Compendio de Ingeniería de Servicios Auxiliares (Final)

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CELAYA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

COMPENDIO DE INGENIERÍA DE SERVICIOS AUXILIARES

JORGE ADRIÁN REYES VALADEZ

Contenido

1 INTRODUCCIÓN 1 1.1 Definición de Servicios o Planta de Servicios Auxiliares………………………………..... 1 1.2 Costos de los servicios……………………………………………………………………………………. 1

2 AGUA DE PLANTA 6 2.1 Fuentes de agua para uso industrial……………………………………………………………….. 6 2.2 Hidráulica del sistema de bombeo de un pozo……………………………………………….. 8 2.3 Tratamiento de aguas industriales…………………………………………………………………. 11

3 VAPOR DE AGUA 17 3.1 Propiedades termodinámicas del vapor de agua…………………………………………….. 17 3.2 Calderas de vapor…………………………………………………………………………………………… 18 3.3 Trampas de vapor…………………………………………………………………………………………… 26

4 AIRE COMPRIMIDO 28 4.1 Compresores………………………………………………………………………………………………….. 30 4.2 Secado de aire comprimido…………………………………………………………………………….. 33

5 COMBUSTIBLES 38 5.1 Características de los combustibles…………………………………………………………………. 38 5.2 Cuidados en tanque almacén de combustible…………………………………………………. 41 5.3 Combustión……………………………………………………………………………………………………. 41

6 GASES 44 6.1 Características que definen la peligrosidad de los gases………………………………….. 44 6.2 Recipientes para manejar gases……………………………………………………………………… 45 6.3 Prueba hidrostática………………………………………………………………………………………… 49

7 CLIMATIZACIÓN/REFRIGERACIÓN 50 7.1 Coeficiente de operación………………………………………………………………………………… 51 7.2 Bomba térmica……………………………………………………………………………………………….. 51 7.3 Característica de los refrigerantes………………………………………………………………….. 53

8 FUERZA ELÉCTRICA 54 8.1 Subestación……………………………………………………………………………………………………. 55 8.2 Clasificación de las instalaciones eléctricas……………………………………………………… 56 8.3 Factor de potencia………………………………………………………………………………………….. 56 8.4 Centro de control de motores………………………………………………………………………… 57 8.5 Transformador eléctrico…………………………………………………………………………………. 58

A TABLAS DE FRICCIÓN 60

Ingeniería de Servicios Auxiliares Capítulo 1. Introducción

1

Capítulo 1 Introducción

1.1 Definición de Servicios o Planta de Servicios Auxiliares Es aquella planta que administra, controla y genera los servicios básicos para la producción en la unidad o complejo químico. Los cuales son:

a) Agua

Agua de proceso

Agua de enfriamiento b) Vapor

De Alta (Mayor o igual a 10 kg/cm2)

De Media (Mayor o igual 7-5 kg/cm2)

De baja (Mayor o igual 3-4 kg/cm2) c) Electricidad

Según su potencial (110 Volts, 220 Volts ó 440 Volts) d) Climatización

Sistemas de enfriamiento: Glicoles (-10°C a -16°C) o Salmueras (-13°C a -15°C) e) Energéticos

Gas natural

Diesel

Combustóleo

Gasolina f) Gas inerte

Nitrógeno

Mezcla (CO2 + N2) g) Aire comprimido: Se usa para manejar válvulas neumáticas (3.5 kg/cm2)

1.2 Costos de los servicios El costo de todos los servicios varía de acuerdo a la zona geográfica. También hay que tomar en cuenta que día con día los costos de estos tienden a subir (salvo algunas excepciones), por lo que es muy difícil unificar todos estos valores en una sola tabla. Se muestra la siguiente tabla únicamente con fines ilustrativos y no debe ser tomada en cuenta para cálculos reales, sino más bien académicos.

Agua de Pozo

10 $/M3

Electricidad

kWh Base 0.4074 $/kWh kWh Intermedio 0.4683 $/kWh kWh Punta 1.7990 $/kWh


2

Promedio 0.8916 $/kWh

Gas Natural

219.41 $/Gcal 0.0090037201 Gcal/M3

Nitrógeno

1.50 $/kg 1.75 $/M3

Vapor

0.8 Gcal/Ton vapor 175.53 $/Ton vapor

Sistema de Eyectores

985 Lb vapor/hora Tabla 1.1: Precio de algunos servicios.

Gas Natural

1 Giga caloría es igual a 108 Metros cúbicos 1 Metro cúbico es igual a 0.009259 Giga calorías 1 Metro cúbico es igual a 33,576 BTU

Gas L.P. (30% Propano y 70% Butano)

1 Kilogramo es igual a 1.78 Litros 1 Kilogramo es igual a 46,849 BTU 1 Kilogramo es igual a 11,806 Kilocalorías 1 Litro es igual a 0.56 Kilogramo 1 Litro es igual a 26,282 BTU 1 Litro es igual a 6,623 Kilocalorías 1 Litro es igual a 0.006192 Giga calorías

Propano

1 Litro es igual a 6,091 Kilocalorías 1 Galón es igual a 91,500 BTU

Butano

1 Litro es igual a 6,830 Kilocalorías 1 Galón es igual a 102,600 BTU

Diesel

1 Litro es igual a 0.009403 Giga calorías

Gasóleo

1 Litro es igual a 0.009535 Giga calorías Tabla 1.2: Equivalencia de los combustibles más comunes.

A continuación se resolverán algunos ejemplos para ayudarnos a visualizar cual es el costo de operación de una caldera, así como de un conjunto de motores.

Ejemplo 1.1

a) ¿Cuál será el costo del vapor de una caldera utilizada durante una semana? Se tiene la siguiente información:


3

Día Ton de vapor

Lunes 85

Martes 90

Miércoles 100

Jueves 70

Viernes 65

Sábado 72

Domingo 80

b) Si se utilizara Diesel en lugar de vapor ¿cuál sería su costo? Solución

a) Sumando todas las toneladas de vapor utilizadas durante la semana obtenemos un total de 562 toneladas. El valor obtenido lo multiplicamos por la relación precio-peso de vapor de la tabla 1.1.

b) Para este inciso haremos uso de la tabla 1.2 en conjunto con la tabla 1.1. Con

ayuda de esta última obtendremos la equivalencia en Gcal por tonelada de vapor

Ahora será necesario calcular los litros de Diesel equivalente a dicha cantidad de Gcal

Finalmente calcularemos el costo. Consultando el precio del Diesel en la página web oficial de PEMEX® encontramos un valor de 8.24 $/Litro (calculado al 2 de enero del 2010)

De este ejercicio podemos apreciar que el uso de vapor es por mucho más económico que usar Diesel.


4

Ejemplo 1.2

Se tiene una planta de servicios con los siguientes motores y sus respectivas potencias

Motores Potencia (hp)

Compresor de aire 125

Bomba al colector general 5

Bomba de agua aljibe norte 5

Bomba de agua aljibe sur 5

Bomba de pozo 150

Red de contra incendio 125

Suponiendo que cada motor trabaja 18 horas al día y usando el costo de la electricidad promedio de la tabla 1.1, calcule el costo total de la planta. Solución

Dado que los valores de potencia reportados en la tabla se encuentran en hp, será necesario convertir esas unidades a kW y posteriormente a kWh. Debemos utilizar el siguiente factor de conversión

Una vez que tengamos los valores en kW multiplicamos por las horas de uso al día para obtener las unidades que buscamos (kWh). Haciendo el ejemplo para el compresor de aire

El cálculo para los demás motores se hace de manera análoga. Los valores finales pueden ser apreciados en la siguiente tabla

Motores kWh/día

Compresor de aire 1677.825 Bomba al colector general 67.113 Bomba de agua aljibe norte 67.113 Bomba de agua aljibe sur 67.113 Bomba de pozo 2013.39 Red de contra incendio 1677.825

El siguiente paso es sumar el consumo de kWh/día de cada motor. El resultado de la suma debe dar 5570.38 kWh/día. Multiplicando el total de kWh/día por el costo de la electricidad promedio se llega finalmente al costo total


5

Para practicar 1.1 Calcular el costo de energía por día de la bomba que tiene el pozo del Instituto Tecnológico de Celaya. Los datos que se tienen son los siguientes:

Potencia de la bomba – 75 Hp

Hora de uso por día (Aprox.) – 5 horas

Ingeniería de Servicios Auxiliares Capítulo 2. Agua de Planta

6

Capítulo 2 Agua de Planta

El agua es una sustancia química que tiene propiedades muy peculiares, una de ellas es su gran poder de disolver. Es por ello que se le ha llamado el solvente universal. Normalmente el agua se clasifica, según su origen, de la siguiente manera:

a) Agua superficial. b) Agua de río. c) Agua de pozo. d) Agua de lagos y lagunas. e) Agua de mar. f) Agua de lluvia. g) Agua destilada. h) Agua purificada.

Cada una de ellas tiene en forma disuelta, suspendida o coloidal, diversas sales minerales y gases en cantidades variables dependiendo de dónde procedan. También podemos clasificarle según el uso que se le vaya a dar:

a) Agua de uso doméstico. b) Agua para limpieza y lavado. c) Agua para uso industrial:

Para generadores de vapor de alta y baja presión.

Para enfriamiento. d) Agua para análisis químicos. e) Agua para aplicaciones biológicas (libre de pirógenos1).

El agua tal y como existe, pocas veces se puede usar en su forma natural. Se requiere conocer sus características físicas, químicas y la naturaleza y cantidad de las sustancias disueltas o suspendidas que contengan. De esta manera acondicionar un agua particular al uso deseado.

2.1 Fuentes de agua para uso industrial Las industrias pueden obtener de diferentes fuentes el agua utilizada en sus procesos. La siguiente figura nos muestra las más comunes

1Un pirógeno es cualquier agente productor de fiebre, es decir, sustancias que actuando sobre los centros

termorreguladores del hipotálamo producen un aumento de temperatura.


7

Figura 2.1: Fuentes comunes de agua.

2.1.1 Características de las fuentes típicas de agua A continuación se mencionarán algunas características de las fuentes típicas de agua observadas en la figura 2.1

a) Pozos profundos

Normalmente son la mejor fuente de agua.

Problemas comunes: Fierro, Manganeso y dureza.

Problemas eventuales: H2S, CI-, SO2-4 y CO2-

3.

b) Pozos pocos profundos

Cercanos a cursos de aguas superficiales.

Los Acuíferos de arena actúan como un filtro efectivo en la remoción de materia orgánica y de microorganismos.

c) Ríos

La calidad del agua depende del carácter de la hoya, grado de contaminación, estación del año y condiciones climáticas.

Normalmente requiere el tratamiento más extenso y la mayor flexibilidad operacional que ninguna otra fuente.

d) Lagos o embalses

Río

Toma Toma

Lago o

embalse

Planta de

tratamiento de agua

Pozos poco

profundos

Pozos profundos


8

La calidad del agua depende del tamaño, profundidad, clima, hoya y grado de eutroficación2.

Es una fuente de agua mejor que el río debido a auto-purificación.

2.2 Hidráulica del sistema de bombeo de un pozo Antes de determinar el tamaño de un sistema de bombeo de agua, es necesario entender los conceptos básicos que describen las condiciones hidráulicas de una obra. El tamaño del sistema está en relación directa con el producto de la carga dinámica total (CDT) y el volumen diario necesario. Este producto se conoce como ciclo hidráulico. La carga dinámica total es la suma de la carga estática (CE) y la carga dinámica (CD)

(Ec. 2.1)

La primera parte, la carga estática, puede obtenerse con mediciones directas. Se trata de la distancia vertical que el agua se desplaza desde el nivel de abatimiento del pozo hasta la altura en que se descarga el agua. La carga estática es entonces la suma del abatimiento, el nivel estático y la altura de la descarga. Todos los pozos experimentan el fenómeno de abatimiento cuando se bombea agua, esto es la distancia que baja el nivel del agua debido a la constante extracción de agua. La figura 2.2 muestra estos componentes hidráulicos que conforman la carga estática.

Figura 2.2: Principales componentes hidráulicos de un sistema de bombeo de agua.

