Aula 1 - Operações Unitárias III: Trocadores de Calor

OPERAÇÕES UNITÁRIAS III Engenharia Química 1S2023 Aula 1 Profª Drª Maristhela Marin email maristhelamarinumcbr AGENDA Apresentar a disciplina Objetivos da disciplina Conteúdo Programático Bibliografia Metodologia de ensino Critério de Avaliação Trocadores de calor OPERAÇÕES UNITÁRIAS III Objetivos Proporcionar ao aluno conhecimentos básicos das Operações Unitárias de transferência de calor e massa da indústria química Apresentar os principais métodos para dimensionamento e seleção de equipamentos para operações de destilação Preparar os alunos para a atuação em engenharia de processos e projetos da indústria química e petroquímica OPERAÇÕES UNITÁRIAS III Conteúdo Programático Trocadores de calor balanço de energia projeto de trocador de calor Conceitos de equilíbrio líquidovapor Apresentação dos mecanismos básicos de transferência de massa contradifusão equimolar e difusão unidirecional Destilação simples ou diferencial Destilação fracionada Absorção OPERAÇÕES UNITÁRIAS III Bibliografia GOMIDE R Operações Unitárias operações de transferência de massa Vol 4 São Paulo R Gomide 1987 Físico McCABE W L Smith J C Harriot P Unit Operations of chemical engineering 6th edition New York McGrawHill 2001 Físico Kreith F Princípios de transferência de calor 7ª ed São Paulo Cengage Learning 2014 OPERAÇÕES UNITÁRIAS III Metodologia de aula Aulas expositivas dialogadas em conjunto com metodologias ativas de aprendizagem Resolução de exercícios enfocando os princípios básicos aplicados Proposição de exercícios complementares individual e em grupo OPERAÇÕES UNITÁRIAS III Método de Avaliação 𝑀1 09 𝑃1 01 𝐴1 𝑀2 09 𝑃2 01 𝐴2 P1 e P2 Provas bimestrais dissertativasindividuais até 10 pontos A1 e A2 Média das notas de atividades práticas supervisionadas exercícios propostos em aula e complementares 𝑀𝑆 𝑀1 2𝑀2 3 AGENDA Trocadores de calor aula 1 Classificação dos trocadores de calor Tipos de trocadores de calor Balanço de energia nos trocadores de calor Método Exercícios OPERAÇÕES UNITÁRIAS III A presença de trocadores de calor é muito comum tanto nas instalações industriais como nas instalações comerciais e residenciais Indústria Comércio Residência Refervedores Condensadore s Caldeiras Evaporadores Radiadores de automóveis Serpentinas de chopp Instalações de ar condicionado Trocadores de calor Equipamentos capazes de permitir a troca térmica entre dois fluidos com contato ou sem contato entre fluidos OPERAÇÕES UNITÁRIAS III A função de um trocador de calor é propiciar a transferência de calor de um fluido quente para um fluido frio portanto um fluido é aquecido ou até vaporizado e o outro é resfriado ou até condensado após a passagem pelo trocador de calor Fluidos importantes Água de torre de resfriamento Vapor produzido nas caldeiras Pode acontecer também a utilização de correntes quentes como gases de exaustão ou produtos de fundo de colunas de destilação diminuindo a demanda por geração de vapor OPERAÇÕES UNITÁRIAS III Classificação Serviço Térmico Trocadores de calor Resfria uma corrente de processo enquanto aquece outra corrente I Resfriador Cooler Resfria uma corrente de processo com água ou ar II Aquecedor Aquece uma corrente de processo com vapor de água ou outro fluido III Chiller Resfria uma corrente de processo para temperaturas mais baixas das que poderiam ser encontradas com água ou ar ex salmoura fluidos de refrigeração etc Refervedor Reboiler Vaporiza total ou parcialmente um fluido de processo Condensador Total ou Parcial Condensa total ou parcialmente um fluido de processo Classificação dos trocadores de calor OPERAÇÕES UNITÁRIAS III Classificação Serviço Térmico Vaporizador Um aquecedor em que a corrente de um fluido de processo é total ou parcialmente vaporizada Superaquecedor Um aquecedor em que o vapor é aquecido acima de sua temperatura de saturação superaquecido Caldeirinha Um resfriador no qual o calor é removido pela água que entra em ebulição o vapor gerado é utilizado para aquecimento do processo e geração de energia Caldeira de recuperação Um resfriador em que o calor é removido da corrente de processo gerando vapor de água Evaporador Um aquecedor em que água é vaporizada de uma corrente de processo a fim de aumentar a concentração do soluto OPERAÇÕES UNITÁRIAS III Duplo tubo Formado por dois tubos concêntricos de diâmetros diferentes sendo que por dentro do tubo menor passa um dos fluidos