EQUIPOS PARA TRANSPORTE DE FLUIDOS BOMBAS Y COMPRESORES TEMA 6 DEPÓSITOS Y RECIPIENTES DE PROCESO PDF

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DISEÑO DE EQUIPOS E INSTALACIONES PARTE II EQUIPOS PARA TRANSPORTE DE FLUIDOS TEMA 4 TUBERÍAS, VÁLVULAS Y ACCESORIOS TEMA 5 BOMBAS Y COMPRESORES TEMA 6 DEPÓSITOS Y RECIPIENTES DE PROCESO DISEÑO DE EQUIPOS E INSTALACIONES TEMA 4 TUBERÍAS, VÁLVULAS Y ACCESORIOS ÍNDICE 4.- TUBERÍAS, VÁLVULAS Y ACCESORI...

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DISEÑO DE EQUIPOS E INSTALACIONES

PARTE II

EQUIPOS PARA TRANSPORTE DE FLUIDOS TEMA 4

TUBERÍAS, VÁLVULAS Y ACCESORIOS TEMA 5

BOMBAS Y COMPRESORES TEMA 6

DEPÓSITOS Y RECIPIENTES DE PROCESO

DISEÑO DE EQUIPOS E INSTALACIONES

TEMA 4

TUBERÍAS, VÁLVULAS Y ACCESORIOS ÍNDICE 4.- TUBERÍAS, VÁLVULAS Y ACCESORIOS 4.0.- OBJETIVO 4.1.- DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS DE TUBERÍAS 4.1.1.- Tuberías 4.1.1.1. Tuberías: dimensiones estándar 4.1.1.2. Tuberías: materiales de construcción y selección de materiales 4.1.2.- Válvulas 4.1.6.- Otros accesorios de tuberías 4.2.- DISEÑO DE TUBERÍAS 4.2.1.- Ecuaciones básicas 4.2.2.- Dimensionado de Tuberías 4.2.3.- Aplicaciones del Dimensionado de tuberías 4.2.4.- Dimensionado de Válvulas 4.3 PROBLEMAS

BIBLIOGRAFÍA 1.PROCCESS COMPONENTS DESIGN P. Buthod & all, Universidad de Tulsa .Oklahoma 2.DISEÑO DE TUBERIAS PARA PLANTAS DE PROCESO H. F. Rase, Editorial Blume 3.SELECCIÓN DE BOMBAS, SISTEMAS Y APLICACIONES R. H. Warring,Manuales técnicos Labor Nº 27 4.Coulson & Richarson’s CHEMICAL ENGINEERING DESIGN VOLUMEN 6. Sinnott, Editorial Pergamon

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4.- TUBERÍAS, VÁLVULAS Y ACCESORIOS. 4.0.- OBJETIVO. 1.-

Conocer los distintos tipos de tuberías normalizadas, uso de normas UNE y ASME, para la selección de la tubería en cuanto a material y diámetro.

2.-

Repaso de los distintos tipos de válvulas y accesorios necesarios para realizar una instalación de tuberías

3.-

Repaso de los conceptos de cálculo de tuberías, pérdidas de carga, diagramas de Moody, perdida de carga en válvulas y accesorios.

4.-

Cálculo del diámetro óptimo de la tubería en función de los caudales y basándonos en conceptos económicos

4.1.- DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS DE TUBERÍAS. Los sistemas de tuberías se componen de tres elementos principales: a) b) c)

La tubería Las válvulas para controlar o detener el flujo Los accesorios (codos, bridas,... )

4.1.1.- Tuberías. Las tuberías son conductos cilíndricos de material, diámetro y longitud variable. Se dividen en tuberías y tubos. Las tuberías tienen unas dimensiones normalizadas mientras que los tubos no son fabricados en tamaños estándar.

4.1.1.1- Tuberías: dimensiones estándar.

