UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

CAMPUS PONTA GROSSA

GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA

BRUNA APARECIDA SAVAGIN

JOÃO VITOR APOLINÁRIO FERREIRA

PROJETO DE TROCADOR DE CALOR

PONTA GROSSA

2012

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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ

CAMPUS PONTA GROSSA

GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA

BRUNA APARECIDA SAVAGIN

JOAO VITOR APOLINÁRIO FERREIRA

PROJETO DE TROCADOR DE CALOR

Trabalho apresentado à disciplina de Operações

Unitárias 2 como requisito parcial de nota, do 5º

período do curso de Engenharia Química da

UTFPR – 2012/1 - Universidade Tecnológica

Federal do Paraná.

PONTA GROSSA

2012

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SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO 3

2. OBJETIVO 3

3. PROCEDIMENTOS 3

4. DIMENSIONAMENTO 6

4.1. Calor trocado e diferença de temperaturas 10

4.2. Equação do Coeficiente Global de Transferência de Calor 12

5. REFERÊNCIAS 13

ANEXOS 14

2

1. INTRODUÇÃO

Trocadores de calor são equipamentos largamente empregados em indústrias

em geral, servindo como um básico componente para muitos processos de

engenharia. Entre as muitas possibilidades para esse tipo de equipamento, os

trocadores do tipo casco e tubos são os mais versáteis devido às vantagens que

apresentam tais como fabricação, custos e principalmente, desempenho térmico. A

crescente preocupação da indústria em melhorar seus processos, minimizar custos,

e fazer uso racional da energia serve como uma motivação em especial para a

otimização de projeto desses equipamentos.

Na indústria de petróleo, redes de trocadores de calor são usadas com o

propósito de recuperar calor e, por consequência, reduzir o consumo de energia da

planta.[1]

2. OBJETIVO

O objetivo desse projeto foi dimensionar um trocador de calor casco e tubo

para aplicação dentro de uma rede de trocadores em uma Refinaria de Petróleo e

concentrará seu foco na fase inicial do processamento do petróleo, ou seja, em

somente um trocador de calor da rede existente, que é utilizada para o pré-

aquecimento do petróleo cru.

3. PROCEDIMENTOS

Todas as unidades de destilação de petróleo, de um modo geral, possuem os

seguintes equipamentos: torres de fracionamento, retificadores, fornos, trocadores

de calor, tambores de acúmulo e refluxo, bombas, tubulações e instrumentos de

medição e controle. A Figura 1 mostra um fluxograma simplificado usado no refino

do petróleo onde a destilação é realizada em três estágios (pré-flash, destilação

atmosférica e destilação a vácuo).[2]

3

Figura 1 - Processo simplificado de uma rede de pré-aquecimento de petóleo [2]

Como não é o objetivo deste trabalho nos aprofundar nas outras etapas do

refino do petróleo, será analisado somente o processo que ocorre no primeiro

trocador da rede de trocadores de calor, que está localizado logo após a saída do

petróleo do tanque, como mostra a Figura 2. O trocador de calor em questão poderá

ser referido como TC-01 daqui pra frente como simplificação.[2]

Figura 2 - Rede de trocadores de calor [2]

Nota-se a partir da Figura 1, que o processo de destilação tem início com o

bombeamento contínuo do petróleo (cru) através de uma rede de trocadores de

calor. Nesta rede, o petróleo é progressivamente aquecido ao mesmo tempo em que

resfria os produtos acabados que deixam a torre de destilação. Após passar pela

rede de pré-aquecimento, o cru passa pela torre de pré-flash de onde uma parte do

produto segue para a estabilização e a outra parte segue para o forno onde sofre um

4

aumento de temperatura no forno e depois segue para a torre de destilação

atmosférica.[2]

No objeto do nosso estudo, o produto que irá ser resfriado pelo TC-01 será a

nafta pesada. [2]

Foi tomado como parâmetros iniciais para o projeto desse trocador que o TC-

01 operasse em um trocador casco e tubo com 1 passe no casco e 2 passes nos

tubos em escoamento do tipo cruzado e com as seguintes exigências de projeto

como mostradas no Quadro 1 abaixo:

Propriedades do Petróleo Cru Propriedades da Nafta Pesada

ρf (kg/m³) 860 ρf (kg/m³) 725

Q (m³/s) 0,0042 Q (m³/s) 0,0027083

Tf,e (°C) 26 Tf,e (°C) 135

Tf,s (°C) 72 Tf,s (°C) 88

Cp (J/kg°C) 1947 Cp (J/kg°C) 2273

Pressão entrada (Pa) 2157000 Pressão entrada (Pa) 2157000

µc (Pa.s) 0,0114 µ (Pa.s) 0,0003187

K (W/m².°C) 0,13992 K (W/m².°C) 0,1006

ν (m²/s) 1,3256E-05 ν (m²/s) 4,3959E-07

Quadro 1 – Propriedades dos fluidos utilizados no TC-01

Além disso, foram considerados para os cálculos valores de viscosidade

dinâmica (μ) de acordo com as seguintes correlações, para o petróleo cru e a nafta

pesada respectivamente:

Onde “c” refere-se ao petróleo cru.[2]

E para os valores da condutividade térmica (k) da nafta pesada, temos:

5

A pressão absoluta de entrada utilizada para o dimensionamento foi de

2157kPa. Para o valor da condutividade térmica do petróleo cru obteve-se da tabela

a seguir:

Quadro 2 – Propriedades termofísicas do petróleo cru. [2]

