UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

SEDE MANIZALES
PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
Camilo A. Olarte G Agustn Cardona N.
DISEO INTERCAMBIADOR DE TUBO Y CORAZA CON
FLUIDOS DE SERVICIO

INTRODUCCION:
El proceso de intercambio de calor entre dos fluido que estn a diferentes temperaturas y
separados por una pared slida se realiza en dispositivos denominados intercambiadores de
calor. Estos procesos se dan en muchas aplicaciones de ingeniera.
El intercambiador de calor es un equipo de transferencia de calor empleado en procesos
qumicos con la finalidad de intercambiar calor entre dos corrientes de un proceso. Cuando se
desea calentar un fluido, se emplean calentadores haciendo uso de vapor de agua, o en el caso
de refineras de petrleo, el aceite caliente recirculado cumple la misma funcin. Los
enfriadores cumplen funciones opuestas a la anterior, emplendose agua y aire como medios
principales de refrigeracin.
MARCO TEORICO:
Los fluidos de servicio se han convertido en una parte importante para los procesos industriales
que requieran, en algn punto, intercambiadores de calor, ya que dan unas excelentes
prestaciones a cambio de pocos efectos nocivos. Es en gran parte su amplio uso debido a que su
costo es relativamente bajo a un largo plazo en comparacin con otros fluidos usados
anteriormente, sus bajos efectos nocivos con respecto al intercambiador (corrosin,
ensuciamiento, cadas de presin, rangos de temperatura adecuados, bajo cambio en la
viscosidad en todo el rango de temperatura, etc.) y en caso de fugas los efectos nocivos son
prcticamente nulos a bajas concentraciones.
Ejercicio 7.5. Kern:
En una nueva instalacin es necesario precalentar 149 000 lb/h de aceite crudo de 34API de
170 a 285F, correspondiente al plato de alimentacin de una torre fraccionadora. Hay una lnea
de gasoil de 33 API que pasa cerca de la torre a 530F, disponible en cantidades relativamente
ilimitadas. Debido a que el costo de bombeo de gasoil frio es prohibitivo, la temperatura de
gasoil del intercambiador, de regreso a la lnea, no deber ser menor de 300F.
Se dispone de un intercambiador 1-2 de 25 plg DI con 252 tubos de 1 plg DE, 13 BWG y 160
largo, arreglados en seis pasos en arreglo triangular de 11/4 plg de paso. Los deflectores de la
coraza estn espaciados a 5 plg de los centros. Se permite una cada de presin de 10 lb/plg* en
el gasoil y de 15 lb/plg en la lnea de alimentacin. Ser el intercambiador aceptable si se
limpia, y si es as, cul ser el factor de obstruccin? Para el gasoil las viscosidades son 0.4
centipoises a 530F y 0.7 centipoises a 300F. Para el crudo, las viscosidades son 0.9 centipoises
a 285F y 2.1 centipoises a 170F. (Interp6lese graficando F VS. centipoises en un papel
logartmico).

1. Se debe hallar las correlaciones de los fluidos primero para poder especificar el
proceso.
Se calcula y se muestran las correlaciones que representan las propiedades de cada uno de los
fluidos en funcin de la temperatura:

ACEITE CRUDO:
PROPIEDADES DEL ACEITE CRUDO
temperatura
50
100
150
200
250
300
(F)
cp
0,449
0,477
0,503
0,53 0,558 0,588
(BTU/lb*F)
conductividad
(BTU/h*ft*F 0,07899 0,07799 0,07699 0,0751 0,074 0,07299
)
densidad
51,045
49,82 48,595 47,37 46,145
44,92

350
0,613
0,07199
43,695

400
0,65
0,07089
42,47

Capacidad calorfica:

Cp Aceite Crudo
0.7
0.6
Cp

f(x) = 0x + 0.42
R = 1

0.5

Cp Aceite Crudo
Linear (Cp Aceite Crudo)

0.4
0

50 100 150 200 250 300 350 400 450

Temperatura

Conductividad trmica:

K Aceite Crudo
0.08
f(x) = - 0x + 0.08
R = 0.99

0.08
k

K Aceite Crudo
Linear (K Aceite Crudo)

0.07
0.07
0

50 100 150 200 250 300 350 400 450

Temperatura

Densidad:

Densidad Aceite Crudo

52
50

f(x) = - 0.02x + 52.27

R = 1

48

46
Densidad
Aceite Crudo
Densidad
44

Linear (Densidad Aceite Crudo)

42
40
0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Temperatura

Viscosidad
Temperatura
285
170

0,9
2,1
10

Viscosidad

1
100

1000

0.1
Temperatura

2.5
2

f(x) = - 0.01x + 3.87

R = 1

1.5
Viscocidad

1
Linear ()
0.5
0
150 170 190 210 230 250 270 290 310
Temperatura

DOWTHERM A:
Dowtherm A
Temperatura
(F)

60

100

200

300

400

500

600

700

800

densidad
(lb/ft3)

66

65

62

59

56

53

49

45

40

cp
(BTU/lb*F)

