Equipamentos de Troca Térmica
Trocadores de Calor
4. TROCADOR TUBO DUPLO OU BITUBULAR São equipamentos muito simples e consiste na montagem de dois tubos concêntricos. Um fluido passa pelo tubo interno e o outro pelo anel formado entre os dois tubos. Geralmente o tubo interno é aletado e são montados sequências de trechos retos em série, unidos por curva em U. Os tubos aletados empregados nesses trocadores de calor são, na sua maioria, do tipo aleta longitudinal externa.
Figura 4.1 – Trocador bitubular.
A configuração simplificada desses equipamentos lhes proporcionam algumas características particulares: •
Devido ao diâmetro reduzido de ambos os tubos, eles são adequados para utilização a pressões elevadas, pois não exigem grandes espessuras;
•
São adquiridos na forma de módulos, que são montados em série ou paralelo, podendo-se ajustar a área de troca com relativa facilidade;
•
É sempre possível fazer com que os fluidos circulem em contracorrente, obtendose o máximo rendimento térmico;
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Operações Unitárias da Indústria Química Equipamentos Equipa mentos de Troca Térmica Trocadores de Calor Calor Volume 1
Operações Unitárias da Indústria Química Equipamentos Equipa mentos de Troca Térmica Trocadores de Calor Calor Volume 1
Operações Unitárias da Indústria Química Equipamentos de Troca Térmica Trocadores de Calor Calor Volume 1 1ª Edição George de Souza Mustafa Professor de Engenharia Química Universidade Salvador - UNIFACS Salvador - Bahia 2009
Reservados todos os direitos. É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, ou partes do mesmo, sob qualquer forma ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia ou outros), sem a permissão expressa do autor.
PREFÁCIO Este livro tem como principal objetivo apresentar, de forma introdutória, os principais equipamentos utilizados na indústria química para transferência de calor. O volume 1 deste livo é dedicado aos equipamentos de troca térmica por contato indireto: os trocadores de calor. Os equipamentos que operam na presença de chama, fornos e caldeiras, são tratados no volume 2. E o volume 3 estuda as torres de resfriamento, equipamentos onde ocorrem transfências de massa e calor, concomitantemente. No volume 1, são apresentados os princípios de funcionamento e detalhes construtivos dos principais tipos de trocadores de calor, dando mais ênfase aos trocadores tipo casco-e-tubos. Os métodos de cálculo para dimensionamento dos trocadores de calor bitubular e casco-e-tubos, além dos refervedores e condensadores, também são estudados neste volume.
SUMÁRIO INTRODUÇÃO DEFINIÇÃO CLASSIFICAÇÃO DOS TROCADORES DE CALOR TROCADOR TUBO DUPLO OU BITUBULAR RESFRIADOR A AR (AIR COOLER)
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6 - TROCADOR DE PLACAS 7 - PRÉ-AQUECEDOR DE AR TIPO LJUNGSTROM 8 - TROCADOR DE PLACAS ESPIRAIS 9 - TROCADOR DE TUBOS ESPIRAIS 10 - AQUECEDOR DE TANQUE 11 - TROCADOR BAIONETA 12 - TROCADOR PLATE-FIN 13 - TROCADOR DE SUPERFÍCIE RASPADA 14 - TROCADOR TIPO PAINÉIS 15 - TROCADOR DE TEFLON 16 - TROCADOR DE GRAFITE 17 - TROCADOR DE VIDRO 18 - AQUECEDOR ELÉTRICO 19 - VASOS AGITADOS 20 - SERPENTINAS 21 - TROCADOR DE CASCATA 22 - TROCADOR DE LAMELLA 23 - TROCADOR DE CALOR CASCO-E-TUBOS 17.1 - Definição 17.2 - Nomenclatura dos componentes 17.3 - Tipos de trocadores de calor casco-e-tubos 17.4 - Feixe de tubos 17.5 - Arranjo das passagens do fluido pelo lado dos tubos 17.6 - Arranjo dos tubos no espelho 17.7 - Quebra-jato
12 16 18 19 19 20 21 24 25 26 26 27 28 28 29 29 29 30 30 27 28 29 34 36 37
