CAPÍTULO 1

RESUMEN.
0.1. Introducción.
El actual panorama económico mundial supone un lastre a gran
escala, tanto en el ámbito social como en el industrial. Si a esto se une
un constante aumento demográfico se debería tender a minimizar
gastos reutilizando todos los productos que se pueda en la industria y
exprimiendo al máximo las materias primas.
Un ejemplo de evolución en el aprovechamiento de recursos se
encuentra en el petróleo. En sus comienzos la industria del refino se
limitaba prácticamente al la obtención de queroseno, pero avances
tecnológicos tales como la invención del motor de explosión y la
progresiva demanda energética propiciaron un mayor interés en la
investigación sobre los posibles productos derivados. De esta forma se
llegó a separar el crudo en diferentes fracciones de hidrocarburos, tales
como naftas, gasolinas o queroseno.
Estos nuevos hidrocarburos se derivaron a otros procesos a
través de los cuales fue posible preparar monómeros susceptibles de
ser sometidos a diferentes técnicas, como la polimerización, para
generar macromoléculas que sirvieron de base para el naciente
mercado de los plásticos y las fibras sintéticas.
Es por ello que el petróleo es uno de los pilares de la actual
economía mundial, siendo utilizado como base de la que se extraen
productos esenciales hoy en día como son los plásticos y de donde se
obtienen infinidad de sustancias dada la amplia gama de compuestos
que lo conforman.
0.2. Objeto.
En el presente Proyecto Fin de Carrera se diseña una columna
de rectificación para la purificación del tolueno contenido en una mezcla
multicomponente de hidrocarburos (tolueno, bifenilo y benceno). Dicho
equipo se encuentra enmarcado dentro de un proceso de
hidrodesalquilación, cuyo objetivo es la producción de benceno a partir
de tolueno e hidrógeno.
La ubicación seleccionada es dentro de la Refinería de GibraltarSan Roque, puesto que presenta todas las facilidades necesarias tanto
para el abastecimiento de la materia prima, como para la salida de los
productos generados. Además, al estar dentro de una planta industrial
los servicios generales para su funcionamiento están disponibles dentro
del propio recinto.
0.3. Proceso.
El proceso es una separación de los distintos componentes de
una mezcla líquida de hidrocarburos; compuesta de tolueno, benceno y
bifenilo; mediante una columna de platos de para obtener una corriente
de tolueno purificada por cabezas y otra rica en bifenilo por colas.
La columna tiene asociados dos equipos de intercambio de calor,
un condensador en la parte superior y un reboiler en la inferior, los
cuales juegan un papel primordial para el correcto funcionamiento del
equipo.
El condensador se encarga de transformar la corriente de vapor
que sale de la columna a líquido, el cual se divide en dos corrientes,
una que se devuelve a la torre y otra que se lleva a los tanques de
almacenamiento (corriente conocida como destilado) previo paso por
etapas de acondicionamiento de presión y temperatura.
Por el contrario, el reboiler vaporiza parcialmente el líquido que
sale de la columna por la parte inferior produciendo dos corrientes, una
de vapor que se devuelve a la torre y otra de líquido no vaporizado que
se almacena tras lograr las condiciones deseadas en unas etapas de
acondicionamiento.
Además de estos equipos también se dispondrá de otros tales
como tanques de almacenamiento, intercambiadores de calor, bombas
y otros accesorios cuya misión es la de transportar el fluido de unos
equipos a otros y acondicionar cada corriente para lograr las
condiciones deseadas en cada momento.
GLOSARIO DE TÉRMINOS SAJONES Y
ABREVIATURAS.
En el Presente Proyecto Fin de Carrera se utilizaran términos
sajones y abreviaturas.
Términos sajones.
1. Cracking: Craqueo.
2. Reboiler: Rehervidor.
3. Rundown:
4. Set Point: Punto de consigna
Abreviaturas.
1. NAFTA: North America Free Trade Agreement.
2. HDA: Hidrodesalquilación.
3. LAS: Linear alkilbenzene sulfonates.
4. PBB: Bifenilo polibromado.
5. PF: Parámetro de flujo
DOCUMENTOS DEL PROYECTO.
DOCUMENTO 1: Memoria.
DOCUMENTO 2: Planos.
DOCUMENTO 3: Pliego de condiciones.
DOCUMENTO 4: Presupuesto.
DOCUMENTO 1.
1. MEMORIA DESCRIPTIVA.
2.
ANEXOS A LA MEMORIA.
XII
DOCUMENTO 1:
Memoria descriptiva
XIV
ÍNDICE DE LA MEMORIA.
CAPÍTULO 1: Introducción. .......................................................................................... 1
1.1. La industria. ...................................................................................................... 1
1.2. Materia prima de la industria petroquímica. ..................................................... 2
1.3. Productos. ........................................................................................................ 3
1.4. La industria química en España. ........................................................................ 5
1.5. El proceso de hidrodesalquilación (HDA)......................................................... 10
1.5.1. Descripción del proceso. .......................................................................... 11
1.5.2. Descripción del proceso. .......................................................................... 13
1.6. Previsiones de futuro. ..................................................................................... 16
CAPÍTULO 2: Justificación y objeto del proyecto. ....................................................... 17
2.1. Justificación. ................................................................................................... 17
2.2. Objeto. ........................................................................................................... 19
CAPÍTULO 3: Viabilidad del proyecto. ........................................................................ 20
3.1. Viabilidad técnica. .......................................................................................... 20
3.1.1. Destilación con rectificación..................................................................... 20
3.2. Viabilidad legal. .............................................................................................. 22
3.2.1. Normativa aplicada. ................................................................................. 22
3.2.2. Legislación aplicada. ................................................................................ 22
3.3. Viabilidad económica...................................................................................... 24
3.3.1. Costes de inmovilizado............................................................................. 25
3.3.2. Costes de fabricación. .............................................................................. 25
3.3.3. Costes de gestión. .................................................................................... 25
CAPÍTULO 4: Ubicación y distribución en planta. ....................................................... 26
4.1. Ubicación. ...................................................................................................... 27
4.2. Climatología. .................................................................................................. 29
4.2.1. Pluviosidad. ............................................................................................. 29
4.2.2. Vientos. ................................................................................................... 30
4.2.3. Temperaturas. ......................................................................................... 30
4.2.4. El suelo. ................................................................................................... 30
4.3. Otros factores. ............................................................................................... 30
4.4. Distribución en planta. ................................................................................... 31
CAPÍTULO 5: Materia Prima y productos. .................................................................. 34
5.1. El benceno...................................................................................................... 34
5.1.1. Propiedades............................................................................................. 35
5.1.2. Aplicaciones............................................................................................. 35
5.1.3. Procesos de fabricación. .......................................................................... 36
5.2. El tolueno. ...................................................................................................... 36
5.2.1. Propiedades............................................................................................. 37
5.2.2. Aplicaciones............................................................................................. 37
5.2.3. Procesos de fabricación. .......................................................................... 38
5.3. El bifenilo. ...................................................................................................... 39
5.3.1. Propiedades............................................................................................. 39
5.3.2. Aplicaciones............................................................................................. 40
5.4. Otras materias primas. ................................................................................... 40
CAPÍTULO 6: Sistemas de separación......................................................................... 42
6.1. Caracterización de las corrientes. ................................................................... 43
6.1.1. Corriente de alimentación (F).................................................................. 43
6.1.2. Corriente de destilado (D). ....................................................................... 43
6.1.3. Corriente de colas (W). ............................................................................ 43
6.2. Diseño de la columna. .................................................................................... 44
6.2.1. Diseño hidráulico de la columna. ............................................................. 45
6.2.2. Eficacia de la columna.............................................................................. 48
6.2.3. Determinación del plato de alimentación................................................. 49
6.2.4. Altura de la columna. ............................................................................... 49
6.2.5. Diseño mecánico de la columna. .............................................................. 50
6.2.6. Otros elementos. ..................................................................................... 54
CAPÍTULO 7: Sistemas de intercambio de calor. ........................................................ 55
7.1. Intercambiador de calor de carcasas y tubos de la alimentación y colas (IC-01 e
IC-02). ................................................................................................................... 55
XVI
7.1.1. Materiales de construcción. ..................................................................... 56
7.1.2. Elementos principales. ............................................................................. 56
7.1.3. Resultados. .............................................................................................. 59
7.2. Aerorrefrigerantes. ......................................................................................... 60
7.2.1. Material de construcción. ........................................................................ 60
7.2.2. Elementos principales. ............................................................................. 60
7.2.3. Resultados. .............................................................................................. 62
CAPÍTULO 8: Equipos auxiliares de la columna........................................................... 63
8.1. Condensador de la columna (CD-01). .............................................................. 63
8.1.1. Haz tubular. ............................................................................................. 64
8.1.2. Cabezales................................................................................................. 64
8.1.3. Ventiladores. ........................................................................................... 65
8.1.4. Dimensiones del condensador. ................................................................ 65
8.2. Reboiler de la columna. .................................................................................. 66
8.2.1. Altura de la barrera (dsi). .......................................................................... 67
8.2.2. Diámetro del reboiler (dk). ....................................................................... 67
8.2.3. Parámetro L. ............................................................................................ 67
8.2.4. Dimensiones del reboiler. ........................................................................ 68
8.3. Acumulador de reflujo (BR-01)........................................................................ 68
CAPÍTULO 9: Sistemas de almacenamiento................................................................ 70
9.1. Depósitos de almacenamiento de la alimentación. ......................................... 70
9.1.1. Dimensionamiento del tanque. ................................................................ 70
9.1.2. Diseño mecánico del tanque. ................................................................... 71
9.1.3. Otros elementos del tanque..................................................................... 72
9.2. Depósitos de almacenamiento del producto de cabezas. ................................ 75
9.2.1. Dimensionamiento del tanque. ................................................................ 75
9.2.2. Diseño mecánico del tanque. ................................................................... 76
9.2.3. Otros elementos del tanque..................................................................... 77
9.3. Depósitos de almacenamiento del producto de colas. .................................... 79
9.3.1. Dimensionamiento del tanque. ................................................................ 79
9.3.2. Diseño mecánico del tanque. ................................................................... 80
Tabla XXXII: ............................................................................................................... 80
9.3.3. Otros elementos del tanque. ................................................................... 80
CAPÍTULO 10: Sistema de tuberías y accesorios. ........................................................ 83
10.1. Sistema de tuberías. ..................................................................................... 83
10.2. Material. ...................................................................................................... 87
10.3. Accesorios. ................................................................................................... 88
10.3.1. Válvulas. ................................................................................................ 88
10.3.2. Accesorios para el cambio de dirección. ................................................. 91
10.3.3. Otros accesorios. ................................................................................... 92
10.3.3. Listado de accesorios. ............................................................................ 92
10.4. Uniones. ....................................................................................................... 92
CAPÍTULO 11: Sistemas de impulsión. ....................................................................... 94
11.1. Selección. ..................................................................................................... 94
11.2. Datos de las bombas. .................................................................................... 95
CAPÍTULO 12: Elementos de control. ......................................................................... 96
12.1. Introducción. ............................................................................................... 96
12.2. Variables. .................................................................................................... 97
12.2.1. El nivel. .................................................................................................. 98
12.2.2. La temperatura. ..................................................................................... 98
12.2.3. La presión. ............................................................................................. 98
12.2.4. El caudal. ............................................................................................... 99
12.3. Control en la planta. .................................................................................... 99
12.3.1. Lazo cerrado. ......................................................................................... 99
12.3.2. Lazo en cascada. .................................................................................. 100
12.3.3. Lazo de relación. .................................................................................. 100
12.4. Línea de alimentación. ............................................................................... 101
12.4.1. Lazo 1: Control del nivel del tanque de alimentación. .......................... 101
12.4.2. Lazo 2 y 3: Control el camino del flujo. ................................................. 102
12.4.3. Lazo 4: Control del intercambiador de calor. ........................................ 103
12.5. Línea de cabezas. ....................................................................................... 104
12.5.1. Lazo 5: Control de la presión en cabezas. ............................................. 104
12.5.2. Lazo 6: Control de la temperatura a la salida del condensador. ............ 105
XVIII
12.5.3. Lazo 7: Control de los caudales a la salida del acumulador. .................. 106
12.5.4. Lazo 8 y 9: Control del flujo por las bombas B-03 y B-04. ...................... 106
12.5.5. Lazo 10 y 11: Control del flujo por las bombas B-05 y B-06. .................. 106
12.5.6. Lazo 12: Control de la temperatura en los aerorrefrigerantes. .............. 107
12.5.7. Lazo 13: Control del nivel del tanque.................................................... 107
12.6. Línea de colas. ............................................................................................ 107
CAPÍTULO 13: Mantenimiento. ................................................................................ 108
13.1. Introducción. ............................................................................................. 108
13.2. Funciones del mantenimiento..................................................................... 108
13.3. Tipos de mantenimiento. ............................................................................ 109
13.4. Puesta en marcha. ..................................................................................... 110
13.5. Plan de mantenimiento. ............................................................................. 110
13.5.1. Jerarquización de los equipos. ............................................................. 111
13.5.2. Acciones de mantenimiento. ............................................................... 112
CAPÍTULO 14: Seguridad. ........................................................................................ 117
14.1. Legislación aplicable. ................................................................................. 117
14.1.1. Legislación para la seguridad laboral. ................................................... 117
14.1.2. Legislación para la higiene laboral. ...................................................... 118
14.2. Análisis de riesgos. ..................................................................................... 119
14.2.1. Riesgo químico. ................................................................................... 120
14.2.2. Riesgo físico. ....................................................................................... 120
14.2.3. Riesgo de explosión e incendio............................................................ 121
14.2.4. Riesgo eléctrico. .................................................................................. 124
14.2.5. Riesgos por maquinaria y herramientas............................................... 124
14.2.6. Riesgos en la línea de proceso. ............................................................ 125
14.2.7. Riesgos del almacenamiento de productos químicos. .......................... 127
14.3. Protecciones. .............................................................................................. 128
14.3.1. Equipos de protección individuales. ..................................................... 128
14.3.2. Equipos de protección globales. .......................................................... 128
14.3. Alumbrado.............................................................................................. 129
14.4.1. Alumbrado interior. ............................................................................ 129
14.4.2. Alumbrado de emergencia. ................................................................. 130
14.5. Gestión de seguridad. ................................................................................. 130
14.5.1. Coordinación. ...................................................................................... 131
14.5.2. Registro de la información. .................................................................. 131
14.5.3. Formación. .......................................................................................... 131
CAPÍTULO 15: Evaluación de impacto ambiental. .................................................... 132
15.1. Gestión de los residuos generados. ............................................................ 132
15.2. Estudio de impacto de la línea de proceso. ................................................ 133
BIBLIOGRAFÍA. ........................................................................................................ 136
XX
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Diferentes fracciones petróleo al destilarlo. ............................ 2
Figura
Figura
Figura
Figura
2: Esquema general de la actividad petroquímica. ..................... 4
3: Tendencia de la facturación económica del sector químico. .. 6
4: Facturación de los diferentes sectores económicos. .............. 7
5: Distribución de la industria química española. ....................... 8
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
6: Reparto de la producción mundial por áreas geográficas. ... 10
7: Proceso de hidrodesalquilación. ........................................... 12
8: Esquema del proceso de purificación ................................... 15
9: Esquema de la destilación con rectificación. ........................ 21
10: Esquema de la planta. ........................................................ 26
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
11: Ubicación de la línea de hidrodesalquilación. ..................... 27
12: Red de gaseoductos de la península ibérica. ..................... 28
13: Distribución en planta. ........................................................ 33
14: Molécula de benceno. ........................................................ 34
15: Molécula de tolueno. .......................................................... 37
Figura
Figura
Figura
Figura
16: Molécula de bifenilo. ........................................................... 39
17: Esquema del proceso. ........................................................ 42
18: Fondo tipo Klopper. ............................................................ 51
19: Imagen de intercambiadores de carcasas y tubos. ............ 55
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
20: Tubos aleteados. ................................................................ 61
21: Reboiler tipo Kettle inundado. ............................................ 67
22: Distribución de los equipos. ................................................ 85
23: Válvula de globo. ................................................................ 89
24: Válvula de compuerta. ........................................................ 90
Figura
Figura
Figura
Figura
Figura
25: Válvula de retención. .......................................................... 90
26: Válvula de reducción. ......................................................... 91
27: Lazo cerrado de control de nivel....................................... 102
28: Lazos cerrados para el control del flujo. ........................... 102
29: Lazo en cascada para el control del intercambiador de calor
IC-01................................................................................................... 103
Figura 30: Lazo cerrado de control de la presión en cabeza de columna
(Lazo 5). ............................................................................................. 105
Figura 31: Control de la temperatura del condensador. .................... 105
Figura 32: Lazo de relación para controlar la relación de los caudales a
la salida del acumulador. .................................................................... 106
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla I: ......................................................................................... 5
Tabla II: ........................................................................................ 6
Tabla III: ....................................................................................... 9
Tabla IV: .................................................................................... 31
Tabla V: ..................................................................................... 35
Tabla VI: .................................................................................... 37
Tabla VII: ................................................................................... 40
Tabla VIII: .................................................................................. 45
Tabla IX: .................................................................................... 47
Tabla X: ..................................................................................... 48
Tabla XI: .................................................................................... 51
Tabla XII: ................................................................................... 53
Tabla XIII: .................................................................................. 59
Tabla XIV: .................................................................................. 60
Tabla XV: ................................................................................... 62
Tabla XVI: .................................................................................. 64
Tabla XVII: ................................................................................. 65
Tabla XVIII: ................................................................................ 66
Tabla XIX: .................................................................................. 68
Tabla XX: ................................................................................... 69
Tabla XXI: .................................................................................. 69
Tabla XXII: ................................................................................. 71
Tabla XXIII: ................................................................................ 71
Tabla XXIV:................................................................................ 72
Tabla XXV:................................................................................. 76
Tabla XXVI:................................................................................ 76
Tabla XXVII:............................................................................... 76
Tabla XXVIII: .............................................................................. 77
Tabla XXIX:................................................................................ 77
Tabla XXX:................................................................................. 79
Tabla XXXI:................................................................................ 79
Tabla XXXII:............................................................................... 80
Tabla XXXIII: .............................................................................. 81
Tabla XXXIV: ............................................................................. 86
Tabla XXXV: .............................................................................. 86
Tabla XXXVI: ............................................................................. 86
Tabla XXXVII: ............................................................................ 87
XXII
Tabla XXXVIII: ........................................................................... 92
Tabla XXXIX: ............................................................................. 94
Tabla XL:.................................................................................... 95
Tabla XLI:................................................................................. 111
XXIV
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
CAPÍTULO 1: Introducción.
1.1. La industria.
La industria química es uno de los principales sectores
económicos y productivos, cuya influencia quizás no es imaginable, ya
que está presente en cualquier sector de la actividad económica con
más de 70.000 productos de toda índole (plásticos, medicamentos o
productos textiles son algunos ejemplos).
Se podría descomponer en tres grandes sectores:
1. Química básica: Integra productos de química orgánica e
inorgánica, gases industriales, materias primas plásticas y
caucho sintéticos, abonos y compuestos nitrogenados,
fertilizantes, colorantes y pigmentos.
2. Química de la salud: Compuesto por fitosanitarios, materias
primas
farmacéuticas,
especialidades
farmacéuticas
y
zoosanitarias.
3. Química para la industria y el consumo final: Incluye pinturas,
tintas, esmaltes, fritas, adhesivos, aceites minerales, explosivos,
detergentes, jabones, perfumería y cosmética.
Una de las industrias asociadas al sector es la petroquímica
(englobada en la primera categoría de las anteriormente citadas),
responsable de muchos de los productos que se consumen hoy en día.
Conviene conocer a que se dedica la rama de la petroquímica, al
ser uno de los principales ámbitos de desarrollo de la industria químca.
“Es la industria que obtiene a partir del petróleo y gas natural,
mediante procesos de transformación de sus hidrocarburos, las
materias primas petroquímicas básicas, que a su vez se transforman en
otros productos derivados de aplicación en otros sectores de consumo
finales”.
Diccionario Real Academia Española
Memoria Descriptiva
Página 1
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
Las mejoras tecnológicas alcanzadas en el sector han propiciado
grandes avances a la hora de obtener productos finales elaborados,
tales como fibras sintéticas para reemplazar al algodón o plásticos de
gran resistencia, maleabilidad y poco peso entre otros productos de uso
común y diario.
Estos productos con los avances tecnológicos se pueden obtener
cada vez más de diferentes materias primas, lo que facilita el proceso.
1.2. Materia prima de la industria petroquímica.
Las principales materias primas de la industria petroquímica son
el gas natural, las olefinas ligeras y los aromáticos, las cuales provienen
en su mayoría de la destilación del petróleo. En la Figura 1 se observan
las distintas fracciones que se obtienen al destilar el petróleo, de ellas si
se rompen las cadenas mediantes distintos procesos, tales como el
“cracking” o el reformado, es posible obtener otros productos de
elevado valor añadido en el mercado o útiles como productos
intermedios en determinadas industrias.
Figura 1: Diferentes fracciones petróleo al destilarlo.
Memoria Descriptiva
Página 2
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Uno de los pilares de la industria petroquímica son los
hidrocarburos aromáticos, o más conocidos como fracción BTX
(benceno, tolueno, orto-xileno, meta-xileno, para-xileno y etil-benceno).
Éstos se pueden obtener a partir de los siguientes procesos:
1. Craqueo de etileno/propileno alimentados con naftas o gases del
petróleo/nafta pirolítica (las naftas son una de las fracciones
obtenidas de la destilación del petróleo como se puede ver en la
Figura 1).
2. El reformado catalítico de naftas en refinerías.
3. La desproporcionación y desalquilación del tolueno.
Desde un punto de vista histórico, este conjunto de moléculas
formaron parte fundamental de la fracción ligera del alquitrán producido
en la destilación seca de la hulla y recibieron la denominación genérica
de aromáticos, constituyendo la materia prima básica de la industria
carboquímica.
1.3. Productos.
Como se mencionó anteriormente la industria petroquímica
genera una gran cantidad de productos de uso cotidiano (finales) o
intermediarios que sirven para generar otros productos.
Es una industria activa, ya que continuamente trata de encontrar
otros nuevos mediante los avances tecnológicos que le permiten un
mejor aprovechamiento de las materias primas.
Este mejor aprovechamiento que se consigue con las mejoras
tecnológicas repercute directamente en la economía del proceso, ya
que se consigue una mejor explotación de la materia prima de partida
obteniendo más productos, los cuales a su vez se podrían usar como
una nueva materia prima cuando hasta la fecha era inservible como tal.
Memoria Descriptiva
Página 3
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
De una forma esquemática se podría resumir en la Figura 2 el
proceso seguido para extraer los productos de la materia de origen en
tres pasos.
Origen:
Petróleo y gas natural
Materias primas
básicas:
Olefinas, aromáticos,
amoniaco o metanol
Productos derivados:
Plásticos, fibras,
caucho, detergentes,
adhesivos,
fertilizantes y otros.
Figura 2: Esquema general de la actividad petroquímica.
Los productos de esta industria se pueden englobar de forma
general en los diferentes grupos:
1. Plásticos: Se clasifican en termoplásticos, termoestables y otros
plásticos.
2. Fibras sintéticas: Destinadas a sustituir a productos naturales en
la industria textil tales como la lana o el algodón.
3. Cauchos: Principal proveedor de la industria del automóvil.
4. Detergentes: Fabricación con elementos biodegradables.
5. Abonos nitrogenados: Mejorar el rendimiento de los abonos.
Al ser la materia prima de partida el petróleo, los grandes
cambios en el precio del mismo afectan de una manera directa a la
industria petroquímica y sus consecuentes beneficios.
Memoria Descriptiva
Página 4
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Estas variaciones en el precio están sujetas a los ciclos de
negocio. Cuando la demanda excede la producción el precio aumenta
rápidamente para aprovechar el margen de tiempo entre la demanda y
el aporte. Por otro lado, aumentar la capacidad de producción requiere
mucho tiempo y recursos económicos importantes.
1.4. La industria química en España.
El sector químico nacional es uno de los pilares básicos de
nuestra economía al ser el cuarto en aporte al producto interior bruto,
generando el 10%, y estar integrado por más de 3.400 empresas.
En el año 2.0081 se facturaron 51.284 millones de euros, lo que
supuso un crecimiento del 1,4% respecto al año anterior. De hecho,
desde el año 2.000 la facturación ha ido creciendo paulatinamente un
4,6%. Según esta tendencia, se podría estimar que la facturación del
sector para el año 2.009 fue de 53.643 millones de euros. En la Tabla I
se comprueba la tendencia de la facturación del año 2.000 al 2.009.
Tabla I:
Facturación de las empresas del sector químico en España.
Instituto español de comercio exterior (ICEX) 2.009.
Año
2.000
2.001
2.002
2.003
2.004
Facturación
(millones de euros)
34.797,64
36.475,51
38.234,29
40.077,87
42.010,34
Año
2.005
2.006
2.007
2.008
2.009
Facturación
(millones de euros)
44.036
47.921
49.743
51.284
53.643,04
En estos datos se observa el crecimiento que ha sufrido la
facturación del sector. Uno de los factores principales que marcan esta
tendencia es el gran volumen de inversiones productivas que han
atraído las principales empresas multinacionales.
En la Figura 3 se ven refrendados estos datos de una manera
más visual.
1
Se exponen los datos correspondientes al año 2.008 porque son los datos del último
año al que se tiene acceso.
Memoria Descriptiva
Página 5
Facturación (millones de euros·103)
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
Tendencia de la Facturación
60
50
40
30
20
10
0
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
Años
Figura 3: Tendencia de la facturación económica del sector químico.
Instituto español de comercio exterior (ICEX) 2.009.
Tras efectuar un análisis individual se procederá a hacerlo de
forma global, con los datos recogidos en la Tabla II.
Tabla II:
Facturación de los diferentes sectores económicos en España.
Federación de empresarios del sector químico español 2.009 (FEIQE).
Sector industrial
2007
2008
Alimentación, bebidas y tabaco
96.560
101.273
Metalurgia y productos metálicos
86.604
83.076
Material de transporte
75.377
73.099
Industria química
49.743
51.284
Productos minerales no metálicos
39.309
33.191
Equipo eléctrico, electrónico y óptico
34.732
32.099
Maquinaria y equipo mecánico
32.310
24.307
Papel, edición y artes gráficos
31.929
22.041
Industria textil, confección y calzado
20.247
17.961
Transformado de caucho y plástico
21.674
21.365
Industrias manufactureras diversas
17.434
13.819
Madera y corcho
11.448
9.776
Total (millones de €)
517.367
484.592
Memoria Descriptiva
Página 6
Año 2008
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
Figura 4: Facturación de los diferentes sectores económicos.
Comparación por sector económico del volumen de ventas en España
Año 2007
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Volumen de ventas (millones de euros)
Como se observa en la gráfica el sector químico es el cuarto
sector en lo que respecta a facturación económica de la industria
española.
Memoria Descriptiva
Página 7
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
Dentro de la geografía española la industria en general se
encuentra repartida de una forma heterogénea, y la química no es una
excepción, pues se localiza en 5 provincias principalmente, Cataluña
(45%), Madrid (15%), Comunidad Valenciana, País Vasco y Andalucía
(8% cada una) y el resto de España se reparte el 20% restante. En la
Figura 5 se observa de forma más clara este reparto y aparecen
reflejados otros puntos no mencionados anteriormente.
Figura 5: Distribución de la industria química española.
Federación de empresarios del sector químico español (FEIQE).
La generación de productos finales ha ido evolucionando y
cambiando a lo largo de los años y las tendencias de la sociedad. Si
anteriormente los productos destinados a la química básica ocupaban el
mayor volumen de producción de una manera muy holgada (en 1.977
era el 61% frente al 42% actual), hoy día las producciones se han
igualado ya que tanto el sector de la química de la salud (26% frente al
19% en 1.977) como el de la química para el consumo final (32% frente
al 16% en 1.977) han aumentado su producción de una manera
considerable.
De entre todos los posibles productos, los plásticos y cauchos
son los que regentan una mayor tasa de producción (18,9% de la
producción), seguidos principalmente por las especialidades
farmacéuticas (17,4%) y la química orgánica (9,9%). El resto de la tasa
de producción se reparte entre otros productos.
Memoria Descriptiva
Página 8
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Uno de los puntos fuertes del sector químico en España es el
claro carácter internacional de sus empresas, ya que exportan a otros
países el 44% de todo lo que se produce, siendo el segundo sector
económico en volumen de exportación.
Hablando internacionalmente la industria química ha
experimentado un aumento significativo en su volumen de negocio, ya
que ha experimentado un crecimiento de cerca de 1 billón de euros.
A nivel europeo España ocupa el quinto puesto como generador
de productos, por detrás de países como Alemania, Francia, Italia y
Reino Unido, con una tasa del 7% del negocio comunitario y un 2% del
mundial.
Internacionalmente Estados Unidos sigue siendo la gran
potencia, abarcando el 21,9% del mercado, aunque China ha
experimentado un gran crecimiento que la ha llevado a abarcar el
13,9% del mismo. En la Tabla III se observa la distribución del negocio
internacional por áreas geográficas.
Tabla III:
Reparto de la producción mundial del sector químico.
Instituto español de comercio exterior 2.009 (ICEX).
Zona geográfica
Producción mundial
(%)
Europa
34,70
Asia
34,50
2
NAFTA
24,70
Resto
6,10
Total
100
En la Figura 6 se representan los datos recogidos en la Tabla III.
Merece la pena destacar que Asia sea el segundo productor
internacional por delante de otras zonas más desarrolladas
norteamericana.
2
NAFTA: North America Free Trade Agreement.
Memoria Descriptiva
Página 9
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
Una de las posibles razones para que la zona asiática sea la
segunda productora mundial es el empuje de potencias emergentes
como China o India y otros países muy industriales como Japón.
Producción mundial (%)
6,10
34,70
24,70
Europa
Asia
NAFTA
Resto
34,50
Figura 6: Reparto de la producción mundial por áreas geográficas.
Instituto español de comercio exterior 2.009 (ICEX).
1.5. El proceso de hidrodesalquilación (HDA).
La hidrodesalquilación es un proceso en el cual se pretende
producir hidrocarburos aromáticos a partir de sus homólogos alquilados.
Con él se pretende obtener benceno a partir de tolueno e hidrógeno y,
en menor medida, otros compuestos como metano y bifenilo
recirculados desde distintos puntos del proceso.
El proceso HDA se puede dividir en dos zonas, una de reacción
y otra de separación. En la primera se introducen las materias primas
en el reactor, obteniendo una mezcla de tolueno, metano, hidrógeno,
benceno y bifenilo y en la segunda se separan los diferentes
compuestos a través de tres torres. En la primera columna (columna de
estabilización) se extraen tanto el hidrógeno como el metano, en la
segunda el benceno (columna del tolueno) y la tercera se usa para
purificar el tolueno contenido en esta corriente (columna del tolueno).
Memoria Descriptiva
Página 10
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
1.5.1. Descripción del proceso.
En la Figura 7 se observan las dos zonas antes mencionadas
bien diferenciadas, la de reacción y la de separación.
A la zona de reacción entra una alimentación de tolueno fresca
(corriente 1) mezclada con el tolueno recirculado (corriente 18) y otra de
hidrógeno (corriente 9) recirculada, conformando la mezcla la corriente
2 (será una mezcla bifásica). Ésta pasa por un intercambiador de calor
donde se vaporiza totalmente antes de entrar en el horno del proceso
(H-101), donde se eleva su temperatura antes de entrar al reactor. En él
se produce la siguiente reacción:
H2+C7H8 C6H6+CH4
Esta reacción es exotérmica, y se ha de vigilar el aumento de
temperatura que se experimenta en el reactor para evitar que
sobrepase el valor umbral de los 723ºC. Para ello se recurre a una
corriente fría que se introduce lateralmente para evitar el
sobrecalentamiento.
Esta corriente de salida, corriente 4, se mezcla con la fracción
líquida proveniente de la separación flash, a donde llega tras pasar por
un intercambiador de calor de donde sale una nueva corriente bifásica.
De este separador flash salen dos corrientes, la fase líquida que se
recircula en parte como se mencionó anteriormente (corriente 16) y otra
gaseosa que sufre una pequeña purga para evitar la concentración de
metano y otros hidrocarburos ligeros (corriente 5).
La parte de la fase líquida no recirculada (corriente 6) se
encamina a la zona de separación, donde se irá introduciendo en
torres de separación para obtener diferentes productos.
En primer lugar pasa por una torre estabilizadora (T-101), donde
se eliminan por cabezas los gases incondensables residuales, los
cuales se llevan junto con la purga de la separación flash al horno o a
un tratamiento para la recuperación del hidrógeno presente (corriente
10). Mientras tanto la corriente de colas se lleva a la siguiente unidad de
la zona de separación, la torre de benceno (T-102), en donde se
obtiene por cabezas una corriente de benceno (corriente 12) y por colas
Memoria Descriptiva
Página 11
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
una mezcla de tolueno, bifenilo y benceno (corriente 13) que se dirige a
la última columna del proceso, la columna de tolueno (T-103). En ésta
se produce la separación del tolueno (corriente 14) de los productos
secundarios que se dan en el reactor (corriente 15), principalmente el
bifenilo.
Figura 7: Proceso de hidrodesalquilación.
La corriente de tolueno (corriente 14) arrastra una pequeña
cantidad de bifenilo y benceno, la cual sirve para facilitar la selectividad
de la reacción del reactor, ya que se recircula a la entrada del proceso
(corriente 18).
Memoria Descriptiva
Página 12
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Esta última torre, la del tolueno (T-103), junto a sus equipos
asociados constituye el objeto de diseño en el presente proyecto fin de
carrera
1.5.2. Descripción del proceso.
A las unidades de diseño proyectadas les llega una alimentación
proveniente de un parque de tanques de almacenamiento (TA-01).
Estos depósitos recepcionan la corriente de colas que sale de la
columna de desbencenización (T-102 en la Figura 7).
De estos depósitos es bombeada por medio de una bomba
centrífuga (B-01) a la columna de purificación previo paso por un
intercambiador de calor (IC-01) para aumentar su temperatura y así
gastar menos vapor en el reboiler.
Una vez en la columna se produce la separación en las dos
corrientes, la del destilado y la de colas. Antes de poder llamarse
destilado, el vapor que sale por la parte superior de la columna ha de
pasar por un condensador total (CD-01), donde se transforma a líquido
y pasa a un acumulador de reflujo (BR-01) de donde salen dos
corrientes, el reflujo que se devuelve a la columna y el destilado, ambas
impulsadas por sus correspondientes bombas (B-03 y B-05).
El destilado antes de llegar a los tanques de almacenamiento ha
de pasar por una batería de cuatro aerorrefrigerantes (AR-01, AR-02,
AR-03 y AR-04) en los que se reduce su temperatura sensiblemente
hasta las condiciones óptimas de almacenamiento en el parque de
almacenamiento de productos de cabeza (TA-02).
El líquido que sale por la parte inferior de la columna sigue un
proceso análogo, pasa por un reboiler (RB-01) en el que se vaporiza
parcialmente, consiguiendo así el vapor que se devuelve a la columna y
el producto de colas.
Este producto de colas pasa también por un proceso para
descender su temperatura impulsándose con una bomba (B-07) hacia
un intercambiador de calor de carcasas y tubos (IC-02) hasta conseguir
Memoria Descriptiva
Página 13
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
las condiciones óptimas para su almacenamiento en el parque de
tanques de cola (TA-03).
Siempre que haya bombas se han de duplicar por seguridad, de
manera que cada una tendrá asociada otra en bypass.
Señalar que la columna de rectificación posee una diferencia en
los diámetros entre las secciones de agotamiento y rectificación debido
principalmente a los caudales que se han de manejar en las mismas.
En este caso la alimentación entra como líquido saturado, por lo que en
la zona de agotamiento el diámetro será mayor.
Se ha de tener en cuenta que se colocan los parques de
almacenamiento (TA-01, TA-02 y TA-03) para asegurarse un
abastecimiento de producto durante el tiempo estimado en el caso de
que se pare la planta aguas arriba o se produzca algún error que
requiera el corte de suministro, así como posibles huelgas de
transportistas.
Tanto el parque de almacenamiento de cabeza (TA-02) como el
de colas (TA-03) contienen un depósito de dimensiones más reducidas
denominado depósito de rundown. La utilidad del mismo está justificada
en que antes de almacenarlo de manera definitiva el producto es
preciso analizar la composición de la corriente, para detectar posibles
fallos en el funcionamiento del equipo al realizar el análisis.
En la Figura 8 se observa el esquema que se sigue en el
presente proyecto y descrito en este apartado.
Mencionar que para no sobrecargar la imagen simplemente se
muestran los equipos básicos sin los elementos de control ni los lazos
pertinentes, los cuales se mostrarán más adelante en su
correspondiente apartado.
Memoria Descriptiva
Página 14
Memoria Descriptiva
DENOMINACIÓN
Parque de almacenamiento de alimentación
Bomba de impulsión
Bomba de impulsión
Intercambiador de calor de carcasas y tubos
Columna de rectificación de platos
Condensador (Aerorrefrigerante)
Botellón o Acumulador de reflujo
Bomba de impulsión
Bomba de impulsión
Bomba de impulsión
Aerorrefrigerante
Bomba de impulsión
Reboiler tipo Kettel
Bomba de impulsión
Bomba de impulsión
Intercambiador de calor de carcasas y tubos
Parque de almacenamiento de cabezas
Parque de almacenamiento de colas
TA-01
B-01
B-02
IC-01
T-01
CD-01
BR-01
B-03
B-04
B-05
AR-01-AR-06
B-06
RB-01
B-07
B-08
IC-02
TA-02
TA-03
LISTA DE EQUIPOS
B-01
SIGLA
TA-01
B-02
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
6
1
1
1
1
1
1
1
Cantidad
IC-01
RB-01
BR-01
B-07
B-08
B-05
B-06
Figura 8: Esquema del proceso de purificación
C-01
B-03
B-04
CD-01
IC-02
AR-01-AR-06
TA-03
TA-02
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Página 15
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
1.6. Previsiones de futuro.
En la actualidad el mercado europeo del tolueno vive una
situación estable pese a la crisis. Este balance se debe principalmente
a un grupo de importaciones provenientes tanto de Estados Unidos
como del Caribe.
Algunos productores aseguran que aun hay espacio para más
producción, ya que una gran parte del tolueno producido se exporta al
mercado asiático, donde se sigue usando como potenciador del
octanaje de combustibles.
La producción generada es de 61.977 toneladas al año, por lo
que asumiendo que el precio de venta del tolueno es de 592€ por
tonelada, se podrían dar las siguientes situaciones:
1. En el caso de recircular el tolueno en lugar de venderlo se podría
dar un ahorro de 36.690.384 €/año.
2. Si se decide a vender el producto, se podría conseguir un
beneficio de 36.690.384 €/año.
Por lo que teniendo en cuenta que aun hay espacio para producir
tolueno se estima que el mercado gozaría de buena salud en un futuro,
sobre todo para el mercado asiático y estadounidense, donde las
legislaciones del uso del tolueno como potenciador del octanaje no son
tan estrictas.
Memoria Descriptiva
Página 16
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
CAPÍTULO 2: Justificación y objeto del proyecto.
2.1. Justificación.
El presente proyecto fin de carrera surge ante la situación en la
que se encuentra la planta de ciclohexano diseñada en el Proyecto Fin
de Carrera realizado por Dª María Esther Camacho Monge y Dª Rocío
Parrado Bolaños titulado “Diseño de un proceso para la obtención
de ciclohexano” aprobado por la comisión el 27 de octubre de 2.008 y
defendido en junio de 2.009.
En éste se diseña una línea de producción de ciclohexano con
una capacidad de 500.000 toneladas al año a partir de benceno e
hidrógeno integrada dentro de la refinería de Gibraltar-San Roque.
La línea de producción de ciclohexano está compuesta por tres
partes fundamentalmente:
1. Zona de almacenamiento de la materia prima y del producto. Son
los equipos de almacenamiento de la materia prima y los de
impulsión para llevar la materia prima hasta la zona de reacción.
2. Zona de reacción. Está formada por los equipos para el
acondicionamiento y reacción de la materia prima.
3. Zona de purificación y acondicionamiento del producto final.
Fundamentalmente
es
una
columna
de
destilación
multicomponente, precedida por una primera operación de
purificación.
De estas tres zonas, la más importante para la producción del
ciclohexano es la zona de reacción, compuesta por dos reactores
multitubulares y dos intercambiadores de calor, donde se ponen en
contacto la corriente de benceno y de hidrógeno, sufriendo la primera
una reacción de hidrogenación, la cual es muy exotérmica en presencia
de un catalizador de níquel sobre alúmina y están refrigerados mediante
agua.
Memoria Descriptiva
Página 17
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
Tras reaccionar la corriente de salida se lleva a la zona de
purificación, compuesta por aerorrefrigerante y otros intercambiadores
de calor para el acondicionamiento y separadores de fases y dos
columnas de destilación para la purificación. De la segunda columna
sale por la parte inferior el ciclohexano con las condiciones de pureza
deseadas por las proyectistas.
Mientras que el hidrógeno procede de la planta de Guadarranque
y otros procesos de refinería, el benceno tiene dos posibles fuentes de
suministro. La primera sería mediante transporte marítimo, suministrada
por la industria DOWN Química. La otra opción procede de la unidad de
sulfonación de Refinería. Para la línea de proceso de producción de
ciclohexano se requiere benceno tan puro como sea posible, de bajo
contenido en azufre y tolueno.
La partida de benceno que se compra a una empresa externa es
de 60.000 toneladas al año. Precisamente para satisfacer esta
demanda se procede a instalar una línea de hidrodesalquilación de
tolueno.
En este proceso, explicado en el Capítulo 1, la cantidad de
benceno que cubrirá la demanda de la planta de ciclohexano se obtiene
a través de la corriente de destilado de segunda columna de
rectificación del proceso. Su diseño corre a cargo de Dª Juliana Jiménez
Tocino en el proyecto “Diseño de una columna de rectificación para
la separación de benceno a partir de una mezcla de benceno,
tolueno y bifenilo” aprobado por la comisión el 14 de diciembre de
2.009.
La corriente de colas de esta columna es una mezcla de tolueno,
benceno y bifenilo de donde se puede obtener tolueno purificado para
su posterior venta o recirculación al principio del proceso de
hidrodesalquilación, consiguiendo así aprovechar las diferentes
corrientes que se producen y un ahorro económico significativo.
Esta columna de rectificación es el objeto de diseño del presente
Proyecto Fin de Carrera.
Memoria Descriptiva
Página 18
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
2.2. Objeto.
El objeto del presente Proyecto Fin de Carrera se centra en el
diseño de una unidad de separación para obtener una corriente de
tolueno purificada a partir de una mezcla de tolueno, benceno y bifenilo.
Esta unidad se emplaza en la Refinería de Gibraltar-San Roque situada
en el término municipal de San Roque en la provincia de Cádiz.
Se pretende conseguir una producción de 70.750 kg·h-1 de
tolueno con una pureza de 99,5%.
Memoria Descriptiva
Página 19
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
CAPÍTULO 3: Viabilidad del proyecto.
Es preciso analizar la viabilidad del proyecto en tres frentes:
1. Viabilidad técnica.
2. Viabilidad legal.
3. Viabilidad económica.
3.1. Viabilidad técnica.
En este apartado se pretende discutir las diferentes posibilidades
que se podrían seguir a la hora de realizar la separación de la mezcla
de alimentación y porqué se has escogido una torre de platos con
rectificación. Algunas de las posibles alternativas son:
1. Extracción líquido-líquido.
2. Destilación discontinua.
3. Destilación con rectificación.
De estas posibilidades se descartan de entrada la extracción
líquido-líquido y la destilación discontinua por las siguientes razones:
1. Extracción líquido-líquido: No existe un disolvente selectivo con
el tolueno y el benceno, por lo que su aplicación no tiene sentido.
2. Destilación discontinua: Su campo de aplicación es a escala de
laboratorio, por lo que no sirve para tratar grandes caudales.
La única posibilidad que queda es la destilación con rectificación
en columna de platos, el método escogido.
3.1.1. Destilación con rectificación.
Es el método industrial de separación más utilizado. Consta de
múltiples contactos entre las fases de líquido y vapor. Cada contacto
Memoria Descriptiva
Página 20
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
consiste en la mezcla de dos fases para producir la distribución de las
especies, seguida de la separación de las fases.
Los contactos se pueden realizar sobre platos o sobre una
estructura de relleno dispuestos en el interior de una columna vertical,
pero el relleno se desaconseja para caudales tan elevados como los
que se tratan en el presente proyecto fin de carrera.
A medida que el vapor asciende a través de la columna se
enriquece en el componente más volátil. La alimentación se introduce
en un punto intermedio de la columna, dividiéndola en dos secciones
diferentes, agotamiento (por debajo del plato de alimentación) y
rectificación (por encima del plato de alimentación. Estos términos
hacen referencia al comportamiento del componente más volátil de la
mezcla.
Con frecuencia el vapor que sale por la parte superior de la
columna es condensado total o parcialmente, generando un líquido el
cual se puede devolver a la columna en lo que se conoce como reflujo o
sacar del sistema en lo que se conoce como destilado.
Un comportamiento parecido se tiene con el líquido que sale por
la parte inferior de la columna, ya que se produce una vaporización
parcial del mismo para devolver el vapor generado a la columna y retirar
un líquido residual conocido como producto de colas
En la Figura 9 se puede ver el esquema de una destilación con
rectificación con sus dos modelos.
Figura 9: Esquema de la destilación con rectificación.
Memoria Descriptiva
Página 21
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
3.2. Viabilidad legal.
El presente proyecto se ha llevado a cabo teniendo en cuenta la
normativa vigente para el diseño de los equipos como para la ejecución
del mismo, por lo que no existe ninguna legislación que afecte al
proyecto, impidiendo su ejecución ni operación cuando esté en marcha.
3.2.1. Normativa aplicada.
En el presente proyecto, para el diseño de los equipos e
instalaciones se ha seguido la siguiente normativa:
1. Código ASME sección VIII.
2. Normas API 650.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Normas API 620.
Normas API 660.
Normas TEMA.
Normas ANSI.
Normas ISO.
Reglamento de instalaciones petrolíferas.
3.2.2. Legislación aplicada.
Se ha seguido la siguiente legislación:
1. Real Decreto 614/2001, de 8 de junio, sobre disposiciones
mínimas para la protección de la seguridad y salud de los
trabajadores frente al riesgo eléctrico.
2. Real Decreto de 842/2002, de 2 de agosto, por el que se
aprueba el Reglamento electrotécnico para baja tensión.
3. Decreto 3151/68, de 28 de noviembre., reglamento de la Línea
de Alta tensión.
Memoria Descriptiva
Página 22
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
4. Real Decreto 681/2003, de 12 de junio, sobre la protección de la
salud y la seguridad de los trabajadores expuestos a los riesgos
derivados de atmósferas explosivas en el lugar de trabajo.
5. Reglamento (CE) 1907/2006 del Parlamento Europeo y el
Consejo, de 18 de diciembre, relativo al registro, la evaluación, la
autorización y la restricción de las sustancias y preparados
químicos (REACH).
6. Real Decreto 286/2006, de 10 de marzo, sobre la protección de
la salud y seguridad de los trabajadores contra los riesgos
relacionados con la exposición al ruido.
7. Real Decreto 374/2001, de 6 de abril, sobre la protección de la
salud y seguridad de los trabajadores contra los riesgos
relacionados con los agentes químicos durante el trabajo.
8. Real Decreto 1124/2000, de 16 de Junio, por el que se modifica
el Real Decreto 665/1992, de 12 de Mayo, sobre la protección de
los trabajadores contra los riesgos relacionados con la
exposición a agentes cancerígenos durante el trabajo (B.O.E.
núm. 145 de 17 de Junio de 2000).
