INSTALACIONES INDUSTRIALES
INSTALACIONES INDUSTRIALES DE GAS NATURAL
RAMAL EXTERNO RED INTERNA
JORGE SIFUENTES SANCHO
MARZO - 2015 1
INSTALACIONES INDUSTRIALES
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA APUNTES DE CLASE CLASE DEL CURSO: MECÁNICA MECÁNICA DE FLUIDOS FLUIDOS II DOCENTE: JORGE SIFUENTES SANCHO FECHA: MARZO DEL 2015 MARZO DEL 2013 JULIO DEL 2011
© Editorial COSAN, 2011 Calle Linares 213, Urb La Capilla, La Molina Lima, Perú. Teléfono: 991 855 515 Correo.
[email protected] [email protected] jsifuentes@uni .edu.pe
PARA USO INTERNO DISTRIBUCIÓN GRATUITA
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CONTENIDO
Página
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
4
INTRODUCCIÓN 1.0 Panorama del Gas Natural 1.1 Propiedades físicas del Gas Natural 1.2 Requerimientos del cliente 1.3 Tipos de quemadores quemadores 1.4 Clasificación Clasificació n de los sistemas de distribución
6 7 16 18 21
CONSIDERACIONES 2.1 Condiciones en las caídas de presión de la instalación 2.2 La velocidad de circulación del gas 2.3 Relación caudal- diámetro
22 22 22
FÓRMULAS PARA CÁLCULO DE DIÁMETRO DE TUBERÍA 3.1 Para baja presión: La fórmula del doctor Poole 3.2 Media presión: La fórmula de Renouard simplificada 3.3 Alta presión: La fórmula de Weymouth 3.4 NTP 111.010
23 24 48 51
VERIFICACIÓN VERIFIC ACIÓN DEL ESPESOR DE LA TUBERÍA SELECCIONADA SELECCION ADA 4.1 De la Resistencia de Materiales Materiales 4.2 ASME B31.8
52 56
DISEÑO DE TUBERÍAS
PROBLEMAS
59
MATERIAL DE REFERENCIA
61
APÉNDICE
62
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GLOSARIO
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INTRODUCCIÓN 1.0 PANORAMA DEL GAS NATURAL Art. 2° del Reglamento Reglamento de Transporte Transporte de Hidrocarburos Hidrocarburos por ductos. ductos. Decreto Supremo 081-2007-EM.
Se denomina Gas Natural a la mezcla de diversos hidrocarburos en estado gaseoso, predominantemente compuesto por metano, puede presentarse en su estado natural como Gas Natural Asociado o Gas Natural no Asociado. Puede ser húmedo si tiene Condensado, o ser seco si no lo contiene. En esta mezcla el principal componente es el Metano, en una proporción del 70% al 95%. El porcentaje restante está constituido por Etano, Propano, Butano e hidrocarburos superiores, pudiendo contener en proporciones mínimas: vapor de agua, Anhídrido Carbónico, Carbónico, Nitrógeno, Nitrógeno, Hidrógeno Hidrógeno Sulfurado, etc.
Cuadro 1.1. El Gas Natural
Componente
RANGO
(%Mol)
C1
Metano
C1 H 4
50 - 92
C2
Etano
C2 H 6
5 - 15
C3
Propano
C3 H 8
2 - 14
C4
Butano
C4 H 10
1 - 10
C5
Pentano Sulfuro de Hidrógeno
C5 H 12
0 - 5
H2 S
0 - 6
Dióxido de
C O 2
0 - 5
Nitrógeno
N2
0 - 10
Fuente: En dichos yacimientos, el petróleo es más liviano que el agua, suele flotar sobre lagos subterráneos de agua salada, y en la parte superior se encuentra el gas, que al ejercer enormes presiones, hace fluir el petróleo hacia la superficie. Para tener un combustible apropiado para el consumo doméstico y/o industrial, es conveniente realizarle un tratamiento que permita separar del metano otros cuerpos que podrían perjudicar la buena combustión y producir corrosión en los conductos o condensaciones condensaciones si se comprime el gas. 6
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Tenemos diversas variedades de gas natural, según su composición: Gas seco (metano en su mayor parte; Gas húmedo (con grandes cantidades de hidrocarburos, de peso molecular más altos); Gas agrio (con mucho ácido sulfúrico); Gas residual (el restante después de la extracción de las parafinas de peso molecular elevado) y el Gas de pozo (obtenido de la superficie de los pozos petrolíferos). Ver Anexo 1
Figura 1.1. Procesamiento del Gas Natural Fuente:
Cuadro 1.2. Calor Específico Combustible Diesel 2 Kerosene GLP Residual 6 Residual 500
Poder Calorífico [BTU/gal]
Precio [US $/gal]
Precio equivalente [US $/MMBTU]
Poder Calorífico [Kcal/gal]
131036 127060 97083 143150 143421
3,28 2,88 1,14 1,99 1,5
25,02 22,69 20,68 10,64 10,43
33042,04 32039,45 24480,45 36096,70 36165,04
Gas natural seco 1000BTU / pie 3 Gas Natural Vehicular
8904,94 Kcal/m
3
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EL TRANSPORTE DEL GAS NATURAL Mediante el estudio económico se determina cual de las formas de transporte es el adecuado para cada caso en particular. Ver Anexo 2.
Figura 1.2. Transporte del Gas. Gasoducto – Barcos Metaneros Fuente:
Figura 1.3. Distribución del Gas Natural Fuente:
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USO INDUSTRIAL DEL GAS NATURAL El gas natural es el mejor combustible que pueden usar las industrias que utilizan hornos y calderos en sus procesos productivos. Por sus características reemplaza ventajosamente a otros combustibles. En la fabricación del acero es usado como reductor para la producción de hierro esponja. Es también utilizado como materia prima en la industria petroquímica. El gas natural puede sustituir a los siguientes combustibles:
Diésel. Residuales. Gas licuado de petróleo (GLP). Kerosene. Carbón. Leña.
Industria del vidrio
Figura 1.4. Industria del vidrio.
Las propiedades físico -químicas del gas natural han hecho posible la construcción de quemadores que permiten una llama que brinda la luminosidad y la radiación necesarias para conseguir una óptima transmisión de la energía calórica en la masa de cristal. Asimismo es importante mencionar que con el gas natural el producto final (vidrio) sale limpio.
Fuente:
Industria de alimentos En la producción de alimentos el gas natural se utiliza en los procesos de cocimiento y secado. El gas natural es el combustible que permite cumplir las exigencias de calidad ISO, que son requerimientos para ciertos productos de exportación.
Figura 1.5. Cogeneración simple con turbina de gas. Fuente: 9
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Industria textil
Figura 1.6. Industria textil.
El gas natural permite el calentamiento directo por convección en sustitución del tradicional sistema de calentamiento mediante fluidos intermedios, con el consiguiente ahorro energético (entre el 20 y el 30%).
Fuente:
Industria de cerámicas
El uso del gas natural en esta industria es muy ventajoso debido a que se consigue un ahorro económico y permite la obtención de productos de mejor calidad. Cabe indicar que los productos acabados de esta industria requieren de mucha limpieza y con el gas natural se consigue esta exigencia Figura 1.7. Cerámica. Fuente:
Industria del cemento Los hornos de las cementeras que utilizan gas natural son más eficientes y tienen mayor vida útil; no requieren de mantenimiento continuo y los gases de combustión no contaminan el ambiente como los demás combustibles.
Figura 1.8. Fábrica de cemento. Fuente:
Fundición de metales El gas natural ofrece a la industria metalúrgica variadas aplicaciones. Sus características lo hacen apto para todos los procesos de calentamiento de metales, tanto en la fusión como en el recalentamiento y tratamiento térmico.
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Figura 1.9. Horno basculante. Fuente:
Generación de electricidad
El gas natural es el combustible más económico para la generación de electricidad y el que produce menor impacto ambiental. Estas ventajas pueden conseguirse tanto en grandes como en pequeñas centrales termoeléctricas. La generación de electricidad con gas natural es posible mediante turbinas
Figura 1.10. Generación de energía eléctrica con ciclo simple. Fuente:
Figura 1.11. Generación de energía eléctrica con ciclo combinado. Fuente: 11
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Cogeneración
Se denomina Cogeneración a la producción conjunta de Energía Eléctrica y Energía Calorífica aprovechable, en forma de gases calientes. La Cogeneración es una forma eficiente de cubrir las necesidades energéticas de las instalaciones industriales en prácticamente todos los sectores de la actividad (calefacción, calentamiento de agua, etc.).
Figura 1.12. Cogeneración simple con turbina de gas. Fuente:
Figura 1.13. Cogeneración aprovechando gases de combustión del horno. 12
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Fuente:
Hierro esponja
De manera resumida se puede definir al Hierro Esponja como la reducción de un óxido en estado sólido elevando su temperatura pero sin llegar a la de fusión, utilizando para ello un elemento reductor que puede ser gas natural convertido a gas de síntesis.
Figura 1.14. Cogeneración simple con turbina de gas. Fuente:
Petroquímica
El gas natural es materia prima para la fabricación de diversos productos petroquímicos. Es el uso del gas que genera más utilidad.
Figura 1.15. Cogeneración simple con turbina de gas. Fuente: 13
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Tuberías
Para la instalación de gas natural a la industria se utilizan tuberías de polietileno, acero y cobre. Tuberías de polietileno Normalmente se usa polietileno en las tuberías instaladas hasta la estación de reducción de presión. Son adecuadas cuando se trata de tuberías enterradas y cuando normalmente las presiones son inferiores a 6 bar.
Figura 1.16. Cogeneración simple con turbina de gas. Fuente:
Tuberías de acero Las tuberías de acero se pueden instalar en toda la red de distribución e instalaciones dentro de la industria. No obstante, por su costo normalmente se utilizan en las instalaciones que van de la estación de regulación hasta el aparato de consumo. Las tuberías de acero siempre deben ser protegidas contra la corrosión.
Tuberías de cobre
Figura 1.17. Tuberías de cobre. 14
Las tuberías de cobre también se usan en las instalaciones industriales, normalmente cuando las presiones son inferiores a 6 bar y se recomienda su uso en instalaciones aéreas o visibles.
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Fuente:
Cuadro N° 1.3. Comparación de tuberías.
Fuente:
15
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Figura 1.18. Válvulas.
Fuente:
Filtro
El filtro tiene por objeto eliminar las impurezas arrastradas por el gas natural en su circulación. Se coloca antes del Regulador de Presión.
Figura 1.19. Filtros. Fuente:
16
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Figura 1.20. Medidores de consumo de gas natural. Fuente:
Figura 1.21. Quemador de gas natural. Fuente:
VENTAJAS ECONÓMICAS El gas natural es el combustible de menor precio y permite obtener importantes ahorros en relación con otros combustibles. PRECIOS EQUIVALENTES DE LOS COMBUSTIBLES
Figura 1.22. Precios de los combustibles (precios variables). 17
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Fuente:
Cuadro N° 1.2. Poder calorífico. Combustible Diesel 2 Kerosene GLP Residual 6 Residual 500 Gas natural seco Gas Natural Vehicular
Poder Calorífico Precio [BTU/gal] [US $/gal] 131036 127060 97083 143150 143421 1000BTU / pie 3
Precio equivalente [US $/MMBTU]
3,28 2,88 1,14 1,99 1,5
25,02 22,69 20,68 10,64 10,43
Fuente:
Ver Anexo 4.
NORMAS DE SEGURIDAD QUE SE PUEDEN UTILIZAR EN INSTALACIONES DE GAS NATURAL Reglamento de Distribución de Gas Natural por Red de Ductos (D.S 042-99EM). Asimismo, se puede consultar las siguientes normas: NFPA 54. National Fuel Gas Code ANSI/ASME B31.8-2000 Gas Transmission and Distribution Piping Systems ANSI/ASME B1.20.1-1983 Pipe threads, general purpose(inch) ASME B36.10M Welded and Seamless Wrought Steel Pipe ASTM B 837-95 "Standard Specification for Seamless Copper Tube for Natural Gas and Liquefied Petroleum (LP) Gas Fuel Distribution Systems" ASTM F1055-98 Standard Specification for Electro fusion Type Polyethylene Fittings for Outside Diameter Controlled Polyethylene Pipe and Tubing CAN/CSA-B137.4-99 Polyethylene Piping Systems for Gas Services 18
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CAN/CSA-B137.4.1-99 Electro fusion-Type Polyethylene Fittings for Gas Services CAN/CGA-B149.1-M91 Natural Gas Installation Code CSA Z662-99 Oil and Gas Pipeline Systems API 5L Última edición: Specification for Line Pipe CEN EN 1555 Partes 1 a 4: Plastics Piping Systems for the Supply of Gaseous Fuels Polyethylene (PE) CEN EN 12007 Gas Supply Systems-Pipelines
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1.1 PROPIEDADES FÍSICAS DEL GAS NATURAL La composición de un gas típico en volumen, de un gas natural EJEMPLO 11.01: (de los pozos argentinos), es la siguiente: Metano 87 %, Etano 8,5 %, Propano 2,5 %, Butano 0,9 %, Anhídrido carbónico 0,2 % y Nitrógeno 0,9 %. a.
Determine el valor medio del Poder Calorífico del gas natural, usando los valores porcentuales de sus componentes.
b.
Determine la densidad relativa del gas natural respecto al aire. Considere la densidad del aire = 1,00, en condiciones normales. Poder Calorífico Kcal / Nm 3
Porcentaje
Componente
C1 C2 C3 C4
en volumen %
Metano
87,00
0,870
9530
8291,1
0,544
0,473
Etano
8,50
0,085
16860
1433,1
1,049
0,089
Propano
2,50
0,025
24340
608,5
1,562
0,039
Butano
0,90
0,009
31820
286,38
2,077
0,019
0,20
0,002
0
0
1,526
0,003
0,90
0,009
0
0
0,967
0,009
100,00
1,000
Anhídrido carbónico Nitrógeno
∑
10619,1
p j : Alguna propiedad, densidad, poder calorífico x j: fracción molar (volumétrica) del componente j En Argentina se adopta: Poder calorífico del gas natural = 9 300 Kcal /Nm 3 Densidad relativa del gas natural = 0,65.
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Densidad Relativa
0,632
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CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPONENTES DEL GAS NATURAL
Componentes
Metano
Fórmula química
( CH4 )
Peso Densidad molecu relativa lar
Poder calorífico superior [ PCS ] Kcal / m 3
Volumen Volumen Aire teórico de de Poder para la humos calorífico combustión secos inferior 3 3 [ PCI ] m / m m 3 / m 3 m 3 / m 3 Kcal / m 3
d
% r
a oi idl
d r e p
a
i u
d b
m S
r a ior tei ef nI L
b
idl e
ím
i
a
ni L
laf tei
laf
m
ni ím e d
%
Poder calorífico superior [ PCS ] Kcal / kg
Poder calorífico inferior [ PCI ] Kcal / kg
16.043
0.5537
9530
8570
9.52
8.52
10.52
5
15
14050
12635
Etano
( C 2H 6 ) 30.070
1.0378
16860
15390
16.67
15.17
18.17
3
12.5
13262
12106
Propano
( C 3H 8 ) 44.097
1.5219
24350
22380
23.81
21.81
25.81
2.2
9.5
13061
12004
Butano
( C 4H 10 ) 58.124
2.0061
32060
29560
30.95
28.45
33.45
1.7
8.5
13046
12029
Anhidrido carbónico
( CO 2 )
44.011
1.5189
0
0
0
1
1
0
0
Oxígeno
( O 2 )
32.000
1.1044
0
0
0
1
1
0
0
Hidrógeno
( H 2 )
2.016
0.0695
3050
2570
2.38
1.88
2.88
35824
30186
Nitrógeno
( N 2 )
28.016
0.9669
0
0
0
1
1
0
0
28.970
1
0
0
0
1
1
0
0
Aire Ejemplo: (i) (ii)
PCS = DR =
Gas Natural
95.0
% metano y
9530 x 0.95 + 16860 x 0.005 = 0.5537 x 0.95 + 1.0378 x 0.05 =
5.00
12.5
74
% etano
3 9896.5 Kcal / m 0.577905
En general las propiedades del GN se pueden calcular a partir de la proporción metano - etano. Las del GLP tomando en cuenta su contenido de propano, isobutano y butano normal. Para todos los casos úsese la fórmula: donde Xj es la fracción molar (volumétrica) del componente "j", y Pj es alguna propiedad, como el Poder calorífico, densidad etc.
