Tema 6

Consideraciones de Diseño

Servicios Auxiliares

Agua

Es fundamental como materia prima, para refrigeración, etc. Puede provenir de ríos, arroyos, lagos, aguas subterráneas o red.

Dentro de la industria se encuentran los siguientes tipos de agua:

a) Agua de proceso: es aquella que interviene directamente en el proceso. Puede requerir mayor o menor pureza, dureza, etc.

b) Agua contra incendio.

c) Agua de refrigeración: para refrigeración de superficies (serpentines, camisas) condensadores de mezcla. En ciertas ocasiones debe ser “limpia” para no producir incrustaciones.

d) Agua para uso humano o sanitario: requiere procesos de potabilización. El agua no filtrada y luego enviada a piletas o tanques y en la cañería de transporte se le adiciona NaClO de manera que finalmente presente 0,1% a 0,2% de cloro libre.

e) Agua para producir vapor: importante para la producción de vapor de alta presión. Se distinguen 2 consumos:

- Bruto: para el caudal de vapor necesario se toma idéntica medida de agua más un 5% de pérdida por caldera y un 3% de pérdida por cañerías.

- Neto: al agua de caldera se le transfieren todos los condensados que no sufren contaminación en el proceso.

Neto = Bruto - Recuperado

La recuperación presenta 2 ventajas:

Teoría de Proyecto Industrial

- La temperatura del condensado (no es necesario precalentar mucho).

- Es agua que no necesita tratamiento.

En el proyecto debe realizar un balance de agua y en base a este se realiza un diagrama de consumo (caudal versus tiempo). Junto al diagrama de consumo se debe realizar la distribución de agua, mostrando la ubicación de los tanques y equipos que presentan mayor consumo.

Cálculo del volumen del tanque de agua

Los tanques de agua se ubican, en general fuera de la planta, elevados 10 o 15 metros. Se pueden construir de hormigón armado, de chapa metálica o de PRFV. La capacidad debe ser de 3 a 4 horas de consumo.

Instalación de cañerías

Por lo general, se distinguen a lo largo de la pared y elevadas sobre ménsulas. Si no se puede llegar a un equipo por la pared, se colocan en el techo.

Las cañerías se pintan según el fluido que conducen. Las cañerías de agua con presión menor a 3 kg/cm2 pueden ser de acero al carbono con costura. Pasados los 3 kg/cm2 se debe usar acero al carbono sin costura.

Para cañerías de diámetro menor o igual a 3 pulgadas, la unión se hace roscada o soldada, pero para diámetros mayores, las uniones se hacen bridadas.

Las juntas que se utilizan para agua pueden ser de carbón y para agua caliente de amianto.

Vapor

Generalmente se genera vapor a una presión mayor a la requerida por los equipos y procesos, y se reduce por válvulas reductoras de presión que se colocan lo más cerca posible de los equipos de consumo.

Es importante la recuperación de condensados para aprovechar calidad y temperatura de agua.

Para el cálculo de las cañerías de condensados se usan velocidades de entre 0,5 y 2 m/s, y tubos de acero sin costura para presiones mayores a 3 kg/cm2.

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Para las cañerías de vapor principalmente de distribución, el cálculo se realiza en base a nomogramas que tienen en cuenta la presión de transporte del fluido, la velocidad y el tipo de vapor. Estas cañerías generalmente cuentan con trampas de vapor o líneas de expansión, para disminuir los golpes de ariete.

Las cañerías deben ser aisladas. Se usan medias cañas que vienen en tramos de 50 centímetros y de distintos espesores, adecuados al diámetro del caño. Se construyen con magnesio, plástico con amianto, se envuelven con lienzo y después se pintan. Además del lienzo a veces se coloca hojalata para evitar que se humedezca el aislamiento.

Las cañerías de vapor generalmente son bridadas.

Se emplean espesores de cañerías de 1 pulgada hasta 180 ºC y 1 ½ - 2 pulgadas para temperaturas mayores.

Combustible

Los combustibles líquidos y gaseosos son los más empleados.

En calderas generalmente se emplea fuel oil o mezclas de fuel que proveen las destilerías.

La cantidad de combustible se calcula en base al consumo diario y en función de éste se dimensiona el tanque de combustible. Generalmente se adopta una capacidad para 15 a 30 días de consumo.

