903 HM120 P09 GUD 084(Trazado Con Vapor)

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PROCESOS 903-HM120-P09-GUD-084

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GUA DE DISEO PARA TRAZADO CON VAPOR

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903-HM120-P09-GUD-084/18/12/2009/va/URB 1 de 29 INEDON

FECHA OBJETO ELABOR

Iniciales

REVIS

Iniciales

APROB

Iniciales/Cargo

DIC. 09 Emisin Original VA MJP/GP ABA/GP

MS/VPO SN/VPO

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n d i c e

Pgina

1. INTRODUCCIN .................................................................................................... 3

2. OBJETIVOS ........................................................................................................... 3

3. EXCEPCIONES/LIMITACIONES ........................................................................... 3

4. USO DE LOS CRITERIOS Y LA NORMATIVA ...................................................... 3

5. PROCEDIMIENTOS DE INELECTRA (INEDON) .................................................. 4

6. INSTRUCCIONES DE TRABAJO DE INELECTRA (INEDON) .............................. 4

7. MEMORIA DE CLCULO ....................................................................................... 5

8. ACRNIMOS Y SIGLAS ........................................................................................ 5

9. LECCIONES APRENDIDAS ................................................................................... 5

10. DEFINICIONES GENERALES ............................................................................... 6

11. NORMATIVA NACIONAL E INTERNACIONAL DE REFERENCIA ........................ 9

12. CONSIDERACIONES BSICAS DEL TRAZADO CON CALOR ............................ 9

12.1. Ventajas y Desventajas de los Tipos de Trazado de Calor .................................. 10 12.2. Aplicaciones del Trazado de Calor ....................................................................... 12 13. TRAZADO CON VAPOR ...................................................................................... 13

13.1. Tipos de Trazas con Vapor ................................................................................... 13 13.2. Instalacin del Trazado con Vapor en Tuberas ................................................... 15 13.3. Trazado con Vapor en Instrumentos .................................................................... 16 14. ASPECTOS A CONSIDERAR EN EL DISEO DE TRAZADO CON VAPOR ..... 16

15. METODOLOGA PARA EL DISEO DE TRAZADO CON VAPOR ...................... 17

15.1. Identificacin de Parmetros en el proceso requeridos para el Diseo ................ 17 15.2. Establecimiento de Parmetros de Diseo del sistema de trazado de vapor ....... 18 15.2.1. Presin del vapor empleado para el trazado ........................................................ 18 15.2.2. Materiales utilizados para las Trazas de Vapor .................................................... 18

15.2.3. Dimetro de las Trazas ( ) ................................................................................... 19 15.2.4. Seleccin del Tipo de Trazado con Vapor ............................................................ 20 15.2.5. Aislamiento Trmico ............................................................................................. 20 15.2.6. Longitud de la Traza ............................................................................................. 20 15.2.7. Nmero de Trazas ................................................................................................ 21 16. CLCULO DEL FLUJO DE VAPOR REQUERIDO .............................................. 24

17. DIMENSIONAMIENTO DEL CABEZAL DE VAPOR Y CONDENSADO .............. 25

18. TRAMPAS DE VAPOR ......................................................................................... 26

18.1. Seleccin y Dimensionamiento ............................................................................. 26 18.2. Detalles tpicos para los DTI ................................................................................. 27 19. REFERENCIAS .................................................................................................... 27

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1. INTRODUCCIN

El aumento de la viscosidad o posible congelamiento de un fluido por descenso de la temperatura a la cual se transporta, y la posible condensacin de algn gas o la solidificacin de un producto por bloqueo de la lnea o parada de planta, son algunas de las razones por las que se decide utilizar el trazado con vapor a fin de mantener la temperatura del fluido en su nivel ptimo. La especificacin tcnica de sistema de trazado con vapor es elaborada por la Disciplina de Diseo Mecnico. Sin embargo, el personal de la Disciplina de Procesos requiere estar familiarizado con los criterios y estndares de diseo usados en inelectra en cuanto al sistema de trazado con vapor, pues es responsable de dimensionar los cabezales asociados (suministro de vapor y recoleccin de condensado), as como calcular el vapor requerido por el sistema para ser tomado en cuenta en el sumario de servicios.

2. OBJETIVOS Esta gua de diseo tiene como propsito cubrir los siguientes aspectos:

Proveer informacin sobre las principales aplicaciones del trazado con vapor en la industria, as como de los tipos de trampas de vapor aplicables.

Establecer una serie de pasos que guen al usuario en el diseo de sistemas de trazado con vapor.

3. EXCEPCIONES/LIMITACIONES

Este INEDON no incluye informacin sobre los trazados (o acompaamientos) de calentamiento para equipos de proceso.

4. USO DE LOS CRITERIOS Y LA NORMATIVA

I. Los criterios especificados por el Cliente tienen prioridad sobre los indicados en este INEDON. Si las especificaciones del Cliente carecen de algn criterio, el Lder de Procesos en el Proyecto solicita la aprobacin del Cliente para usar los criterios mostrados aqu.

II. El usuario de este INEDON tiene la obligacin de utilizar la revisin ms

actualizada de la normativa (normas, cdigos, estndares, especificaciones, leyes, etc.) nacional e internacional usada en el Proyecto. As como, solicitar al Cliente o ente gubernamental

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correspondiente, la normativa local usada en el pas donde se construye la instalacin.

