W A C p f = 2480158 8 btu / 39 11 7 pie 2 hrs = 63402 049 btu/hrs pie2
V/ACpf = j i + /Acpf
V/Acpf = j j -0 02 -0 38^63402 049 btu/hrs pie2 = 38041.229 btu/hrs pie2
Para 1800° F emis_vidad= 0.26 factor de intercambio= 0.4
'íg2 / = 0.51
Acpf= 90.972 pie 2 (0.4) = 36.389 pie 2%n AcAcpf = 2480 158 8 btu / 36.389 hrs pie2= 68157 202 btu/hrs pie2
£}-i-/Acpf = (1-002-051 ) 68157 202btu/hrspie2 = 32033. 885 btu/hrs pie2
Con T = 1580° F= 0.42
V -(O 98-0 42) 2480 1588 btu/hrs = 1388888.9 btu/hrs
/At = 1388888 9 btu /II5 74 hrs, pie2= 12 000 btu hrs pie2
que e¡; igual al valor supuestoVenfu-ación de la temperatura de la pared del tubo cambio de entalpia=
1388 888 9 btu hrs / 31949 48 hrs Ibs = 43 47btu/lL.r
- 29 -
H= 276.08 BTU lbs.
Entalpia de paso=276.08—43.47 BTU- 232.61 BTUlbs. lbs.
con h= 232.61t= 425.70 F
promedio del fluido de radiación= 425.7__+ 482= 453.8oF2
promedio de la pared del tubo= 453.8+100= 553.8°F que es muy próximo a la que se había supuestopor lo tanto las dimensiones del calentador s erán
diámetro 157.48 cm.longitud 274.32 cm.
con un serpentín interior de diámetro igual a 116.8 cm. y 28 vueltas con una serparación de 8.89 cm. de centro a centro entre cada vuelta.
a 482- ' F
Una vez finalizado el cálculo termodinámico del mtercambiador de calar que tendrá una forma cilindrica se encontró que sus dinensiones - son: diámetro 157.48 cm. longitud 274,32 cm con un serpentín interior de diámetro igual a 116.8 cm y 28 vueltas con una reparación de 8.89 cm de centro a centro entre cada vuelta.
El tubo por el cual circula aceite mineral es de 51.00 mm de diámetro nominal.
Con las dimensiones anteriores el intercamfciador de calor será capaz de proporcionar 500,000 Kcal/hrs. a un sistema de calandreo.
CONCLUSIONES:
BIBLIOGRAFIA:
PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALORDonal Q Kern Decimaquinta' impresión, 1981
INTRODLCCIOim A LA TERMODINAMICA EN INGENIERIA QUIMICAJ. M. Smith H. C. Van Ness Primera edición en español, 198Q
EQUIPMENT DESIGN HANDBOOK
STANDARDS OF TABULAR EXCHANGER MANUFACTURERS ASSOCIATION
THERMINOL 66, BOLETIN DE INFORMACION DE LA COMPAÑIA MONSANTO.