Diseño de Plantas Plantas Industriales 1 Ingeniería Química – FIQIA FIQIA - UNPRG
DISEÑO D DEL E ESPESOR DE L LA P PARED D DE U UN R RECIPIENTE
1. Determine el espesor de las paredes de un reactor que debe operar a 2 atm y 400°F. Está construido d de a acero iinoxidable 3 304 y y ttiene u un d diámetro d de 3 3.6 p pies. SOLUCION Poperación. = 2 atm *14.7= 29.4 psi PDiseño = 1.2 x Poerac. = 1.2 x (29.4) = 35.28 psi D = diámetro del reactor = 3.6 pies (43.2pulg) R = radio interno = 21.6 pulg. T= Temperatura de diseño = Top.+50°F = 400+50 = 450°F. e
PxR
SxE 0.6 xP
e
C
(Chemical P Process E Equipment, f f or W Walas, p pag.625, T Tabla 1 18.3)
35.28.lb / pu lg 2 x 21.6. pu lg 12583 x0.8 0.6 x35.28.lb / pu lg
2
1 16
pu lg
S ( E = 1 12583 Má x i im ubica e en f f igura 1 18.4 b b p pag. 6 626. (Walas). S = Es f uer zo M o per mi si bl e ) se u e = 0.1384 pulg. ≈ 3/16 pulg. pulg. Esta medida de amplio uso comercial. Es el más cercano a 3/16 y se escoge de los diámetros nominales: 3/32 = 0.09375”, 1/16 = 0.0625”, 1/8 = 0.125”, 3/16 = 0.1875”, ¼ = 0.250”, ½ = 0.5 “ Rpta. El espesor espesor de las paredes del reactor sería de 3/16 pulgadas.
2. Calcular el espesor espesor de la pared pared del tanque reactor que opera a una presión de 1.2 atm, a una temperatura de 85°C. El diámetro interno del reactor es 3.5 pies Y está construido de acero al carbono SA515 grado 70.
SOLUCION e=
P xR D SxE 0.6 P D
C
Popera. = 1.2 atm *14.7= 17.64 psi PDiseño = 1.2 x Poerac. = 1.2 x (17.64) = 21.168 psi D = diámetro del TK = 3.5 pies (42pulg) R = radio interno = 21 pulg. S = esfuerzo máximo permisible
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TD = Toperación + 50ºC (185°F) = 185+50 = 235°F TD = 235ºF S = 17500 lb/pulg12
Figura 18.4 b, pag. 626.
E = eficiencia de uniones = 0.8 por soldadura C = tolerancia a corrosión = 1/16 pulg. Reemplazando en * e=
21.168.lb / pu lg 2 x21 pu lg 17500.lb / pu lg 2 x0.80 0.6 x21.168.b / pu lg 2
0.0625
e = 0.094 pulg = 1/8 ” nominal
3. Calcular el espesor del cabezal toriesférico de un reactor construido con acero al carbono SA265 A, que tiene una presión de diseño de 35.28 psi, temperatura de diseño de 300°F y tiene un radio de 20 pulgadas.
. L = r/0.06 = 20/0.06 = 333.33 pulg
e
0.885 * P * L
SxE 0.1 P
e = 1.1561 pulg
0.885 x35.28 * 333.33
≈
11200 x0.85 0.1 x35.28
1 1/2 pulg.
0.0625
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DISEÑO DE DIAMETRO DE ACOPLAMIENTOS 1. Calcule el diámetro del acoplamiento para entrada de 4835.9 lb/hr melaza a intercambiador de calor, a una velocidad de 1.6 pie/s. La melaza tiene una gravedad específica es 1.09 a 25°C, y una viscosidad de 1.2 cp. SOLUCION Densidad: 1.09 * 62.4 = 68.016 lb/pie3
Q=
4835.9.lb / h
m
3
68.01lb / pie
= 71.09 pie3/hr x
Di = 3.9 (Q)0.45 ()0.13
Di
3.0.Q f
0.36
0.18
.
