Projeto Trocador De Calor

Objetivo

Este trabalho possui como objetivo dimensionar um trocador de calor utilizando o método rigoroso de Wills-Johnston com a finalidade de resfriar o produto de topo de uma coluna de destilação, capaz de separar C7-C8 de C9+ (fundo), fazendo posteriormente uma comparação com os métodos de Bell e Kern.

Introdução

Uma empresa fictícia solicitou que fosse desenvolvido um projeto de um trocador de calor, visando o resfriamento do produto de topo da coluna de destilação, com a funcionalidade de separar aromáticos (C7-C8) do C9+, que cometem ao processo produtivo. Tendo em vista a execução do que fora solicitado, um estudo do sistema e análise dos critérios são primordiais, embasando-se em fatores como: operação, facilidade de manutenção, custo, segurança, entre outros; assegurando um dimensionamento apropriado e melhor aplicabilidade para o equipamento.

Base de Projeto

Dados do processo:

Produto de Fundo - Fluído de Processo

Vazão T entrada P entrada Composição

tolueno p-xileno m-xileno e-benzeno Total

kg/h ºC kgf/(cm2 man) m% m% m% m% m%

83518 84,9 3,5 4,76 31,41 32,93 30,90 100

lb/h ºF psia

202537 184,8 66,93

Tabela 1. Dados do fluido de processo de fundo

Condições de Operação da Água de Resfriamento (AGR)

Velocidade Composição P entrada P saída T entrada T saída

m/s - kgf/(cm2 man) kgf/(cm2 man) ºC ºC

0,5 a 3,0 1 4,5 4,5 31 45

kPa kPa ºF ºF

77,23 77,23 87,8 113,0

Tabela 2. Dados da AGR

Premissas

Concomitantemente, as pressões de entrada da AGR e do fluido de processo são 5 e 3 kgf/cm² man;

Houve um acréscimo de1 ºC no fluido de processo do fundo da torre, ensejo à ineficiência das bombas;

Visando uma campanha de 3 anos, o coeficiente de resistência de depósito, destinado ao fluido de processo utilizado, determinou-se o a nafta (Rd = 0,00030 (h.m².ºC)/kCal);

Através do simulador comercial, Aspen Hysys (modelo de Peng-Robinson), as propriedades do fluido de processo foram obtidas.

Critérios de projeto

O approach tomado fora de 20 ºC;

A temperatura de admissão de AGR é de 31 ºC.

Não deverá ser superior a 45 ºC a temperatura da AGR;

Em relação a perda de carga no resfriador tanto para o casco, quanto para o tudo, deve ser inferior a 10 psi man;

A perda de carga no condensador em questão deve ser menor que 2 psig;

O coeficiente global de projeto (UD) deve estar dentro da faixa recomendada para orgânicos leves (70 < UD < 150 btu/(h.ft².ºF);

Fator de correção de média logarítmica (Ft ≥ 0,85);

UC > UD;

É preciso que a resistência de depósito calculada seja maior do que a resistência de calor desejada (Rdcalculada ≥ Rddesejada);

Resistência de depósito para o fluido de processo, Rd = 3 x 104 (h.m².ºC)/kcal;

O fluido com maior coeficiente de depósito ( Rd ) carecerá passar pelos tubos, devido a maior facilidade de operação e custo de manutenção;

Usou-se o Método de Kern para o dimensionamento dos trocadores de calor;

Devido as pressão de operação dos trocadores serem moderadas, definiu-se o tipo como casco-e-tubo.

Memoria de Cálculo

Cálculo do resfriador do produto de fundo – Método de Wills-Johnston .

Através do simulador comercial Aspen Hysy, foram obtidos os dados físico-químicos do fluido de processo e da AGR. Assim, para o fluido de processo utilizou–se o modelo de Peng – Robinson, e o AGR o modelo SRK - Anexo A.

Com a aquisição dos dados termodinâmicos na simulação e a vazão fornecida, obteve-se o calor que deverá ser retirado do fluido por meio da equação I:

Q_(fp )= m_(fp ).〖∆H〗_fp (1)

O_fp=-5310632 BTU/h

Em poderio do calor necessário para a troca térmica, e outro balanço energético (equação II), calcula-se a vazão de AGR. Como supracitado a temperatura de admissão da mesma é de 31ºC e de saída 45ºC.

m_AGR=Q/〖∆H〗_AGR (2)

m_AGR=204489 lb/h

Tendo como estimativa inicial da área de troca térmica, concebeu-se o fluído de processo com perfil igual ao de orgânicos leves, por causa da sua viscosidade ser menor que 0,5 cP. Como já mencionado, utilizou-se o Método de Kern para o cálculo de trocador de calor, assim a faixa determinada para o coeficiente global de troca térmica para o tipo de fluido utilizado, neste projeto, a ser resfriado por água sofre uma variação de 70 a 150 btu/(h.ft².ºF), sendo utilizado para estimativa inicial o valor de 140 btu/(h.ft².ºF).

A variação média entre as temperaturas fora calculada, dependentes da média logarítmica entre as temperaturas de entrada e saída (∆Tml), para o fluido de processo e para AGR. Também sofrera cálculos o fator de correção de temperatura (Ft) para corrigir o ∆Tml e, por conseguinte, o critério de Ft > 0,85 visando ser atendido foi utilizado um approach de 10ºC.

(3) (4) (5)

Para o cálculo do Ft utilizou-se a seguinte sequência de equações:

(6) (7) (8)

(9) (10)

Calculo