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17.8 - Tiras de selagem 17.9 - Codificação TEMA 17.10 -Materiais 17.11 –Aspectos operacionais 17.12 –Manutenção 18 - PROCESSOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 18.1 – Condução 18.2 – Convecção 18.3 – Radiação 19 - COEFICIENTE GLOBAL DE TROCA TÉRMICA 20 - DIFERENÇA DE TEMPERATURA 21 - TEMPERATURAS CALÓRICAS E DA PAREDE DO TUBO 21.1 – Temperatura calórica 21.2 – Temperatura da parede do tubo 22 - PERDA DE CARGA 23 - PROJETO DE TROCADOR BITUBULAR 24 - PROJETO DE TROCADOR DE CALOR CASCO-E-TUBOS 25 - REFERVEDORES 26 - CONDENSADOR 27 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXOS ANEXO 1 – Quadros e Figuras do Kern ANEXO 2 – Capítulo 14 do Timmerhaus: “Alternative Approaches to Heat Exchanger Performance” ANEXO 3 – Capítulo 14 do Timmerhaus: “Films Coefficients and Overall Coefficients for Various Heat-Transfer Situations” ANEXO 4 – Capítulo 14 do Timmerhaus: “Kern Method, Bell-Delaware Method and Wills-Johnston Method”
38 38 44 45 48 53 53 55 56 59 61 63 63 64 65 67 73 93 104 111 112 113 168 174 178
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1. INTRODUÇÃO No projeto de processos químicos, cada etapa a ser utilizada, seja reações químicas ou modificações físicas, deve ser analisada individualmente. Estas etapas, na produção de qualquer produto químico, podem ser esquematizadas conforme o diagrama de bloco abaixo. Armazenamento de Matéria(s)-Prima(s)
Ajustes das Condições Operacionais para a Reação Química
Reação Química
Ajustes das Condições Operacionais para a Separação
Separação
Ajustes das Condições Operacionais para o Armazenamento
Armazenamento de Produto(s) 1
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Antes de entrar(em) no reator, a(s) matéria(s)-prima(s) passa(m) através de vários equipamentos, onde a pressão, temperatura, composição e estado físico são ajustados para que sejam alcançadas as condições ótimas em que ocorrem as reações químicas. Estes ajustes são necessários porque as condições operacionais do armazenamento e da reação química são diferentes. Após os ajustes, os reagentes contidos na(s) matéria(s)-prima(s) são transformados em produto(s) na etapa seguinte, ou seja, na etapa da reação química. Os efluentes do reator são, em geral, uma mistura de produtos, contaminantes e reagentes não reagidos que devem ser separados em equipamentos apropriados para se obter o(s) produto(s) na pureza adequada para ser(em) colocado(s) no mercado - os reagentes não reagidos separados do(s) produto(s) são reciclados para o início do processo. Entretanto, antes de sofrer a separação, a mistura reacional proveniente do reator deve passar também através de vários equipamentos, onde a pressão, a temperatura, a composição e estado físico são ajustados para que sejam alcançadas as condições ideais em que ocorre a separação. Como também as condições do armazenamento do(s) produto(s) são geralmente diferentes das condições da etapa de separação, antes do(s) produto(s) ser(em) enviado(s) para a área de tancagem, devem ser ajustada a pressão e temperatura ideais para o seu armazenamento seguro. Em geral, em todos os equipamentos utilizados antes e após o reator ocorrem apenas mudanças físicas no material, independentemente do material que está sendo processado, tais como: elevação ou redução da pressão, aquecimento, resfriamento ou refrigeração, mistura, separação etc. Na Tabela 1, são apresentados os principais equipamentos industriais e suas aplicações nos processos químicos. Tabela 1.1 - Equipamentos industriais e suas aplicações.
Aplicações Aumento de pressão Redução de pressão até a pressão atmosférica Redução de pressão abaixo da pressão atmosférica Aumento da temperatura
Equipamentos Bombas (líquidos) Compressores (gases) Válvulas Orifícios de restrição (OR) Bocais Ejetores Bombas de vácuo Trocadores de calor Fornos Caldeiras (geração de vapor)
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Tabela 1.1 - Equipamentos industriais e suas aplicações (continuação).