Norma americana Las tuberías se identifican por su diámetro nominal y su espesor. El espesor se expresa por el número de lista (Schedule). Existe una equivalencia entre Número de lista y la terminología de Peso Standard (usada por la ASA anterioridad): Sch 40 Sch 80 Sch 160

Tuberías, válvulas y accesorios

= Peso Standard (Std) = Peso Extra Fuerte (XS) = Peso Doble Extra Fuerte (XXS)

4.1

DISEÑO DE EQUIPOS E INSTALACIONES La normativa americana corresponde a las iniciales: • ASA: American Standards Association • ANSI: American Nacional Standard Institute. La norma ANSI es la más común. • ASTM: American Standards of Testing and Materials • ASME: American Standards of Mechanical Engineers. Las tablas de dimensiones estándar para tuberías de acero al carbono e inoxidable según la normativa americana son: *ASA B.36.10.: dimensiones generales de tuberías de AC *ASA B.36.19.: dimensiones generales de tuberías de SS

Tuberías, válvulas y accesorios

4.2

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4.3

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4.4

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Especificación de tubería: ASME/ANSI/ASA/ASTM B.36.10 5 in Sch40

Norma europea La normativa europea está representada por las normas UNE en España o las normas EN (European norm) en Europa. Equivalentes a estas dos son las normas alemanas DIN, inglesas BS, francesas AENOR e internacionales ISO. *DIN 1629: para tubos circulares de acero sin soldadura *Aceros St.00, St.35…: Tipos de acero estructural para tubería según la normativa DIN 17100 (4).

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4.5

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4.6

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4.7

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Especificación de tubería: St 35-273x6.3-DIN 1629 (acero, diámetro exterior (mm), espesor (mm), norma). St00: acero al carbono. Tuberías, válvulas y accesorios

4.8

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4.1.1. 2- Tuberías: materiales de construcción y selección de materiales. Los materiales de construcción de tuberías de plantas de proceso son: Acero al carbono. El más usual. Es fabricado en gran variedad de tamaños y formas para facilitar su obtención.

Acero de baja aleación. Níquel. Para baja temperatura, y corrosión Cromo-Molibdeno. Para alta presión y temperatura Acero inoxidable Austeníticos. Corrosión Ferríticos. Corrosión, menos usado Metales no férreos Aluminio. Para baja temperatura. Tuberías de Al son construidas para algunas dimensiones estándar y para tuberías extrafuertes.

Cobre y sus aleaciones. Se usan extensamente en instalaciones sanitarias debido a sus propiedades anticorrosivas. Tienen el mismo diámetro nominal de las tuberías de acero o hierro, pero el espesor de sus paredes es menor. Latón (Zn) Bronce (Sn) Admiralty (latón + 1% Sn). Agua 70-30 Ni. Agua del mar Níquel y sus aleaciones. Corrosión Monel Inconel Hastelloy Titanio. agua del mar Plásticos. Corrosión. Tienen gran resistencia a las soluciones alcalinas, cerca de todo tipo de ácidos y otros fluidos corrosivos

Polietileno Polipropileno PVC CPVC Plásticos reforzados de fibra de vidrio. Corrosión Epoxi vinil éster Poliester Recubrimientos Plásticos. Corrosión Polipropileno Teflón Las principales variables de selección de materiales para tuberías son: a) b) c) d)

Corrosión Temperatura. Presión. Costo.

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4.9

DISEÑO DE EQUIPOS E INSTALACIONES Después de la selección por consideraciones corrosivas (tablas referidas en el tema 3) la selección debe hacerse basándose en la temperatura, presión y costo. La capacidad de una tubería para resistir unas condiciones de presión y temperatura varían con el material y esta directamente relacionada con la fatiga admisible “S” (coeficiente de trabajo), que se tabula por unidad de costo. (Ver Tabla 2.2). Costes relativos de diferentes materiales se muestran en las tablas 2.7 y 2.8.

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4.10

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4.11

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Tuberías, válvulas y accesorios

4.12

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Tuberías, válvulas y accesorios

4.13

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4.1.2.- Válvulas. Existen dos tipos generales de válvulas atendiendo a su función principal: 1) Válvulas de corte: cuya función es cerrar el paso de fluido. Han de proporcionar mínima pérdida de carga cuando están completamente abiertas así como un cierre de seguridad (positive seal) cuando estén cerradas. 2) Válvulas de control (automática/manual): cuya función es regular el flujo de fluido. Han de proporcionar un buen control del flujo desde su posición de completamente abiertas a cerradas. Los principales tipos de válvula son (figuras): . de compuerta (a) . de tapón (b) . de bola o esférica (c) . de globo (d) . de diafragma (e) . de mariposa (f) Las válvulas de compuerta, tapón y de bola se utilizan con frecuencia como válvulas de cierre mientras que las válvulas de globo se usan como válvulas de control. Las válvulas de mariposa se utilizan frecuentemente para controlar flujo de vapores y gases.