9. Ley 31/1995, de 8 de noviembre, de Prevención de Riesgos
Laborales.
10. Real Decreto 1299/2006, de 10 de noviembre, por el que se
aprueba el cuadro de enfermedades profesionales en el sistema
de la Seguridad Social y se establecen criterios para su
notificación y registro. BOE núm. 302 de 19 de diciembre.
11. Real Decreto 1244/1979, de 4 de abril, por el que se aprueba el
Reglamento de Aparatos a Presión.
12. Real Decreto 1942/1993, de 5 de noviembre, por el que se
aprueba el Reglamento de Instalaciones de Protección contra
Incendios.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
13. Real Decreto 2267/2004, de 3 de diciembre, por el que se
aprueba el Reglamento de Seguridad contra Incendios en
Establecimientos Industriales.
14. Real Decreto 400/1996, de 1 de marzo. Aparatos y sistemas de
protección para uso en atmósferas potencialmente explosivas.
15. Real Decreto 485/1997, de 14 de abril. Disposiciones mínimas
en materia de señalización de seguridad y salud en los lugares
de trabajo.
16. Real Decreto 773/1997, de 30 de mayo. Disposiciones mínimas
sobre utilización por los trabajadores de equipos de protección
individual.
17. Real Decreto 1254/1999, de 16 de julio, por el que se aprueban
las medidas de control de los riesgos inherentes a los
accidentes.
18. Real Decreto 379/2001, de 6 de abril, por el que se aprueba el
Reglamento de Almacenamiento de productos Químicos y sus
instrucciones técnicas complementarias.
3.3. Viabilidad económica.
El presente proyecto fin de carrera se encuentra enmarcado en el
interior de un proceso global, por lo que al hablar de beneficios habría
que valorar el proceso en su conjunto. Al ser el objetivo de la unidad de
diseño la purificación del tolueno, es posible considerar como producto
secundario del proceso global al tolueno en el caso que se decida la
venta del mismo, ya que el objeto principal es la recirculación al
comienzo del proceso por ser el tolueno una de las materias primas de
partida.
Para realizar un análisis económico correcto se han de tener en
cuenta los costes expuestos en los siguientes apartados y desarrollados
en el Documento 4: Presupuesto.
Memoria Descriptiva
Página 24
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
3.3.1. Costes de inmovilizado.
En esta partida se incluye el coste de inmovilizado de los equipos
de proceso, es decir, los costes asociados a la adquisición de equipos,
instrumentación, tuberías y aislamiento, así como su montaje.
3.3.2. Costes de fabricación.
Se incluyen las siguientes partidas económicas:
1. Mano de obra directa.
2. Mano de obra indirecta.
3. Servicios generales.
4. Honorarios de proyecto y dirección de montaje.
Destacar que en esta partida presupuestaria iría incluido el coste
de las materia primas, pero al ser un proceso encadenado en el que la
alimentación al mismo es una corriente proveniente de otra unidad por
lo que en teoría esta partida sería nula, pero para poder cuantificar el
beneficio existente se ha de considerar un coste.
Gracias a la información facilitada por personal de la industria
petroquímica se llega a la conclusión de que las transacciones y el
intercambio de productos entre la refinería y la planta petroquímica se
hacen a precio de mercado.
Al situar la planta integrada en la refinería CEPSA, no se tendrán
en cuenta el coste de personal puesto que ya forma parte de la plantilla.
3.3.3. Costes de gestión.
Incluye los costes comerciales y de gerencia del personal
administrativo.
Al diseñarse únicamente una unidad del proceso global los
costes administrativos no se tendrán en cuenta.
Memoria Descriptiva
Página 25
Memoria Descriptiva
DENOMINACIÓN
Parque de almacenamiento de alimentación
Bomba de impulsión
Bomba de impulsión
Intercambiador de calor de carcasas y tubos
Columna de rectificación de platos
Condensador (Aerorrefrigerante)
Botellón o Acumulador de reflujo
Bomba de impulsión
Bomba de impulsión
Bomba de impulsión
Aerorrefrigerante
Bomba de impulsión
Reboiler tipo Kettel
Bomba de impulsión
Bomba de impulsión
Intercambiador de calor de carcasas y tubos
Parque de almacenamiento de cabezas
Parque de almacenamiento de colas
TA-01
B-01
B-02
IC-01
T-01
CD-01
BR-01
B-03
B-04
B-05
AR-01-AR-06
B-06
RB-01
B-07
B-08
IC-02
TA-02
TA-03
LISTA DE EQUIPOS
B-01
SIGLA
TA-01
B-02
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
6
1
1
1
1
1
1
1
Cantidad
IC-01
RB-01
BR-01
B-07
B-08
B-05
B-06
Figura 10: Esquema de la planta.
C-01
B-03
B-04
CD-01
IC-02
AR-01-AR-06
TA-03
TA-02
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
CAPÍTULO 4: Ubicación y distribución en
planta.
El esquema de la planta se puede ver en la Figura 10.
Página 26
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
4.1. Ubicación.
La ubicación está condicionada por la situación de la planta de
fabricación del ciclohexano. Ésta se encuentra situada en el campo de
Gibraltar de la provincia de Cádiz, más concretamente integrada dentro
de la Refinería de Gribaltar-San Roque del grupo CEPSA.
En la Figura 11 se observa la ubicación escogida para la línea
de hidrosdesalquilación, encuadrada en el círculo amarillo.
Figura 11: Ubicación de la línea de
hidrodesalquilación.
Esta situación se ve justificada ante la necesidad de abastecer a
la planta de cliclohexano del benceno que compra ya que la refinería no
es capaz de producir suficiente. Esta planta se localizó también
integrada dentro de la refinería, por lo que se cree preciso escoger el
mismo emplazamiento para minimizar aspectos tales como el transporte
de materia de un lugar a otro.
El suministro de la materia prima para el proceso de
hiddrodesalquilación también está garantizado, pues al estar integrado
Memoria Descriptiva
Página 27
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
dentro del complejo químico, la refinería es capaz de aportar tanto el
hidrógeno como el tolueno necesarios para sintetizar el benceno.
En el presente proyecto fin de carrera no existen hornos o algún
equipo que precise de combustibles para su funcionamiento, pero sí
que los hay en la zona de reacción del proceso de hidrodesalquilación,
por lo que habrá que tener en cuenta la necesidad de suministro de él.
El combustible escogido para suministrar al horno de proceso será gas
natural, en la Figura 12 se puede observar la red de gaseoductos que
recorren la península ibérica provenientes del norte de África.
Figura 12: Red de gaseoductos de la península ibérica.
Como se comprueba en la Figura 13 el emplazamiento
seleccionado está correctamente abastecido por la red de gaseoductos,
y al estar integrada en una refinería también está asegurado el
suministro de otros combustibles tales como petróleo.
Memoria Descriptiva
Página 28
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Al no ser la unidad que requiere el combustible objeto de estudio
en el presente proyecto fin de carrera no se profundizará más en este
aspecto.
Se necesitará tanto agua como vapor para la refrigeración y
vaporización llevada a cabo en los intercambiadores de calor y reboiler
respectivamente.
El vapor será suministrado por refinería, mientras que el agua al
no necesitarla de gran calidad no será un problema, pudiendo escoger
agua de cualquier línea de proceso que cumpla con las condiciones
deseadas para su aplicación.
Por otro lado el suministro eléctrico está garantizado, ya que la
refinería se encuentra enmarcada en una zona con una planta de
cogeneración, que produce simultáneamente vapor de agua y
electricidad.
4.2. Climatología.
En el presente apartado se analizaran la pluviosidad, el viento y
las características del suelo donde se ha emplazado la planta.
4.2.1. Pluviosidad.
No es una zona donde las lluvias sean abundantes. Las medias
anuales oscilan entre los 700 – 1000 mm, por la elevación de los frentes
nubosos procedentes del Atlántico.
Los veranos son cálidos y secos, a pesar del efecto amortiguador
de la cercanía del mar, se extiende a mayo o a octubre.
Memoria Descriptiva
Página 29
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
4.2.2. Vientos.
El viento predominante es el viento de levante, llegando a
registrarse rachas de 180 km·h-1. Generalmente no suelen superar los
50 km·h-1. Este viento suele afectar principalmente al Estrecho de
Gibraltar. Es un viento frío y húmedo, según la época del año. El
principal problema que genera es el estado de la mar, ya que levanta un
fuerte oleaje.
4.2.3. Temperaturas.
Las temperaturas medias de la zona rondan los 18ºC, valor
idóneo para el desempeño de la actividad industrial, ya que no son
temperaturas excesivamente elevadas. Una de las peculiaridades de
esta zona por su situación geográfica es el gran número de horas de sol
que disfruta.
4.2.4. El suelo.
Fundamentalmente está compuesto por dos tipos de partículas,
unas sualtas, permeables y con trozos de areniscas en
descomposición.
Las otras partículas producen un tipo de suelo permeables y de
drenaje medio o bueno. En general son suelos de pH ligeramente
alcalino que contienen cantidades aceptables de materia orgánica y de
carbonato cálcico. Su uso se ve afectado por su pedregosidad y la
pequeña extensión que ocupan
4.3. Otros factores.
La zona está muy bien comunicada, ya que posee carreteras
importantes tales como la A-7 y la A-405, así como una pequeña red de
Memoria Descriptiva
Página 30
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
carreteras secundarias lo suficientemente extensa como para que la
comunicación sea asequible.
4.4. Distribución en planta.
La distribución de los equipos se hará conformando pequeñas
unidades de operación. En el caso de la columna de tolueno estas
unidades de operación estarán formadas por los siguientes elementos:
 La torre de rectificación (T-01).
 El condensador de cabezas (CD-01), el reboiler de colas (RB-01)
y los intercambiadores de calor y aerorrefrigerantes (IC-01, IC02, AR-01-AR-04).
 El acumulador de reflujo (BR-01).
 Las bombas de impulsión (B-03, B-04, B-05, B-06, B-07 y B-08).
Las distancias mínimas que se han de respetar se exponen en la
Tabla IV reflejada a continuación.
Reactores y
Recipientes
9
*
Intercambiadores
de calor
9
*
1,5
Aerorrefrigerantes
9
6
4,5
NM
Bombas
9
3
3
3
Memoria Descriptiva
recipientes
Bombas
Aerorrefrigerantes
3
de calor
Compresores
Reactores y
Distancia
en
metros
Compresores
Intercambiadores
Tabla IV:
Distancias mínimas entre equipos en metros.
Especificaciones CEPSA.
2
Página 31
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
*: Para diámetros de equipo inferiores a 3 metros estarán como
mínimo a 2,5 metros de cualquier otro equipo. Para diámetros entre 3 y
5 metros estarán como mínimo a 3 metros de cualquier otro equipo. Y
para diámetros superiores a 5 metros estarán como mínimo a 4 metros
de cualquier otro equipo.
Destacar que los tanques de almacenamiento tienen sus propias
distancias, siendo estas las siguientes.
1. Distancia entre el tanque y otro elemento: Como mínimo de 9
metros.
2. Distancia entre tanques dentro del área de procesos: Como
mínimo el diámetro del tanque mayor.
3. Distancia entre el tanque y la pared: El radio del tanque.
Estas distancias son distancias mínimas, lo que no impide una
separación mayor entre los distintos equipos en el caso de que sea
necesaria.
Como se observa en el listado expuesto al principio de este
apartado dentro de la unidad de purificación se encuentran recogidos
todos los equipos diseñados a excepción de:
1. Parques de almacenamiento: Tanto el parque de alimentación
(TA-01) como el de cabeza (TA-02) y colas (TA-03).
2. Bombas de impulsión de alimentación: Son las bombas (B-01 y
B-02) encargadas de llevas el fluido desde el tanque hasta la
torre (T-01) previo paso por el intercambiador de calor (IC-01)
En la Figura 13 se contempla la distribución de las unidades que
conforman la unidad de separación de la torre de tolueno. En esta
unidad figuran todos los equipos diseñados salvo los parques de
almacenamiento.
Destacar que las medidas reflejadas se encuentran en
milímetros, ya que ésta es la unidad que se manejan en los planos a la
hora de llevar a cabo la construcción.
Memoria Descriptiva
Página 32
141.292 mm
1.000 mm
146.913 mm
1.000 mm
30.069
TA-03
TA-02
3.000 mm
9.000 mm
3000 mm
9000 mm
Memoria Descriptiva
IC-02
3000 mm
BR-01
CD-01
IC-01
3.000 mm
9000 mm
6.000 mm
RB-01
C-01
2. Las medidas y cotas están expresadas en milímetros.
1. El diagrama representado no está a escala, se usa como simple referencia.
NOTA:
3000 mm
AR-01, AR-02, AR-03,
AR-04,
9.000 mm
Figura 13: Distribución en planta.
2000 mm
TA-01
3.000 mm
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Otro punto a resaltar es que en la Figura 13 las distancias están
reflejadas en milímetros por ser la unidad que se usa en los planos para
su posterior construcción.
Página 33
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
CAPÍTULO 5: Materia Prima y productos.
En el presente apartado se expondrán las propiedades y
principales características de los compuestos y elementos que
conforman la alimentación al proceso, benceno, tolueno y bifenilo; así
como los principales usos de los mismos.
5.1. El benceno.
A temperatura ambiente, el Benceno es un líquido incoloro o
amarillo claro con olor dulce y aromático. Es altamente inflamable. Se
volatiliza muy rápido en el aire y se disuelve poco en agua por sus
características no polares, aunque es muy soluble en la mayoría de
solventes orgánicos. Debido a su volatilidad, puede esparcirse por el
aire hasta cualquier fuente de ignición distante.
El Benceno está presente en el aire, agua y suelo, y como su
densidad es menor a la del agua, en medio acuático, permanece en la
superficie de ésta. El Benceno que se encuentra en el ambiente
proviene tanto de procesos naturales como de actividades humanas.
Las fuentes naturales incluyen volcanes e incendios forestales; el
Benceno también es componente natural del petróleo crudo y la
gasolina además del humo de cigarrillos.
La mayoría de las personas pueden percibir el olor del Benceno
en el aire a concentraciones de 1.5 a 4.7 ppm y percibir su sabor en el
agua a 0.5 – 4.5 ppm. En la Figura 14 se puede ver una molécula de
benceno.
Figura 14: Molécula de benceno.
Memoria Descriptiva
Página 34
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
5.1.1. Propiedades.
Las propiedades del benceno están recogidas en la Tabla V.
Tabla V:
Propiedades del benceno.
Instituto nacional de seguridad e higiene en el trabajo .
Propiedad
Valor
-1
Peso molecular (kg·kmol )
78,1
Presión de vapor a 20 ºC (Pa)
1.000
Temperatura de ebullición (ºC)
80
Temperatura de fusión a (ºC)
5,5
Densidad relativa de vapor (Aire = 1)
2,7
-3
Densidad a 20 ºC (kg·m )
Estado físico
Presión crítica (bar)
879,4
Líquido
48,9
5.1.2. Aplicaciones.
Se usa principalmente como disolvente, aunque por su toxicidad
está prohibido en muchos ámbitos de aplicación. Su demanda se ha
visto disminuida en ciertos sectores tales como los productos
fitosanitarios o las pinturas, que anteriormente lo usaban de forma
masiva.
Aun así sus campos de aplicación son muchos. Por ejemplo se
puede usar benceno para sintetizar los siguientes productos:
1. Elaboración de etilbenceno, cuyo destino principal es la
elaboración de estireno.
2. Elaboración de cumeno, destinado principalmente a fabricar fenol
y bifenol.
3. Elaboración de ciclohexano, se obtiene por hidrogenación del
benceno, produciendo ácido adípico y caprolactama.
Memoria Descriptiva
Página 35
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
4. Otros derivados minoritarios. Destacan nitrobenceno y anilina.
5. Elaboración de los ácidos alquilbencenosulfónico, base de los
detergentes LAS (Linear Alkilbenzene Sulfonates).
5.1.3. Procesos de fabricación.
El benceno producido actualmente en la industria proviene
principalmente del tolueno, al que se somete a procesos tales como el
reformado o la desalquilación térmica o catalítica del mismo.
Es uno de los componentes esenciales del petróleo, pero no se
puede obtener directamente pues forma un azeótropo con otros
hidrocarburos. Primero habría que separar el petróleo en diferentes
fracciones, y someter éstas a otros procesos, tales como un craqueo de
naftas pesadas o hidrocarburos ligeros (propano, butano) de los que se
obtiene un producto rico en aromáticos (65% de aromáticos de los que
el 50% es benceno).
5.2. El tolueno.
A temperatura y presión ambiente el Tolueno es un líquido
transparente, volátil e inflamable que forma mezclas explosivas con el
aire. Es un hidrocarburo de la serie aromática. Posee olor dulce e
irritante característico en compuestos con anillos bencénicos. Está
presente en el petróleo crudo, que es por mucho la fuente principal de
donde se obtiene; también se genera en el proceso de manufactura del
coque a partir de carbón formando parte del alquitrán y como producto
del metabolismo del árbol de Tolú donde se encuentra formando
resinas.
Se clasifica como un compuesto orgánico volátil. Es un solvente
de muchos productos aromáticos, pero es poco soluble en agua. En su
presencia asciende hacia la superficie gracias a su menor densidad.
En la Figura 15 se puede ver una imagen de una molécula de
tolueno.
Memoria Descriptiva
Página 36
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Figura 15: Molécula de tolueno.
5.2.1. Propiedades.
Las propiedades del tolueno están recogidas en la Tabla VI.
Tabla VI:
Propiedades del tolueno.
Instituto nacional de seguridad e higiene en el trabajo.
Propiedad
Valor
-1
Peso molecular (kg·kmol )
92,1
Presión de vapor a 20ºC (Pa)
2900
Temperatura de ebullición (ºC)
111
Temperatura de fusión a (ºC)
-95
Densidad relativa de vapor (Aire = 1)
3,2
Presión crítica (bar)
41,3
5.2.2. Aplicaciones.
El tolueno se usa principalmente para la fabricación de benceno
y xilenos mediante diferentes técnicas, como por ejemplo la
hidrodesalquilación (HDA), en donde el tolueno y el hidrógeno
reaccionan para generar únicamente benceno.
Memoria Descriptiva
Página 37
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
También se puede usar como disolvente, pero esta aplicación
cada vez tiene menos extensión por las normativas sanitarias y
medioambientales cada vez más restrictivas.
Además de para producir benceno y xilenos, también se puede
usar el tolueno para obtener otros productos tales como el diisocianato
de tolueno (TDI), el cual sirve para generar la espuma flexible de
poliuterano usada en tapicería, para hacer colchones y piezas de los
asientos de los automóviles.
También se usa para sintetizar otros productos químicos tales
como el fenol, caprolactama, nitrobenceno, ácido benzoico y
clorobenceno.
Dejando los productos químicos a un lado, otra posible aplicación
del tolueno es la de potenciador del octanaje de las gasolinas,
aplicación que prácticamente está en desuso actualmente por el alto
grado de compuestos contaminantes que genera.
Su principal valor reside en ser un compuesto intermedio no final
del cual es posible obtener otros hidrocarburos de mayor valor añadido
o cuya aplicación esté más extendida.
Sin embargo, uno de sus derivados, el trinitrotolueno (el conocido
TNT) es el principal compuesto de muchos explosivos. Se obtiene a
través de la nitración completa del tolueno.
5.2.3. Procesos de fabricación.
La obtención de Tolueno a partir del petróleo se da de forma
principal (alrededor de un 87%) por reformado catalítico de fracciones
del crudo que contienen Metilciclohexano y en forma secundaria (9%)
por separación en el proceso de pirolisis de gasolina en equipos de
craqueo con vapor durante la manufactura de etileno y propileno.
Otras fuentes menores (4%) de obtención de Tolueno
corresponden por ejemplo a la producción de estireno, donde se genera
como subproducto.
Memoria Descriptiva
Página 38
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Se considera tolueno altamente purificado a aquel que está
mezclado con menos del 0,01% de benceno.
5.3. El bifenilo.
El bifenilo es un sólido a temperatura ambiente cuyo color varía
de blanco a amarillo y se presenta en forma de hojuelas o sólidos
cristalinos (como la arena), de olor agradable y característico. Por ello
en el proceso nunca se bajaran de los 70ºC, temperatura de fusión.
Su uso varía desde agente de transferencia térmica en el control
de enfermedades vegetales a la fabricación de otros productos
químicos.
Es un producto insoluble en agua, combustible y soluble en
compuestos orgánicos comunes.
En la Figura 16 se puede ver una molécula de bifenilo
Figura 16: Molécula de bifenilo.
5.3.1. Propiedades.
Las propiedades del bifenilo están recogidas en la Tabla VII.
Memoria Descriptiva
Página 39
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
Tabla VII:
Propiedades del bifenilo.
Instituto nacional de seguridad e higiene en el trabajo.
Propiedad
Valor
-1
Peso molecular (kg·kmol )
154,2
Presión de vapor a 71 ºC (Pa)
133
Temperatura de ebullición (ºC)
250
Temperatura de fusión a (ºC)
70
Densidad relativa de vapor (Aire = 1)
1,04
5.3.2. Aplicaciones.
Se usaba principalmente para la industria conservante de frutas
cítricas, para protegerlas del moho, especialmente contra el Penicillium
en suspensiones acuosas (ya que es insoluble) tanto en la fruta como
en contenedores o envoltorios, pero según la directiva 2009/10/CE de la
comisión del 13 de febrero de 2.009 que modifica la directiva
2008/84/CE, ya no se autoriza el uso del bifenilo como agente
conservante en alimentación debido a sus propiedades tóxicas y
cancerígenas (conservante E-230).
También se usa para la síntesis de bifenilos polibromados (PBB),
retardantes de la llama usados en equipos informáticos por la empresa
Lexmark.
5.4. Otras materias primas.
Para asegurar un correcto funcionamiento de muchos equipos se
ha de contemplar su recubrimiento con un material térmico aislante que
evite las pérdidas de calor con el entorno.
El material elegido es la lana de roca, ya que es capaz de cumplir
todos los requisitos técnicos que se han de imponer de una manera
económica y está especialmente indicado para el aislamiento de
equipos en la industria.
Memoria Descriptiva
Página 40
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Es un producto constituido por filamentos de fibra de materiales
pétreos entrelazados de manera que se forme un fieltro con cámaras de
aire en su interior.
Son materiales muy ligeros que adicionalmente al aislamiento
térmico otorgan aislamiento sonoro y al fuego.
Para los diferentes equipos se usaran aceros al carbono para su
construcción. Dependiendo del tipo de equipo y de la función de la
pieza a fabricar se usará una gama u otra.
Memoria Descriptiva
Página 41
Memoria Descriptiva
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
6
1
1
1
1
1
1
1
Cantidad
IC-01
C-01
RB-01
B-03
BR-01
B-07
B-08
B-05
B-06
IC-02
AR-01-AR-06
Figura 17: Esquema del proceso.
(Resaltadas las unidades descritas en el presente capítulo).
DENOMINACIÓN
Parque de almacenamiento de alimentación
Bomba de impulsión
Bomba de impulsión
Intercambiador de calor de carcasas y tubos
Columna de rectificación de platos
Condensador (Aerorrefrigerante)
Botellón o Acumulador de reflujo
Bomba de impulsión
Bomba de impulsión
Bomba de impulsión
Aerorrefrigerante
Bomba de impulsión
Reboiler tipo Kettel
Bomba de impulsión
Bomba de impulsión
Intercambiador de calor de carcasas y tubos
Parque de almacenamiento de cabezas
Parque de almacenamiento de colas
TA-01
B-01
B-02
IC-01
T-01
CD-01
BR-01
B-03
B-04
B-05
AR-01-AR-06
B-06
RB-01
B-07
B-08
IC-02
TA-02
TA-03
LISTA DE EQUIPOS
B-01
SIGLA
TA-01
B-02
B-04
CD-01
TA-03
TA-02
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
CAPÍTULO 6: Sistemas de separación.
Se proyecta la columna de rectificación para conseguir purificar
el tolueno contenido en una corriente de alimentación compuesta
benceno, bifenilo y tolueno.
Los cálculos pertinentes relacionados con la columna de
separación se han realizado en el Anexo 2: Diseño de una columna
de rectificación.
En la Figura 17 se puede apreciar un esquema del proceso con
la columna (C-01) resaltada en gris.
Página 42
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
6.1. Caracterización de las corrientes.
6.1.1. Corriente de alimentación (F).
A la columna le llega una alimentación multicomponente formada
por bifenilo, benceno y tolueno. Se introduce en la columna a un ritmo
de 772,944 kmol·h-1.
Antes de llegar a la columna, esta corriente ha de ser sometida a
un proceso de acondicionamiento para conseguir la temperatura y
presión indicadas.
Este acondicionamiento se realiza a través de un intercambiador
de calor para la temperatura (IC-01) y una reducción para la presión.
6.1.2. Corriente de destilado (D).
Por la parte superior de la columna sale la corriente de destilado
muy rica en tolueno (99,5%) y con pequeñas cantidades del resto de
componentes (0,5% de benceno y 0,01% bifenilo). Esta corriente está
en fase vapor, por lo que es necesario condensarla mediante un
condensador total (CD-01).
Tras producirse el cambio de fase parte del condensado se
recircula a la columna a razón de 22,134 kmol·h-1, y el resto, 758,532
kmol·h-1, se deriva a una fase de acondicionamiento previa a su
almacenamiento en los tanques de cabeza (TA-02).
6.1.3. Corriente de colas (W).
Por otra parte, la corriente líquida que sale por la parte inferior de
la columna pasa por un reboiler (RB-01), donde se da una vaporización
parcial obteniendo dos corrientes, una que se recircula a la columna
como vapor y otra líquida que se extrae.
Memoria Descriptiva
Página 43
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
La corriente de vapor reintroducida a la columna lo hace con un
caudal de 790,671 kmol·h-1, y únicamente está formada por bifenilo y
tolueno.
Por otro lado, la corriente líquida que se retira (W), lo hace a
razón de 4,412 kmol·h-1 con una composición de 90,7% de bifenilo y
9,13% de tolueno. Su destino son los tanques de almacenamiento del
producto de colas (TA-03)
previo paso por una etapa de
acondicionamiento de presión y temperatura.
6.2. Diseño de la columna.
El diseño de la columna se ha realizado mediante el Método FUG
(Frenske, Underwood y Gilligand), un proceso secuencial apto para
separaciones multicomponentes.
Su aplicación depende de la selección de unos componentes
como componente clave ligero (LK) y clave pesado (HK) y el
comportamiento del tercero en discordia, el componente no clave, que
sirve para clasificar el sistema.
En presente proyecto fin de carrera se ha escogido como
componente clave ligero el tolueno, como clave pesado el difenilo y
como componente no clave el benceno.
Dicha elección se basa en que el de los componentes presentes
en ambas corriente de salida de la torre el tolueno es el más ligero de
los dos, por lo que será el clave ligero, mientras que el bifenilo será el
pesado. Por lo tanto el benceno será el compuesto no clave estando
presente únicamente en la corriente de destilado.
El que el componente no clave esté presente solamente en la
corriente de destilado, una de las dos corrientes de salida, hace posible
clasificar este sistema como un sistema clase 1.
En la Tabla VIII se muestran los resultados obtenidos mediante
este método.
Memoria Descriptiva
Página 44
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla VIII:
Resultados del método FUG.
Número de
etapas mínimas
Relación de
reflujo mínima
externa
4
Relación de
Número de
reflujo real
platos teóricos
0,029
18
0,0248
La relación de reflujo real está marcada por el tipo de sistema de
condensación seleccionado. En este caso, para aprovechar las
condiciones de la zona se ha optado por un condensador del tipo
aerorrefrigerante, en el que el fluido refrigerante es una corriente de aire
impulsada por ventiladores.
6.2.1. Diseño hidráulico de la columna.
Cuando la columna está funcionando existen una serie de
fenómenos que se han de evitar para asegurar un correcto
comportamiento de la misma. Estos fenómenos son la inundación, el
arrastre, el lloriqueo y la descarga.
Tanto para el posterior diseño de platos como para la
comprobación de estos fenómenos se utiliza un parámetro conocido
como parámetro de flujo (PF).
6.2.1.1. Inundación.
Se da cuando se tiene un alto nivel de líquido en el plato unido a
una alta velocidad de vapor, lo que produce grandes caídas de presión
del vapor que atraviesa el plato, llevando a la inundación, puesto que el
líquido abandona el plato en condiciones de baja presión y llega al
siguiente en condiciones de alta presión (debido a la espuma),
colocándose en la posición más elevada, el vertedero.
Memoria Descriptiva
Página 45
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
Se estima a través de la pérdida de carga en el plato, las cuales
no han de ser mayores que la mitad del espaciamiento entre platos.
Éstas son iguales a 0,185 m y menores por tanto al límite permitido de
0,3 m (al ser el espaciamiento entre platos de 0,6 m).
6.2.1.2. Lloriqueo.
Se produce cuando la velocidad de ascensión del gas no es lo
suficiente como para vencer la fuerza de gravedad del líquido que cae
del plato, es decir, cuando la velocidad de ascensión del gas es menor
que la velocidad de circulación del vapor en el interior de la columna.
La velocidad del gas a través de los orificios es de 0,447 m·s-1 y
la de ascensión del vapor por la columna de 6,920 m·s-1, por lo que no
se produce lloriqueo.
6.2.1.3. Arrastre.
Se produce cuando la velocidad ascensional del gas es tal que
vence a la de caída del líquido de un plato a otro arrastrando parte del
líquido contenido en el plato al inmediatamente superior, alterando su
composición.
Se obtiene de forma gráfica en función del parámetro de flujo y
de la relación entre las velocidades de lloriqueo y del gas a través de
los orificios.
La relación entre las velocidades es 0,8 y el parámetro de flujo
vale 0,84, de manera que el arrastre equivale a 0,05, valor que se
encuentra por debajo del límite de 0,1 establecido de forma bibliográfica
para platos perforados.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
6.2.1.4. Descarga.
Se produce cuando la velocidad de bajada del líquido por
vertedero es elevada, produciéndose la descarga de líquido en el plato.
Según la bibliografía consultada no ha de ser mayor a 0,3 m·s -1,
y tal y como se comprueba esta condición se cumple, ya que la
velocidad calculada es de 0,063 m·s-1.
6.2.1.5. Características de los platos.
Al hacer el diseño hidráulico de la columna se han calculado las
dimensiones y características de los platos, las cuales se recogen en la
Tabla IX.
Tabla IX:
Características de los platos de la columna.
Diámetro (m)
2,743 (108 in)
Diámetro de orificios (mm)
4,5
Espaciado entre platos (m)
0,6
Espesor de vigas (m)
0,037
Área de orificios (m2)
0,631
Espesor del plato (mm)
1,935
Área neta (m )
4,597
Anchura de vertedero (m)
1,920
2
4,352
Espesor de la carcasa (mm)
7,9
5,579
Espesor del faldón (mm)
7,9
0,491
Espesor del aislante (mm)
80
2
Área activa (m )
2
Área total (m )
2
Área de vertederos (m )
2
Área de vigas (m )
0,245
6.2.1.6. Pérdidas de carga en el plato.
Una vez concluido el diseño de la columna es necesario estimar
las pérdidas de platos en la columna, puesto que si son mayores que la
mitad del espaciamiento no funcionará correctamente.
Los datos de pérdidas de carga se recogen en la Tabla X
distinguiendo la sección de agotamiento y la de rectificación. De esta
manera se comprueba que la columna tiene un correcto funcionamiento
hidráulico.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
Tabla X:
Pérdidas de carga en la columna.
DESCRIPCIÓN
VALOR (m)
Altura de vertedero o rebosadero (𝒉𝑾 ).
0,06
Altura de la cresta del líquido sobre el plato
𝒉𝑪 .
0,0317
Gradiente del nivel de líquido dentro del
plato desde el punto de entrada al de salida
-
().
Retroceso del nivel de líquido en el plato
𝒉𝑩 .
Pérdida de carga del líquido al acceder
al plato ℎ𝐸
Pérdida de carga del vapor entre plato y
plato ℎ𝑉𝐴𝑃
0,0827
0,032
0,050
Caída de presión en plato seco ℎ𝐷
0,016
Caída de presión generada al circular
el vapor a través del líquido y la
0,0315
espuma ℎ𝐿
Caída de presión del gas residual
ℎ𝑅
TOTAL COLUMNA
0,032
0,174
Siendo el espaciamiento entre platos de 0,6 m se comprueba que
las pérdidas de carga totales son inferiores al valor máximo permitido
(0,3 m), por lo que se puede concluir que la columna funciona
correctamente.
6.2.2. Eficacia de la columna.
La situación descrita hasta el momento es la de un
funcionamiento ideal de la columna. En la realidad nunca se alcanza
este grado de perfección, por lo que son necesarias más etapas para
lograr la separación deseada.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
De manera que la eficacia de la columna se puede entender
como la relación entre el número de etapas reales y las ideales. Para la
presente columna se han calculado a través del método de Legget y
Lockhart, obteniendo un valor parecido en torno al 76%.
6.2.3. Determinación del plato de alimentación.
La determinación del plato de alimentación se realiza en dos
etapas. En primer lugar mediante la ecuación de Kirkbride se calcula la
posición del plato de alimentación en las condiciones ideales,
resultando que la alimentación se introduce entre el segundo y el tercer
plato comenzando a numerar por la parte superior de la columna.
Posteriormente mediante una corrección propuesta por Legget y
Lockhart, a partir de la distribución calculada mediante Kirkbride se
estima el plato de alimentación real. Con este método se obtiene que la
alimentación cae sobre el cuarto plato comenzando a numerar por la
parte superior de la columna.
Por lo que la distribución real será de 25 platos reales, 21 de
agotamiento y 4 de rectificación.
6.2.4. Altura de la columna.
Para considerar la altura de la columna hay que tener en cuenta
los siguientes elementos:
1. El cuerpo de la columna: Conformado por las faldillas y los platos
con una separación de 0,6 m entre ellos. Las faldillas tienen una
altura de 2,1 m. Está rodeado por la carcasa. Toma una altura
de 19,8 m.
2. Fondos: Para la altura solo se tiene en cuenta el cabezal
superior, ya que al ser el inferior está solapado por el faldón.
Toma un valor de 0,713 m. Se calcula en el siguiente apartado.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
3. Estructura de soporte: La columna será soportada por faldones
con una altura de 2,713 m.
De manera que la altura de la columna es de 23,226 m.
6.2.5. Diseño mecánico de la columna.
Con este diseño se pretende conocer el espesor para la
envolvente de la columna y el faldón necesario para contener y soportar
de manera correcta las tensiones a las que está sometida la columna.
Se realiza en base al código ASME sección VIII división 1.
6.2.5.1. Espesor de la envolvente.
Para el cálculo del espesor de la envolvente es necesario tener
en cuenta que ésta ha de ser capaz de soportar las tensiones a las que
se la somete por la acción combinada del viento y la presión interna.
El espesor mínimo será de 7,9 mm. Este valor tiene en cuenta un
margen de corrosión y corresponde a un dato comercial. Estará hecha
de acero al carbono SA-285.
6.2.5.2. Fondo y cabezal.
A la hora de escoger entre fondo Klopper o Korboggen, se
comprueba si cumplen algunas de las siguientes directrices. En caso
afirmativo es fondo será Korboggen.
1. Presión de diseño igual o superior a 7 kg·cm-2.
2. Temperatura de diseño superior a 350 ºC.
3. Recipientes verticales cuya relación altura/diámetro sea superior
a 10.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Las dos primeras condiciones no se cumplen, por lo que es
preciso analizar si se cumple la tercera. La altura de la columna es de
20,3 m, y el diámetro de la zona de agotamiento (donde se dan las
peores condiciones) es de 2,743. La relación entre el área y el diámetro
será de 8,467, un valor inferior a 10, por lo que se puede concluir que el
fondo elegido será tipo Klopper, como el que se ve en la Figura 18.
Figura 18: Fondo tipo Klopper.
(Forjados Zubiazu S.L.)
Las dimensiones de los fondos y el cabezal se recogen en la
Tablas XI para el fondo y la Tabla XII para el cabezal.
Tabla XI:
Dimensiones del fondo.
L (m)
2,194
H (m)
0,713
r (m)
0,422
h (m)
2,1
Donde:
 𝐿: Radio mayor (m).
 𝑟: Radio menor (m).
 𝐻: Altura del fondo (m).
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
 ℎ: Altura de la faldilla (m).
 𝐷0 : Diámetro de la torre (m).
 𝑡: Espaciado entre platos (m).
Su espesor se estima de la misma forma que el de la envolvente,
obteniendo un resultado de 7,9 mm.
6.2.5.3. Soportes de la columna.
El sistema de soporte de la columna serán faldones.
Su diámetro vendrá condicionado por el de la sección de
agotamiento de la columna, ya que irá soldado a la envolvente del
fondo inferior, por lo que han de ser el mismo. En ningún caso lo hará a
la parte exterior de la misma.
Los faldones tendrán las siguientes características:
1. Al tratarse de una mezcla de hidrocarburos los faldones estarán
provistos de sistemas de ventilación de 2 pulgadas, situados a la
altura de los fondos. Como tiene un diámetro mayor a 1 metro
serán necesarias 4 aperturas opuestas entre sí 180º.
2. La abertura de acceso al faldón será de 24 pulgadas, pese a que
según norma se ha establecida que esta ha de ser de 20
pulgadas, puesto que es una apertura más acorde al tamaño de
una persona. Se colocará en el lado opuesto que el hueco para
la tubería de fondo.
3. La apertura para la tubería de fondo de columna será 1 pulgada
mayor que el diámetro de la misma.
4. Han de estar protegidos por una capa ignífuga de hormigón de
150 kg·cm-2 de resistencia características aplicada a la
compresión de 5 mm de espesor.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Todas las aperturas del faldón han de estar reforzadas por un
collarín, ya que no se ha de olvidar que la función del faldón es la de
soportar la columna y las aperturas debilitan esta función. Los collarines
han de tener el tamaño suficiente como para permitir el calorifugado y la
expansión térmica.
Las dimensiones del faldón y sus características se recogen en la
Tabla XII.
Tabla XII:
Características de los faldones.
Descripción
Valor
Diámetro (m)
2,742
Espesor (mm)
7,9
Altura (m)
2,713
Material
Acero al carbono SA-283
6.2.5.4. Aislamiento.
La columna ha de ir aislada térmicamente para asegurar un
correcto funcionamiento adiabático. Se escoge como aislante lana de
roca, ya que cumple las especificaciones técnicas de la manera más
económica posible. A su vez esta capa estará cubierta por una plancha
de aluminio. El espesor de la capa de lana de roca será de 80 mm
según la temperatura de trabajo y las relaciones establecidas por
CEPSA S.L.
6.2.5.5. Pescante.
Al tratarse de un recipiente vertical, se instalará un pescante de
capacidad suficiente para desmontar los platos y elementos internos, y
en ningún caso esta capacidad será inferior a 500 kg.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
6.2.6. Otros elementos.
6.2.6.1. Escalerilla.
Será necesaria la instalación de una escalerilla provista de
plataformas para realizar labores de mantenimiento e inspección. Se
han de colocar plataformas a distancias mínimas para asegurar que el
operario no ha de recorrer una distancia grande sin descansar.
Tendrá las siguientes características:
 Se colocaran 3 plataformas. Una en el primer plato, otra en el
plato situado por debajo de la alimentación (plato número 5) y
otra a los 4 metros de altura.
 Existirá una jaula de protección a partir de los 2,28 metros de
altura.
6.2.6.2. Bocas de hombre.
Son elementos de mantenimiento e inspección.
Se instalarán 3 bocas de hombre en la columna en los siguientes
platos:
 Primer plato.
 Plato por debajo del plato de alimentación (Plato 5).
 Último plato.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
CAPÍTULO 7: Sistemas de intercambio de calor.
Antes de comenzar con este capítulo, mencionar que todos los
valores aquí presentados se han desarrollado en el Anexo 3: Sistemas
de intercambio de calor en sus apartados correspondientes.
Se recogerán los resultados de los equipos de intercambio de
calor de la alimentación, línea de cabezas y línea de colas.
7.1. Intercambiador de calor de carcasas y tubos de la
alimentación y colas (IC-01 e IC-02).
Los presentes dispositivos son intercambiadores del tipo
carcasas y tubos instalados justo antes de la torre de destilación para
aumentar su temperatura (IC-01) y otro para reducir la temperatura de
las colas para su almacenamiento (IC-02).
En la Figura 19 se pueden ver algunos intercambiadores de
carcasas y tubos.
Figura 19: Imagen de intercambiadores
de carcasas y tubos.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
7.1.1. Materiales de construcción.
En estos dispositivos confluyen 3 materiales aceros al carbono.
Para los tubos se utilizará acero al carbono SA-106 y para la carcasa
SA-285. Para los elementos de soporte acero al carbono SA-183.
7.1.2. Elementos principales.
En el presente apartado se dimensionaran los elementos
principales del intercambiador de calor.
7.1.2.1. Tubos.
Los tubos estarán construidos en acero al carbono SA-106. Junto
con la carcasa conforman los elementos principales del intercambiador.
Por ellos circula el fluido a calentar.
Están separados unos de otros por una distancia denominada
“Pitch”, la cual ha de ser lo suficientemente grande para evitar una
compactación excesiva pues produciría un desajuste estructural ni
demasiado grande para evitar intercambiadores de grandes
dimensiones. Una vez determinada esta distancia se escoge una
disposición triangular de los tubos.
El número de tubos necesario se encuentra estandarizado y
normalizado por las normas TEMA, así como la longitud de los mismos.
Estos valores dependen tanto del área de transferencia necesaria como
del coeficiente de transferencia de calor (U).
El espesor en este caso ha de ser suficientemente grande como
para resistir las presiones internas. Se ha calculado a partir del código
ASME.
Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos se pueden
nombrar mediante tres letras, según TEMA.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
La primera letra indica el tipo de cabezal estacionario. Los tipos A
(canal y cubierta desmontable) y B (casquete) son los más empleados.
La segunda letra se refiere a la carcasa. La carcasa tipo E, de un
solo paso, es la más común. La carcasa F se utiliza normalmente
cuando no es posible un único paso por carcasa debido a las
diferencias de temperaturas entre el casco y los tubos. En cuanto a los
intercambiadores G (tipo “Split”) su uso principal es la condensación de
vapores, J (de fluido dividido) y H (doble Split) se usan para reducir las
pérdidas de carga en la carcasa cuando ésta es variable. El
intercambiador K (tipo “Kettle”) se utiliza cuando se requiere generar
vapor. La carcasa X es del tipo flujo cruzado, en la cual se colocan una
serie de boquillas de alimentación, y en posición contraria otras de
salida.
La tercera letra es indicativa del tipo de cabezal del extremo
posterior. Las denominaciones S (cabezal flotante con dispositivo de
apoyo), T (cabezal flotante sin contrabrida) y U (haz de tubo en U) son
los más importantes.
7.1.2.2. Carcasa.
La carcasa es la estructura donde van alojados los tubos y por
donde circula el otro fluido con el que se va a producir la transferencia
de materia.
Estará construida de acero al carbono SA-285, ya que es el
adecuado para equipos a presión sin productos corrosivos.
En el interior de la carcasa existirán unas barreras denominadas
deflectores, las cuales se encargan de producir la agitación del fluido
que circula por la misma, favoreciendo de este modo la transferencia de
calor. Consisten en placas perforadas cuya altura suele ser
generalmente un 75% del diámetro interior de la carcasa. Se conocen
como deflectores con 25% de corte. Las normas TEMA fijan unos
valores máximo y mínimo de espaciamiento entre las placas deflectoras
que será función del diámetro exterior de los tubos y el diámetro interior
de la carcasa.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
7.1.2.3. Cabezales de retorno.
Tiene como función retornar el fluido que circula por el interior de
los tubos hacia el cabezal de distribución o bien mandar el fluido fuera
del intercambiador cuando éste cuenta con un solo paso por el lado de
los tubos.
De todas las posibilidades posibles se escogen cabezales de
retorno tipo flotante de empaque interno, ya que es el más extendido en
la industria.
Marcará el número de pasos de los tubos por carcasa.
Normalmente el número de pasos por los tubos es un número par. En
este caso se ha escogido un intercambiador 1-2, es decir, un paso por
carcasa y 2 por tubos.
Al tener un único paso por carcasa el tipo de envolvente será del
tipo E.
7.1.2.4. Cabezal de distribución.
Elemento similar a la carcasa, cuya función es recibir el fluido
que ha de circular por el interior de los tubos, distribuirlo y recolectarlo
para mandarlo fuera de él. Se elige cabezal tipo A (canal y carcasa
desmontable) por ser el más usado.
7.1.2.5. Estructuras de soporte.
Estarán soportados por silletas.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
7.1.3. Resultados.
Al ser tanto el intercambiador de alimentación como el de colas
del mismo tipo se han agrupado en el presente apartado. En las
siguientes tablas se comprueba las características de ambos.
Tabla XIII:
Características de los intercambiadores de calor de carcasas y tubos.
Descripción
Incremento de temperatura en tubos
(K)
Incremento de temperatura en
carcasa
(K)
Calor intercambiado entre las
corrientes
(J·s-1)
Caudal másico que circula por tubos
(kg·s-1)
Caudal másico que circula por
carcasa
(kg·s-1)
ΔTml
Coeficiente global de transferencia de
materia
(W·m-2·K-1)
Diámetro externo de los tubos
(m)
Espesor de los tubos
(mm)
Espesor de la carcasa
(mm)
Diámetro de la carcasa
(m)
Diámetro interno de los tubos
(m)
Pitch
(m)
Longitud de los tubos
(m)
Número de tubos
Pérdida de carga en tubos
(bar)
Pérdida de carga en carcasa
(bar)
Número de deflectores en carcasa
Memoria Descriptiva
IC-01
IC-02
2,300
158,700
52,700
15
2,089·104
584,627
0,011
0,182
19,837
13,982
102,963
115,933
1.082,996
1.216,48
0,0191
0,023
2,362
2,400
9,500
9,500
0,203
0,203
0,0135
0,021
0,0238
0,0254
2,438
2,438
30
30
4,6·10-5
0,00185
0,002
2,396·10-4
4
4
Página 59
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
7.2. Aerorrefrigerantes.
En la línea de cabezas existe una batería o paquete de
aerorrefrigerantes para conseguir el salto térmico deseado.
7.2.1. Material de construcción.
Los tubos estarán fabricados en acero al carbono SA-106,
mientras que los elementos de soporte, las silletas, en acero al carbono
SA-283. El resto de elementos estarán hechos de acero al carbono SA285.
7.2.2. Elementos principales.
7.2.2.1. Haz tubular.
Se dispondrán asociados en haces tubulares con un número
determinado de tubos por filas y con una disposición triangular. Los
tubos del haz serán aleteados tipo “Alffin” con unas aletas de las
siguientes dimensiones recogidas en la Tabla XIV.
En la Figura 20 se observa diferentes tipos de tubos aleteados.
Tabla XIV:
Dimensiones de las aletas.
Descripción
Valor
Altura (cm)
5
Densidad (aleta·m-1)
200-400
Hendidura sobre el tubo (cm)
0,26
Anchura de la aleta (cm)
Material
0,0254
Aluminio
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Figura 20: Tubos aleteados.
7.2.2.2. Cabezal de distribución.
Se elige cabezal tipo A (canal y carcasa desmontable) por ser el
más usado a nivel industrial.
7.2.2.3. Cabezal de retorno.
Su misión es devolver al fluido que circula por el interior de los
tubos al cabezal de distribución o mandarlo fuera. Se escoge un tipo de
cabezal flotante interno.
7.2.2.4. Pitch.
Distribución de tubos triangular con una separación de 1 pulgada.
7.2.2.5. Ventiladores.
Será necesario disponer de una serie de ventiladores industriales
para la impulsión del aire. Éstos son de tipo axial y se sitúan en la parte
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
superior del haz de tubos. Su objetivo es impulsar y mover grandes
cantidades de aire para refrigerar el sistema.
