1Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Química e Industrias Extractivas DISEÑO DE EQUIPOS INDUSTRIALES “DISEÑO TERMODINÁMICO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR PARA EL SISTEMA ACEITE LUBRICANTE (26°API)- KEROSENE (42°API)” APARICIO ANDRADE MÓNICA EQUIPOS INDUSTRIALES DISEÑO DE Es insoluble en agua. sino que son creados de Sub-productos petrolíferos combinados en procesos de laboratorio. Gracias a su balanceada composición química y gran poder calorífico aseguran una combustión más limpia. evitándose así. Los Semi-Sintéticos se obtienen de una mezcla de aceites sintéticos y minerales. Los aceites lubricantes pueden clasificarse en: Aceites lubricantes minerales: Los aceites minerales proceden del Petróleo. siendo el más adecuado para obtener Aceites el Crudo Parafínico.2 INTRODUCCIÓN El kerosene o querosén es un líquido transparente (o con ligera coloración amarillenta o azulada) obtenido por destilación del petróleo. resultan más caros que los aceites minerales. y son elaborados del mismo después de múltiples procesos en sus plantas de producción. estos se pueden clasificar en: OLIGOMEROS OLEFINICOS ESTERES ORGANICO POLIGLICOLES FOSFATO ESTERES Aceites lubricantes semi-sintéticos. Se usa también como disolvente y para calefacción doméstica. se usa como comestible en los motores a reacción y de turbina de gas o bien. APARICIO ANDRADE MÓNICA EQUIPOS INDUSTRIALES DISEÑO DE . se añade al diésel de automoción en las refinerías. Aceites lubricantes Sintéticos: Los Aceites Sintéticos no tienen su origen directo del Crudo o petróleo. para iluminación. Las propiedades de los aceites Semi-Sintéticos son también muy superiores a los de los minerales. El petróleo bruto tiene diferentes componentes que lo hace indicado para distintos tipos de producto final. Al ser más largo y complejo su elaboración. De densidad intermedia entre gasolina y el diésel. Dentro de los aceites Sintéticos. la formación de depósitos y por ende prolongando la vida útil de los sistemas de inducción de combustible. en las Refinarías. como dieléctrico en procesos de mecanizado por descargas eléctricas y antiguamente. ya que retienen las propiedades y características de los aceites sintéticos. E A.775 VISCOSIDAD (µ) CPOISE 3 CONDUCTIVIDAD TÉRMICA (K) BTU/hr ft^2(°F/ft) 0.067 FACTOR DE INCRUSTACIÓN (Rd) hr ft^2 °F/BTU 0. el gasto masa del Kerosene es de 710000 lb/hr.L DISEÑO DE .1873 CAPACIDAD CALORÍFICA (Cp) BTU/Lb°F 0.5 0.L K. con un factor de incrustación de 0.004y se tiene Kerosene a 42°API que entra a una temperatura de 250°F y sale a una TE 26°API temperatura de 330°F.L K. emplee los mejores criterios aplicables a estos ACEITE equipos.E 250 330 710000 0. se permite una Δp para ambas corrientes de 10 psi.076 0.004 CAÍDA DE PRESIÓN (ΔP) PSI 10 FACTORES FLUJO TEMPERATURA VISCOSIDAD APARICIO ANDRADE