Universidad Nacional Autónoma de México

Facultad de Estudios Superiores Zaragoza

Ingeniería de Servicios

Problemas Resueltos

Dela Rosa Ruiz Pablo Eduardo

Profesor: I. Q. Arturo Enrique Méndez Gutiérrez

Grupo: 3651

Semestre: 2015-1

En un intercambiador se calienta agua con un flujo de 1.5lt/seg. Desde 10°C hasta 60°C, el vapor se

satura a la presión de 75Psia. ¿Cuál es el flujo de vapor?

A 75Psia

Hfg= 904.5 BTU/lb

CpH2O (60°C)=4.185KJ/K*Kg

𝟗𝟎𝟒. 𝟓𝐁𝐓𝐔/𝐥𝐛(𝟏. 𝟎𝟓𝟓𝑲𝑱

𝟏𝑩𝑻𝑼)(

𝟏𝐥𝐛

𝟎. 𝟒𝟓𝟒𝑲𝒈) = 𝟐𝟏𝟎𝟏. 𝟖𝟔𝑲𝑱/𝑲𝒈

𝐖𝐯 =𝟏. 𝟓𝒍𝒕/𝒔𝒆𝒈 ∗ 𝟒. 𝟏𝟖𝟓𝑲𝑱/𝑲𝒈𝑲 ∗ 𝟓𝟎𝑲

𝟐𝟏𝟎𝟏. 𝟖𝟔𝑲𝑱/𝑲𝒈

𝑾𝒗 = 𝟎. 𝟏𝟒𝟗𝟑𝟑𝟐𝐥𝐭/𝐬𝐞𝐠

Considere la carga térmica de los servicios de calentamiento (A una presión de 120Psia) de

acuerdo a lo siguiente:

EA-301 = 0.75BTU/hr EA-304= 1.2BTU/hr S.T.D.=100ppm N=20 Ciclos

EA-302= 1.75BTU/hr EA-305= 2.5BTU/hr S.T.D.=65ppm

Calcule la capacidad nominal (C.C., C.C.D.), el volumen del condensado, la capacidad de

tratamiento de agua pura y el servicio del vapor.

