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2 Diseño de Tuberías para la instalación de compresores, bombas, Rehervidores, intercambiadores de calor Las tuberías son el instrumento que hace posible el transporte de corrientes de fluidos de un equipo a otro. Las hay de diferentes longitudes, materiales, diámetros; esto dependiendo de las características del fluido, temperatura, velocidad, cantidad, las caídas de presión, presiones internas que debe soportar son variables que intervienen en la selección del espesor de la pared. En el informe tocaremos los puntos a tener en cuenta para el diseño del sistema de tuberías, cómo influyen los equipos en el diseño del sistema y cómo funcionan en conjunto con las tuberías. Las dimensiones de la tubería quedan determinadas por la presión y temperatura. Un tramo de tubería es la sección que se encuentra entre dos equipos consecutivos. En el diseño de tuberías un factor muy importante es la velocidad de circulación de los fluidos, esa velocidad va determinada por el caudal y el diámetro interno de la sección de conducción en el caso de fluidos incompresibles. Hay una tabla de valores aproximados dependiendo del fluido en cuestión Para que el transporte del fluido en la tubería cumpla con los requerimientos del proceso, sea transporte seguro, que no se contamine el fluido y que cumpla con las condiciones operativas se debe tener en cuenta: · La corrosión: en caso de trabajar con fluidos corrosivos debe escogerse un material que presente una pérdida de espesor inferior al milímetro por año. · Presión: Las tuberías se deben diseñar para presiones superiores a las necesarias para la operación. · Temperatura: Debe ser superior a la temperatura de operación. · Coste de la tubería: hacer la relación calidad precio y evitar gastos innecesarios. Bombas Para el bombeo de un fluido de un equipo a otro en una instalación a través de tuberías se utiliza generalmente bombas, que son máquinas que desplazan fluidos aumentando su presión lo que provocaría un aumenta de su energía y movimiento. Las bombas pueden estar accionadas por motores eléctricos, por turbinas o motores de gasoil. Características generales de las bombas de una planta: · Colocar filtros antes de después de la bomba para evitar partículas que obstruyan la bomba. · Se colocan en una elevación de hormigón para evitar entradas de líquido y tener mejor succión. · Llevar mantenimiento programado, sea diario, semanal, mensual o anual. · En su mayoría las bombas son fabricadas en acero al carbono o acero inoxidable. Variables que influyen en el proceso de selección de bombas: condiciones de operación, características del fluido, presión de descarga, condiciones de aspiración, temperatura, presión, viscosidad, densidad, corrosividad, caudal normal y máximo. El lugar donde se colocará la bomba también determina el número de bombas a utilizar. Se colocan bombas: · A la entrada de equipos que produzcan una pérdida de carga elevada. Por ejemplo, en los filtros. · A la salida de tanques de almacenamiento intermedio, estos equipos almacenan energía térmica producida por generadores de calor. Este contenedor acumula el agua calentada de las fuentes de calor y la tiene a disposición de los consumidores. Cuando el fluido roza con las paredes de tubería en la que circula ocurre en él una caída de presión, conocer el valor de la misma es necesario para el cálculo de las bombas. También hay el valor de la caída de presión es necesario para comprobar que el diámetro elegido para la conducción es suficiente, de ser muy pequeño la pérdida de carga será elevada. Para determinar la carga de una bomba hay que conocer: · La altura desde la superficie libre al eje de la bomba o viceversa. · Presión en el punto inicial si se trata de una aspiración o en el punto de descarga si es una impulsión. · Las pérdidas de carga por fricción en la tubería. · Pérdidas de carga por los accesorios que se encuentran en la línea de la bomba. Para calcular las pérdidas de carga en una conducción se suele utilizar la ecuación de Fanning: H es la pérdida de carga en metros de columna de líquido. f es un coeficiente de fricción adimensional. L es la longitud de la tubería en