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OPERACIONES UNITARIAS II

Nombre: Melissa Mendoza Mercado Registro: 211046280 Docente: Ing. Cibrián Lapaca Carrera: ING. QUÍMICA 09/06/2018

7.10. 78 359 lb/h de isobutano (118”API) se enfrían de 203 a 180°F por el calentamiento de butano (111.5”API) de 154 a 177°F. Para este servicio se dispone de

Santa Cruz – Bolivia

un intercambiador 1-2 de 17 1/4 plg DI que tiene 178 tubos de 3/4 plg DE, 14 BWG y 12’0” largo, en arreglo triangular de 1 plg de paso. Los deflectores están espaciados a 6 plg, y el haz de tubos está arreglado para 4 pasos ¿cuáles son las caídas de presión y cual el factor de obstrucción? Ntubos=178tubos, espaciados a 6 plg(B) 1 DI = 17 pulg 4 3 DE = pulg; 14 BWG 4 L = 12 pies Arreglo triangular de 1 plg (PT=1) h = 4 pasos

Isobutano (118”API): M= 78 359 lb/h T 1=203 ℉ T 2=180 ℉ Butano (111.5”API): t 1=154 ℉ t 2=177 ℉ Isobutano

Butano

141.5 −131.5 Sg 141.5 −131.5 Sg = 118 °API =

°API =

SI FUERA GAS ESTUVIERA PM Butano PROX A 2, ENTONCES SE PM Isobutano ENCUENTRAN EN ESTADO 141.5 −131.5 LIQUIDO

Sg 141.5 −131.5 Sg = 111.5

Sg = 0.5671

Sg = 0.5823

58kg/kmol 58 kg/kmol

Sg =

PM GAS PM AIRE

Sg =

58 =2 29

PROPIEDADES FISICAS COMO LÍQUIDO DEL BUTANO E ISOBUTANO: TABLA A – 131 CENGEL (INTERPOLANDO) Temperatura

Densidad

T, ℉

lb m ρ, pie 3

150 191.5 200

30.84 28.2587 27.73

Calor especifico, Cp,

Conductividad térmica, K

ISOBUTANO 0.6656 0.7468 0.7635

(R600a) 0.0457 0.0410 0.0400

Btu lbm℉

Btu h pie ℉

Viscosidad

μ,

lbm pie h

0.2361 0.1821 0.1710

Isobutano: 203+180 = 191.5℉ 2 De la tabla A- 131 de Cengel: Tm =

ρ liqiso =28.2587

lb m pie 3

Cp isobutano=0.7468

γ liqiso =28.2587

lb f pie 3

K isobutano=0.0410

Butano:

Btu lbm μisobutano=0.1821 lbm℉ pie h

Btu h pie ℉

Pr isobutano=3.29341

Prandlt, pr

3.437 3.29341 3.264

154+177 = 165.5℉ 2 calculo de la densidad del butano:

tm =



ρ liqbutano=Sg∗ρ H 2 O ρ liqbutano=0.5823∗62,4 ρ liqbutano=36,3355

lb m pie 3

γ liqbutano=36,3355

lb f pie 3



hallando mediante grafica viscosidad del butano :

fig. 14 Donald Kern

fig. 14 Donald kern

μbutano=0.29

lbm pieh



hallando mediante grafica el calor especifico



Hallando la conductividad térmica mediante tabla del libro refino del petróleo :

K butano=0.0474



Btu h pie ℉

calculo de prandtl:

Pr butano= Pr butano=

Cp∗μ K

0.635∗0.29 0.0474

Pr butano=3.885



hallando diámetro equivalente: fig. 28 Donald Kern

DE del tubo, plg 3 4

De = 0.73 plg x

Paso: triangular 1”

1 pie = 0.06083 pies 12 pulg

PT = 1 pulg = 0.08333 pies Do=DE = 0.75 plg = 0.0625 pies

De, plg 0.73



hallando diametro interno, area de flujo y superficie tabla 10. Donald Kern, entramos con DE= ¾ y con BWG= 14

