Operações

Unitárias II

Professor Leandro Aguiar

Escola de Engenharia de Lorena

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Listas de exercícios

Lista 1 – Trocadores de calor bitubulares

1) Um fluido quente entra num aparelho com tubos concêntricos a uma temperatura de

300°F e deve ser resfriado a 200°F por um fluido frio que entra a 100°F e é aquecido a

150°F. O escoamento deverá ser paralelo ou em contracorrente?

2) Repetir o exercício 1 para um fluido frio aquecido de 100 a 275°F por um vapor

saturado a 300°F.

3) Determine o fator de incrustação quando: (a) UC=30 e UD= 20; (b) UC= 60 e UD= 50; (c)

UC = 110 e UD= 100 Btu/(lb.ft²°F).

4) Deseja-se resfriar 100000 lb/h de água de 200°F até 100°F mediante um fluido

resfriador que entra no trocador a 60°F e sai a 95°F. Admitindo que o coeficiente global

de transmissão de calor seja de 400 Btu/(hft²°F), determinar a superfície necessária à

troca térmica quando se usa: (a) um trocador de calor tubular, com escoamento

paralelo; (b) um trocador de calor tubular, com escoamento em contracorrente.

5) Anilina será resfriada de 200 a 150°F num trocador de duplo-tubo IPS 1 ¼ x 2 in com

uma área total de troca térmica de 70ft². Para o resfriamento, 8600 lb/h de tolueno

estão disponíveis a 100°F. Qual a vazão máxima de anilina que poderá ser resfriada?

6) Desejamos aquecer 9820 lb/h de benzeno frio de 80 a 120°F, usando-se tolueno

quente que é resfriado de 160 a 100°F. As densidades relativas a 68°F são 0,88 e 0,87

respectivamente. As outras propriedades dos fluidos podem ser encontradas no

material da disciplina. Um fator de incrustação de 0,001 pode ser disponível para cada

corrente, e a queda de pressão permitida em cada corrente é de 10,0 psi. Dispomos de

um certo número de grampos de 20 ft com tubo IPS de 2 por 1(1/4) in. Quantos

grampos são necessários?

7) Resfriamos 6330 lb/h de tolueno de 160 a 100°F, aquecendo-se acetato de amilo de 90

a 100°F, usando-se grampos de 15 ft. Os trocadores consistem de tubos IPS de 2 por

1 (1/4) in. Se for possível uma queda de pressão de 10 psi e para um fator de

incrustação igual a 0,004, verifique quantos grampos são necessários e qual é o fator

de incrustação final.

8) Deseja-se projetar um trocador bitubular para resfriar o benzeno, de 180°F até 100°F,

sob pressão suficiente para manter o benzeno na fase líquida. Agua entra no espaço

entre os dois tubos a 70°F e corre em contracorrente ao benzeno, à velocidade de 5

ft/s. OS tubos são do tipo IPS com diâmetros 2 x 1,25 in. Sabendo-se que cada grampo

possui 20 ft, quantos grampos devem ser usados para resfriar 7500 lb/h de benzeno?

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9) Num trocador de calor bitubular 3x2 in, benzeno escoa no anel. Este trocador de calor

está em operação há vários meses e a temperatura do benzeno efluente vem baixando

com o tempo. A análise do benzeno mostra a presença de algumas impurezas ácidas.

Os ensaios com o vapor de água não sugerem motivos para haver corrosão excessiva

no tubo interno. Calcular o fator de incrustação a partir dos dados de ensaio:

Vazão= 4400 lb/h de benzeno

Temperatura do benzeno afluente= 70°F, efluente= 130°F

Temperatura do vapor de água= 240°F

Coeficiente de transmissão de calor do vapor de água= 2000 Btu/(hft²°F)

Comprimento efetivo da transferência de calor= 15 ft.

10) Devemos aquecer 7000 lb/h de anilina de 100 a 150°F, resfriando-se 10000 lb/h de

tolueno com uma temperatura inicial de 185°F num trocador em forma de grampo de

15 ft de comprimento com tubo duplo IPS de 2 por 1 in. É possível a ocorrência de

quedas de pressão de 10 psi e necessita-se de um fator de incrustação de 0,005.

Quantas seções em forma de grampo são necessárias? Qual é o fator de incrustação

final?

11) Num trocador bitubular está sendo resfriado o ácido butírico que entra a 180°F e sai a

140°F. O fluido resfriador é o benzeno que entra a 100°F e sai a 150°F. O trocador de

calor tem 100 ft de comprimento e é fabricado com tubos IPS 3 x 2 in. A vazão do ácido

butírico é 20000 lb/h e a condutividade térmica é k= 0,09 Btu/(h.ft.°F).

(a) Qual é o fator de incrustação se a corrente quente flui entre os tubos?

(b) Qual é o fator de incrustação se a corrente fria flui entre os tubos?

