1 DE 14

4.1 Condiciones de operaion para el diseño del intercambiador de calor.

a) condiciones de operación:Fluido lado Coraza: Agua PretratadaFluido lado Tubos: Agua de enfriamiento

Temperatura de entrada lado coraza 132.80 °F 56.00 °CTemperatura de salida lado coraza 95.00 °F 35.00 °CTemperatura de entrada lado tubos 89.60 °F 32.00 °CTemperatura de salida lado tubos 114.80 °F 46.00 °C

Flujo lado Coraza 440 gpm 100Flujo másico manejado lado coraza 213819.4 lb/hr 97191 kg/hr

Flujo lado tubos 1500.0 gpm 341Flujo másico manejado lado tubos 748746.5 lb/hr 340339 kg/hr

56.88 psig 4.00

49.77 psig 3.50

Presión de vapor del agua aceitosa 0.71 psia 0.05

Densidad del agua pretratada 60.72 972.6

Densidad del agua de enfriamiento 62.37 999.0Viscosidad del agua pretatada 1.06 cp 1.06 cpViscosidad del agua de enfriamiento. 1.00 cp 1.00 cp

5.0 METODOLOGÍA PARA EL DIMENSIONAMIENTO DEL INTERCAMBIADOR.

En el sistema DAF se requiere operar a una temperatura de operación menor de 40°C y para esto se require que el agua de salida de la fosa API este por debajo de esa temperatura y para lograr estas condiciones se integrara al sistema un intercamciador de calor para la corriente de este servicio.

m3/hr

m3/hr

(1) Presión de entrada lado coraza kg/cm2g

(1) Presión de entrada lado coraza kg/cm2g

kg/cm2abs

lb/pie3 kg/m3

lb/pie3 kg/m3

2 DE 141.- Calculo lado coraza

……..[1]

……[2]Donde:

Balance de calor del agua pretratada :

= 113.9 °F Cp = .998 Btu/lb(°F)

Balance de calor del agua de enfriamiento :

= 102.2 °F Cp= .998 Btu/lb(°F)

Q= 8,068,633.9 Btu/hr

m= 320,729.1 lb/hr640.8 gpm

a) De acuerdo a los datos de operación se calcula la carga termica de cada fluido teniendo lo siguiente considerando un flujo a contracorriente:

A partir de los datos proporcionados se calcula la temperatura promedio de ambos fluidos y se calcula el calor especifico a la temperatura promedio.

T1 : Temperatura de entradaT2: Temperatura de salida

b) Cálculo de la cantidad de calor a retirar del agua pretratada.

A partir de la cantidad de calor que se debe de retirar del agua pretratada se calcula la cantidad de flujo del agua de enfriamiento que se requiere.

Para el diseño del intercambiador de calor se supone una UD de 275 con un factor de

obstrucción de 0.001 y caidas de presión de 10 lb/pulg2

)( 21 TTmCpQ =

221 TT

Tprom

=

3 DE 14

………[3]

1.- Temperaturas del Flujo caliente ( agua pretratada ) :

132.8 °F95.0 °F 37.8 °F

2.- Temperaturas del Flujo frio ( agua de enfriamiento) :

89.6 °F114.8 °F 25.2 °F

18.0 °F

5.4 °F

12.6 °F

Sustituyendo los datos en la ecuacion [3] se tienen lo siguiente:

MLDT= 10.48 °F -11.957 °C

Temperatura promedio del agua pretratada.

Temperatura promedio del agua de enfriamiento.

c) Calculo de la MLDT calculada en flujo a contracorriente de acuerdo a la siguiente ecuación:

ΔT=

ΔT=

A partir de la definición del fluido frio y del fluido caliente se calculan las diferenciales de temperatura teniendo lo siguiente:

Δt2=

Δt1=

Δt2-∆t1=

A continuacion se calcula las temperaturas promedios de los fluidos por el lado cuerpo y lado coraza, seleccionando que por el lado tubos va el agua de enfriameinto donde:

Ta =

ta =

=

1

2

12

log3.2 tt

ttMLDT

=1T

=1t

=2T

4.58.173.2

4.12

LogMLDT =

=2t

4 DE 14agua pretratada 113.9 °Fagua de enfriamiento 102.2 °F

………[5]200

A= 3,851 ft2

a" = 0.1963 ft2 / ft lineal Tabla 1

...……..[6]

N= 1,032 Tubos

donde: A= Area del intercambiadorDt= longitud de los tubos 19.0 ft

Ta =

ta =

Una vez determinado la MLDTse determina el área del intercambiador a partir de la siguiente ecuación teniendo en cuenta la siguiente consideracion:

d) Se supone una UD entre 250 y 500 para el calculo del area de acuerdo a parametros

establecidos por el método del Kern

UD =

Para el diseño del intercambiador de calor se considera tubos de 3/4 " con un espesor de 14 BWG con una longitud de 19 ft de acuerdo a las tabla 1 y a partir de esto se obtiene la cantidad de tubos necesarios para el intercambiador.

Una vez obtenido la superficie por ft lineal por ft2 se caculla la cantidad de número

seguida de la siguiente ecuación:

A partir de la cantidad de tubos calculados se corrije el area, la UD , la cantidad de tubos

y el diametro de la coraza de acuerdo a los tubos de 3/4" de diametro interno, arreglo

cuadrado de 0.9375 pulg propuestos. Por lo tanto de acuerdo a la Tabla 2 incluidas en el

anexo se determina que la cantidad de tubos mas cercana a lo obtenido en el calculo del

diseño es el siguiente:

tU

QA

D =

"aD

AN

T =

5 DE 14

N= 1,049 Tubos

39.00 Pulg Tabla 2

A= 3,912 ft2

196.837981

donde: …...……[7]Diametro interno

B Espaciado de bafles.C= Distancia entre tubos

Pitch del tubo

B= 12.00 Pulg 0.8667 ft2C= 0.25 Pulg

0.9375 Pulg

donde: …...……[8]Gs= Velocidad masaW=Peso del fluido en lb/hr

246714.712 lb / h ft2

Di=

A partir del cálculo del area con respecto a los tubos calculados y la ecuacion [5] se

calcula la UD correjida

UD=

e) Cálculo de la masa-velocidad lado de la coraza a partir del area transversal del agua pretratada de acuerdo a la siguiente ecuación:.

Di=

Pt=

Proponiendo un espacio entre deflectores de 12 pulg y un espaciado entre tubos de 0.25 pulg se tiene lo siguiente para el lado de la coraza:

as=

Pt=

Cálculo de la masa-velocidad del fluido por el lado coraza de acuerdo a la siguiente ecuación:

Gs=

144

'

=T

is P

BCDa

sS a

WG =

6 DE 14

…………[9]

113.9 °F

…….…[10]6.10 Cp Tabla 314.762 lb / fth

0.95 Pulg Tabla 4

.08 ft

A partir de la ecuación [9] se obtiene el numero de Reynolds:

Re= 1323.09859

19 Tabla 4

………..[10]

113.9 °Fc= 1.000 Btu/lb(°F) Tabla 5k= .380 Btu/hft2((°F/ft)

1

19

f) Cálculo del numero de Reynolds a apartir de la Viscosidad a temperatura promedio (T a ):

Ta=

µ=µ=

A partir de la Tabla 4 se determina el diametro equivalente teniendo como resultado lo siguiente :

De=

De=

De la tabla 4 se toma el valor de jH=

g) Cálculo del coeficiente de transferencia de calor

Se determina la capacidad calorifica del agua pretratada a temperatura promedio, tomandose como referencia el agua ya que no hay datos para este fluido:

Ta=

Øs=

jh=

/Re ee GD =

31

=

k

c

D

kjh

eHo

42.2=Cp

7 DE 14

1180.96

1,180.960 Btu/hft2°F

2) Cálculo lado tubos

Area de flujo por tubo: 0.268 Pulg2 Tabla 1

donde:

………..[11]

n= numero de pasos

1.95230556

dondew= peso del fluido en lb/hr ………..[12]

