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domingo, 15 de enero de 2012

CAPITULO 7: EQUIPO DE PROCESO

CAPITULO   7
EQUIPO DE PROCESO


7.1.    ESPECIFICACIÓN Y DISEÑO DE EQUIPO

La meta de un “diseño de planta” es desarrollar y presentar una planta completa que pueda operar sobre una base industrial efectiva. Para alcanzar esta meta, el Ingeniero Químico, debe tener la habilidad de combinar muchas unidades o piezas de equipos diferentes en una planta operando adecuadamente. Para que esto sea posible, cada unidad de equipo debe ser capaz de cumplir su función necesaria. Por lo tanto el diseño de equipo es una parte esencial en el diseño de una planta.
El ingeniero que desarrolla un diseño de procesos debe aceptar la responsabilidad de preparar las especificaciones de las piezas individuales de equipo y debe estar familiarizado con los métodos de fabricación de los diferentes tipos de equipo. En este aspecto debe reconocerse la importancia de una adecuada selección de los materiales de construcción. Los datos de diseño deben ser desarrollados, dando tamaños, condiciones de operación, número y localización de las unidades, variaciones permisibles, y otra información. Muchos detalles de construcción son manipulados por el fabricante, pero el ingeniero químico debe sentar las bases para la información de diseño.


7.1.1   Escalamiento en el diseño

Cuando los datos exactos no están disponibles en la literatura o cuando la experiencia pasada no da una base adecuada para el diseño, las pruebas de planta piloto pueden ser necesarias en orden a diseñar un efectivo equipo de planta. Los resultados de estas pruebas pueden ser escalados a la capacidad de la planta. Un ingeniero químico entonces debe estar familiarizados con las limitaciones de los métodos de escalamiento y deberá conocer como seleccionar las variables de diseño esenciales.
Los datos de planta piloto son la mayoría de las veces requeridos para diseñar filtros  a menos que se disponga de información específica sobre los tipos de materiales y condiciones involucradas. Los intercambiadores de calor, las columnas de destilación, bombas y muchos otros equipos convencionales pueden ser diseñados adecuadamente sin usar datos de planta piloto.

Tabla 7.1  Factores en el diseño y escalamiento de equipo



Tipo de equipo
Es usualmente necesario planta piloto?
Principales variables de operación (diferentes al flujo)
Principales variables que caracterizan el tamaño o capacidad
Razón máxima de escalamiento basada en las variables de caracterización indicadas
Factor aproximado de sobrediseño recomendado para seguridad %
Cristalizadores “batch” agitados

Si
Relaciones de solubilidad temperatura
Flujo
Area de transferencia     de calor
> 100:1
20
Reactores “batch”

Si
Velocidad de reacción
Estado de equilibrio
Volumen
Tiempo de residencia

>100:1
20
Bombas centrífugas

No
Columna de descarga
Caudal
Entrada de potencia
Diámetro del impulsor
> 100:1
> 100:1

10:1
10
Reactores continuos
No
Velocidad de reacción
Estado de equilibrio
Razón de flujo
Tiempo de residencia
>100:1
20
Torres de enfriamiento 
No
Humedad del aire
Disminución de temperatura
Caudal
Volumen
>100:1
10:1
15
Ciclones
No
Tamaño de partícula
Caudal
Diámetro de partícula
10:1
3:1
10
Evaporadores
No
Calor latente de  vaporización
Temperaturas
Caudal
Area de transferencia de calor
>100:1
>100:1
15
Molinos de martillos
Si
Reducción de tamaño
Flujo
Entrada de potencia
60:1
60:1
20
Mezcladores
Si
Método  de descarga
Flujo
Entrada de potencia
>100:1
20:1
20
Dispositivo de descarga de centrífugas
Si 
Método de descarga
Caudal
Entrada de potencia
10:1
10:1
20
20
Columnas empacadas
No
Datos de equilibrio
Velocidad  superficial del vapor
Caudal
Diámetro
Razón altura a diámetro
>100:1
10:1
15
Columnas de platos
No
Datos de equilibrio
Velocidad superficial del vapor
Caudal
Diámetro
>100:1
10:1
15
Filtros de platos y de discos
Si
Resistencia de la torta o permeabili-dad
Caudal
Area de filtración
>100:1
>100:1
20
Rehervidores
No
Temperaturas
Viscosidades
Caudal
Area de transferencia de calor
>100:1
>100:1
15
Compresores reciprocantes
No
Razón de compresión
Caudal
Entrada de potencia
Desplazamien-to del pistón
>100:1
>100:1

