DE-05-RECIPIENTES DE PROCESO-2022.pdf

MSc. Guillermo Ruiz, Dimensionamiento
de equipos
1
RECIPIENTES DE PROCESO
Universidad Nacional Experimental “Francisco de Miranda”
Especialización de Ingeniería de Procesos
Facilitador: MSc. Guillermo Ruiz
Dimensionamiento de Equipos
Febrero, 2023

de equipos
2
CONTENIDO
●
Norma ASME VIII para el diseño y cálculo de recipientes a presión
●
Diseño mecánico
●
Consideraciones en el diseño
●
Criterios de dimensionamiento
●
Métodos de cálculo

de equipos
3
Norma ASME VIII, Div. 1 para diseño y cálculo
de recipientes a presión
Antecedentes
●
En 1911 la American Society of Mechanical Engineering crea la norma para
calderas y recipientes de presión (Boiler and Pressure Vessel Code, ASME BPVC),
una serie de regulaciones que fijaron estándares para la fabricación de
componentes de calderas y recipientes a presión
●
Dentro del BPVC, la sección VIII División 1 se destaca por ser específica para el
cálculo estructural de los recipientes de presión. Con reglas simples y de fácil
evaluación, sin embargo, se basa en premisas conservadoras, resultando en
productos con un alto factor de seguridad y, consecuentemente, mayores costos
de materias primas y de los procesos productivos.
●
Atenta a las nuevas demandas del mercado, la ASME desarrolló entonces, en
1975, la sección VIII División 2. Esta nueva normativa buscó un balance entre
asegurar la integridad del diseño, y la reducción de costos de fabricación.

de equipos
4
Norma ASME VIII para diseño y cálculo de
recipientes a presión
Bases para esfuerzos permisibles en ASME VIII, División 1
●

de equipos
5
Bases para esfuerzos permisibles
ASME VIII, División 1:
●
Requiere metal más grueso - mayor factor de seguridad
●
Otras normas usan metal más delgado, pero las tensiones admisibles están más
cerca del límite elástico, lo que conlleva a una menor seguridad
●
Algunos procedimientos en las normas han sido tomados de otras
Las normas ASME VIII División 2 y EN 13445 se basan en la norma de la Directiva
Europea de Equipos a Presión (European Pressure Equipment Directive, PED)

de equipos
6
Cambios en los niveles de tensión en ASME VIII, División 1
●
Los niveles de tensión ahora están más en línea con los niveles de esfuerzo de
las tuberías
●
Los niveles de tensión de diseño se muestran a partir de una temperatura
inferior a 343°C
●
Pruebas de presión hidrostáticas:
- Recipientes: reducción de 150% a 130% de la presión máxima de trabajo
permitida (Maximum Allowable Working Pressure, MAWP)
- Tuberías: 150% MAWP

de equipos
7
Cambios en los factores de seguridad en ASME VIII, División 1
●
Los códigos ASME aplican factores de seguridad para obtener el máxima tensión
de diseño permitida a partir de datos de prueba
- Factor de seguridad para máximo esfuerzo a la tracción: cambió de 4,0 a
3,0
- Factor de seguridad para el límite elástico: 1,5 – 1,6 dependiendo del
material
●
ASME VIII Div 2 utiliza un conjunto más complejo de métodos de cálculo para
permitir la reducción del espesor de pared de los recipientes
●
Los problemas que pueden reducir los factores de seguridad incluyen:
vibración, carga cíclica, fatiga térmica, corrosión, fractura por fragilidad, otros.

de equipos
8
Temperatura y presión de diseño, presión de
trabajo máxima permisible
Temperatura y presión de diseño
Durante el diseño del proceso, se determina la combinación máxima de presión y
temperatura con la que operará el proceso
Presión de diseño
Se define como la presión máxima que el recipiente u otro sistema que contiene
presión debe contener de manera continua. Este valor se utiliza en el diseño de un
recipiente para determinar el espesor mínimo permisible. Debido a que los
esfuerzos permisibles generalmente disminuyen con el aumento de la temperatura,
la presión de diseño siempre se especifica junto con la temperatura coincidente
Temperatura de diseño
se define como la temperatura más alta que se espera que coincida con la presión
de diseño. La temperatura de diseño puede afectar la tensión permisible para el
material utilizado en la construcción del recipiente o sistema. Cuanto mayor sea la
temperatura de diseño, menor será la tensión de diseño admisible en general