12) Um trocador com tubo duplo foi superdimensionado porque não se dispunha de dados

acerca da incrustação acumulada. O trocador foi originalmente projetado para resfriar

13000 lb/h de 100% de ácido acético de 250 a 150°F pelo aquecimento de 19000 lb/h

de álcool butílico de 100 a 157°F. Um coeficiente de projeto UD= 85 foi empregado,

porém, durante a operação inicial, obtém-se uma temperatura de 117°F na saída do

líquido quente. A temperatura sobe durante a operação com uma taxa média de 3°F

por mês. Calcule o fator de incrustação que deve ser especificado para um ciclo de

limpeza de 6 meses.

13) Repetir o exercício 12 para um ciclo de limpeza de 8 meses. Qual seria o tempo de

operação para se atingir as condições de projeto?

14) Devemos aquecer O-xileno, proveniente de um tanque de armazenagem, de 100 a

150°F, resfriando-se 18000 lb/h de álcool butílico de 170 a 140°F. Para este propósito,

existem disponíveis cinco trocadores de tubo duplo em forma de grampo de 20 ft com

tubos comuns e tubos anulares conectados em série. Os trocadores são tubos IPS de

3 x 2 in. Calcule: a) O fator de incrustação; b) As quedas de pressão; c) Se as

correntes quente e fria fossem trocadas de posição, como isso justificaria o refutaria

sua decisão inicial sobre a localização da corrente quente?

15) Devemos resfriar 100000 lb/h de nitrobenzeno de 325 a 275 °F pelo aquecimento do

benzeno de 100 a 300°F. Empregar-se-ão grampos com 20 ft de comprimento com

tubo duplo IPS de 4 por 3 in, e quedas de pressão de 10 psi serão permitidas.

Necessita-se de um fator de incrustação de 0,004. Quantos grampos são necessários e

qual é o fator de incrustação final?

16) 10000 lb/h de gasolina com 57°API são resfriados de 150 a 130°F, aquecendo-se

querosene com 42°API de 70 a 100 °F. Quedas de pressão de 10 psi são permitidas

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com um fator de incrustação mínimo igual a 0,004. (a) Quantos grampos com 20 ft de

comprimento com tubos IPS 2,5 x 1,25 in são necessários? (b) Qual é o fator de

incrustação final?

17) Devemos resfriar 12000 lb/h de um óleo lubrificante com 26° API de 450 a 350°F,

aquecendo-se querosene com 42°API de 325 a 375°F. Uma queda de pressão de 10

psi é permitida em ambas as correntes e devemos considerar um fator de incrustação

mínimo de 0,004. (a) Quantos grampos com 20 ft de comprimento com tubos IPS 2,5 x

1,25 in são necessários? (b) Qual é o fator de incrustação final?

18) Devemos resfriar 24000 lb/h de um destilado com 35°API de 400 a 300°F através de

50000 lb/h de óleo bruto com 34°API aquecido de uma temperatura de entrada de

250°F. Permite-se uma queda de pressão de 10 psi e necessita-se de um fator de

incrustação de 0,006. Para grampos de 20 ft de comprimento com tubos IPS de 4 por 3

in, determine (a) o número de grampos necessários, (b) o fator de incrustação final.

19) 500 lb/h de um óleo viscoso escoa através de um tubo de 0,5 in de diâmetro e 15 ft de

comprimento. Sabendo que o óleo entra a 120°F e sai a 200°F, a que a temperatura a

parede externa do tubo deverá ser mantida?

Dado: 𝑈 = 100 𝐵𝑡𝑢/(ℎ. 𝑓𝑡2°𝐹) (t do óleo em °F), CP,óleo= 0,5 Btu/(lb.°F).

20) Um óleo leve escoa por um tubo de 1 in, horizontal, que está exposto a uma atmosfera

tranqüila a 50°F. O óleo flui continuamente no tubo e tem um número de Reynolds na

entrada igual a 3000. A temperatura média do óleo afluente é de 200°F. A que

distância da entrada o óleo atingirá a temperatura de 130°F?

Propriedades do óleo:

ρ= 50 lb/ft³

CP= 0,5 Btu/(lb.°F)

k= 0,08 Btu/(ft.h.°F)

T (°F) 70 80 95 110 130 160 200 240

μ(cP) 22 18 13,8 10,8 8,1 5,7 3,8 2,7

21) Num tubo de cobre liso, com diâmetro interno de ¾ in, escoa um óleo lubrificante com

a vazão de 3000 lb/h. A superfície interna do tubo é mantida a uma temperatura

constante de 250°F, graças ao vapor de água que se condensa no exterior do tubo. O

comprimento do tubo é de 20 ft e o óleo tem 100°F na entrada. Qual será a

temperatura do óleo efluente?

Propriedades do óleo:

Densidade relativa= 0,82 – 0,0004T, (T em °F)

𝑉𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 = 5,5 60

𝑇

1,25

(cP)

CP= 0,5 Btu/(lb.°F)

k= 0,1 Btu/(ft.h.°F)

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Lista 2 – Evaporadores

1) Necessita-se concentrar 11025 lb/h de uma solução aquosa de açúcar de 15% a 60%

(% massa). Para realizar esta tarefa, um evaporador irá operar a 140°F e com uma

corrente de vapor de água saturado a 212°F que sairá na forma de líquido saturado.

Sabendo-se que a solução será alimentada a 194°F, determine:

a) A vazão de vapor necessária para efetuar a operação;

b) A área de troca térmica necessária.

