86\t = INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL- V ----------------- -

1 ------------------------------------------------Escuela Superior de Ingeniería Quimica

e Industrias Extractivas

CALCULO DE UN INTERCAMBIADO!? DE CALOR PARA EL SISTEMA DE CALEFACCION DE UNA MAQUINA DE CALANDREO UTILIZANDO ACEITE MINERAL COMO MEDIO CALEFACTOR.

T E S I SQue para obtener el Título de INGENIERO QUIMICO INDUSTRIAL

p r e s e n t a n

LOURDES PATRICIA GAONA VAZQUEZ R A U L G A R C I A S O T O

México, D. F. 1986

IN S T IT U T O P O L IT E C N IC O N A C IO N A LCSCUEIA SUPrRIOR DL INGLNITR1A Ql 'VnC ̂ f INDI SI US TXTRU ilVAS

DIVISION DL SISTEMA Dr TITULACION

vit o, D F Diciembre 9 de 1985

LOURDES PATRICIA GAONA VAZQUEZ. c RAUL GARCIA SOTO.

Pasante de Ingeniero QUIMICO INDUSTRIAL. 1978-1982Presente

El tema de trabado y/o tesis para su examen profesional en la opcion TLSIS COLECTIVA

apiopuMoporelC ING. RUBEN LEMUS B4KE0H. píen seis el respormbfe

de la cahdad de trabado que usted presente, referida al temí “

el cual deberá usted desarrollar de acuerdo con el siguiente ordenCALCULO DE UN INTE RCAMBI ADOR DE CALOR PARA EL SISTEMA DE CALI TAC CiON T)E UNA MAOUISA DE CALANDREO UTILIZANDO ACEITE MINERAL COMO MEDIO CALEFACTOR,”

RESUMEN.I .- INTRODUCCION.

I I . - GENERALIDADES I I I . - CALCULOS.IV .- CONCLUSIONES.

BIBLIOGRAF A.

^ . í'YK47:p£&M CKI I V M A

LUI l_ U «Uf» I*C I UcVi

ING. RUBEN LEMUS BARRON._________________El Jefe de! Departamento de Opción

- ^ C?-—ING- RUBEN LEMUS BARRON.

El Jefe de la D ivisión de Sistemas de T itu L cion

ING. RUBEN LEMUS BARRON.El Profesor Onentaüt r

I N D I C E

R E S U M E N .

1 .4 INTRODUCCION 1

I I . - GENERALIDADES 3

I I I . - CALCULOS 19

IV .- CONCLUSIONES 29

BIBLIOGRAFIA

PAl L ALE JAfDRíj, CG* TUDO íft , AMOP.

RAUL, &PAGIAU pga T¡. APQYü Y P A C IE fC tó .

MARjAPITA Y ALFPFDO, p M SU. LU IA V j . i ElENOS

L X r FLCb.

LUZ WARiA , ALFREHO,. K IAPjARIT t AL E i. / ORO Y

ROSALBA, PLPr,Lt FORI" AN W P ÍE L)E E c / n ü ^

LO:.'PlDE-i PATPiGIA bA-.f

MI ESPERANZA; RAUL ALEJANDRO.

LULU; POR EL ESFUERZO REALIZADO.

MI PAPA; QUE CON SU CARACTER FORJO

MI ESPIRITU.

MI MAMA; QUE SUPO GUIARLO.

YOLA, FEDERICO,BIBIS, EEATRIZ, JAIME Y DAVID.

RAUL GARCIA SOTO.

OBJETIVO:

En el presente trabajo se realiza el cálculo termodmámico de un

mtercambiador de calor, el cual será empleado en la industria -

del plástico.

En dicho intercambiador se utiliza la energia calorifica prove—

mente de la combustión de gas butano para calentar aceite mine­

ral que a su vez cederá calor a un sistema de calandreo de PVC.

El aceite tiene el nombre comercial de termino1 66 y es distri­

buido por la Compañía Monsanto .

Debido a que el calor transferido por convección es mucho menor

que el calor transferido por radiación, en el cáculo del ínter-

cambiador el calor transferido por convección se considerará -

despreciable.

RESUMEN:

En los últimos años la industria que emplea la piel como materia pri­

ma para la fabricación de satisfactores destinados al consumo masivo

ha empleado como contratipo telas cubiertas de una película de PVC

* Cloruro de Polivinilo, que suple en apariencia, textura y color a -

la piel. A todas estas calidades se aúna a que su costo es mucho me­

nor que el de la piel.

Una de las formas de realizar el recubrimiento de dichas telas es por

medio de cilindros calientes que giran en contrasentido y que adelga­

zan la película de PVC para posteriormente depositarlo sobre el tex—

til, la máquina que realiza dicho trabajo recibe el nombre de calan—

dria.