de equipos
9
Por encima de 343 °C, la tensión de diseño admisible para acero al carbono y
materiales de baja aleación comienza a disminuir. La selección de 343 °C como
temperatura de diseño puede parecer atractiva, sin embargo, esto implicará un
costo adicional asociado con la flexibilidad de la tubería para adaptarse a la
expansión diferencial entre la temperatura ambiente y los 343 °C.
Por lo tanto, normalmente no es económico especificar temperaturas de diseño
superiores a las previstas. En la última versión del la norma ASME, las tensiones de
diseño se dan a una temperatura inferior a 343 °C para muchos materiales
A menudo se especifica una temperatura mínima del metal para garantizar que el
material seleccionado tenga la tenacidad adecuada para resistir la fractura frágil.
Esto puede ser motivo de especial preocupación cuando corrientes de tipo GNL se
descarguen en un cabezal, etc.

de equipos
10
Presión de trabajo máxima permisible (Maximum allowable Working Pressure,
MAWP)
Para la mayoría de los recipientes o sistemas, esta es la presión máxima a la que los
dispositivos de alivio del disco de presión normalmente se pueden configurar para
comenzar a abrir. La presión máxima que se puede alcanzar durante el alivio
también se basa en la MAWP del recipiente. La MAWP siempre se aplica al extremo
alta o de baja presión de un recipiente
Las conexiones de brida en recipientes ASME pueden limitar la capacidad nominal
del recipiente. Se requiere que el fabricante pruebe y certifique un recipiente para
MAWP de acuerdo con el espesor real del metal y las bridas utilizadas
Presiones de diseño de equipos mecánicos
Los equipos cuyo diseño no se rige por la norma ASME no siempre pueden tener la
base para la presión de diseño claramente identificada

de equipos
11
Limitaciones de los dispositivos de alivio de presión
●
Válvulas de alivio de presión opuestas por resorte
La presión máxima de funcionamiento está limitada a aproximadamente el 90% de
la presión de ajuste. Algunos fabricantes pueden tolerar presiones operativas en el
rango de 93 a 95%, particularmente para presiones establecidas por encima de
68,95 barg. Sin embargo, esto debe confirmarse con el fabricante para una
instalación en particular
●
Válvulas de alivio de presión operadas por piloto
La presión máxima de funcionamiento está limitada a aproximadamente el 92 a
95% de la presión de ajuste. Para presiones de activos más altas, según el tipo de
piloto, pueden ser posibles presiones operativas de hasta el 98 % de la presión de
ajuste. Sin embargo, las válvulas operadas por piloto no se recomiendan para
situaciones en las que es posible el bloqueo de la línea piloto

de equipos
12
Diseño mecánico
●
No se requiere que los ingenieros de procesos sean expertos en el diseño de
recipientes ni en las normas ASME. En cambio es necesario que el ingeniero de
procesos tenga conocimiento/manejo de:
➢
Los problemas generales y el razonamiento de los requisitos de la norma
➢
El efecto que la temperatura del metal tiene sobre los niveles de tensión
permitidos
●
Las temperaturas muy altas requieren materiales y/o diseños exóticos en el
rango de deformación hasta la ruptura
●
Los materiales de alta aleación necesarios para la resistencia a la corrosión
pueden tener limitaciones de temperatura
●
Los altos niveles de hidrógeno pueden ser una preocupación con la selección de
materiales

de equipos
13
Equipos de procesos. Normas de recipientes a
presión
Presión de diseño
●
Presión máxima (cabezal de shut-off de la bomba, etc.)
●
Establecimiento del punto de ajuste de alivio de RV
●
Establecimiento del margen adecuado entre el setpoint y la presión de trabajo
●
Consideraciones de aumento la presión de diseño para eliminar casos de alivio
●
Consideración de diseño para vacío total para eliminar escenarios
●
Temperatura máxima
●
Incluye efecto de transferencia de calor en intercambiadores de
calor/calentados
●
Puede afectar la resistencia de los aceros

de equipos
14
Equipos de procesos. Normas de recipientes a
presión
●
La baja temperatura puede ser importante si la fragilización es un problema
potencial
●
Las temperaturas diferenciales pueden ser un problema para los reactores
tubulares, intercambiadores de calor, etc