DADOS:

Calor latente de vaporização da solução λ1= 1014 Btu/lb

Calor específico da solução CF= 0,8 Btu/(lb°F)

Coeficiente global de troca térmica U= 600 Btu/(hft²°F)

2) Desejamos concentrar uma solução de soda cáustica de 12,5 até 40% (% massa) num

evaporador com duplo estágio. A vazão de 50000 lb/h de uma solução de alimentação

entra no evaporador a 120°F, e dispomos de um vapor saturado a 15 psig para efetuar

a concentração. O vácuo no segundo estágio é mantido a 24 inHg, e dispomos de água

proveniente de uma torre de resfriamento a 85°F. Calcule:

a) A quantidade de vapor de água necessária;

b) A quantidade de água necessária para o resfriamento no condensador;

c) A área de troca necessária para coeficientes globais de 400 e 250 Btu/(hft²°F) no

primeiro e no segundo estágio respectivamente.

3) Repetir o exercício 2 para um sistema de realimentação.

4) Desejamos concentrar 20000 lb/h de solução de açúcar a 180°F de 12 a 30 °Brix num

evaporador com duplo estágio. Supondo que o vapor de água da descarga da máquina

de uma turbina seja disponível a 5 psig e o vácuo no segundo estágio seja mantido a

23 inHg, estime:

a) A vazão de vapor de água necessária para efetuar a concentração;

b) A área necessária em cada evaporador supondo coeficientes globais de 500 e 200

Btu/(hft²°F) para o primeiro e o segundo estágio respectivamente;

c) A vazão de água de resfriamento do condensador, supondo que dispomos de água a

90°F e é permitido um desvio de 10°F para a temperatura de condensação.

5) Repetir o exercício 4 para um sistema de realimentação.

6) Desejamos concentrar 50000 lb/h de uma solução química a 100°F e com 10% de

sólidos para obter um produto com 50% de sólidos. Dispomos de um vapor a 12 psig e

supomos que um evaporador de triplo estágio de operação com iguais áreas de

transmissão de calor em cada estágio funciona com seu último estágio sob vácuo de

26 inHg em relação a um barômetro a 30 inHg. Dispomos de água a 85°F para ser

usada num condensador barométrico. Suponha um calor específico igual a 1

Btu/(hft²°F) em todos os estágios, o condensado de cada estágio sai com sua

temperatura de saturação e as perdas por radiação são desprezíveis. Calcule:

a) O consumo de vapor;

b) As áreas de troca térmica;

c) A água necessária para o condensador.

Os coeficientes globais de transferência de calor aceitos para cada estágio são: U1=

600, U2=250 e U3= 125 Btu/(hft²°F).

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7) Refaça o exercício 6 considerando um sistema de realimentação.

8) Desejamos concentrar uma solução de açúcar de 15° Brix até 60° Brix num evaporador

de tipo calandra com quatro estágios. Parte dos vapores provenientes do primeiro, do

segundo e do terceiro estágio aquecerá a solução fria de 100 a 220°F em trocadores

de calor antes da injeção no primeiro estágio do sistema evaporador. O suco diluído é

concentrado com uma velocidade de 500 gpm usando vapor de água a 25 psig. Vácuo

de 26,5 inHg é mantido no último estágio. Calcule:

a) As áreas de troca térmica necessárias

b) Todas as vazões do processo.

Utilizar U1= 600 Btu/(hft²°F) e Ui+1= 0,5Ui.

9) Uma usina de papel produzindo 300 toneladas de poupa em cada 24h por dia por um

processo com sulfito de magnésio concentra uma solução de 12% de rejeitos até 55%

através de um evaporador de tubo longo com cinco estágios. A solução que entra em

paralelo nos dois últimos estágios a 135°F é evaporada por vapor de água saturado a

45 psig. Suponha os seguintes dados: A alimentação contém um total de 2800 lb de

sólidos por tonelada de poupa produzida; O primeiro estágio é dividido em dois

evaporadores paralelos de 4500 e 7000 ft² respectivamente, água é disponível a 75 °F;

o vácuo no último estágio é de 26 inHg; É permitido um desvio de 7°F para a

temperatura de saturação no condensador; Há um aumento de 3°F no ponto de

ebulição entre um evaporador e o seguinte. Calcule:

a) As áreas de troca térmica necessárias;

b) Todas as vazões do sistema.

10) Um evaporador opera com um coeficiente global de 500 Btu/(h.ft².°F) após 1h e 150 ao

fim de 24h. Sabendo-se que é necessária 1h para limpar o evaporador, com que

freqüência deve-se fazer a limpeza a fim de se aproveitar sua máxima capacidade?

11) Um evaporador triplo efeito é alimentado com 60000 lb/h de soda cáustica a 10% na

temperatura de 180°F. O concentrado deverá sair com 50% de NaOH. Vapor saturado

a 50 psia é usado no evaporador I, sendo que o vapor gerado em I alimenta o evap. II e

o vapor gerado em II alimenta o evap III. A temperatura de operação do evaporador III

é 100°F. A ordem de alimentação da solução é II, III, I. Os coeficientes globais são 700

em I, 1000 em II e 800 em III. Calcular: (a) A superfície de troca térmica querida

supondo áreas iguais para os 3 evaporadores, (b) O consumo de vapor, (c) A

economia de vapor (lb evaporadas/ lb vapor total).

