Projeto Seleção de Equipamentos

Projeto e seleção de equipamentos Objetivo geral Criar uma resposta técnica para dimensionamento e seleção dos equipamentos de aquecimento em processo de produção de concentração de soda cáustica Objetivos específicos Dimensionar um sistema de evaporadores de película descendente de duplo efeito para a recuperação de soda cáustica Selecionar uma caldeira adequada à execução do processo Criar um dossiê técnico em pdf com identificação dos estudantes a apresentação do problema memorial de cálculo justificativas da escolha da caldeira comerciais e apêndice com o catálogo Mercerização e o consumo de soda cáustica O processo de mercerização ou mercerização é um tratamento químico aplicado principalmente a fibras de algodão mas também a linho e outras celulósicas com o objetivo de melhorar suas propriedades físicas e estéticas O que envolve o processo Imersão do tecido ou fio em uma solução concentrada de hidróxido de sódio soda cáustica geralmente entre 20 e 30 a temperaturas controladas 25 C Em muitos casos o tecido é esticado sob tensão durante o tratamento para evitar encolhimento e alinhar as fibras como visto na Figura 1 Figura 1 Esquema do processo de mercerização de tecidos de algodão Fonte httpsunitopaquacarecomcausticrecoveryplantscrp Objetivos da mercerização Aumentar o brilho O algodão mercerizado adquire um brilho semelhante à seda Melhorar a afinidade com corantes Maior intensidade e fixação da cor Aumentar a resistência à tração Fibras ficam mais fortes e resistentes Reduzir o encolhimento Quando feita sob tensão Melhorar a absorção de umidade Fibras mais abertas e reativas Etapas básicas Preparação do tecido lavagem branqueamento desengomagem Imersão em NaOH concentrado Tensão mecânica aplicada se necessário Lavagem com água para remover o excesso de soda Neutralização com ácido acético ou ácido cítrico 1050 CHAPTER 19 HeatTransfer Equipment in their Design Guides 98003 to 98007 1998 These guides give large clear plots of effectiveness versus NTU and are recommended for accurate work 193 OVERALL HEATTRANSFER COEFFICIENT Typical values of the overall heattransfer coefficient for various types of heat exchanger are given in Table 191 More extensive data can be found in the books by Green and Perry 2007 TEMA 1999 and Ludwig 2001 Figure 191 which is adapted from a similar nomograph given by Frank 1974 can be used to estimate the overall coefficient for tubular exchangers shell and tube The film coefficients given in Figure 191 include an allowance for fouling Table 191 Typical Overall Coefficients Shell and Tube Exchangers Hot Fluid Cold Fluid U Wm2C Heat exchangers Water Water 8001500 Organic solvents Organic solvents 100300 Light oils Light oils 100400 Heavy oils Heavy oils 50300 Gases Gases 1050 Coolers Organic solvents Water 250750 Light oils Water 350900 Heavy oils Water 60300 Gases Water 20300 Organic solvents Brine 150500 Water Brine 6001200 Gases Brine 15250 Heaters Steam Water 15004000 Steam Organic solvents 5001000 Steam Light oils 300900 Steam Heavy oils 60450 Steam Gases 30300 Dowtherm Heavy oils 50300 Dowtherm Gases 20200 Flue gas Steam 30100 Flue gas Hydrocarbon vapors 30100 Condensers Aqueous vapors Water 10001500 Organic vapors Water 7001000 Continued Dimensionamento dos evaporadores 5 pontos Para o dimensionamento dos evaporadores é necessário definir a quantidade de tecido processado diariamente Esse valor será obtido utilizando a média dos cinco últimos algarismos do número de matrícula Exemplo dois estudantes com as matrículas 20241028003 e 20232020015 terão uma quantidade total de 24009 gdia ou seja 1 kgs Uma estimativa inicial dos coeficientes globais relacionados aos evaporadores podem ser obtidos pelo nomógrafo descrito em Towler e Sinott 2013 conforme Figura 3 O dimensionamento deve estabelecer a área de troca térmica dos evaporadores As propriedades dos fluidos podem ser encontradas em literaturas diversas Figura 3 Coeficientes globais una o lado do fluido de processo com o lado do serviço e leia o U na escala central Fonte Towler GP Sinott R Chemical engineering design principles practice and economics of plant and process design 2nd ed Oxford Elsevier 2013 As propriedades da solução salina também podem ser consideradas iguais à da água uma vez que é pouco concentrada Pedese para referenciar a fonte no trabalho junto ao memorial de cálculo Anexo encontramse alguns ábacos para determinação de propriedades KERN 1999 Seleção da caldeira 5 pontos A evaporação em duplo efeito será realizada através do uso de vapor proveniente de uma caldeira Determinar se ela é do modelo aquatubular ou flamotubular A pressão de operação da caldeira deve ser de no máximo 80 de sua pressão de trabalho permitida A escolha da caldeira deverá levar em consideração a capacidade de produzir vapor na temperatura e vazões adequadas No memorial de cálculo devem constar essas informações Table 191 Typical Overall Coefficientscontd Shell and Tube Exchangers Hot Fluid Cold Fluid U Wm2C Organics some noncondensables Water 500700 Vacuum condensers Water 200500 Vaporizers Steam Aqueous solutions 10001500 Steam Light organics 9001200 Steam Heavy organics 600900 AirCooled Exchangers Process Fluid U Wm2C Water 300450 Light organics 300700 Heavy organics 50150 Gases 510 bar 50100 1030 bar 100300 Condensing hydrocarbons 300600 Immersed Coils Coil Pool U Wm2C Natural circulation Steam Dilute aqueous solutions 5001000 Steam Light oils 200300 Steam Heavy oils 70150 Water Aqueous solutions 200500 Water Light oils 100150 Agitated Steam Dilute aqueous solutions 8001500 Steam Light oils 300500 Steam Heavy oils 200400 