2Un pirógeno es cualquier agente productor de fiebre, es decir, sustancias que actuando sobre los centros

termorreguladores del hipotálamo producen un aumento de temperatura.

Fricción

Altura de

descarga

Nivel

estático

Abatimiento

Bomba


9

La carga dinámica (fricción) es el incremento en la presión causado por la resistencia al flujo de agua debido a la rugosidad de las tuberías y componentes como codos y válvulas. Esta rugosidad depende del material usado en la fabricación de las tuberías. Los tubos de acero producen una fricción diferente a la de los tubos de plástico PVC de similar tamaño. Además, el diámetro de los tubos influye en la fricción. Mientras más estrechos, mayor resistencia producida.

2.2.1 Cálculo de carga dinámica Para calcular la carga dinámica, es necesario encontrar la distancia que recorre el agua desde el punto en el que entra a la bomba hasta el punto de descarga, incluyendo las distancias horizontales, así como el material de la línea de conducción y su diámetro. Con esta información se puede estimar la carga dinámica de varias maneras:

a) Valor por omisión La carga dinámica es aproximadamente el 2% de la distancia de recorrido del agua. Por lo general el resultado es una estimación conservadora si se asume que los sistemas de bombeo solar típicos tienen flujos de menos de 1 L/s y las bombas recomendadas se conectan a tuberías de diámetro amplio.

b) Tablas de fricción

Existen tablas publicadas por fabricantes que indican el porcentaje de fricción que debe añadirse en base al caudal, diámetro y material de las tuberías. El Apéndice A de este compendio contiene unas tablas de fricción para tuberías de plástico PVC y acero galvanizado.

c) Fórmula de Manning

Este es un método matemático que se puede realizar fácilmente con una calculadora de bolsillo. La fórmula de Manning se expresa así:

(Ec. 2.2)

Dónde:

Es el incremento en la presión causada por la fricción y expresada en distancia lineal (m).

Es una constante empírica con unidades de (m3/s)-2.

Es la distancia total recorrida por el agua en las tuberías. Su unidad es metros (m).

Es el flujo expresado en metros cúbicos por segundo (m3/s).

La constante se obtiene experimentando con varios materiales y tamaños de tuberías. La tabla 2.1 proporciona estos valores de en (m3/s)-2 para tuberías de plástico PVC y acero galvanizado.


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Material Diámetro (pulgadas)

0.5 0.75 1.0 1.5 2.0

PVC 9’544,491 1’261,034 291,815 31,282 7,236 Galvanizado 19’909,642 2’631,046 608,849 65,263 15,097

Tabla 2.1: Valores de la constante k usada en la fórmula de Manning.

Ejemplo 2.1 Un sistema instalado en la empresa Magna S.A. de C.V. presenta los siguientes datos:

Nivel estático – 25 m Abatimiento – 4 m

Altura de descarga – 9.2 m

Distancia al depósito – 3 m

Consumo – 12,500 L/día

Tiempo de operación – 6.4 horas/día La bomba seleccionada se conectó a una tubería de 1.5” de diámetro. Para la tubería se utilizó PVC por ser económico y durable. Calcular la carga dinámica total mediante:

a) El valor por omisión, b) Las tablas de fricción, y c) La fórmula de Manning.

Solución

De la ecuación 2.1 sabemos que la carga dinámica total es la suma de la carga dinámica más la carga estática. Por su definición, sabemos que está última es igual a la suma del nivel estático, el abatimiento y la altura de la descarga

Ya tenemos una parte de la CDT, solo hace falta calcular la CD. a) Este valor es igual a la distancia recorrida por el agua (L) multiplicada por

2%, quedando de la siguiente manera

( ) ( )

Por lo tanto

b) Para este inciso será necesario conocer el caudal (Q). Sabemos que las 6.4

horas de uso diario equivalen a 23,040 segundos. Este tiempo y el consumo nos permiten encontrar el caudal Q


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Apoyándonos con el Apéndice A, se selecciona la tabla de tubería PVC y se localiza la hilera con el flujo más aproximado a 0.543 L/s. En este caso se encuentra que la hilera con 0.55 L/s y la columna de 1.5 pulgadas corresponden al valor de 0.78%. En consecuencia

( ) ( ) Finalmente

c) Para poder utilizar la ecuación 2.2, será necesario cambiar las unidades del

caudal (Q). Cambiando las unidades del caudal (Q) de litros a m3 llegamos a una valor igual a ⁄ . Lo siguiente será encontrar el valor de k aplicable a nuestro caso. Con una diámetro de tubería de 1.5” y PVC como material, encontramos en la tabla 2.1 un valor de k igual a 31,282 (m3/s)-2. Ahora solo resta hacer los cálculos pertinentes

(

)

(

)

La carga dinámica total será entonces

2.3 Tratamientos de aguas industriales Las aguas potables o residuales, en distintas cantidades, contienen material suspendido, sólidos que pueden sedimentar en reposo o sólidos dispersados que no sedimentan con facilidad. Una parte considerable de estos sólidos que no sedimentan pueden ser coloides. En los coloides, cada partícula se encuentra estabilizada por una serie de cargas de igual signo sobre su superficie, haciendo que se repelan dos partículas vecinas. Puesto que esto impide el choque de las partículas y que formen así masas mayores, llamadas flóculos, las partículas no sedimentan.


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2.3.1 Coagulación La coagulación es la desestabilización de un coloide producida por la eliminación de las dobles capas eléctricas que rodean a todas las partículas coloidales, con la formación de núcleos microscópicos. En la figura 2.3 se muestra como los coagulantes cancelan las cargas eléctricas sobre la superficie del coloide permitiendo la aglomeración y la formación de flóculos. Estos flóculos inicialmente son pequeños, pero se juntan y forman aglomerados mayores capaces de sedimentar.

Figura 2.3: Desestabilización del coloide y compresión de la capa difusa.

Coloides Las especies coloidales halladas en aguas superficiales y residuales incluyen arcillas, sílices, hierro, metales pesados, color o sólidos orgánicos. Se han postulado diversas teorías para describir el fenómeno de las repulsiones entre partículas coloidales. Prácticamente todo lo que se necesita para definir el sistema es la determinación de la naturaleza y la magnitud de

Radio Efectivo

Coloide

Acció

n d

el Co

agulan

te


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la carga de la partícula. La magnitud de la carga, ilustrada por la capa que en la figura 2.3 rodea al coloide, determina lo cerca que pueden aproximarse las partículas. El potencial Z es una medida de esta fuerza de repulsión. Para coloides en fuentes de agua natural, con un pH entre 5 y 8, oscila entre -15 y -30 mV. Cuanto mayor es, en valor absoluto, mayor es la carga de la partícula. A medida que disminuye el potencial Z las partículas pueden aproximarse aumentando la posibilidad de una colisión. Los coagulantes proporcionan cargas de signo contrario para eliminar ese potencial. Si se añade demasiado coagulante las partículas se cargan ahora con el signo contrario y pueden volver a dispersarse.

Mezclado de coagulante Para complementar la adición del coagulante se requiere del mezclado para destruir la estabilidad del sistema coloidal. Para que las partículas se aglomeren deben chocar, y el mezclado promueve la colisión. El movimiento browniano3 está siempre presente como una fuerza homogeneizadora natural. Sin embargo, casi siempre es necesaria energía adicional de mezclado. Un mezclado de gran intensidad que distribuya al coagulante y promueva colisiones rápidas es lo más efectivo. También son importantes en la coagulación la frecuencia y el número de colisiones entre las partículas. Así, en aguas de baja turbidez, puede requerirse la adición de sólidos para aumentar dichas colisiones. Una vez que se ha añadido el coagulante y se ha realizado la operación de coagulación se pasa a la formación de flóculos mayores. Puede ocurrir que el flóculo formado por la aglomeración de varios coloides no sea lo suficientemente grande como para sentarse con la rapidez deseada. Por ello es conveniente utilizar productos coadyuvantes de la floculación o simplemente denominados floculantes.

2.3.2 Floculación La coagulación es generalmente seguida por la floculación, que se define como el proceso de unir partículas coaguladas y desestabilizadas para formar mayores masas o flóculos, de modo de posibilitar su separación por sedimentación (o flotación) y/o filtración del agua tratada. Es sin duda, el proceso más utilizado para la remoción de sustancias que producen color y turbiedad en el agua.

Cinética de la floculación

Los choques entre las partículas para promover su aglutinación se deben principalmente a:

a) Colisiones causadas por el movimiento de las moléculas debido al movimiento Browniano.

b) Colisiones causadas por el movimiento del agua.

3 Movimiento caótico comunicado a las partículas pequeñas al ser bombardeadas por moléculas individuales de agua.


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A la primer clase de colisiones se le denomina floculación pericinética y, a la segunda, floculación ortocinética. En la floculación pericinética el tiempo t para reducir la concentración inicial de partículas de igual tamaño para una concentración final , es dado por la siguiente ecuación

(

)

(Ec. 2.3)

Donde

Coeficiente de viscosidad dinámica ( ).

Constante de Boltzmann ( ).

Temperatura absoluta en grados Kelvin ( ).

Joule ( ).

Número inicial y final de partículas por mililitro, o sea 106 por m3. Por lo tanto, el proceso es independiente de factores externos, a no ser la temperatura. El tiempo t1/2 (en segundos) necesario para reducir a la mitad la concentración inicial de partículas , varía normalmente entre 2 segundos y 2 minutos en experiencias prácticas y teóricamente aproximado a a 25 °C.

Ejemplo 2.2

Calcular el t1/2 (en segundos) necesarios para reducir a la mitad la concentración de sólidos inicial de partículas en un floculador @ 25 °C (298 °K). Considere el siguiente valor de viscosidad del agua μ25°C = 0.89 x 10-3 N·s·m-2. Solución

Nuestro valor final de partículas será

El valor de los multiplicamos por106 por consistencia de unidades. Ahora aplicaremos la ecuación 2.3

⁄

[

]

[

]

Con esto demostramos lo dicho anteriormente sobre el valor teórico de t1/2.


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2.3.3 Desmineralización El proceso de desmineralización de agua es efectuado mediante un intercambio iónico en dos etapas que se conocen como intercambio aniónico e intercambio catiónico. En la primer etapa, un intercambio catiónico en estado ácido (hidrógeno) intercambia sus iones H2 por cationes metálicos (Ca, Mg, Na), presentes en el agua.

En la segunda etapa del proceso, un intercambiador aniónico en estado alcalino, remueve los aniones presentes de los ácidos respectivos.

( ) ( ) En la práctica, la remoción de cationes metálicos por medio de intercambiador catiónico nunca es completa. Un pequeño porcentaje de los cationes permanece en el agua de salida del intercambiador catiónico. A esto se le conoce como fuga de cationes. Un intercambiador aniónico no puede remover cationes, por lo tanto, los cationes que quedan en el agua después de la etapa de intercambio catiónico, aparecerán en el efluente de la unidad aniónica.

Planta Desmineralizadora Una planta desmineralizadora está constituida por:

1. Dos filtros de arena. La función de estos filtros es detener los sólidos en suspensión y que el agua entre a la columna catiónica ya limpia. Estos filtros se trabajan en forma alternada, haciéndose cambio de filtro cada 24hrs o antes, de acuerdo al aumento de presión que indicará se haga cambio de filtro y se inicie la limpieza del que se encontraba en servicio (retrolavado para la eliminación de los sólidos retenidos).

2. Una columna empacada con resina catiónica. La función de ésta columna es eliminar los cationes que provocan la dureza del agua (Ca, Mg, Na).

Esta resina deberá regenerarse cuando el agua a la salida de la columna tenga dureza mayor de 0.5 ppm (aproximadamente cada 8 horas a un flujo de operación normal de 29.52 m3/hr).


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La solución con la que se regenerará la resina catiónica será ácido sulfúrico al 4% de concentración.

3. Una columna desgasificadora. Su función es eliminar el CO2 que lleva el agua a la salida de la columna catiónica. La eliminación del CO2 se hace pasando el agua por la parte superior de la columna desgasificadora y hacia el tanque de almacén de agua desgasificada, esta caída del agua es en contracorriente con el aire impulsado por un ventilador colocado en la parte inferior del tanque desgasificador.

