Ejercicio de Aplicación Diseño de Tuberías de vapor y condensado:

Para una planta de 600m^2 y en donde se encuentran tres marmitas las cuales trabajan de la siguiente forma: La primera a 60psi y 800 lbv/h, la segunda 40psi y 1000 lbv/hora, la tercera a 80 psi y 500 lb vapor hora, además se tiene un intercambiador de calor que consume 1800 lbv/hora a 150psi y un serpentín para calentar agua el cual trabaja a 100psi y tiene que calentar 2m3 de agua de 17º a 80º C en dos horas con una eficiencia de 68%.

Se necesita calcular y diseñar:

Cuanto vapor se necesita para el serpentín, luego de esto estimar el tamaño de la caldera.

Diseño de las redes, conexiones universales, válvulas en las líneas de presión y de condensado, filtros, trampas y cañuela.

Distribución en 2D de las líneas en la planta.

SOLUCION

Para saber en si cuanto vapor se necesita en la planta primero debemos determinar cuanto vapor consume el serpentín para el calentamiento de agua, entonces estimando los distintos valores para la ecuación que nos arroja este dato tenemos:

m = Flujo de Vaporh fg=¿ Entalpia de evaporación a 100 Psi a 2068 KJ/Kg.m=¿Masa de agua a calentar en el serpentín es de 2000 Kg.C p=¿ Calor especifico del agua es igual a 4.19 KJ/Kg°C.∆T=¿ Diferencia de temperaturas del agua, ΔT es de 63°C.t=¿ Tiempo del proceso en segundos es de 7200 seg.ηt=¿ Eficiencia de la transferencia es de 68%.

m×h fg=Q=mC p∆T

t×ηt

Despejando el m se obtiene que es de 0,05214 Kg/seg al convertirlo al sistema que trabajamos tenemos un flujo másico de 413 lbm/hora.Ya que tenemos este flujo podemos sumarlo al esto de los equipos de la planta,

mTOTAL=mm1+mm2+mm3+mintercambiador ˙+mserpentin

mTOTAL=¿800 + 1000 + 500 + 1800 + 413 = 4513 lbm/hora

En cuanto al tamaño que debe tener la caldera para poder suplir la demanda de vapor, tomamos la cantidad de vapor total que se necesita en la planta de proceso al recurrir al valor de 34 lbm/h por BHP que se ha venido trabajando a lo largo del curso de Plantas, lo cual nos da:

4513 lbm/hora = 132,73 BHP 34 lbm/hora/BHP

La caldera debería ser entonces una que trabaje entre 140 BHP o maximo180 BHP si consideramos las pérdidas a lo largo de la tubería de vapor.

Revisando algunos catálogos en la web de calderas en el mercado nacional, encontramos un catalogo de la empresa Calderas Continental de la cual extrajimos el modelo de tres pasos F103C175 con 175 CV es decir unos 172,6 BHP la cual nos sirve para el ejercicio, además tiene una producción máxima de 6038 lbm/hora la cual podemos regular para obtener las 4513 lbm/h de la planta:

Tomado de http://www.calderascontinental.com/descargas/FICHA%20TECNICA%20TRES%20PASOS%20F103A125-F153C600.pdf

Para el diseño de la tubería de vapor que se muestra en un plano en Anexos, además de guiarnos de las tablas para selección de tubería de vapor seco vamos a utilizar unos programas que están disponibles en las páginas de TLV Compañía Especialista en Vapor http://www.tlv.com/global/LA/calculator/steam-pipe-sizing-by-velocity.html y otra empresa del sector en España Spirax Sarco http://www.spiraxsarco.com/es/resources/calculators/pipes/three-discharge-lines.asp en donde se encuentran unos entornos bastante amigables para el diseño de las tuberías tanto de vapor como de líneas de condensado.

A continuación vamos a explicar paso a paso el uso de estas aplicaciones para determinar el tramo número uno que comprende prácticamente la salida de la caldera:

Tramo 1: Dado a las dimensiones de la caldera y el área de la planta empezamos a estimar una distribución tentativa en 2D (Plano Anexo) de la tubería además sin tener en cuenta perdidas en la misma por fricción entre otras.

Luego de entrar al menú de Programas de Calculo de Spirax Sarco nos dirigimos a la sección Tuberías, luego Dimensionado de Tuberías Nuevas:

Este es la ventana en donde entramos con los datos que con antelación conocemos de los distintos tramos de tubería y en donde obtenemos los valores máximos y mínimos de la tubería así como la velocidad del vapor en ella y además la caída de presión esto con el fin de compararlos con los datos obtenidos del análisis de las tablas de tuberías en donde al igual entramos con presión, caudal, y rangos de velocidad adecuados, todos estos conocidos.

Tabla de estándares y espesores de tuberías. Tomado de Guía de Referencia Técnica: Distribución del Vapor.

