Descripción del Sistema, Metodología de Cálculo y Diagrama de Flujo
CONTENIDO DE LA MEMORIA TECNICA DESCRIPTIVA DE LA INSTALACION SEGÚN PLANOS Nos. 36-94-00-00-16 , 36-94-00-25-01, 36-94-00-20-01, 36-94-00-00-15, EN LA PLANTA INDUSTRIAL “HYLSA S.A. de C.V.” 1.
DIAGRAMA DE LA RED DE DISTRIBUCION INTERNA DEL GAS NATURAL.
2.
OBJETO DE LA INSTALACION INSTALACION Y USO DEL GAS NATURAL.
3.
DISEÑO Y CALCULO DE LA INSTALACION.
4.
SISTEMA DE PROTECCION CATODICA.
5.
DESCRIPCION DEL SISTEMA DE SEGURIDAD EMPLEADO.
2. – OBJETO DE LA INSTALACION Y USO DEL GAS NATURAL.
El objeto de la instalación es suministrar el gas natural en cada uno de los puntos de consumo en la presión adecuada y con capacidad suficiente en su demanda máxima. A continuación se presenta una breve descripción del uso que se le da al gas natural: Como se muestra en el diagrama de flujo anterior, nos vamos a referir a los puntos que ahí se señalan. La reducción del mineral de hierro (punto 3), básicamente óxido de fierro Fe 2O3 conocido también como hematita, ocurre al hacer pasar a través del mineral una corriente de gases reductores calientes, hidrógeno y monóxido de carbono, que reaccionan con el oxígeno del mineral, dejando libre el fierro metálico y como subproductos vapor de agua y dióxido de carbono. Las reacciones de reducción son las siguientes: 3H2 + Fe2o3 → 3CO + Fe203 →
2Fe + 3H2O 2Fe + 3CO2
La producción de gases reductores se realiza en un equipo conocido como Horno Reformador en el cuál, utilizando como materia prima Metano y vapor de agua calentados a alta temperatura en la presencia de un catalizador se logra producir las siguientes reacciones de reformación:
2. – OBJETO DE LA INSTALACION Y USO DEL GAS NATURAL.
El objeto de la instalación es suministrar el gas natural en cada uno de los puntos de consumo en la presión adecuada y con capacidad suficiente en su demanda máxima. A continuación se presenta una breve descripción del uso que se le da al gas natural: Como se muestra en el diagrama de flujo anterior, nos vamos a referir a los puntos que ahí se señalan. La reducción del mineral de hierro (punto 3), básicamente óxido de fierro Fe 2O3 conocido también como hematita, ocurre al hacer pasar a través del mineral una corriente de gases reductores calientes, hidrógeno y monóxido de carbono, que reaccionan con el oxígeno del mineral, dejando libre el fierro metálico y como subproductos vapor de agua y dióxido de carbono. Las reacciones de reducción son las siguientes: 3H2 + Fe2o3 → 3CO + Fe203 →
2Fe + 3H2O 2Fe + 3CO2
La producción de gases reductores se realiza en un equipo conocido como Horno Reformador en el cuál, utilizando como materia prima Metano y vapor de agua calentados a alta temperatura en la presencia de un catalizador se logra producir las siguientes reacciones de reformación: CH4 + H20 → 3H2 + CO CO + H20 → H2 + CO2 Como ocurre en casi todos los procesos, la reformación no es 100% completa por lo que en el gas producto del reformador se tiene un contenido de 3 a 5 % de CH 4 conocido comúnmente como fuga de metano. Adicionalmente al trabajo de reducción desarrollado por los gases reductores calientes alimentados al reactor, reacciones de reformación y craqueo ocurren en la zona de enfriamiento del reactor de lecho móvil, gracias a la alimentación de gas natural en esta etapa del proceso. Subsecuentemente, además de las reacciones de reducción mencionadas en el párrafo inicial, también ocurre la reducción del óxido de fierro con carbón 2C + 2Fe O → Fe2 + 2CO produciendo CO que a su vez reacciona con el Hidrógeno para generar CH 4 (Metanación). Las reacciones de craqueo y carburación son las siguientes: CH4 → 2H2 + C 2CO + 3Fe → Fe3C + CO2 C + 3Fe → Fe3C De esta manera, además de completar el trabajo de reducción iniciado en la sección de reducción del reactor, también se realiza la depositación de carbón requerido por el producto. Al igual que sucede en el reformador, el proceso dentro del reactor no es 100% eficiente dando como subproducto una corriente de gases inertes y vapor de agua productos de la reacción, mezcla comúnmente conocida como gas de cola o de desperdicio. Además de las reacciones de reducción, dentro del reactor ocurren también reacciones de metanación, es decir, de producción de metano a partir de hidrógeno y monóxido de carbono dada la naturaleza reversible de la reacción de reformación.
