DISEÑO DE EQUIPOS

1. DISEÑO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR PARA EL

CALENTAMIENTO DEL FENOL

BALANCE DE ENERGÍA EN EL INTERCAMBIADOR

DISEÑO PRELIMINAR

a.- La información para las resistencias térmicas, tomadas de las tablas ………….,

…………..y…………….

rgas = 0.045

ragua = 0.004

RT = 0.045 + 0.004 = 0.049

Entonces: = = = 2

1 120 ( :..............)

0.0049 . .ºT

BTUU oTabla

R hr ft F Tabla Nº8 945DQ

b.- Por un balance de energía, considerando al amoniaco a su temperatura media de 170ºF y a 83

Psi.

2

11952pie

lb

=µ 0.012cp (Fig. 15) Pag 930 DQ

= 0.017. .ºBTU

Khr ft F

(Tabla Nº 4) 906 DQ

= 0.53.ºBTU

Cplb F

(Fig. 2) 909 DQ

3

2

209.0

6301545

1711952

ft

lb

RRlbmol

lbpie

lbmol

lb

pie

lb

RT

PM

f

=

×

×

×

==ρ R, pag 710 DQ

El balance conduce a:

= −2 1( )o

g g gQ mCp T T

= − =9870 (0.53 )(245 95)º 785,000.ºg

lb BTU BTUQ F

hr lb F hr

c.- La diferencia de temperatura es: Amoniaco =150 ºC

Agua =10 ºC

Gráfica Nº 1: Distribución de Temperatura para Enfriar

Amoniaco Seco con Agua de Mar

Y de acuerdo con la caída de Temperatura Media Logarítmica:

−−

−−−=∆

34

12

3412

ln

)()(

TT

TT

TTTTTL

NH3

H·2O

95 ºC

245 ºC

85 ºC

95 ºC

−−

−−−=∆

8595

95245ln

)8595()95245(LT

−∆ = =

____ 150 1051.8º

150ln

10

LT F

d.- El área provisional por el método rápido es:

LTU

QA

∆×=

8.51*20

785000=A

= 2760A ft

En vista de que el área es grande, (> de 100 ft2), será necesario utilizar un intercambiador de

casco y tubo.

DISEÑO RIGUROSO:

1. Propiedades físicas de los fluidos. Se tomarán las del amoniaco y agua a sus

temperaturas medias, ya dadas en el diseño rápido.

2. Resistencias a las incrustaciones de los fluidos:

NH3, gas =0.001 (Tabla: 11.2)

H2O de mar =0.002 (Tabla: 11.2)

3. Curso de los Fluidos:

Lado de tubos: Agua de Mar

Lado del casco: NH3, gas

4. = 40U : Se supone y se calcula el área en un 1º Tanteo:

= 78500040 51.8

Ax

= 2380A ft

5. Tubos: Los tubos son de las características siguientes: L=8’, 3/4’’ OD, lb BWG,

arreglo triangular con Pt=15/16 ’’. (Tabla: 9) pag 947 DQ

6. Determinación del Nº de tubos, Nt:

Tubo de ¾’’ OD= 0.1963 ft2/ft lineal (Tabla: 10) 948 DQ

Un tubo, a.t = 0.1963x8 = 1.6 ft2/tubo

= = 380, 1.6tA

Na t

= 237tN tubos

De la Tabla 9, para 237 tubos se requiere un intercambiador 1-4 con placas de tubos fijos y

que alberga 266 tubos. El diámetro del casco corresponde a 19 ¼ ’’. Entonces el área

disponible es:

= 266 1.6dA x

= 2452dA ft

7. Se escogen 4 pasos en el lado de los tubos.

8. Se calcula el factor térmico, Ft para justificar el Nº de pasos en el lado del casco:

−=−

1 2

2 1

T TR

t t−=−

2 1

1 1

t tP

T t

−=−

245 9595 85

R−=−

95 85245 85

P

= 15R = 0.0625P

GRAFICO Nº 2: FACTORES DE CORRECCIÓN MLTD PARA INTERCAMBIADORES 1-2

FT

R=150.837

De la Fig. 18 933 DQ con P=0.0625 y R=15 se tiene que Ft=0.837. Este último justifica que

efectivamente se puede usar un paso en el lado del casco.

9. El intercambiador estándar elegido es:

Tipo: Casco y Tubo.

Placa de Tubos: Fija.

Nº de Tubos en el Haz: 266.

Tubos de ¾ ’’ OD en arreglo triangular.

