Ejercicios Resueltos de Intercambiadores de Calor PDF

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Ejercicios Resueltos de Intercambiadores de Calor...

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UNIVERSIDAD NACIONAL “PEDRO RUÍZ GALLO” Facultad de Ingeniería Química e Industrias Alimentarías

DESARR OLLLO

D DE

LLOS

E EJERCICISO

IN NTER CAMB BIO OD DE CA LO OR

Diseño de Plantas Industriales I

Lambayeque- julio - 2010

DE

PROBLEMAS PROPUESTOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR DE DOBLE TUBO

2.- Se quiere calentar 18000 lb/hr de orto xileno desde 100 hasta 150°F, enfriando 18000 lb/hr de alcohol butílico de 170 hasta 140°F, en un intercambiador de calor de doble tubo. Disponibles para este propósito hay 5 horquillas de 20 pies cuyos ánulos y tubos están colocados en serie. Los intercambiadores son de 3*2 IPS. A) ¿Cuál es el factor de obstrucción? B) ¿cuáles son sus caídas de presión? C) Si las corrientes frías y calientes en (a) se cambian con respecto al anulo y al tubo interior, como justifica esto o refuta su decisión inicial respecto a donde colocar las corrientes calientes.

18000 Lb/hr Orto xileno t1 = 170 ºF Alcohol butílico T1 =100ºF

T2 = 150ºF

18000 Lb/hr t2= 140ºF

 PROPIEDADES FÍSICAS

PROPIEDADES

ORTOXILENO ΔT=125ºF

ALCOHOL BUTILICO ΔT=155ºF

BTU Lbº F

0.43

0.2081

FÍSICAS

UNIDADES

Calor Específico

Cp,

Viscosidad

,

LB Pie.hr

0..61

0.282

Conductividad Térmica

K,

BTU . hr pie.º F

0.090

0.0180

r

 BTU . 2  hr . pie º F

0.001

0.001

   

1

 DISEÑO RAPIDO TL 

T1  T2  28 .85 º F  T 1    ln    T 2 

Estimac. de U=20-140 promedio U=70

170 ºF ΔT1= 200°F 140ºF ΔT2= 40°F

150ºF

100ºF

 C ALCULO DEL AREA ESTI MADA A

Q Ud. TL

A  190.10 pie2

 C ALCULO DEL CALO R R ESTIMAD O

 TIPO Y CARACTERÍSTICAS DE LOS TUBOS 3X2 IPS di = 2.0677´´ Di = 3.068´´ At = 3.350 pulg2 Aa = 2.944 pulg2 Alt = 0.62 pies2/pie d0 = 2.380´´ De= 1.575´´  CURSO DE LOS FLUIDOS TUBO: alcohol butílico ANILLO: orto xileno  CALCULO DE HT :LADO DE LOS TUBOS

Gt 

mt at

Gt 

18000 3.350

Gt=77371.34 lb/pie2 ºF

Nre 

Di * Gt



0.62 *104216.1 12 Nre  0.0152 * 2.42 Nre  146381.54 f igura.N 24 Jh  182  0.096   0.69 * 0.98 * 2.42  ht  180 *   *  0.096  0.620 / 12    ht  261.05

1/ 3

HT CORREGIDO Ht=261.05*di/do=261.05*2.067/2.380 Ht=261.05*2.067/2.380 Ht=2226.72

 CALCULO DE HO :

(

) (

)

⁄

( )

ma aa 18000 Ga  .944 Ga 

Ga  880434.78lb / hr. pie 2 º F

Nre 

Di *Ga



1.575 * 880434.78 Nre  12 0.610 * 2.42 Nre  782280.08

Figura N°24 ⁄ 78.22 (

 C A LCUL ULO DE E Uc Uc : UC 

ht * ha ht  ha

UC 

226.72 * 344.54 22672  344.54

UC  136.74

⁄

) (

)

⁄

( )

 CALCULO DE UD :

1 1   Rd Ud UC Rd  Rt  Ro Rd  0.001  0.001 Rd  0.0020 Udc  107.38 A

Q Ud * T L .

