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Cálculo dimensionamiento y especificación (CDE) Nombre: Marisela Garay Cofré Curso: Proyecto I Grupo: 1 Profesor: Carlos Tippmann Equipo: C-202 Este intercambiador de tubos y carcasa tiene la misión de enfriar la corriente de amina pobre que va por la carcasa, usando como medio calefactor amina rica que pasa por los tubos. En las tablas 1 y 2 se presenta la descripción de cada una de las corrientes. La corriente de amina rica se compone principalmente de mezcla DEA, agua y H 2S. La corriente de amina pobre se compone de mezcla DEA y agua. Del Hysys se obtienen los siguientes datos: Tabla 1: propiedades de las corrientes corriente T(ºC) P(bar) Cp [kJ/kg-C]

Amina Rica(in) [203] 14 6.2 3.562

Amina Rica(out) [204] 93 5.5 3.948

Amina pobre(in) [206] 124 2.2 4.184

Amina pobre(out) [207] 48 1.9 3.763

Tabla 2: Flujos y propiedades de corrientes a Temperatura promedio Corriente Flujo másico (kg/h) Tprom(ºC) CpProm [kJ/kgºC] Densidad promedio(kg/m3)

amina Rica 31450 53 3.755 1033

amina pobre 30540 91 3.974 994

En primera instancia, se determina el calor que el intercambiador debe entregar al fluido de proceso por:

Q=m ´ c C pc ∆T c kg ∗1 h h kJ kJ J Q=31450 ∗3.755 ∗( 93−14 ) ºC=2592 =2591524 3600 s kg ºC s s

El coeficiente global de transferencia en un intercambiador de calor, corresponde a la sumatoria de resistencias individuales:

A 1 Ao 1 1 = +r o+ r w +r i o + U ho A i hi A i donde:

U

: Coeficiente global de trasmisión de calor

ho

: Coeficiente de film por el exterior de los tubos

hi

: Coeficiente de film por el interior de los tubos

ro ,

: Resistencia de depósitos exterior e interior respectivamente

ri rw

: Resistencia de la pared del tubo

Ao ,

: Área exterior e interior de los tubos

Ai La resistencia

r w es muy pequeña, en comparación con las otras resistencias, por lo

que puede ser despreciada. Debido a que los términos

1 ho

y

1 Ao hi A i

son también

resistencias, estas pueden refundirse con las respectivas resistencias de los depósitos:

1 =r 1+ r 2 U donde:

r 1 : Resistencia que incluye las del film y la del depósito por uno de los lados del tubo

r 2 : Resistencia que incluye las del film y la del depósito por el otro lado del tubo

Considerando que no es necesaria una alta exactitud, Parés en su método de diseño, ignora la corrección por el área del tubo (exterior o interior) al que se refieren las resistencias. De la tabla 3, se obtienen las resistencias de los fluidos que procesa el intercambiador C-202.

1 h ºF ft 2 =0,0035+0,0035=0,007 U Btu U=

1 Btu Btu J /s =142,85 =809,66 2 2 2 0,007 h ºF ft h ºF ft m K

Tabla 3: Resistencias totales para la estimación preliminar del coeficiente global de transferencia de calor Conocido el coeficiente global de transferencia de calor, es posible determinar el área requerida para la transferencia de calor:

A=

Q Q = U∗DTML Uf ∆ T ml

donde la temperatura debe ser corregida por el factor que se ingresa con los parámetros P y R.

P=

t 2−t 1 93−14 = =0.72 T 1 −t 1 124−14

R=

T 1−T 2 124−4 8 = =0.96 t 2−t 1 93−14

f , el cual se obtiene de la figura 1 a la

Figura 1: Factor de corrección para un intercambiador de calor con 3 pasos por la carcasa y 6 pasos por los tubos

Tabla 4: Factor de corrección asociado a una determinada configuración

P=0.72 R=0.96

f

Configuración

0.85

3-6

Se selecciona el factor de corrección más cercano a la unidad, de manera que el área sea lo más cercana (pequeña) a lo que se obtendría usando flujos en contracorriente perfecto. Esta elección corresponde a un intercambiador de 3 tubos y 6 pasadas. Luego el área necesaria corresponde a:

2591524 A= 810

(

J s

2

)