Pt = 15/16’’

10. Determinar el ih para los tubos con circulación de agua de mar: De la Tabla 10: el

área

a’,t = 0.302 pulg2 ( área de flujo/tubo) y el área de flujo en el haz:

ttN at

an

. '144.

=

tx

ax

266 0.302144 4

=

ta ft20.140=

La velocidad másica se obtiene conociendo previamente el flujo másico del agua:

H OQ

Cpt tm 2

0

2 1( )=

−

H O xm 2

0 7850001 (95 85)

=−

H Olbhrm 2

078500=

Entonces:

H Ot

t

mG

a2=

tG785000.14

=

tlb

Ghr ft2

560000.

=

0.0625 P

Y la velocidad lineal del agua será entonces:

tGu3600.ρ

=

ux

5600003600 62.4

=

u ft seg2.5 / .=

Como la velocidad es superior a la mínima recomendada se continúa el procedimiento. La Tº

media de agua es:

tm = 90ºF, y de la Fig. 25 940 DQ con los siguientes datos:Tubos de ¾” OD

tm = 90ºF

seg

pie5.2=µ

Se obtiene que el coeficiente para el agua en los tubos, ih = 660 Btu/hr.pie2.ºF

11. Se determina ahora el coeficiente de película para el fluido en el lado del casco, oh .

Para ello calcular la velocidad masica en dicho lado:

s

gs a

mG

°=

amoniacodehr

lbm g 9870=° Seco

:pordadocascodelladoelenflujodeláreaa s=

t

ss P

EeDa

.144

..=

"937.016

15

)tan("12

"1875.016

3

4

3

16

15

4

3

"25.19int

==

=

==−=−=

==

t

t

s

P

dardescriterioE

Pe

rercambiadodelcascodelDiametroD

937.014412"1875.0"25.19

×××=sa

23208.0 piea s=

Y la velocidad masica:

3208.0

9870=sG

2.30767

piehr

lbGs =

El Nº de reynolds para el flujo en el lado del casco es:

µse

RE

GDN =

piesFigDeDe 0458.012

55.0)28.("55.0 ===

PAG 943 DQ

2.30767

piehr

lbGs =

hrpie

lb

cpiehr

lbm

ccp

pp .029.0

1.

42.2012.0012.0 =×==µ

Luego, en la ecuación (l):

029.0

307670458.0 ×=REN

48590=REN

De la Fig. 28 , hj =130, y el coeficiente de película, oh :

14.03/1

=

w

p

eHo k

C

D

kjh

µµµ

( )0.1017.0

029.053.0

0458.0

017.0130

3/1

×

=oh

( )97.00458.0

017.0130

=oh

Fpiehr

Btuho .º.

472

=

12. Calculo del coeficiente total conduce a:

o

oi

oi

ii

o

o hr

D

Dr

Dh

D

u

11 ++

+

×=

47

1001.0

62.0

75.0002.0

62.0660

75.01 ++

+

×=

ou

0213.0001.000240.0001835.01 +++=ou

Fpiehr

Btuuo .º.

8.372

=

13. El área requerida es:

Lto TFu

QA

∆××=

8.51837.08.37

785000

××=A

2479 pieA=

En vista de que el área disponible es inferior al área calculada, se debe repetir el

procedimiento, en un segundo tanteo:

a. Se asume 30=ou

b. Se calcula el área provisional requerida:

8.5130

785000

×=A

2505 pieA=

c. Se determina el Nº de tubos:

6.1

505=tN

tubosNt 315=

d. Empleando el mismo intercambiador 1-4, con placa de tubos fijo, se requerirá

un casco 21 ¼” de diámetro y con un actual de tubos de ¾” OD con 315

tubos.

e. Calculo de ih :

4144

302.0332

××=ta

2174.0 pieat =

Entonces:174.0

78500=tG

2.451149

piehr

lbGt =

Y la velocidad sería: 4.623600

451149

×=µ

seg

pie0.2=µ

Como la velocidad del agua de mar debe ser superior a la mínima recomendada y

con el fui de dar seguridad al diseño; se repite el procedimiento, en un tercer

tanteo, con un Nº mayor de pasos en el lado de los tubos.

a. Considerar el mismo 30=ou

b. Entonces el requerimiento del área sigue igual a 2505 pieA=

c. El número de tubos requerido, de la tabla, es tubosNt 315=

d. Si se emplea ahora un intercambiador 1-8, el número actual de tubos es 332, y

el casco tendrá un diámetro de 23 ¼”.

e. Para el calculo de ih , se tendrá:

8144

302.0332

××=ta

2087.0 pieat =

Entonces:087.0

78500=tG

2.902299

piehr

lbGt =

Y la velocidad sería:

4.623600

902299

×=µ

seg

pie0.4=µ

De la Fig. 25 940 DQ, resulta que Fpiehr

Btuhi .º.