metros. d es el diámetro interior de la tubería expresada en metros. v es la velocidad del fluido en m/s. g es la aceleración de la gravedad (9.81 m/s2). El coeficiente de fricción "f" es función del tipo de flujo y se calcula del modo siguiente: - Si el flujo es laminar (Re ≤ 2000): -Si el flujo es turbulento (Re ≥ 4000) o pertenece a la llamada zona de transición (2000 <Re < 4000) se recurre a diagramas como el de Moody que expresa la relación entre "f", el número de Reynolds (Re). Para calcular las pérdidas de carga hay que conocer el tipo de flujo en la conducción. ρ es la densidad del fluido, kg/m3 μ es la viscosidad dinámica del fluido, Pa⋅s Para realizar el cálculo de las bombas se siguen los pasos: · Determinar la carga. · Elegir el modelo adecuado mediante las curvas características. · Que la altura neta de aspiración de instalación o disponible sea mayor que la altura neta de aspiración requerida. Para la elección del modelo de bomba adecuado se recurre a las curvas características de la bomba, estas son brindadas por el fabricante. Son necesarias tres tipos de curvas diferentes: 1) La de caudal y carga de bomba. 2) La de potencia del motor necesario. 3) La de carga positiva neta de aspiración requerida. Tipos de bombas: Bombas de desplazamiento positivo/recíprocas. Útiles cuando se trata de fluidos de elevada viscosidad y a altas presiones. Proporcionan caudales constantes. Son utilizadas como dosificadoras de productos químicos, en circuitos cerrados de agua sea para calderas o refrigeración. Descargan una cantidad determinada de líquidos de forma discontinua *Bombas alternativas. Ejemplo: bomba de tipo pistón y de diafragma. Existen componentes fijos, de volumen estable accionado por émbolo o membrana. Imagen bomba de diafragma para aceite *Bomba rotativa. Ejemplo: de tipo peristáltica y de caracol. El fluido en confinado en compartimientos que desde la zona de entrada se desplazan hasta la zona de salida. Utilizadas para desplazar fluidos viscosos como asfaltos, grasas o fluidos con sólidos suaves en suspensión como lodos, pulpas… Imagen bomba peristáltica Bombas dinámicas la energía mecánica la transforma en energía hidráulica permitiendo así que un fluido pueda transportarse de un lugar a otro. -Bombas periféricas son adecuadas cuando el objetivo es bombear el fluido hacia lugares elevados. Se forman remolinos en el líquido por medio de álabes, dentro del canal gira un impulsor. Ej.: bombas tipo turbina, de vértice y regenerativas. Imagen bomba de turbina regenerativa -Las bombas centrífugas son las mas utilizadas en los distintos sectores industriales por ser versátiles y que además se encuentran en diversos materiales y operan a diferentes potencias. Además, poseen un reducido tamaño, bajo coste de mantenimiento, caudal y presión constante. Transforma la energía mecánica en energía cinética de presión a un fluido. Requieren que la tubería de succión esté instalada de tal forma que no lleguen gases a la bomba, por lo general se requiere que sea diseñado un tramo recto de al menos 5 diámetro de tubería sobre la succión de la bomba para garantizar estabilidad en el flujo de entrada. Las bombas centrífugas más utilizadas son de eje horizontal con salida vertical y de entrada vertical o axial frontal. Siendo las de entrada y salida lateral empleadas cuando la columna del líquido de entrada es escasa (existe poco flujo neto positivo de aspiración). Las bombas de succión e impulsión vertical necesitan mas espacio ya que requieren un diseño con acceso a válvulas y filtros. Puntos a tener en cuenta para la instalación de bombas La incorrecta instalación de una bomba puede afectar su rendimiento, provocar fallas que causen daño al resto del equipo, que las bombas requieran mantenimiento más frecuente. Recomendaciones para la disposición de tuberías alrededor de las bombas: · Las bombas debeninstalarse sobre una base sólida, plana y con suficiente espacio alrededor de la base para garantizar correcta ventilación del motor y la bomba debe estar alineada con el sistema de tuberías y el motor de accionamiento. La alineación de los ejes de la bomba y el motor deben ser colineales tanto vertical como horizontalmente. Desalineación