12) Repetir o exercício 10 para um evaporador duplo efeito com alimentação frontal.

13) Deseja-se concentrar 1500000 lb/dia de um licor contendo 3% de sólidos até uma

concentração de 48% de sólidos. Um evaporador de simples efeito adequado para esta

operação custa $ 25000. O custo fixo é de 30% por ano e 1000 lb de vapor custa 40

centavos. Assuma 0,9N lb evaporadas por libra de vapor alimentado, sendo N o

número de efeitos. O sistema irá operar 24h por dia e 300 dias por ano. Quantos

efeitos deverão ser usados?

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Lista 3 – Torres de resfriamento

1) Uma planta está sendo projetada para um local com quantidade de água restrita. A

carga total de calor que deve ser removida de diversos processos pela torre de

resfriamento é igual a 26.000.000 Btu/h. O ar ambiente está a 75°F e 100% de

umidade relativa. A água deixará a torre a 85°F. Estando a água com conteúdo mineral

comum e com ar ordinário, ela deve alimentar a torre com uma temperatura máxima de

120 °F. O equivalente da água para este intervalo é de 1500 gpm. Uma torre de 24 ft x

24 ft foi construída com uma capacidade de ventilação de 187000 cfm. Quantas

unidades de difusão deve a torre ser capaz de realizar para preencher as exigências do

processo.

2) Uma torre a ser operada com L=1000 e G= 500 lb/(ft²h) será construída com anéis de

Raschig de 1”. Qual será a altura de recheio necessária, sabendo-se que a operação

requer 3 unidades de difusão? Qual será a altura de uma unidade de difusão?

3) Repetir os exercício 1 para uma temperatura de saída da água de 100°F e repetir o

exercício 2 para recheio de Selas Berl de ´ “.

4) Uma torre de resfriamento de 30ft x 30ft foi projetada para resfriar 1800 gpm de água

de 110 a 85°F quando se tem ar saturado entrando a 75°F. Os ventiladores podem

impulsionar 275.000 cfm de ar. Quantas unidades de difusão são necessárias? Se o ar

saturado entrasse a 80°F, quantas unidades de difusão seriam necessárias? Qual

seria a altura do recheio se fossem usados anéis de Raschig de 2”?

5) Uma torre de resfriamento de 30ft x 24ft foi projetada para fornecer 1200 gpm de água

de 105 até 85°F com ar saturado entrando a 80°F. Os ventiladores são capazes de

impulsionar 230.000 cfm de ar. Num teste real com carga completa, quando a

temperatura de bulbo molhado era de 70°F, o intervalo da água variava de 77 a 97°F. A

torre preenche as condições da garantia? Se o intervalo fosse de 78 a 98°F, a torre

preencheria as condições da garantia?

6) Numa planta de óleo lubrificante do Texas desejamos instalar um trocador de calor

resfriado a água para um líquido com resíduo de graxa. Uma pequena porção da água

da torre de resfriamento é disponível proveniente de uma única célula, porém existe

dúvida a respeito de se a água que entra no inverno pode ou não endurecer a graxa e

interromper a operação. No verão a torre opera com temperatura de bulbo molhado a

80°F com água a 120°F na entrada e a 85°F na saída. Por causa do equipamento

principal da linha de água, a quantidade de água e de ar são fixadas para a torre

através do ano para um valor de L/G = 0,86. Analogamente a carga térmica também é

fixada. Desejamos saber a temperatura da água que alimentará o trocador em pleno

inverno quando a temperatura de bulbo molhado for igual a 60°F.

7) Uma torre de resfriamento com enchimento de anéis de raschig de 1” resfria 1000

gal/min de água, de 105°F a 90°F, usando uma contracorrente de ar com tiragem

forçada que entra na torre a 110°F com 20% de saturação. As medidas diretas

mostram que o ar sai da torre a 96°F, com temperatura de bulbo úmido de 94°F. O

responsável pela operação deseja resfriar a água tanto quanto possível. Um dos

processos imaginados é o de aumentar a vazão de ar e para isso verifica-se que a

velocidade do ventilador pode ser aumentada sem sobrecarregar os motores, de modo

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que a vazão pode ir até 1,5 vezes a inicial. Nesta elevada taxa de escoamento não

ocorre a inundação da torre. Qual será a temperatura da água efluente com esta

elevada vazão de ar, e quais serão as condições do ar efluente?

8) Deseja-se resfriar 10000 gal/min de água de 110 a 85°F numa torre de resfriamento de

fluxo induzido. A temperatura máxima de bulbo úmido no verão é 77 °F.

a) Qual deverá ser a área da seção transversal da torre?

b) Qual deverá ser a altura aproximada da torre?

c) Considerando perda de 0.2% da água alimentada, qual deverá ser a vazão de

reposição requerida?