Pmezcla
j n
Pj Xj
j1
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EJEMPLO 11.02: Grafique DR del GN vs % de metano y luego determine una relación analítica de la forma DR = A + B x ( % de metan
22
% metano
DR del GN
100 98 97 96 95 94 93 92 91 90 89 88 87 86 85
0.554 0.563 0.568 0.573 0.578 0.583 0.588 0.592 0.597 0.602 0.607 0.612 0.617 0.621 0.626
PCS PCI PCS - PCI 3 3 3 Kcal / m Kcal / m Kcal / m 9530 9677 9750 9823 9897 9970 10043 10116 10190 10263 10336 10410 10483 10556 10630
8570 8706 8775 8843 8911 8979 9047 9116 9184 9252 9320 9388 9457 9525 9593
960 970 975 980 986 991 996 1001 1006 1011 1016 1021 1026 1031 1037
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VENTAJAS ECONÓMICAS Y AMBIENTALES DEL USO DEL GAS NATURAL PODER CALORÍFICO INFERIOR Y RELACIÓN H / C DE COMBUSTIBLES MAS USUALES Combustible Gas Natural Propano Diesel oil Fuel oil Carbón
Kcal / kh 11600 10900 10000 9800 5500
C%
H%
72.8 81.8 86.6 85.7 77
23.6 18.2 12.9 13.5 8
S%
0.3 0.5 1,0
otros %
H/C
3.6
32.4 22.2 14.9 15.8 10.4
0.2 0.3 14,0
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EJEMPLO 11.03: 1 MMBTU a ¿cuántos metros cúbicos equivale de: a. Metano b. Etano c. Una mezcla, en volumen, de 97% de Metano y 3% de Etano
EJEMPLO 11.04: Desarrolle una expresión para calcular la cantidad de metros cúbicos de una mezcla en volumen cualquiera de metano y etano que sea equivalente a 1 MMBTU.
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Problema 11.01: La empresa ABCD ha contratado el suministro de gas natural en las siguientes condiciones: 2,85 US$/MMBTU PCI = 1070 BTU / kg Medidos a condiciones estándar:
p = 101,3 KPa T = 15ºC
Al solicitar su consumo anual a la empresa distribuidora del gas, ésta le envió el monto total a pagar de US$. Adicional le hizo llegar el siguiente reporte: Despacho a condiciones: p = 101.3 Kpa; T = 0ºC MEDIDOR
A B C D TOTAL
MMMCn/AÑO
2500 1500 2000 3000 9000
Como se podrá observar el despacho se ha realizado a condiciones normales. Y la facturación se realiza a condiciones estándar, tal como se ha firmado el contrato. << La empresa ABCD solicita a la distribuidora que le reembolse el pago en exceso que ha realizado: -
Si el reembolso es en dólares, el monto es de US$ . Sin aplicar un interés anual del 12%. Si es en gas natural, deberá suministrarle durante el año 2015, 900 MMMCn, sin costo alguno.>>
1. La empresa ABCD ¿debe de ser reembolsada? o ¿debe de pagar un adicional a la distribuidora del gas?. 2. Si la empresa ABCD debe ser rembolsada, ¿son correctos los valores de dólares y volumen de gas natural que solicita? 3. Para el período 2015 ¿Cuántos dólares debe de pagar la empresa ABCD por millón de BTU, considerando que la distribuidora continuará registrando el consumo en condiciones a condiciones normales: p = 101,3 KPa y T = 0ºC, y que no hay incremento en el pago respecto al año 2014? 4. Si por razones administrativas en el contrato debe de figurar que se factura a condiciones estándar, ¿Cuál será el monto que debe de anotarse?
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Problema 11.02: La Refinería de Talara reporta el siguiente análisis de composición utilizando el método de análisis: cromatografía de gases. COMPOSICIÓN METANO ETANO PROPANO I-BUTANO N-BUTANO I-PENTANO N-PENTANO N-HEXANO OXIGENO NITROGENO CO2.
TOTAL GRAVEDAD ESPECÍFICA CAP.. CALOR. MOL (MPC) BTU/ BTU/Pie 3 NETO BTU/Pie 3 BRUTO Julio 26 del 2014
PC [Kcal / kg]
%
DR
87,24 5,78 2,70 1,66 1,43 0,45 0,49 0,00 0,02 0,05 0,18
100,00 0,6732 0,5098 1077,1 1189,62
PC GN
= DR GN =
a.
Determine el valor medio del Poder Calorífico del gas natural, usando los valores porcentuales de sus componentes.
b.
Determine la densidad relativa del gas natural respecto al aire. Considere la densidad del aire = 1,00, en condiciones normales.
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Problema 11.03: La empresa eléctrica de Piura reporta el siguiente análisis de composición utilizando el método de análisis: cromatografía de gases. PIURA ANÁLISIS CROMATOGRÁFICO COM PONENTES
MÉTODO ASTM D-2163
METANO ETANO PROPANO ISO-BUTANO N-BUTANO NEO-PENTANO ISOPENTANO N-PENTANO HEXANO CO2 O2 N2 TOTAL BTU (Bruto) BTU (Neto) Grav. Espec. Gal. Líq./mpc Peso Loec. Cap. Cal. Molar
COMPOSICIÓN % MOLAR
90,1767 4,9282 1,9212 0,6402 0,9681 0,0000 0,4285 0,2636 0,2109 0,2276 0,0610 0,1740 100,0000 1136,47 1027,58 0,6428 1,380 18,580 0,5134
a.
Determine el valor medio del Poder Calorífico del gas natural, usando los valores porcentuales de sus componentes.
b.
¿Qué valores corresponden a las condiciones normales, y a condiciones estándar?
c.
Determine la densidad relativa del gas natural respecto al aire. Considere la densidad del aire = 1,225, en condiciones estándar.
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Problema 11.04: Propiedades del Gas Natural [MEM Auditoria] Las propiedades del GN referenciales que se utilizaron para el diseño de las instalaciones del gasoducto de Camisea hasta la estación de Lurín fueron las siguientes: Composición del Gas Natural Componente Fracción Molar N2
0,0054
CO 2
0,0058
H 2 O
0,0000
Metano Etano Propano i - Butano n - Butano
0,8854 0,1032 0,0002 0,0000 0,0000
Total
1,0000 Propiedades Generales Condiciones Unidad
Peso Molecular Gravedad específica Factor de Compresibilidad Z Factor de Compresibilidad Z Factor de Compresibilidad Z Viscosidad Dinámica Calor Específico Poder Calorífico Inferior Cp / Cv
17,723 0,612 15,6ºC; 1,013 bar
0,997
15,6ºC; 100 bar 15,6ºC, 150 bar 15.,6ºC; 1,013 bar 15,6ºC; 1,013 bar
0,7591
cp kJ / (kg - ºC ) kJ / kg HHV / (SG)
ïndice de Wobbe
Máximo nivel de contaminantes Unidad
Asufre Total H 2 S CO 2 Total Inertes
mg / Sm mg / Sm
3 3
Punto de Rocio del Hidrocarburos a 100 barCa) Partículas Sólidas diámetro > 10 um
30
Valor 15 3
% v/v
2
% v/v
4
H 2 O como agua libre H 2 O como vapor
Valor
0 mg / Sm
3
65
ºC
-10
ppm
3
0.
0,72 0,0109 2,11 48443 1,29 46 a 56
INSTALACIONES INDUSTRIALES Temperaturas del ambiente y del suelo Dado que la ruta del dcuto atraviesa tres diferentes áreas climáticas: La Selva, la Cordillera de los Andes y la Costa, se consideraron para el diseño las siguyientes temperaturas máximas y mínimas:
Áreas
Temp. del Ambiente Máx ºC
Temp. del Ambiente Máx ºC
Selva Sierra Costa
35 20 30
15 -5 10
Áreas
Temp. del Suelo Máx (ºC)
Temp. del Suelo Mín (ºC)
Selva Sierra Costa
25 12 21
17 0 12
a.
Determine el valor medio del Poder Calorífico del gas natural, usando los valores porcentuales de sus componentes.
b.
Determine la densidad relativa del gas natural.
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INSTALACIONES INDUSTRIALES
[Compañía LAUREANO ] Problema 11.05: Propiedades del Gas Natural Las propiedades del GN referenciales a utilizar para el diseño de las instalaciones del gas, son las siguientes: Composición del Gas Natural Componente Fracción Molar Nitrógeno N 2
1,0600
Dióxido de carbono CO 2
0,3200
Vapor de H 2 O
0,0000
Metano C H 4
89,3700
Etano C 2 H6
8,5700
Propano C 3 H 8 i - Butano n - Butano
0,6500
Total
0,0200 0,0100 100,0000 Propiedades Generales Condiciones Unidad
Propiedad Peso Molecular Gravedad específica Factor de Compresibilidad Z Factor de Compresibilidad Z Factor de Compresibilidad Z Viscosidad Dinámica Calor Específico
0,61 15,6ºC; 1,013 bar abs.
0,9971
15,6ºC, 100 bar abs.
0,7644
15,6ºC, 150 bar (a) 15,6ºC; 1,013 bar (a) 15,6ºC; 1,013 bar (a)
0,7262 0,0109 0,9971
3
Mj / m
Poder Calorífico Inferior Cp / Cv
Mj / m
ïndice de Wobbe
HHV / (SG)
Máximo nivel de contaminantes Unidad
H 2 S CO 2 Total Inertes
mg / Sm mg / Sm
3 3
H 2 O como vapor Punto de Rocio del Hidrocarburos a 100 barCa) Partículas Sólidas diámetro > 10 um
Valor 15 3 2
% v/v
4 0
mg / Sm
3
39,93
3
% v/v
H 2 O como agua libre
32
cp kJ / (kg - ºC )
Poder Calorífico superior
Asufre Total
Valor
65
ºC
-10
ppm
3
39,93 1,29 0.5
46 a 56
INSTALACIONES INDUSTRIALES
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Determine el Peso Molecular del gas natural. Determine la densidad relativa de la mezcla. Determine la densidad de la mezcla en kg / m 3. Determine el Poder calorífico Superior del gas natural en Kcal / kg. Determine el poder Calorífico Inferior del gas natural en Kcal / kg. Determine la cantidad de metros cúbicos del gas natural que sea equivalente a 1 MMBTU. Determine la cantidad de aire teórico para la combustión de 1 m 3 de gas natural, en m 3 / m 3 . Cinco hornos funcionan en la empresa y tienen un consumo promedio en conjunto igual a 90 galones de D2 por hora. Determine su consumo equivalente de gas natural en Sm 3 / h. Un grupo electrógeno de 1.0 MW de potencia funciona diariamente 3 horas, durante 25 días cada mes. Determine su consumo equivalente de gas natural en Sm 3 / h. La empresa tiene una caldera que funciona las 24 horas del día y consume en promedio un tanque de 1000 galones de GLP cada mes. Determine su consumo equivalente de gas natural en Sm 3 / h.
1.2 REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE Llevar a cabo el levantamiento de la información sobre la localización de los centros de consumo actual y futuro. Esto se lleva a cabo con la información proporcionada por el cliente y la recogida de datos in situ por parte de la persona que va a ejecutar el proyecto. Anotar los consumos de petróleo (D2, R2, R5, R6), GLP, gasolina, kerosene, KW, otros. Observar que pueden existir instalaciones de tipo domiciliario tales como oficinas, restaurantes, viviendas. Hay que proveerse del plano de la empresa o industria, y allí localizar: los puntos de donde puede realizarse la acometida y que presión en el gasoducto hay (40 bar, 32 bar, 25 bar, 4 bar ) disponibles por parte de la empresa distribuidora de gas. los centros de consumo. Dibujar la trayectoria del sistema de tuberías, indicando los diferentes elementos principales del sistema; esto en vista de planta y en vista isométrica. Proveerse de tablas de tuberías de acero, cobre y polietileno para las dimensiones y propiedades de las tuberías y las tablas de pérdidas que se producen al circular el gas a través de ellas. Para las pérdidas en accesorios de cobre multiplicar la pérdida de los accesorios de acero por 0,55. Se requiere el uso de un tanque Back Up que puede ser de GLP. Sus dimensiones ½ requiere el cálculo del índice de Wobbe w = PCS / DR que deben ser iguales para el gas natural y el GLP. Se usa la norma NTP 111.010 la edición actualizada, así como otras normas: ASME B31.8,
33
INSTALACIONES INDUSTRIALES
EQUIVALENCIAS GLP:
kg/mes / 21 = MMBTU / mes
DIESEL:
gal / mes / 7,3 = MMBTU / mes
ELÉCTRICO: kW-h / 293 = MMBTU / mes TÉRMICO:
MMBTU / mes
X 28
= s m 3 / mes
EJEMPLO 11.05: Determine el consumo térmico y eléctrico del siguiente cuadro de consumo de la empresa COSAN S.A.A., en MMBTU / mes y en MWh / mes. RESUMEN: CONSUMO T RMICO Y EL CTRICO CONVERTIBLE
CENTRO DE CONSUMO
GLP kg/mes
C1
90 64 20 884 590 355 800 325 525 680
4333
TOTAL =
CENTRO DE CONSUMO
CONSUMO
34
sm 3 / h
DIESSEL gal/mes
ELECTRICO kWh / mes
400 1500
2800 180 1231 6500 3000 500 2750
4020 5040
644 8700
15450
26305
850 3640
FACTOR CRECIMI.
2 1,5 3,5 3,5 2 3,5 1,5 2 2,5 2
MMBTU /mes
sm3 / h
28 180 1763 225 77 257 379 31 1445 1505
3 18 179 23 8 26 38 3 147 153
5890
598
C1
C2
C3
C4
C5
600
150
350
100
300
TOTAL
1500
INSTALACIONES INDUSTRIALES
1.3 TIPOS DE QUEMADORES
Quemador Atmosférico Este quemador se puede utilizar para alta o baja presión de suministro de gas natural. Como se observa en la figura, cuenta con una tobera de inyección de gas natural en forma de tubo de Venturi, que aspira el aire primario necesario para la combustión a la entrada del quemador Para completar la totalidad del aire requerido para la combustión se introduce el aire secundario.
Figura 1.23. Quemadores Atmosféricos Fuente:
Para el caso de calderas industriales suelen diseñarse quemadores atmosféricos tipo multitoberas, que son un conjunto de quemadores como se muestra en la figura. Quemador de gas / aire En este tipo de quemador, el aire se suministra a una presión adecuada superior a la del gas natural. El gas natural es inducido por el aire que se inyecta en un tubo tipo venturi, efectuándose la mezcla en su casi totalidad antes de producirse la combustión como se indica en la figura.
Figura 1.24. Quemadores Atmosféricos Fuente:
En la figura se muestra un quemador de estas características de funcionamiento automático, en el que se utiliza un ventilador del tipo 35
INSTALACIONES INDUSTRIALES
centrífugo, que es el que provoca la entrada del aire. Ver Anexo 5.
36
INSTALACIONES INDUSTRIALES CONSUMO TÉRMICO Y ELÉCTRICO CONVERTIBLE CENTRO DE CONSUMO
GLP kg/mes
DIESSEL gal/mes
ELECTRICO kW-h / mes
FACTOR MMBTU /mes CRECIMI.
3
m /mes
3
m /día
3
m /hora
Totales por grupo
C1 D D31 D41 E71 E31 E21 E41 E51 E61 F21 F31 F11 F41 F51 F61 F71 G21 G31 G311 G411 G412 G51 G61 G41 G711 G71 9,333
37
INSTALACIONES INDUSTRIALES
CONSUMO TÉRMICO Y ELÉCTRICO CONVERTIBLE CENTRO DE CONSUMO
GLP kg/mes
DIESSEL gal/mes
ELECTRICO kW-h / mes
FACTOR MMBTU /mes CRECIMI.
3
m /mes
3
m /día
3
m /hora
Totales por grupo
H21 H31 I1 J11 J12 J21 J23 J22 J221 K1
M N 2,348 3840, 31
TOTAL =
38
Total de la Carga Térmica en MMBTU/mes
3840,31
Total de la Carga Térmica en MWh/mes
1125,48
Total en sm 3 /h
447,718
105062, 854 4407, 140
447, 718
INSTALACIONES INDUSTRIALES
1.4
CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS DE DISTRIBUCIÓN
Según la distribución del gas natural se realice fuera o dentro del área de propiedad del consumidor, se puede clasificar en redes externas o redes internas. RED EXTERNA: corresponden a todas las tuberías que se entierran en pistas y veredas. Según la presión del gas natural a distribuir, se pueden clasificar en: Alta presión: Media presión B Media presión A Baja presión:
> 40 bar 25 á 40 bar 4 á 25 bar 1,5 á 4 bar
Esta clasificación es dada por la distribuidora, y se regula en la estación “puerta ciudad”
(city Gates), para ser distribuido a media y baja presión por tuberías hasta llegar al consumidor. Las presiones están en unidades manométricas. RED INTERNA: los niveles de presión serán de media y baja presión, los consumidores industriales se conectaran a las tuberías de media presión y regularan esta presión según sea su necesidad, mientras que los consumidores residenciales tendrán una etapa de regulación en sus acometidas para hacer uso del gas a baja presión. Red de acero baja presión: Red de acero media presión: Red de acero alta presión:
5 barg á 10 barg 10 barg á 19 barg 27 barg á 50 barg
Red de polietileno de baja presión Clientes industriales C 17 500 á 300 000 m 3 / mes Clientes industriales D > 300 000 m 3 / mes
INSTALACIONES INDUSTRIALES
2.
CONSIDERACIONES
El cálculo de la tubería se basa en el supuesto de suministrar el suficiente gas como para cubrir la demanda máxima, sin superar una pérdida de presión admisible entre el inicio y el final del tramo de tubería.
