1.1. ENFRIADOR (E-1)

Tipo de Intercambiador de calor: I.C. de Casco y Tubo

Objetivo: Reducir la temperatura de la corriente de extracto

butílico de 88 a 41ºF que sale del reactor. Se emplea cloruro

de calcio de 24.8 que se calentara hasta 41ºF.

Características Principales: El diseño del intercambiador

de calor es de casco y tubo, cuenta con tubos de 3/4" OD, 16

BWG, 8 pies de longitud.

El material de construcción: acero inoxidable (SS-304).

Fig. 5.2.

Intercambiador de calor de casco y tubo

Para enfriar 140000 lb/hr de extracto butílico desde 88°F hasta

41°F se tiene una solución de cloruro de calcio a 24.8°F que puede

calentarse hasta 41°F. Para realizar tal operación se quiere

diseñar y construir un intercambiador de calor, y para ello se cuenta

con tubos de 3/4" OD, 16 BWG, 8 pies de longitud, y de acero

inoxidable 304. Las propiedades físicas de los fluidos son:

Diseñe el intercambiador de calor mas adecuado

a) Balance térmico:

Q=140000lbh×0 .56

Btulb° F

× (88−41 ) ° F

24.8ºF140000

88ºF 41ºF

41ºF

Hallando la masa de cloruro de calcio.-

Q1= M1 *Cp1 * ∆t1

m2=Q

Cp2×∆T 2

Q=3684800Btuh

Extracto butílico @ 64.5°F Cloruro de calcio @ 32.9°F

Cp 0.56 0.68 Btu/lb.°F

3.7 5.1 cp

k 0.096 0.32 Btu/hr.pie.°F

r 0.001 0.0035 (Btu/hr.pie2.°F)-1

m2=3684800

Btuh

0.68Btulb ° F

× ( 41−24.8 )° F

Estimar Ud (solvente orgánico-salmuera) = 30-90 Ud= 70

Hallando la temperatura media logarítmica.-

Estimar el número de tubos:

m2=334495lbh

MLDT=∆ t 2−∆ t 1

ln∆ t 2∆ t 1

41ºF24.8ºF16.2ºF

88ºF41ºF47ºF

Nt= Aalt∗L

A= QUd∗∆T L

A= 368480070∗28 .92º F

=1820.19

Nt= 1820.190.19635∗8

=1159

∆T L=47−16.2

ln (704716.2

)=28 .92 º F

Tabla 1.3:

1 2 4 8Nº tubos 330 322 348 336

Ds 37 37 37 39

b) Selección de los tubos y sus características:

c) Determinar el curso de los fluidos:

Por el lado de los tubos Cloruro de calcioPor el lado del casco Extracto butilico

Propiedades físicas de flujos

Fluido Extracto butilico

cloruro de calcio

Temperatura, °F

64,5 32,90

Cp, Btu/lb.°F 0,560 0,68

μ, cp 3,700 5,100K, (Btu/h.pie.°F)-1 0,096 0,320

ρ, lb/pie3

r, (Btu/h.pie2.°F)-1 0,0010 0,0035

DATOS DE TUBOS

Long. de Tubos, ft 8

OD , pulg. 3/4

BWG 16Diámetro externo, Do , pulg. 0,7500Diámetro interno, Di , pulg. 0,6200

Espesor, x, pulg. 0,0650

Area transv. de tubo, at', pulg2 0,3019

Area lateral long, alt , pie2/pie 0,1964Diámetro equivalente, De , pulg. 0,9375

Primer tanteo: intercambiador de calor de casco y tubo 1-4

Calculo del coeficiente de película en el tubo, hi

Calculo del coeficiente de película en el lado del casco, hs

hi=JH ( kDi

)(C p×μk )

13 ( μμw

)0.14

ht=h i×Di

Do

AT=NT× A ' t144×n

Gt=mt

A t

N ℜ=Di×Gt

μ

AT=1208×0.30191

144×4 AT=¿0,633

Gt=3344950,633

Gt=¿

N ℜ=(0.62/12)×528284,71

5,100∗2.42

JH =5,97

hi=5,97( 0,3200,6200/12 )( 0,68×5,1∗2.42

0,320 )13 (1 )0.14

hi=¿109,857

ht=109,857×0,62000,7500

ht=¿90,815

hs=JH ( kD e

)(C p× μk )

13 ( μμw

)0.14

Jh se calcula usando un gráfico y para ello se debe hallar el número de Reynolds.

