Parcial Calor Segunda Entrega

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE 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 de calor. Estos procesos procesos se dan en muchas aplicaciones de ingeniería. El intercambiador de calor es un equipo de transferencia de calor empleado en procesos químicos con la finalidad de intercambiar calor entre dos corrientes de un proceso. Cuando se desea calentar un fluido, se emplean calentadores haciendo uso de vapor de agua, o en el caso de refine refinería ríass de petról petróleo, eo, el aceite aceite calien caliente te recirc recirculad uladoo cumple cumple la misma misma funció función. n. Los enfriadores 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 industriales que requie requieran ran,, en algn algn pun punto, to, interc intercamb ambiad iadore oress de calor calor,, ya que dan una unass e!cele e!celente ntess  prestaciones a cambio de pocos efectos nocivos. Es en gran parte su amplio uso debido a que su costo costo es relati relativam vament entee ba"o ba"o a un largo largo plazo plazo en compar comparaci ación ón con otros otros fluido fluidoss usado usadoss anter anterio iorm rmen ente te,, sus sus ba"o ba"oss efec efecto toss noci nocivo voss con con resp respec ecto to al inte interc rcam ambi biad ador or #cor #corro rosi sión ón,, ensuci ensuciami amient ento, o, caídas caídas de presió presión, n, rangos rangos de temper temperatu atura ra adecua adecuados dos,, ba"o ba"o cambio cambio en la viscosidad en todo el rango de temperatura, etc.$ y en caso de fugas los efectos nocivos son  prácticamente nulos a ba"as concentraciones. concentraciones. E(er)i)io *.+. ,er#'

En una nueva instalación es necesario precalentar %&' ((( lb)h de aceite crudo de *&+- de %/( a 012+3, correspondiente correspondiente al plato de alimentación de una torre fraccionadora. 4ay una línea lí nea de gasoil de **+ - que pasa cerca de la torre a 2*(+3, disponible en cantidades relativamente ilimitadas. 5ebido a que el costo de bombeo de gasoil frio es prohibitivo, la temperatura de gasoil 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 %;<(= largo, arreglados en seis pasos en arreglo triangular de %%)& plg de paso. Los deflectores de la coraza están espaciados a 2 plg de los centros. 6e permite una caída de presión de %( lb)plg> en el gasoil y de %2 lb)plg en la línea de alimentación. 6erá el intercambiador aceptable si se limpia, 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 (.' centipoises a 012+3 y 0.% centipoises a %/(+3. #nterp;lese graficando +3 A6. centipoises en un papel logarítmico$.

%. 6e debe debe halla hallarr las las corr correla elacio cione ness de los fluido fluidoss prim primer eroo para para poder poder espe especi cifi fica carr el  proceso. 6e calcula y se muestran las correlaciones que representan las propiedades de cada uno de los fluidos en función de la temperaturaB t emperaturaB

ACEITE CRUDO'

-D-E55E6 5EL CEE CF5D temperatura 2( %( ( %2( 0( ( 02( *(( #G3$ cp (,&&' (,&// (,2(* (,2* (,221 (,211 #8F)lb>G3$ conductividad #8F)h>ft>G3 (,(/1'' (,(//'' (,(/;'' (,(/2% (,(/& (,(/0'' $ densidad 2%,(&2 &',10 &1,2'2 &/,*/ &;,%&2 &&,'0

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

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

Capacidad caloríficaB

Cp Aceite Crudo 0.7 0.6 Cp

f(x) = 0x + 0.42 R² = 1

0.5

Cp Aceite Crudo Liner (Cp Aceite Crudo)

0.4 0

50 100 150 200 250 300 350 400 450 Temperatura emp eratura

Conductividad tHrmicaB

K Aceite Crudo 0.0! f(x) = " 0x + 0.0! R² = 0.##

0.0! k 

0.07 0.07 0

50 100 150 200 250 300 350 400 450 Temp eratura

$ Aceite Crudo Liner ($ Aceite Crudo)

%. 6e debe debe halla hallarr las las corr correla elacio cione ness de los fluido fluidoss prim primer eroo para para poder poder espe especi cifi fica carr el  proceso. 6e calcula y se muestran las correlaciones que representan las propiedades de cada uno de los fluidos en función de la temperaturaB t emperaturaB

ACEITE CRUDO'

-D-E55E6 5EL CEE CF5D temperatura 2( %( ( %2( 0( ( 02( *(( #G3$ cp (,&&' (,&// (,2(* (,2* (,221 (,211 #8F)lb>G3$ conductividad #8F)h>ft>G3 (,(/1'' (,(//'' (,(/;'' (,(/2% (,(/& (,(/0'' $ densidad 2%,(&2 &',10 &1,2'2 &/,*/ &;,%&2 &&,'0