de equipos
15
Equipos de procesos. Recipientes a presión
●
Cargas de fatiga
●
Carga cíclica (térmica, etc.)
●
Cargas de tubería en boquillas
●
Otras cargas (agitación, etc.)
●
Fragilización por hidrógeno - Curvas de Nelson para un diseño "seguro"
●
Baja temperatura - prueba de impacto
●
Agrietamiento por tensión de sulfuro
●
Recocido u otro tratamiento del metal para reducir el riesgo de agrietamiento
●
Componentes internos (rigidez, fijación, soporte, etc.)

de equipos
16
Equipos de procesos. Recipientes a presión
●
Pruebas
●
Radiografía ultrasónica
●
Penetración de tinte líquido
●
Dureza
●
Impacto
●
Materiales especiales (FRP (Fiber Reinforced Plastic), etc.)

de equipos
17
Reactores
●
Alivio de sobrepresión (incluida la fuga exotérmica, si es posible)
●
Presión de diseño ajustada adecuadamente (evaluar el potencial de
deflagración)
●
Considerar el efecto de la adición de catalizador y reactivo y la posibilidad de
que surjan problemas (estático, mezcla deficiente, agregado rápido/lento, etc.)
●
Adición de sólidos a través de válvula rotativa, tolva de bloqueo, alimentador de
tornillo para evitar que el operador abra el reactor. También incluya un método
seguro para desconectar válvulas y líneas.
●
La falla de la agitación puede provocar un descontrol (caída del eje del agitador,
bloqueo del motor del agitador, etc.) Es necesario poder detectar esto
(monitoreo de carga del motor eléctrico,etc.)

de equipos
18
Reactores
●
Detección y prevención de reacciones fuera de control
●
Válvulas de alivio (si es posible y el tamaño no es excesivo, flujo de alivio,
problemas de bloqueo, etc.)
●
Adición de diluyentes (volumen disponible, fluido apropiado, agregar tubería y
válvulas)
●
Recipiente de despresurización
●
Adición de inhibidores para detener la reacción (si es posible y se puede
mezclar)
●
Vertimiento de reactivos en el recipiente con diluyente frío (la línea de descarga
nunca debe bloquearse)

de equipos
19
Reactores. Consideraciones de
diseño/operación/mantenimiento
●
Inertización y eliminación de mezclas inflamables vapor/aire en recipiente)
●
No agregar catalizador a través de la boca de acceso abierta
●
Tener especial cuidado al manipular materiales con bajo punto de inflamación
o temperaturas de autoignición
●
Considerar
●
Combustión espontánea
●
Productos químicos reactivos como materiales pirofóricos, acetiluros,
peróxidos y mezclas reactivas con agua
●
Puesta a tierra efectiva de electricidad estática de todas las líneas y
recipientes, agitación de líquidos con alta rigidez dieléctrica, adición de
líquidos con alta rigidez dieléctrica a recipientes, adición o agitación de
líquidos en recipientes con revestimientos no conductores.

de equipos
20
Reactores. Consideraciones de
diseño/operación/mantenimiento
●
Controlar la concentración de oxígeno donde la formación de
peróxido/generación de oxígeno sea posible
●
Considerar
●
Si la mezcla será efectiva
●
Si será posible/efectivo el monitoreo
●
Entorno operativo seguro y acción a tomar en caso de contingencias
●
Sistemas de calefacción y refrigeración
●
Diseñado para controlar situaciones anormales/fugas
●
Considerar el diseño de la camisa y la compatibilidad del material para la
corrosión
●
Considerar el potencial de vibración (y las fallas por fatiga) para diseños de
bobina interna

de equipos
21
Columnas
●
Recipientes a presión
●
Gran retención de líquido (debe minimizarse si es factible desde el punto de
vista operativo)
●
Múltiples columnas: para mejorar la eficiencia, puede complicar las
operaciones, puede aumentar la retención de líquidos
●
Problemas: contacto líquido/vapor insuficiente, inundación, ensuciamiento
(alta caída de presión)
●
Alivio de presión (pérdida de enfriamiento, reflujo, fuego, etc.)
●
Protección de vacío/ingreso de aire de diseño/protección/nitrógeno
●
La apertura sin purgar o cuando está "caliente" puede provocar incendios
●
Fallas: Soportes internos (golpes de presión de arranque/inundación, corrosión,
etc.), error humano (sistemas de sujeción, etc.)
●
Instrumentación: ubicar dónde las medidas serán precisas

