Calentamiento de Bunker

UCSM Sistema de Calentamiento de Petróleo R-500 para Caldera de 800 BHP y tendido de línea de tracing de 700 m

FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIAS FÍSICAS Y FORMALES PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERIA MÉCANICA, MÉCANICA ELÉCTRICA Y MECATRÓNICA

Investigador: Ing. Carlos Gordillo Andía M.Sc. Curso: Diseño de Plantas Industriales II Arequipa, Perú 2012

INDICE INTRODUCCIÓN

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Cap.I: Descripción General del Proyecto 1. DESCRIPCION DEL PROYECTO 1.1 Descripción del Petróleo Residual R-500 1.1.1 Conceptos técnicos de los combustibles industriales 1.1.2 Petróleo Industrial R 500 1.1.3 Conversión entre Grados API,G.E, Kg por lit y Lbs por Gal 1.1.4 Problemas que se originan en el quemado de combustibles residuales 1.1.5 Sistema de Calentamiento del Petróleo Residual R-500 1.1.5.1 Almacenamiento 1.1.5.2 Circuito de Transporte 1.1.5.3 Bombas para Petróleos Residuales 1.1.5.4 Precalentamiento para Bombeo 1.1.5.5 Precalentamiento para Atomización 1.1.5.6 Aditivación para Residuales en Plantas Industriales 1.1.5.7 Análisis de Posibilidades de sustitución de Residual 6 por Residual 500 1.2 Descripción del Tracing de Vapor 1.2.1 Líneas de Tracing 1.2.2 Tipos de sistemas de Tracing a) Por el tipo de aplicación b) De acuerdo al método que se emplea para calentar el fluido a transportar 1.2.3 Ventajas de las Líneas de Tracing de Vapor 1.2.4 Sistemas de Tracing de Vapor Aplicaciones recubiertas (aisladas) Aplicaciones desnudas (sin aislar) Aplicaciones críticas 1.2.5 Consideraciones para el diseño de una Línea de Tracing de Vapor 1.2.6 Diseño de una Línea de Tracing 1.2.6.1 Diseño de Líneas de Tracing por Transferencia de Calor 1.2.6.2 Diseño de líneas de tracing (método de tablas y guías) 2. MEMORIA DESCRIPTIVA 2.1 Ubicación Geográfica 2.2 Descripción General del Proyecto 2.2.1 Caldera Pirotubular Horizontal de Espalda Húmeda INTESA 2.2.2 Recepción en Planta 2.2.2.1 Control de Peso al ingreso de la planta 2.2.3 Normas API

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Cap.II: Cálculos Justificativos 1. CALCULO DE TUBERÍAS Y TRACING 1.1 Tubería de Petróleo del tanque general al tanque diario “12” 1.2 Tubería para el Precalentador de combustible de caldero “2” 1.3 Tubería que va a los tanques de almacenamiento de combustible “3” 1.4 Diseño del sistema de Tracing 1.4.1 Selección de Dispositivos para el Sistemas de Traceado a) Para tubería 2, 3, 4 1. Controles de temperatura y controles de presión 2. Manyfolds de tubería “vapor” y “condensado”: 3. Conectores Universales: (ubicado en la salida del manyfold vapor) b) Para tubería 6,7,8,9 4. Purgadores de presión equilibrada para vapor: 5. Difusores: (salida del Manyfold condensado) 6. Selección de trampas de vapor 1.4.2 Tubería desde el Manyfold de vapor hasta el inicio del tracing “4”: 1.4.3 Tubería para procesos “5” 1.5 Tuberías de condensado 1.5.1 Tubería del Precalentador “6” 1.5.2 Tubería del tanque diario “7” 1.5.3 Tubería de trampeo del tracing “8” 1.5.4 Tubería derivación del condensado de tracing “9”: 1.6 Tubería salida Manyfold “10”: 1.7 Tubería combustible tanque diario de caldera “13 y 14”: 1.8 Distancia entre soportes del línea de procesos 1.9 Espesor de aislamiento para tuberías de vapor exceptuando la línea de tracing 2. DISEÑO DE TANQUE DE ALMACENAMIENTO 2.1 Capacidad de Almacenamiento 2.2 Calculo de Espesor de Casco 2.3 Calculo del Espesor del Techo 2.4 Calculo del Espesor del Fondo 2.5 Resumen de Cálculos para Tanque de Almacenamiento 3. CALCULO Y SELECCIÓN DE CASA DE BOMBAS 3.1 Selección de la Bomba de Combustible de Recepción y Tracing Calculo de las Perdidas de Presión por Rozamiento Calculo de Presión de Bombeo Parámetros Selección de Bomba 3.2 Selección de la Bomba de Combustible de Alimentación a Sala de Calderos Calculo de las Perdidas de Presión por Rozamiento Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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Calculo de Presión de Bombeo Parámetros Selección de Bomba 4. DISEÑO DEL TANQUE DE COMBUSTIBLE DE USO DIARIO 4.1 Capacidad de Almacenamiento 4.2 Calculo de Espesor de Casco 4.3 Calculo del Espesor de las Tapas 4.4 Calculo de Soportes 4.5 Resumen de Cálculos para Tanque de Almacenamiento 4.6 Diseño de Serpentín para Calentamiento de Tanque de uso Diario

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ANEXOS ANEXO 1: TABLAS ANEXO 2: GRAFICAS (NOMOGRAMAS) ANEXO 3: PROYECCIONES EN 3D ANEXO 4: ABACOS PARA SELECCIÓN DE TUBERIAS ANEXO 5: Planos ANEXO 6: Plano de Distribución de Tuberías y Equipos ANEXO 7: Plano de Distribución de Planta

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INTRODUCCIÓN El mundo se ha desarrollado en base a la energía química almacenada por la naturaleza en los combustibles fósiles y actualmente depende de su disponibilidad, comercialización y empleo. El Carbón mineral impulso la revolución industrial y suministró la energía que cambió el mundo en el Siglo XIX; a partir del Siglo XX, el petróleo se convirtió en el oro negro que dominó la civilización y determinó el ritmo de la economía del planeta. Estos recursos geológicos comprenden el grupo de recursos no renovables de la tierra, puesto que los procesos geológicos para su formación requieren millones de años. La palabra “petróleo” proviene de las voces latinas petra y oleum, que significan piedra y aceite, no porque sea aceite de piedra sino por estar aprisionado entre piedras. El combustible es todo aquello capaz de arder o quemarse produciendo luz y calor, en donde este será el encargado de quemarse en condiciones controladas y producir energía térmica para bienes industriales. Los combustibles derivados del petróleo están constituidos por los destilados más pesados y los residuales que salen por el fondo de las columnas de destilación. A partir de la crisis energética en los años setenta, la tendencia mundial se orienta a elevar precios y disminuir la calidad de petróleos residuales empleando procesos de refinación cada más complejos y sofisticados. Ahora respecto al aprovechamiento industrial, es muy importante conocer acerca de las líneas de transporte de este producto a partir de su distribución y aprovechamiento del mismo, ya que sus componentes y sustancias de acompañamiento demandan un diseño adecuado. El cambio de ubicación de generadores de vapor provocara un nuevo cálculo de las tuberías de acompañamiento. Actualmente el mantenimiento de un nivel de temperatura en tuberías es crítico y, por lo tanto, de viscosidad para garantizar un bombeo adecuado del petróleo crudo y en especial luego de las paradas de las instalaciones, puede ser resuelta a partir de este tipo de construcción aislante para la tubería principal, la cual consiste en suministrar un calentamiento adicional con la ayuda de una tubería acompañante de vapor dispuesta a lo largo de toda la tubería y forradas ambas con el material aislante, de manera tal que se forme una cavidad termoaislada y mantener el régimen térmico necesario del petróleo transportado. El presente proyecto estará orientado al diseño de un sistema de calentamiento de petróleo R-500 para un generador de vapor de su uso industrial, siempre acompañado de una línea de tracing contenida de vapor, generalmente instalada para el transporte del combustible desde tanque de recepción general de planta (donde el camión petrolero llega) hasta el tanque diario a utilizar pasando por largas distancias y dispositivos mecánicos como bombas, resistencias eléctricas, ventiladores (que proporcionen caudal de aire necesario), atomizadores, entre otros, hasta llegar al quemador del caldero. Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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Capítulo I: Descripción General del Proyecto

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1. DESCRIPCION DEL PROYECTO 1.1 Descripción del Petróleo Residual R-500 1.1.1 Conceptos técnicos de los combustibles industriales a) Densidad Es una magnitud escalar referida a determinado volumen de una sustancia.

la

cantidad

[

de masa contenida

en

un

]

b) Densidad Relativa o Gravedad Específica (Sp-gr) La densidad es la relación entre el peso de un producto y el volumen ocupado por el mismo.

c) Densidad Relativa o Gravedad Especifica en API (American Petroleum Institute) Define la relación entre la masa del combustible y el volumen que ocupa a una determinada temperatura y presión. Es determinada con un hidrómetro o densímetro especialmente calibrado, que se sumerge en el combustible hasta un determinado nivel, permitiendo la lectura de los API en una escala de rango adecuado. Se presentaran valores más altos para combustible livianos y bajos para los pesados. Se expresa a la temperatura de 60ºF/60ºF.

d) Punto de Inflamación

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Es la temperatura a la que debe calentarse el combustible, para que desprenda suficiente vapor y forme una mezcla inflamable con el aire, después de exponerlo a una llama. e) Contenido de Cenizas Las cenizas son impurezas formadas por acción de las sales metálicas propias de los petróleos. f) Viscosidad Es una medida de la velocidad con que fluye el combustible, a una determinada temperatura. También es un indicador de la facilidad con la que puede ser pulverizado un combustible en un quemador. Para los residuales los sistemas empleados para medir y expresar su viscosidad son los Segundos Saybolt Furol (SSF) a 122°F y 210°F y los grados Engler (como la relación entre los tiempos necesarios para el paso de 200 de aceite por el orificio calibrado del viscosímetro y una cantidad igual de agua a la misma temperatura). Los segundo Saybolt registran el tiempo en segundos que demora en pasar un volumen de 60 a través del viscosímetro Saybolt, utilizándose los Segundos Saybolt Universal (SSU) para combustibles livianos (diesel) y los Segundos Saybolt Furol (SSF) para combustibles pesados (residuales). Para convertir Segundos Saybolt Universal y Furol a Centistokes, puede utilizarse los siguientes valores: S.S.U (100°F) / 4.6320 = Centistokes S.S.F (122°F) / 0.4717 = Centistokes La viscosidad de un fluido puede medirse por un parámetro dependiente de la temperatura llamado coeficiente de viscosidad o simplemente viscosidad: - Coeficiente de viscosidad dinámico, designado como η o μ. En unidades en el SI: [µ] = [Pa·s] = [kg·m-1·s-1]; otras unidades: 1 poise = 1 [P] = 10-1 [Pa·s] = [10-1 kg·s-1·m-1] Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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- Coeficiente de viscosidad cinemático, designado como ν, y que resulta ser igual al cociente entre el coeficiente de viscosidad dinámica y la densidad del fluido. ν = μ/ρ. (En unidades en el SI: *ν+ = *m2.s-1]. En el sistema cegesimal es el stokes (St). g) Poder Calorífico (BTU/Lb) Es la cantidad de calor que se genera como resultado de la combinación completa del combustible, y es expresado en el sistema inglés por BTU/Lb (BTU: Unidad Técnica Británica, Lb: Libras). h) Tensión Superficial Cuando un combustible liquido en contacto con un gas o el aire, como el fluido presenta la mínima área expuesta al contacto con el gas, la acción de las fuerzas que actúan sobre él en la interfase liquido – gas. La tensión superficial al igual que la viscosidad disminuye cuando aumenta la temperatura. Esta es la responsable del tamaño de las gotas durante la atomización del combustible líquido. Los residuales tienen una tensión que varía poco (10 a 14 dinas/cm). i) Residuos de Carbón Conradson El residuo carbonoso Conradson proporciona una indicación u orientación valiosa sobre la tendencia del combustible a formar inquemados (coquizar). Los índices de Conradson elevados dan una indicación significativa sobre la tendencia a la formación de coque de un combustible en los precalentamientos y ensuciamiento de la boquilla del quemador. Proporciona una orientación significativa sobre la tendencia a “craquizar” de un residual en los precalentadores (previo a su combustión) delimitan el dominio de las potencias térmicas. Un residuo carbonoso superior al 6% dificultara el funcionamiento. j) Contenido de agua y sedimentos Son impurezas propias del petróleo y es una especificación que determina la calidad de un combustible.

