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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO FECHA

DIC.09

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OBJETO

Emisión Original

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ELABORÓ Iniciales

REVISÓ Iniciales

APROBÓ Iniciales/Cargo

GGC/CR

MJP/GP ABA/GP

MS/VPO SN/VPO

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z

Índice Página 1. 2. 3. 3.1. 3.2. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 12.1. 12.1.1. 12.1.2. 12.1.3. 12.2. 12.2.1. 12.2.2. 12.2.3. 12.2.4. 12.2.5. 12.2.6. 12.3. 13. 13.1. 13.2. 13.3. 13.4. 13.5. 13.6. 13.7. 14.

INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 6 ALCANCE ............................................................................................................... 6 OBJETIVOS ........................................................................................................... 7 Objetivo General ..................................................................................................... 7 Objetivos Específicos ............................................................................................. 7 USO DE LOS CRITERIOS Y NORMATIVA ............................................................ 7 INEDON RELACIONADOS .................................................................................... 8 ACRÓNIMOS Y SIGLAS ...................................................................................... 10 MEMORIA DE CÁLCULO ..................................................................................... 10 EXCEPCIONES .................................................................................................... 10 LECCIONES APRENDIDAS ................................................................................. 11 DEFINICIONES GENERALES ............................................................................. 11 FLUJOGRAMA BÁSICO DE ESPECIFICACIÓN.................................................. 23 EQUIPOS GENERADORES DE VACÍO .............................................................. 27 Bombas de Vacio.................................................................................................. 27 Consideración de Selección del Tipo de bombas de vacío .................................. 27 Condiciones de Operación ................................................................................... 28 Clasificación de Bombas de Vacío ....................................................................... 29 Eyectores .............................................................................................................. 30 Definición de Eyectores ........................................................................................ 30 Características de un Eyector ............................................................................... 34 Principio de Operación de un Eyector .................................................................. 34 Partes de un Eyector ............................................................................................ 36 Tipos de Eyectores ............................................................................................... 37 Condensadores .................................................................................................... 38 Intervalo Típico de Comportamiento de Equipos Generadores de Vacío ..... 46 FACTORES QUE AFECTAN LA OPERACIÓN DE LOS EYECTORES ............... 50 Presión del Vapor motriz ...................................................................................... 50 Efecto del Vapor Húmedo ..................................................................................... 52 Efecto del Vapor Sobrecalentado ......................................................................... 52 Presión de Succión ............................................................................................... 52 Presión de Descarga ............................................................................................ 53 Capacidad ............................................................................................................ 54 Condensadores .................................................................................................... 55 CRITERIOS DE DISEÑO ..................................................................................... 55

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z 14.1. Cálculos Básicos Comunes .................................................................................. 56 15. GENERALIDADES ............................................................................................... 67 15.1. Terminología del Eyector ...................................................................................... 67 15.1.1. Chorros de Vacío .................................................................................................. 68 15.1.2. Fugas en un sistema existente ............................................................................. 69 15.1.3. Tiempo para Evacuación ...................................................................................... 70 15.1.4. Suministro de Vapor ............................................................................................. 70 15.1.4.1. Condiciones de Vapor ...................................................................................... 71 15.1.4.2. División de Carga sobre dos Elementos Paralelos .......................................... 72 15.1.5. Suministro de Agua de Enfriamiento .................................................................... 72 15.1.6. Remoción de Condensado ................................................................................... 72 15.1.6.1. Temperatura de Salida del Condensado .......................................................... 74 15.1.6.2. Botas Barométricas .......................................................................................... 74 15.1.6.3. Burbujas atrapadas en las botas de drenaje (“tailpipe”) ................................... 74 15.1.6.4. Altura de las botas de drenaje (“tailpipes”) ....................................................... 75 15.1.6.5. Sellos de Lazo y Trampas de flotador .............................................................. 77 15.1.7. Estimación de Requerimientos de Servicios ......................................................... 81 16. HOJA DE DATOS DE PROCESOS...................................................................... 81 17. MATERIAL ............................................................................................................ 81 18. NIVEL DE RUIDO ................................................................................................. 82 19. INSTRUMENTACIÓN ........................................................................................... 82 20. SISTEMAS DE CONTROL ................................................................................... 83 21. INSTALACIÓN ...................................................................................................... 87 22. REFERENCIAS .................................................................................................... 87 23. BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADAS ..................................................................... 88 24. ANEXOS ............................................................................................................... 89 ANEXO 1 – HOJA DE DATOS DE PROCESOS PARA LOS EYECTORES, 903HM120-P09-GUD-075 .......................................................................................... 90 ANEXO 2– MATERIALES TÍPICOS DE CONSTRUCCIÓN Y VALORES ADMISIBLES DE ESFUERZO .............................................................................. 91 ANEXO 3– EJEMPLO: CAPACIDAD ACTUAL PARA VAPORES DE PROCESO MÁS CONDENSABLES ....................................................................................... 96 ANEXO 4– DIAGRAMAS TÍPICOS DE TUBERÍAS E INSTRUMENTACIÓN (P&ID’S) SOBRE SISTEMAS DE VACÍO ........................................................... 100 ANEXO 5 –ESTIMACIÓN DE CONSUMO DE POTENCIA PARA BOMBAS DE VACÍO ................................................................................................................ 104 ANEXO 6– TERMINOLOGÍA DE PRESIÓN ....................................................... 106

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO LISTA DE SÍMBOLOS

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Símbolo AET AE70 ºF Ca Cpa

Definición Aire Equivalente a la Temperatura del sistema Aire Equivalente a la Temperatura de 70 ºF Capacidad de aire de diseño del eyector Calor específico del aire a presión constante

Cps

Calor específico del vapor a presión constante correspondiente a la presión absoluta corriente abajo . Cociente del peso de aire a 70ºF al peso de aire a una mayor temperatura que debería ser manejado por el mismo eyector a las mismas condiciones. Cociente del peso de vapor a 70ºF al peso de vapor a una mayor temperatura que debería ser manejado por el mismo eyector a las mismas condiciones. Calor latente de vaporización , generalmente 950-1000 Masa molecular de gas no condensable Masa molecular de vapor condensable Presiones de succión y descarga, respectivamente Presión Parcial de gas no condensable Presión Parcial de vapor condensable Diferencial (pérdida o caída) de presión Diferencial (pérdida o caída) de presión Flujo requerido de agua de enfriamiento 1,544 / peso molecular Temperatura del gas Tiempo para evacuar un sistema desde la presión atmosférica a la presión de diseño de un eyector Temperatura de succión Diferencia de temperatura entre entrada y salida del agua de enfriamiento. Tiempo de la operación Temperatura del aire ambiente Temperatura de la mezcla en la succión del eyector

ERTA

ERTS

hvap Mn Mv P1, P2 Pn Pv ΔP ΔP´ Qagua R T Te

T1 T2-T1 t ta tm

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Unidad [kg/h],[lb/h] [kg/h],[lb/h] [Kg/h], [lb/h] [kcal/kg ºC], [BTU/lb ºF] [kcal/kg ºC], [BTU/lb ºF] [-]

[-]

[BTU/lb] [-] [-] [psia] [kPa] , [psia] [kPa] , [psia] [ in Hg] [ in Hg] [gpm] [-] [ºF] [s], [min]

[ºR] [ºF] [s],[min] [ºC] , [ºF] [ºC] , [ºF]

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO ts t’ V W Wa WL Wl Wmezcla Wn Ws Wvapor Wv W’ Z

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z Temperatura del vapor aguas abajo de la boquilla Segundo tiempo de operación Volumen del sistema, volumen del vapor Flujo Másico Flujo másico de aire Fuga de aire Fuga de aire en la segunda prueba Flujo másico de la mezcla (Wv + Wn ) Flujo másico de gas no condensable Flujo másico del vapor Flujo másico requerido de vapor a condensar Flujo másico de vapor condensable Fuga conocida de aire Factor de compresibilidad promedio; para resultados conservadores utilice la unidad (considerando gas ideal).

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[ºC] , [ºF] [min] [m3], [ft3] [lb/min] [kg/h] , [lb/h] [kg/h] , [lb/h] [kg/h] , [lb/h] [kg/h] , [lb/h] [kg/h] , [lb/h] [kg/h] , [lb/h] [lb/h] [kg/h] , [lb/h] [kg/h] , [lb/h] [-]

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO 1.

INTRODUCCIÓN

z

La Disciplina de Procesos tiene como responsabilidad el cálculo, selección y especificación de los eyectores y/o sistemas generadores de vacío, así como la verificación del diseño por parte de los fabricantes. Para ello, el personal del Departamento de Procesos realiza cálculos hidráulicos y simulaciones del comportamiento del sistema desde la estimación de la presión de succión hasta la presión de descarga, a fin de dimensionar la línea de succión, equipos, instrumentos, descarga y establecer los criterios básicos de operación y la filosofía de control. Para realizar los cálculos en un proceso de succión de gases para crear vacío empleando vapor de agua o aire como fluido motriz, se necesitan los siguientes datos de procesos, a saber: el volumen de espacio a ser evacuado, la cantidad de aire requerido, el tiempo requerido para dicha evacuación, la presión de operación del fluido motriz, la presión de succión y la presión de descarga y la pérdida de presión en la tubería (∆P). El cálculo de la caída de presión ∆P puede ser determinado con ayuda de cualquiera de los software de simulación INPLANT™, VISUAL FLOW™ ,PIPEPHASE™ de la empresa Invensys® Systems, Inc. / SimSci-Esscor™ y el programa Cálculos Hidráulicos del Departamento de Procesos de inelectra , o bien sea, manualmente con ayuda de la literatura especificada en las referencias de este documento y los fabricantes. De acuerdo a la capacidad requerida por el proceso, el eyector variará en su tamaño a la succión y descarga, así como en la disposición en planta. El desarrollo de este INEDON tiene como finalidad estandarizar criterios, metodología, procesos y especificaciones de los eyectores y sistemas mecánicos de vacío de tipo industrial en los diferentes proyectos a ejecutar. Para así garantizar la calidad de los materiales, equipos e instalaciones, a fin de éstas operen de manera eficiente y segura, tomando en cuenta la preservación de las vidas humanas, las instalaciones y el medio ambiente. 2.

ALCANCE Esta guía está enfocada a cubrir las directrices para la especificación y selección adecuada del tipo de sistema de vacío, principalmente los eyectores de vacío, así como para la supervisión del diseño por parte de los fabricantes.

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO La guía de diseño incluye el modelo zde cálculo que se debe realizar al momento de especificar un eyector u otro sistema mecánico de vacío. Sólo se ofrecen nociones y criterios generales, para comprender el diseño y funcionamiento general del equipo generador de vacío. 3.

OBJETIVOS

3.1.

Objetivo General El objetivo principal de este INEDON es suministrar información necesaria de los principios y las prácticas de diseño empleadas normalmente en la industria química, petrolera y petroquímica para la selección y especificación de eyectores de vacío.

3.2.

Objetivos Específicos Los objetivos específicos de este INEDON son: Unificar la metodología para el cálculo, selección y especificación de los eyectores de vacío. Informar sobre los elementos que componen un eyector, principio de actuación, materiales de construcción, requerimientos de servicio (utilities), requerimientos de control e instrumentación. Mostrar los arreglos típicos en planta y las consideraciones para su operación y mantenimiento. Informar y aclarar las reglas generales para la instalación y ensamblaje del sistema de eyectores.

4.

USO DE LOS CRITERIOS Y NORMATIVA I.

II.

Los criterios especificados por el Cliente tienen prioridad sobre los indicados en este INEDON. Si las especificaciones del Cliente carecen de algún criterio, el Líder de Procesos en el Proyecto solicita la aprobación del Cliente para usar los criterios mostrados aquí. El usuario de este INEDON tiene la obligación de utilizar la revisión más actualizada de la normativa (normas, códigos, estándares, especificaciones, leyes, etc.) nacional e internacional usada en el Proyecto. Así como, solicitar

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z al Cliente o ente gubernamental correspondiente, la normativa local usada en el país donde se construye la instalación.

5.

INEDON RELACIONADOS Procedimientos e Instrucciones de Trabajo de inelectra relacionados con este INEDON: Ingeniería (HM010) 903-HM010-A90-TEC-003

Equivalencia de Términos entre Ejecución.

Centros de

903-P3000-A20-ADM-917

Procedimiento para la Identificación, Registro y Aplicación de Lecciones Aprendidas Gestión de la Calidad.

Gestión de la Calidad (HM060) 903-HM060-G09-ADM-901

Elaboración y Actualización de INEDONES

Procesos (HM120) 903-P3100-P09-ADM-901

Bases de Diseño.

903-HM120-P09-GUD-013

Bases y Criterios de Diseño.

903-HM120-P09-GUD-014

Guía para los Datos de Procesos de las Válvulas de Control y Dimensionamiento de los Desvíos.

903-HM120-P09-GUD-025

Guía para la Elaboración de los Diagramas de Tuberías e Instrumentación.

903-HM120-P09-GUD-041

Guía de Diseño para los Sistemas de Alivio de Presión.

903-HM120-P09-GUD-046

Guía para la Especificación de los Equipos Finales de Alivio y Venteo.

903-HM120-P09-GUD-050

Guía sobre Flujo Compresibles.

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Crítico

para

Fluidos

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO 903-HM120-P09-GUD-052

z Guía para la Elaboración de la Memoria de Cálculo.

903-HM120-P09-GUD-054

Guía para Selección de los Materiales de Construcción.

Diseño Mecánico (HM140) 903-P3060-T05-GUD-X02

Instructivo de Especificaciones de Materiales de Tuberías.

903-P3060-T10-GUD-067

Criterios para el Diseño de Pipelines.

903-P3060-T11-ESP-022 903-P3060-T11-GUD-013

Especificación Técnica de Aislamiento. Manual de Diseño Mecánico.

903-P3060-T11-GUD-056

Guía de Diseño para Golpe de Ariete.

903-P3060-T31-GUD-003

Manual de Flexibilidad y Soportería.

Ingeniería Civil (HM170) 903-P3050-C09-ADM-903

Procedimiento para el Diseño de Estructuras de Concreto.

903-P3050-C31-ESP-069

Especificaciones Generales para el Diseño de Fundaciones.

903-P3050-C61-TEC-020

Criterios de Diseño para Estructuras de Concreto.

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

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ACRÓNIMOS Y SIGLAS

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Español Pies cúbicos actuales por minuto @ condiciones de proceso.

ACFM

API ASME

American Petroleum Institute American Society of Mechanical Engineers American Society of Testing and Materials

ASTM BME DBP DTI HdD INEDON ISO SCFM

Inglés Actual cubic feet minute at process conditions

Balance de Masa y Energía Diagrama Básico de Procesos Diagrama de Tubería e Instrumentación Hoja de Datos inelectra Documento Normalizado Organización Internacional para la Normalización Pies cúbicos por minuto medidos @ 14,7 psia y 60 ˚F

International Organization for Standardization Standard cubic feet minute at 14,7 psia and 60 ˚F

Los ejemplos, figuras, Tablas, etc. indican la unidad de medición empleada y deben estar en concordancia con lo expresado en el INEDON Bases y Criterios de Diseño Nº 903-HM120-P09-GUD-013. 7.

MEMORIA DE CÁLCULO La memoria de cálculo para la especificación de eyectores es realizada según el INEDON “Guía para la Elaboración de la Memoria de Cálculo, Nº 903-HM120P09-GUD-052.

8.

EXCEPCIONES Este INEDON sólo incluye de forma detallada el cálculo y especificación de los eyectores de vacío cualquiera que sea el fluido motriz, que conforman la unidad generadora de vacío de la planta. En la revisión actual de este documento, la información referente a las bombas de vacío es únicamente referencial.

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LECCIONES APRENDIDAS

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Las Lecciones Aprendidas están disponibles a través de la página de intranet de Ingeniería. El sistema de Lecciones Aprendidas puede contener información adicional para el tema de este INEDON. El INEDON “Procedimiento para la Identificación, Registro y Aplicación de Lecciones Aprendidas”, N° 903-P3000-A20ADM-917, indica lo siguiente “cuando no se encuentre evidencia del uso del Sistema de Lecciones Aprendidas, se levantará una No Conformidad” durante una revisión técnica. 10.

