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GUÍA DE DISEÑO PARA TRAZADO CON VAPOR FECHA
DIC. 09
OBJETO
z
Emisión Original
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ELABORÓ Iniciales
REVISÓ Iniciales
APROBÓ Iniciales/Cargo
VA
MJP/GP ABA/GP
MS/VPO SN/VPO
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GUÍA DE DISEÑO PARA TRAZADO CON VAPOR z
Índice Página
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 12.1. 12.2. 13. 13.1. 13.2. 13.3. 14. 15. 15.1. 15.2. 15.2.1. 15.2.2. 15.2.3. 15.2.4. 15.2.5. 15.2.6. 15.2.7. 16. 17. 18. 18.1. 18.2. 19.
INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 3 OBJETIVOS ........................................................................................................... 3 EXCEPCIONES/LIMITACIONES ........................................................................... 3 USO DE LOS CRITERIOS Y LA NORMATIVA ...................................................... 3 PROCEDIMIENTOS DE INELECTRA (INEDON) .................................................. 4 INSTRUCCIONES DE TRABAJO DE INELECTRA (INEDON) .............................. 4 MEMORIA DE CÁLCULO....................................................................................... 5 ACRÓNIMOS Y SIGLAS ........................................................................................ 5 LECCIONES APRENDIDAS................................................................................... 5 DEFINICIONES GENERALES ............................................................................... 6 NORMATIVA NACIONAL E INTERNACIONAL DE REFERENCIA ........................ 9 CONSIDERACIONES BÁSICAS DEL TRAZADO CON CALOR ............................ 9 Ventajas y Desventajas de los Tipos de Trazado de Calor .................................. 10 Aplicaciones del Trazado de Calor ....................................................................... 12 TRAZADO CON VAPOR ...................................................................................... 13 Tipos de Trazas con Vapor................................................................................... 13 Instalación del Trazado con Vapor en Tuberías ................................................... 15 Trazado con Vapor en Instrumentos .................................................................... 16 ASPECTOS A CONSIDERAR EN EL DISEÑO DE TRAZADO CON VAPOR ..... 16 METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE TRAZADO CON VAPOR ...................... 17 Identificación de Parámetros en el proceso requeridos para el Diseño ................ 17 Establecimiento de Parámetros de Diseño del sistema de trazado de vapor ....... 18 Presión del vapor empleado para el trazado ........................................................ 18 Materiales utilizados para las Trazas de Vapor .................................................... 18 Diámetro de las Trazas ( ) ................................................................................... 19 Selección del Tipo de Trazado con Vapor ............................................................ 20 Aislamiento Térmico ............................................................................................. 20 Longitud de la Traza ............................................................................................. 20 Número de Trazas ................................................................................................ 21 CÁLCULO DEL FLUJO DE VAPOR REQUERIDO .............................................. 24 DIMENSIONAMIENTO DEL CABEZAL DE VAPOR Y CONDENSADO .............. 25 TRAMPAS DE VAPOR ......................................................................................... 26 Selección y Dimensionamiento............................................................................. 26 Detalles típicos para los DTI ................................................................................. 27 REFERENCIAS .................................................................................................... 27
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1.
INTRODUCCIÓN El aumento de la viscosidad o posible congelamiento de un fluido por descenso de la temperatura a la cual se transporta, y la posible condensación de algún gas o la solidificación de un producto por bloqueo de la línea o parada de planta, son algunas de las razones por las que se decide utilizar el trazado con vapor a fin de mantener la temperatura del fluido en su nivel óptimo. La especificación técnica de sistema de trazado con vapor es elaborada por la Disciplina de Diseño Mecánico. Sin embargo, el personal de la Disciplina de Procesos requiere estar familiarizado con los criterios y estándares de diseño usados en inelectra en cuanto al sistema de trazado con vapor, pues es responsable de dimensionar los cabezales asociados (suministro de vapor y recolección de condensado), así como calcular el vapor requerido por el sistema para ser tomado en cuenta en el sumario de servicios.
2.
OBJETIVOS Esta guía de diseño tiene como propósito cubrir los siguientes aspectos: Proveer información sobre las principales aplicaciones del trazado con vapor en la industria, así como de los tipos de trampas de vapor aplicables. Establecer una serie de pasos que guíen al usuario en el diseño de sistemas de trazado con vapor.
3.
EXCEPCIONES/LIMITACIONES Este INEDON no incluye información sobre los trazados (o acompañamientos) de calentamiento para equipos de proceso.
4.
USO DE LOS CRITERIOS Y LA NORMATIVA I.
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.
II.
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 al Cliente o ente gubernamental
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GUÍA DE DISEÑO PARA TRAZADO CON VAPOR z correspondiente, la normativa local usada en el país donde se construye la instalación.
5.
PROCEDIMIENTOS DE inelectra (INEDON) Procedimientos relacionados con este INEDON: Ingeniería (HM010) 903-HM010-A90-TEC-003
Equivalencia de Términos entre Centros de Ejecución
903-P3000-A20-ADM-917
Procedimiento para la Identificación, Registro y Aplicación de Lecciones Aprendidas
Gestión de la Calidad (HM060) 903-HM060-G09-ADM-901
Elaboración y Actualización de INEDONES
Procesos (HM120) 903-P3100-P09-ADM-901 6.
