Subido por cesar esquivel

# Análisis de un Intercambiador de calor de coraza y tubos

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```Intercambiador de coraza y tubos 1
TAREA 3.2
INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS
1. FLUIDO DE PROCESO CALIENTE
Fluido de operaci&oacute;n:
Nombre: Keroseno
Tipo: l&iacute;quido sin cambio de fase
Datos de operaci&oacute;n del fluido:
mfc = 22.5 lb/seg = 81,000 lb/hr
Tfc1 = 160 &ordm;F
Tfc2 &lt; (Tfc1 = 160 &ordm;F)  Requisito de operaci&oacute;n
= 125 &ordm;F
ΔTfc = Tfc1 – Tfc2 = 160 – 125 = 35 &ordm;F  Enfriamiento del Keroseno
Propiedad f&iacute;sica promedio del fluido (Tabla exp.):
Tfc =
Tfc1 + Tfc2 160 + 125
=
= 142.5 &ordm;F
2
2
Tfc = 142.5 &ordm;F
Cpfc = 0.535 BTU/lb-&ordm;F
Keroseno
Operaci&oacute;n termodin&aacute;mica 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 FR&Iacute;O
Fluido de operaci&oacute;n:
Nombre: Agua (H2O)
Tipo: l&iacute;quido sin cambio de fase
Datos de operaci&oacute;n del fluido:
Tff1 &lt; (Tfc2 = 125 &ordm;F)  Requisito de operaci&oacute;n
= 70 a 90 &ordm;F  Requisito para Agua fr&iacute;a
= 80 &ordm;F
Intercambiador de coraza y tubos 2
Tff2 &gt; (Tff1 = 80 &ordm;F)
 Requisitos de operaci&oacute;n
&lt; (Tfc1 = 160 &ordm;F)
≤ 125 &ordm;F  Requisito para Agua fr&iacute;a
= 100 &ordm;F
ΔTff = Tff2 – Tff1 = 100 – 80 = 20 &ordm;F  Calentamiento del Agua
= 10 a 35 &ordm;F  Requisito para Agua fr&iacute;a
Propiedad f&iacute;sica promedio del fluido (Tabla 2.1):
Tff =
Tff1 + Tff2 80 + 100
=
= 90.0 &ordm;F
2
2
Tff = 90.0 &ordm;F
Cpff = 0.997 BTU/lb-&ordm;F
Agua
Operaci&oacute;n termodin&aacute;mica 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)
Tipo: Intercambiador 1-4  Npi = 4 pasos interiores
Coraza del banco (Tabla 3.1):
Tipo: “tubo IPS”  Requisito de dise&ntilde;o
Dnc = 20 pulg
Dec = 20 pulg = 1.66 pie
C&eacute;dula = 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 dise&ntilde;o
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):
St &gt; (Det = 1 pulg)  Requisito de dise&ntilde;o
= 11/4 pulg = 0.104 pie
Ct = St – Det = 11/4 – 1 = 0.25 pulg = 0.0208 pie
Banco de tubos (Tabla 3.4):
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 dise&ntilde;o
Nd ≥ 3 deflectores  Requisito de dise&ntilde;o
= 52 deflectores
Nc = Nd + 1 = 52 + 1 = 53 cruces
Sd =
Lt
24
=
= 0.453 pie = 5.44 pulg
Nc 53
Tama&ntilde;o del Intercambiador, para la transferencia de calor:
Ae = π Det Lt Nt = π (0.0833) (24) (128) = 803.93 pie2
Disposici&oacute;n de los flujos:
Interior: Proceso caliente (Keroseno);
Exterior: servicio fr&iacute;o (Agua)
mfi = mfc = 81,000 lb/hr
mfe = mff = 76,064 lb/hr
Tfi1 = Tfc1 = 160 &ordm;F
Tfe1 = Tff1 = 80 &ordm;F
Tfi2 = Tfc2 = 125 &ordm;F
Tfe2 = Tff2 = 100 &ordm;F
ΔTfi = ΔTfc = 35 &ordm;F
ΔTfe = ΔTff = 20 &ordm;F
Tfi = Tfc = 142.5 &ordm;F
Tfe = Tff = 90 &ordm;F
Intercambiador de coraza y tubos 4
4. PARED DE LOS TUBOS
Propiedad f&iacute;sica promedio de la pared (Tabla 1.5):
Tt &gt; (Tff = 90 &ordm;F)
 Requisitos de operaci&oacute;n
&lt; (Tfc = 142.5 &ordm;F)
= 95 &ordm;F  Supuesta
Material: Acero al Cromo (5 % Cr.)
