Intercambiador de coraza y tubos 1 TAREA 3.2 INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS ENFRIADOR DEL FLUIDO DE PROCESO 1. FLUIDO DE PROCESO CALIENTE Fluido de operación: Nombre: Keroseno Tipo: líquido sin cambio de fase Datos de operación del fluido: mfc = 22.5 lb/seg = 81,000 lb/hr Tfc1 = 160 ºF Tfc2 < (Tfc1 = 160 ºF) Requisito de operación = 125 ºF ΔTfc = Tfc1 – Tfc2 = 160 – 125 = 35 ºF Enfriamiento del Keroseno Propiedad física promedio del fluido (Tabla exp.): Tfc = Tfc1 + Tfc2 160 + 125 = = 142.5 ºF 2 2 Tfc = 142.5 ºF Cpfc = 0.535 BTU/lb-ºF Keroseno Operación termodinámica del fluido: Qf = Qfc ≈ mfc Cpfc ΔTfc Disipado por el Aceite = 81,000 (0.535) (35) = 1,516,725 BTU/hr = 421.31 BTU/seg 2. FLUIDO DE SERVICIO FRÍO Fluido de operación: Nombre: Agua (H2O) Tipo: líquido sin cambio de fase Datos de operación del fluido: Tff1 < (Tfc2 = 125 ºF) Requisito de operación = 70 a 90 ºF Requisito para Agua fría = 80 ºF Intercambiador de coraza y tubos 2 Tff2 > (Tff1 = 80 ºF) Requisitos de operación < (Tfc1 = 160 ºF) ≤ 125 ºF Requisito para Agua fría = 100 ºF ΔTff = Tff2 – Tff1 = 100 – 80 = 20 ºF Calentamiento del Agua = 10 a 35 ºF Requisito para Agua fría Propiedad física promedio del fluido (Tabla 2.1): Tff = Tff1 + Tff2 80 + 100 = = 90.0 ºF 2 2 Tff = 90.0 ºF Cpff = 0.997 BTU/lb-ºF Agua Operación termodinámica del fluido: Qf = Qff ≈ mff Cpff ΔTff Absorbido por el Agua mff = Qf 1,516,725 = = 76,064 lb/hr = 21.13 lb/seg Cpff ∆Tff 0.997 (20) 3. SELECCIÓN DEL INTERCAMBIADOR Característica del Intercambiador: Tipo: Intercambiador 1-4 Npi = 4 pasos interiores Coraza del banco (Tabla 3.1): Tipo: “tubo IPS” Requisito de diseño Dnc = 20 pulg Dec = 20 pulg = 1.66 pie Cédula = 20 Dic = 191/4 pulg = 19.25 pulg = 1.60 pie Ec = Dec – Dic 20 – 19.25 = = 0.375 pulg = 0.0313 pie 2 2 Tubos del banco (Tabla 3.2): Tipo: “tubo BWG” Requisito de diseño Det = 1 pulg = 0.0833 pie Calibre = 12 Et = 0.109 pulg = 0.00908 pie Dit = Det – 2 Et = 1 – 2 (0.109) = 0.782 pulg = 0.0652 pie Intercambiador de coraza y tubos 3 Arreglo de tubos (Tabla 3.3): Tipo: “cuadrado” St > (Det = 1 pulg) Requisito de diseño = 11/4 pulg = 0.104 pie Ct = St – Det = 11/4 – 1 = 0.25 pulg = 0.0208 pie Banco de tubos (Tabla 3.4): Arreglo: “cuadrado” Det = 1 pulg St = 11/4 pulg Nt = 128 tubos totales Dic = 191/4 pulg Npi = 4 pasos interiores Ntpi = Nt 128 = = 32 tubos/paso interior Npi 4 Lt = 24 pie