UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍASEDE VIÑA DEL MAR – JOSÉ MIGUEL CARRERA

Diagrama de tuberías e instrumentación y calculo de perdidas en sistema de mezclado de Propano-Butano para la obtención de gas licuado de petróleo GLP

INGENIERIA DE EJECUCION EN MECÁNICA DE PROCESOS Y MANTENIMIENTO INDUSTRIAL

Alumnos:Orlando Herrera PérezKarol Saavedra ContrerasJuan Cárdenas Santelices

Profesor:Sr. Santiago Geywitz

Introduccion

en el presente informe tecnico se dara a conocer un proceso de mezclado de de Propano-Butano en estado liquido para la obtención de gas licuado de petróleo GLP, mostrando tambien su diagrama de P&id (piping and instrumental diagram) o DTI en castellano, conocido como diagramas de tuberias e instrumentacion.

Se tiene como objetivo conocer los intrumentos y sistemas de control que inspeccionan el funcionamiento del proceso, como tambien los componentes de fabricacion de este sistema y a la misma vez parametros de diseño especificamente el calculo de perdidas de las tuberias, la determinacion de caudal, presiones de trabajo y la selección de la bomba.

Línea seleccionada del sistema visto anteriormente, la cual solo consta con la parte de suministro del propano y los cálculos se aran de acuerdo a este en estado liquido.

Desarrollo de cálculos

Según la medición del sistema en estudio, la producción de GLP (gas licuado de petróleo) el caudal en las líneas según el diseño para el producto los propano-butano es de 445 l/min (117,6 gpm).

La línea de estudio es la que transporta el Propano para la mezcla, como sabemos el GLP es como mezcla final representa 30% de propano y un 70% de Butano, entonces el caudal de Propano será:

445 l/min = 311,5 l/min de Butano + 133,5 l/min Propano.

Por lo tanto el caudal que se necesita como propano al final de la línea de estudio es 133,5 l/min. = 0,0223 m3/ s

El diámetro en el sistema es de 2”= 0,0508 m

Hay reducciones donde se encuentra la válvula de control PID, donde el diámetro disminuye a 1” = 0,0254 m

El calculo de la velocidad se realizara después de la reducción, entonces se calculara para un diámetro de 2 pulgadas.

Para efectuar el cálculo de la velocidad tenemos:

A=π ×0,05082

4

A = 0,002 m2

V=QA

, entonces tenemos

V=

0,0223m3

s0,002m2

,

V= 11,125 m/s

Como la línea de trabajo en las dos partes es simétrica, entonces los cálculos realizados seres igualen en ambos lados del diagrama principal.

Determinación de la longitud equivalente HL

Para la determinación de la longitud equivalente del sistema, todos lo elementos se expresan en longitud equivalente, de acuerdo al siguiente esquema:

En la línea seleccionada se debían calcular las perdidas por fitting (HF), las cuales no es necesario la utilización de la formula ya que se puede determinar la longitud equivalente de los componentes de la línea de trabajo, respecto a esto la tabla siguiente se darán las longitudes equivalentes para cada caso de los elementos como válvulas, codos, reducciones, etc.

Entonces para los elementos, tenemos como resultado:

Elemento Cantidad Longitud E x unidadLongitud E. Total

"T" 2" 2 12 pies = 3,66 m 7,32 mControlador de presión 1 12 pies = 3,66 m 3,66 m

Flujometro 1 12 pies = 3,66 m 3,66m

Densímetro 1 12 pies = 3,66 m 3,66 m

Válvula Check 1 14 pies = 4,27 m 4,27 mLargo total de tubería 1 3,3 m 3,3m

Total 25,89 m

CALCULO DE NÚMERO DE REYNOLDS

Para efectuar, el cálculo de Reynolds se determino a través de tablas que la viscosidad

cinemática del propano es de 0,0002 N x s

m2 a una temperatura de -40°C

(temperatura de trabajo para la mezcla en estado líquido de -42,2 °C).