Para que el PVC pueda ser fácilmente procesable es necesario mezclar­

lo con diferentes tipos de aditivos que le proporcionan estabilidad -

al calor, flexibilidad, color etc.

El PVC es mezclado primeramente con los aditivos en mezcladoras con -

chaqueta de calentamiento en seguida la mezcla es pasada a una cama-

ra que contiene un rodillo y un pistón que preplástifica a la mezcla

de PVC, este equipo recibe el nombre de Bambury, enseguida se deposi­

ta en un molino de dos rodillos que giran en contra sentido, los cua­

les tienen calentamiento interno, posteriormente se deposita en los -

rodillos de la calandria para obtener la película de PVC.

El calor necesario para que la calandria pueda tener un trabajo conti­

nuo proviene de un mtercambiador de calor que quema gas butano y ca­

lienta aceite mineral, el cual fluye en la parte interna de los rodi­

llos de la calandria y del molino.

En el calculo de dicho ínter cambiador se utiliza el método i iterativo

de Lo-o y Evans, el cual suponemos ínicialmente un flujo promedio de —

3255 Cal/Urs. en.2 (12000 Btu/htcs pie2)

Cloruro de Polivinilo

CALCULO DE UN INTERCAMB SISTEMA DE CALEFACCION LANDREO UTILIZANDO ACEI CALEFACTOR.

I INTRODUCCION:

En la historia de los r

ó decorativos, el material

piedades y el que se usó p

fué la piel.

Sin embargo debido a su

sidad de desarrollar nuevos

cidos como sustitutos del p

Siguieron entonces los d

(nitrato, acetato , acetato

una amplia aceptación.

En épocas más recientes

de vinilo; de los cuales el

múltiples aplicaciones es el

Cuando los tejidos natura

zan como materiales soporte

ruro de polivinilo, se obti

telas plásticas ó laminados

Un tipo de maquinaría que se

ción de estos laminados plás

La"Calandría" consta bási

gran diámetro que giran en c

nando presión y temperatura.

IADOR DE CALOR PARA EL DE UNA MAQUINA DE CA—TE MINERAL COMO MEDIO

ecubnmientos protectores -

más importante por sus pro

rimeramente con estos fines

alto costo, nació la nece-

materiales para ser ofre-

roducto natural,

erivados de la celulosa -

butirato) que han tenido

aparecieron los derivados

más importante por sus —

cloruro de polivinilo.

los ó sintéticos se utili

para las películas de cío

ene lo que se conoce como

plásticos.

emplea para la fabrica-

ticos es la "Calandria",

camente de rodillos de —

ontra sentido proporcio —

- ? -

Esta maquinaria requiere de cierta cantidad de calor

para poder efectuar la operación a la que está destinado

el presente trabajo se realizó para diseñar técnicamente

un íntercambi ador de calor que funcione con aceite mine­

ral y que proporcione el calor necesario para que la "Ca

landría" efectúe el proceso de laminación.

- a -

Actualmente los plásticos vinílicos ocupan

do lugar en el volumen de producción de plásti

vel mundial y el primer lugar lo ocupan las po

ñas (polietileño, polipropileno).

Dada la gran variedad de usos que puede ten

variadas formas de proceso que pueden ser posi

los plásticos vinílicos, esta relevante posici

a mantener en el futuro.

II.1 NOCIONES ELEMENTALES DE POLIMEROS:

Tenemos que destacar en esta obra que las palabras -

"polímero y plástico" representan el mismo significado

en la industria de los plásticos y encierran la idea de

sustancias orgánicas que se pueden conformar con calor.

Para la constitución de las sustancias químicas, la

unidad básica individual es el Atomo, cuando varios —

átomos se agrupan en una estructura definida se obtiene

una molécula de un producto químico determinado.

La polimerización consiste en la unión de moléculas

de un compuesto simple llamado "monómero", para dar un

compuesto de peso molecular más elevado (múltiplo en­

tero del peso molecular del monómero), llamado polímero.

Cuando el número de moléculas de un monómero unidas

entre sí es muy grande, se habla entonces de un alto po-

limero.

I I GENERALIDADES:

el según

eos a ni

1iole fi —

er y las

bles con

ón se va

- 4 -

II.2.-

Existen ocasiones en que el polímero se obtiene a partir

de dos monómeros diferentes y entonces recibe el nombre de

"copolímero", si son tres monómeros diferentes se denomina

"terpolímero".