9) Uma torre de resfriamento requer 3,47 unidades de difusão para arrefecer 1000 lb/(h

ft²) de água. Sabendo-se que, para esta operação, a torre foi projetada com 10ft de

altura de recheio, qual seria a nova altura de recheio se as vazões de ar e água fossem

dobradas?

Dado: Kxa = 21,95G0,5

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Lista 4 – Trocadores de calor de placas

1) Deseja-se resfriar 70000 lb/h de um óleo lubrificante de 220°F até 85°F utilizando-se

água a 65°F, que será aquecida até 140°F. Dispõe-se de um trocador de placas, sendo

que cada placa possui 20 ft² de área. Determine o número de placas necessárias para

efetuar esta operação considerando um número de passes quente/frio de 1/1. Dados:

Cpóleo= 0,4 Btu/(lb°F), U= 700 Btu/(h.ft².°F).

2) Num processo de pasteurização, 20000 lb/h de leite deverão ser aquecidos de 77°F

até 302°F com vapor superaquecido entrando a 400°F e saindo a 115°F em um

trocador de placas. Em seguida, esse leite é encaminhado para um segundo trocador

de placas, onde é resfriado até 86°F utilizando-se um líquido refrigerante saturado a

41°F, que sai do trocador na forma de vapor saturado. Determine o número de placas

de cada trocador, sabendo-se que se dispõe de placas com 15ft² de área e que deseja-

se trabalhar com um sistema de passes quente/frio de 2/2 para ambos os trocadores.

Dado: Cpleite= 0,94 Btu/(lb.°F). Considerar U= 650 Btu/(h.ft².°F) para ambos os

trocadores.

3) Em uma das etapas da fabricação do leite UHT, 50000 lb/h de leite a 266°F são

resfriados em um trocador de placas com configuração de passes 4/4. Utiliza-se ar frio

entrando a 44°F e saindo a 120°F para efetuar o resfriamento. Sabendo-se que o

trocador possui 16 placas de 10 ft² de área, determinar a temperatura de saída do leite.

Dados: Cpleite= 0,94, U = 600 Btu/(h.ft².°F).

4) Cerveja a 210°F necessita ser resfriada até 85°F. Um trocador de placas foi projetado

para efetuar esta operação através da vaporização de um fluido refrigerante a 80°F.

Quando o trocador foi colocado em operação, a temperatura de saída da cerveja foi

89,4°F. Qual sistema de passes foi utilizado neste trocador? Qual seria a temperatura

de saída da cerveja se a configuração de passes fosse mudada para 2/2? E se fosse

alterada para 4/4?

5) Um trocador de placas 1/1 foi projetado para resfriar um fluido A de 300°F a 100°F

aquecendo um fluido B de 80°F a 220°F. Porém, após a limpeza, algumas placas não

foram recolocadas e a temperatura de saída do fluido A passou a ser 125°F.

Considerando U constante, qual foi a redução porcentual da área de troca térmica?

6) Um trocador com sistema de passes 1/1 contendo 10 placas com 35 ft² cada é utilizado

para resfriar vinho de 280°F até 82°F utilizando-se água de resfriamento, que é

aquecida de 77°F até 155°F. Após a limpeza do trocador, o operador esqueceu-se de

recolocar as placas 5 e 6. Qual será a conseqüência disso? Dado: U= 660

Btu/(h.ft².°F).

7) Repetir o exercício 6 para um TC de 6 placas com um sistema de passes 4/1.

8) Um TC 1/1 contendo 8 placas de 18ft² resfria um fluido A de 210°F a 97°F, aquecendo

um fluido B de 80°F a 115°F. Após a adição de mais 4 placas, o coeficiente global de

troca térmica passa de 600 para 450 Btu/(h.ft²°F). Nesta nova condição, quais serão as

temperaturas de saída das correntes?

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Lista 5 – Trocadores de calor casco-tubos

1) 149000 lb/h de óleo bruto com 34°API serão aquecidos de 100 a 170°F utilizando-se

querosene com 42° API que deixa o fundo de uma coluna de destilação a 390°F e são

resfriados até 200°F. Uma queda de pressão de 10 psi é permissível para ambas as

correntes e, devemos dispor de um fator de incrustação combinado de 0,003. Para este

serviço, dispomos de um trocador com 21,25” de diâmetro, contendo 158 tubos BWG

13 com do= 1” e comprimento de 16 ft, dispostos em passo quadrático, com

afastamento (Pitch) igual a 1,25”. O feixe de tubos é agrupado em 4 passagens e a

distância entre as chicanas é de 5 in. Determine o fator de incrustação deste trocador e

verifique se ele pode operar nesse processo.

2) 175000 lb/h de água destilada entram num trocador a 93°F e saem a 85°F. O calor

será transmitido para água comum proveniente de um reservatório a 75°F e deixando o

trocador a 80°F. Uma queda de pressão de 10 psi pode ser desenvolvida em ambas as

correntes enquanto fornece um fator de incrustação de 0,0005 para a água destilada e

de 0,0015 para a água comum quando a velocidade no tubo supera 6 ft/s. Dispõe-se

para este serviço de um trocador com 15,25” de diâmetro interno com 160 tubos de ¾”

BWG 18 de comprimento igual a 16 ft e dispostos segundo um passo triangular com

lado igual a 15/16 in. O feixe é agrupado por duas passagens e as chicanas são

separadas por uma distância de 12 in. O trocador será apropriado?

