Escola de Engenharia de Lorena
Operações Unitárias II
Professor Leandro Aguiar
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
Listas de exercícios
Lista 1 – Trocadores de calor bitubulares
1) Um fluido quente entra num aparelho com tubos concêntricos a uma temperatura de 300°F e deve ser resfriado a 200°F por um fluido frio que entra a 100°F e é aquecido a 150°F. O escoamento deverá ser paralelo ou em contracorrente? 2) Repetir o exercício 1 para um fluido frio aquecido de 100 a 275°F por um vapor saturado a 300°F.
3) Determine o fator de incrustação quando: (a) UC=30 e UD= 20; (b) UC= 60 e UD= 50; (c) UC = 110 e UD= 100 Btu/(lb.ft²°F). 4) Deseja-se resfriar 100000 lb/h de água de 200°F até 100°F mediante um fluido resfriador que entra no trocador a 60°F e sai a 95°F. Admitindo que o coeficiente global de transmissão de calor seja de 400 Btu/(hft²°F), determinar a superfície necessária à troca térmica quando se usa: (a) um trocador de calor tubular, com escoamento paralelo; (b) um trocador de calor tubular, com escoamento em contracorrente.
5) Anilina será resfriada de 200 a 150°F num trocador de duplo-tubo IPS 1 ¼ x 2 in com uma área total de troca térmica de 70ft². Para o resfriamento, 8600 lb/h de tolueno estão disponíveis a 100°F. Qual a vazão máxima de anilina que poderá ser resfriada? 6) Desejamos aquecer 9820 lb/h de benzeno frio de 80 a 120°F, usando-se tolueno quente que é resfriado de 160 a 100°F. As densidades relativas a 68°F são 0,88 e 0,87 respectivamente. As outras propriedades dos fluidos podem ser encontradas no material da disciplina. Um fator de incrustação de 0,001 pode ser disponível para cada corrente, e a queda de pressão permitida em cada corrente é de 10,0 psi. Dispomos de um certo número de grampos de 20 ft com tubo IPS de 2 por 1(1/4) in. Quantos grampos são necessários? 7) Resfriamos 6330 lb/h de tolueno de 160 a 100°F, aquecendo-se acetato de amilo de 90 a 100°F, usando-se grampos de 15 ft. Os trocadores consistem de tubos IPS de 2 por 1 (1/4) in. Se for possível uma queda de pressão de 10 psi e para um fator de incrustação igual a 0,004, verifique quantos grampos são necessários e qual é o fator de incrustação final. 8) Deseja-se projetar um trocador bitubular para resfriar o benzeno, de 180°F até 100°F, sob pressão suficiente para manter o benzeno na fase líquida. Agua entra no espaço entre os dois tubos a 70°F e corre em contracorrente ao benzeno, à velocidade de 5 ft/s. OS tubos são do tipo IPS com diâmetros 2 x 1,25 in. Sabendo-se que cada grampo possui 20 ft, quantos grampos devem ser usados para resfriar 7500 lb/h de benzeno?
45
9) Num trocador de calor bitubular 3x2 in, benzeno escoa no anel. Este trocador de calor está em operação há vários meses e a temperatura do benzeno efluente vem baixando com o tempo. A análise do benzeno mostra a presença de algumas impurezas ácidas. Os ensaios com o vapor de água não sugerem motivos para haver corrosão excessiva no tubo interno. Calcular o fator de incrustação a partir dos dados de ensaio: Vazão= 4400 lb/h de benzeno Temperatura do benzeno afluente= 70°F, efluente= 130°F Temperatura do vapor de água= 240°F Coeficiente de transmissão de calor do vapor de água= 2000 Btu/(hft²°F) Comprimento efetivo da transferência de calor= 15 ft. 10) Devemos aquecer 7000 lb/h de anilina de 100 a 150°F, resfriando-se 10000 lb/h de tolueno com uma temperatura inicial de 185°F num trocador em forma de grampo de 15 ft de comprimento com tubo duplo IPS de 2 por 1 in. É possível a ocorrência de quedas de pressão de 10 psi e necessita-se de um fator de incrustação de 0,005. Quantas seções em forma de grampo são necessárias? Qual é o fator de incrustação final? 11) Num trocador bitubular está sendo resfriado o ácido butírico que entra a 180°F e sai a 140°F. O fluido resfriador é o benzeno que entra a 100°F e sai a 150°F. O trocador de calor tem 100 ft de comprimento e é fabricado com tubos IPS 3 x 2 in. A vazão do ácido butírico é 20000 lb/h e a condutividade térmica é k= 0,09 Btu/(h.ft.