del eje puede causar fallas en los sellos y cojinetes. Las tuberías de succión y descarga deben estar apoyadas y alineadas independientemente, de manera que la tubería no genere tensión contra las conexiones de fluido de la bomba. La tensión de la tubería es uno de los factores que causan desalineación del eje. Lo que se busca es que la tubería tenga un equilibrio tal que cuando el fluido sea introducido no haya movimientos que causen tensión en la tubería. · En el punto bajo de la carcasa de la bomba se dispondrá de un drenaje, que descargará el sistema de drenaje correspondiente. Las tuberías de succión de bombas se drenarán mediante un drenaje situado debajo de la carcasa de la bomba. · La tubería de aspiración debe ser los más corta y recta posible, así se evitan pérdidas de carga. Entre la entrada de la bomba y alguna obstrucción que se encuentra en la tubería de succión debe incluirse una longitud de tubería recta de 5 a 10 veces el diámetro de la tubería, esto para reducir la turbulencia en el equipo de bombeo y también ayuda a reducir la vibración. · En el sistema de tuberías debe haber espacio libre al frente, encima y detrás de la bomba para su mantenimiento y operación. También debe de considerarse el espacio para conexiones eléctricas de ser necesarias. Las tuberías instaladas en la parte superior a las bombas deben disponer de carretes removibles para que se pueda desmontar la bomba. Lo mismo para las tuberías auxiliares, no deben dificultar el mantenimiento de la bomba. · Evitar accesorios antes de la boca de la bomba: a 10 diámetros de distacia de la medida de ella. Ej: si la succión es de 1.5 pulgadas la distancia debe ser de 15 pulgadas · Cuando el líquido que se bombea esté sometido a grandes variaciones de temperatura se deben integrar juntas de dilatación para evitar que los esfuerzos de dilatación y contracción se transmitan a la bomba. · Las bombas que utilizan válvulas de succión estas deben estar completamente abiertas siempre que el equipo de bombeo esté en funcionamiento; solo se cierra la válvula cuando se va a limpiar el tanque en el que se encuentra el fluido. · En caso de ser necesario que se utilice alguna reducción en la tubería de succión, debe ser excéntrica con el cono hacia abajo para que la generatriz superior de reducción quede horizontal y paralela a la generatriz de la bomba para evitar la formación de bolsas de aire. · Cuando sea negativa la tubería horizontal de aspiración debe tener una ligera inclinación descendente en dirección de la bomba hacia el tanque de aspiración. Cuando sea positivo la parte horizontal de la tubería debe tener una ligera inclinación ascendente en dirección de la bomba hacia el tanque de aspiración. Compresores Son utilizados para impulsar fluidos compresibles, con esto nos referimos a gases. Su funcionamiento se basa en aumentar la presión y energía cinética por medio de un aumento de la temperatura. Compresores de desplazamiento positivo tienen un amplio rango de presión de descarga. Aumentan la presión a través de una fuerza mecánica. Se disminuye el volumen del gas en la cámara de compresión donde está confinado produciendo un incremento de presión interna. · Compresores rotativos contiene mecanismo rotativo de paletas donde al girar las paletas dentro del motor se genera espacio dentro de la cámara de aire; el aire que transcurre se comprime y es enviado al sistema de extracción. · Compresor Alternativo. Consta de varios cilindros con pistones que se encuentran accionados por un motor. Sucesivas cantidades de gas queda atrapada y mediante los pistones se eleva la presión hasta que llega a un valor que hace abrir las válvulas de descarga. Compresores dinámicos aumentan la presión mediante fuerza cinética. El aumento de presión se logra acelerando el fluido con un impulsor y luego desacelerando el aire en movimiento en un difusor, convirtiendo así la fuerza centrífuga del fluido en energía en forma de presión. · Compresor axial. Sobre una superficie aerodinámica el gas que fluye en él es paralelo al eje de rotación. Tiene varios rotores a los que están fijados los álabes, los rotores giran por una turbina, por lo que el aire es aspirado de forma