DEFINICIONES GENERALES Aire equivalente (Air equivalent) Es el flujo másico de aire seco a 21 ºC (70 ºF) que producirá la misma presión de succión, en el eyector, que el flujo de gas para el cual el eyector fue diseñado. Aire seco (Dry air ) Se considera al aire atmosférico a la temperatura normal del espacio físico cerrado; se considera insignificante la pequeña masa de agua que contenga. Por ejemplo la masa de vapor de agua en el aire atmosférico con una humedad relativa del 50% y 27 ºC (80 ºF) es menor que 0,011 kg/kg aire. Alto vacío (High Vacuum ) Presión absoluta de gas en el alcance de 0,1 Pa a 10 μPa . Bajo vacío (Low Vacuum ) Presión absoluta del gas en el alcance de 100 kPa a 100 Pa. Bases de Diseño (Design Basis ) Consulte la revisión vigente del INEDON “Bases de Diseño”, N° 903-HM120P09-GUD-013.

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO Bomba (vacío) de Desplazamientoz Positivo (Positive Displacement Vacuum pump ). Una bomba de vacío en la cual el volumen llenado con gas es cíclicamente aislado desde la entrada, mientras el gas está siendo transferido a una salida. En muchos tipos de bombas de desplazamiento positivo, el gas es comprimido a la salida antes de la descarga. Se consideran dos categorías: bombas de desplazamiento positivo reciprocante y bombas de desplazamiento positivo rotatorio Para mayor información, remítase al documento INEDON “Guía para la Especificación de las Bombas” Nº 903-HM120-P09-GUD-030. Bomba Cinética de Vacío (Kinetic vacuum pump) Una bomba de vacío es la cual el momento es impartido al gas o a las moléculas de forma tal que el gas es transferido continuamente desde la entrada a la salida. Pueden considerarse dos tipos: las bombas de captura de fluidos y las bombas de dragado de vacío. Bomba de Difusión (Diffusion pump) Una bomba cinética en la cual una corriente de vapor de alta velocidad y baja presión permite la incorporación del fluido atrapado. Las moléculas de gas se difunden en esta corriente y son manejadas a la salida. El número de densidad de moléculas de gas siempre es bajo en la corriente. Una bomba de difusión opera cuando se obtienen las condiciones de flujo molecular. Bomba de Eyector de Vacío (Ejector vacuum pump) Una bomba cinética que utiliza la disminución de presión debido al efecto venturi y en la cual el gas es atrapado en una corriente de alta velocidad hacia fuera. Una bomba de eyector opera cuando se tienen fluidos de condiciones viscosas e intermedias. Bomba de Vacío (Vaccum pump) Un dispositivo para crear, mejorar y/o mantener un vacío. Existen dos categorías diferentes que se pueden considerar: bombas de transferencia de gas y bombas de entrampamiento o captura. Bomba de Vacío con Sello de Aceite (sello de líquido) (Oil Sealed vacuum pump) Una bomba de desplazamiento positivo rotatorio en la cual el aceite es utilizado para sellar la brecha entre las partes móviles con respecto a otra y, para reducir 903-HM120-P09-GUD-075/18-12-09/ggc/SP

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z el volumen libre en la cámara de la bomba al final de la etapa de compresión del ciclo.

Bomba de Vacío de Anillo de Líquido (Liquid Ring vacuum pump) Una bomba de desplazamiento positivo rotatorio en la cual el rotor excéntrico con paletas fijas lanza un líquido contra la pared del estator. El líquido toma la forma de un anillo concéntrico al estator y se combina con las paletas del rotor para definir un volumen variable. Bomba de Vacío de Captura (trampa) (Entrapment-capture- vacuum pump) Una bomba de vacío en la cual las moléculas son retenidas por absorción o condensación sobre las superficies internas. Bomba de Vacío de Chorro de Gas (Gas Jet vacuum pump) Una bomba eyectora en la cual el fluido atrapado es un gas no-condensable. Bomba de Vacío de Chorro de Líquido (Liquid Jet vacuum pump) Una bomba eyectora en la cual el fluido atrapado es un líquido, por lo general, agua. Bomba de Vacío de Chorro de Vapor (Vapour Jet vacuum pump) Una bomba eyectora en la cual el fluido atrapado es un vapor, bien sea agua, mercurio u otro vapor. Bomba de Vacío de Raíz (Roots vacuum pump) Una bomba de desplazamiento positivo en la cual dos lóbulos de rotores, interbloqueados y sincronizados, giran en direcciones opuestas moviendo hacia atrás cada una y la pared de la carcasa con un pequeño espacio sin tocarlo. Bomba de Vacío de Sello Seco(Dry Sealed vacuum pump) Una bomba de desplazamiento positivo la cual no posee sello de aceite (u otro líquido).

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z Bomba de Vacío tipo Pistón (Piston vacuum pump)

Una bomba de desplazamiento positivo en la cual el gas es comprimido y expulsado debido al movimiento de un pistón reciprocante que mueve un cilindro. Bomba Rotatoria de Vacío de Paletas Deslizantes (Sliding Vane Rotary vacuum pump) Una bomba rotatoria de desplazamiento positivo en la cual un rotor ubicado excéntricamente es convertido tangencialmente a la superficie fija del estator. Dos o más paletas deslizantes en las ranuras del rotor (generalmente radial) y frotadas sobre la pared interna del estator dividen la cámara del estator en varias partes de volumen variable. Boquilla (Nozzle) La parte de un eyector o bomba de difusión utilizada para dirigir el flujo del fluido impulsado para producir la acción de impulsarlo. Boquilla de la garganta (Nozzle Throat ) Es la sección transversal más pequeña de la boquilla. Capacidad (Unit Capacity) Es el flujo másico de gas a ser manejado por el eyector. Presión de Cero Absoluto (Absolute zero pressure) Es la presión nula que se obtendría en el caso ideal de la ausencia total de moléculas. Chorro (Jet) La corriente de fluido de la bomba que es emanado desde una boquilla en un eyector o una bomba de difusión. Condiciones Estándar y Normales (Standard & Normal Conditions) Las designaciones “S” para estándar y “N” para normal son de uso común en la industria. Ejemplos: SCF (Sft3), pie cúbico estándar; Nm3, metro cúbico normal.

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z Los valores típicos de presión y temperatura base para la especificación del volumen de gas y líquido son:

Tabla 1. Condiciones Estándar y Normales Temperatura

Presión Absoluta

Condición

[bar]

[psi]

[°C]

[°F]

15,56

60,00

0,00

32,00

Estándar

Normal

1 atm. est

1,01325

14,6959

Las Bases de Diseño del Proyecto indicaran el tipo de condiciones, estándar o normal que serán utilizadas como base para los cálculos.

Consumo total de agua de enfriamiento (Cooling Water consumption) Es el flujo total pasando a través de los condensadores del eyector a la temperatura de entrada especificada. Consumo total de vapor (Steam consumption) Es el flujo másico del fluido motriz requerido para cumplir con las especificaciones de presión y temperatura del proceso. Difusor (Diffuser) La sección convergente de la pared de una bomba eyectora. Entrada (Inlet Nozzle) La boquilla por la cual el gas es bombeado a la entrada de una bomba (Bomba de Eyector de Vacío), también llamado “Cámara de Succión”, véase la Figura 11.

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z clearance area) Espacio de área de la boquilla (Nozzle

El área transversal más pequeña entre el borde exterior de la boquilla y la pared de la carcasa de la bomba. Espacio de la boquilla (Nozzle clearance) El ancho del ánulo determinado por el espacio de área de la boquilla. Extensión de la boquilla (Nozzle extensión) La parte (o pequeña pieza de la tubería) entre el pecho de vapor (o placa de la boquilla) y la boquilla, véase la Figura 11. Fluido de bombeo (Motive Fluid) El fluido de operación o motriz de un eyector o una bomba de difusión. Flujo crítico (Critical Flow) Cuando la velocidad del fluido a través de la garganta del difusor alcanza velocidad sónica. Se presenta cuando la relación entre la presión de descarga del eyector y la presión de succión del eyector es mayor que 2 Flujo subcrítico (Subcritical Flow) Cuando la velocidad del fluido a través de la garganta del difusor es subsónica. Se presenta cuando la relación entre la presión de descarga del eyector y la presión de succión del eyector es menor que 2 Flujo Volumétrico de una Bomba de Vacío (Volume flow rate of a vacuum pump) Es el flujo volumétrico del gas removido por la bomba desde la fase gas dentro de la cámara evacuada. Este tipo de definición solamente es aplicable cuando son diferentes dispositivos separados de la cámara de vacío. A efectos prácticos, el flujo volumétrico de una bomba dada para un determinado gas es, por convención, tomado por el flujo de gas desde un domo de prueba estandarizado conectado a la bomba dividida por la presión de equilibrio medida a una posición específica en el domo de prueba y en condiciones de operación específicas.

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO Fracción molar (Molar Fraction)

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La fracción molar de un componente en un sistema homogéneo está definida como el número de moles de ese componente dividido por la suma del número de moles de todos los componentes. Garganta del Difusor (Diffuser throat) La parte de un difusor que tiene el área transversal más pequeña. Gas no-condensable (Non Condensable gas) Un gas a una temperatura mucho más alta que su temperatura crítica. Masa molecular (Molecular mass) Es la suma de las masas atómicas de todos los átomos en una molécula. Medio vacío (Médium Vacuum) Presión absoluta del gas en el alcance de 100 Pa a 0,1 Pa. Operación estable (Stable Operation) Es la operación del eyector sin fluctuaciones drásticas en la presión de succión. Placa de la boquilla (Nozzle plate) La placa sobre la cual la boquilla (o extensiones de boquillas) de un eyector son montadas. Presión absoluta (Absolute Pressure) Es la presión que se mide respecto a la presión de cero absoluto, la presión atmosférica es un ejemplo de presión absoluta. Presión Atmosférica (Atmospheric Pressure) Es la presión que ejerce la atmósfera que rodea la tierra sobre todos los objetos que se hallan en contacto con ella. La presión atmosférica cambia con la altitud, a mayor altitud menor presión atmosférica.

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z Presión Atmosférica Estandarizada. (Standard Atmospheric Pressure)

760 torr o 29.92 in Hg (pulgadas de mercurio) o 14,696 psi (libras por pulgada cuadrada) o 1 Pa (Pascal). Presión Atmosférica Normalizada (Normal Atmospheric Pressure) Es la presión ejercida por la atmósfera bajo condiciones normalizadas y su valor es 101,33 kPa o 14,7 libras por pulgada cuadrada (psi), o 760 milímetros de mercurio (mm Hg.). Este valor es considerado a una altitud de 0 m s.n.m. (metros sobre el nivel del mar), temperatura ambiente de 20 ºC, humedad de 65% HR y densidad del aire de 1,2 kg/m3. Presión Barométrica (Barometric Pressure) Es el valor de la presión atmosférica local más una corrección por la altitud geopotencial local. La presión barométrica oscila alrededor de la presión atmosférica normalizada sobre el vacío perfecto. Presión Crítica de Respaldo (Critical Backing Pressure) Es la presión de respaldo por encima de la cual un chorro de vapor o la bomba de difusión no funcionan correctamente. Es el valor más alto de presión de respaldo que todavía no produce un incremento significativo de la presión de entrada. La presión crítica de respaldo de una bomba dada depende principalmente del rendimiento. Nota: En algunos casos, la falla no ocurre abruptamente y la presión crítica de respaldo no puede ser precisada. Presión de Arranque (Starting Pressure) Es la presión a la cual una bomba puede ser arrancada sin daño alguno y se obtenga un efecto de bombeo. Presión de descarga (Discharge Pressure) Es la presión absoluta prevalece a la descarga de un eyector. Presión de Operación (Operating Pressure) La presión absoluta que una bomba de vacío o un eyector pueden mantener en un sistema operando a capacidad de diseño y condiciones normales de operación. 903-HM120-P09-GUD-075/18-12-09/ggc/SP

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z Presión de respaldo (Backing Pressure)

Es la presión a la salida de una bomba que descarga el gas a una presión por debajo de la atmosférica. Presión de succión (Suction Pressure) Es la presión absoluta estática que prevalece en la succión del eyector expresada en milímetros (o micrones) de mercurio. Presión de vapor (Vapour Pressure). La presión a la cual las fases del líquido y el vapor se encuentran en equilibrio a una temperatura dada. La presión de vapor varía con la temperatura. Presión Diferencial (Differential Pressure) Es la presión que mide la diferencia entre dos presiones A – B, la presión relativa y el vacío relativo son ejemplos de presión diferencial cuando la presión B es igual a la presión atmosférica local.

Ejemplos: Cualquier presión por encima de la atmosférica

2 atm 29,4 psia

2,03 bara

Presión absoluta = manométrica + presión barométrica

Presión barométrica o presión absoluta

14,7 psig 1,01 barg

Presión manométrica

Nivel de presión atmosférica (variable) Vacío

Cualquier presión por debajo de la atmosférica

1 atm 14,7 psia 0 psig

1,01 bara 0 barg

0,5 atm 7,4 psia

0,51 bara

Presión absoluta Presión de cero absoluto  Vacío perfecto

0 atm

−7,4 psig

−0,51 barg

0 psia

0 bara

−14,7 psig

−1,01 barg

Figura 1.Relación entre presiones manométricas y absolutas. (Referencia: Flow of Fluids Trough Valves, Fittings, and Pipe. Crane Co. 1988. ) 903-HM120-P09-GUD-075/18-12-09/ggc/SP

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO Presión estática (Static Pressure)

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Es la presión medida en el gas de tal manera que no hay efecto producido por la velocidad en la medición. Presión Final de una Bomba (Ultimate Pressure of the pump) El valor hacia el que tiende asintóticamente la presión en pruebas estandarizadas de domo, sin la introducción de gas y con la bomba funcionando normalmente. Una distinción puede ser hecha entre la presión final debida únicamente a los gases no-condensables y la última presión total debida a los gases y vapores. Presión Manométrica (Gauge Pressure) Es medida por encima de la presión barométrica mientras que presión absoluta siempre está referida al vacío perfecto como punto de referencia. Presión Máxima de Respaldo (Maximum Backing Pressure) Es la máxima contrapresión que puede alcanzar una bomba hasta que pueda dañarse. Presión Máxima de Trabajo (Maximum Working Pressure) Es la presión de entrada correspondiente al máximo flujo volumétrico de gas que la bomba es capaz de resistir bajo operación continua sin causar deterioro o daño a sus partes. Rango de Presión de Vacío (Pressure Ranges) La Industria en general está agrupada en niveles de presión por debajo de la atmosférica en: Tabla 2. Denominación y rangos de presión de las condiciones de vacío

Bajo Vacío

Medio Vacío

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Rango de Presión 101.325 KPa hasta 14,696 psia 133.324 10 -3 kPa hasta 0,019337 psia 133.324 10 -3 kPa hasta 133.324 10 -6 KPa

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0,019337 psia hasta 1,934*10-5 psia

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Alto Vacío

Ultra Vacío

Alto

Rango de Presión

133.324 10 -6 KPa hasta 133.324 10 -10 KPa

1,934*10-5 psia hasta 1,934*10-9 psia

Menor a 133.324 10 -10 KPa

Menor a 1,934*10-9 psia

Presiones agrupadas en el rango de Ligero Vacío son utilizadas en cerca del 90% de las industrias de procesamiento químico y petroquímico. Generalmente este rango incluye: Destilación al Vacío, Filtración, Cristalización, Secado, Reacción y otros. Vacío Medio es aplicable mayormente a procesos de desgasificación de metales fundidos, Destilación Molecular, Secado por Enfriamiento, entre otros. Presiones en los rangos de presión Alto y Ultra – Superior Vacío son utilizados frecuentemente para finas películas, y trabajos de investigación. Razón de arrastre de masa molecular (Molecular mass entrainment ratio) Es la relación entre la masa de gas manejado por el eyector a la masa de aire que sería manejado por el mismo eyector operando bajo las mismas condiciones. Razón de arrastre de temperatura (Temperatura entrainment ratio) Es la relación entre la masa de aire o vapor a la temperatura de 21 ºC( 70 ºF) y la masa de aire o vapor a una temperatura más alta que sería manejada por el mismo eyector operando a las mismas condiciones. Razón de Compresión (Compression ratio) El cociente entre la presión de salida y la presión de entrada para un cierto gas. Recuperación de presión (presión de recogida)(Pick up Pressure) Es la presión que alcanza, bien sea, el vapor motriz o la descarga a la cual el eyector recupera la condición de estabilidad en su operación. Rendimiento de una Bomba de Vacío El caudal que fluye a través de la entrada de la bomba.