( 48−14 )−( 124−93 ) J /s ∗0.85∗ K 2 m K (48−14 ) ln (124−93)

(

)

=115.81 m =1249 ft

2

Para determinar el número de tubos se fijarán las características que son las más frecuentes:

a) Tubos de ¾” BWG 16, con área exterior de 0.1963 ft 2/ft de longitud y área de flujo de 0.3019 in2 b) Distribución triangular de 1”. c) Largos de 8, 16 o 24 ft para los tubos. Considerando que el área requerida para la transferencia de calor corresponde al total de tubos por su respectiva área:

( AL )∗L

A=N T ¿ A tubo=N T∗

tubo

Considerando el área exterior por unidad de longitud y escogiendo un largo de 16 ft:

A=N T∗0,1963∗16 NT=

A 1249 = =403.21tubos ≈ 403 tubos 0,1936∗16 0,1936∗16

Conocido el número de tubos, de la figura 2 se selecciona el diámetro de la carcasa, que corresponde a

D =39 in.

Figura 2: conteo de tubos; ¾ in OD tubos, arreglo triangular, pich 1in Además de la figura 2 se tiene que con Shell ID de 25 in corresponde a 392 tubos con 6 pasos en la carcasa para el TEMA P ó S. Podemos calcular la velocidad de flujo por los tubos:

kg ∗1 h h 72710 3600 s m v´ = =1 2 s ¿ ∗1096 tubos ∗1 m2 kg 6 pasos 953 3 ∗0.302 2 2 m (39.37) ¿ Velocidad que está en el rango de velocidades recomendadas de 1-2 m/s

Seleccionado el número de tubos, el área disponible para la transferencia puede ser recalculada:

( AL )∗L=1096∗0,1963∗16=3442 ft

A real =N T ∗

tubo

2

A real =3442 ft 2 >3391 ft 2 , Por lo tanto es suficiente respecto al área necesaria.

El espesor de la carcasa se determina mediante:

( PA ) 2Dσ

t=

t

: Espesor (in)

( P/ A ) : Presión de diseño, un 50% más alta que la de operación (psi) D

: Diámetro de la carcasa (in)

σ

: Tensión admisible (11000 psi para acero carbono)

donde :

La presión de operación corresponde a la que se encuentra asociada a 30.5psi de manera que la presión de diseño será 47.7 psi.

39∈

¿ =0.08∈¿ 2∗11.000 psi t=45.7 psi∗¿

Como el espesor es menor al espesor mínimo de

0,25∈¿

usamos este como el

espesor del intercambiador.

0.25∈¿ 6.35 mm Con el espesor resultante, se calcula el peso del manto de la carcasa empleando la siguiente expresión:

Pmanto=12.5∗D∗t∗( L ' + D/ 6) donde

L'

corresponde al largo total de los tubos más 2 bonetes de largo igual al diámetro de

la carcasa.

(

Pmanto=12.5∗39∗0.25∗ [ 16+2∗39 ] +

39 =12248 lb=5556 kg 6

)

El peso de los casquetes se estima como:

Pcasquetes =D2∗t=392∗0.25=380 lb=172 kg El cálculo del peso del haz incluye los 3 items de mayor influencia que son los tubos, las placas de tubos y los bafles. El peso de los tubos viene dado por:

Ptubos=L∗N t∗W t donde

Wt

es el peso por unidad de longitud de tubo, que en el caso del acero corresponde a

0.47 lb/ft.

Ptubos=16∗1096∗0.47=8242lb=3738 kg El peso de las placas de tubos se calcula suponiendo que son de un espesor igual a dos veces el diámetro de los tubos:

P placas=0.0041∗D2∗W donde

W

es la densidad del material del que se construye la placa, que en el caso del acero

corresponde a 500 lb/ft3.

P placas=0.0041∗392∗500=3118 lb=1414 kg En cuanto al peso de los bafles, se ha supuesto que son planchas de acero de ¼” de espesor, capaces de cubrir el 100% del haz y con una separación igual a un diámetro.

Pbaffles =0.682∗L∗D Pbaffles =0,682∗16∗39=426 lb=193 kg Finalmente el peso del haz corresponde a:

Phaz =L∗( 0.5 ¿ N t + D ) + D Phaz =10913 lb=4950 kg

2