Diseño Mecanico de Equipos de Proceso (1.2011) - Introducción

D i señ o M ec ecá án i co de E qu quii pos de Pr oc oce eso Car o li n e Ru b in a Ac Acuñ a Ing . Civ il Q u ím ic o -Ejec . Metal úrg ic o

Plan de trabajo •

• •

3 Evaluaciones:- 2 pruebas + trabajos + tareas - Taller de investigación (presentación) + reporte terreno y charla. 1 visita a terreno + 1 charla.  80 % asistencia.

Plan de trabajo •

• •

3 Evaluaciones:- 2 pruebas + trabajos + tareas - Taller de investigación (presentación) + reporte terreno y charla. 1 visita a terreno + 1 charla.  80 % asistencia.

Fechas de pruebas •

1° Evaluación 4 de Mayo

•

2° Evaluación 25 de mayo

•

3° Evaluación 28 de junio junio informe escrito vía mail - 29 de junio presentación

Plan de estudio Unidades: • 1. Materiales de construcción. • 2. Corrosión. • 3. Diseño de equipos de proceso. • 4. Aplicación del diseño. • 5. Aspectos de seguridad.

Introducción •

Prueba de diagnostico - Comentar sobre resistencia de materiales? - Cuales son las problemáticas que pueden surgir en el diseño de equipos?

Introducción •

El diseño de procesos es uno de los campos más apasionantes y complejos dentro de la ingeniería química, y es el corazón del desarrollo de proyectos de ingeniería relacionados con la construcción nuevas  plantas de procesamiento.

Introducción

Introducción •

El diseño de un proceso es una tarea interdisciplinaria que abarca todos los campos de la ingeniería y se ha dividido en tres etapas principales:  –  Diseño conceptual  –  Diseño básico  –  Diseño detallado

Introducción •

Las dos primeras etapas son realizadas por los , en su ingenieros químicos, mayoría mientras que la última es realizada por un equipo de ingenieros mecánicos, civiles, eléctricos, instrumentistas, entre otros; luego el punto de partida de todo proyecto de ingeniería de procesos parte del equipo de ingenieros químicos encargados de los diseños conceptual y básico.

Introducción •

El diseño conceptual o síntesis de proceso es la etapa en la cual se arma la topología del proceso, es decir el esquema o diagrama de flujo básico que presenta la secuencia de operaciones necesarias para transformar las materias primas en los productos deseados. Por simple que parezca, la conceptualización del proceso es un tema complejo de alta responsabilidad, ya que los errores de esta etapa se trasladarán y amplificarán en las etapas siguientes.

Introducción •

En esta etapa cuenta mucho la experiencia del ingeniero de procesos, ya que él tendrá que seleccionar las operaciones y procesos unitarios que se deben incluir en el proceso, considerando por supuesto aspectos no sólo técnicos sino económicos y ambientales; además, no una única solución, por lo cual es necesario ponderar los pro y contra de cada alternativa posible.

Introducción

Introducción •

El diseño básico es la concreción del diseño conceptual en cuanto a la definición de las variables de operación y los parámetros de construcción de los equipos. El ingeniero de  procesos en esta etapa debe calcular y seleccionar los equipos, tuberías y accesorios que harán parte de la planta de  proceso.

Introducción •

Los parámetros de construcción en este caso son las dimensiones básicas que se refieren a diámetros y altura de tanques; tipo, altura, dimensiones y configuración de las partes internas de columnas y reactores; tipo y  potencia de bombas y compresores…. en fin. Antes que ser un diseño mecánico, el diseño  básico es el cálculo de los parámetros de construcción de los equipos requeridos en el  proceso para proceder a su compra o a su diseño mecánico.

Introducción •

Finalmente, la ingeniería de detalle parte de la información generada por los ingenieros de proceso en las anteriores etapas de diseño para proceder a los diseños mecánicos, civiles, eléctricos y demás.

Introducción •

El trabajo del ingeniero de procesos como  punto inicial en el diseño de plantas de  proceso es entonces claro: de su acierto depende el éxito y la seguridad de la nueva  planta, su desacierto no sólo puede representar pérdida de dinero sino también de vidas.

Introducción •

El éxito de los ingenieros de procesos está fuertemente ligado a su experiencia y de ahí que los nuevos ingenieros más que solo documentarse deben practicar, ejercer y realizar sus diseños bajo la supervisión de un ingeniero “veterano”,  experimentado, como en las antiguas artes de hace siglos cuando los iniciados progresaban bajo el acompañamiento de su maestro.