°F). (a) Qual é o fator de incrustação se a corrente quente flui entre os tubos? (b) Qual é o fator de incrustação se a corrente fria flui entre os tubos? 12) Um trocador com tubo duplo foi superdimensionado porque não se dispunha de dados acerca da incrustação acumulada. O trocador foi originalmente projetado para resfriar 13000 lb/h de 100% de ácido acético de 250 a 150°F pelo aquecimento de 19000 lb/h de álcool butílico de 100 a 157°F. Um coeficiente de projeto U D= 85 foi empregado, porém, durante a operação inicial, obtém-se uma temperatura de 117°F na saída do líquido quente. A temperatura sobe durante a operação com uma taxa média de 3°F por mês. Calcule o fator de incrustação que deve ser especificado para um ciclo de limpeza de 6 meses. 13) Repetir o exercício 12 para um ciclo de limpeza de 8 meses. Qual seria o tempo de operação para se atingir as condições de projeto? 14) Devemos aquecer O-xileno, proveniente de um tanque de armazenagem, de 100 a 150°F, resfriando-se 18000 lb/h de álcool butílico de 170 a 140°F. Para este propósito, existem disponíveis cinco trocadores de tubo duplo em forma de grampo de 20 ft com tubos comuns e tubos anulares conectados em série. Os trocadores são tubos IPS de 3 x 2 in. Calcule: a) O fator de incrustação; b) As quedas de pressão; c) Se as correntes quente e fria fossem trocadas de posição, como isso justificaria o refutaria sua decisão inicial sobre a localização da corrente quente? 15) Devemos resfriar 100000 lb/h de nitrobenzeno de 325 a 275 °F pelo aquecimento do benzeno de 100 a 300°F. Empregar-se-ão grampos com 20 ft de comprimento com tubo duplo IPS de 4 por 3 in, e quedas de pressão de 10 psi serão permitidas. Necessita-se de um fator de incrustação de 0,004. Quantos grampos são necessários e qual é o fator de incrustação final? 16) 10000 lb/h de gasolina com 57°API são resfriados de 150 a 130°F, aquecendo-se querosene com 42°API de 70 a 100 °F. Quedas de pressão de 10 psi são permitidas 46
com um fator de incrustação mínimo igual a 0,004. (a) Quantos grampos com 20 ft de comprimento com tubos IPS 2,5 x 1,25 in são necessários? (b) Qual é o fator de incrustação final? 17) Devemos resfriar 12000 lb/h de um óleo lubrificante com 26° API de 450 a 350°F, aquecendo-se querosene com 42°API de 325 a 375°F. Uma queda de pressão de 10 psi é permitida em ambas as correntes e devemos considerar um fator de incrustação mínimo de 0,004. (a) Quantos grampos com 20 ft de comprimento com tubos IPS 2,5 x 1,25 in são necessários? (b) Qual é o fator de incrustação final? 18) Devemos resfriar 24000 lb/h de um destilado com 35°API de 400 a 300°F através de 50000 lb/h de óleo bruto com 34°API aquecido de uma temperatura de entrada de 250°F. Permite-se uma queda de pressão de 10 psi e necessita-se de um fator de incrustação de 0,006. Para grampos de 20 ft de comprimento com tubos IPS de 4 por 3 in, determine (a) o número de grampos necessários, (b) o fator de incrustação final. 19) 500 lb/h de um óleo viscoso escoa através de um tubo de 0,5 in de diâmetro e 15 ft de comprimento. Sabendo que o óleo entra a 120°F e sai a 200°F, a que a temperatura a parede externa do tubo deverá ser mantida? Dado: = 100 /(ℎ. 2 ° ) (t do óleo em °F), CP,óleo= 0,5 Btu/(lb.°F). 20) Um óleo leve escoa por um tubo de 1 in, horizontal, que está exposto a uma atmosfera tranqüila a 50°F. O óleo flui continuamente no tubo e tem um número de Reynolds na entrada igual a 3000. A temperatura média do óleo afluente é de 200°F. A que distância da entrada o óleo atingirá a temperatura de 130°F? Propriedades do óleo: ρ= 50 lb/ft³
CP= 0,5 Btu/(lb.°F) k= 0,08 Btu/(ft.h.°F) T (°F) μ(cP)
70 22
80 18
95 13,8
110 10,8
130 8,1
160 5,7
200 3,8
240 2,7