De esta manera se obtienen polímeros con propiedades ín

termedias de punto de fusión, viscosidad, etc. determinadas

Los polímeros ó plásticos se dividen en dos grandes gru

pos:

1) Termoplásticos (P.V.C., PolietLLeno)

2) .~ Termofijos (Fenolicos, Melamina)

Los termoplásticos son de cadena lineal y se pueden tra

bajar por medio de calor repetidas veces.

En cambio los termoestables ó termofijos solamente se les

puede trabajar una vez con calor quedando entonces perma­

nentemente formados ó solidificados suelen tener estructuras

de encadenamiento tridimensional permanente en su estado

final.

RESINAS VINILICAS.

Se fabrican en base a los monómeros vinílicos: cloruro -

de vinilo, acetato de vmilo y otros. Cuando se trata de —

cloruro de vmilo el polímero obtenido es el cloruro de poli-

vinilo ó abreviadamente "P.V.C." que proviene de su nombre

en inglés Poly-Vmyl-Ch lorie le".

Las resinas de P.V.C. comerciales, tienen aproximadamen

te la siguiente composición

- 5 -

CARBONO 4 1 - 3 9 % EN PESO

CLORO 55—56 % EN PESO

HIDROGENO 4-5 % EN PESO

Y sus propiedades son: buena conductividad, resistencia

al agua, aceite, grasas, ácidos , alcalis y muchos disolven

tes.

Hay cuatro métodos de fabricación industrial que son:

1.- SUSPENSION: Resinas de uso general.

2.- EMULSION: Resinas de uso general y pastas de P.V.C.

3.- MASA: Resinas de la más alta calidad.

4.- SOLUCION: Resinas para adesivos y lacas.

Siendo los tres primeros los más importantes. Las resi­

nas de P.V.C. fabricadas por el método de suspensión son

las más ampliamente usadas..

Dentro de cualquier grupo de resmas de P.V.C. se cla­

sifican estas por el llamado "Valor K" que se obtiene a par

tir de las viscosidades de una solución de la resina en de­

terminados disolventes especiales tales como ciclohexanona

ó nitrobenceno, así se obtienen los siguientes tipos de resina.

VALOR “K" PESO MOLECULAR USOS

45—55 BAJO INYECCION

55-60 MEDIO/BAJO EXTRUSIONCALANDREOINYECCION

60-66 MEDIO/ALTO CALANDREOEXTRUSION

MAYOR 65 ALTO PROCESOS ES PECIALES

- 6-

Para facilitar el proceso de fabricación de laminados -

plásticos las resinas de P.V.C. son mezcladas con diferen­

tes sustancias que a la vez proporcionan diferentes carac­

terísticas al producto final.

Dentro de una formula de P.V.C. para ser procesada en

una Calandria encontramos los siguientes componentes.

- RESINA DE P.V.C.

- PLASTIFICANTE.

- ESTABILIZADOR.

- CARGA.

- DESMOLDANTE, LUBRICANTE.

- PIGMENTOS.

II.3.- PLASTIFI CANTES:

Son productos químicos casi siempre líquidos con alta -

temperatura de ebullición, transforman las resinas de P.V.C.

duras y rigidas en productos flexibles para procesarse mejor.

En la producción de materiales plásticos siempre son nece

sarias buenas condiciones de flujo cuando se emplean polime

ros de alto peso molecular, ya que de esto depende que sea

rentable el producto.

Estas condiciones pueden ser logradas por la aplicación

de calor y presión ó por el uso de solventes; aunque es un

efecto temporal ya que cuando el polímero se enfría y el sol

vente se evapora, el polímero recupera su estado natural. .

th mejoramiento permanente en el flujo da como consecuen

cía suavidad y flexibilidad, que será requerida en poste­

riores aplicaciones de los productos obtenidos y que puede

ser lograda por la mezcla del polímero con un líquido orgá

meo de alta temperatura de ebullición que recibe el nombre

de pías tifie ante.

- 8 -

El P.V.C. es atraído siempre en sentado longitudinal por los enlaces químicos. Lateralmente existen entre las cadenas fuerzas de Vander Waals y las fuerzas de dipolo que enlazan las cadenas.

Una teoría dice que el plastiflcante actúa disminuyendo las fuerzas entre las cadenas por la solvatación de los gru­pos polares del polímero-polímero.

Otra teoría dice que el pías tabicante actúa como lubrican­te entre la masa rígida del polímero haciendo que las cade—

ñas polímericas se muevan fácilmente.Las propiedades que se exigen en un plastificante ideal

son:a).- Buena compatibilidad con la resina de P.V.C.b).- Baja volatilidad.c).- No inflamable.d).- Buena estabilidad a la luz y al calor.e).- No tóxico.f).- Buenas propiedades a bajas temperaturas.

