Diseño intercambiador intercambiador de doble tubo. tubo. Sistema ácido acético- alcohol butílico.
Jhonier Stevens Gutiérrez Jiménez
312534
Cristian Alex Grijalba Muñoz
312533
Ejercicio:
Diseñar un intercambiador de doble tubo para enfriar 13000lb/h de ácido acético (CH 3COOH) de 250 °F a 150 °F calentando alcohol butílico (C4H10O). Nomenclatura.
Por orden de aparición en el código. Atu: área de flujo del tubo. Aan: área de flujo del anulo. Gtu: gasto másico a través del tubo. Gan: gasto másico a través del anulo.
Lc:
longitud ensuciamiento.
intercambiador
acético. ResB: Resistencia por ensuciamiento del alcohol
butílico.
Via2: viscosidad del ácido acético a la salida.
Longitud ensuciamiento. Ld:
del
intercambiador
entrada.
Ad: Área de diseño.
Ka1: conductividad del ácido acético a la
Lhor: Longitud de la horquilla.
entrada. Kb2: conductividad del alcohol butílico a la
salida. Cpb1: Calor especifico del alcohol butílico a la
Nhor: número de horquillas (número entero). Lre: Longitud del intercambiador intercambiador con horquillas. Aeq: Área del equipo (efectiva).
Cpa2: Calor especifico del ácido acético a la
Aexc: porcentaje de área en exceso.
Retu1: Reynolds calculado a la entrada del tubo. Rean2: Reynolds calculado a la salida del anulo. Prtu2: Prandtl calculado a la salida del tubo. Pran1: Prandtl calculado a la entrada del anulo.
con
Nh: número de horquillas (número decimal).
entrada. salida.
sin
ResA: Resistencia por ensuciamiento del acido
viscosidad del ácido acético a la entrada. Via1: viscosidad
Vib1: viscosidad del alcohol butílico a la
del
Runi: Constante universal de los gases. Tcria: Temperatura critica del ácido acético. Pcrib: Presión critica del alcohol butílico. Vsa: volumen especifico del ácido acético. rhob: densidad del alcohol butílico.
Solución:
Antes de proceder al diseño del equipo se buscó correlaciones que permitieran el cálculo de las propiedades que hacen parte del diseño (viscosidad, capacidad calorífica, conductividad térmica, presión de vapor). La información fue tomada del Handbook de Yaws. Además para trabajar la parte de caída de presión, para calcular la densidad de los líquidos se tomó como herramienta la ecuación modificada de Rackett del libro The properties of gases and liquids de Reid, Prausnitz y Sherwood.
Viscosidades:
ácido acético alcohol butílico A -3,8937 -5,397 B 784,82 1325,6 C 0,0067 0,0062 D -7,5606E-06 -5,5062E-06 Tmín(K) 290 250 Tmáx(K) 593 563
A B C D Tmín(K) Tmáx(K)
ácido acético -18,944 1,0971 -0,0028921 2,9275E-06 291 533
A B C Tmín(K) Tmáx(K)
Capacidades caloríficas:
alcohol butílico 127,21 0,52281 -0,0015362 2,22E-06 194 477
Conductividades térmicas:
ácido acético 0,1636 0,00010462 -4,0961E-07 290 563
alcohol butílico 0,1871 -1,1797E-05 -3,1997E-07 184 535
A B C D E Tmín(K) Tmáx(K)
Presión de vapor:
ácido acético 28,376 -2973,4 -7,032 -1,5051E-09 2,1806E-06 289,81 592,71
alcohol butílico 39,667 -4001,7 -10,295 -3,2572E-10 8,6672E-07 183,85 562,93
Ecuación de Rackett:
T critica(K) P critica (bar) factor acéntrico (ω)
pesos moleculares R universal (bar*m3/mol*K)
ácido alcohol acético butílico 594,45 563,05 57,9 44,23 0,445 0,59 60,053 74,123 8,31447E-05
Ya consultadas fuentes bibliográficas confiables para la obtención de propiedades, se procede a revisar en qué estado se encuentran los dos fluidos del sistema. Cabe resaltar que a partir de esta revisión se puede apreciar las presiones a las cuales estarían trabajando los dos fluidos en el equipo. Se calcula las presiones de saturación como líquido saturado para cada una de las temperaturas de entrada y salida, tanto para el ácido acético como para el alcohol butílico. De ahí se estimara las presiones de operación de los fluidos.