continua. · Compresor Centrífugo. Se caracteriza por su flujo de descarga radial. Transfiere energía al fluido mediante la fuerza de los álabes del impulsor. El rotor gira dentro de una carcasa con aberturas que permiten el ingreso y salida de fluido. Recomendaciones a tomar en cuenta en la instalación de sistemas de aire comprimido: · Mantener el área a una temperatura adecuada a las condiciones del compresor y que permita ventilación adecuada. Una temperatura ambiental entre 5ºC y + 30ºC en la sala de compresores. Aunque estas temperaturas pueden variar dependiendo del fabricante y de la calidad de los compresores, la temperatura ambiente máxima que admite un compresor de tornillo puede ser de hasta + 45ºC. · Dejar espacio entre el compresor y los demás equipos para que funcione adecuadamente. Algunos fabricantes requieren un mínimo de tres pies de espacio abierto alrededor de las unidades para un buen flujo de aire dentro y fuera de las máquinas. · Si el compresor se coloca en un lugar cerrado no debe haber presión negativa. La habitación debe tener piso firme y nivelado, los tanques de almacenamiento deben estar anclados al piso. · La instalación de conductos en la entrada y salida del compresor para que entre aire más limpio y frío posible y eliminar aire caliente descargado del compresor. · El polvo produce desgaste prematuro de los componentes del compresor. · La humedad y contaminación por gases podrían degradar los circuitos del compresor. · Interconexión de equipos adecuada y el cabezal de descarga, así evitar caídas de presión y problemas de ruido en la tubería. · Instalar una válvula de aislamiento entre el compresor y la línea de aire comprimido para aislar al compresor durante el mantenimiento y tener acceso a él sin despresurizar el equipo. · Colocar una manguera flexible para evitar que las vibraciones del equipo se transfieran al resto de la tubería. Intercambiadores de Calor Tienen como función intercambiar calor entre dos fluidos en contacto directo. Hay diferentes tipos, su diseño es en función del líquido en cuestión así se selecciona el más óptimo para el proceso. Aplicaciones de los intercambiadores de calor: · Intercambiador: intercambia calor de una corriente a otra para conseguir la temperatura requerida. · Enfriador: Enfría el fluido transfiriendo la temperatura del medio de enfriamiento. · Rehervidor: hierve los líquidos del fondo de las torres de destilación utilizando vapor, aceite o una corriente de mayor temperatura como medio de calentamiento. · Calentador: El objetivo es calentar una corriente de procesos mediante la condensación de una corriente de vapor. · Condensador: Condensa vapores transfiriendo la temperatura del agua o aire de enfriamiento o cualquier otro medio. · Refrigerador: Se enfría un fluido a muy bajas temperaturas a través de la evaporación de un refrigerante. · Evaporador: Hace hervir un líquido. El tipo de intercambiador de calor más utilizado en la industria es el de carcasa y tubos, el fluido contenido en una carcasa es acondicionado por otro fluido que circula por el interior de tubos inmersos en el primer tubo. Estos intercambiadores se denominan con tres letras que indican el tipo de cabezal de distribución, el tipo de carcasa y el tipo de cabezal remoto. Los intercambiadores de placas son utilizados para bajas presiones y temperaturas, requieren menos espacio y mantenimiento que los de carcasa y tubos. Los intercambiadores utilizan varios tipos de corrientepara hacer el intercambio de calor: · Proceso-Proceso: en estos dos corrientes del proceso intercambian temperatura entre ellas, una circula por parte de los tubos y otra por parte de la carcasa. · Proceso-Servicio: en el intercambiador el medio refrigerante es agua que se utiliza para enfriar una corriente de proceso. · Servicio-Servicio: el agua de refrigeración enfría el vapor. De acuerdo a como se produce el intercambio de temperatura los intercambiadores pueden ser: De contacto directo De contacto indirecto Hay una mezcla física de fluidos, no son usados frecuentemente estos intercambiadores ya que suponen contaminación de fluidos. Ejemplo: torres de destilación, se enfría mediante el contacto directo con aire. Se