3) 20160 lb/h de uma solução com 30% de K3PO4 devem ser resfriados de 150 a 90°F,

usando-se água de 68 a 90°F. Ambas as correntes podem produzir quedas de pressão

de 10 psi, e é necessário um fator de incrustação total igual a 0,002. Dispomos para

este serviço de um trocador 1-2 com DI de 10,02 in e possuindo 52 tubos de 3/4” BWG

16 com 16 ft de comprimento, dispostos com passo quadrado de lado igual a 1 in. O

feixe é disposto em duas passagens e o espaço entre as chicanas é de 2 in. O trocador

será apropriado? Dados da solução de fosfato: Cp= 0,757 Btu/(h.ft²°F), μ= 2,9 lb/(ft.h),

k= 0,33 Btu/(h.ft.°F), ρ*= 1,3.

4) 200000 lb/h de uma solução com 20% de açúcar (ρ*= 1,08) deve ser aquecida de 100

a 122°F, usando-se vapor a uma pressão de 5 psi. Para este serviço, dispõe-se de um

trocador 1-2 com DI igual a 12in sem chicanas e com 76 tubos de ¾” BWG 16 com 16

ft de comprimento e dispostos com passo quadrado de lado igual a 1 in. O feixe é

agrupado para duas passagens. Pode o trocador fornecer um fator de incrustação igual

a 0,003 sem exceder uma queda de pressão de 10 psi na solução?

5) Querosene com 42°API é resfriado de 390°F a 200°F, aquecendo-se 149000 lb/h de

óleo bruto a 34°API de 100 a 170°F num trocador com 662 ft² de área. O coeficiente

global limpo é de 69,3 Btu/(hft²°F). Quando o trocador 1-1 está limpo, quais serão as

temperaturas de saída dos fluidos?

6) Repetir o exercício 5 para um trocador 1-2.

7) 96000 lb/h de óleo absorvente com 35°API são resfriados de 400 a 200°F, aquecendo-

se um destilado com 35°API de 100 a 200°F. Dispõe-se para esta operação de um

trocador 1-2 com 29 in de DI, possuindo 228 tubos com do= 1”, BWG 14, comprimento

de 16 ft e com passo triangular de 1,25”. A distância entre as chicanas é de 10” e o

feixe está disposto com 4 passagens nos tubos. Qual o arranjo que fornece as quedas

de pressão mais aproximadamente equilibradas e qual é o fator de incrustação? A

54

viscosidade do óleo absorvente é de 2,6 centipoises a 100°F e de 1,15 centipoises a

210°F. A viscosidade do destilado vale 3,1 centipoises a 100°F e 1,3 centipoises a

210°F.

8) Aquece-se etileno-glicol de 100 a 200°F com vazão de 75000 lb/h, usando-se vapor a

250°F. Dispõe-se para este serviço de um trocador 1-2 com 17,25” de DI, possuindo

224 tubos com ¾” de DE, BWG 14, comprimento de 16 ft com passo triangular de

15/16”. A distância entre as chicanas é de 7 in e existem duas passagens de tubos

para acomodar o vapor. Quais são as quedas de pressão e qual é o fator de

incrustação?

9) Um trocador 1-2 recupera calor de 10000 lb/h da descarga de uma caldeira a 135psig,

aquecendo água comum de 70 a 96°F. A água comum flui nos tubos. O trocador

possui 10,02”, com tubos BWG 16, comprimento de 8ft. A distância entre as chicanas é

de 2 in. Quais são as quedas de pressão e os fatores de incrustação.

10) Resfria-se isobutano (118°API) de 203 a 180°F com vazão de 78359 lb/h, aquecendo-

se butano (111,5°API) desde 154 até 177°F. Dispõe-se para este serviço de um

trocador 1-2 com DI de 17,25”, possuindo 178 tubos com ¾”, BWG 14, com

comprimento de 12 ft e com passo triangular de 1 in. A distância entre as chicanas é de

6 in e o feixe é disposto para 4 passagens. Quais são as quedas de pressão e o fator

de incrustação.

11) Uma solução com 20% de iodeto de potássio deve ser aquecida de 80 a 200°F com

vazão de 100000 lb/h, usando vapor a 15 psig. Dispõe-se de um trocador 1-2 com 10 in

de DI, sem chicanas, possuindo 50 tubos de ¾”, BWG 16, com comprimento de 16 ft

com passo triangular de 15/16 in. Quais são as quedas de pressão e o fator de

incrustação.

12) Deseja-se resfriar, mediante a água, num trocador multitubular, 20000 lb/h de ar, de

150°F até 100°F. A água de resfriamento está a 70°F e deve sair do trocado a 95°F.

Para efetuar esta operação existe um trocador com um passe no casco e dois passes

nos tubos, constituído por 50 tubos de cobre BWG 18, de 1 in, cada qual com 10 ft de

comprimento. Este feixe de tubos está num casco de 10 in, numa configuração

triangular com afastamento de 1,25 in, com chicanas colocadas a cada 6 in. O trocador

é capaz de realizar a operação?