4. Un tanque para almacenamiento de agua desgasificadora. Este tanque será el que alimenta agua a la columna aniónica mediante cualquiera de sus bombas. El tanque cuenta con alarmas de alto y bajo nivel instaladas en el tablero de control.

5. Una columna empacada con resina aniónica. Del tanque de almacén de agua desgasificada se alimenta el agua blanda y desgasificada a la columna aniónica, donde los aniones presentes en el agua (HCO3-, OH, SO4

-, SiO2 y CO2), son eliminados de sus respectivos ácidos.

Después de la columna aniónica en la salida (línea) del agua desmineralizada, tenemos instalado un elemento de conductividad con su respectivo indicador y alarma de alta conductividad en el tablero de control.

2.3.4 Suavización El agua dura contiene minerales tales como Calcio y Magnesio, los cuales forman incrustaciones en tuberías, intercambiadores de calor, calderas y maquinaria en general, reduciendo su eficiencia y su vida útil o también pueden llegar a formar regiones de reproducción de organismos. El proceso de suavización se realiza a través de un intercambio iónico en el que se remueven o extraen del agua, los iones de calcio y magnesio (dureza) causantes de la formación de incrustaciones en tuberías, equipos, calderas, válvulas, etc. Suavizar el agua es un proceso sencillo, económico y de mucha utilidad para el mercado doméstico, comercial e industrial por los grandes beneficios y ahorros que aporta. Este tema se retomará en el Capítulo 3 enfocado específicamente a las calderas.

Ingeniería de Servicios Auxiliares Capítulo 3. Vapor de agua

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Capítulo 3 Vapor de agua

Esta se produce con unas condiciones termodinámicas constantes, las cuales son temperatura y presión constante. Esto se da en un dispositivo llamado caldera la cual puede tener características acuotubulares o pirotubulares lo cual dice por dónde va a pasar los gases calientes de la combustión. En este proceso la entalpía y la energía interna, empiezan a aumentar a causa de la agitación molecular producida por la adición de calor, hasta el punto en que toda el agua se transforma en vapor (condición de vapor saturado seco) en la cual la caldera corta el suministro de calor.

3.1 Propiedades Termodinámicas del vapor de agua Estas propiedades se pueden obtener del diagrama de Mollier, así como de tablas de vapor. Actualmente también existe software que calcula de manera rápida y sencilla las propiedades termodinámicas del vapor de agua a las condiciones que deseemos. La tablas de vapor tienen la ventaja de que la información se presenta de una manera más exacta que en los diagramas, pero se crea la necesidad de una interpolación.

Diagrama de Mollier El diagrama de Mollier es una representación de las propiedades del agua y vapor de agua. Se usa un sistema principal de coordenadas H-S (Entalpía-Entropía), aunque también es posible encontrar diagramas en coordenadas P-H (Presión-Entalpía)

La figura 3.1 es un ejemplo de este tipo de diagramas P-H. En el diagrama la línea de saturación (borde de la campana de cambio de fase) es una línea de importancia. Separa la zona de líquido saturado de la zona de vapor sobrecalentado. Dentro de la campana de cambio de fase las isóbaras se confunden con las isotermas. Es decir si la condensación es a presión constante, también será a temperatura constante. Una propiedad importante de estas líneas de condensación es que son rectas. Si se desea observar un diagrama de Mollier en coordenadas H-S, se recomienda consultar el libro “Introducción a la termodinámica en Ingeniería Química” de los autores J.M. Smith, H.C. Van Ness y M.M. Abbott. El diagrama se encuentra al final de todo el libro. Los diagramas de Mollier usuales solo representan una porción del espacio completo H-S. Esta representación se limita a las temperaturas y presiones más usuales y en general se excluye la zona de líquido saturado o subsaturado.


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Figura 3.1: Ejemplo de un diagrama de Mollier.

3.2 Calderas de vapor Una caldera es una maquina o dispositivo de ingeniería que está diseñado para generar vapor saturado. Éste vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia de estado. Las calderas son un caso particular en el que se eleva a altas temperaturas de intercambiadores de calor, en las cuales se produce un cambio de fase. Además son recipientes a presión, por lo cual son construidas en parte con acero laminado a semejanza de muchos contenedores de gas. Debido a las amplias aplicaciones que tiene el vapor, principalmente de agua, las calderas son muy utilizadas en la industria para generarlo para aplicaciones como:

Esterilización, es común encontrar calderas en los hospitales, las cuales generan vapor para esterilizar los instrumentos médicos, también en los comedores con capacidad industrial se genera vapor para esterilizar los cubiertos.

Calentar otros fluidos, por ejemplo, en la industria petrolera se calienta a los petróleos pesados para mejorar su fluidez y el vapor es muy utilizado.


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Generar electricidad a través de un ciclo Rankine1. Las calderas son parte fundamental de las centrales termoeléctricas.

Es común la confusión entre caldera y generador de vapor, pero su diferencia es que el segundo genera vapor sobrecalentado. Las calderas se clasifican en 2 tipos:

Acuotubulares, o de tubos de agua: son aquellas calderas en las que el fluido de trabajo se desplaza a través de tubos durante su calentamiento. Son las más utilizadas en las centrales termoeléctricas, ya que permiten altas presiones a su salida, y gran capacidad de generación.

Pirotubulares, o de tubos de humo: en este tipo el fluido en estado líquido se encuentra en un recipiente, y es atravesado por tubos por los cuales circula gases a alta temperatura producto de un proceso de combustión.

Entre sus principales partes encontramos las siguientes:

Quemador(es)

Hogar o caja de fuego

Fluxería (tubería)

Precalentador de aire

Economizador (precalentador de agua)

Evaporador (sección de saturación)

Domo

Soplador de hollín

Chimenea

Mampara

Instrumentación (programador)

3.2.1 Selección del suavizador para calderas En el proceso de seleccionar un adecuado suavizador del agua para el tratamiento de agua de alimentación de una caldera deben revisarse varias áreas. Esto implica básicamente la necesidad de obtener un análisis del agua, los HP de la caldera y la información referente a la recuperación del vapor.

1 Es un ciclo termodinámico en el que se relaciona el consumo de calor con la producción de trabajo.


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Para poder determinar el tamaño de un suavizador de agua el primer procedimiento en el proceso de selección es determinar la cantidad de dureza. Muchos de los reportes de análisis de agua expresan la dureza total en partes por millón (PPM). La expresión PPM debe ser convertida, si se usa sistema inglés, a granos por galón (GPG) para poder seleccionar el tamaño de un sistema suavizador. Para convertir la dureza expresada en PPM a GPG simplemente hay que dividir el valor de PPM entre 17.1. Lo siguiente será determinar la cantidad de agua utilizada para alimentar a una caldera, necesita hacer cálculos para convertir la capacidad de la caldera a la cantidad máxima de agua de reposición en litros (galones). Las capacidades de las calderas se dan en varias formas. Sin embargo, todas pueden y deben ser convertidas a un factor común de caballos de fuerza. Por cada caballo de fuerza (0.745 kilowatts) se requiere un volumen de agua de alimentación de 16 litros (4.25 galones) por hora. Para convertir otras capacidades de la caldera a caballos de fuerza debe consultarse la tabla 3.1.

Capacidad de la caldera Factores utilizados para convertir a HP

Kg (o libras) de vapor por hora Dividir entre 15.7 (para libras dividir entre 34.5) BTU por hora Dividir entre 33.475 Metros

2 (Pies

2) del área (Acuotubulares) Dividir entre 0.93 (para pies

2 dividir entre 10)

Metros2 (Pies

2) del área (Pirotubulares) Dividir entre 1.11 (para pies

2 dividir entre 12)

Tabla 3.1: Factores de conversión de capacidad de una caldera a HP.

Equivalencias aproximadas

1 HP (0.745 kilowatts) hr de caldera = 15 lt (4 gal) de agua evaporada por hora. 1 kg (2.2 lb) de evaporación por hora = 1 lt (0.26 gal) evaporado por hora. 1 galón de evaporación por hora = 8.34 lb de agua por hora. 1 HP de caldera = 15 kg (33.36 lb) de agua por hora.

Tabla 3.2: Equivalencias aproximadas de capacidades de calderas.

Dureza compensada Al selecciona el equipo de acondicionamiento de agua, la dureza debe basarse en la dureza compensada. La dureza compensada toma en consideración los minerales y otros factores que reducen la capacidad de suavizado de un suavizador. Para llegar a la dureza compensada podemos apoyarnos de la tabla 3.3, simplemente multiplicando la cifra de la columna derecha por la dureza en PPM o GPG dependiendo el rango de operación.

Dureza Standard Dureza Compensada

PPM GPG

17.1 – 342 1 – 20 Dza. Std. X 1.1 359 – 684 21 – 40 Dza. Std. X 1.2

701 – 1197 41 – 70 Dza. Std. X 1.3 1214 – 1710 71 – 100 Dza. Std. X 1.4 1727 o más 101 o más Dza. Std. X 1.5

Tabla 3.2: Cálculo de dureza compensada.


21

Ejemplo 3.1

¿Qué cantidad de resina requiere un suavizador para tratar el agua que consume una caldera pirotubular de 175 pie2 de superficie de calentamiento si opera por 18 horas al día con una agua de 600 ppm de dureza, si se recupera solo el 40% en condensado? Suponga que cuenta con una resina de 20,000 Granos/pie3.

Solución Empezaremos haciendo todos las conversiones pertinentes, utilizando las tablas 3.1 y 3.2, para mantener consistencia en las unidades

[ ]

Debido a la recuperación de condensado, multiplicamos el valor anterior por 0.4

Por lo que la cantidad de agua de reposición neta será

Para mantener la consistencia de unidades cambiamos de PPM a GPG

Buscamos el valor anterior en la tabla 3.2 para el cálculo de la dureza compensada

Por lo tanto, la dureza total a removerse será

Utilizando un factor de seguridad del 15%


22

Por último, calculamos los pies3 de resina necesarios

Para practicar 3.1

La caldera del Instituto Tecnológico de Celaya es de 1250 Kg de vapor/hr, la dureza del agua es de 400 ppm, opera 3 horas al día y no se recupera condensado. Calcular el volumen de resina del suavizador.

3.2.2 Rendimiento de la caldera Se define como la potencia calorífica útil, que es la energía por unidad de tiempo empleada en transformar el agua líquida de alimentación en vapor. Matemáticamente es igual a

( ) (Ec. 3.1)

Donde

Caudal de vapor.

Entalpía de vapor en la salida. Entalpía de agua líquida de alimentación.

También podemos encontrar la siguiente ecuación para calcular la potencia aportada por el combustible

( ) (Ec. 3.2)

Donde

Caudal másico del combustible.

( ) Poder calorífico interior2.

El rendimiento instantáneo, que es la relación entre la potencia calorífica útil instantánea y la potencia calorífica aportada por el combustible, se calcula de la siguiente manera

[

]

( )

(Ec. 3.3)

2 Es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa de 1 kg de combustible sin contar la parte

correspondiente al calor latente del vapor de agua de la combustión, ya que no se produce cambio de fase, y se expulsa como vapor.


23

Si deseamos determinar el consumo de combustible aplicamos la siguiente ecuación

(Ec. 3.4)

Donde

Número de horas de funcionamiento en un periodo de tiempo determinado

3.2.3 Procedimiento para calcular tuberías de vapor Comúnmente encontramos que los rangos de velocidades recomendados para vapor en tuberías es el siguiente

Para vapor saturado de 0-50 psia 4,000 @ 6,000 PPM (ft/m)

Para vapor saturado de 50-600 psia 6,000 @ 10,000 PPM (ft/m)

Para vapor sobrecalentado de 200 o más 10,000 15,000 @ 6,000 PPM (ft/m) Por otra parte, la velocidad del vapor en una tubería se puede expresar

(Ec. 3.5)

Donde

Velocidad en ft/min.

Volumen específico ft3/h (PCH).

Flujo másico lb/h.

Diámetro en pulgadas.