NR=V xDδ

NR=11,125X 0,05080,0002

NR = 2825,75 por lo tanto es un flujo laminar.

f= 64NR

f = 0,023

Determinación de las pérdidas por largo en nuestra línea de trabajo, en la cual se considera la suma de las longitudes equivalentes de los fitting y las sumas de los tramos de la línea.

HL= f x L x v2

2x D x g

HL=0,023x 25,89 x11,1252

2x 0,0508 x9,8

HL= 74,02 mca

Determinación de la presión del sistema

Según el sistema de mezclado de GLP, para que el propano se mantenga en estado en estado líquido se necesita una presión de 8 atm, la cual será la presión inicial en el estanque que la contiene. También otra característica técnica que debe tener este elemento dentro del estanque para que se mantenga en estado líquido es que debe tener una temperatura de trabajo de - 42,25 °C.

Conversiones de unidades necesarias para el desarrollo de los cálculos.

1 atm = 10, 33 mca = 101325 Pa

Entonces, P1= 82, 66 mca = 810599,97 Pa

P2= 80 mca = 784532 Pa

1 mca = 1,42 PSI

Densidad del propano en las condiciones establecidas: 582 Kg/m3

Según la formula de Bernoulli, tenemos:

P1γ

+V 12

2 g+Z 1=¿ P2

γ+V 2

2

2 g+Z 2+ HL

Selección de la bomba

Características y funcionamiento

Corken, Inc., es un líder reconocido mundialmente en la fabricación de bombas y compresores. La reputación excepcional de Corken en la industria del Gas LP ha sido establecida a través de décadas de mantener los más altos estándares de calidad y servicio al consumidor. Esto, combinado con una absoluta dedicación al rendimiento de sus productos, hace que Corken sea una compañía reconocida mundialmente por su liderazgo en fabricación.

Diseñadas

Específicamente para Gas LPLa bomba Corken Coro-Flo® fue diseñada para Gas LP, NH3, y otros líquidos livianos.Es la bomba adecuada para bombeos de bajas capacidades y cargas medianas. La operación silenciosa de la bomba, sin vibraciones ni pulsaciones, provee un servicio duradero sin problemas de mantenimiento, en aplicaciones de líquidos volátiles como el Gas LP. La construcción exclusiva del impulsor brinda un flujo continuo y parejo a través de la cavidad de la bomba, con caudales, eficiencia y presiones mayores que otras bombas con el mismo tamaño de motor. La única pieza móvil es el impulsor, el cual flota libremente en su eje, eliminándose completamente el contacto de metal a metal, lo cual extiende la vida útil de la bomba.

Mantenimiento Simple...La bomba Coro-Flo® ha sido diseñada para aumentar la simplicidad de inspección y servicio. La tapa de la bomba se puede quitar para el mantenimiento del impulsor y sello sin perturbar las tuberías. El sello mecánico balanceado viene con su propio casquillo, brindando así un servicio extremadamente confiable.

Aplicaciones...Si bien la bomba Coro-Flo® fue originalmente desarrollada para llenar cilindros de propano, ha encontrado su lugar en muchas otras aplicaciones, especialmente en trasiegos de líquidos volátiles. Se usa comúnmente para alimentar sistemas de vaporizadores industriales y llenadores de aerosol, y para trasegar gases licuados como NH3, CO2, SO2, y gases refrigerantes. En plantas procesadoras, la bomba Coro-Flo es utilizada para alimentar agua a las calderas y para manejar condensados.

Cada bomba Coro-Flo Corken es inspeccionada completamente y sometida a pruebas para asegurar su calidad y rendimiento. La bomba Coro-Flo está inscrita en la lista de Underwriters’ Laboratories, Inc. para ser usada en aplicaciones de Gas LP y amoníaco anhídrido.

Bomba especifica seleccionada según tablas

El propano tiene la más alta presión de vapor de todos los líquidos expuestos en el gráfico. También cuenta con el punto de ebullición más bajo (-41 ºC), donde la curva de presión de vapor del propano (línea púrpura) interseca a la línea horizontal equivalente a 1 atmósfera.