13) Um trocador de calor casco e tubos destina-se a resfriar 200000 lb/h de água, de

100°F até 90°F. O trocador tem um passe no casco e dois passes nos tubos, e a água

escoa nos tubos. No casco passa a água de um rio que entra a 75°F e sai a 90°F. O

coeficiente de transmissão de calor do fluido no lado do casco é 1000 Btu/(h.ft²°F). As

especificações de projeto indicam que a queda de pressão no fluido do lado dos tubos,

tanto quanto possível, igual a 10 psia, e que os tubos, com 10 ft de comprimento,

devem ser feitos em cobre BWG 18. A partir destes dados, qual é o diâmetro dos tubos

e quantos tubos são necessários?

14) Um resfriador de ar consiste num trocador de casco e tubos, com um passe no casco e

um passe nos tubos, e tem 200 tubos, cada qual com 6 ft de comprimento e diâmetro

interno de 1 in dispostos em 15 fileiras. O ar flui no interior dos tubos, mantendo a

superfície externa em 200°F. A água, a 100°F, flui transversalmente pelo exterior dos

tubos à vazão de 2000 lb/s. Comparar as taxas de transferência de calor e também as

perdas de pressão quando os tubos estão dispostos num arranjo quadrangular e

55

quando estão num arranjo triangular, ambos com espaçamento de 2 in medidas centro

a centro.

15) Num trocador de casco e tubos, com 1 passe no casco e 2 passes nos tubos, resfria-se

glicerina, de 150°F até 90°F, pelo ar, a uma vazão de 5 galões por minuto. Calcular a

MLDT corrigida e o comprimento de cada tubo quando se usa tubo de cobre BWG de 1

in, U= 20 Btu/(ft².h.°F) e um casco de 20” de DI.

16) Querosene é aquecido num trocador casco-tubos de passe único por água quente. O

querosene situa-se dentro dos tubos e a água, fora. O trocador é capaz de aquecer

1000 gal/min de querosene (medidos a 60°F) de 100 a 180°F. Os tubos são BWG 18 e

possuem diâmetro de ½ in. A velocidade nos tubos é cerca de 7 ft/s. Os tubos estão

arranjados com passe triangular de 1,375 in. O afastamento entre o feixe de tubos e a

parede do casco é de 2,5 in. O coeficiente do lado da água é de 350 Btu/(h.ft²°F). Água

entra a 210°F e sai a 150°F. A condutividade térmica e a viscosidade do querosene a

140°F são 0.0875 Btu/(h.ft.°F) e 1 cP respectivamente. A densidade relativa é de 0,805

a 60°F e 0,772 a 140°F. Determine o diâmetro interno do casco e o comprimento dos

tubos.

17) 50000 lb/h de querosene são resfriados de 400 a 200°F no casco de um TC casco-

tubos 1-1. Nos tubos, água é aquecida de 100°F até 180°F. Após 5 meses de

operação, houve entupimento em alguns tubos do trocador resultando em UD=Uc e

numa temperatura de saída para o querosene de 215°F. Estime o número de tubos

entupidos.

DADOS: casco com 21,25” de diâmetro interno, 158 tubos BWG 13 com 1” de diâmetro

externo com comprimento de 16 ft, passo quadrado, PT= 1,25” e B= 5 in.

Propriedade Querosene Água

CP (Btu/lb.°F) 0,59 1

μ (lb/ft.h) 0,97 2,42

k (lb/h.ft.°F) 0,0765 0,381

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Lista 6 – Refervedores

1) 24700 lb/h de butano são alimentados no casco de um trocador casco-tubos, na forma

de líquido frio a 108°F e 300 psia. 80% desta corrente deverão ser vaporizados a

235°F e 300 psia no equipamento, que irá operar com a condensação total de vapor de

água saturado a 338°F (λA= 880,6 Btu/lb). Para este serviço, dispõe-se de um trocador

1-2 com 15,24” de diâmetro, 76 tubos BWG 16 com do= 1”, comprimento de 16 ft,

dispostos num passo quadrado (PT= 1,25”) com duas passagens. O espaçamento

entre as chicanas é de 5 in. Determine o fator de incrustação e a queda de pressão.

Dados: Entalpias do Butano a 300 psia: 162 Btu/lb (líq a 108°F), 248 Btu/lb (líq a

235°F) e 358 Btu/lb (vap a 235°F).

Propriedade Vapor de

água

Butano

Líquido Gás

k(CP μ/k)1/3

(Btu/lb.ft.°F) - 0,12 0,115

μ (lb/ft.h) 0,0363 0,278 0,242

ρ*médio 0,00413 0,5 0,28

hio para vapor condensante = 1500 Btu/(h.ft².°F).

2) Necessitamos produzir 20000 lb/h de vapor de hexano a partir de hexano líquido a

100°F e 80 psig. O calor deverá ser fornecido pelo vapor de água a 350°F. Para esta

operação, dispõe-se de um trocador com DI de 17,25”, contendo 160 tubos BWG 16,

com DE de ¾” e comprimento de 16 ft, dispostos em duas passagens com um passo

quadrado de 1”. As chicanas da carcaça estão espaçadas com uma distância de 16 in.