2.1.
Condiciones en las caídas de presión de la instalación:
La caída de presión en un tramo de tubería ( p tramo) debe ser menor que la caída de presión máxima ( p máxima en el tramo) fijada de acuerdo a ciertos criterios.
pi pf
p
tramo
p maximotramo
[1]
pi: presión manométrica al inicio del tramo, bar pf: presión manométrica al final del tramo, bar p tramo: caída de presión en el tramo, bar. p máxima en el tramo: caída de presión máxima en el tramo, bar Tramo
de cañería comprendido entre la válvula de bloqueo del servicio y la entrada a los reguladores primarios: la caída de presión no puede ser superior al 10% de la presión mínima de suministro. p tramo ≤ 10 % de la presión mínima de suministro.
Tramos
de red interna comprendidos entre dos etapas de regulación: la caída de
presión máxima no debe superar el 20% de la presión regulada al comienzo de esos tramos. Se recomienda 15%. p tramos ≤ 20 % de la presión regulada al comienzo de esos tramos. Tramos
de cañerías que alimentan en forma directa artefactos de consumo: la
caída de presión entre el regulador que los abastece y los artefactos no debe exceder el 10% de la presión regulada. p tramos ≤ 10 % de la presión regulada al comienzo de esos tramos.
Las caídas de presión admisibles anteriormente mencionadas no comprenden las perdidas localizadas en el medidor, odorizador, placa limitadora, etc., las cuales se deben adicionar a dichas caídas de presión admisibles. Además debe de tenerse en cuenta que: Los tramos de cañerías con presiones de trabajo inferiores a 0,034323275 bar (0,035 kg / cm 2 ) deben tener una caída de presión p ≤ 10 mm.c.a., y han de calcularse como tuberías de baja presión, utilizando la fórmula del doctor Poole.
2.2
Las instalaciones con caudales menores que 370 m 3 / s se deben diseñar para una presión de 0,1569064 bar (0,160 kg / cm 2 ), salvo en aquéllos casos en que por la índole del proceso se requiera que los quemadores funcionen a presiones superiores o resulten diámetros de tuberías internas mayores de 152 mm ( 6 pulgadas ).
La velocidad de circulación del gas: debe ser menor a 40 m/ s, para evitar el ruido y que las partículas extrañas al gas se sedimenten. Se recomienda usar V ≤ 30 m/ s
40
INSTALACIONES INDUSTRIALES
2.3 Se debe verificar la relación Q / D < 150 Q: sm 3 / h; D: mm
3.
FÓRMULAS
Existen numerosas ecuaciones aplicables, por lo que se han seleccionado aquellas que han dado buenos resultados en los problemas de aplicación práctica.
3.1 Para baja presión: La fórmula del doctor Poole 1,5 bar á
4 bar
Para el cálculo de cañerías de gas a baja presión puede adoptarse la fórmula del doctor Poole de acuerdo a lo siguiente:
d
5
2C
2
SL
p1 p2
En la que: d: C: S: L: p1: p2:
diámetro interior, cm caudal de gas , m3 (s) / m 3 densidad del gas s = 0,61 ( S aire = 1) longitud de la tubería; presión en la entrada del tramo de tubería, mm.c.a. o kg/cm 2 presión en la salida del tramo de tubería mm.c.a. o kg/cm 2.
EJEMPLO 11.06:
41
INSTALACIONES INDUSTRIALES
3.2 Media presión: La fórmula de Renouard simplificada Se establece para el dimensionamiento de las tuberías, que las mismas transporten el caudal requerido por los equipos incluyendo las futuras ampliaciones, teniendo en cuenta ciertas limitaciones en las pérdidas de carga, velocidad de circulación y que la relación de caudal entre el diámetro sea menor que 150. Se observa de la fórmula, que para determinar la caída de presión, es necesario predimensionar el diámetro, lo que permite, además, establecer la longitud equivalente de los accesorios, dado que los mismos también dependen del diámetro. Una vez efectuado el predimensionamiento del diámetro interno de la tubería, se selecciona un diámetro comercial de tubería. Luego hay que verificar si el diámetro de tubería seleccionado cumple con: i.
Que la caída de presión que se produce en el tramo de tubería con el diámetro comercial sea menor que la caída de presión máxima posible para dicho tramo de tubería.
ii. Que la velocidad de circulación del gas sea menor que 30 m/s. iii. Que la relación Q / D sea menor que 150.
PREDIMENSIONAMIENTO Para gas circulando a baja presión:
p ≈ patm
Condiciones estándar:
po = patm = 1,01325 bar. (1,033227237 kg / cm 2). To = 15ºC = 288 kelvin
Condiciones normales:
po = patm = 1,01325 bar (1,033227237 kg / cm 2). T = 0ºC = 273 kelvin
Condiciones termodinámicas:
po = 1 bar y To = 25°C
El caudal está dado por: o
3600 V A
[2]
Caudal de gas circulante a condiciones estándar, sm 3 / h V : Velocidad del gas circulante a condiciones estándar, m / s. A : Sección transversal de la tubería, m2 o :
Cuando el gas circula bajo presiones mayores a la atmosférica, debe de tenerse en cuenta que el fluido se comprime, por lo que el caudal se incrementa. Luego: o
3600 V A Fp F T
[3]
Caudal de gas circulante, sm 3 / h V: velocidad del gas circulante a condiciones de p y T, diferentes de las condiciones estándar, m / s. A: sección transversal de la tubería, m2 Fp, FT: factores de corrección por presión y por temperatura. o :
42
INSTALACIONES INDUSTRIALES
El factor de presión (Fp) y el factor de temperatura (FT) habrá que estimarlos. Puede utilizarse la ecuación del gas ideal: Po o R To
P
const
R T
[4]
En donde: Po, P, To y T están en unidades absolutas. o
P Po
To T
Considerando V como la velocidad del gas circulante a condiciones de p y T, tenemos que el caudal que circula a ésas condiciones es: V A 3600 o
Se tiene:
P Po
To T
V A 3600
[5]
Comparando las ecuaciones [5] y [3] se identifican los factores de corrección: Fp = P/Po; FT = To/T. Considerando:
po = 1,01325 bar; T ≈ To = 288K, y D en mm, se tiene: o
P
1,013 25
1 V
D
4
2
3600 10
6
La presión P, en el tramo de tubería varía entre la presión al inicio del tramo ( Pi) y la presión al final del tramo de tubería ( Pf). Considerando P como la presión al final del tramo de tubería Pf, y Q en lugar de o se tiene:
V 358,364
Q D 2 Pf
La velocidad de circulación del gas se establece que sea inferior a 40 m/ s. Esto es para prevenir niveles de ruido excesivo y erosiones en las tuberías. Se recomienda que sea 30 m / s, con lo cual la ecuación queda:
V
358,364
Q 2
D Pf
30 m / s
Donde: V
:
velocidad del gas que circula (a condiciones p, y T), en m/s.
Q D Pf
: : :
caudal de gas en m 3 (s) / h. ≡ o . diámetro interior de la tubería, en mm. es la presión absoluta en el extremo final de la conducción, en bar.
[6]
A partir de esta ecuación se puede estimar el diámetro requerido de tubería para que circule una caudal Q, y tomando en cuenta una presión Pf al final del tramo de tubería: 43
INSTALACIONES INDUSTRIALES
D Donde: Q D Pf
: : :
3, 456
Q P f
[7]
caudal de gas en m 3 (s) / h. diámetro interior de la tubería en mm. es la presión absoluta en el extremo final de la conducción en bar abs.
Una vez efectuado el predimensionamiento del diámetro interno de la tubería, se selecciona un diámetro comercial de tubería. Este diámetro permite ahora determinar las longitudes equivalentes de los accesorios ( Lequiv), válvulas y elementos de control y medición, etc.; con lo cual se obtiene la longitud de cálculo L E = L física + ( Lequiv) accesorios + ( Lequiv) válvulas + ( Lequiv) elementos de control . Hay que verificar si el diámetro de tubería seleccionado cumple con: i.
Que la caída de presión que se produce en el tramo de tubería con el diámetro comercial sea menor que la caída de presión máxima posible para dicho tramo de tubería. ii. Que la velocidad de circulación del gas sea menor que 30 m/s. iii. Que la relación Q / D sea menor que 150. Si se verifica simultáneamente las tres consideraciones, la tubería seleccionada es la adecuada. Si no, hay que incrementar el diámetro hasta que se verifique las tres consideraciones simultáneamente. i. Verificación de la caída de presión producida en el tramo de tubería: Para gases de media y alta presión, puede emplearse la fórmula simplificada de Renouard, válida para: presiones de
0 kPa a 400 kPa. ( 0 bar a 4 bar);
Relación
Q / D < 150; y
Velocidades
V ≤ 40 m/s [se recomienda V ≤ 30 m/s].
Pi 2 Pf 2 Donde: Pi y Pf S LE Q D
44
48 600 S LE Q
1,82
D
4,82
presión absoluta en ambos extremos del tramo, en kg/cm 2 abs densidad relativa del gas. S = 0,61 (S aire = 1,0) longitud de cálculo de la tubería. Longitud física del tramo más la longitud equivalente de los accesorios, válvulas etc., en km. LE = L física + L equivalentes. Véase tabla 10. caudal en m 3 / h (condiciones estándar: 15 ºC y 101,325 KPa) diámetro interior de la tubería, en mm.
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Considerando el factor de: 1,01325 bar <> (1,033227237 kg / cm 2) , y la longitud LE en metros, se tiene: 48,6 x (1,01325 / 1,033227237 ) 2 = 46,76 Luego: Donde: Pi y Pf S LE Q D
Pi 2 Pf 2
46,76 S LE Q
1,82
D
4,82
presión absoluta en ambos extremos del tramo, en bar abs densidad relativa del gas. S = 0,61 (S aire = 1,0). longitud del tramo en m, incluyendo la longitud equivalente de los accesorios que la componen. Véase tabla 10 de la NTP 111.010. caudal en sm 3 / h (condiciones estándar) diámetro interno de la tubería en mm.
Se calcula el valor de Pf y obviamente pf. Esto nos permite calcular la caída de presión que se produce en el tramo, y que debe de ser menor que la caída máxima en dicho tramo:
p tramo
pi pf
p maximotramo
ii. Verificación de la velocidad de circulación del gas
V
358,364
Q 2
D Pf
30 m / s
iii. Verificación de la relación Q / D
Q D
150
EJEMPLO 11.07: La figura muestra el esquema de una instalación de gas natural. La tubería está proyectada que será de polietileno SDR 17,6 serie métrica. Tamaño nomi nal
Espesor
Di ámetro i nteri or
D nomi nal [mm]
t [mm]
Dext - 2 t [mm]
32
2,3
27,4
40
4,3
31,4
63
5,8
51,4
110
6,3
97,4
160
9,1
141,8
200
11,4
177,2
250
14,2
221,6
Determine los diámetros mínimos que son requeridos para cada tramo del tendido de gas natural. 45
INSTALACIONES INDUSTRIALES
ERMP
p A = 4 bar
pC 3
Q = 1500 m (s) / h
A
3
Q = 1100 m (s) / h
70 m
30 m
C
50 m
D
18 m 3
Q = 350 m (s) / h
Q = 100 m (s) / h 3
30 m
30 m 3
Q = 300 m
Q = 750 m (s) / h
3
Q = 1200 m (s) / h
B
100 m
pD 3
20 m
s / h
pG
G
50 m
pI
pH
I
H ERS2
ERS1
pE
pJ 3
3
Q = 100 m (s) / h
Q = 600 m (s) / h
3
Q = 350 m (s) / h
3
J
Q = 300 m (s) / h
3
pF
E
10 m
Q = 150 m (s) / h
F 50 m
20 m 45 m
3
Q = 600 m (s) / h
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Figura 11. : Estación de Regulación Primaria 47
INSTALACIONES INDUSTRIALES
RUTA CRÍTICA: TRAMOS AB – BC – CD – DE – EF - Caída de presión máxima en la ruta critica: p rc max
-
0,15 4 bar 0,6000 bar
Longitud física de la ruta crítica: L rc = Li = 100+90+30+80+115 = 415 m
ANÁLISIS DE LOS TRAMOS: Tramo AB: pTRAMO
max
Q = 1500 sm 3 / h
Ltramo prc Lrc
pi = 4 bar
100 pTRAMO max 0,600 0,144578 bar 415
max
La presión al final del tramo: p tramo máx = pi - pf Luego :
L = 100 m
0,144578 bar = 4 bar – pf
pf = 3,855422 bar Pf = 3,855422 bar + 1,01325 bar = 4,868672 bar
Diámetro estimado de tubería: D
3,456
Ahora:
Q
D
P f
3, 456
1500 4,868672
60,6616
mm
Considerando tubería de polietileno SDR 17,6 serie métrica: Tamaño nominal
Espesor
Diámetro interior
D nominal [mm]
t [mm]
Dext - 2 t [mm]
32
2,3
27,4
40
4,3
31,4
63
5,8
51,4
110
6,3
97,4
160
9,1
141,8
200
11,4
177,2
250
14,2
221,6
Selección del diámetro de la tubería: DN = 110 m ; Di = 97,4 mm; t = 6,3 mm Hay que verificar que el diámetro seleccionado cumpla con los tres requisitos siguientes: i.
La caída de presión en el tramo sea menor que la caída máxima de presión en dicho tramo. pTRAMO AB pTRAMO max 0,144578 bar ii. La velocidad del gas que circula (a condiciones de p y t), sea menor que 30 m/s. iii. Se verifique la relación: Q / D < 150 48
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Verificación del diámetro seleccionado: i. Verificación de la caída de presión producida en el tramo de tubería: pi = 4 bar Pi
La presión al final del tramo: 2
2
Pf
2
46,76 S LE Q
2
(4+1,01325) - Pf = 46,76 x S x L E x Q
1,82
1,82
x D
D
4,82
- 4,82
= 0,49185144
Pf = 4,96395247 bar p f = Pf -1,01325 bar = 3,95070247 bar Luego, en: p
tramo
pi pf
p
maximotramo
4 bar – 3,95070247 bar = 0,04929753 bar ≤ 0,1445 bar
¡OK!
ii. Verificación de la velocidad de circulación del gas: V V
358,364
358,364
Q
D 2 Pf
1500
11, 42 m / s
(97,4) 2 4,96395247 Q
iii. Verificación de la relación Q / D:
D
1500 97,6
15, 4
30 m / s
150
150 ¡OK !
30
m/ s
Esto significa que el diámetro seleccionado para el tramo AB, es adecuado.
Tramo BC: p ruta
Q = 1200 sm 3 / h
p ruta critica p tramo AB
max
pi = 3,95070247 bar pruta
max
0,600 0,04929753 0,55070247 bar
ptramoBC
L Ruta
ptramoAB
90 0,55070247 0,15734356 bar 415 100
max
max
pruta critica L critica tramo AB L BC
La presión al final del tramo: p tramo = pi - pf Luego :
L = 90 m
0,15734356 bar = 3,95070247 bar – pf
pf = 3,7933589 bar Pf = 3,7933589 bar + 1,01325 bar = 4,8066089 bar 49
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Ahora: Diámetro estimado de tubería D
3, 456
1200 4,8066089
54,606
mm
Considerando tubería de polietileno SDR 17,6 serie métrica: Selección del diámetro de la tubería: DN = 110 m ; Di = 97,4 mm; t = 6,3 mm
Verificación del diámetro seleccionado: i. Verificación de la caída de presión producida en el tramo de tubería:
L equiv = 90 x 0,11mm = 9,9 m
LE = 90 m + 9,9 m = 99,9 m Pi 2
La presión al final del tramo:
4
2
Pf 2 2
P f
46,76 S LE Q
1,82
D
46, 76 0, 61 99,9 1200
4,82
1,82
97, 4
4,82
0, 2382357
Pf = 4,939897 bar p f = Pf -1,01325 bar = 3,926647 bar Luego, en:
p
pi pf
tramo
p
maximotramo
3,950702470 bar – 3,926647 bar= 0,0240548556 bar ≤ 0,1223783 bar
¡OK!
ii. Verificación de la velocidad de circulación del gas: V V
358,364
358,364
Q
1200 (97,4)
2
4,939897
Q
iii. Verificación de la relación Q / D:
D 1200 97,6
D 2 Pf
12,32
30 m / s
9,1763 m / s
30
m/ s
¡OK!
150
150 ¡OK !
Esto significa que el diámetro seleccionado para el tramo BC, es adecuado.