Como sabemos solo los Schedule 40 y 80 cubren la gama completa de medidas nominales desde 15mm hasta 600 mm y son estos los Schedule mas usados comúnmente para instalaciones de tuberías de vapor.

Por otro lado las tuberías que mas se utilizan comercialmente son de acero al carbono con longitud estándar de 6 m tanto para distribución de vapor como de líneas de condensado.

Tabla de velocidades recomendadas para fluidos en tuberías. Tomado de “DISEÑO DEL SISTEMA DE TUBERÍAS Y CÁLCULO DE LAS BOMBAS.pdf”

Del tramo 1 sabemos:

De la tabla anterior sabemos que la velocidad dentro del tubo no debe exceder los 50 ft/seg esto es así para este y los demás tramos del plano, vamos a utilizar una tubería estandarizada API 5L-Schedule 40, los demás datos son:

Presión de Vapor = 150 psig.Flujo másico = 6038 lbm/h (como si la caldera estuviera a tope).Longitud del tubo = aprox. 2,5 m.

Al dar al icono Calcular de la interfaz el “Theoretical Pipe Bore” o Diámetro Teórico del Tubo nos da de 4.11820 in dado que no es comercial el programa me muestra tanto el diámetro comercial superior como inferior:

Dado que para el diámetro nominal de 4 in la velocidad se eleva hasta 52,3 ft/s y supera el límite entonces se escoge el de 6 in con una velocidad de 23 ft/s.

De aquí en adelante los distintos tramos serán desarrollados y analizados de similar forma.

Tramo 2:API 5L-Schedule 40.Presión de Vapor = 150 psig.Flujo másico = 4513 lbm/h el total de lo que requieren los equipos.

Longitud del tubo = aprox. 4 m.

Diámetro Nominal = 4 in.Velocidad = 39 ft/s.

Tramo 3:API 5L-Schedule 40.Presión de Vapor = 150 psig.Flujo másico = 1800 lbm/h para el intercambiador.Longitud del tubo = aprox. 3 m.

Diámetro Nominal = 2 1/2 in.Velocidad = 41,6 ft/s.

Tramo 4:API 5L-Schedule 40.Presión de Vapor = 150 psig.Flujo másico = 1800 lbm/h para el intercambiador.Longitud del tubo = aprox. 3 m.

Diámetro Nominal = 2 1/2 in.Velocidad = 41,6 ft/s.

Tramo 5:API 5L-Schedule 40.Presión de Vapor = 150 psig.Flujo másico = 2713 lbm/h.Longitud del tubo = aprox. 8 m.

Diámetro Nominal = 3 in.Velocidad = 40,5 ft/s.

Tramo 6:API 5L-Schedule 40.Presión de Vapor = 150 psig.Flujo másico = 1000 lbm/h para la marmita #2.Longitud del tubo = aprox. 3 m.

Diámetro Nominal = 2 in.Velocidad = 32,87 ft/s.

Tramo 7:API 5L-Schedule 40.Presión de Vapor = 40 psig.Flujo másico = 1000 lbm/h para la marmita #2.Longitud del tubo = aprox. 3 m.

Diámetro Nominal = 3 in.Velocidad = 42,39 ft/s.

Tramo 8:API 5L-Schedule 40.Presión de Vapor = 150 psig.Flujo másico = 1713 lbm/h.Longitud del tubo = aprox. 8 m.

Diámetro Nominal = 2 1/2 in.Velocidad = 39,6 ft/s.

Tramo 9:API 5L-Schedule 40.Presión de Vapor = 150 psig.Flujo másico = 800 lbm/h para la marmita #1.Longitud del tubo = aprox. 3 m.

Diámetro Nominal = 1 1/2 in.Velocidad = 43,33 ft/s.

Tramo 10:API 5L-Schedule 40.Presión de Vapor = 60 psig.Flujo másico = 800 lbm/h para la marmita #1.Longitud del tubo = aprox. 3 m.

Diámetro Nominal = 2 1/2 in.Velocidad = 39,17 ft/s.

Tramo 11:API 5L-Schedule 40.Presión de Vapor = 150 psig.Flujo másico = 913 lbm/h.Longitud del tubo = aprox.18 m.

Diámetro Nominal = 1 1/2 in.Velocidad = 49.45 ft/s.

Tramo 12:API 5L-Schedule 40.Presión de Vapor = 150 psig.Flujo másico = 500 lbm/h para la marmita #3.Longitud del tubo = aprox.3 m.

Diámetro Nominal = 1 1/4 in.Velocidad = 36.98 ft/s.

Tramo 13:API 5L-Schedule 40.Presión de Vapor = 80 psig.Flujo másico = 500 lbm/h para la marmita #3.

Longitud del tubo = aprox.3 m.

Diámetro Nominal = 1 1/2 in.Velocidad = 45.84 ft/s.

Tramo 14:API 5L-Schedule 40.Presión de Vapor = 150 psig.Flujo másico = 413 lbm/h.Longitud del tubo = aprox.12 m.

