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• Jorge Luis Cruz Nieves

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PLANTAS MECÁNICAS

“DISEÑO DE LA RED DE INSTALACIÓN DE VAPOR EN LA EMPRESA AGROINDUSTRIAL SOL DEL NORTE S.A.C.”

1. Enunciado del Proyecto: La empresa agroindustrial SOL DEL NORTE S.A.C. ubicada en el norte del país, le ha encargado el diseño de la red de alimentación de vapor para el área de Preparación de Productos de su nueva nave industrial en la cual se procesará limón para productos de exportación. Los equipos de procesos son marmitas enchaquetadas de acero inoxidable en las cuales el proceso de cocción esta automatizado. Los dispositivos de control de temperatura (válvula, RTD y controlador) vienen adjuntos a los equipos por lo que se deberá entregar el vapor saturado a las condiciones estipuladas en las especificaciones de los equipos. Asimismo, se prevé calentar agua tanto para los procesos como para los servicios en dos I/C. Los I/C trabajan de manera simultánea durante todo el día proveyendo agua tanto a las áreas de preparación de producto, Envasado y Autoclaves. Las características de producto, equipo y proceso se dan en las tablas adjuntas. Producto Descripción Estado Ce(BTU/lb°F) Densidad Rel.

Producto Leche de Coco Líquido 0.95 0.9

Descripción Estado Ce(BTU/lb°F) Densidad Rel.

Proceso Tipo Temp Inicial (°C) Temp Final (°C) Tiempo cal.(mim)

Extracto de Limón Líquido 0.92 0.95 Proceso

Batch 70 25 20

Equipo Tipo Marmita enchaquetada Material Ac. Inox. 316 Cantidad 2 Volumen Útil (m^3) 1.25 Presión de Vapor(barg) 4 Agitador SI

Tipo Temp Inicial (°C) Temp Final (°C) Tiempo cal.(mim)

Batch 65 25 20

Equipo Tipo Marmita enchaquetada Material Ac. Inox. 316 Cantidad 2 Volumen Útil (m^3) 1.25 Presión de Vapor(barg) 3 Agitador SI

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Producto Descripción Estado Ce(BTU/lb°F) Densidad Rel. Flujo max. (GPM)

Producto Agua de Procesos Líquido 1 1 120

Descripción Estado Ce(BTU/lb°F) Densidad Rel. Flujo max. (GPM)

Agua de Servicios Líquido 1 1 50

Proceso Tipo Temp Inicial (°C) Temp Final (°C) Tiempo cal.(mim)

Proceso Continuo 60 25

Equipo Tipo Material Dimensiones (m) Presión de Vapor(barg) Agitador

I/C PLACAS Ac. Inox. 316 1.5x1x0.3 5

Tipo Temp Inicial (°C) Temp Final (°C) Tiempo cal.(mim) Equipo Tipo Material Dimensiones(m) Presión de Vapor(barg) Agitador

Continuo 45 25

I/C CASCO Y TUBOS Acero A-36/ Tubos: Cu dia.: 0.5 x lon.:1.0m 5

Las distancias totales desde el manifold de vapor hasta la posición de los equipos se dan en la tabla adjunta. Sección

Distancia total (m)

Leche de Coco

30

Extracto de Limón

55

I/C Agua Procesos

25

I/C Agua Servicio

50

El lay out de planta se da en diagrama adjunto. Las restricciones de diseño son las siguientes:         

Se debe considerar que los equipos de proceso operan en paralelo. El vapor para las áreas de Envasado y Autoclaves es suministrado desde otro caldero. Las líneas de vapor desde el manifold a los respectivos equipos de proceso son independientes salvo en el caso del calentamiento del agua (ver lay out). Se utilizará tubería de acero cedula 40. El criterio de máxima caída de presión será de 0.3 bar /100 m. lineales. Las uniones serán roscadas NPT. La longitud de los tubos es de 6m. En la instalación la pendiente de la tubería es de 2%. La tubería será soportada desde el techo de la nave.