MÓNICA EQUIPOS INDUSTRIALES LADO DE LOS TUBOS K.3 DISEÑO PARA EL Realice el diseño termodinámico del intercambiador de calor que SISTEMA resulte eficiente y económico.585 GRAVEDAD ESPECÍFICA (S) 0.E A.003.72 0.62 0.003 10 LADO DE LA CORAZA A. CON KEROSEN Secuencia de Cálculos E 42°API FLUIDO ACITE LUBRICANTE KEROSENE PROPIEDADES FLUIDO CALIENTE FLUIDO FRIO TEMPERATURA DE ENTRADA (T1) °F 450 TEMPERATURA DE SALIDA (T2) °F 340 FLUJO (Gm) Lb/h 547257. Se tiene aceite lubricante de 26°API que entra a una temperatura de LUBRICAN 450°F y sale a 340°F. con un factor de incrustación de 0. 4 CAÍDA DE PRESIÓN CORROSIÓN TOXICIDAD ENCRUSTAMIE NTO - - A.E A.L K. ( T 1−t 1 )−( T 2−t 2 ) ( 450−250 ) ° F−( 340−330 ) ° F ∆ TMLP= = =63. ACEITE LUBRICANTE (A. E)=0.62∗710000 Lb ∗( 330−250 ) ° F=35216000 BTU /hr hr BTU Q hr Lb Gaceite lubricante( A .E A.L DEL FLUIDO NOTA: SE MANEJARA LA NOMENCLATURA SIGUIENTE.E Lado de Coraza: A.585∗( 450−340 ) ° F hr 35216000 Lado de Tubos: K.E LOCALIZACIÓN K.L) Y KEROSENE (K.2817 ° F T 1−t 2 450−330 ln ( ) ln ( ) T 2−t 1 340−250 APARICIO ANDRADE MÓNICA EQUIPOS INDUSTRIALES DISEÑO DE . L)= = =547257.4235 ° F T 1−t 1 450−250 ln ln T 2−t 2 340−330 ( ∆ TMLC= ) ( ) ( T 1−t 2 )−(T 2−t 1) ( 450−330 ) ° F −( 340−250 ) ° F = =104.E A.L Calculo de las temperaturas medias y las media logarítmicas.L K.E) Corrida 1 Consideraciones: ∆ PT =10 Lado de tubos ∆ PS ≤ 10 Tipo de Flujo: Aceite Lubricante T1=450°F T2=340°F Kerosene t1=250°F t2=330°F Balance de energía Q=Gm 1∗Cp 1∗∆ T 1 Qkerosene( K .L K.1872 Cp2∗∆ T 2 0. 85 ∆ TMLVerdadera=∆ TML∗Ft=( 104.5 S= t 2−t 1 330−250 = =0.85 )=88.4 T 1−t 1 450−250 R= T 1−T 2 450−340 = =1.375 t 2−t 1 330−250 Calculo de la temperatura media logarítmica verdadera.18 KERN Ft=¿ 0. APARICIO ANDRADE MÓNICA EQUIPOS INDUSTRIALES DISEÑO DE .6394 ° F Parámetros de Calculo Longitud de tubos (L) =12 ft Dext (plg) =1 pulg BWG =16 PITCH=PT =1.870 plg (a’f) =0.594 plg2 (a’l) =0. a' F= Ntt∗a ' f (380)(0. A partir de R y S se obtiene el factor de corrección “Ft” de FIG.3919 plg 144∗n 144∗4 Calculo de la masa velocidad.2618 ft2/ft Calculo del área de flujo en el intercambiador.2817 ° F ) ( 0.25 pulg No de pasos (n) = 4 Pasos No de cuerpos (Nc) = 1 Cuerpo Arreglo: Cuadrado N°tubos:380 De la tabla 10 del KERN Dint (plg) =0.594) = =0. 1 1 K Cp∗μ∗2.81 ft 2 U DR= ( 35216000)/2 Q /Nc BTU = =166. 24 JH =¿ 270 Con el número de Reynolds y la FIG.42 3 0.62∗0.6547 = =8.2618 ) (12 ft )=1193.12=2.5308 DI K 0.6 GT = Gm /Nc 710000/2 = =905901.870∗1∗1 [ ( )] 4∗n v 2 62.6394 hr ° F ft 2 Cálculo de velocidad v= GT 1811686. 12 2 ∙ g 144 APARICIO ANDRADE MÓNICA EQUIPOS INDUSTRIALES DISEÑO DE .3979 A rc∗∆ TMLV 1193.5 Con el número de Reynolds y la FIG.4∗S∗3600 62.42 3 0.4774 psi st 2∙ g 144 1 Con GT leer en FIG.42∗μ FTubos 12∗2.42∗0.3369 psi 5.00014∗( 905901.3919 Calculo del Área de transferencia A rc=N t∗a' l∗L=( 380 ) ( 0.0648 ft /seg 62.5 4∗4 ∆ PTr = ∙ ∙ = ∙ 0.14 BTU hio=JH∗ ∗ φT =270∗ ∗ 1 =602. 