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Manejo y Transporte de Fluidos

Manejo de Materiales y Distribución en Planta

Ing. Gustavo Grimolizzi

MANEJO DE FLUIDOS

TIPO DE MANEJO POR DUCTOS: • CAÑERÍAS • TUBERÍAS

Material

Unitarizado

A Granel Sólido

A Granel Fluido

Líquido

Gaseoso

Independientemente de la presentación del fluido, LIQUIDA o GASEOSA, los elementos a tener en cuenta para el movimiento de los fluidos son:

– Características Físico Químicas

– Elementos para la conducción

– Elementos para Energización

– Elementos de Almacenamiento

Fluidos

Fluido Líquido – Fluido Incompresible

– Fluidez • Laminar, las partículas se mueven en líneas paralelas.

• Turbulenta, las partículas se mueven en todas las direcciones

– Temperatura

– Composición Química

– Viscosidad

– Partículas en Suspensión / Disueltas

– Peligrosidad

– Presión

Características Físico – Químicas de los Fluidos

Fluido Gaseoso – Fluido compresible

– Responden al 1re y 2do principio de la Termodinámica

– Se comportan como gases reales, para los cálculos aproximados que realizaremos los consideraremos como gases ideales.

– Perdidas por fricción dentro de las cañerías

– Temperatura

– Partículas en suspensión

– Presión

Características Físico – Químicas de los Fluidos

Los elementos destinados a la conducción de fluidos son:

– Caño: elemento normalizado, que se designa por el diámetro nominal y el espesor de pared

– Tubo: elemento no normalizada, que se designa por el diámetro exterior y el espesor de pared

Elementos para Conducción del Fluido

Dn < De

t

Dn< 12” Dn=De

t

Caño Dn>/= 12”

t

De


Los caños (Pipe) son los que se usan en instalaciones industriales para la conducción de fluidos, y al tener normalizado y único el diámetro exterior para cada medida de diámetro nominal, permite el uso estándar de los elementos (accesorios) para el conexionado y cambio de dirección, como también las válvulas para interrupción y control de flujo.

Los Tubos (Tube) son empleados en equipos como intercambiadores de calor, caldera, condensadores, etc.


Elementos para Conducción del Fluido Materiales

FERROSOS

– Acero al Carbono:

– Acero Aleados

– Acero Inoxidable

– Hierro Fundido

– Hierro Forjado

NO FERROSOS

– Cobre

– Latón

– Bronce

– Cupro - Níquel

– Plomo

– Aluminio

– Titanio

Elementos para Conducción del Fluido Materiales

PLÁSTICOS

– HDPE, Polietileno de alta densidad

– PRFV, Plástico reforzado con fibra de vidrio

– PVC, Poli cloruro de vinilo

– Teflón

Otros

– Caucho, mangueras para alta presión

– Cerámica

– Hormigón Armado

– Cemento

Es el tipo de conductor de fluido más utilizado en la industria por su resistencia a la presión interior y a la temperatura.

Cañería de Acero al Carbono – El rango de temperatura de trabajo es de -30°C a

400°C • Por arriba del rango superior sufre el efecto Creep

(deformaciones por fluencia)

• Por debajo del límite inferior es afectado por el efecto Charpy (fragilidad y concentración de tensiones)

Cañería de Acero Tipos de Acero

Cañería de Acero al Carbono – Estos aceros tienen porcentajes de Mn (hasta

0,9%) y Si (hasta el 0,1%)

– El Mn incrementa los límites de fluencia y rotura, es decir mayor resistencia mecánica

– El Si aumenta la resistencia a la oxidaxión a alta temperatura

– Los aceros con Si tienen una estructura granulométrica más fina y uniforme, dando una mayor calidad al acero


Cañería de Acero al Carbono – Hay una amplia variedad de materiales para caños

de acero al carbono, indicamos a continuación las más comunes

– Calidad Baja (hasta 200°C) • ASTM A-120

– Calidad Media (hasta 400°C • ASTM A-53

• API 5L y 5LX

– Calidad Alta (Altas Temperaturas y Resistencias) • ASTM A-106


Cañería de Acero Aleado – Se Clasifican en

• Aceros de Baja Aleación: hasta 5% de elementos adicionales

• Aceros de Media Aleación: entre 5% y 10% de elementos adicionales

• Aceros de Alta Aleación: más del 10% de elementos adicionales. Aceros Inoxidables