La bomba seleccionada es el modelo 50 de la tabla anterior, para un diámetro de la brida de salida de 4 pulgadas.

Y una bomba de 1750 RPM.

NPSH

NPSH = Altura Neta Positiva de Aspiración (del ingles Net positive Suction Head) es la diferencia entre la presión del líquido a bombear referida al eje del impulsor y la presión de vapor del líquido a la temperatura de bombeo, referida en metros.

Hay que distinguir entre: NPSH Disponible NPSH Requerido

NPSH disponible depende del conjunto de la instalación elegida para la bomba y es una particularidad independiente del tipo de bomba. Es por tanto calculable.

NPSH requerido es un dato básico peculiar de cada tipo de bomba, variable según modelo, tamaño y condiciones de servicio, que se determina pro prueba o cálculo, siendo un dato a facilitar por el fabricante el cual lo ha obtenido a través de ensayos.

A medida que se aumenta el caudal del sistema la s pérdidas de presión en la succión aumentan de manera que cada vez se reduce más el NPSH disponible Del mismo modo al aumentar el caudal el NPSH requerido por la bomba aumenta como se muestra en el gráfico anterior.

Carga o altura dinámica total de bombeo (A.D.T.)

La Altura Dinámica Total de bombeo representa todos los obstáculos que tendrá � que vencer un líquido impulsado por una máquina (expresados en metros de columna del mismo) para poder llegar hasta el punto específico considerado como la toma mas desfavorable.

HD = HL + HF

HD = 74,02 mca

Altura estática

HE = ∆ H+∆ P ∆H = 0,594 + 0, 5 = 1,094 mca ∆ P = 82,66 mca

HE = 1,094 + 2, 66 = 3,754 mca

La potencia de la bomba podrá calcularse por la fórmula siguiente:

HP =

Q ( lts /s )∗H (metros )75∗n(%)100

HP =

22,3x 2,66

75 x60%100

HP = 1,31 hp

Donde:

HP = Potencia de la bomba en caballos de fuerza.

Q = Capacidad de la bomba.

ADT = Carga total de la bomba.

n = Eficiencia de la bomba, que a los efectos del cálculo teórico se estima en 60%

TUBERIA Y ACCESORIOS

Los componentes de una instalación son los tubos, los accesorios (piezas de forma, bridas, etc.), y los elementos auxiliares (llaves, filtros, limitadores de presión, etc.)

El fabricante suministrará con los tubos un certificado de calidad en donde se indique: calidad del material, controles de calidad, y procedimiento de fabricación (acero) o dimensiones (cobre).El diámetro nominal de una conducción (DN) es el calibre o diámetro exterior para conexiones. Se mide en mm o en pulgadas.

En la práctica, se vienen utilizando los siguientes materiales:

En lo relativo a las dimensiones y características, los tubos de acero han de cumplir las normas siguientes:

Acero al carbono, estirado en frío sin soldadura: UNE 19.046 Acero con soldadura longitudinal: UNE 36.864 Acero con soldadura helicoidal: de reconocido prestigio

La norma UNE 19 040 (DIN 2440) hace referencia únicamente a medidas y masas.

Normas equivalentes a la UNE 19 040: UNE 2440, ISO R65 médium y BS 1387 médium.

Conducciones en alta presión: Se han de utilizar únicamente los aceros establecidos por el Reglamento de Redes y Acometidas de combustibles gaseosos (RRA). Se trata concretamente de las conducciones siguientes:

En los depósitos, de la conexión de la boca de carga a distancia y de la salida de fase gaseosa al regulador.

En las botellas de propano, los colectores de conexión directa. En las conducciones de fase líquida.

Los accesorios para soldar serán de acero ANSI B.16.9, material A-234 WPB. Si las soldaduras no han de ser radiografiadas, los accesorios podrán ser de enchufe, soldando según SW 3 000 libras (Se refiere a una presión, no a una masa).

Conducciones enterradas: Se utilizará el acero al carbono estirado sin soldadura según ASTM-A 106 Gr. B/API 5L GrB. Los accesorios serán los establecidos para conducciones en AP. Se instalará protección catódica en tramos de longitud mayor de 10 m.