Bases de Diseño
INSTRUCCIONES DE TRABAJO DE inelectra (INEDON) Instrucciones de trabajo relacionadas con este INEDON: Procesos (HM120) 903-HM120-P09-GUD-013 Bases y Criterios de Diseño 903-HM120-P09-GUD-025 Guía para la Elaboración de los Diagramas de Tuberías Instrumentación 903-HM120-P09-GUD-052 Guía para la Elaboración de la Memoria de Cálculo
Diseño Mecánico (HM140) 903-P3060-T11-ESP-022
Especificación Técnica de Aislamiento
903-P3060-T11-ESP-023
Especificación Técnica de Trazado de Vapor
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903-P3060-T11-GUD-071
Instructivo para Diseño de Trazado de Vapor
Las instrucciones de trabajo están 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. 7.
MEMORIA DE CÁLCULO La memoria de cálculo para el diseño de trazado con vapor es realizada según la Guía para la Elaboración de la Memoria de Cálculo 903-HM120-P09-GUD052.
8.
ACRÓNIMOS Y SIGLAS Español
9.
Inglés
API
American Petroleum Institute
ASTM
American Society for Testing of Materials
CTC
Compuestos de Transferencia de Calor
DTI
Diagrama de Tuberías (Cañerías) e Instrumentación
Piping and Instrumentation Diagram, P&ID
HdD
Hoja de Datos
Data Sheet
INEDON
inelectra Documento Normalizado
IPC
Ingeniería Procura y Construcción
PDVSA
Petróleos de Venezuela S.A
Engineering Procurement & Construction, EPC
LECCIONES APRENDIDAS 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.
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El INEDON “Procedimiento para la Identificación, Registro y Aplicación de Lecciones Aprendidas”, N° 903P3000-A20-ADM-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 Aislamiento Térmico (Thermal Insulation) Material usado para evitar la pérdida o ganancia de calor desde una línea, equipo o instrumento hacia o desde un medio circundante. La Figura 1 muestra un ejemplo de aislamiento con poliuretano en una línea de transporte. Carcasa de Polietileno de alta densidad HDPE Espuma de Poliuretano
Pared de la línea
Figura 1. Aislamiento con espuma de Poliuretano Cabezal (Línea de Distribución) de Vapor (Steam Header) Línea principal que suministra vapor a todos los consumidores en un área incluyendo los circuitos de trazado con vapor. Condensado (Condensate) Es el agua formada en la traza de vapor cuando éste cede calor latente a la tubería calentada o equipo. El condensado es usualmente retornado a la caldera para reconvertirse nuevamente en vapor.
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Cabezal (Colector) de Condensado (Condensate Header) Línea principal que recolecta el condensado desde los consumidores de vapor hasta un almacenaje (o hasta un sumidero cuando es permitido) para ser bombeado al sistema de calderas. Compuesto de Transferencia de Calor (Heat Transfer Compound) Material conductor de calor con alta eficiencia térmica que maximiza la transferencia de calor y reduce el número de trazas a utilizar en determinada línea. Pérdida de Calor (Heat loss) Es la tasa con la que fluye el calor desde una superficie caliente, como una tubería de proceso, hasta una atmósfera más fría, usualmente expresada en unidades de energía por unidad de longitud, ejemplo W/m o BTU/(h·ft) de tubería. Generalmente, la pérdida de calor es desde la tubería, a través del aislante hasta la atmósfera que se encuentra a menor temperatura. Punto de Fluidez (Pour Point) La temperatura más baja a la que un aceite o un combustible pueden fluir, cuando son enfriados bajo condiciones establecidas por el método de prueba (ASTM D 97) [14]. Temperatura Ambiente (Ambient Temperature) Temperatura del aire en la atmósfera circundante. Temperatura mínima deseada (Process Maintenance Temperature) Nivel de temperatura que se requiere mantener en equipos o tuberías de procesos para resguardar el fluido de solidificación, cristalización, condensación, separación o que se vuelva muy viscoso para ser bombeado. El término es con frecuencia utilizado para referirse a cualquier tipo de tubería trazada, bien sea de proceso o de servicio.
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Línea de Proceso (Process Line, Pipe) La palabra “línea” se utiliza para los tubos, las tuberías, cañerías, los caños y ductos: conducto de forma cilíndrica por donde se transportan los fluidos de procesos (hidrocarburos, productos petroquímicos, etc.) o de servicios (agua, aire, gas combustible, gas inerte, etc.). Trampa de Vapor (Steam Trap) Accesorio o tipo de válvula automática usada para descargar condensado (de agua) y gases incondensables ( Figura 2 ) ; pero permitiendo el paso de vapor sensible. Existen varios tipos en base al método usado para permitir el paso de vapor: A).Termostática: opera con una respuesta de la temperatura del vapor. B) Mecánica: usa la diferencia de densidad entre el vapor y el condensado. C) Termodinámica: usa la dinámica del agua y el vapor. DTI
T
Termostática
Mecánica
Termodinámica
Figura 2. Trampas de Vapor (Spirax Sarco) y Representación en el DTI Tubing Tubería flexible utilizada generalmente para flujos pequeños hacia medidores, válvulas y/o analizadores. Vapor saturado (Saturated Vapor) Vapor a punto de rocío, a una temperatura y su correspondiente presión.
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Protección al congelamiento (Winterization) Es la preparación de la tubería y equipos de proceso para operar en invierno, es decir, con bajas temperaturas, altas velocidades de viento, nieve y granizo. 11.
NORMATIVA NACIONAL E INTERNACIONAL DE REFERENCIA El Cuadro 1 muestra un resumen de la normativa nacional e internacional de referencia para profundizar en la teoría descrita en este INEDON. La normativa API y PDVSA está disponible en el sistema de normas internacionales de inelectra. Cuadro 1. Resumen de la Normativa Nacional e Internacional Ente emisor
Norma API RP 551 HD-201-R
12.