0,37

0,39

0,42

0,47

0,5

0,53

0,57

0,62

0,68

conductividad
0,08
(BTU/h*ft*F
1
)

0,07
8

0,07
3

0,068

0,063

0,058

0,053

0,048

0,04
3

0,5555

0,3333

0,1667

0,1111

0,1055

0,1

12,1

4,84

2,42

1,3443
1

0,80658
6

0,40341
4

0,26886
2

0,2553
1

0,24
2

viscosidad
(CP)
viscosidad
(lb/ft*h)

 Dowtherm A(lb/ft*h)
15
10

Dowther A(lb/ft*h)
5

Exponential ( Dowther A(lb/ft*h))

f(x) = 8.14 exp( -0.01 x )

R = 0.92

0
0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

800

900

Temeperatura

k Dowtherm A
0.09
0.08

f(x) = - 0x + 0.08
Rk =
1
Dowther
A

0.07
k

0.06

Linear (k Dowther A)

0.05
0.04
0

100

200

300

400

500

600

700

Temperatura

Densidad Dowtherm A
70.3
f(x) = - 0.03x + 68.87
R = 0.99

60.3
50.3
Densidad

40.3
Densidad Dowther A
30.3

Linear (Densidad Dowther A)

20.3
10.3
0.3
0

100

200

300

400

500

Temperatura

600

700

800

900

Cp Dowtherm A
0.7
f(x) = 0x + 0.34
R = 0.99

0.6
Axis Title

0.5

Cp Dowther A
Linear (Cp Dowther A)

0.4
0.3
0

200

400

600

800

1000

Axis Title

DOWTHERM G:
Dowtherm G
Temperatura
(F)

60

100

200

300

400

500

600

700

730

densidad
(lb/ft3)

65,64

64,57

61,88

59,19

56,5

53,81

51,12

48,43

47,62

cp
(BTU/lb*F)

0,366

0,384

0,431

0,477

0,524

0,57

0,616

0,663

0,677

0,057 0,0532 0,0495

0,0484

conductividad
(BTU/h*ft*F 0,0733 0,0718 0,061 0,0644 0,063
)
viscosidad
(CP)
viscosidad
(lb/ft*h)

15,3

6,5

1,97

0,97

0,57

0,37

0,26

0,2

37,026 15,73 4,7674 2,3474 1,3794 0,8954 0,6292 0,484

0,18
0,4356

Dowther G (lb/ft*h)

40
35
30
25
20 Dowther G (lb/ft*h)
Exponential ( Dowther G (lb/ft*h))
15
f(x) = 24.01 exp( -0.01 x )
10
R = 0.92
5
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Temeperatura

k Dowther G
0.08
0.07
k Dowther Gf(x) = - 0x + 0.07
Linear (k Dowther G)
R
=
0.92
0.07

Linear (k Dowther G)

0.06
k

0.06
0.05
Linear (k Dowther G)
0.05
0.04
0

100

200

300

400

500

600

700

800

Temperatura

Densidad Dowther G
70.3
65.3

f(x) = - 0.03x + 67.26

R = 1

60.3

55.3 Dowther G
Densidad
Densidad
50.3

Linear (Densidad Dowther G)

45.3
40.3
0

100

200

300

400

Temperatura

500

600

700

800

Cp Dowther G
0.7
0.65
0.6
0.55
0.5
0.45
0.4
0.35
0.3

Cp

f(x) = 0x + 0.34
R = 1
Cp Dowther G
Linear (Cp Dowther G)

100 200 300 400 500 600 700 800

Temperatura

AGUA:
Agua (Vapor Saturado Seco)
Temperat
ura (F)

60

100

200

densidad
(lb/ft3)

0,0008
28706

0,0028
53881

0,0297
26516

hgf
(BTU/lb*
F)

1059

1037,2

977,9

300

400

600

700

706

0,1546 0,5366 1,4817

55119 8223 00993

3,7593
98496

13,140
60447

20

910,1

548,5

172,1

826

500

713,9

k Agua
0.05
0.04

f(x) = 0x + 0
R = 0.96

0.03
k

k Agua

0.02

Linear (k Agua)

0.01
0
100

200

300

400

500

600

Temperatura

700

800

900

1000

Densidad Agua
25
f(x) = 0 exp( 0.01 x )
R = 0.97

20

15
Densidad
Agua
Densidad 10

Exponential (Densidad Agua)

5
0
0

100

200

300

400

500

600

700

800

700

800

Temperatura

hfg Agua
1200.3
1000.3

f(x) = - 0x^2 + 0.84x + 975.83

R = 0.97

800.3
hfg

600.3

hfg Agua

Polynomial (hfg Agua)

400.3
200.3
0.3
0

100

200

300

400

500

600

Temperatura

2. Luego de haber obtenido las correlaciones procedemos a ver los datos que se tienen del
ejercicio y las especificaciones del tipo de intercambiador.
Decidimos escoger el Dowtherm A y el Dowtherm G, ya que en el rango en el que estamos
trabajando si escogiramos agua estaramos trabajando
PARA DOWTHERM A:
sustancia