En el rango de presiones de hasta 600 psia [lb/in2 absoluto] el volumen específico se puede calcular por

(Ec. 3.6)

Donde es la presión absoluta en lb/in2

. Sustituyendo en la ecuación 3.5 tenemos

(

)

(Ec. 3.7-A)

(

)

(Ec. 3.7-B)

La pérdida de la presión debido a la fricción en tuberías se calcula por


24

[ ]

(Ec. 3.8)

Donde

Volumen específico del vapor (PCH).

Longitud equivalente de la tubería.

flujo másico del vapor (lb/h).

Diámetro interior de la tubería.

El valor de se calcula con la ecuación.

*

+

(Ec. 3.9)

Para el cálculo de la expansión térmica (en milímetros) tenemos que es igual a

(Ec. 3.10)

Donde

Longitud de tubería (m)

Diferencial de temperatura entre la de trabajo y ambiente (°C)

Coeficiente de expansión (

)

A continuación se proporciona una tabla de coeficientes de expansión a diferentes temperaturas para acero al carbón y acero inoxidable.

α

°C 0 -100 0 - 200 0 - 300 0 - 400 0 - 500 0 - 600 0 - 700 Acero al Carbón

13.9 14.9 15.8 16.6 17.3 17.9 -

Acero Inoxidable

20.0 20.9 21.2 21.2 22.3 22.7 23.0

Tabla 3.3: Coeficientes de expansión del acero a diferentes temperaturas.

Ejemplo 3.2

Una tubería de acero al carbón de 4 in cedula 80 transporta vapor de 10 kg/cm2 y 350 °C. Determinar las dimensiones del sistema para amortiguar la dilatación térmica si tiene 20 m de largo.

Solución Si consideramos una temperatura ambiente de 25°C entonces tendremos un diferencial de temperatura igual a


25

En la tabla 3.1 y con el valor de encontramos un coeficiente de expansión

igual a

.

Finalmente, aplicando la ecuación 3.10 calculamos la expansión térmica

Ejemplo 3.3

Vapor de agua a 60 bar manométrica y 300 °C tiene que fluir por una tubería Cédula 80 a razón de 20,000 Kg/h, con una velocidad de 300 m/min. Determinar el diámetro de la tubería.

Solución Lo primero que hay que hacer es convertir el valor de presión en bares a lb/in2

De igual manera será necesario convertir las unidades del flujo másico de kilogramos a libras masa

Lo mismo la velocidad de metros a pies

Aunque nuestro sistema sobrepasa las 600 psia, aplicaremos la ecuación 3.6 para calcular el volumen específico

( )

Utilizando la ecuación 3.5 y despejando

( )( )

Sacando raíz al valor anterior obtenemos


26

Para practicar 3.2 Vapor de agua a 40 bar manométrica y 450 °C fluye por una tubería de 4 in Cédula 80 a razón de 14,000 Kg/h. Encuentre la caída de presión por 100 m de tubería en Kg/cm2.

3.3 Trampas de vapor En todas las líneas y equipos de vapor siempre hay condensación debido al gradiente térmico existente entre sus paredes interiores, en contacto con el vapor y sus paredes exteriores que están a temperatura ambiente (tengan aislamiento o no). El condensado nos ocasiona perjuicios tales como corrosión de superficies metálicas, disminución del coeficiente de transmisión de calor y golpes de ariete3. La función básica de una trampa de vapor es descargar condensado sin permitir que escape vapor vivo. También eliminan aire y gases no condensables4. Las trampas de vapor se clasifican en:

Termostáticas, operan por diferencia de temperatura entre el vapor y el condensado. Se sub-clasifican en

o De presión balanceada o Bimetálicas

Mecánicas, operan por diferencia de densidad entre el vapor y el condensado. Se sub-clasifican en

o De flotador o De balde invertido

Termodinámicas, se basan en el cambio de estado que sufre el condensado. Se sub-clasifican en

o De disco o De impulso

3.3.1 Criterio de selección de trampas de vapor La mayoría de las trampas para vapor funcionarán siempre que las condiciones de trabajo estén dentro de los rangos de presión y capacidad que posee la trampa, pero en un sistema de drenaje correcto, la idea es que la trampa además maximice la eficiencia y capacidad del equipo de proceso. Una trampa mal escogida puede resultar en baja eficiencia. Para decidir qué tipo de trampa utilizar, además de los parámetros de capacidad y presiones, que

3 El condensado es recogido por el flujo de vapor en forma de partículas que pueden alcanzar velocidades altísimas hasta

de 45 m/s. 4 Como el dióxido de carbono, ya que promueve la corrosión de las tuberías.


27

pueden revisarse con más calma en las características de cada producto, se debe considerar los siguientes puntos:

a) Golpes de ariete, si no es posible evitar la existencia de los golpes de ariete en la línea, que pueden fácilmente destruir o inhabilitar equipos de la línea, se recomienda trabajar con trampas robustas en cuanto a construcción. En este sentido la trampa termodinámica es la más recomendada, seguida de la de Balde invertido. La de flotador es susceptible a cualquier golpe de ariete debido al mecanismo interno que lo sustenta, similar que la termostática por su cápsula.

b) Vibraciones, similar al golpe de ariete, las vibraciones en la línea deben ser evitadas, si bien se presenta sólo en algunos procesos específicos, como martillos neumáticos, bombas e instalaciones navales. Si se posee un sistema con vibraciones, la trampa más recomendada será la termodinámica, ya que sólo posee una parte móvil (la placa).

c) Heladas, si la línea de retorno está a la intemperie, es muy probable que sufra de

heladas nocturnas al momento de apagar la caldera, lo que afecta directamente a las trampas, que sin un buen aislamiento, congelan el condensado remanente interno, estropeando el funcionamiento de la misma. Una solución es la utilización de trampas termodinámicas que no se ven afectadas por las heladas

d) Sobrecalentamiento, en relación con el efecto del vapor sobrecalentado se debe

considerar que esta temperatura pude ser muy alta y que no se relaciona con la presión. Las trampas usadas en estos casos, se construyen con materiales que resisten tanto la presión como la temperatura, siendo las más normalmente utilizadas las termodinámicas.

e) Bloqueo por aire, se debe considerar la evacuación del aire que se acumula en las

líneas, y la facilidad de poder sacarlo. Las trampas termodinámicas y termostáticas, tiene la posibilidad de eliminar el aire antes de iniciar su normal operación. Sin embargo las trampas de flotador y balde invertido no poseen esa capacidad, debiendo utilizar sistemas de venteo en paralelo o venteadores termostáticos incorporados. Sin ellos estas trampas sufren lo que se conoce bloqueo por aire, en las que no pueden funcionar normalmente.

f) Bloqueo por vapor, el bloqueo de las trampas por vapor es una causa frecuente de la

operación ineficaz de un equipo y de mala instalación de los accesorios. Esto ocurre por lo general, cuando las trampas son colocadas a gran distancia de los equipos a drenar, permitiendo que el vapor se acumule entre el equipo y la trampa cuando esta cierra. Por ello las trampas deben ser instaladas lo más cerca posible de la unidad (de 1 a 1,5 metros en las termostáticas y termodinámicas y lo más cerca posible para las mecánicas).

Ingeniería de Servicios Auxiliares Capítulo 4. Aire comprimido

28

Capítulo 4 Aire comprimido

El aire comprimido se refiere a una tecnología o aplicación técnica que hace uso de aire que ha sido sometido a presión por medio de un compresor. En la mayoría de aplicaciones, el aire no sólo se comprime sino que también se deshumidifica y se filtra. El uso del aire comprimido es muy común en la industria, su uso tiene la ventaja sobre los sistemas hidráulicos de ser más rápido, aunque es menos preciso en el posicionamiento de los mecanismos y no permite fuerzas grandes.

Prácticamente, todos los procesos de compresión son politrópicos, es decir, que la temperatura se eleva con la relación de presión, y cuando la temperatura se eleva, también se eleva el trabajo de compresión

(Ec. 4.1)

En donde n es una constante comúnmente igual a 1.35 para compresores con refrigeración con aire y 1.25 con refrigeración con agua.

(

)

( )

( )

(Ec. 4.2)

Para el cálculo del trabajo tendremos la ecuación 4.3

[ ( )

] [ ( )

( )]

(Ec. 4.3)

En el caso del calor

(

) ( )

(Ec. 4.4)

(Ec. 4.5)

Donde

Flujo molecular.

Constante de universal de los gases ideales.

Calor específico a presión constante molar.


29

Calor específico molar a volumen constante.

Ejemplo 4.1

Un compresor de una etapa simple se usa para comprimir aire de 1 atm a 5 atm, a razón de 40 Kg/min. El aire ambiente está a 20°C. El proceso es politrópico con n = 1.25. Calcular el trabajo y la cantidad de calor a disipar. Solución

Sustituyendo los valores que tenemos en la ecuación 4.2

(

)

( )

( )

No se nos proporcionan, pero fácilmente podemos obtener los siguientes datos

Usando un poco la termodinámica calculamos para poder calcular

Por ultimo usamos las ecuaciones 4.3 y 4.4

(

) (

) ( )


30

[

(

) ( )

( )

]

Con un conversión de unidades obtenemos la potencia en HP

4.1 Compresores Los compresores utilizados en las plantas de la industria de procesos químicos suelen ser complejos, construidos con precisión y costosos. Por ello, su selección, operación y mantenimiento deben ser cuidadosos. Por ejemplo, la operación incorrecta puede ocasionar oscilaciones de presión (inestabilidad), condición en la cual se invierte un instante el flujo de gas dentro del compresor. Estas oscilaciones pueden dañar los componentes internos del compresor, producir daños por miles de dólares en un corto tiempo y aumentar el costo del tiempo perdido para su reparación. La operación de los compresores puede ser continua o intermitente. Es necesario definir lo que es el caudal de un compresor. Este último se entiende como la cantidad de aire que suministra el compresor. Existen dos tipos de caudales: el caudal teórico, que es el que se especifica del diseño del compresor; y el caudal real o efectivo, el cual depende de la construcción del compresor (desgaste de parte mecánicas) y de la presión.

4.1.1 Tipos de compresores Existen varios tipos de compresores, sin embargo, en este capítulo describiremos brevemente solo 3 tipos de compresores.

Compresores centrífugos En un compresor centrífugo se produce la presión al aumentar la velocidad del gas que pasa por el impulsor y, luego, al recuperarla en forma controlada para producir el flujo y presión deseados. Cuando se evalúa un compresor centrífugo, se debe prestar mucha atención al porcentaje de aumento en la presión, desde el punto normal de funcionamiento hasta el punto de oscilación. Este punto se define como el lugar en donde una reducción adicional en el flujo ocasionará inestabilidad en forma de flujo a pulsaciones y pueden ocurrir daños


31

por sobrecalentamiento, falla de los cojinetes por la inversión de empuje o por vibración excesiva. Las ventajas del empleo de un compresor centrífugo son:

En el intervalo de 2 000 a 200 000 ft”/min, y según sea la relación de presión, este compresor es económico porque se puede instalar una sola unidad.

Ofrece una variación bastante amplia en el flujo con un cambio pequeño en la carga.

La ausencia de piezas rozantes en la corriente de compresión permite trabajar un largo tiempo entre intervalos de mantenimiento, siempre y cuando los sistemas auxiliares de aceite lubricante y aceite de sellos estén correctos.

Se pueden obtener grandes volúmenes en un lugar de tamaño pequeño. Esto puede ser una ventaja cuando el terreno es muy costoso.

Cuando se genera suficiente vapor en el proceso, un compresor centrífugo será adecuado para moverlo con una turbina de vapor de conexión directa.

Su característica es un flujo suave y libre de pulsaciones. Las desventajas son:

Los centrífugos son sensibles al peso molecular del gas que se comprime. Los cambios imprevistos en el peso molecular pueden hacer que las presiones de descarga sean muy altas o muy bajas.

Se necesitan velocidades muy altas en las puntas para producir la presión. Con la tendencia a reducir el tamaño y a aumentar el flujo, hay que tener mucho más cuidado al balancear los rotores y con los materiales empleados en componentes sometidos a grandes esfuerzos.

Un aumento pequeño en la caída de presión en el sistema de proceso puede ocasionar reducciones muy grandes en el volumen del compresor.