Título Process Measurement Instrumentation Steam Tracing Piping Requirements
Ref. en este INEDON [3] [10]
CONSIDERACIONES BÁSICAS DEL TRAZADO CON CALOR Este documento abarca la informacion básica para el Ingeniero de Procesos sobre el trazado con vapor. No se profundiza sobre otros tipos de trazado ( eléctrico , otros fluidos de calentamiento). Muchos procesos industriales requieren el almacenaje y transferencia de fluidos a través de tuberías y equipos. A menudo, estos fluidos (líquidos, gases, vapores, suspensiones o lodos) tienen características inherentes a la temperatura de operación, por lo que pueden llegar a congelarse, volverse más viscosos o condensar, si su temperatura alcanza la temperatura ambiente. Para prevenir estos problemas, que usualmente ocurren en períodos de parada, se requiere calor adicional para el proceso así como añadir aislamiento a las tuberías y equipos para evitar la pérdida de ese calor hacia el ambiente. El Trazado, o Acompañamiento de Calor (Heat Tracing), es un método usado para mantener o aumentar la temperatura de un fluido dentro de un equipo, línea o instrumento por medio de la aplicación de un líquido caliente, vapor de agua, o electricidad, a través de tubos llamados trazas [1].
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Los métodos de trazado más comunes son: A) Trazado o acompañamiento con vapor (steam tracing): una o varias líneas de diámetro pequeño, que transportan vapor de agua sobrecalentado, son instaladas y unidas de manera paralela a la superficie del elemento que requiere calentamiento (véase Figura 3). B) Trazado o acompañamiento eléctrico (electrical tracing): cables eléctricos son instalados y unidos de manera paralela a la superficie del elemento que requiere calentamiento (véase Figura 3).
Ejemplo de instalación
Traza para vapor de agua
Traza eléctrica
Traza
Tyco / Thermal Controls
Aislamiento Traza comercial con tubo térmico de aluminio y aislamiento térmico (unitemp®)
Cables para trazado eléctrico (unitemp®)
Figura 3. Elementos del Trazado o Acompañamiento de Calor 12.1.
Ventajas y Desventajas de los Tipos de Trazado de Calor Hay aplicaciones donde un método puede mostrar ventajas sobre otro, pero hoy en día el Trazado con Vapor continúa siendo el método más usado para el trazado de calor en las plantas industriales alrededor del mundo. Para 1960, más del 95% de las industrias utilizaban el vapor como medio de calentamiento en el sistema de trazado. Hacia 1995, avances en la tecnología para el calentamiento con sistemas eléctricos incrementaron el porcentaje de uso de esta tecnología hasta un 30 % a 40% [1] [2]. Otros fluidos distintos al vapor también son utilizados, pero sólo representan menos del 5% de los sistemas. Como ejemplo se pueden citar: fluidos aromáticos para temperaturas de calentamiento entre 320 º C a 400 ºC (608 ºF
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GUÍA DE DISEÑO PARA TRAZADO CON VAPOR z a 752 ºF), hidrocarburos o aceites minerales utilizados hasta temperaturas de [15] 321 ºC (610 ºF) .
El Cuadro 2 presenta la comparación entre características de cada uno de los métodos de Trazado de Calor. Cuadro 2. Trazado con Vapor vs. Trazado Eléctrico [2] Característica
Calor transferido al sistema
Confiabilidad que genera para el proceso
Seguridad
Confianza en la operación
Costos de instalación y operación
Uso eficiente de la energía
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Trazado con Vapor Es capaz de proveer mucho calor al sistema, incluso si hay algún daño en el sistema de aislamiento, debido a las altas temperaturas a las que se encuentra el vapor. Son altamente confiables ya que aunque pueda haber una falla en el sistema de trazado con vapor, esto difícilmente acarreará problemas en el suministro de calor al sistema. Aunque el vapor puede producir quemaduras, existen menos preocupaciones en cuanto a seguridad que con el trazado eléctrico. El trazado con vapor ha sido de uso común durante muchos años por lo que los operadores están familiarizados con él. La instalación de toda la red de tuberías necesaria para un sistema de trazado con vapor (incluyendo el trazado y el sistema de recolección de condensados), suele ser entre 50% y 150% más costosa que la instalación para el trazado eléctrico. La energía total que el sistema de trazado con vapor emite suele ser veinte (20) veces mayor a la requerida para mantener la temperatura 11 de 29
Trazado Eléctrico Es vulnerable a daños en el sistema de aislamiento por lo que se suele añadir un factor de seguridad en el diseño entre un 10% y 20% más en las pérdidas de calor. Desde la introducción de calentadores autoreguladores en 1971, el calentamiento eléctrico ha generado una mayor confianza en los usuarios. El uso de calentadores autoreguladores ha eliminado muchas preocupaciones en cuanto a seguridad de este tipo de sistemas. Debido a la poca confianza que generaba el sistema de trazado eléctrico, muchos operadores hoy en día prefieren no utilizarlo. El sistema de trazado eléctrico es menos costoso en operarlo e instalarlo que el sistema de trazado con vapor. Sin embargo, existen ciertas aplicaciones para las que los costos pueden ser los mismos o hasta llegar a invertirse. El trazado eléctrico es capaz de suministrar de manera precisa la cantidad de energía necesaria para cada aplicación. INEDON
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GUÍA DE DISEÑO PARA TRAZADO CON VAPOR Característica
Control de temperatura
Requerimientos para el diseño
12.2.
z Vapor Trazado con Trazado Eléctrico del proceso deseada. No suele tener la capacidad Ya sea con controles para mantener un buen electrónicos o termostáticos, control de la temperatura. en este tipo de sistemas se puede obtener un control de temperatura bastante preciso. Cierto nivel de experiencia Mayor nivel de experiencia necesario para el diseño de necesario para el diseño de estos sistemas. estos sistemas.