9702

=

f. El calculo de oh conduce a:

937.0144

121875.025.23×

××=sa

2388.0 piea s=

Y la velocidad masica:

388.0

9870=sG

2.25438

piehr

lbGs =

El Nº de reynolds para el flujo en el lado del casco es:

µse

RE

GDN =

piesFigDeDe 0458.012

55.0)28.("55.0 ===

2.25438

piehr

lbGs =

hrpie

lb

cpiehr

lbmc

cp

p

p .029.0

1.

42.2012.0012.0 =

×==µ

Luego:

029.0

254380458.0 ×=REN

40174=REN

De la Fig.28, Hj =120, y el coeficiente de película, oh :

14.03/1

=

w

p

eHo k

C

D

kjh

µµµ

( )0.1017.0

0029.530.0

0458.0

017.0120

3/1

=oh

( )97.00458.0

017.0120

=oh

Fpiehr

Btuho .º.

2.432

=

g. El coeficiente total será:

o

oi

oi

ii

o

o hr

D

Dr

Dh

D

u

11 ++

+

×=

2.43

1001.0

62.0

75.0002.0

62.0970

75.01 ++

+

×=

ou

0231.0001.000240.000125.01 +++=ou

Fpiehr

Btuuo .º.

362

=

h. El área requerida es entonces ahora:

Lto TFu

QA

∆××=

8.51837.036

785000

××=A

2503 pieA=

Si se compara esta área con la disponibilidad en la unidad:

2)6.1332( pieA ×=

2532 pieA=

Esto quiere decir que hasta el momento, el intercambiador propuesto en el

tercer tanteo (Ds=23 ¼”; 1-8; Nt=332 tubos) es satisfactorio.

i. Se calcularan las caídas de presión:

LADO DE LOS TUBOS:

µti

tRE

GDN =,

piesDi 0517.012

62.0"62.0 ===

2.902299

piehr

lbGt =

hrpie

lb

cpiehr

lbm

ccp

pp .99.1

1.

42.282.082.0 =×==µ

99.1

9022990517.0,

×=tREN

23500, =tREN

ti

tt SD

nLGfP

φ×××××××=∆

10

2

1022.5

( )26.lg

00022.02

2

FigDepu

pief = 941 DQ

2.902299

piehr

lbGt =

00.1

00.1

0517.0

8

8

=====

S

piesD

pasosn

pieL

t

i

φ

Remplazando:

0.10.10517.01022.5

8890229900022.010

2

×××××××=∆ tP

PsiPt 2.4=∆

Y en los canales de retorno:

=∆

144

4.62

2

42

g

u

s

nPr

( )433.02.322

40.184 2

×

×=∆ rP

PsiPr 4.3=∆

Luego la caída de presión total en el lado de los tubos será:

rtT PPP ∆+∆=∆

4.32.4 +=∆ TP

PsiPT 6.7=∆

Como la caída de presión que se permite en este lado es de 10 Psi, entonces el

valor obtenido de 7.7 es satisfactorio.

LADO DEL CASCO:

S

sss SDe

NDGfP

φ..1022.5

)1('..10

2

××+=∆

El Nº de reynolds para el flujo en el lado del casco es:

µse

RE

GDN =

029.0

254380458.0 ×=REN

40174=REN

Entonces:

( )29.lg

0016.02

2

FigDepu

pief = 944 DQ

2.25438

piehr

lbG =

)(,00335.04.62

209.0

00.1

812

8128

)12()1(

94.112

25.23

0458.012

55.0

aguaalrespectoS

LN

pieD

pieD

s

e

==

=

=×==+

==

==

φ

00.100335.00458.01022.5

894.1254380021.010

2

×××××××=∆ sP

PsiPs 01.2=∆

Esta caída también es satisfactoria.

j. Ahora se confecciona la HOJA DE ESPECIFICACIONES

k. DIAGRAMA DEL INTERCAMBIADOR

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA

INTERCAMBIADOR DE CALOREspecificaciones de Diseño

Planta: Para el Enfriamiento de Amoniaco Seco con Agua de MarDiseñista: Fecha: 22/07/05

Nombre y detalle Nº: Intercambiador de Calor de Casco y Tubo E-100Función: Enfriar el Amoniaco Seco con Agua de MarOperación: ContinuaNúmero de unidades requeridas: 01 Uso regular: 01 Reserva: 0