Deflectores del flujo exterior: Tipo: “deflector segmentado 25 %” Requisito de diseño Nd ≥ 3 deflectores Requisito de diseño = 52 deflectores Nc = Nd + 1 = 52 + 1 = 53 cruces Sd = Lt 24 = = 0.453 pie = 5.44 pulg Nc 53 Tamaño del Intercambiador, para la transferencia de calor: Ae = π Det Lt Nt = π (0.0833) (24) (128) = 803.93 pie2 Disposición de los flujos: Interior: Proceso caliente (Keroseno); Exterior: servicio frío (Agua) mfi = mfc = 81,000 lb/hr mfe = mff = 76,064 lb/hr Tfi1 = Tfc1 = 160 ºF Tfe1 = Tff1 = 80 ºF Tfi2 = Tfc2 = 125 ºF Tfe2 = Tff2 = 100 ºF ΔTfi = ΔTfc = 35 ºF ΔTfe = ΔTff = 20 ºF Tfi = Tfc = 142.5 ºF Tfe = Tff = 90 ºF Intercambiador de coraza y tubos 4 4. PARED DE LOS TUBOS Propiedad física promedio de la pared (Tabla 1.5): Tt > (Tff = 90 ºF) Requisitos de operación < (Tfc = 142.5 ºF) = 95 ºF Supuesta Material: Acero al Cromo (5 % Cr.) Tt = 95 ºF kt = 23 BTU/hr-pie-ºF Acero (5% Cr.) Transferencia de calor en la pared: Rt = Det ln(Det / Dit ) 0.0833 ln(0.0833 / 0.0652) = = 0.000444 hr-pie2 -ºF/BTU 2 kt 2 (23) 5. PELÍCULA INTERIOR: KEROSENO Propiedades físicas promedios del fluido en la película (Tabla exp.): Ti = Tfi + Tti Tfi + Tt 142.5 + 95 ≈ = = 118.75 ºF 2 2 2 ρi = 46.78 lb/pie3 Ti = 118.75 ºF μi = 13.77 lb/pie-hr Keroseno Cpi = 0.518 BTU/lb-ºF ki = 0.0794 BTU/hr-pie-ºF Pri = Cpi μi 0.518 (13.77) = = 89.83 ki 0.0794 Propiedad física promedio del fluido en la superficie interior de los tubos (Tabla exp.): Tti ≈ Tt = 95 ºF μti = 15.75 lb/pie-hr Keroseno 0.14 μ i = ( i ) μti 13.77 0.14 =( ) = 0.981 15.75 Flujo del fluido interior por los tubos del banco: π Dit2 π (0.0652)2 Afi = ( ] 32 = 0.107 pie2 ) Ntpi = [ 4 4 Intercambiador de coraza y tubos 5 mfi 81,000 = = 16,182 pie/hr = 4.50 pie/seg ρi Afi 46.78 (0.107) = 3 a 10 pie/seg Requisito para líquidos Vfi = ρi Vfi Dit 46.78 (16,182) (0.0652) = = 3,584 μi 13.77 = 2,100 a 10,000 Régimen de flujo “transitorio” Rei = Transferencia de calor en la película (Fig. 2.11): Rei = 3,584 Lt 24 = = 368.09 Dit 0.0652 Jhi = 10.8 Nui = Jhi Pri1/3 i = 10.8 (89.83)1/3 (0.981) = 47.45 hi = Nui ki 47.45 (0.0794) = = 57.78 BTU/hr-pie2-ºF Dit 0.0652 Ri = ( Det 1 0.0833 1 )( )=( )( ) = 0.0221 hr-pie2 -ºF/BTU Dit hi 0.0652 57.78 6. PELÍCULA EXTERIOR: AGUA Propiedades físicas promedios del fluido en la película (Tabla 2.1): Te = Tfe + Tte Tfe + Tt 90 + 95 ≈ = = 92.5 ºF 2 2 2 ρe = 62.08 lb/pie3 Te = 92.5 ºF μe = 