Tubo DE, plg

BWG

DI, plg

Area de flujo por tubo, plg 2

3 4

14

0.584

0.268

DI = 0.584 plg = 0.04867 pie Aft =0.268 plg 2 tubo A0 pie 2 =0.1963 L pie



calculo del calor del isobutano q= M Cp (T 1−T 2 ¿ lb Btu q= 78359 x 0.7468 x (203 – 180) ℉ h lbm ℉ q= 1345925.528



btu h

calculo del flujo másico del butano

Superficie por pie exterior 0.1963

q= m Cp (t 1−t 2 ¿ q m= Cp(t ¿ 1−t )→ ¿ 2

m = 92155.12



1345925.528 ¿ 0.635 (177−154 )

lbm h

calculo del área en el lado de los tubos N tubos∗π 2 D 4 π Aft Aft= → donde : D2 = =0.268 plg2 h 4 tubo 178tubos∗0.268 pulg 2 tubo Aft= 4 Aft=11.926 pulg 2=0.0828 pie 2 Menor



calculo del área en el lado de la coraza DI s x B x C ¨ → donde :C ´ =PT−D 0 PT C ´ =1−0.75 C ´ =0.25 plg 17.25 pulg x 6 pulg x 0.25 pulg A s= 1 pulg A s=

A s=25.875 pulg 2=0.1797 pie 2



Mayor

Hallando R y S con MLDT

118°API (tubos) T1=203° F

MLDT =

isobutano

t2=177° t2 F

MLDT = AT c =AT f → 26 ℉ T2=180°

S=

t 2−t 1 177−154 → =0.4694 T 1−t 1 203−154

R=

T 1−T 2 203−180 → =1 t 2−t 1 177−154

AT f

butano

t1=154°



0 0

hallando el factor de diferencia de temperatura con S y R

fig 18. Donald Kern

→ F T =0.88 AT = F T x MLDT AT= 0.88 x 26 AT= 22.88°



Calculando el área para la transferencia de calor A0 =N tubos (π x D0 x L) →

( AL´ )x N

A0 =

0

tubos

A0 =N tubos x π x D 0 L

( )

xL

0.1963 pie 2 x 178 tubos x 12 pie pie A0 =419.3 pie 2 A0 =



Calculando coeficiente de diseño q= U D A0 ( At ¿ →U D= btu h U D= 2 419.3 pie x 22.88° 1345925.528

U D=140.2943

btu h pie 2 ℉

q A0 ( At )

 Cálculos en el lado de los tubos ( isobutano = fluido caliente)  Aft=11.926 pulg 2=0.0828 pie 2  M= 78 359 lb/h lbm pie h

μisobutano=0.1821



 DI = 0.584 plg = 0.04867 pie  ∈=5 x 10−6 pie  Pr isobutano=3.29341  K isobutano=0.0410

Btu h pie℉

 Do =DE = 0.75 plg = 0.0625 pies

Gt =

M 78359 = AF T 0.0828 lbm pie 2 h

G t =946364.7343

f t= Gt x D ℜt = μ

0.25 ∈ 5.74 log + 0.9 3.7 D ℜt

(

2

)

lbm x 0.04867 pie h pie 2 lbm 0.1821 pie h

946364.7343 ℜt =

ℜt =252935.5937

Nut=

ft ( ℜt −1000 ) x Pr t 8

( )

f 1+12.8 t 8

0.5

( )

2 3

( Pr −1 )

Nu t=

Nu t x K hi x D → hi= K D

0.0158 ( 252935.5937−1000 ) x 3.2934 ( 8 ) Nu = 0.0158 ( 1+12.8 ( 3.2934 −1 ) 8 ) t