𝐖𝐯 =𝑸𝑻

𝑯𝒇𝒈

Hfg (120Psia)= 878 BTU/lb

WTotal=7061.502lb/Hr

𝑾𝒗𝟏 =𝟕𝟓𝟎𝟎𝟎𝟎𝐁𝐓𝐔/𝐡𝐫

𝟖𝟕𝟖𝐁𝐓𝐔/𝐥𝐛= 𝟖𝟓𝟒. 𝟐𝟏𝟒

𝒍𝒃

𝒉𝒓 𝑪. 𝑪. =

𝟕𝟎𝟔𝟏𝐥𝐛/𝐡𝐫

𝟑𝟒. 𝟓𝐥𝐛/𝐡𝐫= 𝟐𝟎𝟒. 𝟔𝟖𝟏

𝑾𝒗𝟐 =𝟏𝟕𝟓𝟎𝟎𝟎𝟎𝐁𝐓𝐔/𝐡𝐫

𝟖𝟕𝟖𝐁𝐓𝐔/𝐥𝐛= 𝟏𝟗𝟗𝟑. 𝟏𝟔𝟔

𝒍𝒃

𝒉𝒓 %𝑹 =

𝟔𝟐𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 ∗ 𝟏𝟎𝟎

𝟐𝟎𝟒. 𝟔𝟖𝟏 ∗ 𝟑𝟑𝟓𝟎𝟎= 𝟗𝟎. 𝟒%

𝑾𝒗𝟑 =𝟏𝟐𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝐁𝐓𝐔/𝐡𝐫

𝟖𝟕𝟖𝐁𝐓𝐔/𝐥𝐛= 𝟏𝟑𝟔𝟔. 𝟕𝟒𝟐

𝒍𝒃

𝒉𝒓 𝑪. 𝑪. 𝑫. = 𝟐𝟎𝟒. 𝟔 (

𝟗𝟎. 𝟒

𝟏𝟎𝟎) = 𝟏𝟖𝟒. 𝟗𝟓

𝑾𝒗𝟒 =𝟐𝟓𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝐁𝐓𝐔/𝐡𝐫

𝟖𝟕𝟖𝐁𝐓𝐔/𝐥𝐛= 𝟐𝟖𝟒𝟕. 𝟑𝟖 𝒍𝒃/𝒉𝒓

Calcular el diámetro de una tubería con un gasto de 7500 kgvap/hr. El vapor es saturado seco; las

presiones a las que trabaja son: 4 bar, 10 bar, 20bar y 30 bar. La velocidad recomendada es de

20m/seg.

W= 7500 kg/hr = 16530lb/hr

𝝓 = √𝑸/𝟎. 𝟕𝟖𝟓 ∗ 𝑽𝒆𝒍 𝜹 = 𝑽𝒔𝒂𝒕𝒖𝒓𝒂𝒅𝒐−𝟏 𝑸 =𝑾

𝜹

4bar= 58.02lb/in^2 10bar= 145.04lb/in^2

δ=0.139 ft^3/lb δ= 0.3105ft^3/lb

𝑸 =𝟏𝟔𝟓𝟑𝟎𝐥𝐛/𝐡𝐫

𝟎.𝟏𝟑𝟗𝐟𝐭𝟑/𝐥𝐛= 𝟏𝟐𝟓𝟐𝟐𝟕 𝒇𝒕𝟑/𝒉𝒓 𝑸 =

𝟏𝟔𝟑𝟓𝟎𝐥𝐛/𝐡𝐫

𝟎.𝟑𝟏𝟎𝟓𝐟𝐭𝟑/𝐥𝐛 = 53236.7ft^3/hr

𝝓= √𝟏𝟐𝟓𝟐𝟐𝟕. 𝟐𝒇𝒕𝟑/𝒉𝒓/𝟎. 𝟕𝟖𝟓 ∗ 𝟐𝟏𝟗𝟒𝟒. 𝟓𝟐𝒇𝒕/𝒉𝒓 𝝓= √𝟓𝟑𝟐𝟑𝟔. 𝟕𝒇𝒕𝟑/𝒉𝒓 /𝟎. 𝟕𝟖𝟓 ∗ 𝟐𝟏944ft/hr

𝝓= 2.69 ft^2 𝝓=1.75ft^2

20bar= 290.06lb/in^2 30bar= 435.11lb/in^2

δ=0.6479ft^3/lb δ=0.968ft^3/hr

𝑸 =𝟏𝟔𝟓𝟑𝟎𝐥𝐛/𝐡𝐫

𝟎. 𝟔𝟒𝟕𝟗𝐟𝐭𝟑/𝐥𝐛= 𝟐𝟓𝟓𝟏𝟑. 𝟏𝟗𝒇𝒕𝟑/𝒉𝒓 𝑸 =

𝟏𝟔𝟓𝟑𝟎𝐥𝐛/𝐡𝐫

𝟎. 𝟗𝟔𝟖𝐟𝐭𝟑/𝐥𝐛

= 𝟏𝟕𝟎𝟕𝟔. 𝟒𝟒𝒇𝒕^𝟑/𝒍𝒃

𝝓=√𝟐𝟓𝟓𝟏𝟑. 𝟏𝟗𝒇𝒕𝟑/𝒉𝒓 /𝟎. 𝟕𝟖𝟓 ∗ 𝟐𝟏𝟗𝟒𝟒. 𝟓𝟐𝒇𝒕/𝒉𝒓 𝝓= √𝟏𝟕𝟎𝟕𝟔. 𝟒𝟒𝒇𝒕𝟑/𝒉𝒓/𝟎. 𝟕𝟖𝟓 ∗ 𝟐𝟏𝟗𝟒𝟒𝒇𝒕/𝒉𝒓

𝝓= 1.21ft^2 𝝓=0.99ft^2

Analice el valor de la entalpia hfg cuando la calidad de vapor x=0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, 0.3, 0.1,

cuando la presión es de 120psia.