Por supuesto que algunas propiedades son algo conflicti­vas entre sí y por ello no existen pías tifie antes ideales, por lo cual en la práctica se usan mezclas de pías tifie antes pa­ra cada aplicación.

Existen dos clases de plastificantes para resinas de - -

TEORIA DE LA PLA S T IF IC A C IO N :

-9 -

II.4.-

P.V.C. los pías tifie antes primarios y los secundarios.Los pías tifie antes primarios son aquellos que son muy com

patibles con el P.V.C. y que pueden ser usados como únicos en la formula.

Los secundarios son aquelllos que tienen una compatibili­dad limitada con el P.V.C. y que por lo tanto no se pueden usar solos en la formula, sino con los plastificante primarios

Los esteres itálicos sori los pías tifie antes más comunmente usados, un 80% del uso general es de este tipo.

Debido a su costo y propiedades el DOP (di 2 etil hexil ftalato), el DI0P (di issoctil ftalato) y el DI0P (di iso decil ftalato) son los más usados.

ESTABILIZADOR ES:Los problemas de procesamiento desde el momento en que

se iniciaba el uso de P.V.C. (hace 50 años) eran debido asu gran inestabilidad con el calor.

Por ello es que entonces se usaban los copolímeros que se podían procesar bien y con temperaturas más bajas.

En los años 1930, 1940 se comenzaron a usar los primerospías tifie antes y los primeros estabilizadores y a partir deentonces se produjo el gran desarrollo de la industria de los plásticos de P.V.C.

Los estabilizadores son productos químicos que evitan la descomposición o degradación del P.V.C.

- 10 -

MECANISMOS DE DESCOMPOSICION DEL P .V .C .

H A HT~* A ^ * KS-CH-CH-CH.-CH-----------► -CH-CH-CH-CH - +HCI

c'i CP" c t* (+)

- JcH=CH-CH=CH2-—— *■ - j L c j - c l c | C„+ Hgf

ó * luz ultravioleta

Este proceso se produce por la desintegración de los ex­tremos de la cadena de la molécula del P.V.C. desprendién­dose el gas ácido clorhídrico y degradándose progresivamen te el material. La descomposición del material comienza; - cuando se pone amarillo, luego marrón y finalmente negro.

En general, las resinas de P.V.C. de alto peso molecular (ó de cadena más larga) resisten mucho más a la degrada­ción que las resinas de bajo peso molecular (cadena corta).

El problema de la degradación del P.V.C. es que una vez que ha comenzado es muy difícil detenerlo, pués tiende a propagarse por reacción en cadena. El papel que desem­peña un estabilizador es bloquear cualquier inicio de des­composición qué pueda existir por excesos locales de tempe­ratura.

-11 -

11.5.- CARGAS:Inicialmente el P.V.C. se trabaja sin cargas, pero pron­

to se le fueron incorporando diferentes productos inorgáni­cos con el fín de disminuir su costo. Estos productos inor­gánicos (minerales) también pueden fabricarse sintéticamen­te y son productos en forma de polvo con densidades gene­ralmente superiores al P.V.C.

Aparte de disminuir el costo introducen otras propieda­des como: capacidad de absorción disminuir el brillo y au­mentar la rigidez del plástico.

Por otra parte, reducen el alargamiento y la flexibilidad, y aumentan la absorción de agua.

Las cargas más usadas en P.V.C. son los carbonates de calcio y los silicatos.

11.6.- LUBRICANTES:Los lubricantes tienen una importantísima influencia en

el proceso de los plásticos, ya que de éstos depende la velo cidad de fusión, la cual está en función de la temperatura presión y fuerza de corte; viscosidad en fusión, la cual de pende de la fuerza cohesiva entre las moléculas de la resi­na y la adhesión entre el polímero y las partes metálicas callentes.

La más importante propiedad de los lubricantes, es el - efecto de estabilidad. En el caso del P.V.C. los lubricar- fes que contienen grupos OH, ó dobles ligaduras actúan co-

- 12 -

II.7.-

mo co-estabiüzadores y sirven como aceptadoresde cloro, - mientras que los ácidos grasos incrementan la acidez del compuesto y promueven la degradación.

En general, los lubricantes pueden ser clasificados en dos categorías, internos y externos.

La característica más importante de los lubricantes ex­ternos es que actúan para evitar que los polímeros se pe­guen en las partes metálicas.

Los lubricantes internos se solubilazan con las resmas di aminuyendo la fuerza de cohesión de las moléculas forman do una mezcla de bajo coeficiente de fricción. La más - importante característica es que promueven el flujo del - polímerp con un mínimo de esfuerzo.