5. PROCEDIMIENTOS DE inelectra (INEDON)

Procedimientos relacionados con este INEDON: Ingeniera (HM010) 903-HM010-A90-TEC-003 Equivalencia de Trminos entre Centros de

Ejecucin

903-P3000-A20-ADM-917 Procedimiento para la Identificacin, Registro y Aplicacin de Lecciones Aprendidas

Gestin de la Calidad (HM060)

903-HM060-G09-ADM-901 Elaboracin y Actualizacin de INEDONES

Procesos (HM120)

903-P3100-P09-ADM-901 Bases de Diseo

6. INSTRUCCIONES DE TRABAJO DE inelectra (INEDON) Instrucciones de trabajo relacionadas con este INEDON: Procesos (HM120) 903-HM120-P09-GUD-013 Bases y Criterios de Diseo

903-HM120-P09-GUD-025 Gua para la Elaboracin de los Diagramas de

Tuberas Instrumentacin

903-HM120-P09-GUD-052 Gua para la Elaboracin de la Memoria de Clculo

Diseo Mecnico (HM140) 903-P3060-T11-ESP-022 Especificacin Tcnica de Aislamiento

903-P3060-T11-ESP-023 Especificacin Tcnica de Trazado de Vapor

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903-P3060-T11-GUD-071 Instructivo para Diseo de Trazado de Vapor

Las instrucciones de trabajo estn relacionadas con este INEDON de manera directa: el INEDON es citado en este documento, o indirecta: el INEDON contiene informacin adicional para el usuario; pero no es citado en este documento.

7. MEMORIA DE CLCULO

La memoria de clculo para el diseo de trazado con vapor es realizada segn la Gua para la Elaboracin de la Memoria de Clculo 903-HM120-P09-GUD-052.

8. ACRNIMOS Y SIGLAS

Espaol Ingls

API American Petroleum Institute

ASTM American Society for Testing of Materials

CTC Compuestos de Transferencia de Calor

DTI Diagrama de Tuberas (Caeras) e Instrumentacin

Piping and Instrumentation Diagram, P&ID

HdD Hoja de Datos Data Sheet

INEDON inelectra Documento Normalizado

IPC Ingeniera Procura y Construccin

Engineering Procurement & Construction, EPC

PDVSA Petrleos de Venezuela S.A

9. LECCIONES APRENDIDAS

Las Lecciones Aprendidas estn disponibles a travs de la pgina de intranet de Ingeniera. El sistema de Lecciones Aprendidas puede contener informacin adicional para el tema de este INEDON.

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El INEDON Procedimiento para la Identificacin, Registro y Aplicacin de Lecciones Aprendidas, N 903-P3000-A20-ADM-917, indica lo siguiente cuando no se encuentre evidencia del uso del Sistema de Lecciones Aprendidas, se levantar una No Conformidad durante una revisin tcnica.

10. DEFINICIONES GENERALES

Aislamiento Trmico (Thermal Insulation) Material usado para evitar la prdida o ganancia de calor desde una lnea, equipo o instrumento hacia o desde un medio circundante. La Figura 1 muestra un ejemplo de aislamiento con poliuretano en una lnea de transporte.

Figura 1. Aislamiento con espuma de Poliuretano Cabezal (Lnea de Distribucin) de Vapor (Steam Header) Lnea principal que suministra vapor a todos los consumidores en un rea incluyendo los circuitos de trazado con vapor. Condensado (Condensate) Es el agua formada en la traza de vapor cuando ste cede calor latente a la tubera calentada o equipo. El condensado es usualmente retornado a la caldera para reconvertirse nuevamente en vapor.

Espuma de Poliuretano

Pared de la lnea

Carcasa de Polietileno de alta

densidad HDPE

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Cabezal (Colector) de Condensado (Condensate Header) Lnea principal que recolecta el condensado desde los consumidores de vapor hasta un almacenaje (o hasta un sumidero cuando es permitido) para ser bombeado al sistema de calderas. Compuesto de Transferencia de Calor (Heat Transfer Compound) Material conductor de calor con alta eficiencia trmica que maximiza la transferencia de calor y reduce el nmero de trazas a utilizar en determinada lnea. Prdida de Calor (Heat loss) Es la tasa con la que fluye el calor desde una superficie caliente, como una tubera de proceso, hasta una atmsfera ms fra, usualmente expresada en unidades de energa por unidad de longitud, ejemplo W/m o BTU/(hft) de tubera. Generalmente, la prdida de calor es desde la tubera, a travs del aislante hasta la atmsfera que se encuentra a menor temperatura. Punto de Fluidez (Pour Point) La temperatura ms baja a la que un aceite o un combustible pueden fluir, cuando son enfriados bajo condiciones establecidas por el mtodo de prueba (ASTM D 97) [14]. Temperatura Ambiente (Ambient Temperature) Temperatura del aire en la atmsfera circundante. Temperatura mnima deseada (Process Maintenance Temperature) Nivel de temperatura que se requiere mantener en equipos o tuberas de procesos para resguardar el fluido de solidificacin, cristalizacin, condensacin, separacin o que se vuelva muy viscoso para ser bombeado. El trmino es con frecuencia utilizado para referirse a cualquier tipo de tubera trazada, bien sea de proceso o de servicio.

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Lnea de Proceso (Process Line, Pipe) La palabra lnea se utiliza para los tubos, las tuberas, caeras, los caos y ductos: conducto de forma cilndrica por donde se transportan los fluidos de procesos (hidrocarburos, productos petroqumicos, etc.) o de servicios (agua, aire, gas combustible, gas inerte, etc.). Trampa de Vapor (Steam Trap) Accesorio o tipo de vlvula automtica usada para descargar condensado (de agua) y gases incondensables ( Figura 2 ) ; pero permitiendo el paso de vapor sensible. Existen varios tipos en base al mtodo usado para permitir el paso de vapor: A).Termosttica: opera con una respuesta de la temperatura del vapor. B) Mecnica: usa la diferencia de densidad entre el vapor y el condensado. C) Termodinmica: usa la dinmica del agua y el vapor.

