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domingo, 15 de enero de 2012

7.2 METODOS CORTOS DE SELECCIÓN DE EQUIPO



7.2    METODOS CORTOS DE SELECCIÓN DE EQUIPO

Para hacer que los métodos se aproximen dentro de una perspectiva de diseño, enfocaremos los diferentes caminos para enfocar los problemas de diseño.
En muchos casos, es absolutamente necesaria la solución más rigurosa del problema, algunas respuestas aproximadas son aceptables. Las soluciones tentativas pueden ser finales, o muchas veces como punto de inicio para análisis detallados; tales soluciones pueden basarse ya sea en la experiencia, o desarrolladas por analogía con situaciones conocidas.
Los métodos cortos se aplican a las especificaciones de equipo que son arbitrarios, o en los cuales un diseño riguroso no conlleva a mejorar significativamente los beneficios. Los métodos cortos pueden dar un posible curso de acción cuando las circunstancias no permiten buscar la mejor solución.
Las reglas dadas aquí pueden servir como un enunciado final o como un punto de inicio. Los ingenieros tienen sus propias reglas de operación y diseño o métodos cortos, y muchas de estas se dan aquí. Los métodos cortos dados en este texto, están sujetos a varias calificaciones. La mayoría de estas reglas son aplicadas mejor cuando se tiene familiaridad con sus aplicaciones.
Estas reglas son valiosas para diseños preliminares y estimación de costos. Más aún, ellas dan las perspectivas y el fundamento por medio del cual se pueden valorar la racionalidad de los cálculos detallados y asistidos por computador.
La información es arreglada por categorías comúnmente reconocidas. En algunas instancias, por claridad se han incluido definiciones y fundamentos.


7.2.1     Compresores y Bombas de vacío

1.     Los ventiladores son usados para elevar la presión alrededor de 3% (12 pulg de H2O); los sopladores son usados para diferencias de alrededor de 40 psig; y los compresores para diferencias grandes.
2.     Bombas de vacío: Las tipo reciprocante de pistón son usadas para disminuir la presión hasta 1 torr; la rotatoria de pistón para bajar a 0,001 torr; la rotatoria de 2 lóbulos para bajar a 0,0001 torr, los eyectores de vapor, de una etapa para bajar a 100 torr, tres etapas bajan a 1torr, cinco etapas bajan a 0,05 torr.
3.     Un eyector de tres etapas necesita 100 lb de vapor/lb de aire a un vacío de 1 torr.
4.     La cantidad de aire evacuado por el equipo depende de la presión absoluta, torr, y el volumen de equipo, de acuerdo a:

     w= cV2/3                                (7.1)

donde  w = aire evacuado, lb/h; c es una constante, = 0,2 cuando P>90 torr, =0,08 cuando 3<P<20 torr, y = 0,25 a P<1 torr; y V = volumen, pies3
5.     Potencia teórica adiabática:

     Ph,p,t = (FT1/8130 a)((P2/P1)a – 1)          (7.2)
Donde Php,t = potencia, hp; F = caudal, pies3/s; T1 = temperatura de entrada, °R; P1 y P2 = presiones de entrada y salida, psia; a = (k – 1)/k, donde k = razón de calores específicos.
6.     Temperatura de salida:

     T2 = T1(P2/P1)a                 (7.3)

7.     Para comprimir aire a 100 °F: k = 1,4; razón de compresión = 3, potencia teórica requerida = 62 hp/ millón de pies3/día, temperatura de salida = 306 °F.
8.     En general, la temperatura de salida no debe exceder 350 – 400 °F; para gases diatómicos (k = 1,4), esto corresponde a una razón de compresión de alrededor de 4.
9.     La razón de compresión debe ser la misma en cada etapa en unidades de múltiple etapas. Con n etapas, y una presión de entrada Po, la razón de compresión por etapa, CR, es:
      CR = ((Pn /Po )1/n              (7.4)

10.  Eficiencias de compresores reciprocantes: 65 % a una razón de compresión de 1,5; 75 % a 2,0; y 80 – 85 % a una razón de 3 – 6.
11.  Las eficiencias de compresores centrífugos grandes son 76 – 78 % para unidades de   6 000 – 10 000 pies3/ min. de aire actual a condiciones de succión.
12.  Los compresores rotatorios tienen eficiencias de 70 %, excepto para sello de líquido, los cuales tienen 50 %.


