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DISEÑO MECÁNICO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
E S C U E L A S U P E R I O R D E I N G E N I E R Í A Q U Í M I C A EI N D U S T R I A S E X T R A C T I V A S
(E.S.I.Q.I.E.)
Departamento de Ingeniería Química Industrial
“DISEÑO MECÁNICO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR”
(SISTEMA ISOBUTANO-BUTANO)
ALUMNO:
JIMÉNEZ ÁLVAREZ ELMER
GRUPO: 8IM4
PROFESOR:
ING. INOCENCIO CASTILLO TERAN
DISEÑO DE EQUIPOS INDUSTRIALES
MÉXICO, D.F. 27 DE ABRIL, SEMESTRE ENERO-JUNIO 2011.
JIMÉNEZ ÁLVAREZ ELMER 8IM4-ESIQIE.IPN
DISEÑO MECÁNICO DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
DISEÑO MECÁNICO DE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR(SISTEMA ISOBUTANO-BUTANO)
ESPECIFICACIONES
ESPECIFICACIONESL (ft) = 12 B (pulg) = 37 NT = 866 DS (pulg) = 37DE(pulg) = 3/4 Pop(psig) = 500DI (pulg) = 0.652 T1 ( ℉) =
120Deq (pulg) = 0.95 T2 ( ℉) =
175
CÁLCULO DEL ESPESOR DE LA CORAZA
t=PD . DS
2SE−1.2PD
+C
PD=1.3∗PT ∴PT=Pop+Patm
PT=500 psig+585mm Hg∗14.7 ps ig760mmHg
=511.3151 psia
PD=1.3∗(511.3151 psia )=664.71 psia
De acuerdo a la tabla de selección de materiales se recomienda para el butano, como material de la coraza el monel y el bronce; pero como estos materiales son muy caros y por la misma recomendación de los especialistas en el área, se puede usar el acero al carbono A-106 grado B.De la tabla 3.3 a la temperatura de 175 ℃, el esfuerzo permisible del material es:
S=19325 psi g
Por tener Ds > 23 pulg, entonces : E = 0.75 C = 1/8 pulg.
t=(664.71∗37)
2(19325∗0.75)−1.2(664.71)+ 18t=0.9974 pulg
t c=1 pulg
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CÁLCULO DEL NÚMERO Y DIÁMETRO DE LAS MAMAPARAS O PLACAS DE SOPORTE
N= L∗12B
−1∴N=12∗1237
−1∴ N=2.89
N=3mamparas
De la tabla 5, con B = 37 pulg y DS=37 pulg → Em = 5/8 pulg
CÁLCULO DEL NÚMERO MÍNIMO Y DIÁMETRO DE LOS TIRANTES
De la tabla 6, con Ds =37 pulg → ƟTIRANTE = ½ pulg ; Núm. mínimo de tirantes = 8
CÁLCULO DEL ESPESOR DE LOS ESPEJOS
a) POR FLEXIÓN
T=F .G3
∗√ PD
n . s+2C
Para arreglos en cuadro:
n=1− 0.785
[ PT
DE ]2∴n=1− 0.785
[ 10.75 ]2∴n=0.5584
Como se trata de espejos fijos F = 1
El espejo estará en contacto con ambos fluidos; por tratarse de hidrocarburos se considera como material de los espejos la siguiente aleación: SB-164, a l temperatura de 210 ℉ el esfuerzo permisible es de S=12 500 psig.
G=D S+2 tc+eeDonde:
ee = ancho del empaque ee=Dee−D S−2 tc
2∴Dee=Die∗√ Y−PD .m
Y−PD .(m+1)
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Die=DS+2 t c
Si se considera como material del empaque → ASBESTO 1/32 → m= 3.5 Y = 6500 psi
Die=37+2 (1.00 )=39.00 pulg
Dee=39.00∗√ 6500−(664.71∗3.5)6500−664.71 (3.5+1 )
=42.53 pulg
ee=42.53−37−2∗1.002
=1.76 pulg
TEMA recomienda para este diámetro de la coraza → ee = ½ pulg
Por lo cual se toma la recomendación: ee= ½ pulg
Por lo tanto:
G= (37+2∗1.00+0.5 ) ∴G=39.50 pulg.
T=(1∗39.50)
3∗√ 664.71
(0.5584∗12500)+2∗(1/8 )∴T=4.31 pulg→Tc=6 pulg
b) POR ESFUERZO CORTANTE
T=0.31∗DL
(1−DE
PT)∗(PD
S )+2C
Del diseño del espejo en autocad que esta adjunto al CD del diseño mecánico, se obtiene el valor de DL = 33.6 pulg
T=(0.31∗33.6)
(1−0.751 )∗( 664.7112500 )+2 (1/8 ) ∴T=2.46 pulg→Tc=4 pulg
Por lo tanto:Se define como espesor del espejo:
Tc=6 pulg
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CÁLCULO DEL NÚMERO DE TORNILLOS
Se fija dB un poquito menor que el diámetro de los tubos exterior (el inmediato inferior).