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO Salida (Outlet nozzle)

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La boquilla de salida o descarga de una bomba (Bomba de Eyector de vacío). Temperatura Absoluta (Absolute temperature) Es la temperatura por encima del cero absoluto. Temperatura de Succión (Suction temperatura) Es la temperatura del gas a la succión del eyector. Temperatura y Presión Crítica (Critical Temperature and Pressure) En el punto crítico, las diferencias entre las propiedades físicas del líquido y el vapor desaparecen y las propiedades de ambos son las mismas. Por encima de la temperatura crítica, no puede existir la fase líquida. Ultra Alto Vacío (Ultra High Vacuum,) Presión absoluta de gas menor a 10 μPa. En la Figura 2 muestran los rangos de presiones de vacío.

Figura 2. Rango de presiones de vacío. (Adaptado de [2]) 903-HM120-P09-GUD-075/18-12-09/ggc/SP

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO Vacío (Vacuum)

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El vacío es la depresión de presión por debajo de la presión barométrica. Por lo general, la referencia para las condiciones de vacío es realizada expresando la presión absoluta en pulgadas de mercurio, milímetros de mercurio o micrones. Un vacío perfecto representa un cero absoluto de presión, él cual técnicamente no se puede mantener. Es imposible de obtener un vacío perfecto, pero es posible obtener un nivel de vacío, definido como una presión, en un sistema, debajo de la presión barométrica. La relación entre los diferentes parámetros de presión se describe en la Figura 1. Para la conveniencia en la ingeniería del diseño del vacío, se utiliza el término de la presión absoluta. La presión absoluta es una presión por encima del cero absoluto (un vacío perfecto). Por ejemplo, cuando se dice que hay 15 in Hg de vacío referenciado a una presión barométrica de 29 in Hg, entonces la presión absoluta es la diferencia de la presión barométrica y la lectura de presión (29 – 15) = 14 in Hg absoluta. La lectura de 15 in Hg de vacío puede ser considerada una lectura negativa del manómetro. Vacío Absoluto (Absolute Vacuum) Es el vacío que se mide con respecto al cero absoluto, como una presión absoluta de gas, menor a la presión atmosférica. Vacío relativo también conocida como presión negativa o vacío negativo (Gauge Vacuum). Presión menor a la presión atmosférica local, medida con respecto a la presión atmosférica. 11.

FLUJOGRAMA BÁSICO DE ESPECIFICACIÓN La Figura 3 muestra el flujograma básico de cualquier especificación realizada por la Disciplina de Procesos para los equipos e instrumentos. La adaptación para este INEDON es la siguiente:

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z 1a Conocimiento del alcance del Proyecto:

Saber qué se requiere de la Disciplina de Procesos en un Proyecto esta establecido en el alcance. La información necesaria puede estar en los términos de referencia de la propuesta original para el Proyecto, en la minuta o acta de la reunión de arranque (kickoff meeting), en los cambios de alcance, etc. El alcance varía con el Cliente, la etapa del Proyecto (Ing. Conceptual, Básica, de Diseño, IPC, etc.), si la instalación es nueva o se realiza una adecuación para una instalación existente. El conocimiento del alcance del proyecto es un requerimiento para el personal de la Disciplina de procesos, el cual incluye al Líder de la Disciplina, los Ingenieros y Especialistas de Procesos. 1b Obtención de la documentación necesaria: Bases de Diseño del Proyecto: el documento se puede complementar con información de este INEDON y la información específica del Proyecto. Normativa usada para el Proyecto: las normas, los códigos, estándares, las especificaciones, leyes, etc. varían en los proyectos y se requiere obtener la versión más actualizada. Es posible que el documento Bases de Diseño solo nombre la normativa; pero es función de la Disciplina de Procesos, la obtención de la información detallada. BME: ayuda a conocer las características de los fluidos de proceso DBP: complementa el documento anterior DTI: el documento representativo de la Disciplina de Procesos, es el que también muestra más información sobre los equipos relacionados con el eyector. Debido a que el diseño del eyector es subcontratado a un vendedor, procesos indica en el DTI los límites del vendedor y hace referencia al DTI elaborado por el vendedor. Consulte el INEDON “Guía para la Elaboración de los Diagramas de Tubería e Instrumentación”, N° 903-HM120-P09-GUD-025. Hoja de Datos Especificación del Equipo: contiene información detallada sobre el equipo (dimensiones, condiciones de diseño, etc.) Según la etapa y el alcance del Proyecto, se pueden obtener del vendedor, de la Disciplina de Ingeniería Mecánica o de Procesos.

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO Memoria de Cálculo: en este zdocumento se muestran los requerimientos básicos para el diseño del eyector. Hojas de Datos del Vendedor: (en la emisión “como construido” o “conforme a obra”): esta información es indispensable para la evaluación de las instalaciones existentes. Las hojas de datos del vendedor son la fuente más confiable para conocer la especificación del eyector. En el caso de la evaluación de una instalación existente, cualquier documento o información relevante para el análisis es solicitada al Cliente, comenzando en la propuesta técnica y durante la ejecución del Proyecto. En algunos proyectos, es alcance de inelectra el levantamiento (relevamiento) de la información existente. La falta de información origina que la Disciplina de Procesos tenga que realizar consideraciones y suposiciones, estas son incluidas en la Memoria de Cálculo. Adicionalmente, se añaden recomendaciones para obtener información más confiable y disminuir la incertidumbre. 2

Conocimiento de las bases, premisas y los criterios: El documento de Bases de Diseño del Proyecto contiene de manera resumida la información para el dimensionamiento o la especificación de los equipos e instrumentos; pero en algunas ocasiones, la Disciplina de Procesos establece premisas en base a la información de otros productos propios o de otras Disciplinas.

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Figura 3. Flujograma básico para las especificaciones de los equipos. 3a

Especificación del equipo: En el caso de los eyectores, la Disciplina de procesos suministra los datos requeridos para el dimensionamiento del equipo; el cual es realizado por el vendedor.

3b

Elaboración de la Memoria de Cálculo: Los cálculos realizados para determinar el requerimiento de flujo motriz, flujo de agua de enfriamiento, flujo de calor en los condensadores, etc. son soportados por la Memoria de Cálculo, véase Sección 7.

4a

Elaboración de la Hoja de Datos (HdD) o Suministro de datos a otras Disciplinas: La elaboración de la HdD consiste en especificar la información requerida por otras Disciplinas y luego por el vendedor para el diseño del eyector.

4b

Actualización de otros productos Los otros productos son actualizados con los resultados, por ejemplo el sumario de servicios industriales con el cálculo del consumo de vapor.

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z EQUIPOS GENERADORES DE VACÍO

Según la Organización Internacional para la Normalización, en inglés, International Organization for Standardization, las "Bombas de vacío" son definidas como dispositivos utilizados para crear, mejorar y/o mantener un vacío. Una convención utilizada en las industrias de crudo y gas es la del nombre de “Bomba de Vacío” utilizado para los dispositivos rotatorios de vacío. Los equipos de vacío son divididos en dos grandes grupos: Bombas de Vacío y Eyectores de Vapor. 12.1. 12.1.1.

Bombas de Vacio Consideración de Selección del Tipo de bombas de vacío Los tres principales factores que deben ser considerados en la selección del tipo de dispositivos de vacío son los requerimientos operacionales (como presión de succión), propiedades del gas a la succión y costos. Un procedimiento general para la selección del tipo de equipo de vacío se muestra en la Figura 4.

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Figura 4.Procedimiento de Selección para Equipos Generadores de Vacío. (Adaptado de [3]) 12.1.2.

Condiciones de Operación El rango de aplicación de los diferentes tipos de equipos de vacío de acuerdo a las condiciones de operación se muestra en la Figura 5, aunque siempre es necesario consultar los catálogos de los fabricantes para la especificación y selección final de los equipos de vacío.

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Figura 5.Aplicación de los Equipos que producen Vacío. [1] 12.1.3.

Clasificación de Bombas de Vacío La clasificación de los equipos de vacío realizada según la ISO, se muestra en la Figura 6.

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Figura 6. Clasificación de Bombas de Vacío según su funcionamiento. (Adaptado de [2]) 12.2. 12.2.1.

Eyectores Definición de Eyectores Los Eyectores son un tipo de bomba de vacío o compresor térmico que utilizan una alta velocidad del gas o vapor del motor de reacción para atrapar el gas entrando y, convirtiendo la velocidad de la mezcla a presión en un difusor. Ya que un eyector no tiene válvulas, rotores, pistones u otras partes móviles, es un componente de relativamente bajo costo, fácil de operar y requiere relativamente poco mantenimiento.

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Figura 7.Eyector en una columna de destilación al vacio

[4]

Los dos fluidos motrices más comunes con lo que son operados los eyectores son agua (o algún líquido de proceso) o vapor. Los eyectores de líquido son utilizados para crear un modesto vacío o para mezclar líquidos. La Figura 8 ilustra los componentes mayores y el principio de funcionamiento.

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Figura 8. Eyectores de Vapor, Aire, Gas y Líquido utilizados en la industria. [1] El propósito del eyector es transportar y comprimir una masa de fluido inducido desde la presión de succión a la presión de salida. Los eyectores son más sensibles a cambios en la presión de descarga. Si un eyector excede su máxima presión de descarga estable, la operación se convertirá en inestable y la capacidad ya no será una función de la presión absoluta. La operación estable se puede lograr por el incremento del flujo de vapor o por la disminución de la presión de descarga. Para una operación estable, la presión del vapor para la mayoría de los eyectores debe estar por encima de un cierto nivel. Este límite inferior tendrá dos magnitudes dependiendo de sí la presión de vapor se acerca al punto de transición del lado inestable o del lado estable.

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z Los eyectores pueden ser de una sola etapa o de varias etapas. Las etapas adicionales pueden tener condensación de vapor entre ellas a través de un condensador y operar a presiones absolutas más bajas.

En eyectores de múltiples etapas, se utiliza un inter-condensador enfriado por agua, esto es generalmente ventajoso para condensar el vapor de cada etapa, a fin de reducir la carga de la etapa sucesiva. Esto reduce el tamaño y el consumo de vapor de las etapas sucesivas resultando en un sistema de eyector mucho más eficiente. La condensación de vapor debe tener lugar a una presión superior que corresponda a la presión de saturación del agua de enfriamiento. Con el uso de eyectores multietapas es posible obtener un amplio rango de presiones de succión desde la atmosférica a un nivel más bajo del micrón de mercurio absoluto (1 micrón Hgabs). El comportamiento de los eyectores operando con fluidos motrices diferentes al vapor variará dependiendo de las propiedades termodinámicas del fluido motriz correspondiente variando el diseño de un eyector. Para un eyector multi-etapas que maneje aire u otro gas no-condensable, existe un diseño particular que requiere un mínimo de vapor y agua para su operación ya que utilizando más agua, no redunda en ahorro de vapor. Algunas veces es posible reducir considerablemente la carga del eyector utilizando un pre-condensador, para condensar una mayor porción de vapores antes del eyector. Con frecuencia la presión absoluta es demasiado baja para utilizar un pre-condensador y es necesario comprimir los vapores a una presión donde gran parte de la condensación sea hecha con el inter-condensador; esto permite el uso de eyectores secundarios pequeños para completar la compresión de los vapores no-condensables. En casos donde la porción de la carga sea un vapor condensable, existe una gama de combinaciones de vapor y agua que pueden ser diseñados y, lo que determinará el mejor diseño son los costos relativos al vapor y agua. Por lo general, los costos del eyector no varían considerablemente dentro de la gama posible de requerimientos de vapor y agua.

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO 12.2.2.

Características de un Eyector

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Los eyectores tienen las siguientes características que hacen que sean buenas escogencias para producir de forma económica, condiciones de vacío:  Manejan condiciones de fluidos secos, húmedos o mezclas de vapores corrosivos.  Desarrollan cualquier condición de vacío necesaria para operaciones industriales.  Todos los tamaños están disponibles para satisfacer cualquier requerimiento pequeño o grande del Cliente o usuario final.  Operación fija y sencilla con eficiencias razonablemente buenas.  No tienen partes móviles, por lo tanto, su mantenimiento es bajo y su operación es constante cuando la corrosión no es un factor determinante.  Estabilidad en la operación dentro del rango de diseño.  Los costos de instalación son relativamente bajos cuando se comparan con las bombas de vacío mecánico. Menor requerimiento de espacio. 12.2.3.

Principio de Operación de un Eyector Todos los eyectores operan sobre la base de un principio común. Ellos atrapan aire u otro fluido en un chorro de alta velocidad del fluido motriz. Y utilizan la energía cinética de la corriente de alta velocidad para descargar la mezcla de fluidos a la atmosfera. Esto sugiere que cuanto mayor sea la velocidad del chorro de la boquilla del eyector, mayor será la presión de descarga del eyector. El incremento de velocidad del fluido motriz causa una reducción en la presión creando succión en la cámara de mezclado dentro del fluido de proceso. El fluido de proceso se mezcla con la corriente de fluido motriz. La mezcla de fluido pasa a través del difusor convergente – divergente, donde la velocidad es convertida en energía de presión. La presión de descarga resultante es mucho más alta que la presión de succión del eyector. En el difusor, su energía de velocidad es convertida a energía de presión, la cual ayuda a descargar la mezcla contra una contrapresión determinada, atmósfera o a un condensador.

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO La Figura 9 y la Figura 10 ilustranz de forma aproximada la conversión de la presión de aire en velocidad en la boquilla del eyector y la conversión de velocidad en presión en el difusor. Para la mayoría de los usos prácticos, una o dos etapas del eyector de aire de alta producirá un vacío final así como un eyector de chorro de vapor de una o dos etapas. El eyector de chorro de vapor, sin embargo, requiere una cantidad menor de libras de fluido motriz que el chorro de aire y menos flujo másico de fluido motriz para descargar a carga constante a un vacío particular en comparación con el del chorro de aire. El aire en las mismas condiciones de temperatura y presión tiene menos energía interna en sus moléculas que el vapor. Y teóricamente, el aire no puede producir un vacío de alta como el vapor. Sin embargo, las ineficiencias de los procesos de compresión y expansión en un eyector cuando el eyector está operando a través de su máximo rango de compresión oculta las diferencias en el valor del vacío producido.

Figura 9. Esquema que muestra la conversión de presión de aire en velocidad en la boquilla del eyector y viceversa, en el difusor. [4]

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CAMARA DE SUCCIÓN

BOQUILLA DE VAPOR

DIFUSOR SUPERSÓNICO

GARGANTA

DIFUSOR SUBSÓNICO

Descarga Aire y Vapor VAPOR

Aire a comprimir

VELOCIDAD Mach 1 = 1000 fps

Presión Operación Vapor PRESIÓN

Descarga Aire y Vapor

Presión Aire entrada SOLO VAPOR

SOLO AIRE

MEZCLA VAPOR AIRE

Figura 10. Componentes básicos de un Eyector y un Diagrama de Conversión de energía en la boquilla del difusor. (Adaptado de [1]) 12.2.4.

Partes de un Eyector A continuación se describen las partes que conforman un eyector: Pecho de Vapor (“Steam Chest”). Ésta es la conexión a través de la cual se introduce el vapor motriz a alta presión. Cámara de Succión (“Suction Chamber”). Ésta provee una cámara plena (“plenum”) con las conexiones apropiadas para la succión de entrada, difusor y boquilla de vapor. Esta parte puede, algunas veces, eliminarse por la incorporación de la conexión del difusor y la conexión de la boquilla del vapor en el recipiente. Tales diseños son el resultado de la combinación de diseños más compactos y ahorro en costos.

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Figura 11. Sección transversal de un Eyector. [1] Boquilla de Vapor (“Steam Nozzle”). Éste es el corazón de un eyector puesto que convierte la energía de presión a velocidad y dirige el flujo del vapor motriz dentro del difusor. Difusor de Entrada (“Inlet Diffuser”). Ésta provee una sección introductoria formada correctamente y una sección convergente del difusor para manejar la alta velocidad del flujo de fluidos. Es en esta sección donde son completados el arrastre y mezclado del fluido motriz y de carga, y la energía de la velocidad supersónica es convertida a presión. Sección de la Garganta (“Throat Section”). Ésta es la pieza de transición entre el difusor de entrada supersónico – convergente y el difusor de salida subsónico – divergente. Difusor de Salida (“Outlet Diffuser”). Ésta provee una sección del difusor correctamente formada para completar la conversión de velocidad a presión. Después que el flujo de fluido ha pasado a través de la garganta del difusor, el flujo es esencialmente subsónico. La sección de salida del difusor reduce aún más la velocidad del fluido a un nivel razonable como para convertir prácticamente toda la energía de velocidad a energía de presión. 12.2.5.