Figura 2. Trampas de Vapor (Spirax Sarco) y Representacin en el DTI Tubing Tubera flexible utilizada generalmente para flujos pequeos hacia medidores, vlvulas y/o analizadores. Vapor saturado (Saturated Vapor) Vapor a punto de roco, a una temperatura y su correspondiente presin.

DTI

T

Termodinmica Mecnica Termosttica

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Proteccin al congelamiento (Winterization) Es la preparacin de la tubera y equipos de proceso para operar en invierno, es decir, con bajas temperaturas, altas velocidades de viento, nieve y granizo.

11. NORMATIVA NACIONAL E INTERNACIONAL DE REFERENCIA El Cuadro 1 muestra un resumen de la normativa nacional e internacional de referencia para profundizar en la teora descrita en este INEDON. La normativa API y PDVSA est disponible en el sistema de normas internacionales de inelectra.

Cuadro 1. Resumen de la Normativa Nacional e Internacional

Ente emisor Norma Ttulo Ref. en este

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API RP 551

Process Measurement Instrumentation

[3]

HD-201-R

Steam Tracing Piping Requirements

[10]

12. CONSIDERACIONES BSICAS DEL TRAZADO CON CALOR

Este documento abarca la informacion bsica para el Ingeniero de Procesos sobre el trazado con vapor. No se profundiza sobre otros tipos de trazado ( elctrico , otros fluidos de calentamiento).

Muchos procesos industriales requieren el almacenaje y transferencia de fluidos a travs de tuberas y equipos. A menudo, estos fluidos (lquidos, gases, vapores, suspensiones o lodos) tienen caractersticas inherentes a la temperatura de operacin, por lo que pueden llegar a congelarse, volverse ms viscosos o condensar, si su temperatura alcanza la temperatura ambiente. Para prevenir estos problemas, que usualmente ocurren en perodos de parada, se requiere calor adicional para el proceso as como aadir aislamiento a las tuberas y equipos para evitar la prdida de ese calor hacia el ambiente. El Trazado, o Acompaamiento de Calor (Heat Tracing), es un mtodo usado para mantener o aumentar la temperatura de un fluido dentro de un equipo, lnea o instrumento por medio de la aplicacin de un lquido caliente, vapor de agua, o electricidad, a travs de tubos llamados trazas [1].

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Los mtodos de trazado ms comunes son: A) Trazado o acompaamiento con vapor (steam tracing): una o varias lneas

de dimetro pequeo, que transportan vapor de agua sobrecalentado, son instaladas y unidas de manera paralela a la superficie del elemento que requiere calentamiento (vase Figura 3).

B) Trazado o acompaamiento elctrico (electrical tracing): cables elctricos

son instalados y unidos de manera paralela a la superficie del elemento que requiere calentamiento (vase Figura 3).

Figura 3. Elementos del Trazado o Acompaamiento de Calor

12.1. Ventajas y Desventajas de los Tipos de Trazado de Calor Hay aplicaciones donde un mtodo puede mostrar ventajas sobre otro, pero hoy en da el Trazado con Vapor contina siendo el mtodo ms usado para el trazado de calor en las plantas industriales alrededor del mundo. Para 1960, ms del 95% de las industrias utilizaban el vapor como medio de calentamiento en el sistema de trazado. Hacia 1995, avances en la tecnologa para el calentamiento con sistemas elctricos incrementaron el porcentaje de uso de esta tecnologa hasta un 30 % a 40% [1] [2].

Otros fluidos distintos al vapor tambin son utilizados, pero slo representan menos del 5% de los sistemas. Como ejemplo se pueden citar: fluidos aromticos para temperaturas de calentamiento entre 320 C a 400 C (608 F

Tyco / Thermal Controls

Traza

Aislamiento trmico

Traza comercial con tubo de aluminio y aislamiento

trmico (unitemp)

Traza para vapor de agua

Traza elctrica

Cables para trazado elctrico

(unitemp)

Ejemplo de instalacin

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a 752 F), hidrocarburos o aceites minerales utilizados hasta temperaturas de 321 C (610 F) [15].

El Cuadro 2 presenta la comparacin entre caractersticas de cada uno de los mtodos de Trazado de Calor.

Cuadro 2. Trazado con Vapor vs. Trazado Elctrico [2]

Caracterstica Trazado con Vapor Trazado Elctrico

Calor transferido al sistema

Es capaz de proveer mucho calor al sistema, incluso si hay algn dao en el sistema de aislamiento, debido a las altas temperaturas a las que se encuentra el vapor.

Es vulnerable a daos en el sistema de aislamiento por lo que se suele aadir un factor de seguridad en el diseo entre un 10% y 20% ms en las prdidas de calor.

Confiabilidad que genera para el

proceso

Son altamente confiables ya que aunque pueda haber una falla en el sistema de trazado con vapor, esto difcilmente acarrear problemas en el suministro de calor al sistema.

Desde la introduccin de calentadores autoreguladores en 1971, el calentamiento elctrico ha generado una mayor confianza en los usuarios.

Seguridad

Aunque el vapor puede producir quemaduras, existen menos preocupaciones en cuanto a seguridad que con el trazado elctrico.

El uso de calentadores autoreguladores ha eliminado muchas preocupaciones en cuanto a seguridad de este tipo de sistemas.

Confianza en la operacin

El trazado con vapor ha sido de uso comn durante muchos aos por lo que los operadores estn familiarizados con l.

Debido a la poca confianza que generaba el sistema de trazado elctrico, muchos operadores hoy en da prefieren no utilizarlo.

