Relatório de projeto, Notas de aula de Processos Químicos

Baixe Relatório de projeto e outras Notas de aula em PDF para Processos Químicos, somente na Docsity!

UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ÁRIDO (UFERSA)

BACHARELADO EM ENGENHARIA QUÍMICA

OPERAÇÕES UNITÁRIAS II

DIMENSIOAENTO DE TROCADOR DE CALOR

BITUBULAR

SÁVIO FERNANDO DA CUNHA

Mossoró – RN 06/

RELATÓRIO DE PROJETO

Relatório de projeto apresentado como avaliação na disciplina de Operações Unitárias II do curso de Engenharia Química da Universidade Federal Rural do Semiárido – UFERSA Prof. Frederico Ribeiro do Carmo

Assinatura do Engenheiro Responsável Mossoró – RN 2025

1. Introdução

A equipe da SFC Heat Solutions foi encarregada de projetar um trocador de calor duplo-tubo. O objetivo era simples, mas crucial: resfriar um óleo lubrificante usando água do mar. As temperaturas de trabalho e o diâmetro dos tubos já tinham sido definidos junto com o cliente, o que deu um bom ponto de partida. Com todas as informações em mãos, o pessoal da engenharia da SFC Heat Solutions começou a trabalhar pesado para conseguir os dados que faltavam e, assim, desenvolver o equipamento que o cliente queria. O trocador será construído em aço inoxidável 316L schedule 40 e terá um modelo de duplo-tubo com 2 grampos. Os tubos terão 3 ½ polegadas e 2 polegadas de diâmetro, com um comprimento de 20 pés. Ele vai ser capaz de resfriar 92.500 lb/h de óleo lubrificante POE5 de 230ºF para 200ºF, enquanto aquece uma corrente de água de 60ºF para 100ºF. Ah, e os dados termofísicos dos fluidos foram obtidos experimentalmente, especificamente para essa faixa de temperatura. Depois de coletar todos os dados necessários, o dimensionamento foi feito para garantir que as quedas de pressão ficassem dentro do limite que o cliente pediu: 8 psi para o óleo e 15 psi para a água. E, pensando em evitar paradas para manutenção, já incluímos no projeto os valores típicos de incrustação para os fluidos. Para a água, consideramos 0,00009 (h.ft².ºF/Btu) e para o óleo, 0,00018 (h.ft².ºF/Btu), conforme a Engineering Page (2025). Assim, o projeto já considera as propriedades do material para calcular os custos do equipamento.

2. Projeto

Dados iniciais

Com o apoio de softwares computacionais como o MS Excel desenvolvemos os dados de dimensionamento do trocador de calor. Dessa forma, o procedimento será descrito a seguir. Parâmetros de fluidos na temperatura média Para desenvolvimento do projeto foi possível através da obtenção de dados experimentais dispostos no sistema imperial de medidas, para as propriedades termofísicas dos fluidos envolvidos segundo o NIST. Essas propriedades são densidade (ρ), capacidade calorífica (cp), condutividade térmica (k) e a viscosidade (μ), conforme as Tabelas 1 e 2.