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Capacidad caloríficaB

Cp Aceite Crudo 0.7 0.6 Cp

f(x) = 0x + 0.42 R² = 1

0.5

Cp Aceite Crudo Liner (Cp Aceite Crudo)

0.4 0

50 100 150 200 250 300 350 400 450 Temperatura emp eratura

Conductividad tHrmicaB

K Aceite Crudo 0.0! f(x) = " 0x + 0.0! R² = 0.##

0.0! k 

0.07 0.07 0

50 100 150 200 250 300 350 400 450 Temp eratura

$ Aceite Crudo Liner ($ Aceite Crudo)

5ensidadB

Densidad Aceite Crudo 52 50 f(x) = " 0.02x + 52.27 R² = 1 4! %en46 &idd Aceite Crudo Liner (%en&idd Aceite Crudo) Densidad 44 42 40 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Temperatura

Aiscosidad emperatur tura I 012 %/(

(,' 0,% 10

Viscosidad

1 100

1000

0.1 Temperatura emp eratura

2.5 2

f(x) = " 0.01x + 3.!7 R² = 1

1.5 Viscocidad

1 Liner () 0.5 0 150 170 1#0 210 230 250 270 2#0 310 Temp eratura

DO-TERM A'

5oJtherm  emperatura #G3$ densidad #lb)ft*$

;(

%((

0((

*((

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2((

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1((

;;

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conductividad (,(1 (,(/ (,(/ #8F)h>ft>G3 % 1 * $

(,(;1

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(,(21

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(,2222

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(,%%%%

(,%(22

(,%

cp #8F)lb>G3$

viscosidad #C-$ viscosidad #lb)ft>h$

2

0

%

%0,%

&,1&

0,&0

%,*&&* (,1(;21 (,&(*&% (,0;11; (,022* (,0& % ; & 0 % 0

μ Dowtherm A(lb/ft*h) 15 10

μ

' %oter A(*,ft-) xponenti* (' %oter A(*,ft-)) 5 f(x) = !.14 exp( "0.01 x ) R² = 0.#2 0 0 100 200 300 400 500 600 700 !00 #00 Temeperatura

k Dowtherm A 0.0# 0.0! 0.07 k  0.06 0.05 0.04

f(x) = " 0x + 0.0! R²/ = 1 %oter A

0

100

200

300

Liner (/ %oter A)

400

500

600

700

!00

#00

Temperatura

Densidad Dowtherm A 70.3 f(x) = " 0.03x + 6!.!7 60.3 R² = 0.## 50.3 40.3 %en&idd %oter A Liner (%en&idd %oter A) Densidad 30.3 20.3 10.3 0.3 0 100 200 300 400 500 600 700 !00 Temperatura

#00

Cp Dowtherm A 0.7 f(x) = 0x + 0.34 R² = 0.##

0.6 Ais Title

0.5

Cp %oter A Liner (Cp %oter A)

0.4 0.3 0

200

400

600

!00 1000

Ais Title

DO-TERM G'

5oJtherm : emperatura #G3$ densidad #lb)ft*$ cp #8F)lb>G3$

;(

%((

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/*(

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conductividad #8F)h>ft>G3 (,(/** (,(/%1 (,(;% (,(;&& (,(;* $ viscosidad #C-$ viscosidad #lb)ft>h$

%2,*

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%,'/

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

(,0;

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

(,%1 (,&*2;

μ Dowther ! (lb/ft*h)

μ

40 35 30 25 20 ' %oter  (*,ft-) xponenti* (' %oter  (*,ft-)) 15 f(x) = 24.01 exp( "0.01 x ) 10 R² = 0.#2 5 0 0 100 200 300 400 500 600 700 !00 Temeperatura

k Dowther ! 0.0! 0.07 / %oter f(x) = " 0x + 0.07 Liner (/ %oter ) R² = 0.#2 0.07

Liner (/ %oter )

0.06 k  0.06

0.05 Liner (/ %oter ) 0.05 0.04 0

100

200

300

400

500

600

700

!00

Temp eratura

Densidad Dowther ! 70.3 65.3

f(x) = " 0.03x + 67.26 R² = 1

60.3

55.3 %oter  %en&idd

Liner (%en&idd %oter )

Densidad

50.3 45.3 40.3 0

100

200

300

400

Temp eratura

500

600

700

!00

Cp Dowther ! 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 Cp 0.45 0.4 0.35 0.3

f(x) = 0x + 0.34 R² = 1 Cp %oter  Liner (Cp %oter )

