Condensadores 21

República Bolivariana de VenezuelaMinisterio del Poder Popular para la Educación Universitaria

IUTRC "Dr. Federico Rivero PalaciosIngenieria en Procesos Quimicos

Transferencia de Calor II

Diseño N° 6Condensadores

Prof. Sonia di Silvestre GrupoMichel Campora

Cindy VargasCelmary Lara

Estephany BastidasMaria Oropeza

Km8 Carretera Panamericana. Febrero de 2016

Se desea enfriar 16000 lbm/h de PROPANOL desde 230°F hasta 190°F, para locual se dispone de agua a 80 °F .

Diseñe este intercambiador con las siguientes condiciones:1≤R_CAL/R_EST ≤2 Puede estimar que REST es 0,003 ft2 h °F/BTULa pérdida de carga del fluido principal debe ser menor que 3 psi y la del fluido

secundario menor que 10 psi

DEBE EXPLICAR TODAS LAS ESTIMACIONES QUE CONSIDERE PARA ELDISEÑODatos:

La temperatura de ebullición del fluido principal es 207 °F y su calor latente devaporización es 298 BTU/lbm.

La conductividad térmica de la tubería es 32 BTU/ft h °FPROPIEDAD

TERMODINÁMICAFLUIDO PRINCIPAL AGUA GLICOL

VAPOR LÍQUIDO

ρ (lbm/ft3) 0.122 47.3 62,5 69

Cp (BTU/lbm °F) 0.359 0.730 1 0,54

µ (cp) 0.019 0.702 0,9 20

k (BTU/ft h °F) 0.0092 0.297 0,36 0,15

PROPANOL Agua

Flujo másico del PROPANOL (lbm/hr)

mc 16000lbmhr

:=

Densidad (lbm/ft3)

ρL 47.3lbm

ft3:= ρV 0.122

lbm

ft3:= ρa 62.5

lb

ft3:=

Capacidad calorfica (BTU/lbm °F)

CpL 0.730BTU

lb:= CpV 0.359

BTUlb

:= Cpa 1BTU

lb:=

Vicosidad (lbm/ft hr)

μa 0.9lb

ft hr:=μL 0.702

lbft hr

:= μV 0.019lb

ft hr:=

Conductividad termica de los fluidos (BTU/ft hr °F)

ka 0.36BTUhr ft

:=kL 0.297BTUft hr

:= kV 0.0092BTUft hr

:=

Conductividad termica de la tuberia (BTU/ft hr °F o R)

λ 32BTUft hr

:=

Resistencia Estimada

Rest 0.003hr ft2BTU

:=

Se asume Temperatura de 113 °F Temperatura de ebullición

T 113:= Teb 207:= ºF°FTemperaturas en ºF para elfluido principal

Temperaturas en ºF para elfluido secundario

T1 230:= °F t1 80:= °Ft2 T:= -----------> Temperatura asumidaT2 190:= °F

Calor latente de vaporización

Δhvap 298BTUlbm

:=

En el diseño de Intercambiadores de paso multiple se deben seguir la siguientemetodologia.

Tuberia horizontal

1) Elección del fluido secundario

El fluido secundario en nuestro caso es el agua, porque lo proporciona el ejercicioasignado, el cual es asignado con su temperatura de entrada al sistema y suspropiedades termodinamicas, al igual que el fluido principal.

2) Determinacion del balance de energía

2.1) Calculo de flujo de calor para cada zona y el total

Flujo de calor Zona 1

Q1 mc CpV T1 Teb−( ) 132112BTU

hr=:=

Flujo de Calor Zona 2

Q2 mc Δhvap 4768000BTU

hr=:=

Flujo de calor en la Zona 3

Q3 mc CpL Teb T2−( ) 198560BTU

hr=:=

Flujo de calor cedido por el fluido principal

Qced Q1 Q2+ Q3+ 5098672BTU

hr=:=

2.2) Flujo másico del fluido secundario

ma QcedCpa t2 t1−( )

154505.212lbhr

=:=

Flujo de calor absorbido por el fluido secundario

Qabs ma Cpa t2 t1−( ) 5098672BTU

hr=:=

2.3)Temperaturas intermedias del fluido secundario

Ta Q1ma Cpa

− t2+ 112.145=:= ºF

Tb Q3ma Cpa

t1+ 81.285=:= ºF

3) Elección del Fluido que circulara en el haz de tubos y en la coraza

El fluido que circulara por el haz de tubos sera el fluido frio (Agua), debido a que su caudalmasico es menor, lo cual permite obtener una velocidad favorable para el proceso; mientrasque el fluido principal (Propanol) circulara por la coraza, ya que de esta manera se lograalcanzar una mejor transferencia.