21) Num tubo de cobre liso, com diâmetro interno de ¾ in, escoa um óleo lubrificante com a vazão de 3000 lb/h. A superfície interna do tubo é mantida a uma temperatura constante de 250°F, graças ao vapor de água que se condensa no exterior do tubo. O comprimento do tubo é de 20 ft e o óleo tem 100°F na entrada. Qual será a temperatura do óleo efluente? Propriedades do óleo: Densidade relativa= 0,82 – 0,0004T, (T em °F) 60 1,25
= 5,5
(cP)
CP= 0,5 Btu/(lb.°F) k= 0,1 Btu/(ft.h.°F)
47
Lista 2 – Evaporadores 1) Necessita-se concentrar 11025 lb/h de uma solução aquosa de açúcar de 15% a 60% (% massa). Para realizar esta tarefa, um evaporador irá operar a 140°F e com uma corrente de vapor de água saturado a 212°F que sairá na forma de líquido saturado. Sabendo-se que a solução será alimentada a 194°F, determine: a) A vazão de vapor necessária para efetuar a operação; b) A área de troca térmica necessária. DADOS: Calor latente de vaporização da solução λ 1= 1014 Btu/lb Calor específico da solução C F= 0,8 Btu/(lb°F) Coeficiente global de troca térmica U= 600 Btu/(hft²°F) 2) Desejamos concentrar uma solução de soda cáustica de 12,5 até 40% (% massa) num evaporador com duplo estágio. A vazão de 50000 lb/h de uma solução de alimentação entra no evaporador a 120°F, e dispomos de um vapor saturado a 15 psig para efetuar a concentração. O vácuo no segundo estágio é mantido a 24 inHg, e dispomos de água proveniente de uma torre de resfriamento a 85°F. Calcule: a) A quantidade de vapor de água necessária; b) A quantidade de água necessária para o resfriamento no condensador; c) A área de troca necessária para coeficientes globais de 400 e 250 Btu/(hft²°F) no primeiro e no segundo estágio respectivamente. 3) Repetir o exercício 2 para um sistema de realimentação. 4) Desejamos concentrar 20000 lb/h de solução de açúcar a 180°F de 12 a 30 °Brix num evaporador com duplo estágio. Supondo que o vapor de água da descarga da máquina de uma turbina seja disponível a 5 psig e o vácuo no segundo estágio seja mantido a 23 inHg, estime: a) A vazão de vapor de água necessária para efetuar a concentração; b) A área necessária em cada evaporador supondo coeficientes globais de 500 e 200 Btu/(hft²°F) para o primeiro e o segundo estágio respectivamente; c) A vazão de água de resfriamento do condensador, supondo que dispomos de água a 90°F e é permitido um desvio de 10°F para a temperatura de condensação. 5) Repetir o exercício 4 para um sistema de realimentação. 6) Desejamos concentrar 50000 lb/h de uma solução química a 100°F e com 10% de sólidos para obter um produto com 50% de sólidos. Dispomos de um vapor a 12 psig e supomos que um evaporador de triplo estágio de operação com iguais áreas de transmissão de calor em cada estágio funciona com seu último estágio sob vácuo de 26 inHg em relação a um barômetro a 30 inHg. Dispomos de água a 85°F para ser usada num condensador barométrico. Suponha um calor específico igual a 1 Btu/(hft²°F) em todos os estágios, o condensado de cada estágio sai com sua temperatura de saturação e as perdas por radiação são desprezíveis. Calcule: a) O consumo de vapor; b) As áreas de troca térmica; c) A água necessária para o condensador. Os coeficientes globais de transferência de calor aceitos para cada estágio são: U 1= 600, U2=250 e U3= 125 Btu/(hft²°F).
48
7) Refaça o exercício 6 considerando um sistema de realimentação. 8) Desejamos concentrar uma solução de açúcar de 15° Brix até 60° Brix num evaporador de tipo calandra com quatro estágios. Parte dos vapores provenientes do primeiro, do segundo e do terceiro estágio aquecerá a solução fria de 100 a 220°F em trocadores de calor antes da injeção no primeiro estágio do sistema evaporador. O suco diluído é concentrado com uma velocidade de 500 gpm usando vapor de água a 25 psig. Vácuo de 26,5 inHg é mantido no último estágio. Calcule: a) As áreas de troca térmica necessárias b) Todas as vazões do processo. Utilizar U1= 600 Btu/(hft²°F) e Ui+1= 0,5Ui.
