UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CAMPUS PONTA GROSSA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
BRUNA APARECIDA SAVAGIN JOÃO VITOR APOLINÁRIO FERREIRA
PROJETO DE TROCADOR DE CALOR
PONTA GROSSA 2012 0
UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CAMPUS PONTA GROSSA GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
BRUNA APARECIDA SAVAGIN JOAO VITOR APOLINÁRIO FERREIRA
PROJETO DE TROCADOR DE CALOR
Trabalho apresentado à disciplina de Operações Unitárias 2 como requisito parcial de nota, do 5º período do curso de Engenharia Química da UTFPR – 2012/1 - Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
PONTA GROSSA 2012 1
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 3 2. OBJETIVO .............................................................................................................. 3 3. PROCEDIMENTOS ................................................................................................. 3 4. DIMENSIONAMENTO............................................................................................. 6 4.1. Calor trocado e diferença de temperaturas .................................... ....................... ......................... ............ 10 4.2. Equação do Coeficiente Global de Transferência de Calor ....................... ............ ........... 12 5. REFERÊNCIAS ..................................................................................................... 13 ANEXOS ................................................................................................................ 14
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1. INTRODUÇÃO Trocadores de calor são equipamentos largamente empregados em indústrias em geral, servindo como um básico componente para muitos processos de engenharia. Entre as muitas possibilidades para esse tipo de equipamento, os trocadores do tipo casco e tubos são os mais versáteis devido às vantagens que apresentam tais como fabricação, custos e principalmente, desempenho térmico. A crescente preocupação da indústria em melhorar seus processos, minimizar custos, e fazer uso racional da energia serve como uma motivação em especial para a otimização de projeto desses equipamentos. Na indústria de petróleo, redes de trocadores de calor são usadas com o propósito de recuperar calor e, por consequência, reduzir o consumo de energia da planta.[1]
2. OBJETIVO O objetivo desse projeto foi dimensionar um trocador de calor casco e tubo para aplicação dentro de uma rede de trocadores em uma Refinaria de Petróleo e concentrará seu foco na fase inicial do processamento do petróleo, ou seja, em somente um trocador de calor da rede existente, que é utilizada para o préaquecimento do petróleo cru.
3. PROCEDIMENTOS Todas as unidades de destilação de petróleo, de um modo geral, possuem os seguintes equipamentos: torres de fracionamento, retificadores, fornos, trocadores de calor, tambores de acúmulo e refluxo, bombas, tubulações e instrumentos de medição e controle. A Figura 1 mostra um fluxograma simplificado usado no refino do petróleo onde a destilação é realizada em três estágios (pré-flash, destilação atmosférica e destilação a vácuo).[2]
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Figura 1 - Processo simplificado de uma rede de pré-aquecimento de petóleo [2]
Como não é o objetivo deste trabalho nos aprofundar nas outras etapas do refino do petróleo, será analisado somente o processo que ocorre no primeiro trocador da rede de trocadores de calor, que está localizado logo após a saída do petróleo do tanque, como mostra a Figura 2. O trocador de calor em questão poderá ser referido como TC-01 daqui pra frente como simplificação.[2]
Figura 2 - Rede de trocadores de calor [2]
Nota-se a partir da Figura 1, que o processo de destilação tem início com o bombeamento contínuo do petróleo (cru) através de uma rede de trocadores de calor. Nesta rede, o petróleo é progressivamente aquecido ao mesmo tempo em que resfria os produtos acabados que deixam a torre de destilação. Após passar pela rede de pré-aquecimento, o cru passa pela torre de pré-flash de onde uma parte do produto segue para a estabilização e a outra parte segue para o forno onde sofre um 4
aumento de temperatura no forno e depois segue para a torre de destilação atmosférica.[2] No objeto do nosso estudo, o produto que irá ser resfriado pelo TC-01 será a nafta pesada. [2] Foi tomado como parâmetros iniciais para o projeto desse trocador que o TC01 operasse em um trocador casco e tubo com 1 passe no casco e 2 passes nos tubos em escoamento do tipo cruzado e com as seguintes exigências de projeto como mostradas no Quadro 1 abaixo: Propriedades do Petróleo Cru
Propriedades da Nafta Pesada
ρf (kg/m³)
860
ρf (kg/m³)
725
Q (m³/s)
0,0042
Q (m³/s)
0,0027083
Tf,e (°C)
26
Tf,e (°C)
135
Tf,s (°C)
72
Tf,s (°C)
88
Cp (J/kg°C)
1947
Cp (J/kg°C)
2273
Pressão entrada (Pa)
2157000
Pressão entrada (Pa)
2157000
µc (Pa.s)
0,0114
µ (Pa.s)
0,0003187
K (W/m².°C)
0,13992
K (W/m².°C)
0,1006
ν (m²/s)
1,3256E-05
ν (m²/s)
4,3959E-07
Quadro 1 – Propriedades dos fluidos utilizados no TC-01
Além disso, foram considerados para os cálculos valores de viscosidade dinâmica (μ) de acordo com as seguintes correlações, para o petróleo cru e a nafta pesada respectivamen r espectivamente: te:
Onde “c” refere-se ao petróleo cru.[2]
E para os valores da condutividade térmica (k) da nafta pesada, temos:
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A pressão absoluta de entrada utilizada para o dimensionamento foi de 2157kPa. Para o valor da condutividade térmica do petróleo cru obteve-se da tabela a seguir:
Quadro 2 – Propriedades termofísicas do petróleo cru. [2]
Todos os cálculos e como foram realizados os procedimentos para o dimensionamento deste trocador de calor foram baseados na Projetos de Trocadores de Calor Multitubulares incluindo processos com mudança de fase [3], pág. 54-88, que está registrado nas Referências.[2]
4. Dimensionamento Inicialmente algumas considerações devem ser feitas para a realização do dimensionamento do trocador de calor:
O coeficiente global de troca térmica permanece constante em toda a extensão do trocador;
As vazões e os calores específicos dos fluidos são constantes;
Não existe mudança de fase no trocador;
As perdas de calor são desprezíveis;
A superfície de troca térmica em cada passagem é a mesma;
A temperatura do fluido do casco é uma temperatura média isotérmica para qualquer seção reta.[3]
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Alguns dados foram estimados segundo as literaturas [3,2] para o dimensionamento do trocador de calor, os quais se apresentam a seguir: Variáveis inseridas para o dimensionamento Diâmetro externo do tubo – de (m)
0,01905
Diâmetro interno do tubo – di (m)
0,01489
Espessura – e (m)
0,00211
Comprimento – L (m)
6,096
Passos longitudinais/transversais – pr (m)
0,00133
Distância entre os tubos adjacentes – dt (m)
0,0069
Distância entre centros de tubos adjacentes – P1 (m)
0,02534
Número de passes no tubo Número de tubos
2 1012
Área por unidade de comprimento linear do tubo – a” (m²/m)
0,0120
Diâmetro de feixe dos tubos – d3 (m)
0,94615
Diâmetro interno do casco – D1 (m)
0,9906
Quadro 3 – Variáveis inseridas no dimensionamento
Pelo fato do trocador ser novo, utilizou-se segundo a literatura um diâmetro externo (de) do tubo de ¾ polegadas=0,01905, pelo fato de praticamente não existir fator de depósito. Quanto ao valor do diâmetro interno do tubo, através do d e do tubo, considerando BWG (Birmingham Wire Gauge) de 14 tem-se uma espessura (e) de 2,11 mm, verificado na Figura 3. Como não se apresentam limitações quanto ao tamanho do trocador de calor, a literatura propôs a utilização de um trocador com comprimento de 20 pés = 6,096 m, sendo mais econômico, devido ao menor número de unidades e passagens necessárias.[3]
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Figura 3 – Características dos tubos [3]
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A disposição geométrica dos tubos é do tipo quadrada, quadrada, conforme a figura a seguir:
Figura 4 – Arranjo dos tubos [3]
Com relação à distância entre os tubos adjacentes (dt), tem-se:
(4) onde: d2=de
(5)
Sendo pr (razão entre a distância entre os centros de tubos adjacentes e o diâmetro externo dos tubos) obtido pela figura f igura a seguir:
Figura 5 – Passo em função do diâmetro externo do tubo [3]
Quanto ao diâmetro interno do casco, admitiu-se um valor de 990,60 mm, sendo obtidos os valores do diâmetro do feixe f eixe de tubos (d 3), encontrando assim o número total de tubos (Nt). [3] De acordo com a fi gura a seguir:
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Figura 6 – Diâmetro do casco com os números de tubos correspondentes. [3]
4.1. Calor trocado trocado e diferença diferença de temperaturas temperaturas Para calcular a taxa de transferência de calor no trocador de calor, tem-se: (6) Sendo Δt, a diferença de temperaturas logarítmica, com fator de correção (Ft):
(7) 10
- Fator de correção Ft:
(8) onde:
(9)
(10) (11)
(12)
Onde: t1 e t2 são as temperaturas de entrada e saída do petróleo cru; T1 e T2 são as temperaturas de entrada e saída da nafta.
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Variáveis calculadas Taxa de transferência de calor (W) Px Fator de correção Diferença de temperatura logarítmica - °C
3,25E05 0,4220 0,90 62,5
Quadro 4 – Variáveis calculadas no projeto
4.2. Equação do Coeficiente Global de Transferência de Calor Para calcular o Coeficiente Global de Transfêrencia de Calor, usa-se a seguinte equação:
(13)
(14)
Onde “Ul” significa que o trocador é novo e não possui nenhuma incrustação.[3]
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5. REFERÊNCIAS [1] OLIVEIRA, A, GUILHERME. Dimensionamento de um trocador de calor tipo casco e tubo, 2010, Uberlândia, p. 4. [2] TONIN, C, PAULO. Metodologia para monitoramento do desempenho térmico de redes de trocadores de calor, 2003, Curitiba, pp.12-119. [3] RAVAGNANI, S,S,A, MAURO. Projetos de trocadores de calor multitubulares incluindo processos com mudanças de fases, 1989, Campinas, pp. 54-88. [4] BICCA, B, GERSON. Modelagem Hierárquica de Trocadores de Calor Casco e Tubos, 2006, Porto Alegre, pp.1-27. [5] INCROPERA, F. P; WITT, D. P. de. Fundamentos de transferência transferência de calor e de massa. 6. ed. Rio de Janeiro - RJ: LTC - Livros técnicos e Científicos Editora S.A 1992. 600 p. [6] KERN, Donald Q. Process Heat Transfer. 21. ed. São Paulo: McGraw Hill Book Company, Inc, 1983. 878 p.
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ANEXOS
Figura 7 – Vista frontal do trocador de calor.
Figura 8 – Isométrico do trocador de calor.
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Figura 9 – Corte lateral do trocador de calor.
Figura 10 – Corte superior do trocador de calor.
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