1 Problemas Resuel Diametro_espesor-Agitadores

Diseño de Plantas Industriales 1Ingeniería Química – FIQIA - UNPRG

DISEÑO DEL ESPESOR DE LA PARED DE UN RECIPIENTEDISEÑO DEL ESPESOR DE LA PARED DE UN RECIPIENTE

1. Determine el espesor de las paredes de un reactor que debe operar a 2 atm y 400°F. Está1. Determine el espesor de las paredes de un reactor que debe operar a 2 atm y 400°F. Está

construido de acero inoxidable 304 y tiene un diámetro de 3.6 pies.construido de acero inoxidable 304 y tiene un diámetro de 3.6 pies.

SOLUCIONSOLUCION

Poperación. = 2 atm *14.7= 29.4 psi

PDiseño = 1.2 x Poerac. = 1.2 x (29.4) = 35.28 psi

D = diámetro del reactor = 3.6 pies (43.2pulg)

R = radio interno = 21.6 pulg.

T= Temperatura de diseño = Top.+50°F = 400+50 = 450°F.

e= PxRSxE−0 .6 xP

+C (Chemical Process Equipment, for Walas, pag.625, Tabla 18.3)(Chemical Process Equipment, for Walas, pag.625, Tabla 18.3)

e=35 .28 .lb / pu lg2 x21 .6 . pu lg12583 x 0.8−0 .6 x 35 .28 . lb / pu lg2

+ 116

pu lg

SS (Esfuerzo Máximo permisible)(Esfuerzo Máximo permisible) se ubica en figura 18.4 b pag. 626.se ubica en figura 18.4 b pag. 626. (Walas). S = 1384 (Walas). S = 1384

e = 0.1384 pulg. ≈ 3/16 pulg. Esta medida de amplio uso comerial.

Es el más cercano a 3/16 y se escoge de los diámetros nominales:

3/32 = 0.09375”, 1/16 = 0.0625”, 1/8 = 0.125”, 3/16 = 0.1875”, ¼ = 0.250”, ½ = 0.5 “

Rpta. El espesor de las paredes del reactor sería de 3/16 pulgadas.

2. Calcular el espesor de la pared del tanque reactor que opera a una presión de 1.2 atm, a

una temperatura de 85°C. El diámetro interno del reactor es 3.5 pies Y está construido de

acero al carbono SA515 grado 70.

SOLUCION

e =

PD xR

SxE−0 .6PD

+C

Popera. = 1.2 atm *14.7= 17.64 psi

PDiseño = 1.2 x Poerac. = 1.2 x (17.64) = 21.168 psi

D = diámetro del TK = 3.5 pies (42pulg)

R = radio interno = 21 pulg.

S = esfuerzo máximo permisible


TD = Toperación + 50ºC = 85 + 50 = 135ºC (275°F)

TD = 275ºF

S = 17500 lb/pulg12 Figura 18.4 b, pag. 626.

E = eficiencia de uniones = 0.8 por soldadura

C = tolerancia a corrosión = 1/16 pulg.

Reemplazando en *

e =

21 .168 . lb / pu lg2 x 21 pu lg17500 .lb / pu lg2 x 0.80−0 .6x 21.168 .b/ pu lg2

+0 .0625

e = 0.094 pulg = 1/8” nominal

3. Calcular el espesor del cabezal toriesférico de un reactor construido con acero al carbono

SA285 A, que tiene una presión de diseño de 35.28 psi, temperatura de diseño de 300°F y

tiene un radio de 20 pulgadas.

.

L = r/0.06 = 20/0.06 = 333.33 pulg

e=0 .885∗P∗LSxE−0 .1P

= 0.885 x35 .28∗333.3311200 x0 .85−0 .1 x35 .28

+0 .0625

e = 0.1561 pulg ≈ 3/16 pulg.


DISEÑO DE DIAMETRO DE ACOPLAMIENTOS

1. Calcule el diámetro del acoplamiento para entrada de 4835.9 lb/hr melaza a intercambiador

de calor, a una velocidad de 1.6 pie/s. La melaza tiene una gravedad específica es 1.09 a 25°C,

y una viscosidad de 1.2 cp.