A

372600BTU/h 107.38 * 28.85

A  120 .. 275 pie

2

 CÁLCULO DE LA CAÍDA DE PRESIÓN EN LOS TUBOS

f * Gt 2 * Lt 72 * g *  * Di f  0.0002

Pt 

0.0002 * 77371.34 * 20 72 * 4.18 * 10 8 * 0 .81* 0.81 * 20.67 2

Pt 

12

Pt  2.83psi

 CALCULO DE DE PRESIÓN EN EL ANILLO:

Pa 

Nre 

f * Ga 2 * Lt 72 * g *  * Di * Dé *Ga



Dé  Di  do Dé  0.688 Nre  410336.76 f  0.0047 0.0047 * 41036.76  * 200 Pa  72 * 4.18 * 108 * 0.87 * 62.4 * 0.688  Pa  0.65 psi 2

(

(

)(

)(

)

)

4.- Se Debe calentar 7000 lb/hr de anilina desde 100 hasta 150ºF mediante enfriamiento de 10000 lb/hr de tolueno con una temperatura inicial de 185ºF en un intercambiador de calor de doble tubo, con tubos de 2x1 ‟‟ IPS, de 20 pies de longitud. Se requiere un factor de obstrucción de 0.005. a)¿Cuántas horquillas serán necesarias?. ¿Cómo deben arreglarse?. ¿Cuál es el factor final de obstrucción? .

Tolueno 10000 lb/h 185ºF

7000 lb/h Anilina

Anilina

IC- 4 100ºF

150ºF

Tolueno T ºF ?

 Hacemos un arreglo en paralelo:

 Desarrollamos el primer intercambiador

 Características de los tubos Tubos 2x1 ‟‟ IPS de 20 ‟ de longitud r =0.005  Propiedades de la Anilina (T promedio= 125ºF) Cp(125ºF)= 0.518 Q ganado = m anilina * Cp anilina* ΔT Q ganado = Q ganado = 90650  Determinamos la temperatura de salida del tolueno Cp(185ºF) = 0.47

Q ganado = -Q perdido 90650

= -(

)

T=165.7ºF 

T promedio =(

)=175.37ºF

Cp(175.37ºF) = 0.465

Q ganado = -Q perdido 90650

= -(

)

T=165.5ºF 

T promedio =(

)=175.25ºF

Cp(175.25ºF) = 0.462

Q ganado = -Q perdido 90650

= -(

)

T=165.4ºF 

T promedio =(

)=175.2ºF

Cp(175.2ºF) = 0.462

Q ganado = -Q perdido 90650

= -(

)

T1=165.4ºF (temperatura de salida del tolueno)

185 ºF

Tolueno

165.4ºF 150ºF Anilina

100 ºF 35ºF

65.4ºF

Hallamos variación de temperatura media logarítmica y luego determinamos el área con el Ud. supuesto: 70 (tabla 1.4-manual de intercambiadores de calor para solventes orgánicos Ud (20-120) )

=48.63

ΔTL =

AREA ESTIMADO:

A=

Δ

= 26.63 pie2

=

Solventes Orgánicos UD (20-120) → 70 Por lo tanto : 26.63 pie2 < 100 pie2

(Doble tubo)

ESTIMAMOS PROPIEDADES FISICAS 1) Propiedades físicas a la temperatura promedio: Propiedad

FLUIDO A ANILINA

CALENTAR

FLUIDO A TOLUENO

125ºF

175.2º F

Cp, Btu / lb ºF

0.518

0.462

, cp

2.05

0.34

K, Btu / h.pie2 ºF

0.1

0.0834

3 ρ lb/ pie

63.65

54.29

 Btu    hr pie2 .º F  r  .

0.005

0.005

ENFRIAR

2) Características de los tubos: 2x1 ‟‟ IPS , tubos de 20pies de longitud.

di=1.38”

do=1.66”

xi=0.14”

at=1.5 pulg2

Di=2.067”

Do=2.38”

ao=1.19 pulg2

alt=0.435pie2/pie

De=0.915”

Dm=1.52”

3) Curso de los Fluidos:  

manilina = 3500 lb/h mtolueno = 10000 lb/h

-Lado del tubo interior: Tolueno -Lado del Anillo: Anilina 4) Calculo del Coeficiente de transferencia en el tubo interior (tolueno):

hi = Jh ( ) * (

) 1/3 * ( )0.14

di

= 1.38 pulgadas *

k

=

Cp.

