PROJETO DIMENSIONAMENTO TROCADOR   CUMENO
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PROJETO DIMENSIONAMENTO TROCADOR CUMENO

Disciplina:Projeto de Processos Químicos7 materiais1 seguidores
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��PRODUÇÃO DE CUMENO�DATA: 26/06/2018���MELHORIA DE PROCESSO DE SÍNTESE DE CUMENO�RESP.: B. Silva� F. Silva��

SOLICITAÇÃO DE SÍNTESE DE PROCESSOS

MELHORIA DE PROCESSO DE SÍNTESE DE CUMENO
DIMENSIONAMENTO DE CONDENSADOR (TC-401)

De: Eng. Manoel Méndez
Diretor do Departamento de Engenharia de Processos (DePro)

Para: Eng. Beatriz Augusta da Silva
Departamento de Engenharia de Processos (DePro)

Eng. Fernanda Migliorini da Silva
Departamento de Engenharia de Processos (DePro)

Assunto: Solicitação de Síntese de Processos Químicos Industriais

A UNIMEP Chemical Company deseja compreender o funcionamento completo da planta de separação de cumeno, de modo a complementar o projeto simplificado que foi desenvolvido inicialmente.

Sucintamente, deseja-se dimensionar um trocador de calor empregado no processo de separação da mistura entre cumeno e diisopropilbenzeno, seguindo as condições de funcionamento preestabelecidas, para idealizar as decisões estruturais relacionadas ao sistema de construção.

HIPÓTESES E CONSIDERAÇÕES
 Condensador de superfície de vapor saturado tipo casco e tubo com configuração de arrajo padrão triangular;
Trocador de calor opera em contracorrente;
O cumeno (fluido quente) passa pelo lado casco e a água (fluido frio) passa pelo lado tubo;

Modelo de gás ideal;
Sem reação química;
Substância pura e mudança de fase isotérmica;
Trocador de calor constituído de aço carbono;
Escoamento incompressível (Propriedades do fluido são constantes);
A resistência térmica da parede do tubo é desprezível;

O condensado dos tubos superiores não escorre sobre os tubos inferiores;
Escoamento do vapor e água são completamente desenvolvidos;
O trocador de calor se mantêm isolado, para desprezar a perda de calor para o meio.
Cálculos de diomensionamento do proejeto desenvolvidos com o auxílio da ferramenta Microsoft Excel;

CONDIÇÕES INICIAIS DO PROJETO

A metodologia utilizada neste trabalho baseou-se na simulação de um processo de separação, utilizando o programa computacional Aspen Plus para, a partir deste, extraiu-se informações e parâmetros necessários para realização do dimensionamento dos equipamentos empregados no processo.

Selecionou-se o condensador presente no topo da segunda coluna de destilação (TC-401), para efetuar o dimensionamento. Admitiu-se presença de cumeno puro, desprezando-se qualquer vestígio de outros componentes, com o objetivo de simplificar o modelo matemático de dimensionamento de trocador de calor.
Dimensionou-se o condensador baseando-se nas informações de topo da segunda coluna de destilação concedidas pelo Aspen, os dados iniciais do procedimento de dimensionamento do condensador, são apresentados na Tabela 1.
	t1(°C)
	30,00

	t2(°C)
	45,00

	T1(°C)
	152,10

	T2(°C)
	152,10

	mt(kg/s)
	3,30

	Q(kcal/s)
	352,68

Tabela 1: Informações iniciais de entrada no condensador.

DESCRIÇÃO E MEMORIAL DE CÁLCULO DO MÉTODO DE DIMENSIONAMENTO DO CONDENSADOR
Adotou-se o método proposto por KERN (1987), para elaboração do dimensionamento do trocador de calor. O procedimento é bastante complexo necessitando-se de vários dados empíricos e realização de cálculos iterativos.
Deu-se início ao procedimento de cálculo, determinando-se o DMLT por meio da Equação 1.
 (1)
Em que:

t1 = Temperatura de entrada do fluido frio (ºC);

t2 = Temperatura de saída do fluido frio (°C);
T1 = Temperatura de entrada do fluido quente (°C);
T2 = Temperatura de saída do fluido quente(°C);

Posteriormente, a partir da equação geral de transferência de calor, expressa pela Equação 2, isolou-se a área total do trocador de calor requerida para o processo de troca térmica, dando origem a Equação 3.
 (2)
 (3)
Em que:

Q = Carga térmica (kW);
A = Área de troca térmica (m2);
Ft = Fator de correção da DMLT;

DMLT = Diferença média logarítmica de temperatura;

Para escoamento em contracorrente, a diferença de temperatura representativa é igual a diferença de temperatura média logarítmica, portanto, considerou-se o fator de correção (F) igual 1,0.