4) Eleccion del Equipo

4.1 Calculo del promedio de la diferencia de temperatura para cada zona , elnumero de pasos en la coraza y/o el numero de intercambiadores.

Cálculo del DT o diferencia de temperatura media logaritmica

Zona 1

Dt1 T1 t2−( ) Teb Ta−( )−

ln T1 t2−( )Teb Ta−( )

105.541=:=

Zona 2

Dt2 Teb Ta−( ) Teb Tb−( )−

ln Teb Ta−( )Teb Tb−( )

109.562=:=

Zona 3

Dt3 Teb Tb−( ) T2 t1−( )−

ln Teb Tb−( )T2 t1−( )

117.683=:=

F 1:= nc 1:= Ni 1:=

Promedio de la diferencia de temperatura del aparato

Dtm QcedQ1Dt1

Q2Dt2

+ Q3Dt3

+109.748=:=

4.2 Estimacion del coeficiente global sucio.

Segun el anexo 6 se estima el coeficiente global sucio tomando en cuenta el fluido principal y elsecundario.

En el anexo 6 entre Tolueno (Hidrocarburo ligero) y Agua el valor de Us= (75-150) Btu/hr ft2 °F

Se elige 110 Btu/ hr ft2 °F

Us 110BTU

hr ft2:=

4.3 Estimación del área promedio de transferencia decalor. (ft2)

A QcedUs F Dtm

422.345 ft2=:=

4.4 Estimación de la velocidad del fluido interno (ft/hr)

Se encuentra entre 1-2 m/segA mayor velocidad mayor transferencia de calor y mayor perdida de cargaA menor velocidad menor perdida de carga y menor transferencia de calor, pero aumenta el poderde incrustación de los fluidos.Se asume velocidad intermedia en el rango de diseño debido a que si se elige muy altasignificaria que el fluido no dispone de mucho tiempo dentro de intercambiador para enfriarse.

V 1.5ms

17716.535fthr=:=

Velocidad asumida enft/hr

νfi V 17716.535fthr

=:=

4.5 Elección de los tubos

Se eligen segun el anexo 2 tomando en cuenta la viscocidad, la presión y el poder corrosivode los fluidos.

Los diametros mas usados estan entre:

3/4" para fluidos poco viscosos1/4" para fluidos muy viscosos

nuestros fluidos son poco viscosos por lo tanto elegimos tubos de diametro externo igual a3/4"el BWG (10-12-14-16-18) es 10 y eso da un diametro interior=1.224 cm.

di 1.224cm( ) 0.04 ft=:=de 3

4in

0.063 ft=:=

4.6 Estimación del número de tubos por cada intercambiador de calor.

Área de Transferencia de la tuberia

At di2 π4 0.001 ft2=:=

ntp

maρa

νfi At110=:=

4.7 Cálculo de la distancia recorrida por el fluido interno en cada intercambiador de calor.

Ni es el numero de intercambiadores a diseñar el cual es igual a 1 y se utilizara un intercambiadorcontracorriente F=1

Longitud recorrida con Dtm

LrA

ntp π de Ni19.524 ft=:=

4.8 Estimacion de la longitud, el numero de pasos lado tubo y el número de tubos encada intercambiador

- La longitud del intercambiador y el numero de pasos en los tubos se estiman a partir delresultado anterior y considerando la longitud de los tubos disponibles en el comercio, las mascomunes son 8,12,16 y 20 ft- El numero de pasos debe ser par a menos que valga 1-Si el numero de pasos es igual a 1 se utilizara un intercambiador contracorriente F=1

L 8ft:= L. Asumido de los disponibles en el mercado

Zona 1

np LrL

2.441=:=

np 2:=

4.8 Estimacion del numero de tubos en cada intercambiador.

Nt ntp np 220=:=

4.9 Estimación del arreglo de los tubos

Para el arreglo de tubos se escoge el arreglo cuadrado porque disminuye la perdida de carga yfacilita el acceso para la limpieza lo cual implica una reduccion de costos al ser más viableeconomicamente.