Tipos de Eyectores Los eyectores pueden ser simples o de varias etapas y además de un mutichorro dentro de una cámara o fase. Las etapas extras, con o sin condensación inter-etapa de vapor permiten al sistema operar a menores presiones absolutas

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO que una unidad de etapa simple. Se ztienen varias combinaciones de modelos de chorro de vapor. 12.2.6.

Condensadores En muchos sistemas de vacío, los condensadores son utilizados dependiendo de la aplicación requerida en la industria como pre-condensadores, intercondensadores (intercondensers) y post-condensadores (“aftercondersers”). Ellos condensan el vapor motriz y cualquier vapor condensable de las etapas precedentes, dejando solamente los gases no condensables para ser manejados en la próxima etapa. El condensado es drenado a través de una bota de condensado (también llamada “bota barométrica”) o una bomba de condensado. Los precondensadores (“precondensers”) son recomendados para un sistema de eyector cuando las condiciones de presión y temperatura del medio enfriante permiten condensación de vapores, así reduciendo el diseño requerido y la carga de operación sobre los eyectores. Ésta es usualmente la situación cuando se opera una columna de destilación a vacío. Los vapores del tope son condensados en una unidad diseñada para operar a la presión de tope de la columna, con sólo los no-condensables y vapores remanentes después de la condensación pasando al sistema del eyector. Los Inter-condensadores (intercondensers”) son utilizados para condensar el vapor de la etapa anterior, reduciendo así la cantidad de mezcla de vapor a la entrada de la siguiente etapa. Esto da un valor del incremento de economía del vapor. Los inter-condensadores (“intercondensers”) están disponibles en dos tipos: barométrico .o de superficie tipo tubo y carcasa. Los inter-condensadores barométricos requieren ligeramente menos cantidad de agua para operar que el inter-condensador de superficie. Los inter-condensadores barométricos presentan las siguientes ventajas:  Cuestan menos que un inter-condensador de superficie diseñado para el mismo servicio.  Si es utilizado con un bota barométrica, no es necesario contemplar en el diseño una bomba de condensado.  Pueden manejar sustancias corrosivas o alquitranadas con poco desgaste o pérdida de eficiencia, por lo que rara vez requieren limpieza.

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 El condensado se mezcla con el agua de enfriamiento y no puede ser recuperado para su uso como agua de alimentación a calderas pura y caliente.  Si se utiliza una bomba en lugar de una bota barométrica para remover el agua, ésta debe manejar el agua que condensa además del condensado. Esto requerirá una bomba de condensado de mayor tamaño que para un inter-condensador de superficie.  Raramente o puede que nunca requieran limpieza.  Generalmente, los problemas de corrosión son minimizados en un condensador de contacto directo ya que el medio corrosivo del eyector está diluido en agua de condensación.  Los vapores condensables de presiones de vapor relativamente altas los cuales son parcialmente solubles en agua tales como amoníaco, pueden ser efectivamente condensados en equipos condensadores de contacto directo porque el efecto de dilución del agua de enfriamiento es mayor. Por otra parte, los condensadores de superficie son ventajosos por las siguientes razones:  No mezclan el agua de enfriamiento con el condensado lo que permite la recuperación del condensado que puede ser adecuado para el agua de alimentación de calderas (“boiler feed water”).  Si las limitaciones de altura requieren el uso de una bomba de condensado solamente es requerida una bomba relativamente pequeña en comparación con un condensador de contacto directo de bajo nivel, donde la bomba debe manejar tanto el condensado como el agua de enfriamiento.  Si el condensado contiene una sustancia corrosiva, venenosa o radioactiva, es posible requerir provisiones especiales para disposición del condensado que puede ser reducido al mínimo por el uso de un condensador tipo superficie. Los post-condensadores (“aftercondensers”) operan a presión atmosférica. Ellos no afectan la economía del vapor o el comportamiento del eyector pero eliminan la molestia del vapor descargado a la atmósfera, de este modo permiten que el vapor sea recuperado. Además también sirven como silenciadores en los eyectores y los tipos barométrico pueden absorber olores y vapores corrosivos. 903-HM120-P09-GUD-075/18-12-09/ggc/SP

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Siempre que se desee recuperar condensado, es una buena práctica utilizar un condensador en la fase final de un sistema de eyector, él cual descarga a presión atmosférica. Para mantener un sello de liquido en las tuberías de drenaje de un condensador de cualquier tipo se requiere una longitud mínima de 10,36 m (34 pies), o una bomba de condensado operando por debajo del vacío en la succión. Para el caso de de condensadores de superficie, el nivel puede ser sellado en un recipiente con un flotante u otro tipo de control de nivel. La tubería de descarga no debe tener bolsillos que promuevan la recolección de condensación. Los termocompresores (“thermocompressors”) son eyectores de motor de reacción de vapor utilizados para impulsar bajas presiones o vapor de desecho a una presión intermedia más alta. Las unidades de etapa sencilla generalmente no son utilizadas para una razón de compresión (cociente entre la presión de descarga absoluta a presiones de succión) mayor a tres. Por lo general, este tipo de incremento de presión para un vapor de baja presión es anti-económico cuando la presión final de descarga excede un tercio (1/3) de la alta presión del vapor motriz. Esas unidades generalmente están limitadas a instalaciones de etapa sencilla basadas en vapor económico. Ocasionalmente, son utilizados otro tipo de condensadores para aplicaciones especiales, tales como enfriado por aire, por evaporación, o condensadores de tubos en espiral. La Figura 12 muestra un eyector de una sola etapa sin condensación. En este tipo de instalación, la salida de vapor del eyector es descargada completamente a la atmósfera o en la parte superior del agua en un sumidero.

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Figura 12. Eyector de una sola etapa sin condensación. [1]. La Figura 13 muestra dos eyectores de etapa simple descargando en un postcondensador de superficie común (“surface aftercondenser”). El condensado de vapor puede ser reutilizado desde esta instalación.

Figura 13.Eyectores gemelos de etapa simple con un post -condensador de superficie. [1]

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO La Figura 14 y la Figura 15 ilustran zinstalaciones de eyector de dos etapas con condensadores barométricos y de superficie tipo inter y post condensadores, respectivamente.

Figura 14. Eyector de dos etapas usando inter y postcondensadores del tipo barométrico. [5]

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Figura 15. Eyector de dos etapas empleando intercondensadores y post condensadores de superficie [5]

La Figura 16 ilustra diferentes arreglos de eyectores con inter condensadores. Los condensadores pueden ser barométricos o de superficie.

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Figura 16. Diferentes arreglos de Eyectores de Vapor. [5]

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z Mecánicos de Vacío Beneficios de los Eyectores y Equipos

Eyectores de Vacío (“Vacuum Ejectors”) 









Bomba de Vacío de Anillo de Líquido (“Liquid Ring Vacuum Pump”)

Los eyectores pueden ser operados con diferentes fluidos motrices, entre ellos: vapor, aire, vapores orgánicos y otros gases. Pueden manejar líquidos corrosivos, pastosos, sólidos y líquidos abrasivos a la succión sin daño alguno. Además de manejar grandes volúmenes de aspiración de líquido a baja presión absoluta. De diseño simple y confiable; no envuelve partes móviles, sin lubricación ni vibraciones. No tienen problemas en los sellos ya que pueden estar conectados con brida o finalizan las conexiones con soldadura. Desde el punto de vista de seguridad en la construcción, los eyectores pueden ser instalados en el interior de un almacén o al aire libre con diseño de montaje vertical y a prueba de explosión. Bajo costo inicial y de mantenimiento por su larga vida de operación.

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

De diseño simple y confiable; envuelve sólo una parte móvil la cual no está sujeta a fricción.



Puede manejar vapores condensables o incluso lodos de líquidos atrapados en la corriente de gas sin daños a la bomba o afectar su comportamiento.



Produce un flujo de gas estacionario no-pulsante cuando es utilizada como una bomba de vacío o compresor.



Resistente a los contaminantes que entran con la corriente de gas, los cuales son diluidos y lavados a través de la bomba por el sello de líquido.



Amplia variedad de materiales están disponibles para la mayoría de los gases y sello de líquido.



Pueden manejar volúmenes desde 3 hasta 4000 ACFM en un rango de vacío de presión desde la atmosférica a 25 torr ((0,033 kg/cm2, 0,48 psi). Además son compatibles con los eyectores de vapor para vacío y flujo más alto.

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO 12.3.

z Equipos Generadores de Intervalo Típico de Comportamiento de

Vacío

Las bombas de vacío tipo desplazamiento positivo pueden manejar una sobrecarga en capacidad y aún mantener esencialmente la misma presión (vacío), mientras que los eyectores son mucho más limitados en este comportamiento y no pueden mantener el vacío. La bomba de anillo de liquido es lo más parecida a la bomba de desplazamiento positivo pero desarrolla un incremento en la presión de succión (vacío más alto) cuando la carga de entrada es incrementada al valor final más bajo de la curva de comportamiento de la presión. La forma de esas curvas de comportamiento es importante en la evaluación de la flexibilidad del sistema. Los dos tipos más comunes de eyectores son operados con agua (o líquido de proceso) o vapor. Los eyectores de líquido son utilizados para crear un modesto vacío o para el mezclado de líquidos. El eyector de vapor es importante en la creación y retención de un vacío en un sistema. Un resumen útil de los equipos típicos utilizados para desarrollar y mantener el vacío en los sistemas de proceso es presentado en la Tabla 3 . Es necesario consultar a los fabricantes para la selección final de eyectores, sin embargo la guía siguiente es confiable y debe servir para chequear las recomendaciones o para especificar un sistema. Es aconsejable tratar de acompañar la operación específica con pocos eyectores como sea posible porque esto apunta a la operación más económica y costos de inversión inicial más bajos en la mayoría de los casos.

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Tabla 3. Capacidades Típicas y Rangos de Operación para Equipos a Vacío Menor Presión de Rango de Capacidad, Succión recomendada m3/s kPa

Tipo

Eyectores de Vapor (“Jet Steam Ejectors”) Una Etapa Dos Etapas Tres Etapas Cuatro Etapas Cinco Etapas Seis Etapas Bombas de Anillo de Líquido (“Liquid-ring pumps”) 60 ˚F sello de agua Una etapa Dos etapas Sello de aceite Eyector de Aire 1ra Etapa Bombas Rotatorias de Pistón Una Etapa Dos Etapas Bombas Rotatorias de Paletas Operadas como un compresor seco Sello de aceite Sello de aceite, paletas con resortes Una etapa Dos etapas

Sopladores Rotatorios Una Etapa Dos Etapas Sistemas de Bombeo Integrado Eyector – Bomba de Anillo de Líquido Soplador Rotatorio – Bomba de Anillo de Líquido Soplador Rotatorio – Bomba Rotatoria de Paletas

10,03 1,62 0,13 0,027 0,0027 0,0004

4,72 10 -3 a 471,92

1,42 10 -3 a 4,72 10,03 5,37 1,32 1,32

0,0027 0,00013

1,42 10 -3 a 3,78 10 -1

6,69 1,32

9,44 10 -3 a 2,83 2.36 10 -2 a 0,38

0,0027 0,00013

1,42 10 -3 a 2,36

40,02 8,00

1,42 10 -2 a 14,16

0,02 1,32

4,72 10 -2 a 47,19 4,72 10 -2 a 4,72

0,013

4,72 10 -2 a 14,16

*

1 micrón = 0,001 torr Basado en un diseño de paletas rotatorias con sello de aceite, dos (02) etapas que cuenta con la fuerza centrífuga para dirigir las paletas contra la pared de la cubierta. [1] **

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La Figura 17 es un resumen de los rangos de presión de operación para una variedad de procesos y mezclas de vapor.

Figura 17. Rangos de Operación de los Procesos de Vacío. [1]

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z Muchos de los principales procesos industriales que necesitan el uso de presiones sub-atmosféricas son mencionadas aquí además de los rangos típicos de presión para cada uno. Los procesos envuelven la evacuación o remoción de varias combinaciones de aire, otros gases y vapor de agua, como se muestra en los tres encabezados titulados A,B y C.

La Figura 18 indica la capacidad de varias combinaciones de eyector – condensador para presiones de succión variables cuando se utiliza vapor motriz a una presión 100 psig. Cada punto sobre esas curvas representa un punto de eficiencia máxima y así, cualquier curva puede representar el comportamiento de muchos eyectores de diferente tamaño cada uno operando a máxima eficiencia. Una buena eficiencia puede esperarse con valores desde 50% - 115% de la capacidad de diseño. Nótese que el intervalo de comportamiento para el mismo tipo de eyector puede variar ampliamente dependiendo de las condiciones de diseño.

Figura 18. Guía comparativa para el rendimiento de un eyector de vapor. [1]

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z FACTORES QUE AFECTAN LA OPERACIÓN DE LOS EYECTORES

13.1.

Presión del Vapor motriz La presión del vapor motriz debe ser seleccionada como la más baja presión esperada en la boquilla de vapor del eyector. La unidad no funcionará de forma estable sobre presiones del vapor por debajo de la presión de diseño. La presión de operación recomendada para el vapor es igual a la mínima presión esperada de la línea en la boquilla del eyector menos 6.89 kPa (10 psi) Esta base de diseño permite un funcionamiento estable bajo fluctuaciones menores de presión. Un incremento en la presión de operación no incrementará la capacidad de manejo de vapor para el eyector habitual de “capacidad fija". Por lo general el aumento de la presión disminuye la capacidad debido al vapor adicional en el difusor. La mejor economía del eyector de vapor se alcanza cuando la boquilla de vapor y el difusor son proporcionados para un rendimiento específico. Ésta es la razón por la cual es difícil mantener los conocidos “eyectores estándar” en almacén y esperar para tener el equivalente de una unidad específica El eyector del tipo de estrangulamiento tiene una familia curvas de rendimiento en función de la presión del vapor motriz. Este tipo tiene una baja relación de compresión a través del eyector que el de tipo fijo. Para un determinado eyector un aumento en la presión de operación incrementará el flujo del vapor a través de la boquilla en proporción directa al incremento en la presión absoluta del vapor. Cuanta más alta sea la presión actual de diseño de un eyector más bajo será el consumo de vapor. Esto es más evidente cuando se trata de eyectores de una y dos etapas. Cuando esta presión está por encima de 2,41 kPa (350 psig) aproximadamente la disminución en los requerimientos de vapor será despreciable. Las ventajas de tener alta presión del vapor son menores cuando la presión absoluta de succión disminuye. En unidades muy pequeñas el tamaño de la boquilla del vapor puede ser un límite máximo a las presiones del vapor. La Figura 19 muestra los efectos de las presiones del vapor sobre la capacidad de un eyector para unidades de una y dos etapas, respectivamente. Para eyectores descargando a la atmósfera generalmente es anti-económico tener presiones de vapor por debajo de 413,69 kPa ( 90 psig) en el eyector. Si la presión de descarga es más baja que en las unidades multi-etapas la presión del

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z vapor en la entrada puede ser menor. Los eyectores de una etapa simple diseñados para presiones por debajo de 200 mmHgabs, no pueden ser operados de manera eficiente en presiones de vapor por debajo de 132,37 kPa (25 psig). La primera etapa o la segunda de un sistema multi-etapas puede ser diseñado (aunque parezca anti-económico) para utilizar presiones por debajo de 6,89 kPa (1 psig).