e no espaço entre os dois tubos escoa outro fluido Empregados devido a sua simplicidade baixo custo e fácil desmontagem para limpeza da superfície de troca térmica Porém tem pequena área de troca térmica pois o limite de comprimento é de 60 m Tipos de trocadores de calor TROCADORES DE CALOR duplo tubo TROCADORES DE CALOR TIPOS OPERAÇÕES UNITÁRIAS III Um feixe de tubos pode ter mais de mil tubos preso em disco conhecido como espelho é envolto em um corpo cilíndrico chamado de casco Dentro do casco uso de chicanas placas que forçam o fluido a mudar de direção aumenta a turbulência troca térmica São os mais utilizados na indústria química e petroquímica Casco e tubos tubo e carcaça ou feixe tubular OPERAÇÕES UNITÁRIAS III O objetivo é determinar o comprimento L de um tubo necessário para atender à troca de calor q Área de troca térmica 𝐴 𝜋 𝐷𝑒 𝐿 Quando esse comprimento L é muito grande ele pode ser dividido em um feixe de tubos que é inserido em uma carcaça casco Os materiais mais utilizados na construção desses trocadores de calor são aço carbono aço inoxidável 304 316 e 403F Hastelloy B e C e titânio Nomenclatura Trocador de calor TC NM N número de passagens no casco M número de passagens no tubo N determinado pelas condições termodinâmicas Tent e Tsai M determinado pelo espaço disponível Exemplo TC 12 1 passagem no casco 2 passagens no tubo TROCADORES DE CALOR casco e tubos TROCADORES DE CALOR casco e tubos TROCADORES DE CALOR casco e tubos TC 11 TROCADORES DE CALOR casco e tubos TC 12 TROCADORES DE CALOR casco e tubos Casco e tubos TC 24 OPERAÇÕES UNITÁRIAS III OPERAÇÕES UNITÁRIAS III Serpentina Helicoides tubulares utilizadas para aquecer ou resfriar um fluido dentro de um tanque ou vaso sendo normalmente fabricados em aço inoxidável ou cobre com diâmetro nominal de até 2 A área de troca térmica normalmente é menor do que as do tipo duplo tubo OPERAÇÕES UNITÁRIAS III OPERAÇÕES UNITÁRIAS III Placas Um trocador de calor de placas é um tipo de trocador de calor que utiliza placas de metal para transferência de calor entre dois fluidos Grande aplicação nas indústrias farmacêutica de alimentos e química As ranhuras das placas produzem alta turbulência o que proporciona boa troca térmica mesmo em baixas velocidades TROCADORES DE CALOR TIPOS TROCADORES DE CALOR placas OPERAÇÕES UNITÁRIAS III A indústria bioquímica e de alimentos necessitam de limpezas frequentes por isso os trocadores de calor a placas são preferidos pela facilidade de montagemdesmontagem Áreas de troca térmica acima de 50 m2 530 ft2 o tipo casco e tubo é o mais econômico para áreas menores do que 2 m2 o tipo serpentina é o mais recomendado Pressão de operação P 150 psig 10 MPa e T 150 C tipo placas não pode ser utilizado sendo exclusivo a seleção de casco e tubo Para vácuo e pressões entre 1000 kPa e 39000 kPa casco e tubo ou duplo tubo P 39000 kPa somente duplo tubo Guia para seleção de trocadores de calor OPERAÇÕES UNITÁRIAS III OPERAÇÕES UNITÁRIAS III Balanço de energia em trocadores de calor Quando ocorre apenas a variação das temperaturas das correntes 𝑞 ሶ𝑚 𝑐𝑝 𝑇𝑠 𝑇𝑒 q taxa de calor trocado ሶ𝑚 vazão mássica do fluido cp calor específico do fluido na temperatura média entre Te e Ts Te temperatura de entrada do fluido Ts temperatura de saída do fluido OPERAÇÕES UNITÁRIAS III Balanço de energia em trocadores de calor Quando ocorre mudança de fase 𝑞 ሶ𝑚 ℎ𝑠 ℎ𝑒 he entalpia específica do fluido na entrada do trocador de calor hs entalpia específica do fluido na saída do trocador de calor Em um sistema sem perdas de calor para o ambiente 𝑞𝐻 𝑞𝐶 OPERAÇÕES UNITÁRIAS III Exercícios 1 Desejase condensar vapor utilizandose para tal um trocador de calor contra corrente As entalpias de vapor na entrada e na saída valem respectivamente 2456 e 188 kJkg A outra corrente é formada de água líquida cujas temperaturas de entrada e saída são 20 e 35C nesta ordem Considerando que o calor específico da água é 42 kJkgC e que a vazão de vapor dágua é de 05 kgs calcule a vazão de água líquida nesse processo OPERAÇÕES UNITÁRIAS III 2 O fluxograma abaixo mostra um exemplo de integração energética em processos químicos A corrente 1 é resfriada e o seu calor é aproveitado para aquecer a corrente 2 e a corrente 3 em paralelo Considerando as informações pertinentes mostradas no próprio fluxograma calcular o valor da temperatura T7 da corrente 7 TC 1 TC 2 OPERAÇÕES UNITÁRIAS III Assunto Análise de trocadores de calor