Calculou-se a área total real do trocador de calor por meio da Equação 4.
 (4)
Em que:

 	A = Área de troca térmica real (m2);
Ntub = Número de tubos;
A1;tub = Área de troca térmica de 1 tubo (m2)
 A área de troca térmica de um tubo, determina-se por meio da Equação 5.

 (5)
 Em que:
 do = Diâmetro externo do tubo empregado no trocador de calor (m);
 Lt = Comprimento do tubo empregado no trocador de calor (m);

Estimou-se o diâmetro do feixe de tubos (Db) por meio da Equação 6, que é uma equação empírica baseada na disposição padronizada de tubos. As constantes utilizadas são dadas em função da disposição dos tubos do trocador de calor, retiraram-se esses dados da Figura 2, presente no Anexo I.
 (6)
 Em que:

 Db = Diametro do feixe de tubos (m);
 do = Diâmetro externo do tubo empregado no trocador de calor (m);

 Nt e n1 = Constantes tabeldas a partir do n° de passes;

Para o cálculo do diâmetro do casco, utilizou-se Equação 7.
 (7)
Em que:

Ds = Diâmetro do casco (m);
= Folga entre os feixes do tubo (m);

Sabe-se que a folga entre os feixes do tubo é dependente do tipo de cabeçote utilizado, e pode ser obtido a partir de relações padronizadas de construtores de trocador de calor e podem ser expressas na forma de gráfico como apresentou-se na Figura 3 encontrada no Anexo I.

A queda de pressão lado tubo calculou-se, por meio da Equação 8.

 (8)
 Em que:

 = Queda de pressão ao longo do trocador de calor (Pa);
 n = Número de passes no lado tubo;
 = Fator de atrito corrigido para o lado tubo;
 Lt = Comprimento dos tubos (m);
 di = Diâmetro interno dos tubos (m);
 = Viscosidade do fluido escoando no interior dos tubos(N.s/m2);
 = Viscosidade do fluido na temperatura da parede dos tubos (N.s/m2);
 m = Constante de correção para viscosidade;
 = Massa específica do fluido escoando no interior dos tubos (kg/m3);
 = Velocidade média do fluido escoando no interior dos tubos (m/s);

O fator de atrito corrigido para o lado tubo () determinou-se por meio da correlação gráfica da Figura 4, presente no Anexo I.

 Calculou-se o número de Reynolds do lado tubo por meio da Equação 9. Avaliaram-se as propriedades do fluido no interior dos tubos na temperatura média de escoamento.
 (9)
Em que:

 = Massa específica do fluido no interior dos tubos (kg/m3);
= Velocidade média do fluido no interior dos tubos (m/s);

 = Viscosidade do fluido escoando através dos tubos (N.s/m2);

Determinou-se a velocidade de escoamento no interior dos tubos por meio da Equação 10.
 (10)
Em que:

 = Número de tubos por passe;
Nt = Número de tubos total necessário para o trocador de calor;
n = Número de passes do trocador de calor;

Aplicou-se a Equação 11 para calculo da área de escoamento total.
 (11)
Em que:

 = Área de escoamento total (m);
 = Área de escoamento de um tubo (m);

A área de escoamento de um tubo, calculou-se por meio da Equação 12.
 (12)
Em que:

di = Diâmetro interno do tubo (m);

Calculou-se a velocidade de escoamento no interior dos tubos (Vi), por meio da Equação 13.
 (13)
 Em que:

 = Vazão volumétrica escoando pelos tubos (m3/s);
	
Deu-se continuidade no procedimento de dimensionamento do condensador, estimand-se a queda de pressão do lado casco, por meio da Equação 14. Esse cálculo evolve correlações semi-empíricas, citadas posteriormente.
 (14)
Em que:

 = Queda de pressão do lado casco (Pa);
 = Fator de atrito corrigido para o lado casco;
Ds = Diâmetro do casco (m);
dh = Diâmetro hidráulico equivalente do lado casco (m);
Lt = Comprimento dos tubos (m);
LB = Espaçamento entre as chicanas (m);
 = Massa específica do fluido escoando no lado casco (kg/m3);
 = Velocidade média do fluido escoando no lado casco (m/s);

O fator de atrito corrigido para o lado casco () determinou-se por meio da correlação gráfica da Figura