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Sus efectos dependen fundamentalmente de la forma en que las gotas de agua se encuentren presentes: Si las gotas de agua en el fluido son de 1 diámetro tal que su decantación pueda producirse rápidamente, a temperaturas que alcanza el residual en el precalentador del quemador, su presencia en orden del 1%, puede provocar irregularidades apreciables en el funcionamiento del quemador y estabilidad de la llama. Si las gotitas de agua emulsionada en el combustible no son susceptibles de decantar, por diámetros reducidos y necesidades de calentamiento moderadas, con porcentajes relativamente importantes 10-15% no ejercen influencia perjudicial desde el punto de vista mecánico. En la presencia de sedimentos, si estas constituidas esencialmente de granitos de sílice o de oxido de hierro, la circulación del combustible por equipos podría provocar problemas de abrasión. Si estarían compuestos por partículas blandas, su acción, dentro de ciertos límites no resultara apreciablemente nociva. k) Inflamabilidad Indica un valor de la temperatura a la cual el producto, ensayado según una cierta norma, emite suficientes vapores para que pueda inflamarse la mezcla aire-gases por el calentamiento del fluido. El punto de inflamación de los combustibles industriales (diesel y residuales) está alrededor de 65 – 70°C. l) Destilación Mide la cantidad de producto que se evapora cuando la temperatura de éste, "que se haya en un balón de destilación", es aumentada. Este tipo de prueba es aplicado a productos livianos, como la gasolina, el kerosene, el diesel, etc. para determinar su calidad. m) Contenido de azufre

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El azufre es un contaminante del petróleo. Su presencia es indeseable, ya que es formador de cenizas, dañando los equipos que trabajan a altas temperaturas. También son formadores de ácidos, causando la corrosión a bajas temperaturas. Fuente: http://www.emcopesa.com.pe/especif.htm 1.1.2 Petróleo Industrial R 500 Se le conoce comercialmente así a este residual pesado y de alta viscosidad, porque esta no debe exceder a los 500 SSF (Segundos Saybolt Furol), a la temperatura de 122°F. La diferencia de este producto con el Petróleo Industrial N°6 muy pequeña, y normalmente, sí se le adiciona un 5% de Petróleo Diesel N°2 al Residual 500, podríamos obtener un combustible con propiedades del Petróleo N°6 (300 SSF). Este combustible se obtiene o se prepara mezclando los residuales obtenidos de las diferentes operaciones de refinación cuyas viscosidades son muy superiores a los 500 SSF a 122°F, y los destilados más ligeros, reduciendo de esta forma su viscosidad hasta viscosidades menores o iguales a 500 SSF a 122°F como lo indican las normas vigentes. Bunker Fuel Los combustibles residuales utilizados en embarcaciones marinas reciben la denominación de Bunker Fuel. Para encender el bunker fuel oil es importante su atomización, aunque dependiendo de la calidad de la destilación y la fecha de elaboración, se puede encender sin realizar este proceso, pero indudablemente la considerable generación de humos, obliga a realizar el proceso antes indicado, usualmente este atomizado va acompañado o asistido de ventiladores, que ayudan a una mejor combustión del Bunker. a) Aplicación Industrial: Siendo su aplicación netamente industrial, este residual es usado ampliamente en los equipos de producción de energía (hornos y calderos). b) Características Principales - Su poder calorífico es mayor al Residual 6 en aproximadamente 6%, a pesar que su precio es el de menor costo en el mercado.

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- Es necesario ser calentado en aproximadamente 5 – 10 °C más que el Petróleo Industrial N°6, tanto para su bombeo y su atomización (también para quemadores). - Sed debe tener cuidado en la operación de combustión al igual que el Residual 6, ya que se tiene relativamente más impurezas que este, como contenido de cenizas, azufre, agua y sedimentos (aproximadamente mayores al 7% en promedio). c) Propiedades Físicas

Fuente:http://ingmecanicamc.blogspot.com/2012/11/petroleo-industrial-r-500-y-otros.html

d) Identificación del Producto Nombre Comercial: Petróleo Industrial 500 Nombre químico: Residual de petróleo Sinónimos: industrial de alta viscosidad, Bunker, residual 500, Fuel Oil, Heavy Fuel Oil, H.F.O, High Sulphur Fuel Oil. Formula: Mezcla compleja de hidrocarburos del petróleo. e) Composición Combinación compleja de hidrocarburos con número de carbonos en su mayor parte dentro del intervalo C12 – C50. Se obtiene como una mezcla de corriente a partir de destilación atmosférica y al vacio. Producto liquido de diversas corrientes de refinería, Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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normalmente residuos. La composición es compleja y varia con el origen del petróleo crudo.

Fuente:http://www.repsol.com/imagenes/pe_es/petroleo_industrial500__168178_tcm18-208313.pdf

1.1.3 Conversión entre Grados API, Gravedad Específico, Kilos por Litro y Libras por Galón La medida de Grados API es una medida de cuánto pesa un producto de petróleo en relación al agua. Si el producto de petróleo es más liviano que el agua y flota sobre el agua, su grado API es mayor de 10. Los productos de petróleo que tienen un grado API menor que 10 son más pesados que el agua y se asientan en el fondo. Aquí puede convertir sus valores entre una unidad y las otras. Simplemente coloque el valor que tiene en la cuadra amarilla de la columna correcta y vera los valores correspondientes. Todos los valores son medidos a 60 °F (15.6 °C) Fuente: http://www.widman.biz/Seleccion/gradosapi.html 1.1.4 Problemas que se originan en el quemado de combustibles residuales     

Alto contenido de azufre; incrementa grandemente el riesgo de desgaste de camisas y aros del pistón aparte de la clara contaminación atmosférica. Las cenizas; aumentan el desgaste por abrasión. Los ácidos minerales; formados como resultado de los óxidos de azufre producidos durante la combustión. Partes densas de combustible quemado; pueden causar grandes depósitos en las zonas de los aros del pistón. Duración corta de las válvulas de escape debido a la formación de depósitos así como tendencia a la obturación de toberas y paletas. Fuente:http://www.ingenieriadepetroleo.com/2010/01/combustibles-residualesderivados-de.html

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1.1.5 Sistema de Calentamiento del Petróleo Residual R-500 1.1.5.1 Almacenamiento Durante esta etapa se produce una gran proporción de la degradación de los residuales en planta, debido a 3 principales causas o fenómenos: a) Oxidación b) Crecimiento Microbiano c) Corrosión

Los tanques de almacenamiento deben tener algunas recomendaciones: - Las tuberías sumergidas en el tanque deben ser de acero negro. - Todos los accesorios deben ser de brida, no juntas empaquetadas.

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- La línea inferior de succión se usa normalmente. La línea superior se usa en emergencias para prevenir interrupciones cuando acumula agua hasta el nivel de la línea inferior. - El serpentín de calentamiento debe acoplarse a la tapa de entrada de hombre, para facilitar su remoción y reparaciones. - El agua puede alimentarse mediante purgas de fondo efectuadas periódicamente. - La formación de borra puede evitarse usando aditivos dispersantes, o combinando calentamiento y agitación en forma adecuada y oportuna. - El combustible se podrá dejar enfriar y se calentara cuando vaya a ser bombeado. - El tanque diario en servicio que funciona en continuo, será necesario mantener una cierta temperatura, lo cual lo convierte en fuentes de pérdidas caloríficas. - Es importante usar aislamiento con un espesor determinado, ya que podría perderse cerca de 4 veces el calor en función de la superficie. - En tanques grandes se diseña el sistema de calentamiento a la salida del tanque para evitar tener que mantener todo el volumen de combustible caliente, evitando perdidas. 1.1.5.2 Circuito de Transporte El residual pasa por 3 etapas: a) El residual fluye del tanque al sistema de bombeo, normalmente por gravedad. Para ello la temperatura del combustible debe ser superior a su punto de fluidez. b) El residual es bombeado hacia las instalaciones del quemador, regulando el flujo y la presión a los valores fijados para el sistema. c) El residual llega a la etapa final a una temperatura similar a la de bombeo, deberá ser calentado a la temperatura de atomización dentro del rango de viscosidad de operación del quemador. Para evitar pérdidas en el circuito se puede utilizar diversos sistemas de aislamiento en instalaciones de tuberías calefactoras.

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1.1.5.3 Bombas para Petróleos Residuales Cuando se opera con petróleos residuales es muy común y frecuente el empleo de bombas rotativas o de desplazamiento positivo. En el transporte de combustible residual se usan bombas desde el tanque de almacenamiento hasta su inyección al quemador, es importante para mantener el nivel de presión adecuado.

-

Ventajas de Bombas Rotativas Puede manejar líquidos muy viscosos sin problema alguno. Son simples y eficientes en el manipuleo de flujos muy bajos. Pueden proveer una carga fija de combustible, aun cuando las condiciones de presión del sistema sean modificadas. Permite una buena regulación del flujo de combustible a los requerimientos de consumo.

Desventajas de Bombas Rotativas - Cuando trabajan con líquidos por debajo de 100 SSU de viscosidad pueden tener un excesivo desgastes y averías internas por una inadecuada lubricación del líquido. - No son adecuadas para el manipuleo de fluidos con apreciable contenido de sólidos abrasivos.

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Se utilizan bombas de desplazamiento positivo en vez de la centrifugas cuando el nivel de viscosidad máximo es por encima de 150 SSU. Los tipos más utilizados para el transporte de residuales son las de engranajes y las de tornillo, estas también se ven afectadas por la viscosidad y la presión diferencial. Debajo de 650 a 1000 gal/min, 1*10^6 SSU y 350/500 PSI, ambos tipos de bombas son utilizables. Las bombas de engranajes son más baratas entre 50 a 60% menos que las de tornillo y algo más eficientes. Las de tornillo toleran mejor los sólidos. Las bombas de engranajes son comúnmente aplicadas para presiones diferenciales de 500 PSI y de descarga 500 PSI. Las de tornillo para presiones tan altas como 2500 a 3500 PISg. La mayoría de modelos esta limitado para una temperatura de operación de 350°F y algunos modelos especiales pueden soportar hasta 750 °F. 1.1.5.4 Precalentamiento para Bombeo Se puede emplear un sistema de calentamiento a la salida del tanque cisterna mediante vapor, resistencias eléctricas e inclusive concentradores de energía solar.

Viscosidad SSF a 122 °F

Temperatura de Bombeo Temperatura Mínima Temperatura Máxima (°F) (°F)

100

80

90

150

90

100

200

100

105

250

105

110

300

110

115

400

115

120

500

120

125

1.1.5.5 Precalentamiento para Atomización El residual debe ser calentado hasta reducir su viscosidad dentro de los límites de operación del quemador, con el fin de obtener una buena atomización. Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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Actualmente es muy utilizado el calentamiento con resistencias eléctricas, así como el uso de intercambiadores de calor que utilizan vapor, sistemas mixtos u otras. Para determinar la temperatura de atomización, según el tipo de residual utilizado, la grafica 2 muestra como determinar el rango adecuado, en función a los requerimientos del quemador. 1.1.5.6 Aditivación para Residuales en Plantas Industriales Para compensar deficiencias ya existentes y/o para evitar su degradación durante tales etapas de pre-combustión, se emplean aditivos cuya adición y efecto resultara importante conocer, para juzgar factibilidad y conveniencia de empleo, así como aplicarlos correctamente. Se utilizan solventes y dispersantes, antioxidantes y inhibidores de corrosión.

a) Solventes y Dispersantes: Minimiza la formación de borra y sedimentos favoreciendo al aprovechamiento del mayor volumen de residual y evitar problemas operativos que creen aglomeraciones, así como paradas forzadas de limpieza de tanques y/o líneas. Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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Estos aditivos resultan recomendables para los consumidores de residual cuyos tanques de almacenamiento tienen capacidad para atender el suministro de 3 a 5 días, aunque dependen ellos de la estabilidad del residual. b) Antioxidantes: Por la formación de gomas y agua, se produce decoloración del combustible, debido a la oxidación directa o catalítica de los hidrocarburos olefinicos. c) Inhibidores de Corrosión: Los residuales contienen sales corrosivas, que provocan en presencia de pequeñas cantidades de agua, la corrosión de las superficies metálicas, disminuyendo el tiempo de vida de los equipos.