– Los aceros de baja aleación son los más usados, compuestos ferriticos con agregado de Cr, Mo y en menor escala Ni


Cañería de Acero Aleado – La utilización de esta cañería, cuyo costo es mayor

que la de acero al carbono se justifica: • Altas Temperaturas, > 470°C

• Bajas Temperaturas, < -30°C

• Alta abrasión

• Alta Peligrosidad

• Alta Corrosión

• Para evitar contaminación


Sin Costura

Cañería de Acero Forma Constructiva

Sin Costura – El caño se construye a partir de un tocho de acero que

es introducido a temperatura en un tren laminador, que mediante rodillos exteriores y un punzón interior se va conformando el caño.

– Hecho el punzonado del tocho, este se vuelve a laminar para darle las dimensiones definitivas al caño

– Al ser una sola pieza sin presentar uniones en su circunferencia tiene la máxima resistencia a la presión interna que se puede obtener • https://www.youtube.com/watch?v=j-WN-qUgUJY


https://www.youtube.com/watch?v=j-WN-qUgUJY







Con Costura

Con Costura – El caño se construye a partir de una Chapa de

acero que es conformada en frio mediante rodillos exteriores, luego es soldada mediante diferentes métodos.

– Al presentar un unión soldada a lo largo de su pared, sea recta o helicoidal, la resistencia a la presión interna depende del tipo de soldadura y es menor que la de los tubos sin costuras.


Con Costura

– Costura recta ERW, donde un fleje de acero es cilindrado longitudinalmente por rodillos la unión se hace mediante una soldadura eléctrica por inducción.

– https://www.youtube.com/watch?v=KoN3Ec6r3V0

– Costura recta RSAW, donde un fleje de acero es cilindrado longitudinalmente por rodillos la unión se hace mediante una soldadura por arco sumergido.


https://www.youtube.com/watch?v=KoN3Ec6r3V0



Con Costura – Costura helicoidal HSAW, generalmente usada

para grandes diámetros se parte de una chapa de acero que es cilindrada en forma helicoidal para luego ser soldado eléctricamente por arco sumergido

– https://www.youtube.com/watch?v=fdCa7hU5Ue8


https://www.youtube.com/watch?v=fdCa7hU5Ue8



Caños de Acero Selección del Material

La selección del material a emplear en una cañería de acero esta en función de: – Uso del Caño

– Presión Interior

– Temperatura del Fluido

– Agresividad del Fluido

La protección de la cañería puede ser: – Exterior, cuando estará enterrada o a la

intemperie

– Interior, en función de la agresividad del fluido

Caños de Acero Normas más comunes a emplear

El material de los caños esta normalizado por las Normas: – ASTM - Conducción a baja y alta presión, tubos para

intercambiadores y calderas

– API- Conducción de petróleo tanto en superficie como para pozos

– ISO – Conduits

– IRAM – Conduits


ASTM A-106 Caños sin costura, de 1/8" a 24" de alta calidad para temperaturas elevadas.

ASTM A 53 Caños con o sin costura de calidad media 1/8" a 24" para uso general, negro o galvanizado. La especificación distingue 4 grados, siendo el A y B los más comunes. No deben usarse por encima de los 400 °C

ASTM A 120 Caños con o sin costura de baja calidad 1/8" o 12" sin garantía de calidad, negro o galvanizado. No deben sobrepasar temperaturas de 200 °C.

ASTM A-211 Para caños con soldadura en espiral. En diámetros de 4" a 48".


ASTM A-83 Tubos sin costura para calderas en diámetros de 1/2" a 6".

ASTM A-178 Tubos con costura, para calderas de media y baja presión, en diámetros de 1/2" a 6".

ASTM A-179 Tubos sin costura, para intercambiadores de calor en diámetros de 1/2" a 2".