1.80 lb/pie-hr Agua Cpe = 0.997 BTU/lb-ºF ke = 0.361 BTU/hr-pie-ºF Pre = Cpe μe ke = 0.997 (1.80) = 4.97 0.361 Propiedad física promedio del fluido en la superficie exterior de los tubos (Tabla 2.1): Tte ≈ Tt = 95 ºF μte = 1.75 lb/pie-hr Agua μe 0.14 1.80 0.14 e = ( ) = ( ) =1.00 μte 1.75 Intercambiador de coraza y tubos 6 Flujo del fluido exterior por la coraza, al cruzar el banco de tubos: Dic 1.60 Afe = Ct Sd ( ) = 0.0208 (0.453) ( ) = 0.145 pie2 St 0.104 mfe 76,064 = = 8,450 pie/hr = 2.35 pie/seg ρe Afe 62.08 (0.145) = 3 a 10 pie/seg Requisito para líquidos Vfe = 4 St2 4 (0.104)2 – Det = – 0.0833 = 0.0820 pie = 0.984 pulg π Det π (0.0833) Dfe = Ree = ρe Vfe Dfe μe = 62.08(8,450) (0.0820) = 23,897 1.80 Transferencia de calor en la película (Fig. 3.13): Jhe ≈ 0.35 Ree0.55 = 0.35 (23,897)0.55 = 89.57 Nue = Jhe Pre1/3 e = 89.57 (4.97)1/3 (1.00) = 152.85 he = Nue ke 152.85 (0.361) = = 672.91 BTU/hr-pie2-ºF Dfe 0.0820 Re = 1 1 = = 0.00149 hr-pie2-ºF/BTU he 672.91 7. TRANSFERENCIA DE CALOR EN EL INTERCAMBIADOR Diferencia “media” de temperaturas de los fluidos en el Intercambiador (Fig. 3.10): Arreglo de flujos: “paralelo-contraflujo” Requisito para Int. 1-4 ΔTf1 = Tfc1 – Tff1 = 160 – 80 = 80 ºF S= ∆Tfi 35 = = 0.437 ∆Tf1 80 ∆Tfe 20 R= = = 0.571 ∆Tfi 35 FT = 0.955 ≥ 0.75 Requisito de diseño ΔT1 = Tfc1 – Tff2 = 160 – 100 = 60 ºF ΔT1 > ΔT2 ΔT2 = Tfc2 – Tff1 = 125 – 80 = 45 ºF ∆Tm = [ ∆T1 – ∆T2 60 – 45 ] FT = [ ] 0.955 = 49.80 ºF ln(∆T1 / ∆T2 ) ln(60 / 45) Intercambiador de coraza y tubos 7 Variación de las temperaturas de los fluidos, para Int. 1-4 con arreglo de flujos en “paralelo-contraflujo”: T (ºF) T (ºF) Tfc1 = 160 Keroseno ΔTfc = 35 Tfc2 = 125 ΔT1 = 60 ΔT2 = 45 Tff2 = 100 ΔTff = 20 Agua Tff1 = 80 Lt = 24 pie Coeficiente total de transferencia de calor: RTL = Ri + Rt + Re = 0.0221 + 0.000444 + 0.00149 = 0.0240 hr-pie2-ºF/BTU (92.1 %) UTL = (1.9 %) (6.2 %) (100 %) 1 1 = = 41.66 BTU/hr-pie2-ºF RTL 0.0240 (QTS = UTS Ae ΔTm) = Qf Requisito para prevenir suciedad QTS 1,516,725 = = 37.88 BTU/hr-pie2-ºF Ae ∆Tm 803.93 (49.80) < (UTL = 41.66 BTU/hr-pie2-ºF) Requisito para prevenir suciedad UTS = Suciedad total del banco de tubos, que previene el tamaño de Intercambiador propuesto: UTL – UTS 41.66 – 37.88 = = 0.00239 hr-pie2-ºF/BTU UTL UTS 41.66 (37.88) = 0.002 a 0.005 hr-pie2-ºF/BTU Requisito para prevenir la suciedad acumulada en 1 año de operación RS ≈ FS ≈ UTS 