4.10 Determinacion del paso entre tubos, el numero real de tubos y diametro decoraza

El numero real de tubos se determina con el Nt igual a 220 se aproxima a 270Numero del paso entre tubos P= 1"Diametro de carcasa es igual a 48.9 cm

Número real de tubos

Ntr 270:=

ntpr Ntrnp

135=:=

Dc 54.0cm 1.772 ft=:=

Velocidad recalculada

Vreal

maρa

ntpr At14457.945

fthr=:= Vreal 1.224

ms=

Paso entre tubos

P 1in 0.083 ft=:=

4.11 Estimación del número de chicanas y la distancia entre ellas.

Distancia entre deflectores (ft)

Estimar una buena distancia entre deflectores es importante ya que la funcion de los mismosdurante la operación es evitar la vibración producida por los vórtices inducidos por el flujo.

Se asume B dentro del rango

B 0.8ft:= 1

5Dc 0.354 ft=

Nch LB

1− 9=:=

Dc 1.772 ft=Nch 9:=

B LNch 1+

0.8 ft=:=

4.12 Cálculo del area de transferencia de calor (ft2)

Acal Ntr π de L Ni 424.115 ft2=:=

5) Verificación del equipo desde el punto de vista termico

5.1 Calculo del coef. global sucio

Uscal QcedAcal F Dtm

109.541BTU

hr ft2=:=

5.2 Calculo del coeficiente global limpio

Fluido interno (agua)

Cálculo de la velocidad del fluido interno ft/hr

Gcti 4 ma np

π di2 Ntr903621.539

lb

hr ft2=:=

Ufi Gctiρa

14457.945fthr=:=

Método de Sieder y Tate para fluido interno (Agua)

Prt Cpa μaka

2.5=:=

Refi ρa Vreal diμa

40319.071=:=

Nui 0.027 Refi0.8 Prt

1

3 10.14 177.182=:=

hi Nui kadi

1588.382BTU

hr ft2=:=

Fluido externo Isobutano (Metodo de Kern)

Cálculo del diametro equivalente

Diametro equivalente para el paso cuadrado (ft)

Deq 4P2

πdede− 0.079 ft=:=

Área de paso transversal de la coraza (ft2)

α 1:=act α B Dc

P P de−( ) 0.354 ft2=:=

Velocidad másica transversal en la coraza (lbm/ft2 hr)

Gcte mcact

45155.556lbm

ft2 hr=:=

a) Zona de desobrecalentamiento (1)

Reynold (adim)

Re1 Deq GcteμV

187683.269=:=

Prandalt (adim)

Pr1 CpV μVkV

0.741=:=

Coeficiente de pelicula externo zona de desobrecalentamiento he1

he1 0.36 Re1( )0.55 Pr1( )

1

3 10.14kV

Deq 30.178

BTU

hr ft2=:=

b) Zona de condensación (2)

L2 asumida para calcular Gh, porcentaje de L del condensadorL2 6.446ft:=

Gh mc

Ntr

1

3 L2

384.039lb

hr ft=:=

Re2 4 GhμL

2188.255=:=

coeficiente de pelicula externo por Kickbride

he2 0.0077kL3 ρL2 g

μL2

1

3

Re20.4 613.3BTU

hr ft2=:=

he2 1.5kL3 ρL2 g

μL2

1

3

Re2

1−3 424.49

BTU

hr ft2=:=

c) Zona de Subenfriamiento (3)

Reynold (adim)

Re3 Deq GcteμL

5079.747=:=

Prandalt (adim)

Pr3 CpL μLkL

1.725=:=


he3 0.36 Re3( )0.55 Pr3( )

1

3 10.14kL

Deq 177.326

BTU

hr ft2=:=

Coef. global limpio por zonas (BTU/hr ft2)

