Diseño de Intercambiadores Carcasa y Tubos

1. Diseño de un intercambiador de calor BES para calentar 500000 lb/h de un
Crudo desde 90°F hasta 149°F, utilizando un gasoil liviano que se enfría desde
330°F hasta 241°F.
Crudo Gasoil Ligero
Propiedades Entrada Salida Entrada Salida
Temperatura (°F) 90 149 330 241
Viscosidad (cP) 5,923 3,046 0,135 0,207
Sg(60/60) 0.876 0.876 0.742 0.742
Gasoil
Liviano
330°F
Gasoil
Liviano
241°F
Crudo 90°F
Crudo 149°F

2. 1. Determinación de las propiedades de los fluidos.
Perfil de Temperatura:
Cálculo de los ° API:
° =
141.5
(60/60)
− 131.5
°API Crudo=30.02
°APIGasoil= 59.2
Cálculo de la temperatura promedio de los fluidos:
TpromCrudo= = =119,5°FTpromGasoil= = =285,5°F
Lectura de las propiedades de los fluidos:
 Densidad: ρ(lbm/pie3
):
Se determina con la Tpromedio y con los API del fluido, su densidad
relativa en la Figura 20 (Kern) Gravedades específicas Tablas y Gráficas
Unidad I Página 35.
Densidad relativa= ρFluidoTProm/ρAgua60°F
Gasoil liviano
Crudo
T1=330 °F
T2=241°F
t2=149 °F
t1 =90 °F

3. ρFluidoTpromedio=Densidad relativa* ρAgua60°F
ρAgua60°F=62,4lbm/pie3
Con Tprom Crudo=119,5 y 30 API Sg=0,85 ρCrudo 119,5°F=53,04lbm/pie3
Con TpromGasoil=285,5 y 59,20 API Sg=0,634ρGas 285,5°F=39,56lbm/pie3
 Calor específico: Cp (BTU/lbm°F):
Se determina con la Tpromedioycon los API del fluido, su Cp en la Figura
18 (Kern) Calor específico de hidrocarburos líquidos Tablas y Gráficas
Unidad I Página 32
 Conductividad térmica: K (BTU/Pielbm°F):
Se determina con la Tpromedio y con los API del fluido, su K en la Figura
15 (Kern) Conductividades térmica de hidrocarburos líquidos Tablas y
Gráficas Unidad I Página 29
 Viiscosidad: µ(Cp)
En la Tabla 1 se muestran las viscosidades del crudo y del gasoil a la
temperatura de entrada y de salida, por lo tanto se realiza una
interpolación de la viscosidad a la temperatura promedio de cada fluido,
aplicando logaritmo Neperiano (LN) tanto a las temperaturas como a las
viscosidades. A continuación se muestra el procedimiento para el gasoil.
Te=330 °F µTe = 0,135 cP
TProm=285,5µTProm=?
Ts=241 °F µTs= 0,207cP

4. Aplicando LN tanto a las temperaturas como a las viscosidades e
interpolando:
LN330=5,799----------LN 0,135=-2,002
LN 285,5=5,654 ---------- LNµTProm=X
LN 241= 5,484 ---------- LN 0,207= -1,575
5,799 − 5,484 = 0,315.---------−2,002 − (−1,575) = −0,427
5,799 − 5,654 = 0,145 --------−2,002 − LNµ = X
−2,002 − LNμ =
0,145 ∗ (−0,427)
0,315
= −0,197
−2,002 + 0,197 = LNμ LNμ , = −1,805
μ , ° = AntiLN(−1,805) = 0,164 cP
Para el crudo se utiliza el mismo procedimiento obteniéndose una
µ , ° = 3,92 cP
En la Tabla 2 se muestran todas las propiedades del crudo y gasoil a la
temperatura promedio

