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Los tubos y tuberías se fabrican de muy diferentes materiales, incluyendo metales y aleaciones, madera, cerámica, vidrio y diferentes plásticos. El cloruro de polivin polivinilo ilo,, o PVC, PVC, es ampliam ampliament entee utiliza utilizado do para para conduc conduccion ciones es de agua. agua. En las plantas de proceso, el material más frecuente es acero de bajo contenido en carbono, con el que se fabrica la llamada tubería de hierro negro. Con frecuencia se utilizan también tuberías de hierro forjado y de fundición. Los tubos y tuberías se clasifican en función de su diámetro y del espesor de pared. En tuberías de acero, los diámetros nominales normalizados, están comprendidos en el intervalo de a 30 pulg. En tuberías grandes de más de 12 pulg de diámetro, el diámetro nominal es igual al diámetro externo real; en tuberías pequeñas el diámetro nominal no corresponde a ninguna dimensión real. Para tuberías de 3 a 12 pulg el valor nominal es próximo al diámetro interno real, pero para tuberías tuberías muy pequ pequeñas eñas esto no es cierto. cierto. Sin tener en cuenta cuenta el espesor espesor de pared, el diámetro externo de todas las tuberías, correspondientes a un determinado tamaño nominal, es el mismo, con el fin de poder intercambiar los accesorios. Las dimensiones normalizadas de tuberías de acero, se dan en el Apéndice 4. Las tuberías de otros materiales se fabrican también con el mismo diámetro externo que las tuberías de acero, con el objeto de poder intercambiar las diversas partes de un sistema de conducción. Estas dimensiones normalizadas de tubería se las conoce como IPS NPS (normal pipe size). Así la pipe size) o NPS nomenclatura «tubería de níquel de 2 pulg significa que se trata de una tubería de níquel, que tiene el mismo diámetro exterior que una tubería de acero normalizada de 2 pulg. núm er o de cat ál ogo, ogo , que El espesor de pared de una tubería viene dado por el núm aumenta con el espesor. Se utilizan los diez números de catálogo, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 100, 120, 140 y 160; sin embargo, para tuberías de diámetro inferior a 8 pulg, solamente son habituales los números 120 y 160. En el Apéndice 6 se presentan los espesores reales de pared para los diferentes números de catálogo para tuberías de acero; para otras aleaciones, el espesor de pared puede ser mayor o menor que el de la tubería de acero, dependiendo de la resistencia mecánica del material. Para acero a temperatura ordinaria, la presión admisible es la cuarta parte de la máxima que soporta el material. El tamaño viene dado por el diámetro exterior. El valor nominal corresponde al diámetro exterior real, dentro de tolerancias muy estrechas. El espesor de ngham m w i re pared pared viene viene generalm generalmente ente dado por el número número BWG (Birmi ngha que varía desde 24 (muy ligero) hasta 7 (muy pesado). En el Apéndice 7 figuran los tamaños y espesores de pared para tubos de cambiadores de calor. T am añ o s.
El tamaño óptimo de tubería, para un caso determinado, depende de los costes relativos de instalación, de la potencia, mantenimiento y de las tuberías y accesorios de repuesto. En instalaciones pequeñas basta con una estimación según criterio. En la Tabla 8.1, por ejemplo, se indican intervalos representativos de velocidad en tuberías. Los valores de la tabla, son los más corrientes en la práctica ordinaria, sin embargo, en condiciones especiales, pueden requerirse velocidades que están fuera de los intervalos Sell ecció Se ecci ón del tama ta mañ ñ o de tu t u ber berii a.
190 Tabla
OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERIA QUIMICA
8.1.