Ciencia e Ingeniería de los Materiales. •

•

La ciencia de los materiales se encarga de investigar la relación entre la estructura y las propiedades de los diferentes materiales. La ingeniería de materiales de fundamente en las relaciones propiedad estructura para diseñar o proyectar la estructura de un material y conseguir en si mismo un material con las propiedades requeridas.

Ciencia e Ingeniería de los Materiales •

La estructura de un material se relaciona con la disposición de sus componentes internos. - A estructura subatómica - A estructura atómica - A estructura microscópica - A estructura Macroscópica

Las propiedades mas relevantes de los materiales sólidos son: Mecánicas • • • • • • • • •

Carga Deformación  resistencia a la fractura Resistencia a la tracción Rigidez. Módulo elástico Tenacidad. Resistencia a la fractura Dureza. Resistencia al desgaste Resistencia a la fatiga Resistencia a la termofluencia

•

•

•

Eléctricas Valoran la conductividad eléctrica o la constante dieléctrica de los materiales. Magnética Se valora la respuesta del material frente a un campo magnético Térmicas Valoran la capacidad calorífica o la conductividad térmica de los materiales.

Ópticas •

Se valora aquí, si las hubiera, las  propiedades ópticas del material. Al exponerlo a radiación electromagnética o lumínica y su modo de responder a dicho estimulo. Propiedades tales como índice de refracción, reflectividad.

•

Químicas Se valora la reactividad química del material y sus modificaciones con el tiempo dependiendo del medio químico que le rodea. De aquí se extrae información acerca de si el material se corroe, se oxida, se reduce, en diversos medios como son, agua, ácidos, bases entre otros reactivos. Se puede catalogar a los materiales como reactivos o inertes siempre expresando ante que agentes.

•

•

Los metales pierden su estado elemental y retornan al estado combinado de origen, por un proceso denominado CORROSIÓN. Los metales muestran una tendencia inherente a reaccionar con el medio (atmósfera, agua, suelo, etc..) y con los agentes químicos utilizados en los procesos diseñados.

Unidades 1:

Materiales de construcción. Los materiales son las sustancias que componen cualquier cosa o producto. • Los ingenieros diseñan la mayoría de los  productos facturados y los procesos necesarios  para su fabricación. • Los ingenieros deben conocer de la estructura interna y propiedad de los materiales, de modo que sean capaces de seleccionar el mas adecuado para cada aplicación y también capaces de desarrollar los mejores métodos de  procesado. •

Tipos de materiales •

Por conveniencia la mayoría de los materiales de la ingeniería están divididos en cuatro grupos principales: - materiales metálicos - poliméricos - cerámicos - Materiales compuestos

Clasificación de materiales

•

.

Metales: Las propiedades de los metales se atribuyen a los electrones, por ello, conducen perfectamente el calor y la electricidad. Además, los metales son resistentes, aunque deformables, lo que contribuye a su utilización en aplicaciones estructurales.

•

Cerámicas: Se trata de materiales que son aislantes eléctricos y térmicos y que a elevada temperatura y en ambientes agresivos son muy resistentes. Desde el  punto de vista mecánico, las cerámicas son duras pero frágiles

•

Polímeros: Se trata de compuestos orgánicos caracterizados por la gran longitud de las estructuras moleculares. Los  polímeros poseen densidades bajas y extraordinaria flexibilidad. Tienen baja resistencia mecánica

•

Materiales Compuestos: Son materiales diseñados para alcanzar la mejor combinación de las características de cada componente. Hay un creciente intereses en el desarrollo de estos materiales. Por ultimo añadir que no seria posible el avance tecnológico sin la modificación, mejora y desarrollo de nuevos materiales.

Pr opiedades M ecánicas de los M ater iales M etálicos.