9) Uma usina de papel produzindo 300 toneladas de poupa em cada 24h por dia por um processo com sulfito de magnésio concentra uma solução de 12% de rejeitos até 55% através de um evaporador de tubo longo com cinco estágios. A solução que entra em paralelo nos dois últimos estágios a 135°F é evaporada por vapor de água saturado a 45 psig. Suponha os seguintes dados: A alimentação contém um total de 2800 lb de sólidos por tonelada de poupa produzida; O primeiro estágio é dividido em dois evaporadores paralelos de 4500 e 7000 ft² respectivamente, água é disponível a 75 °F; o vácuo no último estágio é de 26 inHg; É permitido um desvio de 7°F para a temperatura de saturação no condensador; Há um aumento de 3°F no ponto de ebulição entre um evaporador e o seguinte. Calcule: a) As áreas de troca térmica necessárias; b) Todas as vazões do sistema. 10) Um evaporador opera com um coeficiente global de 500 Btu/(h.ft².°F) após 1h e 150 ao fim de 24h. Sabendo-se que é necessária 1h para limpar o evaporador, com que freqüência deve-se fazer a limpeza a fim de se aproveitar sua máxima capacidade? 11) Um evaporador triplo efeito é alimentado com 60000 lb/h de soda cáustica a 10% na temperatura de 180°F. O concentrado deverá sair com 50% de NaOH. Vapor saturado a 50 psia é usado no evaporador I, sendo que o vapor gerado em I alimenta o evap. II e o vapor gerado em II alimenta o evap III. A temperatura de operação do evaporador III é 100°F. A ordem de alimentação da solução é II, III, I. Os coeficientes globais são 700 em I, 1000 em II e 800 em III. Calcular: (a) A superfície de troca térmica querida supondo áreas iguais para os 3 evaporadores, (b) O consumo de vapor, (c) A economia de vapor (lb evaporadas/ lb vapor total). 12) Repetir o exercício 10 para um evaporador duplo efeito com alimentação frontal. 13) Deseja-se concentrar 1500000 lb/dia de um licor contendo 3% de sólidos até uma concentração de 48% de sólidos. Um evaporador de simples efeito adequado para esta operação custa $ 25000. O custo fixo é de 30% por ano e 1000 lb de vapor custa 40 centavos. Assuma 0,9N lb evaporadas por libra de vapor alimentado, sendo N o número de efeitos. O sistema irá operar 24h por dia e 300 dias por ano. Quantos efeitos deverão ser usados?
49
Lista 3 – Torres de resfriamento 1) Uma planta está sendo projetada para um local com quantidade de água restrita. A carga total de calor que deve ser removida de diversos processos pela torre de resfriamento é igual a 26.000.000 Btu/h. O ar ambiente está a 75°F e 100% de umidade relativa. A água deixará a torre a 85°F. Estando a água com conteúdo mineral comum e com ar ordinário, ela deve alimentar a torre com uma temperatura máxima de 120 °F. O equivalente da água para este intervalo é de 1500 gpm. Uma torre de 24 ft x 24 ft foi construída com uma capacidade de ventilação de 187000 cfm. Quantas unidades de difusão deve a torre ser capaz de realizar para preencher as exigências do processo. 2) Uma torre a ser operada com L=1000 e G= 500 lb/(ft²h) será construída com anéis de Raschig de 1”. Qual será a altura de recheio necessária, sabendo -se que a operação requer 3 unidades de difusão? Qual será a altura de uma unidade de difusão? 3) Repetir os exercício 1 para uma temperatura de saída da água de 100°F e repetir o exercício 2 para recheio de Selas Berl de ´ “.
4)
Uma torre de resfriamento de 30ft x 30ft foi projetada para resfriar 1800 gpm de água de 110 a 85°F quando se tem ar saturado entrando a 75°F. Os ventiladores podem impulsionar 275.000 cfm de ar. Quantas unidades de difusão são necessárias? Se o ar saturado entrasse a 80°F, quantas unidades de difusão seriam necessárias? Qual seria a altura do recheio se fossem usados anéis de Raschig de 2”?
5)
Uma torre de resfriamento de 30ft x 24ft foi projetada para fornecer 1200 gpm de água de 105 até 85°F com ar saturado entrando a 80°F. Os ventiladores são capazes de impulsionar 230.000 cfm de ar. Num teste real com carga completa, quando a temperatura de bulbo molhado era de 70°F, o intervalo da água variava de 77 a 97°F. A torre preenche as condições da garantia? Se o intervalo fosse de 78 a 98°F, a torre preencheria as condições da garantia?
6)
Numa planta de óleo lubrificante do Texas desejamos instalar um trocador de calor resfriado a água para um líquido com resíduo de graxa. Uma pequena porção da água da torre de resfriamento é disponível proveniente de uma única célula, porém existe dúvida a respeito de se a água que entra no inverno pode ou não endurecer a graxa e interromper a operação. No verão a torre opera com temperatura de bulbo molhado a 80°F com água a 120°F na entrada e a 85°F na saída. Por causa do equipamento principal da linha de água, a quantidade de água e de ar são fixadas para a torre através do ano para um valor de L/G = 0,86. Analogamente a carga térmica também é fixada. Desejamos saber a temperatura da água que alimentará o trocador em pleno inverno quando a temperatura de bulbo molhado for igual a 60°F.