1h 3600 s
= 0.0197 pie3/s
(para flujo turbulento) (Par a f f lu jo jo llaminar )
Por las características, se trataría de flujo turbulento. Calcularemos y comprobamos: Di = 3.9 (0.0197 pie3/s)0.45 (68.01lb/pie3)0.13 Di = 1.153 D = 1 1/2“ o para mayor seguridad 1 ½” (diámetro nominal) Comprobando si es flujo turbulento:
=
Nre=
∗∗ ∗
1.6 * 68.01* (1.5 / 12) 1.2 * 2.42 / 3600
= 16862 (>2100) Flujo turbulento (El diámetro es correcto)
2. Calcule el diámetro del acoplamiento para entrada a un tanque, de 1.0007 pie3/s de un líquido viscoso que tiene una densidad de 60.99 lb/pie 3. a 25°C, y una viscosidad de 34.5 cp
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SOLUCION 0.45
Di
3.9.Q f
0.13
.
Para f f lu jo jo tturbulento
Di = = 3 3.9 ((1.0007) 0.45*( 6 60.99) 0.13 Di=6.66 p pulg. Diámetro d de iingreso d de lla a alimentación d debe sser d de 8 8 p pulgadas Comprobando si es flujo turbulento:
=
Nre=
=
1.0007
8 = ( ) 3.1416∗
2.87 x8 / 12 x60.99 34.5 * 2.42 / 3600
2.87 pie/s
= 5031 (>2100) Es flujo turbulento.
Por llo ttanto, sserá n necesario u un d diámetro d de 8 8 p pulg.
3. Calcule el diámetro del acoplamiento para el efluente de un bioreactor de 2.65 pie 3/s, con una densidad de 62.099 lb/pie3. a 25°C y una viscosidad de 54 cp. Di=3.9 Q Q f f0 .45*ρ0.13
par a f f lu jo jo ttur bulento
Di=3.9 ((2.65)0.45*(62.099)0.13 Di = = 1 10.34 p pulg.= 1 12” Comprobamos e el f f lu jo:
=
Nre=
=
2.65
=3.37 ( ) 3.1416∗
3.37 x12 / 12 x62.099 54 * 2.42 / 3600
pie/s
= 5765 (>2100) Es flujo turbulento.
Por llo ttanto, e el d diámetro p para e el e ef luente d del b bioreactor será d de 1 12 p pulgadas
4. Se debe ingresar un caudal de 27745 lb/hr de una sustancia líquida que tiene una densidad de 60.705 lb/pie3, y viscosidad de 27 cp. ¿que diámetro será necesario para la tubería de entrada?
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SOLUCION Entrada = salida Q V =
27745lb / h 3
60.705lb / pie * 3600
= 0.1269 pie3/s
Para flujo turbulento Di = 3.9 Q 0.45 x 0.13 Di = 3.9 x (0.1269)0.45 x (60.705)0.13 Di = 2.62 Di = 4 pulg
=
Nre=
=
0.1269
=2.59 ( ) 3.1416∗
2.59 x3 / 12 x 60.705 27 * 2.42 / 3600
pie/s
= 2165 (>2100) No es flujo turbulento.
Con flujo laminar
Di
3.0.Q f
0.36
0.18
.
(Par a f f lu jo jo llaminar )
DISEÑO DE AGITADORES 1. En un recipiente se mezclan dos sustancias para dar inicio a una reacción. Una es solución acuosa de sp.gr. 1.4 y viscosidad 15 cp, y la otra es un polímero de sp.gr. 1.5 y viscosidad 18000 cp; para producir 5000 gl de producto final de s = 1.6 y viscosidad 15000 cp. El recipiente es cilíndrico vertical de hierro, fondo cóncavo. El diámetro del reactor es 9.5’ y la altura 1 5’. Al recipiente no se le debe instalar deflectores. (Aplicar
método de McCabe para sistema de agitación sin deflectores). Diseñe el sistema. a.
Tipo de agitador y sus caracteristicas.
b. Potencia del motor del agitador.
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SOLUCION De la guía de selección, para 5000 gl (> 1000 gl) se recomienda turbina de 6 palas o paletas inclinadadas, sin deflectores por ser de alta viscosidad. (ver pag. 288, inciso b) Diámetro típico del impelente (propulsor): D/Dt = 0.25 a 0.5 Para alta viscosidad se recomienda impulsor largo: D/Dt = 0.5 D = 9.5 * 0.5 = 4.75 pies w = D/5 = 4.75/5 = 0.95 pies Caudal, Q = v.A
3.1416 x(9.5)2
A=
4
= 70.85 pie2
Para una diferencia de sp.gr = 0.4 y
1
12000 corresponde v= 0.4 pie/s (tabla 10.2)
2
Q = 0.4 pie/s x 70.85 pie2 x 60s/min = 1701 pie 3/min 2
Nre
xNxD
=
(1.1 x62.4) x(50 x60 RPH )(4.75) 2 15000 x2.42.lb / pie.hr / cp
= 128 (se asume N = 50 RPM)
Comprobando: NQ vs Nre se tiene que con NQ =0.33 N
1701
3
0.33 x 4.75
48 RPM
Recalculando (realizando iteracciones) = N = 50 RPM Calculo de la potencia: 3
P
N P . N . D
5
.
