DISEÑO MECANICO DEL IC2, ELMER JIMÉNEZ

DISEÑO MECÁNICO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

E S C U E L A S U P E R I O R D E I N G E N I E R Í A Q U Í M I C A EI N D U S T R I A S E X T R A C T I V A S

(E.S.I.Q.I.E.)

Departamento de Ingeniería Química Industrial

“DISEÑO MECÁNICO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR”

(SISTEMA ISOBUTANO-BUTANO)

ALUMNO:

JIMÉNEZ ÁLVAREZ ELMER

GRUPO: 8IM4

PROFESOR:

ING. INOCENCIO CASTILLO TERAN

DISEÑO DE EQUIPOS INDUSTRIALES

MÉXICO, D.F. 27 DE ABRIL, SEMESTRE ENERO-JUNIO 2011.

JIMÉNEZ ÁLVAREZ ELMER 8IM4-ESIQIE.IPN

DISEÑO MECÁNICO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

DISEÑO MECÁNICO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR(SISTEMA ISOBUTANO-BUTANO)

ESPECIFICACIONES

ESPECIFICACIONESL (ft) = 12 B (pulg) = 37 NT = 866 DS (pulg) = 37DE(pulg) = 3/4 Pop(psig) = 500DI (pulg) = 0.652 T1 ( ℉) =

120Deq (pulg) = 0.95 T2 ( ℉) =

175

CÁLCULO DEL ESPESOR DE LA CORAZA

t=PD . DS

2SE−1.2PD

+C

PD=1.3∗PT ∴PT=Pop+Patm

PT=500 psig+585mm Hg∗14.7 ps ig760mmHg

=511.3151 psia

PD=1.3∗(511.3151 psia )=664.71 psia

De acuerdo a la tabla de selección de materiales se recomienda para el butano, como material de la coraza el monel y el bronce; pero como estos materiales son muy caros y por la misma recomendación de los especialistas en el área, se puede usar el acero al carbono A-106 grado B.De la tabla 3.3 a la temperatura de 175 ℃, el esfuerzo permisible del material es:

S=19325 psi g

Por tener Ds > 23 pulg, entonces : E = 0.75 C = 1/8 pulg.

t=(664.71∗37)

2(19325∗0.75)−1.2(664.71)+ 18t=0.9974 pulg

t c=1 pulg

JIMÉNEZ ÁLVAREZ ELMER 8IM4-ESIQIE.IPN

DISEÑO MECÁNICO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

CÁLCULO DEL NÚMERO Y DIÁMETRO DE LAS MAMAPARAS O PLACAS DE SOPORTE

N= L∗12B

−1∴N=12∗1237

−1∴ N=2.89

N=3mamparas

De la tabla 5, con B = 37 pulg y DS=37 pulg → Em = 5/8 pulg

CÁLCULO DEL NÚMERO MÍNIMO Y DIÁMETRO DE LOS TIRANTES

De la tabla 6, con Ds =37 pulg → ƟTIRANTE = ½ pulg ; Núm. mínimo de tirantes = 8

CÁLCULO DEL ESPESOR DE LOS ESPEJOS

a) POR FLEXIÓN

T=F .G3

∗√ PD

n . s+2C

Para arreglos en cuadro:

n=1− 0.785

[ PT

DE ]2∴n=1− 0.785

[ 10.75 ]2∴n=0.5584

Como se trata de espejos fijos F = 1

El espejo estará en contacto con ambos fluidos; por tratarse de hidrocarburos se considera como material de los espejos la siguiente aleación: SB-164, a l temperatura de 210 ℉ el esfuerzo permisible es de S=12 500 psig.

G=D S+2 tc+eeDonde:

ee = ancho del empaque ee=Dee−D S−2 tc

2∴Dee=Die∗√ Y−PD .m

Y−PD .(m+1)

JIMÉNEZ ÁLVAREZ ELMER 8IM4-ESIQIE.IPN

DISEÑO MECÁNICO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Die=DS+2 t c

Si se considera como material del empaque → ASBESTO 1/32 → m= 3.5 Y = 6500 psi

Die=37+2 (1.00 )=39.00 pulg

Dee=39.00∗√ 6500−(664.71∗3.5)6500−664.71 (3.5+1 )

=42.53 pulg

ee=42.53−37−2∗1.002

=1.76 pulg

TEMA recomienda para este diámetro de la coraza → ee = ½ pulg

Por lo cual se toma la recomendación: ee= ½ pulg

Por lo tanto:

G= (37+2∗1.00+0.5 ) ∴G=39.50 pulg.

T=(1∗39.50)

3∗√ 664.71

(0.5584∗12500)+2∗(1/8 )∴T=4.31 pulg→Tc=6 pulg

b) POR ESFUERZO CORTANTE

T=0.31∗DL

(1−DE

PT)∗(PD

S )+2C

Del diseño del espejo en autocad que esta adjunto al CD del diseño mecánico, se obtiene el valor de DL = 33.6 pulg

T=(0.31∗33.6)

(1−0.751 )∗( 664.7112500 )+2 (1/8 ) ∴T=2.46 pulg→Tc=4 pulg

Por lo tanto:Se define como espesor del espejo:

Tc=6 pulg

JIMÉNEZ ÁLVAREZ ELMER 8IM4-ESIQIE.IPN

DISEÑO MECÁNICO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

CÁLCULO DEL NÚMERO DE TORNILLOS

Se fija dB un poquito menor que el diámetro de los tubos exterior (el inmediato inferior).