0 100 200 300 400 500 600 700 !00 Temperatura

AGUA'

gua #Aapor 6aturado 6eco$ emperat ura #G3$

;(

densidad #lb)ft*$

%((

0((

*((

&((

2((

;((

/((

(,(((1 (,((01 (,(0'/ (,%2&; (,2*;; %,&1%/ *,/2'* %*,%&( 01/(; 2*11% 0;2%; 22%%' 100* ((''* '1&'; ;(&&/

hgf  #8F)lb>G 3$

%(2'

%(*/,0

'//,'

'%(,%

10;

/%*,'

2&1,2

%/0,%

/(; 0( (

k A"ua 0.05 0.04

f(x) = 0x + 0 R² = 0.#6

0.03 k 

/ Au

0.02

Liner (/ Au)

0.01 0 100

200

300

400

500

600

Temp eratura

700

!00

#00

1000

Densidad A"ua 25 f(x) = 0 exp( 0.01 x ) R² = 0.#7

20

15 Au Densidad %en&idd 10

xponenti* (%en&idd Au)

5 0 0

100

200

300

400

500

600

700

!00

700

!00

Temp eratura

hf" A"ua 1200.3 1000.3 !00.3 600.3 hf" 400.3 200.3 0.3

f(x) = " 0x2 + 0.!4x + #75.!3 R² = 0.#7 f Au o*noi* (f Au)

0

100

200

300

400

500

600

Temperatura

0. Luego de haber obtenido las correlaciones procedemos a ver los datos que se tienen del e"ercicio y las especificaciones del tipo de intercambiador. 5ecidimos escoger el 5oJtherm  y el 5oJtherm :, ya que en el rango en el que estamos traba"ando si escogiHramos agua estaríamos traba"ando - 5D94EK B sustancia

emperatura %

emperatura 0

fluido frio

ceite Crudo

%/(

012

fluido caliente

5oJtherm 

*02

*((

cero inoxid *e

$

24

Arre*o& de tuo  cor nu e&pe *oni ero Are de &or di exter inter tud de de8ect 8u9o por t de * etro no no de* p&o t (ft) ore& tuo pre (ft) (ft) (ft) tuo & en (ft) (ft2) d (ft) e* tuo 2 0:001!6 0:0! 0:0! 0:06 0:104 5 tuo 16 2 1111 3 333 75 1667 2 cor 2:0! 0:4166 0:06 1  333 6

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

5E L 8L *.& 5EL L8D 5E 6E4 -: %(; DKKD6 LD6 CED6 5EC6AD6 - L -D6CD 5E LD6 3LF5D6 E 6F D5E 5E -D55.

%. 0. *. &. 2. ;.

Fli$o /or t0o. 3luido corrosivo. gua de enfriamiento. 3luido de ensuciamiento. 3luido menos viscoso. Aapor de alta presión. 3luido más caliente.

Fli$o /or )ora1a. %. vapor condHnsate #menos corrosivo$. 0. 3luido con amplio M #N%(( ;$

Con los criterios obtenidos de la tabla anterior pudimos evaluar y escoger cuál de los fluidos debería 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 de nuestros fluidos no tenemos agua de enfriamiento ni vapor de alta presión decidimos enviar el 5D94EK : 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 con un intercambiador %70. Calculo KL5B

( T  1− t 2)−(T 2 −t 1 ) T 1 −t 2 KL5O  O 77:!!542266 ] ln [ T 2 −t 1

 

Calculo 3tB T  1−T 2 O t  2−t 1  (,0*&/10;(' 1− α 

sO  R −α   O (,/*0&1&(/;

√  R2 +1∗ln ( 3t %70 O

3t %70 O

1− S ) 1− R∗S

 2− S ( R + 1−√  R + 1 ) ( R −1 )∗ln 2 2 −S ( R + 1 + √  R + 1) 2

 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 balance de 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 #*&+-$, como tenemos la información del fluido frio podemos hallar el calor. 9cO %&'((( lb)hQ tmO 00/,2+3Q Cptm O (,2&1% no varía mucho, para una mayor e!actitud se debería integrar$. Q frio  O Jf > Cpm > #t07t%$

BTU  l b ° F    #suponiendo que Cp

lb Q f   O 149000  ∗( 0,5481 Btulb°F )∗¿ #0127%/($ h Qf   O'2%1&'0,2

Btu 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 #5D94EK :$.

;. 4allando el 3lu"o másico del 5D94EK : que entra al intercambiador necesario para calentarQ se determina de la siguiente maneraB Q 9c O Cp∗∆ T 

0O*(( +3 %O*0/+3 W c  O 7126##:4021

lb h

De!/2! $e $e)i$ir )3l $e lo! 4li$o! 5a /or t0o 6 )al /or )ora1a7 a$em3! $e )o#tar )o# !! )ara)ter"!ti)a! $e $i!e8o7 /ro)e$emo! a )orro0orar la! )o#$i)io#e! /ara tra0a(ar a tem/eratra! me$ia! o e# ! $e4e)to $e #o )m/lirla! !e $e0er3 tra0a(ar a tem/eratra! )al9ri)a!.