Temperatura 1

Temperatura 2

fluido frio

Aceite Crudo

170

285

fluido caliente

Dowtherm A

325

300

acero
inoxid
able

Ka

24

Arreglos de tubo y coraza

num
espe
longi ero
Area de
sor diam exter inter tud
de
deflect
flujo por
Nt
de la etro
no
no
del paso Pt (ft)
ores
tubo
pare
(ft)
(ft)
(ft) tubo s en
(ft)
(ft2)
d
(ft)
el
tubo
2
0,00186 0,08
0,08 0,06
0,104
5
tubo
16
2
1111
3
333
75
1667
2
coraz
2,08
0,4166
0,06
1
a
333
6

3. Ahora lo siguiente que se debe hacer es definir la ubicacin de los fluidos

DE LA TABLA 3.4 DEL LIBRO DE SERTH PAG 106 TOMAMOS LOS CRITERIOS
DECISIVOS PARA LA POSICION DE LOS FLUIDOS EN SU ORDEN DE PRIORIDAD.

1.
2.
3.
4.
5.
6.

Fluido por tubo.

Fluido corrosivo.
Agua de enfriamiento.
Fluido de ensuciamiento.
Fluido menos viscoso.
Vapor de alta presin.
Fluido ms caliente.

Fluido por coraza.

1. vapor condnsate (menos corrosivo).

2. Fluido con amplio T (>100 )

Con los criterios obtenidos de la tabla anterior pudimos evaluar y escoger cul de los fluidos
debera ir por los tubos y cual debera ir por la coraza
Tomando los criterios expuestos en la tabla anterior, y teniendo en cuenta que dentro de
nuestros fluidos no tenemos agua de enfriamiento ni vapor de alta presin decidimos enviar el
DOWTHERM G por los tubos ya que se trata de un fluido menos viscoso.

4. Hacemos el clculo de MLDT, del FT, R y S, para comprobar si se puede arrancar con
un intercambiador 1-2.
Calculo MLDT:

(T 1t 2)(T 2t 1)
T 1t 2
= 77,88542266
ln[
]
T 2t 1

MLDT=

Calculo Ft:

R=

T 1T 2
t 2t 1
1

s= R

0,234782609

= 0,732484076

1S
)
R2 +1ln( 1RS
Ft 1-2 =

Ft 1-2 =

( R1 )ln

2S (R+1 R2 +1)
2S (R+1+ R +1)
2

Aln(B)
D
(C)ln( )
E

Ft 1-2 = 0,9008053
Lo anterior nos indica que podemos empezar nuestros clculos con un intercambiador 2-4, pero
para efectos prcticos en este ejercicio se trabajar con un intercambiador 1-2.

5. El paso siguiente despus de haber calculado las propiedades es el de realizar el balance

de energa para el fluido caliente y para el fluido frio:
Balance de materia y energa para determinar el flujo de calor:
Q=Wc * Cph * dT = Wf * Cpf * dt
Con los datos de Aceite Crudo (34API), como tenemos la informacin del fluido frio podemos
hallar el calor. Wc= 149000 lb/h; tm= 227,5F; Cptm = 0,5481
no vara mucho, para una mayor exactitud se debera integrar).

Qfrio = wf * Cpm * (t2-t1)

BTU
lb F

(suponiendo que Cp

Qf

149000

lb
( 0,5481 Btulb F ) (285-170)
h

Qf

=9518492,5

Btu
h

Sabemos que Qf = Qc, con lo que al tener el calor del fluido caliente, y las temperaturas se
puede obtener el flujo msico del fluido caliente (DOWTHERM G).

6. Hallando el Flujo msico del DOWTHERM G que entra al intercambiador necesario para
calentar; se determina de la siguiente manera:

Wc = Cp T
T2=300 F
T1=327F

lb
W c = 712699,4021
h

Despus de decidir cul de los fluidos va por tubo y cual por coraza, adems de contar con
sus caractersticas de diseo, procedemos a corroborar las condiciones para trabajar a
temperaturas medias o en su defecto de no cumplirlas se deber trabajar a temperaturas
calricas.

Los criterios para el clculo a temperaturas medias son:

1. Cuando ninguno de los fluidos es demasiado viscoso en la terminal fra (1 cP).

(DOWTHERM G)= 0.862cP, (T1=327)
(Aceite crudo 34API)=0.9 cP, (t2=285)

2. El intervalo de las temperaturas de los fluidos no excede de 50 a 100.

DOWTHERM A=327-300=27
Aceite crudo=170-285=115

3. La diferencia de temperaturas en las terminales deben ser moderadas o menores a 50.

t1 (300 -285)= 15F
t2 (327-170)= 157 F

Analizando las 3 consideraciones anteriormente descritas solo se cumple con la primera

condicin para trabajar por temperaturas medias, por lo tanto se debe realizar por
temperaturas calricas. Entonces Procedemos a calcular el rea del tubo, el rea de la coraza
y el dimetro equivalente, los cuales necesitaremos para empezar con el clculo de las T
calricas:
Nt=252
n=1
Di=0,0675ft