Los tanques se construyen a no menos de 7 metros de la caldera. Pueden ser subterráneos o de superficie. El costo del tanque subterráneo es mayor pero tiene la ventaja del espacio y una prima de seguros menor. Se debe realizar un pozo de paredes de mampostería. Debe colocarse una bomba para extraer el agua de lluvia, etc.

El fuel es una mezcla con distintos puntos de congelación. En invierno es engorroso bombearlo y por lo tanto se coloca un serpentín cercano a la salida. Para bombearlo se emplean bombas de desplazamiento positivo a engranajes o de anillos oscilantes, ya que son adecuadas para líquidos de elevada densidad y viscosidad. Se bombea a un tanque auxiliar que posee capacidad para un día de consumo, para evitar bombear siempre del tanque principal.

Aire

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Cañería principal

Desviación por arriba para evitar el arrastre de niebla.

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Es utilizado en sopletes, ventiladores, compresores, etc.

Aire comprimido

Es costosa su producción. Es fundamental la obtención del mayor rendimiento posible del compresor. El aire debe ser limpio y seco y se debe transportar sin pérdida de carga.

Para producir 1 m3 a 1 kg/cm2 se consume una potencia de 6,4 HP en compresores de una etapa y 5,4 HP en compresores de dos etapas.

En la compresión se produce un aumento de temperatura, o sea que se debe refrigerar. Los tramos de aire de la cañería maestra se hacen por arriba para separar el agua que está en forma de niebla.

Siempre se debe sobredimensionar la cañería maestra del aire. Generalmente se aplica una velocidad de 6 metros por segundo a tubos de acero sin costura, soldados entre si eléctricamente y con válvulas globo.

Elementos básicos de una instalación de aire

- Toma de aire: se considera óptimo el lugar en el que el aire ingresa al sistema a la menor temperatura posible, lejos de fuentes generadoras de polvo, vapor o contaminantes.

La toma estará provista de un filtro de aspiración que será inspeccionado y limpiado regularmente.

- Compresor: si se utilizan compresores lubricados, el principal contaminante será el aceite. Si se emplea de pistón seco con aros de carbón, el contaminante será el carbón (polvo).

- Post-enfriador: un compresor trabajando a presiones de 7 a 10 kg/cm2 con una temperatura de aspiración de 25 ºC, descargará a 150 ºC.

El post-enfriador es un intercambiador de calor que se ubica inmediatamente después de la descarga. Un equipo

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eficiente produce condensación de aproximadamente el 70% del agua contenida en el aire.

- Separador de condensado: en general, del tipo ciclónico separan eficientemente el condensado y parte del polvo o aceite.

- Tanque pulmón: funciona como acumulador evitando la marcha continua del compresor. Cuando el aire sigue enfriándose y condensa agua, se proveen drenajes para su evacuación.

- Filtros para sólidos: los sólidos constituyen la fuente de contaminación más grave, por causar obstrucción y erosión, pero su eliminación es más fácil, y de menor costo comparado con el aceite y el agua. Se utiliza antes de cada instrumento.

- Sistema de eliminación de aceites: para eliminar aceites se usan lechos porosos de celulosa, resina epoxi, etc., diseñados para retener aerosoles submicroscópicos y que también retendrá parte de sólidos. Estos filtros preceden a los absorbedores de vapor y agua.

- Sistema de eliminación de agua: se utilizan métodos de secado, ya sea por refrigeración o por adsorción.

Vacío

Puede obtenerse mediante un eyector de vapor, el cual presenta los inconvenientes de la necesidad de vapor y suficiente presión para hacer funcionar el eyector.

Otra alternativa es usar bomba tipo NASH (de anillo líquido). Su costo es alto y requieren gran mantenimiento. Presentan alto consumo de energía. Esta bomba provee un vacío más estable que el eyector.

Fuerza motriz

Puede ser producida en la misma planta o adquirida de la red eléctrica. Generalmente resulta más económico comprarla.

Iluminación

Puede ser tipo estándar (abierta), blindada o a prueba de explosión.

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Sistemas de agua contra incendios

Criterios de diseño fundamental

- Requerimientos hidráulicos del sistema.

- Selección de las bombas de agua.

- Layout de cañerías.

Cálculo de requerimiento de agua

La experiencia es un factor muy importante para establecer dichas necesidades. Deben considerarse datos de capacidad de agua contra incendios de industrias similares, para comparar con las magnitudes consideradas.

Una unidad típica de procesos, será protegida por:

- Sistema fijo de pulverización.

- Monitores (sistemas de lanza).

- Sistemas de mangueras conectadas a bases de incendio (hidrantes).