Aplicações Redução de temperatura até a temperatura ambiente
Equipamentos Trocadores de calor Torres de quench Torres de resfriamento (água) Redução de temperatura abaixo da temperatura ambiente Sistemas de refrigeração Acionamento primário de equipamentos rotativos Turbinas Motores Armazenamento Vasos de pressão (acumuladores) Tanques atmosféricos Tanques pressurizados Esferas Bacias Reação química Reatores Homogeneização da composição de mistura Misturadores em linha Vasos ou tanques com agitador Separação de misturas homogêneas Colunas de destilação Colunas de absorção Colunas de adsorção Colunas de extração Permeadores com membrana Vasos de “flash” Evaporadores Cristalizadores Separação de misturas heterogêneas Decantadores Filtros Peneiras Centrífugadores Precipitadores eletrostáticos Clicones Redução da granulometria Moinhos Nos próximos capítulos, serão apresentados os conceitos, tipos, princípios de funcionamento, detalhes construtivos e cálculos utilizados para o projeto dos trocadores de calor.
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2. DEFINIÇÃO Os trocadores de calor são equipamentos utilzados nos processos industriais onde dois fluidos com temperaturas diferentes trocam calor através de uma interface normalmente metálica, na ausência de chama, visando atender às necessidades do processo ou economizar a energia que seria perdida para o ambiente. No processo de troca térmica pode haver ou não mudança de fase (condensação ou evaporação) dos fluidos envolvidos. Na Figura 2.1, apresenta uma foto que mostra uma bateria de trocadores de calor do tipo caso-e-tubos.
Figura 2.1 – Bateria de trocadores de calor do tipo casco-e-tubos.
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3. CLASSIFICAÇÃO DOS TROCADORES DE CALOR Na escolha do tipo do trocador de calor entram fatores como: características dos fluidos, custo, facilidade de manutenção etc.. Apenas alguns dos tipos apresentados neste capítulo são amplamente apresentados. Os trocadores de calor tipo casco-e-tubos são o principal tipo de trocador encontrado nos processos industriais e, por isso, serão tratados com mais detalhes. Os trocadores de calor podem ser identificados pelos tipos construtivos ou pela função. Os principais trocadores de calor de acordo com os tipos construtivos são: •
Trocador casco-e-tubos;
•
Trocador tubo duplo ou bitubular;
•
Resfriador a ar (air cooler)
•
Trocador de placas;
•
Pré-aquecedor de ar tipo Ljungstrom;
•
Trocador de placas espirais;
•
Trocador de tubos espirais;
•
Aquecedor de tanque;
•
Trocador baioneta;
•
Trocador plate-fin;
•
Trocador de superfície raspada;
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Trocador tipo painéis;
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Trocador de teflon;
•
Trocador de grafite;
•
Trocador de vidro;
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Aquecedor elétrico;
•
Vasos agitados;
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Serpentinas;
•
Trocador de cascata; e
Trocador de Lamella. Na Tabela 1, são apresentados os trocadores de calor de acordo com a sua função. •
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Tabela 3.1 - Classificação dos trocadores de calor quanto a função.
Equipamento Aquecedor ou preaquecedor (heater, preheater) Condensador (condenser)
Função Aquece um fluido de processo, recebendo calor de vapor d´água, fluido térmico ou outro fluido quente disponível. Pode haver ou não condensação do fluido quente. Condensa vapores de topo de coluna de destilação, na presença ou não de um gás não condensável, ou vapor d´água exausto de turbinas, cedendo calor para água ou ar.
Gerador de vapor (steam Gera vapor d´água, recebendo calor de outro fluido quente generator) disponível no processo. Quando o meio de aquecimento é um gás ou um líquido quente produzido em uma reação química, o gerador de vapor recebe o nome de caldeira recuperadora. Permutador ou intercambiador (exchanger)
Troca calor entre dois fluidos de processo. Aproveita a energia de um fluido que precisa ser resfriado e a transfere para outro que necessita ser aquecido, reduzindo perdas e melhorando o rendimento energético do processo.
Refervedor (reboiler)
Ligado ao fundo de uma torre de fracionamento, fornece o calor necessário à destilação. O meio de aquecimento empregado pode ser o vapor d’água, fluido térmico ou outro fluido quente disponível.
Refrigerador
Refrigera um fluido a uma temperatura mais baixa do que a atingível com o uso exclusivo da água.
Resfriador (cooler)
Resfria fluidos de processo, cedendo calor para água ou ar.
Superaquecedor
Aquece o vapor além da temperatura de saturação.
Vaporizador
Aquecedor que vaporiza parte de um líquido.
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