𝒙 =𝐇𝐟𝐠∗−𝐇𝐟

𝐇𝐟𝐠 Hfg (120Psia)= 877.9lb/hr Hf (120Psia)= 312.44lb/hr

(Hfg)(x)= Hfg-Hf; Hfg= Hfg(x) +Hf

Hfg= 877.9*0.9+312.44=1102.55BTU/hr Hfg=877.9*0.5+312.44=751.39BTU/hr

Hfg= 877.9* 0.8+312.44=1014.76BTU/hr Hfg=877.9*0.3+312.44=575.81BTU/hr

Hfg=877.9*0.7+312.44=926.97BTU/hr Hfg=877.9*0.1+312.44=400.23BTU/hr

Se calienta 1400kg de queroseno (Cp= 2KJ/Kg°C) en 35min con un Delta de Temperatura = 40°C,

con un vapor saturado de 90 PSIG, ¿Cuál es el consumo de vapor?

90PSIG=104.7psia Hfg (110Psia)=883.3BTU/lb 1400/35min= 40kg/min

𝟖𝟖𝟑. 𝟐𝐁𝐓𝐔

𝐥𝐛= (

𝟏. 𝟎𝟓𝟓𝑲𝑱

𝟏𝑩𝑻𝑼) (

𝟏𝐥𝐛

𝟎. 𝟒𝟓𝟒𝑲𝒈) = 𝟐𝟎𝟓𝟐. 𝟑𝟕𝑲𝑱/𝑲𝒈

𝑾𝒗 =𝐖𝐩 𝐂𝐩 𝚫𝐓

𝐇𝐟𝐠

𝑾𝒗 =(𝟒𝟎𝐤𝐠/𝐦𝐢𝐧)(𝟐𝐤𝐣/𝐤𝐠°𝐂)(𝟒𝟎°𝐂)

𝟐𝟎𝟓𝟐. 𝟑𝟕𝑲𝑱/𝑲𝒈= 𝟏. 𝟓𝟓𝟓𝑲𝒈/𝒎𝒊𝒏

¿Cuál es la cantidad de vapor flash que se genera por kilogramos de condensado (en la trampa) a

las condiciones de 4 bar a 0 bar manométricos?

X=Calidad del vapor

𝑥 =Hfg ∗ −Hf

Hfg

Hf Hfg Hfg* x

4Bar=58PSIA 259.7 917 926 0.73

3Bar=43.5PSIA 241.2 930 944 0.75

2Bar=24PSIA 218.2 947 962 0.79

1Bar=14.5PSIA 179.3 971 1000 0.85

Un ciclo Rankine utiliza vapor como fluido de trabajo a una P=4Mpa en el generador de vapor y 30

Kpa en el condensador. Si la calidad de vapor a la salida de la turbina no puede ser menor del 80.

¿Cuál es la eficiencia térmica que tiene el ciclo?

En 1 En 2

P=20PSIA P=600PSIA

Hf=196.16BTU/lb 𝒘 = (𝟎. 𝟎𝟏𝟔𝟖𝟑)(𝟔𝟎𝟎 − 𝟐𝟎) = 𝟗. 𝟕𝟔𝟏𝐟𝐭𝟑/𝐥𝐛( 𝟎.𝟏𝟖𝟓𝐁𝐓𝐔

𝐟𝐭𝟑𝑷𝑺𝑰𝑨)