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1.1.5.7 Análisis de Posibilidades de sustitución de Residual 6 por Residual 500 La densidad en °API no representara un inconveniente pues solo representa el 0.6% de incremento en el peso de la carga, pero como se cobra en volumen el transporte constituye una ventaja 0.6% ahorro en filetes. Ambos combustibles ofrecen mucha seguridad en su manipuleo, el autosostenimiento de la llama en atmosferas frías son básicamente las mismas. El residual 500 debe calentarse 5°C más que el Residual 6 para ser bombeado en forma eficiente y 10°C más para su correcta atomización. Los 2 representan características similares en cuanto a problemas de cenizas, azufre, punto de fluidez, agua y sedimentos. El poder calorífico del R-500 (4% mayor que el Residual 6) representa una ventaja para la sustitución que compensa en términos energéticos el mayor requerimiento de calentamiento para su bombeo y atomización. Para esta sustitución se exige un trabajo minuciosamente planificado para proceder sin afectar la eficiencia. En instalaciones utilizando Residual 6 en niveles de eficiencia inferiores a lo normal, la sustitución a R-500 representa una posibilidad de mejorar estos niveles de eficiencia, además de utilizar un combustible con menor precio. 1.2 Descripción del Tracing de Vapor 1.2.1 Líneas de Tracing Una línea de tracing es una línea secundaria que se la utiliza para mantener fluidos que serán transportados de un lugar a otro muy alejado a temperaturas constantes, dichos fluidos requieren un cierto grado de calentamiento, regulación de la temperatura en la tubería y tanques de almacenamiento para poder transportarlos. Otros productos tienen problemas en el bombeo y tratamiento si la temperatura de dichos productos son demasiado bajos o demasiado altos, además muchas operaciones de mezcla y bombeo tienen que llevarse a cabo dentro de cierto rango de temperatura finita. La viscosidad de algunos fluidos (como el combustible Residual 500, que es el que se empleara en este proyecto) en ciertas condiciones es muy elevada y no permite su bombeo a temperatura ambiente, razón por la cual se deberá calentar para bajarle su viscosidad y poder bombearlo. La línea secundaria que acompaña a la line de fluidos puede ser de resistencias eléctricas o vapor. El vapor es el medio más común para mantener la temperatura de una línea de proceso. Si se requiere mantener la temperatura del fluido primario, lo más cercano posible a la temperatura del vapor disponible, una tubería enchaquetada

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se vuelve indispensable y sobretodo una mejor alternativa en muchas ocasiones frente al uso de resistencias eléctricas.









Las líneas de acompañamiento o tracing se deben utilizar cuando es la opción más práctica y fiable para la planta o industria, donde desean ser instalada. Cuando es posible que el contenido de las tuberías, equipos o instrumentos, se puedan congelar, condensar, cristalizar, si es una mezcla separarse o ser demasiado viscoso para ser bombeado en las condiciones locales de temperatura. Las líneas de tracing se deben emplear en: Las líneas de flujo intermitente (y líneas en las que no es práctico para drenar o desplazar el fluido del proceso de cierre), deben detectarse si el punto de fluidez del líquido es superior a la temperatura ambiente mínima que se pueda experimentar. El aislamiento por sí solo no puede evitar la congelación de los productos que transportan las tuberías como por ejemplo el agua u otras soluciones acuosas, donde la temperatura ambiente se mantiene por debajo de su punto de fusión durante un tiempo prolongado. El aislamiento sólo puede prolongar el tiempo necesario para congelarse y puede evitar la congelación sólo si el flujo del producto transportado mantiene un ritmo constante. Las bombas y las líneas de succión deben ser rastreadas si la viscosidad del fluido transportado, puede llegar a ser lo suficientemente alta. Como para provocar una gran sobrecarga o dañar las bombas. También ayuda en el drenaje o el desplazamiento del fluido transportado durante las paradas. Fluidos típicos que tienen puntos de congelación por encima de 32 ° F (0 ° C) y requieren de procesos para mantener el calor, independientemente de las temperaturas ambiente, se encuentran: el ácido acrílico, asfalto, ciertas concentraciones de soda cáustica, DMT, naftaleno, N º 6 de combustible petróleo, para-xileno, anhídrido ftálico, anhídrido maleico, aceites viscosos, estireno, alquitrán de azufre, fenol, parafina, la urea, polipropileno, nitrato de amonio y muchos otros.

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 Las sustancias sensibles a la temperatura que debe mantenerse "caliente", pero no deben ser recalentadas incluyen: ácidos, aminas, sustancias cáusticas, glicerina, y otros.

1.2.2 Tipos de sistemas de Tracing a) Por el tipo de aplicación  Aplicaciones recubiertas: Método usado en condiciones ultracríticas, básicamente cuando se ha de mantener el producto todo el tiempo a una temperatura elevada. El uso de cubierta de vapor permite un rápido precalentado de la tubería.  Aplicaciones críticas: Los traceados se usan para mantener la temperatura de un producto que puede solidificarse o dañarse en el caso que su temperatura descienda por debajo de un nivel predeterminado.  Aplicaciones no-críticas: Se procura mantener la viscosidad del producto a su nivel óptimo de bombeo.  Anticongelación: Se asegura que las tuberías no van a sufrir daños por congelación en condiciones climatológicas adversas.  Aplicación en instrumentos: Tuberías de pequeño diámetro, normalmente de unos 10mm, usadas para proteger medidores de caudal, válvulas de control, estaciones de muestras, líneas de impulso, etc. Otra clasificación de los sistemas de tracing son: b) De acuerdo al método que se emplea para calentar el fluido a transportar. De acuerdo a este criterio los sistemas de tracing se dividen en:  Steam tracing: traceado empleando como fluido que entrega calor al vapor, que generalmente es saturado.  Thermic fluids tracing: emplea otros fluidos térmicos como sustancia que aportara calor a la tubería principal.  Electric tracing: emplea un sistema de resistencias eléctricas colocadas sobre la tubería principal que se calentaran para entregar calor. La comparativa entre un sistema y otro se muestra a continuación:

COSTO DEL FLUIDO

LÍNEAS DE ACOMPAÑAMIENTO DE VAPOR alto

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FLUIDOS TÉRMICOS bajo

LÍNEAS DE ACOMPAÑAMIENTO ELÉCTRICO medio Página 21

COSTO DE LOS COMPONENTES

bajo

medio

alto

COSTO DE MANTENIMIENTO

De menor a mayor en función de las prácticas de mantenimiento

medio

bajo

alto

medio

alto

medio

alto

medio

medio

bajo

alto

si

si

no

alta

media

baja

alta

media

baja

CONTROL DE LA TEMPERATURA RANGO DE TRABAJO DE TEMPERATURA LONGITUD DE LAS LÍNEAS DE TRACING SEGURIDAD EFICIENCIA EN LA ENERGÍA VELOCIDAD PARA CALENTARSE

1.2.3 Ventajas de las Líneas de Tracing de Vapor  Eficiencia: El vapor es el más eficiente de todos los portadores de energía calorífica. Muchas veces, estos sistemas de traceado pueden aprovechar el vapor del proceso sobrante que de otra manera sería desperdiciado.  Controlabilidad: Las temperaturas precisas del producto pueden ser mantenidas y el traceado puede activarse o desactivarse automáticamente para ajustarse a las condiciones ambientales. Las líneas del producto vacías pueden ser precalentadas y el vapor limpiarse sin ningún tipo de problema. Cuando se demanda más calor, se abastece de forma automática.  Fiabilidad: Los sistemas de traceado son extremadamente resistentes. Su funcionamiento no se ve afectado por las condiciones adversas y pueden resistir todos los golpes que pueda recibir en una fábrica de procesos.  Flexibilidad: El nivel de calefacción del traceado de vapor puede ajustarse muy fácilmente sin necesidad de cambiar la instalación. La ampliación del sistema también resulta extremadamente sencilla.  Seguridad: El vapor es intrínsecamente seguro y su uso resulta adecuado para cualquier tipo de zona. Es el único método de aplicaciones de traceado que no comporta ningún tipo de riesgo.

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 Económico: El concepto de traceado de vapor resulta muy simple. Es fácil de diseñar y de instalar y para su uso solo se necesitan componentes mecánicos muy sencillos que no requieren ningún tipo de fuente de energía. 1.2.4 Sistemas de Tracing de Vapor El presente proyecto tratara sobre el diseño de una línea de tracing con vapor, por lo que solo se desarrollara los tipos de tracing dentro de esta clasificación. Los tipos de tracing de vapor varían de acuerdo a las temperaturas que se manejen en su diseño, estas dependen desde el acondicionamiento del producto a las épocas invernales, hasta las aplicaciones recubiertas más críticas.  Aplicaciones recubiertas (aisladas): empleados para aplicaciones de media y bajas temperaturas (sistemas Thermon’s SafeTraceTM SLS-IT and DLS-IT). Las líneas de acompañamiento aisladas son tubos pre-aislados con una chaqueta protectora de polímero que es superior a la tradicional "bloque separador", que suspende dicho tubo justo por encima de la tubería que transporta el fluido del proceso.

 Aplicaciones desnudas (sin aislar): empleado para medio y alto requerimiento de temperaturas. Mediante el uso de líneas de tracing desnuda o SafeTrace BTS, la transferencia se da por el proceso de convección, la convección proporciona el seguimiento medio-bajo y medio plazo los requisitos de transferencia de calor. SafeTrace BTS es un tubo marcador metálico cubierto con una chaqueta especial de polímero de alta temperatura que proporciona una medida de protección al personal contra las quemaduras, sin sacrificar el rendimiento térmico, también proporciona resistencia a la corrosión a la mayoría de los ácidos y álcalis.

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 Aplicaciones críticas: El diseño de las líneas de acompañamiento (traceado) se usa para mantener la temperatura de un producto que puede solidificarse o dañarse en el caso que su temperatura descienda por debajo de un nivel predeterminado. Emplea el principio de conducción de calor y se emplea cuando los requerimientos no pueden ser cubiertos por los sistemas anteriores.

1.2.5 Consideraciones para el diseño de una Línea de Tracing de Vapor a) Presión: El medio de calefacción debe ser vapor saturado seco. La presión del vapor depende por lo general de las necesidades de calor en la entrada de la tubería del proceso y equipos y la disponibilidad de presión donde se vaya a instalar el sistema de tracing. El menor costo de vapor a baja presión debe ser equilibrada con las consideraciones de diseño adicional. Los siguientes puntos deben ser considerados:  Vapor a baja presión ofrece la máxima cantidad de calor latente por libra, y los problemas de vapor flash de la condensación se reducen. Sin embargo, la presión en la trampa debe ser suficiente para obtener el condensado en el sistema de recogido.  Los sistemas de vapor de baja presión son más susceptibles a la congelación a temperaturas ambiente por debajo de -20 ° F (-28.9°C° C). Donde se utiliza vapor a baja presión, las trampas de vapor deben ser resistentes a la congelación y líneas de condensado deben estar debidamente protegidas. Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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 El vapor a baja presión puede ser necesario en algunos casos para prever las líneas que transportan materiales sensibles a la temperatura. El aislamiento del tracing debe ser considerados para este servicio. b) Temperatura: El costo de implementar, sistema de tracing de vapor puede mejorar en gran medida si las opciones de control de la temperatura se consideran. El uso de grandes márgenes de seguridad en el diseño y la tendencia a mantener el sistema de rastreo "en vivo" cuando no hay ningún requisito de calor se debe evitar. Las opciones de control son:  Para mantener la temperatura del fluido constante durante los entornos de verano o en invierno, proporcionar al proceso calentamiento después de una parada programada o urgente, sin sobrepasar y manteniendo la temperatura, o por la temperatura ambiente con un sensor de control, una válvula de control termostático de solenoide puede ofrecer off/on de la operación.  En muchos casos, el control se puede lograr por válvulas reductoras de presión que pueden variar la presión del vapor.  Cuando los controladores se utilizan para el rastreo de circuitos, las trampas de vapor debe ser de un diseño de drenaje continuo de condensado del circuito, para evitar golpes de ariete.