7.2.2     Transportadores para partículas sólidas

1.    Los transportadores de tornillo son usados para transportar sólidos pegajosos y abrasivos sobre inclinaciones de 20 grados aproximadamente. Ellos están limitados a distancias de alrededor de 150 pies debido a la tensión debido al esfuerzo de torque. Un transportador de 12 pulg de diámetro, puede manipular 1 000 – 3 000 pies3/h a velocidades en el rango de 40 a 160 rpm.
2.    Los transportadores de banda son para grandes capacidades y grandes distancias (una milla o más, pero en una planta varios cientos de pies), sobre inclinaciones de 30 grados como máximo, una banda de 24 pulg de ancho, puede transportar 3 000 pies3/h a 100 pies/min. , pero para algunos materiales se pueden usar velocidades de hasta 600 pies/min. el consumo de potencia es relativamente bajo.
3.    Los elevadores de cubo son usados para el transporte vertical de materiales pegajosos y abrasivos. Con cubos de 20 pulg por lado, la capacidad puede alcanzar a 1 000 pies3/h a velocidad de 100 pies/min. , pero se pueden usar velocidades de hasta 300 pies/min.
4.    Transportadores tipo rastrillo son usados para distancias cortas en una dirección y en espacios completamente cerrados. Estas unidades en el rango de tamaños de 3 pulg a 19 pulg de lado, pueden transportar desde 30 pies/min. (tamaños pequeños) hasta 250 pies/min. (granos). Los requerimientos de potencia son altos.
5.    Los transportadores neumáticos son para grandes capacidades, distancias cortas (hasta 400 pies), pueden transportar simultáneamente desde diferentes puntos de partida hacia diferentes destinos. Se emplea ya sea vacío o presiones bajas (6 – 12 psig); las velocidades del aire son 35 – 120 pies/s, dependiendo del material y la presión; los requerimientos de aire son de 1 a 7 pies3/pie3 de sólido transportado.


7.2.3    Torres de enfriamiento

1.    El agua en contacto con el aire bajo condiciones adiabáticas, eventualmente se enfría hasta la temperatura de bulbo húmedo.
2.    En unidades comerciales, es posible alcanzar 90 % de saturación.
3.    El tamaño relativo de la torre es sensible a la diferencia entre la temperatura de salida y la temperatura de bulbo húmedo (ver tabla)

          Diferencia de temperatura, °F         5       15         25
          Volumen relativo                             24      1,0      0,55

4.    La torre debe tener una estructura abierta grande para minimizar la caída de presión, la cual, típicamente es como máximo de 2 pulg de H2Ola velocidad de circulación del agua es 1 – 4 gpm/pie2 y la velocidad del aire es 1 300 – 1 800 lb/(h)(pie2) o 300 – 400 pies/min.
5.    La chimenea asociada a torres de tiro natural son de forma hiperboloidal ya que de esta manera se da una gran resistencia para un espesor dado; una torre de 250 pies de alto tiene paredes de concreto de 5 – 6 pulg. la sección transversal ensanchada ayuda en la dispersión de la humedad del aire a la atmósfera.
6.    Las torres de tiro inducido y en contracorriente son las más comunes en las industrias de procesos químicos. Estas torres son habilitadas para enfriar agua a cerca de 2 °F de la temperatura del bulbo húmedo.
7.    Las pérdidas por evaporación son 1 %  de la circulación por cada 10 °F del rango de enfriamiento