C=15/16−0.75=0.1875

as=37∗0.1875∗8

144∗15/16=0.41 pie2

Gs=140000

0.41=¿340541

lb

h . pie2

N ℜ=( 0.55

12 )∗340541

3.7∗2.42N ℜ=¿1743

En la figura 28 Jh =22

hs=22∗( 0.0960.5512 )( 0.56∗3.7∗2.42

0.096 )13

hs=¿172lb

h . pie2

Calcular el coeficiente total limpio, Uc

U c=90,815∗17290,815+172

=¿59,464

Calculo total de diseño, Ud

Rd: 0,00450 Btu/h.pie2°F

1UD

= 159,464

+0.00450U D=46,911BTU

h¿ pie2 .º F

N ℜ=De×Gs

μGs=

ms

A s

A s=Ds×C×e

144 ×Pt

C=Pt−Do

Uc=h t×hs

ht+hs

Rd=r 1+r 2

1Ud

= 1Uc

+Rd

Uc: 59,464 Btu/h.pie2°F

Ud: 47 Btu/h.pie2°F

Calculo del área requerida (A), pie2

* Área disponible

A=1208×0.19635×8

A=1897.53 pie2

A disp: 1897.53 pie2

* Área requerida

Calculo del ft

En la figura 18

P=41−24.888−24.8P=0.26

R= 88−4141−24.8R=2.9

f= 0.86

A= 368480047×28.919×0.86

A=¿3158,596pie2

A r: 3158.596 pie2

Si A r > A d No es correcto, el intercambiador no es adecuado.

Segundo tanteo: intercambiador de calor de casco y tubo 1-2

A=Nt× Alt ×L

A= QUd×∆T L×Ft

P=t2−t 1

T 1−t1

R=T 1−T 2

t 2−t 1

Calculo del coeficiente de película en el tubo, hi

Calculo del coeficiente de película en el lado del casco, hs

Jh se calcula usando un gráfico y para ello se debe hallar el número de Reynolds

hi=JH ( kDi

)(C p×μk )

13 ( μμw

)0.14

ht=h i×Di

Do

AT=NT× A ' t144×n

Gt=mt

A t

N ℜ=Di×Gt

μ

AT=1248×0.30191

144 ×2 AT=¿1.308

Gt=3344951.308

Gt=¿255676.26

N ℜ=(0.62/12)×255376.26

5,100∗2.42N ℜ=1070.32

JH =3.75

hi=3.75( 0,3200,6200/12 )( 0,68×5,1∗2.42

0,320 )13 (1 )0.14

hi=¿69,006

ht=69.006×0,62000,7500

ht=¿57,045

hs=JH ( kD e

)(C p× μk )

13 ( μμw

)0.14

N ℜ=De×Gs

μGs=

ms

A s

A s=Ds×C×e

144 ×Pt

C=Pt−Do

C=15/16−0.75=0.1875

as=37∗0.1875∗8

144∗15/16=0.41 pie2

Gs=140000

0.41=¿340541

lb

h . pie2

N ℜ=( 0.55

12 )∗340541

3.7∗2.42

N ℜ=¿1743

En la figura 28 Jh =22

hs=22∗( 0.0960.5512 )( 0.56∗3.7∗2.42

0.096 )13

hs=¿172lb

h . pie2

Calcular el coeficiente total limpio, Uc

U c=57.047∗17257.075+172

=¿42,853

Calculo total de diseño, Ud

Rd: 0,00450 Btu/h.pie2°F

1UD

= 142,853

+0.00450U D=35,925Btu

h¿ pie2 . º F

Ud: 35,925 Btu/h.pie2°F

Uc=h t×hs

ht+hs

Rd=r 1+r 2

1Ud

= 1Uc

+Rd

Uc: 42,853 Btu/h.pie2°F

Calculo del área requerida (A), pie2

* Área disponible

A=12 48×0.19635×8

A=1960.358 pie2

A disp: 1960.358 pie2

* Área requerida

Calculo del ft

En la figura 18

P=41−24.888−24.8P=0.26

R= 88−4141−24.8R=2.9

f= 0.86

A= 368480035.925×28.919×0.86

A=¿4124,497pie2

A r: 4124.97 pie2

Si A r > A d No es correcto, el intercambiador no es adecuado.

A=Nt× Alt ×L

A= QUd×∆T L×Ft

P=t2−t 1

T 1−t1

R=T 1−T 2

t 2−t 1

Tercer tanteo: intercambiador de calor de casco y tubo 1-8

d) Calculo del coeficiente de película en el tubo, hi

e) Calculo del coeficiente de película en el lado del casco, hs

hi=JH ( kDi

)(C p×μk )

13 ( μμw

)0.14

ht=h i×Di

Do

AT=NT× A ' t144×n

Gt=mt

A t

N ℜ=Di×Gt

μ

AT=1272×0.30191

144×8 AT=¿0.3333

Gt=3344950.3333

Gt=¿ 1003408,70

N ℜ=(0.62/12)×1003408,70

5,100∗2.42Nℜ=4200.52

JH =17

hi=17( 0,3200,6200/12 )( 0,68×5,1∗2.42

0,320 )13 (1 )0.14

hi=¿312,826

ht=312.826×0,62000,7500

ht=¿258,603

hs=JH ( kD e

)(C p× μk )