Cuando aplicamos una carga sobre un material metálico obtenemos una deformación. La carga puede ser por tipo: • TRACCION • COMPRESION • CIZALLADURA • TORSION

 Se puede aplicar: • • • •

• • •

CONSTANTE FLUCTUANTE OSCILANTE ALEATORIA

Además en estos experimentos debemos tener en cuenta las condiciones en las que se desarrolla como son Presión Temperatura Entorno químico y

Los elementos metálicos son hierro, cobre, aluminio, níquel y titanio mientras que como elementos no metálicos podríamos mencionar al carbono. • Los materiales de cerámica, como los ladrillos, el vidrio la loza, los aislantes y los abrasivos, tienen escasas conductividad tanto eléctrica como térmica y aunque pueden tener  buena resistencia y dureza son deficientes en ductilidad, confortabilidad y resistencia al impacto. •

•

Los Polímeros, en estos se incluyen el caucho (el hule), los plásticos y muchos tipos de adhesivos. Se producen creando grandes estructuras moleculares a partir de moléculas orgánicas obtenidas del petróleo o productos agrícolas.

Los materiales metálicos han constituidos los materiales fundamentales para Ingeniería. • Ellos no se utilizan en estado puro. •

Tarea 1 •

Presentación en grupos : Tema tipos Materiales - Metálicos - Ferrosos  –  Fundiciones - No Ferrosos- Aluminio y sus Aleaciones - No metálicos - Polímeros - Cerámicos -Metales compuestos Entrega Martes 29 de Marzo y presentación en clases 30 de Marzo

Grupos Grupo 1:  Natalia Garrido

Metales Compuestos

 Natalia Rojas Rodolfo Maya Juan Santos

Grupo 2: Alexandra Herrera Aleaciones Magnesio Viviana Espinoza  Nicole Soto

Grupo 3: Roberto Saguas Aleaciones de Zinc Juan Pablo Catalán Pablo Cereceda

Grupo 4:  Natalia Araya Fundiciones Javier Fuente Daniel Muños

Grupo 5: Mario Rodríguez Aluminio y su aleaciones Mariana Araya Franco Montalván

Grupo 6: Yuliana Michea Polímeros Felipe Sepúlveda Pablo tapia

Grupo 7: Sebastián Marín Cerámicos Javier Martínez Eduardo Serey

Características de los metales que se utilizan en aleaciones  Aluminio

Maleable dúctil, D= 2,7 Tf= 660ºC, aleaciones ligeras

 Antimonio

Frágil quebradizo,D= 6,62, Tf=630 ºC, endurecimiento de metales pesados, Metal Inglés (estaño),  Aleac.Blanca (Zinc)

Bismuto

Frágil, quebradizo D=9.8, Tf= 271ºC, endurecimiento de metales

Cobre

Maleable dúctil, D= 8,9

Estaño

Maleable, D=7,3, Tf=232ºC, preservar metales (bronce)

Tf= 1083ºC, aumenta la tenacidad de la aleación, estaño , antimonio, bismuto

Fierro

Maleable, dúctil, D=7,8, Tf=1539ºC, disminuye maleabilidad AL, aumenta dureza ST

Manganeso

Gran dureza, D=7,4, Tf=1245ºC,

Niquel

Siguiente en dureza, inoxidabilidad, D=8,9, Tf=1455ºC

Plomo

Poco tenaz, D= 11ºC, Tf= 327ºC

Zinc

Quebradizo en frío y caliente, excepto 150ºC, Tf=420ºC. No con Bismuto ni Plomo.

•

ALEACIONES FERROSAS : En este grupo se hallan los aceros al carbono, los aceros de baja aleación, los aceros de alta aleación y las fundiciones.

•

ALEACIONES NO FERROSAS : En este grupo se hallan el resto de los metales, es decir, la aleaciones donde el fierro no es el constituyente mayoritario. Entre las aleaciones no férreas se encuentran , las aleaciones de Cobre,  Níquel, Plomo, Zinc y Estaño. Estaño. También se considerarán aquí las denominadas ALEACIONES LIGERAS, las cuales se centran en aleaciones en base a aluminio, magnesio y titanio.

ALEACIONES FÉRREAS •

•

•

Las aleaciones férreas constituyen mas del 90% en  peso de los materiales metálicos utilizados por el hombre. La mayoría de los diseños de ingeniería que requieren soportar cargas estructurales o transmisión de  potencia implican el uso de aleaciones férreas. En la práctica se dividen en dos grandes categorías dependiendo de la cantidad de carbono presente en la composición de la aleación. Los aceros por lo general tienen un contenido de carbono entre 0.005% - 2.0% en peso.