Costos de instalacin y operacin

La instalacin de toda la red de tuberas necesaria para un sistema de trazado con vapor (incluyendo el trazado y el sistema de recoleccin de condensados), suele ser entre 50% y 150% ms costosa que la instalacin para el trazado elctrico.

El sistema de trazado elctrico es menos costoso en operarlo e instalarlo que el sistema de trazado con vapor. Sin embargo, existen ciertas aplicaciones para las que los costos pueden ser los mismos o hasta llegar a invertirse.

Uso eficiente de la energa

La energa total que el sistema de trazado con vapor emite suele ser veinte (20) veces mayor a la requerida para mantener la temperatura

El trazado elctrico es capaz de suministrar de manera precisa la cantidad de energa necesaria para cada aplicacin.

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Caracterstica Trazado con Vapor Trazado Elctrico

del proceso deseada.

Control de temperatura

No suele tener la capacidad para mantener un buen control de la temperatura.

Ya sea con controles electrnicos o termostticos, en este tipo de sistemas se puede obtener un control de temperatura bastante preciso.

Requerimientos para el diseo

Cierto nivel de experiencia necesario para el diseo de estos sistemas.

Mayor nivel de experiencia necesario para el diseo de estos sistemas.

12.2. Aplicaciones del Trazado de Calor

Las aplicaciones del trazado de calor en los procesos suelen estar relacionadas con tres (3) grandes reas: la proteccin del sistema por temperaturas invernales, garantizar la calidad del producto y facilidad en el transporte. Como se explic anteriormente, hoy en da generalmente se utiliza el vapor como medio de calentamiento, por lo que a continuacin se nombran casos operacionales especficos donde se utiliza el Trazado con Vapor y se especifica en qu casos tambin se suele utilizar el Trazado Elctrico [3] [4] [5]:

Lneas con flujo intermitente o cuando no es prctico el drenaje o movilizacin del fluido de proceso durante una parada de planta, en los casos en que el punto de fluidez del fluido sea mayor que la mnima temperatura ambiental que se espera pueda ocurrir en un perodo de tiempo considerable.

Bombas con sus respectivas lneas de succin, donde si aumenta considerablemente la viscosidad del fluido, pueden ocurrir daos al equipo. En estos casos tambin puede resultar prctico mantener el fluido en circulacin durante una operacin intermitente o realizar un drenaje o desplazamiento del fluido durante una parada de planta.

Instrumentos que operan bajo lmites especficos de temperatura impuestos por el fabricante para asegurar una adecuada operacin.

Lneas que transportan gas y ste posee un punto de roco por encima de la temperatura ambiente, ocasionando la condensacin del mismo. Por ejemplo: gas combustible en refineras donde el lquido condensado causa problemas en los quemadores de gas, lneas de succin de los compresores o lneas que transportan una mezcla de vapor de agua (causa corrosin si condensa) y H2S.

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Sustancias sensibles a la temperatura que deben mantenerse a una temperatura especfica sin llegar al sobrecalentamiento, entre ellos tenemos: cidos, aminas, custicos, aguas fenlicas, glicerina y otros. Generalmente para estos servicios se utiliza el Trazado Elctrico ya que con l se puede tener un mejor control de la temperatura.

Fluidos tpicos con puntos de fluidez superiores a los 0C y que, dependiendo de la temperatura ambiente, requieren trazado de vapor son: asfalto, soda custica a ciertas concentraciones, naftaleno, p-xileno, aceites viscosos, estireno, azufre, alquitrn, fenol, urea, propileno, nitrato de amonio, fuel oil, materiales polimricos y otros.

Lneas, instrumentos o equipos que manejen fluidos los cuales puedan formar hidratos y solidificar cuando son expuestos a temperaturas muy fras (durante pocas invernales). Esto es denominado proteccin por congelamiento o winterization. Fluidos que pueden producir este fenmeno son: agua, hidrocarburos que contengan agua y otras soluciones acuosas. Bajo ciertas condiciones donde el vapor utilizado se encuentra a bajas presiones, puede ser recomendable utilizar Trazado Elctrico.

13. TRAZADO CON VAPOR

Un sistema de Trazado con Vapor (adems de las lneas como tal del trazado) consiste en las lneas que van a transportar el vapor desde el cabezal de vapor existente, la lnea trazada, una trampa de vapor para remover los condensados y el sistema que recolecta todos esos condensados como se muestra en la Figura 4 [3].

13.1. Tipos de Trazas con Vapor Se distinguen dos modalidades [1] [6] [7]: A) Trazas sin compuesto de transferencia de calor: Tubing metlico

convencional sin el aditamento de un material conductor. Este tipo de trazas se podra subdividir en dos categoras:

Traza de Conveccin (Figura 5): Es el tubing tradicional fijo a la tubera de procesos, ambos recubiertos por un material aislante para impedir que el calor se pierda al ambiente y como medida de proteccin personal contra quemaduras.

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Figura 4. Ejemplo de Sistema de Trazado con Vapor [2].

Traza Aislada (Figura 5): Es la misma traza de conveccin pero el tubing tradicional est cubierto con una aleacin de materiales de baja conductividad trmica, para reducir el flujo de calor del vapor hacia la tubera de procesos. Este tipo de trazas busca poder hacer uso del trazado con vapor para los casos donde se manejen productos sensibles a la temperatura, ya que asegura la distribucin uniforme del calor a lo largo de la tubera evitando puntos calientes y sobrecalentamiento.