383519.118 lb / h ft2

donde: ……….[13]

v= 1.7082 ft/s

ho/Øs=

A partir de la ecuación [10] se obtiene ho obteniendo lo siguiente:

ho=

En el lado tubos se maneja el agua de enfriamiento de 3/4 pulg con un espesor 14

BWG :

a) A partir de este dato se cálcula el area de flujo total a través de la tuberia:

Nt= Numero de tubos

at= area de flujo por tubo

at=

b) Cálculo de la masa velocidad a traves de los tubos a partir de la siguiente ecuación:

at= area de flujo total

Gt=

c) Cálculo de la velocidad dentro de los tubos

Gt= velocidad-masa del fluido ρ= viscosidad del fluido

n

aNa ttt 144

´=

tt a

WG =

3600/tGV =

8 DE 14

Calculo de la viscosidad a temperatura promedio del agua de enfriamiento.

T prom= 102.2 °Fμ = 0.75 Cp Tabla 3μ = 0.31 lb / fth

0.584 Pulg Tabla 1

.0487 ft

Para la caida de presión a través de la tuberia.

Re= 60224.433172922

………[14]

475.3 Tabla 6

.75 Pulg

.584 Pulg Tabla 1

370.100 Btu/hft2°F

………[15]

Uc= 281.790 Btu/hft2°F

196.838 Btu/hft2°F

d) Cálculo del numero de Reynolds de los tubos del cambiador si se propuso tubos de 3/4" con un espesor de 14 BWG.

Dinterno =

Dinterno =

e) De acuerdo a parametros establecidos en la grafica del anexo se obtiene el coeficiente

de transferencia de calor, teniendo lo siguiente a partir de la siguiente ecuación:

hi=

De=

Di=

hio=

f) Cálculo del coeficiente total limpio Uc:

UD=

tGD

=Re

EIiio DDhh /=

oio

oioC hh

hhU

=

9 DE 14

………[16]

0.002 hft2°F/Btu

Cálculo de la caída de presión en lado coraza y tubos :

h) calculo de la caida de presión lado coraza:

Num. cruces= 19

Se determina el factor de fricción en la tabla n° del anexo

Re= 1323.09859f= 0.0031 ft2/in2 Tabla anexo

39.000 ft

3.250 fts= 0.997

…………..[17]

∆P= 2.82800863 lb /pulg2

g) Cálculo del factor de obstrucción

Rd=

De acuerdo a parametros establecidos de diseño se tiene que Uc debe de exceder a U D

suficientemente de manera que el factor de obstruccion , que es una medida de

superficie, permita la operación del intercambiador por un tiempo razonable, teniendo

como resultado una nueva porpuesta de diseño para la transferencia de calor

La caida de presion de un intercambiador a través de la coraza es proporcional al numero de veces que el fluido cruza el haz entre los deflectores, teniendo lo siguiente:

De=

Ds=

B

LN

=12

1

DC

DCd UU

UUR

=

sD

NDfGP

e

S10

2

1022.5

1

=

10 DE 14i) Perdida de presión en el retorno del lado tubos:

Re= 60224.4332f= 0.00017 ft2/in2

L= 19.0 ft

0.0487 Pulg

0.7500 Pulg

∆P= 0.1870141438 lb /pulg2

3.01502277 lb /pulg2

DI=

DNOM=

∆PT=

Ds

LnfGP

10

2

1022.5 =

11 DE 146.0 ANEXO A

#REF!ΔP=

Tabla 1.- datos de tubos de condensadores e intercambaidores de calor

Tabla 2.- Cuenta de tubos arreglo triangular

12 DE 14

Tabla 3.- Viscosidad para liquidos

13 DE 14

Continuación del anexo A

Tabla 4.- Curva de transferencia de calor lado coraza

Tabla 5.- Calores especificos

14 DE 14BIBLIOGRAFIA

1.- Procesos de tranferencia de calor Donald Kern

2.- Calculo y diseño de intercambiadores ( Articulo)

3.- Transferencia de calor en ingenieria de procesos Eduardo Cao

4.- Desing and rating sheel and tube heat exchangersJohn E. Edwards