Usos de los retazos de tubos en una fabrica

En la tabla 8 pagina 840 kern recomienda los siguientes valores de U para liquidos organicos ligeros con una viscosidad < 0.5 cPoises como el benceno,tolueno,,acetona,etanol,etc..Umin 75 btu/pie2h°F Umax 150 btu/pie2h°C la media seria Umedia = 112.5 para convertir a kcal/m2h°C el valor se multiplica por 4.88243 lo cual nos dara uuna U metrica Umin = 366 Umedia = 549 kcal/m2h°C,tu valor escogido de 400 para U supuesta es correcto.
Carl Branan recomienda valores de Umin 60 y maxima de 160 btu/pie2°F U media 110

El calculo de LMTDcorregida nos dice que no es posible un intercambiador de un solo paso,y que debe de ser de 1-2 pasos 2 en serie que se calcularan como uno 2-4

Se usan las ecuaciones de kern, o las mas faciles de chopey en una hoja de calculo.
La formula mas simple de chopey para un intercambiador 2-4 = 2 en serie 1-2 y da los mismos resultados que la de kern es
dtm = M/2/(ln((Q+M)/Q-M)) en donde Q = ((Th -th)^0.5 +(Tc tc)^0.5)^2

LMTD corregida para 80.1 = 18.24°C


P = (Th -th) + (Tc -tc) y M = ((Th -Tc)^2 + (th -tc)^2)^0.5 Como se puede ver es mucho mas simple que la de kern el reultado es 18.24°C para una t del benceno de 80.1 como dicen las tablas a NTP y no 80.6°C y temperatura final de 25°C

A continuacion se calcula el area de transferencia necesaria para eliminar esa carga termica, con la U que escogiste =400


Ainicial total = 707,782.79 /(400 x 18.24 = 97.28 m2

Para 2 enfriadores 1-2 en serie con 110 tubos de 25.4 mm y pitch de 32 mm La tabla 34 de Pavlov nos dice que se necesitan 2 intercambiadores con un Ds = 400 mm que con una longitud de tubo de 5 m dan un area de 42m2 x enfriador y con una de 6.0m de largo dan un area de 51m2 por enfriador total 51 x 2 =102

Si usamos la tabla 9 de Kern para un intercambiador de 2 pasos en tubos con arreglo triangular y con Dshell = 17.25 pulg = 438 mm nos da 118 tubos por enfriador, puedes escoger ese diametro de coraza con 118 ubos totales,59/paso. O el metrico de Ds = 400
Para la hoja de calculote recomiendo usar longitudes en metrico por ejemplo: 5.0m a esta longitud se le debe de restar el espesor de las bridas de la coraza 5.0 cm lo cual nos dara una longitud efectiva de tranferencia de calor, asi mismo usar el estandar europeo para el pitch 32 mm

T1 80.1 °C T2 = 25°C agua t1 = 20°C t2 = 30°C LMTD corregida = 18.24 para 2 intercambiadores 1-2 en serie se calcula como uno de 2-4

Carga Termica Q =709,782.79 Kcalorias/hr
Las propiedades del agua se toman a tavg para simplificr el calculo tavg = (20 +30/2 = 25°C ro = 997 kg/m3 Cp = 0,98898 kcal/kg°C, vicosidad dinamica mu = 0.798 cPoises, conductividad k = 0.5220549
Wagua = Q/Cp-dt = 709782.79/(0.98898 x 10) = 71,769 kg/h
El agua va en tubos para evitar corrosion en tubos y carcaza Do = 25.4 mm Di = 0.834 pulg = 21.1836 mm .Tubo 1 “ do BWG 14 tabla 10 kern

Si vemos la tabla 9 de kern para un intercambiador 1-2 en arreglo triangular se necesita una coraza de 17.25 pulg = 0.43815 m con 118 tubos,para el mismo Ds Ludwig da 106 tubos,escogeremos el valor de kern. 118 para totales,y 118/2 tubos/paso =59 tubos por paso
Se debe calcular la velocidad del agua para 118/2 tubos
diametro interior del tubo 0.834 pulg = 0.021184 m
Area de flujo/paso = Ntubos/paso x area de un tubo
A/paso = 0.7854 x 0.021184^2 x59 = 0.02079241 m2
Flujo masico del agua G kgs/m2s = 71769/3600/0.02079241 = 958.72 kg/m2s

Caudal volumettrico Q M3/s = W/ro/3600 =71769/997/3600 = 0199959 m3/s
Velocidad v m/s = Q/ Area de flujo = 0.0199959/0.02079241 = m/s = 0.962 m/s

A continuacion procederemos a calcular los numeros de Re y Pr para pasar a calcular con la formula de cao y Pavlov el coeficiente de pelicula del lado de tubos del agua