Aplicaciones del Trazado de Calor Las aplicaciones del trazado de calor en los procesos suelen estar relacionadas con tres (3) grandes áreas: la protección del sistema por temperaturas invernales, garantizar la calidad del producto y facilidad en el transporte. Como se explicó anteriormente, hoy en día generalmente se utiliza el vapor como medio de calentamiento, por lo que a continuación se nombran casos operacionales específicos donde se utiliza el Trazado con Vapor y se especifica en qué casos también se suele utilizar el Trazado Eléctrico [3] [4] [5]: Líneas con flujo intermitente o cuando no es práctico el drenaje o movilización del fluido de proceso durante una parada de planta, en los casos en que el punto de fluidez del fluido sea mayor que la mínima temperatura ambiental que se espera pueda ocurrir en un período de tiempo considerable. Bombas con sus respectivas líneas de succión, donde si aumenta considerablemente la viscosidad del fluido, pueden ocurrir daños al equipo. En estos casos también puede resultar práctico mantener el fluido en circulación durante una operación intermitente o realizar un drenaje o desplazamiento del fluido durante una parada de planta. Instrumentos que operan bajo límites específicos de temperatura impuestos por el fabricante para asegurar una adecuada operación. Líneas que transportan gas y éste posee un punto de rocío por encima de la temperatura ambiente, ocasionando la condensación del mismo. Por ejemplo: gas combustible en refinerías donde el líquido condensado causa problemas en los quemadores de gas, líneas de succión de los compresores o líneas que transportan una mezcla de vapor de agua (causa corrosión si condensa) y H2S.
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GUÍA DE DISEÑO PARA TRAZADO CON VAPOR z Sustancias sensibles a la temperatura que deben mantenerse a una temperatura específica sin llegar al sobrecalentamiento, entre ellos tenemos: ácidos, aminas, cáusticos, aguas fenólicas, glicerina y otros. Generalmente para estos servicios se utiliza el Trazado Eléctrico ya que con él se puede tener un mejor control de la temperatura.
Fluidos típicos con puntos de fluidez superiores a los 0°C y que, dependiendo de la temperatura ambiente, requieren trazado de vapor son: asfalto, soda cáustica a ciertas concentraciones, naftaleno, p-xileno, aceites viscosos, estireno, azufre, alquitrán, fenol, urea, propileno, nitrato de amonio, fuel oil, materiales poliméricos y otros. Líneas, instrumentos o equipos que manejen fluidos los cuales puedan formar hidratos y solidificar cuando son expuestos a temperaturas muy frías (durante épocas invernales). Esto es denominado “protección por congelamiento” o “winterization”. Fluidos que pueden producir este fenómeno son: agua, hidrocarburos que contengan agua y otras soluciones acuosas. Bajo ciertas condiciones donde el vapor utilizado se encuentra a bajas presiones, puede ser recomendable utilizar Trazado Eléctrico. 13.
TRAZADO CON VAPOR Un sistema de Trazado con Vapor (además de las líneas como tal del trazado) consiste en las líneas que van a transportar el vapor desde el cabezal de vapor existente, la línea trazada, una trampa de vapor para remover los condensados y el sistema que recolecta todos esos condensados como se muestra en la Figura 4 [3].
13.1.
Tipos de Trazas con Vapor Se distinguen dos modalidades [1] [6] [7]: A) Trazas sin compuesto de transferencia de calor: Tubing metálico convencional sin el aditamento de un material conductor. Este tipo de trazas se podría subdividir en dos categorías: Traza de Convección (Figura 5): Es el tubing tradicional fijo a la tubería de procesos, ambos recubiertos por un material aislante para impedir que el calor se pierda al ambiente y como medida de protección personal contra quemaduras.
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Figura 4. Ejemplo de Sistema de Trazado con Vapor [2]. Traza Aislada (Figura 5): Es la misma traza de convección pero el tubing tradicional está cubierto con una aleación de materiales de baja conductividad térmica, para reducir el flujo de calor del vapor hacia la tubería de procesos. Este tipo de trazas busca poder hacer uso del trazado con vapor para los casos donde se manejen productos sensibles a la temperatura, ya que asegura la distribución uniforme del calor a lo largo de la tubería evitando puntos calientes y sobrecalentamiento. B) Trazas con compuesto de transferencia de calor (CTC) o cementadas (Figura 5): Estas trazas tienen también la misma configuración de las trazas de convección, pero en este caso el tubing convencional está recubierto de un material conductor (grafito mezclado con silicato de sodio u otro aglutinante) que mejora la transferencia de calor entre la traza y la tubería de proceso al aumentar el área de contacto.
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Figura 5. Tipos de Trazas con Vapor [6]. 13.2.
Instalación del Trazado con Vapor en Tuberías El vapor generalmente fluirá paralelo a la línea de producto, pero tratando de que el vapor entre desde la terminación más alta para permitir al condensado drenar fácilmente hacia el punto más bajo [8].
Figura 6. Arreglos para el Trazado con Vapor [8] Cuando sólo hay una línea para el trazado, o una traza, se considera preferible colocarla en la parte de abajo de la línea de procesos ( Figura 6 ). En caso de que haya dos (2) o tres (3) trazas se recomienda colocarlas a 30° y 45°, respectivamente. Esto aplica para tuberías horizontales. En tuberías verticales se suelen espaciar uniformemente las líneas de trazado con vapor como se observa en la Figura 7 [8].