5. Tabla 2. Propiedades de los Fluidos
Propiedades Crudo Gasoil Ligero
Temperatura (°F) 119,5 285,5
ρ(lb/pie3
) 53,04 39,56
Viscosidad ( cP) 3.92 0,164
Cp (BTU/lbºF) 0,475 0,62
Conductividad (BTU/lbºF) 0,0752 0,0845
2.Factor de ensuciamiento
En la Tabla 2 Factores de ensuciamiento (Ludwig) Página 5, donde
diceMiscelaneos: Calentadores de aceite combustible 5x10-3
°Fpie2
h/BTUy
para Líquidos orgánicos 1x10-3
°Fpie2
h/BTU
3. Localización de los fluidos a través de los tubos y la carcasa.
Para determinar la localización de los fluidos a través de los tubos y la carcasa,
se consideró que aquel fluido con mayor ensuciamiento irá por los tubos.
Quedando los fluidos a través de los tubos y la carcasa de la siguiente forma:
 Lado Tubo: Crudo ri=5x10-3
°Fpie2
h/BTU
 Lado Carcasa: Gasoil Ligero ro = 1x10-3
°Fpie2
h/BTU
4. Calor Transferido:
El calor transferido en los hidrocarburos presentes en el intercambiador se
evalúo en función de las propiedades físicas del Crudo, haciendo un balance
de energía tenemos que:
Calor recibido por el fluido que entra a menor temperatura:
= = m
̇ ∗ ∗ ∆
Q = 500000
lb
h
∗ 0,475
BTU
lbh
∗ (149 °F − 90°F)

6. QCrudo= 14012500Btu/h
Flujo másico del fluido que entra a mayor temperatura:
= = 14012500
ℎ
= = m
̇ ∗ ∗ ∆
14012500
BTU
h
= m
̇ ∗ 0,62
BTU
lbh
∗ (330°F − 241°F)
̇
̇ =253941,65 lb/h
5. Coeficiente Global de transferencia Asumido:
Se define un intervalo de Uopara el flujo caliente: sustancia orgánica ligera y
fluido frío: sustancia orgánica pesada. Debido a estas condiciones se asume un
valor de Uo que estará entre los intervalos 10-40BTU/hpie2
F. (Tabla 1 (Kern),
pag 4, UNIDAD I Tablas y Gráficas)
Uoasumido=30 BTU/hpie2
F
6. Temperatura Media Logarítmica
=
∆ − ∆
∆
∆
Observando el perfil de temperatura:
Terminal Caliente (Ambos fluidos a su temperatura mayor)= ∆ = −
Terminal Frio (Ambos fluidos a su temperatura menor) = ∆ = −

7. T1 = Temperatura entrada del fluido caliente Gasoil (330F).
T2 = Temperatura salida del fluidocaliente Gasoil (241F).
t1 = Temperatura entrada del fluido frio Crudo (90F).
t2 = Temperatura salida del fluido frio Crudo (149F).
LMTD=165,55F.
7. Factor de corrección de la Temperatura Media Logarítmica:
Este factor de corrección se aplica para obtener la diferencia de
temperaturas media efectiva (DTM).
Los valores de este factor menores a 0.8 son en general inaceptables, debido
a que la configuración escogida del intercambiador se hace ineficiente, pues
termodinámicamente no es funcional.
Con los valores de R y S, entramos a la Figura 3 (Kern) Pág. 14 Tablas y
Gráficas Unidad I o Figura 3 Pag. 7 Tablas y Gráficas Ludwig, se obtiene el
valor de Ft
R = = =1, 51S = = = 0,246Ft=0.965
Se presenta un factor mayor a 0.8 por lo que es aceptable este valor para los
cálculos posteriores.
8. Temperatura Media Efectiva:
MTD=LMTD*Ft
MTD=159,76F.
9. Área de transferencia de calor necesaria( AO):

8. Este parámetro representa el área superficial que se requiere para transferir
una cantidad de calor (Q) a través de la superficie del metal.
Q = U ∗ A ∗ DTM
A =
Q
U DTM
Donde:
Q = Calor generado en el intercambiador =14012500 BTU/h.
Uo= Coeficiente de transferencia de calor asumido de acuerdo a los fluidos
que circulan por el intercambiador=30 BTU/h pie2
F.
AO=2923,66pie2
10. Características de los tubos :
Tabla 3 Características de los tubos
Diámetro Exterior (pulg) 1(0.083 pie)
Calibre (BWG) 14
Espesor (pulg) 0.083*
Área de flujo por los tubos(pulg2
) 0.546*
Longitud (pie) 20
Diámetro Interior (pulg) 0.834* (0.0695 pie)
Pitch(Pulg) 11
/4
Claro (Pulg) 0.25
L/Dinterior 287.77
Arreglo Cuadrado 90°(ro˃0.002pie2
h °F / Btu) **
Material Acero al carbono
*Tabla 4 (Kern) Pagina 13 oTabla 4 Características de los tubos (Ludwig)