7.2.4    Chancado y molienda

1.     Porcentajes en peso de material mas grande que 50 % del tamaño máximo son alrededor de 5º % para molinos rotatorios, 15 por ciento par molinos de volteo y 5 % para circuitos cerrados con molinos de bolas.
2.     Los circuitos cerrados de molienda emplean un clasificador de tamaño externo y retornan los gruesos para remolienda. Los métodos de circuitos cerrados son mas comunes con molinos de bolas y de barras.
3.     Las chancadoras de mandíbula toman los tamaños grandes, en rangos de varios pies de diámetro y lo reducen hasta 4 pulg. las velocidades de golpeo son de 100 – 300 golpes/min. las chancadoras giratorias son apropiadas para alimentaciones más gruesas y para obtener productos con tamaños más uniformes.
4.     Las chancadoras de rodillo so hechas ya sean con rodillos lisos o ranurados. Una chancadora con rodillos de 24 pulg de diámetro puede aceptar tamaños de 14 pulg de diámetro. Rodillos pequeños tiene razones de reducción por encima de 4. Las velocidades son de 50 – 900 rpm. La capacidad es alrededor de 25 % del máximo correspondiente a una cantidad continua pasando a través de los rodillos.
5.     Los molinos por golpe, golpean al material hasta que se reduzca de tamaño y pueda pasar a través de un cernidor colocado en el fondo del casco. Es posible una razón de reducción de 40. Las unidades grandes operan a 900 rpm y las pequeñas hasta 16 000 rpm. Para materiales fibrosos los cernidores llevan cuchillas para el corte.
6.     Los molinos de varillas pueden tomar alimentaciones tan grandes como 50 mm y reducirlas hasta malla 300, pero normalmente los productos están en el rango de malla 8 – 65. Las varillas tienen  de 25 – 150 mm de diámetro. La razón de longitud a diámetro del molino es 1,5. Alrededor de 45 % del volumen del molino es ocupado por las varillas. La velocidad de rotación es de 50 – 60 % la velocidad crítica.
7.     Los molinos de bolas son más usados que los molinos de varillas para molienda fina. La carga consiste de pesos iguales de bolas de 1,5; 2 y 3 pulg para molienda fina. El volumen ocupado por las bolas es 50 % del volumen del molino. La rotación es entre 70 – 80 % de la velocidad crítica. Los molinos de bolas tienen razones de longitud a diámetro de 1 – 1,5.
8.     Los molinos de tubo (neumáticos) tienen razones de 4 – 5 y son capaces de dar molienda muy fina.
9.     Los molinos de guijarros tienen elementos cerámicos de molienda para evitar la contaminación por metales.


7.2.5    Cristalización a partir de soluciones

1.    Recuperación completa de sólidos disueltos es posible por evaporación, pero solamente a la composición eutéctica por enfriamiento. El punto eutéctico también limita la recuperación por medio de la cristalización.
2.    Las velocidades de crecimiento y el tamaño de los cristales son controlados limitando la extensión de sobresaturación por un tiempo.
3.    La razón de la concentración prevaleciente a la concentración de saturación es mantenida entre 1,02 – 1,05.
4.    En cristalización por enfriamiento, la temperatura de la solución es mantenida a lo máximo entre 1 – 2 °F por debajo de la temperatura de saturación a la concentración prevaleciente.
5.    Bajo condiciones satisfactorias, las velocidades de crecimiento de los cristales son de 0,1 – 0,8 mm/h. Las velocidades de crecimiento son aproximadamente las mismas en todas direcciones.
6.    Las velocidades de crecimiento son grandemente influenciadas por impurezas y ciertos aditivos específicos que varían en cada caso.


7.2.6    Destilación y absorción de gases

1.    La destilación es usualmente la vía más económica para separar líquidos. Es superior a la extracción, adsorción, cristalización u otros métodos.
2.    Para mezclas binarias ideales, la volatilidad relativa, a12, es la razón de las presiones de vapor:
      a12 = P2/P1                            (7.5)

3.    La presión de operación de la torre es usualmente determinada por la temperatura del medio de condensación disponible; 100 – 120 °F si se usa agua como medio de enfriamiento; o por la máxima temperatura permitida en el rehervidor; si se usa vapor a 150 psig se puede alcanzar 366 °F.
4.    La secuencia de las columnas para la separación de mezclas de multiplecomponentes es: (a) efectuar primero las separaciones más fáciles (por ejemplo una que demande la menor cantidad de platos y reflujo) y dejar las más difíciles para después; (b) cuando ninguna volatilidad de los componentes de la alimentación varía considerablemente, remover los componentes uno por uno como productos del tope; (c) cuando al ordenar los componentes de la alimentación de acuerdo a su volatilidad, las volatilidades de los componentes adyacentes varían considerablemente, diseñar la separación en orden decreciente de su volatilidad; (d) cuando las concentraciones en la alimentación varía considerablemente, pero las volatilidades relativas no, remover los componentes en el orden de cómo decrecen las composiciones en la alimentación.
5.    La razón de reflujo económicamente óptima es alrededor de 1,2 veces la razón de reflujo mínimo.
6.    El número de platos económicamente óptimo es cerca del doble del valor mínimo.
7.    El número mínimo de platos Nm, se encuentra con la ecuación de Fenske – Underwood

     Nm = log[(x/(1 – x)d/(x/(1 – x)w]/loga               (7.6)

donde d se refiere al tope; w al fondo; x es la fracción molar
8.    El reflujo mínimo para mezclas binarias o pseudobinarias, cuando la separación es esencialmente completa (xD  ~ 1), está dado por la siguiente expresión:

      Rm D/F = 1/(a - 1)                   (7.7)

cuando la alimentación es a su punto de burbuja

 (Rm + 1)D/F = a/(a - 1)            (7.8)

cuando la alimentación es a su punto de rocío
 donde  xD  es  la  concentración del producto  en  el destilado, y  D/F es  la  razón  de
       producto en el tope a producto en la alimentación.
9.    Se puede usar un factor de seguridad igual al 10 % del número total de etapas calculado.
10. Las bombas de reflujo deberán sobrediseñarse en no menos de 25 %.
11. Para accesibilidad, el espaciado entre platos deberá ser 20 – 24 pulga.
12. La máxima eficiencia del plato es para un factor de vapor FS de 1,0 – 1,2.

      FS = u (rv)1/2         (7.9)

      donde u es la velocidad, pies/s; y rv es la densidad del vapor, lb/pie3.
FS establece el diámetro de la torre. Las velocidades lineales son alrededor de 2 pies/s a presiones moderadas, y 6 pies/s al vacío.
13.  El valor óptimo del factor de absorción de Kremser – Brown es 1,25 – 2,0.
14. La caída de presión por plato es alrededor de 3 pulg de H2O o 0,1 psi.
15. Las eficiencias de los platos para destilación de hidrocarburos ligeros y soluciones acuosas son de 60 – 90 %; para absorción de gas y desorción; 10 – 20 %.
16. Los platos perforados tienen perforaciones de 0,25 – 0,50 pulg de diámetro; el área de las perforaciones es 19 % del área de sección transversal activa.
17. Los platos de válvula tienen perforaciones de 1,50 pulg de diámetro cada uno, y están provistos con 12 – 14 casquillos levantables/pie2 de sección transversal activa. Los platos de válvula usualmente son más chicos que los platos perforados.
18. Los platos con casquetes de burbujeo son usados solamente cuando el nivel de líquido que cae debe mantenerse en un nivel bajo; estos pueden diseñarse para bajas caídas de presión tan igual como los platos perforados o de válvula.
19. La altura del vertedero en los platos es 2 pulg, la longitud del vertedero alrededor del 75 % del diámetro del plato; las velocidades del líquido son como máximo alrededor de8 gpm/ pulg de vertedero; para altas velocidades de líquido se usan arreglos en múltiple paso.
20. Los rellenos al azar y empaques estructurados son especialmente recomendados par torres con menos de 3 pies de diámetro y cuando se desea una baja caída de presión. Con una adecuada distribución inicial y redistribuciones periódicas, la eficiencia volumétrica puede ser tan grande coma la de las columnas de platos. Los rellenos internos son usados como alternativa para conseguir una mejor separación en columnas existentes.
21. Para velocidades de gas de 500 pies3/min, usar relleno de 1 pulg; para velocidades de gas de 2 000 pies3/min o más, usar 2 pulg.
22. Tomar una relación de diámetro de torre a empaque como mínimo de 15.
23. Debido a la deformabilidad plástica, los empaques de plástico son limitados a 10 – 15 pies de altura sin soportes;  los de metal a 20 – 25 pies.
24.  Los redistribuidores de líquido son necesarios cada 5 – 10 veces el diámetro de la torre con anillos Pall, pero no más que cada 20 pies. Para torres  tan grandes como 3 pies de diámetro son necesarias 3 – 5 corrientes de líquido/pie2; para pequeñas torres es necesaria una alta densidad.
25. La HETP (altura equivalente a un plato teórico) para contacto vapor – liquido es 1,3 – 1,8 pies para anillos Pall de 1 pulg; 2,5 – 3,0 para anillos Pall de 2 pulg.
26. Las torres empacadas pueden operar cerca al  70 % de la velocidad de inundación dada por la correlación de Sherwood, Lobo , et al.
27. Los tanques de reflujo usualmente son horizontales, con una tiempo de retención de líquido de 5 min. Una  conexión para la salida de una segunda fase liquida, tal como un sistema agua hidrocarburos, es dimensionada para una velocidad lineal de la fase de 0,5 pies/s, con un diámetro mínimo de 16 pulg.
28. Para torres de alrededor de 3 pies de diámetro, adicionar 4 pies al tope para desprendimiento del vapor, y 6 pies al fondo para el nivel de líquido y retorno del rehervidor.
29. Los límites de altura de las torres son alrededor de 175 pies debido a consideraciones de seguridad.