ASTM A-214 Tubos con costura, para intercambiadores de calor en diámetros de 1/2" a 2".

ASTM A-192 Tubos sin costura, para calderas de alta presión, de acero al Carbono calmado (con Si) en diámetros de 1/2" a 7"

Caños de Acero INOXIDABLES

La especificación más importante de aceros inoxidables es la ASTM A-312 que abarca varios tipos de materiales denominados "Aceros 18-8" (Cr 18% - 8% Ni) de los cuales los más usados son los siguientes : – 304

– 316

– 321

– 347

Los aceros inoxidables pueden trabajar desde -270°C hasta 800°C en servicio continuo; algunos pueden trabajar hasta 1100°C. El agregado de Ti o Cb (aceros inoxidables estabilizados)

Caños de Acero Espesor de Pared

El principal elemento resistente del caño es el denominado espesor de pared, es decir el espesor de la chapa que compone el caño.

Originalmente las normas ASA (actuales ANSI) definieron tres espesores para cada diámetro de cañería, y le denominaron: – Peso

• Es la relación que el espesor de pared determina el peso por metro del caño

• Se normalizo peso STD, XS y XXS

• Actualmente en algunas aplicaciones se siguen utilizando


Las normas ASTM / API a posteriori desarrollaron la clasificación de espesares de pared según: – N° Schedule

• Número adimensional que representa un conjunto de caños que mantiene la relación Presión interior y Resistencia mecánica

– P = Presión Interior (PSI)

– S = Tensión Admisible del Material (PSI)

S

PSCHN

*1000


– N° Schedule

• Las Normas definen 11 números Schedules: – 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 120, 140, 160.

• Los caños de fabricación estándar son: – SCH 40 (Esp. STD hasta 10’’) – Bajas presiones

– SCH 80 (Esp. XS hasta 10’’) – Medias presiones

– SCH 160 (Esp. XXS hasta 10’’) – Altas presiones

• El resto de los N° SCH no son de fabricación común y en algunas relación de espesores / diámetros son directamente fabricados a pedidos

Caños de Acero Cálculo del Espesor de Pared

Diversas normas lo determinan, en función del servicio a prestar

La más utilizada es la ASME

• P=Presión interior

• De=Diámetro exterior

• S=Tensión admisible del material del caño

• E=Eficiencia de la junta del caño 1=S/costura, <1 C/costura

• Y=coeficiente que depende del material del caño y la temperatura de servicio

• A este valor hay que adicionarle el 12.5% por tolerancia de fabricación del caño

AyPES

DePt

)**(*2

*

Caños de Acero Métodos de Unión

Existen básicamente cuatro métodos de unión de cañerías entre sí y con sus accesorios:

– Conexiones roscadas (Screwed joints)

– Conexiones soldadas (Welded joints)

– Conexiones bridadas (Flanged joints)

– Conexiones de enchufe (Socket Welded joints)

Existen otros tipos de uniones como la Vitaulic, de cierre rápido, y juntas elásticas entre otras


Conexiones roscadas (Screwed joints)


Conexiones soldadas (Welded joints)


Conexiones bridadas (Flanged joints)


Conexiones de enchufe (Socket Welded joints)

Caños de Acero Accesorios de Cañería

Son utilizados para la unión, derivación y cambio de dirección de la cañería

Caños de Acero Válvulas

Es un dispositivo mecánico montado en la cañería que permite retener o regular la circulación de un fluido en la línea de cañería

Se clasifican en:

– Válvulas de obturación

– Válvulas de regulación

– Válvulas de seguridad


Válvulas de obturación

– Esclusas

– Esféricas

– Globo

– Tapón

– Diafragma


– Válvulas de regulación

– Válvulas de seguridad

Identificación de Cañerías

Para que no haya duda del producto que conduce una cañería se identifican mediante colores, según IRAM 2507

Cañería No Metálica

Se han desarrollado en varios materiales

– PVC

– Polietileno de alta densidad (PE)

– Plástico reforzado con fibra de vidrio (PRFV)