9. ** El problema se realizó con arreglo cuadrado, sin embargo el arreglo que
corresponde es triangular debido a que el factor de ensuciamiento rodel Gasoil el
cual es el fluido que va por carcasa es 0,001<0.002pie2
h °F / Btu, por lo tanto se
invita al estudiante a realizar el problema con arreglo triangular y observar y
anotar los cambios en los resultados obtenidos con ambos arreglos.
11.Número de Tubos:
=
∗ ∗
Donde:
AO = área de transferencia necesarias =2923,66pie2
.
L =Longitud de los tubos.=20 pies.
DT= Diámetro externo de los tubos= 0,083pie.
Ntubos=561
12.Diámetro interno de la carcasa:
En la Tabla 3 de la Pagina 11 Tablas y GráficasUnidad I, se encontró que para 4
pasos por los tubos,Ntubos=562, Tubos de 1 pulg y un arreglo cuadrado de
Pt=11
/4:
DIcarcaza= 37pulg.
13.Selección de las dimensiones físicas del intercambiador de calor.
 El crudo circulará por los tubos.

10.  Carcasa Tipo E (un solo paso por la carcasa), establecida en el
enunciado
 Cabezal fijo extremidad anterior tipo B.
 Cabezal flotante extremidad posterior Tipo S (anillo divisorio).
 Diámetro interno de la carcasa 37 pulg.
 4 Pasos por los tubos
 DE de los tubos=1pulg, 14 BWG
 Pitch 11/4
arreglo cuadrado 90°
 Espesor de la pared del tubo 0.083pulg
 Diámetro interno de los tubos 0.834 pulg.(0.0695 pie)
 Área de flujo por tubo 0.546pulg2
.
 Bafles segmentados de 25%
 Espaciado de los Bafles 37pulg
14.Cálculo del área del fluido:
a.- Lado Carcasa:
A
∗ ′ ∗
144
Donde:
As= área de flujo lado carcasa, (pie2
)
DIC= diámetro interno de la carcasa=37pulg
C’= espaciado entre tubos =0.25 pulg.
B= espaciado de deflectores=37pulg
Pt= distancia de centro a centro (Pitch)= 1.25 pulg.
As=1,901 pie2
.
b.- Lado Tubo:
=
∗ ′
∗ 144

11. Donde:
At= área de flujo lado tubos, (pie2
).
a’t= área de flujo por tubos= 0.546 pulg2
.
N= número de pasos= 4.
Nt= número de tubos =561
At=0,532pie2
15.Velocidad Másica:
a.- Lado Carcasa:
G =
m
A
Donde:
m= Flujo másico =253941,65Lb/h.
As= Área de flujo por cada paso =1,901 pie2
.
Gs=133582,85Lb/pie2
h
b.- Lado tubos:
G =
m
A
Donde:
m= Flujo másico =500000 lb/h.
At= Área de flujo lado tubo =0,532pie2
.
Gt=939849, 624Lb/pie2
h

12. 16.Velocidad lineal :
a.- Lado carcasa:
V =
G
3600 ∗ ρ
Donde:
Gs = velocidad másica en la carcasa =133582,85Lb/pie2
h
s= densidad del gasoil =39,56 lb/pie3
VS=0.938 pie/s
b.- Lado tubo:
V =
G
3600 ∗ ρ
Donde:
Gt = velocidad másica en los tubos =939849,624 lb/pie2
h.
t= densidad del crudo =53,04 lb/pie3
)
Vt=4,922 pie/s
Sg= ρgasoil a T=119,5ºF/ρagua T=60ºF=0.85
Velocidad máxima de diseño permitida= 10 ×
,
,
,
= 10,85 pie/s (Pag 33)
17.Diámetro equivalente de la carcasa:

13. La Figura 13 (Kern) Pag 24 Curva de transferencia de calor para lado de la
carcasa con haz de tubos y deflectores segmentados en un 25%, refleja el
diámetro equivalente en función del arreglo del intercambiador o en la Tabla
(Ludwig) de la Pag 6.
Dequivalente=De= 0.99pulg= 0.0825 pie.
18.Número de Reynolds :
a.- Lado carcasa:
=
∗
2.42
Donde:
De = Diámetro equivalente =0.0825 pie.
s = viscosidad del fluido lado carcasa =0.164 cp
Gs= velocidad másica lado carcasa=133582,85lb/pie2
h
Res= 27768,05
b.- Lado tubos:
=
∗
2.42
Donde:
Dt = Diámetro interior de los tubos= 0.0695 pie.
Gt = velocidad másica=939849,624 lb/pie2
h
t = viscosidad del fluido lado tubo= 3.92 cp
Ret=6885,60
19.Cálculos de los factores Jh
a.- Lado carcasa:

14. Para determinar este valor se utiliza la Figura 13 (Kern) “Curva de
transferencia de calor para lado de la carcasa con haz de tubos con
deflectores segmentados 25%” Pág. 24 Tablas y Gráficas de la Unidad I, o
también con laFigura13 (Ludwig) Pag. 16.
Jh=98
b.- Lado Tubos:
Este valor es obtenido de la “Curva de transferencia de calor” Figura 9 (Kern)
Pág.20Tablas y Gráficas de la Unidad I en Jh se toma en cuenta L/D= 288, o
también Figura 9 (Ludwig) Pag 12
Jh=25
20.Número de Prandtl:
Prandtl =
, ∗ ∗
a.- Lado carcasa:
Donde:
Cps= capacidad calorífica lado carcasa =0.62 BTU/lb °F
s= viscosidad del fluido por la carcasa =0.164Cp)
Ks= conductividad térmica del fluido =0,0845BTU/h pie °F
Prandtl(carcasa)=
, ∗ , ∗ ,
, / °
= 2,912
[Prandtl(carcasa)]1/3
=1,428
b.- Lado Tubos:
Donde:

15. Cpt= capacidad calorífica lado Tubos =0.475 BTU/lb °F
t= viscosidad del fluido por los tubos =3,92 cP
Kt= conductividad térmica del fluido =0,0752 BTU/h pie °F
Prandtl(tubos) =
, ∗ , ∗ ,
, / °
= 59,921
[Prandtl(tubo)]1/3
=3,913
21.Cálculo del coeficiente promedio de trasferencia de calor por convección.
a.-Lado Carcasa.
ℎ
∅ ,
= ℎ ∗ ( )
ℎ
∅ ,
=
98 ∗ 0,0845
℉/
∗
( )
∗ (1,428)
0,99
ℎ
∅ ,
= 143,337
℉ℎ
Debido a que la viscosidad del gasoil es menor a 1 el valor de ∅ ,
= 1
ℎ = 143,337
℉ℎ
b.- Lado Tubos.
ℎ
∅ ,
= ℎ ∗ ∗ ( )

16. ℎ
∅ ,
=
25(0,0752 ℎ℉
⁄ ) ∗ 12(3,913)
0,834
= 105,848
Corregimos el coeficiente de transferencia al diámetro exterior de la siguiente
manera:
∅ ,
= 105,848
ℎ℉
*
=
0,834
1
= 0,834
ℎ
∅ ,
= 88,277
ℎ℉
Temperatura de la pared
tw= tprom + ∅
∅ ∅
∗ −
Donde:
tw=Temperatura de la pared del tubo=°F
tprom= temperatura promedio del fluido frío(crudo) =119,5ºF.
Tprom= temperatura promedio del fluido caliente(gasoil)=285,5ºF.
tw= 119,5℉+
,
℉
,
℉
,
℉
∗ (285,5 − 119,5)℉

17. tw= 222,23℉
∅ ,
=
μt
μw
,
µw=1,931 cP (Se busca con el mismo procedimiento anterior extrapolando)
µt=3.92 cP
∅ ,
=
,
,
,
∅ ,
= ,
Con este valor conseguimos hio:
hio=88,277BTU
h℉pie
∗ 1,104 = 97.458 BTU
h℉pie
22.Resistencias al ensuciamiento:
Este parámetro se refiere a cualquier capa o depósito de materias extrañas
en una superficie de transferencia de calor. Normalmente, esos materiales
tienen baja conductividad térmica, lo que provoca una resistencia mayor a la
transferencia de calor. Las características del ensuciamiento como la textura,
espesor, naturaleza, conductividad térmica, dureza, etc., depende del fluido
involucrado.
ro = 0,001
°
ri =0,005
°
rio= 0,005
°
rio= 0,005
°
.
= 5,995x10-3 ∗ ∗℉