27 [ ( )] v 2 62.22∗1010∗st∗Dint∗φt ] 2 = 0.1 Lb/hr ft 2 a' F 0.14 0.87 = =54279.5 ∙ = 0.076 0.5∗2.1921 12∗2.4∗(1)∗3600 Calculo del número de Reynolds N RET = G T ∗DI 905901∗0.22∗1010∗0.1 ) ∗4∗12∗12 =4. 26 f =¿ 0.870 0.076 hr ft 2 ° F 12 12 [ ][ ∆ PTR = f ∗( GT 2 Tubos [ ][ ] ) ∗n∗L∗12 5.0003 Calculo del coeficiente de película lado tubos.81∗88. 6677 12∗2.25 GS c= GS / Nc 547257.3369+2.585∗3 0.99 Pt=1.95 m2 144∗Pt 144∗1.25 = =0 .8143 psi Cálculos por el lado de la coraza.95 NRes= G sc∗D eq 555027.42 3∗ ∗12 ∗10.42 k 1 /3 ) ( ∗ 1 k 0.1873/2 = =288874.99 = =3282. 2≤ B ≤ Ds DS =31 pulg FIG.5 pulg a S= B∗C∗D S 22∗31∗0.9pulg)(5)=114.25 pulg B=Ds/5= 31/5=6. 28 DEL KERN se obtiene Deq.5733∗0.25−1=0. 29 se obtiene: f ´ =¿ 0.0094 Deq 0. Deq=0.42∗μ FCoraza 12∗2.25 pulg C=Pt−Dext =1.14=97.99 hr ft 2 ° F APARICIO ANDRADE MÓNICA EQUIPOS INDUSTRIALES ) ( ) ( ) DISEÑO DE .42∗3 Con NRes de FIG.067 0.067 BTU ∗12 ∗φ 0.76 Lb/hr as 0. 28 se obtiene: Jh ´ =¿ 30 Con NRes de FIG.0027 ( Ho=JH ´∗ Cp∗μ ∗2.14=30∗ ∗2.4774=6.2 B=22 pulg Ds=B*5=(22.7 ∆ PTotal =∆ PTR +∆ PTr =4. 5733 ) ∗31∗6.0094 hr ft 2 ° F Cálculo del índice de obstrucción o incrustación Uc > UD.5565)(166.5565−166.005. Idealmente este deberá estar en un rango de 0.775∗1 Calculo de la caída de presión por el lado de la coraza.0022∗( 555027. U C= hio∗Ho 602.8 Calculo del coeficiente global de transferencia de calor “Uc” Limpio. el tramo de retorno del tubo y total.0094 BTU = =83. Numero de mamparas L 12 N +1= ∗12= ∗12=6.22∗1010∗st∗Deq∗φt = 2 0.3980 = =−0.5308+ 97.2287 5.5454 =1.99∗0.5565 hio+ Ho 602.5308∗97.5454 B 22 pulg Corrida 10 (LA QUE MEJOR SE AJUSTO) Parámetros de Calculo Longitud de tubos (L) =30 ft Dext (plg) =1 pulg BWG =13 PITCH=PT =1 ¼ pulg No de pasos (n) = 4 Pasos No de cuerpos (Nc) = 2 Cuerpos Arreglo: Cuadrado N°tubos:380 De la tabla 10 del KERN APARICIO ANDRADE MÓNICA EQUIPOS INDUSTRIALES DISEÑO DE .005 U C ∙ U D (83.001 a 0. Rd = U C −U D 83. ∆ PS = f ´∗( G S )2∗Ds∗( N + 1) 5.22∗1010∗0.3980) Calculo de la caída de presión por el lado del tramo recto. 5∗2.42∗μ FTubos 12∗2.81 = =58287. [ ][ ] 1 [ ][ ] 1 K Cp∗μ∗2. GT = Gm /Nc 710000/2 = =1.81 0.62∗0. 24 JH =¿ 170 Con el número de Reynolds y la FIG.3397 Calculo del Área de transferencia A rc=N t∗a' l∗L=( 380 ) ( 0.5 Con el número de Reynolds y la FIG.00017 Calculo del coeficiente de película lado tubos.0448 ×106 Lb/ hr ft 2 aF 0.0448 ×10 6∗0.64 hr ° F ft 2 Calculo del número de Reynolds N RET = G T ∗DI 1.076 0. 26 f =¿ 0.515) = =0.42∗0.2618 ) (30 ft )=2964 ft 2 U DR= (35216000)/2 Q /Nc BTU = =67.4728 DI K 0.2618 ft2/ft Calculo del área de flujo en el intercambiador.42 3 0.3397 plg 144∗n 144∗4 Calculo de la masa velocidad.076 hr ft 2 ° F 12 12 APARICIO ANDRADE MÓNICA EQUIPOS INDUSTRIALES DISEÑO DE .14 0.9 12∗2.14 BTU hio=JH∗ ∗ φT =170∗ ∗ 1 =407.9 Dint (plg) =0.42 3 0.02 A rc∗∆ TMLV 2964∗88.81 plg (a’f) =0. aF= Ntt∗a ' f (380)(0.515 plg2 (a’l) =0. 