Se requiere un complicado sistema para aceite lubricante y aceite para sellos.

Compresores de flujo axial En estos compresores, el flujo del gas es paralelo al eje o árbol del compresor y no cambia de sentido como en los centrífugos de flujo radial. La carga por etapa del axial es mucho menor (menos de la mitad) que la de una del tipo centrífugo; por ello, la mayor parte de los axiales son de cierto número de etapas en serie. Cada etapa consta de aspas rotatorias y fijas. En un diseño de reacción de 50%, la mitad del aumento de la presión ocurre en las aspas del rotor, y la segunda mitad, en las del estator. Hay menos información respecto a los métodos de selección preliminar de compresores axiales que para los centrífugos.

Compresores reciprocantes Los compresores reciprocantes abarcan desde una capacidad muy pequeña hasta unos 3000 PCM1. Para equipo de procesos, por lo general, no se utilizan mucho los tamaños grandes y se prefieren los centrífugos. Si hay alta presión y un gasto más bien bajo, se

1 Pies cúbicos por minuto.


32

necesitan los reciprocantes. El número de etapas o cilindros se debe seleccionar con relación a las temperaturas de descarga, tamaño disponible para los cilindros y carga en el cuerpo o biela del compresor. Los tamaños más bien pequeños, hasta de unos 100 HP, pueden tener cilindros de acción sencilla, enfriamiento con aire, y se puede permitir que los vapores del aceite en el depósito se mezclen con el aire o gas comprimidos. Estos tipos sólo son deseables en diseños especiales modificados. Los tipos pequeños para procesos, de un cilindro y 25 o 200 HP, tienen enfriamiento por agua, pistón de doble acción, prensaestopas separado que permite fugas controladas y pueden ser del tipo no lubricado, en el cual el lubricante no toca el aire o gas comprimido. Se utilizan para aire para instrumentos o en aplicaciones pequeñas para gas de proceso.

4.1.2 Presión de un compresor Se distinguen dos conceptos:

Presión de servicio - Es la suministrada por el condensador (o acumulador) y existe en las que suministran a los consumidores.

La presión del trabajo - Es la misma necesaria o requerida para garantizar el funcionamiento fiable de los equipos que utilizan el servicio.

A continuación se lista los tipos de control de presión de un compresor que opera en forma continua

Regulación de la carga en vacío o Regulación del escape a la atmosfera, cuando la red o depósito alcanza la

presión deseada la válvula de control abre a la atmosfera. o Regulación por aislamiento de la aspiración, cuando el depósito o red alcanza la

presión deseada cierra a la válvula de aspiración. o Regulación por recirculación de air, al alcanzar la presión deseada la red o el

depósito abre la válvula de By-Pass y el aire solo recircula.

Regulación de la carga parcial o Regulación por ajuste de velocidad, Por medio de un motovariador se ajustan

las RPM2 del compresor dependiendo de la demanda. También puede usarse una caja de velocidades cuando el compresor es movido por motores de combustión interna.

o Regulación por estrangulamiento de la aspiración, Se cierra parcialmente la aspiración por medio de una válvula al 25, 50 ó 75% según la demanda.

2 Revoluciones por minuto.


33

4.1.3 Acumuladores Los acumuladores son depósitos, generalmente cilíndricos, que almacenan la energía neumática creada por el compresor. Aportan a la instalación las siguientes ventajas:

Compensa las oscilaciones de presión en la red debidas al consumo y al flujo pulsatorio característico de los Compresores de Embolo.

Permite tiempos de descanso que mejoran el equilibrio térmico y la vida útil del Compresor y de su motor de accionamiento.

Facilita el enfriamiento del aire y la condensación del agua.

Retiene las impurezas procedentes del Compresor. Suelen ir equipados con una válvula de seguridad, un manómetro, un termómetro, un presostato3 si el sistema de regulación es intermitente, una válvula de cierre, una válvula de purga y en los tamaños grandes, una compuerta para la limpieza.

4.2 Secado del aire comprimido En la práctica se presentan muy a menudo los casos en que la calidad del aire comprimido desempeña un papel primordial. Las impurezas en forma de partículas de suciedad u óxido, residuos de aceite lubricante y humedad dan origen muchas veces a averías en las instalaciones neumáticas y a la destrucción de los elementos neumáticos. Deben eliminarse todas las impurezas del aire, ya sea antes de su introducción en la red distribuidora o antes de su utilización. Las impurezas que contienen el aire pueden ser:

Sólidas, polvo atmosférico y partículas del interior de las instalaciones.

Líquidas, agua y niebla de aceite.

Gaseosas, vapor de agua y aceite. Los inconvenientes que estas partículas pueden generar son:

Sólidas, desgaste y abrasiones, obstrucciones en los conductos pequeños.

Líquidas y gaseosas, el aceite que proviene de la lubricación de los compresores provoca formación de partículas carbonosas y depósitos gomosos por oxidación. Por otro lado, el agua en forma de vapor provoca oxidación de tuberías y elementos, disminución de los pasos efectivos de las tuberías y elementos al acumularse las condensaciones.

Hay que dedicar especial atención a la humedad que contiene el aire comprimido.

3 También es conocido como interruptor de presión. Es un aparato que cierra o abre un circuito eléctrico dependiendo de

la lectura de presión de un fluido.


34

El agua (humedad) llega al interior de la red con el aire que aspira el compresor. La cantidad de humedad depende en primer lugar de la humedad relativa del aire, que a su vez depende de la temperatura del aire y de las condiciones climatológicas.

(Ec. 4.6)

La humedad absoluta es la cantidad de agua contenida en un m3 de aire. El grado de saturación es la cantidad de agua que un m3 de aire puede absorber, como máximo, a la temperatura considerada. La humedad es entonces del 100%. La figura 4.1 muestra la saturación del aire en función de la temperatura. Por ejemplo, para un punto de rocío de 313 °K la humedad de aire es de 50 g/m3.

Secado por absorción El secado por absorción es un procedimiento puramente químico. El aire comprimido pasa a través de un lecho de sustancias secantes. En cuanto el agua o vapor de agua entra en contacto con dicha sustancia, se combina químicamente con ésta y se desprende como mezcla de agua y sustancia secante. Esta mezcla tiene que ser eliminada regularmente del absorbedor. Ello se puede realizar manual o automáticamente. Con el tiempo se consume la sustancia secante, y debe suplirse en intervalos regulares (2 a 4 veces al año). Al mismo tiempo, en el secador por absorción se separan vapores y partículas de aceite. No obstante, las cantidades de aceite, si son grandes, influyen en el funcionamiento del secador. Por esto conviene montar un filtro fino delante de éste. El procedimiento de absorción se distingue por tener una instalación simple, reducido desgaste mecánico4 y no necesita aportación de energía exterior.

Secado por adsorción Este principio se basa en un proceso físico. El material de secado es granuloso en forma de perlas. Se compone casi un 100% de dióxido de silicio. En general se le da el nombre de sílica gel. La misión del gel consiste en adsorber el agua y el vapor de agua. El aire comprimido húmedo se hace pasar a través del lecho de gel, que fija la humedad.

4 Porque el secador no tiene piezas móviles.


35

Figura 4.1: Características del punto de rocío.

La capacidad adsorbente de un lecho de gel es naturalmente limitada. Si está saturado, se regenera de forma simple. A través del secador se sopla aire caliente, que absorbe la humedad del material de secado. El calor necesario para la regeneración puede aplicarse por medio de corriente eléctrica o también aire comprimido caliente. Disponiendo en paralelo dos secadores, se puede emplear uno para el secado del aire, mientras el otro se regenera (soplándolo con aire caliente).


36

Secado por enfriamiento Los secadores de aire comprimido por enfriamiento se basan en el principio de una reducción de la temperatura del punto de rocío. Se entiende por temperatura del punto de rocío aquella a la que hay que enfriar un gas, con el objeto de que se condense el vapor de agua contenido. El aire comprimido a secar entra en el secador pasando primero por el llamado intercambiador de calor aire-aire. El aire caliente que entra en el secador se enfría mediante aire seco y frío proveniente del intercambiador de calor (vaporizador). El condensado de aceite y agua se evacua del intercambiador de calor, a través del separador. Este aire preenfriado pasa por el grupo frigorífico (vaporizador) y se enfría más hasta una temperatura de unos 274.7 °K. En este proceso se elimina por segunda vez el agua y aceite condensados. Seguidamente se puede hacer pasar el aire comprimido por un filtro fino, con el objeto de eliminar nuevamente partículas de suciedad.

Figura 4.2: Secado por enfriamiento.


37

Ejemplo 4.2

En una planta se obtiene cierta cantidad de agua a las siguiente condiciones

( )

Con una humedad relativa del aire de 60% ¿Cuál es la humedad absoluta del aire? Solución

Ya que debemos encontrar el valor de la humedad absoluta, despejamos este valor de la ecuación 4.6

De la figura 4.1 obtenemos que para una temperatura de 323 °K hay un contenido de agua de 80 g/m3

Ingeniería de Servicios Auxiliares Capítulo 5. Combustibles

38

Capítulo 5 Combustibles

Combustible es cualquier material capaz de liberar energía cuando se quema, y luego cambiar o transformar su estructura química. Supone la liberación de una energía de su forma potencial a una forma utilizable (por ser una energía química). Los combustibles se clasifican teniendo en cuenta su estado de agregación en sólidos, líquidos y gaseosos. Un ejemplo de combustible sólido es el carbón o la madera. Un ejemplo de combustible líquido es el gasóleo, y de combustibles gaseosos, el propano y el gas natural.

Combustibles sólidos o Sólidos naturales

Carbón de piedra Lignito (Carbón de madera fósil)

o Sólidos artificiales Hulla (Aglomerado de Silicatos, cal, almidones, asfalto) Carbón de madera Coque (baja temperatura - 450 °C, mediana temperatura - 700 °C, alta

temperatura - 900 °C)

Combustibles líquidos (Derivados del petróleo mediante destilación fraccionada) o Gas oil o Full oil o Combustóleo o Nafta

Combustibles Gases (Mezcla de hidrocarburos parafínicos de bajo peso molecular) o Gas natural (92% CH4 - 3% Etano) o Gas LP (30% Propano - 70% Butano)

5.1 Características de los combustibles A nivel industrial hay 3 combustibles que son consideraos lo más importantes: el gas natural, diesel y combustóleo.

Gas natural Es el mejor combustible industrial ya que es económico, ecológico y seguro. Para poderlo quemar debe llegar entubado hasta la planta, no puede transportarse en carro-tanque ni pipas. Además, requiere de una subestación de presión para gas natural.


39

Se compone de metano (entre 85-90%) y etano (hasta 9%). Tiene un poder calorífico promedio de 8,540 kcal/m3 (33,852 BTU/m3) aunque esto varía dependiendo de su composición pudiendo llegar hasta 9,550 kcal/m3. Tiene dos límites de explosividad

o Límite superior de explosividad: 14.5% Metano + 85.5% Aire o Límite inferior de explosividad: 4.5% Metano + 95.5% Aire

Para uso doméstico se le mezcla con etilmercaptano en una proporción de 17-28 PPM. La composición del gas natural que vende la empresa Gas Natural® es: 88% Metano, 9% Etano y 2% Propano.

Diesel Es ecológico, seguro y limpio. Cuenta con estímulos fiscales IEPS1 siendo de un 15% de descuento sobre el precio para pequeños y medianos empresarios. No requiere de precalentamiento pues se quema con temperaturas mayores o iguales a 10 °C. No requiere piloto de gas para encenderlo ni de medio adicional para atomizante. Su flama es limpia con emisiones ecológicas. Cuenta con un alto poder calorífico de 10,680 kcal/kg. Tiene un costo de $8.242 por litro.