3H2 + CO → CH4 + H2O Este metano producido dentro del reactor, aunado al que no alcanzó a reaccionar, hacen inevitable la presencia de metano en el gas de cola. Aunque la operación y control de los hornos es mucho más sencilla utilizando gas natural como combustible, dada la necesidad de eficientisar el uso de los energéticos, la planta de reducción directa tiene incorporado sistemas de combustión que permiten el aprovechamiento del gas de cola como combustible. En este punto se dividen las corrientes en tres sistemas de baja presión siendo el del punto 5, 6 y 7, el punto 5 corresponde al área de Aceración, en este punto el uso básicamente del gas natural es para calentamiento de equipos a muy alta temperatura, el uso del gas natural se divide en dos áreas siendo en uno de ellos para mantener las ollas calientes, estas ollas son en donde va a ser recibido el acero en forma liquida a muy alta temperatura para que de ahí sea transportado el acero líquido del área de fundición a la máquina de Colada Continua punto No. 6, en esta máquina también se usa el gas natural y es para poder tener el material refractario (distribuidor) caliente para poder recibir el acero líquido a temperatura de los ±1540 oC. de ahí pasa el acero en forma liquida a los moldes donde se va a iniciar la solidificación del acero y pasar a formar la llamada palanquilla o billet. Como se menciono en el párrafo anterior, el uso del gas pasa al punto 7 y es básicamente para el horno de recalentamiento. La operación de este horno es para poder recalentar las palanquillas o billet a una temperatura en el que este material puede ser enviado al tren de laminación que es donde va a tener su forma final en diferentes productos tales como alambrones, varillas, Etc., de diferentes medidas. 3. – DISEÑO Y CALCULO DE LA INSTALACION . 3.1. - Especificaciones y datos generales. Todas las válvulas que se usan en el gas natural están en lugares accesibles para el manejo y control de las mismas. Toda la tubería aérea está soportada adecuadamente y está de tal forma que permite efectuar el mantenimiento adecuado al equipo instalado, los claros de la tubería son los siguientes. 7.62 metros sobre líneas férreas 7.62 metros sobre calles 2.13 metros sobre plataformas y pasillos 7.62 metros sobre lugares abiertos Toda la tubería enterrada, está protegida y cubierta con esmalte bituminoso y alquitrán de hulla y fibra de vidrio. Toda la tubería que pasa debajo de los caminos está enterrada a una profundidad de 1.25 metros, y protegida con tubería de acero. 3.2. - Expansión y Flexibilidad. Se previó la suficiente flexibilidad para que en la expansión térmica de la tubería no afecte al sistema. 3.3. - Conexiones que se usaron para la tubería. Para diámetros mayores de 63.5 mm. (2 ½)” las juntas están biseladas y soldadas, para diámetros de 50.4 mm. (2”) y menores son roscadas excepto en casos especiales. Todos los
materiales y métodos de construcción para tuberías se siguieron los Estándares de la ASME B31.8. (Sistemas de tubería de conducción y distribución de gas. Secciones 833, y 841.13). 3.4. - Cálculo de la fatiga circunferencial en las paredes del tubo de acero debido a la presión interior del fluido. Para determinar la fatiga circunferencial del material en una tubería debido a la presión interior de un fluido, deberá imaginarse que el tubo es cortado por una sección diametral horizontal según la figura siguiente:
Considerando la parte superior de la sección del tubo como cuerpo libre se tiene representada la tubería con la presión manométrica interior como “p” y “r” el radio interior de la tubería, la fuerza que actúa en un elemento de tubo con una longitud “L” determinada por dos secciones radiales adyacentes “p L r d ø “ donde “ø” en el ángulo correspondiente a este elemento. Tomando la suma de las componentes verticales de las fuerzas actuantes en cada elemento se obtendrá la ecuación de equilibrio siguiente:
∫
2 P = 2 p L r sen ø d ø P=pLr
La fatiga circunferencial se obtiene dividiendo la fuerza “P” por el área de la sección recta del elemento de tubo. Sy = P = pLr = p r = p d A LT t 2t De donde: Sy = Fatiga circunferencial en la pared del tubo en Kg /cm². P = Presión manométrica dentro del tubo en Kg / cm² d = Diámetro interior del tubo en cm
t = Espesor de la pared del tubo en cm D A T O S. Considerando para este cálculo la tubería donde se inicia la distribución del gas natural para la empresa denominada “HYLSA, S.A. DE C.V.”, localizada en el estado de Puebla, Municipio de Xoxtla. La tubería para la distribución del gas natural a esta planta es de un diámetro inicial de 203.4 mm. (8”) diámetro nominal de cédula estándar de acuerdo con la denominación del ( ASTM grado B31.8 Steel Pipe Nominal Wall Thickness Designation.) con un espesor de pared de 8.178 mm. ( 0.322”) y un diámetro interior de (7.981”) 202.71 mm. esta tubería esta construida de acero al carbón soldada con resistencia eléctrica que corresponde al API 5 LX-52 grado B siendo el esfuerzo a la cedencia de 2461.32 Kg. /cm² ( 35,000 Lbs/Plg² ) según el estándar de tubería americano ASME B 31.8. La presión de diseño para esta tubería se determina dé acuerdo con la fórmula anterior. P = 2 Sy t = 2x2461.32x.817 = 198.60 Kg. /cm². d
20.27
Siendo la fuerza actuante por unidad de longitud de tubería. P = p L r = 198.6 x 1 x 20.27 = 2012.81 2 La presión manómetrica del gas natural dentro de la empresa “HYLSA, S.A. DE C.V.” es de 14.00 Kg /cm². Siendo la fuerza por unidad de longitud de: P = p L r = 14.00 x 1x 20.27= 141.89 2 Este esfuerzo en proporción representa un factor de seguridad de: F.S. = 2012.81 = 14.18 141.89 Lo cual se demuestra que la tubería que se tiene instalada esta dentro de los limites de seguridad en lo que respecta a la presión del gas. Las fatigas circunferenciales de las otras tuberías se pueden determinar de la misma manera, ya que las presiones del gas natural son mas reducidas como se muestran en los planos Nos. 36 94 00 00 16, 36 98 00 31 04, UPG 2515, 36 94 00 00 15, 36 94 00 2001.
3.5. - La derivación de la formula para el esfuerzo longitudinal “Sx” se hará basándose en la similitud de la tubería como un cilindro de extremos cerrados.
Supóngase que la figura representa una sección de un cilindro con extremos cerrados. La fuerza total que actúa contra cada extremo del cilindro es: F = p π d² 4 En donde “p” es la presión manometrica en el interior del cilindro la fuerza “F” distribuida sobre un área de metal en la pared del cilindro igual a: π A = π D² - πd²
4
4
A continuación se tiene que la fatiga S x del material es: Sx = F = P d² A D² - d² Siendo: Sx = Fatiga longitudinal en la pared del tubo en Kg /cm² P = Presión manométrica dentro del tubo en Kg/cm² d = Diámetro interior del tubo en cm D = Diámetro exterior del tubo en cm En los datos de nuestro calculo tenemos: P = 14.00 Kg /cm² d = 20.27 cm. D = 21.90 cm.