SOLUCION

Densidad: 1.09 * 62.4 = 67.9 lb/pie3

Q =

mρ=4835 .9. lb /h67 .94 lb / pie3

= 71.39 pie3/hr x

1h3600 g = 0.0198 pie3/s

Di = 3.9 (Q)0.45 (r)0.13 (para flujo turbulento)

Di=3.0 .Qf0 .36 .μ

0.18

( (Para flujo laminar)Para flujo laminar)

Por las características, se trataría de flujo turbulento. Calcularemos y comprobamos:

Di = 3.9 (0.0198 pie3/s)0.45 (67.94lb/pie3)0.13

Di = 1.155

D = 1 ¼ “ o para mayor seguridad 1 ½” (diámetro nominal)

Comprobando si es flujo turbulento:

N ℜ=v∗ρ∗D∗¿

μ¿

Nre=

1.6∗67 .94∗(1 .5 /12 )1 .2∗2 .42/3600 = 16480 (>2100) Flujo turbulento (El diámetro es correcto)

2. Calcule el diámetro del acoplamiento para entrada a un tanque, de 1.0007 pie 3/s de un

líquido viscoso que tiene una densidad de 60.99 lb/pie3. a 25°C, y una viscosidad de 34.5 cp

SOLUCION

Di=3.9 .Qf0 .45 . ρ

0 .13

Para flujo turbulentoPara flujo turbulento

Di = 3.9 (1.0007) Di = 3.9 (1.0007) 0.450.45*( 60.99) *( 60.99) 0.130.13

Di=6.66 pulg.Di=6.66 pulg.


Diámetro de ingreso de la alimentación debe ser de 7 pulgadas Diámetro de ingreso de la alimentación debe ser de 7 pulgadas

Comprobando si es flujo turbulento:

v=QA

= 1.0007

3.1416∗( 712

)2

4

=3.74 pie/s

Nre=

3.74 x 7/12x 60 .9934 .5∗2.42/3600 = 5737 (>2100) Es flujo turbulento.

Por lo tanto, será necesario un diámetro de 8 pulg. Por lo tanto, será necesario un diámetro de 8 pulg.

3. 3. Calcule el diámetro del acoplamiento para el efluente de un bioreactor de 0.6566 pie3/s,

con una densidad de 62.099 lb/pie3. a 25°C y una viscosidad de 54 cp.

Di=3.9 QDi=3.9 Qff0.450.45*ρ*ρ0.13 0.13 para flujo turbulentopara flujo turbulento

Di=3.9 (0.656)Di=3.9 (0.656)0.450.45*(62.099)*(62.099)0.13

Di = 5.5178 pulg.= 6”Di = 5.5178 pulg.= 6”

Comprobamos el flujo:Comprobamos el flujo:

v=QA

= 0.6566

3.1416∗( 612

)2

4

=3.34 pie/s

Nre=

3.34 x 6/12 x62 .09954∗2 .42/3600 = 2856 (>2100) Es flujo turbulento.

Por lo tanto, el diámetro para el efluente del bioreactor será de 6 pulgadas Por lo tanto, el diámetro para el efluente del bioreactor será de 6 pulgadas

4. Se debe ingresar un caudal de 27745 lb/hr de una sustancia líquida que tiene una densidad

de 60.705 lb/pie3, y viscosidad de 27 cp. ¿que diámetro será necesario para la tubería de

entrada?

SOLUCION

Entrada = salida


QV =

27745 lb /h60 .705lb / pie3∗3600 = 0.1269 pie3/s

Para flujo turbulento

Di = 3.9 Q0.45 x r0.13

Di = 3.9 x (0.1269)0.45 x (60.705)0.13

Di = 2.62

Di = 3 pulg

v=QA

= 0.1269

3.1416∗( 312

)2

4

=2.58 pie/s

Nre=

2.58 x3 /12 x60 .70527∗2 .42/3600 = 2157 (>2100) Es flujo turbulento.

DISEÑO DE AGITADORES

1. En un recipiente se mezclan dos sustancias para dar inicio a una reacción. Una es

solución acuosa de sp.gr. 1.4 y viscosidad 15 cp, y la otra es un polímero de sp.gr. 1.0 y

viscosidad 18000 cp; para producir 5000 gl de producto final de s = 1.1 y viscosidad

15000 cp. El recipiente es cilíndrico vertical de hierro, fondo cóncavo. El diámetro del

reactor es 9.5’ y la altura 10’. Diseñe el sistema y determine:

a. Tipo de agitador y sus caracteristicas.

b. Potencia del motor del agitador.