Combustóleo Es el tercer mejor combustible. Es económico, sin embargo, tiene una baja calidad en el mercado nacional. Altamente contaminante, sucio, de manejo problemático y mucho mantenimiento, necesita una continua limpieza de filtro y boquillas. No se puede quemar con atomización mecánica y requiere de un medio atomizante como aire comprimido o vapor, además de un piloto de gas LP y un precalentamiento en dos etapas. Una a 35°C para poderlo bombear y otra a 100°C para poderlo quemar. Tiene una composición de 83% combustóleo, 4% azufre y 13% asfaltenos. Requiere de un tiempo de sedimentación para separarle impurezas. Está prohibido su uso en muchas zonas de la República Mexicana por anti-ecológico, ya que contiene alto contenido de azufre. Tiene un poder calorífico de 10,400 kcal/kg. Generalmente se usa para quemadores que operan las 24 horas y no se recomienda para empresas en donde se trabaja un solo turno (8 horas diarias). Si se llega a apagar un quemador de combustóleo, con combustóleo en las tuberías, estas al enfriarse formarán un tapón difícil de extraer. Requiere de calentamiento directo para que

1 Impuesto especial sobre producción y servicios.

2 Calculado al 1ro de enero de 2010.


40

vuelva a fluir. Si se usa en calderas necesita limpieza periódica de la Fluxería y obliga a tener dos calderas, una en espera y otra operando. Tiene un costo de $5,601.113 por m3.

Ejemplo 5.1

Se tiene una caldera de 100 HP trabajando al 100% con una eficiencia de combustible del 87%. Si la caldera funciona a base de diesel (ρ = 0.85207 Kg/litro) y opera 8 días las 24 horas, determinar el tamaño del tanque almacén. Considerar que el tanque solo se puede llenar al 80% por cuestiones de seguridad. Solución

Tenemos una potencia de 100 HP. Con ayuda de la tabla 3.1 podemos cambiar dicha potencia a las unidades que requerimos

Sabemos que el diesel tiene un poder calorífico de 10,680 kcal/kg, por lo tanto con ayuda de ese valor y considerando la eficiencia de combustible

Utilizando la densidad calculamos el flujo volumétrico de diesel

Solo falta calcular el volumen del tanque

Para concluir tomamos en cuenta la medida de seguridad de llenar el tanque solo al 80% de su capacidad

3 Calculado al 1ro de Enero de 2010.


41

Para practicar 5.1

Repetir el ejemplo 5.1 pero utilizando combustóleo como combustible. Compare el volumen del tanque resultante con el del ejemplo. Además compare el costo de usar diesel y combustóleo.

5.2 Cuidados en tanques almacén de combustible Un problema es la presencia de agua en los combustibles, que se origina por la condensación de la humedad del aire en el interior del tanque. El agua en los combustibles aumenta los riesgos de una mala combustión. Por esta razón debe de eliminarse por medio de una válvula instalada en el fondo de los tanques y drenarse periódicamente. El agua por su mayor peso se precipita en el fondo. Se debe de aislar los tanques exteriores (con lana de fibra de vidrio, papel alquitranado, etc.) para prevenir en verano, el calentamiento del combustible, que produce evaporaciones de hidrocarburos ligeros, y en el invierno, que se puede provocar cristalización de parafinas que tapan filtros de las bombas inyectoras. Un combustible sucio puede obturar la válvula de retención, la bomba no succionará combustible y el quemador no arrancará. Algunos filtros de combustible tienen un sistema de purgado para eliminar los sólidos suspendidos y cada tres o cuatro meses debe ser desarmado todo el filtro para su total limpieza. Es aconsejable disponer los tanques bajo la superficie del suelo o, si no ubicarlos bajo techo protector, para evitar la acción directa del sol. Los tanques en espacio abierto requieren por norma un dique de contención que prevenga derrames. Deben de tener los tanques de combustible un venteo o arrestaflama.

5.3 Combustión Se define como la reacción química entre un combustible y un comburente (oxígeno) cuyo fin es producir energía calorífica y en el cual se forman productos como gases y cenizas.

Entalpías de combustión Es el calor liberado, a presión constante, cuando se quema un mol de sustancia. Por ejemplo

( ) ( ) ( ) ( ) Lo que significa que cuando se queman 16g de metano se desprenden 212.8 kcal. Estas entalpías se determinan normalmente a 25°C y 1 atm.


42

Poder calorífico superior (PCS) Es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa de 1 Kg de combustible cuando el vapor de agua originado en la combustión está condensado y se contabiliza, por consiguiente, el calor desprendido en este cambio de fase. También es llamado poder calórico neto.

Poder calorífico inferior (PCI) Es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa de 1 kg de combustible sin contar la parte correspondiente al calor latente del vapor de agua de la combustión, ya que no se produce cambio de fase, y se expulsa como vapor. Para calcular el PCI de un combustible a partir de su PCS, o viceversa, se requiere calcular los moles de H2O cuando se quema un mol de combustible.

(Ec. 5.1) Donde

es el calor de vaporización del agua a 25°C y es igual a 44,013 kJ/mol (18,934 BTU/lb mol). Si un combustible contiene una mezcla de sustancias combustibles, PCI o PCS es dado por

∑ ( )

(Ec. 5.2-A)

∑ ( )

(Ec. 5.2-B)

Donde ( ) es el valor de calentamiento de la i-esima sustancia combustible y la fracción masa o fracción mol. La sección 27 del manual de Perry incluye los PCS para sólidos, líquidos y combustibles gaseosos más comunes. La tabla 5.1 es un extracto de dichos valores.

Combustible Vsc (KJ/g) BTU/lb mol

Madera 17 7,700 Carbón 23 10,000

Gasolina 44 14,000 Gas Natural 54 23,000 Hidrógeno 143 61,000

Tabla 5.1: Poder calorífico superior de algunos combustible


43

5.3.1 Tipos de combustión Los procesos de combustión se pueden clasificar en 5 tipos.

Combustión completa Las sustancias combustibles se queman hasta el máximo grado posible de oxidación. En consecuencia, no habrá sustancias combustibles en los humos. En los productos de la combustión se puede encontrar N2, CO2, H2O y SO2.

Combustión incompleta Sucede lo contrario que en la combustión completa. O sea, como el combustible no se oxida completamente, se forman sustancias que todavía pueden seguir oxidándose; por ejemplo, CO. Estas sustancias se denominan inquemados. La presencia de inquemados indica que la combustión se está realizando en forma incompleta. Otros inquemados pueden ser H2, CnHm, H2S y C. Estas sustancias son los contaminantes más comunes que escapan a la atmósfera en los gases de combustión.

Combustión teórica o estequiométrica

Es la combustión que se realiza con la cantidad teórica de oxígeno estrictamente necesaria para producir la oxidación total del combustible sin que se produzcan inquemados. En consecuencia, no se encuentra O2 en los humos, ya que dicho O2 se consumió totalmente durante la combustión. Esta combustión se denomina teórica porque en la práctica siempre se producen inquemados, aunque sea en muy pequeña proporción.

Combustión con exceso de aire Es la combustión que se lleva a cabo con una cantidad de aire superior a la estequiométrica. Esta combustión tiende a no producir inquemados. Es típica la presencia de O2 en los humos. Si bien la incorporación de aire permite evitar la combustión incompleta y la formación de inquemados, trae aparejada la pérdida de calor en los productos de combustión, reduciendo la temperatura de combustión, la eficiencia y la longitud de llama.

Combustión con defecto de aire En esta combustión, el aire disponible es menor que el necesario para que se produzca la oxidación total del combustible. Por lo tanto, se producen inquemados.

Ingeniería de Servicios Auxiliares Capítulo 6. Gases

44

Capítulo 6 Gases

Se denomina gas al estado de agregación de la materia que no tiene forma ni volumen propio. Su principal composición son moléculas no unidas, expandidas y con poca fuerza de atracción, haciendo que no tengan volumen y forma definida, provocando que este se expanda para ocupar todo el volumen del recipiente que la contiene, con respecto a los gases, las fuerzas gravitatorias y de atracción entre partículas, resultan insignificantes.

6.1 Características que definen la peligrosidad de los gases Propiedades:

Físicas o Son compresibles. o Ocupan todo el volumen en donde se encuentran.

Químicas o Gases inertes - No arden, no mantienen la combustión y en su seno no es posible

la vida. (Argón, Nitrógeno) o Gases comburentes - Son indispensables para mantener la combustión. (Oxígeno,

Pentóxido de Nitrógeno) o Gases combustibles - Capaces de atacar a los materiales y destruir los tejido

cutáneos. (Cloro) o Gases tóxicos - Producen interacciones en el organismo vivo, pudiendo provocar

la muerte a determinadas concentraciones. (Monóxido de Carbono) Los combustibles se clasifican teniendo en cuenta su estado de agregación en sólidos, líquidos y gaseosos. Un ejemplo de combustible sólido es el carbón o la madera. Un ejemplo de combustible líquido es el gasóleo, y de combustibles gaseosos, el propano y el gas natural. Debido a su uso hay que transportarlo desde el lugar de obtención o fabricación al de utilización o consumo. Siguen el principio económico de transportar la máxima cantidad en el mínimo volumen. Para poder llevarlo a efecto se comprimen, se licuan y/o se disuelven. Estas operaciones añaden nuevos riesgos a las propiedades por lo que los gases son considerados como mercancías peligrosas. El reglamento nacional de transporte de mercancías peligrosas por carretera y ferrocarril quedan

incluidos en la clase 2. “Gases comprimidos, licuados y disueltos a presión”. Este reglamento los clasifica como:


45

Gases Comprimidos: Gases o mezclas de gases cuya temperatura crítica es menos o igual a -10°C.

Gases Licuados: Gases o mezcla de gases cuya temperatura crítica es mayor o igual a 10°C.

Gases inflamables: Gases o mezclas de gases cuyo límite de inflamabilidad inferior es menor o igual a 13%.

Gases Tóxicos: Cuyo límite de máxima concentración tolerable durante 8 h/día y 40 h/semana (TLV) es inferior a 50 PPM.

Gases Corrosivos: Aquel que produce una corrosión de más de 6 mm/año en un acero al carbón a una temperatura de 55°C.

Gases Oxidantes: Aquel que es capaz de proporcionar su propio oxígeno para llevar la combustión con un potencial superior al aire.

Gases Criogénico: Aquellos cuya temperatura de ebullición a la presión atmosférica es inferior a 40°C.

Temperatura Crítica Es la temperatura límite a la cual no es posible licuar por presión un gas. Es característica para sustancias.

Gas TCrítica (°C)

PCrítica (atm)

Tebullición (°C)

He -267.96 2.261 -268.94 H2 -240.17 12.17 -252.76 Ne -228.71 26.86 -246.1 N2 -146.89 33.54 -195.81 CO -140.23 34.53 -191.49 Ar -122.44 48.0 -185.87 O2 118.38 50.14 -182.96

CH4 -82.6 45.44 -161.49 CO2 31.04 72.85 -78.44 NH3 132.4 111.3 -33.42 Tabla 6.1: Temperatura crítica de algunos gases.

6.2 Recipientes para manejar gases Botellas Recipientes solo utilizados para el transporte y utilización. El color es función de la familia a que pertenece el gas:


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Gases inflamables y combustibles - Rojo

Gases oxidantes e inerte - Negro o Gris

Gases corrosivos - Amarillo

Gases tóxicos - Verde

Butano y propano industrial - Naranja

Mezcla de calibración - Gris La presión a la que se someten las botellas va de las 2500 lb/in2 hasta 100 lb/in2, por lo que cualquier fuga o rotura de la válvula provoca que salgan expulsados y que puedan traspasar una barda de ladrillos. En el uso de cilindros no se permite el trasvase de un cilindro lleno a otro vacío. En cuanto a su manejo, se obliga para su transportación el uso del capuchón para proteger la válvula. Además, requieren que sean probados periódicamente a presión. La prueba se hace a 200 kg/cm2 para los cilindros de nitrógeno y a 100 kg/cm2 para el resto de los cilindros. Para las cisternas o pipas que transportan gases licuados les aplican las normas siguientes:

NOM-003-SCT2/1994 - Características de las etiquetas de envases y embalajes al transporte de materiales peligroso.

NOM-004-SCT2/1994 - Sistema de identificación de unidades destinadas al transporte terrestre de materiales y residuos peligrosos.

NOM-023-SCT2/1994 - Información técnica que debe contener la placa que portarán los autotanques recipientes metálicos para granel y envase con capacidad mayor a 450 lt que transporta materiales y residuos peligrosos.