En la siguiente tabla se observa que para el ácido acético la presión de operación sería de 2 atm ya que a esta condición se garantiza que el fluido este en estado líquido durante toda la operación, así mismo, para el alcohol butílico la presión de operación sería de 1 atm pues así se trabajaría con el fluido en estado líquido durante la transferencia de calor. En cuanto a la ubicación de los fluidos se acude a los criterios otorgados durante la clase, es válido entonces que el fluido que opera a mayor presión vaya por el lado del tubo. Otro criterio valido seria que el fluido más corrosivo vaya por el lado del tubo. Según lo anterior el ácido acético se ubicaría en el tubo y el alcohol butílico se ubicaría en el anulo.
T1(K) T2(K) t1(K) t2(K)
ACIDO ACETICO 394,261 Psat(atm) 338,706 Psat(atm) ALCOHOL BUTILICO 310,928 Psat(atm) 342,594 Psat(atm)
1,0936 0,1503 0,0218 0,1293
El anterior gráfico ilustra como es el flujo de calor a través del tubo desde el fluido caliente hacia el fluido frío. Una vez definida la ubicación de los fluidos se realiza un balance de masa y energía para los dos fluidos con el objetivo de conocer el calor total que se tra nsfiere y el flujo másico del alcohol butílico.
= ∫ 3 = ∫ 4
(1)
Las variables marcadas en rojo son las incógnitas a determinar con dicho balance. Luego de obtener los valores de los flujos de masa y de calor se procede a seleccionar los diámetros de los tubos (exterior e interior). Cabe resaltar que dicha elección se la hace por tanteo mirando que el equipo al final del diseño cumpla con los requisitos térmicos y aún más con los requisitos hidráulicos. Los diámetros seleccionados fueron: IPS (cedula 40) 3 in 1 1/2 in
De (in) 3,5 1,9
Di (in) 3,068 1,61
Se procede entonces a calcular las áreas de flujo para el tubo y el anulo, ya con esto se calculan los respectivos números adimensionales (Re, Pr) con sus respectivas propiedades (Cp, µ, k) a las condiciones de entrada y salida, así como el cálculo de los gastos másicos a la entrada de cada tubo para ambos casos estos son constantes. Conociendo el valor de número de Reynolds para ambos tubos para la entrada y a la salida se evidencia que los fluidos se encuentran en régimen turbulento, por lo tanto con dicha se procedió a manejar la ecuación de Seider-Tate para régimen turbulento en transferencia de calor; cabe resaltar que dicha ecuación permite obtener los coeficientes de película. Para el coeficiente global para transferencia de calor se utilizó el método de las temperaturas calóricas, teniendo en cuenta que el coeficiente varía linealmente con la temperatura. Además se tiene en cuenta la resistencia por ensuciamiento del sistema que en este caso se seleccionó para un sistema de líquidos orgánicos industriales cuyo valor es de 0.000352 m2K/W. El material escogido para los tubos es acero al carbón el cual tiene una conductividad de k=30 BTU/h°Fft2. Ya conocido el valor de U d (coeficiente global de diseño para transferencia de calor) se calcula el valor de la longitud de diseño del intercambiador.
= (2) = 2 22 ln (2 ) Ya obtenida la longitud del intercambiador se calcula la el número de horquillas, para esto se tomó una longitud estándar de 16 pies dando en total 16 horquillas. Con este número de horquillas se calcula el área de transferencia de diseño y se calcula el porcentaje de área en exceso, así:
ñ = − ñ ×100
(3)
Para que el equipo sea aceptable térmicamente dicha área en exceso no debe ser superior al 10 %. Ya cumplido dicho requisito se comprueba que el diseño sea hidráulicamente aceptable para este caso como los dos fluidos se encuentran en estado líquido la caída de presión no debe ser superior 10 psi.
Por otro lado para mirar los perfiles de temperaturas de los fluidos a lo largo del intercambiador se empleó el método de diferencias finitas explicado en clase. Perfiles de temperaturas obtenidas:
Finalmente con los valores de caída de presión de los fluidos a lo largo del equipo se puede calcular la potencia requerida para impulsarlos a través del equipo. Encontrándose que para ambos fluidos se requiere una bomba centrifuga de 0.25 HP (caballos de fuerza).