Velocidad
de
fluidos
en
tuberías Velocidad
Fluido
Líquidos
Líquidos
Tipo de flujo
poco
viscosos
viscosos
Vapor de agua Aire o gas
Flujo por gravedad Entrada de bomba Salida de bomba Línea de conducción Entrada de bomba Salida de bomba
l-3 4-10 4-8 15 30-50 30-100
9-15 9-30
dos. Las velocidades pequeñas han de ser las más utilizadas, especialmente cuando el flujo es por gravedad desde tanques elevados. La relación entre tamaño de tubería, velocidad volumétrica de flujo y velocidad, se indica en el Apéndice 6. En sistemas grandes y complejos de tuberías, el coste de las mismas puede ser una fracción importante de la inversión total y se justifica entonces el empleo de métodos laboriosos para la elección del tamaño de tubería; en estos casos se emplean ordenadores. Juntas y accesorios. Los métodos que se utilizan para unir tubos y tuberías, depende en parte de las propiedades del material de construcción, pero sobre todo del espesor de pared. Los productos tubulares de pared gruesa, se conectan entre sí por medio de accesorios roscados, bridas o soldadura. Las piezas de pared delgada se unen por soldadura, compresión o accesorios cónicos. Las tuberías fabricadas con materiales frágiles, como vidrio, carbón o fundición, se unen mediante bridas o juntas de enchufe y cordón. Cuando se emplean accesorios roscados, se hace una rosca a los terminales del tubo, por medio de una herramienta adecuada. Las rosca tiene forma de huso y los últimos pasos de la misma, situados a mayor distancia del extremo de la tubería son imperfectos, de forma que se obtiene una unión hermética cuando la tubería se rosca en el accesorio. La rosca debilita la pared del tubo y, en general, los accesorios no son tan fuertes como la tubería; por consiguiente, cuando se emplean accesorios roscados, el número de catálogo calculado mediante la Ecuación debe duplicarse. Los accesorios roscados están normalizados para tuberías hasta 12 pulg, pero debido a la dificultad del roscado y del manejo de tuberías grandes, se emplean muy raramente para tuberías mayores de 3 pulg. La conexión de tuberías con un diámetro mayor de 2 pulg, se hace por medio de bridas o soldadura. Las bridas son dos discos iguales o anillos de metal, unidos mediante tornillos que comprimen una junta que está situada entre sus caras. Las bridas se unen a la tubería por rosca o soldadura. Una brida sin abertura empleada para cerrar una tubería, recibe el nombre de br i da ciega. Para unir las diferentes piezas de una tubería de acero, especialmente en procesos en
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que la presión es elevada, la soldadura ha llegado a ser el método normal. La soldadura proporciona uniones más fuertes que los accesorios roscados y además no debilita la pared de la tubería, de forma que para una determinada presión, pueden emplearse tuberías de menor espesor. Las uniones hechas por soldadura son herméticas, Casi la única desventaja consiste en que una unión soldada no puede abrirse sin destruirla. Casi todas las tuberías están sometidas a variaciones de temperatura y en algunos casos las variaciones pueden ser muy grandes. Estas variaciones de temperatura producen expansiones y contracciones de la tubería. Si la tubería está fíjada rígidamente a sus soportes, puede desprenderse, curvarse o incluso romperse. Por ello, en conducciones largas no se emplean soportes fijos, sino que la tubería se coloca sobre anillos o se suspende por medio de cadenas o varillas. También se toman precauciones en todas las conducciones que operan a temperatura elevada, para permitir la expansión, de tal forma que las válvulas y accesorios no estén sometidos a tensiones. Esto se consigue por medio de curvas o en la tubería, por juntas de expansión con empaquetadura, fuelles, o juntas sin empaquetadura, y a veces, por medio de manguitos de metal flexible. Dispositivos para expansión.
En muchos procesos es necesario que una parte del equipo se mueva en relación a otra, sin que existan pérdidas excesivas de fluido en la pieza móvil. Esto ocurre, por ejemplo, en juntas de expansión con empaquetadura y en válvulas en las que el vástago ha de entrar en el cuerpo de la válvula y tener libertad de giro sin dejar salir al fluido. Ocurre también en el árbol de una bomba o compresor, que penetra en la carcasa o cuando el eje de un agitador atraviesa la pared de un tanque de presión, y en otros muchos casos. Los dispositivos más corrientes para disminuir las fugas, al mismo tiempo que permiten libertad de movimiento son, los prensaestopas y los cierres mecánicos. Ninguna de estas soluciones evita completamente las fugas. Si no puede tolerarse ninguna fuga, cualquiera que sea el fluido, es posible modificar el dispositivo de forma que se tenga la seguridad de que a los aparatos entran o salen fluidos inocuos. El movimiento de la pieza móvil puede ser de vaivén o rotatorio, o ambos a la vez; puede ser pequeño y accidental, como en una junta de expansión con empaquetadura, o prácticamente continuo, como ocurre en una bomba. Prevención de fugas en partes móviles.
prensaestopas. Un prensaestopas sirve de cierre a un árbol rotatorio o a un eje que se mueva longitudinalmente. En esto difiere de los cierres mecánicos, que sólo son útiles en partes rotatorias. La «caja» es una cámara estacionaria que rodea al eje o tubería, según se indica en la Figura Con frecuencia se hace un saliente en la carcasa o en la pared del tanque para dar una mayor profundidad en la cámara. El espacio anular que existe entre el eje y la pared de la cámara se llena con una empaquetadura que es de cuerda o anillos de un material inerte, como amianto y que además contiene un lubrificante, como grafito. Al comprimir la empaquetadura alrededor del eje, se evita que el fluido salga a través del prensaestopas, permitiendo al mismo tiempo que el gire o se mueva hacia
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OPERACIONES
UNITARIAS
EN
INGENIERIA
QUIMICA
Eje
seguidor
tanque
de l
tanque
Figura
8.1.