Tabela 1 – Dados experimentais do Lubrificante POE5. T (°F) ρ (lbm/ft^3 ) cp (Btu/lbm°F) k (Btu/hft°F) μ (mPas) 199,4** 60,97967 0,46885 0,08577 5, 204,8 60,08695 0,47100 0,07719 5, 213,8 60,08695 0,47435 0,07669 4, 221 60,08695 0,47698 0,07629 4, 230 59,21296 0,48032 0,07579 3, Fonte: Autoria própria, 2025 Tabela 2 – Dados experimentais da água T (°F) ρ (lbm/ft^3 ) cp (Btu/lbm°F) k (Btu/hft°F) μ (mPas) 60,008** 63,99994 0,95300 0,33592 1, 69,998 63,80516 0,95395 0,34228 1 80,006 63,70528 0,95491 0,34864 0, 89,996 63,60539 0,95491 0,35442 0, 100,004 63,50551 0,95586 0,36020 0, Fonte: Autoria Própria, 2025 Para conseguir realizar os cálculos tivemos que considerar todas essas propriedades constates, para isso utilizamos da Equação 1 para encontrar a temperatura média através da média aritmética das temperaturas. Equação 1 - Temperatura média T (^) m = T (^) e + T (^) s 2 Após definir as temperaturas médias dos dois fluidos, por meio de linearização do método gráfico (Anexo 1) estimamos valores mais realistas para cada um desses parâmetros em uma determinada temperatura T, conforme as Tabelas 3 e 4. Tabela 3 – Dados da temperatura média do lubrificante POE T (°F) ρ (lbm/ft^3 ) cp (Btu/lbm°F) k (Btu/hft°F) 215* 70,2133 0,3876 0, Fonte: Autoria própria, 2025 Tabela 4 – Dados da temperatura média da água T (°F) ρ (lbm/ft^3 ) cp (Btu/lbm°F) k (Btu/hft°F) 80* 54,2660 0,4142 0, Fonte: Autoria própria, 2025

Determinação do diâmetro hidráulico e áreas de escoamento Com a determinação dos diâmetros a serem utilizados por parte do cliente começamos a etapa de obtenção dos diâmetros hidráulicos e dá área de escoamento dos fluidos, como demonstrado pelas equações (4 – 7). Equação 4 de , tubo = di , tubo interno Equação 5 de , anulo = di ,tubo externo − de ,tubo interno Equação 6 Ae , tubo = π ∗( di , tubo interno ) 4 Equação 7 Ae , tubo = π ∗[( di tubo externo )²−( de , tubo interno )²] 4

Dados térmicos e hidráulicos

Tendo em mão todos os dados fornecidos pelo contratante e os dados calculados até aqui iniciamos a etapa de determinação dos dados térmicos para avaliar a viabilidade do projeto. De início foi calculada a MLDT com uso da equação 8, já que há alterações na temperatura de entrada em relação a saída que não se comporta de maneira linear. Equação 8 ∆ T (^) ln= [( T (^) e , q − T (^) s , f )−( T (^) s , q − T (^) e , f ) ] ln [ ( T^ e , q − T^ s , f ) ( T^ s , q − T^ e , f )

]

Após o cálculo da MLDT determinamos a temperatura de parede utilizando o solver do MS Excel com a equação 9, para determinar os essa temperatura de forma que viesse a minimizar possíveis erros. Consequentemente determinamos os valores de viscosidade na temperatura de parede. Equação 9 T (^) p = Di ⋅ hi ⋅Tm ,i + D 0 ⋅ h 0 ⋅Tm , 0 Di ⋅ hi + D 0 ⋅ h 0 Depois de encontrarmos os dados de temperatura de parede, começamos a encontrar os valores de termos essenciais para o projeto, com auxílio das equações (10 – 13), calculamos os números de Reynolds (Re), Prandtl (Pr), e Nusselt (Nu) e o valor do coeficiente convectivo (h).

Equação 10 ℜ= Di ∗ m ˙ μTm ∗2, Equação 11 Pr = Cp ∗ μ k Equação 12 Nu =0,023∗ℜ 0 , 8 ∗ Pr 1 (^3) ∗( μ μp

0 , 14 , Para Re > 10000 Equação 13 Nu = h ∗ Di k Para dar continuidade é calculado o Coeficiente global de troca térmica pra um trocador polido, desconsiderando as áreas de incrustações (𝑈𝐶), área de troca térmica (A), comprimento (L) e números de grampos (𝑁𝐺𝑟), como demonstrado nas equações (14-17), a equação 18 e calculado o coeficiente global de troca térmica de projeto (𝑈𝑝), considerando as incrustações. Assim foi determinado o número de grampos, que sempre é arredondado para o valor inteiro imediatamente posterior, assim foi determinado os parâmetros finais como, comprimento (𝑙𝑓), área (𝐴𝑓) e o coeficiente global (𝑈𝑓), desse modo utilizando a equação 19 para achar a incrustação real. Equação 14 U (^) c =¿ Equação 15 q = A ∗ U (^) c ∗ ∆ T (^) m Equação 16 A = L ∗ π ∗ D 0 Equação 17 NGr =