Para asegurar la estabilidad en las operaciones, la presión de vapor debe estar por encima del valor mínimo. Este mínimo es llamado la “Presión de recogida de vapor motriz (“motive steam pickup pressure”)” cuando la presión se ha incrementado por encima de la región inestable. La Figura 19 indica este punto y el segundo más bajo de presión la cual es alcanzada cuando la presión es desplazada de la región estable. Cuando la presión se reduce a lo largo de la línea 5-3-1 la operación es estable hasta que alcanza el punto 1. En este punto la capacidad del eyector cae rápidamente a lo largo de línea 1-2. Cuando se incrementa la presión de vapor la estabilidad de la operación no se logra hasta que se alcanza el punto 4 y la capacidad sube a la línea 4-3. Con nuevos incrementos, se eleva a lo largo de la línea 3-5, ésta es la región estable. La operación en la región 3-1 es inestable y la menor caída de presión puede causar que el sistema pierda vacío. De cierta manera, la ubicación relativa de los puntos 3 y 1 pueden ser controlados por el diseño del eyector y puede que tal vez los puntos ni siquiera existan para eyectores con bajos coeficientes de compresión.

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Figura 19. Efecto de la presión del vapor sobre la capacidad para una succión del sistema y contrapresión constante. [1] 13.2.

Efecto del Vapor Húmedo El vapor húmedo erosiona la boquilla del eyector e interfiere con el desempeño por la obstrucción de la boquilla con gotas de agua. El efecto sobre el rendimiento es importante y generalmente se refleja en fluctuaciones de vacío.

13.3.

Efecto del Vapor Sobrecalentado Se recomiendan pocos grados de sobrecalentamiento (3 ºC a 8,3 ºC) (5 ºF a 15 ºF) pero si se va a utilizar vapor sobrecalentado se debe considerar su efecto en el diseño del eyector. Un alto grado de sobrecalentamiento no es ninguna ventaja porque el incremento en la energía disponible se ve compensado por la disminución de la densidad de vapor.

13.4.

Presión de Succión La presión de succión de un eyector es expresada en unidades absolutas. Si se da en pulgadas de vacío, debe ser transformada a unidades absolutas mediante el uso de barómetro local o de referencia. La presión de succión sigue la curva de capacidad del eyector variando la carga de vapor y los no-condensable a la unidad.

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO 13.5.

Presión de Descarga

z

El rendimiento de un eyector es función de la contrapresión. La mayoría de los fabricantes diseñan los eyectores para descarga atmosférica, y con un rango entre 3,45 kPa a 6,89 kPa ( 0,5 psig a 1,0 psig) con el fin de asegurar un rendimiento adecuado. Es preciso tomar en consideración la caída de presión a través de cualquier tubería de descarga y de los post-enfriadores (aftercondensers). La Figura 20 indica el efecto de incrementar la contrapresión de un eyector de etapa simple para varias presiones de succión. Figura 21 ilustra el efecto de aumentar la presión de vapor motriz para superar los efectos de la contrapresión. Cuando esta presión no se puede incrementar, se puede rediseñar la boquilla para que opere a una contrapresión más alta.

Figura 20.

Efecto de la contrapresión sobre eyectores de descarga atmosférica de una etapa. [1]

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Figura 21. Efecto de alta contrapresión sobre la operación de los eyectores. [1] 13.6.

Capacidad Los tipos más comunes de carga a un eyector son: Mezclas de Vapor de Agua y Aire. Mezclas de vapores uno condensable y otro no condensable. Mezcla de no condensables y vapor de agua Mezcla de aire saturado con vapor de agua La capacidad total de un eyector, expresada como libras por hora, es la suma de los flujos de: Gases no condensables Vapores condensables Fugas de aire Cantidad de aire que se puede liberar del agua de inyección en los condensadores barométricos.

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z Para unidades multi-etapas el cálculo de la capacidad debe ser separado en libras por hora de condensables y no-condensables.

Cada etapa manejara la porción de gases no condensables (saturados con agua a la temperatura correspondiente a la presión de operación) que salen de los intercondensadores. Cuando se utilizan condensadores barométricos se debe considerar en el cálculo de la capacidad a manejar la cantidad de aire liberado del agua de inyección Los no-condensables que dejan el condensador de superficie están saturados con vapor de agua a la temperatura que corresponde a la presión de trabajo. Para un condensador de proceso, el vapor corresponde al fluido de proceso. Además de las fugas de aire normalmente esperadas se debe tomar en cuenta la cantidad de aire que se puede liberar del agua de inyección. 13.7.

Condensadores Condensador de Superficie Por lo general para disponer de suficiente capacidad total, la temperatura a la salida del aire de un condensador de superficie bien diseñado se asume aproximadamente 4.16 ºC (7,5 ºF) por debajo de la temperatura de vapor saturado a la presión absoluta en el condensador. Condensador barométrico o de bajo nivel de chorro En este caso la temperatura a la salida del aire de este tipo de condensador generalmente se asume 2,77 ºC ( 5 ºF) por encima de la temperatura de entrada del agua de enfriamiento.

14.

CRITERIOS DE DISEÑO Para propósitos de diseño es necesario utilizar presiones absolutas. Utilice las tablas del Anexo 2 sí la presión es expresada en pulgadas de mercurio de vacío. La lectura del barómetro local (o un barómetro de referencia) es necesario para establecer la presión absoluta de succión o la presión en el sistema de vacío. La etapa básica de diseño de bombas de vacío y eyectores puede dividirse en dos áreas bien diferenciadas, en primer lugar el cálculo de parámetros o factores que son comunes para todos los dispositivos de vacío tales como los que conciernen a las condiciones de succión. Por otra parte existen algunos cálculos que difieren con el tipo de equipo. A continuación se examinará cada parte, salvo

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z que las bombas de vacío son consideradas principalmente como compresores. Para cálculos de compresores se deben utilizar los métodos presentados en 903-HM120-P09-GUD-031, “Guía para la Especificación de los Compresores”.

14.1.

Cálculos Básicos Comunes El procedimiento siguiente se debe seguir para calcular los parámetros necesarios para especificar un sistema de vacío a)

Determinar el vacío requerido en el sistema.

b)

Presión de succión: Calcular la caída de presión desde este punto a la brida de succión del proceso de la primera etapa del equipo de vacío.

c)

Determinar la temperatura de la mezcla Para una mezcla de vapor y aire manejado por un eyector, la temperatura de la mezcla en la cámara de mezclado del eyector es calculada por un balance de energía para la mezcla. El resultado esta dado por la siguiente ecuación:

tm

d)

Ws C ps t s Wa C pa t a Ws C ps Wa C pa

Ec. 1 [1]

Determinar la carga total a un eyector : -

Flujo másico del vapor condensable Flujo másico de gases no-condensables Fugas de aire Aire liberado del agua de inyección

La carga principal a un eyector está constituida por la cantidad y la composición de la mezcla la cual es objeto de arrastre por parte del eyector así como la cantidad y composición del fluido que será utilizado como fluido motriz. A efectos de comparar el comportamiento de los eyectores con respecto a los diferentes tipos de carga, se puede establecer la carga a un eyector en base a una unidad denominada aire equivalente a una temperatura de 21 ºC (70ºF).

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z La Figura 22 y la Figura 23 son utilizadas para realizar la conversión de la cantidad de mezcla de aire-agua, o mezcla de no condensables mas vapores de proceso en aire equivalente @ 21 ºC (70ºF).

Figura 22. Relación de Curva que indica la relación de arrastre respecto a la temperatura. (Adaptada de [1])

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Figura 23. Razón de arrastre de masa molecular. (Adaptada de [1]) A continuación se indicara como se realizan los cálculos de la carga de un eyector referenciándolos a una base de aire equivalente a 21 ºC (70 ºF). Cantidad de Aire equivalente a Temperatura del sistema AET=

Wmezcla Razón de Arrastre de Masa Molecular

Ec. 2 [1]

La razón de arrastre de masa molecular se obtiene de la Figura 23

Cantidad de Aire equivalente a temperatura de 70º F AE T Ec. 3 [1] Razón de Arrastre respectoTe mp La razón de arrastre de temperatura de obtiene de la Figura 22 sobre la curva de aire.

AE70ºF=

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z En una mezcla de sustancias no condensables y vapores, cuando la cantidad de vapores no-condensables es conocida o estimada, la cantidad de vapores condensables puede ser estimada por la siguiente ecuación.

Wv

Wn M v Pv M n Pn

Ec. 4 [1]

Una vez conocida la masa de vapores y de no condensables se deben corregir estos valores por masa molecular y temperatura realizando lo siguiente: Calcule la masa molecular promedio de la mezcla. Determine la cantidad de aire equivalente utilizando la razón de arrastre de masa molecular y la razón de arrastre respecto a la temperatura. Cálculo de Fugas de aire Pocos sistemas de vacío pueden considerarse completamente herméticos aunque algunos pueden tener extremadamente bajos índices de fuga. Las fugas en un sistema ocurren a través de las conexiones roscadas, bridas, sellos etc. Para compensar las fugas del sistema es necesario adicionar este valor como carga del eyector La Figura 24 recomendada por la referencia [1] de este documento es utilizada para la estimación de las fugas de aire.

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Figura 24. Máximos valores de Fuga de aire para sistemas cerrados sin agitación como función de la presión y volumen del sistema. (Adaptado de [1]) En la Tabla 4 mostrado a continuación se presentan valores de fuga de aire para rangos de presiones de succión Tabla 4. Fugas de aire en función de la presión de succión [1] Presión de Succión kPa 27,09 – 50,8 16,93 – 27,09 10,16 – 16,93 3,39 – 10,16

Presión de Succión Pulg Hg abs 8 - 15 5-8 3-5 1-3

Fugas de aire kg/h 13,61-18,14 11,34-13,61 9,07-11,34 4,54-9,07

Fugas de aire lb/h 30-40 25-30 20-25 10-20

Aire disuelto liberado del agua de inyección Cuando las unidades de vacío extraen no-condensables y otros vapores de un condensador de contacto directo (barométrico, de chorro de bajo nivel, desareador) también hay una liberación de gases disueltos, por lo general, aire 903-HM120-P09-GUD-075/18-12-09/ggc/SP

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z del agua. Este aire se debe agregar a las otras cargas de la unidad especialmente a las etapas siguientes de eyección.

La Figura 25 muestra la data extraída de la referencia [1] de este documento, para la cantidad de aire que se puede liberar cuando es rociada el agua de enfriamiento o, por el contrario, inyectada en un equipo barométrico del tipo abierto o similar.

Figura 25. Aire disuelto liberado del agua en equipos de contacto directo en sistemas de vacío. (Adaptada de [1]) Una vez determinada la carga total al sistema de ejectores se debe considerar un factor de seguridad, este valor es recomendado en la literatura [1] entre 1.1 y 2 dependiendo de la experiencia y del sistema de vacío seleccionado. a)

Presiones Parciales Debido a que la capacidad del eyector está formada por mezcla de gases y vapores, la presión total del sistema a la succión sigue la Ley de Presiones Parciales de Dalton (“Ley de Dalton”),

P Pn P ' v1 P ' v 2 .......... b)

Requerimiento del número de etapas

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO De acuerdo a las condicionesz de vacio del sistema y utilizando como referencia el Tabla 5 se define la cantidad de etapas que se requieren para la operación del sistema de vacío. c)

Selección del tamaño de las conexiones de entrada y salida del eyector. La intersección de la presión de succión del eyector con el flujo de mezcla a manejar en la Figura 26 (eyector de una etapa) y/o la Figura 27 (eyector de 2 etapas) dará como resultado el tamaño de las conexiones de la entrada y salida del eyector.

d)

Requerimientos de Servicios Vapor de agua como fluido motriz La intersección de la presión de succión con el flujo de mezcla a manejar en la Figura 26 (eyector de una etapa) y/o la Figura 27 (eyector de 2 etapas) dará como resultado la cantidad de vapor a la presión de 137,90 y /o 620,53 kPa (20 psig y /o 90 psig) requerido para el manejo de la carga a desalojar. Si la presión del vapor disponible en nuestro caso es diferente a 137,90 y /o 620,53 kPa (20 psig y/o 90 psig), se debe corregir multiplicando el valor de la Figura 27 y /o . Figura 29 por la cantidad de vapor obtenida de la Figura 26 y / o Figura 27 .

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Figura 26. Tamaño del eyector y consumo de vapor a una presión de 137,90 kPa (20 psig para una sola etapa [1]

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Figura 27. Factor de corrección para la Presión de suministro del vapor, aplicable a la Figura 26 [1]

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Figura 28. Tamaño del eyector y consumo de vapor a una presión de 620,53 kPa (90 psig) para dos etapas sin condensación [1]

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Figura 29. Factor de corrección para la Presión de suministro del vapor, aplicable a la Figura 28 [1] e)

Requerimientos de agua de enfriamiento Los tipos más comunes de condensadores son: Condensador de Superficie La temperatura a la salida del aire de un condensador de superficie bien diseñado se asume aproximadamente 4,16 ºC (7,5 ºF ) por debajo de la temperatura de vapor saturado a la presión absoluta en el condensador. Condensador barométrico o de bajo nivel de chorro Para este tipo de condensador la temperatura a la salida del aire se asume 2,77 ºC (5 ºF) por encima de la temperatura de entrada del agua de enfriamiento. Estos equipos, la mayoría de las veces son considerados tipo paquete

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO Para efecto de la estimación del zrequerimiento de servicios industriales, la cantidad de agua de enfriamiento requerida para un los condensadores se estima por la siguiente ecuación:

Qagua

Wvapor x hvap 500

T2

Ec. 5 [1]

T1

Curvas de Porcentaje de Mezcla de Vapor de Agua y Aire En las mezclas aire - vapor de agua, para el cálculo de las libras de vapor de agua por libras de aire se utilizan los gráficos existentes en la bibliografía especializada [1], basados en la Ley de Dalton. 15.

GENERALIDADES

15.1.

Terminología del Eyector Desde el punto de vista del establecimiento de la terminología estándar, la Figura 30 muestra básicamente el ensamblaje del eyector de chorro de vapor. Cabe señalar que este esquema solo es ilustrativo con el único propósito de indicar el nombre de las partes.

Figura 30. Ensamblaje del eyector de chorro de vapor. [1]

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO 1. Filtro – entrada de vapor 2. Vapor motriz 3. Boquilla de vapor 4. Descarga 5. Difusor

z6.

Difusor de entrada 7. Difusor de salida 8. Succión 9. Cámara de succión 10. Garganta de la boquilla

15.1.1. Chorros de Vacío Este diseño normalmente es manejado por el proveedor. Sin embargo el ingeniero de procesos debe especificar el sistema en el cual serán incorporados los chorros de vapor. Además debe suministrarle al vendedor las condiciones de operación que incluyen: Flujos de todos los componentes a ser purgados del sistema (generalmente aire más vapor de agua). 1.

Temperatura y presión de entrada (o succión) y la presión de descarga en el caso tal que no sea a la atmósfera.

2.

Cantidad de vapor de agua requerido por el sistema, Temperatura y presión de vapor disponible a manejar el equipo.

3.

Temperatura y cantidad de agua de enfriamiento disponible para los inter-condensadores. Además de la caída de presión permitida para los inter-condensadores.

Adicionalmente el ingeniero de procesos debe estar consciente de la aplicación de Buenas Prácticas de Diseño para los eyectores de vacío. En general, el diámetro de la tubería entre el proceso y el sistema del eyector debe ser al menos tan grande como la conexión de la succión en la primera etapa del eyector. En un sistema de eyector de múltiples elementos, donde los eyectores pueden ser operados simultáneamente, el área de tubería debe ser al menos tan grande como el área total seccionada en cruz, la cual es determinada sumando las áreas totales de todas las conexiones de entrada del eyector. Para minimizar la caída de presión, todas las tuberías entre el proceso y el sistema de vacío del eyector con vapor – y entre cada etapa sucesiva del sistema de vacío – debería tener en lo posible pocas válvulas y accesorios y todas las conexiones deberán mantenerse tan cortas como sea posible. Dondequiera que sea posible, deberán utilizarse codos de radio largo y deben 903-HM120-P09-GUD-075/18-12-09/ggc/SP

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z proporcionarse los drenajes en todos los puntos bajos para prevenir un incremento de condensado.

Cuando se utiliza un pre-condensador, la potencial caída de presión a través de él, debe calcularse asegurando que tal diferencia de presión no impida el comportamiento del sistema. El fabricante del eyector debe ser consultado para determinar la conveniencia de la instalación. Se debe transformar el dato de componente de flujo en “aire equivalente” Ya que nominalmente los eyectores de chorro están capacitados para manejar aire, el suplidor-fabricante construye un sistema a partir de sus estándares físicos. Éste debe suministrar la data sobre capacidad de aire equivalente con los equipos que está suministrando.