Los criterios para el cálculo a temperaturas medias sonB

%. Cuando ninguno de los fluidos es demasiado viscoso en la terminal fría #% c-$. #5D94EK :$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 %((. 5D94EK 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 primera condición para traba"ar por temperaturas medias, por lo tanto !e $e0e reali1ar /or tem/eratra! )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  tO020 nO% 5iO(,(;/2ft

TERMINAL CALIENTE   %O*0/+3 t0O012+3

-ara el corazaB t0O012 +3 G=

wf  at  tubo=¿  121%%;,/(10 G¿

 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*('(,'%(&  

 Di∗G =7,30 %*1%  !r ¿  

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

TERMINAL FRIA' T 2 =300 ℉  t 1= 170 ℉  t 1 =170 ℉ 

lb

G cora%a=

2

h∗ft 

: O 121%%;,/(10  y =2,42 ∗(−0,0104  x + 3,8739 )

 = 5,096278

 Di∗G

ℜcora%a =

 

=9976,931214

 y =0,0006 x + 0,419 Cp=0,521

 y =−2E-5 x + 0,082 $ = 0,0786

 !r cora%a=

C  p∗  $ 

=33,78067224

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

[

2 3 &

] [ ( ) ]∗ 1 3 r

 D  " u=0.116∗  R − 125 ∗ ! ∗ 1 +  '

2 3

0,14 ∅

 " u=183,82237

ho∗ D i $ 

=183,82237

ho =243,84687

Las temperaturas de pared sonB T  1−t 2 ∗1 1 1 + + $( hoT 1 h iot 1 hoT 1 tw =T  1−¿

tJ O %/(,1('/1  tw =2,42∗(− 0,0104 ∗tw + 3,8739 )  tw =5,077

U

T  2 −t 1 1

+

1

hoT 2 h iot 1

∗1

+ $(

hoT 2 tp =t  1+¿

tp O %/(,/2%;  tp =2,42∗(−0,0104∗tw + 3,8739)

 tp =9,2470

Corrigiendo

∅

 con  tw y

 tp B

∅  T 2 =0,9452 iT  2=  tw

∅  t  1 ot 1= = 1,7874  tp

∅  t  2 it 2= =1,7866  tp

∅

Con

 corregido hallo nuevamente hi y hoB

 " u=1432,8327

hi∗ Di $ 

=1432,8327

hi=1545,1280

h0 T 1 =1251,60

U

 " u=183,8223

hi∗ Di $ 

=183,8223

hi=243,8468

 " u=¿ %1*,100& hi∗ Di $ 

=183,8224

h0 t 2 =243,8468

-ara % (−0,005  x )

 y =8,1384 ∗&  =¿

 y =−5E-5 x + 0,0834 $ = 0,0684

 y =0,0004 x + 0,3438

*;,&/*/

Cp =0,4638

 D i∗G

ℜtubo =

 !r tubo=

 

=19228,3485

C  p∗  $ 

=11,30

[

2 3 &

] [ ( ) ]∗ 1 3 r

 D  " u=0.116∗  R − 125 ∗ ! ∗ 1 +  '

2 3

0,14 ∅

 " u=1432,8327

ho∗ D i $ 

=1432,8327

hi=1545,1280 hio=1251,6037

Calculo nuevamente tp y tJB T  1−t 2 ∗1 1 1 + + $( hoT 1 h iot 1 hoT 1 tw =T  1−¿

U

tw =304,2283

T 2− t 1 ∗1 1 1 + + $( hot 2 h iot 1 hot 2 tp =t 1 +¿ tp =299,072

hora calculo u% y u0B u 1=

1

+

1 1

h iot 1 h ot 2 u 2=

1

h iot 2

+

+ $( O %;;,(&1

1 1

hoT 2

=¿ + $(

%/0,((

6e sabe que u0 debe ser mayor a u%

hora se calculaB $c =

r=

u 2−u 1 =0,0358 u1

T 2 −t 1 =4,6 T 1− t 2 1

 Fc=

+

r

$c r −1 −1 ln ( $c + 1) $c 1+ l*r

 Fc= 0,61966 Tc−T  2 =0,61966 T  1−T 2

U

Tc =¿

*%2,&'%2

tc =241,2612

hora recalculamos las propiedades de cada sustancia a  calóricasB

tc pr e* cor con *& propiedde& de* Aceite Crudo iu cp reino*d& prnd*t

/ 0:07!6

3:30277607 #

0:563756

153#4:6#036

23:6!#0

 
iu

0:07227# 017

cp

1:6!0574

reino*d& 0:46###

41735:#072

prnd*t 10:!512

Comprobamos que dichas temperaturas son correctas, ya queB Tc > tw > tp > tc

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

(Rd= 0:001  =5"10 p&i)  tr9o& un > %=117:6445 ?tu,ft2@B con *o ue **o& e* Dre ReueridE  Ar&+ =