g c
Para viscosidades > 5000 cp, no se necesita deflectores, por lo tanto: Se debe corregir N p con NFr (Numero de Froude) de la siguiente manera: N P
N Fr
m
N Po xN Fr donde
N 2 . D
(50 / 60) 2 x4.75
g c
32.17
0.12
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m
a
log 10 Nre b
Para recipientes con deflectores: a= 1.0 b = 40 De donde m = -0.02775 En la figura 10.5 c, curva 5, se lee aprox. Np O = 5
Np
P
5 x(0.12 )
0.02775
3.92
3.92 x(50 / 60)3 x(1.1 x62.4) x(4.75)5
32.17 x550
=22.3 HP
Aplicando el método rápido: (Uso de tabla 10.3 , pag 295) Para v=0.4 pie/s, viscosidad hasta 25000 cp, y 1 000 Gl, corresponde 5HP/56 RPM 5000.Gl x5 HP 1000.Gl
Para 5000 Gl será:
25 HP
2. Para un agitador de 6 palas curvas de turbina instalado centralmente en un tanque vertical de 6 pies de diámetro, con una turbina para agitación de 2 pies de diámetro, situada a 2 pies por encima del fondo del tanque. Las palas tienen un ancho de 6 pulgadas. El tanque está lleno hasta una altura de 6 pies con una solución caustica, a 150°F, que tiene una viscosidad de 120 cp y una densidad de 90 lb/pie3. La turbina gira a 90 rpm y el tanque está provisto de 4 placas deflectoras. ¿Qué potencia se requiere para la agitación del mezclador? SOLUCION
Nre
N . D 2 .
=
120.cp * 2.42.(lb. pie / hr ) / cpx 3
P
90 / 60rps * 2 2 pie 2 * 70.lb / pie 3
Np. . N . D
1
= 5207
3600. s / hr
5
g c
Np = Numero de potencia se ubica en la figura 10.5 con curva 7 y Nre de 5207. Np = 4 (aproximado)
P
4 * 70 * (1.5) 3 x 2 5
32.17
940
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P
1.7 HP
3. ¿Cuál será la potencia requerida para la operación del mezclador si no tuviera placas deflectoras? SOLUCION Cuando no hay deflectores interviene el número de Fraude, N Fr para corregir el Np.
Np
N Fr
N fR
m
Npo xN Fr
N 2 . D
g c
,
(90 / 60) 2 * 2
32.17
0.14
Leer en la fig. 10.5, (5) (pag. 291): turbina impeller, six straight blades, without baffles (impelentes de turbina de 6 palas rectas sin deflectores): Np o = 1.1 aproximadamente, m
a
log 10 Nre b
Para tanques sin deflectores: a = 10, b = 40 m
1.0
log 10 69543 40
0.096
Np = 1.1 x 0.14-0.096 P
1.3285 x70 x(90 / 60) 3 x2 5
32.17
= 312pie.lb/s
P = 0.568 CV
4. Suponga que el mezclador del ejemplo 1 se va a utilizar para mezclar un látex de caucho que tiene una viscosidad de 12000 cp y una densidad de 70 lb/pie3 . ¿Qué potencia será necesaria? SOLUCION 2
Nre
D . N .
22 x(90 / 60) x70 =52.1 1 12000 x 2.42 x 3600
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En la figura 10.5 c, curva 5, Np = aprox. 6 3
P
6 x70 x1.5 x2
32.17
5
1410 pie.lb/s (2.56 CV)
PROBLEMAS PROPUESTOS Resuelva los problemas 1, 5, 6 y 7 propuestos al final del capitulo de AGITACION Y MEZCLA DE LIQUIDOS del libro: Operaciones Básicas de Ingeniería Química de McCabe –Smith.