18. 23. Calculo de la resistencia de la pared del tubo
r =
Do − Di
K
Donde:
rw= resistencia ofrecida por el material del tubo=
∗ ∗℉
Do=Diámetro externo del tubo=0,083 pie (1 pulg)
Di=Diámetro interno del tubo=0,0695 pie (0,834 pulg)
Kw=Conductividad térmica del acero al carbono=26BTU
h℉ pie (Tabla 1.1
Pag. 8 Unidad I guía de teoría)
rw= 0,0005192
24.Cálculo del coeficiente de calor total Uo:
Constituye la suma de los coeficientes individuales de transferencia de
todos los elementos y fluidos colocados en la dirección en que fluye el
calor:
U =
1
+ r + r + r +
U =
1
,
+ 0,001 + 0,0005192 + 0,005995 +
,
U =
1
0,006977 + 0,001 + 0,0005192 + 0,005995 + 0,01026

19. Uo=40,402
℉
AoCalculado= =
/
, ℉∗ , / ℉
= 2170,92
UoReq= 30 BTU/h pie2
F AOReq=2923,66 pie2
% Error U=
,
,
∗ 100 = 25,75 %
% Sobrediseño=
, ,
,
∗ 100 = 25,75 %
25.Caída de presión en la carcasa:
s
Sg
De
E
Nc
Ds
Gs
fs
Ps

*
*
*
10
22
.
5
)
1
(
*
2
* 


Con la Figura 14 Pag 25 (Kern) Factores de fricción por carcasa o Pag 17 (Ludwig)
con Res= 27768,05y un 25% de corte en los bafles se obtiene unfs=0.00225
pie2
/pulg2
.
Gs=133582,85 Lb/pie2
h
Ds=37pulg=3,083 pie
Nc+1=12*L/B=12*20pie/37pulg=6,487=7
De= 0.99pulg= 0.0825 pies
Densidad relativa en la Figura 20 (Kern) Gravedades específicas Tablas y Gráficas
Unidad I Página 35, con la con Tp=285,5 ºF y 59,2 API
Sg=ρgasoil a T=285,5ºF/ρagua T=60ºF=0.634
s


20. = 1
Sustituyendo los valores en la ecuación anterior tenemos:
Ps=0,317psi
MenorPs permitido de 10psi(Pag 60 Unidad I)
26.Caída de presión en los tubos:
t
Sg
Di
E
N
L
Gt
f
Pt

*
*
*
10
22
.
5
*
*
* 2


Con Ret=6885,60y tubos para intercambiadores se lee ft=0.00029 pie2
/pulg2
en la
Figura 11 (Kern)Pag 22 o la Figura 11 (Ludwig) Pag 14
Gt= 939849,624 lb/hpie2
L=20 pie
N=4
Di=0.0695 pie
Densidad relativa en la Figura 20 (Kern) Gravedades específicas Tablas y Gráficas
Unidad I Página 35, con la Tp=119,5ºF y 30 API
Sg= ρCrudo a T=119,5ºF/ρagua T=60ºF=0.85
t
 =1.104
Pt=6,0195psi.
27. Caída de presión en los cabezales del intercambiador:
















144
5
.
62
*
2
4
Pr
2
g
Sg
S
nV

21. Con Gt=939849, 624Lb/pie2
h en la Figura 12 (Kern) Pag 23 o Figura 12 (Ludwig)
Pag 15
12
.
0
144
5
.
62
2
2















g
S
V
n=número de pases=4 y Sg=0,85
Pr=2,259 psi
28.Caída de presión total:
Ptotalt=Pt + Pr=8,28 psi
Menor Ps permitido de 10psi(Pag 60 Unidad I)
29.Clasificación del intercambiador de calor de tubo y carcasa:
Según normas TEMA:
TEMA Clase R (petróleo y aplicaciones relacionadas)
Es un intercambiador BES (de cabezal fijo anterior B, un paso por la
carcasa E y cabezal posterior flotante con anillos divisorio S).
Según su servicio:
Calentador. Es un intercambiador de calor que aumenta la entalpia de una
corriente sin que ocurra un cambio de fase.