Q  ( 7 ) UD∗ FT ∗ ,'DT  2

 Ar&+ =1171,9130 ft 

6e selecciona el diámetro de los tubos, el espesor de pared #89:$, y la longitud del tuboB Fndu&tri*ente &e u& tuo& deE %o=0:0!333ft

%i= 0:0675ft t=0:1041667ft 13 ?G L=16 ft. He I  uti*ir un rre*o cudrdo. He e*ie e* cudrdo porue * *ipie &e ce ecJnicente  e& recoenddo pr 8uido& con tendenci  forr incru&tcione&: e&te rre*o produce 9& cKd& de pre&in en e* *do de * cor. Con *o& dto& nteriore&  * ecucin de ourier# deterino& e* nMero de tuo&  A&+uipo = -  -%o-t-L

(8)

%e&pe9ndo:  " t = ¿ 252 tuo&

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

Con e* ?G=13 *eeo& de * <* 10E e* diJetro interno de *o& tuo& di=0:0675 ft. Aor c*cu*o& e* Jre de 8u9o por p&oE  -  2 2 atubo =  ∗ Di =0,01861 ft  4

 " t*∗atubo  42∗0,002318583 = =0,078167 ft 2 at = * pa1o1 8

Con N&t Jre c*cu*o& e* 8u9o trn&Ier&*  * Ie*ociddE

¿=

wc =10390081,83 *,ft2 at 

(13)

I ¿ 49,6627 ft / 1

Oue &erJn u&do& en e* cJ*cu*o de Reno*d&. •

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

C = !t − Do =0,2083 ft 

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

1 ∗ D. ∗C ∗ B 2 =0,0868 ft 2 ( 17 ) a1 =  !t 

Con N&t Jre c*cu*o& e* 8u9o trn&Ier&* por * corE G1=

•

wh 2 a 1 =!5!116:70!2 *,ft 

3inalmente tenemos un intercambiador con las siguientes característicasB Tubos

Coraza

 Do=0,08333  Di=0,0!"5  #t=252 tu%os  L=$! &t   '()=$3 n=!   *t=0,$0+$!!" &t   rreglo=triangular 

D=2,08333 plg  #c=$ coraza

•

Evaluación tHrmica, cálculo de coeficientes de transferencia

Tubos $ Tc%&'#' +, - D.T0123 A4

t= 103#00!1:!3 *,ft2 I= 4#:66 ft / 1  Di∗¿ =¿ 417315:#072  R&1=    !r1=

Cp∗  =10,8512 $ 

 "u=1432,832799

i= 1545:12!0

hiot =

hi∗ Di Btu =1251,6037 2  Do h° F ft 

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

&=!5!116:70!2 *,ft2

(

2

 - ∗ /o 4∗  !T  − 4  D& ( arr&0locua/ra/o )=  - ∗ /o 2

)

 D&=0,05925

 D&∗G1 = 15394,69  R&1=  

Reien turu*ento

 !r1=

Cp∗  =23,6890 $ 

 "u∗$   Btu =243,8468 2 2 F  ho =  D& h ft 

 "u=

h o∗ D& =183,82237 $ 

r Re 2-10 3QRe&Q1-10 6

* Reno*d& en * cor no& d rNien turu*ento: entonce& u&o& *& corre*cione& de u&&e*t  rndt* pr N&te rNien: pr * ecucin de

u&&e*t inici*ente &uponeo& un =1: pero N&te &erJ correido J& de*nte.

esistencias adicionales

•

Tubo $ D.T0123 A

Con un fctor de o&truccin ro=0.001. <* o.12 rio=0 :001234

* teri* de *o& tuo& e& Acero inoxid*e con un $=24 ?tu,@  e* $E  Do  )  Di =0,0003658 2 3w

 Do∗ln (  3(=

* teri* de * cor e& Acero inoxid*e porue e* ceite crudo e& un &u&tnci no corro&iI  &u pre&in e& 9: e& un teri* de 9o co&to  de *t exi&tenci en e* ercdo.