de equipos
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Intecambiadores de calor
●
Recipientes a presión
●
Diseñados de acuerdo a las normas TEMA, API RP 520, API 660
●
Tipos: Carcasa y tubo, enfriadores de aire, placa, espiral, grafito, aletas
compactas, doble tubería, etc. Si es posible, deben seleccionarse en función de
minimizar el volumen de material peligroso.
●
Problemas: vibración, diferencia en la expansión para el arreglo carcasa/tubos
seleccionado, Rotura/fuga de tubo (diseño de placas tubulares dobles para
sustancias tóxicas), ensuciamiento (polimerización, etc.)/bloqueo,
●
Los problemas aparentes con los intercambiadores de calor a menudo están
relacionados con el ensuciamiento de las columnas de destilación, el bloqueo
de tuberías, etc.
●
La selección del material del tubo es importante ya que debe ser adecuado para
ambos fluidos
●
Contaminación: la fuga del tubo es un problema, la falla repentina puede ser un
problema de seguridad

de equipos
23
Hornos y rehervidores
●
El principal problema de seguridad es una explosión en la cámara de
combustión durante el encendido
●
Rotura de tubo y fuego (en calentadores encendidos) problema importante
●
La corrosión también es un problema importante en los calentadores a fuego
(internos/externos)
●
Temperaturas del metal del tubo (TMT) por debajo del punto de rocío de los
gases de combustión - corrosión
●
Tubos en calentadores a fuego generalmente diseñados en rango de "fluencia"
(TMT crítica)
●
Instrumentación: monitoreo de:
●
Temperaturas de entrada/salida del serpentín
●
Nivel de oxígeno y CO en los gases de combustión
●
Presión de la caja de fuego (vacío)

de equipos
24
Hornos y rehervidores
●
Instrumentación: monitoreo de:
●
Temperaturas de chimenea y "bridge-wall"
●
Temperaturas del metal del tubo en puntos seleccionados (especial cuidado
en la exactitud de estos datos)
●
Control de combustión
●
Control de llama
●
Control de flujo de aire de combustión
●
Control de combustible bajo y combustible/aire (exceso de aire)
●
Control de tiro
●
Control de caudal de agua de alimentación y temperatura de vapor
(calderas)

de equipos
25
Separadores gas/líquido
●
Aplicaciones:
●
Tambores KO de succión del compresor, tambores de reflujo, etc.
●
Separador de líquido de mezcla de bifásica
●
Problemas
●
El gas arrastrado por el líquido puede dañar las válvulas y generar sobre
presión en los equipos aguas abajo
●
El arrastre de líquido puede dañar los compresores e interferir con la
eficiencia operativa
●
Use interruptores de nivel para detectar las condiciones

de equipos
26
Cálculos simples para recipientes de proceso
●
A menudo se requieren una serie de cálculos simples para recipientes de
proceso
●
Estos cálculos incluyen:
●
Dimensionamiento preliminar de tambores verticales y horizontales
●
Estimación del número mínimo de platos teóricos, reflujo mínimo y número
real de platos para columnas de fraccionamiento simples
●
Caracterización de la alimentación y productos para columnas de
fraccionamiento complejas
●
Identificar criterios para la selección de bandejas vs empaques
●
Distinguir entre varios tipos de reactores.
●
Calcular la caída de presión para reactores de lecho fijo

de equipos
27
Recipientes de procesos. Tipos y funciones
●
Tambores
●
Usados principalmente para separación de fases y proporcionar capacidad
de compensación para líquidos
●
Columnas de fraccionamiento
●
Usadas para separar mezclas de hidrocarburos a partir del principio de
diferencias de puntos de ebullición
●
Reactores de lecho fijo
●
Utilizados para llevar a cabo reacciones químicas catalizadas

de equipos
28
Tambores. Consideraciones de diseño
Orientación vertical
●
Preferido para servicios que involucran relaciones de flujo volumétrico de vapor
a líquido muy altas o muy bajas cuando no se requiere sedimentación
líquido/líquido
●
Ejemplos: tambores KO de gas combustible, tambores KO de succión del
compresor, tambores de alimentación
Orientación horizontal
●
Preferido para servicio con relaciones de flujo volumétrico de vapor a líquido
intermedias o cuando se requiere sedimentación líquido/líquido
●
Ejemplos: tambores de destilado de columnas de fsaccionamiento, Separadores
de efluentes de reactores HDS, asentadores de cáustico y desaladores de crudo.