Las fundiciones contienen entre 2% - 4.5% en  peso de carbono. • Dentro del acero debe distinguirse o no el empleo significativo de elementos de aleación diferentes al carbono. • De forma arbitraria, se emplea una concentración de 5% en peso total de los elementos aleantes distintos del carbono como límite. • Los elementos de aleación son solamente de uso justificado. •

ACEROS AL CARBONO Y DE BAJA ALEACIÓN •

•

•

Los aceros al carbono son aleaciones hierrocarbono con un porcentaje en peso de carbono desde 0.003% - 1.2% e incorporan manganeso ente 0.25% - 1%. Los aceros al carbono pueden alcanzar resistencias 690 Mpa pero con una elevada pérdida de ductilidad y de tenacidad. Tienen poca resistencia a la corrosión y a la oxidación y muy poca templabilidad.

• •

Estos aceros se consideran de peso moderado. Sus aplicaciones son: pernos de alta resistencia, engranajes de transmisión de motores, resortes espirales y de láminas flexibles, hasta carrocería de los automóviles, mecanismos para papelería, minería y movimiento de tierra, secciones pesadas, trenes de aterrizaje, ejes etc.

ACEROS DE ALTA ALEACIÓN • •

•

•

Son aquellos en los que el total de elementos de aleación distintos del carbono superan el 5%. Las aleaciones Fe-Cr con un % de Cr superior al 12% en peso constituyen los denominados aceros inoxidables. El cromo forma capas de óxido impermeables, si se adiciona mas de un 12% es capaz de transferir su resistencia a la corrosión. Si se adiciona en un 20% recibe el nombre de ACERO REFRACTARIO.

ACEROS INOXIDABLES •

1. ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS: En estos aceros gracias a la retención de la estructura de la austeníta (FCC) que es estable por sobre los 910ºC. Poseen combinaciones Cr-Ni (18-8, 25-20) mas molibdeno (2%) para evitar la corrosión en caliente. Estos aceros son de baja resistencia y gran capacidad de deformación. No son ferromagnéticos y tienen la mejor resistencia a la corrosión de todos los aceros inoxidables.

2. ACEROS INOXIDABLES FERRÍTICOS • • • •

Este tipo de acero posee mas de un 12% en cromo con bajo contenido en carbono 0.1%. Se utiliza en aplicaciones que no requieren alta resistencia a la corrosión. Son de menor costo que la categoría anterior Son ferromagnéticos.

3. Aceros inoxidables martensíticos • •

•

En estos aceros se añade carbono (0.2%0.7%). Poseen alta resistencia, pero su comportamiento frente a la corrosión es inferior a las dos categorías anteriores. Son buenos para cuberterías y en muelles.

4. Aceros inoxidables endurecibles •

•

(epp) Se utilizan en piezas de requerimientos resistentes a la corrosión con responsabilidad estructural. Poseen alta resistencia y tenacidad.

DESIGNACIÓN DE ACEROS INOXIDABLES • • • •

AUSTENÍTICOS: 201, 304, 310, 316, 347 FERRÍTICOS: 405, 430 MARTENSÍTICOS: 410, 501 ENDURECIBLES: 17-4 PH, 17-7 PH

Identificación de los Aceros • Según composición química: - Instituto americano del hierro y el acero (AISI) - Sociedad de Ingeniería de Automoción (SAE) •

•

•

Prefijos utilizados indica el proceso de elaboración del acero: A = Acero aleado Siemens Martin B = Acero al Carbono Bessemer ácido C = Acero al carbono Siemens Martin básico D = Acero al carbono Siemens Martin ácido E = Acero al carbono o aleado, Horno Eléctrico Primer número indica baja o alta aleación y tipo de elemento aleante: 1 = Aceros al carbono 2 = Aceros al níquel 3 = Aceros al cromo-níquel 4 = Aceros al molibdeno 5 = Aceros al cromo 6 = Aceros al cromo vanadio 7= Acero al W 8= Acero Ni-Cr-Mo 9= Acero al Si-Mn

Para los aceros al carbono, el segundo número indica el tipo de acero: 10 = Aceros al carbono de construcción general 11 = Aceros de fácil mecanización ricos en azufre 12 = Aceros de fácil mecanización, ricos en S y P 13 = Aceros al manganeso •

•

Según resistencia mecánica en tracción :

Las letras significan: A = Acero ES = Estructural H =Para hormigón • El primer valor es la resistencia a la tracción (kgf/mm2) • El segundo valor es el límite de cedencia (kgf/mm2)

EJERCICIOS a) SAE 2340  b) SAE9260 c) SAE 71360

Polímeros

Polímeros

Polímeros