•

Calcular el Coeficiente global de transferencia real, incluyendo en Hste el factor  de ensuciamiento que tienen los fluidosB

U/1ucio =

1 1

+

 1

hio ho

=117,6445

+ ro+ rio +$(

Con N&te coeSciente de di&eTo podeo& **r e* Jre reuerid  coprr* con e* Jre de* euipo: &K tendreo& e* P de exce&o de Jre: &i N&te e& enor  20 entonce& nue&tro intercidor e& decudo pr e* proce&o.  A r&+u&ri/a =

Q U/1ucio∗ F t 1− 2∗ ,'DT 

2

 A r&+u&ri/a =1171,91305 ft 

 A &+uipo = " t*∗ 4 ∗ Do∗ '=1055,5329  A&+uipo− A r&+u&ri/a ∗100 =¿  A &xc&1o =  A r&+u&ri/a

 A &xc&1o =11,0257 •

-ara la caída de presión en los tubos

 5! tubo1=

4 f ∗ '∗¿

2

∗*

(

 2 0∗ Di∗ 6∗  tp o tw

)

*

=¿

 5! tubo1=0.07884  p1i

*  5! tubo1  e& peritido

•

-ara la caída de presión en coraza -rimero determinamos el nmero de crucesB  '  " + 1= ∗2=76 B numero par de cruces, boquillas del mismo lado 2

 5! Cora%a=

4 f ∗ D. ∗( " + 1)∗G1

(

 2 0∗ 6∗ D&∗  tp o tw

)

*

=¿

1!52:47!6 p1i

- 5D94EK :B sustancia

emperatura %

emperatura 0

fluido frio

ceite Crudo

%/(

012

fluido caliente

5oJtherm :

202

*((

acer  o ino! idab le Wa

0&

rreglos de tubo y coraza nume espes longit Xrea de ro de deflect or de diámet e!tern intern ud del t flu"o por   pasos -t #ft$ ores la ro #ft$ o #ft$ o #ft$ tubo tubo #ft0$ en el #ft$  pared #ft$ tubo (,((%1;%%% (,(1* (,(;/ (,%(&%; 020 (,(1* tubo %; 0 % ** 2 ;/ 0,(1* (,&%;; coraza % ** ;

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

5E L 8L *.& 5EL L8D 5E 6E4 -: %(; DKKD6 LD6 CED6 5EC6AD6 - L -D6CD 5E LD6 3LF5D6 E 6F D5E 5E -D55. Fli$o /or t0o. /. 3luido corrosivo. 1. gua de enfriamiento. '. 3luido de ensuciamiento. %(. 3luido menos viscoso. %%. Aapor de alta presión. %0. 3luido más caliente.

Fli$o /or )ora1a. *. vapor condHnsate #menos corrosivo$. &. 3luido con amplio M #N%(( ;$

Con los criterios obtenidos de la tabla anterior pudimos evaluar y escoger cuál de los fluidos debería 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 de nuestros fluidos no tenemos agua de enfriamiento ni vapor de alta presión decidimos enviar el 5D94EK : 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 con un intercambiador %70. Calculo KL5B  

( T  1− t 2)−(T 2 −t 1 ) T 1 −t 2 KL5O  O /;.*21000%% ] ln [ T 2 −t 1

Calculo 3tB T  1−T 2 O t  2−t 1  O (.0%/*'%*(& 1− α  sO  R −α   O (./&%'*2&1&

√  R2 +1∗ln ( 3t %70 O

3t %70 O

1− S ) 1− R∗S

 2− S ( R + 1−√  R + 1 ) ( R −1 )∗ln 2 2 −S ( R + 1 + √  R + 1) 2

 A∗ ln ( B )  D ( C )∗ ln ( )  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 balance de 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  l b ° F    #suponiendo que Cp

no varía mucho, para una mayor e!actitud se debería integrar$. Q frio  O Jf > Cpm > #t07t%$ lb Q f   O 149000  ∗( 0,5481 Btulb°F )∗¿ #0127%/($ h Q f   O'*'%;'*,2

Btu 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 #5D94EK :$.

;. 4allando el 3lu"o másico del 5D94EK : que entra al intercambiador necesario para calentarQ se determina de la siguiente maneraB Q 9c O Cp∗∆ T 

0O*(( +3 %O*0/+3 W c  O /%0;'',&(0%

lb h

De!/2! $e $e)i$ir )3l $e lo! 4li$o! 5a /or t0o 6 )al /or )ora1a7 a$em3! $e )o#tar )o# !! )ara)ter"!ti)a! $e $i!e8o7 /ro)e$emo! a )orro0orar la! )o#$i)io#e! /ara tra0a(ar a tem/eratra! me$ia! o e# ! $e4e)to $e #o )m/lirla! !e $e0er3 tra0a(ar a tem/eratra! )al9ri)a!.