c) Materiales de fabricación El material empleado en el montaje de las líneas tracing puede ser de: • Cobre, • Acero al carbono e inclusive • Acero inoxidable De tal forma que dependiendo del material de la línea de proceso, dependerá obviamente el material de la línea tracing. El material seleccionado para la línea de acompañamiento deberá cumplir con los requisitos térmicos de la instalación. Estos requisitos están determinados por la temperatura, la presión de los medios de calefacción y el medio ambiente.  Tuberías de tracing de cobre, serán de suave recocido de grado (calidad) 122, cumplir y no exceder las normas ASTM B68 y B75. Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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 • • • 











d)

Espesor de pared mínimo será el siguiente: 3 / 8 "x 0.032 O.D." pared (10 mm O.D. x 1 mm de pared) 1 / 2 "x 0.035 O.D." pared (12 mm O.D. x 1 mm de pared) 3 / 4 "x 0.049 O.D." pared (20 mm O.D. x 1,2 mm de pared) Tuberías de 1 / 4 "de diámetro (6 mm de diámetro exterior) se tapan fácilmente y deben utilizarse sólo cuando sea absolutamente necesario para la calefacción de otros tubos relativamente pequeños o aplicaciones similares. La tubería de cobre se utilizará si la presión de vapor saturado o el artículo se realiza un seguimiento no superior a 400 ° F (204 ° C) y no hay ningún impedimento a la corrosión o de otro tipo para el uso de cobre. Tuberías de tracing de acero inoxidable serán del tipo 316 sin costura estirados en frío y recocido completo con un máximo de dureza Rockwell de RB80 y cumplen o superan la norma ASTM A269 estándar. Espesor de pared mínimo será el siguiente: Tuberías de acero inoxidable se utilizará si la presión de vapor saturado o si se realiza un seguimiento con una temperatura máxima por encima de 400 ° F (204 ° C) y no hay ningún impedimento a la corrosión o de otro tipo para el uso de acero inoxidable. Tuberías de acero al carbono no se utilizará para los circuitos de tracing de vapor. Durante los periodos de parada, la combinación de aire y la humedad, causan rápida oxidación en las líneas de tracing. Dado que el tubo del marcador es un componente principal del sistema de tracing de vapor, la tubería deberá ser inspeccionado a fondo antes de su uso para comprobar que se ajusta a las especificaciones, es del mismo diámetro y espesor y no está fuera de la ronda. Uniones

 La unión entres tuberías se realizara donde sea necesario, para permitir el retiro de equipos tales como bombas, válvulas de seguridad, instrumentos, válvulas de control y filtros.  Los accesorios deben ser de material compatible con el material de seleccionado para las líneas de acompañamiento. Las tuberías deberán unirse de manera concéntrica y alineada con los accesorios y evitar falseamientos y tensiones. e) Sujeciones  La manera más sencilla de sujetar una línea tracing es con alambre alrededor de la tubería principal.  Los clips de sujeción no deben estar alejados más de 12" a 18" en tracers de 3/8", 18" a 24" en líneas de 1/2" y 24" a 36" en tracers iguales o mayores a 3/4". Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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 La máxima transferencia de calor se logra cuando la línea tracing está en contacto estrecho con la línea de producto.  Para lograr mantener el mejor contacto entre la tracing y la línea de producto es mejor usar planchas galvanizadas o de acero inoxidable de cerca de 1/2" de ancho y de espesor de 18 a 20  Cuando la tracing es llevada alrededor de curvas, se debe tener un cuidado especial, para asegurar el mejor contacto posible, esto se puede lograr usando tres o más bandas. f)

Trampas y sistemas de retorno de condensado

 Las purgadores (trampas) de vapor y el conjunto de manifolds deberán estar provistos de un tubo de aspiración interior que permitirá la protección contra la congelación de las trampas que se cierran y una válvula de protección contra la congelación que detecta la temperatura del condensado para así poder drenar el manifold.  Ensamblajes de la purgadores (trampas) de vapor con el manifold se realizara en un lugar accesible donde sea posible para facilitar el mantenimiento g) Purgadores de vapor  La eliminación efectiva de condensado y del aire es esencial para lograr temperaturas uniformes y tasas máximas de transferencia de calor de los circuitos de tracing de vapor.  El purgador debe instalarse en la línea de tracing donde sea posible y a continuación del manifold de condensado, ubicado de manera que no interfieran con la operación y mantenimiento de equipos u obstruir las vías de acceso.  Cada línea de tracing tendrá su propio purgador al final del recorrido, según el diseño del circuito. Una nueva línea de tracing se colocara si el recorrido supera la longitud máxima de captura.  Las válvulas de aislamiento se instalará justo antes y justo después del purgador para que su servicio sea más fácil.  Si el condensado es descargado a una línea de retorno que se encuentra más arriba o tiene un ascenso, se deberá instalar una válvula de retención más allá del purgador en la parte inferior de dicho ascenso, si la trampa no tiene una válvula de retención integrada no podrá evitar el reflujo.  Cuando un purgador descarga en una línea de retorno que se encuentra más arriba de dicha línea, la presión debida a la elevación, se añade a la presión en la línea de retorno para determinar la presión total que debe cumplir el purgador para poder funcionar Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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correctamente. Para calcular la presión debido a la elevación, usar 0.5 psi por pie vertical de sustentación (11,31 kgf / m). La presión calcula no deberá superar el límite permitido del purgador seleccionado seleccionada.  Si al purgador no se ha incorporado un filtro, un filtro con una válvula de purga se instalará justo delante del purgador para resguardarlo del óxido, la suciedad. Un ensayo de T deberá ser instalado justo aguas abajo de la trampa para permitir la comprobación de la efectividad del purgador.

1.2.6 Diseño de una Línea de Tracing Existen casos en los cuales un aislamiento térmico convencional no es suficiente para mantener el régimen térmico necesario del objeto aislado. En tales casos, además del aislamiento térmico, se utiliza un calentamiento complementario de dicho objeto. Este calentamiento se utiliza fundamentalmente en tuberías para el transporte a distancias considerables de una sustancia con temperatura dada o con una viscosidad tal que luego de interrumpida la circulación ésta se incrementa considerablemente. La problemática actual del mantenimiento de un nivel de temperatura y, por lo tanto, de viscosidad para garantizar un bombeo adecuado del petróleo crudo y en especial luego de las paradas de las instalaciones, puede ser resuelta a partir de este tipo de construcción aislante para la tubería principal, la cual consiste en suministrar un calentamiento adicional con la ayuda de una tubería acompañante de vapor dispuesta a lo largo de toda la tubería y forradas ambas con el material aislante, de manera tal que se forme una cavidad termoaislada. El sistema formado, desde el punto de vista de intercambio de calor, presenta sus particularidades y no puede ser tratado adecuadamente por el método tradicional para la determinación del espesor de aislamiento. En los casos mencionados, la temperatura del producto que se trasiega deberá permanecer invariable, tanto durante la circulación de éste, como durante la parada. El cumplimiento de tal condición sólo es posible por la compensación de la pérdida de calor de la tubería de transporte a partir de la absorción del calor proveniente de la tubería acompañante. 1.2.6.1 Diseño de Líneas de Tracing por Transferencia de Calor Esta condición o exigencia constituye la base para el cálculo del espesor del aislamiento. La tubería de transporte, por lo general, se calienta con la ayuda de una o dos tuberías acompañantes. Si se utiliza una (caso más difundido), ésta se dispone debajo de la tubería principal, y al utilizarse dos, se disponen también debajo pero de forma simétrica. En la figura, de forma esquemática, se representan ambas construcciones para Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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el caso de formación de una cavidad termoaislada con ángulo selectivo de calentamiento.

En la siguiente figura, se representan construcciones más eficientes desde el punto de vista del intercambio térmico, pero más complejas de acuerdo con el montaje en el caso de calentamiento total. En nuestro trabajo nos referimos a las primeras construcciones, las más difundidas, es decir con ángulo selectivo de calentamiento. El portador de calor en el caso de las tuberías acompañantes lo constituye el vapor saturado con presiones adecuadas, y el diámetro de tales tuberías se elige comúnmente de acuerdo a dichas presiones. La tubería que se calienta se deberá aislar conjuntamente con la tubería (tuberías) acompañante para formar una cavidad termoaislada. Esta cavidad termoaislada se monta a partir de materiales flexibles y su estructura básica más recomendada se muestra a continuación.

Para el diseño de un sistema de tracing, se parte de un balance de calor, el cual considera que el calor proveniente de la tubería acompañante de vapor se gasta en el calentamiento de la tubería principal y en las pérdidas de calor al medio exterior. La pérdida de calor hacia el medio exterior por unidad de longitud de la tubería principal será igual a: Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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Ecuación 1 Dónde: θ: Angulo formado por la parte de la tubería sobre la cual se dispone el aislamiento (en grados). tp: Temperatura a la cual debe mantenerse el producto en la tubería principal (°C). t0: Temperatura de cálculo para el aire ambiente (°C). RL: Resistencia térmica lineal total (m°C/W). RL 1: Resistencia térmica lineal desde el producto hasta la pared de la tubería (m°C/W). RL2: Resistencia térmica lineal de la capa de aislamiento (m°C/W). RL3: Resistencia térmica lineal de la capa de aislamiento desde la superficie exterior del aislamiento al aire ambiente (m°C/W).

La cantidad de calor por unidad de longitud que recibe la tubería desde el aire en el interior de la cavidad puede determinarse como:

Ecuación 2 Dónde: β: Angulo formado por la parte de la tubería que se calienta por el aire en el interior de la cavidad (en grados). αA: Coeficiente de transmisión superficial del calor desde el aire en el interior de la cavidad a la tubería calentada (W/m2°C). d2: Diámetro exterior de la tubería principal (m). t1: Temperatura del aire en el interior de la cavidad termoaislada (°C).

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Puesto que qL tiene la propiedad de ser constante dentro del propio análisis, podemos plantear que:

Ecuación 3 Sustituyendo las ecuaciones y despejando el valor de RL obtendríamos:

Ecuación 4 Recordamos que RL es la suma de las resistencias RL1, RL2 y RL3. Sustituyendo a las resistencias individuales según su definición tenemos:

Ecuación 5

Dónde: d1: Diámetro interior de la tubería principal (m). d2: Diámetro exterior de la tubería principal (m). da: Diámetro exterior de la capa de aislamiento (m). α1: Coeficiente de transmisión superficial del calor desde el fluido hasta la superficie interior de la tubería principal (W/m2°C). α2: Coeficiente de transmisión superficial del calor desde la superficie del aislamiento hacia el medio exterior (W/m2°C). λa: Coeficiente de conductividad térmica del material aislante térmico (W/m°C). Sustituyendo la ecuación 4 en la ecuación 5, introduciendo un coeficiente para considerar las pérdidas por apoyo igual a 1.25 y despejando, obtenemos:

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Normalmente la resistencia interior se desprecia, entonces obtendríamos:

Ecuación 6 En cuanto a la determinación de:

Es necesario precisar que aquí aparece de nuevo la magnitud da, que es la incógnita buscada en este cálculo. En los cálculos prácticos se considera que la magnitud RL3 es pequeña en comparación con RL, por lo que se puede calcular de forma aproximada a través del cálculo de:

A partir de un valor dado para el espesor δa (valor recomendado). Por último y luego de la determinación de la relación da/d2 de la expresión anterior, se puede calcular el espesor del aislamiento como:

Ecuación 7 Aquí debe considerarse que para los materiales en forma de guata como lana de vidrio y otros similares, tiene lugar durante su colocación, cierta compactación, por lo que se recomienda calcular a partir del espesor calculado, el espesor que deberá tener el material antes de su colocación, de la forma siguiente:

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Ecuación 8 Para los materiales más comunes, el coeficiente de compactación Kc tiene los siguientes valores: Lana de vidrio: 1,6 Lana mineral: 1,3 Para la solución, falta por determinar la temperatura del aire en el interior de la cavidad (t1), lo cual se determina de la ecuación de balance de acuerdo con la cual todo el calor desprendido por la tubería acompañante, se gasta en el calentamiento de la tubería principal y en la pérdida hacia el medio exterior. La cantidad de calor desprendido por unidad de longitud de tubería acompañante es igual a:

Ecuación 9 Dónde: FAC: Superficie de la tubería acompañante por unidad de longitud (m2/m). RAC: Resistencia térmica desde la tubería acompañante al aire en el interior de la cavidad termoaislada (m2°C/W). tAC: Temperatura del vapor acompañante (°C). La cantidad de calor por unidad de longitud que se absorbe por la tubería principal es igual a:

Ecuación 10 Dónde: FA: Superficie de cálculo de la tubería principal por unidad de longitud (m2/m). RA: Resistencia térmica desde el aire en el interior de la cavidad termoaislada a la tubería calentada (m2°C/W). La cantidad de calor por unidad de longitud que se pierde al medio exterior es: Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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Ecuación 11 Dónde: FE: Área de la parte restante de la superficie de la insulación por unidad de longitud (m2/m). RE: Resistencia térmica total desde el aire en el interior de la cavidad termoaislada, a través de la insulación y hacia el aire exterior (m2°C/W). 1,25: Coeficiente que considera la influencia de los soportes y otras pérdidas. Puesto que:

Tenemos:

O lo que es igual a:

Ecuación 12 Como se verá más adelante, algunas magnitudes de las expuestas en este cálculo deben considerar la cantidad de tuberías acompañantes utilizadas y su disposición con respecto a la tubería principal (Tablas IV y V). Lo general para todos los casos es la determinación de las resistencias RAC, RA, RE (m2°C/W), la cual es como sigue: Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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Siendo αAC el coeficiente de transmisión superficial del calor desde la tubería acompañante al aire en el interior de la cavidad termoaislada, el cual se toma de la Tabla I y el denotado anteriormente coeficiente αA se toma de la Tabla II. Estos valores pueden ser calculados para la convección por expresiones convencionales; sin embargo el uso de las referidas Tablas representa la ventaja de que en éstas se escoge el valor del coeficiente a partir de la temperatura del vapor calefactor, obviando las dificultades que aparecen al ser la temperatura de la superficie exterior una incógnita en los cálculos de espesor de aislamiento a precisar con un cálculo iterativo.

En el caso de la resistencia RE, ésta se determina como si se tratase de una pared plana en la cual el valor de δA se asume de forma aproximada y se desprecia además la resistencia de la capa protectora del aislamiento:

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Ecuación 13 Dónde: α1: Coeficiente de transmisión superficial del calor desde el aire en el interior de la cavidad termoaislada a la superficie interior de la misma (W/m2°C),el cual se recomienda tomar igual a 12 W/m2°C. α2: Coeficiente denotado anteriormente, el cual se toma de la Tabla III. El coeficiente λA, es función del material utilizado y en el cálculo se toma su valor medio debido a que hay zonas a diferentes temperaturas para los casos de la tubería principal y la acompañante.

En algunos casos se hace necesario, además, calcular el flujo de vapor Gν (kg/h) necesario para el calentamiento de la tubería para una longitud de esta igual a L, o la máxima longitud, a la cual tiene lugar la condensación total del vapor para un flujo dado, es decir:

Dónde: r: Calor de cambio de fase (kJ/ kg).

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Los valores de los ángulos θ, β, ϕ, τ, y las magnitudes m, FAC, FA y FE se determinan con la ayuda de las expresiones expuestas en las Tablas IV y V.

Este cálculo se realiza iterativamente para comprobar los valores y se ensayan las diferentes temperaturas a las cuales estará sometida la línea de tracing, esto para evaluar las pérdidas que se tienen en la línea del fluido a mantener a una temperatura determinada y poder compensarlas. El sistema se diseña para que se cumplan las mayores exigencias de operación y así pueda mantener el fluido a transportar a su temperatura requerida. Como se muestra, el cálculo para una línea de tracing matemáticamente implica una aplicación directa de conocimientos de transferencia de calor, y realizar el cálculo para cada línea de tracing resulta tedioso a la hora de evaluar cada factor y cada condición. Con motivo de simplificar el cálculo de estas líneas y partiendo de la premisa de que dicho cálculo es el mismo para cualquier línea solo que varían los datos de entrada para las ecuaciones, los diseñadores y fabricantes han efectuado el cálculo de cada línea para diferentes condiciones y lo han resumido en guías de diseño que han convertido cada Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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formula anteriormente descrita en tablas a las cuales se ingresa con los parámetros de la línea a diseñar y se obtienen los resultados que se obtendrían si aplicáramos el método analítico. Este procedimiento se ha estandarizado y se ha vuelto el más empleado por su facilidad de entendimiento y corto tiempo de diseño en la industria. A continuación se describirá el procedimiento de diseño empleando las guías de diseño anteriormente mencionadas.

1.2.6.2 Diseño de líneas de tracing (método de tablas y guías) El proceso para el diseño de líneas de tracing de vapor se resume en 8 pasos que deberán seguirse para completar un diseño óptimo de un sistema completo. Además se deberán seleccionar los equipos necesarios para implementar el sistema así como la elaboración de los esquemas técnico y planos de la instalación. PASO N°1: ESTABLECER LOS PARAMETROS DE DISEÑO Los parámetros de diseño que deben considerarse para el diseño de la línea de tracing son los siguientes: • Tamaños: Diámetro y longitud de la tubería que debe mantener su temperatura constante

• Temperaturas: Se debe establecer la mínima temperatura a la que estará expuesta la tubería principal, asi como la temperatura que debe mantener dicha tubería bajo cualquier condición. • Materiales: Se debe establecer opciones acerca del tipo de aislamiento disponible a emplear en el sistema. • Disponibilidad de vapor: Debe verificarse si se cuenta con un suministro de vapor. Al finalizar el cálculo se debe verificar si el suministro de vapor que se tiene cumple con las exigencias de flujo de vapor y de presión de la línea de tracing Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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PASO N°2: SELECCIONAR EL TIPO DE SISTEMA DE TRACING Se debe seleccionar si la aplicación sobre la cual se instalara todo el sistema de tracing es de baja, media o alta temperatura. De acuerdo a esto se determinara si el sistema de tracing será recubierto (aislado), desnudo por convección o por conducción. De acuerdo a esto el tipo de tracing se elige de acuerdo a la siguiente tabla: TEMPERATURA DE PROCESO VS TIPO DE TRACING

La apropiada selección del sistema de tracing evitara problemas de sobrecalentamiento, perdidas de energía, reducirá el número de estaciones de trampeo, válvulas y evitara costos mayores de manteniendo. Como recomendación se sugiere emplear una línea de tracing por proceso y no una para 2 procesos. La adecuada selección del tipo de tracing Una vez seleccionado el tipo de tracing se determinara el espesor de aislamiento adecuado para la aplicación de acuerdo a la siguiente tabla. ESPESORES DE AISLAMIENTO TIPICOS

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PASO N°3: IDENTIFICAR LA PRESION DE MANTENIMIENTO Se escogerá la presión del sistema de acuerdo a la temperatura que se desea mantener en la tubería principal. Esto se realizar mediante una serie de tablas en los que se encuentran las para la temperatura a la cual se mantendrá el sistema la presión adecuada del vapor según el diámetro de la tubería principal. Una vez seleccionada la presión quedara automáticamente seleccionado el sistema específico de tracing a emplear. TEMPERATURA A MANTENER EN EL PROCESO Temp. Ambiente: -18°C, viento: 11 m/s, aislamiento: silicato de calcio

Solo se presenta el encabezado de las tablas por ser estas muy extensas. La tabla completa en la sección de anexos. PASO N°4: APLICACIÓN DE FACTORES DE CORRECCION DE CONDICIONES DE OPERACIÓN

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Se aplicaran una serie de factores de corrección a los datos obtenidos para reajustar los parámetros a las condiciones de operación extremas del sistema.  Factor de corrección por temperatura: Si la temperatura ambiente mínima fuese diferente al nivel base de las tablas anteriores (0 ° F (-18 ° C)) se empleara la siguiente tabla para aplicar un factor de corrección ambiental. Se multiplicara este coeficiente por la diferencia de temperatura del medio ambiente y se aplicara el resultado a la temperatura de proceso. FACTORES DE AJUSTE POR TEMPERATURA AMBIENTE

 Factor de corrección por aislamiento: Cuando los materiales de aislamiento sean distintos al de silicato de calcio (el que aparece en todas las tablas), será necesario aplicar un factor de corrección de aislamiento. De acuerdo a la siguiente tabla, para agregar o restar este valor a la temperatura de mantenimiento establecida en el paso 3.

FACTORES DE CORRECCION POR AISLAMIENTO

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Solo se presenta el encabezado de las tablas por ser estas muy extensas. La tabla completa en la sección de anexos.

PASO N° 5: DETERMINACION DEL NUMERO DE CIRCUITOS DE TRACING La determinación de las líneas de tracing se llevara a cabo basándonos en la siguiente tabla para líneas de 0.5 pulgadas: Número de Tracers de 1/2" (15 mm) usadas con líneas de producto de diferentes tamaños C a t e g s o r í a

Línea de Producto 1" 1-1/2" 2" 3" 4" 6" 8" 10"-12" 14"-16" 18"-20"

Tipo A

Tipo B No Critico

Tipo C Critico

Para transportar fluído Para transportar fluído Para transportar fluído con con temperaturas bajo con temperaturas entre temperaturas entre 75ºF-24ºC (75-150)ºF - (24-66)ºC (150-300)ºF - (66-149)ºC # de Tracers de 1/2"

# de Tracers de 1/2"

# de Tracers de 1/2"

1 1 1 1 1 2 2 2 2 2

1 1 1 1 2 2 2 3 3 3

1 2 2 3 3 3 3 6 8 10

Una vez seleccionado esto podemos compararlo con la siguiente tabla para comprobar la selección o seleccionar un nuevo diámetro para el traceado y de acuerdo a este el número de líneas de tracing requeridas. DISTANCIAS DE TRAMPEO Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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Solo se presenta el encabezado de las tablas por ser estas muy extensas. La tabla completa en la sección de anexos.

PASO N°6: DETERMINAR LA DISTANCIA ENTRE CADA ESTACION DE TRAMPEO Esta distancia se selecciona también con la tabla anterior, en la que de acuerdo al número y diámetro de las líneas de tracing y con la presión ya seleccionada se determinara la distancia entre cada estación de trampeo.

PASO N° 7: DETERMINACION DE LAS PERDIDAS POR LONGITUD Se considera una perdida por longitudes y accesorios de acuerdo a la siguiente tabla PERDIDAS EQUIVALENTES

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Con las pérdidas calculadas se calcula el ATVR (accumulated vertical tracer rise), que será la suma de todas las pérdidas por accesorios determinadas anteriormente más las elevaciones que sufre la línea de tracing en su recorrido.

Para que el vapor fluya con normalidad a través del sistema de tracing se debe cumplir que el valor del ATVR no exceda el 15% para aplicaciones conservadoras, pero puede llegar hasta no más del 30% de la presión del sistema de tracing. De lo contrario se debería incrementar la presión del sistema de tracing y recalcular los pasos anteriores para cumplir esta condición.

PASO N° 8: COMPROBACION DE LA DEMANDA DE CALOR DEL TRACING La siguiente tabla proporciona las pérdidas de calor para tuberías del producto aisladas de hasta 500mm de diámetro y con dos medidas alternativas de grosor de aislamiento: 50mm y 100 mm. De esta manera estimamos las pérdidas de calor de la tubería principal, para luego compararla con el calor que entrega línea de tracing.

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Con la siguiente tabla determinamos el calor que entrega cada tracing de acuerdo a su diámetro, presión de operación, y las condiciones calculadas anteriormente.

Finalmente comparamos estos valores para determinar si el calor proporcionado por el tracing cumple con el calor requerido por la tubería. Si no cumpliera aumentar el número de líneas e tracing o cambiar la presión del sistema.