- Espumas.

a) Requerimientos del sistema de agua pulverizada

Recipientes:

- 610 lts/(h m2).

- Distancia horizontal entre boquillas debe permitir que se aproximen los chorros. La distancia vertical puede ser hasta los 4 metros.

Estructuras:

- Estructuras de acero verticales y horizontales requieren 240 lts/(h m2).

- Espaciamiento entre boquillas menor a 3 metros entre centros.

Parrales de cañerías: las cañerías requieren 240 lts/(h m2) (área de la pared del caño).

Transformadores: 610 lts/(h m2).

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Los sistemas de agua pulverizada se usan ante situaciones de alta peligrosidad, en los que se requiere una aplicación inmediata de agua. Algunas aplicaciones típicas son:

- Recipientes no aislados conteniendo líquidos inflamables.

- Bombas que manejan materiales volátiles.

b) Requerimiento de los monitores

Los monitores de fuego estacionario consisten en una boquilla tipo lanza (cañón) que permite direccional el chorro de agua con desplazamientos horizontales y verticales. Son puestos en funcionamiento en forma manual (apertura de válvula) y requieren menos mano de obra que los sistemas de mangueras.

c) Requerimiento de los hidrantes (acompañados de mangueras)

Son más listos para entrar en servicio. El agua suministrada a través de hidrantes y dirigida sobre el fuego por mangueras, es una reserva importante de los otros sistemas.

Lanza: punta de manguera que permite distintos modos de uso:

- Chorro pleno: distancia, romper y penetrar.

- Niebla separación combustible, formación de vapor (sofocación).

- Lluvia: pantalla de acercamiento al fuego (refrigera).

Los hidrantes deben instalarse alrededor de la unidad de proceso a aproximadamente 40 m, centrados de tal forma que cualquier parte de la unidad de proceso pueda alcanzarse por los chorros de mangueras desde al menos 2 direcciones. Los hidrantes pueden ser de 4 pulgadas con 2 conexiones para manguera de 2 ½ cada una, con capacidad de 1325 lts/min de agua con boquilla de 1 ¼ pulgadas.

d) Requerimiento de los sistemas de espuma

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Monitores

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La espuma forma una película aislante que desaloja el aire (aísla el combustible del oxígeno).

Los fuegos en tanques son normalmente extinguidos por sistemas de espumas, para lo cual el requerimiento de agua es de 3,78 lts/min por cada 0,95 m2 de área de superficie de líquido. Se debe considerar un requerimiento adicional de agua para enfriar las paredes del tanque.

Luego de calcular los requerimientos de agua, el resultado debe compararse con el utilizado por unidades industriales similares.

Previo al diseño final, los valores de cálculo deben ser aprobados por las autoridades oficiales, verificando los valores con personal de compañías de seguros.

Suministro de agua

Industrias instaladas a lo largo de cursos de agua, poseen disponibilidad garantizada. Estas instalaciones normalmente no requieren almacenamiento de agua contra incendio, debido al suministro ilimitado de la fuente.

En el caso que la fuente sean perforaciones, se requiere disponer de reserva, porque es imposible que la capacidad de uno o más pozos se dedique exclusivamente contra incendio.

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Incendio

Sanitarios

Proceso

Reserva Permanente

Agua de proceso y para uso sanitario

Agua para incendio

Incendio

Sanitarios

Proceso

Reserva Permanente

Agua de proceso y para uso sanitario

Agua para incendio

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Si se extrae el agua del sistema municipal, probablemente no se permita extraer el caudal necesario durante el incendio. Por lo tanto se requiere almacenamiento.

El tamaño del tanque de almacenamiento debe ser suficiente para proveer agua al máximo caudal requerido durante 4 a 6 horas (tiempo para controlar incendios no catastróficos).

El tanque debe contar con un buen indicador de nivel, con serpentines de vapor para protección contra congelamiento en días fríos y debe presentar protección contra corrosión.

Instalaciones de bombeo

Determinar el número de bombas y tipo de accionamiento.

Teniendo en cuenta el poco mantenimiento y la fácil puesta en marcha y operación, es preferible usar una fuerza de motor eléctrico. El problema radica en las faltas de potencia, ya que el incendio mismo puede producir interrupción de energía. No podemos depender solamente de un motor eléctrico para la bomba.

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Se debe considerar la flexibilidad y confiabilidad de múltiples bombas y accionamientos. Así, al menos, una bomba podrá ser eléctrica, pero las demás deberán ser a turbina, a motor o ambos.