transfiere la temperatura sin contacto directo. Si los fluidos se separan por tiempo son intercambiadores alternativos, los fluidos recorren el mismo espacio por turnos. Si la separación es mediante un espacio son intercambiadores de superficie, se puede realizar mediante varios metales como tubos o placas. Recomendaciones para la instalación de intercambiadores de calor: · Entre dos intercambiadores adyacentes se deja un espacio libre del al menos 900 mm, tomando en cuenta aislamientos o bridas. · Si el intercambiador no es de tubos extraíbles, se debe dejar frente a sus cabezales un espacio libre de mínimo 150 mm para desmontarlos con mayor facilidad. · La forma mas eficaz de instalar un intercambiador de calor es con los fluidos a contracorriente. · Un mayor caudal aumenta la capacidad del intercambiador para transferir calor, sin embargo, una velocidad mayor implica mayor masa; haciendo que sea más difícil eliminar energía también aumenta la velocidad y la pérdida de presión Rehervidores Un Rehervidor o vaporizador es un tipo de intercambiador de calor, el Rehervidor hierve el líquido de la base/el fondo de la columna de destilación para genera vapor que vuelve a la columna para impulsar la separación por destilación. Existen tres tipos de Rehervidores: Rehervidores Verticales Rehervidores Horizontales Rehervidores Integrados Soportados desde la torre a la que sirven o en una estructura independiente, por lo general son tipo M.E.L. Están soportados sobre uno o dos brazos a la torre. Colocados al lado de la torre y por debajo del nivel mínimo del líquido y que la carcasa quede inundada del producto, generalmente son tipo kettle y tipo B.E.U. Se encuentran en el cuerpo de la torre, se conectan directamente a ella por medio de una brida y con un haz de tubos debajo del nivel mínimo de líquido en la torre son tipo B. COLUMN-U. Orificios de medición, recipientes y cualquier otro equipo de proceso Placa de orificio Este dispositivo permite medir el causal del fluido que pasa por la tubería, tiene un disco con un orificio en el centro y se coloca perpendicular a la tubería. Su funcionamiento se basa en el efecto Venturi. Este fenómeno hace disminuir la presión del fluido que atraviesa la tubería y aumenta su velocidad a causa de la disminución del diámetro de la tubería. Para medir el caudal se colocan dos placas una antes y una después de la placa, captan así el diferencial de presión generado por aumento de velocidad. La diferencia de presión es proporcional al cuadrado del caudal según el principio de Bernoulli. Tipos de placas de orificio: · Placas de orificio concéntricas: el orificio se encuentra en el centro de la placa, se utilizan para fluidos limpios. · Placas de orificio concéntricas cónicas: el orificio también se encuentra en el centro del disco, pero el diámetro va reduciendo en medida que el fluido atraviesa el disco. Para fluidos con alto Reynolds-régimen turbulento-. · Placas de orificio excéntricas: el orificio se encuentra levemente hacia abajo del centro, se utiliza en tuberías de diámetro pequeño. · Placas de orificio concéntricas segmentadas: el orificio no es un círculo, esta segmentado como un semicírculo. Utilizado en fluidos con partículas. Aplicaciones de la placa de orificio: Industria química, calderas, aceiteras, tratamiento y distribución de agua y gas, en motores para medir el caudal de combustible. Las placas de orificio pueden soportar temperaturas de 800 ºC, puede trabajar con fluidos a presiones de hasta 400 Bar, cuentan con exactitud de un 0.5% de la medición del caudal. Ventajas de los medidores de caudal de placa de orificio: · Preciso y sencillo. · Bajo coste. · No necesita calibración o recalibración siempre que los cálculos. Contenedores industriales IBC-Intermediate Bulk Container- o contenedores intermedios a granel son contenedores industriales que pueden ser de metal o plástico y son utilizados para almacenas, transportar líquidos, sólidos, pastas. Ejemplos: productos químicos, jabones en polvo, detergentes líquidos, azúcar, arena. La clasificación más general de los contenedores intermedios de granel es: rígidos y flexibles; siendo los flexibles sacos y se rigen por normas especializadas