7)
Uma torre de resfriamento com enchimento de anéis de raschig de 1” resfria 1000
gal/min de água, de 105°F a 90°F, usando uma contracorrente de ar com tiragem forçada que entra na torre a 110°F com 20% de saturação. As medidas diretas mostram que o ar sai da torre a 96°F, com temperatura de bulbo úmido de 94°F. O responsável pela operação deseja resfriar a água tanto quanto possível. Um dos processos imaginados é o de aumentar a vazão de ar e para isso verifica-se que a velocidade do ventilador pode ser aumentada sem sobrecarregar os motores, de modo 50
que a vazão pode ir até 1,5 vezes a inicial. Nesta elevada taxa de escoamento não ocorre a inundação da torre. Qual será a temperatura da água efluente com esta elevada vazão de ar, e quais serão as condições do ar efluente? 8)
Deseja-se resfriar 10000 gal/min de água de 110 a 85°F numa torre de resfriamento de fluxo induzido. A temperatura máxima de bulbo úmido no verão é 77 °F. a) Qual deverá ser a área da seção transversal da torre? b) Qual deverá ser a altura aproximada da torre? c) Considerando perda de 0.2% da água alimentada, qual deverá ser a vazão de reposição requerida?
9) Uma torre de resfriamento requer 3,47 unidades de difusão para arrefecer 1000 lb/(h ft²) de água. Sabendo-se que, para esta operação, a torre foi projetada com 10ft de altura de recheio, qual seria a nova altura de recheio se as vazões de ar e água fossem dobradas? Dado: Kxa = 21,95G0,5
51
Lista 4 – Trocadores de calor de placas 1) Deseja-se resfriar 70000 lb/h de um óleo lubrificante de 220°F até 85°F utilizando-se água a 65°F, que será aquecida até 140°F. Dispõe-se de um trocador de placas, sendo que cada placa possui 20 ft² de área. Determine o número de placas necessárias para efetuar esta operação considerando um número de passes quente/frio de 1/1. Dados: Cpóleo= 0,4 Btu/(lb°F), U= 700 Btu/(h.ft².°F). 2) Num processo de pasteurização, 20000 lb/h de leite deverão ser aquecidos de 77°F até 302°F com vapor superaquecido entrando a 400°F e saindo a 115°F em um trocador de placas. Em seguida, esse leite é encaminhado para um segundo trocador de placas, onde é resfriado até 86°F utilizando-se um líquido refrigerante saturado a 41°F, que sai do trocador na forma de vapor saturado. Determine o número de placas de cada trocador, sabendo-se que se dispõe de placas com 15ft² de área e que desejase trabalhar com um sistema de passes quente/frio de 2/2 para ambos os trocadores. Dado: Cpleite= 0,94 Btu/(lb.°F). Considerar U= 650 Btu/(h.ft².°F) para ambos os trocadores. 3) Em uma das etapas da fabricação do leite UHT, 50000 lb/h de leite a 266°F são resfriados em um trocador de placas com configuração de passes 4/4. Utiliza-se ar frio entrando a 44°F e saindo a 120°F para efetuar o resfriamento. Sabendo-se que o trocador possui 16 placas de 10 ft² de área, determinar a temperatura de saída do leite. Dados: Cpleite= 0,94, U = 600 Btu/(h.ft².°F). 4) Cerveja a 210°F necessita ser resfriada até 85°F. Um trocador de placas foi projetado para efetuar esta operação através da vaporização de um fluido refrigerante a 80°F. Quando o trocador foi colocado em operação, a temperatura de saída da cerveja foi 89,4°F. Qual sistema de passes foi utilizado neste trocador? Qual seria a temperatura de saída da cerveja se a configuração de passes fosse mudada para 2/2? E se fosse alterada para 4/4? 5) Um trocador de placas 1/1 foi projetado para resfriar um fluido A de 300°F a 100°F aquecendo um fluido B de 80°F a 220°F. Porém, após a limpeza, algumas placas não foram recolocadas e a temperatura de saída do fluido A passou a ser 125°F. Considerando U constante, qual foi a redução porcentual da área de troca térmica? 6) Um trocador com sistema de passes 1/1 contendo 10 placas com 35 ft² cada é utilizado para resfriar vinho de 280°F até 82°F utilizando-se água de resfriamento, que é aquecida de 77°F até 155°F. Após a limpeza do trocador, o operador esqueceu-se de recolocar as placas 5 e 6. Qual será a conseqüência disso? Dado: U= 660 Btu/(h.ft².°F). 7) Repetir o exercício 6 para um TC de 6 placas com um sistema de passes 4/1. 8) Um TC 1/1 contendo 8 placas de 18ft² resfria um fluido A de 210°F a 97°F, aquecendo um fluido B de 80°F a 115°F. Após a adição de mais 4 placas, o coeficiente global de troca térmica passa de 600 para 450 Btu/(h.ft²°F). Nesta nova condição, quais serão as temperaturas de saída das correntes?