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. Figura 7 . Arreglos para el Trazado múltiple con Vapor [8] 13.3.
Trazado con Vapor en Instrumentos El Trazado con Vapor en instrumentos suele hacerse con tubing de ⅜” el cual puede ser una ramificación del arreglo que protege a la tubería de procesos (suele ser de ½”) como se observa en la Figura 8. Es importante tener en cuenta que el arreglo que protege al instrumento debe tener su trampa de vapor aparte a la del arreglo de la tubería de procesos [8].
Figura 8. Arreglos para el Trazado con Vapor en instrumentos [8] 14.
ASPECTOS A CONSIDERAR EN EL DISEÑO DE TRAZADO CON VAPOR El diseño de un sistema de trazado con vapor viene dado por seis factores básicos de los cuales 3 son fijos y los otros 3 son variables [4] [6].
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GUÍA DE DISEÑO PARA TRAZADO CON VAPOR z Los factores fijos son: características de la tubería de proceso (diámetro nominal y material), temperatura mínima deseada del fluido de proceso, temperatura ambiental.
Los factores variables son: Características de líneas de trazado (material, tamaño y número), presión del vapor, características del aislamiento (tipo y espesor). 15.
METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE TRAZADO CON VAPOR La especificación técnica del sistema de trazado con vapor es elaborada por la Disciplina de Diseño Mecánico. La siguiente metodología es presentada a manera informativa, con el objeto de que el Ingeniero de Procesos esté familiarizado con el método y pueda calcular el vapor requerido por el sistema y dimensionar los cabezales asociados (suministro de vapor y recolección de condensado) en un momento dado. Para mantener la temperatura en una línea aislada, el calor que entra al sistema, debe ser igual al calor que sale del mismo a través del aislamiento. Un sistema de trazado con vapor eficiente es aquel cuyo flujo de calor se acerque más a la pérdida de calor calculada en la tubería [1]. El diseño del sistema de trazado con vapor se puede realizar con cálculos rigurosos de pérdidas por convección y conducción en la línea de procesos. Estos cálculos resultan algo complejos al tratar de determinar las áreas de transferencia de calor, así como los coeficientes de calor convectivo a utilizar. En la literatura se encuentran tablas para el diseño de sistema de trazado con vapor las cuales aplicadas secuencial y ordenadamente, permiten seleccionar o especificar el sistema de trazado que mejor se adapte a las necesidades del proceso. A continuación se muestra la metodología que implica la utilización de las tablas de diseño.
15.1.
Identificación de Parámetros en el proceso requeridos para el Diseño La información requerida del proceso para comenzar el diseño, es la que se lista a continuación y estos representan los factores fijos del sistema en el diseño del sistema de trazado con vapor [6]: Diámetro y longitud de la tubería de proceso
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GUÍA DE DISEÑO PARA TRAZADO CON VAPOR z Material de construcción de la línea Condiciones ambientales (mínima temperatura ambiente y velocidad del viento) Temperatura deseada (temperatura mínima necesaria para que el sistema opere adecuadamente).
15.2.
Establecimiento de Parámetros de Diseño del sistema de trazado de vapor Estos parámetros son los factores variables en el diseño y se deben elegir y acoplar con el fin de obtener al menos la temperatura mínima deseada en la línea de proceso. A continuación se presentan ciertas guías para establecer de manera rápida y efectiva cada uno de los parámetros relacionados al sistema de trazado con vapor.
15.2.1. Presión del vapor empleado para el trazado La presión del vapor que se utiliza para el trazado debe estar de acuerdo a la temperatura que se debe mantener en el sistema, es decir, seleccionar un nivel de vapor existente, cuya temperatura de saturación sea mayor que la temperatura mínima deseada en el proceso. En términos generales, para casos de protección por congelamiento utilizando trazado con vapor, una presión de 3.5 barg (50 psig) suele ser suficiente. Mientras que para los casos en los que se requiere calentar el fluido por posible solidificación, probablemente se requiera una presión mayor [8]. Hay que tener en cuenta que la presión del vapor seleccionada debe ser suficiente para que el vapor logre llegar a la trampa o elevarse en las tuberías verticales sin perder su capacidad de calentamiento [4]. También es importante considerar para los casos en los que el trazado es por protección de congelamiento, que en ambientes con temperaturas por debajo de los -6.67 ºC (20°F) es más recomendable utilizar el Trazado Eléctrico como medio de calentamiento [4]. 15.2.2. Materiales utilizados para las Trazas de Vapor La siguiente sección es un extracto tomado del INEDON “Especificación Técnica de Trazado de Vapor”, 903-P3060-T11-ESP-023 donde se dan las especificaciones de materiales y tuberías empleados por inelectra para calentamiento con trazas de vapor. Para procesos donde no sean aplicables 903-HM120-P09-GUD-084/18/12/2009/va/URB
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GUÍA DE DISEÑO PARA TRAZADO CON VAPOR z ninguno de estos particulares, se recomienda consultar con un especialista [9] .