15.1.2. Fugas en un sistema existente Para determinar la cantidad de fuga de aire en un sistema existente se debe estimar el volumen total del sistema, operar el eyector para asegurar una presión algo menor de 50.80 kPa (15 in Hgabs),y posteriormente aislar el eyector del sistema. Medir el tiempo requerido para incrementar la presión en el recipiente (por ejemplo a 2 inHg). Es esencial que la presión absoluta no sea superior a 50.80 kPa (15 in Hgabs), durante este tiempo. La siguiente ecuación da una medida de la fuga:

WL WL

42,69 V P t

( Sistema SI)

0,15 V P t

Ec. 6

( US Customary Units ) Ec. 7 [ 9]

Si no se conoce el volumen del sistema se puede determinar la fuga pero se requieren dos pruebas adicionales. Primero se debe ejecutar la prueba descrita anteriormente. Luego se debe introducir un valor de fuga de aire conocido al sistema. Esto puede ser realizado por medio de un orificio de aire calibrado. Se realiza la segunda prueba que consiste en obtener un nuevo incremento de presión y tiempo. El valor desconocido de fuga viene dado por la siguiente ecuación:

Wl

W'

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P 't

Pt '

1

Ec. 8 [9]

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Si la fuga de aire es mucho mayor que la carga para la cual fue diseñado el eyector de chorro las alternativas son corregir las fugas o utilizar un eyector más grande. 15.1.3. Tiempo para Evacuación Para estimar el tiempo requerido para un eyector evacuar un sistema desde la presión atmosférica a la presión de diseño, asuma que la capacidad promedio de manejo de aire durante el período de evacuación es el doble de la capacidad de manejo de aire. También asuma que es insignificante la fuga de aire en el sistema. El tiempo aproximado de evacuación es

Te

2212 ,24 V Ca

Te

2,3V C a

Ec. 9 [9] US Customary Unit Ec. 10 [9]

Si este periodo aproximado de evacuación es demasiado largo se puede reducir mediante la adición de una última etapa del eyector más grande o por la adición de un eyector sin condensación en paralelo con el eyector principal. Un eyector sin condensación puede ser utilizado como un eyector de evacuación y respaldo de varios equipos adyacentes al servicio del sistema. El rendimiento de la evacuación es especificado indicando el volumen del sistema, el tiempo deseado de evacuación y la presión absoluta a la cual el sistema debe ser evacuado.

15.1.4. Suministro de Vapor Una fuente de vapor seco – @ o ligeramente por encima de la presión de diseño – debe estar disponible en todo momento en las boquillas del eyector. Operando un sistema de vacío de vapor a presiones de vapor más bajas que aquellas especificadas en el diseño del sistema se reduce la estabilidad del sistema. El vapor debe estar seco y saturado, a menos que las especificaciones del sistema lo llamen vapor sobrecalentado. Para mantener la velocidad óptima y evitar la pérdida excesiva de calor y caída de presión, todas las líneas de vapor deben ser diseñadas aisladas para emparejar las conexiones sobre los eyectores. Para vapor seco, la línea de entrada debe ser tomada fuera de la parte superior del cabezal principal de vapor.

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO Si existe presencia de humedad en zel vapor, un separador y una trampa deben ser utilizados para mejorar la calidad del vapor por encima del 99,5%. Un eyector puede trabajar con un 2 % – 3 % de humedad en el vapor, pero se presentarían requerimientos mayores de presión. El vapor de calidad pobre no sólo amenaza el sistema, sino que puede causar corrosión en la boquilla del vapor y el difusor. Los eyectores de chorro de vapor requieren un suministro de vapor a presión constante para su mejor rendimiento. Presiones por debajo de la de diseño generalmente tienden a rendimientos más bajos, mientras que presiones por encima de la de diseño no incrementan la capacidad y pueden más bien disminuirla. El vapor hacia el eyector de chorro es controlado a una presión ligeramente por debajo de la menor presión de suministro para que el eyector de chorro maneje una presión constante del vapor. Por ejemplo, un eyector de chorro diseñado para vapor de 836.92 kPa (130 psig) de presión, utiliza solamente 15% más de vapor que uno diseñado para un vapor de 1034.22 kPa (150 psig) de presión. 15.1.4.1.

Condiciones de Vapor Las siguientes características del vapor de operación deben ser especificadas: a) b) c) d) e)

Presión máxima y temperatura en la línea de vapor Presión máxima y temperatura del vapor a la entrada del eyector. Presión mínima del vapor a la entrada del eyector. Presión de diseño y temperatura del vapor Calidad del vapor, si no es sobrecalentado, a la entrada del eyector.

Para evitar que la garganta de la boquilla del eyector sea demasiado pequeña para ser prácticos y asegurar de tener una operación estable de la unidad, el fabricante puede elegir utilizar la presión de diseño del vapor menor que la presión disponible del vapor a la entrada del eyector. Es recomendable que la presión de diseño del vapor nunca sea mayor del 90% de la presión mínima del vapor a la entrada del eyector. Esta base de diseño brinda estabilidad en la operación en virtud de las fluctuaciones menores de presión. Cuanta más alta sea la presión de diseño del vapor motriz actual de un eyector menor será el consumo de vapor. Cuando esta presión está por encima de 2500 kPag (= 25 barg = 362,6 psig) es insignificante la disminución en los requerimientos de vapor.

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z Para la descarga del eyector a la atmósfera, presiones del vapor por debajo de 415 kPag (= 4,15 barg = 60 psig) en el eyector generalmente son antieconómicas.

Para asegurar operación estable, la presión del vapor debe estar por encima del valor mínimo. Este mínimo es llamado “Presión de alzado del vapor motriz” y es dada por el fabricante. 15.1.4.2. División de Carga sobre dos Elementos Paralelos Cuando cualquier etapa de un eyector alineado consiste de dos elementos paralelos (eyectores), se debe aplicar: a) Los dos elementos de la etapa deben estar diseñados para manejar 1/3 y 2/3, respectivamente de la carga total de diseño de esa etapa. Esto le dará una mejor adecuación a la capacidad del eyector para la carga resultando en ahorros de energía. b) Deben tomarse medidas para aislar individualmente cada eyector sobre el lado vapor en orden para evitar el reciclado de gas a través de un conjunto inactivo paralelo. Además se deben considerar los arreglos propios para las válvulas de seguridad o adecuarlo a la presión de diseño. 15.1.5. Suministro de Agua de Enfriamiento La cantidad especificada de agua debe ser suministrada al condensador a la temperatura de diseño o por debajo de ella. Si el volumen de agua de enfriamiento cae, la presión y temperatura del vapor en el condensador aumentará y el sistema dejará de operar correctamente. Un indicador de temperatura a la salida del agua de enfriamiento deberá ser usado para determinar la adecuación del flujo de agua de enfriamiento. 15.1.6. Remoción de Condensado En virtud de que el condensado recolectado debe ser continuamente removido, la presión de operación del condensador es sub-atmosférico (bajo vacío), esto puede ser hecho por gravedad a través de una trampa o un lazo sellado de la tubería de drenaje (“tailpipe”), o con la ayuda de una bomba de condensado. El método más simple para la remoción de condensado es a través de una tubería de drenaje apropiadamente instalada. La altura mínima para la parte barométrica está basada en la máxima presión barométrica registrada en el sistema. La Tabla 5 muestra las alturas mínimas recomendadas de tubería de 903-HM120-P09-GUD-075/18-12-09/ggc/SP

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z drenaje (“tailpipe”) que deben ser usadas cuando el sistema maneja agua; si el condensado es cualquier fluido diferente al agua, se deben realizar los ajustes en la altura de acuerdo a la variación en la densidad del fluido.

Para recolectar el condensado, la tubería de drenaje debe ser dirigida dentro de un “hotwell”. El “hotwell” debe ser dimensionado de tal manera que el tamaño desde la parte inferior de la tubería de drenaje al punto de rebose (“overflow”) sea lo suficientemente grande para contener, por lo menos 1,5 veces el volumen de condensado contenido en la altura mínima recomendada de la tubería de drenaje. En ningún caso, la altura del sello debe ser menos de 12” (Figura 34).

Figura 31. Esquema del arreglo de “tailpipe” en un hotwell. [5] Si se diseñan incorrectamente las tuberías de entrada y salida de los condensadores en un sistema de vacío con presencia de condensables puede resultar en serios problemas de operación. Con condensadores barométricos es importante señalar que el condensado salpica las paredes y podría escurrir hacia la boquilla del vapor de entrada, a menos que ésta esté protegida por un bafle o una serie de codos. Si el recipiente de proceso es una turbina, el líquido puede escurrir la tubería desde el condensador barométrico, desgarrando las paletas de la turbina causando serios daños y un importante gasto más la parada del sistema. Incluso con un tipo menos critico de recipiente de proceso como un evaporador, el agua 903-HM120-P09-GUD-075/18-12-09/ggc/SP

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z puede contaminar el producto, incrementando la carga de proceso o arruinando completamente el producto.

Naturalmente, los vapores condensables que fluyen en una tubería condensan puesto que la tubería está más fría que la temperatura de saturación del vapor que contiene. Las tuberías de vapor que entran y salen del condensador barométrico (o un condensador de tubo y carcasa) no deben contener bolsillos donde puedan acumularse los líquidos. Este líquido añadirá otra carga al eyector o podría cerrar completamente la tubería dando como resultado un sistema degradado. La presión absoluta aguas arriba del bolsillo se incrementará dramáticamente, indicando con esto que los eyectores no están trabajando satisfactoriamente. Esto causará una falsa alarma mientras el equipo pueda operar adecuadamente. 15.1.6.1. Temperatura de Salida del Condensado El sistema debe estar diseñado de forma tal que la temperatura de condensado en cada salida del condensador no sea superior a la temperatura de entrada del agua de enfriamiento por un margen superior a 25 ºC (45 ºF) 15.1.6.2. Botas Barométricas Las botas barométricas de altura suficiente deben ser instaladas para proteger de la inundación de los condensadores durante operación normal. Asimismo debe asegurarse que el contenido líquido del recipiente acumulador sea suficiente para llenar las botas barométricas. Las botas barométricas se deben conectar por separado a un cabezal vertical conectado al recipiente de los condensadores, véase el Anexo 5 para mayor detalle. Esta separación se debe mantener a fin de evitar interferencias con los flujos respectivos causados por la diferencia en las temperaturas de corrida de condensado excepto cuando sea necesario para fines de protección personal, aislamiento térmico o traceado de vapor, no deben ser aplicados a menos que los hidrocarburos líquidos sean de carácter ceroso. 15.1.6.3. Burbujas atrapadas en las botas de drenaje (“tailpipe”) Representan un peligro común en condensadores barométricos o condensadores de tubo y carcasa ya que acumulan los gases. El condensado de un condensador de tubo y carcasa o agua de enfriamiento más vapor o hidrocarburos condensados desde un condensador barométrico de contacto directo siempre contiene aire u otros gases no-condensables. 903-HM120-P09-GUD-075/18-12-09/ggc/SP

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Una tubería horizontal o ligeramente con pendiente es vulnerable a esos gases que se aferran a la superficie superior de la tubería. Todos los tipos de tuberías presentan una cierta rugosidad interna y, por ello, los gases tienden a aferrarse y empiezan a generar la grieta más pequeña. Adicionalmente, cada junta bridada presenta un accesorio ligero donde se ubica una empacadura, que permite otro espacio para recoger los gases. La acumulación de estos gases forma pequeñas burbujas, cada vez más grandes que eventualmente se harán lo suficientemente grandes como para bloquear parcial o completamente las tuberías en ese punto. El condensado no podrá fluir hacia abajo y muy pronto sube su nivel, inundando el condensador. Las pruebas han demostrado que si se cambia la dirección de las tuberías, debe por lo menos, formar un ángulo de 45˚ con la horizontal (Figura 32). Con esta inclinación en la pendiente, los gases se deslizarán hacia abajo en la tubería o continuarán con el empuje del flujo de agua. Esto es completamente cierto cuando se tiene un condensador barométrico o una unidad de tubo y carcasa. Cuando es requerido un cambio de dirección siempre debe existir una distancia recta vertical de cinco (05) veces el diámetro de tubería o cuatro pies (04 ft) mínimo entre cada cambio. Esto permite que el líquido fluya para desarrollar un cabezal de velocidad mínimo y un patrón recto descendiente antes del primer cambio de la dirección. No se tienen válvulas en las botas de drenaje (Figura 32) por dos razones: Si una válvula es dejada accidentalmente cerrada durante el arranque o parada, o si la vibración cierra parcial o completamente una válvula, esta condición puede inundar los condensadores, causar pérdida de vacío y, posiblemente, parada en la operación. Por definición, cualquier válvula causa caída de presión. A diferencia de una pieza lisa de tubería, una válvula crea un nodo en el cual los productos tales como hidrocarburos, sales u óxidos de polvos pueden acumularse. Esto conduce a una excesiva caída de presión o puede resultar completamente en el cierre de tuberías y posiblemente la parada de las operaciones. 15.1.6.4. Altura de las botas de drenaje (“tailpipes”) Las mínimas alturas recomendadas efectivas de las botas de drenaje se muestran, sobre la base de 32 ºF, en la Tabla 5 .Esta altura debe estar basada sobre la presión barométrica máxima absoluta registrada para un equipo específico, independientemente de la presión de operación prevista del 903-HM120-P09-GUD-075/18-12-09/ggc/SP

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO condensador. Esta información de laz presión debe ser utilizada en el diseño de tuberías cuando el equipo de vacío se encuentra en un edificio o una estructura elevada.

Figura 32. Instalación de condensadores barométricos. [5] Por ejemplo, considerando un sitio de instalación con la más alta presión barométrica registrada de 30 inHg. La ubicación más económica del recipiente a vacío (asumiendo un pre-condensador de proceso) es a una elevación de 9,75 m (32 ft), próximo al evaporador. Basado en una presión máxima de 30 inHg. La mínima altura efectiva de la bota de drenaje para agua debería ser de 10,36 m (34 ft). Sin embargo, el resultado es que el agua inundará el pre-condensador por 0,61 m (2 ft), como debe cambiarse algo, la solución lógica es mover el evaporador y condensador al próximo nivel del suelo o elevarlos lo suficiente para superar la diferencia. Para los hidrocarburos, una buena práctica de instalación es utilizar por lo menos 13,72 m (45 ft), independientemente de la presión barométrica. Es difícil predecir las alturas reales necesarias para hidrocarburos al vacío. Algunos tienden a formar espuma, lo cual sugiere como mínimo que la regla general sea de 13,72

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z líquido en la bota de drenaje es conocida, m (45 ft), Si la gravedad específica del la altura debe ser ajustada de forma acorde.

Tabla 5 .Alturas mínimas recomendadas de la tubería de drenaje (“tailpipe”). Presión barométrica máxima, inHg a 0 ºC( 32ºF) 31 30 29 28 27 26 25 24 23

Altura de agua, m, a 0 ºC( 32ºF)

Altura de agua, ft a 0 ºC( 32ºF)

10,73 10,36 10,03 9,66 9,33 8,99 8,66 8,29 7,96

35,2 34,0 32,9 31,7 30,6 29,5 28,4 27,2 26,1

Para facilitar el drenaje del condensado por debajo de la gravedad, esas alturas mínimas deben ser observadas cuando se instale una tubería de drenaje de un condensador. Una función de las presiones máximas registradas en ese sitio, esas alturas difieren sí el condensado es un fluido diferente al agua. [7] 15.1.6.5. Sellos de Lazo y Trampas de flotador El uso de un inter-condensador para remover el condensado de un eyector a otro condensador operando a una menor presión es una configuración típica que puede ser problemática. Esto aplica para configuraciones que se usan principalmente para los condensadores de escape de turbina, sus intercondensadores e inter- y post - condensadores.  Cuando se tenga presencia de hidrocarburos que se condensan en los intercondensadores o inter-post condensadores, o cuando el sistema de vacío se encuentra localizado en una plataforma elevada sobre el piso a 12,19 m (40 ft), debe ser utilizado un recipiente acumulador de condensado o un tanque de sello.  Si se utiliza una trampa tipo flotador, el inter-condensador debe estar al menos 0,46 m (18 pulgadas) por encima del nivel normal de líquido de condensado vaciado dentro del condensador. Si se utiliza un bucle sellado, la altura de

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO éste debe ser igual a la diferencia zentre la presión de operación más alta en el inter-condensador menos la presión de operación más baja del condensador.  Valores muy altos de presión para el inter-condensador, estarán dados por las condiciones de arranque y parada de una unidad, adicionalmente se deben considerar las cargas extremadamente pequeñas para el condensador principal cuando se utilice la temperatura más fría del agua de condensación; esto da lugar a una menor presión en el condensador principal.  No se debe recortar las dimensiones del sello en ahorro de la tubería. Por lo general, un valor adecuado debe estar entre 2,44 y 3,05 m (8 - 10 ft) ; él cual debe ser determinado por el fabricante del eyector o condensador. La válvula en la parte inferior de la bota de drenaje sirve para drenar la unidad cuando está inactiva, para prevenir congelamiento u oxidación y para servicio de mantenimiento del equipo asociado a la bota de drenaje.