=1.8058BTU/lb

Vf=0.01683 ft^3/lb H2=196.16BTU/lb + 1.8038BTU/lb = 197.966BTU/lb

En 3 En 4

P=600Psia P= 20 PSIA

Ts=486.21 H4=Hf+Hfg(x) =196.16+ (960.1) (0.8) =964.24

Tsh=1600°F

H3=1851.3

𝟒𝐌𝐩𝐚 = (𝟏𝟎𝟎𝟎𝑲𝒑𝒂

𝟏𝑴𝒑𝒂) (

𝟏𝐏𝐒𝐈

𝟔. 𝟖𝟗𝟓𝑲𝒑𝒂) = 𝟓𝟖𝟎. 𝟏𝟑𝑷𝑺𝑰𝑨

𝟑𝟎𝑲𝒑𝒂 =𝟏𝐏𝐒𝐈𝐀

𝟔. 𝟖𝟗𝟓𝐊𝐏𝐚= 𝟒. 𝟑𝟓𝑷𝒔𝒊 = 𝟐𝟎𝑷𝑺𝑰𝑨

𝐧𝐜𝐢𝐜𝐥𝐨 = 𝟏 −𝑸𝒔𝒂𝒍

𝑸𝒆𝒏𝒕= 𝟏 −

𝟕𝟔𝟖. 𝟎𝟖

𝟏𝟔𝟓𝟑. 𝟑𝟓= 𝟎. 𝟓𝟑𝟓𝟒

QG.V.=H3-H2

QG.V.=1851.3+197.966 = 1653.35BTU/lb

Qsal= H4-H1

Qsal= 964.24-196.16

Qsal=768.68BTU/lb

h1=2752.58 KJ/Kg

h2=1792.71 KJ/Kg

h3=1336.51 KJ/Kg

h4=1358.43 KJ/Kg

Considere una planta eléctrica utilizando vapor de agua el cual opera en un ciclo Rankine simple

con una potencia neta de 75MW. El vapor que se alimenta a la turbina es de 8.5Mpa y 550°C y se

enfría en el condensador una presión de 10 Kpa con agua de enfriamiento a razón de 2400 kg/seg.

a) Muestre en un diagrama T vs S el ciclo

b) Determine la eficiencia térmica del ciclo

c) Calcule el flujo másico del vapor

d) Calcule la elevación de temperatura del agua de enfriamiento

En 1 En 2

P=8.5MPa = 1232.5lb/in^2 Pbaja=10Kpa=1.45lb/in^2

Hg=1183.4BTU/lb = 2752.58 KJ/Kg Sg= 1.9577BTU/lb F = 8.19 KJ/Kg K

Sg=13667BTU/lb F = 5. 699 KJ/Kg K Sf=0.147BTU/lb F= 0.6163 KJ/Kg K

En 2

h2=hf+X2hfg

hf=77.94BTU/lb = 181.28 KJ/kg

Hfg= 1031.6BTU/lb = 2399.4KJ/kg

h2=181.28KJ/Kg + (0.6716) (2399.4 KJ/Kg)

h2=1792.71 KJ/Kg

En 3 En 4

P=8.5MPa S3=S4 Vf=0.1617=2.58Kg/m^3

Hf=571.7BTU/lb= 1336.51 KJ/Kg 𝒉𝟒 =𝟏𝟑𝟑𝟔.𝟓𝟏𝐊𝐉

𝐊𝐠+ (𝟖 𝟖. 𝟓 − 𝟎. 𝟎𝟎𝟖𝟓)𝐌𝐏𝐚

Sf=0.7711BTU/lb F= 1.7954 KJ/Kg h4= 1336.51+21.92= 1358.43 KJ/Kg

Eficiencia Térmica

Wt=h1-h2= 959.87

Wb=h4-h3= 21.94 𝒏 =𝟗𝟓𝟗.𝟖𝟕−𝟐𝟏.𝟒𝟒

𝟏𝟑𝟗𝟒.𝟏𝟓= 𝟎. 𝟔𝟕 = 𝟔𝟕%

Qe= h1-h4 = 1394.15

Flujo Másico

ṁ =w Neto

(h1−h2)−(h4−h3) ṁ =

75MW(103Kw/Mw)(3600s/hr)