Se solicita el diseña de toda la instalación de tuberías, así como la selección de las válvulas.

PLANTAS MECÁNICAS

Se deberá presentar: 1) Una uniforme escrito con los cálculos realizados. 2) Un diagrama isométrico de tuberías desde el manifold hasta los puntos de llegada en cada equipo. Se deberá consultar las formas aproximadas de los equipos (en internet) para visualizar sus puntos de entrada de vapor y tener una idea general de los equipos. 3) Un listado de los materiales necesarios para la instalación constando: tamaño y dimensión de los tubos, tipo y tamaño de las válvulas de globo y compuerta, accesorios: codos, tees, reducciones, uniones universales, etc. INVESTIGACIÓN COMPLEMENTARIA: 4) Una (1) representación gráfica referencial del soporte típico de tubería que, a su sugerencia, se podría usar en la instalación. 5) Una (1) representación gráfica referencial que Ud. Sugeriría se podría usar para lidiar con el problema de las dilataciones de la tubería.

2. Cálculos energéticos del Proyecto: Asumiendo la densidad del agua: 𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 = 1000

𝐾𝑔 𝑚3

Factores de conversión: 1

𝐵𝑇𝑈 𝐾𝐽 = 4.19 𝑙𝑏 °𝐹 𝐾𝑔 °𝐶

1

𝐾𝑔 𝑙𝑏 = 7936.64 𝑠 ℎ

1 𝑏𝑎𝑟𝑔 = 14.5 𝑝𝑠𝑖𝑔  Leche de Coco: 𝜌𝑙.𝑐 = 1000 ∗ 0.9 = 900

𝐾𝑔 𝑚3

𝑚𝑙.𝑐 = 𝜌𝑙.𝑐 ∗ 𝑉 = 900 ∗ 1.25 ∗ 2 = 2250 𝐾𝑔 𝑚̇𝑙.𝑐 =

𝑚𝑙.𝑐 2250 𝐾𝑔 = = 1.875 𝑡 20 ∗ 60 𝑠

𝑄̇ = 𝑚̇𝑙.𝑐 ∗ 𝐶𝑒 𝑙.𝑐 ∗ ∆𝑇 = 1.875 ∗ 0.95 ∗ 4.19 ∗ (70 − 25) = 335.85 𝐾𝑊

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𝑚̇𝑣 =

𝑄̇ 335.85 𝐾𝑔 = = 0.159 ℎ𝑓𝑔 2108.5 𝑠 𝑚̇𝑣 = 1264.19

𝑙𝑏 ℎ

 Extracto de Limón: 𝜌𝑒.𝑙 = 1000 ∗ 0.95 = 950

𝐾𝑔 𝑚3

𝑚𝑒.𝑙 = 𝜌𝑒.𝑙 ∗ 𝑉 = 950 ∗ 1.25 ∗ 2 = 2375 𝐾𝑔 𝑚𝑒.𝑙 2375 𝐾𝑔 = = 1.979 𝑡 20 ∗ 60 𝑠

𝑚̇𝑒.𝑙 =

𝑄̇ = 𝑚̇𝑒.𝑙 ∗ 𝐶𝑒 𝑒.𝑙 ∗ ∆𝑇 = 1.979 ∗ 0.95 ∗ 4.19 ∗ (65 − 25) = 305.17 𝐾𝑊 𝑚̇𝑣 =

𝑄̇ 305.17 𝐾𝑔 = = 0.143 ℎ𝑓𝑔 2133.8 𝑠 𝑚̇𝑣 = 1135.08

𝑙𝑏 ℎ

 Agua de Procesos: 𝑄𝑣 𝑎.𝑝 = 120

𝑔𝑎𝑙 𝑚3 = 7.57 ∗ 10−3 𝑚𝑖𝑛 𝑠

𝑚̇𝑎.𝑝 = 𝑄𝑣 𝑎.𝑝 ∗ 𝜌𝑎.𝑝 = 7.57 ∗ 10−3 ∗ 1000 = 7.57 𝐾𝑔/𝑠 𝑄̇ = 𝑚̇𝑎.𝑝 ∗ 𝐶𝑒 𝑎.𝑝 ∗ ∆𝑇 = (7.57)(1)(4.19)(60 − 25) = 1110.26 𝑚̇𝑣 =