bajo el término FIBC (Flexible Intermediate Bulk Container). Los rígidos se clasifican de acuerdo a su material de fabricación, principalmente son de acero inoxidable o al carbono, plásticos como polietileno de alta densidad, aluminio, acero galvanizado. Columnas de destilación Con este equipo se separan mezclas aprovechando la diferencia de puntos de ebullición de sus componentes. Utilizadas para la separación de uno o varios componentes de una mezcla cuando la volatilidad de los componentes es distinta. Se pueden separar las fases sólidas disueltas, gases licuados en una mezcla líquida mediante vaporización y condensación. Las hay de dos tipos: columnas empacadas o de contacto continuo empleadas para establecer contacto entre un líquido y un gas a contracorriente son utilizadas para absorción, destilación, intercambio de calor. El otro tipo de columnas son las de platos, en ellas la separación ocurre en los extremos y la operación se lleva a cabo en etapas. Mientras mayor sea el número de platos de la torre, mayor será la separación obtenida. Agitadores/Tanques de Mezcla Depósitos industriales diseñados para mezclar dos o más sustancias en una o varias fases de proceso y sin generar reacción química. Por lo general son de forma cilíndrica, pueden operar por lotes, recirculación o flujo continuo. Son diseñados de acuerdo a las propiedades específicas de los componentes a mezclar. Reactores Equipo en el que ocurren procesos químicos causados por reacciones químicas. Su propósito es que en su interior se produzcan reacciones químicas. Este equipo consiste en un recipiente hermético en su mayoría están fabricados de aleaciones de hierro y carbono, acero inoxidable, de vidrio con revestimiento de acero; contienen líneas de entrada y salida para que se introduzcan las sustancias y luego salgan y sean almacenadas. Los reactores se complementan con otros accesorios como agitadores, compuertas, emulsionadores, sensores de temperatura y presión, serpentines, y otros dependiendo de las reacciones que ocurran en él. El diseño de un reactor industrial depende de las propiedades físicas de la sustancia que vaya a modificarse. Tanques de balance Su función es mantener constante la presión en la columna del fluido a la entrada de la bomba para evitar la cavitación. Manteniendo la presión interna de la bomba superior a la presión del vapor del liquido trasegado se evita la cavitación y facilita un caudal uniforme en toda la línea de producción. Utilización de dibujos isométricos La palabra isométrico significa "igual medida", del prefijo "isos", que significa igual, y la palabra métrica significa "medida". Un dibujo isométrico es un dibujo tridimensional con los ejes inclinados en un ángulo de 30° con respecto a la horizontal. Un dibujo isométrico es la representación grafica de un objeto geométrico tridimensional reducido a dos dimensiones mediante una proyección paralela basada en tres ejes. Conservando así las tres direcciones del espacio: altura, ancho y longitud. Este dibujo permite dibujarun objeto en tres dimensiones llamadas proyecciones isométricas. 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McCabe, W.L., Smith, J.C. y Harriott, P. Operaciones unitarias en ingeniería química. 7ª Ed., McGraw-Hill Interamericana, 2007 Bombas Desplazamiento Positivo Alternativas(de pistón, de diafragma) Rotativas(de placas deslizantes, de engranajes) Dinámicas Periféricas Centrífugas Compresores Desplazamiento positivo Rotativo/ De espiras Alternativo/ Reciprocante Dinámico Axial Centrífugo Tipos de reactores industrales Según la fase en la que se encuentren los reactivos Reacciones homogéneas se producen mayormente entre gases. Reacciones heterogéneas se dan entre gas-líquido, gas-sólido, sólido-líquido Según el grado de mezclado que se logra De mezcla perfecta. Forma de cilindro o esfera, la reacción es completamente agitada Según la forma de operación De flujo pistón. Opera de forma continua, poseen forma de tubo. Continuo: hay un flujo continuo de reactivos y salida continua de sustancias. Discontinuos. Para generar reacciones entre líquidos y líquido-sólido. Semicontinuos. Cuando se generan dos productos distintos y solo interesa uno.