es
Substituyendo estos valores en la formula anterior se obtendrá la fatiga longitudinal a la cual trabaja el tubo. Sx = 14.00 x 20.27² 21.90² - 20.27²
= 83.68 Kg /cm²
El lÍmite de fatiga para un tubo de acero es de 1780 Kg /cm². ( 25,300 Lb /pg² ) según el estándar Americano ASA Code B- 31.8. demostrándose en esta forma que no se presenta riesgo alguno. 3.6. - Capacidad de conducción de tuberías. Actualmente, PEMEX suministra el gas natural desde el gasoducto que viene desde Ciudad PEMEX (Tabasco) y que esta instalado en el lado norte de la autopista México-Puebla conocido como gasoducto Cosoleacaque Venta de Carpio en el tramo de Esperanza - San Martin en el Km. 681+000, este punto esta localizado a 320.48 metros de la barda norponiente de HYLSA S.A. de C.V. , donde existe un registro en el cual está instalada la válvula troncal de 8" de diámetro RTJ 600 Lbs. (GPS 58,1C 0G) y de ahí esta conectada la tubería de 8" con bridas de 8" tipo RTJ de 600 Lbs. de acuerdo a normas ASTM B-16.5 y ASME B-16.9. Cuya trayectoria es paralela a la barda poniente de HYLSA S.A. de C.V, con una longitud total desde el punto de conexión al gasoducto de 30" hasta la caseta de regulación y medición de 1673.70 metros de los cuales 1353.22 metros están dentro de los terrenos de la empresa. La presión de suministro es de 34 Kg/cm² y la presión regulada de salida es de 14 Kg/cm² , la distribución interna a la empresa de Hylsa S.A. de CV. se realiza por medio de una estación de regulación y medición de gas natural, teniendo esta dos cabezales principales de regulación de gas natural de 8" de diámetro ( pleno flujo ) y un cabezal de 3' de diámetro ( flujo mínimo ).Se puede apreciar en el plano no. 36-94-00-00-16 anexo. A continuación se muestra el cálculo de flujo de la tubería de gas natural.
Cálculo de flujo en tuberías para gas natural HYLSA PLANTA PUEBLA 1.0 Composición del gas natural Fórmula
CH4 C2H6 C3H8 nC4H10 iC4H10 CO2 N2 Total
Fracción % Vol. 85.05 10.25 2.88 0.13 0.17 0.07 1.45 100.00
2.0 Datos de diseño para flujo en tuberías. Variable
Presión de entrada Presión de salida Presión atmosférica Presión cond. normal Presión cond. estándar Temperatura de operación Temperatura cond. normal Temperatura cond. estándar Diámetro nominal
U. Métricas Kg/cm2 Kg/cm2 Kg/cm2 Kg/cm2 Kg/cm2 °C °C °C Mm
Valor 34 30 0.798 1.033 1.036 15.556 0.000 15.556 202.7174
U. Inglesas PSIG PSIG PSIG PSIA PSIA14.73 °F °F °F pulgadas
2.1 Datos de cálculo
Constante “R” gas natural Presión absoluta P´ Temperatura de operación Temperatura cond. normal Temperatura cond. estandar
79.1 494.942393 PSIA 520.0008 °R 492 °R 520.0008 °R
Valor 483.592200 426.699000 11.350193 14.70
60.00 60.00 60.00 7.981
2.2 Diagrama: Cabezal Entrada
8" Ø Ced.Std. P1
P2 L=1674 m
1.03788
Sg= 0.602 Lm= 1.04 P'1= 494.942393 P'2= 438.049193 Z= 0.970000
Cabezal Salida
millas millas PSIA PSIA
2.4 Formula Aplicada ecuacion de Weymouth
T b 2.667 = 433 . 5 * * d Q Pb
(P'1 ) 2 − (P' 2 ) 2 S L T Z * * * g m avg
Sustituyendo Valores Q=
49105770.79 SCFD Pies Cubicos Estandares por dia
Q=
1390527.143 MCSD Metros Cúbicos Estandares por día.
W=
2532496.628 Lbm /Dia
Con el calculo anterior se demuestra que el sistema tiene capacidad sobrada para la conducción del volumen que es 750,000 MCSD, debido al tamaño de la tubería y la presión suministra contra la requerida. Los cálculos a las condiciones marcadas anteriormente proporcionan un volumen de 1,390,527.143 MCSD= Metros cúbicos estándar por día, la base de esta medida es 1.033 Kg/cm² y a 15.55 oC. Con el cálculo anterior se muestra la capacidad de conducción apreciando que la caída de presión a través de la tubería de 8" de diámetro esta sobrada ya que nos da un valor de 16.175% para el volumen de 1'394,132.143 MCSD (metros cúbicos estándar por día, a una presión base de 1.0335 Kg/cm² (14.73 psi) y a una temperatura de 15.55 °C (60 °F).