Longitud

Las longitudes estándar son las siguientes:

6 metros como largo sencillo 12 metros como largo doble 15, 18, 24 metrosPor lo general, la tubería para canalizaciones de gas se suministra en largos dobles, es decir, 12 m. Una dimensión superior presentaría problemas de transporte, ya que lo requeriría especial. Los largos sencillos, por otro lado, obligan a realizar doble número de soldaduras.

Marcado

Las tuberías deben suministrarse marcados con los siguientes datos:

Nombre o marca del fabricante. Especificaciones de suministro (API 5 L). Diámetro nominal. Peso por metro de tubería. Grado del acero (generalmente B). Proceso de fabricación (DSAW, ERW, HF, sin soldadura, etc.). Tratamiento térmico. Presión máxima a la que ha sido probada la tubería. Número de fabricación con el cual verificar la correspondencia con los

certificados de calidad. Número del tubo.

En función del diámetro nominal de la tubería, caben las siguientes consideraciones:Para diámetros de 3” e inferiores, la tubería suele suministrarse en fardos. En tal caso, los tubos no son marcados individualmente, ni numerados sino que el marcado se realiza sobre los flejes de sujeción de los mismos. Como longitud la total del fardo.Para diámetros de 4” y superiores, las tuberías se marcan individualmente. Los marcados se hacen en dos generatrices.Para evitar que se pierda en la posterior aplicación del revestimiento anticorrosión, el número debe marcarse también por el interior.El acero inoxidable es un acero con más de 1,1 % de carbono, al que se le ha incorporado pequeñas cantidades de otros metales como Cr, Ni, Co, etc. que le proporcionan la característica de auto pasivarse en presencia de oxígeno y que da su nombre. El austenítico empleado en las instalaciones de gas contiene austenita que parece ser un carburo de hierro, con un temple final.Las características mecánicas de los tubos de acero inoxidable, así como sus medidas y tolerancias, serán las determinadas en la norma UNE 19.049.

Como características principales del acero inoxidable se destacan: Gran resistencia mecánica (aproximadamente dos veces más que el acero galvanizado y tres veces más que el cobre, en igualdad de espesor), ofrece una mínima pérdida de carga, material muy higiénico.Al requerirse reducidos espesores por sus propiedades mecánicas, los pesos se aligeran, facilitando el transporte y la manipulación.

Tomas de presiónLas tomas de presión podrán ser del tipo “Peterson o similares”. Para Pmxs ≤ 150 mbar podrán ser también de “débil calibre”.Podrán estar incorporadas en algún elemento de la instalación (reguladores, contadores o dispositivos de corte).Las tomas tipo Peterson se tratan de un cilindro hueco, uno de sus extremos es de “rosca Gas, macho, y el otro 1/8” cilíndrica macho. En su interior se encuentra una empaquetadura de elastómero. Este dispositivo se encuentra conectado al aparato o conducción de donde se quiere conocer la presión a la que se encuentra el gas.Para la toma de presión se ha de clavar en el elastómero una aguja hueca que se encuentra conectada al manómetro.Al extraer la aguja después de la medición, la perforación en el elastómero se autocierra; no obstante, se ha de colocar el tapón por seguridad.

Uniones en las canalizaciones

Los sistemas de unión de los tubos entre sí y de éstos con los accesorios y elementos de las IRG podrán ser fijos (por soldeo) o desmontables (incluidas las roscadas), según los casos.

Uniones fijasLos sistemas de soldeo por calentamiento serán eléctricos (por resistencia o por arco) o por llama (propano, oxiacetileno, etc.). El soldeo fuerte o blando se aplicará según la categoría del tramo. Se seguirán las instrucciones del fabricante de los tubos, de los accesorios y del material de aportación.

Accesorios de unión por soldeoLos accesorios pueden ser manguitos de unión, reducciones, derivaciones (tés), cambios de dirección (codos y curvas), etc.