DE = ¾ pulg , por lo tanto: → dB= 5/8 pulg; R= 15/16; E= ¾; Bmin = 1,1/2 pulg
Bmax, T=2Bmin ,T=2 (1.5 )=3 pulg
Bmax, cal .=2dB+6T C
m+0.5=2 (5 /8 )+ 6∗6
3.5+0.5
Bmax, cal .=10.25 pulg .∴Bmin, calc=10.252
=5.125 pulg
Perímetro del centro de barrenado:PCB=DCB∗π∴DCB=DS+2 tc+2ee+2R
DCB=¿
PCB=41.875∗π=131.554 pulg
Número de tornillos mínimo:
NT ,min=PCB
Bmax ,cal
=131.55410.25
=12.83→12tornillos
NT ,max=PCB
Bmin ,cal
=131.5545.125
=25.67→28 tornillos
NT ,real=NT ,min+NT , max
2=
(12+28 )2
=20 tornillos
Breal=PCB
NT ,real
=131.55420
=6.577 pulg
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CÁLCULO DEL DIÁMETRO DE LAS BOQUILLAS
POR LADO DE LOS TUBOS
a) Entrada ( t1 = 210 ℉)
Db=√ Gm1/Nc0.785∗V 1∗ρ1∗3600
∗12
¿=ρ1
ρAGUA@t 1
∴ρ1=0.6 (59.88lb / ft3 )=35.928 lb / ft3 ; seconsideraV 1=8 ft / s
Db=√ 650000 /20.785∗8∗35.928∗3600
∗12∴Db=7.59→Db=8 pulg
b) Salida (t2 = 180 ℉)
Db=√ Gm1/Nc0.785∗V∗ρ2∗3600
∗12
¿=ρ2
ρAGUA@t 2
∴ρ2=0.6 (60.58 lb / ft3 )=36.348 lb / ft3; seconsideraV 2=8 ft / s
Db=√ 650000 /20.785∗8∗36.348∗3600
∗12∴Db=7.54→Db=8 pulg
POR LADO DE LA CORAZA
a) Entrada ( T1 = 120 ℉)
Db=√ Gm2/Nc0.785∗V 3∗ρ3∗3600
∗12
¿=ρ3
ρAGUA@T 1
∴ ρ3=0.6 (61.71lb / ft3 )=37.026 lb / ft3; seconsideraV 3=8 ft /s
Db=√ 382244.32 /20.785∗8∗37.026∗3600
∗12∴Db=5.733→Db=6 pulg
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b) Salida (T2 = 175 ℉)
Db=√ Gm2/Nc0.785∗V 4∗ρ4∗3600
∗12
¿=ρ4
ρAGUA@T 2
∴ ρ4=0.6 (60.69 lb / ft3 )=36.414 lb / ft 3; seconsideraV 4=8 ft /s
Db=√ 382244.32 /20.785∗8∗36.414∗3600
∗12∴Db=5.782→Db=6 pulg
CÁLCULO DEL ESPESOR DE LAS TAPAS
A la presión de trabajo, las tapas deben ser hemisféricas
t=PD . L
2.S . E−0.2PD
+C
L=DS
2=372
=18.5 pulg.
t=(664.71∗18.5 )
(2∗19325∗0.75−0.2∗664.71 )+ 18∴t=0.5512 pulg
t c=3/4 pulg
CÁLCULO DE LA PLACA DE CHOQUE
Evaluando la condición:
ρ∗v2=(37.028∗82 )=2369.8∴ρ∗v2<4000
Entonces se debe colocar la placa de choque
Dpch=1.25∗Dbc=1.25∗6=7.50 pulg
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Hpch=Dbc5
=65=1.2 pulg
Apch=Dpch∗π∗Hpch=(7.5∗π∗1.2 )=28.27 pulg2
Ab=π4∗Dbc2=π
4∗62=28.27 pulg2
CÁLCULO DEL CABEZAL FLOTANTE TIPO S
a) Cálculo del diámetro exterior del espejo
DeE=D S−2C
DeE=37−2∗( 14 )=36.5 pulg
b) Cálculo del diámetro macho del espejo
DmE=DeE−2ee−2K
DmE=36.5−2( 12 )−2( 116 )=35.375 pulg
c) Cálculo del diámetro limite de los tubos real
Dotl=DmE−2Km
Dotl=35.375−2( 116 )=35.25 pulg
d) Diámetro interior de la brida del cabezal flotante
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Dib=DmE+2K
Dib=35.375+2( 116 )=35.5 pulg
e) Diámetro hembra de la brida del cabezal flotante
Dhb=DeE+2K
Dhb=36.5+2 ( 116 )=36.625 pulg
f) Diámetro entre centro de barrenado de la brida del cabezal
DCB=Dhb+2Km+DB
DB=dB+ tolerancia
DB=58+ 116
=0.6875 pulg
DCB=36.625+2( 116 )+0.6875=37.4375 pulg
g) Diámetro exterior de la brida del cabezal flotante
DEB=DCB+2E
DEB=37.4375+2( 34 )=38.9375 pulg
h) Diámetro interior del envolvente del cabezal flotante
Dic=DEB+2C=38.9375+2( 14 )=39.4375 pulg
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