TERMINAL CALIENTE T1=327F t2=285F

Para el coraza: t2=285 F

G=

wf
at
tubo=
858116,7082
G

La viscosidad se calcula reemplazando t2= 285F en la siguiente ecuacin:

y=2,42(0,0104 x +3,8739)

DiG

Pr

= 23090,9104

DiG
=7,30 1381

La conductividad se calcula reemplazando la temperatura en la ecuacin:

y=2E-5 x+ 0,082

k=0,0763

0.55

N u=0.36( ) ( Pr )

0.33

hDi
=
k

ho =

0.14

167,9339

216,2515

TERMINAL FRIA:

T 2 =300 t 1=170
t 1 =170

Gcoraza=

lb
2
hft
G = 858116,7082

y=2,42(0,0104 x +3,8739)

=5,096278

coraza =

DiG
=9976,931214

y=0,0006 x +0,419
Cp=0,521

= 167,9339

y=2E-5 x+ 0,082
k =0,0786

Pr coraza=

C p
=33,78067224
k

0.5 <Pr < 17,000 se asume para este clculo que =1 y se toma la ecuacin 2.37 del libro de
serth para Reynolds en transicin.

2
3
e

1
3
r

[ ( )]

N u=0.116 R 125 P 1+

2
3

D
L

0,14

N u=183,82237

hoDi
=183,82237
k

ho =243,84687

Las temperaturas de pared son:

T 1t 2
1
1
+
+ km
hoT 1 h iot1
]
hoT 1
tw=T 1
1

tw = 170,80978

tw =2,42(0,0104tw+3,8739)
tw =5,077

T 2t 1
1
1
1
+
+ km
hoT 2 h iot1
]
hoT 2
tp=t 1+
tp = 170,7516

tp =2,42(0,0104tw+ 3,8739)

tp =9,2470
Corrigiendo

iT 2=

con

tw y

tp :

T 2
=0,9452
tw

ot 1=

Con

it 2=

corregido hallo nuevamente hi y ho:

N u=1432,8327

hiDi
=1432,8327
k

hi=1545,1280

h0 T 1 =1251,60

t 1
=1,7874
tp

t 2
=1,7866
tp

N u=183,8223

hiDi
=183,8223
k

hi=243,8468

N u= 183,8224
hiDi
=183,8224
k

h0 t 2 =243,8468
Para T1

y=8,1384e(0,005 x)
=

y=5E-5 x+ 0,0834
k =0,0684

y=0,0004 x +0,3438

36,4737

Cp=0,4638

tubo =

D iG
=19228,3485

Pr tubo=

C p
=11,30
k

[ ( )]

N u=0.116 R e3 125 P 3r 1+

D
L

2
3

0,14

N u=1432,8327

hoDi
=1432,8327
k

hi=1545,1280
hio =1251,6037

Calculo nuevamente tp y tw:

T 1t 2
1
1
1
+
+ km
hoT 1 h iot1
]
hoT 1
tw=T 1

tw=304,2283

T 2t 1
1
1
1
+
+ km
hot 2 h iot1
]
hot 2
tp=t 1+
tp=299,072
Ahora calculo u1 y u2:

u 1=

u 2=

1
1
+
+ km = 166,048
h iot 1 h ot 2
1

1
=
1
1
+
+ km
h iot 2 hoT 2

172,00

Se sabe que u2 debe ser mayor a u1

Ahora se calcula:

kc=

r=

u 2u 1
=0,0358
u1

T 2t 1
=4,6
T 1t 2

1
r
+
kc r1
1
Fc=

kc
ln ( kc +1)
1+
lnr
Fc=0,61966
TcT 2
=0,61966
T 1T 2

Tc=

315,4915

tc=241,2612

Ahora recalculamos las propiedades de cada sustancia a T calricas:

tc para el coraza con las propiedades del Aceite Crudo

miu
cp
reinolds
prandlt

k
0,0786

3,30277607
9

0,563756

15394,69036

23,6890

Tc para el tubo con las propiedades de Dowtherm A

k

miu

0,072279
017

cp

1,680574

reinolds
0,46999

41735,9072

prandlt
10,8512

Comprobamos que dichas temperaturas son correctas, ya que:

Tc>tw >tp> tc
Pero para nuestro caso no se cumple as que buscamos o se asume un valor para el Coeficiente
total para diseo, Tabla 8. Kern.
(Rd= 0,001 y P=5-10 psi) y trabajamos un U D=117,6445 Btu/hft2F; con lo
que hallamos el rea Requerida:

Areq =

Q
(7)
UDFTMLDT
Areq =1171,9130 ft 2

Se selecciona el dimetro de los tubos, el espesor de pared (BWG), y la longitud del

tubo:
Industrialmente se usa tubos de:
Do=0,08333ft

Di= 0,0675ft
Pt=0,1041667ft
13 BWG
L=16 ft.
Se va a utilizar un arreglo cuadrado. Se elige el cuadrado porque la limpieza
se hace mecnicamente y es recomendado para fluidos con tendencia a
formar incrustaciones, este arreglo produce bajas cadas de presin en el
lado de la coraza.
Con los datos anteriores y la ecuacin de Fourier, determinamos el nmero
de tubos

Aequipo= *Do*Nt*L

(8)

Despejando,

N t= 252 tubos

DI (diametro interno de la coraza)=10 plg=0.8333 ft

Con el BWG=13 leemos de la Tabla 10: el dimetro interno de los tubos
di=0,0675 ft.
Ahora calculamos el rea de flujo por paso:

atubo =

at =

2
2
Di =0,01861 ft
4

N tnatubo 420,002318583
=
=0,078167 ft 2
n pasos
8

Con sta rea calculamos el flujo transversal y la velocidad:

wc
=10390081,83 lb/ft2h
at

(13)

v 49,6627 ft /s

Que sern usados en el clculo de Reynolds.