Otros tipos de válvulas son: Tuberías, válvulas y accesorios

4.14

DISEÑO DE EQUIPOS E INSTALACIONES VÁLVULAS ANTI RETORNO (ó RETENTORA): impiden que exista retroceso del fluido (g)

VÁLVULAS DE CONMUTACIÓN VÁLVULAS DE SEGURIDAD

4.1.3.- Otros accesorios de tuberías Los accesorios de tuberías más comunes son: Bridas Son accesorios para conectar tuberías con equipos (Bombas, intercambiadores de calor, calderas, tanques, etc.) o accesorios (codos, válvulas, etc.). La unión se hace por medio de dos bridas, en la cual una de ellas pertenece a la tubería y la otra al equipo o accesorio a ser conectado.

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4.15

DISEÑO DE EQUIPOS E INSTALACIONES Codos Son accesorios de forma curva que se utilizan para cambiar la dirección del flujo de las líneas tantos grados como lo especifiquen los planos o dibujos de tuberías. Tes Reducciones Cuellos o acoples Empacaduras Accesorio utilizado para realizar sellados en juntas mecanizadas existentes en líneas de servicio o plantas en proceso Tornillos

Tuberías, válvulas y accesorios

4.16

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4.2.- DISEÑO DE TUBERÍAS. 4.2.1.- Ecuaciones básicas. Resumamos las fórmulas principales para el cálculo de una instalación de tuberías.

Generalización de la ecuación de Bernoulli agregando los términos de pérdida de carga e interposición de máquinas ⎛ v12 ⎞ ⎛ P1 ⎞ ⎛ v 22 ⎞ ⎛ P2 ⎞ z w + + ± = ⎜ 2g ⎟ ⎜ ρ g ⎟ 1 ⎜ 2 g ⎟ + ⎜ ρ g ⎟ + z2 + h f ⎠ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎝ ⎠ ⎝

[1]

1.-Flujo estacionario. La velocidad del fluido en un punto es constante con el tiempo 2.-Fluido incompresible. La densidad del fluido permanece constante con el tiempo

Determinación de pérdida de carga por fricción Pérdida de carga en tuberías ⎛ L ⎞ ⎛ v2 ⎞ Ecuación de Darcy: h f = f ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎝ Dint ⎠ ⎝ 2 g ⎠

[2]

Donde f, el factor de fricción o factor de fanning, se obtiene: 1) Ecuaciones: ¾ Flujo laminar ( Re = ¾

Dint v ρ

µ

< 2000 ): f =

64 Re

Flujo turbulento (Re>4000): Ecuación de Colebrook: ⎛ε 1 2.51 ⎞ ⎟ (Resolución iterativa) = −2 log10 ⎜ D + ⎜ 3.7 Re f ⎟ f ⎝ ⎠ f =

0.25 5.74 ⎞ ⎤ ⎡ ⎛ ε ⎢log10 ⎜ 0.27027 D + Re0.9 ⎟ ⎥ ⎝ ⎠⎦ ⎣

2

(Solución aproximada ec. Colebrook)

2) Gráficamente: Diagrama de Moody: Obtenemos f gráficamente como función de Re y de la rugosidad relativa (ε/D, siendo D el diámetro interno y ε la rugosidad absoluta) Tuberías, válvulas y accesorios

4.17

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Tuberías, válvulas y accesorios

4.18

DISEÑO DE EQUIPOS E INSTALACIONES Las rugosidades relativas y absolutas se pueden calcular gráficamente según se muestra en la siguiente figura:

Tuberías, válvulas y accesorios

4.19

DISEÑO DE EQUIPOS E INSTALACIONES La rugosidad absoluta se encuentra además tabulada según se muestra a continuación:

Pérdida de carga en válvulas y accesorios Existen dos métodos para el cálculo de pérdida de carga en válvulas y accesorios: 1. Longitud equivalente de tubería: El método más sencillo es considerar cada accesorio o válvula como equivalente a una longitud determinada de tubo recto. La longitud equivalente se calcula mediante tablas:

o gráficas: Tuberías, válvulas y accesorios

4.20

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Tuberías, válvulas y accesorios