7.2.3. Resultados.
En la Tabla XV se recogen los resultados. Será una batería de 4
aéreos unidos por tramos rectos de tuberías.
Tabla XV:
Características de los aerorrefrigerantes de cabeza.
Descripción
Incremento temperatura
-1
Calor intercambiado (J·s )
AR-01
AR-02
AR-03
AR-04
12,5
12,5
12,5
12,5
5.122,044 4988,524
-1
4852,671 4731,347
Caudal que circula por tubos (kg·s )
19,655
Caudal de aire (kg·s-1)
0,344
0,335
0,335
0,335
ΔTml
92,973
81,144
81,144
75,642
455,130
791,437
439,528
430,807
0,489
0,490
0,603
0,603
Diámetro externo (m)
0,031
0,023
0,023
0,023
Espesor de los tubos (m)
0,0023
0,0024
0,0024
0,0024
Diámetro interno (m)
0,025
0,0206
0,0206
0,0206
Pitch (m)
0,064
0,064
0,064
0,064
Longitud de los tubos (m)
2,438
2,438
2,438
2,438
Número de tubos
12
12
32
32
Superficie de las aletas (m )
0,0025
0,0025
0,0025
0,0025
Número de aletas/tubo
354
346
340
333
Número de tubos por haz
12
12
16
16
Número de haces
1
1
2
2
Anchura del haz (m)
0,77
0,77
0,77
0,77
Anchura del aerorrefrigerante (m)
0,87
0,87
1,68
1,68
Diámetro del ventilador (m)
1,219
1,219
1,219
1,219
Número de ventiladores
8
8
15
15
Potencia del ventilador (W)
116,367
116,367
119,844
119,844
Coeficiente global de transmisión
de calor (W·m-2·K-1)
Pérdida de carga (bar)
2
Memoria Descriptiva
70759,828 70759,828
19,656
Página 62
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
CAPÍTULO 8: Equipos auxiliares de la columna.
La columna de rectificación tendrá los siguientes equipos
auxiliares asociados a la misma:
1. Condensador (CD-01) para transformar el vapor que sale de la
columna a una corriente liquida.
2. Reboiler (RB-01) para producir la vaporización parcial del líquido
que sale por la parte inferior de la columna.
3. Botellón o acumulador de reflujo (BR-01): Pequeña tanque
transitorio para asegurar que el líquido no vuelve al estado
gaseoso y evitar posibles problemas de cavitación en la bomba.
El cálculo de los datos presentados en el presente apartado se
encuentran desarrollados en el Anexo 4: Equipos auxiliares a la
columna de rectificación.
8.1. Condensador de la columna (CD-01).
El condensador será de tipo enfriado por aire, es decir, un
aerorrefrigerante para aprovechar las condiciones climáticas de la zona
y ahorrar dinero.
Por las propias características del intercambiador, el fluido que
circula por el interior de los tubos es el vapor proveniente de la columna
de rectificación, mientras que el fluido refrigerante será aire impulsado
por ventiladores.
El fluido a condensar entra a 137,6ºC en estado vapor, y tras la
condensación sale a 137,4ºC, poniendo en juego los calores latentes de
la sustancia. Como se puede ver la variación de la temperatura es
prácticamente invariante, por lo que se considera una temperatura
constante y que el cambio de fase se produce únicamente por la acción
del calor latente de condensación.
Memoria Descriptiva
Página 63
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
El condensador tipo aéreo estará compuesto por los siguientes
elementos.
 Haz tubular: De tubos aleteados.
 Cabezales: Un cabezal de retorno y otro de distribución.
 Ventiladores: Para impulsar la corriente refrigerante de aire.
8.1.1. Haz tubular.
Los tubos estarán fabricados en acero al carbono SA-106. Se
dispondrán 165 tubos agrupados en 5 filas con 33 tubos por fila y
asociados en 2 haces. Tendrán una disposición triangular de 13 BW,
con un diámetro interno de 0,0135 m. Los tubos del haz serán
aleteados tipo Alffin con unas aletas de las siguientes dimensiones:
Tabla XVI:
Dimensiones de las aletas.
Descripción
Altura (cm)
Valor
5
Densidad (aleta·m-1)
200-400
Hendidura sobre el tubo (cm)
0,26
Anchura de la aleta (cm)
0,0254
Material
Aluminio
8.1.2. Cabezales.
Los cabezales de distribución son elementos similares a la
carcasa, cuya función es recibir el fluido que ha de circular por el interior
de los tubos, distribuirlo y recolectarlo para mandarlo fuera de él. Se
elige cabezal tipo A (canal y carcasa desmontable) por ser el más
usado.
Su misión es devolver al fluido que circula por el interior de los
tubos al cabezal de distribución o mandarlo fuera. Se escoge un tipo de
cabezal flotante interno por su gran facilidad para el mantenimiento,
limpieza e inspección.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
8.1.3. Ventiladores.
Será necesario disponer de una serie de ventiladores industriales
para la impulsión del aire. Éstos son de tipo axial y se sitúan en la parte
superior del haz de tubos. Su objetivo es impulsar y mover grandes
cantidades de aire para refrigerar el sistema. Para este condensador se
requerirán 18 ventiladores.
8.1.4. Dimensiones del condensador.
Por lo que el condensador presentará las siguientes propiedades
recogidas en la Tabla XVII y XVIII.
Tabla XVII:
Dimensiones del condensador.
Descripción
Valor
Incremento de temperatura en los tubos
0,2
(K)
Calor intercambiado
6,960·106
(J·s-1)
Caudal que circula por los tubos
20,221
(kg·s-1)
Caudal de aire impulsado
467,567
(kg·s-1)
Superficie de las aletas
0,0034
(m2)
Coeficiente global de transmisión de calor
1.075,692
(W·m-2·K-1)
Pérdida de carga en tubos
0,0002
(bar)
Diámetro exterior de los tubos
0,0191
(m)
Espesor de los tubos
0,002
(m)
Diámetro interior de los tubos
0,0135
(m)
Pitch
0,064
(m)
Longitud de los tubos
6,096
(m)
Número de tubos
180
Memoria Descriptiva
Página 65
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
Tabla XVIII:
Dimensiones del condensador
Descripción
Valor
Número de aletas por tubos
393
Número de tubos por haz
90
Número de haces
Anchura del haz
(m)
Anchura del dispositivo
(m)
Diámetro del ventilador
(m)
Número de ventiladores
Potencia del ventilador
(W)
ΔTml
2
1,73
3,6
2,5
18
535,107
99,807
8.2. Reboiler de la columna.
Es un reboiler inundado tipo “Kettle”. Estará construido por acero
al carbono SA-106 para las tuberías, acero al carbono SA-285 para la
carcasa y acero al carbono SA-283 para la estructura de soporte. Su
justificación está realizada en el anexo correspondiente anteriormente
citado.
A diferencia de los intercambiadores de calor de carcasas y
tubos convencionales, en este caso el vapor es el fluido que circula por
la carcasa, pues es el espacio más adecuado para producir la
separación de las fases de los fluidos.
En la Figura 21 se observa la imagen de un reboiler tipo Kettel
inundado.
En ella se observa una diferencia respecto a los
intercambiadores de calor de carcasa y tubos convencionales y es un
espacio extraordinario entre el cabezal del dispositivo y la pared que
marca el final de los tubos, esta distancia se conoce como parámetro L.
Destacar también como diferencia la existencia de una barrera
ideada para contener el líquido no vaporizado.
Memoria Descriptiva
Página 66
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Figura 21: Reboiler tipo Kettle inundado.
Stanley M. Wales, sección 8.
Estas diferencias respecto a los intercambiadores de calor se
dimensionaran en los siguientes apartados.
8.2.1. Altura de la barrera (dsi).
En la carcasa existe una barrera para contener el líquido no
vaporizado cuya altura es de 0,591 m. Estará construida por acero al
carbono SA-285
8.2.2. Diámetro del reboiler (dk).
Será el diámetro del fondo, y depende de la altura de la barrera.
Adquiere un valor de 1,935 m.
8.2.3. Parámetro L.
Depende de la longitud de los tubos. Marca la separación entre la
barrera y el cabezal. Toma un valor de 0,9.
Memoria Descriptiva
Página 67
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
8.2.4. Dimensiones del reboiler.
Las dimensiones del reboiler se recogen en la Tabla XIX.
Tabla XIX:
Dimensiones del reboiler (RB-01).
Descripción
Valor
Incremento de temperatura
de la corriente por tubos
3
Incremento de temperatura
de la corriente por carcasa
87,3
Calor intercambiado
(J·s-1)
2,223·10
Caudal que circula por tubos
(kg·s-1)
0,014
Caudal que circula
por carcasa
(kg·s-1)
12,757
Pitch
(m)
0,0254
ΔTml
56,999
Longitud de
los tubos
(m)
6,096
13,260
Número de tubos
30
Coeficiente de
transmisión de calor
-2
-1
(W·m ·K )
Diámetro externo
de los tubos
(m)
Espesor de
los tubos
(mm)
Número de
placas deflectoras
4
Descripción
Espesor de
la carcasa
(mm)
Diámetro de
la carcasa
(m)
Espesor de placas deflectoras
(mm)
Diámetro interno
de los tubos
(m)
0,01905
2,5
Pérdida de carga
en tubos
(bar)
Pérdida de carga
en carcasa
(bar)
Valor
8,159
0,489
6,4
0,0135
2,775·10-5
1,120·10-8
8
8.3. Acumulador de reflujo (BR-01).
Es un pequeño “tanque transitorio” cuyo objetivo es asegurar el
buen funcionamiento de la bomba existente aguas abajo. Su diseño es
se hace de la misma forma que la de un tanque de almacenamiento.
Sus propiedades se recogen en la Tabla XX y Tabla XXI.
Destacar el gran parecido que tiene con tanques de almacenamiento, y
es que su utilidad se asemeja mucho a la de estos equipos.
Memoria Descriptiva
Página 68
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Se considera también un recipiente sometido a presión, por lo
que se diseño en base a las normas API 650.
Tabla XX:
Dimensiones y características del botellón de reflujo.
Parámetro
Valor
3
Volumen carcasa (m )
80,204
Diámetro (m)
Longitud (m)
2,438
17,181
Tabla XXI:
Dimensiones y características del botellón de reflujo (II).
Fondos
Radio mayor (m)
3
2,438
Volumen (m )
1,449
Altura (m)
Radio menor (m)
Tipo
Espesor de la carcasa (mm)
0,488
0,244
Koppler
7,9
Según la bibliografía consultada, como el volumen del recipiente
es mayor a 38 m3 el soporte del mismo será una estructura de hormigón
y no se ha de llenar nunca más del 90%.
Memoria Descriptiva
Página 69
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
CAPÍTULO 9: Sistemas de almacenamiento.
En el presente proyecto fin de carrera es preciso el diseño de
depósitos de almacenamiento para las 3 líneas principales del proceso;
la alimentación, la corriente de colas y la corriente de cabezas.
La línea de alimentación se proyectará sujeta a la peor condición
posible, que ni la planta petroquímica ni la torre anterior son capaces de
proporcionarla. Por ello es necesario almacenar dicha corriente.
Mencionar que los equipos de almacenamiento de los productos
de cola y cabeza también serán diseñados, pues forman parte del
proceso.
Los cálculos para los resultados aquí expuestos se han realizado
en el Anexo 5: Equipos de almacenamiento.
9.1. Depósitos de almacenamiento de la alimentación.
El tanque de alimentación tiene como objetivo abastecer de
materia prima a la torre de rectificación, la cual opera a un ritmo de
772,944 kmol·h-1 (71.412,278 kg·h-1). Es necesario el tanque ya que,
como se mencionó anteriormente, se parte de la premisa que niega un
abastecimiento directo de alimentación por parte de la refinería o
cualquier unidad anterior.
9.1.1. Dimensionamiento del tanque.
Una vez mencionada la necesidad de la instalación de estos
equipos es necesario determinar la cantidad de materia que estará
contenida en los mismos. Se establece que habrá que tener
almacenada suficiente alimentación como para abastecer al proceso
durante siete días, por lo que es necesario disponer de 138.788,372 m3
almacenados en tanques de un tamaño de 15.703,135 m 3 según el
tamaño normalizado.
Memoria Descriptiva
Página 70
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Estos depósitos estarán llenos como mucho al 50%, para ser
capaces de absorber un posible aumento de la capacidad de
producción.
Por motivos preventivos en caso de que se produzca una avería
aguas arriba del proceso abastecedor, o que exista algún problema de
otra índole (huelga de transportistas, accidente o paro en la planta) se
duplican los tanques, de manera que se disponen de 4 tanques de
almacenamiento de producto de alimentación. En la Tabla XXII se
recogen las dimensiones de los tanques.
Tabla XXII:
Dimensiones de los tanques de almacenamiento de la alimentación.
Diámetro
(m)
36,576
Volumen
(m3)
15.703,135
Altura
(m)
15,782
Número
tanques
4
9.1.2. Diseño mecánico del tanque.
Aplicando la norma API 650 se calcula el espesor de la chapa
envolvente del tanque, así como el del techo y el fondo. Tras comprobar
el valor del espesor por medio de pruebas hidraúlicas y por medio de
consideraciones de diseño se llega a dos valores, escogiendo el mayor
de los dos. Tanto la envolvente como el fondo y la pantalla flotante
tendrán el mismo espesor para asegurar la máxima homogeneidad
posible de ellos. El techo exterior fijo tendrá un espesor diferente ya que
no está sometido a tanto desgaste. Los valores de los espesores de los
elementos del tanque se recogen en le Tabla XXIII.
Tabla XXIII:
Espesores de chapa del tanque de alimentación.
Espesor de la
carcasa
(mm)
19,1
Memoria Descriptiva
Espesor
del fondo
(mm)
19,1
Espesor
del techo
(mm)
12,7
Espesor del
techo flotante
(mm)
19,1
Página 71
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
9.1.3. Otros elementos del tanque.
9.1.3.1. Cubetos de retención.
Para contener el contenido del tanque en caso de derrame o
rotura se proyectan zonas denominadas cubetos de retención, que
tienen como objetivo evitar el vertido incontrolado del contenido del
tanque.
Ha de tener la capacidad suficiente como para albergar el
contenido total del tanque mayor más el 30% del contenido total de los
restantes. Esto se establece así ya que el producto que se va a
almacenar se puede clasificar como un hidrocarburo clase B.1.
En base al Real Decreto 2085/1994 por el que se aprueba el
reglamento de instalaciones petrolíferas, al diseñar un cubeto de
retención hay que tener en cuenta las siguientes distancias:
1. Pared del cubeto-Tanque: El radio del tanque más grande a
contener.
2. Tanque-Tanque: Como mínimo el diámetro del mayor tanque
presente.
En la Tabla XXIV se exponen las dimensiones de los cubetos de
retención que contienen los tanques de almacenamiento de la
alimentación.
Tabla XXIV:
Dimensiones del cubeto de alimentación.
Lado
(m)
141,292
Área
(m2)
19.963,429
Volumen
(m3)
32.819,552
Altura
(m)
1,644
El fondo del cubeto no ha de ser plano, sino que tiene que tener
cierta inclinación hacia un punto de recogida. Dicha inclinación será del
1 metro en vertical cada 100 en horizontal.
Memoria Descriptiva
Página 72
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tanto el fondo como las paredes del cubeto deberán estar
debidamente aislados por medio de material aislante que asegure la
estanqueidad del producto a contener durante un periodo mínimo de 48
horas, evitando así posible infiltraciones al suelo que produzcan
contaminaciones del mismo. Las esquinas han de estar reforzadas
Las paredes deben estar constituidas por diques de tierra o
muros de material no combustible resistente a la presión de los
hidrocarburos que puedan ser derramados.
Han de estar provistos de un sistema de drenaje para aguas sin
contaminar. Estos están formados por una tubería de 20 cm de
diámetro mínimo situada en el punto más bajo y una válvula en el
exterior del cubeto que permita la evacuación de las aguas de lluvia y
de refrigeración de los tanques a la red de aguas limpias, así como una
bomba de trasiego. Estas tuberías han de atravesar el murete interno
que compartimenta los diferentes tanques (de 0,70 m de altura) por un
espacio tal que permita la dilatación de la tubería.
Estos sistemas de drenaje han de ser capaces de separar las
aguas hidrocarburadas o susceptibles de serlo de las aguas no
contaminadas, ya que las primeras requerirán un tratamiento de
depuración.
Las aguas hidrocarburadas se recogen por medio de un
sumidero, y su red de drenaje está constituida por unas tuberías
subterráneas con un diámetro mínimo de 100 mm enterradas a una
distancia de 600 mm de la superficie. En aquellas zonas donde haya un
cruce de calles o circulen vehículos pesados se enterrarán a más
profundidad o se protegerán adecuadamente para evitar su rotura con
manguitos.
La red de aguas no contaminadas ha de poderse aislar de su
punto de vertido normal y conectarse o a un estanque de reserva o a
una instalación de depuración cuando estas aguas puedan estar
hidrocarburadas.
El cubeto ha de estar rodeado por un murete en su perímetro
exterior de manera que la altura global no supere los 3 m. En el caso
del cubeto del tanque de alimentación la altura del murete será de 0,37
Memoria Descriptiva
Página 73
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
m. También tiene que estar circunscrito por vías al menos en una cuarta
de 4 metros de anchura y como mínimo 4,5 metros de altura libre.
Además de la propia estructura del tanque y del cubeto de
retención existen otros elementos que es preciso cuantificar y cuya
función es esencial.
9.1.3.2. Fondo y cabeza.
El tipo de tanque de almacenamiento seleccionado es un
depósito cilíndrico vertical de techo fijo y flotante.
9.1.3.3. Sistemas de venteo.
Son sistemas de seguridad que se instalan en los tanques para
evitar la formación de vacío o presión interna, ya que esto conllevaría la
posible deformación de los equipos por las variaciones de presión que
se producen con el funcionamiento del tanque (llenado o vaciado entre
otros).
Están formados por válvulas colocadas en la parte superior del
tanque del tipo presión-vacio. En el momento en el que el tanque esté
llenándose se activa dejando escapar aire, funcionando de forma
inversa cuando se está vaciando.
9.1.3.4. Sistemas de vaciado y llenado.
Tanto el llenado como el vaciado se producen por medio de
tuberías conectadas al tanque.
La de llenado está conectada por medio de una conexión
roscada y la de vaciado por medio de una bridada.
Memoria Descriptiva
Página 74
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
9.1.3.5. Soporte del tanque.
El tanque estará soportado por una estructura de hormigón de
0,5 m de altura. Dicha estructura está situada sobre una plataforma
elevada como mínimo 0,3 m del suelo, otorgando estabilidad al equipo.
9.1.3.6. Elementos de inspección y mantenimiento.
Esta sección hace referencia a las bocas de hombre y las
escalerillas adheridas al depósito.
En un tanque de estas dimensiones se precisa la colocación de 2
bocas de hombre de 24’’ (0,609 m), una en el techo y otra en el casco.
9.2. Depósitos de almacenamiento del producto de cabezas.
El objetivo de estos tanques es almacenar durante 7 días el
tolueno purificado que proviene de la columna. A él llegará una
corriente de producto a razón de 768,532 kmol·h-1 (70.758,465 kg·h-1).
Será necesario almacenar 14.466,864 m3.
En este caso también existirá un depósito de menor tamaño
denominado depósito de “rundown”, donde se almacena una pequeña
cantidad de producto (periodo máximo de dos días) con el fin de
analizar su composición y realizar pruebas antes de almacenarlo
definitivamente.
9.2.1. Dimensionamiento del tanque.
Se siguen las mismas normas de funcionamiento que rigieron el
diseño de los depósitos de alimentación. En resumen, las dimensiones
del tanque se reflejan en la Tabla XXV.
Memoria Descriptiva
Página 75
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
Tabla XXV:
Dimensiones de los tanques de almacenamiento de cabezas.
Diámetro
(m)
40,843
Volumen
(m3)
15.973,975
Altura
(m)
12,192
Número
Tanques
4
Ocurre lo mismo para el depósito de “rundown”. Se sigue la
misma normativa para el cálculo de sus dimensiones, expuestas en la
Tabla XXVI.
Tabla XXVI:
Dimensiones del tanque de “rundown” del producto de cabezas.
Diámetro
(m)
21,336
Volumen
(m3)
5.223,711
Altura
(m)
14,63
Número
Tanques
1
9.2.2. Diseño mecánico del tanque.
Se sigue el mismo proceso que se siguió para el diseño
mecánico del tanque de alimentación. En la Tabla XXVII se recogen
los espesores de los distintos elementos que conforman el tanque.
Por otro lado, en la Tabla XXVIII se ven reflejados los espesores
calculados para el tanque de rundown.
Para este cálculo se ha seguido la misma normativa que para los
tanques de alimentación.
Tabla XXVII:
Espesores del tanque de almacenamiento del producto de cabezas.
Espesor de la
carcasa
(mm)
Espesor
del fondo
(mm)
Espesor
del techo
(mm)
Espesor del
techo flotante
(mm)
7,9
7,9
7,3
7,9
Memoria Descriptiva
Página 76
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla XXVIII:
Espesores del tanque de “rundown” del producto de cabezas.
Espesor de la
carcasa
(mm)
Espesor
del fondo
(mm)
Espesor
del techo
(mm)
Espesor del
techo flotante
(mm)
9,5
9,5
8,865
9,5
9.2.3. Otros elementos del tanque.
9.2.3.1. Cubetos de retención.
El producto que sale por la cabeza de columna es una mezcla de
hidrocarburos clasificable como del tipo B1, de manera que se pueden
adoptar las mismas condiciones de almacenamiento que se tomaron en
el tanque de alimentación.
Los resultados obtenidos se presentan en la Tabla XXIX:
Tabla XXIX:
Dimensiones del cubeto de retención de los tanques del producto de
cabezas.
Lado largo
(m)
Lado corto
(m)
Área
(m2)
Volumen
(m3)
Altura
(m)
211,53
146,913
31.917,666
35.100,432
1,167
El depósito de “rundown” está contenido dentro de este cubeto,
por eso en este caso la geometría del mismo no es cuadrada sino
rectangular.
9.2.3.2. Fondos y cabezas.
El tipo de tanque de almacenamiento seleccionado es un
depósito cilíndrico vertical de techo fijo y flotante.
Memoria Descriptiva
Página 77
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
9.2.3.3. Sistemas de venteo.
Se instalarán tanto en los depósitos de almacenamiento como en
el tanque de rundown como elemento de seguridad. Son del mismo tipo
y funcionan de la misma forma que las válvulas de venteo de los
depósitos de alimentación.
9.2.3.4. Sistemas de vaciado y llenado.
Se realizan por medio de tuberías conectadas al tanque de igual
manera que para el depósito de almacenamiento de producto de
cabezas.
9.2.3.5. Soporte del tanque.
El tanque estará soportado por una estructura de hormigón de
0,5 metros de altura. Dicha estructura está situada sobre una
plataforma elevada como mínimo 0,3 m del suelo, otorgando estabilidad
al equipo.
9.2.3.6. Elementos de inspección y mantenimiento.
Su instalación esta reglada por la misma normativa que para los
tanques de almacenamiento de la alimentación.
La escalerilla tendrá dos plataformas, una a los 8 metros y otra
en la parte superior.
El depósito de rundown ha de cumplir también con estas
medidas de seguridad. Instalando el mismo número de bocas de
hombre en los mismos lugares y una escalerilla de similares
características.
Memoria Descriptiva
Página 78
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
9.3. Depósitos de almacenamiento del producto de colas.
Serán necesarios para almacenar el producto secundario del
este proceso, el bifenilo. Se produce a un ritmo de 4,412 kmol·h-1
(656,803 kg·h-1) y se almacenará durante un periodo de 7 días.
Como producto secundario será necesario conocer si la
composición varía respecto a la esperada en las consideraciones
iniciales, por lo que es necesaria la instalación de un depósito de
“rundown”.
9.3.1. Dimensionamiento del tanque.
Las dimensiones de estos depósitos se recogen en la Tabla
XXX.
Tabla XXX:
Dimensiones de los tanques de almacenamiento de producto de colas.
Diámetro
(m)
Volumen
(m3)
Altura
(m)
Número
Tanques
6,401
160,732
5,433
4
El depósito de “rundown” se diseña de la misma manera que se
hizo los para cabezas. Sus dimensiones se recogen en la Tabla XXXI.
Tabla XXXI:
Dimensiones del tanque de “rundown” del producto de colas.
Diámetro
(m)
Volumen
(m3)
Altura
(m)
Número
Tanques
4,572
79,494
4,877
1
Memoria Descriptiva
Página 79
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
9.3.2. Diseño mecánico del tanque.
Los espesores de los tanques de almacenamiento se calcularon
siguiendo la misma normativa, al igual que el tanque de “rundown” que
se ha utilizado tanto en cabezas como en alimentación.
Los valores de los espesores de ambos tanques están recogidos
en la Tabla XXXII.
Tabla XXXII:
Espesores de los tanques de almacenamiento y “rundown” del producto
de colas.
Espesor de la
carcasa
(mm)
Espesor
del fondo
(mm)
Espesor
del techo
(mm)
7,9
7,9
7,27
9.3.3. Otros elementos del tanque.
9.3.3.1. Cubeto de retención.
La corriente de colas, al igual que el resto de corrientes que
circulan por el proceso es una mezcla de hidrocarburos. Ésta se puede
clasificar como clase D, por lo que cambian las consideraciones de la
capacidad total del cubeto de retención.
En este caso, según norma se establece que no existe limitación
para el almacenamiento, por lo que situándose en las peores
condiciones posibles ha de ser capaz de contener el volumen de los
cuatro tanques de y el de “rundown”.
Las dimensiones del cubeto se pueden ver en la Tabla XXXIII.
Memoria Descriptiva
Página 80
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla XXXIII:
Dimensiones del cubeto de retención.
Lado largo
(m)
Lado corto
(m)
Área
(m2)
Volumen
(m3)
Altura
(m)
40,486
30,069
1.217,374
796,199
0,654
9.3.3.2. Fondos y cabezas.
En este caso
autosoportados.
el
techo
de
los
depósitos son
cónicos
El fondo sigue como el resto de tanques, una chapa plana con
una pendiente del 1%.
9.3.3.3. Sistemas de venteo.
Incorporan sistemas de venteo por seguridad idénticos a los de
los anteriores depósitos.
9.3.3.4. Sistemas de vaciado y llenado.
Análogamente a los anteriores se realiza a través de tuberías.
9.3.3.5. Soportes del tanque.
El tanque estará soportado por una estructura de hormigón de
0,5 metros de altura.
Dicha estructura está situada sobre una plataforma elevada
como mínimo 0,3 m del suelo, otorgando estabilidad al equipo.
Memoria Descriptiva
Página 81
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
9.3.3.6. Elementos de inspección y mantenimiento.
Se instalará una escalerilla sin jaula y con una sola plataforma en
la parte superior de los depósitos, tanto de almacenamiento como de
“rundown” y se dispondrá de dos bocas de hombre una en el casco y
otra en el techo.
Memoria Descriptiva
Página 82
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
CAPÍTULO 10: Sistema de tuberías y
accesorios.
En el presente capítulo se expondrán los resultados recogidos en
el Anexo 6: Sistemas de tuberías y accesorios, donde se
desarrollaron los cálculos para obtener tanto el diámetro exterior como
el interior y el espesor de las tuberías.
10.1. Sistema de tuberías.
En las plantas químicas los sistemas de tuberías son esenciales
para llevar las corrientes de fluidos de un punto a otro de la planta y de
un equipo a otro.
Suponen una partida presupuestaria considerable, ya que son
equipos bastante abundantes en estas instalaciones.
A la hora de hacer un diseño de tuberías, es preciso tener en
cuenta factores tales como el tiempo de vida o la corrosividad del
producto que circula por ellas, ya que esto marcaría el correcto
funcionamiento de la misma.
No tienen por qué ser tramos rectos, pueden cambiar de
dirección por medios de accesorios tales como codos o tes, pudiendo
llegar a formar entramados laberínticos.
El proceso se divide en tres líneas principales, la línea de
alimentación, la de cabeza y de colas, cada una de las cuales a su vez
está compuesta por diferentes conducciones, separadas por un cambio
en las condiciones o la presencia de algún equipo, como por ejemplo
bombas o intercambiadores de calor.
En el sistema están presentes las siguientes conducciones:
 Conducción 1: Del depósito (TA-01) a la bomba ( B-01).
 Conducción 2: De la bomba (B-01) al intercambiador de calor (IC01).
Memoria Descriptiva
Página 83
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
 Conducción 3: Del intercambiador de calor (IC-01) a la torre de
rectificación (T-01).
 Conducción 4: Corriente de vapor que va de la torre al





condensador.
Conducción 5: Corriente líquida que va del condensador al
botellón de reflujo.
Conducción 6: Corriente líquida que va del botellón de reflujo a la
bomba (B-03).
Conducción 6.a: Corriente líquida que va del botellón de reflujo a
la bomba (B-05).
Conducción 6.b: Corriente líquida que va de la bomba (B-05) de
vuelta a la torre.
Conducción 7: Corriente líquida que va de la bomba a la batería
de aerorrefrigerantes.
 Conducción 8: Corriente líquida que va de la batería de
aerorrefrigerantes a la válvula de desahogo.
 Conducción 9: Corriente líquida que va de la válvula de




desahogo a los tanques de almacenamiento.
Conducción 10: De la torre al reboiler.
Conducción 10.a: Del reboiler a la torre.
Conducción 11: Del reboiler a la bomba.
Conducción 12: De la bomba al intercambiador de calor.
 Conducción 13: Del intercambiador de a la válvula de desahogo.
 Conducción 14: De la válvula de desahogo a los tanques.
En la Figura 22 se puede ver una distribución de los equipos así
como de las medidas de las conducciones presentes en el proceso.
La azul es la línea de alimentación, que va desde el parque de
tanques de alimentación (TA-01) a la columna (T-01).
La roja es la línea de cabezas, que va desde la columna (T-01) al
parque de tanques de cabezas (TA-02).
Por último, la línea verde es la línea de colas, que va desde la
columna (T-01) al parque de tanques de colas (TA-03).
Memoria Descriptiva
Página 84
141.292 mm
1.000 mm
146.913 mm
1.000 mm
30.069
TA-03
TA-02
9.000 mm
IC-02
9.000 mm
3000 mm
BR-01
CD-01
IC-01
3.000 mm
9000 mm
6.000 mm
RB-01
C-01
2. Las medidas y cotas están expresadas en milímetros.
1. El diagrama representado no está a escala, se usa como simple referencia.
NOTA:
3000 mm
AR-01, AR-02, AR-03,
AR-04,
Figura 22: Distribución de los equipos.
3.000 mm
3000 mm
9000 mm
Memoria Descriptiva
2000 mm
TA-01
3.000 mm
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Página 85
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
En la Tabla XXXIV, XXXV y XXXVI se puede ver un resumen de
las características de las conducciones.
Tabla XXXIV:
Datos de las conducciones de la línea 1.
Conducción
1
2
3
Diámetro
interior
(mm)
266,244
134,493
134,493
Diámetro
exterior
(mm)
Espesor
(mm)
Velocidad
(m·s-1)
273,051
3,404
141,301
141,301
3,404
3,404
0,409
1,605
1,605
Tabla XXXV:
Datos de las conducciones de la Línea 2.
Conducción
4
5
6
6.a
6.b
7
8
9
Diámetro
interior
(mm)
495,301
135,763
36,627
135,763
20,930
135,763
135,763
135,763
Diámetro
exterior
(mm)
508,002
141,301
42,164
141,301
26,670
141,301
141,301
141,301
Espesor
(mm)
Velocidad
(m·s-1)
6,3500
2,7686
2,7686
2,7686
2,8702
2,7686
2,7686
2,7686
17,71
1,858
0,716
1,806
2,194
1,806
1,806
1,806
Tabla XXXVI:
Datos de las conducciones de la Línea 3
Conducción
10
10.b
11
12
13
14
Diámetro
interior
(mm)
162,738
596,902
20,930
10,744
10,744
10,744
Memoria Descriptiva
Diámetro
exterior
(mm)
168,276
609,602
26,670
17,145
17,145
10,287
Espesor
(mm)
Velocidad
2,769
6,350
2,870
3,048
3,048
3,048
1,490
15,60
0,636
2,45
2,07
2,07
Página 86
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Para tener una imagen más visual de la red de tuberías, a modo
de representación en el plano se colocará de nuevo el diagrama del
proceso, en donde están reflejados los equipos y esta vez se
nombrarán las conducciones.
Las conducciones se han diseñado en base a la normativa ANSI
B31.3 del código B31.
También se han calculado las pérdidas de carga del fluido a
través de las tuberías, por medio de la ecuación de Darcy,
cosechándose los siguientes resultados resumidos en la tabla
En la Tabla XXXVII se resumen los resultados de las pérdidas de
carga de las conducciones, así como otros valores obtenidos en su
desarrollo.
Tabla XXXVII:
Pérdidas de carga.
Conducción
1
2
3
4
5
6
6.a
6.b
7
8+9
10
10.b
11
12
13 +14
Pérdida de carga
(m)
0,091
1,919
1,783
39,107
0,060
0,784
0,057
7,448
0,601
3,409
0,144
3,792
0,279
3,145
92,227
10.2. Material.
El material de las tuberías al no existir ningún fluido corrosivo no
ha de ser especialmente resistente a la corrosión. Por ello se utiliza un
acero al carbono SA-106, sugerido para conducciones.
Memoria Descriptiva
Página 87
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
Las tuberías estarán aisladas térmicamente para no perder
eficacia al ceder temperatura al medio. Se recubrirán de una capa de
lana de roca.
10.3. Accesorios.
A lo largo de las conducciones existen accesorios colocados en
ellas cuya presencia incrementa las pérdidas de carga que pueden
darse en la conducción, pero que es necesaria para cumplir algún
objetivo en específico, como por ejemplo dejar pasar fluido o bifurcarlo.
Estos son los “elementos no naturales” los accesorios que se
usaran en el presente proyecto fin de carrera se clasifican en los
siguientes grupos:
1. Válvulas.
2. Accesorios que propician un cambio de dirección del flujo.
3. Otros accesorios.
10.3.1. Válvulas.
De forma genérica se entiende por válvula:
“Dispositivos que sirven para controlar o impedir la circulación de
un fluido por una conducción”.
Diccionario Real Academia Española de la Lengua.
Se utilizan para cumplir una serie de fines:
1. Impedir, controlar o regular el paso de flujo por una sección de
una conducción.
2. Aliviar la presión de un equipo en caso de que se produzca una
variación en la presión óptima para el buen funcionamiento del
equipo.
Memoria Descriptiva
Página 88
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
En el presente proyecto fin de carrera se usaran cuatro tipos
diferentes de válvulas dependiendo de la función que tengan que
cumplir.
1.
2.
3.
4.
Válvulas de globo.
Válvulas de compuerta.
Válvulas de retención.
Válvulas de reducción.
10.3.1.1. Válvula de globo.
Este tipo de válvulas se
engloban dentro del grupo de
Válvulas de regulación. Son las
más usadas para la regulación del
caudal.
Adecuadas para producir
estrangulamiento debido a la
resistencia que presenta ante el
flujo, por lo que será la que esté
Figura 23: Válvula de globo.
(Greene et col, 1.987)
presente en la mayoría de los
lazos de control.
En la Figura 23 se puede
ver una representación de una válvula de globo.
10.3.1.2. Válvula de compuerta.
Este tipo de válvulas se encuadran dentro del grupo de Válvulas
de corte de flujo.
Su función básica es la de cerrar o abrir por completo un posible
camino de un fluido en una conducción, sin ninguna posición intermedia
ya que produciría un desgaste excesivo en el dispositivo de cierre de la
válvula llamado órgano de cierre.
Memoria Descriptiva
Página 89
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
Cuando están totalmente abiertas el diámetro de paso de flujo es
el diámetro de la conducción.
En la Figura 24 se puede ver una válvula de compuerta
Figura 24: Válvula de compuerta.
(Greene et col, 1.987)
10.3.1.3. Válvula de retención.
Este tipo de válvulas se encuadran
dentro del grupo de Válvulas de corte de
flujo
Solo permiten el paso de fluido en
un solo sentido. Se abren debido a la
presión del fluido que circula en un
determinado sentido; cuando se detiene el
Figura 25: Válvula de retención.
(Greene et col, 1.987)
flujo o tiende a invertirse, la válvula cierra
automáticamente por gravedad o por
medio de un resorte que presiona la pieza
móvil.
En la Figura 25 se puede ver una
válvula de retención.
Memoria Descriptiva
Página 90
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
10.3.1.4. Válvulas de reducción.
La misión de estas válvulas es
la de reducir la presión, por lo que se
usan junto a otros elementos como
discos de ruptura como sistema de
seguridad y alivio de presión. Se
conectan en paralelo (la válvula y el
disco) para aumentar la capacidad de
protección del sistema de frente a
aumentos de presión.
En la Figura 26 se observa una
Figura 26: Válvula de reducción.
(Greene et col, 1.987).
válvula de reducción.
Las válvulas se construirán de acero al carbono SA-185.
10.3.2. Accesorios para el cambio de dirección.
10.3.2.1. Codos.
Son accesorios cuya única función es la variación de la dirección
del flujo. Para ello se construyen en diferentes ángulos (los más
comunes son 45 y 90 grados) y longitudes (largos y cortos).
A mayor tamaño del codo más suavizados se verán los efectos
del cambio de dirección en las pérdidas de carga, por lo que se decide
por instaurar en la planta todos los codos largos.
10.3.2.2. Tes.
Por último, para dividir una corriente en dos o para unir dos
corrientes en una se usan estos elementos.
Memoria Descriptiva
Página 91
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
10.3.3. Otros accesorios.
Las reducciones y ensanchamientos tienen como objetivo facilitar
la unión entre secciones de diferente diámetro que de otra forma no
podrían conectarse.
10.3.3. Listado de accesorios.
En la unidad de separación se encuentran los siguientes
accesorios distribuidos a lo largo de las tres líneas en las que se divide
el proceso alimentación (línea 1), cabezas (línea 2) y colas (línea 3).
En la Tabla XXXVIII se puede ver un resumen de todos los
accesorios antes mencionados, así como de la cantidad presente.
Tabla XXXVIII:
Listado de accesorios.
ACCESORIOS
CANTIDAD
Válvulas de Globo
5
Válvulas de Compuerta
6
Válvulas de Retención
5
Válvulas de Reducción
3
Codos 90º
25
Codos 45º
12
Tes
6
Reducciones
2
10.4. Uniones.
Una vez enumerados los accesorios y definidas las conducciones
es necesario establecer el método por el que se conectaran.
La unión tubería-tubería y equipo-tubería se hará por medio de
conexiones bridadas ya que favorecen las tareas de mantenimiento y
Memoria Descriptiva
Página 92
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
proporcionan la suficiente estanqueidad como para evitar posibles fugas
del fluido.
Por otro lado, la conexión entre las tuberías y los accesorios se
hará por medio de uniones roscadas, ya que son uniones más
manejables.
Memoria Descriptiva
Página 93
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
CAPÍTULO 11: Sistemas de impulsión.
El cálculo de las características de las bombas que se instalaran
en el sistema se realizan en el Anexo 7: Sistemas de impulsión.
Se requieren 4 bombas, las cuales se duplican por motivos de
seguridad, por lo que se instalaran 8 bombas distribuidas de la siguiente
forma:
1. B-01 y B-02: En la línea de alimentación. Se usa para impulsar el
producto del tanque de almacenamiento de la alimentación (TA01) a la columna (T-01).
2. B-03 y B-04: En la línea de cabezas. Se usa para devolver el
destilado a la columna.
3. B-05 y B-06: En la línea de cabezas. Se usa para impulsar el
destilado al tanque de almacenamiento de cabezas (TA-02).
4. B-07 y B-08: En la línea de colas. Se usa para impulsar el
producto de colas de la columna (C-01) al parque de
almacenamiento del producto de colas (TA-03).
11.1. Selección.
Su selección se realizó por métodos gráficos en función del
caudal que ha de impulsar y la carga que ha de impulsar, llegando a la
conclusión de que todas las bombas han de ser centrífugas.
En la Tabla XXXIX se recogen los parámetros de la gráfica.
Tabla XXXIX:
Parámetros usados para la selección de bombas.
Bomba
H
(m)
Caudal
(m3·s-1)
B-01
2,037
0,023
0,686 364,557
B-03
1,00
0,001
3,280 15,850
B-05
B-07
0,218 0,026 0,715 412,108
0,555 0,0002 1,820 3,170
Memoria Descriptiva
H
(ft)
Caudal
(gpm)
Página 94
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
11.2. Datos de las bombas.
En la Tabla XL se pueden ver los parámetros característicos de
las bombas, así como el modelo seleccionado.
Tabla XL:
Parámetros de las bombas.
Bomba
Potencia
NPSHd
(m)
NPSHr
(m)
B-01
38,129
7,341
5
B-03
7,399
2,068
1,5
B-05
41,865
2,780
1,7
B-07
0,905
15,728
4
Memoria Descriptiva
Modelo
Bomba centrífuga
de la casa
Johnson.
CombiPro
n=1.500 rpm
Bomba centrífuga
de la casa
Johnson.
CombiPro
Monobloc
n=1.000 rpm
Bomba centrífuga
de la casa
Johnson.
CombiPro
Monobloc
n=1.000 rpm
Bomba centrífuga
para servicio
industrial de la
casa Chempump.
n=1.450 rpm
Página 95
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
CAPÍTULO 12: Elementos de control.
12.1. Introducción.
El control de procesos se puede definir como:
“Control automático de la fabricación de un producto a través de
varias etapas con el uso libre de maquinaria para ahorrar trabajo
manual y esfuerzo mental”.
Diccionario Inglés de Oxford.
El objetivo general de una planta química es transformar unas
materias primas en unos productos deseados de una forma segura,
económica y respetuosa con el medio ambiente. Para ello los equipos
que integran la planta deben operarse correctamente desde que la
planta arranca hasta que se realice una parada por motivos técnicos o
por una revisión.
Mientras funciona la planta está sujeta a perturbaciones o
influencias externas inevitables, tales como variaciones en la
composición de la materia prima, caudales o calidad del producto
fabricado. Por ello es necesario realizar una vigilancia constante sobre
el proceso y actuar en consecuencia a fin de corregir las desviaciones
indeseadas. De esta manera, dentro de una planta existen variables
sobre las que se puede actuar modificando su valor, otras que se usan
simplemente como referencia para comprobar el
funcionamiento y otras sobre las cuales es imposible actuar.
correcto
Para controlar y modificar las diferentes variables de la planta es
preciso instaurar un sistema de control cuyo objetivo es alcanzar una
operación segura y estable de la planta. Actualmente estos sistemas de
control se encuentran totalmente automatizados y han de cumplir los
siguientes requisitos:
1. Seguridad: Es un requerimiento primario para evitar accidentes.
Generalmente está ligado a que determinadas variables como la
temperatura, niveles o presión no excedan unos valores límites.
Memoria Descriptiva
Página 96
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
2. Estabilidad de la operación: Se ha de lograr llegar a una
operación sin oscilaciones en las variables que puedan llevar al
proceso a situaciones peligrosas o a períodos durante los cuales
el producto obtenido está fuera de las especificaciones
deseadas. Para ello la acción correctora sobre la planta ha de
producirse con la suficiente intensidad y en el
momento
apropiado.
3. Funcionamiento de los equipos: El sistema de control ha de
impedir que se produzcan unas condiciones de operación que
pueda deteriorar los equipos o produzcan una caída de
rendimiento inaceptable.
4. Producción de la planta: Se ha de ajustar a la demanda en cada
momento, tanto en cantidad como en calidad.
El sistema de control ha de ser capaz de operar la planta en
condiciones óptimas en la que se consigue el menor coste de operación
o el máximo beneficio. Pero el mayor inconveniente es que estas
condiciones óptimas de operación no son constantes, sino que
dependen de los valores que tengan las variables de perturbación en
cada momento.
El proceso a seguir para controlar una variable es simple. En
primer lugar se realiza una medida de esa variable o de otra que de una
información sobre el comportamiento o estado de la variable a controlar.
Posteriormente esta señal llega a un controlador donde anteriormente
se había establecido un valor límite a partir del cual se ha de actuar y
cómo hacerlo. Finalmente según la interpretación o el protocolo de
actuación del controlador se actúa sobre el elemento final, que
generalmente son válvulas.
12.2. Variables.
Las variables más comunes sobre las que se actúa son presión,
caudal, temperatura y el nivel, las cuales se describirán a continuación.
Memoria Descriptiva
Página 97
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
12.2.1. El nivel.
Se entiende el nivel de un líquido como:
“La altura a la que llega la superficie de un líquido en el interior
de un recipiente”.
Real Academia Española de la Lengua.
Se controlará en los tanques, acumulador de reflujo y en el
reboiler. Su control es de suma importancia, pues un adecuado
seguimiento evita el desbordamiento o el vaciado de los recipientes
contenedores.
12.2.2. La temperatura.
Se entiende la temperatura como:
“Magnitud física que expresa el grado o nivel de calor de los
cuerpos o del ambiente. Su unidad en el Sistema Internacional es
el kelvin (K)”.
Real Academia Española de la Lengua.
Se controlará a la salida de los intercambiadores de calor y a lo
largo de la columna para asegurar un correcto funcionamiento, ya que
una variación de la temperatura altera las propiedades físicas tales
como la densidad o viscosidad de cada corriente.
12.2.3. La presión.
Se entiende la presión como:
“Magnitud física que expresa la fuerza ejercida por un cuerpo o
un fluido por unidad de superficie. Su unidad en el Sistema
Internacional es el pascal (Pa)”.
Real Academia Española de la Lengua.
Memoria Descriptiva
Página 98
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Se controlará especialmente en la columna de destilación, equipo
principal del presente proyecto fin de carrera.
12.2.4. El caudal.
Se entiende el caudal como:
“La cantidad de materia, expresada en peso o en volumen, que
fluye por un determinado lugar por unidad de tiempo”
Real Academia Española de la Lengua.
Se controlará en aquellas líneas donde tenga que circular una
cantidad determinada de producto.
12.3. Control en la planta.
El control en la planta se va a realizar por líneas de producción,
las cuales se definieron anteriormente, pero se recuerdan.
1. Línea 1 o de alimentación: La que va desde el parque de tanques
de almacenamiento de la alimentación (TA-01) a la columna.
2. Línea 2 o de cabezas: Encargada de llevar el vapor condensado
a los tanques de almacenamiento de cabezas (TA-02).
3. Línea 3 o de colas: Encargada de llevar el líquido de colas desde
la columna al parque de almacenamiento de colas (TA-03).
En el control de la planta se seguirán las siguientes estrategias
de control.
12.3.1. Lazo cerrado.
En este tipo de control se realiza un seguimiento de forma
continua de la variable de proceso (la que se está controlando),
mandando una señal al controlador el cual la compara con un valor
Memoria Descriptiva
Página 99
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
estándar o “set point”. En función del valor el controlador actúa sobre el
elemento final, generalmente una válvula.
12.3.2. Lazo en cascada.
Consiste en dos lazos cerrados relacionados entre sí, actuando
uno como primario y otro como secundario. Uno de los lazos mide la
variable que se desea mantener invariante por medio de un sensor, y
envía la señal a un controlador (Controlador 1). Por otro lado, el otro
lazo mide mediante un sensor también otra variable cuyo cambio
afectaría a la que se desea mantener constante y envía la señal a otro
controlador (Controlador 2).
Este último controlador manda una señal al Controlador 1, el cual
la compara con un “set point”, al igual que la señal que viene del primer
sensor y actúa en consecuencia para procurar obtener el valor
deseado, evitando el desvío de las condiciones que propiciarían el
comportamiento buscado.