Ahora se calcula el rea de la coraza, con el claro en tubos (C) y el espaciado

entre bafles (B):

C=PtDo =0,2083 ft

B=0,4167 ft (valor entre 20% DI plg y el DI)

1
DICB
2
as=
=0,0868 ft 2 (17)
Pt

Con sta rea calculamos el flujo transversal por la coraza:

Gs=

Finalmente tenemos un intercambiador con las siguientes caractersticas:

Tubos
Do=0,08333
Di=0,0675
Nt=252 tubos
L=16 ft
BWG=13
n=6
Pt=0,1041667 ft
Arreglo=triangular

wh
2
a s =858116,7082 lb/ft h

Coraza
DI=2,08333 plg
Nc=1 coraza

Evaluacin trmica, clculo de coeficientes de transferencia

Tubos Tc=315,4915 F - DOWTHERM A:

Gt= 10390081,83 lb/ft2h
v= 49,66 ft /s

Res=

Di
= 417315,9072

Prs=

Cp
=10,8512
k

Nu=1432,832799
hi= 1545,1280

hiot=

hiDi
Btu
=1251,6037
Do
h F ft 2

Coraza tc=241,2612 F ACEITE CRUDO:

Gs=858116,7082 lb/ft2h

do2
4
do

4 PT 2
De ( arreglo cua drado )=

De=0,05925

Res=

DeGs
=15394,69

Regimen turbulento

Prs=

ho=

Cp
=23,6890
k

Nuk
Btu
=243,8468
F
De
h ft 2

Nu=

h oDe
=183,82237
k

Para Re 2*103<Res<1*106

El Reynolds en la coraza nos da rgimen turbulento, entonces usamos las

correlaciones de Nusselt y Prandtl para ste rgimen, para la ecuacin de

Nusselt inicialmente suponemos un =1, pero ste ser corregido ms

adelante.

Resistencias adicionales

Tubo DOWTHERM A
Con un factor de obstruccin ro=0.001. Tabla No.12

rio=0 ,001234
El material de los tubos es Acero inoxidable con un Kw=24 Btu/hF y el Km:

Do
)
Di
=0,0003658
2 Kw

Doln (
Km=

El material de la coraza es Acero inoxidable porque el aceite crudo es una

sustancia no corrosiva y su presin es baja, es un material de bajo costo y
de alta existencia en el mercado.

Calcular el Coeficiente global de transferencia real, incluyendo en ste el factor

de ensuciamiento que tienen los fluidos:

Udsucio =

1
=117,6445
1 1
+ +ro+rio+km
hio ho

Con ste coeficiente de diseo podemos hallar el rea requerida y

compararla con el rea del equipo, as tendremos el % de exceso de rea, si
ste es menor a 20 entonces nuestro intercambiador es adecuado para el
proceso.

A requerida =

A requerida =1171,91305 ft

Q
Ud sucioF t12MLDT

A equipo =N tnDoL=1055,5329
A exceso =

A equipo A requerida
100=
A requerida

A exceso =11,0257

Para la cada de presin en los tubos

P tubos=

4 f L 2n
=
n

2 gDi
tp o tw

P tubos=0.07884 psi
El

P tubos es permitido

Para la cada de presin en coraza

Primero determinamos el nmero de cruces:
L
N +1= 2=76
B
numero par de cruces, boquillas del mismo lado

P Coraza=

4 fDI( N + 1)Gs2
=
n

1852,4786 psi
2 gDe
tp o tw

PARA DOWTHERM G:
sustancia

Temperatura 1

Temperatura 2

fluido frio

Aceite Crudo

170

285

fluido caliente

Dowtherm G

525

300

acer
o
inox
idab
le
Ka

24

Arreglos de tubo y coraza

nume
espes
longit
ro de
deflect
or de dimet extern intern ud del
Nt
pasos Pt (ft)
ores
la
ro (ft) o (ft) o (ft) tubo
en el
(ft)
pared
(ft)
tubo
0,00186111
0,083 0,067
0,10416
252
0,083 tubo
16
2
1
33
5
67
2,083
0,4166
coraza
1
33
6
rea de
flujo por
tubo (ft2)

5. Ahora lo siguiente que se debe hacer es definir la ubicacin de los fluidos

DE LA TABLA 3.4 DEL LIBRO DE SERTH PAG 106 TOMAMOS LOS CRITERIOS
DECISIVOS PARA LA POSICION DE LOS FLUIDOS EN SU ORDEN DE PRIORIDAD.
Fluido por tubo.
7. Fluido corrosivo.
8. Agua de enfriamiento.
9. Fluido de ensuciamiento.
10. Fluido menos viscoso.
11. Vapor de alta presin.
12. Fluido ms caliente.