B) Trazas con compuesto de transferencia de calor (CTC) o cementadas

(Figura 5): Estas trazas tienen tambin la misma configuracin de las trazas de conveccin, pero en este caso el tubing convencional est recubierto de un material conductor (grafito mezclado con silicato de sodio u otro aglutinante) que mejora la transferencia de calor entre la traza y la tubera de proceso al aumentar el rea de contacto.

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Figura 5. Tipos de Trazas con Vapor [6].

13.2. Instalacin del Trazado con Vapor en Tuberas El vapor generalmente fluir paralelo a la lnea de producto, pero tratando de que el vapor entre desde la terminacin ms alta para permitir al condensado drenar fcilmente hacia el punto ms bajo [8].

Figura 6. Arreglos para el Trazado con Vapor [8] Cuando slo hay una lnea para el trazado, o una traza, se considera preferible colocarla en la parte de abajo de la lnea de procesos ( Figura 6 ). En caso de que haya dos (2) o tres (3) trazas se recomienda colocarlas a 30 y 45, respectivamente. Esto aplica para tuberas horizontales. En tuberas verticales se suelen espaciar uniformemente las lneas de trazado con vapor como se observa en la Figura 7 [8].

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Figura 7 . Arreglos para el Trazado mltiple con Vapor [8]

13.3. Trazado con Vapor en Instrumentos El Trazado con Vapor en instrumentos suele hacerse con tubing de el cual puede ser una ramificacin del arreglo que protege a la tubera de procesos (suele ser de ) como se observa en la Figura 8. Es importante tener en cuenta que el arreglo que protege al instrumento debe tener su trampa de vapor aparte a la del arreglo de la tubera de procesos [8].

Figura 8. Arreglos para el Trazado con Vapor en instrumentos [8]

14. ASPECTOS A CONSIDERAR EN EL DISEO DE TRAZADO CON VAPOR

El diseo de un sistema de trazado con vapor viene dado por seis factores bsicos de los cuales 3 son fijos y los otros 3 son variables [4] [6].

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Los factores fijos son: caractersticas de la tubera de proceso (dimetro nominal y material), temperatura mnima deseada del fluido de proceso, temperatura ambiental. Los factores variables son: Caractersticas de lneas de trazado (material, tamao y nmero), presin del vapor, caractersticas del aislamiento (tipo y espesor).

15. METODOLOGA PARA EL DISEO DE TRAZADO CON VAPOR

La especificacin tcnica del sistema de trazado con vapor es elaborada por la Disciplina de Diseo Mecnico. La siguiente metodologa es presentada a manera informativa, con el objeto de que el Ingeniero de Procesos est familiarizado con el mtodo y pueda calcular el vapor requerido por el sistema y dimensionar los cabezales asociados (suministro de vapor y recoleccin de condensado) en un momento dado.

Para mantener la temperatura en una lnea aislada, el calor que entra al sistema, debe ser igual al calor que sale del mismo a travs del aislamiento. Un sistema de trazado con vapor eficiente es aquel cuyo flujo de calor se acerque ms a la prdida de calor calculada en la tubera [1]. El diseo del sistema de trazado con vapor se puede realizar con clculos rigurosos de prdidas por conveccin y conduccin en la lnea de procesos. Estos clculos resultan algo complejos al tratar de determinar las reas de transferencia de calor, as como los coeficientes de calor convectivo a utilizar. En la literatura se encuentran tablas para el diseo de sistema de trazado con vapor las cuales aplicadas secuencial y ordenadamente, permiten seleccionar o especificar el sistema de trazado que mejor se adapte a las necesidades del proceso. A continuacin se muestra la metodologa que implica la utilizacin de las tablas de diseo.

15.1. Identificacin de Parmetros en el proceso requeridos para el Diseo La informacin requerida del proceso para comenzar el diseo, es la que se lista a continuacin y estos representan los factores fijos del sistema en el diseo del sistema de trazado con vapor [6]:

Dimetro y longitud de la tubera de proceso

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Material de construccin de la lnea

Condiciones ambientales (mnima temperatura ambiente y velocidad del viento)

Temperatura deseada (temperatura mnima necesaria para que el sistema opere adecuadamente).

15.2. Establecimiento de Parmetros de Diseo del sistema de trazado de vapor

Estos parmetros son los factores variables en el diseo y se deben elegir y acoplar con el fin de obtener al menos la temperatura mnima deseada en la lnea de proceso. A continuacin se presentan ciertas guas para establecer de manera rpida y efectiva cada uno de los parmetros relacionados al sistema de trazado con vapor.

15.2.1. Presin del vapor empleado para el trazado La presin del vapor que se utiliza para el trazado debe estar de acuerdo a la temperatura que se debe mantener en el sistema, es decir, seleccionar un nivel de vapor existente, cuya temperatura de saturacin sea mayor que la temperatura mnima deseada en el proceso. En trminos generales, para casos de proteccin por congelamiento utilizando trazado con vapor, una presin de 3.5 barg (50 psig) suele ser suficiente. Mientras que para los casos en los que se requiere calentar el fluido por posible solidificacin, probablemente se requiera una presin mayor [8]. Hay que tener en cuenta que la presin del vapor seleccionada debe ser suficiente para que el vapor logre llegar a la trampa o elevarse en las tuberas verticales sin perder su capacidad de calentamiento [4]. Tambin es importante considerar para los casos en los que el trazado es por proteccin de congelamiento, que en ambientes con temperaturas por debajo de los -6.67 C (20F) es ms recomendable utilizar el Trazado Elctrico como medio de calentamiento [4].