52
Lista 5 – Trocadores de calor casco-tubos
1) 149000 lb/h de óleo bruto com 34°API serão aquecidos de 100 a 170°F utilizando-se querosene com 42° API que deixa o fundo de uma coluna de destilação a 390°F e são resfriados até 200°F. Uma queda de pressão de 10 psi é permissível para ambas as correntes e, devemos dispor de um fator de incrustação combinado de 0,003. Para este serviço, dispomos de um trocador com 21,25” de diâmetro, contendo 158 tubos BWG 13 com do= 1” e comprimento de 16 ft, dispostos em passo quadrático, com afastamento (Pitch) igual a 1,25”. O feixe de tubos é agrupado em 4 passagens e a distância entre as chicanas é de 5 in. Determine o fator de incrustação deste trocador e verifique se ele pode operar nesse processo. 2) 175000 lb/h de água destilada entram num trocador a 93°F e saem a 85°F. O calor será transmitido para água comum proveniente de um reservatório a 75°F e deixando o trocador a 80°F. Uma queda de pressão de 10 psi pode ser desenvolvida em ambas as correntes enquanto fornece um fator de incrustação de 0,0005 para a água destilada e de 0,0015 para a água comum quando a velocidade no tubo supera 6 ft/s. Dispõe-se para este serviço de um trocador com 15,25” de diâmetro interno com 160 tubos de ¾”
BWG 18 de comprimento igual a 16 ft e dispostos segundo um passo triangular com lado igual a 15/16 in. O feixe é agrupado por duas passagens e as chicanas são separadas por uma distância de 12 in. O trocador será apropriado? 3) 20160 lb/h de uma solução com 30% de K3PO4 devem ser resfriados de 150 a 90°F, usando-se água de 68 a 90°F. Ambas as correntes podem produzir quedas de pressão de 10 psi, e é necessário um fator de incrustação total igual a 0,002. Dispomos para este serviço de um trocador 1-2 com DI de 10,02 in e possuindo 52 tubos de 3/4” BWG 16 com 16 ft de comprimento, dispostos com passo quadrado de lado igual a 1 in. O feixe é disposto em duas passagens e o espaço entre as chicanas é de 2 in. O trocador será apropriado? Dados da solução de fosfato: C p= 0,757 Btu/(h.ft²°F), μ= 2,9 lb/(ft.h), k= 0,33 Btu/(h.ft.°F), ρ*= 1,3.
4) 200000 lb/h de uma solução com 20% de açúcar (ρ*= 1,08) deve ser aquecida de 100 a 122°F, usando-se vapor a uma pressão de 5 psi. Para este serviço, dispõe-se de um trocador 1-2 com DI igual a 12in sem chicanas e com 76 tubos de ¾” BWG 16 com 16 ft de comprimento e dispostos com passo quadrado de lado igual a 1 in. O feixe é agrupado para duas passagens. Pode o trocador fornecer um fator de incrustação igual a 0,003 sem exceder uma queda de pressão de 10 psi na solução? 5) Querosene com 42°API é resfriado de 390°F a 200°F, aquecendo-se 149000 lb/h de óleo bruto a 34°API de 100 a 170°F num trocador com 662 ft² de área. O coeficiente global limpo é de 69,3 Btu/(hft²°F). Quando o trocador 1-1 está limpo, quais serão as temperaturas de saída dos fluidos? 6) Repetir o exercício 5 para um trocador 1-2. 7) 96000 lb/h de óleo absorvente com 35°API são resfriados de 400 a 200°F, aquecendose um destilado com 35°API de 100 a 200°F. Dispõe-se para esta operação de um trocador 1-2 com 29 in de DI, possuindo 228 tubos com d o= 1”, BWG 14, comprimento de 16 ft e com passo triangular de 1,25”. A distância entre as chicanas é de 10” e o
feixe está disposto com 4 passagens nos tubos. Qual o arranjo que fornece as quedas de pressão mais aproximadamente equilibradas e qual é o fator de incrustação? A 53
viscosidade do óleo absorvente é de 2,6 centipoises a 100°F e de 1,15 centipoises a 210°F. A viscosidade do destilado vale 3,1 centipoises a 100°F e 1,3 centipoises a 210°F. 8) Aquece-se etileno-glicol de 100 a 200°F com vazão de 75000 lb/h, usando-se vapor a 250°F. Dispõe-se para este serviço de um trocador 1-2 com 17,25” de DI, possuindo 224 tubos com ¾” de DE, BWG 14, comprimento de 16 ft com passo triangular de 15/16”. A distância entre as chicanas é de 7 in e existem duas passagens de tubos
para acomodar o vapor. Quais são as quedas de pressão e qual é o fator de incrustação? 9) Um trocador 1-2 recupera calor de 10000 lb/h da descarga de uma caldeira a 135psig, aquecendo água comum de 70 a 96°F. A água comum flui nos tubos. O trocador possui 10,02”, com tubos BWG 16, comprimento de 8ft. A distância entre as chicanas é