Todos os cálculos e como foram realizados os procedimentos para o

dimensionamento deste trocador de calor foram baseados na Projetos de

Trocadores de Calor Multitubulares incluindo processos com mudança de fase [3],

pág. 54-88, que está registrado nas Referências.[2]

4. Dimensionamento

Inicialmente algumas considerações devem ser feitas para a realização do

dimensionamento do trocador de calor:

O coeficiente global de troca térmica permanece constante em toda a

extensão do trocador;

As vazões e os calores específicos dos fluidos são constantes;

Não existe mudança de fase no trocador;

As perdas de calor são desprezíveis;

A superfície de troca térmica em cada passagem é a mesma;

A temperatura do fluido do casco é uma temperatura média isotérmica

para qualquer seção reta.[3]

6

Alguns dados foram estimados segundo as literaturas [3,2] para o

dimensionamento do trocador de calor, os quais se apresentam a seguir:

Variáveis inseridas para o dimensionamento

Diâmetro externo do tubo – de (m) 0,01905

Diâmetro interno do tubo – di (m) 0,01489

Espessura – e (m) 0,00211

Comprimento – L (m) 6,096

Passos longitudinais/transversais – pr (m) 0,00133

Distância entre os tubos adjacentes – dt (m) 0,0069

Distância entre centros de tubos adjacentes – P1 (m) 0,02534

Número de passes no tubo 2

Número de tubos 1012

Área por unidade de comprimento linear do tubo – a” (m²/m) 0,0120

Diâmetro de feixe dos tubos – d3 (m) 0,94615

Diâmetro interno do casco – D1 (m) 0,9906

Quadro 3 – Variáveis inseridas no dimensionamento

Pelo fato do trocador ser novo, utilizou-se segundo a literatura um diâmetro

externo (de) do tubo de ¾ polegadas=0,01905, pelo fato de praticamente não existir

fator de depósito.

Quanto ao valor do diâmetro interno do tubo, através do de do tubo,

considerando BWG (Birmingham Wire Gauge) de 14 tem-se uma espessura (e) de

2,11 mm, verificado na Figura 3.

Como não se apresentam limitações quanto ao tamanho do trocador de calor,

a literatura propôs a utilização de um trocador com comprimento de 20 pés = 6,096

m, sendo mais econômico, devido ao menor número de unidades e passagens

necessárias.[3]

7

Figura 3 – Características dos tubos [3]

8

A disposição geométrica dos tubos é do tipo quadrada, conforme a figura a

seguir:

Figura 4 – Arranjo dos tubos [3]

Com relação à distância entre os tubos adjacentes (dt), tem-se:

(4)

onde: d2=de

P1=pr∗d2 (5)

Sendo pr (razão entre a distância entre os centros de tubos adjacentes e o

diâmetro externo dos tubos) obtido pela figura a seguir:

Figura 5 – Passo em função do diâmetro externo do tubo [3]

Quanto ao diâmetro interno do casco, admitiu-se um valor de 990,60 mm,

sendo obtidos os valores do diâmetro do feixe de tubos (d3), encontrando assim o

número total de tubos (Nt). [3] De acordo com a figura a seguir:

9

Figura 6 – Diâmetro do casco com os números de tubos correspondentes. [3]

4.1. Calor trocado e diferença de temperaturas

Para calcular a taxa de transferência de calor no trocador de calor, tem-se:

(6)

Sendo Δt, a diferença de temperaturas logarítmica, com fator de correção (Ft):

(7)

10

- Fator de correção Ft:

(8)

onde:

(9)

(10)

(11) (12)

Onde:

t1 e t2 são as temperaturas de entrada e saída do petróleo cru;

T1 e T2 são as temperaturas de entrada e saída da nafta.

11

Variáveis calculadasTaxa de transferência de calor (W) 3,25E05Px 0,4220Fator de correção 0,90Diferença de temperatura logarítmica - °C 62,5

Quadro 4 – Variáveis calculadas no projeto

4.2. Equação do Coeficiente Global de Transferência de Calor

Para calcular o Coeficiente Global de Transfêrencia de Calor, usa-se a

seguinte equação:

(13)

U l=Q

A . ΔT(14)

Onde “Ul” significa que o trocador é novo e não possui nenhuma incrustação.[3]

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5. REFERÊNCIAS

[1] OLIVEIRA, A, GUILHERME. Dimensionamento de um trocador de calor tipo casco e tubo, 2010, Uberlândia, p. 4.

[2] TONIN, C, PAULO. Metodologia para monitoramento do desempenho térmico de redes de trocadores de calor, 2003, Curitiba, pp.12-119.

[3] RAVAGNANI, S,S,A, MAURO. Projetos de trocadores de calor multitubulares incluindo processos com mudanças de fases, 1989, Campinas, pp. 54-88.

[4] BICCA, B, GERSON. Modelagem Hierárquica de Trocadores de Calor Casco e Tubos, 2006, Porto Alegre, pp.1-27.

[5] INCROPERA, F. P; WITT, D. P. de. Fundamentos de transferência de calor e demassa. 6. ed. Rio de Janeiro - RJ: LTC - Livros técnicos e Científicos Editora S.A1992. 600 p.

[6] KERN, Donald Q. Process Heat Transfer. 21. ed. São Paulo: McGraw Hill Book Company, Inc, 1983. 878 p.

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ANEXOS

Figura 7 – Vista frontal do trocador de calor.

Figura 8 – Isométrico do trocador de calor.

14

Figura 9 – Corte lateral do trocador de calor.

Figura 10 – Corte superior do trocador de calor.

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