Diámetro Nominal = 1 1/4 in.Velocidad = 30.54 ft/s.

Tramo 15:API 5L-Schedule 40.Presión de Vapor = 100 psig.Flujo másico = 413 lbm/h para el serpentín.Longitud del tubo = aprox. 3 m.

Diámetro Nominal = 1 1/4 in.Velocidad = 43.12 ft/s.

La tendencia general cuando se seleccionan los tamaños de una tubería, al guiarse por el tamaño de las conexiones del equipo al que van a conectarse. Dado que es posible que no se puede alcanzar el flujo volumétrico deseado, para corregir esto se pueden utilizar reductores concéntricos y excéntricos:

Dibujo tomado de Spirax-Sarco S.A.

Para la reducción de presión según lo que se investigo es utilizado en ocasiones no solo una válvula reguladora sino que se instala un conjunto complejo de elementos que en conjunto de denomina “estación reductora de presión” como la siguiente:

Tomado de Spirax-Sarco S.A.

Se utiliza un separador para evitar que el arrastre de agua, luego si se utiliza una válvula reductora de presión es apropiado instalar también una de seguridad para proteger el equipo por si la primera falla.

Líneas de retorno de condensado:

Se suele montar la tubería con un leve descenso en la dirección del flujo para facilitar la purga en las líneas de vapor; por otro lado actuando con lógica sabemos que si se ocurre una parada en el proceso, el condensado por acción de la gravedad tendera a buscar los puntos bajos, por tanto las purgas deben ir en esos puntos.

Ahora nuevamente utilizando el programa podemos obtener las dimensiones de la línea de condensado y teniendo en cuenta de que no tendremos en cuenta las perdidas en el sistema entonces podemos asumir que lo que entra en vapor igualmente sale en agua entonces:

Material del tubo acero igualmente, podemos escoger entre acero o cobre, luego estimamos según tablas la velocidad del denominado vapor flash que

prácticamente es el que escapo de las líneas de vapor, luego de acuerdo con la tabla de velocidades sugeridas y tomamos 8 ft/s para el condensado, la presión manométrica la tomamos como cero porque es atmosférica, seleccionamos Falling Line es decir descendente que actúa la gravedad luego damos calcular y nos muestra que el Diámetro Nominal de la línea de descarga puede ser de 1 ¼ in y al final el flujo másico es igual a 4513 lbm/h como se espera. Esta llega de nuevo a al tanque de alimentación.

Ahora luego de que del tanque la bomba succiona el agua y la lleva hasta la caldera nuevamente utilizamos igualmente los programas:

Los resultados que arroya usando un grado de tubería ANSI Sch40 es un tamaño de tubería NPS3/4 cuyo diámetro Interno es 0,823 in y aproximadamente 30 m de longitud sumando las longitudes equivalentes de los distintos elementos.

Ahora la solución mas fiable para evacuar el condensado es una conexión en Ten la tubería que actúa como un pozo de goteo como se muestra

Entre otras recomendaciones para las derivaciones de la línea principal de vapor seco se suele tomar este de la parte superior del tubo ya que es menos probable así de que el condensado llegue a los equipos:

Incorrecto Correcto

Es común es que vaya un punto de purga cerca de la válvula de aislamiento o la e control en este caso, en el esquema siguiente se resume la forma de conexión en la que se encuentra cada uno de los elementos de la planta con sus respectivas válvulas y purgas:

Intercambiador

Marmitas

Serpentin

Las trampas que creemos mas convenientes para usar son tipo termostáticas principalmente por su bajo costo y fácil mantenimiento además resiste muy bien los golpes de ariete:

Trampa Termostatica

NOTA: Aspectos tan importante en el diseño de tuberias como lo son las dilataciones por el calentamiento, los esfuerzos en todos lo elementos al igual que la flexiblidad de la tuberia y los respectivos accesorios de dilatacion, diseño

de los soportes de las tuberia entre otros no son tenidos en cuenta ni son considerados como deberia ser debido a que se salen del contexto de la materia ademas por cuestiones de tiempo.

ANEXOS

Tablas

Grafica para dimensionar tuberias para vapor saturado (metodo de la Velocidad).

BIBLIOGRAFIA

Guia de Referencia Tecnica. Distribucion del Vapor.don Torcuato, Buenos Aires Argentina, 1999.

DISEÑO DEL SISTEMA DE TUBERÍAS Y CÁLCULO DE LAS BOMBAS. Branan, C.R. (editor), Rules of thumb for chemical engineers: a manual

of quick, accurate solutions to everyday process engineering problems, Gulf Professional, Amsterdam, 2005.

Especialización en Combustión S.A. “Procedimiento para Calcular Tuberías de Vapor”.

Programa Cálculos http://www.spiraxsarco.com/es/resources/calculators.asp

Segundo programa Cálculos: http://www.tlv.com/global/LA/calculator/