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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 (.¢ipoises 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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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 $e0e reali1ar /ortem/eratra! )al9ri)a!. Entonces -rocedemos a calcular el área del tubo, el área de la corazay el diámetro equivalente, los cuales necesitaremos para empezar con el cálculo de las
calóricasB
tO020
nO%
5iO(,(;/2ft
TERMINAL CALIENTE %O*0/+3 t0O012+3
-ara el corazaB t0O012 +3
G=wf at
tubo=¿G¿ 121%%;,/(10
La viscosidad se calcula reemplazando t2= 285°F en la siguiente ecuación:
y=2,42∗(−0,0104 x+3,8739 )
ℜ¿ Di∗G
O 0*('(,'%(&
!r¿ Di∗G
=7,30 %*1%
La conductividad se calcula reemplazando la temperatura en la ecuaciónB
y=−2E-5 x+0,082
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RO(,(/;*
" u=0.36∗(ℜ )0.55∗( !r )0.33∗#0.14=¿ 167:#33#
h∗ Di$ =¿ 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
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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
+$(∗1
hoT 1tw=T 1−¿
U
tJ O %/(,1('/1
tw=2,42∗(−0,0104∗tw+3,8739)
tw=
5,077
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T 2−t 11
hoT 2+ 1
h iot 1+$(
∗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
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" 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
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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+$(
∗1
hoT 1tw=T 1−¿
U
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tw=304,2283
T 2− t 1
1hot 2
+ 1h iot 1
+$(∗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
$c
Fc=0,61966
Tc−T 2
T 1−T 2=0,61966
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Tc=¿ *%2,&'%2
tc=241,2612
hora recalculamos las propiedades de cada sustancia a calóricasB
tc pr e* cor con *& propiedde& de* Aceite Crudo/ iu cp reino*d& prnd*t
0:07!63:30277607
#0:563756 153#4:6#036 23:6!#0
tw>tp> tc
-ero para nuestro caso no se cumple así que buscamos o se asume un valor para el Coeficientetotal para diseVo, abla 1. ,er#.
(Rd= 0:001 =5"10 p&i) tr9o& un >%=117:6445 ?tu,ft2@B con *oue **o& e* Dre ReueridE
Ar&+= Q
UD∗ FT ∗ ,'DT
(7)
Ar&+=1171,9130 ft 2
6e selecciona el diámetro de los tubos, el espesor de pared #89:$, y la longitud deltuboB
Fndu&tri*ente &e u& tuo& deE
%o=0:0!333ft
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%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 *
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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
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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
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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.
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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 *((
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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*
** %
(,&%;;;
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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
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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 $e0e reali1ar /ortem/eratra! )al9ri)a!. Entonces -rocedemos a calcular el área del tubo, el área de la coraza
y el diámetro equivalente, los cuales necesitaremos para empezar con el cálculo de las calóricasB
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tO020
nO%
5iO(,(;/2ft
TERMINAL CALIENTE %O*0/+3 t0O012+3
-ara el corazaB t0O012 +3
G=wf
at
tubo=¿G¿ 121%%;,/(10
La viscosidad se calcula reemplazando t2= 285°F en la siguiente ecuación:
y=2,42∗(−0,0104 x+3,8739 )
ℜ¿ Di∗G
O 0*('(,'%(&
!r¿ Di∗G
=7,30 %*1%
La conductividad se calcula reemplazando la temperatura en la ecuaciónB
y=−2E-5 x+0,082
RO(,(/;*
" u=0.36∗(ℜ )0.55∗( !r )0.33∗#0.14=¿ 167:#33#
h∗ Di$ =¿ 167:#33#
ho=¿ 216:2515
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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
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(.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
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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
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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
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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+$( O %*;,(&02
u2= 1
1
h iot 2 +
1
hoT 2+$(
=¿
%*',*%*(
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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
$c
Fc=0,6148
Tc−T 2T 1−T 2
=0,6148
Tc=¿ *%;,;
tc=240,70
hora recalculamos las propiedades de cada sustancia a calóricasB
tc pr e* cor con *& propiedde& de* Aceite Crudo/ iu cp reino*d& prnd*t
0:07!6 3:3167 0:5634 1532#:604! 23:77
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Tc>tw>tp> tc
-ero para nuestro caso no se cumple así que buscamos o se asume un valor para el Coeficientetotal para diseVo, abla 1. ,er#.
(Rd= 0:001 =5"10 p&i) tr9o& un >%=#5:1244 ?tu,ft2@B con *oue **o& e* Dre ReueridE
Ar&+= Q
UD∗ FT ∗ ,'DT
Ar&+=1319,9168 ft 2
6e selecciona el diámetro de los tubos, el espesor de pared #89:$, 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 *
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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
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'()=$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;#
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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.
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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
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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.