Cajas
prensaestopas:
(a)
Forma
sencilla. (b)
Con anillo de cierre hidráulico.
dentro y hacia fuera. La empaquetadura se comprime por medio de una guarnición, o casquillo prensaestopas, que comprime la caja mediante una arandela. El eje ha de tener una superficie lisa de forma que no arrastre la empaquetadura; aun así, la presión de la misma aumenta considerablemente la fuerza necesaria para mover el eje. Aunque una caja prensaestopas, aun en condiciones ideales, no evita completamente las fugas, de hecho, cuando se trabaja en condiciones adecuadas, las pérdidas son pequeñas. Por otra parte el desgaste de la empaquetadura y las pérdidas de energía en las cajas prensaestopas no das son grandes. Cuando el líquido es tóxico o corrosivo, es preciso evitar totalmente las fugas. Esto puede conseguirse mediante un ani l l o de ci err e hi drául i co, que se representa en la Figura 8.16; puede considerarse como dos cajas prensaestopas sobre el mismo eje, con dos empaquetaduras separadas por el anillo. El anillo tiene una sección transversal en forma de H, con orificios que atraviesan la parte central de la H en dirección perpendicular al eje. La pared de la cámara de la caja prensaestopas lleva un tubo que introduce o saca fluido del anillo de cierre. Haciendo vacío a ese tubo, todo fluido peligroso que pasa a través de una empaquetadura se extrae a un recinto de seguridad antes de que pueda llegar a la segunda empaquetadura. Se puede asegurar que no hay fugas peligrosas al exterior de la caja prensaestopas, haciendo circular un fluido inocuo, generalmente agua, a presión dentro del cierre hidráulico. Ci err es mecánicos. En un cierre rotatorio, o mecánico, el contacto deslizante tiene lugar entre un anillo de grafito y una cara pulimentada de un metal, generalmente acero al carbono. En la Figura 8.2 se representa un cierre típico. El anillo estacionario de grafito, que se mantiene en contacto con el collar rotatorio de metal, por medio de resortes, evita que el fluido en la zona de presión elevada salga alrededor del eje. En el espacio que existe entre el cuerpo de cierre y la
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stador de la empaquetadura de empaquetadura en U Zona de alta presión
del cierre
Collar rotatorio
Zona de baja presión
de presión
Figura 8.2. Cierre mecánico.
cámara que lo mantiene alrededor del eje, se coloca un anillo estacionario de goma o de plástico; éste evita las fugas de fluido a través de las partes del cierre que no giran, y permite que el anillo libre de grafito se mueva axialmente, de forma que pueda presionar fuertemente sobre el collar. Los cierres rotatorios requieren menos entretenimiento que las cajas prensaestopas y se utilizan ampliamente en equipos en los que se manejan fluidos muy corrosivos. Válvulas. En un proceso, se emplean un gran número de válvulas, de tamaños y formas muy diferentes. A pesar de la amplia variedad de diseños, todas tienen un fin principal que es común: disminuir o detener el flujo de un fluido. Algunas válvulas son del tipo «todo o nada», es decir, funcionan abriendo o cerrando totalmente, otras se diseñan de forma que pueden ser reguladas, reduciendo así la presión y la velocidad de flujo del fluido. Existen aun otras, que permiten el flujo solamente en una dirección, o en ciertas condiciones de temperatura y presión. Una trampa de vapor, que es una forma especial de válvula, permite el paso a través de ella de algunos fluidos, mientras que retiene a otros. Finalmente, por medio de ciertos dispositivos, pueden fabricarse válvulas para controlar la temperatura, presión, nivel de líquido otras propiedades de un fluido en un punto alejado de la válvula. No obstante, en todos los casos las válvulas inicialmente detienen o controlan el flujo. Esto se realiza colocando un obstáculo en la trayectoria del fluido, el cual puede moverse a voluntad dentro de la tubería, sin que prácticamente existan fugas del fluido hacia el exterior de la misma. Donde la resistencia al flujo que provoca una válvula abierta sea pequeña, el obstáculo y la abertura que ha de cerrarse han de ser grandes. Para el control preciso de la velocidad de flujo, lo cual se consigue a costa de una gran caída de presión, se reduce grandemente el área de la sección transversal de la conducción, de forma que pueda introducirse un pequeño obstáculo dentro de la sección reducida.