Accesorios de unión de polietileno: Los accesorios de polietileno utilizados serán de la misma calidad que los tubos. Existen accesorios de transición para conectar a la IRG metálica.

Tallos de polietileno: Utilizados para la transición entre tramos enterrados y los vistos de las IRG y para la conexión con la acometida. Pueden ser de polietileno-cobre o de polietileno-acero. Cumplirán la norma UNE 60.405.

La junta de transición ha de ir recubierta por una vaina metálica rellena de resina de poliuretano para protegerlo de la humedad. En caso de ser cobre, una segunda vaina de acero inoxidable de unos 2 m de longitud para, además de dar protección mecánica al cobre, evitar la entrada de agua.

Accesorios de unión de cobre: Los accesorios para soldeo por capilaridad, serán de la misma calidad que los tubos.Las medidas y tolerancias cumplirán la norma UNE 60.719. Se fabrican bajo la especificación BS 864 Parte 2, (próximamente EN 1254, Partes 1 a 5).

Accesorios de unión de aleación de cobre: Para la unión de tubos de cobre o tubos de acero inoxidable con tubo de cobre. Serán piezas mecanizadas según la norma UNE 37.103. Las medidas y tolerancias cumplirán la norma UNE 60.719. Se fabrican bajo la especificación BS 864 Parte 2, (próximamente EN 1254, Partes 1 a 5).

Accesorios de unión de acero: Los accesorios para soldeo, estarán fabricados en acero que cumpla la UNE-EN 10 241 (ver lo indicado en el punto 1.5.1.1 para el acero enterrado y en AP). UNE 19491.Los modelos roscados son ANSI B 16.11 SWE (Screw end), cuya rosca es ANSI B 2.1 NPT. Los modelos para soldara tope son ANSI B 16.9 (Butt Welding).Los tipos de accesorios existentes son: Codos de 90° y 45°, Tés, Cruces, Manguitos, medios manguitos, tapones, Niples (manguito Macho-Macho), racores, reducciones (manguitos y niples), etcétera.

Accesorios de unión de acero inoxidable: Los accesorios para soldeo por capilaridad o a tope, serán de acero inoxidable de la misma calidad que los tubos.El soldeo, fuerte o débil, ha de ser aportado. La suelda debe ser de aleación específica para este tipo de material.Los tipos de accesorios son similares a los ya descritos para el cobre.

Uniones desmontables

Para asegurar la estanquidad entre cuerpos de válvulas se seguirán las recomendaciones del fabricante.

Las uniones desmontables podrán ser por junta plana, por bridas y las uniones metal-metal, incluidas las roscadas.Las normas UNE que se deberán cumplir en ellas se incluyen en la tabla siguiente:

Uniones roscadas

Se utilizarán accesorios (manguitos, reducciones, tés, codos, curvas, etc.) de fundición maleable, cumpliendo la UNE-EN 10 242. La rosca será cónica según UNE 19 009 (DIN2 999-ISO 7/1).Para asegurar la estanquidad de las uniones roscadas se aplicará compuesto anaeróbico (1), compuesto no endurecible o cinta de PTPE (2) conocido como Teflón, según norma UNE-EN 751 (partes 1, 2 y 3, respectivamente).

Punto de operación de la bomba

Una vez construidas las curvas de la bomba y la del sistema es fácil encontrar el punto de operación de la bomba, es decir el caudal que está siendo enviado

H ( )m m h (%)

Q (l/s)

HmR

A

QR

EficienciaCurva de la bomba

Curva del sistema

A = punto de operación de la bombaH = Cabeza suministrada por la bombaQ = Caudal enviado por bomba

mR

R

y la altura aumentada por la bomba. Dicho punto de operación es el corte de las dos curvas anteriores:

Punto de operación de la bomba. Es el cruce entre las curvas de la bomba y del sistema en que ésta se encuentra operando.

Limitaciones en la Altura de Succión 

En el caso de bombas el fenómeno de cavitación puede ocurrir tanto en la tubería de succión como en los alabes del impulsor. Esto es particularmente grave en el caso de bombas localizadas por encima del nivel de succión.