Tramo CD: pruta
max
50
Q = 1100 sm 3 / h
pi = 3,926647 bar
pruta critica ptramoAB ptramo BC t
L = 30 m
INSTALACIONES INDUSTRIALES pruta
max
0,600 0,04929753 0,0240848556
ptramoCD
max
ptramoCD
max
L Ruta
0,5266176144 bar
pruta critica L L critica tramo AB tramo BC LCD
30 0,5266176144 0,07021568192 bar 415 100 90
La presión al final del tramo: pi - pf = p tramo p tramo = 0,07021568192 bar = 3,926647 bar – pf Luego :
pf = 3,856431318 bar Pf = 3,856431318 bar + 1,01325 bar = 4,869681318 bar
Ahora: Diámetro estimado de tubería D
3, 456
1100
4,869681318
51,9116
mm
Considerando tubería de polietileno SDR 17,6 serie métrica: Selección del diámetro de la tubería: DN = 110 m ; Di = 97,4 mm; t = 6,3 mm
Verificación del diámetro seleccionado: i. Verificación de la caída de presión producida en el tramo de tubería:
L equiv = 30 x 0,11mm = 3,3 m
LE = 30 m + 3,3 m = 33,3 m Pi 2 Pf 2
La presión al final del tramo: (3, 926647 1, 01325) 2
2 P f
46,76 S LE Q
D
46, 76 0, 61 33, 3 1100 1,82 97, 4
Pf = 4,931311635 bar Luego, en:
1,82
4,82
4,82
0, 08474792739
p f = Pf -1,01325 bar = 3,918061635 bar
p tramo
pi pf
p maximotramo
3,926647 bar – 3,918061635 bar= 0,008585364824 bar ≤ 0, 07021568192 bar ¡OK!
ii. Verificación de la velocidad de circulación del gas: V
358,364
Q 2
D Pf
30 m / s 51
INSTALACIONES INDUSTRIALES
358,364
V
1100 (97,4)
2
8, 42629 m / s
4,931311635
Q
iii. Verificación de la relación Q / D:
D 1100
97,6
11, 27
30
m /s
¡OK!
150
150 ¡OK !
Esto significa que el diámetro seleccionado para el tramo CD, es adecuado.
Q = 750 sm 3 / h
Tramo DE: pruta
max
pruta
max
pi = 3,918061635 bar
pruta critica ptramoAB ptramoBC ptramoCD
0,600 0,04929753 0,0240848556
ptramoDE
max
ptramoDE
L = 80 m
max
L Ruta
0,5266176144 bar
pruta critica L L L critica tramo AB tramo BC tramo CD L DE
80 0,5266176144 0,2160482521bar 415 100 90 30
La presión al final del tramo: p tramo = pi - pf p tramo = 0,2160482521 bar = 3,918061635 bar – pf Luego :
pf = 3,70445681 bar Pf = 3,70445681 bar + 1,01325 bar = 4,71770681 bar
Ahora: Diámetro estimado de tubería D
3, 456
7500 4,71770681
43,5751501 mm
Considerando tubería de polietileno SDR 17,6 serie métrica: Selección del diámetro de la tubería: DN = 63 mm ; Di = 51,4 mm; t = 5,8 mm
Verificación del diámetro seleccionado: i. Verificación de la caída de presión producida en el tramo de tubería:
L equiv = 80 x 0,11mm = 8,8 m
LE = 80 m + 8,8 m = 88,88 m La presión al final del tramo: 52
Pi 2
Pf 2
46,76 S LE Q
1,82
D
4,82
INSTALACIONES INDUSTRIALES
(3, 918061635 1, 01325) 2
2 P f
46, 76 0, 61 88, 8 750 1,82 51, 4
4,82
2, 451244144
Pf = 4,676172612 bar p f = Pf -1,01325 bar = 3,662922612 bar p
Luego, en:
pi pf
tramo
p maximotramo
3,918061635 bar – 3,662922621 bar= 0,255139023 bar ≤ 0,1223783 bar Considerando: DN = 75 mm ; Di = 66,4 mm; t = 3,46 mm
L equiv = 80 x 0,11mm = 8,8 m
LE = 80 m + 8,8 m = 88,88 m Pi
La presión al final del tramo: (3, 918061635 1, 01325) 2
2 P f
2
Pf
2
46,76 S LE Q
1,82
46, 76 0, 6188, 8 750 1,82
4,82
D
66, 4
4,82
0, 7134748357
Pf = 4,858431805 bar p f = Pf -1,01325 bar = 3,845181805 bar Luego, en:
p
pi pf
tramo
p
maximotramo
3,918061635 bar – 3,845181805 bar= 0,07287982979 bar ≤ 0,1223783 bar
ok
ii. Verificación de la velocidad de circulación del gas: V 358,364
V
358,364
Q 2
D Pf
750 (66,4)
2
Q D
750 66,4
11, 295
30 m / s
12,547 m / s
4,858431805
iii. Verificación de la relación Q / D:
30
m /s
¡OK!
150
150 ¡OK !
Esto significa que el diámetro seleccionado para el tramo DE, es adecuado.
Tramo EF: pruta
max
pruta
max
Q = 600 sm 3 / h
pi =3,845181805 bar
L = 115 m
pruta critica ptramoAB ptramoBC ptramoCD ptramo DE
0,600 0,04929753 0,0240848556 0,008585365
0,5180322794 bar
53
INSTALACIONES INDUSTRIALES
ptramoFE
max
ptramoEF
max
L Ruta
pruta critica Ltramo BC Ltramo CD Ltramo DE L EF
critica
Ltramo AB
115 0,5180322794 0,5180322794 bar 415 100 90 30 80
La presión al final del tramo: p tramo = pi - pf p tramo = 0,5180322794 bar = 3,845181805 bar – pf Luego :
pf = 3,327149526 bar Pf = 3,327149526 bar + 1,01325 bar = 4,340399526 bar
Ahora: Diámetro estimado de tubería D
3, 456
600
4,340399526
40,6335
mm
Considerando tubería de polietileno SDR 17,6 serie métrica: Selección del diámetro de la tubería: DN = 50 m ; Di = 44,2 mm; t = 2,9 mm
Verificación del diámetro seleccionado: i. Verificación de la caída de presión producida en el tramo de tubería:
L equiv = 115 x 0,11mm = 12,65 m
LE = 115 m + 12,65 m = 127,65 m Pi 2
La presión al final del tramo:
2 (3, 845181805 1.01325) 2 P f
Pf 2
46,76 S LE Q
1,82
D
4,82
46, 76 0, 61 127, 65 600 1,82 44, 2
4,82
4, 858756046
Pf = 4,329619332 bar p f = Pf -1,01325 bar = 3,316369332 bar Luego, en:
p tramo
pi pf
p maximotramo
3,845181805 bar – 3,316369332 bar= 0,528812473 bar ≤ 0,5180322794 bar Considerando: DN = 63 mm ; Di = 55,8 mm; t = 3,6 mm
L equiv = 115 x 0,11mm = 12,65 m
LE = 115 m + 12,65 m = 127,65 m Pi 2
La presión al final del tramo: (3, 845181805 1.01325) 2
54
2 P f
Pf 2
46,76 S LE Q
1,82
D
4,82
46, 76 0, 61 127, 65 600 1,82 55, 8
4,82
1, 580096436
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Pf = 4,693001509 bar p f = Pf -1,01325 bar = 3,679751509 bar p tramo
Luego, en:
pi pf
p maximotramo
3,845181805 bar – 3,679751509 bar= 0,1654302955 bar ≤ 0,5180322794 bar ok
ii. Verificación de la velocidad de circulación del gas: V V
358,364
358,364
Q D 2 Pf
600 (55,8)
2
Q D
600
55,8
10,75
30 m / s
18,76 m / s
3,679751509
iii. Verificación de la relación Q / D:
30
m/ s
¡OK!
150
150 ¡OK !
Esto significa que el diámetro seleccionado para el tramo EF, es adecuado.
Verificación de la caída de presión en la ruta critica seleccionada: RUTA CRÍTICA: TRAMOS AB – BC – CD – DE – EF - Caída de presión máxima en la ruta critica: p rc max
0,15 4 bar 0, 6000 bar
Tramo AB:
pi = 4, 0000000 bar
pf = 3,95070247 bar
p
= 0,04929753 bar
Tramo BC:
pi = 3,95070247 bar
pf = 3,926647 bar
p
= 0,02405547 bar
Tramo CD:
pi = 3,926647 bar
pf = 3,918061635 bar
p
= 0,008585365bar
Tramo DE:
pi = 3,918061635
pf = 3,845181805 bar
p
= 0,07287983 bar
Tramo EF:
pi =3,845181805 bar
pf = 3,679751509 bar
p
= 0,165430296bar
p TOTAL =
p = 0,32024849bar
Hay que verificar que la caída de presión en la ruta AB-CD-DE- EF sea menor que la caída de presión máxima en la ruta considerada crítica.
p rc = 0,32024 bar
≤
p rc máx 0,60000 bar
¡OK!
Ahora hay que dimensionar los tramos: BG, CH, DI y EJ. 55
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Tramo BG: ptramoBG
max
Q = 300 sm 3 / h 0,10%
pi = 3,95070247 bar
L = 50 m
pi ptramoBG
La presión al final del tramo:
p tramo
0,10 3,95070247
max
= pi - pf ≤ p
0,3950702470 bar
tramo máx
0,395070247 bar - pf ≤ 3,95070247 bar Luego :
pf = 3,555632223 bar Pf = 3,555632223 bar + 1,01325 bar = 4,568882223 bar
Ahora: Diámetro estimado de tubería
D
3, 456
300 4,56882223
28,0046
mm
Considerando tubería de polietileno SDR 17,6 serie métrica: DN = 40 m ; Di = 31,4 mm; t = 4,3 mm
Verificación del diámetro seleccionado: i. Verificación de la caída de presión producida en el tramo de tubería:
L equiv = 50 x 0,11mm = 5,5 m
LE = 50m + 5,5 m = 55,5 m La presión al final del tramo:
Pi 2 Pf 2 46,76 S LE Q 1,82 D 4,82 (3,95070247 1.01325) 2 P f 2 46,76 0,61 55,5 300 1,82 31,4 Pf = 4,6402116 bar Luego, en:
4,82
3,109260435
p f = Pf - 1,01325 bar = 3,6269616 bar
p tramo
pi pf
p maximotramo
3,95070247 bar – 3,6269616 bar= 0,3237408704 bar ≤ 0,395070247 bar ¡ok! ii. Verificación de la velocidad de circulación del gas: V V
358,364
358,364
Q 2
D Pf
300 (31, 4)
2
Q D
300 31,4
9,554
30 m / s
30,06 m / s
3,6269616
iii. Verificación de la relación Q / D:
30
m/ s
¡OK!
150 150 ¡OK !
Esto significa que el diámetro seleccionado para el tramo BG, es adecuado. 56
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Q = 100 sm 3 / h
Tramo CH:
pi = 3,926647 bar
ptramoCH
0,10%
ptramoCH
0,10% 3,926647
max
max
pi
La presión al final del tramo:
=0,3926647 bar
p tramo
= pi - pf ≤ p
0,3926647 bar - pf Luego :
L = 30 m
tramo máx
≤ 3,926647 bar
pf = 3,5339823 bar Pf = 3,5339823 bar + 1,01325 bar = 4,5472323 bar
Ahora: Diámetro estimado de tubería
D
3, 456
100 4,5472323
16, 20690787 mm
Considerando tubería de polietileno SDR 17,6 serie métrica: DN = 40 m ; Di = 31,4 mm; t = 4,3 mm
Verificación del diámetro seleccionado: i. Verificación de la caída de presión producida en el tramo de tubería:
L equiv = 30 x 0,11mm = 3,3 m
LE = 30m + 3,3 m = 33,3 m Pi 2
La presión al final del tramo: (3,926647
2 1.01325) 2 P f
Pf = 4,914362309 bar. Luego, en:
Pf 2
46,76 S LE Q
1,82
D
46, 76 0, 61 33, 3100 1,82 31, 4
4,82
4,82
0, 2526083297
p f = Pf -1,01325 bar = 3,901012309 bar
p tramo
pi pf
p maximotramo
3,926647 bar – 3,901012309 bar= 0,3237408704 bar ≤ 0,3926647 bar ¡ok! ii. Verificación de la velocidad de circulación del gas: V V
358,364
358,364
Q 2
D Pf
100 (31, 4)
2
Q D
100 31,4
3,1847
30 m / s
9,317 m / s
3,901012309
iii. Verificación de la relación Q / D:
30
m/ s
¡OK!
150 150 ¡OK !
Esto significa que el diámetro seleccionado para el tramo CH es adecuado.
57
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Q = 350 sm 3 / h
Tramo DI:
pi = 3,918061635 bar
ptramoDI
0,10%
ptramoDI
0,10% 3,918061635
max
max
L = 18 m
pi
La presión al final del tramo:
=0,3918061635 bar
p tramo
= pi - pf ≤ p
tramo máx
0,3918061635bar = 3,918061635 bar – pf Luego :
pf = 3,526255472 bar Pf = 3,526255472 bar + 1,01325 bar = 4,539505472 bar
Ahora: Diámetro estimado de tubería
D
3, 456
350
4,539505472
30,34614189 mm
Considerando tubería de polietileno SDR 17,6 serie métrica: DN = 40 m ; Di = 31,4 mm; t = 4,3 mm
Verificación del diámetro seleccionado: i. Verificación de la caída de presión producida en el tramo de tubería:
L equiv = 18 x 0,11mm = 1,98 m
LE = 18 m + 1,98 m = 19,98 m Pi 2 Pf 2 46,76 S LE Q 1,82 D
La presión al final del tramo:
(3,918061635
1,01325) 2 P f 2 46,76 0,6119,98 350 1,82 31,4
Pf = 4,778701655 bar Luego, en:
pf
p tramo
= Pf - 1,01325 bar =
pi pf
4,82
4,82
1,481844929
3,765451655 bar
p maximotramo
3,918061635bar – 3,765451655 bar= 0,1526099795 bar ≤ 0,3926647 bar ¡ok! ii. Verificación de la velocidad de circulación del gas: V V
358,364
358,364
Q D Pf
350 (31,4)
2
2
4,53
D 350 31,4
11,14
30 m / s
9,317 m / s
Q
iii. Verificación de la relación Q / D:
30
m/ s
¡OK!
150
150 ¡OK !
Esto significa que el diámetro seleccionado para el tramo DI, es adecuado. 58
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Tramo EJ:
Q = 150 sm 3 / h
pi = 3,84518180 bar
ptramoEJ
0,10%
ptramoEJ
0,10% 3,84518180
max
max
L = 10 m
pi
La presión al final del tramo:
=0,384518180 bar
p tramo
= pi - pf ≤ p
tramo máx
0,384518180 bar = 3,84518180bar – pf Luego :
pf = 3,46066362 bar Pf = 3,46066362 bar + 1,01325 bar = 4,47391362 bar
Ahora: Diámetro estimado de tubería
D
3, 456
150
20,011 mm
4,47391362
Considerando tubería de polietileno SDR 17,6 serie métrica: DN = 32 m ; Di = 27,4 mm; t = 2,3 mm
Verificación del diámetro seleccionado: i. Verificación de la caída de presión producida en el tramo de tubería:
L equiv = 10 x 0,11mm = 1,1 m
LE = 10m + 1,1 m = 11,1 m Pi 2 Pf 2
La presión al final del tramo: (3,84518180
¡ok!
46,76 S LE Q
1,01325) 2 P f 2 46,76 0,61 11,1 1501,82 27,4
Pf = 4,823348497 bar Luego, en:
1,82
4,82
D
4,82
0,3396688297
p f = Pf -1,01325 bar = 3,810098497 bar
p tramo
pi pf
p maximotramo
3,84518180 bar –3,810098497 bar= 0,03508330279 bar
≤
0,3926647 bar
30
m/ s
ii. Verificación de la velocidad de circulación del gas: Q V 358,364 2 30 m / s D Pf V
358,364
150 (27,4)
2
14,8445 m/ s
4,823348497
Q
iii. Verificación de la relación Q / D:
D 150 27,4
5, 474
¡OK!
150
150 ¡OK !
Esto significa que el diámetro seleccionado para el tramo EJ, es adecuado. El cuadro siguiente muestra los resultados de este ejemplo.
59
INSTALACIONES INDUSTRIALES
PLANILLA DE CÁLCULO DE TUBERIAS
TRAMO
A-B BC CD DE EF
CAUDAL LONGITUD PRESIÓN MANOMÉTRICA DIÁMETRO Q L real L cálculo p1 p2 p= p 1 - p2 D cálculo Di adoptado D nominal NR [sm 3 / h] [m] [m] [ bar ] [ bar ] [ bar ] [ mm] [ mm] pulg 1500 1200 1100 750 600
100 90 30 80 115
111 99,9 33,3 88,8 127,65
4 3,950702 3,926647 3,918062 3,845182
Caida de presión =
TRAMO
CAUDAL Q [sm 3 / h]
BG CH DI EJ
300 100 350 150
60
3,9507 3,92665 3,91806 3,84518 3,67975
0,04929753 0,02405547 0,008585365 0,07287983 0,165430296
0,32025 bar
60,66 54,606 51,91 51,4 40,6335
97,4 97,4 97,4 66,4 55,8
<
0,6
4 4 4 2 1/2 2 bar
55 33 19,8 11
3,950702 3,926647 3,918062 3,845182
3,62696 3,90101 3,76545 3,8101
0,32374087 0,025634691 0,15260998 0,035083303
28,05 16,207 30,34 20,011
31,4 31,4 31,4 27,4
Unión
HDP HDP HDP HDP HDP
caida de presión máxima
LONGITUD PRESIÓN MANOMÉTRICA DIÁMETRO L real L cálculo p1 p2 p= p 1 - p2 D cálculo Di adoptado D nominal [m] [m] [ bar ] [ bar ] [ bar ] [ mm] [ mm] pulg 50 30 18 10
17,6 17,6 17,6 17,6 17,6
Material
40 40 40 32
NR
Material
17,6 17,6 17,6 17,6
HDP HDP HDP HDP
Unión
INSTALACIONES INDUSTRIALES
PROBLEMAS Problema 11.06:
Determine los diámetros mínimos que son requeridos para cada tramo del tendido de g as natural, del Ejemplo 11.7, haciendo uso de una hoja de cálculo y considerando la siguiente información Relación Dimensional Estandar SDR Diámetro Nominal mm
SDR 17,6 Espesor mínimo mm
Diámetro interno mm
Peso medio kg/mm
SDR 11 Espesor mínimo mm
Diámetro interno mm
Peso medio kg/mm
20
N.P.