Mencionar que en los diagramas de control han de existir
convertidores de señal para transformar la señal u orden del controlador
a una acción “física”, por lo que antes de cada válvula se colocan
convertidores de intensidad presión.
12.3.3. Lazo de relación.
Su uso más extendido es para que dos corrientes mantengan
una relación, de caudales generalmente.
Por ello es necesario que existan dos sensores que controlen el
caudal de cada una de las corrientes que envíen una señal a un
controlador (donde está marcada la relación que se ha de tener como
un “set point”.
Este controlador es el encargado de mandar la orden de cerrar o
abrir las válvulas de las corrientes involucradas para que se encuentren
en la relación adecuada.
Memoria Descriptiva
Página 100
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
12.4. Línea de alimentación.
En la presente línea existirán 3 lazos de control:
1. Lazo 1: Lazo cerrado para controlar el nivel del tanque de
partida.
2. Lazo 2 y 3: Lazo cerrado para controlar el camino que sigue el
fluido.
3. Lazo 4: Lazo en cascada para asegurar un correcto
funcionamiento del intercambiador de calor.
12.4.1. Lazo 1: Control del nivel del tanque de alimentación.
Es un lazo cerrado cuyo objetivo es vigilar en todo momento el
nivel del tanque de alimentación, evitando que sea menor al 10% del
tanque. Está provisto de un medidor de nivel que manda una señal de
forma continua a un controlador, el cual ejecuta la acción pertinente de
abrir o cerrar la válvula.
El sensor capta la señal del nivel del líquido en el interior del
tanque por medio de un flotador, y manda una señal al controlador, el
cual la compara con su punto de consigna o “set point”. En este caso se
procura que el nivel nunca sea inferior al 10% del tanque. Si es mayor
el controlador manda una señal a la válvula para que permanezca
abierta. En caso contrario se cerrará evitando el vaciado del equipo y se
abrirá otra válvula de uno de los cuatro tanques presentes en la zona de
alimentación mientras el otro se llena.
También ha de estar provisto de una alarma para que en caso de
que el nivel del tanque sea muy bajo alerte de tal situación para poder
rectificarla cerrando la válvula.
En la Figura 27 se puede ver una representación gráfica del lazo
cerrado descrito anteriormente para controlar el nivel del tanque de
alimentación.
Memoria Descriptiva
Página 101
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
LT-1
L-1
LC-1
L-1
I/P
L-1
TA-01
V-1
Figura 27: Lazo cerrado de control de nivel.
12.4.2. Lazo 2 y 3: Control el camino del flujo.
Con este lazo se pretende conocer cuando circula fluido por su
camino normal (a través de B-01) o a través del bypass. Estarán
provistos de dos sensores de caudal, los cuales alertan a los
respectivos controladores de si está pasando o no caudal por esas
conducciones. La situación normal es que el caudalímetro C-01 registre
caudal y mantenga cerrada la válvula V-4. Al mismo tiempo el
caudalímetro C-02 no registra señal y mantiene abierta la válvula V-2.
En la Figura 28 se recoge un diagrama del lazo 2 y 3. Ambos
son lazos cerrados.
FC-1
L-2
I/P
L-3
V-5
C-02
V-4
FC-1
L-3
B-02
I/P
L-2
V-3
C-01
V-2
B-01
Figura 28: Lazos cerrados para el control del flujo.
Memoria Descriptiva
Página 102
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
12.4.3. Lazo 4: Control del intercambiador de calor.
Es un lazo en cascada. Un sensor de temperatura mide la
temperatura de la corriente de salida que va por tubos del
intercambiador a la salida del mismo (TT-01) y envía una señal a un
controlador de temperatura (TC-01). Al mismo tiempo un caudalímetro
(C-3) a la entrada del intercambiador envía su señal a un controlador de
caudal.
El controlador de temperatura interactúa con el de caudal
mandándole una señal, la cual compara con un valor establecido,
comprobando que el intercambiador funciona correctamente.
Si los datos recibidos no son los adecuados, el controlador actúa
en consecuencia mandando una señal para abrir o cerrar la válvula (V6) de la corriente que va por carcasas, la calefactora. De esta manera
permite un mayor o menor paso de fluido calefactor, modificando de
esta forma la temperatura de salida del intercambiador.
En la Figura 29 se observa la disposición de este lazo.
C-03
A COLUMNA C-01
TT-1
L-4
IC-01
FC-1
L-4
I/P
L-4
V-6
TC-1
L-4
Figura 29: Lazo en cascada para el control del intercambiador
de calor IC-01.
Memoria Descriptiva
Página 103
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
12.5. Línea de cabezas.
En la presente línea se encuentran los siguientes lazos:
1. Lazo 5: Lazo cerrado. Control de la presión en cabeza de
columna.
2. Lazo 6: Lazo en cascada. Control de la temperatura a la salida
del condensador.
3. Lazo 7: Lazo de relación. Control del caudal a la salida del
botellón de reflujo.
4. Lazo 8 y 9: Lazos cerrados. Control del flujo por las bombas B-03
y B-04.
5. Lazo 10 y 13: Lazos cerrados. Control de flujo por las bombas B05 y B-06.
6. Lazo 14: Lazo en cascada. Control de la temperatura a la salida
de los aerorrefrigerantes.
7. Lazo 15: Lazo cerrado. Control del nivel de los tanques de
almacenamiento de cabezas TA-02.
12.5.1. Lazo 5: Control de la presión en cabezas.
Es un lazo cerrado. En este caso el sistema estará provisto de un
controlador de presión (PC-1), un convertidor de señal y un transmisor
(PT-1), el cual mide la presión a la salida del vapor en cabezas.
En el caso de que la presión aumente mucho el transmisor
manda una señal al controlador que actúa sobre la válvula abriendo la
válvula para dejar pasar más caudal en caso de que la presión sufra un
aumento no deseado.
En la Figura 30 se puede ver una representación del lazo de
control.
Memoria Descriptiva
Página 104
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
CD-01
PC-1
L-5
I/P
I-18
V-7
PT-1
L-5
C-01
Figura 30: Lazo cerrado de control de la presión en cabeza de
columna (Lazo 5).
12.5.2. Lazo 6: Control de la temperatura a la salida del
condensador.
Es un lazo en cascada con la misma morfología que el Lazo 4,
pero en lugar de actuar sobre una válvula, al ser un aerorrefrigerante la
orden se manda al ventilador, haciéndolo girar más rápido si se
necesita un mayor grado de condensación o despacio en el caso
contrario.
En la Figura 31 se observa la morfología del lazo.
CD-01
C-4
TT-1
L-6
I/P
L-6
V-7
FC
L-6
TC-1
L-6
Figura 31: Control de la temperatura del condensador.
Memoria Descriptiva
Página 105
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
12.5.3. Lazo 7: Control de los caudales a la salida del acumulador.
Es un lazo de relación. En el presente lazo de relación, se
realizan dos medidas de caudal, una para la corriente que se extrae del
proceso y otra para la línea que se recircula a la columna.
En éstas, dos caudalímetros (C-5 y C-6) mandan señales a dos
controladores (FC-1 y FC-2). Si la relación entre ambas corrientes no es
la adecuada se modifica la apertura de las válvulas para conseguir la
relación deseada. La morfología del lazo se puede ver en la Figura 32.
BR-01
V-8
V-9
C-5
C-6
B-05
B-03
I/P
L-7
FC-1
L-7
FY
L-7
FC-2
L-7
I/P
L-7
Figura 32: Lazo de relación para controlar la relación de los
caudales a la salida del acumulador.
12.5.4. Lazo 8 y 9: Control del flujo por las bombas B-03 y B-04.
Es un lazo cerrado cuya morfología y comportamiento es idéntico
al del Lazo 2 y 3, por lo que no se entra en detalle con el mismo.
12.5.5. Lazo 10 y 11: Control del flujo por las bombas B-05 y B-06.
Son lazos cerrados de idéntica morfología y funcionamiento al
Lazo 2 y 3, por lo que no se profundiza sobre ellos.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
12.5.6. Lazo 12: Control de la temperatura en los aerorrefrigerantes.
Es un lazo en cascada de idéntica morfología y funcionamiento al
lazo número 5, por lo que no se explicará.
12.5.7. Lazo 13: Control del nivel del tanque.
Es un lazo en cerrado de idéntica morfología y funcionamiento al
lazo número 1, por lo que no se explicará.
12.6. Línea de colas.
En la línea de colas se presentan los siguientes lazos.
1.
2.
3.
4.
Lazo 14: Control de la temperatura en el reboiler.
Lazo 15: Control de la presión en el vapor recirculado.
Lazo 16: Control del flujo en las bombas B-07 y B-08.
Lazo 17: Control de la temperatura en el intercambiador de calor
de colas (IC-02).
5. Lazo 18: Control del nivel del tanque de almacenamiento de
producto de colas.
Todos estos lazos presentan morfologías y funcionamientos
análogos a otros lazos descritos anteriormente, por lo que solo se hará
referencia a ellos.
1. Lazo 14: Lazo en cascada. Se asemeja al lazo 4.
2. Lazo 15: Lazo cerrado. Se asemeja al lazo 5.
3. Lazo 16: Lazo cerrado. Se asemeja al lazo 2 y 3.
4. Lazo 17: Lazo en cascada. Se asemeja al lazo 4.
5. Lazo 18: Lazo cerrado. Se asemeja al lazo 1.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
CAPÍTULO 13: Mantenimiento.
13.1. Introducción.
El objetivo del mantenimiento es lograr, en el menor tiempo
posible, el correcto funcionamiento de las instalaciones. Para ello, tanto
la planta como los equipos, precisan estar en un estado óptimo de
funcionamiento, por lo que realizar tareas periódicas de mantenimiento.
Un correcto mantenimiento de las instalaciones y equipos
impediría perder beneficios ante la influencia de estos en el producto
final. Por eso pese a que su mantenimiento pueda suponer unos costes
excesivos, se recomiendo no acortar esta partida presupuestaria bajo
ningún concepto.
En el presente capítulo se abordaran los diferentes tipos de
mantenimiento que se pueden realizar, así como las funciones del
mismo.
13.2. Funciones del mantenimiento.
Las funciones del mantenimiento son las siguientes:
1. Mantener los equipos e instalaciones en condiciones operativas
eficaces y seguras.
2. Efectuar un control del estado de los equipos asi como de su
disponibilidad.
3. Realizar los estudios necesarios para reducir el número de
averías imprevistas.
4. En función de los datos históricos disponibles, efectuar una
previsión de los repuestos de almacén necesarios.
5. Intervenir en los proyectos de modificación del diseño de equipos
e instalaciones.
6. Llevar a cabo aquellas tareas que implican la modificación del
diseño de equipos e instalaciones.
7. Instalación de nuevo equipo.
8. Asesorar a los mandos de producción.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
9. Velar por el correcto suministro y distribución de energía.
10. Realizar el seguimiento de los costes de mantenimiento.
11. Preservación de locales, incluyendo la protección contra
incendios.
12. Gestión de almacenes.
13. Tareas de vigilancia.
14. Gestión de residuos y desechos.
15. Establecimiento y administración del servicio de limpieza.
16. Proveer el adecuado equipamiento al personal de la instalación.
13.3. Tipos de mantenimiento.
Existen cuatro tipos de mantenimientos que se pueden llevar a
cabo:
Mantenimiento correctivo: Es el que se basa en reparar lo averiado, es
decir, actuar una vez que se ha producido el error.
Presenta inconvenientes como su imprevisibilidad, su alto coste
asociado y el elevado riesgo que supone.
Mantenimiento preventivo: Consiste en marcar un calendario de
intervenciones para mantener el equipo en un estado óptimo de
funcionamiento, reduciendo el número de paradas imprevistas, pero
estas paradas no han de ser exageradas puesto que aumentarían los
costes de mantenimiento de forma alarmante.
Mantenimiento predictivo: Trata de conocer el estado del equipo
mediante la medición periódica de alguna variable que lo pueda
determinar (temperatura, presión, caudal, etc.).
Presenta el inconveniente de tener que instalar equipos para
realizar las mediciones, así como de entrenar y formar al personal para
poder llevarlas a cabo.
Es un plan ambicioso que abarca todos los estamentos de la
jerarquía de mando, puesto que cada miembro deberá realizarlo en su
cuota y parcela de responsabilidad.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
Dentro de una planta no predomina únicamente un tipo de
mantenimiento u otro, sino que para conseguir un correcto
funcionamiento se recurre a una mezcla de las tres técnicas, puesto
que de esta forma se abarcan todas las posibles vías de problemas que
puedan surgir al igual que se abaratan los costes de producción.
Pero un mantenimiento excesivo dispararía los costes. Se ha de
llegar a un punto de equilibrio entre un buen mantenimiento y la dejadez
de los equipos.
13.4. Puesta en marcha.
El proceso está diseñado para un funcionamiento durante 330 días al
año. El tiempo que esté parada la planta es el que se aprovechará para
el mantenimiento de los equipos, instalación de nuevos y limpieza a
fondo de los mismos. Posteriormente, una vez finalizada la parada es
preciso realizar las operaciones necesarias para volver a poner la
planta en funcionamiento.
13.5. Plan de mantenimiento.
A la hora de realizar un plan de mantenimiento de los equipos de
la planta hay que realizar un análisis de los mismos siguiendo las
siguientes pautas:
Localización de los equipos y clasificación: Se han de someter a una
localización dentro de la planta así como diferenciar los elementos que
lo componen. Esto facilita la localización futura.
Jerarquizar los equipos: Se ha de establecer una jerarquía ya que no
todos los equipos influyen de igual modo en el proceso. De esta manera
los equipos principales disponen de más presupuesto para su
mantenimiento.
Memoria Descriptiva
Página 110
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
13.5.1. Jerarquización de los equipos.
La jerarquización se realiza asignando a cada unidad estudiada
una letra (A, B o C) según la influencia en el proceso. Los criterios para
esta clasificación se exponen en la Tabla XLI.
Tabla XLI:
Jerarquización de equipos.
(García Garrido, 2003).
TIPO DE
EQUIPO
SEGURIDAD
Y MEDIO
AMBIENTE
PRODUCCIÓN
Puede originar
accidente muy
grave
A
Crítico
Necesita
revisiones
frecuentes y
periódicas
(mensuales)
Su parada afecta
al plan de
producción
Ha producido
accidentes en
el pasado
B
Importante
C
Prescindible
Necesita
revisiones
frecuentes y
periódicas
(anuales)
Puede
ocasionar un
accidente
grave, pero las
posibilidades
son remotas
Poca influencia
en seguridad
Memoria Descriptiva
CALIDAD
MANTENIMIENTO
Es clave para la
calidad del
producto
Alto coste de
reparación en caso
de avería
Averías muy
frecuentes
Es el causante
de un alto
porcentaje de
rechazos
Consume una parte
importante de los
recursos de
mantenimiento (mano
de obra y/o
materiales)
Afecta a la
producción, pero
es recuperable
(no llega a
afectar a clientes
o Planes de
producción)
Afecta a la
calidad pero
habitualmente
no es
problemático
Coste medio en
mantenimiento
Poca influencia
en producción
No afecta a la
calidad
Bajo coste de
mantenimiento
Página 111
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
En el proceso existen dos tipos de equipos clasificable como tipo
A (la columna y los intercambiadores de calor asociados a la columna),
dos de tipo B (intercambiadores de calor de carcasas y tubos y los
aerorrefrigerantes) y el resto se clasifican como C.
Los criterios para esta clasificación son los siguientes:
Categoría A: Son los equipos esenciales para la producción, y su
fallo provoca la parada o la perdida inmediata de la producción.
También se incluyen los equipos que afectan seriamente a las
condiciones de seguridad de la planta.
Categoría B: Son los equipos importantes para la producción,
pero su fallo no provoca efectos inmediatos en la producción, aunque si
el fallo no se arregla, los efectos que provocaría la persistencia del fallo
si podrían resultar perjudiciales para la producción o para la seguridad
de la instalación.
Categoría C: Resto de equipos.
13.5.2. Acciones de mantenimiento.
Una vez dispuesto el equipo para realizar las operaciones de
mantenimiento se ha de realizar una secuencia de órdenes o pasos que
se ha de seguir a rajatabla. Para ello se suelen seguir las
recomendaciones del fabricante.
A continuación se procederá a enumerar los pasos para cada
equipo implicado en el proceso.
Columna de rectificación.
1. Inspección anual mediante las aperturas de las bocas de hombre
para la limpieza de elementos internos y conocimiento de su
estado.
2. Limpieza exterior e interior.
3. Revisar las conexiones con las tuberías.
4. Reposición de los platos deteriorados.
5. Debido a que se trabaja a altas presiones y temperaturas, se
realizará una inspección semestral por ultrasonido para
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
comprobar el efecto de la corrosión sobre el espesor del material
y el estado de las soldaduras
6. Revisar el sistema de distribución del influente.
7. Comprobar el estado del sistema de seguridad (válvula de alivios
de presión de seguridad y disco de ruptura).
Intercambiadores de calor.
1. Inspección anual para la limpieza de elementos internos,
acondicionamiento del sistema y apertura del cabezal y de la
placa.
2. Debido a que se trabaja a altas temperaturas y compuestos
tóxicos, se realizará una inspección semestral por ultrasonido
para comprobar el efecto de la corrosión sobre el espesor del
material y el estado de las soldaduras.
3. Limpieza exterior.
4. Revisar las conexiones con las tuberías.
5. Revisar el sistema de distribución del influente.
6. Comprobar el estado del sistema de seguridad (válvula de alivio
de presión de seguridad y disco de ruptura).
7. Al encontrarse en el exterior, se protegerá con una nueva capa
de pintura cada 5 años.
8. Comprobar el estado del aislante.
Depósitos de almacenamiento.
1. Inspección semestral por ultrasonido para comprobar el efecto de
la corrosión sobre el espesor del material y el estado de las
soldaduras.
2. Revisar las conexiones con las tuberías.
3.
4.
5.
6.
Comprobación del estado de estanqueidad.
Comprobación de los sistemas de seguridad y venteo.
Inspección del aspecto superficial.
Revisar el estado de la pantalla flotante.
7. Al encontrarse en el exterior, se protegerá con una nueva capa
de pintura cada 5 años.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
Bombas.
1. Control de arranque.
2. Comprobar las vibraciones de los motores.
3. Limpieza exterior.
4. La presión en conexión con el conducto de impulsión.
5. Comprobación de niveles de aceite.
6. La temperatura de los motores.
7. Comprobación del ajuste de la bomba y el motor.
8. Comprobación de estanqueidad.
9. Puesta en marcha periódica de los equipos de reserva.
10. Engrase de los rodamientos.
11. Comprobar automatismos.
12. Comprobar intensidades, potencias y tensiones.
13. Tarar térmicos.
Acumulador de reflujo.
Por las similitudes con los tanques de almacenamiento se
seguirán los mismos pasos establecidos en ellos.
Instrumentación en general.
Es necesario comprobar también los instrumentos de medida,
debido a que en el caso de que si funcionamiento sea erróneo se
pueden producir pérdidas importantes en la producción final (por no
estar en las condiciones deseadas) o incluso pueden llegar a provocar
accidentes por una mala lectura de la variable.
1. Comprobar las conexiones.
2. Comprobar la alimentación eléctrica.
3. Comprobar la señal de entrada a los terminales.
4. Comprobar la programación.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Sistema de tuberías
1. Antes de su puesta en servicio es necesario someterla a prueba
de presión antes de ser consideradas aptos para su uso.
2. Coincidiendo con la parada general de la línea de proceso, se
procederá a la limpieza interna de la red de tuberías, con el fin de
eliminar posible ensuciamiento o incrustaciones.
3. Debido a que se trabaja a altas temperaturas y presiones,
pueden aumentar los riesgos de corrosión, por lo que se
someterán las tuberías a pruebas de ultrasonido semestrales o
anuales, para estudiar la evolución del espesor y ver si se
produce un deterioro o pérdida de espesor por corrosión.
Válvulas.
1. Realizar revisiones periódicas con el fin de conocer el estado de
las piezas que componen el interior de la válvula.
2. Apretar los tornillos de la unión entre las distintas partes.
3. Comprobar si están bien unidas todas sus partes.
4. Controlar el ruido.
5. Corregir problemas en el asentamiento e instalar nuevos discos o
sellos de asiento en las válvulas que pueden repararse sin
desmontar. Dentro de esta categoría se encuentran las válvulas
de compuerta, globo y de retención.
6. Para las válvulas de seguridad y alivio de presión y de reducción
de presión deben tomarse además las siguientes precauciones:
comprobar la presión de funcionamiento, verificar si hay
corrosión o erosión, comprobar si existen partículas de sólidos
entre el asiento y el disco, comprobar si existe vibración de la
tubería o del recipiente protegido, así como que la válvula esté
instalada en posición vertical.
Herramientas y maquinaria.
1. Revisar regularmente el estado de las herramientas y máquinas
reparando o desechando aquellas que se encuentre deterioradas
Extintores.
Cada tres meses:
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
1. Es necesario comprobar su accesibilidad.
2. Comprobación de carga (peso y presión).
3. Estado de las partes mecánicas y comprobación del precinto.
El personal encargado de cada línea de operación será el
encargado de realizar estas tareas.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
CAPÍTULO 14: Seguridad.
En una instalación como una planta química es necesario tener
en cuenta muchas medidas de seguridad, puesto que se está expuesto
a multitud de peligros y se trabajan con productos peligrosos.
Ese es el objetivo del presente capítulo, exponer de forma breve
los riesgos existentes en la planta.
14.1. Legislación aplicable.
En el ámbito de la seguridad se ha de conocer la legislación
aplicable en dos frentes, la seguridad y la higiene laboral.
14.1.1. Legislación para la seguridad laboral.
Se han de aplicar las siguientes medidas:
1. Ley 31/1995, de 8 de noviembre, de Prevención de Riesgos
Laborales.
2. Real Decreto 1299/2006, de 10 de noviembre, por el que se
aprueba el cuadro de enfermedades profesionales en el sistema
de la Seguridad Social y se establecen criterios para su
notificación y registro. BOE num. 302 de 19 de diciembre.
3. Real Decreto 1995/1978, de 12 de mayo, por el que se aprueba
el cuadro de enfermedades profesionales en el sistema de la
seguridad social.
4. Real Decreto 1244/1979, de 4 de abril, por el que se aprueba el
Reglamento de Aparatos a Presión.
5. Real Decreto 1942/1993, de 5 de noviembre, por el que se
aprueba el Reglamento de Instalaciones de Protección contra
Incendios.
6. Real Decreto 2267/2004, de 3 de diciembre, por el que se
aprueba el Reglamento de Seguridad contra Incendios en
Establecimientos Industriales.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
7. Real Decreto 400/1996, de 1 de marzo. Aparatos y sistemas de
protección para uso en atmosferas potencialmente explosivas.
8. Real Decreto 485/1997, de 14 de abril. Disposiciones mínimas en
materia de señalización de seguridad y salud en los lugares de
trabajo.
9. Real Decreto 773/1997, de 30 de mayo. Disposiciones mínimas
sobre utilización por los trabajadores de equipos de protección
individual.
10. Real Decreto 1254/1999, de 16 de julio, por el que se aprueban
las medidas de control de los riesgos inherentes
a los
accidentes.
11. Real Decreto 379/2001, de 6 de abril, por el que se aprueba el
Reglamento de Almacenamiento de productos Químicos y sus
instrucción es técnicas complementarias.
12. Real Decreto 614/2001, de 8 de junio, sobre disposiciones
mínimas para la protección de la seguridad y salud de los
trabajadores frente al riesgo eléctrico.
13. Real Decreto de 842/2002, de 2 de agosto, por el que se
aprueba el Reglamento electrotécnico para baja tensión.
14. Decreto 3151/68, de 28 de noviembre, reglamento de la Línea de
Alta tensión.
15. Real Decreto 681/2003, de 12 de junio, sobre la protección de la
salud y la seguridad de los trabajadores expuestos a los riesgos
derivados de atmosferas explosivas en el lugar de trabajo.
16. Reglamento (CE) 1907/2006 del Parlamento Europeo y el
Consejo, de 18 de diciembre, relativo al registro, la evaluación, la
autorización y la restricción de las sustancias y preparados
químicos (REACH).
14.1.2. Legislación para la higiene laboral.
1. Real Decreto 286/2006, de 10 de marzo, sobre la protección de
la salud y seguridad de los trabajadores contra los riesgos
relacionados con la exposición al ruido.
2. Real Decreto 374/2001, de 6 de abril, sobre la protección de la
salud y seguridad de los trabajadores contra los riesgos
relacionados con los agentes químicos durante el trabajo.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
3. Real Decreto 1124/2000, de 16 de Junio, por el que se modifica
el Real Decreto 665/1992, de 12 de Mayo, sobre la protección de
los trabajadores contra los riesgos relacionados con la
exposición a agentes cancerígenos durante el trabajo (B.O.E.
num. 145 de 17 de Junio de 2000).
14.2. Análisis de riesgos.
Dentro del análisis de riesgos laborales, para minimizarlo de
forma sustancial, se siguen tres pasos fundamentales:
1. Localización del riesgo: Mediante la experiencia previa que se
tiene en la planta se recopila toda la información necesaria para
identificar aquellos puntos conflictivos.
2. Prevención del riesgo: Se trata de implantar las medidas
pertinentes para conseguir evitar que se vuelva a reproducir
cualquier accidente ya sucedido.
3. Fase de protección de riesgos frente a accidentes: En esta fase
se intenta proteger al usuario frente a los riesgos que derivan en
peligros mediante técnicas tales como el equipamiento de
equipos de protección individual (EPI), señalización de riesgos o
divulgación y concienciación.
Un análisis de riesgos, realmente no es más que un análisis de
los posibles peligros que se puedan dar para la seguridad y salud de los
trabajadores y dónde es más probable que se produzcan. Éstos no se
pueden eliminar de una forma definitiva, pero si se pueden implantar
medidas para minimizar los daños o evitarlos.
Estas medidas van en caminadas en torno a la prevención y la
protección del personal de los operarios de la planta. Con las técnicas
de prevención se procura actuar sobre el riesgo antes de que se
produzca, mientras que con las técnicas de protección se intenta
minimizar las posibles consecuencias de los mismos.
Los riesgos se pueden clasificar en:
1. Riesgos químicos.
2. Riesgos físicos.
Memoria Descriptiva
Página 119
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
3. Riesgos de explosión e incendio.
4. Riesgos de manipulación de equipos y herramientas de trabajo.
5. Riesgos en la línea de producción.
14.2.1. Riesgo químico.
Este tipo de riesgo está asociado al trasiego y manipulación de
productos químico, ya que operar con ellos lleva asociado la posibilidad
de sufrir intoxicación o contaminación al medio.
En el presente proyecto se trata con 3 productos químicos
tóxicos para la salud humana y el medio ambiente, el benceno, tolueno
y el bifenilo.
Los posibles efectos sobre la salud humana así como las
medidas de prevención están recogidas en las fichas de seguridad.
14.2.2. Riesgo físico.
Dentro de la industria y plantas químicas los riesgos físicos más
comunes son el ruido, las atmosferas ionizantes y los ambientes
térmicos.
De estos tres riesgos físicos el predominante es el ruido, a cuya
exposición se encuentran los operarios que manejan maquinaria o
cuando se están cerca de equipos tales como bombas.
Tiene efectos negativos sobre la salud humana, pudiendo llegar
a generar problemas tales como taquicardias, problemas digestivos o
psicológicos.
Por ello, es preciso medir el ruido mediante equipos asociados
analizándolo en tres frentes, la cantidad de ruido (se usa el sonómetro
para conocerlo), la cantidad de ruido que soporta un trabajador en un
periodo largo de tiempo (dosímetros) y las frecuencias a las que se
emite el ruido.
La normativa española asociada a la exposición sonora (Real
Decreto 286/2006) establece que un trabajador no ha de soportar más
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
de 87 dB como nivel equivalente de ruido, siendo 140 el pico máximo
de exposición, adoptando medidas cuando el nivel sea mayor de 80-85
db o cuando el pico máximo de exposición esté comprendido entre 135137 dB.
En el caso que se superen los valores permitidos se han de
adoptar medidas, atacando al problema en los tres frentes posibles,
emisor, receptor y el medio.
Sobre la fuente:
1. Cambios en la rutina o método de trabajo.
2. Sustitución del equipo que genere el problema por otro menos
ruidoso.
3. Reducir al máximo los impactos y fricciones.
4. Emplear lubricación adecuada.
5. Emplear sistemas conductores de la vibración (amortiguadores).
Sobre el medio de transmisión:
1. Aumentar la distancia existente entre la fuente y el receptor.
2. Realizar un tratamiento acústico del suelo, techo y paredes para
absorber el sonido y reducir la resonancia.
3. Aislar acústicamente la fuente de ruido.
Sobre el receptor:
1. Utilización de protecciones personales: tapones los cuales
reducen de 10-20 dB y auriculares que reducen hasta 50dB.
2. Aislar al trabajador.
3. Realizar una rotación del personal para reducir tiempo de
exposición.
14.2.3. Riesgo de explosión e incendio.
En el presente proyecto los compuestos manejados (benceno,
bifenilo y tolueno) son de naturaleza explosiva al entrar en contacto con
el aire en mezclas de vapor/aire, por lo que habrá que tomar medidas
para evitarlo. Estas medidas pueden ser de naturaleza preventiva o
protectora.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
Medidas preventivas:
Impedir y evitar, en la medida de lo posible, la generación de
atmósferas explosivas (aire/gas). Para ello, se dispone a lo largo de la
línea de circulación de diferentes elementos cuyo objetivo o misión es la
de medir o cuantificar diferentes variables que aseguren el correcto
funcionamiento del equipo y otros dispositivos de seguridad. Algunos
ejemplos de estos instrumentos son: controladores-reguladores de
presión, válvulas de desahogo de presión de seguridad, discos de
ruptura, válvulas reductoras o respiraderos de tanque. Para concluir,
tanto los equipos de la planta como la propia planta se encuentran
aislados para prevenir posibles fugas.
Situar las unidades de operación respetando la distancia de
seguridad que debe existir entre los distintos equipos que se
encuentran trabajando a presión.
Reducir el volumen de las sustancias peligrosas almacenadas
con el fin de disminuir las consecuencias derivadas de una posible
explosión química. Es por ello, por lo que los depósitos de
almacenamiento de la materia prima y del producto se diseñan para un
volumen de almacenamiento de una semana.
Medidas protectoras.
Los trabajadores deben estar vestidos adecuadamente (calzado
y ropa adecuada) con materiales que no den lugar a descargas
electrostáticas, pudiendo generar atmósferas explosivas.
Han de disponer de elementos que eviten la propagación
horizontal del fuego. Cada uno de los equipo de separación o
contención estarán provistos de un cubeto limitándose el derrame de
los mismos.
En caso derrame o fuga de los líquidos que se manipulan en el
proceso, se ha de eliminar toda fuente de ignición y recoger, en la
medida de lo posible el líquido que se derrama y el ya derramado en
recipientes herméticos, absorbiendo el líquido residual en un
absorbente inerte y trasladar a lugar seguro.
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
La instalación, los equipos, los sistemas y sus dispositivos de
conexión sólo se pondrán en marcha con el pertinente certificado de
protección contra explosiones.
Se dispondrá de las medidas necesarias que permitan reducir al
máximo los riesgos que pueda sufrir el personal por los efectos físicos
de la explosión.
Han de existir señales ópticas y acústicas de alarma y desalojo
en condiciones de seguridad antes de que se genere la explosión. A su
vez, se dispondrán y mantendrán en funcionamiento las salidas de
emergencia que permita al personal desalojar la zona afectada en
condiciones de seguridad.
Disponer de antemano un plan de emergencia y evacuación que
permita desarrollar el proceso con la máxima seguridad y el mínimo
riesgo para la salud de los trabajadores.
Uno de los efectos colaterales de las explosiones son los
incendios, los cuales en situaciones desfavorables pueden llegar a
escapar al control de los operarios, produciendo consecuencias
nefastas tanto para la industria, la instalación o los propios trabajadores.
Por esto serán necesarios equipos de seguridad y confinamiento
de los incendios, como por ejemplo:
1. Extintores: distribuidos a lo largo de la línea de proceso en
número suficiente para que el recorrido real desde cualquier
origen de evacuación hasta un extintor sea menor de 15 metros.
Suspendidos en agarres a 1,7 metros de altura como máximo del
suelo. Se instalaran 4 extintores por línea de proceso, llegando a
un total de 12.
2. Sistemas manuales de alarma de incendios: Un pulsador junto a
cada salida del área de incendios con un radio de acción máximo
de 25 metros. Deben encontrarse perfectamente señalizadas.
3. Sistema de comunicación de alarmas: La señal acústica
transmitida ha de ser diferenciable entre “alarma por emergencia
parcial” o por “emergencia general” y será preferente el uso de
un sistema de megafonía.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
4. Sistema de hidrantes especiales: Cada uno de ellos ha de tener
un radio de acción de 40 metros horizontales. Tienen autonomía
limitada, saliendo un elevado caudal de agua a presión elevada.
14.2.4. Riesgo eléctrico.
Es un riesgo a tener muy en cuenta y que debe estar señalizado
correctamente. Las corrientes eléctricas en el cuerpo humano puede
provocar daños que van desde una alteración de la sinapsis neuronal,
quemaduras o embolias.
Por la gravedad de las consecuencias sobre el cuerpo humano,
el trabajador ha de estar correctamente protegido mediante técnicas
individuales.
Para minimizar la posible exposición se adoptan las siguientes
medidas.
1. Las subestaciones eléctricas serán cerradas a toda persona no
implicada en las tareas, declarándose zonas restringidas. Las
zonas de prueba de bombas, motores y otros equipos donde sea
factible establecer un área restringida, se vallarán y señalizarán
para notificar sobre la realización de prueba e impedir la entrada
de personal ajeno.
2. Las partes activas de los equipos, herramienta y máquinas se
encontrarán eléctricamente aislados.
3. Todos los equipos y elementos que estén o hayan estado en
tensión deberán desconectarse antes de realizar ningún trabajo
sobre ellos. La desconexión se hará con corte visible, se
inmovilizará con cerradura y candado y las partes activas se
pondrán a tierra.
4. Todas las intervenciones sobre equipos que hayan estado en
tensión requerirán además de lo indicado en el punto anterior, la
comprobación de ausencia de tensión.
14.2.5. Riesgos por maquinaria y herramientas.
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Son riesgos derivados de la utilización de la máquina o de la
máquina en sí, entrañando generalmente consecuencias físicas sobre
el hombre.
Las medidas para la prevención de los riegos derivados del uso
de maquinaria se recogen:
1. Para cada unidad, equipo, máquina o herramienta se dispondrá
de un conjunto de normas de utilización segura, indicando, a su
vez, cual es el EPI más adecuado. Esta información se recogerá
en un formulario o lista que se situará en la unidad, equipo,
máquina o herramienta de modo que sea accesible y visible para
todo aquel que requiera el uso de los mismos.
2. Todos los trabajadores tendrán, según su especialidad, las
herramientas y máquinas idóneas para la realización de su
trabajo.
3. Revisar regularmente el estado de las máquinas y herramientas,
reparando o desechando inmediatamente aquellas que se
4.
5.
6.
7.
8.
9.
encuentren estropeadas.
Los resguardos y protecciones de las máquinas y herramientas
deberán encontrase correctamente instalados antes de su puesta
en funcionamiento, así como también los armarios y cuadros
eléctricos que alimenten máquinas deben disponer de las
protecciones reglamentarias.
Las máquinas sólo deben ser utilizadas por personal cualificado
y autorizado para ello.
La reparación de máquinas o herramientas se llevará a cabo en
taller por medio del personal dedicado a tal fin.
Las zonas de trabajo con máquinas se encontrarán
convenientemente iluminadas.
Las zonas peligrosas se señalizarán convenientemente.
Para las operaciones de carga, descarga, limpieza, reposición o
mantenimiento las máquinas deben pararse, bloquearse,
señalizarse y comprobar que no existen riesgos en su
manipulación.
14.2.6. Riesgos en la línea de proceso.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
Se establecen una serie de pautas y medidas preventivas para
minimizar el los posibles riesgos para el personal cuando éstos surjan.
Estas medidas se desarrollan en diferentes campos de acción.
Procedimientos para el arranque y la parada
La planificación completa de una parada implica la preparación
previa de la unidad considerada y una preparación por parte de las
unidades y departamentos que puedan verse afectados.
El proceso de parada implica: detener el suministro de
alimentación al proceso, llevar el equipo a las condiciones ambientales,
extracción de residuos y limpieza de sustancias tóxicas, evacuación del
agua e inspección del equipo para la consiguiente entrada.
El proceso de arranque implica: preparación preliminar del
equipo y disposición de los sistemas auxiliares, eliminación del aire,
pruebas de tensión y llevar la unidad hasta las condiciones de trabajo
establecidas.
Tanto el proceso de parada como el de arranque han de
recogerse por escrito y cumplirse con exactitud a la hora de llevarse a
cabo.
Tareas de mantenimiento
Cuando se lleven a cabo labores de mantenimiento será
necesario aislar las tuberías de conexión a equipos y sistema de
bombeo por medio de apantallamiento. Las válvulas también deben
cerrase y bloquearse.
Los equipos eléctricos deberán tener los interruptores cerrados
antes de recibir autorización para trabajar con ellos.
Prueba de gas. Se realizan a temperatura ambiente antes y
durante las labores de mantenimiento en aquellos equipos en los cuales
exista riesgo a causa de gases.
Detección de las fugas y averías por medio de la instalación de
equipos que registren de forma continua los resultados de las muestras
de aire. En las zonas peligrosas y en sus inmediaciones queda
terminantemente prohibido el uso de maquinaria que pueda generar
chispas.
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Higiene industrial.
Se llevaran a cabo estudios toxicológicos de los productos
implicados en los procesos. También se desarrollaran programas de
higiene industrial para controlar el entorno laboral.
14.2.7. Riesgos del almacenamiento de productos químicos.
En la planta proyectada se han diseñado parques de
almacenamiento. Esto, el almacenaje, entraña riesgos tales como
peligro de incendios, explosiones, derrames o generación de vapores y
gases tóxicos.
Para minimizar estos riesgos se adoptan las siguientes medidas.
1. Distancia física entre la zona en la cual se encuentran situados
los tanques de almacenamiento y los equipos de proceso, así
2.
3.
4.
5.
como entre tanques contiguos.
Señalización normalizada en el almacenamiento y en las
conducciones de circulación de ambos fluidos indicando con
claridad la naturaleza de los mismos.
Iluminación adecuada de la zona de almacenaje con el fin de
facilitar las operaciones de manipulación de estas sustancias.
Sistemas de prevención de derrames del material por
rebosamiento dotando al equipo de sistemas de control
automáticos de nivel.
Duchas y lavaojos que deben instalarse en las inmediaciones de
los lugares de trabajo, especialmente en las zonas de carga y
descarga, sistemas de impulsión y zonas de toma de muestras.
Éstos equipos no distarán más de 10 metros de los puestos de
trabajo debiendo estar libre de obstáculos y convenientemente
señalizados.
6. Sistema de venteo de tanques. Los depósitos diseñados se
encuentran provistos de respiraderos de tanques para evitar la
formación de vacío o presión interna y la consiguiente
deformación de la carcasa.
7. Cubetos. Los recipientes fijos para el almacenamiento de
sustancias químicas peligrosas deben disponer de un cubeto de
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
retención cuya capacidad útil sea como mínimo la capacidad del
tanque o tanques contenidos en su interior.
8. Las paredes y los fondos de los cubetos deberán estar
fabricados en un material que garantice la estanqueidad de los
productos durante el tiempo necesario previsto para su
evacuación con un tiempo mínimo de cuarenta y ocho horas.
14.3. Protecciones.
En cualquier planta industrial o puesto de trabajo se han de
adoptar una serie de medidas necesarias para asegurar las correctas
medidas de seguridad de los empleados en consonancia con el riesgo
que siguen.
Éstas pueden ser o individuales o globales.
14.3.1. Equipos de protección individuales.
Son los conocidos como EPI. Constituyen el uniforma básico de
cualquier operario, mono, gafas, guantes, botas y casco. A su vez,
dependiendo del trabajo que se vaya a realizar deberá estar escoltado
por otros equipos de seguridad de acuerdo con su función.
Para trabajos de un calibre más importante serán precisos otros
equipos, tales como pantalla facial de protección, delantal e, incluso
equipos autónomos de respiración, en especial durante la manipulación
de las unidades que contengan los agentes químicos descritos y,
especialmente, en las fugas de producto.
14.3.2. Equipos de protección globales.
Son las medidas de seguridad de la propia planta para minimizar
los posibles riesgos que se puedan producir en ella. Importante
destacar que estas medidas de seguridad NO eximen al operario de las
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
medidas de protección individual, sino que son un complemento a las
mismas.
Algunos ejemplos son vallas de limitación y protección, andamios
y cables para sujeción del cinturón de seguridad, pasarelas, señales de
seguridad, casetas de protección contra intemperie, protecciones de
máquinas cortadoras, interruptores diferenciales, toma de tierra o
protecciones magnetotérmicas
14.3. Alumbrado.
Una iluminación adecuada favorece las condiciones de trabajo
disminuyendo las posibilidades de que se produzcan accidentes. El
alumbrado se puede dividir en dos clases, interno y de emergencia.
14.4.1. Alumbrado interior.
La iluminación de cada zona o parte de un
deberá adaptarse a las actividades que se lleven
teniendo en cuenta los riesgos para la seguridad
trabajadores dependientes de las condiciones de
exigencias visuales de las tareas desarrolladas.
lugar de trabajo
a cabo en ella,
y salud de los
visibilidad y las
Si es posible usar la luz natural, y cuando ésta no sea suficiente
completar con luz artificial.
La iluminación de los lugares de trabajo deberá cumplir, además,
en cuanto a su distribución y otras características, las siguientes
condiciones:
1. La distribución de los niveles de iluminación será lo más uniforme
posible.
2. Se procurará mantener unos niveles y contrastes de luminancia
adecuados a las exigencias visuales de la tarea, evitando
variaciones bruscas de luminancia dentro de la zona de
operación y entre ésta y sus alrededores.
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
3. Se evitarán los deslumbramientos directos producidos por la luz
solar o por fuentes de luz artificial de alta luminancia. En ningún
caso éstas se colocarán sin protección en el campo visual del
trabajador.
4. Se evitarán, asimismo, los deslumbramientos indirectos
producidos por superficies reflectantes situadas en la zona de
operación o sus proximidades.
5. No se utilizarán sistemas o fuentes de luz que perjudiquen la
percepción de los contrastes, de la profundidad o de la distancia
entre objetos en la zona de trabajo, que produzcan una
impresión visual de intermitencia.
14.4.2. Alumbrado de emergencia.
Ha de cumplir las siguientes condiciones.
1. Será fija, estará provista de fuente propia de energía y entrará
automáticamente en funcionamiento al producirse un fallo del 70
por ciento de su tensión nominal de servicio.
2. Mantendrá las condiciones de servicio durante una hora, como
mínimo, desde el momento en que se produzca el fallo.
3. Proporcionará una iluminancia de un lux, como mínimo, en el
nivel del suelo en los recorridos de evacuación y de 5 lux al lado
de los sistemas de protección contra incendios.
Se coloca una luz de emergencia al lado de cada extintor, así
como en todas las salidas, las cuales estarán provistas de carteles con
indicación de salida.
14.5. Gestión de seguridad.
Para que las medidas de seguridad que se implanten en la planta
sean eficaces es necesario realizar una serie de tareas de gestión de
las mismas encaminadas sobre todo a la coordinación y la compresión
y conocimiento del funcionamiento de equipos, así como saber qué
hacer en cada momento.
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
14.5.1. Coordinación.
Para evitar problemas de seguridad entre el personal encargado
de hacer funcionar la planta, es necesaria la figura de un coordinador
de seguridad, designado por la dirección. Su tarea consistirá en evitar
los posibles problemas que puedan surgir fruto de una descoordinación
así como ser la figura a la que acudir en caso de problemas de
interferencia para la seguridad entre trabajadores de distintas áreas.
14.5.2. Registro de la información.
Es preciso que toda la información referente a la seguridad llegue
al coordinador y sea registrada y accesible en todo momento a
cualquier persona que en un momento dado tenga que tomar una
decisión de seguridad. El coordinador es el encargado de realizar la
tarea del registro de la misma, usando las siguientes fuentes de
información.
1. Plan de seguridad: Una copia física del plan de seguridad ha de
estar en todo momento en la oficina del coordinador.
2. Fichas de incidencias de seguridad: Rellenadas por el propio
coordinador y en su poder.
3. Informes de accidentes: Se realizaran en base al procedimiento
de la propia empresa.
4. Relación de permisos de trabajo: Es importante mantener un
registro de todo el personal que tiene acceso a las zonas de
trabajo. En estos documentos se recoge la fecha de inicio y de
final del mismo.
14.5.3. Formación.
Es necesario una formación de los trabajadores respecto a la
manipulación de materias primas y productos, cómo manejar diferentes
equipos y se les informará de los posibles riesgos que se pueden dar en
el día a día de la planta. Como medida adicional se han de impartir
cursillos de primeros auxilios y socorrismo al personal más cualificado,
de manera que siempre haya al menos un socorrista en planta.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
CAPÍTULO 15: Evaluación de impacto
ambiental.
A la hora de instalar una planta o un proceso en algún lugar
específico es necesario tener en cuenta el impacto que dicha actividad
puede tener sobre la zona, no solo a nivel social (revitalización
económica, puestos de trabajo,…) sino también desde el punto de vista
ecológico.
Ahí es donde entra la evaluación de impacto ambiental, pues es
un estudio que se encarga de analizar las posibles consecuencias en la
zona desde el punto de vista ambiental.
La actual tendencia de desarrollo tanto industrial como social es
la de desarrollo sostenible, en la que interactúa el medio ambiente con
los avances tecnológicos.
15.1. Gestión de los residuos generados.
Los residuos, a la hora de su gestión, se pueden clasificar de una
forma muy general en emisiones atmosféricas, sólidos y líquidos.
En los siguientes apartados se analizaran las posibles emisiones
y que se hacen con ellos.
Emisiones atmosféricas.
Centrándose en el proceso de purificación en lugar del proceso
se pueden decir que las emisiones atmosféricas son gases y humos y
ruidos.
Las emisiones de gases y humos se consideran inexistentes, ya
que no existe ningún horno en la purificación ni emisiones.
Puntualmente en el caso de que se tenga que aliviar las presiones en la
columna se podrán evacuar, teniéndolos que dirigir a un proceso de
purificación por la toxicidad de los productos para el medio.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Dentro de la planta química se producirán ruidos por el
funcionamiento de los equipos y trasiego del personal y productos. Se
explica más en profundidad en el apartado 15.2.2..
Emisiones líquidas.
No se producen emisiones líquidas de manera directa del
proceso de purificación, pero la corriente de colas se ha de llevar a una
planta para otorgarle un tratamiento adecuado.
Al estar enmarcada en la comarca del campo de Gibraltar se
llevarán a la planta de tratamiento gestionada por la empresa Gemasur
situada en Los Barrios.
Las corrientes líquidas de aguas de refrigeración y calderas se
recircula a la refinería de nuevo, donde se la somete a los procesos de
tratamiento adecuados.
Las posibles fugas que se puedan dar serán recogidas por una
red de drenaje y llevadas a analizar, para posteriormente dirigirlas a un
centro de tratamiento de residuos.
Emisiones sólidas.
No se producen residuos sólidos.
15.2. Estudio de impacto de la línea de proceso.
La línea de proceso descrita al producir tolueno si se considera el
proceso de purificación únicamente o benceno si se hace la planta en
su conjunto se enmarca dentro de la categoría de industria química,
petroquímica, textil y papelera.