L

2 ∗ LGr Equação 18 U (^) c =¿ Equação 19 Ri = U (^) c − U (^) p U (^) c ∗ U (^) p

Depois de definir todos os parâmetros, a perda de carga foi calculada no tubo e anulo de forma distribuída e localizada, assim como a perda de carga total, como demonstrada nas equações (29-32). Equação 29 Δ Pdist =

4 ∗ G

2 ∗ LGr ∗ NGr ∗ f (^) F cor D ∗ ρ Equação 30 Δ PLOC Tubo = Gi 2 ∗ ki 2 ∗ ρ ∗( 2 ∗ NGr − 1 ) Equação 31 Δ PLOC Anulo =

G 0

2 ∗ k 0 ∗ NGr 2 ∗ ρ Equação 32 Δ PTotal = Δ PDist + Δ PLoc

Dados determinados para trocador de calor

A partir das equações descritas acima, a SFC Heat Solutions dimensionou um trocador de calor bitubular visando ter uma maior troca térmica entre o óleo lubrificante POE5 e a água do mar, conforme os parâmetros especificados pelo cliente, pretendendo-se minimizar o custo. Dessa forma, para um maior desempenho de troca térmica entre os fluídos foi utilizado o tipo de retorno reto no ânulo, assim como também, foi definido pela equipe SFC Heat Solutions o tipo de operação que se obteve uma maior eficiência térmica, sendo ele contracorrente, conforme os dados da Tabela 5. Como também, foi definido o número de correntes em paralelo como um, apenas no tubo. Tabela 5 MLDT 134,938 °F Correção MLDT (F) 0, MLDT Verdadeira 134,938 °F Fonte: Autoria própria, 2025 A partir das condições propostas na Tabela 5 para um trocador de calor bitubular, obteve as propriedades dos fluídos para determinar o coeficiente de película como observado na Tabela 6 Tabela 6 Tubo Ânulo Unidade Vazão mássica 34853,61 92500,00 lb/h Temperatura de entrada 60,00 230,00 °F Temperatura de saída 100,00 200,00 °F Temperatura média 80,00 215,00 °F Cp na Temp. média 0,956 0,481 BTU/lb·°F

k na Temp. média 0,348 180,552 BTU/h·lb·°F ρ na Temp. média 62,189 -20618,515 lb/ft^3 Calor 1333387,50 1333387,50 BTU/h μ na Temp. média 0,890 4,657 cP Temperatura de parede 211,46 211,46 °F μ na Temp. de parede 0,230 4,845 cP Diâmetro hidráulico 0,17225 0,09775 ft Área de escoamento 0,023303 0,037894 ft^2 Fluxo mássico 1495682,45 2441038,33 lb/ft^2 ·h Reynolds 119724,4 21179, Tipo de escoamento Turbulento Turbulento Prandtl 5,92 0, Nusselt 580,70 20, Coef. Película 1172,19 37916,74 BTU/h·ft^2 ·°F phi 1,2085 0, L/D 232,22 204, Fonte: Autoria própria, 2025 A escolha da água no tubo interno e do óleo lubrificante no anulo foi baseada em quatro pilares principais para otimizar o projeto:  Incrustação e Vazão: O óleo, com maior tendência à incrustação e maior vazão, foi colocado no anulo para facilitar a limpeza e reduzir a frequência de manutenção. A água, com menor incrustação, ficou no tubo.  Propriedades Termofísicas: A melhor condutividade térmica da água a torna ideal para o tubo (melhor troca de calor), enquanto a maior viscosidade do óleo no anulo minimiza as perdas de pressão, mantendo-as dentro dos limites do cliente.  Manutenção: A alocação do óleo no anulo simplifica drasticamente os procedimentos de limpeza, reduzindo custos e tempo de inatividade.  Otimização Térmica: A configuração de contracorrente maximiza a Diferença de Temperatura Média Logarítmica (DTML de 134,558 °F), garantindo a eficiência da transferência de calor. Tabela 7 TROCADOR DE CALOR POLIDO Variável Valor Unidade Coeficiente global 385,53 BTU/h·ft^2 ·°F Área 25,63 ft^2 Comprimento 41,22 ft N° de grampos 2 Fonte: Autoria própria, 2025 Tabela 8 TROCADOR DE CALOR DE PROJETO