de equipos
29
Tambores. Consideraciones de diseño
●
Cuando ambas opciones de orientación son aceptables, la decisión final se basa
en la economía
●
La orientación vertical minimiza los requerimientos de espacio físico
●
La orientación horizontal minimiza el espacio libre y los requerimientos de
acero estructural cuando se ubican bajo otros equipos
●
Los tambores horizontales generalmente brindan una mejor separación
vapor/liquid
●
Las gotas de líquido se asientan perpendiculares al flujo de gas en lugar
de a contracorriente.

de equipos
30
Relación L/D del tambor
●
La relación longitud/diámetro (L/D) óptima esta basada en la economía
●
Tambores verticales: 1 - 5
●
Tambores horizontales: 3 – 5
●
El factor económico generalmente favorece el diámetro más pequeño que no
resulte en L/D > 5

de equipos
31
Boquillas de entrada
Tambores verticales
●
Por lo general, equipados con una sola boquilla de entrada radial
●
Las boquillas tangenciales mejoran la separación vapor/líquido pero su
construcción es más costosa
●
La velocidad de entrada debe ser limitada para minimizar el riesgo de arrastre
de líquido
Vmax: velocidad máxima en la boquilla de entrada, pie/s
ρmix: densidad de la mezcla a las condiciones de entrada, lb/pie3
V max=
100
ρmix
0,5

de equipos
32
Boquillas de entrada
Tambores horizontales
●
Se pueden especificar boquillas de entrada doble en los extremos opuestos del
tambor con una salida de vapor central para minimizar el área de flujo de vapor
requerida
●
Aplican las mismas restricciones de velocidad que para los tambores verticlaes

de equipos
33
Separación vapor/líquido
●
La velocidad crítica de entrada se rige de acuerdo a la Ecuación de Souders-
Brown
●
La velocidad permisible de la fase vapor
Vc: velocidad crítica de la fase vapor, pie/s
ρv: densidad de la fase vapor, lb/pie3
ρl: densidad de la fase líquida, lb/pie3
F: factor empírico basado en las características del servicio
➢
Tambores horizontales y verticales sin demister, F = 1,0
➢
Tambores horizontales con demister, F = 0,4 – 1,25
➢
Tambores verticales con demister, F = 1,0 – 2,25
V c=0,15⋅√
ρl−ρv
ρv
V a=F⋅Vc

de equipos
34
Asentamiento líquido/líquido
●
Velocidad de asentamiento de líquido
Vs: velocidad de asentamiento, pulg/min
ΔS: diferencia de gravedad específica
μ: viscosidad de la fase continua
●
No se recomienda el uso de velocidades de asentamiento mayores a 10
pulg/min
●
Para tasas bajas de flujo de fase pesada, se utilizan recipientes de
sedimentación (botas) en tambores horizontales para minimizar el diámetro
requerido del tambor
V s=20,80⋅
Δ S
μ

de equipos
35
Requerimientos de retención de líquido
●
Tiempos típicos de retención de líquido
Minutos
Alimentación a calentadores o columnas 10 – 15
Reflujo a la columna 5
Descarga de producto 2 – 5
●
La retención de líquido se calcula entre los rangos de los instrumentos de nivel
●
Nivel de líquido alto (High Liquid Level, HLL)
●
Nivel de líquido bajo (Low Liquid Level, LLL)

de equipos
36
Bibliografía consultada
American Society of Mechanical Engineers, ASME VII Division 1 Code
American Society of Mechanical Engineers, ASME VII Division 2 Code
CARMAGEN (2010). Process plant design, Fluid flow. Carmagen Course 1210,
Carmagen Inc.
Ludwig, E. E. (1999). Applied process design for chemical and petrochemical plants.
(Vol. 3, 3era ed.). Gulf professional publishing

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