37.88 = = 0.91 = 91 % UTL 41.66 Resistencias térmicas con el banco de tubos sucio: RTS = Ri + Rt + Re + RS = 0.0221 + 0.000444 + 0.00149 + 0.00239 = 0.0264 hr-pie2-ºF/BTU (83.7 %) (1.7 %) (5.6 %) Ri = “Resistencia dominante” Película del Keroseno Rt « (Ri , Re) RS < (Ri y/o Re) Requisitos de operación (9 %) (100 %) Intercambiador de coraza y tubos 8 8. CAÍDA DE PRESIÓN DEL FLUIDO INTERIOR: KEROSENO Fricción del flujo interior en los tramos rectos de los tubos (Fig. 2.12): Ffi ≈ 0.003 Rei – 0.26 = 0.003 (3,584) – 0.26 = 0.000357 pie2/pulg2 Caída de presión por fricción del flujo interior por los tubos del banco, en el Intercambiador: ∆Pfit ≈ Ffi Vfi2 ρi Lt Npi 8.35×108 Dit i = 0.000357 (16,182)2 (46.78) (24) (4) 8.35×108 (0.0652) (0.981) = 7.86 lb/pulg2 ρi Vfi2 4 (4.50)2 (46.78) (4) ΔPfir ≈ 4 ( ) ( ) Npi = = 1.63 lb/pulg2 2 g 144 2 (32.2) (144) ΔPfi = ΔPfit + ΔPfir = 7.86 + 1.63 = 9.50 lb/pulg2 = 5 a 10 lb/pulg2 Requisito para líquidos 9. CAÍDA DE PRESIÓN DEL FLUIDO EXTERIOR: AGUA Fricción del flujo exterior al cruzar el banco de tubos (Fig. 3.14): Ffe ≈ 0.012 Ree– 0.19 = 0.012 (23,897) – 0.19 = 0.00177 pie2/pulg2 Caída de presión por fricción del flujo exterior al cruzar el banco de tubos, en el Intercambiador: ∆Pfe ≈ Ffe Vfe2 ρe Dic Nc = 0.00177 (8,450)2 (62.08) (1.60) (53) 8.35×108 Dfe e 8.35×108 (0.0820) (1.00) = 5 a 10 lb/pulg2 Requisito para líquidos = 9.71 lb/pulg2 10. VERIFICACIÓN DE LAS TEMPERATURAS SUPUESTAS qT Ri Tti Tte Rt (92.1 %) ΔTi Tfe = 90 ºF Tfi = 142.5 ºF Circuito térmico con el banco de tubos limpio: Re (1.9 %)(6.2 %) ΔTt ΔTe ΔTf Intercambiador de coraza y tubos 9 Caídas de temperatura: ΔTf = Tfi – Tfe = 142.5 – 90 = 52.5 ºF Ri ΔTi = ( ) ∆Tf = 0.921 (52.5) = 48.4 ºF RTL Rt ΔTt = ( ) ∆Tf = 0.019 (52.5) = 1.0 ºF RTL ΔTe = ( Re ) ∆Tf = 0.062 (52.5) = 3.3 ºF RTL Temperaturas promedias: Tti = Tfi – ΔTi = 142.5 – 48.4 = 94.1 ºF ΔTt = 0.8 ºF Tte = Tfe + ΔTe = 90 + 3.3 = 93.3 ºF Ti = Tfi + Tti 142.5 + 94.1 = = 118.3 ºF 2 2 Tt = Tti + Tte 94.1 + 93.3 = = 93.7 ºF 2 2 Te = Tte + Tfe 93.3 + 90 = = 91.7 ºF 2 2 Verificación de las temperaturas supuestas: Temperatura Ti Tt Te Supuesta (ºF) Calculada (ºF) 118.8 95 92.5 118.3 93.7 91.7 Distribución de las caídas de temperatura en la sección de los tubos del banco: T (ºF) T (ºF) Tfi = 142.5 ΔTi = 48.4 (92.1 %) Tti = 94.1 Tte = 93.3 Tfe = 90.0 Et ΔTt = 1.0 (1.9 %) ΔTe = 3.3 (6.2 %) ΔTf = 52.5 (100 %)