13 ( μμw

)0.14

Jh se calcula usando un gráfico y para ello se debe hallar el número de Reynolds

C=15/16−0.75=0.1875

as=39∗0.1875∗8144∗15/16

=0.4333 pie2

Gs=1400000.4333

=¿323077lb

h . pie2

N ℜ=( 0.55

12 )∗323077

3.7∗2.42

N ℜ=¿1654

En la figura 28 Jh =25

hs=25∗( 0.096

0.5512 )( 0.56∗3.7∗2.42

0.096 )13

hs=¿196lb

h . pie2

f) Calcular el coeficiente total limpio, Uc

U c=258,603∗196258,603+196

=¿111,411

g) Calculo total de diseño, Ud

N ℜ=De×Gs

μGs=

ms

A s

A s=Ds×C×e

144 ×Pt

C=Pt−Do

Uc=h t×hs

ht+hs

Rd=r 1+r 2

Uc: 111,411 Btu/h.pie2°F

Rd: 0,00450 Btu/h.pie2°F

1UD

= 1111.411

+0.00450

U D=74.207BTU

h¿ pie2 . º F

Ud: 74.207 Btu/h.pie2°F

h) Calculo del área requerida (A), pie2

* Área disponible

A=1272×0.19635×8

A=¿1998,058pie2

A disp: 1998.058 pie2

* Área requerida

Cálculo del ft

En la figura 18

P=41−24.888−24.8P=0.26

R= 88−4141−24.8R=2.9

f= 0.86

1Ud

= 1Uc

+Rd

A=Nt× Alt ×L

A= QUd×∆T L×Ft

P=t2−t 1

T 1−t1

R=T 1−T 2

t 2−t 1

Se comprueba el factor de obstrucción:

Rd(diseño)= Rd(calculado)

A= 368480074.207×28.919×0.86

A=¿1996.755pie2

A r: 1996,755 pie2

Si A r < A d es correcto, el intercambiador es adecuado.

i) Calculo de la caída de presión en el lado de los tubos, psia:

En los tubos.-

En los retornos.-

Nre = 4200,52 Di=¿0,6200 f = 0,00036 s=1.23

Gt=1003408,70 L=8n= 8

Rd=Uc−UdUc∗Ud =

92.785−65.45592.785∗65.455

=0.0045

ΔPT = ΔPt + ΔPr

ΔP t= f∗¿2∗L∗n5.22∗1010∗Di∗s∗φt

ΔP r=4∗n∗v2

2∗s∗g'

ΔP t=0.000085∗1003408.702∗8∗85.22∗1010∗(0.62/12)∗1.23

=

ΔPr= 4∗8∗3.632

2∗1.23∗32.7=¿

v= ¿3600∗ρ

v= 1003408.703600∗76.75

j) Calculo de la caída de presión en el lado del casco, psia.-

Nre = 1653, 75 Di=¿0, 6200 f = 0, 0032 De=0.55

Gs=323076, 92Ds=39

Hallando acoplamientos:

Extracto butilico.-

Densidad () = 50.54lb/pie3

Flujo másico (m) = 140000 lb/hr

μ = 3.7 cp

Q=mρ= 140000 lb /hr

50.54 lb / pie 3=27 70 .083

pie3hr

=0.7695pie 3seg

Di = 3.9 Q 0.45 μ 0.13 para flujo turbulento

Di = 3.9 x (0.7695 pie3/s) 0.45 x (3.7cp) 0.13 = 4.11 pulg¿ 6 pulg

ΔPT = 1.65+5.33

ΔP s=f∗Gs2∗Ds∗(N +1)

5.22∗1010∗De∗s∗φ s

ΔP s=0.0032∗323076 ,922∗12

5.22∗1010∗( 0.5512 )∗0.81

ΔP s=4.48

V= Q

πxD i2

4=

0.7695

πx(6 /12)2

4 = 3.92 pie/seg

N ℜ=v∗ρ∗D

μ=

3.92∗( 612 )∗50.54

3.7∗( 2.423600

)= 39827 (>2100)

Flujo turbulento (El diámetro es correcto)

Cloruro de calcio.-

Densidad () = 76.75lb/pie3

Flujo másico (m) = 334495 lb/hr

μ = 5.1 cp

Q=mρ= 334495 lb/hr

76.75 lb / pie3=4358.24

pie 3hr

=1.2106pie3seg

Di = 3.9 Q 0.45 μ 0.13 para flujo turbulento

Di = 3.9 x (1.2106 pie3/s) 0.45 x (5.1cp) 0.13 = 5.25 pulg¿ 6pulg

V= Q

πxD i2

4=

1.2106

πx(6 /12)2

4= 6.166 pie/seg

N ℜ=v∗ρ∗D

μ=

6.166∗( 612 )∗76.75

5.1∗( 2.423600

)= 69019(>2100)

Flujo turbulento (El diámetro es correcto)