En calandreo pequeñas cantidades de lubricante externo es requerido para que haya un deslizamiento en los rodi­llos y un buen deslizamiento en los bancos.

PIGMENTOS:Los colorantes ó pigmentos son sustancias que absorben

la mayor parte de los colores básicos del espectro de la — luz solar y reflejan su color propio fuertemente. Los pig­mentos negros absorben todos los colores del espectro y por lo tanto no reflejan, apareciendo como negros.

Las propiedades más importantes de los pigmentos usa­dos en P.V.C. son:

- 13 -

III

1.- Insolubles en plastificantes2.- Resistentes al ácido clorhídrico3.- Moderada o buena resistencia al calor4.- Buena resistencia a la luz5.- Fácilmente disponibles

DESCRIPCION DEL EQUIPO

El equipo empleado en el proceso de la laminación de PVC, es elque a continuación se detalla:

a).- MEZCLADORA.- Es una tina con tapa hermética y chaqueta - de calentamiento, en la parte inferior tiene una compuerta por la cual se descarga, la acción de mezclado se realiza con aspas que se encuentran en la parte interior de la me2S dadora.

b).- BAMBURY.- Es una máquina que preplastifica a toda la me_z cía de PVC y está constituida por una camara con chaqueta de calentamiento, un pistón, un rodillo y controles de tem peratura.

c).- MOLINO.- Son dos rodillos con calentamiento interno que giran en contra sentido para presionar y plastificar la —

mezcla de PVC.

d).- CALANDRIA.- Es una máquina constituida por cuatro rodillos de acero inoxidable con calentamiento interno, los cuales -

- u «

giran en contrasentido, la presión que ejercen estos rodillos sobre el PVC ya plastificado es controlada neumáticamente para dar el espesor - deseado al PVC.Una vez laminado el PVC, es pasado por una serie de rodillos con enfria_ miento para posteriormente ser cortado al ancho y embobinado.

DESCRIPCION DE PROCESOPara poder llevar a cabo el proceso de plastificación y laminación del cloruro de polivinilo, es necesario una máquina que consta de rodillos los cuales tienen un calentamiento interno, dicha máquina recibe el —

nombre de calandria. Existen diferentes tipos de calandrias; de dos rodillos, de tres rodillos, de rodillos arreglados en forma "L" invertí̂

da.El cloruro de polivinilo pasa por el espacio que hay entre rodillo y ro dillo, formándose una lámina de plástico para ir reduciendo el espesor del material y obtener al final una lámina de plástico con el espesor - deseado.Los rodillos de la calandria son movibles para poder ajustar el espesor final. El medio de calentamiento para mantener los rodillos en la tem peratura adecuada de trabajo es el tema que a continuación discutiremos. Los límites de temperatura que se requieren para efectuar el proceso de laminación de PVC, es de 170°C a 250°C, por lo tanto se propone utilizar un aceite mineral para proporcionar el calentamiento adecuado de los ro­dillos. Así mismo se necesita un inteicambiador de calor para poder ca­lentar el aceite mineral.El diseño de dicho intercambiador es el motivo del presente trabajo.

I. A M I Ñ A S D E P I A T I C O I V . C .

CAiANDRIA Dt RODILLOS ARREGLADOS IN FORMA DE "I" INVERTIDA.

REGULADORESDETEMPERATURA

TANQUE DE EXPANSION DIAGRAMA DE FLUJO DEL SISTEMA DE CALENTAMIENTO.

- 16 -

El aceite que se propone es fabricado por la Compañía Monsanto cuyo nombre comercial es Terminal 66.

Terminal 66 es un fluido sintético diseñado para la - transferencia de calor que ofrece bajas presiones de bombeo con una notable alta temperatura de trabajo de hasta 343°C, es ideal para sustituir fluidos orgánicos que tienen baja temperatura de ebullición.

Es un fluido que se usa en sistemas de calentamiento no presurizados así como también en sistemas de calentamien to indirecto ya que ayuda al proceso puesto que no requie­re de equipos costosos de ventilación; no esta clasificado - como un fluido de transferencia de calor resistente al fue­go y consecuentemente el uso de dispositivos de protección deben ser requeridos para minimizar el riesgo, ofrece un — largo servicio de vida dentro del rango de temperatura re­comendado y no corroe los metales comunmente usados en el diseño de equipos de transferencia de calor.