= 0.462 BTU/Lb ºF

µ

=

0.0834 BTU /pie ºF 0.34 centipoise

Jh = necesito el numero de Reynols

Cálculo del número de Reinols Nre = µ di

= 0.8228 Lb /pie hora = 1.38pulgadas *

Gt =

=

= 960000 Lb/hr *pie2

Gt =

(

Nre =

)

Nre = 134175.98 ≈ 134176

Jh = 320 (en curva de transferencia de calor lado de los tubos en la fig24) hi = Jh ( ) * (

) 1/3 * ( )0.14 =1

hi = 320 (

)*(

)1/3 * (

)0.14

hi = 377.1 Btu/hr *pie2 *ºF ht = 377.1* =313.48 ht = 313.48 Btu/hr *pie2 *ºF

5) Calculo del Coeficiente de transferencia en el anulo (anilina): ho = Jh ( ) * (

) 1/3 * ( )0.14

De = 0.915 pulgadas * k

=

0.1 BTU /pie ºF

Cp.

= 0.518 BTU/Lb ºF

µ

=

2.05 centipoise

Jh = necesito el numero de Reynols

Cálculo del número de Reinols Nre = µ

= 4.961 Lb /pie hora

De = 0.915pulgadas *

Ga =

=

= 423529.41 Lb/hr *pie2

Ga =

Nre =

(

)

Nre = 6509.6 ≈ 6510

Jh = 24 (en curva de transferencia de calor lado de los tubos en la fig24) ho = Jh ( ) * ( ho = 24 (

)*(

) 1/3 * ( )0.14 ) 1/3 * ( )0.14

ho = 92.88 BTU/hr *pie2 *ºF

6) Calculo del Coeficiente total de transferencia(limpio):

Uc

=

Uc

= 71.65 BTU/h *pie2 *ºF

=

7) Calculo del Coeficiente total de diseño(sucio):

=

+ Rd

=

+ 0.01

Rd =0.005 + 0.005 = 0.01 UD = 41.7 ≈ 42 BTU/hr *pie2 *ºF 8) Calculo del área de transferencia:

A=

=

=

A = 44.38pies2 < 100pies2 9) Calculo de Longitud total del intercambiador:

=

L=

L = LT = 102.02 pies

10) Calculo del Nº de Horquillas: NH =

=

=2.55 ≈ 3 horquillas

 

Corregimos el LT = NH * L = 3 * 20 * 2 LT = 120 pies Área corregida A= LT *alt A= 120pie * 0.435 A= 52.2 pies2

11) Calculo de la caída de presión en el lado del tubo interior, psia:

∆ Pt =

 Gt =960000Lb/hr *pie 

2

= 54.29 Lb/pie3

 LT =120 pies 

di = 1.38 pulgadas *

 g = 4.18 *108 pies/hr2 

NRe = 134176

 f = 0.0035 +

∆ Pt =

=0.0054

=3.18 psia

∆ Pt = 3.18 < 10 psia (ok) por ser liquido.

12) Calculo de la caída de presión en el lado del tubo exterior o anulo

∆ PA

=

+

∆ Pa

Salida de presión en los tubos

∆ Pa

∆ Pes

entradas y salidas

= = Di - do = (2.067 – 1.66) pulg

= 0.407 pulgadas

Nre = )

(

Nre =

Nre = 2895.53

f = 0.0035 +

= 0.0128

∆ Pa =

∆ Pa = 4.24 psia

∆ Pes

=

*

=

pies /seg

n = número de horquillas

g‟ = 32.17 pies /seg2

=

=

∆ Pes

=

*

1.85 pies /seg

= 0.071 psia

∆ PA = ∆ Pa + ∆ Pes = 4.24 psia + 0.071psia

∆ PA

= 4.311 psia < 10 psia (ok) por ser liquido.