Datos De DiseñoLado del Casco Lado del Tubo

Fluido: NH3 seco H2O de marCaudal(lb/hr): 9870 78500Temperatura de entrada(ºF): 245 85Temperatura de salida(ºF): 95 95Presión de operación(Psia): 83 83Densidad(lb/pie3): 0.209 0.2532Capacidad Calorífica(Btu/lb.ºF): 0.53 1Calor latente(Btu/lb): 240 950Conductividad térmica(Btu/hr.pie.ºF): 0.017 0.358Viscosidad(lb/hr.pie): 0.029 1.99Peso Molecular: 17 18Número de Pasos: 8 8

Caída de presión(Psia): Calculado: 2.01 7.6

Diseño: 3 10

Resistencia de incrustación: 0.001 0.002Calor Transferido (Btu/h):785000 LMTD: 51.8 ºF Uo global: Calculado: 36 Btu/hr.pie2.ºF Diseño: 30 Btu/hr.pie2.ºFÁrea de transferencia de calor: Calculada: 505 pie2 Diseño: 760 pie2

ConstrucciónPresión máxima de operación: Casco: 3 Psi Tubos: 10 PsiTemperatura máxima de operación: Casco: 245 ºF Tubos: 95 ºFTipo de intercambiador: Intercambiador de calor de Casco y TuboTubos: Disposición: Triangular Número: 332 OD: ¾” BWG: 16 Longitud: 95ºF Material de Construcción: Monel 400Casco: Ds: 23 ¼” Espesor: 0.1875” Material de construcción: Monel 400 Pantallas: Tipo: Segmentos Número: 8 Separación: 12”Acoplamiento: Casco: Entrada: Salida: Tubos: Entrada: Salida:Aislamiento: Tipo: Ninguno Espesor: Ninguno

Ing. Román J. Calderón Cárdenas

PROBLEMA Nº 2: Se desea calentar 9820lb/hr de benceno desde 80º F a 120º F para el

efecto se emplea tolueno caliente a 160º F que puede enfriarse hasta 100º F. Los pesos

específicos de amabas sustancias sonde 0.88 y 0.87, es decir, aproximadamente iguales a

0.88. La resistencia a la incrustación para cada fluido se fija en 0.001. La caída de

presión permisible para cada fluido se fija en 0.001. La caída de presión permisible para

cada fluido es de 10 Psi. Se dispone de tubos de 2”x 1 41 ” IPS y de 20 pies de longitud.

¿Qué tipo de cambiador de calor se requiere para esta operación?

Solución:

DISEÑO RÁPIDO

Necesitamos saber el área de transferencia requerida, por lo que usamos la siguiente

ecuación:

LD TU

QA

∆= (1)

1. Cálculo de Q:

BBB TCpmQ ∆××=º

(2)

Donde:

hrlb

Bm 9820º

=

FTB º40)80120( =−=∆

1.1. Cálculo de BCp :

FtBenceno promedio º1002

80120, =+=

Hallando Cp del benceno a partir de la figura 2, en función a la Ft promedio º100= ,

se obtiene:

FL bB T U

BC p º4 2 5.0=

Reemplazando en la ecuación (2), se obtiene:

h rB T U

FL bB T U

h rl b FQ 1 6 7 0 0 01 6 6 9 4 0º4 04 2 5.09 8 2 0 º ≈=××=

2. Cálculo de LT∆ :

1

2log3.212

tt

Ltt

T∆

∆

∆−∆=∆ (3)

Construimos la siguiente tabla de información:

TABLA Nº 1: DIFERENCIA DE TEMPERATURAS ENTRE EL FLUIDO CALIENTE Y FRÍO

FLUÍDO Alta Temperatura Baja TemperaturaCaliente Tolueno 160 100Frío Benceno 120 80

)(º Ft∆ 402 =∆t 201 =∆t 2012 =∆−∆ tt

FUENTE: Resultados obtenidos por el grupo

Por lo tanto, remplazando datos en la ecuación (3):

FT L º8.28log3.2

2040

204 0

=−=∆

3. Cálculo de DU

Por un diseño rápido (Ref:………………..

10

111

hhU D

+= (4)

Remplazando datos en la ecuación (4):

012.0003.0009.0300

1

112

11 =+=+=DU

90=DU FhrpieBTU

º2

Remplazando datos en la ecuación (1), el área de transferencia requerida sería:

p i e sF

AFh r p i e

B T U

h rB T U

6 44 2 9.6 4º8.2 89 0

1 6 7 0 0 0

º2

≈=×

=

En vista de que le área es pequeña, se debe usar un intercambiador de doble tubo.