𝑄̇ 1110.26 𝐾𝑔 = = 0.532 ℎ𝑓𝑔 2086.3 𝑠 𝑚̇𝑣 = 4223.62

𝑙𝑏 ℎ

 Agua de Servicios: 𝑄𝑣 𝑎.𝑠 = 50

𝑔𝑎𝑙 𝑚3 = 3.15 ∗ 10−3 𝑚𝑖𝑛 𝑠

𝑚̇𝑎.𝑠 = 𝑄𝑣 𝑎.𝑠 ∗ 𝜌𝑎.𝑠 = 3.15 ∗ 10−3 ∗ 1000 = 3.15 𝐾𝑔/𝑠 𝑄̇ = 𝑚̇𝑎.𝑝 ∗ 𝐶𝑒 𝑎.𝑝 ∗ ∆𝑇 = (3.15)(1)(4.19)(45 − 25) = 264.35

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𝑚̇𝑣 =

𝑄̇ 264.35 𝐾𝑔 = = 0.127 ℎ𝑓𝑔 2086.3 𝑠 𝑚̇𝑣 = 1005.62

𝑙𝑏 ℎ

Por lo tanto: 𝒎̇𝒗 (𝒍𝒃/𝒉) 1264.19 1135.08 1005.62 4223.62

𝐏𝐫𝐨𝐝𝐮𝐜𝐭𝐨 𝐋𝐞𝐜𝐡𝐞 𝐝𝐞 𝐜𝐨𝐜𝐨 𝐄𝐱𝐭𝐫𝐚𝐜𝐭𝐨 𝐝𝐞 𝐥𝐢𝐦ó𝐧 𝐀𝐠𝐮𝐚 𝐝𝐞 𝐬𝐞𝐫𝐯𝐢𝐜𝐢𝐨 𝐀𝐠𝐮𝐚 𝐝𝐞 𝐩𝐫𝐨𝐜𝐞𝐬𝐨𝐬

𝑷 (𝒑𝒔𝒊𝒈) 58 43.5 72.5 72.5

De la Figura N°5 de Selección de tuberías de N° de cedula 40 se va a seleccionar dichas tuberías para cada proceso: Entonces: 𝐏𝐫𝐨𝐝𝐮𝐜𝐭𝐨 𝐋𝐞𝐜𝐡𝐞 𝐝𝐞 𝐜𝐨𝐜𝐨 𝐄𝐱𝐭𝐫𝐚𝐜𝐭𝐨 𝐝𝐞 𝐥𝐢𝐦ó𝐧 𝐀𝐠𝐮𝐚 𝐝𝐞 𝐬𝐞𝐫𝐯𝐢𝐜𝐢𝐨 𝐀𝐠𝐮𝐚 𝐝𝐞 𝐩𝐫𝐨𝐜𝐞𝐬𝐨𝐬

𝒅 (𝒑𝒍𝒈) 1 𝑑=1 " 4 1 𝑑=1 " 2 1 𝑑=1 " 4 1 𝑑=2 " 2

𝑽(𝑝𝑖𝑒𝑠/𝑚𝑖𝑛) 10400

𝑽(𝑚/𝑠) 52.83

10100

51.31

8000

40.64

11000

55.88

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Caída de presión en las tuberías de procesos: Para: 𝛥𝑃𝑎𝑑𝑚 = 0.3 𝑏𝑎𝑟⁄100 𝑚 = 4.35 𝑝𝑠𝑖⁄100 𝑚 Leche de coco: 𝑚̇𝑣 = 1264.19 (𝑙𝑏/ℎ) 1 𝒅=1 " 4 𝑃 = 58 𝑝𝑠𝑖𝑔 Entonces: 𝑃 (𝑝𝑠𝑖𝑔) 4.35 𝛥𝑃𝑎𝑑𝑚

𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝑚) 100 30

𝛥𝑃𝑎𝑑𝑚 = 1.305 𝑝𝑠𝑖 Hallamos la caída de presión real con la tabla

Para 30 metros de tuberías: 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 6.64

𝑝𝑠𝑖 1 𝑓𝑡 ∗ 30 𝑚 ∗ = 6.535 𝑝𝑠𝑖 100 𝑓𝑡 0.3048 𝑚

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Para 58 psig, se multiplica por un factor de corrección: P(psig) 40 58 60

Factor 2 1.55 1.5 𝑓 = 1.55

Se tiene: 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 6.535 ∗ 1.55 = 10.13 𝑝𝑠𝑖 = 0.698 𝑏𝑎𝑟 Se nota que: 𝛥𝑃𝑎𝑑𝑚 < 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 , se cambia el diámetro de la tubería y se corrobora. 1

Tomando: 𝑑 = 1 2 " 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 2.86

𝑝𝑠𝑖 1 𝑓𝑡 ∗ 30 𝑚 ∗ ∗ 1.55 = 4.36 𝑝𝑠𝑖 = 0.301 𝑏𝑎𝑟 100 𝑓𝑡 0.3048 𝑚

Como: 𝛥𝑃𝑎𝑑𝑚 < 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 , se cambia el diámetro de la tubería y se corrobora. Tomando: 𝑑 = 2" 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 0.82

𝑝𝑠𝑖 1 𝑓𝑡 ∗ 30 𝑚 ∗ ∗ 1.55 = 1.25 𝑝𝑠𝑖 = 0.086 𝑏𝑎𝑟 100 𝑓𝑡 0.3048 𝑚

Como: 𝛥𝑃𝑎𝑑𝑚 > 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 , se elige 𝑑 = 2" Extracto de limón: 𝒎̇𝒗 = 1135.08 (𝒍𝒃/𝒉) 1 𝒅=1 " 2 𝑷 = 43.5 𝑝𝑠𝑖𝑔 Entonces: 𝑃 (𝑝𝑠𝑖𝑔) 4.35 𝛥𝑃𝑎𝑑𝑚

𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝑚) 100 55

𝛥𝑃𝑎𝑑𝑚 = 2.39 𝑝𝑠𝑖

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Hallamos la caída de presión real con la tabla

Para 43.5 psig, se multiplica por un factor de corrección: P(psig) Factor 40 2 43.5 1.912 60 1.5 𝑓 = 1.912 Se tiene: 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 4.51 ∗ 1.912 = 8.63 𝑝𝑠𝑖 = 0.595 𝑏𝑎𝑟 Se nota que: 𝛥𝑃𝑎𝑑𝑚 < 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 , se cambia el diámetro de la tubería y se corrobora. Tomando: 𝑑 = 2" 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 0.7

𝑝𝑠𝑖 1 𝑓𝑡 ∗ 30 𝑚 ∗ ∗ 1.55 = 2.415 𝑝𝑠𝑖 = 0.166 𝑏𝑎𝑟 100 𝑓𝑡 0.3048 𝑚

Como: 𝛥𝑃𝑎𝑑𝑚 > 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 , se elige : 𝑑 = 2". Tomando: 𝑑 = 2" 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 0.82

𝑝𝑠𝑖 1 𝑓𝑡 ∗ 30 𝑚 ∗ ∗ 1.55 = 1.25 𝑝𝑠𝑖 = 0.086 𝑏𝑎𝑟 100 𝑓𝑡 0.3048 𝑚

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Como: 𝛥𝑃𝑎𝑑𝑚 < 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 , , se cambia el diámetro de la tubería y se corrobora. Tomando: 𝑑 = 2.5" 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 0.29

𝑝𝑠𝑖 1 𝑓𝑡 ∗ 30 𝑚 ∗ ∗ 1.55 = 1.00 𝑝𝑠𝑖 = 0.069 𝑏𝑎𝑟 100 𝑓𝑡 0.3048 𝑚

Como: 𝛥𝑃𝑎𝑑𝑚 > 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 , se elige 𝑑 = 2.5”