1. Instalaciones químicas integradas, es decir, instalaciones para la
fabricación a escala industrial de sustancias mediante
transformación química, entra la que se encuentran yuxtapuestas
varias unidades vinculadas funcionalmente entre sí, y que se
emplean para:
A. La producción de productos químicos orgánicos
básicos.
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
B. La producción de productos químicos inorgánicos
básicos.
C. La producción de fertilizantes a base de fósforo,
nitrógeno o
compuestos).
potasio
(fertilizantes
simples
o
D. La producción de productos fitosanitarios básicos y de
biocidas.
E. La producción de productos farmacéuticos básicos
mediante un proceso químico o biológico.
F. La producción de explosivos.
2. Tuberías para el transporte de productos químicos con un
diámetro de más de 800 milímetros y una longitud superior a 40
kilómetros.
3. Instalaciones
para
el
almacenamiento
de
productos
petroquímicos o químicos, con una capacidad de, al menos,
200.000 toneladas.
4. Plantas para el tratamiento previo (operaciones tales como el
lavado o blanqueo) o para el teñido de fibras y productos textiles
cuando la capacidad de tratamiento supere las 10 toneladas
diarias.
5. Plantas para el curtido de pieles y cueros cuando la capacidad
de tratamiento supere las 12 toneladas de productos acabados
por día.
6. Plantas industriales para:
A. La producción de pasta de papel a partir de maderas u
otras materias fibrosas similares.
B. La producción de papel y cartón, con una capacidad de
producción superior a 200 toneladas diarias.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
C. Instalaciones de producción y tratamiento de celulosa con
una capacidad de producción superior a 20 toneladas
diarias.
D. Respecto al organismo competente, al tratarse de un
proyecto cuya repercusión no sobrepasa el ámbito
territorial de Andalucía, el órgano ambiental competente
será aquel que determine la Comunidad Autónoma de
Andalucía
El responsable del ámbito ambiental de la planta será el
ministerio de medio ambiente, pues sobrepasa el ámbito local de la
junta.
Memoria Descriptiva
Página 135
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
BIBLIOGRAFÍA.
LIBROS.
1. Henley, E.J. y Seader, J.D. 1.988 Operaciones de separación
por etapas de equilibrio en ingeniería Química. Edición española.
Barcelona: Ed. Reverté S.A..
2. Branan Carl, Rules of Thumb for Chemical Engineers. 3ª Edición.
Londres. GPP Ediciones
3. Megsey, E.F. 2.001. Manual de recipientes a presión, diseño y
cálculo. México: Ed. Limusa.
4. Treybal, R. E. 1.986. Operaciones de transferencia de masa. 2ª
Edición. México: Ed. McGraw Hill.
5. Perry, H., Green, R.W., y Maloney, O.J., 2001. Manual del
Ingeniero Químico. 4ª Edición. Madrid: Ed. McGraw-Hill.
6. Douglas, J.M., 1.988. Conceptual Design of Chemical Process.
International Edition. Singapur: Ed: McGraw-Hill.
7. Benítez, A., 1.974. Factores de conversión.1ª Edición. Madrid:
Ed. Eyser.
8. Acedo Sanchez, J., 2006. Instrumentación y Control avanzado de
Procesos. Diez de Santos: Instituto Superior de la Energía.
9. Gómez de León, F.C., 1998. Tecnología del Mantenimiento
Industrial. Murcia: Servicio de Publicaciones de Murcia.
10. Mendia Urquiola, F., 1994. Equipos de intercambio de calor.
Bilbao: Enter Vasco de la Energía.
11. Wade, L.G.Jr, 2.003. Química Orgánica. 5ª Edición. Madrid: Ed.
Pearseon Prentice Hall.
12. Davies, D. Cómo interpretar las finanzas de la Empresa. Bilbao.
Memoria Descriptiva
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
13. Walas, S.M. 1.988 Chemical Process Equipment: Selection and
Design. Washington: Ed: Butterworth-Heinemmen.
14. Moss, D. 2.003. Pressure Vessel design Manual.
Oxford: Ed: Elseiver.
3ª Edición.
15. Greene, R.W. 1.987. Válvulas: Selección, uso y mantenimiento.
3ª Edición. Madrid: Ed. McGraw-Hill.
Artículos de revistas.
1. C.M. Lek, G.P. Rangaiah and K. Hidajat Analysis of Heuristics
for Optimizing the Design of Distillation Columns.
2. Inglesa. Diseño de tanques de almacenamiento.
3. Wolverine tube heat transfer data book. Reboiler selection.
Direcciones de internet.
1. Direct Industry [Internet] www.directindustry.com
2. Noticias jurídicas: Bases de datos de legislación [Internet]
http://noticias.juridicas.com/base_datos/Admin/rd15231999.html#
3. Efunda
(Engineering Fundamentals)
[Internet]
http://www.efunda.com/materials/alloys/carbon_steels/show_carb
on.cfm?ID=AISI_1010&show_prop=tc&Page_Title=Carbon%20St
eel%20AISI%201010
4. Icis: Trusted market Intelligence for the global chemical and
energy
industries
[Internet].
http://www.icis.com/v2/chemicals/9076550/toluene/uses.html.
5. Instituto de meteorología [Internet]. www.aemet.es
Memoria Descriptiva
Página 137
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno.
Normativa.
1. Código ASME sección VII y II.
2.
3.
4.
5.
6.
Normas API 650.
Normas TEMA.
Reglamento de Instalaciones pretrolíferas.
Especificaciones de diseño Exxon Mobile.
Normas UNE.
Memoria Descriptiva
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DOCUMENTO 1:
Anexos a la memoria.
ÍNDICE DE LOS ANEXOS.
ANEXO 1: Criterios de selección de equipos. .............................. 1
1.1. Equipos de separación. ..................................................... 1
1.2. Equipos de transferencia de calor. .................................... 3
1.2.1. Intercambiadores de calor. ......................................... 3
1.3. Equipos auxiliares de la columna. ..................................... 8
1.4. Equipos de impulsión. ....................................................... 9
1.5. Equipos de almacenamiento. ............................................ 9
1.5.1. Normativa. ................................................................ 12
1.5.2. Material seleccionado. .............................................. 12
ANEXO 2: Diseño de la columna de rectificación. ..................... 13
2.1. Caracterización de las corrientes. .................................. 13
2.1.1. Información previa. .................................................. 13
2.1.2. Cálculo de las composiciones y caudales de cada
corriente............................................................................... 14
2.1.3. Selección de las condiciones de cada corriente. ..... 20
2.2. Caracterización de la columna: Método FUG. ................. 25
2.2.1. Frenske: Determinación del número de platos teóricos
del sistema. ......................................................................... 26
2.2.2. Underwood: Relación de reflujo mínima. ................. 29
2.2.3. Gilligand: Número de platos teóricos. ...................... 32
2.2.4. Determinación del número del plato de alimentación.
............................................................................................. 33
2.3. Caracterización de la columna: HYSYS® versión 2.006. 35
2.4. Diseño de platos de la columna. .................................... 36
2.4.1. Información previa. ................................................... 36
2.4.2. Dimensiones de los platos de la columna. ................ 40
2.4.3. Diseño hidráulico de los platos. ................................ 57
2.5. Eficacia de la columna. ................................................... 67
2.5.1. Método de O’Conell. ................................................. 67
2.5.2. Método de Lockhart y Legget. .................................. 68
2.5.3. Conclusión. ............................................................... 71
2.6. Diseño mecánico de la columna...................................... 72
2.6.1. Información previa al diseño. .................................... 72
2.6.2. Determinación del espesor de la envolvente y fondos.
............................................................................................ 74
2.7. Diseño mecánico del elemento de soporte. .................... 87
2.7.1. Información previa al diseño. .................................... 88
2.7.2. Determinación del espesor. ...................................... 89
2.8. Altura de la estructura. .................................................... 96
2.9. Otros elementos. ............................................................. 97
2.9.1. Escalerilla y plataformas ........................................... 97
ANEXO 3: Sistemas de intercambio de calor. ........................... 99
3.1. Introducción. .................................................................... 99
3.2. Diseño del intercambiador de calor de la corriente de
alimentación (IC-01) .............................................................. 99
3.2.1. Justificación de este intercambiador. ...................... 100
3.2.2. Asignación de flujos. ............................................... 101
3.2.3. Cálculo de los calores intercambiados. .................. 102
3.2.4. Características del intercambiador. ........................ 104
3.2.5. Cálculo del área del intercambiador. ...................... 104
3.2.6. Dimensionamiento de los tubos del intercambiador.
.......................................................................................... 114
3.2.7. Otros elementos. .................................................... 117
3.2.8. Diseño mecánico del intercambiador. ..................... 119
3.2.6. Pérdidas de carga en tubos. ................................... 127
3.2.7. Pérdidas de carga en la carcasa. ........................... 130
3.2.8. Material aislante. ..................................................... 134
3.3. Diseño de los intercambiadores presentes en la línea de
cabezas. .............................................................................. 134
3.3.1. Selección del tipo de intercambiador. ..................... 134
3.3.2. Justificación de este intercambiador. ...................... 134
3.3.3. Materiales de construcción. .................................... 134
3.3.4. Calor intercambiado. ............................................... 135
3.3.5. Características de los intercambiadores. ................ 137
3.3.6. Cálculo del área del intercambiador. ....................... 138
3.3.7. Dimensionamiento de los tubos del intercambiador.
........................................................................................... 141
3.3.8. Otros elementos...................................................... 148
3.3.9. Diseño mecánico del intercambiador. ..................... 153
3.3.10. Pérdidas de carga en tubos. ................................. 155
3.3.11. Diseño de los otros intercambiadores de la línea. 156
3.4. Diseño del intercambiador de calor de la corriente de colas
(IC-02).................................................................................. 158
3.4.1. Selección de un tipo de intercambiador. ................. 158
3.4.2 Justificación de este intercambiador. ....................... 158
3.4.3. Asignación de los flujos. ......................................... 158
3.4.4. Calor intercambiado. ............................................... 159
3.4.5. Características del intercambiador. ......................... 160
3.4.6. Resultados del intercambiador IC-02. ..................... 160
ANEXO 4: Equipos auxiliares de la columna. .......................... 162
4.1. Introducción. .................................................................. 162
4.2. Diseño del condensador asociado a la columna (CD-01).
............................................................................................. 162
4.2.1. Selección de un tipo de condensador. .................... 162
4.2.2. Justificación de este intercambiador. ...................... 162
4.2.3. Asignación de flujos. ............................................... 163
4.2.4. Calor intercambiado. ............................................... 163
4.2.5. Características del intercambiador. ........................ 165
4.2.6. Resultados del condensador CD-01. ...................... 165
4.3. Diseño del reboiler asociado a la columna (RB-01). ..... 167
4.3.1. Selección del tipo de reboiler. ................................. 167
4.3.2. Justificación de este equipo. ................................... 167
4.3.3. Asignación de flujos. ............................................... 167
4.3.4. Calor intercambiado. ............................................... 168
4.3.5. Características del intercambiador. ........................ 169
4.3.6. Resultados del intercambiador. .............................. 170
4.3.7. Elementos propios del reboiler. .............................. 171
4.4. Diseño del acumulador de reflujo (BR-01). ................... 172
4.4.1. Justificación de este equipo. ................................... 172
4.4.2. Dimensionamiento del acumulador. ........................ 172
4.4.3. Diseño mecánico del acumulador. .......................... 178
4.4.4. Soporte del acumulador.......................................... 183
ANEXO 5: Equipos de almacenamiento. ................................. 184
5.1. Introducción. .................................................................. 184
5.2. Tanques de almacenamiento de alimentación. ............. 184
5.2.1. Diseño mecánico del tanque................................... 186
5.2.2. Elementos adicionales. ........................................... 199
5.3. Tanque de almacenamiento de producto de cabezas. .. 204
5.3.1. Diseño mecánico del tanque................................... 205
5.3.2. Depósito Rundown. ................................................ 214
5.3.3. Elementos adicionales. ........................................... 225
5.4. Tanque de almacenamiento de producto de colas. ....... 228
5.4.1. Diseño mecánico del tanque................................... 229
5.4.2. Depósito de Rundown. ........................................... 238
5.4.3. Elementos adicionales. ........................................... 248
ANEXO 6: Sistemas de tuberías y accesorios. ........................ 252
6.1. Consideraciones previas: Diseño de tuberías. .............. 252
6.2. Líneas del proceso. ....................................................... 252
6.3. Línea 1: Depósito-Torre................................................. 253
6.3.1. Conducciones presentes en la línea. ..................... 253
6.3.2. Diseño de la línea de tuberías. .............................. 253
6.4. Línea 2: De la torre al depósito de cabeza. ................... 260
6.4.1. Conducciones presentes en la línea. ...................... 260
6.4.2. Diseño de la línea de tuberías. ............................... 261
6.5. Línea 3: De la columna al depósito de colas. ................ 264
6.5.1. Definición de las conducciones. .............................. 264
6.5.2. Diseño de la línea de tuberías. ............................... 265
6.6. Pérdida de carga en las conducciones. ......................... 267
6.6.1. Línea 1 (Alimentación): Del parque de tanques de
alimentación (TA-01) a la columna (T-01). ........................ 270
6.6.2. Línea 2 (Cabezas): De la columna al parque de
almacenamiento de producto de cabezas. ........................ 276
6.6.3. Línea 3 (Colas): De la columna al parque de
almacenamiento del producto de colas. ............................ 277
ANEXO 7: Sistemas de impulsión............................................ 280
7.1. Localización de las bombas dentro del sistema. ........... 280
7.2. Elección de un tipo de bomba. ...................................... 280
7.3. Parámetros característicos. ........................................... 281
7.3.1. Pérdidas de carga. .................................................. 281
7.3.2. Carga efectiva. ........................................................ 282
7.3.3. Potencia de la bomba. ............................................ 284
7.4. Altura neta de succión positiva disponible. .................... 285
ANEXO 8: Tablas y gráficas. ................................................... 290
ANEXO 9: Estudio Económico. ................................................ 303
9.1. Ingreso anual neto......................................................... 303
9.2. Beneficio bruto. ............................................................. 303
9.3. Amortización.................................................................. 303
9.4. Beneficio neto anual. ..................................................... 304
9.4.1. Factor de amortización. .......................................... 304
9.4.2. Beneficio neto. ........................................................ 305
9.5. Rentabilidad. ................................................................. 305
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Diagrama de la columna de rectificación. ............................. 20
Figura 2: Algoritmo de cálculo de Henley & Seader. ........................... 20
Figura 3: Ábaco para calcular los valores de k en sistemas de
hidrocarburos ligeros. ........................................................................... 22
Figura 4: Gráfica de Gilligand. ............................................................. 32
Figura 5: Datos obtenidos mediante el método Corto. ........................ 35
Figura 6: Esquema de la zona de rectificación. ................................... 37
Figura 7: Gráfica de Lockett para estimar el número de pasos. .......... 41
Figura 8: Cálculo del arrastre fraccional. ............................................. 47
Figura 9: Gráfica para estimar la máxima carga en vertedero. ............ 56
Figura 10: Gráfica de O'Conell. ........................................................... 68
Figura 11: Gráfica de Lockhart y Legget. ............................................ 69
Figura 12: Gráfica para el cálculo de la rugosidad relativa. ............... 132
Figura 13: Distribución en planta. ...................................................... 269
Figura 14: Gráfica de selección de bombas. ..................................... 281
Figura A. 1: Gráfica de Moody. ........................................................... 290
Figura A. 2: Parámetros correctores E y R ......................................... 295
Figura A. 3: Gráfica de Abiakins. (Megsey 2.000). ............................. 301
Figura A. 4: Diagrama de la escalerilla. .............................................. 302
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla I: ................................................................................................. 16
Tabla II: ................................................................................................ 17
Tabla III: ............................................................................................... 19
Tabla IV: ............................................................................................... 24
Tabla V: ................................................................................................ 24
Tabla VI: ............................................................................................... 25
Tabla VII: .............................................................................................. 28
Tabla VIII: ............................................................................................. 30
Tabla IX: ............................................................................................... 30
Tabla X: ................................................................................................ 31
Tabla XI: ............................................................................................... 40
Tabla XII: .............................................................................................. 40
Tabla XIII: ............................................................................................. 41
Tabla XIV:............................................................................................. 42
Tabla XV:.............................................................................................. 43
Tabla XVI:............................................................................................. 50
Tabla XVII:............................................................................................ 51
Tabla XVIII:........................................................................................... 53
Tabla XIX:............................................................................................. 67
Tabla XX:.............................................................................................. 70
Tabla XXI:............................................................................................. 73
Tabla XXII:............................................................................................ 78
Tabla XXIII:........................................................................................... 82
Tabla XXIV: .......................................................................................... 82
Tabla XXV: ........................................................................................... 83
Tabla XXVI: .......................................................................................... 85
Tabla XXVII: ......................................................................................... 87
Tabla XXVIII: ........................................................................................ 88
Tabla XXIX: .......................................................................................... 98
Tabla XXX: ......................................................................................... 100
Tabla XXXI: ........................................................................................ 100
Tabla XXXII: ....................................................................................... 102
Tabla XXXIII: ...................................................................................... 110
Tabla XXXIV: ...................................................................................... 113
Tabla XXXV: ....................................................................................... 116
Tabla XXXVI: ...................................................................................... 118
Tabla XXXVII: ..................................................................................... 119
Tabla XXXVIII: .................................................................................... 123
Tabla XXXIX: ...................................................................................... 135
Tabla XL: ............................................................................................ 136
Tabla XLI: ........................................................................................... 136
Tabla XLII: .......................................................................................... 137
Tabla XLIII: ......................................................................................... 139
Tabla XLIV: ......................................................................................... 139
Tabla XLV: .......................................................................................... 140
Tabla XLVI: ......................................................................................... 140
Tabla XLVII: ........................................................................................ 142
Tabla XLVIII: ....................................................................................... 157
Tabla XLIX: ......................................................................................... 159
Tabla L: .............................................................................................. 159
Tabla LI: ............................................................................................. 161
Tabla LII:............................................................................................. 163
Tabla LIII:............................................................................................ 164
Tabla LIV: ........................................................................................... 166
Tabla LV: ............................................................................................ 168
Tabla LVI: ........................................................................................... 168
Tabla LVII: .......................................................................................... 170
Tabla LVIII: ......................................................................................... 173
Tabla LIX: ........................................................................................... 177
Tabla LX: ............................................................................................ 187
Tabla LXI: ........................................................................................... 188
Tabla LXII: .......................................................................................... 193
Tabla LXIII: ......................................................................................... 200
Tabla LXIV: ......................................................................................... 200
Tabla LXV: .......................................................................................... 202
Tabla LXVI: ......................................................................................... 203
Tabla LXVII: ........................................................................................ 225
Tabla LXVIII: ....................................................................................... 225
Tabla LXIX: ......................................................................................... 227
Tabla LXX: .......................................................................................... 248
Tabla LXXI: ......................................................................................... 249
Tabla LXXII: ........................................................................................ 250
Tabla LXXIII: ....................................................................................... 253
Tabla LXXIV: ...................................................................................... 258
Tabla LXXV: ....................................................................................... 259
Tabla LXXVI: ...................................................................................... 259
Tabla LXXVII: ..................................................................................... 260
Tabla LXXVIII: .................................................................................... 261
Tabla LXXIX: ...................................................................................... 262
Tabla LXXX: ....................................................................................... 262
Tabla LXXXI: ...................................................................................... 263
Tabla LXXXII: ..................................................................................... 263
Tabla LXXXIII: .................................................................................... 264
Tabla LXXXIV: .................................................................................... 265
Tabla LXXXV: ..................................................................................... 265
Tabla LXXXVI: .................................................................................... 266
Tabla LXXXVII: ................................................................................... 266
Tabla LXXXVIII: .................................................................................. 267
Tabla LXXXIX: .................................................................................... 267
Tabla XC: ........................................................................................... 270
Tabla XCII: ......................................................................................... 271
Tabla XCI: .......................................................................................... 271
Tabla XCIII: ........................................................................................ 273
Tabla XCIV: ........................................................................................ 274
Tabla XCV: ......................................................................................... 275
Tabla XCVI: ........................................................................................ 275
Tabla XCVII: ....................................................................................... 277
Tabla XCVIII: ...................................................................................... 277
Tabla XCIX: ........................................................................................ 278
Tabla C: .............................................................................................. 278
Tabla CI: ............................................................................................. 282
Tabla CII: ............................................................................................ 283
Tabla CIII: ........................................................................................... 283
Tabla CIV: .......................................................................................... 284
Tabla CV: ........................................................................................... 285
Tabla CVI: .......................................................................................... 286
Tabla CVII: ......................................................................................... 287
Tabla CVIII: ........................................................................................ 287
Tabla CIX: .......................................................................................... 288
Tabla CX: ........................................................................................... 288
Tabla CXI: .......................................................................................... 289
Tabla A. I: ........................................................................................... 291
Tabla A. II: .......................................................................................... 292
Tabla A. III: ......................................................................................... 292
Tabla A. IV: ......................................................................................... 293
Tabla A. V: .......................................................................................... 293
Tabla A. VI: ......................................................................................... 294
Tabla A. VII: ........................................................................................ 294
Tabla A. VIII: ....................................................................................... 294
Tabla A. IX: ......................................................................................... 295
Tabla A. X: .......................................................................................... 296
Tabla A. XI: ......................................................................................... 297
Tabla A. XII: ........................................................................................ 298
Tabla A. XIII: ....................................................................................... 299
Tabla A. XIV: ...................................................................................... 300
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
ANEXO 1: Criterios de selección de equipos.
1.1. Equipos de separación.
La separación de la corriente de alimentación se efectuará por
medio de una destilación. Ésta se puede realizar por medio de una
columna de platos o una de relleno.
1. Columna de platos: Columna en donde se establecen equilibrios
en los platos.
2. Columnas de relleno: En lugar de platos tienen relleno. El
intercambio de materia se produce en toda la columna.
Dado que las de relleno no son idóneas para tratar grandes
caudales se escoge una columna de platos. Una vez seleccionado el tipo
de torre es necesario decidir qué tipo de plato se va a instaurar. Se
escoge entre los siguientes:
1. Platos perforados: Su mayor virtud es su versatilidad y su bajo
coste.
2. Platos de válvula: Presentan la ventaja de tener un bajo bloque por
vapor y el inconveniente de ser de un 5 a un 10 % más caros que
los platos perforados.
3. Campanas de borboteo: Se usan en casos excepcionales de
requerir un bajo bloqueo por vapor. Son muy caros.
4. Platos de ranura o rejilla: Funcionan bien con los problemas de la
columna. Alta eficacia.
5. Platos de chorro: Para trabajar con alta capacidad de líquido pese
a ser propensos a la sopladura del mismo.
En el presente proyecto se aborda el diseño de platos perforados
el más típico y convencional de los platos en procesos de destilación, su
bajo costo, versatilidad y disponibilidad han hecho que se conviertan en
Anexos
Página 1
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
los platos más importantes. Éstos consisten en un simple plato con
orificios en su base de manera que el vapor pueda fluir a través de ellos
poniéndose en contacto con el líquido, el cual se acumula gracias a una
presa. Una vez superada la altura de la presa desciende al plato
siguiente a través de los vertederos, que pueden ser tuberías circulares o
simples partes de la sección transversal de la torre, eliminadas para que
el líquido fluya de un nivel a otro.
Fondos y cabezales.
Es necesaria la elección de un tipo de fondo y cabezal para la
columna. Los más usados son los fondos toriesféricos de los que hay dos
tipos:
1. Korboggen.
2. Klopper.
El fondo que se seleccionará será Klopper, ya que las condiciones
de operación de la columna no se ajustan a los criterios establecidos por
los fondos Korboggen expuestos a continuación.
1. Presión de diseño igual o superior a 7 kg·cm-2.
2. Temperatura de diseño superior a 350 ºC.
3. Recipientes verticales cuya relación altura/diámetro sea superior a
10.
Soportes.
Se diseñará la columna como una unidad autosoportada. Para ello
es necesario escoger entre diferentes sistemas:
1. Faldones.
2. Silletas.
3. Patas.
4. Consolas.
El uso de faldones está especialmente recomendado para
unidades que cumplen al menos una de las siguientes condiciones:
1. El diámetro de la envolvente ha de ser mayor a 1,5 m.
2. La relación altura/diámetro del recipiente ha de ser mayor a 5.
3. Se pueden esperar vibraciones.
Anexos
Página 2
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
4. La masa del recipiente lleno ha de ser superior a 15 ton
Se cumplen las tres primeras, por lo que la unidad de soporte
serán faldones.
1.1.1. Normativa seguida.
En el diseño de este equipo se ha seguido el Código ASME
sección VIII para el diseño mecánico, ya que se considera la torre como
un recipiente sometido a presión.
1.1.2. Material seleccionado.
De entre todos los posibles materiales seleccionables se ha
escogido el acero al carbono SA-285, pues es el que aúna una viabilidad
técnica y económica.
Los aceros al carbono es el material usado con más frecuencia. Es
barato y está disponible en multitud de formas y tamaños. Tiene una
buena resistencia a la tracción y ductilidad.
Como inconveniente más destacado resalta que es poco resistente
a la corrosión, pero se ha escogido por la ausencia de productos
corrosivos en el proceso.
En Tabla A.I del anexo 8 se observa la viabilidad de los
materiales seleccionados para las distintas funciones que van a cumplir.
1.2. Equipos de transferencia de calor.
1.2.1. Intercambiadores de calor.
En la industria uno de los equipos más extendidos son los
intercambiadores de calor ya que en las plantas se intenta malgastar el
mínimo de energía posible. Aquí es donde intervienen estos dispositivos,
Anexos
Página 3
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
ya que son capaces de aumentar la temperatura de una corriente
enfriando otra.
Pueden ser de diferente tipo:
1. Intercambiador de calor de carcasas y tubos.
2. Intercambiador de calor de doble tubos.
3. Intercambiador de calor de placas.
4. Aerorrefrigerantes.
Los intercambiadores de calor de carcasas y tubos son los
intercambiadores de calor de mayor uso y difusión e la industria
petroquímica y petrolera por su versatilidad, facilidad para la limpieza. El
aparato está constituido por un haz de tubos montados sobre dos placas
tubulares que llevan un número determinado de placas deflectoras. En
cada extremo se fijan las cajas de distribución que aseguran la
circulación del fluido por el interior del haz. Éste está alojado en una
carcasa provista de una tobera de entrada y otra de salida para el
segundo fluido que circula por el exterior de los tubos, siguiendo el
camino impuesto por las placas deflectoras.
El intercambiador de doble tubos está constituido por elementos
rectilíneos de los tubos concéntricos unidos por sus extremidades
mediante tubos. Todos los elementos del aparato están unidos por
empalmes que permite desmontarlos rápidamente para la limpieza o la
substitución de los tubos.
El intercambiador de calor de placas, por el contrario se basan en
sustituir las superficies tubulares por placas.
Los aerorrefrigerantes son un conjunto de tubos aleteados
dispuestos en forma de haz por donde circula el fluido a condensar o
enfriar. El refrigerante que se utiliza es aire que circula por el exterior de
los tubos en flujo cruzado impulsado (tiro forzado) o aspirado (tiro
inducido) por ventiladores.
Anexos
Página 4
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
1.2.1. Ventajas y desventajas.
Carcasas y tubos.
Ventajas:
1. Gran facilidad de limpieza y mantenimiento.
2. Gran versatilidad.
3. Gran superficie de transferencia
Doble tubos.
Ventajas:
1. Fáciles de desmontar.
2. Operando en contracorriente se obtienen altos rendimientos.
Desventajas:
1. Riesgos de fugas en los empalmes.
2. Flexión del tubo interior si es demasiado largo.
3. Superficie de transferencia pequeña en relación al volumen global.
Por placas.
Ventajas:
1.
2.
3.
4.
5.
Mayor tasa de transferencia de calor.
Producen nuevos ensuciamientos.
Facilidad de limpieza.
Facilidad de mantenimiento.
Ocupan menos espacio
Desventajas.
1. Elección de los fluidos está limitada por la resistencia química de
las placas y juntas, así como la temperatura de trabajo. Su
temperatura de trabajo ha de estar comprendida entre 25-150 ºC.
Anexos
Página 5
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
2. El intervalo de presión en la abertura de las placas limita el caudal
que fluye a través de ellas.
3. Muy caros
Aerorrefrigerantes.
Ventajas,
1. Ahorro energético y conservación medioambiental.
2. Pese a su elevado coste de inversión a la larga son más rentables.
3. Presentan mejor eficacia, pues consiguen incrementos de
temperatura de 10 a 15 ºC.
Desventajas.
1. Requieren áreas muy elevadas.
2. Son ruidosos.
3. Para fluidos viscosos se encarece el equipo, pues se necesita más
área de intercambio de calor.
1.2.2. Selección de un tipo de equipo.
Se instalarán intercambiadores de calor en la alimentación,
cabezas y colas de columna.
Los intercambiadores de calor por placas no se utilizan para
alimentación y cabezas por debido a que no son aptos para grandes
caudales. Adicionalmente para la corriente de colas no es posible
utilizarlos ya que la temperatura de la línea está fuera del intervalo óptimo
para su funcionamiento.
Por otro lado, los intercambiadores de calor de doble tubo no son
aconsejables, ya que requieren una alta superficie para la transferencia
de materia y es posible que se produzcan fugas del fluido, el cual es
tóxico.
Para la corriente de cabezas se instalaran aerorrefrigerantes
principalmente por motivos económicos y medioambientales. De esta
Anexos
Página 6
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
manera se reducirá la temperatura de la corriente hasta un valor óptimo
para su almacenamiento. También se usaran para condensar el vapor
proveniente de la columna.
Para calentar la alimentación, vaporizar la corriente líquida
proveniente de columna y enfriar la corriente de colas se usaran
intercambiadores de calor de carcasas y tubos. Diferenciar que el
calentamiento del líquido inferior de la columna se hace en un reboiler,
cuyo uso y selección se justificará posteriormente.
1.2.3. Normativa.
Son aplicables las normas ASME, concretamente la sección VIII
división 1, concerniente a los recipientes a presión, donde se establecen
las normas referidas a su construcción.
Por la ambigüedad de este reglamento, se aplicaran las normas
TEMA, destinadas a la regulación del diseño y fabricación de los
intercambiadores de calor de carcasas y tubos.
Como complemento a las anteriores normas también se aplicará
mínimamente la norma API 660. Para el diseño de los haces tubulares se
aplica la norma ANSI B31.3.
1.2.4. Material.
Habrá que seleccionar material tanto para la carcasa como para
las tuberías pertenecientes al haz de tubos.
Para la carcasa, ante la ausencia de productos corrosivos, se
escoge acero al carbono SA-285, ya que según la Tabla A.I del anexo 8
es el idóneo para calderas para servicio estacionario y recipientes en
general. Sin embargo para las tuberías se elige acero al carbono SA-106,
puesto que es el idóneo para servicios a altas temperaturas como el que
se trabaja aquí.
Anexos
Página 7
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
1.3. Equipos auxiliares de la columna.
Los equipos asociados a la columna son también dispositivos de
intercambio de calor, uno para condensar (cabezas) y otro para producir
una vaporización parcial de la columna (colas).
Para el primero se puede adoptar un aerorrefrigerante, mientras
que para el segundo un reboiler.
Los aerorrefrigerantes son equipos de intercambio de calor que
están sustituyendo poco a poco a los intercambiadores de calor de
carcasas y tubos refrigerados por agua, ya que suponen un ahorro
considerable en equipos de bombeo, tuberías y mantenimiento entre
otros.
Por el contrario, para producir la vaporización parcial de la
corriente de colas se instalará un reboiler tipo Kettle. En estos el fluido a
vaporizar circula por el interior de los tubos, mientras que el fluido
calefactor lo hace por la carcasa. Poseen un espacio adicional entre la
carcasa y los tubos donde se produce la separación de la fase líquida de
la de vapor. La fase líquida se retira de la columna como líquido residual.
Se utilizan por tres razones:
1. Son fáciles de mantener y controlar.
2. No hay límite en la carga de vapor.
Los condensadores funcionan al poner en contacto un vapor con
un fluido más frio a través de una superficie metálica. Estas semejanzas
morfológicas y de concepto con los intercambiadores de calor hacen que
se engloben dentro de este apartado.
Como se mencionó anteriormente se ha escogido un condensador
enfriado por aire. Éstos a su vez pueden ser de tubos lisos o aleteados.
Se clasifican dependiendo del modo de circulación del aire en tiro
inducido o forzado. Aquellos que presentan tubos aleteados son más
eficaces que los lisos ya que tienen una mayor superficie de contacto.
Inicialmente el coste de inmovilizado es mayor, pero se instalan estos ya
que debido al ahorro significativo que se produce con el aire (se usa aire
como fluido refrigerante al ser gratis en lugar de agua) inclinan la balanza
a su favor.
Anexos
Página 8
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
1.4. Equipos de impulsión.
Las bombas se clasifican en función de cómo se produce la
impulsión del fluido, aunque se pueden englobar en dos.
1. Bombas de centrífugas: Por acción de una fuerza centrífuga.
2. Bombas de desplazamiento positivo: Por desplazamiento
volumétrico del fluido.
La selección del tipo de bomba se realiza a según la altura útil de
impulsión y el caudal de impulsión (H). La selección se hace mediante un
método gráfico.
Se escogerán bombas centrífugas por su gran versatilidad, bajo
coste, diseño, operación y mantenimiento sencillo.
Poseen la siguiente morfología:
1. Tubería de aspiración.
2. Impulsor o rodete: Está formado por álabes que giran dentro de
una carcasa circular. Es la parte móvil de la bomba.
3. Carcasa o voluta: Tiene forma de caracol. La separación entre la
carcasa y el rodete es mínima en la parte superior y va
aumentando a medida que se acerca a la parte inferior.
4. Tubería de impulsión.
1.5. Equipos de almacenamiento.
A la hora de escoger el tipo de tanques de almacenamiento más
apropiado es necesario conocer la funcionalidad de cada una de las
posibles elecciones.
En primer lugar se produce la siguiente diferenciación:
Anexos
Página 9
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
1. Cilíndricos horizontales: Generalmente se usan para
almacenar pequeños volúmenes.
2. Cilíndricos verticales de fondo plano: Permiten almacenar
grandes volúmenes a bajo coste.
No se han tenido en cuenta depósitos esféricos debido a que estos
están destinados al almacenamiento de gases.
En el caso del presente fin de carrera y tal y como se comprueba
posteriormente, todos los tanques poseen un elevado volumen, por lo
que se proyectaran como equipos cilíndricos verticales.
Para fundamentar más la primera criba destacar que los equipos
cilíndricos verticales de fondo plano solo pueden operar a presiones
internas bajas o atmosférica, tal y como se operará en el caso que se
desarrolla. Puntualizar también que según la bibliografía consultada, para
una producción superior a los 1.000 gal se recomienda el uso de tanques
cilíndricos verticales.
A su vez, estos tanques se clasifican en función del tipo de techo
que tengan:
1. Tanques de techo fijo: Se emplean cuando el producto
almacenado necesita mantener un alto grado de pureza. Su techo
suele ser cilíndrico con un radio comprendido entre 0,8-1,2 veces
el diámetro del cuerpo del cilindro.
2. Tanques de techo flotante: Son un buen complemento para los
tanques de techo fijo. Están preparados para recibir grandes
volúmenes en poco tiempo, por ello suelen ser grandes y
almacenar productos no elaborados.
3. Tanques de techo fijo y flotante: Una mezcla de los dos anteriores,
combinando características de ambos. El techo flotante en este
caso no ha de soportar agentes atmosféricos.
4. Tanques de techo abierto: Se emplean para almacenar productos
en los que no importa su contaminación, como por ejemplo agua.
Anexos
Página 10
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
El techo flotante mencionado en la anterior clasificación no es más
que una estructura a modo de tapadera que se desplaza por la
envolvente, similar a un émbolo, apoyado sobre el producto de manera
que no exista una cámara de gases. El cierre que propicia es hermético.
Ha de ser capaz de drenar el agua de lluvia y resistir las inclemencias del
tiempo.
Debido a la presencia de compuestos tóxicos en las corrientes, así
como de compuestos volátiles tales como el benceno; aunque en
pequeñas cantidades; se seleccionaran tanques de techo fijo y flotante,
ya que de esta manera se evita la formación de cámaras de vapor de
compuestos tóxicos entre la superficie del líquido y el techo, lo que puede
desembocar en peligros para la integridad del tanque y el medio
ambiente y se evita la pérdida de producto almacenado por evaporación.
Dentro de los posibles techos fijos se pueden seleccionar las
siguientes posibilidades:
1. Techo fijo cónico.
2. Techo fijo tipo domo.
3. Techo fijo tipo sombrilla.
Por consideraciones de tamaño y económicas se han escogidos
techos fijos cónicos, ya que tanto los techos tipo domo o sombrilla
encarecerían la instalación.
A su vez estos techos pueden ser autosoportados o requerir de
apoyo. Tanto los tanques de alimentación como de cabezas poseen
diámetros mayores a los 12,192 m, por lo que requerirán estructuras de
apoyo para los techos. Por otro lado el diámetro de los tanques de colas
es inferior, por lo que podrán ser autosoportados.
Los depósitos de rundown situados tanto en cabezas como en
colas de producción tendrán diámetros inferiores, por lo que también
usaran techos autosoportados.
Todos los tanques de la planta serán de techo cónico con apoyo
externo salvo los correpondientes a la corriente de colas (T-03).
Anexos
Página 11
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
1.5.1. Normativa.
Para el diseño de estos equipos se ha seguido esencialmente la
siguiente normativa:
1. Norma API 650: Para aquellos tanques que almacenan producto a
condiciones atmosféricas.
2. Código ASME División VIII.
1.5.2. Material seleccionado.
Como material de los depósitos se escoge acero al carbono SA285, por las mismas razones que se seleccionó para la columna de
destilación, tal y como figura en la Tabla A.I del anexo 8
Anexos
Página 12
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
ANEXO 2: Diseño de la columna de rectificación.
En el presente anexo se realizará el diseño de la columna de
rectificación de la unidad de separación. En ella entra una mezcla
multicomponente de tolueno, benceno y bifenilo.
2.1. Caracterización de las corrientes.
2.1.1. Información previa.
Para el diseño de la columna es necesario conocer las
características de las corrientes que entran y salen de la misma las
cuales son las siguientes:
1. Alimentación (F): Es la corriente que entra a la columna. Está
completamente definida por ser la corriente proveniente de la
columna de benceno.
2. Destilado (D): Es la corriente de salida del sistema por la parte
superior de la misma. Es rica en tolueno.
3. Colas (W): Es la corriente de salida del sistema por la parte inferior
del mismo, al ser el líquido no vaporizado proveniente de la
columna. Es rica en bifenilo.
De estas corrientes se conocen algunos datos, ya que fueron
definidos en la petición del Proyecto Fin de Carrera.
Alimentación.
Está totalmente definida con un caudal de 772,944 kmol·h-1 y las
siguientes composiciones molares, 98,98% tolueno, 0,5% de benceno y
0,52% de bifenilo.
Anexos
Página 13
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Destilado.
Por esta corriente sale todo el benceno al ser el compuesto más
volátil (es el componente no-clave), el bifenilo que no sale por colas y la
mayoría del tolueno con una pureza del 99,5% con un caudal de
70.750,73 kg·h-1.
Colas.
Por esta corriente sale el tolueno que no lo hace por el destilado,
así como la mayoría del bifenilo.
2.1.2. Cálculo de las composiciones y caudales de cada corriente.
Para conocer las características de las corrientes es necesario
aplicar un balance de materia a cada una y a la columna.
𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 + 𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 − 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜
A este balance global hay que hacerle una serie de
simplificaciones que simplificaran el cálculo de manera significativa. Las
simplificaciones son:
1. Estado estacionario: Se supone estado estacionario, por lo que no
se acumula nada.
𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 0
2. Modelo caja negra: Se supone un sistema tipo caja negra,
considerando únicamente las entradas y salidas.
Anexos
Página 14
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
3. No existe reacción química dentro del sistema: Es un sistema de
separación, no de reacción, por lo que dentro del mismo no habrá
ninguna reacción.
𝐺𝑒𝑛𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 = 0
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 = 0
Es decir, el balance inicial queda:
𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
[𝐴. 2.1]
Aplicando esta ecuación a la columna:
𝐹 =𝐷+𝑊
[𝐴. 2.2. ]
Donde:
F: Es la corriente de alimentación que entra a la columna en
caudales molares (kmol·h-1).
D: Es la corriente de destilado o cabezas que sale de la columna
en caudales molares (kmol·h-1).
W: Es la corriente de colas que sale de la columna en caudales
molares (kmol·h-1).
La alimentación del proceso es una corriente que se encuentra
totalmente definida, puesto que es la corriente de colas de la columna
anterior del proceso de hidrodesalquilación y cuyo diseño corre a cargo
de Dª Juliana Jiménez Tocino en el proyecto “ Diseño de una columna
de rectificación para la separación de benceno a partir de una
mezcla de benceno, tolueno y bifenilo” aprobado por la comisión el 14
de diciembre de 2.009.
Anexos
Página 15
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Por lo que la información de la alimentación se resume en la Tabla
I mostrada a continuación.
Tabla I:
Composiciones y cantidades de la alimentación (F).
ALIMENTACIÓN
Cantidad
Compuesto
Composición
(kmol·h-1)
Tolueno
765,044
0,9898
Benceno
3,861
0,0050
Bifenilo
4,010
0,0052
TOTAL (F)
772,944
1
Definida la corriente de alimentación se procede a hacer lo mismo
con el destilado. De ésta se conoce únicamente el caudal total,
70.750,54 kg·h-1 y la pureza del tolueno, 99,50%. En primer lugar para
futuros cálculos es preciso trabajar en unidades molares, por lo que:
𝐷𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 70.750,54
𝑘𝑔 1 𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑘𝑚𝑜𝑙
·
= 768,532
𝑕 92,06 𝑘𝑔
𝑕
Con estos datos es posible determinar la cantidad de tolueno que
se purifica mediante la siguiente expresión:
𝐷𝑇𝑜𝑙𝑢𝑒𝑛𝑜 = 𝐷𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 · 𝑥𝐷𝑇𝑜𝑙𝑢𝑒𝑛𝑜
𝐷𝑇𝑜𝑙𝑢𝑒𝑛𝑜 = 768,532 · 0,995 = 764,658
𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑕
[𝐴. 2.1]
Al salir todo el benceno que entra al sistema por la corriente de
cabezas es posible calcular la cantidad de bifenilo que abandona la
columna con esta corriente, ya que se conoce el caudal total de la
corriente y la participación en la misma de dos de los tres componentes
que la conforman, por lo que:
Anexos
Página 16
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐷𝐵𝑒𝑛𝑐𝑒𝑛𝑜 = 3,861
𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑏𝑒𝑛𝑐𝑒𝑛𝑜
𝑕
𝐷𝐵𝑖𝑓𝑒𝑛𝑖𝑙𝑜 = 768,532 − 764,658 − 3,861 = 0,013
𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑓𝑒𝑛𝑖𝑙𝑜
𝑕
Donde:
𝐷𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 : Es el caudal molar de la corriente de destilado (kmol·h -1).
𝐷𝑇𝑜𝑙𝑢𝑒𝑛𝑜 : Es la cantidad de tolueno presente en la corriente de
destilado (kmol·h-1).
𝐷𝐵𝑒𝑛𝑐𝑒𝑛𝑜 : Es la cantidad de benceno presente en la corriente de
destilado (kmol·h-1).
𝐷𝐵𝑖𝑓𝑒𝑛𝑖𝑙𝑜 : Es la cantidad de bifenilo presente en la corriente de
destilado (kmol·h-1).
Para determinar las composiciones de cada componente en la
corriente habrá que dividir la cantidad del mismo entre el valor total de la
corriente, como figura en la siguiente ecuación.
𝑥𝐷 𝐵𝑒𝑛𝑐𝑒𝑛𝑜𝑜 =
3,861
= 0,005
768,532
Donde 𝑥𝐷 𝐵𝑒𝑛𝑐𝑒𝑛𝑜𝑜 es la composición de benceno en la corriente de
destilado. Haciendo lo mismo para el resto de componentes se calculan
sus composiciones recogidas en la Tabla II.
Tabla II:
Composiciones y cantidades del destilado (D).
DESTILADO
Cantidad
Compuesto
Composición
(kmol·h-1)
Tolueno
764,658
0,995
Benceno
3,861
0,005
Bifenilo
0,013
1,744·10-5
TOTAL (D)
768,532
1
Anexos
Página 17
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Por último queda definir la composición de la corriente de colas
que abandona el sistema, por donde saldrá la mayoría del bifenilo y el
restante tolueno. Esto se hace reordenando y aplicando la ecuación
[A.2.2.].
𝑊 = 𝐹 − 𝐷 = 772,944 − 768,532 = 4,412
𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑕
Esta corriente estará formada principalmente por bifenilo y el resto
de la misma será tolueno, puesto que el benceno es el componente no
clave. Aplicando un balance global a cada compuesto, teniendo en
cuenta que por esta corriente no sale nada de benceno.
Bifenilo.
𝑊𝐵𝑖𝑓𝑒𝑛𝑖𝑙𝑜 = 𝐹𝐵𝑖𝑓𝑒𝑛𝑖𝑙𝑜 − 𝐷𝐵𝑖𝑓𝑒𝑛𝑖𝑙𝑜 = 4,010 − 0,013 = 3,997
𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑏𝑖𝑓𝑒𝑛𝑖𝑙𝑜
𝑕
Donde:
𝑊𝐵𝑖𝑓𝑒𝑛𝑖𝑙𝑜 : Es la cantidad de bifenilo que sale en la corriente de
colas (kmol·h-1).
𝐹𝐵𝑖𝑓𝑒𝑛𝑖𝑙𝑜 : Es la cantidad de bifenilo que entra a la torre en la
corriente de alimentación (kmol·h-1).
𝐷𝐵𝑖𝑓𝑒𝑛𝑖𝑙𝑜 : Es la cantidad de bifenilo que sale en la corriente de
destilado (kmol·h-1).
Tolueno.
𝑊𝑇𝑜𝑙 = 𝐹𝑇𝑜𝑙 − 𝐷𝑇𝑜𝑙 = 765,070 − 764,658 = 0,412
Anexos
𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑡𝑜𝑙𝑢𝑒𝑛𝑜
𝑕
Página 18
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Donde:
𝑊𝑇𝑜𝑙 : Es la cantidad de tolueno que sale en la corriente de colas
(kmol·h-1).
𝐹𝑡𝑜𝑙 : Es la cantidad de tolueno que entra a la torre en la corriente
de alimentación (kmol·h-1).
𝐷𝑡𝑜𝑙 : Es la cantidad de tolueno que sale en la corriente de destilado
(kmol·h-1).
Análogamente a la corriente de destilado es preciso calcular la
composición de la corriente de colas del mismo modo.
𝑥𝑊 𝑇𝑜𝑙𝑢𝑒𝑛𝑜 =
0,412
= 0,093
4,412
Donde 𝑥𝑊 𝑇𝑜𝑙𝑢𝑒𝑛𝑜 es la composición de tolueno en la corriente de
colas. Haciendo lo mismo para el resto de componentes se calculan sus
composiciones recogidas en la Tabla III.
Tabla III:
Composiciones y cantidades de colas (W).
Compuesto
Tolueno
Benceno
Bifenilo
TOTAL (W)
COLAS
Cantidad
(kmol·h-1)
0,412
3,997
4,412
Composición
0,093
0,914
1
En la Figura 1 se puede ver un diagrama de la columna se
separación con sus equipos auxiliares y donde se encuadran las
corrientes caracterizadas en el presente apartado.
Anexos
Página 19
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Destacar que en el diagrama existen otras corrientes cuyo caudal
y composición son desconocidas por el momento, pero que en
posteriores apartados se caracterizaran.
Figura 1: Diagrama de la columna de rectificación.