00017∗( 1.19 /2 = =317762.934 12∗2.42∗3 Con NRes de FIG. 2≤ B ≤ Ds DS =31 pulg Deq=0.81∗1∗1 ∆ PTr = Tubos [ ( )] 4∗n v 2 62.25∗31 = =0. 27 [ ( )] v 2 62.24 Lb /hr as 0.24 psi st 2∙ g 144 1 Con GT leer en FIG.778+2.22∗10 ∗st∗Dint∗φt 5.99 = =3610.99 Pt= 1 1/4 pulg C=Pt−Dext =1 1/4−1=0.14 2 ∙ g 144 ∆ PTotal =∆ PTR +∆ PTr =8.22∗1010∗0.24∗0.24=11.42∗μ FCoraza 12∗2.86 m2 144∗Pt 144∗1 1/4 GS = G S / Nc 547257.778 psi 10 5.01 psi Cálculos por el lado de la coraza.10 f ∗( GT 2 6 2 ) ∗n∗L∗12 0.25 pulg B propuesta= 20 a S= B∗c∗DS 20∗0.5 4∗4 ∙ ∙ = ∙ 0. 28 se obtiene: Jh=¿ 30 APARICIO ANDRADE MÓNICA EQUIPOS INDUSTRIALES DISEÑO DE .0448× 10 ) ∗4∗30∗12 ∆ PTR = = =8.86 NRes= G s∗Deq 317762.5 ∙ = 0.14=2. Idealmente este deberá estar en un rango de 0.2399 5.4728∗97.8 =4. U C= hio∗Ho 407.99 hr ft ° F ) ( ) ( ) Calculo del coeficiente global de transferencia de calor “Uc” Limpio.001 a 0.775∗1 Calculo de la caída de presión por el lado de la coraza.005.355−67. Numero de mamparas L 30 N +1= ∗12= ∗12=¿ 18 B 20 pulg APARICIO ANDRADE MÓNICA EQUIPOS INDUSTRIALES DISEÑO DE . Rd = U C −U D 78.14=30∗ ∗2.585∗3 0. el tramo de retorno del tubo y total.4728+97.0094 hr ft ° F Cálculo del índice de obstrucción o incrustación Uc > Ud.14=97.355)(67.99∗0.22∗1010∗st∗Deq∗φt = 2 0.0094 2 Deq 0.0017∗( 317762.02) Calculo de la caída de presión por el lado del tramo recto.00226 U C ∙ U D (78.24 ) ∗29∗85. ∆ PS = f∗( G S )2∗Ds∗(N + 1) 5.42 3∗ ∗12 ∗10.355 2 hio+ Ho 407.0094 BTU = =78.11 Con NRes de FIG.067 BTU ∗12 ∗φ 0.067 0.0028 ( Ho=JH∗ Cp∗μ ∗2.22∗1010∗0. 29 se obtiene: f =¿ 0.42 k 1/3 ) ( ∗ 1 k 0.02 = =0. n NT L Ds NRTr C 2 4 432 30 33 51271.515 0. 35216000 0.2618 0.4 2.54745 27 67.0022 APARICIO ANDRADE MÓNICA EQUIPOS INDUSTRIALES Ho Uc 210.76442 2 4 380 30 31 58287.4728 58 11.12 TABLA DE RESULTADOS Alt De Pt Arreglo 8 1 1 1/4 9 1 1 1/4 cuadro cuadro cuadro 10 1 1 1/4 Calibr A e 3392.81 88.18712 129.68 39 0.778967 01 8.018967 hio 335.18712 138.55920 93 Continuación al af DI aF GT Q 0.5658 83 407.81 4 6 0.778967 01 ΔPTr 2.00017 140 170 170 Continuación ΔPTR 7.99 4 317762. 35216000 0.4220531 8 0.515 919093.00018 0.23 8 39 1.23726 65 7 65 210.64 0.3397569 1044864.24 2.192281 88 8.928 13 2964 13 2984.00017 0.93 3 162954.81 4 6 ΔTml v 88.66131 Rd 0.64 Continuación N.4492824 DISEÑO DE .2618 0.90061 f jH 0.90061 2 4 380 30 31 58287.24 ΔPT 9.86 20 Continuación NRe 1739.53333 5 1851.4728 58 B as 1.018967 407.8 35216000 5 0.0022 0.02000 39 66.52 13 UD 58.0077 ΔPs 0.26 0.64 88.0093 4 0.3397569 1044864.515 0.79 Gs 153078.76129 f' JH´ 0.38625 0.5922818 8 11. 00944 0.0028 30 8 1 78.0022 6 6 2 4.2399292 2 Alternativa 10 seleccionada APARICIO ANDRADE MÓNICA EQUIPOS INDUSTRIALES DISEÑO DE .13 2 3610.355006 0.93452 97.