>100:1
10
Filtros rotatorios
Si
Resistencia de la torta o permeabi-lidad
Caudal
Area de filtración
>100:1
25:1
20
Transportadores de tornillo
No
Densidad de la masa
Caudal
Diámetro
Potencia del motor
90:1
8:1
20
Extrusores de tornillo
No
Velocidad de corte
Caudal
Entrada de potencia
100:1
100:1
20
10
Centrifugas de sedimentación
No
Método de descarga
Caudal
Entrada de potencia
10:1
10:1
20
20
Sedimentadores
No
Velocidad de sedimenta-ción
Volumen
Tiempo de residencia
>100:1
15
Columnas de aspersión (“Spray”)
No
Caudal
Entrada de potencia
Caudal
Entrada de potencia
10:1
20
Condensadores por aspersión (“Spray”)
No
Calor latente de  vaporización
Temperatura
Caudal
Relación de altura a diámetro
70:1
12:1
20
Intercambiadores de casco y tubos
No
Temperatura
Viscosidades
Conductividad térmica
Caudal
Area de transferencia de calor
>100:1
>100:1
15


La tabla 7.1 presente un análisis de los factores importantes en el diseño de los diferentes tipos de equipo. Esta tabla muestra las principales variables que caracterizan al tamaño o capacidad del equipo y las razones máximas de escalamiento para estas variables. También se incluyen la información sobre la necesidad de pruebas de planta piloto, factores de seguridad y datos operacionales esenciales para el diseño.


7.1.2    Factores de seguridad

Algunos  ejemplos de factores de seguridad recomendados para diseño de equipo, son mostrados en la Tabla 7.1.  Estos factores representan la cantidad de sobrediseño que debería usarse para compensar cambios en la operación  con el tiempo.
La aplicación indiscriminada de factores de seguridad puede ser muy detrimente para un diseño. Cada unidad de equipo debería diseñarse para llevar a cabo su función según sea necesario. Entonces si existen incertidumbres, puede ser aplicado un razonable factor de seguridad. El potencial incremento en los requerimientos de capacidad es algunas veces usado como excusa para aplicar factores de seguridad grandes. Esta práctica, sin embargo, puede resultar en un grande sobrediseño tal que el equipo o el proceso nunca llegara a operar a valores óptimos.
En los trabajos de diseño en general, la magnitud de los factores de seguridad son dictados por las consideraciones económicas o de mercado, la exactitud de los cálculos de diseño, cambios potenciales en la operación, información disponible sobre el proceso total y el grado de incertidumbre usado sobre en el desarrollo de los componentes individuales del diseño. Cada factor de seguridad debe ser establecido sobre la base de las condiciones existentes, y el ingeniero químico no debería vacilar para usar un factor de seguridad de cero si la situación así lo determina.


7.1.3     Especificaciones

Una generalización para el diseño de equipo es que el equipo estándar debería ser seleccionada cada vez que sea posible. Si el equipo es estándar, el fabricante puede tener el tamaño deseado en stock. En todo caso, el fabricante puede usualmente cotizar un precio bajo y dar mejores garantías para equipo estándar que para el equipo especial.
El ingeniero químico no puede ser un experto en todos los tipos de equipo usado en las plantas industriales, y por lo tanto debe hacer un buen uso de la experiencia de otros. Mucha información útil se puede obtener de los fabricantes especializados en tipos particulares de equipo.
Antes de contactarse con un fabricante, el ingeniero debe evaluar las necesidades del diseño y preparar una hoja de especificación preliminar para el equipo. Esta hoja de especificación preliminar puede ser usada por el ingeniero como una base para la preparación de las especificaciones finales. La especificación preliminar debe mostrar lo siguiente:

1.    Identificación
2.    Función
3.    Operación
4.    Material manipulado
5.    Datos básicos de diseño
6.    Controles esenciales
7.    Requerimientos de instrumentación
8.    Tolerancias permisibles
9.    Información especial y detalles pertinentes para equipo particular, tales como materiales de construcción incluyendo  embalaje, soportes, instalación, datos necesarios de distribución y detalles especiales de diseño.

Las especificaciones finales pueden ser preparadas por el ingeniero: sin embargo, se debe tener cuidado para evitar restricciones innecesarias. El ingeniero podría permitir a los potenciales fabricantes a hacer  sugerencias antes de la preparación de las especificaciones detalladas. En esta dirección, el diseño final puede incluir pequeños cambios que disminuyan los costos sin disminuir la eficiencia del; equipo. Por ejemplo los tubos en intercambiadores estándar son usualmente de 8, 12, 16 o 20 pies de longitud, y estas longitudes son ordinariamente mantenidas en stock por los fabricantes y los departamentos de mantenimiento. Si una especificación de diseño indica tubos de 15 pies de longitud, el fabricante podría probablemente usar  tubos de 16 pies. Este incremento en la longitud de 15 a 16 pies podría traer una reducción en el costo total de la unidad ya que se elimina la operación de corte de las unidades estándar. En adición, podría ser necesario el reemplazo de tubos después de poner en uso la unidad, y los costos de este reemplazo con tubos de 16 pies probablemente será menor que con tubos de 15 pies.