 Desarrollamos el segundo intercambiador

 Características de los tubos Tubos 2x1 ‟‟ IPS de 20 ‟ de longitud r =0.005  Propiedades de la Anilina (T promedio= 125ºF) Cp(125ºF)= 0.518 Q ganado = m anilina * Cp anilina* ΔT Q ganado = Q ganado = 90650  Determinamos la temperatura de salida del tolueno Cp(155.5ºF) = 0.452

Q ganado = -Q perdido 90650

= -(

)

T=145.3ºF 

T promedio =(

Cp(155.4ºF) = 0.452

Q ganado = -Q perdido

)=155.4ºF

90650

)

= -(

T=145.3ºF 

T promedio =(

)=155.4ºF

Cp(155.4ºF) = 0.452

Q ganado = -Q perdido 90650

= -(

)

T2=145.3ºF (temperatura de salida del tolueno)

165.4 ºF

Tolueno

145.3ºF 150ºF Anilina

100 ºF 15.4ºF

45.3ºF

Hallamos variación de temperatura media logarítmica y luego determinamos el área con el Ud. supuesto: 70 (tabla 1.4-manual de intercambiadores de calor para solventes orgánicos Ud (20-120) ) ΔTL =

=27.71ºF

AREA ESTIMADO:

= 46.73 pie2

A=

Δ

=

Solventes Orgánicos UD (20-120) → 70 Por lo tanto : 46.73 pie2 < 100 pie2

(Doble tubo)

ESTIMAMOS PROPIEDADES FISICAS 1) Propiedades físicas a la temperatura promedio: Propiedad

FLUIDO A ANILINA

CALENTAR

FLUIDO A TOLUENO

125ºF

155.4º F

Cp, Btu / lb ºF

0.518

0.452

, cp

2.05

0.36

K, Btu / h.pie2 ºF

0.1

0.0843

63.65

54.29

0.005

0.005

ρ lb/ pie

3

 Btu    . pie2 .º F  hr  r

ENFRIAR

2) Características de los tubos: 2x1 ‟‟ IPS , tubos de 20pies de longitud.

di=1.38”

do=1.66”

xi=0.14”

at=1.5 pulg2

Di=2.067”

Do=2.38”

ao=1.19 pulg2

alt=0.435pie2/pie

De=0.915”

Dm=1.52”

3) Curso de los Fluidos:  

manilina = 3500 lb/h mtolueno = 10000 lb/h

-Lado del tubo interior: Tolueno -Lado del Anillo: Anilina 4) Calculo del Coeficiente de transferencia en el tubo interior (tolueno):

hi = Jh ( ) * (

) 1/3 * ( )0.14

di

= 1.38 pulgadas *

k

=

Cp.

= 0.452 BTU/Lb ºF

µ

=

0.0843 BTU /pie ºF 0.36 centipoise

Jh = necesito el numero de Reynols

Cálculo del número de Reinols Nre = µ di

= 0.8712 Lb /pie hora = 1.38pulgadas *

Gt =

=

= 960000 Lb/hr *pie2

Gt =

(

Nre =

)

Nre = 126721.76 ≈ 126722 (Flujo turbulento)

Jh = 310 (en curva de transferencia de calor lado de los tubos en la fig24) hi = Jh ( ) * (

) 1/3 * ( )0.14 =1

hi = 310 (

)*(

)1/3 * (

)0.14

hi = 379.87 Btu/hr *pie2 *ºF ht = 380* =315.9 ht = 316 Btu/hr *pie2 *ºF

5) Calculo del Coeficiente de transferencia en el anulo (anilina): ho = Jh ( ) * (

) 1/3 * ( )0.14

De = 0.915 pulgadas * k

=

0.1 BTU /pie ºF

Cp.