SOLUCION

De la guía de selección, para 5000 gl (> 1000 gl) se recomienda turbina de 6 palas o

paletas verticales, sin deflectores por ser de alta viscosidad. (ver pag. 288, inciso b)

Diámetro típico del impelente (propulsor): D/Dt = 0.25 a 0.5

Para alta viscosidad se recomienda impulsor largo: D/Dt = 0.5


D = 9.5 * 0.5 = 4.75 pies

w = D/5 = 4.75/5 = 0.95 pies

Caudal, Q = v.A

A =

3.1416 x (9 .5 )2

4 = 70.85 pie2

Para una diferencia de sp.gr = 0.4 y

μ1μ2

=12000 corresponde v= 0.4 pie/s (tabla 10.2)

Q = 0.4 pie/s x 70.85 pie2 x 60s/min = 1701 pie3/min

Nre= ρ xNxD2

μ =

(1 .1 x62 .4 )x (50 x60 RPH )( 4 .75 )2

15000 x2 .42 .lb / pie .hr /cp = 128 (se asume N = 50 RPM)

Comprobando: NQ vs Nre se tiene que con NQ =0.33

N=17010 .33x 4 .753

=48 RPM

Recalculando (realizando iteracciones) = N = 50 RPM

Calculo de la potencia:

P=N P .N

3 .D5 . ρ

gc

Para viscosidades > 5000 cp, no se necesita deflectores, por lo tanto:

Se debe corregir Np con NFr (Numero de Froude) de la siguiente manera:

N P=N Po xN Frm

donde

N Fr=N2 .D

gc

=(50/60 )2x 4 .7532.17

=0 .12

m=a−log10 Nre

b

Para recipientes son deflectores: a= 1.0 b = 40

De donde m = -0.02775

En la figura 10.5 c, curva 5, se lee aprox. NpO = 5


Np=5 x (0 .12 )−0.02775=3.92

P=3 .92x (50/60 )3 x (1.1x 62 .4 )x (4 .75 )5

32 .17 x550 =22.3 HP

Aplicando el método rápido: (Uso de tabla 10.3 , pag 295)

Para velocidad v=0.4 pie/s, viscosidad hasta 25000 cp, para 1000 Gl, corresponde

5HP/56 RPM

Para 5000 Gl será:

5000 .Gl1000 .Gl

x5HP=25HP

2. Para un agitador de 6 palas curvas de turbina instalado centralmente en un tanque

vertical de 6 pies de diámetro, con una turbina para agitación de 2 pies de diámetro,

situada a 2 pies por encima del fondo del tanque. Las palas tienen un ancho de 6

pulgadas. El tanque está lleno hasta una altura de 6 pies con una solución caustica, a

150°F, que tiene una viscosidad de 120 cp y una densidad de 90 lb/pie3. La turbina

gira a 90 rpm y el tanque está provisto de 4 placas deflectoras. ¿Qué potencia se

requiere para la agitación del mezclador?

SOLUCION

Nre= N .D2 . ρμ =

(90/60 ) rps∗22 pie2∗70 .lb / pie3

120 .cp∗2.42 .( lb . pie /hr )/cpx1

3600 . s /hr = 5207

P= Np .ρ .N 3 .D5

gc

Np = Numero de potencia se ubica en la figura 10.5 con curva 7 y Nre de 5207.

Np = 4 (aproximado)

P=4∗70∗(1.5)3 x 25

32 .17=940

P=1 .7HP

3. ¿Cuál será la potencia requerida para la operación del mezclador si no tuviera placas

deflectoras?


SOLUCION

Cuando no hay deflectores interviene el número de Fraude, NFr para corregir el Np.

Np=Npo xN Frm

N Fr=N2 .D

gc

,

N fR=(90/60 )2∗232.17

=0 .14

Leer en la fig. 10.5, (5) (pag. 291): turbina impeller, six straight blades, without baffles

(impelentes de turbina de 6 palas rectas sin deflectores): Npo = 1.1 aproximadamente,

m=a−log10 Nre

b

Para tanques sin deflectores: a = 10, b = 40

m=1.0−log10 6954340

=−0 .096

Np = 1.1 x 0.14-0.096

P=1 .3285 x70 x (90 /60 )3 x 25

32 .17 = 312pie.lb/s

P = 0.568 CV

4. Suponga que el mezclador del ejemplo 1 se va a utilizar para mezclar un látex de

caucho que tiene una viscosidad de 12000 cp y una densidad de 70 lb/pie3 . ¿Qué

potencia será necesaria?

SOLUCION

Nre= D2 .N . ρμ

=22 x (90 /60 ) x70

12000 x2 .42x1

3600 =52.1

En la figura 10.5 c, curva 5, Np = aprox. 6

P=6 x70 x 1.53 x 25

32 .17=1410

pie.lb/s (2.56 CV)


PROBLEMAS PROPUESTOS

Resuelva los problemas 1, 5, 6 y 7 propuestos al final del capitulo de AGITACION Y

MEZCLA DE LIQUIDOS del libro: Operaciones Básicas de Ingeniería Química de McCabe

–Smith.

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