V DISEÑO DEL INTERC AM B IAD O S

GENERALIDADES DEL TERMINAL 66Com posición Terfenil modificadoApariencia liquido claro amarillentoPeso especifico 25/15.5oC 1.004Viscosidad cinemática a 38° C 30 StokesContenido de humedad 100 ppmTemperatura de congelación -26.1° C 15° FTemperatura de flash 177° C 350° FTemperatura de inflamación 194° C 380° F

- 17 -

AJT (ASTM-D- 2155) 374° C 705° FCoeficiente térmico deexpansión 0.000850 /°C 0.000472/°FFango de ebullición

10% 339° C 643° F90% 353° C 668° F

Calorde Vaporización Calculado 83 Cal/gr. 105 Btu/lb

ECUACIONES PARA PROPIEDADES FISICAS COMO FUNCION DE LA TEMPERATURA *1

DENSIDAD = 64 46-00236 T (°F) t=3Ib/pie3

CALOR ESPECIFICO Cp = 0 3472 + O000468 T (°F) t=J btu/lb °F

CONDUCTIVIDAD TERMICA K = O O +039 - I 496 X I0"5 T(°F) - I 92X I O-8 TZ(°F)

t=lt btu/hrs pie °FVISCOCIDADyM =10Exp lOExp j]2 08855-4 3363 log.,0T(°R}£ -O75(T? IOO°F)

PRESION DE VAPORIZACION = Exp Jh14 2331-13045 9/ T(0Rj} 1=1 psia

Debido a que la mayoría de la literatura y gráficas uti 1 i zadas están en el sistema inglés se trabajará en estas

unidades, haciendo al final del trabajo la conversión al sistema métrico decimal.

U 0 S

DATOS GENERALES. CALOR REQUERIDO: COMBUSTIBLE MEDIO CALEFACTOR:TEMPERATURA DELACEITE:

500 000 Kcal/hrs.Gas comercial (butano) Aceite "Terminal 66"

ENTRADASALIDA

170° C 250° C

338 °F 482° F

- 1 8 -

El intercambiador de calor que se pretende calcular en el presente trabajo es de forma cilindrica colocado ho­rizontalmente»

La parte interna del intercam biador contiene un ser­pentín por el cual fluye el aceite que se calienta por me- .dio del calor producido por la combustión del gas.

Asimismo como la cantidad de calor transferido por - convección es despreciable en comparación con la cantidad de calor transferido por radiación este trabajo se dará - por concluido al calcular la zona de transferencia de ca­lor por radiación.

SALIDA DE ACEITE

CALENTADOR DE FUEGO DIRECTO

- 19 -

CONVERSION AL SISTEMA INGLES DEL CALOR REQUERIDO.

Q = 500000 kcal/hrs.x lbtu/0.252kcal. = 1984127 btu /hrs.

CALCULO DE LA CANTIDAD DE ACEITE REQUERIDO

CP= 0.3472 ♦ 0.000468 T ( 1 )

SABENOS QUE:( 2 )

SUSTITUYENDO (1) en (2 ) y resolviendor T*Q = W \ (0.3472+0.000468T) dtA

Despejando W y con una eficiencia del 80% del Ínter-cambiador

W = Q/0.8(77.63) = l984l27btu lbs/0.8(77.63)btu hrs. = 31 949.48 Ibs/hrs.

CALCULO DE LAS TEMPERATURAS DEL FLUIDO

Considerando que el 70* de la transferencia de calor es por radiación y la transferencia por convección es despreciable

Tenperatura de paso= ... T,.„.<0)

T e m p e ra tu ra de paso= 4 8 2 — 0 .7 ( 4 8 2 - 3 3 8 ) = 3 8 1 .2 °F

aplicando límitesQ = W Jo3472(482-338)+000468(482*-338*) /2^J= W(77.63)

- 20 -

T = Tpaso + Tsalida / 2

sustituyendo valores

T = 381 2 + 482 / 2 = 431 6°F

Temperatura promedio de la pared del tubo

T = T +100 =431 6 + 100 = 531 °FC A LC U LO _D E _LA _P S E U D O _T E M P E R A T U R A _D E _F LA M A

Tomando en exceso el 25% de aire y empleando como combus­tible gas butano.La reacción de combustión del gas butano

2 C4Hi0+ 13 02---- 8 C02 + 10 H20 gassabemos que

AH° =-687 640 Cal/gr mo1 J 1 I, t-2®6 del butanoCalor latente del agua (H^O) = 10 520 cal/gr mol

^AH£88 = 2mol(-687640cal/mol}+IO mol (10520 cal/mol ) = -1270080 cal203

suponiendo que q=0 : .AH=0Moles de 0^ requerido =13moles en exceso de 0^ = 0.25 (13) = 3.25

PROMEDIO DE TEMPERATURAS DEL FLU IDO CALEFACTOR

moles de N,, in t r o d u c id o s = 16 .2 5 (79/21) = 61 .13

- 21 -

R E A C T I V O S

1 a t m .