2.1.3. Selección de las condiciones de cada corriente.
Según la bibliografía consultada, la elección de las condiciones de
operación se realiza en base al algoritmo de diseño de Henley & Seader
mostrado en la Figura 2.
Figura 2: Algoritmo de cálculo de Henley & Seader.
(Henley E.J., Seader J.D, 1988)
Anexos
Página 20
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Dicho algoritmo se diseñó como una forma de resolución
secuencial en la que se pretende alcanzar en el condensador una presión
de diseño comprendida entre 0 y 415 psi (28,2 atm) para una temperatura
mínima de 49°C.
A la hora de determinar qué camino seguir para la resolución, es
necesario calcular la presión a la que la mezcla comienza a bullir a una
temperatura de 49°C. Como aproximación se pueden tomar las
propiedades del tolueno, ya que es el componente mayoritario y el que
más aportación tendrá a las propiedades finales de la mezcla.
Éste a presión atmosférica y según su ficha de seguridad posee
una temperatura de ebullición de 111°C. De manera que se puede
concluir que a 49°C la presión de vapor será inferior al valor máximo que
puede tomar según este proceso de cálculo, 215 psi (14,630 atm). Ya
que la presión estimada será inferior a 30 psi (2,068 atm), el algoritmo
aconseja reponerla hasta los 30 psi.
Esta presión se considerará como válida si al calcular la presión de
la corriente de colas su temperatura de burbuja se encuentra por debajo
de la temperatura crítica del bifenilo, compuesto mayoritario de la
corriente.
2.1.3.1.
Proceso de cálculo para la determinación de la presión y
temperatura de cada corriente.
Todas las corrientes que intervienen en el proceso son mezclas
multicomponentes, para cuya caracterización es necesario la estimación
de la temperatura de rocío y burbuja.
Estas temperaturas dependen únicamente de la constante de
equilibrio (Ki) y las composiciones de los componentes tanto en fase
gaseosa (yi) como líquida (xi).
Todas las corrientes que se han de estudiar son líquidas, por lo
que se conocen todas estas composiciones.
Para calcular las constantes de equilibrio en un principio se optó
por aplicar la Ley de Raoult, pero el sistema no cumplía los requisitos
establecidos por la misma para su aplicabilidad, ya que uno de los
Anexos
Página 21
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
criterios es que la volatilidad ha de ser próxima y en este caso el punto de
ebullición del componente menos volátil, el bifenilo, es de 256ºC y el del
más volátil, el benceno, de 80ºC.
El proceso tradicional para obtener las constantes de equilibrios es
recurrir a ábacos como el de la Figura 3.
Figura 3: Ábaco para calcular los valores de k en sistemas de
hidrocarburos ligeros.
(Smith J.M., Van Ness H.C., Abbott M.M., 2.003)
Con este ábaco se han de conocer la presión de trabajo y suponer
una temperatura. Trazando una línea que una la temperatura y la presión
Anexos
Página 22
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
se obtiene un valor de Ki en la intersección de esta línea con la escala del
compuesto deseado.
Posteriormente se recurre a las ecuaciones [A.2.3] y [A.2.4] para
comprobar que la temperatura seleccionada es correcta. Si
𝑥𝑖 · 𝐾𝑖 o
𝑦𝑖
𝐾𝑖
es distinto a uno se supone otra temperatura hasta que se cumpla esta
condición.
𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑏𝑢𝑟𝑏𝑢𝑗𝑎:
𝑦𝑖 =
𝑥𝑖 · 𝐾𝑖
[𝐴. 2.3]
𝑇𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑐í𝑜:
𝑥𝑖 =
𝑦𝑖
𝐾𝑖
[𝐴. 2.4]
Donde:
𝑦𝑖 : Es la composición de cada componente en la fase gaseosa.
𝑥𝑖 : Es la composición de cada componente en la fase líquida.
𝐾𝑖 : Es la constante de equilibrio.
Ante la imposibilidad de encontrar un ábaco con los componentes
del presente proyecto se opta por calcular las constantes de equilibrio y
las composiciones en la fase gaseosa de cada corriente a través del
soporte Aspen Hysys® versión 2.006.
Para ello se introducen en el programa las composiciones, la fase,
los caudales y las presiones determinadas mediante el algoritmo de
cálculo y el programa devuelve la temperatura, las composiciones en la
fase gaseosa y la constante de equilibrio.
2.1.3.2. Temperatura y presión de la corriente de alimentación (F).
Con motivo de facilitar los futuros cálculos de la columna se
supondrá en todo momento una presión promedio de 2,068atm.
Por lo que con esta presión y las composiciones recogidas en la
Tabla I se obtienen tanto las constantes de equilibrio de cada corriente
Anexos
Página 23
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
como su temperatura de burbuja, y estos valores se recogen en la Tabla
IV.
Tabla IV:
Composiciones y constantes de equilibrio de F a 2,068 atm.
Compuesto
Tolueno
Benceno
Bifenilo
Temperatura
(ºC)
xi
yi
Ki
137,7
0,9898
0,0050
0,0052
0,9896
0,0102
0,0001
0,9998
2,0494
0,0232
Aplicando la ecuación [A.2.3] se comprueba que la temperatura
reflejada en la tabla anterior es la temperatura de burbuja, ya que:
𝑦𝑖 =
𝑥𝑖 · 𝐾𝑖 = 1
2.1.3.3. Temperatura y presión de la corriente de destilado (D).
Se sigue el mismo procedimiento, la presión a la que se evaluarán
las constantes de equilibrio y las composiciones en fase gaseosa será de
2,068 atm. Las composiciones y caudales de esta corriente están
recogidas en la Tabla II, y tanto las composiciones en fase gaseosa
como las constantes de equilibrio en la Tabla V.
Tabla V:
Composiciones y constantes de equilibrio de D a 2,068 atm.
Compuesto
Tolueno
Benceno
Bifenilo
Temperatura
(ºC)
137,4
xi
yi
0,9950
0,9897
0,0050
0,0103
-5
1,744·10
4,023·10-7
Ki
0,995
2,041
0,023
La temperatura de burbuja estimada es válida ya que:
Anexos
Página 24
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑦𝑖 =
𝑥𝑖 · 𝐾𝑖 = 1
2.1.3.4. Temperatura y presión de la corriente de colas.
Análogamente las composiciones de la fase gaseosa y constantes
de equilibrio de la corriente de colas se evalúan también a esta presión y
se recogen en la Tabla VI, teniendo en cuenta que las composiciones de
la fase líquida y su caudal figuran en la Tabla III.
Tabla VI:
Composiciones y constantes de equilibrio de W a 2,068 atm.
Compuesto
Tolueno
Benceno
Bifenilo
Temperatura
(ºC)
xi
yi
Ki
243,7
0,093
0,907
0,640
0,359
6,883
0,396
La temperatura de burbuja estimada es válida ya que:
𝑦𝑖 =
𝑥𝑖 · 𝐾𝑖 = 1
2.2. Caracterización de la columna: Método FUG.
A la hora del diseño de una columna por el método FUG hay que
tener en cuenta que la peculiaridad de éste hace que sea un cálculo
secuencial en 3 pasos:
1. Frenske: Se calcula el número de platos teóricos mínimos.
2. Underwood: Se calcula la relación de reflujo mínima.
3. Gilligand: Se calcula el número de platos teóricos a partir de lo
calculado en los apartados anteriores
Anexos
Página 25
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Es un método aproximado de cálculo, basado en la determinación
del número de etapas de una sección de la columna conociendo la
composición en los extremos de la misma.
Para su resolución es necesario determinar un componente clave
ligero y un clave pesado, por lo que se selecciona como clave ligero el
tolueno, y como clave pesado el bifenilo, ya que de los compuestos
presentes en ambas corrientes de salida el bifenilo es el más pesado y el
tolueno el más ligero. El benceno en este caso actúa como componente
no clave al estar presente únicamente en una de las dos corrientes de
salida del sistema.
2.2.1. Frenske: Determinación del número de platos teóricos del
sistema.
En mezclas multicomponentes, como la del sistema que nos
ocupa, es necesario diferenciar entre los componentes claves y no claves
para realizar el análisis.
Se define el componente clave como aquel que aparece en
cantidades apreciables en ambas corrientes (cabeza y colas), mientras
que el no clave aparece únicamente en una de las corrientes.
Dentro de los componentes claves se produce otra clasificación,
esta vez en función de las volatilidades de los mismos se puede discernir
entre Clave ligero y Clave pesado.
Según estos criterios recién definidos, se clasifican
componentes del presente sistema de la siguiente forma:
los
1. Tolueno: Componente clave ligero, ya que está presente en ambas
corrientes y es el más ligero entre los que se encuentran en la
misma situación.
2. Benceno: Componente no clave, ya que únicamente se encuentra
en una corriente, cabezas.
Anexos
Página 26
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
3. Bifenilo: Componente clave pesado, ya que está presente en las
dos corrientes de salida y es el más pesado de aquellos que están
en su misma situación.
Basado en el comportamiento de clave ligero y clave pesado,
Frenske propuso la siguiente expresión:
𝑁𝑃𝑇
𝑀𝑖𝑛
=
𝑥
𝑙𝑜𝑔 𝑥𝐷
𝑤
𝑥
· 𝑙𝑜𝑔 𝑥𝑤
𝐷
𝐿𝐾
𝑙𝑜𝑔 (𝛼𝑚 )
𝐻𝐾
[𝐴. 2.5]
Donde:
𝑥𝐷(𝐿𝐾) : Composición del destilado en el componente clave ligero.
𝑥𝐷(𝐻𝐾 ) : Composición del destilado en el componente clave pesado.
𝑥𝑊(𝐿𝐾) : Composición de colas en el componente clave ligero
𝑥𝑊(𝐻𝐾 ) : Composición de colas en el componente clave pesado
𝛼𝑚 : Media geométrica de las volatilidades relativas entre cabeza y
colas.
A su vez, αm depende de:
𝛼𝑚 =
𝛼(𝐿𝐾/𝐻𝐾 )𝐷 · 𝛼(𝐿𝐾/𝐻𝐾 )𝑊
[𝐴. 2.6]
Donde:
𝛼(𝐿𝐾/𝐻𝐾 )𝐷 : Volatilidad relativa de la cabeza.
𝛼(𝐿𝐾/𝐻𝐾 )𝑊 : Volatilidad relativa de las colas.
Anexos
Página 27
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
En la Tabla VII se recogen las composiciones del componente
clave ligero y pesado de la corriente de destilado y colas.
Tabla VII:
Composiciones de los componentes claves.
CABEZAS
COLAS
Clave ligero
Clave pesado
Clave ligero
Clave pesado
(xD(LK))
(xD(HK))
(xW(LK))
(xW(HK))
0,9950
0,0081
0,093
0,907
Las volatilidades relativas se pueden definir como una relación
entre las constantes de equilibrio de los componentes claves y pesados
de cada corriente, como se puede ver en las ecuaciones [A.2.7] y [A.2.8].
𝛼(𝐿𝐾/𝐻𝐾 )𝐷 =
𝐾𝐿𝐾
𝐾𝐻𝐾
𝛼(𝐿𝐾/𝐻𝐾 )𝑊 =
𝐾𝐿𝐾
𝐾𝐻𝐾
=
0,995
= 43,028
0,023
[𝐴. 2.7]
=
6,883
= 17,369
0,396
[𝐴. 2.8]
𝐷
𝑊
Por lo que la volatilidad media será:
𝛼𝑚 =
𝛼(𝐿𝐾/𝐻𝐾 )𝐷 · 𝛼(𝐿𝐾/𝐻𝐾 )𝑊 = 27,338
[𝐴. 2.9]
Sustituyendo en [A.2.5] se llega al número mínimo de platos.
𝑁𝑃𝑇
Anexos
𝑀𝑖𝑛
= 3,374
Página 28
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
2.2.2. Underwood: Relación de reflujo mínima.
En los sistemas multicomponentes se pueden dar dos situaciones
dependiendo de cómo se distribuyan los componentes no claves, estas
situaciones se clasifican como sistemas clase 1 o sistemas clase 2.
Los clase 1 son aquellos en los que todos los componentes de la
alimentación se distribuyen entre las salidas de cabezas y colas.
Por otro lado en los sistemas clase 2 al menos uno de los
componentes de la alimentación sale únicamente por una de las
corrientes de salida.
Al tener al menos uno de los 3 componentes de la alimentación, el
benceno, en una única corriente de salida se puede concluir que el
sistema a estudiar es de clase 2. Esto implica que se trabajará con la
siguiente ecuación:
𝛼𝑖,𝑟𝑒𝑓
∞
𝛼𝑖,𝑟𝑒𝑓
∞
· 𝑥𝐹 𝑖
−𝜃
= 1−𝜙
[𝐴. 2.10]
Donde:
𝛼𝑖,𝑟𝑒𝑓
∞
: Es la volatilidad relativa de cada componente en la
alimentación.
𝑥𝐹𝑖 : Es la composición de cada componente en la alimentación.
𝜙: Es la condición de alimentación.
𝜃: Parámetro a determinar.
Al enfrentarnos a la resolución de esta ecuación, se usa un
método iterativo, suponiendo un valor de θ, el cual ha de oscilar entre 1 y
27,338. Para ello se necesitan conocer el resto de parámetros de la
expresión [A.2.10].
Al entrar la alimentación como líquido a su temperatura de burbuja,
la condición de alimentación será igual a 1, que corresponde a líquido
saturado.
Anexos
Página 29
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
En la Tabla VIII se recogen las volatilidades relativas a utilizar
durante este proceso.
Tabla VIII:
Volatilidades relativas de la corriente de alimentación.
Volatilidad
relativa
Componente
𝜶𝒊,𝒓𝒆𝒇
Composición
en la
alimentación
∞
𝒙𝑭𝒊
Tolueno
43,044
0,9898
Bifenilo
1
0,0052
Benceno
88,231
0,0050
El cálculo del parámetro  se realiza mediante el programa
informático Microsoft Excel 2.007 con la función “Solve”, obteniendo un
resultado de 1,005. Su estimación es necesaria para el cálculo de la
relación de reflujo mínima mediante la ecuación [A.2.11].
𝛼𝑖,𝑟𝑒𝑓
𝛼𝑖,𝑟𝑒𝑓
∞
∞
· 𝑥𝐷 𝑖
−𝜃
= 1 + 𝑅𝑀𝑖𝑛
[𝐴. 2.11]
Las volatilidades relativas para el cálculo de la relación de reflujo
mínima se recogen en la Tabla IX.
Tabla IX:
Volatilidades relativas de la corriente de destilado.
Volatilidad
Componente
relativa
𝜶𝒊,𝒓𝒆𝒇
Anexos
∞
Composición
en la
alimentación
𝒙𝑭𝒊
Tolueno
43,261
0,995
Bifenilo
1
1,744·10-4
Benceno
88,739
0,005
Página 30
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Sustituyendo y operando en [A.2.11] se obtiene una relación de
reflujo externa mínima de:
𝑅𝑚𝑖𝑛 = 0,020
Como criterio de operación del tipo de condensador seleccionado,
según la Tabla X, la relación entre la relación de reflujo mínima y la
óptima es de 1,45.
Tabla X:
Relación entre la relación de reflujo mínima y la óptima.
(Lek, et col, 2002).
Valor de la relación
Tipo de refrigerante
1,05-1,10
Bajo nivel de refrigerante ( -300 a -150 °F)
1,10-1,20
Alto nivel de refrigeración (-150 a 50 °F)
1,20-1,40
Agua como refrigerante
1,40-1,50
Aire como refrigerante
Por lo que:
𝑅 = 1,45 · 𝑅𝑚𝑖𝑛 = 1,45 · 0,0202 = 0,029
Este valor marca la relación entre el caudal de líquido que retorna
a la columna y el que sale del sistema. A efectos operativos la relación
que interesa es la relación de reflujo interna, que es la relación entre el
líquido que retorna a la columna y el vapor que sale de la misma. Se
estima a partir de Rmin según la expresión [A.2.12].
𝐿
𝑉
𝑀𝑖𝑛
=
1
1+𝑅
1
= 0,020
[𝐴. 2.12]
𝑀𝑖𝑛
Anexos
Página 31
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
A partir del criterio de operación por el tipo de condensador, la
relación de reflujo interna será de:
𝐿
𝐿
= 1,45 ·
𝑉
𝑉
𝑀𝑖𝑛
= 0,028
[𝐴. 2.13]
2.2.3. Gilligand: Número de platos teóricos.
Por último, para concluir con el método de FUG es necesario
calcula el número de platos teóricos mediante el método de Gilligand. A
diferencia de Frenske y Underwood es un método gráfico.
Mediante la Figura 4 se estima el número de platos.
Figura 4: Gráfica de Gilligand.
(Henley E.J., Seader J.D., 1988).
Anexos
Página 32
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Existe una variación a este método más preciso, el método de
Molokanov, con el cual se calcula el número de platos mínimos a partir de
la ecuación [A.2.14].
𝑁 − 𝑁𝑃𝑇𝑀𝑖𝑛
1 + 54,4 · 𝑋
𝑋−1
= 1 − exp⁡
·
𝑁+1
11 + 117,2 · 𝑋
𝑋 0,5
[𝐴. 2.14]
Donde:
N: Es el número de etapas teóricas.
NPTMin: Es el número de etapas teóricas mínimas calculadas en el
apartado 2.1.3.1.
𝑋: Expresión que depende de las relaciones de reflujo.
𝑋=
𝑅 − 𝑅𝑀𝑖𝑛 0,029 − 0,020
=
= 0,009
𝑅+1
0,029 + 1
[𝐴. 2.15]
Operando se llega a:
𝑁 = 17,315 ≈ 18 𝑝𝑙𝑎𝑡𝑜𝑠
Este número de platos calculados es el número de platos ideales.
Cuando se estime la eficacia de la columna se podrá determinar el
número real de platos de la misma.
2.2.4. Determinación del número del plato de alimentación.
Usando la ecuación de C.G. Kirkbride que relaciona el número de
platos teóricos de la zona de agotamiento con el número de platos
teóricos de la zona de rectificación.
Anexos
Página 33
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑁𝑃𝑇 𝑅
𝑥𝐹,𝐻𝐾 𝑥𝑊,𝐿𝐾
=
·
(𝑁𝑃𝑇)𝐴
𝑥𝐹,𝐿𝐾 𝑥𝐷,𝐻𝐾
2
𝑊
·
𝐷
0,206
[𝐴. 2.16]
Donde:
𝑁𝑃𝑇 𝐴 : Número de platos teóricos de la zona de agotamiento.
𝑁𝑃𝑇 𝑅 : Número de platos teóricos de la zona de rectificación.
𝑥𝐹,𝐻𝐾 : Composición del clave pesado en la alimentación.
𝑥𝐹,𝐿𝐾 : Composición del clave ligero en la alimentación.
𝑥𝑊,𝐿𝐾 : Composición del clave ligero en colas.
𝑥𝐷,𝐻𝐾 : Composición del clave pesado en cabezas.
𝑊: Caudal molar de colas (kmol·h-1)
𝐷: Caudal molar de destilado (kmol·h-1).
Con esta expresión se determina de manera aproximada el plato
de alimentación. Se conocen todas las variables que intervienen en ella,
por lo que sustituyendo en [A.2.16]:
(𝑁𝑃𝑇)𝑅
0,0052
0,0930
=
·
(𝑁𝑃𝑇)𝐴
0,9898 1,740 · 10−5
2
4,4139
·
768,5319
0,206
De manera que operando:
(𝑁𝑃𝑇)𝑅
= 6,420
(𝑁𝑃𝑇)𝐴
(𝑁𝑃𝑇)𝑅 = 4,814 · 𝑁𝑃𝑇
Anexos
[𝐴. 2.16. 𝑎]
𝐴
[𝐴. 2.16. 𝑏]
Página 34
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
El número de platos teóricos ideales de la columna se calculó en el
apartado 2.1.3.3.
𝑁𝑃𝑇 = 𝑁𝑃𝑇
𝐴
+ (𝑁𝑃𝑇)𝑅 = 18
[𝐴. 2.17]
Combinando [A.2.17] y [A.2.16.b] se obtendrá el número de platos
de cada zona de la columna.
𝑁𝑃𝑇 = 18
(𝑁𝑃𝑇)𝐴 = 15,574 ≈ 16
(𝑁𝑃𝑇)𝑅 = 2
2.3. Caracterización de la columna: HYSYS® versión 2.006.
Con el fin de refrendar los cálculos realizados en el apartado
anterior, se ha realizado la caracterización de la columna también por el
soporte informático antes mencionado, el Hysys® versión 2.006.
Mediante él se han obtenido los resultados expuestos en los
siguientes apartados, realizando un análisis mucho más minucioso de la
columna.
Figura 5: Datos obtenidos mediante el método Corto.
Anexos
Página 35
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Aplicando un método de resolución basado en los principios del
método FUG se han obtenido los resultados recogidos en la Figura 5.
Como se puede ver, los datos del número de platos ideales
obtenidos mediante el Hysys® versión 2.006 tienen un alto grado de
concordancia con los calculados anteriormente.
2.4. Diseño de platos de la columna.
El diseño de platos de la columna se ha de hacer por separado
para la zona de agotamiento y rectificación, escogiendo en cada caso
como plato de referencia aquel en el que se den las peores condiciones
de la zona.
Para la zona de rectificación este plato es el inmediatamente
superior al plato de alimentación y para la zona de agotamiento es el
último plato de la columna. De hecho, en el último plato es donde se dan
las peores condiciones de presión y temperatura de toda la columna.
Se ha seguido este criterio debido a que se ha de diseñar el
equipo para ser capaz de operar en las peores condiciones posibles.
2.4.1. Información previa.
Para poder abordar el diseño de platos de la columna es necesario
conocer el caudal de líquido y vapor que circula por cada zona. Para ello
se realiza balance de materia al condensador, y junto al valor de la
relación de reflujo interna es posible conocer el valor del caudal de líquido
y vapor de la zona de rectificación. Por otro lado, para conocer el caudal
del líquido y el vapor que circula por la zona de agotamiento se realiza un
balance de materia al plato de alimentación.
2.4.1.1. Balance de materia al condensador.
En la Figura 6 se puede ver una representación de la zona de
rectificación y el condensador.
Anexos
Página 36
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Figura 6: Esquema de la zona de rectificación.
Aplicando la ecuación [A.2.1] al condensador se llega a:
𝑉1 = 𝐷 + 𝐿0
Donde:
𝑉1 : Es el vapor que sale de la columna hacia el condensador
(kmol·h-1).
𝐿0 : Es el líquido que sale del condensador es retornado a la
columna (kmol·h-1).
𝐷: Es la corriente de destilado que sale del sistema (kmol·h -1).
Realizar un balance de materia al componente más volátil no tiene
lugar aquí, ya que todas las corrientes tienen la misma composición al ser
el condensador únicamente un cambio de fase. Por lo que se combina
con la relación de reflujo interna.
𝐿0
= 0,028
𝑉1
Anexos
Página 37
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Combinando ambas ecuaciones se llega a:
𝐿0 = 22,139
𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑕
𝑉1 = 790,671
𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑕
2.4.1.2. Balance de materia al plato de alimentación.
El balance de materia al plato de alimentación se realiza
analizando por separado la corriente líquida de la corriente de vapor y
teniendo en cuenta que los caudales que circulan por cada zona son
invariantes.
𝐿′ = 𝐿𝑛−1 + 𝜙 · 𝐹
𝑉𝑛 = 𝑉 ′ + 1 − 𝜙 · 𝐹
𝐴. 2.18
[𝐴. 2.19]
Donde:
𝐿𝑛−1 : Es la corriente líquida que cae al plato de alimentación
proveniente de la zona de enriquecimiento (kmol·h -1). Como los caudales
de esta región son invariantes 𝐿𝑛−1 = 𝐿0 .
𝑉𝑛 : Es el caudal de vapor que abandona el plato de alimentación
hacia la zona de enriquecimiento (kmol·h -1). Como los caudales de la
zona son invariantes 𝑉𝑛 = 𝑉1 .
Φ: Es la condición de alimentación. Como entra como líquido
saturado toma un valor de 1.
𝐹: Es el caudal de alimentación (kmol·h-1).
𝐿′ : Es el caudal de líquido que abandona el plato hacia la zona de
agotamiento (kmol·h-1).
Anexos
Página 38
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑉 ′ : Es el caudal de vapor que llega al plato de la zona de
agotamiento (kmol·h-1).
Se conocen todas las variables que intervienen en estas dos
ecuaciones, por lo que sustituyendo se llega a:
𝐿′ = 795,083
𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑕
𝑉 ′ = 790,671
𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑕
Según se establecen en las normas de diseño de Exxon Mobile,
no se recomienda la construcción de la columna con diferentes diámetros
entre las secciones de agotamiento y rectificación a no ser que la
diferencia entre ambos sea mayor o igual al 20%.
Como se recoge en el apartado 2.4.2. Dimensiones de los platos
de la columna el diámetro de la misma depende básicamente del caudal
de vapor que asciende por la misma, y al entrar la alimentación como
líquido saturado el diámetro la corriente que asciende por la zona de
agotamiento es igual al vapor que asciende por la zona de
enriquecimiento.
Es por esto que no se considerará el dimensionamiento de ambas
zonas por separado, sino que se hará de forma conjunta tomando como
datos de diseño las propiedades más desfavorables que se producen en
la columna. Estas condiciones se dan en el último plato de la misma
empezando a numerar por la parte superior.
2.4.1.3. Balance de materia al reboiler.
Al haber establecido la constancia de los caudales en cada zona,
es necesario conocer las composiciones de la corriente de vapor que
Anexos
Página 39
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
entra al último plato (que asciende del “reboiler”) y la corriente de líquido
que sale del último plato (entra al “reboiler”).
En este dispositivo, existe otra corriente que sale, la corriente de
colas, la cual está en equilibrio con la corriente de vapor antes
mencionada, por lo que sus composiciones estarán en equilibrio. Se
determinará a partir del Hysys® 2.006.
Tabla XI:
Composiciones de las corrientes que salen del “reboiler”.
Compuesto
Tolueno
Benceno
Bifenilo
Temperatura
(ºC)
xi
yi
243,7
0,093
0,907
0,640
0,359
Realizando un balance de materia a cada componente se
determina la composición de cada uno de los componentes en la
corriente líquida que entra al “reboiler”.
Tabla XII:
Composiciones de la corriente líquida que entra al “reboiler”.
Compuesto
xi
Tolueno
Benceno
Bifenilo
0,637
0,363
Conocer las composiciones de la corriente es necesario para
poder cuantificar las propiedades de la misma, tales como la densidad,
viscosidad o peso molecular.
2.4.2. Dimensiones de los platos de la columna.
Introduciendo las características de la corriente y las
composiciones de la misma en el Hysys® versión 2006 es posible
conocer las propiedades de dichas corrientes, recogidas en la Tabla XIII.
Anexos
Página 40
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla XIII:
Propiedades de las corrientes de la zona de agotamiento.
Propiedad
Vapor
-3
Densidad (kg·m )
Líquido
5,759
Viscosidad (cP)
1,065·10
-1
Peso molecular (kg·kmol )
-1
Caudal másico (kg·h )
-1
Caudal molar (kmol·h )
3
-1
Caudal volumétrico (m ·h )
818,3
-2
0,280
114,5
114,7
90.500
91.170
790,671
795,083
15.720,061
111,446
El primer paso a la hora de comenzar el diseño de platos es
estimar el tipo de platos que se va a instalar. Por las propiedades de la
columna el tipo de platos a instalar serán platos perforados. Se ha de
escoger el número de pasos por plato que se tiene, lo que se consigue a
través de la Figura 7.
Figura 7: Gráfica de Lockett para estimar el número de pasos.
(Treybal, R.E, 1.986).
Anexos
Página 41
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Por lo que con los datos establecidos por la Tabla XIII:
𝜌𝑉
𝑄𝑉 ·
𝜌𝐿 − 𝜌𝑉
0,5
𝑚3
= 1.323,443
𝑕
𝑄𝐿 = 111,446
𝐴. 2.20
𝑚3
𝑕
[𝐴. 2.21]
Los platos de la columna serán platos de paso simple.
Al ser el plato escogido platos perforados, es necesario estimar un
diámetro para las perforaciones (d0), el cual toma el valor más típico de
3/16 pulgadas (4,5 mm).
A partir de la Tabla XIV, se puede obtener la relación entre el
espesor del plato y el diámetro de los orificios para platos de acero
inoxidable.
Tabla XIV:
Relación diámetro del orificio/Espesor del plato.
(Treybal, R.E., 1.986)
Diámetro de orificio
mm
in
Espesor del plato/diámetro de orificio
Acero Inoxidable
Acero al Carbono
3,0
4,5
6,0
9,0
1/8
3/16
¼
3/8
0,65
0,43
0,32
0,22
0,5
12,0
15,0
18,0
½
5/8
¾
0,16
0,17
0,11
0,38
0,30
0,25
De manera que la relación entre el espesor del plato y el diámetro
de las perforaciones equivale a:
𝑒
= 0,43
𝑑0
Anexos
[𝐴. 2.22]
Página 42
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Una vez definido el tamaño del diámetro de los orificios es
necesario conocer como se distribuyen en el plato. Se ha seleccionado
una distribución al tresbolillo con un Pitch de 2,5 a 5 veces el diámetro de
los orificios, por lo que:
𝑃′ = 2,5 · 𝑑0 = 2,5 · 4,5 = 11,25 𝑚𝑚
[𝐴. 2.23. 𝑎]
𝑃′ = 2,5 · 𝑑0 = 2,5 · 5 = 22,5 𝑚𝑚
[𝐴. 2.23. 𝑏]
Se escogerá un pitch de 11,25 mm, para que se puedan colocar
más orificios en el plato y favorecer así la transferencia de materia entre
las corrientes.
Para conseguir un ahorro del material se supone la separación
mínima entre platos a partir de la Tabla XV correspondiente a 0,5 m.
Tabla XV:
Relación diámetro de la torre y el espaciamiento entre platos.
(Treybal, R.E., 1.986).
Diámetro de la torre (T)
(m)
Espaciamiento entre platos (t)
(m)
Menos de 1
1-3
3-4
0,50
0,60
0,75
4-8
0,90
Los platos de la columna poseen unas dimensiones definidas por
las siguientes áreas.
Está formado por las siguientes áreas:
1. Área de vertederos (AV): Tanto de bajada al plato inferior como de
descenso del plato superior.
2. Área neta (An): Área total del plato menos el área ocupada por los
vertederos.
Anexos
Página 43
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
3. Área de las vigas (AVig): Área ocupada por las vigas que soportan
al plato. Dos con el largo del vertedero y otra con el diámetro de la
torre.
4. Área de burbujeo (Aa): Área neta menos el área de las vigas.
5. Área de los orificios (A0): Área de cada perforación. Relacionada
con el diámetro.
Estas áreas se relacionan a través de diferentes expresiones y
dependen de diferentes factores.
Primero se calculará el área total de la columna y posteriormente
el diámetro de la torre.
La columna es un elemento cilíndrico, por lo que su sección
equivale a:
𝑇2
𝐴𝑇 = 𝜋 ·
→𝑇=
4
4 · 𝐴𝑇
𝜋
[𝐴. 2.24]
Donde:
𝑇: Es el diámetro de la columna (m).
𝐴 𝑇 : Es el área total de la columna (m2).
Para la disposición elegida de los orificios en el plato se ha de
cumplir la siguiente relación.
𝐴𝑜
𝑑𝑜
= 0,907 ·
𝐴𝑎
𝑃′
2
= 0,145
[𝐴. 2.25]
Donde:
Anexos
Página 44
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐴𝑜 : Área total de los orificios.
𝐴𝑎 : Área activa del plato.
𝑑𝑜 : Diámetro de los orificios.
𝑃′: Pitch.
Antes de abordar el cálculo de las diferentes áreas que conforman
el plato es necesario establecer los límites de operación de la columna,
marcados por el arrastre y el lloriqueo.
El arrastre depende de la velocidad máxima permisible para evitar
la inundación (VF), la cual se puede calcular a través de la siguiente
relación.
𝜌𝐿 − 𝜌𝑉
𝑉𝑓 = 𝐶𝑓 ·
𝜌𝑉
0,5
[𝐴. 2.26]
Donde:
𝐶𝑓 : Coeficiente de inundación. Depende del tipo de plato.
𝜌𝐿 : Densidad del líquido.
𝜌𝑉 : Densidad del vapor.
El coeficiente de inundación para platos perforados se estima a
partir de:
𝐶𝑓
𝑚
1
𝜍
= 𝛼 · 𝑙𝑜𝑔
+𝛽 ·
𝑠
𝑃𝐹
0,020
0,2
[𝐴. 2.27]
Donde:
𝛼 𝑦 𝛽: Son 2 parámetros que dependen de la separación entre
platos de la columna.
Anexos
Página 45
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝜍: Es la tensión superficial.
𝑃𝐹: Es el parámetro de flujo.
Es una expresión empírica.
Para determinar este coeficiente es necesario calcular primero el
parámetro de flujo, que se hará a partir de:
𝑃𝐹 =
𝐿
𝜌𝑉
·
= 0,084
𝑉
𝜌𝐿
[𝐴. 2.28]
Donde:
𝐿: Caudal másico de líquido en el plato de referencia (kmol·h -1).
𝑉: Caudal másico de vapor en el plato de referencia (kmol·h -1).
𝜌𝑉 : Densidad de la corriente de vapor (kg·m-3).
𝜌𝐿 : Densidad de la corriente de líquido (kg·m-3).
Si este parámetro es menor a 0,1, se tomará como valor de
coeficiente de flujo 0,1. Como el presente desarrollo se encuentra en esta
situación la velocidad máxima permisible para evitar la inundación
equivale a:
𝑉𝐹 = 1,188
Anexos
𝑚
𝑠
Página 46
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Para líquidos que no forman espuma como los que se utilizan en
este proceso la relación entre la velocidad máxima permisible y la
velocidad de inundación es del 80%.
𝑉 = 0,8 · 𝑉𝐹 = 0,8 · 1,188 = 0,950
𝑚
𝑠
[𝐴. 2.29]
Se ha de considerar la situación de arrastre de líquido del plato
inferior al inmediatamente superior. Este efecto puede ser acumulativo y
las cargas de líquido en el plato superior excesivas. Es por eso que es
necesario conocer el arrastre fraccional (E) y se hace gráficamente a
partir de la Figura 8.
Como se comprueba en la figura, el arrastre fraccional depende
tanto del parámetro de flujo como de la relación establecida entre la
velocidad máxima permisible para evitar la inundación y la velocidad de
inundación.
Para el tipo de platos seleccionados, platos perforados, el máximo
valor de arrastre es de 0,1 por lo que el valor calculado no ha de ser
mayor que este valor.
Con el parámetro de flujo calculado y la relación entre velocidades
establecida el arrastre equivale a 0,05.
Figura 8: Cálculo del arrastre fraccional.
(Treybal, R.E. 1988).
Anexos
Página 47
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
El punto inferior de operación lo marca la velocidad de vapor a
través de los orificios a partir de la cual se produce un excesivo lloriqueo.
Se determina a partir de la ecuación [A.2.30].
𝑉𝑜𝑤
𝜍
𝜇𝐺2
𝜌𝐿
=
· 0,0229 ·
·
𝜇𝐺
𝜍𝜌𝐺 𝑑0 𝜌𝐺
0,379
𝑒
·
𝑑0
0,293
·
2𝐴𝑎 𝑑0
𝑃′3 3
2,8
𝑍 0,724
𝑑0
[𝐴. 2.30]
Donde:
𝜍: Tensión superficial (N·m-1).
𝜇𝐺 : Viscosidad de la corriente gaseosa (Pa·s).
𝜌𝐺 : Densidad de la corriente gaseosa (kg·m-3).
𝜌𝐿 : Densidad de la corriente líquida (kg·m-3).
𝑑0 : Diámetro de los orificios (m).
𝑒
𝑑0
: Relación espesor del plato- diámetro de orificios.
P’: Pitch (m).
𝐴𝑎 : Área activa (m2).
Z: Distancia entre los dos vertederos (m).
Se conocen todos los parámetros salvo la distancia entre os
vertederos (Z) y el área activa, por lo que se definirá esta velocidad
posteriormente.
A continuación se calcularan las diferentes áreas que conforman el
plato con el fin de obtener el área total del mismo.
Área neta (An).
𝐴𝑛 =
Anexos
𝑄𝑉
𝑉
[𝐴. 2.31]
Página 48
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Donde:
𝑄𝑉 : Caudal volumétrico del gas (m3·s-1).
𝑉: Velocidad del gas en la columna.
De manera que sustituyendo en [A.2.31]:
𝐴𝑛 =
𝑄𝑉
= 4,597 𝑚2
𝑉
Área de los vertederos (AV):
𝐴 𝑇 = 𝐴𝑛 + 2 · 𝐴𝑉
[𝐴. 2.32]
Donde:
𝐴 𝑇 : Área total del plato. (m2).
𝐴𝑛 : Área neta del plato (m2).
𝐴𝑉 : Área de los vertederos (m2).
Para el cálculo del área de vertederos es necesario primero
determinar el área total del plato. Para ello se recurre a la siguiente
expresión:
𝑊 𝑊· 1− 𝑊
𝐴𝑉 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑒𝑛 𝑇
𝑇
𝑇
=
−
𝐴𝑇
180
𝜋
2
[𝐴. 2.33]
Donde:
𝐴 𝑇 : Área total del plato. (m2).
Anexos
Página 49
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐴𝑉 : Área de los vertederos (m2).
𝑊: Ancho del vertedero (m).
𝑇: Diámetro de la columna (m).
La relación entre la anchura del vertedero y el diámetro de la
columna es una relación tabulada de forma experimental y recogida en la
Tabla XVI, donde adicionalmente se puede obtener la distancia desde el
centro de la torre al vertedero (x), y con él la distancia entre los
vertederos (Z).
De entre todas estas relaciones de la primera columna, la más
típica es W = 0,70 · T, por lo que se tomará esa para el cálculo del área
de vertederos.
De manera que sustituyendo en [A.2.33] se obtiene:
𝐴𝑉
= 0,088
𝐴𝑇
Tabla XVI:
Distancia al centro de la columna
(Treybal, R.E., 1980)
Longitud del
derramadero (W)
0,55T
0,60T
0,65T
0,70T
0,75T
0,80T
Distancia desde el
centro de la torre (x)
0,4181T
0,3993T
0,2516T
0,3562T
0,3296T
0,1991T
Porcentaje de área
utilizado (%)
3,877
5,257
6,899
8,808
11,255
14,145
Sustituimos esta relación en [A.2.32], obteniendo el área total:
𝐴 𝑇 = 𝐴𝑛 + 2 · 0,088 · 𝐴 𝑇
Anexos
𝐴𝑇 =
𝐴𝑛
1 − 2 · 0,088
Página 50
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐴 𝑇 = 5,579 𝑚2
Estas son las áreas principales del plato, por lo que sustituyendo
en [A.2.24] es posible estimar el diámetro de la torre en 𝑇 = 2,665 𝑚
Según este diámetro calculado el espaciamiento entre platos
supuesto no es válido, sino que equivale a 0,6 m. Este cambio
únicamente afectaría a la velocidad de inundación si el parámetro de flujo
fuera mayor de 0,1. Como este no es el caso no se ha de cambiar
ninguna variable calculada.
Este valor hay que aproximarlo a un valor comercial de diámetros
expuestos en la Tabla XVII. De manera que el diámetro de la columna
será de 2,743 m (108 in).
Tabla XVII:
Relación de diámetros comerciales de recipientes
de pequeña y mediana capacidad.
(Megsey, E.F., 2001).
Anexos
Diámetro
(in)
Diámetro
(m)
Diámetro
(in)
Diámetro
(m)
12
0,305
48
1,219
14
0,356
54
1,372
16
0,406
60
1,524
18
0,457
66
1,676
20
0,508
72
1,829
22
0,559
78
1,981
24
0,610
84
2,134
26
0,660
90
2,286
28
0,711
96
2,438
30
0,762
102
2,591
32
0,813
108
2,743
34
0,914
114
2,896
36
0,965
120
3,048
38
1,016
126
3,200
40
1,016
132
3,353
42
1,067
138
3,505
Página 51
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Con el área total de la torre se puede calcular tanto el área de los
vertederos a partir de la relación:
𝐴𝑉
= 0,088 → 𝐴𝑉 = 0,491 𝑚2
𝐴𝑇
Conociendo el diámetro de la torre se estima la longitud del
derramadero:
𝑊 = 0,7 · 𝑇 = 0,7 · 2,743 = 1,920 𝑚
[𝐴. 2.34]
A partir de la Tabla XIV y según el valor seleccionado de longitud
de vertedero la distancia del centro de columna al vertedero será:
𝑥 = 0,3562 · 𝑇 = 0,977 𝑚
[𝐴. 2.35]
El camino que recorre el líquido entre los vertederos (Z):
𝑍 = 2 · 𝑥 = 1,954 𝑚
[𝐴. 2.36]
Área de las vigas (Avigas).
El objetivo de las vigas es soportar al plato. Se calcula:
𝐴𝑎 = 𝐴𝑛 − 𝐴𝑣𝑖𝑔𝑎𝑠
[𝐴. 2.37]
Donde:
𝐴𝑎 : Área activa (m2).
Anexos
Página 52
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐴𝑛 : Área neta (m2).
𝐴𝑣𝑖𝑔𝑎𝑠 : Área de las vigas (m2).
El área activa se determina en función del diámetro de la torre y el
área total.
Tabla XVIII:
Relación área activa-área total.
(Treybal, R.E., 1.980)
m
ft
𝑨𝒂
𝑨𝑻
1
1,25
2
3
4
6
0,65
0,70
0,74
2,5
8
0,76
3
10
0,78
Diámetro de la torre
El diámetro de la torre (T) es de 2,742 m, por lo que se obtiene
una relación entre el área activa y total de:
𝐴𝑎
= 0,78
𝐴𝑇
El área total se conoce, por lo que sustituyendo:
𝐴𝑎 = 0,78 · 𝐴 𝑇 = 0,78 · 5,579 = 4,352 𝑚2
Al conocer el área neta se puede calcular el área de las vigas a
partir de [A.2.37], por lo que despejando y sustituyendo:
𝐴𝑣𝑖𝑔𝑎𝑠 = 𝐴𝑛 − 𝐴𝑎 = 0,245 𝑚2
Anexos
Página 53
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Una vez determinada el área de las vigas es necesario conocer el
espesor de las mismas:
𝑒𝑣𝑖𝑔𝑎𝑠 =
𝐴𝑣𝑖𝑔𝑎𝑠
𝑊+𝑊+𝑇
[𝐴. 2.38]
Donde:
𝑒𝑣𝑖𝑔𝑎𝑠 : Espesor de las vigas (m).
𝐴𝑣𝑖𝑔𝑎𝑠 : Área de las vigas (m2).
𝑊: Ancho del vertedero (m).
𝑇: Diámetro de la columna (m).
Al conocer todas las variables de esta expresión sólo hay que
sustituirlas para el cálculo del espesor de las vigas:
𝑒𝑣𝑖𝑔𝑎 𝑠 = 0,037 𝑚
Finalmente ya se conocen todas las variables necesarias para
calcular la velocidad máxima permisible de lloriqueo. Antes de operar se
transformaran algunos parámetros a las unidades adecuadas:
𝑑𝑖𝑛𝑎 1 · 10−5 𝑁 100 𝑐𝑚
𝑁
𝜍 = 19,16
·
·
= 0,019
𝑐𝑚
1 𝑑𝑖𝑛𝑎
1𝑚
𝑚
𝜇𝐺 = 1,065 · 10−2 𝑐𝑃 ·
0,001 𝑃𝑎 · 𝑠
= 1,065 · 10−6 𝑃𝑎 · 𝑠
1 𝑐𝑃
𝑑0 = 4,5 𝑚𝑚
Anexos
1𝑚
= 0,0045 𝑚
1000 𝑚𝑚
Página 54
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Por lo que sustituyendo en [A.2.30] se estima la velocidad máxima
de lloriqueo:
𝑉𝑜𝑤 = 0,447
𝑚
𝑠
Una vez realizados todos estos cálculos es preciso comprobar la
validez de los mismos a través de las siguientes consideraciones.
Validez de la velocidad de lloriqueo 𝑽𝒐𝒘 .
Se comprueba mediante la velocidad de la corriente gaseosa a
través de los orificios:
𝑉𝐺𝑎𝑠 =
𝑄𝐺𝑎𝑠
Á𝑟𝑒𝑎 𝑜𝑟𝑖𝑓𝑖𝑐𝑖𝑜𝑠
[𝐴. 2.39]
El valor del área de los orificios (A0) se calcula a través de la
siguiente relación:
𝐴0
= 0,1451 →
𝐴𝑎
𝐴0 = 0,1451 · 𝐴𝑎 = 0,631 𝑚2
Esta velocidad ha de ser mayor que la velocidad mínima de
lloriqueo. Sustituyendo en [A.2.39]:
𝑉𝐺𝑎𝑠 = 6,920
𝑚
𝑠
Por lo que la velocidad de lloriqueo calculada es válida.
Anexos
Página 55
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Problema de descarga.
Estos problemas aparecen cuando la velocidad de líquido a través
de vertedero es mayor a 0,3 m·s-1.
𝑉𝐿 =
𝑄𝐿
𝑚
= 0,063
𝐴𝑉
𝑠
[𝐴. 2.40]
De manera que no se producirán problemas de descarga al ser
esta velocidad menor a 0,3 m·s-1.
Máxima carga en el vertedero.
Mediante la Figura 9 se determina que la relación entre el
espaciamiento entre platos y la máxima carga de vertedero. Para un
espaciamiento de 0,6 m la máxima carga ha de ser de 0,031 m3·m-1·s-1.
Calculando según los valores establecidos anteriormente:
Figura 9: Gráfica para estimar la máxima carga en vertedero.
(Treybal, R.E., 1.980)
Anexos
Página 56
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Sustituyendo se llega a:
𝑄𝐿
𝑚3
𝑚3
= 0,016
< 0,031
𝑊
𝑚·𝑠
𝑚·𝑠
Al ser menor se acepta el diseño como válido
2.4.3. Diseño hidráulico de los platos.
Es necesario volver a calcular las pérdidas de carga en el plato:
Se ha de cumplir que la suma total de las pérdidas de carga no ha
de ser mayor a la mitad del espaciamiento entre platos.
𝑕𝑊 + 𝑕𝑐 + ∆ + 𝑕𝐵 ≤
𝑡
2
[𝐴. 2.41]
Donde:
𝑕𝑊 : Altura de vertedero o rebosadero (m).
𝑕𝑐 : Altura de la cresta del líquido sobre el plato (m).
∆: Gradiente del nivel de líquido dentro del plato desde el punto de
entrada al de salida (m).
𝑕𝐵 : Retroceso del nivel de líquido en el plato (m).
Anexos
Página 57
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Altura de vertedero o rebosadero.
La altura de vertedero o rebosadero depende de la separación
entre platos (t).
𝑕𝑊 =
𝑡
0,6
=
= 0,06 𝑚
10
10
[𝐴. 2.42]
Altura de la cresta de líquido sobre el plato.
Para determinar su valor se recurre a la fórmula de Francis:
3
𝑄𝐿
= 1,839 · 𝑕𝑐2
𝑊𝑒𝑓
[𝐴. 2.43]
Donde:
𝑄𝐿 : Caudal de líquido (m3·s-1).
𝑊𝑒𝑓 : Ancho de vertedero eficaz (m).
𝑕𝑐 : Altura de la cresta de líquido sobre vertedero (m).
Al ser estorbada la acción del derramadero por los lados curvos de
la torre circular la ecuación de Francis anterior sufre una serie de
modificaciones.
𝑄𝐿
𝑕𝑐 = 0,666 ·
𝑊
2
3
𝑊
·
𝑊𝑒𝑓
2
3
[𝐴. 2.44]
Donde:
𝑄𝐿 : Caudal de líquido (m3·s-1).