N.P.
3
14
0,16
25
N.P.
N.P.
3
19
0,21
32
N.P.
N.P.
3
26
0,28
40
3
0,36
3,7
32,6
0,43
34,0
50
3
44,0
0,45
4,6
40,8
0,66
63
3,6
55,8
0,68
5,8
51,4
1,05
75
4,3
66,4
0,97
6,8
61,4
1,46
90
5,2
79,6
1,4
8,2
73,6
2,11
110
6,3
97,4
2,07
10
90
3,12
125
7,1
110,8
2,64
11,4
102,2
4,05
140
8
124,0
3,31
12,7
114,6
5,05
160
9,1
141,8
4,32
14,6
130,8
6,062
180
10,3
159,4
5,49
16,4
147,2
8,37
200
11,4
177,2
6,74
18,2
163,6
10,32
225
12,8
199,4
8,5
20,5
184
13,06
250
14,2
221,6
10,49
22,7
204,6
16,06
PRESIONES DE TRABAJO < 250
0,4 MPa
<315
0,35 MPa
<450
0,3 MPa
<630
0,4 MPa
0,25 MPa
SDR 17 ,6 = Di ámetro Nominal / Espesor Nomina l
61
INSTALACIONES INDUSTRIALES
PLANILLA DE CÁLCULO DE TUBERIAS
TRAMO
A-B BC CD DE EF
CAUDAL LONGITUD PRESIÓN MANOMÉTRICA DIÁMETRO Q L real L cálculo p1 p2 p= p 1 - p2 D cálculo Di adoptado D nominal NR [sm 3 / h] [m] [m] [ bar ] [ bar ] [ bar ] [ mm] [ mm] pulg 1500 1200 1100 750 600
100 90 30 80 115 Caida de presión =
TRAMO
CAUDAL Q [sm 3 / h]
BG CH DI EJ
300 100 350 150
62
4
17,6 17,6 17,6 17,6 17,6 0
bar
<
0,6
bar
LONGITUD PRESIÓN MANOMÉTRICA DIÁMETRO L real L cálculo p1 p2 p= p 1 - p2 D cálculo Di adoptado D nominal [m] [m] [ bar ] [ bar ] [ bar ] [ mm] [ mm] pulg 50 30 18 10
Material
Unión
HDP HDP HDP HDP HDP
caida de presión máxima
NR
Material
17,6 17,6 17,6 17,6
HDP HDP HDP HDP
Unión
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Problema 11.07:
Determine los diámetros mínimos que son requeridos para cada tramo del tendido de g as natural, del Ejemplo 11.7, haciendo uso de una hoja de cálculo y considerando la siguiente i nformación TABLA N 2.1 TUBERÍA DE ACERO TUBO EXTREMO PLANO (1) TRAZADO DIÁMETRO
DIÁMETRO
NOM INA L
EXTERIOR
ESP ESOR
P UL GA D A S
P UL GA D A S
P UL GA D A S
CONJUNTO FA BRICADO
CLASE 1
CLASE 1 D int
ESP ESOR
mm PULGADAS
Tubo roscado
TRAZADO CLASE 2
D int
ESP ESOR
mm PULGADAS
TRAZADO
Estaciones compresoras
todas las clases
CLASE 3 Y 4
D int
ESP ESOR
mm PULGADAS
D int
ESP ESOR
mm PULGADAS
D int
ESP ESOR
D int
mm PULGADAS
mm
. 1/8
0,405
0,035
8,509
0,065
6,985
0,065
6,985
0,065
6,985
0,068
6,83
0,095
*
5,461
*
. 1/4 .3/8 .!/2
0,540 0,676 0,840
0,037 0,041 0,046
11,836 15,088 18,999
0,065 0,065 0,065
10,414 13,868 18,034
0,065 0,065 0,065
10,414 13,868 18,034
0,065 0,065 0,065
10,414 13,868 18,034
0,088 0,091 0,109
9,25 12,55 15,80
0,119 0,126 0,147
* * *
7,671 10,770 13,868
* * *
.3/4 1 1 1/4 1 1/2
1,050 1,315 1,660 1,900
0,048 0,053 0,061 0,065
24,232 30,709 39,065 44,958
0,065 0,065 0,065 0,065
23,368 30,099 38,862 44,958
0,065 0,065 0,065 0,065
23,368 30,099 38,862 44,958
0,065 0,065 0,065 0,065
23,368 30,099 38,862 44,958
0,113 0,133 0,14 0,145
20,93 26,64 35,05 40,89
0,154 0,179 0,191 0,200
* * * *
18,847 24,308 32,461 38,100
* * * *
2 2 1/2 3
2,375 2,875 3,500
0,075 0,083 0,083
56,515 68,809 84,684
0,075 0,085 0,098
56,515 68,707 83,922
0,075 0,085 0,098
56,515 68,707 83,922
0,075 0,085 0,098
56,515 68,707 83,922
0,154 0,203 0,216
52,50 62,71 77,93
0,218 0,203 0,216
* * *
49,251 62,713 77,927
* * *
3 1/2 4
4,000 4,500
0,083 0,083
97,384 110,084
0,108 0,116
96,114 108,407
0,108 0,116
96,114 108,407
0,108 96,114 0,116 108,407
0,226 0,237
90,12 102,26
0,226 0,237
* *
90,119 102,260
* *
5 8
5,563 6,625 8,625
0,083 0,083 0,104
137,084 164,059 213,792
0,125 0,134 0,134
134,950 161,468 212,268
0,125 0,134 0,134
134,950 161,468 212,268
0,125 134,950 0,156 160,350 0,172 210,337
0,258 0,28 0,322
128,19 154,05 202,72
0,250 0,250 0,250
** ** **
128,600 155,575 206,375
** ** **
10 12
10,750 12,750
0,104 0,104
267,767 318,567
0,164 0,164
264,719 315,519
0,164 0,164
264,719 315,519
0,188 263,500 0,203 313,538
273,05 323,85
0,250 0,250
** **
260,350 311,150
** **
6
63
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TABLA N 2.1 TUBERÍA DE ACERO TUBO EXTREMO PLANO (1) TRAZADO
CONJUNTO
DIÁMETRO EXTERIOR
ESP ESOR
D int
ESP ESOR
D int
ESP ESOR
D int
ESP ESOR
D int
ESP ESOR
D int
P ULGA DA S
P ULGA DA S
P ULGA DA S
mm
PULGADAS
mm
PULGADAS
mm
PULGADAS
mm
PULGADAS
mm
0,134 0,134 0,134 0,134 0,164 0,164 0,164 0,164 0,164 0,218 0,218 0,218 0,250 0,250 0,250
348,793 399,593 450,393 501,193 550,469 601,269 652,069 702,869 753,669 801,726 852,526 903,326 952,500 1003,300 1054,100
0,164 0,164 0,188 0,188 0,188 0,188 0,188 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,312 0,312 0,312
CLASE 2
todas las clases
NOM INA L
14,000 16,000 18,000 20,000 22,000 24,000 26,000 28,000 30,000 32,000 34,000 36,000 38,000 40,000 42,000
CLASE 1
TRAZADO
DIÁMETRO
14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42
CLASE 1
Tubo roscado
TRAZADO
FA BRIC ADO
347,269 398,069 447,650 498,450 549,250 600,050 650,850 698,500 749,300 800,100 850,900 901,700 949,350 1000,150 1050,950
0,164 0,164 0,188 0,188 0,188 0,188 0,188 0,25 0,250 0,25 0,250 0,25 0,312 0,312 0,312
CLASE 3 Y 4
347,269 398,069 447,650 498,450 549,250 600,050 650,850 698,500 749,300 800,100 850,900 901,700 949,350 1000,150 1050,950
0,21 0,219 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,281 0,281 0,312 0,312 0,312 0,375 0,375 0,375
344,932 395,275 444,500 495,300 546,100 596,900 647,700 696,925 747,725 796,950 847,750 898,550 946,150 996,950 1047,750
* Extremo plano roscado ** Extremo plano solamente (1) Para tuberia cuyo espesor de pared supera 0,9 mm (0.035 pulgadas) es te valor puede calcularse por interpolación basándos e en los diámetros exteriores indicados en la tabla. Las tuberías de instrumental , control y muestreo no están limitados por esta tabla. nota: El menor espes or de los tubos y tubos de acero de extremo plano menores de 2" de diámetro usados en línea de servicio, no está limitado por la tabla, pero no s erá menor de 0,9 mm (0.035 pulgadas) en cualquier clas e de trazado. Tales líneas de servicio serán revestidas externamente y protegidas catódicamente, y no deberán operar a una presión que exceda el 60% de la prueba en fábrica o 10,54 kg/cm 2 m anométrico ( 150 psig), de ellas la menor.
64
355,60 406,40 457,20 508,00 558,80 609,60 660,40 711,20 762,00 812,80 863,60 914,40 965,20 1016,00 1066,80
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TRAMO
A-B BC CD DE EF
CAUDAL LONGITUD PRESIÓN MANOMÉTRICA DIÁMETRO Q L real L cálculo p1 p2 Di adoptado D nominal NR p= p 1 - p2 D cálculo [sm 3 / h] [m] [m] [ bar ] [ bar ] [ bar ] [ mm] [ mm] pulg 1500 1200 1100 750 600
100 90 30 80 115 Caida de presión =
TRAMO
CAUDAL Q [sm 3 / h]
BG CH DI EJ
300 100 350 150
4
ACERO ACERO ACERO ACERO ACERO 0
bar
<
0,6
bar
LONGITUD PRESIÓN MANOMÉTRICA DIÁMETRO L real L cálculo p1 p2 p= p 1 - p2 D cálculo Di adoptado D nominal [m] [m] [ bar ] [ bar ] [ bar ] [ mm] [ mm] pulg 50 30 18 10
Material
Unión
SOLDADO SOLDADO SOLDADO SOLDADO SOLDADO
caida de presión máxima
NR
Material
Unión
ACERO ACERO ACERO ACERO
SOLDADO SOLDADO SOLDADO SOLDADO
65
INSTALACIONES INDUSTRIALES
3.3 Alta presión: La fórmula de Weymouth: Puede suceder que en el proyecto de una instalación de gas, industrial, debe proveerse la alimentación de un ramal de gasoducto, con gas a alta presión desde un punto determinado de la red. En estos casos, cuando el caudal diario es menor que 500 000 m 3 / día, la presión esté comprendida entre 5 bar y 25 bar y el diámetro no sea mayor de 300 mm ( 12 pulgadas), se puede emplear la fórmula de Weymouth:
Q
W Z E
Pi 2
P f 2
L E
Donde: Q: Caudal de gas, m 3 / día W: Constante de Weymouth, cuadro Nº 1 Z: Factor de compresibilidad del gas, cuadro Nº 2 E: Coeficiente de eficiencia, cuadro Nº 3 Pi: Presión absoluta al inicio del tramo, kg/cm 2 Pf: Presión absoluta al final del tramo, kg/cm 2 L E: Longitud de cálculo del tramo de tubería, km L E = L física del tramo más la longitud equivalente de accesorios, válvulas, elementos de control, etc. La constante de Weymouth, depende del diámetro, pudiéndose adoptar los valores indicados en el cuadro siguiente: Cuadro Nº 1 . Constante de Weymouth W
Diámetro mm
pulgadas
13 19 25 38 51 75 100 125 200 250 300
1/2 3/4 1 1 1/2 2 3 4 5 8 10 12
123 260,1 496,8 1552,3 3022,4 9085,5 19054,6 58526,4 118662,2 216032,9 342813,8
El factor de compresibilidad z, depende de la presión absoluta inicial Pi, indicándose los valores en el cuadro siguiente. 1 bar = 1,019716 kg/cm 2.
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Cuadro Nº 2 . Factor de compresibilidad Z Presión inicial: Pi kg / cm 2 abs.
Factor Z
5 a 10 10 a 20 20 a 25
1,01 1,02 1,03
El coeficiente de eficiencia E se establece en función del diámetro de la tubería y el caudal diario circulante de gas. Úsese los valores indicados en el cuadro Nº 3.
EJEMPLO 11.08: Calcular el diámetro de un ramal desde un gasoducto, destinado a suministrar gas a alta presión a un establecimiento industrial. Los requerimientos y datos son los siguientes: - Caudal necesario: 5000 m 3 / día - Presión inicial: 7 kg / cm 2 manométrica, en el gasoducto - Presión final: 6,3 kg / cm 2 manométrica a la entrada del establecimiento. (se ha considerado el 10 % de caida de presión inicial) - Largo del ramal: 3 km Para determinar el diámetro del ramal (tramo) es necesario efectuar el predimensionamiento y luego su verificación para considerar un diámetro definitivo.
PREDIMENSIONAMIENTO De la fórmula de Weymouth:
Q
W Z E
Pi 2
P f 2
L
Con: Q = 5000 m 3 / día Pi = 7 + 1,033 = 8,033 kg/cm 2 Pf = 6,3 + 1,033 = 7,333 kg/cm 2 L = 3 km Para Pi = 8,033 kg/cm 2 Para Q = 5000 m 3 / día
Z 1,01 E = 1,0
Se obtiene la constante de Weymouth: W = 2614,4. con este valor se va al cuadro y se selecciona: W = 3022,4 que corresponde a un diámetro D = 51 mm ( 2 pulgadas)
VERIFICACIÓN DEL DIÁMETRO La verificación del diámetro de 51 mm, se realiza calculando el caudal de gas que pasa a través de la tubería, el cual debe ser igual o mayor que el caudal requerido por el cliente. 67
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Cuadro Nº 3. Coeficiente de eficiencia E Diámetro mm pulgadas 500 000 300 000 200 000
19 25 38 51 75 100 130 200 250 300
3/4 1 1 1/2 2 3 4 6 8 10 12
1,13 1,06 1,01 0,94 0,9
1,17 1,11 1,02 0,96 0,93 0,87
1,22 1,16 1,1 0,98 0,92 0,87 0,81
Caudal en m 3 / día 120 000 80 000 50 000 30 000 20 000 12 000
1,2 1,14 1,05 0,94 0,86 0,84 0,8
1,22 1,17 1.09 1.01 0,88 0,84 0,81 0,76
1,19 1,13 1,02 0,96 0,86 0,82 0,79 0,73
1,15 1,06 0,97 0,92 0,84 0,79 0,72
1,11 1,03 0,95 0,9 0,79 0,72
1,15 1,06 1,01 0,9 0,82
8 000 1,18 1,1 1,01 0,96 0,85
5 000 1,1 1,05 0,96 0,9 0,8
3 000 1,06 1,03 0,9
2 000 1,02 0,99
1 200 0,95 0,92
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Conocido el diámetro, ahora se puede estimar las pérdidas en los accesorios, válvulas y otros. Lequ = (30 x 14 + 30 x 20 + 333 + 2 x 100) x 51 mm = 79203 mm =0,079203 km. Si no se conoce el detalle, se puede tomar 3 a 5 % de la longitud del tramo. L equ = 0,03 x 3 km = 0,09 km. L E = 3,09 km ELEMENTO
LONGITUD EQUIVALENTE
Codo a 45º Codo a 90º Curva Te flujo a través Reducciones Te flujo a 90º Válvula globo Válvula esclusa Válvula macho
14 d 30 d 20 d 20 d 10 d menor 60 d 333 d 7d 100 d
Con d = 51 mm del cuadro W = 3022,4 Con d = 51 mm y Q = 5000 m 3 / día del cuadro Con Pi = 8,033 k/cm 2 del cuadro Z = 1,01
E
= 0,90
Luego:
Q 3022, 4 1,01 0,90
8,0332 7,3332 3,09
= 5125,85 m 3 / día
Resulta algo mayor que el requerido por el cliente, lo cual es satisfactorio. Puede prepararse una hoja de cálculo.