CALCULOS DE CAIDAS DE PRESION EN SISTEMA DE SUMINISTRO DE GAS NATURAL DESDE EL GASODUCTO DE PEMEX DE 30' DE DIAMETRO A LA EMPRESA DEHYLSA S.A. DE C.V. ATRAVEZ DETUBERIA DE 8" DE DIAMETRO. Fórmula de Spitzglass En sistema métrico decimal Plano 36-94-00-20-01 Calculo a volúmen PICO.
Flujo de GN Longitud de la tubería Diámetro interior de la tubería Gravedad especifica del gas Presión inicial Constante de diámetro interior
Q1' L1' d1' S' P1' K
Presión Final P2' Caída de Presión
750000.000 MCSD 1674.000 m 202.717mm 7.981 " 0.602 aire=1 34.000 Kg/cm2 138.400 32.698 Kg/cm2 3.981%
Con el cálculo anterior se muestra la capacidad de conducción apreciando que la caída de presión a través de la tubería de 8" de diámetro esta sobrada ya que nos da un valor de 3.981% para el volumen de 750,000 MCSD (metros cúbicos estándar por día, a una presión base de 1.0335 Kg/cm² (14.73 psi) y a una temperatura de 15.55 °C (60 °F).
CALCULOS DE CAIDAS DE PRESION EN SISTEMA DE SUMINISTRO DE GAS NATURAL DESDE EL GASODUCTO DE PEMEX DE 30' DE DIAMETROA LA EMPRESADE HYLSA S.A. DE C.V. ATRAVEZ DE TUBERIA DE 8" DE DIAMETRO. Fórmula de Spitzglass En sistema métrico decimal Plano 36-94-00-20-01 Calculo a volúmen NORMAL.
Flujo de GN Longitud de la tubería Diámetro interior de la tubería Gravedad especifica del gas Presión inicial Constante de diámetro interior
Q1' L1' d1' S' P1' K
Presión Final P2' Caída de Presión
738348.000 MCSD 1674.000 m 202.717 mm 7.981 " 0.602 aire=1 34.000 Kg/cm2 138.400 32.739 Kg/cm2 3.851%
Con el cálculo anterior se muestra la capacidad de conducción apreciando que la caída de presión a través de la tubería de 8" de diámetro esta sobrada ya que nos da un valor de 3.851% para el volumen de 738,348 MCSD (metros cúbicos estándar por día, a una presión base de 1.0335 Kg/cm² (14.73 psi) y a una temperatura de 15.55 °C (60 °F).
4.- TIPO DE PROTECCION CATODICA.
La protección catódica es del tipo de CORRIENTE IMPRESA
5. – DESCRIPCION DEL SISTEMA DE SEGURIDAD EMPLEADO. a) Toda la tubería está protegida en los cruces de líneas de ferrocarril por medio de tubos protectores, para evitar recibir esfuerzos adicionales, este tubo protector estará aislado de la tubería mediante aisladores especiales. b) Toda la tubería está protegida contra la corrosión por medio de rectificadores. c) En los codos donde existe desbalance de fuerzas ocasionado por el paso del gas se les colocaron bases de concreto para evitar se mueva la tubería. d) Toda la tubería que está enterrada está protegida con esmalte bituminoso, Felpa de vidrio, para evitar el contacto con la tierra corrosiva. e) Seguridad empleada para mantener una presión del gas natural dentro de los limites necesarios para el buen funcionamiento de los quemadores y aparatos de consumo, esta seguridad se obtiene por medio de válvulas automáticas de alivio descritas en cada una de las estaciones de regulación de presión. f) Toda la tubería que está instalada a la intemperie, está pintada con pintura anticorrosiva y del color adecuado. g) Todas las tuberías que suministran el gas natural fueron probadas con un mínimo de presión de 1½ veces, a la cual trabajan las tuberías. h) Toda la planta siderúrgica estará protegida contra incendio por medio de una red de agua, e hidratantes. i) Toda la planta está protegida con extinguidores adecuados.