15.2.2. Materiales utilizados para las Trazas de Vapor La siguiente seccin es un extracto tomado del INEDON Especificacin Tcnica de Trazado de Vapor, 903-P3060-T11-ESP-023 donde se dan las especificaciones de materiales y tuberas empleados por inelectra para calentamiento con trazas de vapor. Para procesos donde no sean aplicables

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ninguno de estos particulares, se recomienda consultar con un especialista [4] [9]. A) Tubing de cobre. ASTM B68 [16] ASTM B75[17] Nmero 122, con recocido

suave y sin costuras, para ser usado de acuerdo a las siguientes recomendaciones:

Para Temperaturas del vapor menores a 200C (392F).

Cuando no hay amoniaco presente en el vapor.

Cuando no hay posibilidad de contacto con azufre.

Cuando el fluido que transporta la lnea no ataca al cobre. Se recomienda usar como primera opcin tubing de cobre para las lneas de trazado de vapor, debido a su alto coeficiente de transferencia de calor y bajo costo, tomando en cuenta todas las recomendaciones dadas para este material. B) Tubing de Acero Inoxidable. ASTM A269 TP304 [18] ASTM A213 TP304

[19] , el cual debe ser cocido con una dureza Rockwell mxima RB80 y sin costura, para ser usado de acuerdo a las siguientes recomendaciones:

Para Temperaturas mayores a 200C (392F).

Cuando hay presencia de CO2 y SO2 en el vapor

Para equipos o lneas de aluminio o acero inoxidable. C) Tubo de Acero al Carbono. ASTM A106 [20], para ser usado de acuerdo a

las siguientes recomendaciones:

Para temperaturas mayores a 200C (392F).

En presencia de amonaco. El acero al carbono slo es conveniente cuando sea la nica solucin posible al trazado con vapor, ya que en los perodos de parada de planta, la combinacin de aire y humedad en los trazadores ocasiona un rpido desgaste [4].

15.2.3. Dimetro de las Trazas ( ) El dimetro de las Trazas se puede estimar desde , , 1, inclusive mayores. Para obtener una mejor distribucin del calor, se suelen disear todos los tubing para el trazado en lneas de procesos en , mientras que para el caso de instrumentos y accesorios se suele utilizar tubing de [9].

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15.2.4. Seleccin del Tipo de Trazado con Vapor

Para mejorar la transferencia de calor del tubing con vapor hacia la tubera de proceso, se puede utilizar el trazado cementado explicado en la seccin 13.1 de este documento. Sin embargo, habr casos en los que esto no es necesario. El Cuadro 3 permite una seleccin preliminar del tipo de trazado ms adecuado de acuerdo a la temperatura de proceso que se quiere mantener. Una apropiada seleccin, evita el riesgo de sobrecalentamiento y propicia la conservacin de la energa.

Cuadro 3. Temperatura del Proceso vs. Tipo de Trazado [6]

Rango de temperatura del proceso

Tipo de trazado

10C 38C (50 F 100F)

Aislada

39C 65C (101F 150F)

Aislada / Conveccin

66C 93C (151F 200F)

Conveccin / Cementada

94C 149C (201F - 300F)

Cementada 150C 204C (301F - 400F)

15.2.5. Aislamiento Trmico El material y la instalacin del aislante se regirn principalmente por la especificacin o requerimiento que tenga el cliente. En su defecto se puede utilizar el INEDON Especificacin Tcnica de Aislamiento, 903-P3060-T11-ESP-022. Las tablas 1 y 2 del Anexo 1 de dicho INEDON muestran los espesores de aislamiento (lana mineral) en funcin del dimetro de la tubera y la temperatura de operacin.

15.2.6. Longitud de la Traza Se considera como la longitud de la traza, la distancia mxima entre la vlvula de bloqueo de la traza y la trampa de vapor [11].

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El Cuadro 4 muestra la longitud de la traza para tubing de y de , descargas de trampa abierta, tramos de tubera horizontal y espesor de aislamiento entre 1 y 1. Las longitudes listadas coinciden con las mostradas en el INEDON Especificacin Tcnica de Trazado de Vapor, 903-P3060-T11-ESP-023. Para tramos de tubera vertical consultar el INEDON Especificacin Tcnica de Trazado de Vapor, 903-P3060-T11-ESP-023. En procesos donde no sean aplicables ninguno de los particulares mencionados hasta ahora, se recomienda consultar con un especialista.

Cuadro 4. Longitud de la traza para dimetros ( de y para distintas presiones del vapor [10]

P del vapor, barg (psig) 3,5 (50)

7 (100)

10 (150)

14 (200)

17 (250)

21 (300)

Long. Traza =, m (ft)

38 (125)

46 (150)

53 (175)

61 (200)

69 (225)

76 (250)

Long. Traza =, m (ft)

29 (95)

35 (115)

38 (125)

46 (150)

52 (170)

57 (187)

15.2.7. Nmero de Trazas

La cantidad de lneas de trazado de vapor a instalar depende principalmente del dimetro de la tubera de procesos, del dimetro de la traza, si es cementada o no, de la presin del vapor, del tipo y espesor del aislamiento, de la temperatura ambiental y de la temperatura que se quiere mantener en la tubera de procesos. El INEDON Especificacin Tcnica de Trazado de Vapor, 903-P3060-T11-ESP-023, muestra los criterios empleados por inelectra para seleccionar el nmero de trazas de vapor requeridas. Dicho INEDON est basado en tablas que muestran el nmero de trazas en funcin del dimetro de la lnea, la temperatura mnima deseada y la presin del vapor del sistema de trazado.

La siguiente seccin muestra un mtodo sencillo para determinar la cantidad de lneas de trazado. Este mtodo no pretende sustituir los criterios presentados en el INEDON de la Disciplina de Diseo Mecnico. Se recomienda slo para corroborar el clculo de Diseo Mecnico y estimar el consumo de vapor del sistema de trazado.