Baja/Mediana resistencia a presión interna

No la afecta la corrosión

Es afectada por los rayos ultra violetas

Elementos para Energización del Fluido Líquidos

Energizar un líquido es elevar su presión para que se desplace de un punto a otro en una instalación

Tipos de Energización

– Natural: Cuando entre el punto de partida tiene una altura positiva respecto del punto de llegada

– Bombeo Mecánico: son dispositivos mecánicos que utilizando la propiedad de incompresibilidad del líquido elevan la presión del mismo


Bombas Centrifugas

– Imparten velocidad al fluido por fuerza centrifuga, mientras este pasa a través de paletas, son las más comúnmente usadas en instalaciones industriales. Para aumentar la presión se construyen en varias etapas.


Bombas de Desplazamiento Positivo

– Reciprocas: operan con un pistón, émbolo buzo o diafragma movidos alternativamente en un cilindro o cámara

– Rotativas: se caracteriza por impulsar el líquido a bombear “empujando” al mismo, los elementos que presurizan al líquido pueden ser engranajes, paletas o tornillos.


Bombas de Desplazamiento Positivo

Elementos de Almacenamiento Hidrocarburos Líquidos

Tanques Atmosféricos son construidos según normas del Americam Petroleum Institute A.P.I. , norma API 650 y la norma API 653 para reconstrucción o modificación de tanques usados.

La Norma API estandariza las medidas de los tanques.

CAPACIDAD DIAMETRO ALTURA

M3 BLS M PIES M PIES

79,5 500 4,57 15 5,48 18

1590 10.000 12,95 42,5 12,19 40

79.500 500.000 85,30 280 14,63 48

Los tanques tienen dos tipos de techos, fijos (de baja capacidad) y flotantes de manera de compensar la presión de los vapores del líquido

Elementos de Almacenamiento Hidrocarburos Líquidos

Los tanques se diseñan tanto su geometría como su material según el fluido a almacenar

– Tipo

• Fondo Plano

• Fondo Toriesférico sobre patas

• Horizontales para enterrar

• Horizontales sobre patas

– Material

• Acero / Inoxidable

• Plásticos Industriales PRFV

Elementos de Almacenamiento Líquidos (NO Hidrocarburos)

Elementos de Almacenamiento Líquidos (NO Hidrocarburos)

Aire Comprimido Neumática

Comenzó a ser utilizado como fuente de engría hace a principio del siglo XX, en la industrial de la minería, ferrocarriles (frenos)

Desde la segunda mitad del siglo XX se utiliza en vehículos y elementos de transporte, en procesos de pintura, perforación de suelos y rocas, arenado en fundiciones y para limpieza de superficies, para la fluidificación de líquidos y sólidos, para accionamiento de máquinas herramientas manuales para automatización de diversos procesos y robótica, etc.

Aire Comprimido Generalidades

El aire es un fluido compuesto por una mezcla en volumen de: Nitrógeno (78%), Oxígeno (21%) y otros gases, (1%)

El comportamiento del aire comprimido responde al de los gases reales, que difiere con el de los gases perfectos, diferencia que depende de la presión y temperatura del gas, agudizándose en la cercanía al punto de condensación


No obstante, en las aplicaciones prácticas usuales del “Aire Comprimido” dado que se trabaja a presiones y temperaturas tales que, con pequeños errores (menores al 3%), puede considerarse al aire como un gas perfecto


El aire es de fácil captación y no posee propiedades explosivas.

El trabajo con aire no daña los componentes de un circuito.

Las sobrecargas no constituyen situaciones peligrosas.

Energía limpia

Cambios instantáneos de sentido de circulación

Aire Comprimido Ventajas

En circuitos muy extensos se producen pérdidas de cargas considerables.

Requiere de instalaciones especiales para recuperar el aire previamente empleado.

Costo importante de generación

Altos niveles de ruido generados por la descarga del aire hacia la atmósfera

Aire Comprimido Desventajas

Atmosfera Normal de Referencia A.N.R.