2 5 ° C

2 mol C 4 H I0

l 6 . 2 5 m o l 0 2

6 1 . 1 3 mol . N *

P R O D U C T O S

t atm

T ° C

AH» + AH°p= AH=0 2 9 8

AH*p = - AH°2g8_1270 080 cal

sabemos que:A H ° p = A H | # e = 1 2 7 0 0 8 0 c o l .

empleando un método interativo suponiendo T= IBOO* c

A = i 2 5 4 9 9 8 c a l

4 H ° p = A H f 0 8

125499 8 = 1270080

AH°p- J8(t§ 8 ' J- 1OC1O 2 5 ) +- 3 2 5 ( 8 9 ) + 61 13 (7 8 f | nnol cal/mol °C x |T 8 0 0 - 2 5 |oC

Pseudo temperatura de flama = 1800°C = 3272°F El diseño del mtercambiador de calor es a fuego directo - suponiendo un valor máximo de absorción por radiación de 12000 Btn/hrs pie 2 se busca la temperatura del interior - del calentador empleando la ecación de Stefen-Boltzm an.

Qr= 1740 JTt q /IOOQ)4— (Tt)/I000rj

donde:Qr= Btn/ hrs pie2

Ta= temperatura del calentador en ° KTb= temperatura de la superficie del tubo °R

Despejando Ta

0r/|740 = (Ta/1000)4 - (Tb/1000)4

- 23-

(Ta/IOOO)*= Qr/1740 +(Tb/IOOO)4 (Ta /1000)4= 12000/1740+(2II 2/I000)4 (Ta / 1000)4= 6 8966 + 19 896 = 26 7931 Ta = (26 7931 f \ 1000 Ta = 2275.12°R = 1815 I2°F

CALCULO DEL AREA REQUERIDA PARA LA ZONA DE RADIACION.

El 70% del calor total se transfiere por radiación por

A„ = Q /Q =1388 8889btu hrs pie2 / 12000 hrs btu =115 74 pie

Empleando tubo de

DIAMETRO NOMINAL 5 I O m m BWG II

lo tanto QR = O 7 QtQh=0 7(1984 127) btu/hrs=l 388 888 9 btu/hrs Qr = I2000 btu/hrs pie2

Calculo del área de radiación

Diámetro 51.0 mm 2 plgespesor de la pared 3.05 mm 0.12 plg

area interna 1569.67 nn2 2.433 plg2superficie externa= 15.95 cm2

/cm p ie 2 / p ie e x t e rn a 0 .5 2 3 6

in t e r n a = 14 .04 cm2

/cm in t e r n a 0 .4 6 0 8

— ?4 —

Calculo de la masa velocidadMasa velocidad= W/Ai - 20 345 85 Ib /2 433plg2 X I p¡e2/ 144 plg2

= 1204 195 7 Ib /hrs pie2

DENSIDAD P = 64 46-0 0236 (647.6)°F = 49 17 Ib/pie3

Velocidad= Masa Velocidad/ 9 =1204 195.7 Ib pie5/ 49.17 Ib hrs pie2 = 24 490 pie/hrs.

Longitud total= A» /Superficie ext s 115 7 4 pie2/0.5236 piez/pie = 221 046pieexpuesta a la radiaciónUtilizando un tubo en espiral cuyo diámetro de la espiral sea de 116.8 cms. (46 plg) con un espacio entre vuelta y vuelta de 8.89 cm (3.5 plg) centro a centro del tubo

116.8

-v

Equivalente de la superficie plana fria.Acp = espacio centro a centro x 'n x D Acp = 3 5 plg X X 46 plg /144 = 3512 pie*

Razón centro a centro= espacio centro a centroDe xt.

Razón centro a centro; 3.5 = 1.752

-2b -

Con razón centro a centro igual a 1.75 en la figura 1.1 se encuentra el factor de efectividad= 0.925

ACp= 3.512x 0.925 ACp= 3.249 pie 2si se emplean 28 vueltas se tendríaAcp=3.249 pie 2 x 28Acp=90.972 pie 2

DISTANCIA CENTRO A CENTRO DIAMETRO DEL TUBO

Dimensiones del calentador diámetro^ 157.48 cmLongitud^ 274.32 cm

A tapas - 2 Tí r2 2= 2 (5-167)2 pie 2= 2

5.167 pie 9.0 pie

41.936 pie 2

A lateral^ 'ü' OL = (5.E7) (9.0) pie 2= 146.093 pie 2A total- A lateral + A tapas= 41.936+146.093=188.029 pie 2Aw= Area de la sección de radiaciónAw= At - Acpt= 188.029-90.972=97.057 pie 2Aw /<£ACpt.