DISEÑO RIGUROSO

1. El curso de los fluidos se selecciona de acuerdo a:

Por el tubo circulará: Benceno, (º

m = 9820 hrlb

, área: 9277 pulg2)

hrlbm 9820

º

=

2

º

2

22 lg927748.9276

1

lg14442.64 pu

pie

pupieA ≈=×=

Por el anillo circulará: Tolueno, (º

m = 6330 hrlb

, área:9284 pulg2)

1.1. Cálculo del flujo másico del tolueno es:Usando la ecuación (2), se obtiene:

tt TCp

Qm

∆×=

º(5)

1.1.1. Cálculo de tT∆ :FTt º60100160 =−=∆

1.1.2. Cálculo de tCp :

FtTolueno promedio º1302

160100, =+=

Hallando Cp del benceno a partir de la figura 2, en función a la Ft promedio º130= , se obtiene:

FL bB T U

tC p º4 4.0=

Remplazando datos en la ecuación (5):

hrlb

t

t

m

m

6330

)100160(44.0

167000

º

º

=

−=

1.2. Cálculo de Q para el Tolueno, en la ecuación (2):

ttt TCpmQ ∆××=º

h rB T U

FL bB T U

h rl b FQ 1 6 7 1 1 2º6 04 4.06 3 3 0 º =××=

1.3. Cálculo de Área de transferencia para el tolueno en la ecuación (1):

p i e sF

AFh r p i e

B T U

h rB T U

6 44 7.6 4º8.2 89 0

1 6 7 1 1 2

º2

≈=×

=

2

º

2

22 lg928468.9283

1

lg14447.64 pu

pie

pupieA ≈=×=

2. El coeficiente de película para el lado de tubo ih (Benceno), es:2.1. Cálculo de TG :

t

BT a

mG

º

= (6)

2.1.1. Cálculo de ta : 2

4 it Daπ= (7)

Como el diámetro de la tubería debe darse o suponerse, entonces en nuestro caso los datos se encuentran en la tabla 11:

Para el DI (diámetro interior) de la tubería de 1 41 ” IPS

lg38.1 puDi =

piepu

piepuDi 115.0

lg12

1lg38.1 =×=

Reemplazando en la ecuación (7):

( ) 22 0104.0115.04

piepieat == π

Por último reemplazando en la ecuación (6), los datos obtenidos:

294 42 3176.94 42 300 104.0

98 202 h rp ie

lbh rlb

T p ieG ≈==

2.2. Cálculo de ReN :

B

Ti GDN

µ×

=Re (8)

2.2.1. Cálculo de µ par el benceno, en función a la Ft promedio º100= , en la gráfica 14 y considerando lasa coordenadas respectivas; se obtiene:

cpB 50.0=µ

hrpielbhrpie

lb

B cpcp 21.142.250.0 =×=µ

Reemplazando datos en la ecuación (8), se tiene:

9 4.8 9 7 4 02 1.1

9 4 4 2 3 11 1 5.0 2

R e =×

=h rp ielb

h rp ielbp ie s

N

2.3. Cálculo de ih :

Como el 1 0 0 0 0R e⟩N , es decir se trata de un flujo turbulento: por tanto usamos la

relación de Sieder & Trate

( ) ( ) 31

Pr8.0

Re027.0 NND

khi

= (9)

2.3.1. Cálculo de k :Usando la tabla 4, en función a la Ft promedio º100= , se tiene:

ºF

k

86

0.092

100

k

140

0.087

Obteniéndose: pieFB hrpie

BTUk

º20907.0=

2.3.2. Cálculo de PrN :

k

CpN

µ=Pr

Reemplazando los datos anteriores, se obtiene:

6 7.50 9 0 7.0

2 1.14 2 5.0

º2

ºP r =

×=

p ieFh rp ie

B T U

h rp ielb

FlbB T U

N

Remplazando los datos obtenidos en la ecuación (9):

( ) ( ) 31

º2

67.594.89740115.0

0907.0027.0 8.0

=

pieh pie

FhrpieBTU

i

Fhrp ieB TU

ih º23 4 82 2.3 4 8 ≈=

3. El coeficiente de película en el lado del anillo 0h , para el tolueno:

3.1. Cálculo de aG :

a

aa a

mG

º

= (10)

Donde:

an illode lltra n sv e rsac ió nladeÁ reaa

to lu enod e lm as icoF lu jom

a

h rlb

a

se c

6 3 3 0º

=

==

3.1.1. Cálculo de aa :

( )21

224

DDaa −= π(11)

Como los diámetros de la tubería deben darse o suponerse, entonces en

nuestro caso los datos se encuentran en la tabla 11:

Para el DE (diámetro exterior) de la tubería de 1 41 ” IPS

lg66.11 puD =

piespu

piepuD 138.0

lg12

1lg66.11 =×=

Como los diámetros de la tubería deben darse o suponerse, entonces en

nuestro caso los datos se encuentran en la tabla 11:

Para el DI (diámetro interior) de la tubería de 2” IPSlg067.22 puD =

piespu

piepuD 172.0

lg12

1lg067.22 =×=

Remplazando datos en la ecuación (11):

( ) 2222 00827.0138.0172.04

piepieaa =−= π

Por último reemplazando en la ecuación (10), los datos obtenidos:

27 6 7 0 0 01 7.76 5 4 1 70 0 8 27.0

6 3 3 02 hrp ie

lbhrlb

a p ieG ≈==

3.2. Cálculo de ReN :

t

ae GDN

µ×

=Re (12)

3.2.1. Cálculo de µ par el tolueno, en función a la Ft promedio º130= , en la gráfica 14 y considerando lasa coordenadas respectivas; se obtiene:

cpt 41.0=µ

hrpielbhrpie

lb

t cpcp 99.042.241.0 =×=µ

3.2.2. Cálculo del eD :

1

21

22

D

DDDe

−=

( )pies

pie

pieDe 0763.0

138.0

138.0172.0 222

=−

=

Reemplazando datos en la ecuación (12), se tiene:

2 3.5 9 1 1 39 9.0

7 6 7 0 0 00 7 6 3.0 2

R e =×

=h rp ielb

h r p ielbp ie s

N

3.3. Cálculo de 0h :

Como el 1 0 0 0 0R e⟩N , es decir se trata de un flujo turbulento: por tanto usamos la

relación de Sieder & Trate

( ) ( ) 31

Pr8.0

Re0 027.0 NND

kh

e

= (13)

3.3.1. Cálculo de k :Usando la tabla 4, en función a la Ft promedio º130= , se tiene:

ºF

k

86

0.086

130

k

167

0.084

Obteniéndose: pieFt hrpie

BTUk

º20849.0=

3.3.2. Cálculo de PrN :

k

CpN

µ=Pr

Reemplazando los datos anteriores, se obtiene:

1 3.50 8 4 9.0

9 9.04 4.0

º2

ºP r =

×=

p ieFh rp ie

B T U

h rp ielb

FlbB TU

N

Remplazando los datos obtenidos en la ecuación (13):

( ) ( ) 31

º2

13.523.591130763.0

0849.0027.0 8.0

=

pieh pie

FhrpieBTU

i

Fhrpie

BTUih º234025.340 ≈=

4. El coeficiente total ( DUU =0 ) se calcula por:

00

111

0

11

hr

DK

DX

D

Dr

Dh

D

U mW

W

ii

ii

++++= (14)

4.1. Calculó de mD :

126.01265.02

115.0138.0

21 ≈=+=

+= i

m

DDD

4.2. Calculó de WX :Por dato se obtiene que 0115.0=WX

4.1. Calculó de WK :Por dato se obtiene que 30=WK

Reemplazando datos en la ecuación (14), tenemos:

330

1001.0

126.030

138.00115.0

115.0

138.0001.0

115.0346

138.01

0

++×

×++×

=U

0.003030.0010.000420.00120.003461

0

++++=U

00911.01

0

=U

Fhrp ieB TUU

ª0 21 1 07 6.1 0 9 ≈=

5. Por lo tanto el área requerida es:

Empleando la ecuación (1), y reemplazando datos se tiene:

2

ª

7 1.5 2º8.2 81 1 0

1 6 7 0 0 0

2

p i eF

AFh r p ie

B T U

h rB T U

=×

=

Como los cálculos se han hecho en base al área exterior del tubo interior, se tiene que

un tubo de 1 41 ” IPS en la tabla 11, se dispone de:

0.435pie

pie 2

Entonces la longitud del intercambiador debe ser:

linealespiespie

Lpiepie

12117.121435.0

71.522

2

≈==

Luego si se dispone la longitud total en arreglos de horquillas de 20 pies de longitud en

serie cada uno necesitaran 3 horquillas

Si se hubiera usado el criterio de LU , (coeficiente limpio) con la fig: ………… se

hubiera tenido lo siguiente:

346=ih , y con 3300 =h , se lee un 160=LU

Si a este coeficiente se le añade lasa respectivas resistencias a la incrustación:

00

11rr

UU iL

++=

Entonces:

001.0001.0160

11

0

++=U

00825.0002.000625.01

0

=+=U

Fhrpie

BTUUª0 212121.121 ≈=

Y el área requerida habría sido, empleando la ecuación (1), y reemplazando datos se tiene:

LTU

QA

∆=

0

2

ª

4 89 2.4 7º8.2 81 2 1

1 6 7 0 0 0

2

p i eF

AFh r p i e

B T U

h rB T U

≈=×

=

La longitud total L:

linealespiespie

Lpiepie

11034.110435.0

482

2

≈==

Que también tendrían que arreglarse con 3 horquillas con 120 pies.