Entonces, para satisfacer el requerimiento del transporte de 500 m 3 / d, será suficiente una tubería de acero de diámetro interior mínimo 51 mm. Ahora hay que seleccionar del mercado una tubería con un diámetro interior igual o mayor que 51 mm. OD ASTM
OD API
pulg 2
PULG 2 3/8
PESO
ESPESOR
DI METRO INTERIOR
Lb/ft 3,66 4,05
pulg 0,154 0,172
Pulg 2,067 2,031
mm 52,5018 51,5874
TIPO
CÉDULA
ST ST
40 40
INSTALACIONES INDUSTRIALES
VERIFICACIÓN DE LA TUBERÍA SELECCIONADA Del ASME B31.8, la presión de diseño para los sistemas de tuberías a gas, o el espesor nominal de la pared, se determinan mediante la siguiente fórmula:
donde: p= s= t= D= F=
E= T=
presión de diseño, psig tensión mínima de fluencia, psig espesor nominal de pared, pulgadas diámetro nominal exterior de la pared, pulgadas factor de clase de localidad Tabla 8.41.114 A Tabla 8.41.114 B factor de junta longitudinal Tabla 8.41.115 A factor de disminución de temperatura Tabla 8.41.116 A
Presión requerida del sistema: p i = p hidráulica
pi = 1,5 x 7 kg/cm = 10,5 kg / cm 2
x
14,2261 psi / kg /cm2 = 149, 37 psi
Considerando que la alimentación al ramal, se realiza desde un ducto que se encuentra a 10 kg/cm 2; y que fallen las válvulas, se puede considerar una presión de diseño: p = 10 / 7 x 149,37 psi = 213,3857 psi tomando en cuenta un material de S = 30 000 psi, con diámetro nominal de 2,375 pulgadas, y de : Tabla 841.114 A Tabla 841.114 B
F = 0,72
Tabla 841.115 A Tabla 841.116 A
E = 1,0 T = 1,0
Se tiene:
t=
0,0117461 pulg < 0,154 pulg = espesor de la tubería
La tubería es apropiada:
70
ASTM DN = 2 pulg Do = 2 3/8 pulg Di = 2,067 pulg
NR 40 t = 0,154 pulg Sy = 30 000 psi pi = 3400 psi
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Problema 11.09: Usando la fórmula de Weymouth, determinar el caudal en un gasoducto de 15 km de longitud y de 10,2 cm de diámetro, número de referencia 40, cuando un manómetro tipo Bourdon registra la presión de entrada de 137,9 kPa y otro manómetro del mismo tipo registra a la salida una presión de 13,79 kPa. El gas tiene una densidad relativa (al aire a 15 ºC) de 0,80 siendo la presión atmosférica igual a 101,4 kPa absolutos y la temperatura de 15 ºC. La tubería es horizontal. La salida del gas se encuentra 2 km por encima del extremo de entrada del gas. Explique si ésta situación ayuda o favorece al transporte del gas.
Q
W Z E
Pi 2
P f 2
L E
- El caudal que circula es de 678 450 m 3 / d. - Ayuda a circular el gas, debido a que su densidad es menor que la densidad del aire. Si se utiliza una tubería de 125 mm de diámetro, ¿En qué porcentaje se incrementa el flujo de gas?
El flujo se incrementa en un 207,1 %.
71
INSTALACIONES INDUSTRIALES
INSTALACIONES INDUSTRIALES
4.
VERIFICACIÓN DEL ESPESOR DE LA TUBERÍA SELECCIONADA
EJEMPLO 11.09:
Espesor de la tubería
Diámetro Nominal DN = 4 pulgadas Número de Referencia NR 40 Diámetro exterior Do = 4,5 pulgadas Espesor t = 0,237 pulgadas. Resistencia a la cedencia del material, Sy = 42 000 psi
RESISTENCIA DE MATERIALES Mott El tramo de tubería, que constituye el ramal de alimentación de Gas Natural, se puede considerar como un tanque cilíndrico sometido a una presión interna igual a 50 bar. Este valor proviene de la línea de gas de la cual se abastece el ramal. La magnitud del esfuerzo en la pared de la tubería a presión varía en función de la posición en la pared. Cuando el espesor de la pared de la tubería a presión es pequeño, la consideración de que el esfuerzo es uniforme en toda la pared produce un error insignificante. La figura siguiente muestra la definición de diámetros, radios y espesor de pared.
El radio medio se define como:
Rm
El diámetro medio se define como :
Dm
Ri Ro 2 Di Do 2
Además, esta consideración permite desarrollar fórmulas de esfuerzo relativamente simples. La presión interna tiende a: - Romper por tracción a la tubería en una dirección paralela a su eje. Ésta fuerza es resistida por la fuerza presente en las paredes de la tubería, la cual a su vez crea un esfuerzo de tensión en la pared de la tubería denominado esfuerzo longitudinal .
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Fuente: Robert Mott. Mecánica de Fluidos. 2006
Figura Nº . Esfuerzo longitudinal La fuerza que produce la presión interna pi: FR = pi x Ai = pi x x Di 2 / 4 Esta fuerza es resistencia por el material de la tubería FL, la cual somete al material a esfuerzo longitudinal L : F L = L Ac = L x [ Do 2 - Di 2 ] / 4. El equilibrio establece: FR = F L pi x Ai = pi x x Di 2 / 4 =
L
x [ Do 2 - Di 2 ] / 4
Considerando un error menor o igual a 5%, se tiene que: t / Di ≤ 0,05 = 1/ 20. De donde Di / t ≥ 20. Esta sería la condición para considerar a la tubería como de pared
delgada. Además, puede utilizarse Do en lugar de Di. Con lo cual se tiene las siguientes expresiones: Dm
Condición de tubería de pared delgada:
t
Presión interna en la tubería:
pi
4 t
El esfuerzo longitudinal:
74
Do pi Do 4 t
20
INSTALACIONES INDUSTRIALES
-
Empujar hacia afuera uniformemente alrededor del anillo del cilindro; por lo cual en éste se desarrolla un esfuerzo de tensión tangencial a su circunferencia para resistir la tendencia de la presión interior a reventar el cilindro. Este esfuerzo de tensión en la pared de la tubería es el denominado esfuerzo anular.
Fuente: Robert Mott. Mecánica de Fluidos. 2006 Figura Nº . Esfuerzo anular La resultante de las fuerzas creadas por la presión interna: F R = pi x Ai = pi x Di x L El esfuerzo de tensión en la pared del cilindro es igual a la fuerza resistente dividida entre el área de la relación transversal de la pared: F L = Ac = a x 2 t L Luego: FR = F L pi x Ai = pi x Di x L
pi
2
Utilizando Do en lugar de Di:
a
t
x 2 t L
Di pi
pi Di 2
t
2 t
Do pi Do
2
t
Esta es la ecuación del esfuerzo anular, en un cilindro de pared delgada sometido a una presión interna, el cual es dos veces la del esfuerzo longitudinal. En adelante se considera esta ecuación para obtener el espesor de la tubería. Es evidente que este esfuerzo anular debe ser menor que la resistencia a la cedencia del material de que está hecha la tubería; es decir: σ ≤ σ a = Sy / N. donde N es el factor de diseño a considerar en las aplicaciones específicas. 75
INSTALACIONES INDUSTRIALES
En resumen, se tiene: -
El diámetro medio está dado por Dm = (Di + Do ) / 2 Si se verifica que Dm / t ≥ 20; entonces se trata de cilindro con pared delgada
y se puede aplicar la siguiente ecuación: pi
2 t
Do
Donde: pi es la presión interna a que se encuentra la tubería (lb/pulg 2); σ es el esfuerzo admisible a que se puede someter el material sin que éste falle (lb/pulg 2); debe ser menor o igual al esfuerzo admisible σ a; t es el espesor de la tubería (pulgadas); Do es el diámetro exterior de la tubería (pulgadas). En el caso del ramal del gasoducto, como se alimenta de una línea de 50 bar de presión, ésta sería la presión máxima a que estaría expuesta la tubería en el caso de producirse alguna falla en la estación de regulación. El esfuerzo máximo a que puede someterse el material de la tubería está dado por el esfuerzo de diseño σa, el cual se puede referir a la resistencia a la cedencia del material Sy y a un factor de diseño N, que el diseñador tomará un valor considerando condiciones de servicio, ubicación de la tubería, terreno donde se enterrará la tubería, etc.. Es usual considerar σa = Sy / 6. O también referirlo al esfuerzo último σa = σ u / 9; este esfuerzo σ u es el valor en el cual se considera que la tubería estalla por acción de la presión interna. Estos valores de 6 y 9, son valores generales cuando no se tenga conocimiento específico de la situación. La literatura reporta que no se responsabiliza por usar estos valores y recalca que la responsabilidad es la del diseñador o calculista. Considerando el factor de diseño N = 6, se tiene: σa = Sy / 6 2 a t pi Do
σa = 42 000 / 6 = 7000 psi Considerando un acero ASTM – A42: La presión interna: pi = psi Diámetro exterior de la tubería: Do = 4,5 pulg
t = 0,20 pulg Éste espesor es menor que 0,237 pulg. La tubería seleccionada es satisfactoria. Especificación de la tubería: Norma: API 1104. Especificación: 5 L Diámetro nominal: 4 pulg 76
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Diámetro interno: Di = 4,026 pulg Diámetro externo: Do = 4,500 pulg Espesor de la tubería: t = 0,237 pulg Número de referencia: NR = 40 Resistencia a la fluencia del material: Sy = 42 000 psi Peso: 10,80 lb / pie Proceso de manufactura: Electro Soldada, EW Resistencia a la presión interna: 3870 psi (dada por el fabricante) Presión de prueba hidrostática: 2650 psi (dada por el fabricante)
De ASME B31.8 se tiene:
Donde: pi: presión de diseño, psi S:
tensión mínima de fluencia especificada, psi
t:
espesor nominal de pared de la tubería, pulgadas
F:
factor de clase de localidad. Tabla 841.114B, F = 0,40
E:
factor de junta longitudinal. Tabla 841.115A, E = 1,0
T:
factor de disminución de temperatura, tabla 841.116 A, T = 1,0
D:
Diámetro nominal ( exterior de la tubería, en pulgadas)
Con los valores: pd = 50 x 1,5 = 75 bar P = 75 bar <> 1088 psi 1088 psi
2
42000 psi t 4,5 pu lg
0, 40 1, 0 1, 0
t = 0,1457 pulg <> 3,7011 mm Valor menor que el de la tubería considerada: t = 0,237 pulg.
TABLA 841.114A FACTOR BÁSICO DE DISEÑO, F Clase de Localidad Factor de Diseño, F Localidad Clase 1, División 1 0,80 Localidad Clase 1, División 2 0,72 Localidad Clase 2 0,60 Localidad Clase 3 0,50 Localidad Clase 4 0,40 77
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TABLA 841.114B FACTORES DE DISEÑO PARA CONSTRUCCIÓN CON TUBERÍA DE ACERO, F
Instalación
Clase
de
localidad
1
1
Div. 1
Div. 2
Ductos, líneas principales y líneas de servicio (véase párrafo 840.2(b)) Cruces de caminos, ferrovías, sin encamisado:
0,80
0,72
0,60 0,50
0,40
(a) Caminos privados
0,80
0,72
0,60 0,50
0,40
(b) Caminos públicos no mejorados (c) Caminos, carreteras, o calles, con superficie dura o ferrovías Cruces de caminos, ferrovías, con encamisado:
0,60 0,60
0,6 0,60
0,60 0,50 0,50 0,50
0,40 0,40
(a) Caminos privados
0,80
0,72
0,60 0,50
0,40
(b) Caminos públicos no mejorados
0,72
0,72
0,60 0,50
0,40
(c) Caminos, carreteras, o calles, con superficie dura o ferrovías Invasión paralela de ductos y líneas principales en caminos y ferrovías::
0,72
0,72
0,60 0,50
0,40
(a) Caminos privados (b) Caminos públicos no mejorados (c) Caminos, carreteras, o calles, con superficie dura o ferrovías Conjuntos fabricados (véase párrafo 841.121) Líneas de ductos en puentes (véase párrafo 841.122)
0,80 0,80 0,60
0,72 0,72 0,60
0,60 0,50 0,60 0,50 0,60 0,50
0,40 0,40 0,40
0,60 0,60
0,60 0,60
0,60 0,50 0,60 0,50
0,40 0,40
Tubería de estación de compresión
0,50
0,50
0,50 0,50
0,40
Cerca a concentraciones de gente, en Localidades Clase 1 y 2 (párr. 840.31(b))
0,50
0,50
0,50 0,50
0,40
78
2
3
4
INSTALACIONES INDUSTRIALES
TABLA 841.115A FACTOR DE JUNTA LONGITUDINAL, E Espec if. No
ASTM A 53
ASTM A 106 ASTM A 134 ASTM A 135 ASTM A 139 ASTM A 211 ASTM A 333 ASTM A 381 ASTM A 671 ASTM A 672 API 5L
Cl as e d e Tu b er í a
Factor E
Sin costura Soldado por Resistencia Eléctrica Soldada a Tope en Horno: Soldadura continua Sin costura Soldadura por Electro Fusión con Arco Soldado por Resistencia Eléctrica Soldado por Electro Fusión Tubería de Acero Soldad en Espiral Sin costura Soldada por Resistencia Eléctrica Soldadura por Arco Doble Sumergido Soldado por Electro Fusión Clases 13, 23, 33, 43, 53 Clases 12, 22, 32, 42, 52 Soldado por Electro Fusión Clases 13, 23, 33, 43, 53 Clases 12, 22, 32, 42, 52 Sin costura Soldado por Resistencia Eléctrica Soldado por Electro Fulguración Soldado por Arco Sumergido Soldado a Tope en Horno
1,00 1,00 0,60 1,00 0,80 1,00 0,80 0,80 1,00 1,00 1,00 0,80 1,00 0,80 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 0,60
NOTA GENERAL: Las definiciones de las diferentes clases de tubería soldada se dan en el párrafo 804.243.
TABLA 841.116A FACTOR DE DISMINUCIÓN DE TEMPERATURA, T, PARA TUBERÍA DE ACERO Temperatura, °F 250 o menos 300 350 400 450
Factor de Disminución de Temperatura, T 1,000 0,967 0,933 0,900 0,867
NOTA GENERAL: Para temperaturas intermedias, se debe interpolar el factor de disminución.
79
INSTALACIONES INDUSTRIALES
PROBLEMAS P11.1 Para producir 1 MMBTU / mes, se requiere:
COMBUSTIBLE
CANTIDAD
UNIDAD
GASOLINAS 97 95 90 84 DIESEL 2 5 6 KEROSENE LEÑA CARBÓN V EGETAL GAS NATURAL GLP PROPANO
P11.2. En el año 2000 se reportó que en una ciudad portuaria estaban establecidas: 11 empresas de producción de harina y conservas de pescado 27 empresas de producción de harina de pescado 25 empresas de producción de enlatados de pescado Son dos tecnologías de procesamiento aplicadas, según los porcentajes que se indican:
Producción
Producción Promedio Ton / año
Harina de pescado
17545
Enlatados
1484
80
Tipo de Tecnología
%
Secado a fuego directo
81
Secado a vapor con tubos
19
Secado a fuego directo
96
Secado a vapor con tubos
4
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Consumo, Galones / año
Producción
Diesel 2
Residual 500
Bunker 6
Harina
13087144
11848737
10524795
Enlatado
69158
108208
4513511
Total
13156302
11956945
15038306
Producción
Consumo, % Diesel 2
Residual 500
Bunker 6
Harina
99,47
99,1
69,99
Enlatado
0,53
0,90
30,01
Total
100,00
100,00
100,00
El consumo global de combustible entre todas las empresas pesqueras se distribuye como se i ndica.
Tipo de Combustible Diesel 2
Consumo, Galones / año 13156302
% 32,77
Residual 500
11956945
29,78
Bunker 6
15038306
37,45
Total
40151553
100,00
El vomumen de producción, así como la cantidad de pe scado procesado por tipo de productos elaborados se indi ca a continuación:
Producción Harina Enlatado
Total
Producción
Pescado Procesado
Ton / año
Ton / año
473706
1894824,01
37097,32
185486,61
510803,32
2080310,62
a. Si se quiere cambiar al uso de gas natural, ¿cuántos MMBTU/ año se requiere?. b. Determine el consumo de gas natural en sm 3 / d de gas natural. c. Determine el ahorro al usar gas natural, en USA$/año. d. Determin el costo en $ / ton de: -Harina de pescado Enlatados.
81
INSTALACIONES INDUSTRIALES
P11.8.
Se le ha solicitado a la empresa COSAN S. A. A. haga llegar su propuesta referente al DN de tubería de acero requerido para transportar 200 000 [sm 3 / d] de gas natural, La presión de entrada, al inicio de la tubería, es de 15 [bar]: 18 [km] de longitud de tubería hasta la entrada a la empresa, donde la presión es regulada a 4 [bar] para realizar el tendido de la red interna. Las condiciones ambientales son de 101,325 [kPa], 15,4 [°C]. La salida del gas se encuentra 150 [m] por debajo del extremo de la entrada del gas.
a. ¿Cuál es el DN de tubería de acero que se requiere?. ¿Coincide con la propuesta de la empresa COSAN S.A.A.?. Si en realidad nuestro consumo de gas natural debe ser de 400 000 [sm 3 / d]: b. ¿Sería una buena decisión considerar el doble de tamaño de la tubería calculada para el transporte de 200 000 [sm 3 / d]?. c. A su juicio, ¿cuál sería más conveniente: tender una línea de tubería gemela a la que transporta 200 000 [sm 3 / d]?, o ¿calcular nuevamente el diámetro que se requiere para el transporte de los 400 000 [sm 3 / d]:?.