No. ONU Sustancia División

1003 Aire líquido 2.2 1038 Etileno líquido 2.1 1073 Oxígeno líquido 2.2 1013 Neón líquido 2.2 1915 Argón líquido 2.2 1931 Etano líquido 2.1 1903 Helio líquido 2.2 1056 Hidrógeno líquido 2.1 1972 Gas natural 2.1 1977 Nitrógeno líquido 2.2 2187 Dióxido de carbono 2.2 3138 Etileno, acetileno y propileno 2.1 Tabla 6.2: Lista de los gases licuados refrigerados de la clase 2

que pueden ser transportados en contenedores cisternas.

Las cisternas deberán portar la hoja de seguridad del producto y visible el número de ONU de identificación.


47

Termotanques o tanques fijos para almacenar gases licuados Concepto de recipientes sujetos a presión (Presión interna de un recipiente), cálculo de espesor del tanque o comprobación de la presión que resiste en función de las dimensiones internas. Definiendo

P = Presión de diseño o presión de trabajo permitido.

S = Valor del esfuerzo del material lb/in2.

E = Eficiencia de las juntas.

R = Radio.

t = Espesor de la placa del tanque. Para el casco o sección cilíndrica con costura longitudinal tenemos

(Ec. 6.1)

(Ec. 6.2) Para esfera y cabeza hemisférica

(Ec. 6.3)

(Ec. 6.4)

Los valores de S y E para las ecuaciones anteriores los podemos obtener de la tablas 6.3 y 6.4 respectivamente.

Especificación Grado S [=] lb/in2

-20 @ 650°F

SA-515 70 17,500 SA-516 70 17,500 SA-515 65 16,300 SA-516 65 16,300

SA-350 LF2 17,500

INOXIDABLE -25 @ -100°F SA-240 304 13,400 SA-240 316 18,8000

Tabla 6.3: Acero utilizado para gases comprimidos.


48

E

Radiografiada Examinada por zonas No examinada Junta a tope hecho por doble cordón

1.0 0.85 0.70

Junta a tope de un solo cordón

0.90 0.80 0.65

Tabla 6.4: Tipos de juntas y su eficiencia (E).

Ejemplo 6.1

Un tanque de acero al carbón con cabeza hemisférica de acero tipo SA-515-65 se quiere utilizar para almacenar cloro líquido que mantiene su presión de equilibrio a la temperatura ambiente a 10 kg/cm2 el espesor de la placa del tanque es de 0.35 in y está soldado con juntas a tope con doble cordón y no fue examinado cuando se construyó. Las dimensiones del tanque son: 120 in de largo y 80 in de diámetro. Determinar si se puede utilizar para almacenar cloro. Solución

Con ayuda de las tablas 6.3 y 6.4 podemos obtener los valores de E y S del problema. Los resultantes son

E = 0.70 S = 16,300 lb/in2

Para el casco aplicaremos la ecuación 6.2

(

) ( )( )

( )

Y para la cabeza la ecuación 6.4

( ) ( ) ( )( )

( )

Con los resultados podemos concluir que el tanque no puede ser utilizado para almacenar cloro, esto debido a que el casco no aguantaría la presión de 10 kg/cm2.

Para practicar 6.1

Definir si se puede utilizar un tanque de acero inoxidable 316 con cabeza hemisférica para almacenar nitrógeno líquido y operarlo a 200 lb/in2 el cuál fue soldado a tope con doble soldadura y examinado por zonas; al medir sus espesores dio ½ in como punto más delgado.


49

6.3 Prueba hidrostática La NOM-020-STPS establece en el punto 9.1.1: “La prueba hidrostática consiste en presurizar el equipo sin estar en funcionamiento y desenergizado, desconectado en sus partes mecánicas y neumáticas a una temperatura no mayor de 40°C con graficador de presión o manómetro calibrado. Conectado al equipo hasta una presión de prueba que debe ser al menos 10% arriba de la presión de calibración del dispositivo de seguridad, con un fluido incompresible cuyo comportamiento al incremento de la presión no genere riesgos.”

Presión de diseño - La presión que se emplea para diseñar el recipiente; se recomienda diseñar un recipiente y su componentes @ 30 lb/in2 o 10% más que la presión de trabajo (la que sea mayor). Presión de operación - La presión que requiere el proceso del cual forma parte. Y a la cual trabaja normalmente. Presión máxima permitida - La presión interna máxima permitida del elemento más débil. Es el esfuerzo máximo permisible cuando el recipiente está:

a) En estado de corrosión. b) A una temperatura determinada. c) En posición normal de trabajo. d) Bajo el efecto de otras cargas que son aditivas a la presión interna (carga de viento,

presión externa, presión hidrostática…).

Presión de la prueba hidrostática Se calcula:

[

]

[

] [

]

Si el valor del esfuerzo del material del recipiente a la temperatura de diseño es menor que la temperatura de prueba.

Ingeniería de Servicios Auxiliares Capítulo 7. Climatización/Refrigeración

50

Capítulo 7 Climatización/Refrigeración

Refrigeración es la transferencia de calor de un cuerpo que pretendemos enfriar a otro; aprovechando sus propiedades termodinámicas. Definiremos temperatura como el reflejo de la cantidad o nivel de energía de su cuerpo, y enfriar al término de retirar energía (calor) a un cuerpo. Las aplicaciones de la refrigeración son entre muchas:

Climatización: Para alcanzar el grado de confort térmico adecuado para la habitación de un edificio. Se utiliza la unidad frigoría.

Cámaras frigoríficas: Para la conservación de los alimentos y medicamentos u otros productos que se degradan con la temperatura.

Los procesos industriales: Que requieren reducir la temperatura de maquinaria o materiales para su correcto desarrollo. Se utiliza la unidad ton de refrigeración (1 ton refrigeración = 12 000 BTU).

Los criogénicos: O enfriamiento a muy bajas temperaturas empleadas para licuar algunos gases.

Enfriamiento mecánico: o Motores de combustión interna o Máquinas y herramientas

La transferencia de calor de un medio de baja temperatura a otro de alta temperatura. Requiere de un medio especial llamado refrigerador, climatizador o máquina de refrigeración.

Refrigerador es una máquina térmica y es un dispositivo cíclico.

El fluido de trabajo utilizado en el ciclo de refrigeración se llama refrigerante.

El ciclo de refrigeración que más se usa es el ciclo de refrigeración por compresión de vapor.

Dicho ciclo incluye 4 componentes: un compresor, un condensador, una válvula de expansión y un evaporador.


51

7.1 Coeficientes de operación La eficiencia de una máquina de refrigeración se expresa en coeficiente de operación COPR. El objetivo de un refrigerador es quitar calor (QL) del espacio refrigerado. Para lograrlo requiere de un trabajo Wneto,ent.

(Ec. 7.1)

Aplicando el principio de conservación de energía

(Ec. 7.2-A)

(Ec. 7.2-B)

Sustituyendo Wneto,ent

(Ec. 7.3)

Se observa que el valor de COPR puede ser mayor que la unidad. Se interpreta como: La cantidad de calor extraído del espacio refrigerado puede ser mayor que la cantidad de trabajo entrante.

7.2 Bomba térmica Un refrigerador que se pone en la ventana de una casa con la puerta abierta hacia el aire frío del exterior en invierno funciona como una bomba de calor puesto que trata de enfriar el exterior absorbiendo calor del exterior y liberando este calor hacia dentro de la casa a través del serpentín que está detrás de él para calentar la casa.

Rendimiento de una bomba térmica

(Ec. 7.4)


52

La relación entre COPR y COPBC es

(Ec. 7.5)

El aire acondicionado son básicamente refrigeradores cuyo espacio refrigerado es un cuarto o un edificio. El rendimiento de los refrigeradores y de los acondicionadores de aire se expresa en términos de coeficiente de eficiencia energética (CEE). CEE = es la cantidad de calor tomada de un espacio enfriado en BTU por 1 kWh de electricidad consumida: 1 kWh = 3412 BTU (1 Wh = 3.412 BTU). Una unidad que extrae 1 kWh de calor del espacio enfriado, por cada kWh de electricidad que consume (COP = 1) tendrá en CEE de 3.412.

(Ec. 7.6)

Ejemplo 7.1

El compartimiento de comida de un refrigerado mantiene 4 °C si se le extrae calor a una relación de 360 kJ/min. Si la entrada de potencia requerida para el refrigerador es de 2 kW, determine:

a) el coeficiente de rendimiento del refrigerador b) la relación a la cual libera el calor el cuarto que alberga al refrigerador

Solución

Sustituyendo en la ecuación 7.1

(

)

(

)


53

7.3 Características de los refrigerantes Las características son

No tóxicos.

No corrosivos.

Contienen tinta para detección de fugas.

Deben provocar menor calentamiento de compresor.

Deben de alargar la vida del compresor.

Los refrigerantes deben ser ecológicos

No dañar la capa de ozono

No permitir el calentamiento global En si deben tener corta presencia en la atmosfera. La permanencia de los HC es menor de un año contra los CFC-12 de 100 años, la de HFC-134 de 13.6 años y la del HFC-404 de 53.5 años.

Medios de refrigeración de los procesos

Salmuera (-8 a -12 °C)

Agua helada (+3 @ 5 °C)

Glicol Polietilen glicol (-12 @ -15 °C) Etilenglicol (-12 @ -15 °C)

La selección de refrigerante está en función de su temperatura de evaporación y de las necesidades del proceso.

Refrigerante No.

Fórmula Temperatura de evaporación

°C °F 10 CCl4 77 171 11 CCl3F 24 75 12 CCl2F2 -30 -22 13 CClF3 -81 -115

13BI CBrF3 -58 -72 14 CF4 -128 -198 21 CHCl2F 9 48 22 CHClF2 -41 -41 23 CHF3 -82 -116 30 CH2Cl2 40 104 32 CH2F2 -52 -62 40 CH3Cl -24 -12

503 R-23/13(40.1/59.9) -88 -126 717 NH3 -33 -28

Tabla 7.1: Temperaturas de evaporación de algunos refrigerantes.

Ingeniería de Servicios Auxiliares Capítulo 8. Fuerza eléctrica

54

Capítulo 8 Fuerza eléctrica

Una Instalación eléctrica es el conjunto de elementos que permiten transportar y distribuir la energía eléctrica desde el punto de suministro hasta los equipos que la consumen. Incluye:

Tableros

Interruptores

Transformadores

Subestaciones

Banco de capacitores

Central de control Se utiliza corriente alterna y no directa por la facilidad que permite subir su voltaje para transportación y bajar su voltaje para su consumo. Las instalaciones eléctricas pueden ser:

Abiertas - A la intemperie, conductores visibles.

Ocultas - Dentro de paneles.

Aparente - En ductos y tubos.

Ahogadas - Dentro de muros y techos. Las instalaciones eléctricas se representan mediante el diagrama unifilar. El ingeniero químico requiere interpretar los diagramas unifilares para poder identificar y ubicar los tableros de control, los tableros de distribución, los transformadores, los CCM (centros de control de motores) y los arrancadores de cada motor. Dentro de la planta de servicios auxiliares se tiene asignada la subestación eléctrica y los tableros de distribución. Es el ingeniero encargado de esta área quién está en contacto con CFE, en caso de falla y coordina con todas las áreas los tiempos estimados en los que restablece el servicio. Arranca y alinea los arrancadores de emergencia en caso de una falla eléctrica. El voltaje utilizado en las instalaciones industriales es:

220 volts - Media tensión (3 fases y neutro)

440 volts - Alta tensión (3 fases y neutro) El doméstico o para tableros es de 110 volts (baja tensión, una fase y neutro).


55

8.1 Subestación Es un conjunto de máquinas, aparatos y circuitos que tienen la función de modificar los parámetros de la potencia eléctrica, permitiendo el control de flujo de energía, brindando seguridad para el sistema eléctrico, para los mismos equipos y para el personal de operación y mantenimiento. Se clasifican en:

Subestación de maniobra - Destinada a la conexión y desconexión de dos o más circuitos.

Subestación de transformación - Destinadas a subir o bajar los voltajes, cuentan con uno o más transformadores.