PASO N°9: DETERMINAR LA DEMANDA DE VAPOR Para calcular la demanda de vapor real, se puede usar la siguiente fórmula: ̇

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̇

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Dónde: m= Demanda de vapor (kg/ h) Q= Calor perdido de la tabla 1 (W/m) L = Longitud de la tubería del producto traceado (m) hfg = Entalpía específica de evaporación (kJ/kg) n = Número de traceados paralelos por longitud de la tubería del producto

PASO N°10: SELECCIÓN DE ACSESORIOS El paso final del diseño de una línea de tracing es la selección de accesorios adecuados para poder aperar la línea. Los accesorios que debe incluir toda línea de tracing son: • • • • • • • • •

Manifolds de vapor Manifolds de condensado Controles de temperatura Conectores Purgadores termodinámicos Válvulas de purga Válvulas de operación Estaciones de trampeo Filtros

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2. MEMORIA DESCRIPTIVA 2.1 Ubicación Geográfica El Sistema de Calentamiento de R-500 con tracing de vapor estará ubicado en el parque industrial Rio, Departamento de Arequipa, provincia de Arequipa, Distrito de Cerro Colorado. Esta opción fue tomada a 2250 msnm aproximadamente con una humedad relativa de 50%.

La figura muestra la ubicación del terreno en la localidad de Rio Seco

La figura muestra las coordenadas geográficas 16°21'2"S 71°34'19"W Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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La figura muestra la ubicación general de la instalación del Tacing

La figura muestra la ubicación geográfica en territorio peruano

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2.2 Descripción General del Proyecto 2.2.1 Caldera Pirotubular Horizontal de Espalda Húmeda INTESA:

Valvula principal de salida de vapor

Compresor de Aire

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2.2.2 Recepción en Planta El control diario de la densidad en API puede resultar un sistema de control bastante simple y efectivo, complementándolo con otros análisis de control de calidad (viscosidad, contenido de agua e impurezas, nivel de degradación por oxidación, etc.) El residual se factura a 60°F (16°C), siendo práctica normal que se despache a mayor temperatura para facilitar su bombeo a 100°F (38°C), el volumen despachado se deberá multiplicar por un “Factor de Corrección de Volumen con la Temperatura” (ANEXO 1 tabla 1). Donde se controla que no existan sustracciones en el transporte, consiste en medir la densidad continuamente y controlar el peso, efectuando la transformación a volumen. 2.2.2.1 Control de Peso al ingreso de la planta - Datos: Tanque Cisterna con capacidad cubicada de 10 000 gal. Con Petróleo Residual 500 a 100°F (38°C) ρ a 100°F (tabla 2)

Por tabla 1: El factor de corrección de volumen con la temperatura será: 0.851 Por lo tanto convertiremos los °API en densidad relativa mediante la fórmula:

Entonces:

((

) (

)) (

)

Nota: El peso del volumen facturado contenido en el tanque, a cualquier temperatura, debe ser 31 276.25 kg o 31.2762 Ton, medido en una balanza electrónica. Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

Página 50

Para nuestro tanque de almacenamiento tendremos un volumen: Conociendo los valores de la Caldera INTESA (800BHP) (Tabla 3)

̇ Trabajando por semana de Lunes a Viernes, en si 20 días al mes. ̇

Necesitamos para llenar nuestro tanque de almacenamiento:

(

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) (

)

Página 51

2.2.3 Normas API API 650: Norma de construcción de tanques atmosféricos y compresiones de gas de hasta 2.5 psi. Las normas API son establecidas siempre para tratar problemas de naturaleza general, son revisadas, modificadas, reafirmadas o eliminadas al menos cada 5 años. La intención de la norma es servir como una especificación de compra para tanques en la industria petrolera. Los estándares API son publicados para facilitar una amplia aplicación de buenas prácticas comprobadas de ingeniería y operación. El código de la norma API 650 está basado en el conocimiento y la experiencia acumulada de fabricantes y usuarios de tanques de almacenamiento de petróleo soldados, de varios tamaños y capacidades, con una presión manométrica interna que no exceda de 2.5 psi. Las reglas de diseño establecidas en el código son requerimientos mínimos, se pueden especificar reglas más restrictivas por el cliente o ser dadas por el fabricante, cuando han sido acordadas previamente entre el comprador y el fabricante. El código no aprueba, recomienda o respalda ningún diseño en específico y tampoco limita el método de diseño o fabricación. El código aplica para tanques en los cuales la totalidad del fondo del tanque está soportado uniformemente y para tanques en servicio no refrigerado con temperaturas de servicio máximas de 200 º F (90 º C). El código trae especificaciones en unidades del sistema común de unidades de Estados Unidos (US customary) y estándares norteamericanos además de unidades del sistema internacional de medidas (SI sistema métrico) y estándares ISO aplicables, cuando se presenten conflictos entre las unidades, mandará el sistema US customary. El contenido de poscódigos de la norma API 650 son los siguientes: 1. Alcance. 2. Materiales. 3. Diseño. 4. Fabricación. 5. Montaje y Ensamblaje. 6. Métodos de inspección de las juntas. 7. Marco Final. 8. Apéndices. Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

Página 52

CAPITULO II: Cálculos Justificativos

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Página 53

1. CALCULO DE TUBERÍAS Y TRACING Para el cálculo de tuberías se le asignó un nombre a cada tubería del sistema y su procedimiento de cálculo se describe a continuación. 1.1 Tubería de Petróleo del tanque general al tanque diario “12”  Para el cálculo de la tubería se tuvo en cuenta el consumo de petróleo R500 que tiene nuestra caldera “INTESA de 800 BHP”. ⁄ ̇ El volumen de consumo diario será entonces: ̇ ⁄  Se determinó el volumen de este tanque considerando un abastecimiento para 5 días.

 Llenado completo del tanque en 6 hr, entonces el flujo que pasara por la tubería desde el tanque de la empresa hasta el tanque diario será: ̇

̇ Sabemos que la velocidad recomendada es de 0.3 m/seg, entonces: ̇

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̅

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̇

Despejando de la fórmula de área de una tubería el diámetro tendríamos:

√

El diámetro de la tubería es excesivo, el tiempo de llenado es muy poco, la exigencia de la tubería será demasiada.  Llenado completo del tanque en 12 hr: ̇

̇

Sabemos que la velocidad recomendada es de 0.3 m/seg, entonces: ̇ ̅

̇

√

El diámetro de la tubería es entonces 0.1 metros (3.82 pulgadas). NORMALIZANDO LA TUBERIA: D = 0.1m = 3.94 pulgadas, lo aproximamos a 4 pulgadas por ser una medida estándar. Seleccionamos una tubería SCH 40 de 4 pulgadas Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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COMPROBACION DE VELOCIDAD: ̇ ̅ ̅

̅ Como vemos es muy parecida a la velocidad recomendada.

1.2 Tubería para el Precalentador de combustible de caldero “2” VAPOR COMBUSTIB LE

El agua de alimentación entra a 60°C Presión de la caldera 100 psi g

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Realizamos un balance en el precalentador. ̇

̇

(

)

Despejando el valor del flujo de vapor ̇

(

)

̇

(

)

̇

̇

El flujo de vapor se calculara multiplicando la densidad del combustible por el caudal requerido de operación, se empleara la siguiente expresión: ̇ ̇

̇

̇

(

)

Datos de combustible: Cp: coeficiente de presión del R 500 T2: temperatura de salida del precalentador (temperatura de atomización del R 500) T1: temperatura de entrada del R 500 al precalentador Hfg: calor latente de vaporización del agua Cp = 2.18 Kj/Kg °C T2 = 110 + 10 = 120°C temperatura para atomización T1 = 45 + 5 =50°C temperatura para transporte De tablas el Hfg = 2199.7 a 15 psi g ( ̇

)

̇ Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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Diseño por velocidad recomendada para la tubería: Velocidad de vapor = 25 m/seg Empleando los ábacos de selección de tuberías tendremos Φ = 15 mm ESTANDARIZANDO Φ = 15 mm = 1/2" en SCH 40 Seleccionamos una tubería SCH 40 de 1/2" pulgadas

1.3 Tubería que va a los tanques de almacenamiento de combustible “3”: Realizamos un balance en el calentador del tanque diario de combustible. VAPOR COMBUSTIB LE

̇

̇

(

)

Despejando el flujo de vapor: ̇

(

)

̇

(

)

̇

̇

̇

̇

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(

)

Página 58

Datos de combustible: Cp: coeficiente de presión del R 500 T2: temperatura salida del calentador (10 ° más que la temperatura de bombeo del R500) T1: temperatura de entrada del R 500 al calentador (temperatura de bombeo) Hfg: calor latente de vaporización del agua Cp = 2.18 Kj/Kg °C T2 = 50 + 10 = 60°C T1 = 50°C temperatura para transporte por bombeo De tablas el Hfg = 2199.7 a 15 psi g ( ̇

)

̇ Diseño por velocidad recomendada para la tubería: Velocidad de vapor = 25 m/seg Φ = 12.5 mm ESTANDARIZANDO Φ = 12.5 mm = 15 mm en SCH 40 Seleccionamos una tubería SCH 40 de 1/2" pulgada

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Página 59

1.4 Diseño del sistema de Tracing - PASO N°1: ESTABLECER LOS PARAMETROS DE DISEÑO Diámetro de la tubería de proceso

Longitud de la línea de tracing L = 8.35 + 345.82 + 345.82 = 699.9 m = 700 m Determinación de las temperaturas de operación Tamb = 5°C a 24°C trabajamos con la mínima 5°C TR500 bombeo = 50°C Selección del material aislante Aislamiento utilizado: silicato calcio - PASO N°2: SELECCIONAR EL TIPO DE SISTEMA DE TRACING Empleando las tablas descritas en el marco teórico tendríamos que para conservar el producto a 50°C estaríamos en:

Requerimiento de vapor médium/low (39°C-66 C) → (desudo o convección)

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Página 60

Pasamos a la selección del espesor de aislamiento ingresando a la tabla respectiva con el diámetro de la tubería de procesos y el tipo de aislamiento

Espesor de aislamiento seleccionado de 1 ½” (40 mm) - PASO N°3: IDENTIFICAR LA PRESION DE MANTENIMIENTO TR500 bombeo = 50°C = 122°F Seleccionamos la presión del sistema de tracing

Seleccionamos BT o BTS desudo para 132°F (15 psi g y 250°C) Entonces trabajaríamos con una presión de 15 psig Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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- PASO N°4: APLICACIÓN DE FACTORES DE CORRECCION DE CONDICIONES DE OPERACIÓN Como nuestra mínima temperatura no es menor a -18 °C no se aplicara ningún factor de corrección por temperatura. Emplearemos silicato de calcio como aislante, según la recomendación del fabricante por lo que tampoco se aplicara ningún factor de corrección por material del aislante. - PASO N° 5: DETERMINACION DEL NUMERO DE CIRCUITOS DE TRACING Empleando la tabla y como primera aproximación se determinara el número de líneas de tracing de media pulgada requeridas para la operación. Número de Tracers de 1/2" (15 mm) usadas con líneas de producto de diferentes tamaños C a t e g s o r í a

Tipo A

Tipo B No Critico

Tipo C Critico

Para transportar fluído Para transportar fluído Para transportar fluído con con temperaturas bajo con temperaturas entre temperaturas entre 75ºF-24ºC (75-150)ºF - (24-66)ºC (150-300)ºF - (66-149)ºC

Línea de # de Tracers de 1/2" # de Tracers de 1/2" Producto 1" 1 1 1-1/2" 1 1 2" 1 1 3" 1 1 4" 1 2 6" 2 2 8" 2 2 10"-12" 2 3 14"-16" 2 pulgada para el3tracing. empleara una línea de media 18"-20" 2 3

Se Comprobamos la selección

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# de Tracers de 1/2" 1 2 2 3 3 3 3 6 8 10

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- PASO N°6: DETERMINAR LA DISTANCIA ENTRE CADA ESTACION DE TRAMPEO En base a la tabla anterior la distancia de trampeo quedo establecida en Distancia de trampeo 34 m (110 ft) 1 tracing de ½”. - PASO N° 7: DETERMINACION DE LAS PÉRDIDAS POR LONGITUD Se empleara la siguiente tabla para la determinación de las pérdidas de la línea

Codos de 90°: 4 unidades

La longitud de la línea de tracing será de 700 m y se hará toda a una misma altura respecto del piso. Calculo del ATVR: este valor seria los desniveles con los que se cuenta más las pérdidas por accesorios.