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El Cuadro 5 muestra las prdidas de calor que experimenta una lnea de procesos hacia el ambiente (Q) en W/m, de acuerdo a su dimetro, espesor de aislamiento, y la temperatura mnima deseada. Este cuadro permite interpolaciones lineales para obtener valores a distintas temperaturas de las mostradas. El Q obtenido sera el calor que el sistema de Trazado Vapor debe suplir para poder asegurar que la temperatura del proceso se mantenga en un valor o rango especfico. Cuadro 5. Prdidas de calor tpicas en tuberas con aislamiento [W/m] con

velocidad del viento de 10 m/s [12]

Dimetro Tubera de Procesos

Espesor Aislamiento

Diferencia entre temperatura ambiental y la requerida en el proceso (C)

25 75 100 125 150 175 200

4" 2 14 43 58 71 86 100 115

4 9 26 36 45 54 62 71

6 2 20 59 77 97 116 136 155

4 12 35 46 58 69 81 92

8 2 24 72 97 120 144 168 192

4 14 41 55 70 84 98 112

10 2 29 87 116 145 174 202 231

4 16 49 66 82 99 115 131

12 2 33 101 135 168 201 235 268

4 18 56 75 94 113 131 151

16 2 41 123 164 206 246 288 329

4 23 68 91 113 136 158 181

20 2 51 151 201 252 301 352 403

4 28 82 109 136 163 191 217

En el Cuadro 6 y Cuadro 7 se muestra el calor en W/m (q) que emite un tubing de cobre o acero inoxidable en funcin de la presin de vapor seleccionada, la temperatura mnima deseada, y el dimetro de la traza.

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Dividiendo la prdida de calor del proceso al ambiente entre el calor que proporciona la lnea del trazado con vapor, obtenidos de los cuadros anteriores, se puede obtener un aproximado de la cantidad de lneas de trazado de 15 mm o 20 mm ( o ) necesarias para mantener la temperatura en el proceso.

Ec. 1

Donde: N nmero de lneas de trazado con vapor Q prdida de calor del proceso al ambiente, W/m (BTU/ft)) q calor emitido por las lneas de trazado, W/m (BTU/ft)

Cuadro 6. Calor emitido por lneas de Trazado con Vapor, material Cobre

[W/m] [12]

Material tubing Cobre

Presin del vapor, barg (psig)

3 (43,5) 5 (72,5) 7 (101,5) 9 (130,5)

Dimetro lnea de trazado, mm (in)

15 (1/2)

20 (3/4)

15 (1/2)

20 (3/4)

15 (1/2)

20 (3/4)

15 (1/2)

20 (3/4)

Te

mp

era

tura

de

l p

roc

es

o

(C

)

10 80 107 89 119 96 129 102 135

25 71 95 80 107 87 117 93 123

50 56 75 65 87 72 97 78 104

75 41 55 50 67 57 77 63 84

100 26 35 35 47 42 56 48 64

125 11 15 20 27 27 36 33 44

150 - 5 7 12 16 18 24

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Cuadro 7. Calor emitido por lneas de Trazado con Vapor material Acero Inoxidable [W/m] [12]

Material tubing Acero Inoxidable

Presin del vapor, barg (psig)

3 (43,5) 5 (72,5) 7 (101,5) 9 (130,5)

Dimetro lnea de trazado, mm (in)

15 () 20 ()

15 ()

20 ()

15 ()

20 ()

15 ()

20 ()

Te

mp

era

tura

de

l p

roc

es

o

(C

)

10 113 145 125 161 135 174 143 184

25 100 128 113 145 38 157 130 168

50 79 101 92 118 101 130 109 141

75 58 74 71 91 80 103 88 114

100 37 47 50 64 59 76 67 86

125 16 20 29 37 38 49 46 59

150 - - 8 10 17 22 25 32

16. CLCULO DEL FLUJO DE VAPOR REQUERIDO

Mediante la siguiente frmula se obtiene un estimado del flujo de vapor necesario para el trazado con vapor de una lnea de procesos. Sistema SI:

Ec. 2

Sistema USC:

Ec. 3

Donde: m flujo de vapor requerido, kg/h (lb/h). Q prdida de calor del proceso al ambiente, tomado del Cuadro 5, W/m

(BTU/ft.s). L longitud de la tubera del producto a calentar, m (ft). hfg entalpa de evaporacin a la presin de operacin del vapor, kJ/kg

(BTU/lb).

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Si todas las lneas que requieren trazado utilizan vapor del mismo nivel de presin, el flujo de vapor total requerido por el sistema de trazado es la suma de los flujos de vapor calculados para cada lnea de acuerdo a la Ec. 2. En caso de que se utilicen dos o ms niveles de presin, cada consumo es la suma de los flujos de vapor de las lneas que correspondan. El flujo de condensando total, generado por el sistema, es igual al flujo de vapor total.

17. DIMENSIONAMIENTO DEL CABEZAL DE VAPOR Y CONDENSADO Las lneas para el trazado de vapor nacen en un subcabezal el cual se puede dimensionar de manera preliminar utilizando el Cuadro 8, segn el nmero de lneas de trazado que salen de l. Vase Figura 4 . Cuadro 8. Dimensiones recomendadas para el cabezal del vapor utilizado

en el sistema de trazado de vapor [6]

Tamao Cabezal (in)

Nmero de trazadores

3 2

1 4 a 8 3 a 5

1 9 a 24 6 a 15

2 25 a 48 16 a 30

De la misma forma, existe un subcabezal para recoger los condensados que se forman a lo largo del recorrido del vapor, cuyo dimensionamiento preliminar se puede hacer con el Cuadro 9. Vase Figura 4.