DE = ¾ pulg , por lo tanto: → dB= 5/8 pulg; R= 15/16; E= ¾; Bmin = 1,1/2 pulg

Bmax, T=2Bmin ,T=2 (1.5 )=3 pulg

Bmax, cal .=2dB+6T C

m+0.5=2 (5 /8 )+ 6∗6

3.5+0.5

Bmax, cal .=10.25 pulg .∴Bmin, calc=10.252

=5.125 pulg

Perímetro del centro de barrenado:PCB=DCB∗π∴DCB=DS+2 tc+2ee+2R

DCB=¿

PCB=41.875∗π=131.554 pulg

Número de tornillos mínimo:

NT ,min=PCB

Bmax ,cal

=131.55410.25

=12.83→12tornillos

NT ,max=PCB

Bmin ,cal

=131.5545.125

=25.67→28 tornillos

NT ,real=NT ,min+NT , max

2=

(12+28 )2

=20 tornillos

Breal=PCB

NT ,real

=131.55420

=6.577 pulg

JIMÉNEZ ÁLVAREZ ELMER 8IM4-ESIQIE.IPN

DISEÑO MECÁNICO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE LAS BOQUILLAS

POR LADO DE LOS TUBOS

a) Entrada ( t1 = 210 ℉)

Db=√ Gm1/Nc0.785∗V 1∗ρ1∗3600

∗12

¿=ρ1

ρAGUA@t 1

∴ρ1=0.6 (59.88lb / ft3 )=35.928 lb / ft3 ; seconsideraV 1=8 ft / s

Db=√ 650000 /20.785∗8∗35.928∗3600

∗12∴Db=7.59→Db=8 pulg

b) Salida (t2 = 180 ℉)

Db=√ Gm1/Nc0.785∗V∗ρ2∗3600

∗12

¿=ρ2

ρAGUA@t 2

∴ρ2=0.6 (60.58 lb / ft3 )=36.348 lb / ft3; seconsideraV 2=8 ft / s

Db=√ 650000 /20.785∗8∗36.348∗3600

∗12∴Db=7.54→Db=8 pulg

POR LADO DE LA CORAZA

a) Entrada ( T1 = 120 ℉)

Db=√ Gm2/Nc0.785∗V 3∗ρ3∗3600

∗12

¿=ρ3

ρAGUA@T 1

∴ ρ3=0.6 (61.71lb / ft3 )=37.026 lb / ft3; seconsideraV 3=8 ft /s

Db=√ 382244.32 /20.785∗8∗37.026∗3600

∗12∴Db=5.733→Db=6 pulg

JIMÉNEZ ÁLVAREZ ELMER 8IM4-ESIQIE.IPN

DISEÑO MECÁNICO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

b) Salida (T2 = 175 ℉)

Db=√ Gm2/Nc0.785∗V 4∗ρ4∗3600

∗12

¿=ρ4

ρAGUA@T 2

∴ ρ4=0.6 (60.69 lb / ft3 )=36.414 lb / ft 3; seconsideraV 4=8 ft /s

Db=√ 382244.32 /20.785∗8∗36.414∗3600

∗12∴Db=5.782→Db=6 pulg

CÁLCULO DEL ESPESOR DE LAS TAPAS

A la presión de trabajo, las tapas deben ser hemisféricas

t=PD . L

2.S . E−0.2PD

+C

L=DS

2=372

=18.5 pulg.

t=(664.71∗18.5 )

(2∗19325∗0.75−0.2∗664.71 )+ 18∴t=0.5512 pulg

t c=3/4 pulg

CÁLCULO DE LA PLACA DE CHOQUE

Evaluando la condición:

ρ∗v2=(37.028∗82 )=2369.8∴ρ∗v2<4000

Entonces se debe colocar la placa de choque

Dpch=1.25∗Dbc=1.25∗6=7.50 pulg

JIMÉNEZ ÁLVAREZ ELMER 8IM4-ESIQIE.IPN

DISEÑO MECÁNICO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Hpch=Dbc5

=65=1.2 pulg

Apch=Dpch∗π∗Hpch=(7.5∗π∗1.2 )=28.27 pulg2

Ab=π4∗Dbc2=π

4∗62=28.27 pulg2

CÁLCULO DEL CABEZAL FLOTANTE TIPO S

a) Cálculo del diámetro exterior del espejo

DeE=D S−2C

DeE=37−2∗( 14 )=36.5 pulg

b) Cálculo del diámetro macho del espejo

DmE=DeE−2ee−2K

DmE=36.5−2( 12 )−2( 116 )=35.375 pulg

c) Cálculo del diámetro limite de los tubos real

Dotl=DmE−2Km

Dotl=35.375−2( 116 )=35.25 pulg

d) Diámetro interior de la brida del cabezal flotante

JIMÉNEZ ÁLVAREZ ELMER 8IM4-ESIQIE.IPN

DISEÑO MECÁNICO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR

Dib=DmE+2K

Dib=35.375+2( 116 )=35.5 pulg

e) Diámetro hembra de la brida del cabezal flotante

Dhb=DeE+2K

Dhb=36.5+2 ( 116 )=36.625 pulg

f) Diámetro entre centro de barrenado de la brida del cabezal

DCB=Dhb+2Km+DB

DB=dB+ tolerancia

DB=58+ 116

=0.6875 pulg

DCB=36.625+2( 116 )+0.6875=37.4375 pulg

g) Diámetro exterior de la brida del cabezal flotante

DEB=DCB+2E

DEB=37.4375+2( 34 )=38.9375 pulg

h) Diámetro interior del envolvente del cabezal flotante

Dic=DEB+2C=38.9375+2( 14 )=39.4375 pulg

JIMÉNEZ ÁLVAREZ ELMER 8IM4-ESIQIE.IPN