Comprobamos si es menor a las perdidas máximas permitidas en la línea. ( (

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) )

Página 63

- PASO N° 8: COMPROBACION DE LA DEMANDA DE CALOR DEL TRACING Calculamos las pérdidas de la tubería de procesos Espesor de aislamiento = 40 mm T° tub. Proc.=50 °C T° critica amb.= 5 °C

Con estos datos ingresamos a la tabla de pérdidas de calor

En la sección remarcada realizamos una doble regla de 3 para determinar las perdidas con nuestro espesor de aislamiento y nuestra diferencia de temperaturas 50 mm 100 mm 40 mm

→ → →

14 W/m 9 W/m x = 15 W/m

50 mm 100 mm 40 mm 25 ° 75 ° 45 °

→ → → → → →

43 W/m 26 W/m x = 46.6 W/m 15 W/m 46.6 W/m x = 27.64 W/m

Perdidas por tuberías aisladas (Q) = 27.64 W/m Ahora determinaremos la transmisión de calor del traceado a la línea de procesos Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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USAREMOS COBRE EN LAS LINEAS DE TRACING P = 15 psi g = 1 Bar (r) aproximadamente Ingresamos a la tabla para calcular las pérdidas de acuerdo a nuestro diámetro

Interpolamos para obtener las pérdidas a nuestra presión de traceado 3 bar r → 5 bar r → 1 bar r →

58 W/m 65 W/m x = 63 W/m

Calor transmitido a la línea (Q=63 w/m) Comparamos: Q perd < Q tracing - PASO N°9: DETERMINAR LA DEMANDA DE VAPOR ̇

̇

Dónde: m= Demanda de vapor (kg/ h) Q= Calor perdido de la tabla 1 (W/m) L = Longitud de la tubería del producto traceado (m) hfg = Entalpía específica de evaporación (kJ/kg) n = Número de traceados paralelos por longitud de la tubería del producto Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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Remplazamos en la formula y obtenemos ̇

- PASO N°10: SELECCIÓN DE ACSESORIOS Los accesorios a seleccionar serán los siguientes:          

Manifolds de vapor Manifolds de condensado Controles de temperatura Conectores Purgadores termodinámicos Válvulas de purga Válvulas de operación Estaciones de trampeo Filtros Se utilizo dispositivos para la selección de este sistema de traceado “spirax sarco”

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1.4.1 Selección de Dispositivos para el Sistemas de Traceado a) Para tubería 2, 3, 4 1. Controles de temperatura y controles de presión: Estación reductora de presión pilotada (roscada)

Parte 1 2-3-4-56 7

Componente Separador Conjunto de Purga Separador Válvula de Interrupción

Función para proteger la válvula reductora del vapor húmedo

8

Filtro

9

Manómetro

10

Válvula reductora de presión

11

Válvula de Seguridad

12 13

Manómetro Válvula de interrupción

del para aislar la estación reductora de la entrada de vapor para evitar la entrada de suciedad en la válvula reductora para monitorear la presión aguas arriba de la válvula reductora para reducir la presión de suministro a la presión de trabajo para proteger los equipos aguas abajo de sobrepresión para monitorear la presión de control para ajustar la presión de consigna de la válvula sin carga

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 Separador “1”: Se utilizó “S1 de fundición nodular tamaño DN15 – 25, de conexión roscada con camisas aislantes IJ-S1”  Válvula de interrupción “2,7,8”: Para punto 7 se utilizó “HV3 en Bronce válvula de interrupción de ½” de conexión roscada”. Para punto 2 se utilizó “M10S en acero inoxidable válvula de conexión de ½” roscada”. Para punto 8 se utilizó “PR31 en acero de ½” de conexión roscada”.  Filtro “3,9”: Se utilizó un filtro de “ANSI 300 de acero con conexión de ½” roscado”  Purgador de vapor “5”: Se utilizó “IFT14 Purgador de boya en fundición nodular”  Válvula de retención “6”: Se utilizó “DCV1 de ½” válvula de retención de disco, material bronce”  Manómetro “10,13”: 2 manómetros de Spirax Sarco de 3/8” con rango de presión de 0-25bar y conexión roscada BSP.  Válvula reductora de presión “11”: Válvula reductora de presión de acción directa tipo BRV2 de material Bronce de ½” roscada.  Válvula de seguridad “12”: Se utilizó “SV615 – A – N – DN15 BSP”

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2. Mainfolds de tubería “vapor” y “condensado”: Se seleccionaron para ambas aplicaciones un tipo MSC tamaño DN15 con bridas ANSI clase 150. 3. Conectores Universales: (ubicado en la salida del manifold vapor) Se utilizó “el PC10 es un conector de acero inoxidable austenitico. ANSI clase 300 1/2”.

b) Para tubería 6,7,8,9 4. Purgadores de presión equilibrada para vapor:

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Parte

Componente

Función

1

Válvula de interrupción

para aislar la instalación de vapor de la entrada de vapor

2

Purgador de Vapor de Presión Equilibrada

3

Mirilla

4

Válvula de retención

5

Válvula de interrupción

para desalojar correctamente el condensado para observar el estado del condensado para evitar el retorno de flujo para aislar el conjunto de purga del sistema de condensado

 Válvula de interrupción “1,5”: Para punto 1,5 se utilizó “HV3 en Bronce válvula de interrupción de 1 1/4” de conexión roscada”.  Purgador de vapor “2”: Se utilizó “IFT14 Purgador de boya en fundición nodular”  Válvula de retención “6”: Se utilizó “DCV1 de 1 1/4” válvula de retención de disco, material bronce”  Mirilla “3” Se utilizó una mirilla de doble cristal 1 ¼” de rosca BSP 5. Difusores: (salida del Manyfold condensado) Se utilizó “DF2 ¾” roscada BSP”

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6. Selección de trampas de vapor

Se utilizó “BPM21L ½“roscada BSP en acero”

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1.4.2 Tubería desde el Manifold de vapor hasta el inicio del tracing “4”: De acuerdo a lo anterior las líneas de tracing trabajarían bajo los siguientes parámetros

̇

Con estos valores y ábacos de tuberías se determinó el diámetro de dicha tubería Φ = 12.5 mm Normalizando se obtiene SCH 40 Φ = 1/2 in 1.4.3 Tubería para procesos “5”: El flujo total que nos proporciona la caldera en las condiciones de operación establecidas en la descripción del proyecto será la suma de todos los flujos que se usaran. ̇

( ̇

̇

̇

)

De esta ecuación podemos reemplazar los valores y despejar el flujo de vapor que se ira hacia los procesos ̇

( ̇

̇

̇

)

̇

̇ Se dimensiona la tubería por el criterio de velocidades recomendadas debido a que no se conoce la longitud de dichas tuberías y no es el tema del proyecto. V troncal = 15 m/seg P = 100 psi g, aproximadamente 7 Bar (r) Φ = 250 mm Normalizando se tiene SCH 40 Φ = 10 pulg Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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1.5 Tuberías de condensado 1.5.1 Tubería del Precalentador “6”: ̇

̇

P = 15 psi g, equivalente a 1 bar (r) aproximadamente Empleando ábacos de selección de tuberías de condensado se tiene Φ = 1 ¼” Normalizando se tiene SCH 40 Φ =1 ¼” 1.5.2 Tubería del tanque diario “7”: ̇ P = 15 psi g, equivalente a 1 bar (r) aproximadamente Φ = ½” Normalizando se tiene SCH 40 Φ = 1/2”

1.5.3 Tubería de trampeo del tracing “8”: ̇

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Recalculo de la distancia de trampeo

Calculamos el flujo de condensado que será evacuado en cada tramo ̇ Cada tramo de recolección de condensado tendrá la capacidad hallada aquí. Para el cálculo de cada tramo de tuberías se elaboro un diagrama donde se incluyen los flujos de cada tramo, y con ayuda lo los ábacos de tuberías de condensado se determinaron los diámetros de las tuberías de condensado del sistema de tracing, siendo estos de ½”, ¾” y 1”. Normalizando se tiene SCH 40 Φ = 1/2” Normalizando se tiene SCH 40 Φ = 3/4” Normalizando se tiene SCH 40 Φ = 1” La distribución de estas tuberías se aprecia en el layout del sistema de tracing. 1.5.4 Tubería derivación del condensado de tracing “9”: El flujo de condensado que pasara por cada una de estas tuberías será: ̇ Con la ayudad e los ábacos de tuberías de condensado se determinó el diámetro de estas tuberías. Su disposición se muestra a detalle en el layout del tracing. Φ = ½” Normalizando se tiene SCH 40 Φ = 1/2” Diseño de Plantas Industriales II - UCSM

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1.6 Tubería salida Manifold “10”: El condensado del manifold se calcula de manera similar al manifold de vapor, solo se suman todos los flujos de condensado. ̇

̇

̇

̇

̇ P = 15 psi g, equivalente a 1 bar (r) aproximadamente Con la ayuda de ábacos de tuberías de condensado se seleccionó el diámetro de la tubería Φ = 1 ¼” Normalizando se tiene SCH 40 Φ = 1 ¼” 1.7 Tubería combustible tanque diario de caldera “13 y 14”: Sabemos que:

̅

La velocidad recomendada es: ̅ El consumo de combustible de la caldera es:

Remplazamos en la primera ecuación y despejamos el diámetro

Obtenemos que el diámetro es 0.0315 m = 31.5 mm = 1.24 pulgadas Normalizando se tiene SCH 40 Φ=1 1/4”

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1.8 Distancia entre soportes del línea de procesos La distancia mínima entre soportes será de 4.25 m para tuberías de 100 150 mm de diámetro.

1.9 Determinación del espesor de aislamiento para las tuberías de vapor exceptuando la línea de tracing Todas las tuberías de vapor que se usaran trabajan a la misma presión (15 psig) y por lo tanto manejan la misma temperatura (170 °C aproximadamente) De acuerdo a esto, empleando tablas de selección de asilamiento y considerando el diámetro de dichas tuberías tendríamos los siguientes resultados. - TUBERIA 2 (D = ½ PULG) Longitud: 3 m Espesor de aislamiento: 40 mm Presión de la línea: 100 psig T° sat: 338 °F T° sup tub: 40 °C (104 °F) T° amb.: 5°C (41) Calor perdido: 37,9 W/m = 10.16 W Dif temperaturas: 338 – 41=297 De la gráfica de pérdidas se obtiene que las pérdidas de calor por tuberías desnudas sean:

Las perdidas por unidad de longitud serán:

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Remplazando los valores y tomando el D exterior de las tuberías, no el nominal

Calculamos la eficiencia de aislamiento (

(

)

)

- TUBERIA 3 (D = ½ PULG) Longitud: 10 m Espesor de aislamiento: 40 mm Presión de la línea: 100 psig T° sat: 338 °F T° sup tub: 40 °C (104 °F) T° amb.: 5°C (41) Calor perdido: 37,9 W/m = 10.16 W Dif temperaturas: 338 – 41=297 De la gráfica de pérdidas se obtiene que las pérdidas de calor por tuberías desnudas son:

Las perdidas por unidad de longitud serán:

Remplazando los valores y tomando el D exterior de las tuberías, no el nominal

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Calculamos la eficiencia de aislamiento (

)

(

)

- TUBERIA 3 (D = ½ PULG) Longitud: 10 m Espesor de aislamiento: 40 mm Presión de la línea: 100 psig T° sat: 338 °F T° sup tub: 40 °C (104 °F) T° amb.: 5°C (41) Calor perdido: 37,9 W/m = 10.16 W Dif temperaturas: 338 – 41=297 De la gráfica de pérdidas se obtiene que las pérdidas de calor por tuberías desnudas son:

Las perdidas por unidad de longitud serán:

Remplazando los valores y tomando el D exterior de las tuberías, no el nominal

Calculamos la eficiencia de aislamiento (

)

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(

)

Página 78

2. DISEÑO DE TANQUE DE ALMACENAMIENTO 2.1 Capacidad de Almacenamiento Considerando una Caldera Pirotubular Horizontal de Espalda Húmeda INTESA: Datos: P = 800 BHP ̇

̇

Consideramos: D=H Diámetro = Altura

√

√

Aproximando =>

Tanque Almacenamiento 1

Volumen ( 405.51

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)

