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.
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