Valor do Projeto 5300,00 R$ Preço Total 17402,90 R$ Fonte: Autoria própria, 2025 REFERÊNCIAS [1] TYPICAL FOULING FACTORS. 2025. Disponivel em: < https://www.engineeringpage.com/technology/thermal/fouling_factors.html>. Acesso em 17 de junho de 2025. [2] PROPRIEDADES TERMOFÍSICAS DE SISTEMAS FLUIDOS. Webbook Nist ,

2018. Disponível em: https://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/. Acesso em: 17 de junho, 2025 [3] NOMINAL PIPE SIZE AND SHEDULE. The Process Piping , 2018. Disponível em: https://www.theprocesspiping.com/nominal-pipe-size-and-schedule/. Acesso em: 17 de junho, 2025 [4] NIST.IR.8263.pdf BRUNO, Thomas J. et al. Thermophysical Properties of Polyol Ester Lubricants. Gaithersburg, MD: National Institute of Standards and Technology, U.S. Department of Commerce, 2019. (NISTIR 8263). Disponível em: https://doi.org/10.6028/NIST.IR.8263. Acesso em: [Data atual, ex: 20 jun. 2025]. [5] lubricants.2019.denver.SAE-E34.rev.talk.pdf.pdf HUBER, M. L. Measurements and Modeling: Thermophysical Properties of Lubricants. Boulder, CO: National Institute of Standards and Technology, Applied Chemicals and Materials Division, 2019. Apresentação para SAE E-34 Propulsion Lubricants Committee, Denver CO, 24 set.

[6] Tabelas-e-diagramas-de-propriedades-Cengel-Mec-Flu.pdf CENGEL, Yunus A. Tabelas e diagramas de propriedades (em unidades SI). In: CENGEL, Yunus A. et al. Mecânica dos Fluidos. [S. l.]: [s. n.], [20--?]. p. 770-787. (Apêndice A). [7] Robson Scarmagnani_TCCFAB_2015.pdf SCARMAGNANI, Robson. Estudo da corrosão em aços inoxidáveis austeníticos 316 e 316L, soldados por atrito e usinados.

2015. 57 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Tecnologia em Fabricação Mecânica) – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina, Jaraguá do Sul,

Anexo I

Tabela 11 Propriedade s Fluidos Óleo POE5 Água do Mar Densidade (ρ) ρ (T)= 1E-05x^4 - 0,0086x^3 + 2,8716x^2 - 426,08x + 23719 ρ (T)= 0,0001x^2 - 0,0336x + 65, Capacidade calorífica (Cp) Cp (T)= -149802x^2 + 1912,4x - 4, Cp (T)= 0,0001x^2 - 0,0336x + 65, Condutividade térmica (k) k(T) = 0,004x^2 - 0,0207x + 0,1024 k(T) = 0,0006x + 0, Viscosidade (μ) μ (T)= -149802x^2 + 1912,4x - 4, μ (T)= 811367x^3 - 36923x^2 + 617,36x - 3, Fonte: Autoria própria, 2025