959.87−21.94= 2.59 ∗ 106𝐾𝑔/ℎ𝑟

Agua de enfriamiento

Te= 15°C=62.94KJ/Kg ṁ𝑤 =2.59∗10^6(1792.71−1336.51)

2309−62.99= 527243.51𝐾𝑔/ℎ𝑟

Ts= 550°C= 2309.65KJ/Kg

Ca 160 HCO3 230 Tm=25°C

Mg 90 SO4 140 Tf=54°C

Na 190 Cl 70 N=15 ciclos

440 SiO2 95

535

Se requiere suministrar los servicios auxiliares a una planta de procesos:

Agua potable para usos generales con un gasto de 250 Gal/min.

Agua desmineralizada para procesos de menos de 10 microsiemens con un gasto de

100m^3/hr

Agua suavizada de menos de 10 ppm de dureza total con un gasto de 25m^3/hr a la

demanda de agua de repuesto

Vapor sobrecalentado en el ramal principal del sistema de distribución de vapor con una

P=300Psia. Una Tsh= 500°F para alimentar los siguientes equipos:

1.- Turbina GT-01 conectada al generador eléctrico con una potencia de 1200KW

2.- Turbina GT-02 conectada al compresor GT-01 con una potencia de 5000KW

3.- Turbina GT-03 conectada al generador eléctrico GE-02 con una potencia de 200HP,

3600 R.P.M. y una presión en la descarga de 900 Psia en el ramal de condensado.

4.- Vapor de proceso con un gasto de 25300 lb/hr

5.- En el ramal de baja presión que opera a 130 Psias se recibe la descarga de las turbinas

GT-01 y GT-02 para alimentar al banco de intercambiadores EA.01-10 con una carga

térmica de 48MM BTU/hr y al banco de intercambiadores EA-40-45 con una carga térmica

de 100mm BTU/ hr, además se alimenta vapor al tren de secado FT-01 con un flujo de

vapor de 110000 lb/hr. La descarga del condensado de los intercambiadores se recibe en

el cabezal a una presión de 95 Psia.

Desarrolle lo siguiente:

Un diagrama de bloques para el suministro de H2O para los diferentes servicios del

proceso

Un diagrama de flujo del sistema de G.V.

Calcule los diferentes servicios de agua requeridos para el proceso

Calcule los requerimientos del vapor en C.C. Y C.C.D. del G.V.

Calcule el agua de repuesto para el G.V.

Agua Para Usos Generales

Agua Desmineralizada

Agua Suavizada

Agua Para Generar Vapor

Agua

Cruda

Sedime

ntación

Filtraci

ón

Suaviza

ción

I.X. Potabili

zación

Agua

Cruda

Columna

catiónica

Fuerte

Columna

catiónica

Fuerte

Columna

catiónica

débil

Agua

Desminer

alizada

Agua

Cruda

Cal

Carbonato

𝜟

Floculación

Coagulació

n

R.O. Agua

Suavizada

Agua

Cruda

Flocula

ción Filtración I.X. Filtro R.O. Destilación

Ultra

Filtración

H2O de

alta pureza

Servicios de agua para el proceso

Desmineralización

F=100m3/h= 100,000 l/h = 440.266GPM

t=8h

𝑉𝐻2𝑂 = (𝐹)(𝑡) = (100000𝑙𝑡

ℎ) (8ℎ) = 800000𝑙𝑡

𝑉𝑅 = #𝑐𝑎𝑡 ∗ 𝑉𝐻2𝑂

𝐶𝑜=

(440𝑚𝑔

𝑙𝑡) (

1𝑔10𝑚𝑔) (800000𝑙𝑡)