Los criterios para el cálculo a temperaturas medias sonB

%. Cuando ninguno de los fluidos es demasiado viscoso en la terminal fría #% c-$. #5D94EK $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 %((. 5D94EK 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 primera condición para traba"ar por temperaturas medias, por lo tanto !e $e0e reali1ar /or tem/eratra! )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

 tO020 nO% 5iO(,(;/2ft

TERMINAL CALIENTE   %O*0/+3 t0O012+3

-ara el corazaB t0O012 +3 G=

wf  at  tubo=¿  121%%;,/(10 G¿

 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*('(,'%(&  

 Di∗G =7,30 %*1%  !r ¿  

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

TERMINAL FRIA' T 2 =300 ℉  t 1= 170 ℉  t 1 =170 ℉ 

lb

G cora%a=

2

h∗ft 

: O 121%%;,/(10  y =2,42 ∗(−0,0104  x + 3,8739 )  = 3,9696

 Di∗G

ℜcora%a =

 

=60767,3787

 y =0,0006 x + 0,419 Cp=0,4879  y =−2E-5 x + 0,082 $ = 0,0649

 !r cora%a=

C  p∗  $ 

=29,8427

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

[

2 3 &

] [ ( ) ]∗ 1 3 r

2 3

 D  " u=0.116∗  R − 125 ∗ ! ∗ 1 +  '

0,14 ∅

 " u= 449,19048

ho∗ D i $ 

= 449,19048

ho =349,8435

Las temperaturas de pared sonB T  1−t 2 ∗1 1 1 + + $( hoT 1 h iot 1 hoT 1 t w =T 1−¿

U

tJ O 02%,&/*%  tw =2,42∗(− 0,0104∗tw + 3,8739 )  tw =5,3113

T  2 −t 1 1

+

1

hoT 2 h iot 1

∗1

+ $(

hoT 2 tp =t  1+¿

tp O 0&2,%%11

U

 tp =2,42∗(−0,0104 ∗tw + 3,8739 )

 tp =5,5177

Corrigiendo

∅

 con  tw y

 tp B

∅  T 2 =0,9168 iT  2=  tw

∅  t  1 ot 1= = 0,7473  tp

∅  t  2 it 2= =0,7743  tp

∅

Con

 corregido hallo nuevamente hi y hoB

 " u= 448,3928

hi∗ Di $ 

= 448,3928

hi= 431,1214

h0 T 1 =242,6369

 " u=182,9102

hi∗ Di $ 

=182,9102

ho =242,6369

-ara % (−0,006 x )

 y =24,015 ∗&  =¿

*,*/2'

 y =−3E-5 x + 0,0739 $ = 0,6409

 y =0,0005 x + 0,3379 Cp=0,5014

 D i∗G

ℜtubo =

 !r tubo=

 

=60767,3787

C  p∗  $ 

=26,41

[

2 3 &

] [ ( ) ]∗ 1 3 r

 D  " u=0.116∗  R − 125 ∗ ! ∗ 1 +  '

 " u= 479,4829

2 3

0,14 ∅

ho∗ D i $ 

= 479,4829

hi= 457,4524 hio=370,5513

Calculo nuevamente tp y tJB T  1−t 2 ∗1 1 1 + + $( hoT 1 h iot 1 hoT 1 tw =T  1−¿

U

tw =288,6718

T 2− t 1 ∗1 1 1 + + $( hot 2 h iot 1 U hot 2 tp =t 1 +¿ tp= 284,8715

hora calculo u% y u0B u 1=

1

+

1 1

h iot 1 h ot 2 u 2=

1

h iot 2

+

+ $( O %*;,(&02

1 1

hoT 2

=¿ + $(

%*',*%*(

6e sabe que u0 debe ser mayor a u%

hora se calculaB $c =

r=

u 2−u 1 =0,02404 u1

T 2 −t 1 =4,2592 T 1− t 2

1 + r $c r −1  1 −  Fc= ln ( $c + 1) $c 1+ l*r

 Fc= 0,6148

Tc −T  2 =0,6148 T  1 −T 2 Tc =¿

*%;,;

tc =240,70

hora recalculamos las propiedades de cada sustancia a  calóricasB

tc pr e* cor con *& propiedde& de* Aceite Crudo iu cp reino*d& prnd*t

/ 0:07!6

3:3167

0:5634

1532#:604!