Ul1 1

hidedi

de2λ ln de

di

+ 1

he1+

1−28.945

BTU

hr ft2=:=

Ul2 1

hidedi

de2λ ln de

di

+ 1

he2+

1−265.421

BTU

hr ft2=:=

Ul3 1

hidedi

de2λ ln de

di

+ 1

he3+

1−141.82

BTU

hr ft2=:=

Áreas de cada zona

A1 Q1Ul1 Dt1

43.246 ft2=:=

A2 Q2Ul2 Dt2

163.962 ft2=:=

A3 Q3Ul3 Dt3

11.897 ft2=:=

Cálculo del L2

L2cal A2A1 A2+ A3+

L 5.987 ft=:=

Coef. global limpio

Ul A1 Ul1( ) A2 Ul2( )+ A3 Ul3( )+[ ]A1 A2+ A3+( )

212.035BTU

hr ft2=:=

Ul A1 Ul1( ) A2 Ul2( )+ A3 Ul3( )+[ ]A1 A2+ A3+( )

212.035BTU

hr ft2=:=

5.3 Cálculo de la Resistencia de ensuciamiento del equipo

Uscal 109.541BTU

hr ft2=

Rscal 1

Uscal1

Ul− 0.004413

hr ft2BTU=:=

5.4 Estimación de la resistencia usual del tipo de fluidos utilizados

Verificacion de la condicion de diseño Rscal/Reset=1-2

v RscalRest

1.471=:=

6) Verificación del equipo desde el punto de vista hidraulico

6.1 Perdida de carga en los tubos

Fluido interior (AGUA)

fi 0.0028 0.25 Refi 0.32−+ 0.0112=:=

ΔPi np Ufi2 ρafi L

di2+

1.841psi=:=

6.2 Perdida de carga en el fluido externo

Longitud para cadazonaL1 A1

A1 A2+ A3+L 1.579 ft=:=

L2 A2A1 A2+ A3+

L 5.987 ft=:=

L3 A3A1 A2+ A3+

L 0.434 ft=:=

L3 A3A1 A2+ A3+

L 0.434 ft=:=

Número de chicanas para cada zona

Nch1 L1B

1− 0.974=:=

Nch2 L2B

1− 6.483=:=

Nch3 L3B

1− 0.457−=:=

Verificación.

Nch1 1+( ) Nch2 1+( )+ Nch3 1+( )+ 10=

Nch 1+ 10=

a) Zona de desobrecalentamiento (1) f leido anexo 5

Re1 187683.269= f1 0.18:=

ΔPe1 f1 Nch1 1+( )Dc Gcte2Deq ρV

2.219psi=:=


Re2 2188.255= f2 0.2:=

ΔPe2 12

f2 Nch2 1+( )Dc Gcte2Deq ρV

4.673psi=:=


Re3 5079.747= f3 0.18:=

ΔPe3 f3 Nch3 1+( )Dc Gcte2Deq ρL

0.002psi=:=


0.002psi=:=

ΔPe ΔPe1 ΔPe2+ ΔPe3+ 6.893psi=:=

_________________________________________________________________

ARREGLO VERTICAL

Los cálculos previos son iguales para los arreglos vertical y horiizontal. Se procede a calcular laspropiedades que tienen que ver con el arreglo vertical a partil de la zona de condensacion


Gv mcNtr P

711.111lb

hr ft=:=

Re2 4 GvμL

4051.915=:=

coeficiente de pelicula externo por Kickbride

he2 0.0077kL3 ρL2 g

μL2

1

3

Re20.4 784.689BTU

hr ft2=:=


Reynold (adim)

Re3 Deq GcteμL

5079.747=:=

Prandalt (adim)

Pr3 CpL μLkL

1.725=:=


he3 0.36 Re3( )0.55 Pr3( )

1

3 10.14kL

Deq 177.326

BTU

hr ft2=:=

Coef. global limpio por zonas (BTU/hr ft2)