60𝑔/𝑙𝑡

𝑉𝑅 = 586666.66 𝑙𝑡 = 586.66𝑚3

Flujo superficial Fs=10 GPM/ft2

𝐹𝑠 = 𝐹

𝐴→ 𝐴 =

𝐹

𝐹𝑠=

440.266𝐺𝑃𝑀

10𝐺𝑃𝑀/𝑓𝑡2= 44.026𝑓𝑡2

𝐴 =𝜋

4(𝐷2) → 𝐷 = √

4 𝐴

𝜋= √

4(44.026𝑓𝑡2)

𝜋= 7.487𝑓𝑡

Diámetro 7.487𝑓𝑡 = 2.2806𝑚

Altura de la resina

𝐻𝑅 =4𝑉𝑅

𝜋 ∗ 𝐷2=

4(586.66𝑚3)

𝜋(2.2806𝑚)2= 143.61𝑚

Altura del tanque

𝐻𝑇 = 𝐻𝑅 + 𝐻𝑅(0.5) = 143.61𝑚 + 143.61𝑚(0.5) = 215.41𝑚

Suavización

F=25m3/h= 25000 l/h =110.066GPM

t=8h

𝑉𝐻2𝑂 = (𝐹)(𝑡) = (25000𝑙𝑡

ℎ) (8ℎ) = 200000𝑙𝑡

𝑉𝑅 = #𝑐𝑎𝑡 ∗ 𝑉𝐻2𝑂

𝐶𝑜=

(250𝑚𝑔

𝑙𝑡) (

1𝑔10𝑚𝑔

) (200000𝑙𝑡)

60𝑔/𝑙𝑡

𝑉𝑅 = 83333.33 𝑙𝑡 = 83.333𝑚3

Flujo superficial Fs=10 GPM/ft2

𝐹𝑠 = 𝐹

𝐴→ 𝐴 =

𝐹

𝐹𝑠=

110.066𝐺𝑃𝑀

10𝐺𝑃𝑀/𝑓𝑡2= 11.066𝑓𝑡2

𝐴 =𝜋

4(𝐷2) → 𝐷 = √

4 𝐴

𝜋= √

4(11.066𝑓𝑡2)

𝜋= 3.753𝑓𝑡

Diámetro 3.753𝑓𝑡 = 1.144𝑚

Altura de la resina

𝐻𝑅 =4𝑉𝑅

𝜋 ∗ 𝐷2=

4(83.333𝑚3)

𝜋(1.144𝑚)2= 81.072𝑚

Altura del tanque

𝐻𝑇 = 𝐻𝑅 + 𝐻𝑅(0.5) = 81.072𝑚 + 81.072𝑚(0.5) = 121.608𝑚

Cálculos de los requerimientos del generador de vapor en C.C. Y C.C.D. y el

agua de repuesto para el mismo

𝐂. 𝐂. = 𝟐𝟑𝟓𝟎𝟎𝒍𝒃/𝒉𝒓(𝟏𝐂. 𝐂.

𝟑𝟒. 𝟓𝒍𝒃/𝒉𝒓) = 𝟕𝟑𝟑. 𝟑𝟑 𝑪. 𝑪.

Q1=48 MM BTU/Hr

Q2= 100 MM BTU/Hr

QTot= 148 MM BTU/Hr

%𝑹 =𝟏𝟒𝟖𝟎𝟎𝟎 ∗ 𝟏𝟎𝟎

𝟕𝟑𝟑. 𝟑𝟑 ∗ 𝟑𝟑𝟓𝟎𝟎= 𝟔𝟎%

𝑪. 𝑪. 𝑫. =𝟔𝟎

𝟏𝟎𝟎(𝟕𝟑𝟑. 𝟑𝟑) = 𝟒𝟑𝟗. 𝟗𝟗

S= 25350 lb/hr

M=?

C= 75650 lb/hr

F= 110000lb/hr

B=?

F= S+B M=F-C

B=F-S M=110000-75650

B= 110000-25300 M=34350 lb/hr

B=84700 lb/hr

M + C = S + B

34350 + 75650 = 25300 + 84700

110000 = 110000