Re = DiG/mu = Di x v x ro/mu = 0.021184 x 0962/(0.891 x0.001) = 22,793.21 >>>10,000

Prandalt Pr = Cpmu/k = 0.988r98x 0.891 x 3.6/0.552 = 6.08

Endonde el Cp del agua es Cp = 0.98898 kcl/kg°C mu = 0.891 cPoises k= 0.552 kcal/hm2°C

A continuacion procedemos a calcula hi por la formula de Cao

hi = 0.023 (k/Di)Re^0.8 Pr^0.33 sin hacer correciones por viscocidad dinamica para simplificar

hi = 0.023 (0.522/0.02118)22,793^0.8 x 6.08^0.33 = 3,197.8 kcal/hm2°C

hio = hi(di/do) = 2,666.97 kcal/hm2 °C>>>>387.1

Procederemos a hacer el calculo de ho para el benceno fuera de banco de tubos

Ds = 17.25 pulg B = 0.2 m N pasos = L/B +1
Debido a que no se da el flujo masico del benceno Wbenceno en kg/h este lo calcularemos
Wbenceno = Q/(Cp x dT) = 29,617.37 kg/h
las propiedades fisicas para simplificar se toman a la temperatura promedio 52.5°C
Cp = 0.434938 kcal/kg°c, ro = 847 kg/m3, mu = 0.4195 cP, k = 0.1152 kcal/m2h°C
Temperatura promedio de la coraza=(80.1 + 25)/2 = 52.55°C
Estimacion de la temperatura de la pared del tubo metodo de Coulson pg 678

Diferencia media de temperaturas = tavg benceno – tavg del agua = 52.55 – 25 = 27.55°C
A travez de la pelicula de benceno = U/ho x (dT) = (292.94/908.65) x 27.55 = 8.88
twavg = 52.55n- 8.88 = 43.67

(mu/muw)^0.14 = 0.987

Ashell = 0.010954 m2 G = 455.19 kg/m2s Deq = 0.018744 m Re = 20,339, Pr 5.7, v = 0.5374 m/s
ho = 908.65 Kcal/hm2°C por medio de la siguiente ecuaciones
ho = 0.36Re^0.55Pr^0.33(k/Deq(mu/muw)^0.14 segun la correlacion de kern citado por Cao en pagina 167
ho =908.65 < 1362.3 El coeficiente ho que calculaste para el benceno no puede ser mayor al del agua en los tubos

Calculo de Uclean U limpio = hio x ho/(hio + ho) = 677.74 kcal/m2h°C < 860.8 que calculaste

Rd total= 1/ho +1/hio + r pared + 0.0006 = 1/908.65 + 1 / 2666.97 +1/1800 +0.0006
Rd total = 0.002131

Ud calculada = 1/Rd total = 1/0.002131 = 469.25 kcal/hm2°C > al que calculaste de 387.51
Procederemos a calcular el area m2 con Ud y la carga termica y la temp media logaritmica corregida.

Area calculada m2 = Q/(Ud x LMTDc) = 82.93 m2
Area calculada / intercambiador = 82.93/2= 41.46 m2

Procederemos a calcular la U instalada

Ainstalada = Area de los 2 intercambiadores en serie = 46.61 m2 x 2 = 93.22 m2
LMTDcorregida = 18.24°C para 2 intercambiadores 1-2 en serie equivalentes a un 2 – 4

Uinstalada = Q/(U xLMTDc) = 709,782.79/( 93.22 x 18.24) = 417.45 kcal/m2h°C
U inst < Ud calculado ok
% de exceso de Area = (Areal – Area calc)/Acalc = (93.22-82.93)/82.93x100 = 12.41%

Los 2 intercambuadores 1-2en serie cumplen

Caida de presion lado coraza

Para la coraza de Ds = 17.25 pulg y una distancia entre bafles de 20 cm y tubos de 25.5 mm de do la caida de presion por fuera del banco de tubos para el benceno es de 4.1 psi< 10 ok,

Por el lado de tubos se pueden usar las tablas de Cmameron si cumple

error de dedo Cameron

Error de dedo do tubo =25.4 mm

Si queremos disminuir la caida de presion en el lado coraza por donde fluye el benceno,basta incrementar la distancia entre bafles de 20 a 25 cm en la hoja de calculo y ver los resultados, de antemano sabemos que disminuira la velocidad, el ho y la Ud,pero no sabemos si cumplira.
Para B = 25 cm El diferencial de presion disminuye a 2.7 <|0 psi la ho = 803.71 Uclean = 617.59
Udirt calculada= 439-6 % de exceso de area 5.31%-

U instalada = 417.45 << Ud calculada = 439.6 ok el intercambiador cumple,aun cuando haya disminuido el % de exceso de area.