de 2 in. Quais são as quedas de pressão e os fatores de incrustação. 10) Resfria-se isobutano (118°API) de 203 a 180°F com vazão de 78359 lb/h, aquecendose butano (111,5°API) desde 154 até 177°F. Dispõe-se para este serviço de um trocador 1-2 com DI de 17,25”, possuindo 178 tubos com ¾”, BWG 14, com comprimento de 12 ft e com passo triangular de 1 in. A distância entre as chicanas é de 6 in e o feixe é disposto para 4 passagens. Quais são as quedas de pressão e o fator de incrustação. 11) Uma solução com 20% de iodeto de potássio deve ser aquecida de 80 a 200°F com vazão de 100000 lb/h, usando vapor a 15 psig. Dispõe-se de um trocador 1-2 com 10 in de DI, sem chicanas, possuindo 50 tubos de ¾”, BWG 16, com comprimento de 16 ft
com passo triangular de 15/16 in. Quais são as quedas de pressão e o fator de incrustação. 12) Deseja-se resfriar, mediante a água, num trocador multitubular, 20000 lb/h de ar, de 150°F até 100°F. A água de resfriamento está a 70°F e deve sair do trocado a 95°F. Para efetuar esta operação existe um trocador com um passe no casco e dois passes nos tubos, constituído por 50 tubos de cobre BWG 18, de 1 in, cada qual com 10 ft de comprimento. Este feixe de tubos está num casco de 10 in, numa configuração triangular com afastamento de 1,25 in, com chicanas colocadas a cada 6 in. O trocador é capaz de realizar a operação? 13) Um trocador de calor casco e tubos destina-se a resfriar 200000 lb/h de água, de 100°F até 90°F. O trocador tem um passe no casco e dois passes nos tubos, e a água escoa nos tubos. No casco passa a água de um rio que entra a 75°F e sai a 90°F. O coeficiente de transmissão de calor do fluido no lado do casco é 1000 Btu/(h.ft²°F). As especificações de projeto indicam que a queda de pressão no fluido do lado dos tubos, tanto quanto possível, igual a 10 psia, e que os tubos, com 10 ft de comprimento, devem ser feitos em cobre BWG 18. A partir destes dados, qual é o diâmetro dos tubos e quantos tubos são necessários? 14) Um resfriador de ar consiste num trocador de casco e tubos, com um passe no casco e um passe nos tubos, e tem 200 tubos, cada qual com 6 ft de comprimento e diâmetro interno de 1 in dispostos em 15 fileiras. O ar flui no interior dos tubos, mantendo a superfície externa em 200°F. A água, a 100°F, flui transversalmente pelo exterior dos tubos à vazão de 2000 lb/s. Comparar as taxas de transferência de calor e também as perdas de pressão quando os tubos estão dispostos num arranjo quadrangular e 54
quando estão num arranjo triangular, ambos com espaçamento de 2 in medidas centro a centro. 15) Num trocador de casco e tubos, com 1 passe no casco e 2 passes nos tubos, resfria-se glicerina, de 150°F até 90°F, pelo ar, a uma vazão de 5 galões por minuto. Calcular a MLDT corrigida e o comprimento de cada tubo quando se usa tubo de cobre BWG de 1 in, U= 20 Btu/(ft².h.°F) e um casco de 20” de DI.
16) Querosene é aquecido num trocador casco-tubos de passe único por água quente. O querosene situa-se dentro dos tubos e a água, fora. O trocador é capaz de aquecer 1000 gal/min de querosene (medidos a 60°F) de 100 a 180°F. Os tubos são BWG 18 e possuem diâmetro de ½ in. A velocidade nos tubos é cerca de 7 ft/s. Os tubos estão arranjados com passe triangular de 1,375 in. O afastamento entre o feixe de tubos e a parede do casco é de 2,5 in. O coeficiente do lado da água é de 350 Btu/(h.ft²°F). Água entra a 210°F e sai a 150°F. A condutividade térmica e a viscosidade do querosene a 140°F são 0.0875 Btu/(h.ft.°F) e 1 cP respectivamente. A densidade relativa é de 0,805 a 60°F e 0,772 a 140°F. Determine o diâmetro interno do casco e o comprimento dos tubos. 17) 50000 lb/h de querosene são resfriados de 400 a 200°F no casco de um TC cascotubos 1-1. Nos tubos, água é aquecida de 100°F até 180°F. Após 5 meses de operação, houve entupimento em alguns tubos do trocador resultando em UD=Uc e numa temperatura de saída para o querosene de 215°F. Estime o número de tubos entupidos. DADOS: casco com 21,25” de diâmetro interno, 158 tubos BWG 13 com 1” de diâmetro externo com comprimento de 16 ft, passo quadrado, PT= 1,25” e B= 5 in.
