Projeto de Fornos de PROCESSO

Projeto de Fornos de Processo

Dimensionar um forno vertical cilíndrico com tubos horizontais na seção de convecção para aquecer 550.000 lb/h de Dowtherm A, de 490 ºF para 580 ºF.

Dados:

1. Calor absorvido = 27.390.000 btu/h
2. Pressão na saída = 150 psig
3. Perda de carga disponível = 25 psi
4. Pressão de projeto = 250 psig
5. PCI do gás combustível = 19.700 btu/lb
6. Não há mudança de fase
7. Excesso de ar = 20%
8. Fluxo de calor médio da secção de radiação = 10.000 btu/(h.ft²)

1. Eficiência

Approach típico de projeto  =  Temperatura do gás de combustão  - Temperatura na entrada  =   150 ºF

Temperatura do gás de combustão  =  490  +  150  =  640 ºF  (FGT)

Calor disponível @ FGT  =  16.600 btu/lb  (Figura 3)

% calor extraído  =  16.600  x  100/19.700  =  84,3%

Perda através das paredes de projeto  = 1,5 a 2,5%

Perda através das paredes adotada  =  2,0%

Eficiência  =  84,3  -  2,0  =  82,3%  (LHV)

1. Vazão de combustível

Calor cedido  =  27.390.000/0,823  =  33.280.000 btu/h

Vazão de combustível  =  33.280.000/19.700  =  1.689 lb/h

1. Vazão de gás de combustão

Relação mássica gás de combustão/combustível   =  19,9  (Figura 2)

Vazão de gás de combustão  =  1.689 x 19,9  =  33.620  lb/h

1. Calor absorvido na radiação

Supondo 4 passes de 4 in, IPS, sch 40: diâmetro externo = 4,5 in e espessura = 0,237 in

Diâmetro interno  =  4,5  -  2  x  0,237  =  4,026 in  =  0,3355  ft

Área de escoamento  =  π  x  0,3355²/4  =  0,0884 ft²

Velocidade mássica  =  550.000/(3.600  x  4  x  0,0884 ft²)  =  432 lb/(s  x  ft²)

Temperatura na entrada da radiação  =  520 ºF  (consideração)

Temperatura média da secção de radiação  =  (520  +  580)/2  =  550 ºF

Diferença entre as temperaturas de parede dos tubos e a média da secção de radiação  =  75 ºF (projeto)

Temperatura de parede dos tubos  =  550  +  75  =  625 ºF

Temperatura na saída da zona de radiação  =  1.470 ºF (BWT)  (Figura 6a)

Calor disponível @ 640 ºF  =  16.600 btu/lb  (Figura 3)

Calor  disponível @ 1.470 ºF  =  11.700 btu/lb  (Figura 3)

Calor absorvido na radiação  =  27.390.000  x  11.700/16.600  =  19.310.000  btu/h

1. Calor absorvido na zona de convecção

Calor absorvido na zona de convecção  =  calor total absorvido  -  calor absorvido na zona de radiação

Calor absorvido na zona de convecção  =  27.390.000  -  19.310.000  =  8.080.000  btu/h

1. Coeficiente de convecção pura (h c)

h c  =  (2,14  x  G 0,6  x  Tga 0,28)/do 0,4  [Monrad]

 

Onde,

G  =  vazão mássica do gás de combustão/área de escoamento  [lb/(s  x  ft²)]

Tga  =  temperatura média do gás de combustão  [R]

do  =  diâmetro externo dos tubos  [in]

Esta equação não leva em consideração a radiação dos gases quentes passando através dos tubos e também a re-radiação através das paredes da secção de convecção.

Área de escoamento  =  23,33 ft²  (52 tubos de 4,5 in de diâmetro externo e 30 ft de comprimento)

G  =  33.620/(3.600  x  23,33)  =  0,400  lb/(s  x  ft²)

Tga  =  (1.470  +  1.260)/2  =  1.365 ºF  =  1.825 ºR

h c  =  (2,14  x  0,400 0,6  x  1.825 0,28)/4,5 0,4  =  5,54  btu/(h  x  ft²  x  ºF)

1. Coeficiente de radiação dos gases quentes

h rg  =  0,0025  x  Tga  -  0,5  =  0,0025  x  1.365  -  0,5  =  2,91 btu/(h  x  ft²  x  ºF)

1. Coeficiente de película externo total (h o)

Re-radiação  =  6 a 15% de h c  +  h rg (projeto)

Re-radiação adotado  =  10% de h c  +  h rg

h o  =  1,10  x  (5,54  +  2,91)  =  9,29 btu/(h  x  ft²  x  ºF)

1. Coeficiente de película interno (h i)

h i  =  0,027  x  k/D  x  (D  x  G/μ)0,8  x  (cp  x  μ/k)-1/3  x  (μ/μw)0,14

h i  =  0,027  x  0,064/0,375  x  (0,375  x  1.555.200/0,605)0,8  x  (0,543  x  0,605/0,064)-1/3  x  (1,0)0,14

h i   =  487 btu/(h  x  ft²  x  ºF)

1. Coeficiente global de troca térmica

1/U  =  1/hio  +  1/ho  +  (km x Ai)/(tm  x  Ao)

1/U  =  1,178/(487  x  1,054)  +  1/9,29  +  (0,237  x  1,178)/(324  x  1,054)  =  0,11076