Ul1 1

hidedi

de2λ ln de

di

+ 1

he1+

1−28.945

BTU

hr ft2=:=

Ul2 1

hidedi

de2λ ln de

di

+ 1

he2+

1−372.269

BTU

hr ft2=:=

Ul3 1

hidedi

de2λ ln de

di

+ 1

he3+

1−141.82

BTU

hr ft2=:=

Áreas de cada zona

A1 Q1Ul1 Dt1

43.246 ft2=:=

A2 Q2Ul2 Dt2

116.902 ft2=:=

A3 Q3Ul3 Dt3

11.897 ft2=:=

Ul A1 Ul1( ) A2 Ul2( )+ A3 Ul3( )+[ ]A1 A2+ A3+( )

270.033BTU

hr ft2=:=

Ul A1 Ul1( ) A2 Ul2( )+ A3 Ul3( )+[ ]A1 A2+ A3+( )

270.033BTU

hr ft2=:=

5.3 Cálculo de la Resistencia de ensuciamiento del equipo

Uscal( ) 109.541BTU

hr ft2=

Rscal 1

Uscal1

Ul− 0.005426

hr ft2BTU=:=

5.4 Estimación de la resistencia usual del tipo de fluidos utilizados

5.5 Verificacion de la condicion de diseñoRscal/Reset=1-2

v RscalRest

1.809=:=

6) Verificación del equipo desde el punto de vista hidraulico

6.1 Perdida de carga en los tubos

Fluido interior (Isobuteno)

fi 0.0028 0.25 Refi 0.32−+ 0.0112=:=

ΔPi np Ufi2 ρafi L

di2+

1.841psi=:=

6.2 Perdida de carga en el fluido externo

Longitud para cadazonaL1 A1

A1 A2+ A3+L 2.011 ft=:=

L2 A2A1 A2+ A3+

L 5.436 ft=:=

L3 A3A1 A2+ A3+

L 0.553 ft=:=

Número de chicanas para cada zona

Nch1 L1B

1− 1.514=:=

Nch2 L2B

1− 5.795=:=

Nch3 L3B

1− 0.308−=:=

Verificación.

Nch1 1+( ) Nch2 1+( )+ Nch3 1+( )+( ) 10=

Nch 1+( ) 10=

a) Zona de desobrecalentamiento (1) f leido anexo 5

Re1( ) 187683.269= f1 0.18:=

ΔPe1 f1 Nch1 1+( )Dc Gcte2Deq ρV

2.825psi=:=

b) Zona decondenzación (2)

Re2( ) 4051.915= f2 0.17:=( )

ΔPe2 12

f2 Nch2 1+( )Dc Gcte2Deq ρV

3.607psi=:=


Re3( ) 5079.747= f3 0.18:=


0.002psi=:=

ΔPe ΔPe1 ΔPe2+ ΔPe3+ 6.434psi=:=( )

ΔPe ΔPe1 ΔPe2+ ΔPe3+ 6.434psi=:=( )

_________________________________________________________________( )Análisis de resultados

De acuerdo con los resultados obtenidos anteriormente se puede observar querealizando el diseño de manera horizantal y vertical los mismos arrojaron resultados similares,esto se debe a que las ecuaciones empiricas de cada caso corrigen las diferencias quepuedan haber en la transferencia de calor, sin embargo, se realizaron algunos cambios en elproceso para asegurar que se cumplieran las condiciones exigidas de diseño.Estos cambioscorresponden a la variaión de las propiedades asumidas como por ejemplo la temperatura desalida del fluido secundario (Agua) la cual influye proporcionalmente en la masa del mismo, sitenemos un flujo masico elevado de agua entonces enfriara muy rapido el fluido secundario yla velocidad de transferencia asumida tendria que compensar este cambio. Esto a su vezinfluye en la relacion de las resistencias, tendiendo a disminuir la misma si la temperatura esmuy alta. Debido a que el condensador diseñado es de tres zonas ficticias que correspondena distintas fases, los calculos se hacen tomando en cuenta distintas consideraciones comopor ejemplo que no existen perdidas termicas entre el condensador y el ambiente por lo cualel mismo se encuentra aislado.

Para que las perdidas de cargas cumplieran con las condiciones de diseño correctaslos influyentes son el número de chicanas y a su vez la longitud. en el horizontal existe unproceso de iteracion con respecto a la longitud, debido a que la misma afecta la transfecia decalor por la posicion en la que se encuentra. mientras que el vertical, la transferencia de caloratraviesa el diámetro interno de la tuberia.

Reynold (adim)

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