Propriedade CP (Btu/lb.°F) μ (lb/ft.h)
k (lb/h.ft.°F)
Querosene 0,59 0,97 0,0765
Água 1 2,42 0,381
55
Lista 6 – Refervedores 1) 24700 lb/h de butano são alimentados no casco de um trocador casco-tubos, na forma de líquido frio a 108°F e 300 psia. 80% desta corrente deverão ser vaporizados a 235°F e 300 psia no equipamento, que irá operar com a condensação total de vapor de água saturado a 338°F (λ A= 880,6 Btu/lb). Para este serviço, dispõe-se de um trocador 1-2 com 15,24” de diâmetro, 76 tubos BWG 16 com d o= 1”, comprimento de 1 6 ft, dispostos num passo quadrado (PT= 1,25”) com duas passagens. O espaçamento entre as chicanas é de 5 in. Determine o fator de incrustação e a queda de pressão. Dados: Entalpias do Butano a 300 psia: 162 Btu/lb (líq a 108°F), 248 Btu/lb (líq a 235°F) e 358 Btu/lb (vap a 235°F). Butano Vapor de Propriedade água Líquido Gás k(CP μ/k) (Btu/lb.ft.°F) 0,12 0,115 0,0363 0,278 0,242 μ (lb/ft.h) 0,00413 0,5 0,28 ρ*médio hio para vapor condensante = 1500 Btu/(h.ft².°F). 2) Necessitamos produzir 20000 lb/h de vapor de hexano a partir de hexano líquido a 100°F e 80 psig. O calor deverá ser fornecido pelo vapor de água a 350°F. Para esta operação, dispõe-se de um trocador com DI de 17,25”, contendo 160 tubos BWG 16, com DE de ¾” e comprimento de 16 ft, di spostos em duas passagens com um passo quadrado de 1”. As chicanas da carcaça estão espaçadas com uma distância de 16 in.
Determine o fator de incrustação e as quedas de pressão. 3) 15600 lb/h de butano são alimentados a um trocador casco-tubos, na forma de líquido frio a 108°F e 300 psia. 75% desta corrente deverão ser vaporizados a 235°F e 300 psia no equipamento, que irá operar com a condensação total de vapor de água saturado a 338°F (λ A= 880,6 Btu/lb). Para este serviço, dispõe-se de um trocador 2-4 com 25,25” de diâmetro, 142 tubos BWG 18 com d o= 1”, comprimento de 14 ft, dispostos num passo triangular (PT= 1,5”) com duas passagens. O espaçamento entre as chicanas é de 5 in. Determine o fator de incrustação e a queda de pressão. Qual seria a perda de carga caso o espaçamento entre as chicanas fosse alterado para 10 in? Utilizar as mesmas propriedades do exercício 1. 4) 30000 lb/h de uma mistura com propriedades médias iguais as do hexano são vaporizadas de uma alimentação de 40000 lb/h em seu ponto de bolha a 105 psig. O intervalo de ebulição vai de 300 até 350°F e o calor é fornecido pelo vapor de água a 398°F. Dispõe-se de um trocador 1-2 com DI de 19,25”, contendo 132 tubos BWG 14 com 1” de DE, comprimento de 16 ft, dispostos com passo quadrado de 1,25” . A distância entre as chicanas é de 12”. Determine o fator de incrustação e as quedas de
pressão. 5) Deseja-se aquecer, de 40 até 160°F, um volume de 10000 ft³/min de ar (medidos em CNTP), passando-o por um aquecedor constituído por 500 tubos de aço padronizados, de 1 in BWG 16, com disposição quadrangular (P T= 1,5 in). O fluido de aquecimento é vapor de água saturado a 6 psig que escoa por fora dos tubos. (a) Calcular o comprimento dos tubos. (b) Qual deve ser a pressão do vapor de água para que a temperatura de saída do ar aumente em 10°F (c) Qual deve ser o comprimento dos tubos para que o ar fosse aquecido até 170°F em vez de 160, pelo vapor à mesma pressão de 6 psig.
56