Fluido por coraza.

3. vapor condnsate (menos corrosivo).
4. Fluido con amplio T (>100 )

Con los criterios obtenidos de la tabla anterior pudimos evaluar y escoger cul de los fluidos
debera ir por los tubos y cual debera ir por la coraza
Tomando los criterios expuestos en la tabla anterior, y teniendo en cuenta que dentro de
nuestros fluidos no tenemos agua de enfriamiento ni vapor de alta presin decidimos enviar el
DOWTHERM G por los tubos ya que se trata de un fluido menos viscoso.

6. Hacemos el clculo de MLDT, del FT, R y S, para comprobar si se puede arrancar con
un intercambiador 1-2.
Calculo MLDT:

MLDT=

(T 1t 2)(T 2t 1)
T 1t 2
= 76.35822211
ln[
]
T 2t 1

Calculo Ft:

R=

T 1T 2
t 2t 1
1

s= R

= 0.217391304

= 0.741935484

1S
)
R2 +1ln( 1RS
Ft 1-2 =

Ft 1-2 =

( R1 )ln

2S (R+1 R2 +1)
2S (R+1+ R2 +1)

Aln(B)
D
(C)ln( )
E

Ft 1-2 = 0.904159478
Lo anterior nos indica que podemos empezar nuestros clculos con un intercambiador 2-4, pero
para efectos prcticos en este ejercicio se trabajar con un intercambiador 1-2.

6. El paso siguiente despus de haber calculado las propiedades es el de realizar el balance

de energa para el fluido caliente y para el fluido frio:
Balance de materia y energa para determinar el flujo de calor:
Q=Wc * Cph * dT = Wf * Cpf * dt
Con los datos de Aceite Crudo (34API), como tenemos la informacin del fluido frio podemos
hallar el calor. Wc= 149000 lb/h; tm= 227,5F; Cptm = 0,5481

BTU
lb F

(suponiendo que Cp

no vara mucho, para una mayor exactitud se debera integrar).

Qfrio = wf * Cpm * (t2-t1)

Qf

149000

Qf

lb
( 0,5481 Btulb F ) (285-170)
h

=9391693,5

Btu
h

Sabemos que Qf = Qc, con lo que al tener el calor del fluido caliente, y las temperaturas se
puede obtener el flujo msico del fluido caliente (DOWTHERM G).

6. Hallando el Flujo msico del DOWTHERM G que entra al intercambiador necesario para
calentar; se determina de la siguiente manera:

Wc = Cp T
T2=300 F
T1=327F

W c = 712699,4021

lb
h

Despus de decidir cul de los fluidos va por tubo y cual por coraza, adems de contar con
sus caractersticas de diseo, procedemos a corroborar las condiciones para trabajar a
temperaturas medias o en su defecto de no cumplirlas se deber trabajar a temperaturas
calricas.

Los criterios para el clculo a temperaturas medias son:

1. Cuando ninguno de los fluidos es demasiado viscoso en la terminal fra (1 cP).

(DOWTHERM A)= 0.862cP, (T1=327)
(Aceite crudo 34API)=0.9 cP, (t2=285)

2. El intervalo de las temperaturas de los fluidos no excede de 50 a 100.

DOWTHERM A=327-300=27
Aceite crudo=170-285=115

3. La diferencia de temperaturas en las terminales deben ser moderadas o menores a 50.

t1 (300 -285)= 15F
t2 (327-170)= 157 F

Analizando las 3 consideraciones anteriormente descritas solo se cumple con la primera

condicin para trabajar por temperaturas medias, por lo tanto se debe realizar por
temperaturas calricas. Entonces Procedemos a calcular el rea del tubo, el rea de la coraza
y el dimetro equivalente, los cuales necesitaremos para empezar con el clculo de las T
calricas:

Nt=252
n=1
Di=0,0675ft

TERMINAL CALIENTE T1=327F t2=285F

Para el coraza: t2=285 F

G=

wf
at
tubo=
858116,7082
G

La viscosidad se calcula reemplazando t2= 285F en la siguiente ecuacin:

y=2,42(0,0104 x +3,8739)

DiG

Pr

= 23090,9104

DiG
=7,30 1381

La conductividad se calcula reemplazando la temperatura en la ecuacin:

y=2E-5 x+ 0,082
k=0,0763

N u=0.36( )0.55( Pr )0.33 0.14= 167,9339

hDi
=
k

ho =

167,9339

216,2515

TERMINAL FRIA:

T 2 =300 t 1=170
t 1 =170

Gcoraza=

lb
hft 2
G = 858116,7082

y=2,42(0,0104 x +3,8739)
=3,9696

coraza =

DiG
=60767,3787

y=0,0006 x +0,419
Cp=0,4879
y=2E-5 x+ 0,082
k =0,0649
Pr coraza=

C p
=29,8427
k

0.5 <Pr < 17,000 se asume para este clculo que =1 y se toma la ecuacin 2.37 del libro de
serth para Reynolds en transicin.