𝑊𝑒𝑓 : Ancho de vertedero eficaz (m).
Anexos
Página 58
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑕𝑐 : Altura de la cresta de líquido sobre vertedero (m)
𝑊: Anchura del vertedero (m).
Existe otra expresión que relaciona la altura de la cresta de líquido
sobre el vertedero y las anchuras de los vertederos.
𝑊𝑒𝑓
𝑊
2
𝑇
=
𝑊
2
−
𝑇
𝑊
0,5
2
−1
2 · 𝑕𝐶 𝑇
+
·
𝑇
𝑊
2
[𝐴. 2.45]
Combinando las expresiones [A.2.44] y [A.2.45] se determina la
altura de la cresta de líquido sobre vertedero por medio de un cálculo
iterativo. Se siguen los siguientes pasos:
1. Se supone un valor de hc y se sustituye en [A.2.45] junto al valor
de W y T calculados anteriormente.
2. Una vez calculada la relación
𝑊𝑒𝑓
𝑊
se sustituye en [A.2.44],
obteniendo un valor de hc.
3. Este valor ha de coincidir con el valor supuesto en [A.2.45], sino
usar este nuevo valor en [A.2.44] y se recalcula la relación entre
las anchuras de los vertederos.
4. Se opera así hasta que estos valores coincidan.
Operando se obtiene un valor de:
𝑕𝐶 = 0,00317 𝑚
Retroceso del nivel del líquido en el plato.
Para su cálculo es necesario considerar la diferencia de presiones
del líquido al acceder al plato (hE) y la del vapor entre plato y plato (hVAP).
De acuerdo con esto:
Anexos
Página 59
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑕𝐵 = 𝑕𝐸 + 𝑕𝑉𝐴𝑃
[𝐴. 2.46]
Pérdida de carga del líquido al acceder al plato (h E).
Se utilizará la siguiente presión:
3
𝑄𝐿
𝑕𝐸 =
·
2 · 𝑔 𝐴𝑑𝑎
2
[𝐴. 2.47]
Donde:
𝑄𝐿 : Caudal de líquido (m3·s-1).
𝐴𝑑𝑎 : La menor de 2 áreas: La de los vertederos (A v) y el área libre
entre el vertedero y el plato (AL).
El área de los vertederos se determinó anteriormente y el área
libre de los vertederos es calculable a través de la siguiente ecuación:
𝐴𝐿 = 𝑕𝑊 − 0,025 · 𝑊
[𝐴. 2.48]
𝐴𝐿 = 0,0672 𝑚2
De manera que Ada equivale a:
𝐴𝑑𝑎 = 0,0672 𝑚2
Sustituyendo en [A.2.47]:
𝑕𝐸 = 3,243 · 10−2 𝑚
Anexos
Página 60
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Pérdida de carga del vapor entre plato y plato (h vap).
Este efecto es la suma de otros:
𝑕𝑉𝐴𝑃 = 𝑕𝐷 + 𝑕𝐿 + 𝑕𝑅
[𝐴. 2.49]
Donde:
𝑕𝐷 : Caída de presión en plato seco.
𝑕𝐿 : Caída de presión generada al circular el vapor a través del
líquido y la espuma.
𝑕𝑅 : Caída de presión del gas residual.
Caída de presión en plato seco (h D).
Para calcular esta caída de presión hay que considerar la pérdida
de presión a la entrada de las perforaciones, en el interior de las
perforaciones y a la salida de las mismas. Se determina a partir de:
2 · 𝑕𝐷 · 𝑔 · 𝜌𝐿
𝐴0
4𝑓 · 𝑒
𝐴0
= 𝐶0 0,40 1,25 −
+
+ 1−
2
𝐴𝑛
𝑑0
𝐴𝑛
𝑉0 · 𝜌𝐺
2
[𝐴. 2.50]
Donde:
𝑕𝐷 : Caída de presión en plato seco (m).
𝑉0 : Velocidad del gas a través del orificio (m·s -1).
𝜌𝐿 : Densidad del líquido contenido en el plato (kg·m-3).
𝜌𝑉 : Densidad del vapor que atraviesa el plato (kg·m-3).
𝐶0 : Coeficiente de orificio que depende del espesor del plato (e) y
el diámetro del orificio (d0).
𝑓: Factor de fricción.
Anexos
Página 61
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐴0 : Área de los orificios (m2).
𝐴𝑛 : Área neta del plato (m2).
El coeficiente de orificio se calcula a través de la siguiente
expresión:
𝑑0
𝐶0 = 1,09 ·
𝑒
0,25
[𝐴. 2.51]
Donde:
𝑑0 : Diámetro de los orificios (m).
𝑒: Espesor del plato (m).
Esta ecuación depende de la relación
𝑒
𝑑0
, que toma valores entre
0,2 y 2. Esta relación para este caso vale 0,43, como se determinó
anteriormente.
Sustituyendo:
𝐶0 = 1,346
El factor de fricción de Fanning depende del número de Reynolds
a través de los orificios:
𝑅𝑒 =
𝑉0 · 𝑑0 · 𝜌𝑉
𝜇𝑉
[𝐴. 2.52]
Donde:
Anexos
Página 62
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑉0 : Velocidad del gas a través de los orificios (m·s -1).
𝑑0 : Diámetro de los orificios.
𝜌𝑉 : Densidad del gas que circula a través de los orificios (kg·m-3).
𝜇𝑉 : Viscosidad del gas que circula a través de los orificios (Pa·s).
Se obtiene un Reynolds de 1,32·104. Con estos datos y la
suposición de tubos lisos se recurre a la gráfica de Moody; Figura A.I del
anexo 8; obteniendo un coeficiente de fricción de:
4𝑓 = 0,029
Sustituyendo en [A.2.50] se obtiene una caída de presión en plato
seco de:
𝑕𝐷 = 0,016 𝑚
Caída de presión generada al circular el vapor a través del líquido y
la espuma (hL).
En la región perforada del plato el líquido se encuentra en forma
de espuma. Este valor es una estimación para el caso en que la espuma
coalesciera. Es generalmente menor que la altura del derramadero de
salida y disminuye al aumentar el flujo del gas. Algunos métodos de
estimación recurren a un llamado “factor de aireación”. En la ecuación
que se utilizará para el cálculo de esta pérdida de carga el efecto de
dicho factor se incluye como una función de las variables que lo
modifican.
𝑕𝐿 = 6,10 · 10−3 + 0,725 · 𝑕𝑊 − 0,238 · 𝑕𝑊 · 𝑉𝑎 · 𝜌𝐺0,5 + 1,225 ·
Anexos
𝑄𝐿
𝑍
[𝐴. 2.53]
Página 63
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Donde:
𝑕𝑊 : Altura de vertedero o rebosadero (m).
𝑉𝑎 : Velocidad del gas ascendente a través del área activa (m·s -1).
𝜌𝐺 : Densidad del gas que asciende (kg·m-3).
𝑄𝐿 : Caudal de líquido (m3·s-1).
𝑍: Ancho del flujo promedio (m),
Este ancho de flujo promedio (Z), se puede tomar como:
𝑍=
𝑇+𝑊
2
[𝐴. 2.54]
Donde:
𝑇: Diámetro de la torre (m).
𝑊: Anchura del vertedero (m).
Tanto el diámetro de la torre como la anchura de vertedero se
calcularon en el diseño mecánico.
𝑍 = 2,331 𝑚
La velocidad del gas ascendente a través del área activa será:
𝑉𝑎 =
Anexos
𝑄𝑉
𝐴𝑎
[𝐴. 2.55]
Página 64
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Donde:
𝑄𝑉 : Caudal del gas ascendente (m3·s-1).
𝐴𝑎 : Área activa (m2).
Se conocen todas las variables que intervienen en esta ecuación,
por lo que sustituyendo:
𝑉𝑎 = 1,003
𝑚
𝑠
Finalmente la caída de presión generada al circular el vapor a
través del líquido y la espuma.
𝑕𝐿 = 0,0315 𝑚
Caída de presión del gas residual (h R).
Se produce al vencer el gas la tensión superficial del líquido
cuando el gas sale a través de una perforación.
La expresión [A.6.59] se obtiene tras un balance de la fuerza
interna en una burbuja estática que se requiere para vencer la tensión
superficial.
𝑕𝑅 =
6·𝜍
𝑑0 · 𝑔 · 𝜌𝐿
[𝐴. 2.60]
Donde:
𝜍: Tensión superficial. (N·m-1)
𝑑0 : Diámetro del orificio (m).
Anexos
Página 65
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑔: Constante de gravedad (m·s-2).
𝜌𝐿 : Densidad del líquido (kg·m-3).
Sustituyendo:
𝑕𝑅 = 0,0032 𝑚
Una vez que se han determinado estas 3 pérdidas de carga se
suman para calcular la pérdida de carga del vapor entre plato y plato
sustituyendo en la ecuación [A.2.49]:
𝑕𝑉𝐴𝑃 = 0,0502 𝑚
Análogamente al conocer esta caída de presión se determina el
retroceso del nivel del líquido en el plato sustituyendo en la ecuación
[A.2.46] junto a la pérdida de carga del líquido al acceder al plato:
𝑕𝐵 = 0,0827 𝑚
Gradiente del nivel de líquido desde la entrada a la salida ().
Es un parámetro que se puede considerar despreciable en
comparación con el resto de pérdidas de carga.
En resumen, las pérdidas de carga en el plato serán:
Anexos
Página 66
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla XIX:
Resumen de las Pérdidas de carga en el plato.
DESCRIPCIÓN
VALOR (m)
Altura de vertedero o rebosadero (𝒉𝑾 ).
0,06
Altura de la cresta del líquido sobre el plato
𝒉𝑪 .
Gradiente del nivel de líquido dentro del
plato desde el punto de entrada al de salida
0,0317
-
().
Retroceso del nivel de líquido en el plato
𝒉𝑩 .
Pérdida de carga del líquido al acceder
al plato 𝑕𝐸
Pérdida de carga del vapor entre plato y
plato 𝑕𝑉𝐴𝑃
Caída de presión en plato seco 𝑕𝐷
0,0827
0,032
0,050
0,016
Caída de presión generada al circular
el vapor a través del líquido y la
espuma 𝑕𝐿
Caída de presión del gas residual
𝑕𝑅
TOTAL COLUMNA
0,0315
0,032
0,174
Se cumple la condición impuesta al principio del apartado por la
que la pérdida de carga total ha de ser menor a 0,3.
2.5. Eficacia de la columna.
2.5.1. Método de O’Conell.
El método de O’Connell es un método gráfico con el cual se
calcula la eficacia de columna. En esta gráfica el eje de abcisas se coloca
el producto de la volatilidad relativa () del componente clave en la
alimentación (bifenilo) y la viscosidad de la alimentación (µ).
En este caso:
Anexos
Página 67
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝛼 · 𝜇 = 1 · 0,197 = 0,197
Recurriendo a la Figura 10.
Figura 10: Gráfica de O'Conell.
(Treybal, R.E., 1986).
La eficacia estimada es del 65%.
2.5.2. Método de Lockhart y Legget.
En un plato no se llega a alcanzar el equilibrio entre las corrientes
de líquido y vapor que salen de él, por lo que es necesario establecer una
eficacia de funcionamiento a nivel global de la columna (E G). Esta
eficacia se puede calcular por medio de distintos métodos.
Se estimará por el método de Lockhart y Legget que es una
corrección del método de O’Conell.
Anexos
Página 68
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Para ello se plantea una corrección de la gráfica de O’Conell
propuesta por Lockhart y Legget para torres de hidrocarburos. Para este
método es preciso determinar de nuevo la eficacia, recurriendo a la la
Figura 11.
Figura 11: Gráfica de Lockhart y Legget.
(Treybal, R.E., 1.986).
En esta gráfica el eje de abcisas se coloca el producto de la
volatilidad relativa () del componente clave en la alimentación (bifenilo) y
la viscosidad de la alimentación (µ). En este caso:
𝛼 · 𝜇 = 1 · 0,197 = 0,197
Se obtiene una eficacia del 63 %.
Tal y como sugieren estos autores el recorrido del flujo ha de ser
mayor de 3 ft, obteniendo un factor de corrección para la eficacia
calculada anteriormente. Estos factores de corrección están recogidos en
la Tabla XX.
Anexos
Página 69
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla XX:
Correciones propuestas por Lockhart y Legget.
(Treybal, R.E., 1.986).
Longitud del recorrido del
Factor de incremento
flujo del líquido (ft)
3
0
4
10
5
15
6
20
8
23
10
25
15
27
La longitud del recorrido del flujo hace referencia a la distancia
entre los vertederos del plato (Z), por lo que hay que diferenciar entre la
zona de agotamiento y rectificación.
El cálculo del factor de corrección de la eficacia se hace según la
siguiente expresión:
𝐹𝐼 = 𝐹𝐼1 −
𝐹𝐼1 − 𝐹𝐼2
𝐹𝐼1 − 𝐹𝐼2
· 𝑍1 +
·𝑍
𝑍1 − 𝑍2
𝑍1 − 𝑍2
[𝐴. 2.61]
Donde:
𝐹𝐼𝑖 : Es el factor de corrección obtenido de la tabla. Se toman el
valor inferior y superior.
𝑍𝑖 : Es el recorrido del flujo del plato obtenido de la tabla. Se toma
el valor superior e inferior (ft).
Los valores de Z se obtuvieron anteriormente en el diseño de
platos, tomando los siguientes valores:
𝑍 = 1,954 𝑚 = 6,411 𝑓𝑡
Anexos
Página 70
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
De manera que siendo Z1 = 6, Z2 = 8, FI1=20 y FI2=23 el factor de
corrección toma un valor de:
𝐹𝐼 = 20,617
Por lo que la eficacia global:
𝐸𝐺 = 𝐸′𝐺 · 1 +
𝐹𝐼
100
[𝐴. 2.62]
Donde:
𝐸𝐺 : Es el valor de la eficacia corregido.
𝐸′𝐺 : Es el valor de eficacia calculado (63%).
𝐹𝐼: Es el factor de corrección.
Por lo que la eficacia:
𝐸 = 75,989 %
Esta es la eficacia de cada zona, ya que como las dimensiones de
ambas son las mismas también tendrán la misma eficacia.
2.5.3. Conclusión.
Como se comprueba la eficacia estimada por el método de
O’Conell es muy similar a la estimada por Lockhart y Legget antes de
introducir el factor de corrección.
Anexos
Página 71
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Al ser éste último una mejora del primero se entiende que será
más preciso, por lo que la eficacia que se seleccionará será la calculada
por Lockhart y Legget tras introducir el factor de corrección.
Por lo que número de platos reales de cada zona se calculan a
través de:
𝑁𝑃𝑅𝑅𝑒𝑐𝑡𝑖𝑓 =
𝑁𝑃𝑅𝐴𝑔𝑜𝑡 =
𝑁𝑃𝑇
2
=
= 2,632 ≈ 3 𝑝𝑙𝑎𝑡𝑜𝑠
𝐸𝐺
0,76
𝑁𝑃𝑇
16
=
= 21,056 ≈ 22 𝑝𝑙𝑎𝑡𝑜𝑠
𝐸𝐺
0,76
De manera que la distribución de los platos reales será la
siguiente:
1. 3 platos en la zona de rectificación.
2. 22 platos en la zona de agotamiento.
3. La alimentación entra entre el plato tercero y cuarto, cayendo
sobre este último al entrar como líquido saturado.
2.6. Diseño mecánico de la columna.
La determinación de los espesores tanto de la chapa envolvente
de la columna como del faldón. Junto con los espesores se consiguen
también determinar el diámetro tanto externo como interno de la
envolvente.
Se sigue el proceso establecido por la norma del Código ASME
sección VIII división 1, correspondiente a los recipientes a presión.
2.6.1. Información previa al diseño.
El espesor de la chapa estará condicionado por un factor de
corrosión (C), que depende de la vida media del recipiente. Según recoge
la Tabla XXI para columnas la vida media es de 8 años y tomando 5
Anexos
Página 72
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
milésimas de pulgada por año de corrosión, el factor C de corrosión será
de:
𝐶 = 0,005
𝑖𝑛
· 8 𝑎ñ𝑜𝑠 = 0,04 𝑖𝑛 = 1,016 𝑚𝑚
𝑎ñ𝑜
Tabla XXI:
Vida media de los equipos.
(Aries y Newton 1.998).
Aparato
Calderas vapor
Edificio hormigón
Edificio ladrillo y acero
Motores eléctricos
Transformadores
Bombas
Columnas
Compresores
Condesadores y evaporadores
Depósitos
Vida
(años)
25
50
33
14
15
20
8
20
17
10
Aparato
Digestores
Espesadores
Filtros prensa
Hornos eléctricos
Horno de gas
Molinos
Refrigerantes
Secadores
Tamizadoras
Tuberias
Vida
(años)
10
5
17
20
8
12
17
25
12
15
La columna une los diferentes elementos que constituyen su
envolvente por medio de soldaduras, lo que provocan una discontinuidad
en la misma, haciendo de éstas los puntos más débiles de la chapa.
Es por esto que es necesario introducir un coeficiente de
soldadura (E), por seguridad, en el cálculo de las máximas tensiones
admisibles que es capaz de soportar el material. Su valor dependerá del
tipo de soldadura y de la forma en que se realice el control de la misma.
Siguen la norma UW-12 del código ASME división VIII.
En el caso de la columna se realizará una soldadura tipo doble
cordón con un control realizado por zonas, por lo que la eficiencia de
soldadura es de 0,85.
Anexos
Página 73
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
2.6.2. Determinación del espesor de la envolvente y fondos.
Para su cálculo se han de tener en cuenta el efecto combinado de
las tensiones debidas a la acción de la presión interna y el viento o
seísmo. Estas dos últimas no ocurren simultáneamente, por lo que solo
se tendrá en consideración la acción del viento.
Toda la columna presentará un espesor constante, siendo éste el
mayor de los calculados para sección o zona.
2.6.2.1. Cálculo del espesor debido a la presión interna.
Se ha de calcular en 3 zonas de la columna, en la envolvente, en
los fondos y en la separación entre la zona de agotamiento y rectificación.
El material seleccionado será acero al carbono SA-285, tanto para
la envolvente como para los platos de la columna.
Se ha de tener en cuenta los espesores determinados por norma y
por el propio material. De manera que:
 Espesor determinado por norma: Exigido por el código ASME.
𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑚 = 2,5 + 𝐶 = 2,5 + 1,016 = 2,516 𝑚𝑚 = 0,099 𝑖𝑛
[𝐴. 2.63]
 Espesor exigido por el material:
𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑚 = 5 + 𝐶 = 5 + 1,016 = 6,016 𝑚𝑚 = 0,237 𝑖𝑛
[𝐴. 2.64]
Para el cálculo de los espesores hará falta saber dos valores, la
presión de diseño y la temperatura de diseño.
Anexos
Página 74
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
En la columna existe una caída de presión, por lo que es necesario
estimar una presión media de operación en la columna. La presión de
operación será de 30 psi (2,068 atm).
Como presión de diseño se escoge el mayor valor de una terna de
posibilidades:
1. Un sobredimensionamiento de la presión de operación.
𝑃𝐷 = 1,1 · 𝑃𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖 ó𝑛 = 1,1 · 30 = 33 𝑝𝑠𝑖 = 2,320
𝑘𝑔
𝑐𝑚2
[𝐴. 2.65]
2. Presión máxima de operación más un valor fijo.
𝑃𝐷 = 𝑃𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖 ó𝑛 + 2
𝑘𝑔
𝑘𝑔
=
2,320
+
2
=
4,320
𝑐𝑚2
𝑐𝑚2
[𝐴. 2.66]
3. 3,5 kg·cm-2.
De este grupo de valores se escoge el que aparece recogido en
[A.2.65] que equivale a 4,285 kg·cm-2 (60,947 psi).
La temperatura de diseño sin embargo se establece de la siguiente
forma:
𝑇𝐷 = 𝑇𝑀á𝑥𝑖𝑚𝑎
𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖 ó𝑛
+ 20 ℃
[𝐴. 2.67]
El valor máximo de temperatura que se produce en la columna se
da en el último plato de la misma, donde se introduce el vapor procedente
del reboiler a una temperatura de 243,6 ºC (507,74 ºF). Sustituyendo en
[A.2.67]:
Anexos
Página 75
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑇𝐷 = 𝑇𝑀á𝑥𝑖𝑚𝑎
𝑑𝑒 𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖 ó𝑛
+ 20 ℃ = 243,6 + 20 = 263,6 ℃ = 506,48 ℉
Con esta temperatura se puede conocer la máxima tensión
admisible del material (S), que no es más que la máxima presión que es
capaz de soportar un material de un espesor determinado que constituye
la envolvente de un recipiente a presión sin deformarse. Partiendo de
esta temperatura y con la Tabla A.IV del anexo 8 la máxima tensión de
una envolvente hecha de acero al carbono SA-285 es de:
𝑆 = 14.300 𝑝𝑠𝑖
Como se mencionó al principio del presente apartado es necesario
conocer el espesor de la envolvente en tres zonas de conflicto la
envolvente, la unión entre agotamiento y rectificación y los fondos de la
columna.
Para poder calcular el diámetro del fondo es necesario seleccionar
el tipo y características del mismo. Éstos pueden ser tipo Klopper or
Korboggen. Los fondos tipos Korboggen siguen las siguientes directrices
y si alguna de ellas se cumple su elección es viable:
1. Presión de diseño igual o superior a 7 kg·cm-2.
2. Temperatura de diseño superior a 350 ºC.
3. Recipientes verticales cuya relación altura/diámetro sea superior a
10.
Las dos primeras condiciones no se cumplen, por lo que es
preciso analizar si se cumple la tercera.
Entre el fondo o cabezal y el plato inferior y superior
respectivamente existe una separación que ha de considerarse. Dicha
separación es de 0,6 m tanto para el fondo inferior como superior. La
altura de la carcasa será:
𝐻𝐶𝑎𝑟𝑐𝑎𝑠𝑎 = 𝐻𝐹𝑜𝑛𝑑𝑜
Anexos
𝑖𝑛𝑓 −𝑝𝑙𝑎𝑡𝑜
+ 𝐻𝑐𝑎𝑟𝑐𝑎𝑠𝑎 + 𝐻𝐹𝑜𝑛𝑑𝑜
𝑠𝑢𝑝 −𝑝𝑙𝑎𝑡𝑜
[𝐴. 2.68]
Página 76
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐻𝐶𝑎𝑟𝑐𝑎𝑠𝑎 = 0,6 + 28 · 0,6 + 0,6 = 18 𝑚
Una vez obtenida la altura de la columna es necesario estimar el
diámetro de la misma con el que se evaluará la relación altura diámetro.
Éste valor corresponde al diámetro interno, pero se necesita el
externo. En este punto del diseño no se disponen de espesores, por lo
que no es posible conocer este dato. Dado que las diferencias entre
ambos será muy pequeña se puede considerar válida la aproximación de
usar el diámetro interno. Por lo que:
𝐻 23,226
=
= 8,467 𝑚 < 10
𝐷
2,742
Como se comprueba la relación es menor a 10, por lo que se
usará como cabezal y como fondo los del tipo Klopper, que tienen una
geometría toroesférica.
Según la normativa de instalaciones petrolíferas, estos elementos
tienen unas dimensiones establecidas que es necesario calcular. Tanto
este cálculo como el de la relación altura diámetro de la columna son
cálculos estimativos, ya que es necesario hacerlos con el diámetro
externo. Se volverán a realizar una vez se disponga del espesor de la
chapa en estas zonas.
Las dimensiones serán:
𝐿 = 0,8 · 𝐷0
𝐴. 2.69
𝑟 = 0,154 · 𝐷0
[𝐴. 2.70]
𝐻 = 0,26 · 𝐷0
[𝐴. 2.71]
𝑕 = 3,5 · 𝑡
[𝐴. 2.72]
Donde:
Anexos
Página 77
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐿: Radio mayor (m).
𝑟: Radio menor (m).
𝐻: Altura del fondo (m).
𝑕: Altura de la faldilla (m).
𝐷0 : Diámetro de la torre (m).
𝑡: Espaciado entre platos (m).
Sustituyendo D0 = 2,743 m y t = 0,6 m se llegan a los siguientes
resultados:
Tabla XXII:
Dimensiones del fondo.
L (m)
2,194
H (m)
0,713
r (m)
0,422
h (m)
2,1
Con estos datos es posible afrontar el cálculo del espesor
requerido por la presión interna en las tres posiciones de conflicto.
Cálculo del espesor en la carcasa.
Al ser el diámetro de la torre el mismo tanto para agotamiento
como para rectificación es solo se calcularan las tensiones para este
diámetro.
Anexos
𝑡𝑙𝑜𝑛𝑔 =
𝑃𝐷 · 𝑅
4 · 𝑆 · 𝐸 + 0,8 · 𝑃𝐷
𝐴. 2.73
𝑡𝐶𝑖𝑟𝑐 =
𝑃𝐷 · 𝑅
2 · 𝑆 · 𝐸 − 1,3 · 𝑃𝐷
[𝐴. 2.74]
Página 78
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Donde:
𝑃𝐷 : Presión de diseño (psi).
𝑅: Radio de la columna 1,372 m (54,016 in) (in).
𝑆: Tensión máxima admisible (psi).
𝐸: Coeficiente de soldadura.
Se definen dos tipos de tensiones ya que la carcasa estará
sometida a esfuerzos tanto longitudinales como circunferenciales. Se
escogerá el valor mayor de los dos.
De manera que:
𝑡𝑙𝑜𝑛𝑔 = 0,0311 𝑖𝑛 = 0,790 𝑚𝑚
𝑡𝐶𝑖𝑟𝑐𝑢𝑛𝑓 = 0,0624 𝑖𝑛 = 1,585 𝑚𝑚
Como se puede observar las tensiones circunferenciales son
mayores que las longitudinales, por lo que se escoge este espesor.
El mayor es el debido a las tensiones circunferenciales, por lo que
éste será el espesor de la carcasa.
Cálculo del espesor de los fondos toroesféricos.
Para su cálculo es necesario tener primero en cuenta la relación
entre el radio mayor y el menor de las cubiertas. Primero para
agotamiento y en segundo lugar para rectificación.
𝐿
= 5,199
𝑟
Anexos
Página 79
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Al ser esta relación menor a 16,6 es posible usar la siguiente
ecuación para el cálculo del espesor:
𝑡=
𝑃𝐷 · 𝐿 · 𝑀
2 · 𝑆 · 𝐸 − 0,2 · 𝑃𝐷
[𝐴. 2.75]
Donde:
𝑃𝐷 : Presión de diseño (psi).
𝐿: Radio mayor del fondo.
𝑆: Tensión máxima admisible (psi).
𝐸: Coeficiente de soldadura
𝑀: Parámetro que depende de las dimensiones de la tapa.
El parámetro M se calcula a través de:
𝑀 = 0,25 · 3 +
𝐿
= 1,320
𝑟
[𝐴. 2.76]
Sustituyendo en [A.2.75]:
𝑡 = 0,003 𝑖𝑛 = 0,0848 𝑚𝑚
2.6.2.2. Cálculo del espesor debido a la carga del viento.
Es necesario calcularla, ya que puede conducir a la inestabilidad
de la estructura. Es por ello que es necesario el cálculo del espesor para
aguantar la carga del viento en 2 posiciones.
Anexos
Página 80
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
1. Posición 1: Unión entre el faldón y la envolvente de la zona de
agotamiento.
2. Posición 2: Unión entre la envolvente de rectificación con el
cabezal superior.
Para poder calcular las tensiones que ejerce el viento sobre la
columna es necesario conocer la altura de la posición a analizar, en este
caso la unión del faldón con la envolvente.
El faldón, para columnas de estas dimensiones tiene una altura de
2 m desde el suelo hasta la parte más baja del fondo; según se ha
obtenido por experiencia. Por ello:
𝑕𝑒𝑥𝑝 = 𝐻𝐹𝑎𝑙𝑑 ó𝑛 + 𝐻𝐹𝑜𝑛𝑑𝑜 = 2 + 0,713 = 2,713 𝑚 = 8,901 𝑓𝑡
[𝐴. 2.77]
Una vez conocida la altura de aplicación se procede a calcular la
presión de diseño del viento (Pw) mediante la siguiente expresión:
𝑃𝑊 = 𝑞𝑠 · 𝐶𝑞 · 𝐶𝑒
[𝐴. 2.78]
Donde:
1. 𝑞𝑠 : Es la presión de estancamiento del viento a una altura estándar
de 30 ft.
2. 𝐶𝑞 : Coeficiente de presión (factor de forma).
3. 𝐶𝑒 : Coeficiente del factor por ráfagas.
La presión de estancamiento depende de la velocidad del viento.
El proceso se colocará en San Roque, donde se han llegado a registrar
velocidades de viento de 180 km·h -1 (112,4 mph). Según esta velocidad y
la Tabla XXIII se escoge el valor inmediatamente superior, el de 120 mph
con una presión de estancamiento de 37 lb·ft -2.
Anexos
Página 81
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla XXIII:
Factor 𝒒𝒔 carga por viento.
(Megsey, E.F., 2001)
Velocidad básica del viento (mph)
Presión 𝒒𝒔
𝒍𝒃
𝒇𝒕𝟐
70 80 90 100 110 120 130
13 17 21
26
31
37
44
El coeficiente de presión depende de la geometría del recipiente
principalmente. En este caso se trata de un cilindro, por lo que se puede
enmarcar dentro de la categoría de torres redondas o elípticas con
equipos adheridos para los que toma un valor de 0,9 según la Tabla
XXIV.
Tabla XXIV:
Valor del factor de forma (𝑪𝒒 ) según la geometría.
(Megsey, E.F., 2001)
Torres cuadradas o rectangulares.
1,4
Torres hexagonales u octogonales.
1,1
Torres redondas o elípticas.
0,8
Si hay cualquier equipo conectado a la torre, se recomienda incrementar el
factor hasta 0,9 para recipientes cilíndricos
El coeficiente del factor por ráfagas depende del tipo de exposición
y de la altura sobre el suelo. Según la bibliografía [Megsey 2.001], de
donde procede la Tabla XXV, el presente proyecto se enmarca dentro de
un tipo de exposición C, ya que ésta corresponde a “terreno plano,
generalmente abierto que se extiende al menos media milla o más desde
donde se localiza la torre. Las grandes plantas petroquímicas se
encuentran en este tipo de exposición”. Con una altura de 2,743 m (8,901
ft) este factor vale 1,2.
Anexos
Página 82
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla XXV:
Altura combinada, exposición y coeficiente del factor por ráfagas.
(Megsey, E.F., 2001)
Coeficiente 𝑪𝒆
Altura sobre el piso
(ft)
Exposición C
Exposición B
0 – 20
1,2
0,7
20 – 40
1,3
0,8
40 – 60
1,5
1,0
60 – 100
1,6
1,1
100 – 150
1,8
1,3
150 – 200
1,9
1,4
200 – 300
2,1
1,6
300 – 400
2,2
1,8
Sustituyendo en [A.2.78]:
𝑃𝑊 = 0,9 · 1,2 · 37 = 39,96
𝑙𝑏
= 0,278 𝑝𝑠𝑖 = 0,0191 𝑏𝑎𝑟
𝑓𝑡 2
Una vez calculada la presión de diseño del viento se procede a
calcular el momento del viento:
𝑀𝑒𝑥𝑝 = 𝑀 − 𝑕𝑒𝑥𝑝 · 𝑉 − 0,5 · 𝑃𝑊 · 𝐷𝑜 · 𝑕𝑒𝑥𝑝
[𝐴. 2.79]
Donde:
𝑀𝑒𝑥𝑝 : Momento a la altura expuesta.
𝑀: Momento máximo. Se da en la base.
𝑕𝑒𝑥𝑝 : Altura expuesta al viento.
𝑉: Esfuerzo cortante.
𝑃𝑊 : Presión de diseño del viento.
Anexos
Página 83
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐷0 : Diámetro exterior de la carcasa.
El esfuerzo cortante se conoce a través de la siguiente ecuación:
𝑉 = 𝑃𝑊 · 𝐷0 · 𝐻
[𝐴. 2.80]
Donde:
𝑃𝑊 : Presión de diseño del viento.
𝐷0 : Diámetro exterior de la carcasa.
𝐻: Altura total de la torre incluyendo el faldón.
El momento máximo será:
𝑀 = 𝑉 · 𝑕1
[𝐴. 2.81]
Donde:
𝑉: Es el esfuerzo cortante.
𝑕1 : Es el brazo de palanca para la posición analizada.
Sustituyendo [A.2.80] en [A.2.81] se llega a:
𝑀 = 𝑃𝑊 · 𝐷0 · 𝐻 · 𝑕1
[𝐴. 2.81. 𝑎]
El brazo de la palanca en la posición a analizar se calcula a través
de:
Anexos
Página 84
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑕1 =
𝐻
= 10,163 𝑚 = 33,335 𝑓𝑡
2
El diámetro exterior de la carcasa ha de tener en cuenta el espesor
del aislante a colocar. Su espesor será de 80 mm debido principalmente
a la temperatura de trabajo de la torre. Será una capa de lana de roca.
Este espesor se estimó a partir de la Tabla XXVI.
𝐷0 = 2,743 + 2 · 0,80 = 4,343 𝑚 = 14,249 𝑓𝑡
Sustituyendo en [A.2.81.a]:
𝑀 = 𝑃𝑊 · 𝐷0 · 𝐻 · 𝑕1 = 1.265.058,73 𝑙𝑏 · 𝑓𝑡
Tabla XXVI:
Espesor calorifugados de equipos para lana de roca.
(Especificaciones CEPSA)
TEMPERATURA DE OPERACIÓN
(ºC)
65-75
75-160
160-180
180-310
310-450
450-650
650-750
ESPESOR
(mm)
40
50
60
80
120
150
180
Por lo que el momento a la altura expuesta vale:
𝑀𝑒𝑥𝑝 = 934.138,182 𝑙𝑏 · 𝑓𝑡
De manera que el espesor por la acción del viento será:
Anexos
Página 85
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑡𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =
12 · 𝑀𝑒𝑥𝑝
𝑟𝑖2 · 𝜋 · 𝑆 · 𝐸
[𝐴. 2.82]
Donde:
𝑀𝑒𝑥𝑝 : Es el momento a la altura expuesta (lb·ft).
𝑟𝑖2 : Es el radio de la envolvente incluyendo el aislante (ft).
𝑆: Tensión máxima admisible (lb·ft-2).
𝐸: Coeficiente de soldadura.
Por lo que:
𝑡𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 0,0031 𝑓𝑡 = 0,954 𝑚𝑚
Habrá que analizar también la segunda posición, obteniendo un
espesor de:
𝑡𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 5,650 · 10−6 𝑓𝑡 = 0,0017 𝑚𝑚
2.6.2.3. Conclusión.
Hay que considerar el efecto combinado de las tensiones debidas
al efecto del viento y las presiones internas, es decir, hay que sumar el
esfuerzo predominante para cada sección de la torre. Añadiendo también
el sobreespesor por corrosión:
Columna.
𝑡 𝑚𝑚 = 𝑡𝑃.𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎 + 𝑡𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 + 𝐶
Anexos
[𝐴. 2.83]
Página 86
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑡 𝑚𝑚 = 1,585 + 1,123 + 1,016 = 3,724 𝑚𝑚
Como se ve, este valor de espesor mínimo es menor al exigido por
norma por lo que el espesor mínimo será éste más el margen de
corrosión (7,032).
Se ha escogido como espesor debido a la presión interna el
exigido por norma, ya que el calculado es inferior a este valor. Con la
Tabla XXVII se determina el espesor real, ya que hay que seleccionar el
espesor comercial inmediatamente superior al calculado:
𝑡𝐸𝑛𝑣𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 = 7,032 𝑚𝑚 → 7,9 𝑚𝑚
El fondo y el cabezal tendrán también este espesor, ya que el
calculado es menor que el exigido por norma.
Tabla XXVII:
Espesores de placa envolvente comerciales.
(Megsey 2.001)
Espesor
(in)
Espesor
(mm)
Espesor
(in)
Espesor
(mm)
Espesor
(in)
Espesor
(mm)
1/16
1,6
9/16
14,3
1 1/16
27,0
3/32
2,4
5/8
15,9
1 1/8
28,6
3/16
4,8
11/16
17,5
1 3/16
30,2
¼
6,4
3/4
19,1
1 1/4
31,8
5/16
7,9
13/16
20,6
1 5/16
33,3
3/8
9,5
7/8
22,2
1 3/8
34,9
7/16
11,1
15/16
23,8
1 7/16
36,5
½
12,7
1
25,4
1 1/2
38,1
2.7. Diseño mecánico del elemento de soporte.
La columna estará soportada por un faldón, que es la estructura de
soporte más adecuada para recipientes cilíndricos verticales. Está unido
Anexos
Página 87
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
por medio de soldadura continua a la columna, englobando al fondo
inferior.
Su uso se ve justificado si cumple al menos alguna de las
siguientes puntualizaciones:
1. El diámetro de la envolvente ha de ser mayor a 1,5 m.
2. La relación altura/diámetro del recipiente ha de ser mayor a 5.
3. Se pueden esperar vibraciones.
4. La masa del recipiente lleno ha de ser superior a 15 toneladas.
En el caso de la columna diseñada se cumplen las tres primeras,
ya que el diámetro de la envolvente 2,743 m sin tener en cuenta el
aislante, la relación altura/diámetro toma el valor de 5,687 y se pueden
esperar vibraciones por la acción del viento sobre el recipiente.
Estos dispositivos se verán sometidos a cargas por acción tanto
del viento como del peso del recipiente.
2.7.1. Información previa al diseño.
Se consideran la misma información previa que la establecida en
el apartado 2.6.1 resumidas a continuación.
Tabla XXVIII:
Información previa al diseño mecánico.
Características
S (psi)
E
Material
Temperatura de diseño (ºC)
Valor
14.300
0,85
Acero al carbono SA-283
246,3
Al estar sujeto a las mismas consideraciones iniciales los
espesores mínimos establecidos por la norma y el material coincidirán
con los establecidos anteriormente
Anexos
Página 88
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Las únicas variables que cambian son el material y por ello la
máxima tensión admisible. En este caso se escoge como material el
acero al carbono SA-283, ya que es el adecuado para estructuras de
soporte según se puede comprobar en la Tabla A.IV del anexo 8.
2.7.2. Determinación del espesor.
Tal y como se mencionó anteriormente el faldón está sometido a
dos cargas, las debidas a la acción del peso de la estructura que soporta
y la debida a la acción del viento.
2.7.2.1. Cálculo del espesor debido a la acción del viento.
En el apartado 2.6.2.2 se analizó el espesor en la unión entre el
faldón y la envolvente, el cual se extrapola a este apartado, cambiando
únicamente la tensión máxima admisible ya que se ha cambiado de
material.
𝑡𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 1,081 + 1,016 = 2,097 𝑚𝑚
Cálculo del espesor debido al peso del recipiente.
Se calcula a través de la siguiente expresión:
𝑡𝑝𝑒𝑠𝑜 =
𝑊
𝐷𝑜 𝑓𝑎𝑙𝑑 ó𝑛 · 𝜋 · 𝑆 · 𝐸
[𝐴. 2.84]
Donde:
𝑊: Peso de la estructura que soporta el faldón (lb).
Anexos
Página 89
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐷𝑜 𝑓𝑎𝑙𝑑 ó𝑛 : Diámetro del faldón coincidente con el de la carcasa a la
que va unida, la de agotamiento (ft).
𝑆: Tensión máxima admisible del material (lb·ft -2).
𝐸: Coeficiente de eficiencia de la soldadura.
Para calcular el peso de la estructura es necesario conocer tres
elementos:
1. Peso de la estructura.
2. Peso del material aislante.
3. Peso del líquido que ocupa toda la columna.
El peso de la estructura lo conforman los platos, la envolvente y
tanto el cabezal como el fondo.
Volumen del cabezal y fondo.
Al ser iguales, fondos toriesféricos tipo Klopper, únicamente
variará el diámetro de una zona a otra. Por lo que:
𝑉𝐹𝑜𝑛𝑑𝑜 = 0,1 · 𝐷03𝐸𝑥𝑡 − 𝐷03𝐼𝑛𝑡
[𝐴. 2.85]
Donde:
𝐷0𝐸𝑥𝑡 : Es el diámetro externo de la envolvente (m). Toma un valor
de 2,758 m.
𝐷0𝐼𝑛𝑡 : Es el diámetro interno de la envolvente (m). Toma un valor
de 2,743 m.
Sustituyendo en [A.2.85]:
Anexos
Página 90
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑉𝐹𝑜𝑛𝑑𝑜 = 0,034 𝑚3
Volumen de la envolvente.
Al tener solo un diámetro se hace para:
𝑉𝐸𝑛𝑣𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒
2
2
𝐷𝐸𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜
− 𝐷𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜
=𝐻·𝜋·
4
[𝐴. 2.86]
Donde:
𝐻: Es la altura de la envolvente (m).
𝐷𝐸𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 : Es el diámetro externo de la envolvente (m). Toma un
valor de 2,758 m.
𝐷𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 : Es el diámetro interno de la envolvente (m). Toma un
valor de 2,743 m.
De manera que sustituyendo en [A.2.87]:
𝑉𝐸𝑛𝑣𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 = 0,972 𝑚3
Volumen de los platos.
Será la suma del volumen de platos en agotamiento y en
rectificación, determinados a partir de la siguiente expresión:
𝑉𝑝𝑙𝑎𝑡𝑜𝑠 𝑖 = 𝑁𝑃𝑙𝑎𝑡𝑜𝑠
𝑖
· 𝑒𝑃𝑙𝑎𝑡𝑜
𝑇𝑖2
· 𝜋·
− 𝐴0 𝑖
4
[𝐴. 2.87]
Donde:
Anexos
Página 91
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑁𝑃𝑙𝑎𝑡𝑜𝑠 𝑖 : Es el número de platos.
𝑒𝑃𝑙𝑎𝑡𝑜 : Espesor del plato (m).
𝑇𝑖 : Diámetro del plato (m).
𝐴0 𝑖 : Área de los orificios en el plato (m).
Sustituyendo en [A.2.87] se obtiene un volumen total de platos de
la columna:
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑝𝑙𝑎𝑡𝑜𝑠
= 0,255 𝑚3
De manera que el peso total de la estructura será de:
𝑊 = 𝑔 · 𝜌𝐴𝑐𝑒𝑟𝑜 · 𝑉𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
[𝐴. 2.88]
Donde:
𝑔: Es la aceleración de la gravedad (m·s-2).
𝜌𝐴𝑐𝑒𝑟𝑜 : Es la densidad del acero utilizado SA-285. Toma un valor
de 7.850 kg·m-3.
𝑉𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 : Es la suma total de todos los volúmenes calculados
anteriormente.
Por lo que sustituyendo en [A.6.128]:
𝑊 = 9,81
𝑚
𝑘𝑔
· 7.850 3 · 1,261 𝑚3
2
𝑠
𝑚
𝑊𝐴𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜 = 97.107,719 𝑁
Anexos
Página 92
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
El peso del material aislante se calcula de manera análoga usando
las mismas expresiones, pero con los siguientes valores de diámetros.
Volumen de aislante contenido en los fondos.
Para el fondo se usan los diámetros de la sección de agotamiento
y para el cabezal los de rectificación. Pero en este caso ambos son
iguales, por lo que no hay distinción
𝑉𝐹𝑜𝑛𝑑𝑜 = 6,094 𝑚3
Volumen de la envolvente.
𝑉𝐸𝑛𝑣𝑜𝑙𝑛𝑡𝑒 = 265,192 𝑚3
El volumen total de aislante en la torre:
𝑉𝐴𝑖𝑠𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒 = 277,380 𝑚3
Sabiendo que la densidad de la lana de roca es de 40 kg·m-3, el
peso será de:
𝑊𝐴𝑖𝑠𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒 = 108.843,912 𝑁
Por lo que el peso de la estructura será:
𝑊′ 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑊𝐴𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜 + 𝑊𝐴𝑖𝑠𝑙𝑎𝑛𝑡𝑒 = 205.951,631 𝑁
Anexos
[𝐴. 2.89]
Página 93
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Para estimar el peso real de la estructura es necesario un
sobredimensionamiento del 25% para cubrir elementos tales como
escalerillas, plataformas, soldaduras o tuberías.
𝑊𝐸𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 = 1,25 · 𝑊′ 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 257.439,539 𝑁
[𝐴. 2.90]
Peso del líquido contenido en la columna.
Para conocer el peso del líquido es necesario estimar el volumen
del mismo que es capaz de albergar la columna.
Volumen del cabezal y el fondo.
Se calcula con el diámetro interno (2,743 m).
𝑉𝐹𝑜𝑛𝑑𝑜
𝑜 𝐶𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎𝑙
= 0,1 · 𝐷𝑖3
[𝐴. 2.91]
Operando se llega a:
𝑉𝐹𝑜𝑛𝑑𝑜
𝑜 𝐶𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎𝑙
= 2,064 𝑚3
Al haber un fondo y un cabezal de las mismas dimensiones:
𝑉𝐹𝑜𝑛𝑑𝑜
𝑦 𝐶𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎𝑙
= 4,128 𝑚3
Volumen de la envolvente.
Tanto la envolvente de rectificación como de agotamiento son
cilindros.
Anexos
Página 94
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑉𝑒𝑛 𝑣𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒
𝐷𝑖2
=𝐻·𝜋·
4
[𝐴. 2.92]
Por lo que el volumen de envolvente será:
𝑉𝑒𝑛𝑣𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 = 88,641 𝑚3
Por lo que el volumen total de la columna será:
𝑉𝐶𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎 = 92,769 𝑚3
El peso del líquido contenido en la columna en lugar de calcularse
con la mezcla de hidrocarburos se hará con agua de prueba, pues dará la
situación más desfavorable posible al ser su densidad sensiblemente
superior a la de la mezcla (1.000 kg·m-3).
𝑊𝐿í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜
𝑊𝐿í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜
𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎
𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎
= 𝑔 · 𝜌𝐿í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 · 𝑉
[𝐴. 2.93]
= 910.060,103 𝑁
Conocidos tanto el peso del líquido que es capaz de albergar la
columna como de la propia estructura se está en posición de calcular el
peso que ha de soportar el faldón.
𝑊𝑆𝑜𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑟
𝑒𝑙 𝑓𝑎𝑙𝑑 ó𝑛
= 𝑊𝐿í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜
𝑊𝑆𝑜𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑟
Anexos
𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑙𝑢𝑚𝑛𝑎
𝑒𝑙 𝑓𝑎𝑙𝑑 ó𝑛
+ 𝑊𝐸𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 = 1.167.499,642 𝑁
= 262.464,4 𝑙𝑏
Página 95
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Ya se conocen los datos necesarios para estimar el espesor del
faldón. Por lo que sustituyendo:
𝑡𝑝𝑒𝑠𝑜 = 5,618 · 10−3 𝑓𝑡 = 1,712 𝑚𝑚
Teniendo en cuenta los efectos combinados del viento y el peso:
𝑡𝐹𝑎𝑙𝑑𝑜𝑛 = 𝑡𝑣𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 + 𝑡𝑝𝑒𝑠𝑜 = 1,712 + 1,651 = 3,363𝑚𝑚
2.7.2.2. Conclusión.
El espesor calculado es menor al exigido por norma (6,016 mm),
por lo que añadiendo el margen por corrosión:
𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑚 = 6,016 + 1,016 = 7,032 𝑚𝑚
El espesor comercial será:
𝑡 𝑚𝑚 = 7,032 𝑚𝑚 → 7,9 𝑚𝑚
2.8. Altura de la estructura.
Para el cálculo de la altura de la columna se han de tener en
cuenta los siguientes elementos:
1. La columna en sí.
2. Los faldilla de unión entre la columna y los fondos.
3. La distancia del primer y último plato a la faldilla.
Anexos
Página 96
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Haciendo el cálculo:
𝐻𝑇 = 𝑕𝐶𝑜𝑙 + 2 · 𝑕𝑓𝑎𝑙𝑑𝑖𝑙𝑙𝑎 + 2 · 𝑕𝑝𝑙𝑎𝑡𝑜 −𝑓𝑎𝑙𝑑𝑖𝑙𝑙 + 𝑕𝑐𝑎𝑏𝑒𝑧𝑎𝑙 + 𝑕𝐹𝑎𝑙𝑑 ó𝑛 [𝐴. 2.94]
𝐻𝑇 = 23,226 𝑚
2.9. Otros elementos.
2.9.1. Escalerilla y plataformas
Elementos de mantenimiento a los que hay que complementar con
plataformas cada 30 ft (9,144 m) y jaulas en el caso de que la altura del
recipiente sea mayor de 20 ft (6,096 m) según la normativa ANSI A14.31974.