[4]
A) Tubing de cobre. ASTM B68 [16] ó ASTM B75[17] Número 122, con recocido suave y sin costuras, para ser usado de acuerdo a las siguientes recomendaciones: Para Temperaturas del vapor menores a 200°C (392°F). Cuando no hay amoniaco presente en el vapor. Cuando no hay posibilidad de contacto con azufre. Cuando el fluido que transporta la línea no ataca al cobre. Se recomienda usar como primera opción tubing de cobre para las líneas de trazado de vapor, debido a su alto coeficiente de transferencia de calor y bajo costo, tomando en cuenta todas las recomendaciones dadas para este material. B) Tubing de Acero Inoxidable. ASTM A269 TP304 [18] ó ASTM A213 TP304 [19] , el cual debe ser cocido con una dureza Rockwell máxima RB80 y sin costura, para ser usado de acuerdo a las siguientes recomendaciones: Para Temperaturas mayores a 200°C (392°F). Cuando hay presencia de CO2 y SO2 en el vapor Para equipos o líneas de aluminio o acero inoxidable. C) Tubo de Acero al Carbono. ASTM A106 [20], para ser usado de acuerdo a las siguientes recomendaciones: Para temperaturas mayores a 200°C (392°F). En presencia de amoníaco. El acero al carbono sólo es conveniente cuando sea la única solución posible al trazado con vapor, ya que en los períodos de parada de planta, la combinación de aire y humedad en los trazadores ocasiona un rápido desgaste [4]. 15.2.3. Diámetro de las Trazas ( ) El diámetro de las Trazas se puede estimar desde ⅜”, ½”, ¾” ó 1”, inclusive mayores. Para obtener una mejor distribución del calor, se suelen diseñar todos los tubing para el trazado en líneas de procesos en ½”, mientras que para el caso de instrumentos y accesorios se suele utilizar tubing de ⅜” [9].
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15.2.4. Selección del Tipo de Trazado con Vapor Para mejorar la transferencia de calor del tubing con vapor hacia la tubería de proceso, se puede utilizar el trazado cementado explicado en la sección 13.1 de este documento. Sin embargo, habrá casos en los que esto no es necesario. El Cuadro 3 permite una selección preliminar del tipo de trazado más adecuado de acuerdo a la temperatura de proceso que se quiere mantener. Una apropiada selección, evita el riesgo de sobrecalentamiento y propicia la conservación de la energía. Cuadro 3. Temperatura del Proceso vs. Tipo de Trazado [6] Rango de temperatura del proceso
Tipo de trazado
10°C – 38°C (50 °F – 100°F)
Aislada
39°C – 65°C (101°F – 150°F)
Aislada / Convección
66°C – 93°C (151°F – 200°F)
Convección / Cementada
94°C – 149°C (201°F - 300°F)
Cementada
150°C – 204°C (301°F - 400°F)
15.2.5. Aislamiento Térmico El material y la instalación del aislante se regirán principalmente por la especificación o requerimiento que tenga el cliente. En su defecto se puede utilizar el INEDON “Especificación Técnica de Aislamiento”, 903-P3060-T11ESP-022. Las tablas 1 y 2 del Anexo 1 de dicho INEDON muestran los espesores de aislamiento (lana mineral) en función del diámetro de la tubería y la temperatura de operación. 15.2.6. Longitud de la Traza Se considera como la longitud de la traza, la distancia máxima entre la válvula de bloqueo de la traza y la trampa de vapor [11].
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GUÍA DE DISEÑO PARA TRAZADO CON VAPOR z El Cuadro 4 muestra la longitud de la traza para tubing de ½” y de ⅜”, descargas de trampa abierta, tramos de tubería horizontal y espesor de aislamiento entre 1” y 1½”. Las longitudes listadas coinciden con las mostradas en el INEDON “Especificación Técnica de Trazado de Vapor”, 903-P3060-T11ESP-023.
Para tramos de tubería vertical consultar el INEDON “Especificación Técnica de Trazado de Vapor”, 903-P3060-T11-ESP-023. En procesos donde no sean aplicables ninguno de los particulares mencionados hasta ahora, se recomienda consultar con un especialista. Cuadro 4. Longitud de la traza para diámetros ( de ½” y ⅜” para distintas presiones del vapor [10] P del vapor, barg (psig)
3,5 (50)
7 10 14 17 21 (100) (150) (200) (250) (300)
Long. Traza =½”, m (ft)
38 46 53 61 69 76 (125) (150) (175) (200) (225) (250)
Long. Traza =⅜”, m (ft)
29 (95)
35 38 46 52 57 (115) (125) (150) (170) (187)
15.2.7. Número de Trazas La cantidad de líneas de trazado de vapor a instalar depende principalmente del diámetro de la tubería de procesos, del diámetro de la traza, si es cementada o no, de la presión del vapor, del tipo y espesor del aislamiento, de la temperatura ambiental y de la temperatura que se quiere mantener en la tubería de procesos. El INEDON “Especificación Técnica de Trazado de Vapor”, 903-P3060-T11ESP-023, muestra los criterios empleados por inelectra para seleccionar el número de trazas de vapor requeridas. Dicho INEDON está basado en tablas que muestran el número de trazas en función del diámetro de la línea, la temperatura mínima deseada y la presión del vapor del sistema de trazado. La siguiente sección muestra un método sencillo para determinar la cantidad de líneas de trazado. Este método no pretende sustituir los criterios presentados en el INEDON de la Disciplina de Diseño Mecánico. Se recomienda sólo para corroborar el cálculo de Diseño Mecánico y estimar el consumo de vapor del sistema de trazado.