La cavitación, en el caso de bombas, además de producir daños físicos y ruidos molestos puede llegar a reducir notablemente el caudal descargado.

Con el fin evitar todos estos efectos es necesario "impedir" que la presión a la entrada de la bomba sea menor que un cierto límite el cual a su vez es influido por una posterior reducción adicional de presión en el impulsor.

Si ps es la presión a la entrada de la bomba, entonces pabs :

representa la altura absoluta a la entrada "por encima de la presión de vapor pv". Este término se conoce como altura Neta Positiva de Succión o NPSH (del inglés Net Positive Suction Head):

ps−pvρg

NPSH=paρ g

−H s−pvρ g

NPSH=ps−pv

ρ g

Donde:

pa = presión atmosférica

pv = presión de vapor

Hs = altura " manométrica " de succión

Esta última altura está definida de acuerdo con la siguiente ecuación:

La NPSH que requiere una bomba específica es un dato usualmente suministrado por el fabricante.

En los últimos años las bombas sumergibles se han vuelto muy populares especialmente en los rangos de caudales bajos y medios. Esta solución elimina el cálculo de la NPSH ya que los problemas de cavitación se eliminan o reducen notablemente. Similarmente se eliminan problemas de enfriamiento de los cojinetes, rodamientos y motor de la bomba.

Esquema de la tubería de succión en un sistema bomba-tubería con el fin de ilustrar la NPSH.

el NSPH requerido y el NPSH-disponible. Son dos expresiones de presión en el sistema, distinguidos por su origen. El NPSH-disponible (o NPSH-d) es la

2v2

Hh h g

hs

s fs

m e

parte independiente de la bomba definida por las condiciones del medio donde va a operar la bomba, NPSH-disponible=p atmosferica ± p succión-p fricción-p vapor.

Finalmente convertimos todas las presiones en su equivalente a metros de columna de agua, m.c.a.

El NPSH-requerido (o NPSH-r) es la parte que depende tan sólo de la bomba. Este dato es proporcionado por el fabricante de la bomba. Ese truco permite expresar nuestra condición para evitar cavitación como:

NPSH-d > NPSH-r

Calculo NPSH sistema

Vemos ahora el caso de una bomba controlada succiona propano en estado liquido desde una esfera de almacenamiento a una temperatura por un tubo de succión de 3 metros de longitud a una altura de 3000 metros sobre el nivel del mar. Calculamos el NPSH-disponible para este sistema:

P atmosférica = 10.33 mca.

P fricción = 25.89 mca

P succión=

Presión de vapor de Propano en estado liquido a 21°C = 86.67 mca.

Por lo tanto, NPSH-disponible = metros columna de agua.

A veces podemos influir en el NPSH-d. Por ejemplo para reducir la contribución de la fricción, podemos escoger una tubería de succión de diámetro mayor y así aumentar el NPSH-d. Otro factor que siempre hay que tomar en cuenta es que el NPSH-r puede superar los valores dados por el fabricante, por ejemplo cuando trabajamos la bomba a una cabeza menor que un cierto mínimo definido por el fabricante de la bomba. En la ingeniería del bombeo, sobre-dimensionar una bomba equivale pedir problemas

Conclusión

Como nos hemos dado cuenta, es vital importancia y requiere mucha investigación realizar un diseño de un sistema el cual realice en este caso un proceso físico de mezclado.

Se debe mantener controlados los diversos parámetros de medición teniendo en cuenta la presión y caudal principalmente, es por ello que debe ser muy cuidadoso al diseñar y es de vital importancia colocar los componentes de forma eficiente y elementos de instrumentación.

Todo esto bajo normas establecidas internacionalmente y que regulan tanto el funcionamiento como también la forma de graficar el proceso mediante los dti o diagramas de tuberías de instrumentación.

Dimensionar la bomba es un punto importantísimo en este tema, ya que todo el diseño, funcionamiento y cálculos se basan en las variables que la bomba puede

entregar. Se debe analizar tambien los graficos de la bomba que mejor se adapte al sistema diseñado.