La confiabilidad del sistema de vapor es obviamente un factor a considerar. Si ha sido diseñado teniendo en cuenta su utilización en caso de incendio, y se ha comprobado su capacidad de activar la bomba durante un corte de energía, entonces uno o más bombas accionadas mediante turbinas de vapor pueden ser el apoyo adecuado. Sino deberá utilizarse un motor a explosión.

Para un sistema de agua para incendio se necesita un mínimo de 2 bombas. Las bombas de incendio varían en tamaño entre 2 m3/min y 7,5 m3/min en múltiplos de 0,95 lts/min (???).

El agua de incendio se impulsa con una bomba centrífuga con una curva característica plana, de forma tal de asegurar una presión aproximadamente constante para distintos caudales.

La presión de descarga se fija por el requisito de presión residual mínima en la extremidad del sistema, más la pérdida por fricción en cañería del sistema. Normalmente la presión residual en el hidrante más distante debe ser de 5 kg/cm2.

Las bombas de baja capacidad de mantenimiento de presión o bombas “jockey”, se usan para mantener la presión en un sistema de incendio cuando no está en uso. La capacidad de esta bomba debe ser suficiente para mantener la presión del sistema contra pérdida. En vez de una bomba “jockey”, se puede usar una conexión del sistema de agua de proceso para presurizar el sistema de agua de incendio.

Las bombas de agua de incendio deben accionarse secuencialmente a medida que aumentan las demandas del sistema. La primer bomba debe ponerse en marcha automáticamente cuando sea necesario, según lo transmita la presión del sistema. Un motor eléctrico es especial para puesta en marcha automática y deberá ser el primero en la línea. Este motor de bomba, como todas las bombas de incendio, debe tener un arranque remoto desde sala de control central, además del arranque local de la bomba.

Si la segunda bomba es a turbina, también puede tener arranque automático. Se debe tener cuidado en el diseño del sistema de suministro de vapor con la trampa de condensado.

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A proceso

Recuperadora de presión

A proceso

Recuperadora de presión

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Sistemas con tres o más bombas pueden requerir que solo las dos primeras arranquen automáticamente, para encargarse de las necesidades inmediatas de caudal de agua. Las otras bombas necesarias para proporcionar monitores y mangueras pueden accionarse manualmente.

Todas las bombas para incendio deben operar regularmente para asegurar su disponibilidad.

Sistema de distribución (conocimiento del Layout)

Conocer la capacidad del sistema, así como el layout sugerido de hidrantes, monitores y sistema spray, proporciona un dato necesario para determinar el tamaño y configuración del sistema de distribución.

Otro gran dato, es el requisito de presión residual. La presión residual mínima deseable en el extremo del sistema es de aproximadamente 5 kg/cm2, con 7 kg/cm2 necesarios en cualquier parte del área de procesos.

Toda la cañería debe instalarse en forma subterránea, por debajo de los niveles de penetración de heladas. La profundidad mínima es de 76 centímetros.

El sistema de distribución debe instalarse en forma de grilla. Así cada unidad de proceso estará cubierta por un sistema de cañería en circuito cerrado.

El sistema estará dotado de válvulas normalmente abiertas.

La cañería maestra tendrá un diámetro mínimo de 8 pulgadas. No debe instalarse debajo de edificios, equipos o tanques.

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Por debajo de calles o rutas, la cañería debe extenderse aproximadamente 1 metro o más, según las cargas esperadas.

Debe tenerse en cuenta también el sistema de drenaje de superficie, para drenar el agua total.

Sistemas de espuma

El caudal de de agua requerido es de 3,78 lts/min por cada 0,95 m2 de superficie.

Es el único método práctico de extinguir incendios en tanques de almacenamiento.

Se aplica espuma de aire. Primero se produce un concentrado con agua, de manera que contenga entre 3% y 6% de solución. Luego, el preparado al circular aspira aire por medio de boquillas.

Sistemas de distribución de espumas fijas

Inyección superficial: salidas de espuma adheridas al tope de la cubierta del tanque, para extender la espuma directamente sobre la superficie del líquido.

Inyección sub-superficial: boquillas localizadas por debajo del nivel mínimo normal de líquido, pero por sobre cualquier nivel de agua esperado en el tanque. La espuma se eleva a través del líquido y se distribuye sobre la superficie. Para la inyección de espuma se puede usar una línea de producto.

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