Tt = 95 &ordm;F
kt = 23 BTU/hr-pie-&ordm;F
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 -&ordm;F/BTU
2 kt
2 (23)
5. PEL&Iacute;CULA INTERIOR: KEROSENO
Propiedades f&iacute;sicas promedios del fluido en la pel&iacute;cula (Tabla exp.):
Ti =
Tfi + Tti Tfi + Tt 142.5 + 95
≈
=
= 118.75 &ordm;F
2
2
2
ρi = 46.78 lb/pie3
Ti = 118.75 &ordm;F
μi = 13.77 lb/pie-hr
Keroseno
Cpi = 0.518 BTU/lb-&ordm;F
ki = 0.0794 BTU/hr-pie-&ordm;F
Pri =
Cpi μi 0.518 (13.77)
=
= 89.83
ki
0.0794
Propiedad f&iacute;sica promedio del fluido en la superficie interior de los tubos (Tabla exp.):
Tti ≈ Tt = 95 &ordm;F
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 l&iacute;quidos
Vfi =
ρi Vfi Dit 46.78 (16,182) (0.0652)
=
= 3,584
μi
13.77
= 2,100 a 10,000  R&eacute;gimen de flujo “transitorio”
Rei =
Transferencia de calor en la pel&iacute;cula (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-&ordm;F
Dit
0.0652
Ri = (
Det 1
0.0833
1
)( )=(
)(
) = 0.0221 hr-pie2 -&ordm;F/BTU
Dit hi
0.0652 57.78
6. PEL&Iacute;CULA EXTERIOR: AGUA
Propiedades f&iacute;sicas promedios del fluido en la pel&iacute;cula (Tabla 2.1):
Te =
Tfe + Tte Tfe + Tt 90 + 95
≈
=
= 92.5 &ordm;F
2
2
2
ρe = 62.08 lb/pie3
Te = 92.5 &ordm;F
μe = 1.80 lb/pie-hr
Agua
Cpe = 0.997 BTU/lb-&ordm;F
ke = 0.361 BTU/hr-pie-&ordm;F
Pre =
Cpe μe
ke
=
0.997 (1.80)
= 4.97
0.361
Propiedad f&iacute;sica promedio del fluido en la superficie exterior de los tubos (Tabla 2.1):
Tte ≈ Tt = 95 &ordm;F
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 l&iacute;quidos
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 pel&iacute;cula (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-&ordm;F
Dfe
0.0820
Re =
1
1
=
= 0.00149 hr-pie2-&ordm;F/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 &ordm;F
S=
∆Tfi
35
=
= 0.437
∆Tf1 80
∆Tfe 20
R=
=
= 0.571
∆Tfi 35
FT = 0.955
≥ 0.75  Requisito de dise&ntilde;o
ΔT1 = Tfc1 – Tff2 = 160 – 100 = 60 &ordm;F
ΔT1 &gt; ΔT2
ΔT2 = Tfc2 – Tff1 = 125 – 80 = 45 &ordm;F
∆Tm = [
∆T1 – ∆T2
60 – 45
] FT = [
] 0.955 = 49.80 &ordm;F
ln(∆T1 / ∆T2 )
ln(60 / 45)
Intercambiador de coraza y tubos 7
Variaci&oacute;n de las temperaturas de los fluidos, para Int. 1-4 con arreglo de flujos en “paralelo-contraflujo”:
T (&ordm;F)
T (&ordm;F)
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-&ordm;F/BTU
(92.1 %)
UTL =
(1.9 %)
(6.2 %)
(100 %)
1
1
=
= 41.66 BTU/hr-pie2-&ordm;F
RTL 0.0240
(QTS = UTS Ae ΔTm) = Qf  Requisito para prevenir suciedad
QTS
1,516,725
=
= 37.88 BTU/hr-pie2-&ordm;F
Ae ∆Tm 803.93 (49.80)