Figura 33. Arreglo de los equipos de vacío sin escatimar en la altura del bucle del sello con la finalidad de reducir costos. [7]  Cuando se tienen problemas de espacio que hacen ubicar al conjunto eyector – condensador por debajo del nivel normal de líquido en el “hotwell” del condensador. Esto podría ser un problema si la tubería está configurada con el condensado que no fluye del condensador porque no hay suficiente distancia de tubería entre los dos condensadores para permitirlo. El inter-

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO condensador o los condensadoresz inter- y after- serían inundados por el lado de la carcasa perdiendo el vacío y parando el sistema. Ese problema puede resolverse requiriendo de una bomba de potencia de presión que opere con vapor. El tamaño de la bomba, la presión de vapor y la cantidad requerida son funciones de la elevación total, el flujo másico (lb/h) actual de condensado que es bombeado, como se muestra en la Figura 34

Figura 34. Inclusión de una bomba de presión para solventar el problema de falta de longitud para la tubería entre ambos condensadores. [7]  Dependiendo de la disponibilidad de presión de vapor, la elevación puede ser tan alta como 91.44 m (300 ft), aunque la altura necesaria sea generalmente sólo de 2.44 m a 4.57 m (8 ft a 15 ft), requiriendo un vapor de relativamente baja presión, alrededor de 344.74 kPa (50 psig) o menos. Siempre se debe intentar realizar el arreglo de tuberías a equipos lo más simple posible porque, de lo contrario, se requerirán equipos adicionales (tal como una bomba booster) agregando complejidad al sistema existente.  Otras dos configuraciones útiles de los equipos cuando el espacio es limitado, es: Primero, una configuración barométrica con la carcasa extendida hacia el 903-HM120-P09-GUD-075/18-12-09/ggc/SP

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z cuerpo para formar un tanque de almacenamiento con un controlador de nivel modulando una válvula de rebose más una bomba de condensado removiendo el líquido en el área de almacenamiento. Esta configuración se suele llamar “barométrica de bajo nivel”.

 Una variación de éste es con el mismo sistema de almacenamiento y controles asociados pero con un inter-condensador de tubo y carcasa montado en el tope. En ambos casos, la bomba de condensado debe ser cuidadosamente dimensionada en base al cabezal neto de succión positivo (NPSH) disponible. Este caso es ampliamente utilizado en la industria. El diseñador debe ser muy cuidadoso con el NPSH de la bomba, pero generalmente es adecuado un cabezal de succión de 4 – 5 ft. El otro criterio de diseño es dimensionando la válvula de control para satisfacer las condiciones de operación aguas abajo.  En sistemas de múltiples etapas, los condensadores inter-etapas son utilizados entre etapas sucesivas de eyectores para reducir la carga del vapor sobre las cargas posteriores. Estas unidades condensan vapor y vapores condensables, aire fresco y vapores no condensables. Esto permite que sean usados eyectores más pequeños y reduce el consumo de vapor.  Pre-condensadores pueden ser agregados al sistema para reducir la carga en la primera etapa del eyector y permitiendo tener una unidad más pequeña. Un post-condensador (“aftercondenser”) también se puede agregar para condensar los vapores de la última etapa sin afectar la operación del sistema global pero sí puede aliviar la disposición de vapores.  Generalmente, un sistema de vacío de vapor utiliza un condensador de contacto directo (o condensador barométrico); o un condensador de superficie que, por lo general, es un intercambiador de calor de tubo y carcasa. En un condensador de contacto directo, las líneas de drenaje deben ser instaladas verticalmente y deben ser ruteadas hasta el hotwell. Todas las tuberías de drenaje conectadas al inter y post-condensador deben ser diseñadas de forma separada al hotwell para prevenir recirculación de vapores no condensables.  Los Condensadores de Superficie tipo tubo y carcasa pueden ser instalados indistintamente de forma horizontal o vertical. Los vapores que sean condensados pueden ser ruteados a través del interior o exterior de los tubos. Sin embargo, una unidad puede ser diseñada para el contenido energético del vapor por el lado tubo o por el lado carcasa, esto dependerá del tipo de servicio que sea dedicado. 903-HM120-P09-GUD-075/18-12-09/ggc/SP

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 El condensador debe ser instalado para permitir que se drene completamente el condensado, el diseño del arreglo del condensador debe tener en cuenta el peso de éste cuando se inunda totalmente. 15.1.7.

Estimación de Requerimientos de Servicios El consumo de servicios es determinado principalmente por los suplidores. Sin embargo, el consumo de vapor puede ser calculado de forma aproximada como sigue: 1.- En el caso de que el gas de succión sea rico en gases no-condensables, el consumo de vapor puede ser estimado de acuerdo a las ecuaciones indicadas en este documento. Es preciso añadir 20% para el factor de corrección típico de tamaño. 2.- Cuando haya presencia de una gran cantidad de vapores condensados en el gas de succión, el consumo de vapor puede estimarse por medio del cálculo de la presión y el volumen de gas de succión en cada una de las etapas individuales de un eyector.

16.

HOJA DE DATOS DE PROCESOS En el ANEXO 1 se muestra la hoja de datos para la especificación de un eyector. En esta hoja de datos está claramente indicado los datos que corresponden a la Disciplina Procesos y los datos que corresponden a la Disciplina Equipos.

17.

MATERIAL El material de construcción para los eyectores de chorro de vapor debe ser seleccionado de acuerdo a las características de las sustancias a manejar y las condiciones de operación.

El ANEXO 2 de este Documento muestra los Materiales Típicos de Construcción y valores permisibles de esfuerzo. La tabla está dada como una guía y no cubre todos los posibles materiales de construcción. Otros materiales igualmente adecuados pueden ser utilizados.

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO Consultar Guía paraz la selección de materiales de construcción 903-HM120-P09-GUD-054.

18.

NIVEL DE RUIDO El nivel de ruido permitido en una instalación deberá cumplir con las normas o códigos vigentes en materia de contaminación auditiva en cada país o región donde se realice la instalación de los equipos mencionados en este inedon.

19.

INSTRUMENTACIÓN En un sistema de eyector de chorro de vapor, el tipo de instrumentos, manómetros y medidores de flujo utilizados para control de flujo dependerá del sistema que se esté utilizando. Los fabricantes de eyectores deben proporcionar datos críticos de diseño así como orientación en la selección e instalación de la instrumentación asociada al sistema. El sistema básico de vacío de chorro de vapor requiere un manómetro en la línea principal de vapor normalmente instalado justo delante del sistema de eyector de vapor, este monitoreo de presión es para registrar el rendimiento del sistema e indica cuando hay una salida de presión en el diseño. Podría instalarse en cada eyector un manómetro de presión del vapor, cuando sean puestos en operación o parados los eyectores para control o solución de problemas. Tal arreglo de manómetros garantizará que cada etapa de un sistema multi-etapas sea suministrada con la correcta presión del vapor. Los medidores de presión también pueden ser útiles en el tiempo si la presión del vapor en la línea principal varía con el sistema y debe ser controlado en cada eyector, ya que indican líneas de vapor o boquillas tapadas o falla de válvulas. Se puede suministrar un medidor de flujo para mantener el flujo especificado al condensador. Los indicadores de temperatura del agua a la entrada y salida del tubo y la carcasa del condensador indicarán que ha sido excedida la temperatura máxima de salida, que pueda deberse a insuficiencia de agua o a exceso de carga de vapor. Dichos indicadores de temperatura alertarán al operador sobre la disminución de la temperatura que pueda deberse a una condición de ensuciamiento. La mayoría de los sistemas incluyen un manómetro de vacío para monitorear la presión absoluta en el recipiente de proceso. Este indicador de presión no está

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z capacitado para medir la presión del sistema total ya que otros dispositivos pueden estar en la línea entre los dos.

En un sistema de chorro de vapor de múltiples etapas, la solución de problemas es conveniente para tener la medición de presión a la succión en cada eyector. En estas situaciones es de gran utilidad un equipo portátil de medición de vacío. Existen en el mercado muchos modelos de manómetros auto-compensación pero se hace la advertencia sobre el manómetro tipo tubo Bourdon que no da resultados exactos para niveles de vacío superiores a 28 inHg. Si se utiliza un manómetro de mercurio debe hacerse la corrección en función de la presión barométrica real.

Figura 35. Esquema de instrumentación para eyectores

20.

SISTEMAS DE CONTROL Los eyectores no responden a amplias fluctuaciones en las condiciones de operación. Por lo tanto el control de estos sistemas debe ser necesariamente con margen estrecho en comparación con los controles habituales de muchos de los otros equipos. Para el eyector de etapa simple, el flujo de vapor motriz no puede ser disminuido por debajo del flujo crítico en el difusor. Generalmente las unidades son diseñadas para operación estable a cero flujos de succión con el fluido motriz manteniendo el volumen requerido y la energía

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z en el difusor. Ésta es una operación de para producir la velocidad necesaria cierre “shutoff”. La disminución de la presión motriz por debajo del punto de estabilidad causa una discontinuidad en la operación y un incremento en la presión de succión.

Si la proporción del flujo motriz aumenta, la presión de succión se incrementará o la capacidad disminuirá a una presión dada. La Figura 36 muestra el esquema de control para la unidad de etapa simple, la cual permite mayor estabilidad en el rendimiento. PC I-4

PCV

VAPOR

PT

DESCARGA A CONDENSADOR

SISTEMA DE PROCESO

Figura 36. Control para un eyector de etapa simple. (Adaptado de [1]) La Figura 37 muestra el sistema de eyector con grandes cargas condensables que pueden ser manejadas, al menos parcialmente, en el pre-condensador. Los controles indicados se utilizan para mantener constante la presión de succión variando la entrada de aire o para reducir el agua de enfriamiento requerida a bajas cargas de proceso o bajas temperaturas de agua. El enfriador de agua no debe ser estrangulado por debajo del mínimo (por lo general, 30 – 50% del máximo) para un contacto apropiado en el condensador. Puede controlarse por la temperatura de agua en la bota de la tubería de drenaje

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z o por la presión absoluta. Para sistemas más grandes se siguen los mismos principios a menos que el rendimiento especial esté bajo consideración.

AGUA de AIRE ENFRIAMIENTO PCV

AGUA de ENFRIAMIENTO

PC I-4

FCV

VAPOR

TC I-4

PT

EYECTOR DE BAJO VACÍO

CONDENSADOR INTERCONDENSADOR SISTEMA DE DRENAJE

DESCARGA

TT

BOTA DE DRENAJE BOTA DE DRENAJE

Figura 37.Control para un sistema manejando grandes cantidades de vapores condensables. (Adaptado de [1]) Los sistemas de eyectores de vacío de chorro de vapor requieren nada más que una válvula ON/OFF para controlar el flujo en las líneas de agua y de vapor. Pueden agregarse válvulas e instrumentación adicionales para incrementar el control del vacío, facilitar la solución de problemas y optimizar del sistema. Control de Succión Un sistema de chorro de vapor tiene una curva de comportamiento de capacidad (lb/h) respecto a la presión absoluta de succión (mmHgabs o inHgabs) fija. Por lo tanto, una capacidad dada puede obtenerse mediante el control de la presión de succión. A continuación se describen diferentes métodos:  Utilizando una válvula de control, una carga artificial puede ser tomada de cualquiera de los eyectores en el sistema para producir un lazo de control del reciclo. Para evitar las pérdidas de vacío se debe tener cuidado en el dimensionamiento e instalación de esta válvula de control (entre dos niveles de vacío).

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 También puede tomarse como una fuente externa a la carga una purga del aire atmosférico, purga de vapor del vapor de servicio u otros fluidos. Es preferible utilizar los vapores condensables ya que su carga en etapas posteriores del eyector puede ser minimizada en el primer inter-condensador.  Un método competente plantea el uso de una válvula en la línea de succión para crear una caída de presión artificial a través del eyector. Este esquema funciona bien solo cuando el flujo a través de la línea de succión es suficiente para causar una caída de presión a través del área restringida de flujo de la válvula. Cuando el flujo actual a través de la línea de succión es de al menos 50% del flujo de diseño, por ejemplo, puede inducirse una caída de presión artificial. La adición de una válvula en la línea de succión también es de utilidad para aislar el sistema de vacío durante el arranque, la parada y la solución de problemas. En el caso de una falla en el sistema de vacío, la válvula puede además proteger al proceso sensible al agua, previniendo la condensación de vapor o condensado que fluya en reverso en la línea de succión. La curva de comportamiento de un sistema de eyector de múltiples etapas varía de acuerdo al número de etapas en operación y, por tanto, producir diferentes niveles de vacío con el control ON/OFF de las etapas seleccionadas del eyector. Para el control de la succión las etapas sucesivas del eyector solo pueden ser paradas desde la primera etapa (que es la más cercana al proceso) a la última de ellas (la cual descarga a la atmósfera). Una etapa simple operando solamente producirá presiones en el rango aproximado de 6,66 kPa (50 mmHgabs) hasta la presión atmosférica. Dos etapas producirán presiones entre 0,53 kPa a 1,33 kPa (4 mmHgabs a 10 mmHgabs ), mientras que tres etapas producirá presiones entre 0,12 kPa a 0,21 kPa ( 0,80 a 1,55 mmHgabs ). Por último, la presión de succión puede ser controlada por el sistema completo en paralelo en operación o fuera de línea, o por arranque y parada de los elementos individuales del eyector que han sido instaladas en paralelo a la etapa primaria y utilice las mismas interconexiones. Para aislar los elementos individuales del proceso debe instalarse una válvula en la línea de vapor al chorro y en la línea de succión. Puede adicionarse una válvula de descarga para permitir que el elemento sea completamente aislado del sistema y pueda realizarse mantenimiento al sistema.

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO La presión de diseño de la cámara dez succión y el difusor no debe ser mayor que 103,42 kPa (15 psig (internos)) y la unidad debe ser capaz de soportar el vacío total a menos que se especifique lo contrario. Durante operación normal se debe tener cuidado al utilizar una válvula de descarga para evitar la presurización del cuerpo del eyector con la presión del vapor de la línea principal. Para asegurarse que esto no suceda, la válvula de succión debe ser cerrada como primer paso seguido de la válvula del vapor y luego, la válvula de descarga (aplique la secuencia contraria cuando arranque el sistema). Si este procedimiento no puede ser alcanzado entonces debe instalarse una válvula de alivio de presión; ésta debe ser dimensionada para el consumo de vapor del eyector más un 40% adicional. 21.

INSTALACIÓN Los eyectores pueden ser instalados en cualquier ángulo. Sin embargo, para almacenar el condensado y cualquier sólido atrapado en los colectores, deben ser eliminados los puntos bajos (“low points”) en el sistema de tuberías de vacío durante el diseño y la instalación. Se debe tener la previsión de asegurar el drenaje apropiado del cuerpo del eyector, puesto que el vapor condensado o vapores de proceso pueden reducir la capacidad de extracción. Las válvulas de drenaje instaladas en los puntos bajos pueden ser manuales o automáticas, dependiendo de los requerimientos del cliente, y el ciclo de drenaje debe estar relacionado al tipo de proceso: los sistemas discontinuos deben ser drenados antes de cada ciclo, mientras que los procesos continuos pueden ser drenados durante la operación, si es necesario. En ciertos sistemas, los procesos de vacío producen cantidades variables de carga de sólido, los cuales pueden ser depositados dentro del sistema del eyector. Durante la ubicación del eyector debe mantenerse un acceso para limpieza, sobre todo si existe potencial depósito de sólidos.

22.

REFERENCIAS Leyenda de la ubicación de las referencias:

 

Biblioteca de inelectra. Directorio “Departamental / Procesos” del servidor de inelectra en Santa Paula (Caracas, Venezuela).