Cuadro 9. Dimensiones recomendadas para el cabezal del condensado producido en el sistema de trazado de vapor [6]

Tamao Cabezal (in)

Nmero de trazadores

1 hasta 8 hasta 5

1 9 a 16 6 a 10

2 17 a 40 11 a 25

Para verificar y/o realizar el dimensionamiento de los subcabezales y cabezales de distribucin de vapor y recoleccin de condensado del sistema de trazado

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con vapor, utilizar los criterios de velocidad dados en el Anexo 1 del INEDON Bases y Criterios de Diseo N 903-HM120-P09-GUD-013.

18. TRAMPAS DE VAPOR Son vlvulas automticas que han sido diseadas para desalojar el condensado y el aire de los sistemas de manejo de vapor [11]. En la Figura 9 se muestra esquemticamente el empleo de estos dispositivos en los sistemas de trazado con vapor.

18.1. Seleccin y Dimensionamiento La experiencia ha demostrado que la mayora de las trampas de vapor existentes pueden satisfacer los requerimientos de una gran variedad de aplicaciones, sin embargo para obtener el mximo rendimiento posible, es necesario seleccionar el tipo de trampa que mejor se adapte a las condiciones del sistema donde ser instalada.

Figura 9. Trampas de vapor en circuitos con trazado de calentamiento [11] El Cuadro 10 ofrece las principales caractersticas de operacin de las trampas de vapor. Para una mayor descripcin de las mismas se sugiere revisar la referencia [11].

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La especificacin tcnica de las trampas de vapor la realiza la Disciplina de Diseo Mecnico. Consultar el INEDON Especificacin Tcnica de Trazado de Vapor, N 903-P3060-T11-ESP-023, si se desea obtener informacin detallada sobre el tema.

Cuadro 10. Caractersticas de Operacin de las Trampas de Vapor [9]

Caractersticas

Tipo de Trampa

Presin Balanceada

Bimetlica Expansin

Lquida Balde

Invertido Flotador Termodinmica

Operacin Intermitente Continua Continua Intermitente Intermitente Intermitente

Sub-enfriamiento 316C Hasta 55C

16-20C 0C 0C 0C

Venteo del aire Bueno Bueno Bueno Malo Bueno Malo

Velocidad de respuesta

Inmediata Lenta Lenta Buena Buena Inmediata

18.2. Detalles tpicos para los DTI

La representacin de las Trampas de Vapor en los Diagramas de Tubera e Instrumentacin se debe realizar segn lo especificado en la Gua para la Elaboracin de los Diagramas de Tuberas e Instrumentacin N 903-HM120-P09-GUD-025.

19. REFERENCIAS Leyenda de la ubicacin de las referencias:

Biblioteca Especializada de inelectra

Directorio de Instrucciones de Trabajo en el servidor de inelectra Santa Paula.

Suscripcin IHS para acceso a las Normas Internacionales a travs de la pgina de intranet de la Biblioteca Especializada.

[1] Steam Online URL: http://www.steamonline.com/tracing.html. [2] Perrys Chemical Engineers Handbook 8 th Edition McGraw Hill. 2007 [3] API RP 551. Process Measurement Instrumentation. 1993.05.01 (R 2000).

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[4] Thermo. Steam Tracing Specification Guide. URL: http://www.thermon.com/catalog/us_pdf_files/tsp0010.pdf [5] Kohli, I.P. Steam Tracing of Pipelines. Chemical Engineering. March 26, 1999. [6] Thermo. Steam Tracing Design Guide. URL: http://www.thermon.com/catalog/us_pdf_files/tsp0013.pdf [7] De Lange, J.A.B. Steam Tracing Simulation for Determining Process Fluid Temperature. [8] Spirax-Sarco. Design of Fluid System; Hook-Ups. URL: http://www.spiraxsarco.com/us/pdfs/training/hookup.pdf [9] INEDON N 903-P3060-T11-ESP-023. Especificacin tcnica de trazado de vapor. Rev 1 . Enero 2000. [10] PDVSA N HD-201-R Steam Tracing Piping Requirements. Rev 1 Mayo 90. [11] Spirax-Sarco. Design of Fluid System; Steam Utilization. URL: http://www.spiraxsarco.com/us/PDFs/training/Steam-utilization.pdf [12] Spirax-Sarco. Steam Consumption of Plant Items. URL: http://www.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials/steam-engineering-principles-and-heat-transfer/steam-consumption-of-plant-items.asp [13] INEDON. 903-P3060-T11-GUD-071. Instructivo para diseo de trazado de vapor. Rev 0 Oct 2001. [14] ASTM D97 Standard Test Method for Pour Point of Petroleum Products .2009-14-15. [15] R.Knox Pitzer Sr . Thermon The Heat Tracing Specialist The Relative Merit and Limitation of Thermal Fluid, Electric and Steam. Heat Tracing System. August 5 2003. [16] ASTM B68 Standard Specification for Seamless Copper tube, Bright Annealed . 2002-10-10. [17] ASTM B75 Standard Specification for Seamless Copper Tube 2002-10-10.

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[18] ASTM A-269 Standard Specification for Seamless and Welded Austenitic Stainless Steel tubing for General Service 2008-03-01. [19] ASTM A-213 Standard Specification for Seamless Ferritic and Austenitic alloy Steel Boiler-Superheater and Heat Exchange tubes 2009-04-01. [20] ASTM A-106 Standard Specification for Seamless Carbon Steel pipe for High Temperature Service 2008-07-15.

Documents

903 HM120 P09 GUD 084(Trazado Con Vapor)