Las subestaciones también pueden clasificarse por el tipo de instalación:

Subestación tipo intemperie: Se construyen en terrenos expuestos a la intemperie y requiere un diseño, aparatos y máquinas capaces de soportar el funcionamiento bajo condiciones atmosféricas adversas (lluvias, viento, nieve, etc.) por lo general se utilizan en los sistemas de alta tensión.

Subestación tipo interior: Es este tipo de subestación los aparatos están diseñadas para operar en interiores. Son pocos los tipos de subestaciones de tipo interior y generalmente son usadas en las industrias.

Subestación tipo blindada: Los aparatos y las máquinas están bien protegidas y el espacio necesario es muy reducido, se utilizan en hospitales, auditorios, edificios y centros comerciales. Generalmente se utilizan en tensiones de distribución y utilización.

Las partes principales de una subestación son:

Interruptor

Transformador de corriente (TC)

Transformador de potencia (TP)

Cuchillas desconectadoras para sistema de medición

Cuchillas desconectadoras de los transformadores de potencia

Barras de conexión

Aisladores soportes

Conexión a tierra

Tablero de control y medición

Barras de tablero

Sujeción del tablero


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8.2 Clasificación de las instalaciones eléctricas Por el ambiente del lugar de instalación.

Por su duración o Temporales o Permanentes

Por su modo de operación o Normal o De emergencia

Por su construcción o Abiertas o Aparentes o Ocultas

Por su nivel de voltaje o Instalaciones no peligrosas - Cuando su voltaje es igual o menor a 12 volts. o Instalaciones de baja tensión - Cuando el voltaje respecto a tierra excede de

750 volts. o Instalaciones de media tensión - Cuando se utilizan voltajes de 15,000 a

34,000 volts. o Instalaciones de alta tensión - Cuando los voltajes en los que operan superan

los 34,000 volts.

Criterios generales de protección de las instalaciones eléctricas

Sobrecargas

Cortos circuitos

8.3 Factor de potencia La potencia real, kwh, es la que realiza un trabajo útil. Es la que factura CFE.

La potencia reactiva, kwarh, es la necesaria para crear el campo magnético en un motor, elemento necesario para que gire el rotor.

La potencia aparente, kva, es la suma vectorial de las dos anteriores. Es la potencia asociada a la corriente total que se conduce en los dispositivos de la red de distribución.

El ángulo entre la potencia real y la potencia aparente se le denomina factor de potencia.

(Ec. 8.1)

El factor potencia muestra que tan eficiente es la red eléctrica, mientras más cercano a la unidad significa mayor corriente real y menos corriente reactiva.


57

La potencia reactiva es la que provoca:

Sobrecalentamiento de los conductores.

Envejecimiento acelerado de los aislamientos.

Disminución de la vida útil de los equipos.

Disparo inesperado de protecciones. Los bancos de capacitores permiten corregir la potencia reactiva, para que la potencia real y aparente tenga un valor muy similar. Esto hace que los equipos trabajen más fríos y la tensión más cercana a la nominal, alarga la vida útil de los equipos. La penalización por bajo factor de potencia es reducida al instalar bancos de capacitores e incluso se puede obtener o lograr una bonificación.

8.4 Centro de control de motores (CCM) Es un cubículo o cuarto en donde se localizan los gabinetes que contienen los arrancadores de los diferentes motores con que cuenta una planta o proceso. Se le asigna una gaveta o sección a cada arrancador de cada motor y es aquí donde se le instalan las protecciones con las que se dota a cada motor.

1. Arrancador termomagnético 2. Elementos térmicos

Fórmulas para estimar el tamaño de las protecciones La protección de un motor o equipo se inicia desde el calibre del cable a utilizar, y se basan en la carga que toman los motores a plena cara.

(Ec. 8.2)

El tamaño del interruptor termomagnético se estima

Para (Ec. 8.3)

Para

(Ec. 8.4)

Para la protección por medio de fusibles estos se calculan

Para 440 Volts (Ec. 8.5)

Para 220 Volts

(Ec. 8.6)


58

Para calcular el tamaño de los elementos térmicos adecuados para un motor

(Ec. 8.7)

La capacidad a plena carga de un motor se puede determinar:

Midiéndola al operarlo con un amperímetro.

Se puede obtener de tablas de capacidades del motor.

Especificaciones de conductores eléctricos El grosor viene especificado por el sistema AWG (American Wire Gange) que mide el área transversal de los mismos en pulgadas y los determina por el calibre. El aislamiento se especifica por letras:

T [=] termoplástico

N [=] nylon

R [=] de hule

H, HH [=] resistente a altas temperaturas, resistente a muy altas temperaturas

W [=] resistente al agua

8.5 Transformador eléctrico Dispositivo eléctrico que aumenta o disminuye la tensión en un circuito de corriente alterna sin modificar su frecuencia. NP = Número de espiras de devanado primario NS = Número de espiras de devanado secundario ф = Flujo magnético Cuando la corriente se mueve por bobina primaria se forma un campo magnético en el núcleo, este induce fuerza electromotriz a la bobina secundaria (ԐS).

(Ec. 8.8-A y Ec. 8.9-A)

(Ec. 8.8-B y Ec. 8.9-B)

Como el campo magnético es común a ambas bobinas.

(Ec. 8.10-A)


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La corriente inducida a la bobina secundaria dependerá del número de espiras que contenga.

(Ec. 8.10-B) Si aplicamos a la bobina primaria 220 volts y la bobina secundaria está formada por 100 espiras más que la primaria la corriente entre los bornes de la secundaria será 220,000 Volts. Si aplicamos a la bobina primaria 220 volts y la bobina secundaria tiene 100 espiras menos, la corriente inducida en la bobina secundaria será 2.20 volts. En conclusión:

(Ec. 8.11) m es el factor de transformación de corriente y puede aumentar o disminuye la corriente. Es la relación entre el número de espiras del primario y el número de espiras del secundario.

Ingeniería de Servicios Auxiliares Apéndice A

60

Apéndice A Tablas de Fricción

Tabla A-1. Factores de pérdida por fricción en PVC rígido Factores aproximados, en m/100m (porcentajes). Tubería PVC rígida y nueva.

Flujo (L/s)

Tamaño de Tubería

0.5” 0.75” 1” 1.25” 1.5” 2” 2.5” 3” 4”

0.1 4.2 1 0.25 0.08

0.15 8.8 2.2 0.53 0.17 0.07

0.2 15 3.7 0.9 0.28 0.12

0.25 22 5.5 1.35 0.44 0.18

0.3 31 7.8 1.9 0.6 0.25

0.35 41 10 2.45 0.8 0.34

0.4 53 13 3.1 1 0.43

0.45 66 16.3 4 1.25 0.54 0.13

0.5 19 4.8 1.5 0.65 0.16

0.55 23.5 5.6 1.8 0.78 0.19

0.6 27.5 6.6 2.1 0.9 0.22

0.65 32 7.8 1.4 1.04 0.25

0.7 36 8.7 2.7 1.19 0.28

0.75 41 9.9 3.1 1.32 0.33 0.1

0.8 45 11 3.5 1.5 0.37 0.12

0.85 52 12.5 4 1.7 0.41 0.14

0.9 57 14 4.5 1.9 0.45 0.15

0.95 0.63 15 4.9 2.1 0.5 0.17

1 16.5 5.4 2.25 0.55 0.18 0.08

1.05 18 5.8 2.5 0.6 0.2 0.09

1.1 19.5 6.3 2.7 0.67 0.22 0.1

1.15 21.5 6.9 2.95 0.71 0.24 0.1

1.2 23 7.3 3.2 0.78 0.26 0.11

1.3 26.5 8.6 3.75 0.9 0.29 0.13

1.4 30 10 4.25 1 0.34 0.15

1.5 35 11.2 4.9 1.15 0.39 0.17

1.6 39 12.5 5.5 1.3 0.43 0.19

1.7 44 14.2 6.05 1.45 0.49 0.21

1.8 49 15.9 6.9 1.6 0.54 0.24

1.9 55 17.4 7.5 1.8 0.6 0.26

2 60 19 8 2 0.66 0.28


61

Tabla A-1. (Continuación)

Flujo (L/s)

Tamaño de Tubería

0.5” 0.75” 1” 1.25” 1.5” 2” 2.5” 3” 4”

2.2 22.5 9.7 2.35 0.79 0.34

2.4 26.8 11.5 2.75 0.9 0.4

2.6 31 13.3 3.2 1.05 0.45

2.8 35.1 15.2 3.7 1.2 0.52

3 40 17 4.2 1.36 0.6

3.2 45 19.3 4.7 1.52 0.68

3.4 50 21.9 5.25 1.7 0.75

3.6 56 24 5.8 1.9 0.84 0.2

3.8 62 26 6.3 2.1 0.9 0.22

4 69 29 7 2.3 1 0.24

4.5 36 8.8 2.8 1.2 0.3

5 44 10.5 3.5 1.5 0.37

5.5 62 12.5 4.2 1.75 0.44

6 14.7 4.9 2.1 0.52

6.5 17 5.6 2.4 0.6

7 19.5 6.5 2.8 0.7

Tabla A-2. Factores de pérdida por fricción en acero galvanizado

Factores aproximados, en m/100 (porcentajes). Tubería nueva.

Flujo (L/s)

Tamaño de Tubería

0.5” 0.75” 1” 1.25” 1.5” 2” 2.5” 3” 4”

0.1 5.9 1.58 0.38 0.12

0.15 12.25 3.4 0.82 0.26

0.2 21.45 5.65 1.4 0.44 0.19

0.25 31.65 8.5 2.1 0.68 0.28

0.3 44.91 11.9 2.9 0.92 0.4

0.35 58.2 15.8 3.8 1.2 0.52

0.4 75.5 19.9 4.8 1.55 0.67

0.45 91.9 25 6 1.93 0.84

0.5 30 7.3 2.35 1 0.25

0.55 36 8.7 2.75 1.2 0.3

0.6 42 10.2 3.25 1.4 0.35

0.65 48 11.9 3.8 1.63 0.4

0.7 55 13.6 4.35 1.82 0.46

0.75 63 15.4 4.9 2.15 0.52 0.17

0.8 17.4 5.55 2.4 0.59 0.19

0.85 19.4 6.15 2.65 0.68 0.21

0.9 21.8 6.9 2.9 0.74 0.23


62

Tabla A-2. (Continuación)

Flujo (L/s)

Tamaño de Tubería

0.5” 0.75” 1” 1.25” 1.5” 2” 2.5” 3” 4”

1 26.2 8.2 3.6 0.8 0.28 0.12

1.05 28.5 9 3.9 0.97 0.31 0.13

1.1 31 9.8 4.2 1.05 0.34 0.15

1.15 34.6 10.6 4.8 1.15 0.37 0.16

1.2 36 11.5 5 1.25 0.39 0.17

1.3 42.5 13.3 5.7 1.45 0.45 0.2

1.4 48 15.3 6.6 1.65 0.52 0.23

1.5 55 17.5 7.65 1.9 0.59 0.26

1.6 62 19.5 8.45 2.1 0.67 0.29

1.7 69 22 9.5 2.35 0.75 0.33

1.8 24.2 10.5 2.6 0.82 0.36

1.9 24.5 11.7 2.85 0.9 0.4

2 29.5 12.8 3.2 1 0.44

2.2 35 15.3 3.8 1.2 0.52

2.4 42 17.9 4.45 1.4 0.61

2.6 48.5 20.5 5.15 1.6 0.71 0.17

2.8 55 24 5.95 1.85 0.82 0.2

3 62.5 26.7 6.7 2.1 0.92 0.22

3.2 30 7.6 2.35 1.02 0.25

3.4 34 8.4 2.65 1.15 0.28

3.6 38 9.4 2.95 1.28 0.32

3.8 41 10.3 3.25 1.42 0.35

4 45 11.2 3.55 1.55 0.38

4.5 56 14 4.45 1.95 0.46

5 17 5.45 2.25 0.56

5.5 20 6.5 2.8 0.68

6 24 7.5 3.35 0.8

6.5 28 8.85 3.9 0.92

7 32 10 4.45 1.05

Documents

Compendio de Ingeniería de Servicios Auxiliares (Final)