El esquema muestra el abastecimiento de gas natural a dos P11.9. empresa, de una tubería que está a 20 bar de presión. Se adjunta el consumo térmico de las dos empresas. a. Dimensione el tramo AB. b. Dimensione el tramo BC. c. Dimensione el tramo BD. La tubería ha de ser de acero. ESUMEN: CONSUMO TÉRMICO Y ELÉCTRICO CONVERTIBL
CENTRO
GLP kg/mes
DIESSEL gal/mes
s M M
m/
s
s
e B
/
/
T
d
ia
U
s m h
o
ar
h T
aí
e
B d
h M M
Q /
3
m s
2343 22
17 6,264
175
Q1
9010 22
17 #####
675
Q2
970 25
10 3,881
109
Q3
20798 30
24 #####
809
Q4
5900
562 23
12 2,036
57
Q5
1355
226 25
12 0,753
21
QA
11598 28
12 #####
967
QB
312 22
24 0,591
17
QC
2855 30
24 3,966
111
QD
5357 30
17 #####
294
QE
24600
43850
La Poderosa
81231
1824
43379
56444
La Norteña
45678
1409
334644 39107
TOTAL =
U
ELECTRICO kW-h / mes
31855 182780
461553
54032
115 3234
INSTALACIONES INDUSTRIALES
83
INSTALACIONES INDUSTRIALES
INSTALACIONES INDUSTRIALES TABLA N 2.1 TUBERÍA DE ACERO TUBO EXTREMO PLANO (1) DIÁMETRO
DIÁMETRO
NOM INAL
EXTERIOR
PULGADAS
Tubo roscado
TRAZADO
CONJUNTO FA BRICADO
TRAZADO
TRAZADO
CLASE 1
CLASE 1
CLASE 2
CLASE 3 Y 4
ESPESOR
PULGADAS PULGADAS
D int
ESPESOR
mm PULGADAS
D int
ESPESOR
mm PULGADAS
D int
ESPESOR
mm PULGADAS
D int
todas las clases ESPESOR
mm PULGADA
. 1/8 . 1/4 .3/8 .!/2 .3/4 1 1 1/4 1 1/2 2 2 1/2 3 3 1/2 4 5 6 8
0,405 0,540 0,676 0,840 1,050 1,315 1,660 1,900 2,375 2,875 3,500 4,000 4,500 5,563 6,625 8,625
0,035 0,037 0,041 0,046 0,048 0,053 0,061 0,065 0,075 0,083 0,083 0,083 0,083 0,083 0,083 0,104
8,509 11,836 15,088 18,999 24,232 30,709 39,065 44,958 56,515 68,809 84,684 97,384 110,084 137,084 164,059 213,792
0,065 0,065 0,065 0,065 0,065 0,065 0,065 0,065 0,075 0,085 0,098 0,108 0,116 0,125 0,134 0,134
6,985 10,414 13,868 18,034 23,368 30,099 38,862 44,958 56,515 68,707 83,922 96,114 108,407 134,950 161,468 212,268
0,065 0,065 0,065 0,065 0,065 0,065 0,065 0,065 0,075 0,085 0,098 0,108 0,116 0,125 0,134 0,134
6,985 10,414 13,868 18,034 23,368 30,099 38,862 44,958 56,515 68,707 83,922 96,114 108,407 134,950 161,468 212,268
0,065 0,065 0,065 0,065 0,065 0,065 0,065 0,065 0,075 0,085 0,098 0,108 0,116 0,125 0,156 0,172
6,985 10,414 13,868 18,034 23,368 30,099 38,862 44,958 56,515 68,707 83,922 96,114 108,407 134,950 160,350 210,337
10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
10,750 12,750 14,000 16,000 18,000 20,000 22,000 24,000 26,000 28,000 30,000
0,104 0,104 0,134 0,134 0,134 0,134 0,164 0,164 0,164 0,164 0,164
267,767 318,567 348,793 399,593 450,393 501,193 550,469 601,269 652,069 702,869 753,669
0,164 0,164 0,164 0,164 0,188 0,188 0,188 0,188 0,188 0,25 0,25
264,719 315,519 347,269 398,069 447,650 498,450 549,250 600,050 650,850 698,500 749,300
0,164 0,164 0,164 0,164 0,188 0,188 0,188 0,188 0,188 0,25 0,250
264,719 315,519 347,269 398,069 447,650 498,450 549,250 600,050 650,850 698,500 749,300
0,188 0,203 0,21 0,219 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,281 0,281
263,500 313,538 344,932 395,275 444,500 495,300 546,100 596,900 647,700 696,925 747,725
Estaciones compresoras
0,068 0,088 0,091 0,109 0,113 0,133 0,14 0,145 0,154 0,203 0,216 0,226 0,237 0,258 0,28 0,322
D int
ESPESOR
D int
mm PULGADAS
mm
6,83 9,25 12,55 15,80 20,93 26,64 35,05 40,89 52,50 62,71 77,93 90,12 102,26 128,19 154,05 202,72
0,095 0,119 0,126 0,147 0,154 0,179 0,191 0,200 0,218 0,203 0,216 0,226 0,237 0,250 0,250 0,250
* * * * * * * * * * * * * ** ** **
5,461 7,671 10,770 13,868 18,847 24,308 32,461 38,100 49,251 62,713 77,927 90,119 102,260 128,600 155,575 206,375
* * * * * * * * * * * * * ** ** **
273,05 323,85 355,60 406,40 457,20 508,00 558,80 609,60 660,40 711,20 762,00
0,250 0,250 0,250 0,250 0,250 0,250 0,250 0,250 0,250 0,281 0,281
** ** ** ** ** ** ** ** ** ** **
260,350 311,150 342,900 393,700 444,500 495,300 546,100 596,900 647,700 696,925 747,725
** **
**
** ** ** ** ** ** ** ** ** **
85
INSTALACIONES INDUSTRIALES TABLA N 2.1 TUBERÍA DE ACERO TUBO EXTREMO PLANO (1)
DIÁMETRO NOMINAL P ULGA DA S
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42
DIÁMETRO EXTERIOR
Tubo roscado
TRAZADO
CONJUNTO FABRICADO
TRAZADO
TRAZADO
CLASE 1
CLASE 1
CLASE 2
CLASE 3 Y 4
ESPESOR
P ULGA DA S P ULGA DA S
D int
ESPESOR
D int
ESPESOR
D int
ESPESOR
mm
PULGADAS
mm
PULGADAS
mm
PULGADAS
Estaciones compresoras
todas las clases
D int
ESPESOR
mm
PULGADA
D int
mm
ESPESOR
D int
mm
PULGADAS
18,000
0,134
450,393
0,188
447,650
0,188
447,650
0,25
444,500
457,20
0,250
**
444,500
**
20,000
0,134
501,193
0,188
498,450
0,188
498,450
0,25
495,300
508,00
0,250
**
495,300
**
22,000
0,164
550,469
0,188
549,250
0,188
549,250
0,25
546,100
558,80
0,250
**
546,100
**
24,000
0,164
601,269
0,188
600,050
0,188
600,050
0,25
596,900
609,60
0,250
**
596,900
**
26,000
0,164
652,069
0,188
650,850
0,188
650,850
0,25
647,700
660,40
0,250
**
647,700
**
28,000
0,164
702,869
0,25
698,500
0,25
698,500
0,281
696,925
711,20
0,281
**
696,925
**
30,000
0,164
753,669
0,25
749,300
0,250
749,300
0,281
747,725
762,00
0,281
**
747,725
**
32,000
0,218
801,726
0,25
800,100
0,25
800,100
0,312
796,950
812,80
0,312
**
796,950
**
34,000
0,218
852,526
0,25
850,900
0,250
850,900
0,312
847,750
863,60
0,312
**
847,750
**
36,000
0,218
903,326
0,25
901,700
0,25
901,700
0,312
898,550
914,40
0,312
**
898,550
**
38,000
0,250
952,500
0,312
949,350
0,312
949,350
0,375
946,150
965,20
0,375
40,000
0,250
1003,300
0,312
1000,150
0,312
1000,150
0,375
996,950
######
0,375
**
996,950
**
42,000
0,250
1054,100
0,312
1050,950
0,312
1050,950
0,375 1047,750
######
0,375
**
1047,750
**
**
946,15
* Extremo plano roscado ** Extremo plano solam ente (1) Para tuberia cuyo espes or de pared supera 0,9 mm (0.035 pulgadas) este valor puede calcularse por interpolación basándos e en los diámetros exteriores indicados en la tabla. Las tuberías de instrumental , control y muestreo no están limi tados por esta tabla. nota: El menor espesor de los tubos y tubos de acero de extremo plano menores de 2" de diámetro usados en línea de servicio, no está limitado por la tabla, pero no será menor de 0,9 mm (0.035 pulgadas) en cualquier clase de trazado. Tales líneas de servicio serán revestidas externamente y protegidas catódicamente, y no deberán operar a una presión que exceda el 60% de la prueba en fábrica o 10,54 kg/cm 2 manométrico ( 150 psig), de ellas la menor.
86
**
INSTALACIONES INDUSTRIALES NTP - 111 - 010 TABLA 3 - Tubería de acero Diámetro Nominal mm
Espesor mínimo
Diámetro Interno
Pulgadas de la pared (mm)
mm
10,3
1/8
1,7
6,9
13,7
1/4
2,2
9,3
17,1
3/8
2,3
12,5
21,3
1/2
2,8
15,7
26,7
3/4
2,9
20,9
33,4
1
3,4
26,6
42,2
5/4
3,6
35,0
48,3
1 1/2
3,7
40,9
60,3
2
3,9
52,5
TABLA 4 - Tubería de polietileno SDR 17,6 serie métrica Tamaño nominal (mm)
Espesor de pared
Diámetro interior
(mm)
(mm)
32
2,3
27,4
40
2,3
35,4
63
5,8
51,4
110
6,3
97,4
160
9,1
141,8
200
11,4
177,2
250
14,2
221,6
TABLA 5 - Tubería de Cobre Diámetro externo (mm) Pulgadas 5/8 15,9 3/4 19,1 7/8 22,3 1 1/8 29,0
Espesor de pared pulgada
milímetro
Diámetro interior (mm)
0,040
1,02
13,86
0,042
1,07
16,96
0,045
1,14
20,02
0,050
1,27
26,46
14.2.8 El espesor mínimo de pared de las tuberías de cobre deberá ser de 1 mm y el diámetro máximo de 29 mm.
TABLA 6 - Técnicas para las uniones de tuberías Material de la tubería Técnica de empalme
Cobre
Soldadura fuerte (temperatura de fusión > 450ºC )
Polietileno
Unión de tope por termofusión o cuplas de electrofusión.
Acero
diámetro < 5,08 cm (2 pulg)
diámetro > 5,08 cm (2 pulg)
Acero negro
Junta roscada o soldada
Soldadura - Bridas
Acero galvanizado
Junta roscada
-----------
-------
INSTALACIONES INDUSTRIALES TUBERIA DE POLIET ILENO s/UNE 53.333 PARA CANALIZACIONES ENTERRADAS DE GAS
DIÁMETRO EXTERIOR ESPESOR
mm
mm
SDR 26
SDR 17,6
VOL. INT ESPESOR
D. INT
l/m
mm
mm
SDR 11
D. INT
VOL. INT
ESPESOR
mm
l/m
mm 2,0 2,3 3,0 3,7 4,6 5,8 6,8 8,2 10,0 11,4 12,7 14,6 16,4 18,2 20,5 22,7 25,4 28,6 32,2 36,4 41,0 45,5 51,0 57,3
20 25 32 40 50 63 75 90 110 125 140 160
180 200 225 250 280 315 355 400 450 500 560 630
7,7 8,6 9,6 10,7 12,1 13,6 15,3 17,2 19,1 21,4 24,1
184,6 207,8 230,8 258,6 290,8 327,8 369,4 425,6 461,8 517,2 581,8
26,76 33,91 41,84 52,52 66,42 84,39 107,17 135,66 167,49 210,09 265,85
2,3 2,9 3,6 4,3 5,2 6,3 7,1 8,0 9,1 10,3 11,4 12,9 14,2 16,0 17,9 20,2 22,8 25,6 28,5 31,9 35,8
PRESIONES < < < <
250 315 450 630
0,1 MPa SDR = DI
88
METRO
0,98 1,53 44,2 2,45 55,8 3,46 66,4 4,98 79,6 7,45 97,4 9,64 110,8 12,08 124,0 15,79 141,8 19,96 159,4 24,66 177,2 31,17 199,2 38,57 221,6 48,31 248,0 61,22 279,2 77,73 314,6 98,65 354,4 124,91 398,8 154,13 443,0 193,38 496,2 244,9 558,4 35,4
DE
D. INT
mm
16,0 20,4 26,0 32,6 40,8 51,4 61,4 73,6 90,0 102,2 114,6 130,8 147,2 163,6 184,0 204,6 229,2 257,8 290,6 327,2 368,0 409,0 458,0 515,4
TRABAJO
0,40 MPa 0,35 MPa 0,30 MPa 0,25 MPa NOMINAL ( DN) / Espesor Nominal ( e )
0,4 MPa
VOL. INT
l/m 0,20 0,33 0,53 0,83 1,31 2,07 2,96 4,25 6,36 8,20 10,31 13,44 17,02 21,02 26,59 32,88 41,26 52,20 66,33 84,08 106,36 131,38 164,75 208,63
INSTALACIONES INDUSTRIALES
MATERIAL DE REFERENCIA LIBROS ROBERT L. MOTT. Resistencia de Materiales Aplicada. Tercera Edición. México, PRENTICE-HALL HISPANOAMERICANA S.A. 1996. 640 pág. BIRD. Fenómenos de transporte. Segunda Edición. México, LIMUSA, 2010. 1048 pág. RAÚL R. LLOBERA. Tratado General de Gas . Argentina, CESARINI HNOS. EDITORES. 2005. 690 pág. NESTOR P. QUADRI. Instalaciones de gas. Quinta Edición. Argentina, Librería y Editorial Alsina. 2004. 214 pág. SEDIGAS-REPSOL. Manual de Gas y sus Aplicaciones.1998. 192 pág.
NORMAS
Nacionales: NTP-111.010 2003 GAS NATURAL SECO. Sistema de tuberías para instalaciones internas industriales. SOFTWARE
Microsoft Office Excel 2007
89
INSTALACIONES INDUSTRIALES
PROBLEMAS
P4.1 Una fundición tiene nueve hornos para obtener bronce 90 – 10 (90 % de cobre y 10 % de estaño) y todos ellos utilizan como combustible petróleo Diésel Nº 2 (Fueloil Nº 2). Usted es consultado sobre la conveniencia de realizar el cambio de Diésel Nº 2 a gas natural. El informe que le solicitan debe entregarse en un plazo de cuatro semanas y en él debe indicarse: a. La eficiencia con que trabajan actualmente los hornos. b. El ahorro por el uso del gas natural en reemplazo del Diésel Nº 2, en $ /año. c. El costo de producción, de una tonelada de bronce, debido al combustible. C1. Si se usa diésel 2. C2. Si se usa Gas Natural. d. Las ventajas ambientales del uso del gas natural frente al uso del Diésel Nº 2. e. Acciones a emprender para incrementar la eficiencia de la batería de hornos. Para llevar a cabo su trabajo, la empresa le otorga tres fotochecks para el ingreso a la fábrica, se le entregará la información que necesite a través de su contacto el Jefe de Planta. Así mismo el Ing. Jefe de Planta le otorgará permiso para llevar a cabo mediciones y pruebas pertinentes a su solicitud verbal o escrita. Como información preliminar se le entrega lo siguiente: consumo y capacidad de producción de los nueve hornos, rendimientos ideales y reales de los hornos de fundición, un esquema de horno de fundición mostrando sus dimensiones, un esquema de horno indicando las pérdidas de calor que se presentan.
CONSUMO Y CAPACIDAD DE LOS HORNOS PARA PRODUCIR BRONCE 90 – 10 DATOS
HORNO CONSUMO D2 CAPACIDAD T. COLADA Nº GPH kg/h ºC 1 2 3 4 5 6 7 8 9
9,4 9,1 9,3 18,4 18,2 28,5 29,1 36,8 49,8
125 125 125 200 200 300 300 350 600
TOTAL =
208,6
2325
1150 1150 1150 1150 1150 1150 1150 1150 1150
*La estructura es para albergar un crisol de 600 kg. Se realiza cuatro coladas por día de lunes a viernes, y los días sábado dos coladas. 90
INSTALACIONES INDUSTRIALES
91
INSTALACIONES INDUSTRIALES
92
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Los gases, producto de la combustión, salen al medio ambiente a 1150 ºC.