Water Aqueous solutions 400700 Water Light oils 200300 Jacketed Vessels Jacket Vessel U Wm2C Steam Dilute aqueous solutions 500700 Steam Light organics 250500 Water Dilute aqueous solutions 200500 Water Light organics 200300 Continued Table 191 Typical Overall Coefficientscontd GasketedPlate Exchangers Hot Fluid Cold Fluid U Wm2C Light organic Light organic 25005000 Light organic Viscous organic 250500 Viscous organic Viscous organic 100200 Light organic Process water 25003500 Viscous organic Process water 250500 Light organic Cooling water 20004500 Viscous organic Cooling water 250450 Condensing steam Light organic 25003500 Condensing steam Viscous organic 250500 Process water Process water 50007500 Process water Cooling water 50007000 Dilute aqueous solutions Cooling water 50007000 Condensing steam Process water 35004500 Condensation aqueous vapours Boiling aqueous Dilute aqueous Boiling organics Condensation organic vapors Paraffins Heavy organics Molten salts Oils Air and gas high pressure Residue Air and gas low pressure Air and gas Brines River well sea water Hot heat transfer oil Boiling water Refrigerants Cooling tower water Service fluid coefficient Wm2C Thermal fluid Steam condensing Process fluid coefficient Wm2C Estimated overall coefficient U Wm2C HEATTRANSFER EQUIPMENT FIGURE 191 Overall coefficients join processside duty to service side and read U from center scale The values given in Table 191 and Figure 191 can be used for the preliminary sizing of equipment for process evaluation and as trial values for starting a detailed thermal design 194 FOULING FACTORS DIRT FACTORS Most process and service fluids will foul the heattransfer surfaces in an exchanger to a greater or lesser extent The deposited material will normally have a relatively low thermal conductivity and will reduce the overall coefficient It is therefore necessary to oversize an exchanger to allow for the reduction in performance during operation The effect of fouling is allowed for in design by including the inside and outside fouling coefficients in Equation 192 Fouling factors are usually quoted as heattransfer resistances rather than coefficients They are difficult to predict and are usually based on past experience Estimating fouling factors introduces a considerable uncertainty into exchanger design the value assumed for the fouling factor can overwhelm the accuracy of the predicted values of the other coefficients Fouling factors are often wrongly used as factors of safety in exchanger design Some work on the prediction of fouling factors has been done by HTRI see Taborek Aoki Ritter and Palen 1972 Fouling is the subject of books by Bott 1990 and GarrettPrice 1985 Typical values for the fouling coefficients and factors for common process and service fluids are given in Table 192 These values are for shell and tube exchangers with plain not finned tubes More extensive data on fouling factors are given in the TEMA standards 1999 and by Ludwig 2001 Table 192 Fouling Factors Coefficients Typical Values Fluid Coefficient Wm2C Factor Resistance m2CW River water 300012000 0000300001 Sea water 10003000 000100003 Cooling water towers 30006000 00003000017 Town water soft 30005000 0000300002 Town water hard 10002000 000100005 Steam condensate 15005000 00006700002 Steam oil free 400010000 0002500001 Steam oil traces 20005000 0000500002 Refrigerated brine 30005000 0000300002 Air and industrial gases 500010000 0000200001 Flue gases 20005000 0000500002 Organic vapors 5000 00002 Organic liquids 5000 00002 Light hydrocarbons 5000 00002 Heavy hydrocarbons 2000 00005 Boiling organics 2500 00004 Condensing organics 5000 00002 Heat transfer fluids 5000 00002 Aqueous salt solutions 30005000 0000300002 Apresentação do problema As mercerizadeiras geram um efluente de soda cáustica diluída que caso seja drenado para a Estação de Tratamento de Efluentes cria problemas consideráveis para atendimento das normas ambientais Este efluente chamado de lixívia fraca a 46º Baumé na ausência de uma CRP tem que ser conduzido para a ETE onde precisa ser neutralizado com uma imensa quantidade de ácidos Isto resulta em um aumento nos sólidos dissolvidos totais TDS e prejudica o funcionamento da ETE mostrandose um grande desafio para a indústria têxtil A recuperação da soda cáustica RSC concentrando a lixívia fraca que é reciclada de volta para a mercerizadeira Figura 2 A RSC reduz substancialmente o tamanho da ETE o que resulta em economia em forma de investimento de capital e nas outras despesas de processo Além do mais a água quente recuperada retorna para o processo a uma pequena fração do custo Tudo isso assegura não apenas um passo em direção à descarga zero de líquidos mas também uma imensa contribuição à lucratividade Figura 2 Esquema da recuperação de soda cáustica RSC Fonte httpswwwtexolutionscombrunitopcrp Dimensionamento dos evaporadores 5 pontos Para o dimensionamento dos evaporadores é necessário definir a quantidade de tecido processado diariamente Esse valor será obtido utilizando a média dos cinco últimos algarismos do número de matrícula Exemplo dois estudantes com as matrículas 20241028003 e 20232020015 terão uma quantidade total de 24009 gdia ou seja 1 kgs Uma estimativa inicial dos coeficientes globais relacionados aos evaporadores podem ser obtidos pelo nomógrafo descrito em Towler e Sinott 2013 conforme Figura 3 O dimensionamento deve estabelecer a área de troca térmica dos evaporadores As propriedades dos fluidos podem ser encontradas em literaturas diversas Figura 3 Coeficientes globais una o lado do fluido de processo com o lado do serviço e leia o U na escala central