6. Las caídas de presión se calculan para cada lado:

6.1. Lado de anillo:( tolueno)

´

2

72 e

aa Dg

LGfP

××××

=∆ρ

(15)

6.1.1. Cálculo de f :f = Para tuberías comerciales se estima de:

42.0Re)(

264.00035.0

Nf += (16)

6.1.1.1. Cálculo de ReN :

t

ae GDN

µ×

=´

Re

2 6 8 0 07 8.2 6 7 0 2 89 9.0

7 6 7 0 0 00 3 4 5.0R e ≈=

×=

h r p i el b

h rl bp i e

N

Reemplazando en la ecuación (16), se tiene:

0071.0

0036.00035.0)26800(

264.00035.0

42.0

=

+=+=

f

f

6.1.2. Cálculo de ρ :aguaPe ρρ ×=

33 9 1.5 44.6 28 8.0p ie

lb

p ie

lb =×=ρ

6.1.3. Cálculo de ´eD :

12´ DDDe −=

pieDe 0345.0138.01725.0´ =−=

6.1.4. Cálculo de L:Consideramos la longitud total:

)(121 totallongitudpiesL =

6.1.5. Cálculo de g :

22

2

2

810173.436002.32hrlb

lbpie

hr

seg

seglb

lbpie

ffg ×=×=

Reemplazando en la ecuación (15), todos los datos anteriores:

( ) 28lg

2

lg8 7 9.8

0 3 4 5.09 1.5 41 01 7 3.47 2

1 2 17 6 7 0 0 00 0 7 1.0

322

2

42

2

p u

lb

p ie s

p ie sP f

p ielb

h r

p ie

p ielb

lb p u

p ieh rlb

a

f

=××××

××=∆

PsiPa 9=∆Si se considera las pérdidas en las entradas y salidas de cada horquilla, se tiene que:

=∆

ρ144

1

2

2´

g

VnPa (17)

Como: 3600

aGV = (18)

Reemplazando datos en la ecuación (18), se tiene que:

2

2

0 6.2 1 33 6 0 0

7 6 7 0 0 0se g p ielb

h rs eg

p ieh rlb

V ==

Reemplazando datos en la ecuación (17), se tiene que ´aP∆ es:

( ) 2lg

2

´

lg27.0

91.54144

1

2.322

06.2133

32

2

2

42

2

pu

lbP f

p ielb

p ielb

lb puseg

pie

p ieseglb

a

f

=

×

×=∆

PsiPa 27.0´ =∆

Por lo tanto, el valor de aP∆ total para el tolueno es:

´aaa PPP ∆+∆=∆ (19)

Reemplazando los datos anteriores en la ecuación (19)

PsiPa )27.09( +=∆PsiPa 27.9=∆

6.2. Lado del tubo interior:( benceno)

i

Ta Dg

LGfP

××××

=∆ρ72

2

(20)

(20)

6.2.1. Cálculo de f :f = Para tuberías comerciales se estima de:

Usando la ecuación (16)

42.0Re)(

264.00035.0

Nf +=

6.2.1.1. Cálculo de ReN :

B

Ti GDN

µ×

=Re

9 4.8 9 7 4 02 1.1

9 4 4 2 3 11 1 5.0R e =

×=

h r p i el b

h rlbp i e

N

Reemplazando en la ecuación (16), se tiene:

0057.0

0022.00035.0)94.89740(

264.00035.0

42.0

=

+=+=

f

f

6.2.2. Cálculo de ρ :aguaPe ρρ ×=

33 9 1.5 44.6 28 8.0p ielb

p ielb =×=ρ

6.2.3. Cálculo de iD :piesDi 115.0=

6.2.4. Cálculo de L:Consideramos la longitud total:

)(121 totallongitudpiesL =

6.2.5. Cálculo de g :

22

2

2

810173.436002.32hrlb

lbpie

hr

seg

seglb

lbpie

ff

g ×=×=

Reemplazando en la ecuación (20), todos los datos anteriores:

( ) 28lg

2

lg2 4.3

1 1 5.09 1.5 41 01 7 3.47 2

1 2 19 4 4 2 3 10 0 5 7.0

322

2

42

2

p u

lb

p ie s

p ie sP f

p ielb

h r

p ie

p ielb

lb p u

p ieh rlb

a

f

=××××

××=∆

PsiPT 24.3=∆

Si se considera las pérdidas en las entradas y salidas de cada horquilla, se tiene que:

=∆

ρ144

1

2

2´

g

VnPT (21)

Como: 3600

TGV = (22)

Reemplazando datos en la ecuación (22), se tiene que:

2

2

2 8 6.2 6 23 6 0 0

9 4 4 2 3 1seg p ielb

h rs eg

p ieh rlb

V ==

Reemplazando datos en la ecuación (17), se tiene que ´TP∆ es:

( ) 2lg

2

´

lg405.0

91.54144

1

2.322

286.2623

32

2

2

42

2

pu

lbP f

p ielb

p ielb

lbpuseg

p ie

p ieseglb

T

f

=

×

×=∆

PsiPT 405.0´ =∆

Por lo tanto, el valor de TP∆ , para el tolueno es:´TTT PPP ∆+∆=∆ (19)

Reemplazando los datos anteriores en la ecuación (19)

PsiPT )405.024.3( +=∆PsiPT 645.3=∆

Como la caída de presión en cada caso satisface el límite recomendado de:PsiPP aT 10=∆=∆ , entonces el diseño es correcto.UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICADEPARTAMENTO DE INGENIERÍA

Intercambiador de CalorEspecificaciones de Diseño

Planta : Para el calentamiento de benceno con tolueno

Diseñista : Bruno, Inga, Loyola

Nombre y Detalle: Intercambiador de calor con doble tubo con 3 horquillas en serie E-

Función : Calentamiento de benceno a partir del tolueno caliente

Operación : Continua

Número de unidades requeridas: Uso regular: 1 Reserva: Ninguno

Datos de Diseño

Anulo Tubo Interior

Fluido: Tolueno BencenoCaudal(lb/hr): 6330 9820Temperatura de entrada(ºF): 160 80Temperatura de salida(ºF): 100 120Presión de operación(Psia): 14.7 14.7Densidad(lb/pie3): 54.298 54.912Capacidad Calorífica(Btu/lb.ºF): 0.44 0.425Conductividad térmica(Btu/hr.pie.ºF): 0.0849 0.0907Viscosidad(lb/hr.pie): 0.99 1.21Caída de presión(Psia): Calculado: 9.27 3.645

Diseño: 10.00 10.00Resistencia de incrustación: 0.001 0.001

Calor transferido: 167000 Btu/hr LMTD: 28.8 ºF

U global: Calculado: 121 Btu/hr pie2 ºF Diseño: 110 Btu/hr pie2 ºF

Área de transferencia de calor: Disponible: 52.71 pie2 Requerido: 48 pie2

Construcción

Presión máxima de operación: Anulo: 10 Psia Tubos: 10 PsiaTemperatura máxima de operación: Anulo: 160 ºF Tubos: 120 ºFTipo de intercambiador: Intercambiador de calor de doble tuno en serieNúmero de horquillas: 3

Tubo interior: Diámetro estándar: 1 41 ” Longitud: 20 pies

Nº de tubos: 6 Cédula: 40Material de construcción: Monel 400

Tubo exterior: Diámetro estándar: 2” Longitud: 20 piesNº de tubos: 6 Cédula: 40Material de construcción: Monel 400

Acoplamiento: Anulo: Entrada: 6 Salida: 6Tubo: Entrada: 6 Salida: 6

Aislamiento: Ninguno Espesor: Ninguno

BIBLIOGRAFIA

• B. V. KARLEKAR; “Transferencia de Calor”; Editorial McGraw-Hill;

Impreso en México1995; Segunda edición; Pág. 685.

• DONALD Q. KERN; “Procesos de Transferencia de Calor”; Editorial

CECSA; Impreso en México; Vigesimosexta Reimpresión 1995. Pág. 1473-860

• FRANK INCROPERA; “Fundamentos de Transferencia de Calor”; Editorial

Prentice Hall; Impreso en México 1996; Cuarta Edición; Pág. 581.

• MAX,S PETERS; “Diseño de Plantas y su Evaluación Económica para

Ingenieros Químicos”; Editorial Geminis S.R.L.; Buenos aires 1978; Impreso

en Argentina.; Segunda Edición.

• PABLO DIAZ BRAVO; “Transferencia de Calor”; Impreso en Perú 1994;

Segunda Edición; Pág. 181.