Como las características del aire pueden variar dentro de límites muy amplios en función de la presión y la temperatura, se hizo necesario fijar un estado normalizado que sirviera como referencia para comparación de situaciones.

Así surgió la “Atmósfera Normal de Referencia” (A.N.R.), fijado por las normas ISO R554.


Las Características del aire a una ANR:

– Temperatura de 20 °C

– Presión de 1,013 bares

– humedad relativa de 65 %

El consumo de los equipos que generan o funcionan con aire comprimido están definidos por el volumen de aire al ingreso de dicho dispositivo en condiciones A.N.R.


Ejemplo: Compresor de Aire, 10 m3/minuto

– Es el Caudal de Aire Aspirado en Atmósferas Normal de Referencia.

Para aclarar la referencia a la A.N.R. se antepone la letra “N” (por Normal) a la unidad de medida del caudal que se menciona

En el ejemplo anterior, la capacidad del compresor es:

– 10 Nm3/minuto

Equivalencias de Unidades de Presión

Cálculo de volúmenes a valores Normales A Temperatura Constante

Un tanque contiene 5 m3 de aire a una presión de 6 kg/cm2 y a una temperatura de 20ºC.

Se pide determinar el Volumen a que se llegaría luego de una supuesta transformación en que la temperatura y presión pasarían a ser las de la A.N.R.

Dado que la temperatura ya es igual a la de la A.N.R. se supone que es una transformación a T= CTE

3

2

2

32

2

2

112

2211

04,34

/10330

5*/70330

*

**

mV

mKg

mmKgV

p

VpV

VpVp

Cálculo Completo Cálculo Simplificado

3

2

2

32

2

2

112

2211

30

/10330

5*/60000

*

**

mV

mKg

mmKgV

p

VpV

VpVp

Cálculo de volúmenes a valores Normales A Temperatura Constante

Ejemplo de Cálculo

Transformación a T=cte. Se considera al aire como Gas Perfecto

Relación de Compresión

La relación p1/p2 en valores absolutos se llama “relación de compresión”

Este valor indica que la presión del aire comprimido es X veces (sin unidad) mayor que la atmosférica en valores absolutos y que, proporcionalmente, a temperatura constante, el volumen del aire se redujo también X veces.

Ejemplo de Cálculo

Si la temperatura del aire comprimido, en lugar de ser de 20 ºC y coincidir con la A.N.R. hubiera sido diferente, entonces hubiera correspondido aplicar la siguiente ecuación general de los Gases Perfectos

2

2*2

1

1*1

T

Vp

T

Vp

Ejemplo de Cálculo

La diferencia relativa con respecto al caso anterior es 32,1/34,04= 0,94, es decir, 6%, o bien 1% por cada 3 ºC de variación de temperatura

Generación de Aire Comprimido

La generación de esta fuente de energía se realiza mediante la utilización de equipos compresores, siendo los mas comunes

Compresores

Rotativos

De Paletas

De Lóbulos

De Tornillo

Alternativos

Con Aceite

Sin Aceite

Generación de Aire Comprimido Compresores Alternativos

Generación de Aire Comprimido Compresores Rotativos

Acumulación del Aire Comprimido

El acumulador o depósito sirve para estabilizar el suministro de aire comprimido. Compensa las oscilaciones de presión en la red de tuberías a medida que se consume aire comprimido.

Gracias a la gran superficie del acumulador, el aire se refrigera adicionalmente. Por este motivo, en el acumulador se desprende directamente una parte de la humedad del aire en forma de agua


El tamaño de un acumulador de aire comprimido depende:

– Del caudal de suministro del compresor

– Del consumo de aire

– De la red de tuberías (volumen suplementario)

– Del tipo de regulación

– De la diferencia de presión admisible en el interior de la red.