4.21

DISEÑO DE EQUIPOS E INSTALACIONES A continuación simplemente habría que sumar la longitud de tubería recta y la equivalente de los accesorios y calcular las pérdidas de carga utilizando la ecuación[2]. 2. Coeficiente de resistencia (K): Las pérdidas de carga se obtienen en este caso multiplicando el valor de K por v2/2g. Es decir:

⎛ v2 ⎞ hf = K ⎜ ⎟ ⎝ 2g ⎠

[3]

El valor de K se puede obtener de tablas como la siguiente:

Tuberías, válvulas y accesorios

4.22

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PROBLEMAS BÁSICOS DEL CÁLCULO DE TUBERÍAS Conocido: Caudal (Q) Longitud (L) Diámetro (D) Viscosidad (ν) Rugosidad (ε)

Determinar Perdida de carga (hf)

1. Calculamos la velocidad (v) y el Reynolds(Re) 2. Obtenemos el factor de fricción (f) 3. Calculamos pérdidas de carga:

⎛ L ⎞ ⎛ v2 ⎞ + K ⎟⎜ hf = ⎜ f ⎟ ⎝ Dint ⎠ ⎝ 2g ⎠

Conocido: Perdida de carga (hf) Longitud (L) Diámetro (D) Viscosidad (ν) Rugosidad (ε) 1. 2. 3. 4.

[4]

Determinar Caudal (Q)

Asumimos un valor de f1. Utilizando [4] calculamos v. Conocida v, calculamos Re y ε/D. Calculamos f2. ¿Es f1= f2?. Si no, volver al punto 1. Una vez obtenido el f correcto, el Q se obtiene como:

Q=

Conocido: Perdida de carga (hf) Longitud (L) Caudal (Q) Viscosidad (ν) Rugosidad (ε)

π

4

D2v

[5]

Determinar Diámetro (D)

8LQ 2 (1) 1. Utilizando [4] y [5]: D = f h f gπ 2 5

Utilizando la definición del Re y [5]: D =

4Q (2) πν Re

Además podemos calcular la rugosidad relativa (ε/D) (3). 2. 3. 4. 5.

Suponemos un valor de f, utilizamos (1) para calcular D. Utilizamos ahora (2) y (3) para obtener Re y la rugosidad relativa. Utilizamos el diagrama de Moody y obtenemos f. Comprobar que el f obtenido es igual al supuesto en el punto 2.

Tuberías, válvulas y accesorios

4.23

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4.2.2.- Dimensionado de tuberías. Conocidos los apartados de pérdidas de carga y funcionamiento de una red de tuberías, debemos establecer las bases para el diseño (material, diámetro, espesor) de las tuberías a utilizar, los puntos básicos son:

ESPESOR DE TUBERÍA (Pipe Schedule); Numero de Lista El espesor mínimo de pared de una tubería se selecciona para que soporte la presión interna. Se puede calcular como:

t=

P⋅D 2σ d + P

[6]

Donde: • σ d : tensión de diseño a la temperatura de trabajo

• • •

P: presión interior de una tubería. D: diámetro externo de la tubería. t: espesor.

En tablas, la especificación del espesor de una tubería se realiza mediante el número de lista, que se calcula según:

⎛P ⎞ Sch (Schedule number) = ⎜ s ⎟ ⋅ 1000 ⎝σs ⎠

[7]

Donde: • σ s : tensión bajo condiciones de trabajo seguras.

• Ps : presión interior de una tubería bajo condiciones de trabajo seguras. Hay 10 números de lista que se utilizan en la actualidad: 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 y 160. De acuerdo a las clases de tuberías por resistencia a la presión de ASA (American Standards Association) tenemos:

Tuberías, válvulas y accesorios

4.24

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DIÁMETRO DE LA TUBERÍA Optimización del tamaño de tubería es esencial en el diseño de una planta ya que el sistema de tubería supone entre el 25-40 % de la inversión total y el consumo de potencia requerido por las bombas una parte muy importante del coste de servicios. De este modo, el diámetro de la tubería óptimo será aquel que nos proporcione el mínimo coste anual de consumo de potencia de bombas así como el mínimo coste de capital fijo por el sistema de tuberías. El cálculo consiste en obtener el óptimo de la curva:

La obtención de las ecuaciones para la determinación del diámetro óptimo económico de la tubería se puede ver en el Coulson Vol.6. Las siguientes fórmulas simplificadas se pueden utilizar para realizar la estimación de dicho diámetro:

Acero al carbono Doptimo = 293 ⋅ G 0.53 ⋅ ρ −0.37 Acero inoxidable

[8]

Doptimo = 260 ⋅ G 0.53 ⋅ ρ −0.37

Donde: G= caudal másico (kg/s) y ρ es la densidad (kg/m3). Siguiendo un procedimiento similar, se puede obtener un nomograma como el que se presenta a continuación para calcular el diámetro óptimo económico en tuberías de acero:

Tuberías, válvulas y accesorios

4.25

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Si no tenemos que suministrar potencia para conducir el fluido de un punto a otro de la instalación, por ejemplo, si el fluido se mueve por gravedad, entonces elegiremos el diámetro más pequeño posible que nos proporcione el caudal requerido. En la práctica, para plantas pequeñas, el diámetro de tubería óptimo se basa en reglas del pulgar como las presentadas en las siguientes tablas: 1. Velocidades típicas y caídas de presión permisibles que pueden utilizarse para estimar el diámetro de las tuberías son:

Líquidos bombeados (no viscosos) Líquidos, flujo por gravedad Gases y vapores Flujos a alta presión Tuberías, válvulas y accesorios

Velocidad (m/s) 1-3

∆P (kPa/m) 0.5

--15 - 30 30 - 60

0.05 0.02 % presión de línea --4.26

DISEÑO DE EQUIPOS E INSTALACIONES 2. Si consideramos la densidad del fluido la velocidad óptima es: Densidad del fluido (kg/m3) 1600 800 160 16 0.16 0.016

Velocidad (m/s) 2.4 3.0 4.9 9.4 18.0 34.0

3. Si conocemos el caudal podemos estimar la velocidad en los siguientes rangos:

Flujo (Gal/min)

2.27 22.7 227 2270

10 100 1000 10000

Rango optimo de velocidad, m/s

Flujo (m3/h)

Rango óptimo de velocidad (m/s) 1-2 1.5-3 2-4 3-4

Rango óptimo de velocidad (pies/s) 3-7 5-10 7-13 10-13

4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 1

10

100

1000

10000

3

Caudal, m /h

Tuberías, válvulas y accesorios

4.27

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4.2.3.- Aplicaciones del Dimensionado de tuberías LÍNEAS DE LÍQUIDOS El calculo se realiza basándose en la selección de la velocidad optima conforme las tablas de la pagina 4. 21.

BOMBAS Hay que optimizar las velocidades de aspiración y de impulsión de acuerdo a la tabla Velocidad de aspiración (m/s)

Velocidad de descarga (m/s)

0.60 0.45 0.30 0.60 - 0.90

2.0 1.5 1.0 2.0 - 2.75

Bombas de pistón hasta 250 r.p.m. 250 a 330 r.p.m. mayor de 330 r.p.m. Bombas centrifugas

LÍNEAS DE GASES Las líneas de gases y vapor se calculan basándose en la perdida de presión admisible de acuerdo a la tabla: Presión de operación atm psig 0-7 0-100 7-35 100-500 35-140 500-2000

Pérdida de presión atm /Km psi/100 pies 0.01-0.04 0.05-0.20 0.04-0.10 0.20-0.50 0.10-0.25 0.50-1.20

La perdida de carga se puede obtener con la ecuación

∆P100 =

C1C2

[9]

ρ

Donde ∆P100 viene dado en psi/100ft, ρ en lb/ft3 y C2 y C1 se obtienen de las tablas siguientes:

Tuberías, válvulas y accesorios

4.28

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4.29

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4.30

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LÍNEAS DE DOS FASES El cálculo para líneas de dos fases esta basado en el concepto de Velocidad Erosional. El límite de velocidad erosional se calcula con la expresión:

Ve =

C

[10]

ρm

Donde Ve c ρm

= Velocidad erosional en pies/s = Constante empírica: 100 para servicio continuo, 125 para intermitente = densidad de la mezcla de líquidos y gases lb/pies3. La densidad de la mezcla se calcula con:

ρm =

m L + m G m m donde Q m = L + G  ρ L ρG Qm

[11]

El ár...