[ ( )]

N u=0.116 R e3 125 P 3r 1+

D
L

2
3

0,14

N u=449,19048

hoDi
=449,19048
k

ho =349,8435

Las temperaturas de pared son:

T 1t 2
1
1
1
+
+ km
hoT 1 h iot1
]
hoT 1
t w=T 1
tw = 251,4731

tw =2,42(0,0104tw+3,8739)
tw =5,3113

T 2t 1
1
1
1
+
+ km
hoT 2 h iot1
]
hoT 2
tp=t 1+
tp = 245,1188

tp =2,42(0,0104tw+ 3,8739)

tp =5,5177
Corrigiendo

iT 2=

con

tw y

tp :

T 2
=0,9168
tw

ot 1=

Con

it 2=

corregido hallo nuevamente hi y ho:

N u=448,3928

hiDi
=448,3928
k

hi=431,1214

h0 T 1 =242,6369

N u=182,9102

t 1
=0,7473
tp

t 2
=0,7743
tp

hiDi
=182,9102
k

ho =242,6369

Para T1

y=24,015e(0,006 x)
=

3,3759

y=3E-5 x+ 0,0739
k =0,6409

y=0,0005 x +0,3379
Cp=0,5014

tubo =

D iG
=60767,3787

Pr tubo=

C p
=26,41
k

[ ( )]

N u=0.116 R e3 125 P 3r 1+

N u=479,4829

D
L

2
3

0,14

hoDi
=479,4829
k

hi=457,4524
hio =370,5513

Calculo nuevamente tp y tw:

T 1t 2
1
1
+
+ km
hoT 1 h iot1
]
hoT 1
tw=T 1
1

tw=288,6718

T 2t 1
1
1
1
+
+ km
hot 2 h iot1
]
hot 2
tp=t 1+
tp=284,8715
Ahora calculo u1 y u2:

u 1=

u 2=

1
1
1
+
+ km = 136,0425
h iot 1 h ot 2
1
=
1
1
+
+ km
h iot 2 hoT 2

139,3130

Se sabe que u2 debe ser mayor a u1

Ahora se calcula:

kc=

r=

u 2u 1
=0,02404
u1

T 2t 1
=4,2592
T 1t 2

1
r
+
kc r1
1
Fc=

ln ( kc +1) kc
1+
lnr
Fc=0,6148

TcT 2
=0,6148
T 1T 2
Tc=

316,6

tc=240,70

Ahora recalculamos las propiedades de cada sustancia a T calricas:

tc para el coraza con las propiedades del Aceite Crudo

miu
cp
reinolds
prandlt

k
0,0786

3,3167

0,5634

15329,6048

23,77

Tc para el tubo con las propiedades de Dowtherm A

k

miu
0,0644

3,5933

cp

reinolds
0,4962

57091,405

Comprobamos que dichas temperaturas son correctas, ya que:

prandlt
27,6856

Tc>tw >tp> tc
Pero para nuestro caso no se cumple as que buscamos o se asume un valor para el Coeficiente
total para diseo, Tabla 8. Kern.
(Rd= 0,001 y P=5-10 psi) y trabajamos un UD=95,1244 Btu/hft2F; con lo
que hallamos el rea Requerida:

Areq =

Q
UDFTMLDT

Areq =1319,9168 ft

Se selecciona el dimetro de los tubos, el espesor de pared (BWG), y la longitud del

tubo:
Industrialmente se usa tubos de:
Do=0,08333ft
Di= 0,0675ft
Pt=0,1041667ft
13 BWG
L=16 ft.
Se va a utilizar un arreglo triangular. Se elige el triangular porque la limpieza
se hace mecnicamente y es recomendado para fluidos con tendencia a
formar incrustaciones, este arreglo produce bajas cadas de presin en el
lado de la coraza.
Con los datos anteriores y la ecuacin de Fourier, determinamos el nmero
de tubos

Aequipo= *Do*Nt*L
Despejando,

N t= 252 tubos

DI (diametro interno de lacoraza )=2,083 ft

Con el BWG=13 leemos de la Tabla 10: el dimetro interno de los tubos
di=0,0675 ft.

Ahora calculamos el rea de flujo por paso:

atubo =

at =

2
2
Di =0,0035 ft
4

N tnatubo
=0,1502 ft 2
n pasos

Con sta rea calculamos el flujo transversal y la velocidad:

wc
=4741968,465 lb/ft2h
at

(13)

v 22,42 ft /s

Que sern usados en el clculo de Reynolds.