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

Servicio de Normas Internacionales.

[1]

Ernest

z

E.,

Ludwig,

Applied

Process

Design

for

Chemical

and

Petrochemical Plants, vol 1, third edition, 1999. [2]

http://termica.uc3m.es/alumn/TV/bombeo-a.pdf .

[3] IPS. Engineering Standard for Process Design of Vacuum Equipment. Aug 1993. [4]

Graham Manufacturing Co., URL: http://www.graham-mfg.com

[5]

www.abprogetti.com “ Steam Jet Ejectors and Vacuum System.

[6]

Lieberman, N.P., “Process Design for Reliable Operations”, 1988.

[7]

Loren E.

Wezel.

“Proper

Engineering, November 1996.

Piping

for

Vacuum

System

 Chemical



[8] Norma Venezolana Covenin 1565:1995 “Ruido Ocupacional: Programa de Conservación Auditiva. Niveles Permisibles y Criterio de Evaluación” 3ª. Revisión. [9] Rule of Thumb for Chemical Engineers 3 erd edition.

23.

BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADAS Hydraulic Institute Engineering Data Book 2a edicion. Heat Exchange Institute “Standards for Steam Jet Vacuum Systems” edicion. año 2007

6

a

Manual de Ingeniería de Diseño PDVSA Volumen 11,L-TP2.8 “Eyectores de Vacío – Requisiciones – Análisis de Ofertas y Detalles de Compra”, , Rev 0, Jul.1990. American Society Testing of Materials, ASTM Test Methods. ASTM D7094 903-HM120-P09-GUD-075/18-12-09/ggc/SP

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO ASTM D1322 ASTM D446

z

Norma Europea Test Methods .The Institute of Petroleum 170/ 57 / 21 / 71.

 Gas Processors Suppliers Association GPSA, Sections 12 “Pumps & Hydraulics Turbines” and 13 “Compressors and Expanders”, 12th Edition, 2004.



American Society of Mechanical Engineers ASME Standards: B31.3 Petroleum Refinery Piping B31.1 Power Piping B16.5 Steel Pipe Flanged and Fitting B2.1 Pipe Threads (except dry seal) PTC 24 Performance Test Code for Ejectors VIII Div.1 Pressure Vessels. Section IX. Welding and Brazing Qualifications. International Organization for Standardization Organization ISO 3529/2 Vacuum Technology – Vocabulary, Part 2 – Vacuum Pumps and related



terms, 1st Edition, 1981. Manual de Inspección PDVSA . Guías de Inspección PI-99-09-03 “Eyectores de Vapor”, Volumen 16, Rev 0, Dic.1986

24.

ANEXOS

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ANEXO 1 – HOJA DE DATOS DE PROCESOS PARA LOS EYECTORES, 903-HM120-P09-GUD-075-1.XLS

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ANEXO 2– MATERIALES TÍPICOS DE CONSTRUCCIÓN Y VALORES ADMISIBLES DE ESFUERZO

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z Tabla 2. 1.Materiales típicos de Construcción para eyectores

Parte Difusor

Material Placa de carbono

Especificación

Acero

al

Valor admisible*

AST,-A-36 (excepto acero Bessemer) ASTM-A-283 ASTM-A-515

Placa de inoxidable Barra de carbono

Acero

ASTM-A-240 TP 304 ASTM-A-240 TP 316

Acero

al

ASTM-A-36 ASTM-A-675

Barra de inoxidable**

Acero

ASTM-A-276 TP 304 ASTM-A-276 TP 316 ASTM-A-276 TP 321 ASTM-A-276 TP 347

Hierro fundido**

ASTM-A-48

0,1* Tracción mínima

ASTM-A-278


ASTM-A-395


**

Acero fundido

ASTM-A-27

ASTM-A-216 ASTM-A-217 Bronce fundido

ASTM-B-62 ASTM-B-584

Acero fundido

Acero forjado

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inoxidable

**

ASTM-A-296

ASTM-A-351 al

carbono


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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO Parte Cámara de Succión

Material Placa de carbono

Especificación

z

Acero

al

Valor admisible*

AST,-A-36 (excepto acero Bessemer) ASTM-A-283 ASTM-A-515

Placa de inoxidable

Acero

Tubería de inoxidable

acero

**

ASTM-A-240 TP 304 ASTM-A-240 TP 316 ASTM-A-312 ASTM-A-376

Hierro fundido

ASTM-A-48


ASTM-A-278


ASTM-A-395


**

Acero fundido

ASTM-A-27


Bronce fundido

ASTM-B-62 ASTM-B-584

Acero fundido Acero forjado Acero forjado

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inoxidable

**

ASTM-A-296

ASTM-A-351 al

carbono


inoxidable

ASTM-A-403 TP 304 ASTM-A-403 TP 316

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO Parte

Material Barra de inoxidable

Boquilla

Especificación

z

acero

**

ASTM A-276 TP 304

**

ASTM A-276 TP 316

**

ASTM A-276 TP 321

**

Valor admisible*

ASTM A-276 TP 347

ASTM A-479 TP 316

Placa de inoxidable

acero

**

ASTM A-482 TP 303

**

ASTM A-582 TP 416

ASTM A-240 TP 304 ASTM A-240 TP 316 ASTM A-240 TP 416

Cobre - Níquel Extensión boquilla

de

Barra de carbono

ASTM B-164

acero

al

Tubería de acero Acero fundido Acero fundido Acero forjado

inoxidable al

carbono

Acero de aleación forjado Acero forjado

baja

inoxidable

Bronce fundido Extensión

Barra de inoxidable

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acero

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ASTM A-36 ASTM A-675 ASTM A-53 ASTM A-106 ASTM A-335 ASTM A-216 ASTM A-217 ASTM A-296 ASTM A-351 ASTM A-105 ASTM A-181 ASTM A-182 F-22 ASTM A-182 F-11 ASTM A-182 F-316 ASTM A-182 F-321 ASTM A-182 F-347 ASTM B-62 ASTM B-584 ** ASTM A-276 TP 304 ** ASTM A-276 TP 316 ** ASTM A-276 TP 321 ** ASTM A-276 TP 347 ASTM A-479 TP 316 ** ASTM A-482 TP 303 ** ASTM A-582 TP 416 de 108

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO Parte Tubería de vapor

Material Tubería de acero

ASTM A-53 ASTM A-106 ASTM A-335

Tubería de inoxidable

acero

ASTM A-312 ASTM A-376

carbono

ASTM A-105 ASTM A-181

Acero forjado

al

Acero de aleación forjado Acero forjado Tubería de vapor

baja

inoxidable

Tubería de acero al carbono Acero forjado

al

Barra de carbono Sujetadores

Especificación

z

carbono acero

al

Valor admisible*

ASTM A-182 F-11 ASTM A-182 F-22 ASTM A-182 F-316 ASTM A-182 F-321 ASTM A-182 F-347 ASTM A-53 ASTM A-106 ASTM A-234

ASTM A-285 Gr C

ASTM A-193 ASTM A-325 ASTM A-194 ASTM A-325

Pernos Tuercas

Valores admisibles de esfuerzo debe ser tomados de la Sección VIII, División 1 del Código ASME para recipientes a presión, excepto los que se denotan (**). **

Valores admisibles de esfuerzo utilizados deben estar conformes a la Práctica de Ingeniería recomendada.

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ANEXO 3– EJEMPLO: CAPACIDAD ACTUAL PARA VAPORES DE PROCESO MÁS CONDENSABLES

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z Una columna de destilación es operada con un condensador horizontal de tope como se muestra en la Figura 3. 1 Las presiones se muestran marcadas con un triángulo. La fuga estimada de aire en el sistema es de 4 kg/h. La masa molecular del vapor – producto sale del condensador hacia el eyector (@ 27 ºC) es de 53. La presión de vapor del vapor condensado es de 3 mmHgabs @ 27 ºC.

P-64

Presion Total 5 mm Hg Temperatura 27 º C Entrada Vapor

AGUA DE ENFRIAMIENTO

Medio enfriante

Entrada vapor

Condensador P-53

EYECTOR Eyector segunda etapa

Condensador Barométrico

EYECTOR

Acumulador

A Bomba o a Condensador

Codo de sello de 10.36 m

Columna Destilación

Sumidero

Figura 3. 1 Esquema Columna de Destilación (Adaptado de [3])

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO Datos

z

Mv = Masa molecular del vapor – producto = 53 Pn = Presión de vapor del vapor condensado = 3 mmHgabs Pn = Presión parcial del aire = 5 – 3 = 2 mmHgabs Wn = Masa estimada de fuga de aire = 4 kg/h Mn = Masa molecular de aire = 29 Vapor necesario para saturar @ 27 ºC y presión total de 5 mmHgabs, por la siguiente ecuación: WV

W n M v Pn M n Pn

Ec 3- 1

Sustituyendo en la ecuación, nos queda: Wv

Flujo molar de aire = Wn / Mn

4 53 3 10,965 kg/h 29 2

4 0,13793 kgmol/h 29

Flujo molar de vapores condensables

10,965 53

0,20688 kgmol/h

Total flujo molar = 0,13793 + 0,20688 = 0,3448** Masa molecular promedio

4 10 ,965 0,3448

43,4

De la Figura 23 de esta Guía se obtiene el valor corregido de la razón de arrastre molecular para este caso igual a: 1,18 Entonces se calcula el valor de aire equivalente @ 21 ºC igual a: 14 ,965 12 ,68 kg/h 1,18 De la Figura 22 de esta Guía se obtiene el valor corregido de arrastre por temperatura a partir de la temperatura de 21 ºC (70 ºF) hasta la línea que representa aire y leemos en el eje vertical, el factor por corrección de: 0,999

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO 12 ,68 12 ,695 kg/h 0,999 Éste es el valor que debe ser comparado con el obtenido por la curva de rendimiento o prueba estándar del fabricante @ 21 ºC. z

Aire equivalente para la mezcla @ 21 ºC

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ANEXO 4– DIAGRAMAS TÍPICOS DE TUBERÍAS E INSTRUMENTACIÓN (P&ID’S) SOBRE SISTEMAS DE VACÍO

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO Sistema de Vacío con Eyector de Vapor

z

Un diagrama típico de tuberías e instrumentación de un sistema de vacío utilizando un eyector de vapor se muestra en la Figura 4. 1 :

PI

PI

PI

Figura 4. 1 Diagrama típico de Tuberías e Instrumentación para Sistemas de vacío con Eyectores de vapor [3] Nótese que: 1. Se especifica la altura del drenaje del condensador. Esta altura, en muchos casos, es limitada generalmente a 15 m (mín.) como se muestra en la Figura 4 1.. 2. La presión en un sistema de vacío que utiliza eyectores de vapor puede ser controlada: a) introduciendo aire o gas inerte del exterior, b) por flujo reverso del vapor motriz, o, c) por el reciclaje de los gases no-condensables en el sistema

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO Los métodos (b) y (c) deben ser utilizadosz en casos donde se conoce la presencia de gases no-condensables en el sistema y la introducción de aire en el sistema no es deseable o donde la cantidad de gases venteados no debe ser incrementada. En el caso del método (b), sí los gases no-condensables no están presentes en el sistema, el flujo del vapor podría circular en reversa hacia el equipo. Sistema de Bomba de Vacío La Figura 4. 2 es un diagrama de tuberías e instrumentación que muestra un sistema de vacío utilizando una bomba de vacío sellada con anillo de líquido. El Método (a) en la Figura 4 - 2. sólo es posible en casos donde los gases nocondensables están presentes en el sistema.

PI

Figura 4. 2 Diagrama típico de Tuberías e Instrumentación para Sistemas de Bomba de vacío.[3]

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Figura 4. 3. Diagrama típico general de eyectores de vapor [3]

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ANEXO 5 –ESTIMACIÓN DE CONSUMO DE POTENCIA PARA BOMBAS DE VACÍO

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO z de vacío pueden ser estimados a partir Los kilovatios de todos los tipos de bombas de la ecuación siguiente:

1.

Bombas selladas de anillo de líquido

BKW 2.

0 , 924

S.F. = 0,05 – 35

Ec 5- 1

Bombas reciprocantes de vacío

BKW

3.

7680 S .F .

3974 S .F .

0 , 963

S.F. = 1,0 – 25

Ec 5- 2

Bombas de vacío de pistón rotatorio

BKW

4242 S .F .

1, 088

S.F. = 0,03 – 8

Ec 5- 3

Donde: S .F .

2,2 VolumenAire Pr esiónOperación

(Factor de dimensionamiento)

BKW = Potencia al freno expresada en kilovatios Volumen de Aire expresado en kg/h Presión de Operación expresada en mmHg. Notas: 1. Cuando el tiempo de evacuación sea un cuello de botella en el diseño, el tiempo de evacuación puede hacerse más largo o el arranque del equipo puede ser separadamente instalado para reducir el consumo de servicios 2.

En caso de reducirse la operación en sistemas donde una gran cantidad de gases no-condensables se produzcan, se debe considerar la instalación en paralelo de servicios de vacío.

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ANEXO 6– TERMINOLOGÍA DE PRESIÓN

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GUÍA DE DISEÑO Y ESPECIFICACIÓN DE EYECTORES DE VACÍO Para propósitos de diseño, es necesario z utilizar presiones absolutas. En planta, generalmente las presiones de operación son utilizadas como “vacío”. Es importante eliminar la confusión antes de realizar un apropiado análisis de comportamiento, para ello, apóyese en la Tabla 6. 1 y Tabla 6. 2 Si la presión es expresada en pulgadas de mercurio, la lectura del barómetro local (o barómetro de referencia) es necesaria para establecer la presión de succión absoluta, o la presión en el sistema de vacío. Por ejemplo, la presión absoluta a la entrada del eyector y en la parte inferior de la columna asociada referenciados a 30 inHg, son: Presión absoluta @ la entrada del eyector = 30 (presión de referencia) – 27,5 (lectura barométrica en el sistema) = 2,5 inHg Presión absoluta en la parte inferior de la Columna = 30 (presión de referencia) – 23 (lectura barométrica en el sistema) = 7 inHg

Tabla 6. 1 . Equivalencias a Bajas Presiones Absolutas (referenciadas a mercurio) [1] Micrones

Milímetros

Pulgadas

0 01 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00

0,000394 0,003937 0,007874 0,011811 0,015748 0,019685 0,023622 0,027559 0,031496 0,035433 0,039370

10……. 100…... 200….. 300,,,,, 400,,,,, 500… 600... 700… 800… 900… 1000..

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Pulgadas de vacío, referidas a una lectura en barómetro de 30” 29,999606 29,996063 29,992126 29,988189 29,984252 29,980315 29,976378 29,972441 29,968504 29,964567 29,960630

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Tabla 6. 2. Tabla de Conversión de Presión Absoluta de milímetros a pulgadas de mercurio. [1] Milímetros 1 2 3 4 5

Pulgadas 0,0394 0,0787 0,1181 0,1575 0,1969

Milímetros 26 27 28 29 30

Pulgadas 1,0236 1,0630 1,1024 1,1417 1,1811

Milímetros 170 180 190 200 210

Pulgadas 6,6929 7,0866 7,4803 7,8740 8,2677

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

0,2362 0,2756 0,3150 0,3543 0,3937 0,4331 0,4724 0,5118 0,5512 0,5906

35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

1,3780 1,5748 1,7717 1,9685 2,1653 2,3622 2,5590 2,7559 2,9528 3,1596

220 230 240 250 260 270 280 290 300 325

8,6614 9,0551 9,4488 9,8425 10,236 10,630 11,024 11,417 11,811 12,795

16 17 18 19 20

0,6299 0,6693 0,7087 0,7480 0,7874

85 90 95 100 110

3,3465 3,5433 3,7402 3,9370 4,3307

350 375 400 450 500

13,780 14,764 15,748 17,717 19,685

21 22 23 24 25

0,8268 0,8661 0,9055 0,9449 0,9843

120 130 140 150 160

4,7244 5,1181 5,5118 5,9055 6,2992

550 600 650 700 750

21,653 23,622 25,590 27,559 29,528

Nota: Para convertir los valores de presión arriba mostrados en libras por pulgadas cuadradas absolutas (lbf/pulg2) multiplique por los siguientes factores: Milímetros de mercurio por 0,01934; Pulgadas de mercurio por 0,4912.

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