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El Cuadro 5 muestra las pérdidas de calor que experimenta una línea de procesos hacia el ambiente (Q) en W/m, de acuerdo a su diámetro, espesor de aislamiento, y la temperatura mínima deseada. Este cuadro permite interpolaciones lineales para obtener valores a distintas temperaturas de las mostradas. El Q obtenido sería el calor que el sistema de Trazado Vapor debe suplir para poder asegurar que la temperatura del proceso se mantenga en un valor o rango específico. Cuadro 5. Pérdidas de calor típicas en tuberías con aislamiento [W/m] con velocidad del viento de 10 m/s [12] Diámetro Tubería de Procesos 4" 6” 8” 10”
12” 16” 20”
Espesor Aislamiento
Diferencia entre temperatura ambiental y la requerida en el proceso (°C) 25
75
100
125
150
175
200
2”
14
43
58
71
86
100
115
4”
9
26
36
45
54
62
71
2”
20
59
77
97
116
136
155
4”
12
35
46
58
69
81
92
2”
24
72
97
120
144
168
192
4”
14
41
55
70
84
98
112
2”
29
87
116
145
174
202
231
4”
16
49
66
82
99
115
131
2”
33
101
135
168
201
235
268
4”
18
56
75
94
113
131
151
2”
41
123
164
206
246
288
329
4”
23
68
91
113
136
158
181
2”
51
151
201
252
301
352
403
4”
28
82
109
136
163
191
217
En el Cuadro 6 y Cuadro 7 se muestra el calor en W/m (q) que emite un tubing de cobre o acero inoxidable en función de la presión de vapor seleccionada, la temperatura mínima deseada, y el diámetro de la traza.
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Dividiendo la pérdida de calor del proceso al ambiente entre el calor que proporciona la línea del trazado con vapor, obtenidos de los cuadros anteriores, se puede obtener un aproximado de la cantidad de líneas de trazado de 15 mm o 20 mm (½” o ¾”) necesarias para mantener la temperatura en el proceso.
Ec. 1 Donde: N
número de líneas de trazado con vapor
Q
pérdida de calor del proceso al ambiente, W/m (BTU/ft))
q
calor emitido por las líneas de trazado, W/m (BTU/ft)
Cuadro 6. Calor emitido por líneas de Trazado con Vapor, material Cobre [W/m] [12] Material tubing Presión del vapor, barg (psig)
Temperatura del proceso (°C)
Diámetro línea de trazado, mm (in)
Cobre 3 (43,5)
5 (72,5)
7 (101,5)
9 (130,5)
15 (1/2)
20 (3/4)
15 (1/2)
20 (3/4)
15 (1/2)
20 (3/4)
15 (1/2)
20 (3/4)
10
80
107
89
119
96
129
102
135
25
71
95
80
107
87
117
93
123
50
56
75
65
87
72
97
78
104
75
41
55
50
67
57
77
63
84
100
26
35
35
47
42
56
48
64
125
11
15
20
27
27
36
33
44
5
7
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GUÍA DE DISEÑO PARA TRAZADO CON VAPOR z de Trazado con Vapor material Acero Cuadro 7. Calor emitido por líneas Inoxidable [W/m] [12]
Material tubing
Acero Inoxidable
Presión del vapor, barg (psig)
Temperatura del proceso (°C)
Diámetro línea de trazado, mm (in)
16.
3 (43,5)
5 (72,5)
7 (101,5)
9 (130,5)
15 (½)
20 (¾)
15 (½)
20 (¾)
15 (½)
20 (¾)
15 (½)
20 (¾)
10
113
145
125
161
135
174
143
184
25
100
128
113
145
38
157
130
168
50
79
101
92
118
101
130
109
141
75
58
74
71
91
80
103
88
114
100
37
47
50
64
59
76
67
86
125
16
20
29
37
38
49
46
59
150
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-
8
10
17
22
25
32
CÁLCULO DEL FLUJO DE VAPOR REQUERIDO Mediante la siguiente fórmula se obtiene un estimado del flujo de vapor necesario para el trazado con vapor de una línea de procesos. Sistema SI:
Ec. 2 Sistema USC: Ec. 3 Donde: m
flujo de vapor requerido, kg/h (lb/h).
Q
pérdida de calor del proceso al ambiente, tomado del Cuadro 5, W/m (BTU/ft.s).
L
longitud de la tubería del producto a calentar, m (ft).
hfg
entalpía de evaporación a la presión de operación del vapor, kJ/kg (BTU/lb).
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Si todas las líneas que requieren trazado utilizan vapor del mismo nivel de presión, el flujo de vapor total requerido por el sistema de trazado es la suma de los flujos de vapor calculados para cada línea de acuerdo a la Ec. 2. En caso de que se utilicen dos o más niveles de presión, cada consumo es la suma de los flujos de vapor de las líneas que correspondan. El flujo de condensando total, generado por el sistema, es igual al flujo de vapor total. 17.
DIMENSIONAMIENTO DEL CABEZAL DE VAPOR Y CONDENSADO Las líneas para el trazado de vapor nacen en un subcabezal el cual se puede dimensionar de manera preliminar utilizando el Cuadro 8, según el número de líneas de trazado que salen de él. Véase Figura 4 . Cuadro 8. Dimensiones recomendadas para el cabezal del vapor utilizado en el sistema de trazado de vapor [6] Tamaño Cabezal (in) ¾ 1 1½ 2
Número de trazadores ⅜”
½”
3 4a8 9 a 24 25 a 48
2 3a5 6 a 15 16 a 30
De la misma forma, existe un subcabezal para recoger los condensados que se forman a lo largo del recorrido del vapor, cuyo dimensionamiento preliminar se puede hacer con el Cuadro 9. Véase Figura 4. Cuadro 9. Dimensiones recomendadas para el cabezal del condensado producido en el sistema de trazado de vapor [6] Tamaño Cabezal (in) 1 1½ 2
Número de trazadores ⅜” ½” hasta 8 hasta 5 9 a 16 6 a 10 17 a 40
11 a 25
Para verificar y/o realizar el dimensionamiento de los subcabezales y cabezales de distribución de vapor y recolección de condensado del sistema de trazado
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GUÍA DE DISEÑO PARA TRAZADO CON VAPOR z con vapor, utilizar los criterios de velocidad dados en el Anexo 1 del INEDON “Bases y Criterios de Diseño” N° 903-HM120-P09-GUD-013.