Determine o fator de incrustação e as quedas de pressão.

3) 15600 lb/h de butano são alimentados a um trocador casco-tubos, na forma de líquido

frio a 108°F e 300 psia. 75% desta corrente deverão ser vaporizados a 235°F e 300

psia no equipamento, que irá operar com a condensação total de vapor de água

saturado a 338°F (λA= 880,6 Btu/lb). Para este serviço, dispõe-se de um trocador 2-4

com 25,25” de diâmetro, 142 tubos BWG 18 com do= 1”, comprimento de 14 ft,

dispostos num passo triangular (PT= 1,5”) com duas passagens. O espaçamento entre

as chicanas é de 5 in. Determine o fator de incrustação e a queda de pressão. Qual

seria a perda de carga caso o espaçamento entre as chicanas fosse alterado para 10

in? Utilizar as mesmas propriedades do exercício 1.

4) 30000 lb/h de uma mistura com propriedades médias iguais as do hexano são

vaporizadas de uma alimentação de 40000 lb/h em seu ponto de bolha a 105 psig. O

intervalo de ebulição vai de 300 até 350°F e o calor é fornecido pelo vapor de água a

398°F. Dispõe-se de um trocador 1-2 com DI de 19,25”, contendo 132 tubos BWG 14

com 1” de DE, comprimento de 16 ft, dispostos com passo quadrado de 1,25”. A

distância entre as chicanas é de 12”. Determine o fator de incrustação e as quedas de

pressão.

5) Deseja-se aquecer, de 40 até 160°F, um volume de 10000 ft³/min de ar (medidos em

CNTP), passando-o por um aquecedor constituído por 500 tubos de aço padronizados,

de 1 in BWG 16, com disposição quadrangular (PT= 1,5 in). O fluido de aquecimento é

vapor de água saturado a 6 psig que escoa por fora dos tubos. (a) Calcular o

comprimento dos tubos. (b) Qual deve ser a pressão do vapor de água para que a

temperatura de saída do ar aumente em 10°F (c) Qual deve ser o comprimento dos

tubos para que o ar fosse aquecido até 170°F em vez de 160, pelo vapor à mesma

pressão de 6 psig.

57

6) Uma vazão de 38500 lb/h de nafta com 60°API deve entrar num refervedor horizontal

com termossifão com dispositivo com uma única passagem no recipiente e deve

produzir 29000 lb/h de vapor no intervalo de temperatura entre 315 e 335°F a uma

pressão de operação de 5 psig. O calor será fornecido por gasóleo 28°API com um

intervalo de 525 até 400°F. Dispomos para essa operação de um refervedor com DI

igual a 21,25 in contendo 116 tubos BWG 14 com DE de 1 in, comprimento de 12 ft,

dispostos num passo quadrado de 1,25 in. O feixe possui uma placa de apoio acima do

bocal de entrada única e é distribuído para 8 passagens. Determine o fator de

incrustação e a queda de pressão.

7) 45000 lb/h de querosene com 42°API entram num refervedor horizontal com

termossifão com uma única passagem no recipiente. Uma vazão de 32000 é

vaporizada entre 285 e 330 °F, usando o vapor de água a 380°F. O fator de

incrustação necessário vale 0,003 e a queda de pressão permitida através do

refervedor vale 0,25 psi. A vaporização ocorre a 5 psig e o peso molecular do vapor é

considerado igual a 120. O calor latente do vapor vale 110 Btu/lb. Dispomos para este

serviço de um termossifão horizontal de DI igual a 25 in, contendo 324 tubos BWG 16,

com ¾ in de DE, comprimento igual a 12 ft, dispostos em duas passagens com passo

quadrado de 1 in. Este refervedor é satisfatório?

8) Devemos fazer recircular uma vazão de 76300 lb/h de pentano (peso molecular= 77,2)

obtido no fundo de uma coluna de destilação, através de um refervedor horizontal com

termossifão para fornecer 31400 lb/h de vapor (peso molecular= 74,7, calor latente=

153 Btu/lb). A coluna e o trocador operam a 85 psig e a vaporização ocorre de 225 até

245°F. O calor é fornecido por gasóleo com 28°API de 470 até 370°F com uma queda

de pressão máxima de 15 psi. Um refervedor horizontal com termossifão com DI igual a

23,25 in contém 240 tubos BWG 13 com ¾ in de DE, comprimento de 8 ft, com 6

passagens, dispostos num passo quadrado de 1 in. É permitida uma queda de pressão

igual a 0,25 psi. Determine o fator de incrustação e a razão de recirculação

aproximada.

9) Devemos projetar um refervedor para o serviço de vaporização do exercício 7, com um

fator de incrustação igual a 0,004, exceto que a necessidade de calor será suprida por

uma linha de vapor de água igual a 50 psig. Usando tubos BWG 13 com DE igual a ¾

in, estabeleça a disposição de um refervedor que preencha de modo mais razoável

estas condições.