= 0.518 BTU/Lb ºF

µ

=

2.05 centipoise

Jh = necesito el numero de Reynols

Cálculo del número de Reinols Nre = µ

= 4.961 Lb /pie hora

De = 0.915pulgadas *

=

Ga =

= 423529.41 Lb/hr *pie2

Ga =

Nre =

(

)

Nre = 6509.6 ≈ 6510

Jh = 24 (en curva de transferencia de calor lado de los tubos en la fig24) ho = Jh ( ) * ( ho = 24 (

)*(

) 1/3 * ( )0.14 ) 1/3 * ( )0.14

ho = 92.88 ≈ 93BTU/hr *pie2 *ºF

6) Calculo del Coeficiente total de transferencia(limpio):

Uc

=

Uc

= 71.85 BTU/h *pie2 *ºF

=

7) Calculo del Coeficiente total de diseño(sucio):

=

+ Rd

=

+ 0.01

Rd =0.005 + 0.005 = 0.01 UD = 41.8 ≈ 42 BTU/hr *pie2 *ºF 8) Calculo del área de transferencia:

A=

=

=

A = 77.89pies2 < 100pies2 9) Calculo de Longitud total del intercambiador:

=

L=

L = LT = 179.1pies

10) Calculo del Nº de Horquillas: NH =

=

=4.48 ≈ 5 horquillas

 

Corregimos el LT = NH * L = 5 * 20 * 2 LT = 200 pies Área corregida A= LT *alt A= 200pie * 0.435 A= 87 pies2

11) Calculo de la caída de presión en el lado del tubo interior, psia:

∆ Pt =

 Gt =960000Lb/hr *pie 

2

= 54.29 Lb/hora

 LT =200 pies 

di = 1.38 pulgadas *

 g = 4.18 *108 pies/hr2 

NRe = 134176

 f = 0.0035 +

∆ Pt =

=0.0054

=5.3 psia

∆ Pt = 5.3 < 10 psia (ok) por ser liquido.

12) Calculo de la caída de presión en el lado del tubo exterior o anulo

∆ PA

=

+

∆ Pa

Salida de presión en los tubos

∆ Pa

∆ Pes

entradas y salidas

= = Di - do = (2.067 – 1.66) pulg

= 0.407 pulgadas

Nre = )

(

Nre =

Nre = 2895.53

f = 0.0035 +

= 0.0128

∆ Pa =

∆ Pa = 7.07 psia

∆ Pes

=

*

=

pies /seg

n = número de horquillas

g‟ = 32.17 pies /seg2

=

=

∆ Pes

=

*

1.85 pies /seg

= 0.118 psia

∆ PA = ∆ Pa + ∆ Pes = 7.07 psia + 0.118psia

∆ PA

= 7.188 psia < 10 psia (ok) por ser liquido.

RESPUESTAS  Serán necesarias un total de 8 horquillas (3 horquillas para el primer intercambiador y 5 horquillas para el segundo intercambiador).  Deben arreglarse en paralelo.  El factor final de obstrucción es 0.01.

6.- Un liquido se enfría desde 350 hasta 300 ºF, mediante otro que se calienta desde 290 hasta 316 ºF, en un intercambiador de doble tubo. ¿Cómo se desvía la diferencia verdadera de temperatura de la LMDT si, A). El fluido caliente esta en serie y el fluido frio fluye en dos trayectorias paralelas en contracorriente. ? Solución

Donde: Fluido caliente Fluido frio Diferencias de Tº  T1=350ºF t1=290ºF ( ) =34ºF  T2=300ºF t2=316ºF ( )=10ºF 1.0.

Cálculo de la LMDT:

LMDT = 19,61ºF

2.0.

Cálculo de la diferencia verdadera de temperatura (∆t)?



Para una corriente fría en serie y n corrientes en paralelo

) (

( Donde:

;

)

)……. (1)

n=2, # de corrientes frías en paralelo

Reemplazando en (1), calculamos

= 0.28



Para la diferencia máxima de temperatura es conveniente emplear los términos del límite máximo de temperatura.



Rpta: El MLDT se desvía con un error de 16.73 % de la diferencia de temperatura verdadera. Cuando se hace el arreglo de fluido caliente en serie y el fluido frio fluye en dos trayectorias paralelas en contracorriente.

B). El fluido caliente esta en serie y el fluido frio en tres trayectorias de flujo paralelo a contracorriente. ? Solución

Donde: caliente

Fluido Fluido frio  

1.0.

T1=350ºF T2=300ºF

Cálculo de la LMDT:

LMDT = 19,61ºF ´

Diferencias de Tº t1=290ºF t2=316ºF

( (

) =34ºF )=10ºF

2.0.