Ahora se calcula el rea de la coraza, con el claro en tubos (C) y el espaciado

entre bafles (B):
C=PtDo=0, 02083 ft

B=0,4167 ft (valor entre 20% DI plg y el DI)

1
DICB
2
2
as=
0,15029 ft
Pt

Con sta rea calculamos el flujo transversal por la coraza:

Gs=

wh
2
a s =858116,7082 lb/ft h

Finalmente tenemos un intercambiador con las siguientes caractersticas:

Tubos
Do=0,08333
Di=0,0675
Nt=252 tubos
L=16 ft

Coraza
DI=2,08333 plg
Nc=1 coraza

BWG=13
n=6
Pt=0,1041667 ft
Arreglo=triangular

Evaluacin trmica, clculo de coeficientes de transferencia

Tubos Tc=316,627 F - DOWTHERM G:

Gt= 4741968,465lb/ft2h
v= 22,42 ft /s

Res=

Di
= 89091,4733

Prs=

Cp
=27,6822
k

Nu=663,01579
hi= 632,5778

h io=

hiDi
Btu
=512,4085
Do
h F ft 2

Coraza tc=240,8189 F ACEITE CRUDO:

Gs=858116,7082 lb/ft2h

do2
4
do

4 PT 2
De ( arreglo Triangular )=

De=0,05925

Res=

DeGs
=15342,9821

Regimen turbulento

Prs=

ho=

Cp
=23 ,7577
k

Nuk
Btu
=239,40
F
De
h ft 2

Nu=

h oDe
=180,47044
k

Para Re 2*103<Res<1*106

El Reynolds en la coraza nos da rgimen turbulento, entonces usamos las

correlaciones de Nusselt y Prandtl para ste rgimen, para la ecuacin de
Nusselt inicialmente suponemos un =1, pero ste ser corregido ms
adelante.

Resistencias adicionales

Tubo DOWTHERM G
Con un factor de obstruccin ro=0.001. Tabla No.12

rio=0 ,001234
El material de los tubos es Acero inoxidable con un Kw=24 Btu/hF y el Km:

Do
)
Di
=0,0003658
2 Kw

Doln (
Km=

El material de la coraza es Acero inoxidable porque el aceite crudo es una

sustancia no corrosiva y su presin es baja, es un material de bajo costo y
de alta existencia en el mercado.

Calcular el Coeficiente global de transferencia real, incluyendo en ste el factor

de ensuciamiento que tienen los fluidos:

Ud sucio =

1
1 1
+ +ro+rio+km
hio ho

=102,7861

Con ste coeficiente de diseo podemos hallar el rea requerida y

compararla con el rea del equipo, as tendremos el % de exceso de rea, si
ste es menor a 20 entonces nuestro intercambiador es adecuado para el
proceso.

A requerida =

A requerida =1319,9168 ft

Q
Ud sucioF t12MLDT

A equipo =N tnDoL=1055,5329
A exceso =

A equipo A requerida
100=
A requerida
A exceso =25,04743

Para la cada de presin en los tubos

P tubos=

4 f L 2n
=
n

2 gDi
tp o tw

P tubos=794,76 psi

Para la cada de presin en coraza

Primero determinamos el nmero de cruces:
L
N +1= 2=76
B
numero par de cruces, boquillas del mismo lado

P Coraza=

4 fDI( N + 1)Gs
=125,8608 psi
n

2 gDe
tp o tw

CONCLUSIONES
1. Las temperaturas tomadas para el fluido de servicio, no admitieron valores con rangos
de temperaturas adecuados para el desarrollo del ejercicio, a pesar de saber que las
temperaturas deben ser de al menos 40 grados diferentes.
2. Con el desarrollo del ejercicio nos dimos cuenta que el mejor fluido de servicio que
podemos usar es el dowtherm G, ya que este nos dio las cadas de presiones ms
adecuadas y permitidas, as como el Ft y el diseo trmico.
3. Cuando calculamos el ft para este ejercicio con cada fluido de servicio, nos pudimos dar
cuenta que este valor nos arrojaba un arreglo de 2-4, pero por practicidad decidimos
trabajar todo el problema con un arreglo 1-2.
4. El uso del agua en este problema no es el ms adecuado, aunque se puede usar bajo
ciertas circunstancias, por ser vapor a altas presiones y tambin que debe ir por la parte
de la coraza, lo que hace que el diseo sea poco efectivo.
5. El desarrollo de este ejercicio de cierta forma tiende a ser muy complicado si no se usa
una herramienta informtica, ya que los clculos iterativos requieren una muy buena
cantidad de tiempo para su realizacin.
6. La toma de decisiones dentro del desarrollo del ejercicio es parte fundamental para que
los resultados arrojados sean lo ms acertados posibles y no se encuentren
inconsistencias dentro de este, el actuar como un ingeniero dentro de los lmites de este
ejercicio nos da un buen panorama de lo que puede llegar a ser la vida laboral de un
ingeniero qumico.
7. Los errores de clculo asociados al desarrollo del ejercicio van directamente
relacionadas con las decisiones tomadas en el desarrollo del ejercicio, as como las
unidades respectivas de cada valor hallado y el mtodo de iteracin usado.

BIBLIOGRAFIA
Davinder K. Mehra; Shell and tube heat exchangers; Julio 25, 1983.
Martnez. E. (2009).Estudio para la seleccin de un sistema de enfriamiento de aire que
proviene de una bacteria de sopladores, de la planta de efluentes del complejo
petroqumica Morelos. Universidad Veracruzana. Coatzacoalcos. Mxico.