0.5

hi 0=

2 3

Nu t x K 969.4528 x 0.0410 → D0 0.0625

hi 0=¿ 635.9610

Nut=969.4528

 Cálculos en el lado de la coraza (butano = fluido frio)  A s=25.875 pulg 2=0.1797 pie2 

lbm h lbm  μbutano=0.29 pie h m = 92155.12

 De = 0.73 plg x

1 pie = 0.06083 pies 12 pulg

 Pr butano=3.885  K butano=0.0474

Btu h pie ℉

m 92155.12 = As 0.1797 lbm G s =¿512827.6016 2 pie h Gs =

ℜs=

G s x De μ lbm x 0.06083 pie h pie 2 lbm 0.29 pie h

512827.6016 ℜs=

Con s vamos a la figura. 29 de Donald Kern, y hallamos f s ℜs=¿ℜ107570.0104

btu h pie2 ℉

pie 2 ∗144 pulg2 2 plg f s=0.0018 1 pie 2 f s=0.2592

1

Nus=0.36 x ℜs0.55 x Pr s 3 x

μ μω

→

0.14

( )

1

Nu s=0.36 x 107570.01040.55 x 3.885 3 x 1 Nus= 331.2808 Nus x K h 0 x De → h0 = K De 331.2808 x 0.0474 h0 = 0.06083

Nu s=

h0 =258.1408

btu h pie 2 ℉

 Calculo del coeficiente global de transf. De calor U0=

hi 0 x h 0 hi 0+ h0

btu btu x 258.1408 2 h pie ℉ h pie 2 ℉ U0= btu btu 635.9610 +258.1408 2 h pie ℉ h pie 2 ℉ 635.9610

U 0 =183.6116

btu h pie 2 ℉

a) Respuesta al inciso a Rd = Rd =

U 0−U D U 0 x UD

183.6116−140.2943 183.6116 x 140.2943

2 Rd =0.001682 h pie ℉ btu

b) Respuesta al inciso b →Caída de presión Lado de los tubos ( isobutano = fluido caliente)  f t=0.0158 lbm  Gt =946364.7343 2 pie h lb m  ρ liqiso =28.2587 3 pie  L = 12 pies 8 pies  g = 4.18 x 10 2 h  DI = 0.584 plg = 0.04867 pie  K = 4* n= 4*4 = 16 lb f  γ liqiso =28.2587 3 pie hf tubo =hf recta +hf accesorios

f t∗L 2 ∗¿ D hf recta = 2 g ρ2

hf accesorios =

K∗¿ 2 2 g ρ2

0.0158∗12 ∗946364.73432 16∗946364.73432 0.04867 + hf tubo = 2∗4.18 x 108∗28.25872 8 2 2∗4.18 x 10 ∗28.2587

(

)(

)

hf tubo =26.6909 pies

∆ pt =hf tubo∗γ

∆ pt =26.6909 pies∗28.2587

∆ pt =¿5.2378

lb f 1 pie 2 * pie 3 144 pulg 2

lb f plg 2

→Caída de presión Lado de la coraza (butano = fluido frio) 1

 DI = 17 4 pulg = 1.4375 pies

1 pie = 0.06083 pies 12 pulg lb m  ρ liqbutano=36,3355 3 pie lb f  γ liqbutano=36,3355 3 pie lbm  Gs =¿512827.6016 2 pie h 8 pies  g = 4.18 x 10 2 h  f s=0.2592  6 plg(B)



De = 0.73 plg x

fs∗Dis ( N +1 ) ∗Gs2 De hf s= 2 gδ2

L = (N + 1)* B → N + 1=

L B

N+1=

12 pies → numero de deflectores=23 0.5

0.2592∗1.4375 ( 23+ 1 ) ∗512827.60162 0.06083 hf s= 2 x 4,18 x 108 x 36.33552 hf s=¿35.0276 pies ∆ pt =hf ❑∗¿ ∆ pt = 35.0276 x 36.3355 * ∆ pt =8.83

lb f plg 2

lb f 1 pie 2 * pie 3 144 pulg 2