18.
TRAMPAS DE VAPOR Son válvulas automáticas que han sido diseñadas para desalojar el condensado y el aire de los sistemas de manejo de vapor [11]. En la Figura 9 se muestra esquemáticamente el empleo de estos dispositivos en los sistemas de trazado con vapor.
18.1.
Selección y Dimensionamiento La experiencia ha demostrado que la mayoría de las trampas de vapor existentes pueden satisfacer los requerimientos de una gran variedad de aplicaciones, sin embargo para obtener el máximo rendimiento posible, es necesario seleccionar el tipo de trampa que mejor se adapte a las condiciones del sistema donde será instalada.
Figura 9. Trampas de vapor en circuitos con trazado de calentamiento [11] El Cuadro 10 ofrece las principales características de operación de las trampas de vapor. Para una mayor descripción de las mismas se sugiere revisar la referencia [11].
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GUÍA DE DISEÑO PARA TRAZADO CON VAPOR z La especificación técnica de las trampas de vapor la realiza la Disciplina de Diseño Mecánico. Consultar el INEDON “Especificación Técnica de Trazado de Vapor”, N° 903-P3060-T11-ESP-023, si se desea obtener información detallada sobre el tema.
Cuadro 10. Características de Operación de las Trampas de Vapor [9] Características
Bimetálica
Intermitente
Continua
Continua
Sub-enfriamiento
316°C
Hasta 55°C
Venteo del aire
Bueno Inmediata
Operación
Velocidad de respuesta
18.2.
Tipo de Trampa Expansión Balde Líquida Invertido
Presión Balanceada
Flotador
Termodinámica
Intermitente
Intermitente
Intermitente
16-20°C
0°C
0°C
0°C
Bueno
Bueno
Malo
Bueno
Malo
Lenta
Lenta
Buena
Buena
Inmediata
Detalles típicos para los DTI La representación de las Trampas de Vapor en los Diagramas de Tubería e Instrumentación se debe realizar según lo especificado en la Guía para la Elaboración de los Diagramas de Tuberías e Instrumentación N° 903-HM120P09-GUD-025.
19.
REFERENCIAS Leyenda de la ubicación de las referencias: Biblioteca Especializada de inelectra Directorio de Instrucciones de Trabajo en el servidor de inelectra Santa Paula. Suscripción IHS para acceso a las Normas Internacionales a través de la página de intranet de la Biblioteca Especializada. [1] Steam Online URL: http://www.steamonline.com/tracing.html. [2] Perry´s Chemical Engineers´ Handbook 8 th Edition McGraw Hill. 2007 [3] API RP 551. Process Measurement Instrumentation. 1993.05.01 (R 2000).
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GUÍA DE DISEÑO PARA TRAZADO CON VAPOR z [4] Thermo®. Steam Tracing Specification Guide. URL: http://www.thermon.com/catalog/us_pdf_files/tsp0010.pdf
[5] Kohli, I.P. Steam Tracing of Pipelines. Chemical Engineering. March 26, 1999. [6] Thermo®. Steam Tracing Design Guide. URL: http://www.thermon.com/catalog/us_pdf_files/tsp0013.pdf [7] De Lange, J.A.B. “Steam Tracing Simulation for Determining Process Fluid Temperature”. [8] Spirax-Sarco. Design of Fluid System; Hook-Ups. URL: http://www.spiraxsarco.com/us/pdfs/training/hookup.pdf [9] INEDON Nº 903-P3060-T11-ESP-023. “Especificación técnica de trazado de vapor”. Rev 1 . Enero 2000. [10] PDVSA N° HD-201-R “Steam Tracing Piping Requirements”. Rev 1 Mayo 90. [11] Spirax-Sarco. Design of Fluid System; Steam Utilization. URL: http://www.spiraxsarco.com/us/PDFs/training/Steam-utilization.pdf [12] Spirax-Sarco. Steam Consumption of Plant Items. URL: http://www.spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials/steamengineering-principles-and-heat-transfer/steam-consumption-of-plant-items.asp [13] INEDON. 903-P3060-T11-GUD-071. “Instructivo para diseño de trazado de vapor”. Rev 0 Oct 2001. [14] ASTM D97 “Standard Test Method for Pour Point of Petroleum Products” .2009-14-15. [15] R.Knox Pitzer Sr . Thermon The Heat Tracing Specialist “The Relative Merit and Limitation of Thermal Fluid, Electric and Steam. Heat Tracing System”. August 5 2003. [16] ASTM B68 “Standard Specification for Seamless Copper tube, Bright Annealed “. 2002-10-10. [17] ASTM B75 “Standard Specification for Seamless Copper Tube” 2002-1010. 903-HM120-P09-GUD-084/18/12/2009/va/URB
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[18] ASTM A-269 “Standard Specification for Seamless and Welded Austenitic Stainless Steel tubing for General Service” 2008-03-01. [19] ASTM A-213 “Standard Specification for Seamless Ferritic and Austenitic alloy Steel Boiler-Superheater and Heat Exchange tubes” 2009-04-01. [20] ASTM A-106 “Standard Specification for Seamless Carbon Steel pipe for High Temperature Service” 2008-07-15.
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