Extracto de Servicio: 𝒎̇𝒗 = 1005.62 (𝒍𝒃/𝒉) 1 𝒅=1 " 4 𝑷 = 72.5 𝑝𝑠𝑖𝑔 Entonces: 𝑃 (𝑝𝑠𝑖𝑔) 4.35 𝛥𝑃𝑎𝑑𝑚

𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝑚) 100 50

𝛥𝑃𝑎𝑑𝑚 = 2.175 𝑝𝑠𝑖

Para 72.5 psig, se multiplica por un factor de corrección:

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P(psig) Factor 60 1.5 72.5 1.333 75 1.3 𝑓 = 1.333 Se tiene: 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 5.5 ∗ 1.333 = 9.022 𝑝𝑠𝑖 = 0.622 𝑏𝑎𝑟 Se nota que: 𝛥𝑃𝑎𝑑𝑚 < 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 , se cambia el diámetro de la tubería y se corrobora. 1

Tomando: 𝑑 = 1 2 " 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 2.5

𝑝𝑠𝑖 1 𝑓𝑡 ∗ 30 𝑚 ∗ ∗ 1.55 = 5.47 𝑝𝑠𝑖 = 0.377 𝑏𝑎𝑟 100 𝑓𝑡 0.3048 𝑚

Como: 𝛥𝑃𝑎𝑑𝑚 < 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 , se cambia el diámetro de la tubería y se corrobora. Tomando: 𝑑 = 2" 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 0.6

𝑝𝑠𝑖 1 𝑓𝑡 ∗ 30 𝑚 ∗ ∗ 1.55 = 1.31 𝑝𝑠𝑖 = 0.090 𝑏𝑎𝑟 100 𝑓𝑡 0.3048 𝑚

Como: 𝛥𝑃𝑎𝑑𝑚 > 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 , se elige 𝑑 = 2” Extracto de Procesos: 𝒎̇𝒗 = 4223.62 (𝒍𝒃/𝒉) 1 𝒅=2 " 2 𝑷 = 72.5 𝑝𝑠𝑖𝑔 Entonces: 𝑃 (𝑝𝑠𝑖𝑔) 4.35 𝛥𝑃𝑎𝑑𝑚

𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 (𝑚) 100 25

𝛥𝑃𝑎𝑑𝑚 = 1.088 𝑝𝑠𝑖

PLANTAS MECÁNICAS

Para psig, se multiplica por un factor de corrección: P(psig) Factor 60 1.5 72.5 1.333 75 1.3 𝑓 = 1.333 Se tiene: 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 4.5 ∗ 1.333 = 4.92 𝑝𝑠𝑖 = 0.34 𝑏𝑎𝑟 Como: 𝛥𝑃𝑎𝑑𝑚 < 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 , se cambia el diámetro de la tubería y se corrobora. Tomando: 𝑑 = 3" 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 1.4

𝑝𝑠𝑖 1 𝑓𝑡 ∗ 25 𝑚 ∗ ∗ 1.33 = 1.53 𝑝𝑠𝑖 = 0.105 𝑏𝑎𝑟 100 𝑓𝑡 0.3048 𝑚

𝛥𝑃𝑎𝑑𝑚 < 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 , se cambia el diámetro de la tubería y se corrobora. Tomando: 𝑑 = 4" 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 0.35

𝑝𝑠𝑖 1 𝑓𝑡 ∗ 25 𝑚 ∗ ∗ 1.33 = 0.383 𝑝𝑠𝑖 = 0.026 𝑏𝑎𝑟 100 𝑓𝑡 0.3048 𝑚

𝛥𝑃𝑎𝑑𝑚 > 𝛥𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 , se elige 𝑑 = 4"

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Se concluye: Proceso Leche de Coco Extracto de Limón Agua de Servicios Agua de Procesos

Diámetro (pulg) 2 2.5 2 4