Q T = Q ÚTIL + Q GASES ESCAPE + Q PÉRDIDAS
Q P = Q PISO + Q PAREDES + Q TECHO + Q ENTRADA
93
INSTALACIONES INDUSTRIALES
94
INSTALACIONES INDUSTRIALES
95
INSTALACIONES INDUSTRIALES
SOLUCIÓN 1. La eficiencia de los hornos está dado por la relación de calor útil a calor total utilizado.
HORNO
ó
Calor Util
CalorTotal
QU
[1]
QT
El calor total o calor utilizado se tiene como dato, en el cuadro entregado por la empresa. Sin embargo, hay que tomar datos para verificar la información suministrada. La figura siguiente muestra el calor útil como el que hay que agregar al metal.
Tc = 1150°C
C ° a r u t a r e m e T
Tf
Cp m ( L )
f
Cp m ( S ) Ta = 15°C Tiempo [h]
1h
Calor Útil El calor útil está dado por el calor necesario para llevar el material desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de fusión; el calor para llevar el material del estado sólido al estado líquido y finalmente llevar el material del estado líquido hasta la temperatura de colada.. QU = m [Cp m (S)
x (Tf- Ta) +
+ Cp m (L) x (Tc- Tf) ]
Dónde: QU: Calor útil, Kcal m: Masa, kg Cp m (S): Calor específico del material sólido, Cp m (L): Calor específico del material Líquido, Kcal/ (kg . K) Calor latente de fusión, Kcal,kg : 96
[ ]
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Ta:
Temperatura ambiente, K
Tf
Temperatura de fusión del material, K
Tc.
Temperatura de colada del material, K
La temperatura de colada se toma igual a la temperatura de fusión más un valor T para garantizar que todo el material está fundido, más un valor de T´ debido a las pérdidas de calor que se presentan al trasladar el material del horno hasta el punto donde se realiza la colada del material. TC = Tf + T sobrecalentamiento + T pérdidas TC = 1084ºC + 50 ºC + 16 ºC = 1150 ºC Hay un calor de inicio que se requiere para calentar el horno antes del carguío del metal al crisol. Se observa, en la práctica de fundición, que queda alrededor de 20 kg en el fondo del crisol; por lo que esto hay que considerar en el cálculo del calor útil. La tabla siguiente muestra los valores los calores específicos [Cp m (S) y Cp m (L)], y calores latentes de fusión [ ] para el Cobre, Estaño, Plomo, Zinc y Níquel.
•
Es importante también considerar el poder calorífico, así como el costo del combustible.
Para producir 1 MMBTU se requiere: Kcal/galón Gas natural 28 m 3 9005,71 Kcal/m 3 25216 GLP = 2,1 Balones (10 kg) 10 galones = 38 litros 31130,8 Gasolina de 95 octanos 8,1 galones 34542,4 Diésel 7,3 galones 35515,5 Residual 7,1 galones Electricidad 293 kW – h Leña 60 kilogramos 4202,6 Kcal/kg
Cuadro 1.2. Calor Específico Poder Calorífico [BTU/gal]
Precio [US $/gal]
Precio equivalente [US $/MMBTU]
Poder Calorífico [Kcal/gal]
Diesel 2
131036
3,28
25,02
33042,04
Kerosene
127060
2,88
22,69
32039,45
GLP
97083
1,14
20,68
24480,45
Residual 6
143150
1,99
10,64
36096,70
Residual 500
143421
1,5
10,43
36165,04
Combustible
Gas natural seco
1000BTU / pie 3
8904,94 Kcal/m
Gas Natural Vehicular
97
3
INSTALACIONES INDUSTRIALES
CUADRO N1 .CALORES ESPECÍFICOS Y CALOR DE FUSIÓN
Cp m (S)
PESO MATERIAL
COBRE ESTAÑO PLOMO ZINC NIQUEL
Cu Sn Pb Zn Ni
Tf
ATÓMICO
ºC
kg /kmol
1084 232 327 420 1455
Cp m (L) RANGO
Kcal / Kmol - K
63,6 119 207 65,4 a)
5,44 5,05 5,77 5,25 4,26
+ + + + +
b)
6,99 +
0,01462 0,0048 0,00202 0,00270 0,0064
f
K
Kcal / kg 57,6 14,5 5,9 24
7,5 6,6 6,8 7,6
71,6
8,6 +
* * * * *
T T T T T
273 - 1357 273 - 504 273 - 600 273 - 692 273 - 626
0,0009050 *
T
626 - 1725
58,7
Para la determinación del Cp m (S) se considera la temperatura promedio: (Tf + Ta) / 2. Para la determinación del Cp m (L) se considera la temperatura promedio: (Tc + Tf ) / 2.
98
Kcal / Kmol - K + + + +
0,0146 0,0048 0,002 0,0006
* * * *
T T T T
0,0009 *
T
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Veamos ahora para el horno Nº 1: Bronce 90 – 10 125 kg
Material: • •
Cobre = 0,90 x 125 = 112,5 kg Estaño = 0,10 x 125 = 12,5 kg
Combustible:
9,4 GPH de combustible D2
112,5 kg de cobre: . Ta = 15 ºC = 288 K
Tf = 1084 ºC = 1357 K
Estado sólido:
Tm = (Tf + Ta) / 2 = (1357 + 288) / 2 = 822,5 K Tm = (1084+15)/2 = 549,5 ºC 822,5 K
Cp m (S): = 5, 44+0, 01462* 822, 5 17, 46495 Kcal /( Kmol K )
Cp m (S):
63, 57 kg / Kmol
Tc = 1150 ºC 1423 K
= 17, 46495 Kcal / ( Kmol K )
0, 2747357244 Kcal / kg K
0,274 74 Kcal / kg. K
= 57,6 Kcal / kg
Cambio de fase , Calor latente de fusión: Estado líquido:
Tm = (Tc + Tf) / 2 = (1423 + 1357) / 2 = 1390 K o
Tm = (1150+1084)/2 = 1117 ºC 1390 K Cp m (L): = 7,5 +0,01462* 1390
Cp m (L):
27,8218 Kcal /( Kmol K )
63, 57 kg / Kmol
= 27,8218 Kcal / ( Kmol K )
0, 4376561271 Kcal / kg
0,437 66 Kcal / kg
Reemplazando valores en la ecuación ( ): QU = 112,5 kg [ 0,27474 (Kcal / kg K ) x ( 1357 – 288) K + 57,6 Kcal / kg + 0,43766 (Kcal / kg K ) x ( 1423 – 1357) K ]
QU =
42 770 Kcal. Esto en una hora
99
INSTALACIONES INDUSTRIALES
12,5 kg de estaño: Procediendo de la misma manera que para el cobre: . Ta = 15 ºC = 288 K
Tf = 232 ºC
505 K
Tc = 1150 ºC 1423 K
Estado sólido:
Tm = (Tf + Ta) / 2 = (505 + 288) / 2 = 396,5 K Cp m (S): = 5, 05+0, 0048 * 396,5
= 6,9532 Kcal / ( Kmol K )
6,9532 Kcal /( Kmol K )
118, 7 kg / Kmol
0, 058 577 928 Kcal / kg
Cp m (s) = 0,058 577 Kcal / kg = 14,5 Kcal / kg
Cambio de fase, Calor latente de fusión : Estado líquido:
Tm = (Tc + Tf) / 2 = (1423 + 505) / 2 = 964 K Cp m (L): = 6,6 + 0,0048 x 964
11, 2272 Kcal /( Kmol K )
118, 7 kg / Kmol
= 11,2272 Kcal / ( Kmol K )
0,09458466723 Kcal / kg 0,437 66 Kcal / kg
Cp m (L) = 0,094 585 Kcal / kg QU = 12,5 kg [ 0,058 577 (Kcal / kg K ) x ( 505 – 288) K + 14,5 Kcal / kg +
0,094 585 (Kcal / kg K ) x ( 1423 – 505) K ]
QU =
1425,503 Kcal.
1250 kg de bronce 90-10 El calor útil requerido para 1250 kg de bronce 90-10, es de:
QU = 42 770 Kcal/h + 1 425 Kcal/h = 44 195 Kcal/h Este calor lo provee el diésel 2, por lo que se requiere: 44 195 Kcal/h / 33 4042,04 Kcal/galón = 1,3375 galones / hora Luego, la eficiencia del horno N1 será de:
HORNO
100
= 14,14 %
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Observando la figura de eficiencias de los hornos, se tiene que el valor de 14,04 % es un valor usualmente encontrados en los hornos industriales. Asimismo, se observa que es posible incrementar la eficiencia hasta un valor entre 20% a 40 %. HORNO Nº 1
Figura 2. Rendimientos ideales y reales de hornos industriales del tipo intermitente o de carga por lotes Fuente: Trink, Hornos Industriales
Los gases, producto de la combustión, salen del horno a 1150 ºC. Este calor se puede y debe ser utilizado para incrementar la eficiencia del horno. Asimismo se debe de disminuir las Pérdidas a través del piso, de las paredes laterales y la pérdida de calor a través de la tapa del horno.
101
INSTALACIONES INDUSTRIALES
Se procede de manera similar para los demás hornos. La figura siguiente muestra los resultados obtenidos.
HORNO
CONSUMO D2
CAPACIDAD
T. COLADA
CONSUMO D2
EFICIENCIA
Nº
TOTAL [GPH]
kg/h
º C
UTIL [GPH]
%
1
9,4
125
1150
1,32
14,04
2
9,1
125
1150
1,32
14,51
3
9,3
125
1150
1,32
14,19
4
18,4
200
1150
2,12
11,52
5
18,2
200
1150
2,12
11,65
6
28,5
300
1150
3,17
11,12
7
29,1
300
1150
3,17
10,89
8
36,8
350
1150
3,7
10,05
9
49,8
600
1150
6,35
12,75
208,6
2325
24,59
11,78811 %
Eficiencia promedio del conjunto de hornos Consumo promedio del conjunto de hornos
Eficiencia del conjunto de hornos:
11,1457335 kg/Galón
El consumo promedio del conjunto de hornos:
11,14 kg/Galón
2. El ahorro por el uso del gas natural en reemplazo del Diesel Nº 2, en $ /año. Considerando que se llevan a cabo: 4 fundidas / día de Lunes a Viernes. 2 fundidas / día los días Sábados. • •
251 días al año 50 dias al año
BRONCE 90 – 10 PRODUCIDO EN UN AÑO: • •
4 f/d x 1 h/f x 2325 kg/h X 251 d/año = 2 f/d x 1 h/f x 2325 kg/h X 50 d/año =
TOTAL =
2 334 300 kg/año 232 500 kg/año
2 566 800 kg / año de bronce 90-10
CONSUMO DE COMBUSTIBLE D2 AL AÑO La cantidad necesaria de combustible para producir este volumen de bronce es de: 2 566 800 kg / año / 11, 145 733 5 kg /Galón = 230 294,4 GPA
TOTAL = 230 294 Galones / Año de D2 102
INSTALACIONES INDUSTRIALES
COSTO DE COMBUSTIBLE D2 AL AÑO Del Cuadro 1.2:
3,28 $/Galón
230 294 GPA x 3,28 $./galón =
755 364 $ / año
TOTAL = 755 364 $ / año CONSUMO DE COMBUSTIBLE GAS NATURAL AL AÑO EN MMBTU Del Cuadro 1.2:
33 042,04 Kcal/Galón D2
= 230 294 Galones D2/año x 33 042,04 Kcal/Galón = 760 938 560 Kcal / año = 760 938 560 [Kcal/año] / 252160 [Kcal / MMBTU] = 30 176, 806 MMBTU / año
TOTAL = 30 177 MMBTU / año COSTO DE COMBUSTIBLE GAS NATURAL AÑO Del Cuadro 1.2: =
4,4
$ / MMBTU
30 177 MMBTU MMBT U / año x 4,4 $ / MMBTU = 132 778,8 $ / año
TOTAL = 132 779 $ / año
El ahorro por el uso de gas natural es de:
755 364 - 132 779 = 622 585 $ / año 3.
El costo de producción, de una tonelada de bronce, debido al combustible.
Si se usa D2: 755 364 $ / año / 2 566, 800 ton/ año = 294,28 $ / ton Si se usa GN: 132 779 $ / año / 2 566, 800 ton/ año = 51,729 $ / ton GN / D2 = 51,7 / 294,2 = 1 / 5,69
GN / D2
1/5
Hay actualizar los costos: D2: 3,28 [$ / Galón] GN: 4,4 [$ / MMBTU] 103
INSTALACIONES INDUSTRIALES
4. Las ventajas ambientales del uso del gas natural natural frente al uso uso del Diesel Diesel 2
104
INSTALACIONES INDUSTRIALES
fundició n tiene nueve hornos para obtener bronce bronce 90 – 10 (90 % de cobre P4.2 Una fundición y 10 % de estaño) y todos ellos utilizan como combustible petróleo Diesel Nº 2 (Fueloil Nº 2). Le alcanzan los siguientes resultados: eficiencia con que trabajan actualmente actualmente los hornos. Ver cuadro La eficiencia El costo de producción, de una tonelada de bronce, debido al combustible. Si se usa D2: 306,1 $ / ton Si se usa GN: 155,6 $ / ton
HORNO
CONSUMO D2
CAPAC APACIIDAD
T. COLADA
CONSUMO D2
EFICIENCIA
Nº
TOTA L [GPH]
kg/h
ºC
UTIL [GPH]
%
1
9, 4
125
1150
1,32
14, 04
2
9, 1
125
1150
1,32
14, 51
3
9, 3
125
1150
1,32
14, 19
4
18, 4
200
1150
2,12
11, 52
5
18, 2
200
1150
2,12
11, 65
6
28, 5
300
1150
3,17
11, 12
7
29, 1
300
1150
3,17
10, 89
8
36, 8
350
1150
3, 7
10, 05
9
49, 8
600
1150
6,35
12, 75
208, 6
2325
Eficiencia promedio del conjunto de hornos Consum o prom e di o de l co conjunto de ho hornos
24,59
11,78811 % 11, 1457335 kg/Ga l ón
a. La fundición solicita una propuesta sobre la utilización de los hornos Nº 6,7,8 y 9 para producir 2350 kg/h de bronce 90-10, en reemplazo de los nueve hornos en uso actual. [2 ptos.] -
Eficiencia del conjunto de hornos. Costo en $ / tonelada de bronce.
b. El estudio solicitado ha de incluir una propuesta para que los hornos funcionen con un rendimiento térmico en conjunto mayor a 20 %. [3 ptos.]
105
INSTALACIONES INDUSTRIALES
P4.3 Un taller ha de prestar su equipo de soldadura oxiacetilénica, disponiendo de la siguiente información:
ITEM Presión inicial Temperatura final Costo Volumen inicial Masa inicial
ACETILENO piA pfA CiA ViA miA
OXIGENO piO pfO CiO ViO miO
Presión final Temperatura final Masa final
pfA TfA mfA
pfO TfO mfO
a. Determine el costo de material (gas), de Actelino y Oxígeno considerando que ambos se encuentran en estado de gas; y que han variado sus condiciones iníciales de presión, temperatura y masa, tal como se han indicado en la tabla anterior. b. Presentar en una gráfica el costo del consumo de gas del Acetileno y Oxígeno. SOLUCIÓN (a)
Costo del acetileno y oxígeno utilizados:
ACETILENO El costo de 1 kg de masa de acetileno: La masa de acetileno utilizada: El costo de la masa utilizada:
CA y CO
CuA = CiA / miA m = miA – mfA Cmu = CA = m x CuA
CA = ( miA – mfA ) x ( CiA / miA ) = [ 1 - ( mfA / miA ) ] CiA La masa inicial del acetileno: La masa final del acetileno:
con iA =
CA =
fA
;
miA = piA x mfA = pfA x TiA = TfA
se tiene:
[ 1 - ( pfA / piA ) ] CiA
OXIGENO: Idem
CO =
106
iA fA
[ 1 - ( pfO / piO ) ] CiO
/ ( RA x TiA ) / ( RA x TfA )
INSTALACIONES INDUSTRIALES
(b)
Gráfica del costo de acetileno y oxigeno:
De la sección anterior, se tiene: CA =
[ 1 - ( pfA / piA ) ] CiA
CO =
[ 1 - ( pfO / piO ) ] CiO
Se puede poner en la forma siguiente: CA =
[ 1 - ( pfA / piA ) ] CiA =
CA =
a - b pfA
CO =
[ 1 - ( pfO / piO ) ] CiO =
CA =
c - d pfO
CiA - (CiA / piA ) x pfA
CiO - (CiO / piO ) x pfO
Estos resultados indican que se trata de líneas rectas.
Los gases, producto de
ITEM
Presión inicial [ Pa ] Temperatura inicial [ K ] Volumen [ m 3 ] masa inicial [ kg ] Costo [$] Presión final [ Pa ] Temperatura final [ K ] Costo del acetileno CTA = CTA =
ACETILENO
piA TiA VA miA CiA pfA TfA CiA - ( CiA / piA ) pfA
Costo del Oxígeno CTO = CiO - ( CiO / piA ) pfO CTO = Costo total = CTA + CTO =
OXIGENO
piO TiO VO miO CiO pfO TfO
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ANEXO 1: PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
108
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