= 97.0 57/90.972= 1.066

Volumen del calentador V= T» r2 h = '¡f (5-167) 2 (9.0) pie 3= 188.716 pie 3

2

FIG. 1.1

L= Longitud promedio de radiación L= 2/3 3 1 V"' = 2/3 (188 .716 ) 1/3 = 3 .8 2 3 p ie

- 26 -

Como no es aire precalentado el valor del calor del aire de como ustión ( a) equivaleal valer del calor del combus­tible, asumimos que el valor del calor perdido por los - tubos ( ) dividido por elvalor del calor de combustión ( %-N ) ^ n es iguala 0.02 y suponiendo una tem­peratura de 1400° Fcon PL- 0.89 pie atm .T= 1400 °Fde la figura 1.3Emisividad= 0.29

20 v 60 80 300PORCENTAJE Dt AIRf- EN EXCESO

Con el 25% de exceso de aire y figura 1.2Presión C02= 0.108.1 atmPresión H20= 0.1248 atm

0.2332

atm (3.823) piet KVA ! tvEPARADA ü! DUOS PARA 16 (ASES L0MBISTI-- ELES. NO rS APLUABLI- - PARA AROMATICOS O OTROS COMBUSTIBLES NO ÜSUAI FS

F ig u r a 1 .3 E m is iv id a d

- 27 -

EHISlVÍDAD - CAS

con

OTRVA PREPARADA DE DATOS PARA 16 GASFS COMBISTI — BLLS NO ES APLICAB! L - P iKA AROMATICOS O OTROS COMBUSTIBLES NO tSUALES.

Calor contenido en el gas

- ¿8 -

Acprf= 90.972 pie (0.43) - 39.117 pie 2

W A C p f = 2480158 8 btu / 39 11 7 pie 2 hrs = 63402 049 btu/hrs pie2

V/ACpf = j i + /Acpf

V/Acpf = j j -0 02 -0 38^63402 049 btu/hrs pie2 = 38041.229 btu/hrs pie2

Para 1800° F emis_vidad= 0.26 factor de intercambio= 0.4

'íg2 / = 0.51

Acpf= 90.972 pie 2 (0.4) = 36.389 pie 2%n AcAcpf = 2480 158 8 btu / 36.389 hrs pie2= 68157 202 btu/hrs pie2

£}-i-/Acpf = (1-002-051 ) 68157 202btu/hrspie2 = 32033. 885 btu/hrs pie2

Con T = 1580° F= 0.42

V -(O 98-0 42) 2480 1588 btu/hrs = 1388888.9 btu/hrs

/At = 1388888 9 btu /II5 74 hrs, pie2= 12 000 btu hrs pie2

que e¡; igual al valor supuestoVenfu-ación de la temperatura de la pared del tubo cambio de entalpia=

1388 888 9 btu hrs / 31949 48 hrs Ibs = 43 47btu/lL.r

- 29 -

H= 276.08 BTU lbs.

Entalpia de paso=276.08—43.47 BTU- 232.61 BTUlbs. lbs.

con h= 232.61t= 425.70 F

promedio del fluido de radiación= 425.7__+ 482= 453.8oF2

promedio de la pared del tubo= 453.8+100= 553.8°F que es muy próximo a la que se había supuestopor lo tanto las dimensiones del calentador s erán

diámetro 157.48 cm.longitud 274.32 cm.

con un serpentín interior de diámetro igual a 116.8 cm. y 28 vueltas con una serparación de 8.89 cm. de centro a centro entre cada vuelta.

a 482- ' F

Una vez finalizado el cálculo termodinámico del mtercambiador de ca­lar que tendrá una forma cilindrica se encontró que sus dinensiones - son: diámetro 157.48 cm. longitud 274,32 cm con un serpentín interior de diámetro igual a 116.8 cm y 28 vueltas con una reparación de 8.89 cm de centro a centro entre cada vuelta.

El tubo por el cual circula aceite mineral es de 51.00 mm de diámetro nominal.

Con las dimensiones anteriores el intercamfciador de calor será capaz de proporcionar 500,000 Kcal/hrs. a un sistema de calandreo.

CONCLUSIONES:

BIBLIOGRAFIA:

PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALORDonal Q Kern Decimaquinta' impresión, 1981

INTRODLCCIOim A LA TERMODINAMICA EN INGENIERIA QUIMICAJ. M. Smith H. C. Van Ness Primera edición en español, 198Q

EQUIPMENT DESIGN HANDBOOK

STANDARDS OF TABULAR EXCHANGER MANUFACTURERS ASSOCIATION

THERMINOL 66, BOLETIN DE INFORMACION DE LA COMPAÑIA MONSANTO.