23:77

 
iu 0:0644

3:5#33

cp

reino*d& 0:4#62

570#1:405

Comprobamos que dichas temperaturas son correctas, ya queB

prnd*t 27:6!56

Tc > tw > tp > tc

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

(Rd= 0:001  =5"10 p&i)  tr9o& un > %=#5:1244 ?tu,ft2@B con *o ue **o& e* Dre ReueridE  Ar&+ =

Q UD∗ FT ∗ ,'DT  2

 Ar&+ =1319,9168 ft 

6e selecciona el diámetro de los tubos, el espesor de pared #89:$, y la longitud del tuboB Fndu&tri*ente &e u& tuo& deE %o=0:0!333ft %i= 0:0675ft t=0:1041667ft 13 ?G L=16 ft. He I  uti*ir un rre*o trinu*r. He e*ie e* trinu*r porue * *ipie &e ce ecJnicente  e& recoenddo pr 8uido& con tendenci  forr incru&tcione&: e&te rre*o produce 9& cKd& de pre&in en e* *do de * cor. Con *o& dto& nteriore&  * ecucin de ourier# deterino& e* nMero de tuo&  A&+uipo = -  -%o-t-L

%e&pe9ndo:  " t = ¿ 252 tuo&

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

Con e* ?G=13 *eeo& de * <* 10E e* diJetro interno de *o& tuo& di=0:0675 ft.

Aor c*cu*o& e* Jre de 8u9o por p&oE  -  2 2 atubo =  ∗ Di =0,0035 ft  4

 " t*∗atubo = 0,1502 ft 2 at = * pa1o1

Con N&t Jre c*cu*o& e* 8u9o trn&Ier&*  * Ie*ociddE

¿=

wc =4741968,465 *,ft2 at 

(13)

I ¿ 22,42 ft / 1

Oue &erJn u&do& en e* cJ*cu*o de Reno*d&. •

hora se calcula el área de la coraza, con el claro en tubos #C$ y el espaciado entre bafles #8$B C = !t − Do =0,02083 ft 

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

1 ∗ D. ∗C ∗B 2 2   0,15029 ft  a1 =  !t 

Con N&t Jre c*cu*o& e* 8u9o trn&Ier&* por * corE G1=

•

wh 2 a 1 =!5!116:70!2 *,ft 

3inalmente tenemos un intercambiador con las siguientes característicasB Tubos

Coraza

 Do=0,08333  Di=0,0!"5  #t=252 tu%os  L=$! &t 

D=2,08333 plg  #c=$ coraza

 '()=$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  Di∗¿ =¿ !#0#1:4733  R&1=    !r1=

Cp∗  =27,6822 $ 

 "u=663,01579

i= 632:577! h io =

hi∗ Di =512,4085 Btu 2  Do h° F ft 

Cora5a $ tc%6;#<'< +, $ AC18T1 C29D.4

&=!5!116:70!2 *,ft2

(

2

 - ∗/o 4∗  !T  − 4  D& ( arr&0loTria*0ular )=  - ∗ /o 2

)

 D&=0,05925

 D&∗G1 = 15342,9821  R&1=  

Reien turu*ento

 !r1=

Cp∗  =23 7 7577 $ 

 "u∗$   Btu =239,40 2 2 F  ho =  D& h ft 

 "u=

h o∗ D& =180,47044 $ 

r Re 2-10 3QRe&Q1-10 6

* Reno*d& en * cor no& d rNien turu*ento: entonce& u&o& *& corre*cione& de u&&e*t  rndt* pr N&te rNien: pr * ecucin de u&&e*t inici*ente &uponeo& un =1: pero N&te &erJ correido J& de*nte.

esistencias adicionales

•

Tubo $ D.T0123 !

Con un fctor de o&truccin ro=0.001. <* o.12 rio=0 :001234

* teri* de *o& tuo& e& Acero inoxid*e con un $=24 ?tu,@  e* $E  Do  )  Di =0,0003658 2 3w

 Do∗ln (  3(=

* teri* de * cor e& Acero inoxid*e porue e* ceite crudo e& un &u&tnci no corro&iI  &u pre&in e& 9: e& un teri* de 9o co&to  de *t exi&tenci en e* ercdo.

•

Calcular el Coeficiente global de transferencia real, incluyendo en Hste el factor  de ensuciamiento que tienen los fluidosB

U/1ucio =

1 1  1 + + ro+ rio +$( hio ho

=102,7861

Con N&te coeSciente de di&eTo podeo& **r e* Jre reuerid  coprr* con e* Jre de* euipo: &K tendreo& e* P de exce&o de Jre: &i N&te e& enor  20 entonce& nue&tro intercidor e& decudo pr e* proce&o.  A r&+u&ri/a =

Q U/1ucio∗ F t 1− 2∗ ,'DT 

2

 A r&+u&ri/a =1319,9168 ft 

 A &+uipo = " t*∗ 4 ∗ Do∗ '=1055,5329  A&+uipo− A r&+u&ri/a ∗100 =¿  A &xc&1o =  A r&+u&ri/a  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 nmero de crucesB  '  " + 1= ∗2=76 B numero par de cruces, boquillas del mismo lado