Altura (mm)

Diámetro (mm)

8100

8100 Página 79

2.2 Calculo de Espesor de Casco Según Norma API 650 (

)

[

]

Pero en ningún caso el espesor nominal debe ser menor que: t = 3/16 pulg para D < 50 pies t = ¼ pulg para 50 ≤ D < 120 pies t = 5/6 pulg para 120 ≤ D < 200 pies Donde: t : Espesor mínimo requerido de la placa en pulg D: Diámetro de tanque en pies H: Altura de tanque en pies G: Densidad relativa del líquido a almacenar: considerar 1 E: Eficiencia de la junta E = 0.85 Cuando es radiografiado por zonas E = 0.70 Cuando no es radiografiado C: Margen por corrosión en pulg C = 0.065 pulg

(

)

El espesor lo estandarizamos en:

Cumple OK t = 3/16 pulg para D < 50 pies

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2.3 Calculo del Espesor del Techo Consideramos un Techo Tipo C Auto Soportado, cuyo espesor por normas API es:

Donde: t : Espesor de la placa en pulg Pero en ningún caso no debe ser menor que 3/16 pulg, ni mayor que ½ pulg. D: Diámetro interior del tanque en pies Θ: Angulo del cono con la horizontal En ángulo no debe ser menor que 9° ni mayor que 37° C: Margen por corrosión en pulg

(

)

El espesor lo estandarizamos en:

Cumple OK 3/16 pulg < t < ½ pulg 2.4 Calculo del Espesor del Fondo Por norma API 650 tenemos que:

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Página 81

2.5 Resumen de Cálculos para Tanque de Almacenamiento Tanque Almacenamiento 1

Zona de Espesor De Casco De Techo De Fondo

Volumen (

)

Altura (mm)

Diámetro (mm)

8100

8100

405.51

Espesor Standard (pulg) 3/16 3/8 1/4

Espesor Standard (mm) 4.76 9.53 6.35

3. CALCULO Y SELECCIÓN DE CASA DE BOMBAS La casa estará constituida de una bomba de engranajes para lo que se refiere a recepción y trasiego de combustible, y de 2 bombas (1 de reserva) para la alimentación del combustible a la sala de calderos. 3.1 Selección de la Bomba de Combustible de Recepción y Tracing - Calculo de las Perdidas de Presión por Rozamiento Las condiciones más severas para cálculo de las pérdidas de presión es cuando se realiza el trasiego de tanque a tanque, ya que el combustible recorre mas longitud de tubería por donde ira instalada en paralelo el tracing. Longitud de tubería: DN 4 pulg = 700 m Longitud de equivalente por accesorios: Consideraremos para este caso el 10 % de la longitud de tubería más Longitud total: LT = 770 m

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La caída de presión por rozamiento se calcula por la formula de Darcy:

Donde: f: Factor de fricción LT: Longitud total : Densidad del Residual 500 = 960 kg/m3 V1: Velocidad media = 0.3 m/seg D1: Diámetro Interior de la tubería = 4 pulg = 0.1016 m

Donde: N°Re: Número de Reynolds Menor a 2000 es laminar Entre 2000 – 4000 es transitorio Mayor a 4000 es turbulento Uc: Viscosidad cinemática =

(Aproximadamente T = 40°C) (TABLA 2)

El régimen es Laminar (menor a 2000) Por la formula de Poiseville:

Por lo tanto calculando caída de presión por Darcy: (

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)

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- Calculo de Presión de Bombeo

Tanque de Almacenamiento (B)

Ha

Tanque Diario (A)

Hb B =7m = 0.8 m

Considerando la Presión en Arequipa: 0.77 bar *

= 77019 Pa

Sumando las 2 presiones tenemos: ( (

)

(

) (

)

)

Mas un 20% como reserva por envejecimiento de tubería y por cualquier discrepancia en el cálculo de la longitud equivalente.

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Luego los parámetros para la selección de la bomba de combustible son: - Parámetros Tipo de Fluido: Petróleo Residual R-500 Temperatura de Bombeo = 60 °C Viscosidad Cinemática = 500 SSF = 5200 SSU Caudal: Q = 223.2 gal/hr = 3.72 GPM Presión de Bombeo: P = 74 PSI - Selección de Bomba Tipo: Bomba rotatoria de Engranajes Internos Marca: Viking (USA) Modelo: Series 34 y 434, N° de Modelo HL34 Fluido a Bombear: Residual R-500 Viscosidad: 5200 SSU Velocidad: 1200 RPM Caudal: 3.72 GPM Presión de Bombeo: 74 PSI

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De la GRAFICA 4, hallamos la eficiencia de nuestra bomba:

Eficiencia Base: n = 53 %

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3.2 Selección de la Bomba de Combustible de Alimentación a Sala de Calderos - Calculo de las Perdidas de Presión por Rozamiento Las condiciones más severas para cálculo de las pérdidas de presión es cuando se realiza el trasiego de tanque a tanque, ya que el combustible recorre mas longitud de tubería por donde ira instalada en paralelo el tracing. Longitud de tubería: DN 4 pulg = 3 m Longitud de equivalente por accesorios: Consideraremos para este caso el 10 % de la longitud de tubería más Longitud total: LT = 3.60 m

La caída de presión por rozamiento se calcula por la formula de Darcy:

Donde: f: Factor de fricción LT: Longitud total : Densidad del Residual 500 = 960 kg/m3 V1: Velocidad media = 0.3 m/seg D1: Diámetro Interior de la tubería = 1 1/4 pulg = 0.03175 m

Donde: N°Re: Número de Reynolds Menor a 2000 es laminar Entre 2000 – 4000 es transitorio Mayor a 4000 es turbulento Uc: Viscosidad cinemática =

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(Aproximadamente T = 40°C) (TABLA 2)

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El régimen es Laminar (menor a 2000) Por la formula de Poiseville:

Por lo tanto calculando caída de presión por Darcy: (

)

- Calculo de Presión de Bombeo

B

Caldera (C)

Hc

Tanque Diario (A) Ha B

=7m = 0.8 m

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Considerando la Presión en Arequipa: 0.77 bar *

= 77019 Pa

Sumando las 2 presiones tenemos: ( (

)

) (

(

)

)

Mas un 20% como reserva por envejecimiento de tubería y por cualquier discrepancia en el cálculo de la longitud equivalente.

Luego los parámetros para la selección de la bomba de combustible son: - Parámetros Tipo de Fluido: Petróleo Residual R-500 Temperatura de Bombeo = 60 °C Viscosidad Cinemática = 500 SSF = 5200 SSU Caudal: Q = 223.2 gal/hr = 3.72 GPM Presión de Bombeo: P = 15 PSI - Selección de Bomba Tipo: Bomba rotatoria de Engranajes Internos Marca: Viking (USA) Modelo: Series 34 y 434, N° de Modelo Q34 Fluido a Bombear: Residual R-500 Viscosidad: 5200 SSU Velocidad: 0.3 m/seg Caudal: 3.72 GPM Presión de Bombeo: 15 PSI

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4. DISEÑO DEL TANQUE DE COMBUSTIBLE DE USO DIARIO 4.1 Capacidad de Almacenamiento Considerando una Caldera Pirotubular Horizontal de Espalda Húmeda INTESA: Datos: P = 800 BHP ̇

̇

Consideramos: H = 1.5*D Diámetro = Altura ( )

√

√

Aproximando =>

Tanque Almacenamiento 1

Volumen ( 101.38

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)

Altura (mm)

Diámetro (mm)

4450

6680 Página 91

4.2 Calculo de Espesor de Casco Según Norma API 650

(

)

[

]

Donde: t : Espesor mínimo requerido de la placa en pulg D: Diámetro de tanque, 4450 mm = 175.20 pulg P: Presión requerida en el tanque, consideraremos 4 Bar = 58.05 PSI E: Eficiencia de la junta E = 0.85 Cuando es radiografiado por zonas E = 0.70 Cuando no es radiografiado C: Margen por corrosión en pulg C = 0.065 pulg

[

]

El espesor lo estandarizamos en:

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Página 92

4.3 Calculo del Espesor de las Tapas

(

)

(

)

Donde: t : Espesor de la placa en pulg P: Presión requerida en el tanque, consideraremos 4 Bar = 58.05 PSI D: Diámetro de tanque, 4450 mm = 175.20 pulg E: Eficiencia de la junta E = 0.85 Cuando es radiografiado por zonas E = 0.70 Cuando no es radiografiado M: Factor para relación de radios, M = 1 C: Margen por corrosión en pulg

(

)

(

)

El espesor lo estandarizamos en:

4.4 Calculo de Soportes - Volumen del Casco ( (

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) )

Página 93

- Volumen de las Tapas (

(

)

)

- Peso del tanque

Sabemos que la densidad del acero es:

Por lo tanto el peso del tanque será:

Agregando 20% por accesorios, tuberías, soldadura, aislamiento:

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Por lo tanto redondeamos el peso total del tanque diario:

- Soportes Consideramos 3 soportes para nuestro tanque diario:

4.5 Resumen de Cálculos para Tanque de Almacenamiento

Volumen (

Tanque Diario 1

101.38

Zona de Espesor De Casco De Tapas

)

Altura (mm)

Diámetro (mm)

4450

6680

Espesor Standard (pulg) 5/8 5/8

Espesor Standard (mm) 15.88 15.88

N° de Columnas

Carga por Columna

3

33 333.3 kg = 33.3 Ton

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4.6 Diseño de Serpentín para Calentamiento de Tanque de uso Diario El flujo de vapor que ingresa al calentador del tanque es: ̇ E ingresa a una presión de:

El hfg para dicha presión es de

El calor que debe entregarle el serpentín al tanque se calcula mediante la siguiente expresión: ̇ Ahora sabemos que en nuestra línea de tracing los tubos de cobre entregan 63 W/m (calculo anterior), por lo que si dividimos el calor necesario por calor por unidad de longitud que nos entrega una tubería obtenemos la longitud necesaria del serpentín.

Se requieren 91.42 metros de longitud de tubería para calentar la parte del tanque por la cual saldrá el combustible para su uso diario. El diámetro del tanque es 4m, por lo que si queremos cubrir un área que se asemeje a un cuadrado en la base del tanque la máxima longitud que lograríamos seria de 2.8 m por geometría.

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En base a esto si dividimos la longitud requerida entre la longitud permisible obtendremos el número de tubos de cobre requeridos para armar el serpentín.

Entonces requeriremos 33 tubos de 2.8 m cada uno. Ahora calcularemos el espacio entre cada tubo, o sea el paso del serpentín. Para esto dividiremos la longitud disponible entre el número de tubos calculado.

En base a estos datos ya podemos dimensionar adecuadamente el serpentín, y por las curvaturas del mismo obtendremos mas longitud, por lo que si se cumplirá los requerimientos de calentamiento.

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ANEXOS

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ANEXO 1: Tablas

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Página 100

TABLA 1: Factor de Corrección de Volumen con la Temperatura (10-19° API) 50 – 100 °F

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Página 101

TABLA 2: Inspecciones típicas de Propiedades para derivados del Petróleo

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Página 102

TABLA 3: Tabla de Especificaciones Técnicas y Dimensiones de Caldera Pirotubular

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Página 103

TABLA 4: Comparación de los distintos Sistemas de Pulverización en los Quemadores de Combustibles Líquidos

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Página 104

ANEXO 2: GRAFICAS (NOMOGRAMAS)

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Página 105

GRAFICA 1: Nomograma para la conversión de unidades de conversión

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Página 106

GRAFICA 2: Viscosidad – Temperatura de Atomización

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Página 107

GRAFICA 3: Efecto de la Viscosidad y Presión Diferencial en la Bomba de Tornillo

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Página 108

GRAFICA 4: Efecto de la Viscosidad y Presión Diferencial en la Bomba de Engranajes

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Página 109

ANEXO 3: Proyecciones 3D

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Tanque Diario de Residual R-500

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Página 111

ANEXO 4: Ábacos para Selección de Tuberías

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Página 112

ANEXO 5: Planos

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Página 113

ANEXO 6: Planos de Distribución de Tuberías y Equipos

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ANEXO 7: Plano de Distribución de Planta

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