– Determinación del acumulador cuando el compresor funciona Intermitentemente


Distribución del Aire Comprimido

El diámetro de las tuberías no debería elegirse conforme a otros tubos existentes ni de acuerdo con cualquier regla empírica, sino en conformidad con:

– El caudal

– La longitud de las tuberías

– La pérdida de presión admisible

– La presión de servicio

– La cantidad de estrangulamientos en la red


Al igual que el resto de los materiales clasificados como fluidos, el aire comprimido puede ser conducido por cañerías y o tuberías

El diámetro de las tuberías debe elegirse de manera que si el consumo aumenta, la pérdida de presión entre él depósito y el consumidor no sobrepase 10 KPa (0,1 bar). Si la caída de presión excede de este valor el rendimiento disminuirá considerablemente.


Las tuberías requieren mantenimiento regular, por lo que no deben instalarse en emplazamientos demasiado estrechos. En estos casos, la detección de posibles fugas se hace difícil. Pequeñas faltas de estanqueidad ocasionan considerables pérdidas de presión.

Por la existencia de agua en el mismo, ya sea por condensación o producto de la propia generación y almacenaje, este fluido debe transportarse (cuando resulte posible) con instalaciones que posean pendientes de 1 al 3% en su emplazamiento.



En consideración a la presencia de condensado , las derivaciones para las tomas aire en el caso de que las tuberías estén tendidas horizontalmente, se dispondrán siempre en la parte superior del tubo.


En la mayoría de los casos, la red principal se monta en circuito cerrado. Desde la tubería principal se instalan las uniones de derivación.

Con este tipo de montaje de la red de aire comprimido se obtiene una alimentación uniforme cuando el consumo de aire es alto. El aire puede pasar en dos direcciones.



Tratamiento del Aire Comprimido

Las impurezas en forma de partículas de suciedad, óxido, residuos de aceite lubricante y humedad dan origen averías en las instalaciones neumáticas y a la destrucción de los elementos neumáticos.

Deben eliminarse todas las impurezas del aire, ya se antes de su introducción en la red distribuidora o antes de su utilización. Las impurezas que contiene el aire pueden ser:

– Sólidas. Polvo atmosférico y partículas del interior de las instalaciones

– Líquidas. Agua y niebla de aceite

– Gaseosas. Vapor de agua y aceite

Tratamiento del Aire Comprimido Los inconvenientes que estas partículas pueden

generar son:

– Sólidas: desgaste y abrasiones, obstrucciones en los conductos pequeños.

– Líquidas: el aceite que proviene de la lubricación de los compresores provoca formación de partículas carbónicas y depósitos gomosos por oxidación y contaminación del ambiente al descargar las válvulas.

– Gaseosas : el agua en forma de vapor provoca oxidación de tuberías y elementos, disminución de los pasos efectivos de las tuberías y elementos al acumularse las condensaciones, mal acabado en operaciones de pintura.

Filtro de aire comprimido con regulador de presión

– El filtro tiene por misión:

• Detener las partículas sólidas

• Eliminar el agua condensada en el aire

– La Regulación de Presión tiene por objeto:

• Llevar la presión de transporte a la presión de trabajo



Lubricación

– El lubricador tiene la misión de lubricar los elementos neumáticos en medida suficiente. El lubricante previene un desgaste prematuro de las piezas móviles, reduce el rozamiento y protege los elementos contra la corrosión.

– Son aparatos que regulan y controlan la mezcla de aire-aceite. Los aceites que se emplean deben: • Muy fluidos

• Contener aditivos antioxidantes

• Contener aditivos antiespumantes

• No perjudicar los materiales de las juntas

• Tener una viscosidad poco variable trabajando entre 20 y 50° C

• No pueden emplearse aceites vegetales ( Forman espuma)

En comparación con los eléctricos, por poseer una gran relación potencia/peso.

Ofrecen también la ventaja de una fácil regulación de velocidad

Son capaces de soportar sobrecargas de forma tal de llegar hasta su detención, manteniéndolos detenidos sin peligro alguno para su integridad y sin necesidad de elementos protectores.

Motores Neumáticos

No producen chispas, por lo que pueden ser empleados en ambientes peligrosos, inflamables o “explosivos”.

No presentan el peligro de fallas de aislación que podrían fulminar a su operador

Su rendimiento es muy inferior al de los motores eléctricos siendo aproximadamente de 12 a 30 % como máximo

Motores Neumáticos

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