&lt; (UTL = 41.66 BTU/hr-pie2-&ordm;F)  Requisito para prevenir suciedad
UTS =
Suciedad total del banco de tubos, que previene el tama&ntilde;o de Intercambiador propuesto:
UTL – UTS 41.66 – 37.88
=
= 0.00239 hr-pie2-&ordm;F/BTU
UTL UTS
41.66 (37.88)
= 0.002 a 0.005 hr-pie2-&ordm;F/BTU  Requisito para prevenir la suciedad acumulada en 1 a&ntilde;o de operaci&oacute;n
RS ≈
FS ≈
UTS 37.88
=
= 0.91 = 91 %
UTL 41.66
Resistencias t&eacute;rmicas con el banco de tubos sucio:
RTS = Ri + Rt + Re + RS = 0.0221 + 0.000444 + 0.00149 + 0.00239 = 0.0264 hr-pie2-&ordm;F/BTU
(83.7 %)
(1.7 %)
(5.6 %)
Ri = “Resistencia dominante”  Pel&iacute;cula del Keroseno
Rt &laquo; (Ri , Re)
RS &lt; (Ri y/o Re)
 Requisitos de operaci&oacute;n
(9 %)
(100 %)
Intercambiador de coraza y tubos 8
8. CA&Iacute;DA DE PRESI&Oacute;N DEL FLUIDO INTERIOR: KEROSENO
Fricci&oacute;n 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
Ca&iacute;da de presi&oacute;n por fricci&oacute;n del flujo interior por los tubos del banco, en el Intercambiador:
∆Pfit ≈
Ffi Vfi2 ρi Lt Npi
8.35&times;108 Dit i
=
0.000357 (16,182)2 (46.78) (24) (4)
8.35&times;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 l&iacute;quidos
9. CA&Iacute;DA DE PRESI&Oacute;N DEL FLUIDO EXTERIOR: AGUA
Fricci&oacute;n 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
Ca&iacute;da de presi&oacute;n por fricci&oacute;n 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&times;108 Dfe e
8.35&times;108 (0.0820) (1.00)
= 5 a 10 lb/pulg2  Requisito para l&iacute;quidos
= 9.71 lb/pulg2
10. VERIFICACI&Oacute;N DE LAS TEMPERATURAS SUPUESTAS
qT
Ri
Tti Tte
Rt
(92.1 %)
ΔTi
Tfe = 90 &ordm;F
Tfi = 142.5 &ordm;F
Circuito t&eacute;rmico con el banco de tubos limpio:
Re
(1.9 %)(6.2 %)
ΔTt ΔTe
ΔTf
Intercambiador de coraza y tubos 9
Ca&iacute;das de temperatura:
ΔTf = Tfi – Tfe = 142.5 – 90 = 52.5 &ordm;F
Ri
ΔTi = (
) ∆Tf = 0.921 (52.5) = 48.4 &ordm;F
RTL
Rt
ΔTt = (
) ∆Tf = 0.019 (52.5) = 1.0 &ordm;F
RTL
ΔTe = (
Re
) ∆Tf = 0.062 (52.5) = 3.3 &ordm;F
RTL
Temperaturas promedias:
Tti = Tfi – ΔTi = 142.5 – 48.4 = 94.1 &ordm;F
ΔTt = 0.8 &ordm;F
Tte = Tfe + ΔTe = 90 + 3.3 = 93.3 &ordm;F
Ti =
Tfi + Tti 142.5 + 94.1
=
= 118.3 &ordm;F
2
2
Tt =
Tti + Tte 94.1 + 93.3
=
= 93.7 &ordm;F
2
2
Te =
Tte + Tfe 93.3 + 90
=
= 91.7 &ordm;F
2
2
Verificaci&oacute;n de las temperaturas supuestas:
Temperatura
Ti
Tt
Te
118.8
95
92.5
118.3
93.7
91.7
Distribuci&oacute;n de las ca&iacute;das de temperatura en la secci&oacute;n de los tubos del banco:
T (&ordm;F)
T (&ordm;F)
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 %)
```