Se colocaran al menos tres plataformas y será necesaria la jaula
de la escalerilla.
Se colocará una plataforma cada 9 m de altura y la última en la
parte superior. Dicha plataforma es para descansar y se encuentra
desplazada horizontalmente. Otra se colocará en el plato situado por
debajo del de alimentación y otro en el primer plato (comenzando a
numerar por arriba)
La jaula comienza a los 2,28 metros del suelo para evitar posibles
golpes en la cabeza.
Bocas de hombre.
El número de bocas de hombre depende del diámetro del
recipiente. Esta relación queda reflejada en la Tabla XXIX basada en la
norma API 650.
Anexos
Página 97
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla XXIX:
Relación de las bocas de hombre con el diámetro.
(Norma API 650)
Diámetro nominal del tanque. Número
(m)
mínimo
D ≤ 61
2
61 < D ≤ 91
3
91 < D
4
Para un diámetro de 2,743 m corresponden 2 bocas de hombre
distribuidas de la siguiente forma:
1. Plato número 1.
2. Último plato (Plato número 25)
Según la norma consultada su tamaño ha de ser de 20 in (0,508
m), pero a tener de experiencia de operarios con los que el proyectista ha
tenido la posibilidad de consultar se recomienda aumentar su tamaño
hasta las 24 in (0,696 m).
Como la distancia entre ellas no ha de ser superior a los 6 metros,
se instalará otra boca de hombre adicional a 18 metros de altura
(coincidiendo con la plataforma) comenzando a numerar desde la parte
superior.
Anexos
Página 98
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
ANEXO 3: Sistemas de intercambio de calor.
3.1. Introducción.
En el presente apartado se desarrollaran los cálculos necesarios
para el dimensionamiento de los equipos de transferencia de calor
presentes en el proceso distribuidos de la siguiente forma:
1. Línea de alimentación: Un intercambiador de calor (IC-01) cuyo
objetivo es aumentar la temperatura de la corriente F para conseguir
un ahorro energético.
2. Cabezas de columna: Un condensador total aerorrefrigerante (CD-01)
que transforma el vapor que sale de la columna en líquido.
3. Colas de columna: Un reboiler tipo Kettle que proporciona una
vaporización parcial del líquido que sale de la columna por la parte
inferior.
4. Línea de cabezas: Batería de aerorefrigerantes (AR-01-06 ).
5. Línea de colas: Intercambiador de calor (IC-03) de carcasas y tubos
cuyo objetivo es reducir la temperatura de la corriente de colas hasta
un valor óptimo para el almacenamiento.
3.2. Diseño del intercambiador de calor de la corriente de
alimentación (IC-01)
Antes de comenzar con el diseño es conveniente definir las
corrientes de entrada y salida tanto del fluido refrigerante como
calefactor. Se encuentran recogidas en las siguientes tablas.
Anexos
Página 99
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla XXX:
Propiedades de la corriente a calentar (carcasa).
Propiedad
Entrada
Salida
-4
3,908·10-4
Viscosidad (Pa·s)
5,846·10
Densidad (kg·m-3)
808,7
754,5
781,6
Temperatura (K)
358
410,7
384,35
Qmolar (kmol·h-1)
772,944
772,944
772,944
-
-
71.412,278
-
-
91,367
-1
W F (kg·h )
QV (m3·h-1)
-1
-1
Capacidad calorífica (kJ·kg ·C )
1,970·10
Media
-4
0,020
Conductividad
0,121
0,108
0,114
Tabla XXXI:
Propiedades de la corriente calefactora (tubos).
Propiedad
Viscosidad (Pa·s)
W entrada
1,628·10-5
W salida
1,240·10-4
Media
7,014·10-5
Densidad (kg·m-3)
10,74
836,8
423,77
Temperatura (K)
490,9
488,6
489,75
-1
Qmolar (kmol·h )
2,201
W F (kg·h-1)
QV (m3·h-1)
39,669
Calor latente (kJ·kg-1)
Conductividad
3,694
1.896
0,0041
1.896
0,652
1.896
0,328
Donde:
Qmolar: Es el caudal molar (kmol·h-1).
W F: Caudal másico (kg·h-1).
QV: Caudal volumétrico (m3·h-1).
3.2.1. Justificación de este intercambiador.
En un principio se planteaba intercambiar calor entre la corriente
que sale de la torre y la corriente de alimentación a la misma, para
intentar conseguir un ahorro de vapor en el reboiler.
Anexos
Página 100
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Pero por el bajo caudal de la corriente de colas no es viable la
construcción de este intercambiador.
Pese a este inconveniente proyecta este dispositivo para elevar la
temperatura de la corriente de alimentación a la columna, para favorecer
la separación de los distintos componentes que la conforman. Se usará
como fluido calefactor vapor a alta presión procedente de refinería.
3.2.2. Asignación de flujos.
En este tipo de intercambiadores se pondrán en contacto dos
fluidos, uno que circula por la carcasa y otro que circula por los tubos.
Para selección que fluido circula por donde se siguen los siguientes
criterios.
1. El fluido más sucio circula por el interior de los tubos, ya que su
limpieza es más sencilla.
2. El fluido más corrosivo ha de circular por los tubos, para minimizar
el costo que supondría un material anticorrosivo.
3. El fluido de más presión se sitúa por el interior de los tubos.
4. El fluido que circula por la carcasa es el de mayor viscosidad o un
gas.
En el caso del IC-01 no existe ningún fluido corrosivo ni sucio, por
lo que estos criterios no son definitivos.
Tras rechazar estos dos criterios aún queda discernir entre el
punto 3 y 4 de los antes citados. Si se escoge como limitante el número 4
a la hora de aplicar el factor de corrección de la temperatura media
logarítmica el resultado no es aplicable, ya que el factor R equivaldría a
0,05, cuando el mínimo aceptable es 0,1.
Por esto se establece que el fluido que circula a través de los
tubos es el vapor calefactor a alta presión y el que circula por carcasa es
la corriente líquida, obteniendo como se comprueba posteriormente un
factor de corrección de F=1, valor aceptable.
Anexos
Página 101
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
3.2.3. Cálculo de los calores intercambiados.
El calor ganado por el fluido frío ha de ser el mismo que el perdido
por el fluido calefactor, por lo que:
𝑄 = 𝑚𝐹 · 𝐶𝑃 · ∆𝑇
[𝐴. 3.1. ]
Donde:
𝑚𝐹 : Caudal másico del fluido frío (kg·s-1).
𝐶𝑃 : Capacidad calorífica (kJ·kg-1·K-1)
∆𝑇: Incremento de temperatura de la corriente fría a la salida y
entrada.
La capacidad calorífica se ha calculado a través de la siguiente
expresión:
𝐶𝑝 = 𝐴 +𝐵 · 𝑇 + 𝐶 · 𝑇 2 + 𝐷 · 𝑇 3 + ⋯ · 10−5
𝐽
𝑚𝑜𝑙 · 𝐾
[𝐴. 3.2]
Será necesario calcularlo para cada sustancia que conforma la
alimentación. Evaluándose a la temperatura media de la corriente la
capacidad calorífica para cada sustancia será:
Tabla XXXII:
Coeficientes para el cálculo de Cp.
(Perry et Al, 2001)
Benceno
Tolueno
Bifenilo
Anexos
A
B
C
1,29·105
1,40·105
1,22·105
-1,70·10-2
-1,52·102
4,29·102
6,48·10-1
6,95·10-1
0
Cp
(J·mol-1·K-1)
1,505
1,731
2,735
Cp
(J·kg-1·K-1)
0,0162
0,0187
0,0296
Página 102
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
La capacidad calorífica de la corriente, teniendo en cuenta la
aportación de cada compuesto será:
𝐶𝑝 = 2 · 10−2
𝑘𝐽
𝑘𝑔 · 𝐾
Sustituyendo se llega a que se ha de intercambiar un calor de:
𝑄 = 7,521 · 104
𝑘𝐽
𝐽
= 2,089 · 104
𝑠
𝑠
Este calor absorbido por la corriente fría será el que perderá la
corriente calefactora de vapor. En este caso se produce un cambio de
fase pasando de vapor a líquido. Se desconoce el caudal de vapor
necesario, pero es calculable aplicando la siguiente expresión:
𝑄 = 𝑚𝐶 · 𝜆
[𝐴. 3.3]
Donde:
𝑄: Es el calor cedido a la corriente fría. Se calculo en
anteriormente [A.3.1] (kJ·s-1).
𝑚𝐶 : Caudal de la corriente de vapor necesario para lograr el
intercambio deseado (kg·s-1).
: Calor latente (kJ·kg-1)
Estas propiedades están recogidas en la Tabla XXXI, donde
también figura el caudal calculado mediante [A.3.3]. Reordenando:
Anexos
Página 103
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑚𝐶 =
𝑄
𝑘𝑔
= 0,011
𝜆
𝑠
3.2.4. Características del intercambiador.
Los
intercambiadores
de
calor
tendrán
las
siguientes
características:
1. Se escoge un intercambiador de calor de carcasas y tubos.
2. Se escoge un pitch de 1 pulgada con una disposición triangular,
pues permite colocar un 10% de tubos más que en el paso
cuadrado.
3. Se escogen tubos con un diámetro externo de 0,75 in y un
diámetro de 0,532 in.
4. Los tubos estarán hechos de acero al carbono SA-106 y la carcasa
de acero al carbono SA-285.
5. Se tendrá un paso por carcasa y dos por tubos.
3.2.5. Cálculo del área del intercambiador.
Se calcula a través de la siguiente expresión:
𝑄 = 𝑈 · 𝐴𝑠 · ∆𝑇𝑚
[𝐴. 3.4]
Donde:
𝑄: Calor intercambiado entre los fluidos (J·s-1).
𝑈: Coeficiente global de transferencia de materia. Depende de la
resistencia a la transmisión de calor en el equipo (W·m-2·K-1).
𝐴𝑠 : Área de transferencia de calor (m2).
∆𝑇𝑚 : Incremento de temperatura media logarítmica.
Anexos
Página 104
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Despejando de [A.3.3] es posible obtener el área de transferencia
de materia:
𝐴𝑠 =
𝑄
𝑈 · ∆𝑇𝑚
Es preciso calcular estos parámetros desconocidos, a excepción
del calor intercambiado entre los fluidos, pues es un valor conocido.
3.2.5.1. Temperatura media logarítmica.
Se calcula a través de la siguiente expresión:
∆𝑇𝑚 =
𝑇𝐶𝐿 − 𝑇𝐹𝐿 − 𝑇𝐶𝑜 − 𝑇𝐹0
𝑇𝐶 − 𝑇𝐹
𝐿𝑛 𝑇 𝐿 − 𝑇 𝐿
𝐶𝑜
𝐹0
[𝐴. 3.5]
Sustituyendo:
∆𝑇𝑚 = 102,963 𝐾
Para este tipo de intercambiadores de calor de carcasas y tubos
es necesario introducir un factor o término corrector.
∆𝑇𝑚 𝐹 = 𝐹 · ∆𝑇𝑚
[𝐴. 3.6]
El cálculo del factor corrector se realiza a través de una gráfica
dependiente de dos parámetros en función de la temperatura:
Anexos
Página 105
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑡2 − 𝑡1
𝑇1 − 𝑡1
[𝐴. 3.7. 𝑎]
𝑇1 − 𝑇2
𝑡2 − 𝑡1
[𝐴. 3.7. 𝑏]
𝐸=
𝑅=
Estas temperaturas son conocidas, por lo que:
𝐸 = 0,016
𝑅 = 22,91
Recurriendo a la Figura A.2 del anexo 8 se obtiene un factor de
corrección F de:
𝐹=1
Sustituyendo en [A.3.6]:
∆𝑇𝑚 𝐹 = 102,963
1.2.5.2.
Coeficiente global de transferencia de calor.
En un intercambiador de calor se produce una transmisión de calor
entre dos fluidos, uno caliente y otro frío a través de las paredes de una
tubería. El calor se transfiere por convección a través del fluido, a través
de las paredes por conducción y de nuevo de la pared al fluido por
convección.
La resistencia global a la transferencia de calor será la suma de
las resistencias individuales:
Anexos
Página 106
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑅 = 𝑅𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 + 𝑅𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑 + 𝑅𝑒𝑥𝑡𝑒𝑖𝑜𝑟
[𝐴. 3.8]
Sustituyendo:
𝑟
𝐿𝑛 𝑟𝑜
1
1
1
𝑖
𝑅= =
+
+
𝑈 𝑕𝑖 · 𝐴 𝑖 2 · 𝜋 · 𝑘 𝑚 · 𝐿 𝑕𝑜 · 𝐴 𝑜
[𝐴. 3.8. 𝑎]
Donde:
𝑕𝑖 : Coeficiente de película interna.
𝐴𝑖 : Área interna (m2).
𝑟0 : Radio interno (m).
𝑟𝑖 : Radio externo (m).
𝑘𝑚 : Conductividad térmica del material (W·m-1·K-1).
𝐿: Longitud del intercambiador (m).
𝑕0 : Coeficiente de película externa.
𝐴0 : Área externa (m2).
U: Coeficiente global de transferencia de materia.
A continuación se calcularan los términos de la ecuación anterior
[A.3.8.a].
Coeficiente individual de película interna.
Se calcula a través del número de Nusselt.
𝑁𝑢 =
Anexos
𝑕𝑖 · 𝐷𝑖
𝑘
𝐴. 3.9
Página 107
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Donde:
𝑕𝑖 : Coeficiente individual de convección interna.
𝐷𝑖 : Diámetro interno de la tubería (m).
𝑘: Conductividad de la sustancia.
Se calculará el Número de Nusselt de otra forma, y se sustituirá
posteriormente en [A.3.9].
Primero se calculará el número de Reynolds.
𝑅𝑒 =
4 · 𝑊𝑚
𝜋 · 𝜇 · 𝐷𝑖
[𝐴. 3.10]
Donde:
𝑊𝑚 : Caudal másico del fluido que circula a través de los tubos
-1
(kg·s ).
𝜇: Viscosidad de la corriente (Pa·s).
𝐷𝑖 : Diámetro interno de los tubos (m).
Sustituyendo en [A.3.7] se obtiene un número de Reynolds:
𝑅𝑒 = 1,482 · 104
Al tener un número de Reynolds mayor a 10.000 el número de
Nusselt mediante la relación siguiente.
Anexos
Página 108
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
4
𝑁𝑢 = 0,023 · 𝑅𝑒 5 · 𝑃𝑟 0,4
[𝐴. 3.8]
Donde:
𝑅𝑒: Número de Reynolds.
𝑃𝑟: Número de Prandt.
El coeficiente al que está elevado el número de Prandt, 0,4
corresponde al coeficiente para los casos en los que el fluido que circula
por el interior de los tubos está a mayor temperatura. El número de
Prandtl se calcula a través de:
𝑃𝑟 =
𝐶𝑝 · 𝜇
𝑘
[𝐴. 3.9]
Donde:
𝐶𝑝: Capacidad calorífica (kJ·kg-1·K-1).
𝜇: Viscosidad (Pa·s).
𝑘: Conductividad térmica del fluido (W·m-1·K-1).
El calor específico de la corriente calefactora se calcula a través
de una expresión diferente, ya que es una corriente gaseosa.
𝐶𝑝 = 𝐴 + 𝐵 ·
𝐶
𝑇
𝐶
𝑠𝑒𝑛𝑕 𝑇
2
+𝐷·
𝐸
𝑇
𝐸
𝑐𝑜𝑠𝑕 𝑇
[𝐴. 3.10]
Se utilizarán los siguientes coeficientes.
Anexos
Página 109
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla XXXIII:
Coeficientes para el cálculo de la capacidad calorífica
del agua como vapor.
(Perry et Al, 2001)
A
0,336·10
B
5
0,2679·10
C
5
D
2,6105·10
3
0,0890·10
E
5
1,169
Aplicando la ecuación [A.3.10] se consigue un valor de:
𝐶𝑝 = 0,0219
𝐽
𝑘𝑔 · 𝐾
La conductividad térmica de la corriente que circula por los tubos
se evaluará a la temperatura media de la corriente a calentar se ha
calculado por medios bibliográficos.
𝑘 = 0,328
𝑊
𝑚·𝐾
Sustituyendo los valores se obtiene:
𝑃𝑟 = 4,688 · 10−3
Con éste y el número de Reynolds se calcula el número de Nusselt
mediante [A.3.8]
𝑁𝑢 = 5,844
Despejando de [A.3.9] se obtiene el coeficiente individual de
película interna:
Anexos
Página 110
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑕𝑖 =
𝑁𝑢 · 𝑘
𝑊
= 2,583 · 104 2
𝐷𝑖
𝑚 ·𝐾
Coeficiente individual de convección externa,
Se calcula de la misma forma que el coeficiente de convección
interna pero teniendo en cuenta los siguientes cambios:
1. El diámetro es el correspondiente al diámetro exterior de los tubos
D0=0,75 in (0,0191 m).
2. El caudal es el del fluido que circula por carcasa recogido en la
Tabla XXX 𝑚𝐶 = 19,837
𝑘𝑔
𝑠
.
Procediendo de manera análoga:
𝑅𝑒 =
4 · 𝑊𝑚
𝜋 · 𝜇 · 𝐷0
[𝐴. 3.11]
Sustituyendo:
𝑅𝑒 = 3,396 · 106
La conductividad de la sustancia será:
𝑘 = 0,114
𝑊
𝑚·𝐾
Recurriendo a [A.3.9] se obtiene un número de Prandt de:
𝑃𝑟 = 0,102
Anexos
Página 111
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
A través de la ecuación [A.3.8] se calcula el número de Nusselt.
𝑁𝑢 = 1,548 · 103
De manera que el coeficiente de convección externa equivale a:
𝑕0 =
𝑁𝑢 · 𝑘
= 9,295 · 103
𝐷0
Coeficientes de ensuciamiento interno y externo.
Son datos bibliográficos necesarios, ya que tanto el ensuciamiento
interno de los tubos como el externo aumenta la resistencia a la
transferencia de calor. Añadiéndolas a la ecuación [A.3.8.a] se obtiene la
siguiente estructura:
𝑅𝑖 = 𝑅𝑖𝑖 ·
𝑑0
𝑑𝑖
[𝐴. 3.12]
𝑅0 = 𝑅00 ·
𝑑0
𝑑𝑖
[𝐴. 3.13]
Donde:
𝑅𝑖 : Es la resistencia debida a la película de ensuciamiento interna.
𝑅0 : Es la resistencia debida a la película de ensuciamiento externa.
𝑅𝑖𝑖 : Es el coeficiente de ensuciamiento de la película interna. Toma
un valor de 0,004 K·m2·W -1.
𝑅𝑜0 : Es el coeficiente de ensuciamiento de la película externa.
Toma un valor de 0,002 K·m2·W -1.
Anexos
Página 112
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Conductividad del material.
Los tubos estarán hechos de acero al carbono SA-106, ya que es
el recomendado para tuberías cuando se trabaja a altas temperaturas
(hasta 450ºC).
Según el instituto americano del hierro y acero (AISI), el acero al
carbono SA-106, AISI-1010, la dependencia de la conductividad térmica
con la temperatura se ve reflejada en la Tabla XXXIV.
Tabla XXXIV:
Dependencia de la conductividad térmica con la temperatura.
(Instituto americano del hierro y el acero)
Temperatura
(ºC)
Conductividad
térmica
(W·m-1·K-1)
0
65,2
100
60,2
200
55,5
300
50,7
400
46
500
41,5
600
36,9
700
32,9
800
28,9
Por lo que la conductividad térmica del acero será de:
𝑘𝑚 = 59,67
𝑊
𝑚·𝐾
Coeficiente global de transferencia de materia.
Teniendo en cuenta los factores de ensuciamiento de la parte
interior y exterior de los tubos, la ecuación [A.5.8.a] sufre la siguiente
modificación.
Anexos
Página 113
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑟
𝐿𝑛 𝑟𝑜
1
1
1
𝑖
=
+
+
+ 𝑅𝑖 + 𝑅0
𝑈 𝑕𝑖 · 𝐴 𝑖 2 · 𝜋 · 𝑘 𝑚 · 𝐿 𝑕𝑜 · 𝐴 𝑜
Esta es la expresión general, hay que tener en cuenta que este
coeficiente no tiene sentido si no se refiere al área sobre la que actúa, por
lo que finalmente esta expresión toma la siguiente forma:
𝑟
𝐷0 · 𝐿𝑛 𝑟𝑜
1
𝐷0
1
𝑖
=
+
+ + 𝑅𝑖 + 𝑅0
𝑈 𝑕𝑖 · 𝐷𝑖
2 · 𝑘𝑚
𝑕𝑜
[𝐴. 3.14]
Sustituyendo se llega a un valor del coeficiente de transferencia de
masa de:
𝑈 = 1.082,996
𝑊
𝐾 · 𝑚2
3.2.5.3. Cálculo el área del intercambiador.
Una vez conocidos todos los parámetros de la ecuación [A.3.3] es
posible calcular el área del intercambiador.
𝐴𝑠 =
𝑄
= 0,154 𝑚2
𝑈 · ∆𝑇𝑚
3.2.6. Dimensionamiento de los tubos del intercambiador.
En el presente apartado se determinará tanto la longitud de los
tubos como el número existente en el intercambiador.
Anexos
Página 114
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
3.2.6.1. Número de tubos.
Se calcula a través de la siguiente expresión:
𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 =
𝑚𝑓
𝐷2
𝑣 · 𝜋 · 𝜌 · 4𝑖
[𝐴. 3.15]
Donde:
𝑚𝑓 : Caudal másico del fluido frío (kg·s-1).
𝜌: Densidad promedio del fluido que circula por el interior de los
tubos (kg·m-3).
𝐷𝑖 : Diámetro interior de los tubos (m).
𝑣: Velocidad de paso del fluido por el interior de los tubos (m·s -1)
La velocidad recomendada según la bibliografía consultada
[Branan et Carl, 3ª Edición] es de:
𝑣 = 1,2
𝑚
𝑠
Sustituyendo en [A.3.15] se obtiene un número de tubos de:
𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 = 0,151 ≈ 1 𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠
Se supuso un pitch de una pulgada, pero recurriendo a la Tabla
A.VII del anexo 8 se observa que para 1 tubo el número de tubos será
de 30.
De la misma tabla, y para 30 tubos se obtiene un diámetro de
carcasa de 0,203 m.
Anexos
Página 115
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
3.2.6.2. Longitud de los tubos.
Sabiendo que la geometría del intercambiador será cilíndrica, es
posible calcular la longitud de los tubos.
𝐴 = 𝜋 · 𝐷𝐶𝑎𝑟𝑐𝑎𝑠𝑎 · 𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 · 𝐿
[𝐴. 3.16]
Donde:
𝐴: Es el área del intercambiador. Toma un valor de 14,059 m2.
𝐷0 : Diámetro exterior de los tubos (m).
𝐿: Longitud del intercambiador (m).
𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 : Número de tubos.
Despejando la longitud del intercambiador se obtiene:
𝐿=
𝐴
= 0,203 𝑚 = 0,666 𝑓𝑡
𝜋 · 𝐷0 · 𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠
Estas longitudes han de ser normalizadas, para lo que se recurre a
las normas TEMA. Según la Tabla XXXV la longitud normalizada
correspondiente es de 8 ft (2,438 m).
Tabla XXXV:
Longitudes normalizadas de tubos para
intercambiadores de calor.
(Normas TEMA).
Longitud (ft)
8
10
12
16
20
Longitud (m)
2,438
3,048
3,658
4,877
6,096
Anexos
Página 116
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
3.2.7. Otros elementos.
3.2.7.1. Placas deflectoras.
Son placas que se colocan en la carcasa para conseguir que el
fluido circule lo más perpendicular posible a los tubos. De esta manera se
consigue mejorar la transferencia de materia.
El número de placas deflectoras se calcula a través de la siguiente
expresión.
𝑁𝑐 =
𝐿
𝑃𝑑
[𝐴. 3.17]
Donde:
𝑁𝑐 : Es el número de placas deflectoras.
𝐿: Es la longitud de los tubos (m).
𝑃𝑑 : Es la separación entre las placas deflectoras (m).
La longitud de los tubos se calculo anteriormente mientras que la
separación entre las placas es necesario determinarla. Para ello se
recurre a las normas TEMA, que establece que la distancia mínima entre
placas será el mayor de los siguientes valores:
1. Valor 1: 2 in (0,0508 m).
2. Valor 2: 1/5 del diámetro de la carcasa. En este caso corresponde
a 0,041 m.
El valor escogido será el valor 2. Según las normas TEMA
expuestas en la Tabla XXXVI para un tamaño de tubos de ¾ in, la
distancia recomendada es de 60 in (1,524 m).
Anexos
Página 117
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla XXXVI:
Distancia entre las placas deflectoras.
(Normas TEMA).
Material del tubo y valor máximo de temperatura ºF (ºC)
Acero al carbono y Acero de alta
Aluminio y aleaciones
Tubo
OD
aleación 759 (399)
Acero de baja aleación 850 (454).
de aluminio.
Cobre, titanio y
(in)
Niquel-Cobre. 600 (316).
Niquel. 850 (464).
Niquel Cromo Hierro 1000 (538)
aleaciones de cobre.
¼
26
22
3/8
35
30
½
44
38
5/8
52
45
¾
60
52
7/8
69
60
1
74
64
1¼
88
76
1½
100
87
2
125
110
Finalmente la distancia entre placas deflectoras será un término
medio entre los dos valores seleccionados.
𝑃𝑑 =
0,041 + 1,524
= 0,783 𝑚
2
[𝐴. 3.18]
Sustituyendo en [A.3.17] se comprueba que el número de placas
deflectoras será de:
𝑁𝑐 = 3,116 = 4 𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎𝑠
Según el diámetro de la carcasa, el espesor de las placas
deflectoras se calcula a través de la Tabla XXXVII.
Anexos
Página 118
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
El presente intercambiador tiene una carcasa de 0,203 m de
diámetro y un espaciamiento entre placas de 0,783 m, por lo que el
espesor de las placas deflectoras será de 0,0048 m.
Tabla XXXVII:
Espesor de las placas deflectoras.
(Normas TEMA).
Este espesor ha de ser inferior al de la carcasa, y posee un
segmente libre del 25% del diámetro interior de la carcasa.
3.2.8. Diseño mecánico del intercambiador.
3.2.8.1. Tubos.
Información previa al diseño.
Antes de calcular el espesor de los tubos que conforman el
intercambiador es preciso conocer algunos datos que resultaran útiles
para este proceso.
El diseño se realizará mediante el código ASME B31.3.
Presión de diseño.
Para averiguar la presión de diseño es necesario conocer la
presión de operación de los tubos en el intercambiador de calor. Estos
trabajaran a una presión media de 3,985 bar (57,798 psi).
Anexos
Página 119
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Como presión de diseño se escoge el mayor valor de una terna de
posibilidades:
1. Un sobredimensionamiento de la presión de operación.
𝑃𝐷 = 1,1 · 𝑃𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖 ó𝑛 = 1,1 · 319,44 = 351,384 𝑝𝑠𝑖
𝑃𝐷 = 4,470
𝑘𝑔
[𝐴. 5.19]
𝑐𝑚2
2. Presión máxima de operación más un valor fijo.
𝑃𝐷 = 𝑃𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖 ó𝑛 + 2
𝑘𝑔
𝑘𝑔
= 22,458 + 2 = 24,458
2
𝑐𝑚
𝑐𝑚2
[𝐴. 5.20]
3. 3,5 kg·cm-2.
La presión de operación corresponderá a la reflejada en [A.5.20],
24,458 kg·cm-2 (347,875 psi).
Temperatura de diseño.
Por otro lado, la temperatura de diseño se determina de la
siguiente forma:
𝑇𝐷𝑖𝑠𝑒 ñ𝑜 = 𝑇𝑀á𝑥𝑖𝑚𝑎
𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖 ó𝑛
+ 20 ℃
[𝐴. 3.21]
En los tubos del intercambiador la máxima temperatura con la que
se trabaja corresponde a 217,9ºC (490,9K), por lo que la temperatura de
diseño será de 237,9ºC (510,9K).
Máxima tensión admisible.
Anexos
Página 120
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Depende de la temperatura de diseño y del material, de manera
que para acero al carbono SA-106 y una temperatura de diseño de
510,97K (459,954ºF).
𝑆 = 17.300 𝑝𝑠𝑖
Eficacia de la soldadura.
Se utilizaran tuberías sin costuras, es decir, sin soldadura por lo
que la eficacia de la soldadura será 1.
Espesor por corrosión.
Según la Tabla A.III del anexo 8 las tuberías tendrán una vida
media de 15 años, por lo que asumiendo una pérdida de 0,005 pulgadas
al año:
𝐶 = 15 𝑎ñ𝑜𝑠 · 0,005
𝑖𝑛
= 0,075 𝑖𝑛 = 1,905 𝑚𝑚
𝑎ñ𝑜
[𝐴. 3.22]
Espesor de los tubos.
Se calcula a través de la siguiente expresión definida por código
ASME B31.3.
𝑡=
Anexos
𝑃𝐷 · 𝐷0
1
+𝐶 ·
𝑀
2 · 𝑆 · 𝐸 + 2 · 𝑃𝐷 · 𝑌
1 − 100
[𝐴. 3.23]
Página 121
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Donde:
𝑃𝐷 : Presión de diseño (psi).
𝐷𝑜 : Diámetro exterior de la tubería (in).
𝑆: Tensión máxima admisible (psi).
𝐸: Eficacia de la soldadura.
𝑌: Coeficiente que depende del material y la temperatura de la
tubería.
𝐶: Sobreespesor por corrosión (in).
𝑀: Tolerancia a la fabricación.
A excepción de la tolerancia a la fabricación y el coeficiente Y el
resto de parámetros se conocen, por lo que se calcularan los
desconocidos.
Tolerancia a la fabricación M.
Para tuberías sin costuras como las proyectadas, la tolerancia a la
fabricación es bastante elevada. Depende del material y la temperatura.
Toma un valor de 12,5%.
Coeficiente Y.
Al igual que otros parámetros depende tanto del material como de
la temperatura. Se calcula a través de la Tabla XXXVIII para un acero al
carbono SA-106 y una temperatura de 217,9ºC.
Anexos
Página 122
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla XXXVIII:
Coeficiente Y.
(Normas TEMA).
Material
Acero
Ferrítico
Acero
Austenítico
Otros
metales
dúctiles
≤ 482 ºC
510 ºC
538 ºC
566 ºC
593 ºC
≥ 621 ºC
0,4
0,5
0,7
0,7
0,7
0,7
0,4
0,4
0,4
0,4
0,5
0,7
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
0,4
Por lo que
𝑌 = 0,4
Sustituyendo en [A.3.23] se obtiene un espesor de:
𝑡 = 0,093 𝑖𝑛 = 2,362 𝑚𝑚
[𝐴. 3.24]
Con este espesor se recurre a las Tablas A.X-XIII del anexo 8 y
para tubos de un diámetro de 0,75 in y un espesor de 0,093 in. Por lo
tanto, los tubos serán 13 BWG (espesor 0,095 in, diámetro interior 0,56 in
(0,0143 m)) coincidiendo con el diámetro supuesto inicialmente.
3.2.8.2. Carcasa.
Información previa al diseño.
Se sigue la misma dinámica que para el diseño de los tubos.
Anexos
Página 123
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Espesor exigido por norma.
Según el código ASME, para aceros al carbono es necesario el
siguiente espesor mínimo:
𝑡 𝑚𝑚 = 6 + 𝐶 = 6 + 2,159 = 8,159 𝑚𝑚
[𝐴. 3.25]
Espesor por corrosión.
Se adopta el mismo valor de desgaste, 0,005 pulgadas al año pero
esta vez para 17 años.
𝐶 = 17 𝑎ñ𝑜𝑠 · 0,005
𝑖𝑛
= 0,085 𝑖𝑛 = 2,159 𝑚𝑚
𝑎ñ𝑜
[𝐴. 3.26]
Presión de diseño.
Se calcula de la misma forma que la presión de diseño de los
tubos, sabiendo que se trabaja a una presión media de 2,068 bar (30 psi).
𝑃𝐷 = 58,447 𝑝𝑠𝑖 (4,028 𝑏𝑎𝑟)
Temperatura de diseño.
Se determina de la misma forma que se hizo anteriormente.
𝑇𝐷𝑖𝑠𝑒 ñ𝑜 = 157,7 ℃ = 315,86℉
Eficacia a la soldadura.
Para soldaduras a tope con doble cordón y revisión por zonas el
coeficiente de eficacia equivale a 0,85.
Anexos
Página 124
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tensión máxima admisible.
Para un acero al carbono SA-285 a una temperatura inferior a los
500ºF, equivale a 15.700 psi.
Espesor de la carcasa.
Según el código ASME sección VIII (normativa seguida en este
diseño) no se han de contemplar al mismo tiempo las tensiones debidas
a seísmos y las tensiones debidas al viento. Debido al emplazamiento de
nuestros equipos, Algeciras, y sus condiciones climáticas, se tendrán en
cuenta las tensiones debidas al viento, puesto que las debidas a seísmos
serán despreciables. En el caso que nos ocupa, el espesor a calcular por
la acción del viento será muy pequeño en comparación con el espesor
debido a la presión interna, por lo que no se calcula.
Espesor por la presión interna.
Se considera el tanque como un elemento cilíndrico. El espesor de
la envolvente se determinará calculando el necesario para soportar las
tensiones antes citadas, escogiendo el mayor de estos dos, sometiéndolo
posteriormente a criterios normalizados y comerciales.
El cálculo de las tensiones longitudinales sigue la siguiente
expresión:
𝑡𝑙𝑜𝑛𝑔 =
𝑃𝐷 · 𝑅
2 · 𝑆 · 𝐸 + 0,4 · 𝑃𝐷
[𝐴. 3.27]
Análogamente, las tensiones circunferenciales:
𝑡𝐶𝑖𝑟𝑐 =
Anexos
𝑃𝐷 · 𝑅
𝑆 · 𝐸 − 0,6 · 𝑃𝐷
[𝐴. 3.28]
Página 125
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Donde:
𝑃𝐷 : Presión de diseño (psi).
𝑅: Radio del intercambiador (in).
𝑆: Máxima tensión admisible (psi).
𝐸: Eficiencia de junta de soldadura.
Sustituyendo y calculando se obtienen:
𝑡𝐿𝑜𝑛𝑔 = 0,020 𝑖𝑛 = 0,518 𝑚𝑚
𝑡𝐶𝑖𝑟𝑐 = 0,041 𝑖𝑛 = 1,041 𝑚𝑚
El mayor espesor es el correspondiente a los espesores
circunferenciales, por lo que sumándole el sobreespesor por corrosión.
𝑡𝐶𝑖𝑟𝑐 𝑚𝑚 = 1,041 + 2,159 = 3,2 𝑚𝑚
Conclusión sobre el espesor de la carcasa.
Al ser el espesor de diseño calculado en [A.3.28] menor que el
exigido por el material, el espesor de la carcasa corresponderá a este
último, reflejado en [A.3.25]
𝑡 𝑚𝑚 = 6 + 𝐶 = 6 + 2,159 = 8,159 𝑚𝑚
Comercialmente mediante la Tabla A.VI del anexo 8 se escoge el
valor inmediatamente superior, en este caso 9,5 mm.
Anexos
Página 126
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
3.2.6. Pérdidas de carga en tubos.
Se calculan por medio de la ecuación de Fanning.
∆𝑃 =
𝑓 · 𝐺2 · 𝐿
𝐷𝑖 · 𝜌
[𝐴. 3.29]
Donde:
L: longitud de los tubos (m).
𝐷𝑖 : diámetro interno de los tubos (m).
𝑓: factor de fricción
ρ: densidad del fluido que circula por los tubos (kg/m3)
G: velocidad másica (kg·m-2·s-1)
La longitud de de los tubos y el diámetro se calcularon en el
apartado 3.2.6.2 y 3.2.4 respectivamente. La densidad del fluido que
circula por los tubos está recogida en la Tabla XXXI, por lo que
únicamente es necesario calcular el factor de fricción y la velocidad
másica.
3.2.6.1. Cálculo de la velocidad másica.
Se calcula a través de la siguiente ecuación.
𝐺=
4 · 𝑀 · 𝑛𝑡
𝜋 · 𝐷𝑖2 · 𝑁𝑡
[𝐴. 3.30]
Donde:
Anexos
Página 127
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
M: caudal másico de la corriente que circula por el interior de los
tubos (kg·s-1).
nt: número de pasos por tubos.
Nt: número de tubos
Di: diámetro interno de los tubos (m).
Todos estos parámetros se conocen, pues se han calculado
anteriormente, de manera que sustituyendo:
𝐺 = 16,123
𝑘𝑔
𝑚2 · 𝑠
3.2.6.2. Cálculo del factor de fricción.
Se calculará a través del diagrama de Moody, para el cual es
necesario conocer el número de Reynolds.
𝑅𝑒 =
𝐺 · 𝐷𝑖
𝜇
[𝐴. 3.31]
Donde:
𝐺: Es la velocidad másica (kg·m-2·s-1).
𝐷𝑖 : Diámetro interno del tubo (m).
𝜇: Viscosidad de la corriente (Pa·s).
La viscosidad está recogida en la Tabla XXXI, tomando un valor
de 7,014·10-5 Pa·s.
Sustituyendo se obtiene un Reynolds de:
Anexos
Página 128
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑅𝑒 = 556,973
Para tubos lisos y al estar en régimen laminar:
𝑓=
64
= 0,060
𝑅𝑒
3.2.6.3. Cálculo de la pérdida de carga.
Sustituyendo en [A.3.29] se obtiene una pérdida de carga de:
∆𝑃 = 6,901 𝑃𝑎 = 6,905 · 10−5 𝑏𝑎𝑟
De manera que:
𝑃𝑆𝑎𝑙 = 𝑃𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − ∆𝑃
[𝐴. 3.32]
Donde:
𝑃𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 : Es la presión a la entrada de los tubos (bar).
𝑃𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 : Es la presión a la salida de los tubos (bar).
∆𝑃: Es la pérdida de carga producida en los tubos (bar).
Por lo que:
𝑃𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = 22,02 − 6,905 · 10−5 = 22,02 𝑏𝑎𝑟
Anexos
Página 129
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
3.2.7. Pérdidas de carga en la carcasa.
Se calcula mediante el método de CERN.
∆𝑃 =
𝑓𝑐 · 𝐺𝑐2 · 𝑁𝑐 + 1 · 𝐷𝑐
𝜌 · 𝐷𝑒
[𝐴. 3.33]
Donde:
𝑓𝑐 : Factor de fricción en carcasa.
𝐺𝑐: Velocidad másica en carcasa (kg·m-2·s-1).
𝑁𝑐: Número de deflectores.
𝐷𝑐: Diámetro de la carcasa (m)
𝐷𝑒: Diámetro equivalente (m)
De estos parámetros se desconoce la velocidad másica, el factor
de fricción y el diámetro equivalente.
3.2.7.1. Cálculo de la velocidad másica.
Se calcula a través de:
𝐺=
𝜋·
𝐷𝑐2
4·𝑀
− 𝑁𝑡 · 𝐷02 · 𝑋
[𝐴. 3.34]
Donde:
M: Caudal másico de la corriente que circula por la carcasa, es
decir por el exterior de los tubos (kg·s-1).
nt: Número de pasos por tubos.
Anexos
Página 130
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Nt: Número de tubos.
Dc: Diámetro de la carcasa (m).
X: Es el cociente entre el pitch y el diámetro exterior.
D0: Diámetro exterior de los tubos (m).
El pitch de los tubos se determinó en el apartado 3.2.4 y vale
0,938 in (0,0238 m). De manera que:
𝑋=
𝑃′
0,0238
=
= 1,249
𝐷0 0,01905
Sustituyendo se llega a:
𝐺 = 666,901
𝑘𝑔
𝑚2 · 𝑠
3.2.7.2. Cálculo del factor de fricción.
Para un diámetro de carcasa de 0,203 m (7,992 in) y para aceros
comerciales se obtiene una rugosidad relativa de 0,00019 mediante la
Figura 12.
Anexos
Página 131
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Figura 12: Gráfica para el cálculo de la rugosidad relativa.
(Rase H.F., 2.000)
El número de Reynolds se calcula de igual forma que para los
tubos:
𝑅𝑒 =
Anexos
𝐺 · 𝐷𝑐
= 1,930 · 106
𝜇
Página 132
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
El flujo es turbulento, por lo que el factor de fricción se termina a
partir del diagrama de Moody:
𝑓 = 0,014
3.2.7.3. Cálculo del diámetro equivalente.
Se calcula considerando que el flujo se produce a través de los
tubos a pesar de los deflectores. De manera que:
𝑃2
𝐷2
4 · 3𝑙 − 𝜋 · 8𝑜
𝐷𝑒 = 4 ·
𝐷
𝜋 · 20
[𝐴. 3.36]
Donde:
1. 𝑃𝑙 : Es el pitch (m).
2. 𝐷0 : Es el diámetro exterior de los tubos (m).
Sustituyendo el diámetro equivalente vale:
𝐷𝑒 = 0,082
3.2.7.4. Cálculo de la pérdida de carga por carcasa.
Sustituyendo los parámetros calculados en [A.3.33] se obtiene una
pérdida de carga para el fluido que circula por carcasas de:
∆𝑃 = 191,185 𝑃𝑎 = 2 · 10−9 𝑏𝑎𝑟
Anexos
Página 133
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
3.2.8. Material aislante.
Para el aislamiento térmico del recipiente se usa lana de roca, ya
que es el material que cumple perfectamente las necesidades técnicas de
una manera económica.
Según la Tabla A.V del anexo 8 para una temperatura de
137,7ºC, la máxima que se da en el intercambiador, el espesor requerido
de lana de roca es de 80 mm.
3.3. Diseño de los intercambiadores presentes en la línea de
cabezas.
3.3.1. Selección del tipo de intercambiador.
El tipo de intercambiador de calor seleccionado será de carcasas y
tubos.
3.3.2. Justificación de este intercambiador.
Es necesario para reducir la temperatura de la corriente de
cabezas de la columna, ya que su almacenamiento se hará a 87,4ºC.
3.3.3. Materiales de construcción.
Los tubos se construirán en acero al carbono SA-106, mientras
que el resto de elementos en acero al carbono SA-285. Los elementos de
soporte se construirán de acero al carbono SA-283.
La justificación de la elección de estos materiales se puede ver
según la Tabla A.I del anexo 8.
Anexos
Página 134
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
3.3.4. Calor intercambiado.
3.3.4.1. Calor total intercambiado.
Por las limitaciones proporcionadas por estos dispositivos la
refrigeración que se consigue es del orden de 10-15ºC. Al querer
conseguir un enfriamiento mayor, de 137,9ºC a 12,5ºC, se requerirá
instalar varios de aerorrefrigerantes en serie.
Primero se calculará el calor que es necesario retirar de manera
global y el área total necesaria, para posteriormente, hacerlo para cada
intercambiador con una refrigeración de 12,5ºC por cada uno de ellos.
El calor total que es necesario retirar se calcula de la misma forma
que se calculó el calor intercambiado entre las corrientes involucradas en
IC-01.
Es necesario definir las características de las corrientes.
Tabla XXXIX:
Características de la corriente a enfriar globales.
Propiedad
Viscosidad (Pa·s)
Densidad (kg·m-3)
Entrada
Salida
Media
-4
-4
1,957·10 3,434·10 2,696·10-4
751,9
807,1
779,5
Temperatura (K)
410,4
-1
Caudal mol (kmol·h )
358
384,2
768,532
-1
Caudal mas (kg·h )
70.758,741
Caudal vol (m3·h-1)
90,775
-1
-1
Capacidad calorífica (kJ·kg ·K )
Conductividad térmica (W·K-1·m-1)
0,0200
0,107
0,121
0,114
De manera que el calor intercambiado, aplicando [A.3.1].
𝑄 = 7,412 · 104
Anexos
𝑘𝐽
𝐽
= 2,059 · 104
𝑕
𝑠
Página 135
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
El cálculo del caudal de aire necesario para retirar este calor se
hace del mismo modo que se calculo el flujo de vapor calefactor para IC01. Los resultados se recogen en la siguiente tabla.
Tabla XL:
Características de la corriente de aire total.
Propiedad
Viscosidad (Pa·s)
Entrada
0,019
Salida
0,020
Media
1,945·10-5
Densidad (kg·m-3)
Temperatura (K)
1,165
303
1,109
318
1,137
310,5
Qmolar (kmol·h-1)
240,450
-1
W F (kg·h )
3
6.961,041
-1
QV (m ·h )
6.122,287
-1
-1
Capacidad calorífica (kJ·kg ·K )
0,992
Conductividad térmica (W·K-1·m-1)
0,025
0,026
0,026
3.3.4.2. Calor intercambiado por cada unidad.
Fijando la refrigeración por unidad en 12,5ºC las propiedades de la
corriente de salida cambian. Se recogen en la siguiente tabla.
Tabla XLI:
Características de las corrientes para un
aerorrefrigerante con ΔT=12,5 ºC.
Propiedad
Viscosidad (Pa·s)
Entrada
Salida
Media
1,957·10-4 2,156·10-4 2,057·10-4
Densidad (kg·m-3)
751,9
765,7
758,8
Temperatura (K)
410,4
397,9
404,15
-1
Qmolar (kmol·h )
768,532
-1
W F (kg·h )
70.759,828
QV (m3·h-1)
93,253
-1
-1
Capacidad calorífica (kJ·kg ·K )
-1
-1
Conductividad térmica (W·K ·m )
Anexos
0,021
0,1074
0,1107
0,109
Página 136
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
El calor intercambiado por este dispositivo será de:
𝑄 = 1,844 · 104
𝑘𝐽
𝐽
= 5,112 · 103
𝑕
𝑠
Análogamente habrá que determinar la cantidad de aire necesaria
para poder retirar este calor. Los resultados se recogen en la siguiente
tabla.
Tabla XLII:
Características de la corriente de aire para un aerorrefrigerante.
Propiedad
Viscosidad (Pa·s)
Entrada Salida
Media
0,019 0,020 1,945·10-5
Densidad (kg·m-3)
1,165
Temperatura (K)
Qmolar (kmol·h-1)
303
W F (kg·h-1)
3
1,109
1,137
318
42,788
310,5
1.238,705
-1
QV (m ·h )
1.089,450
Capacidad calorífica (kJ·kg-1·K-1)
-1
0,992
-1
Conductividad térmica (W·K ·m ) 0,0251 0,0261
0,027
3.3.5. Características de los intercambiadores.
Se adoptan las siguientes características.
1. Los tubos tendrán un diámetro interno de 1 pulgada, por ser el
valor más típico para estos dispositivos.
2. Los tubos tendrán un diámetro externo de 1,218 pulgada, por ser
el valor más típico para estos dispositivos.
3. El pitch del haz tubular será de 2,5 veces el diámetro de los tubos,
por lo que en este caso será de 2,5 pulgadas.
Anexos
Página 137
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
4. Los tubos serán aleteados y construidos de acero al carbono SA283, por las razones expuestas en la memoria descriptiva. Las
aletas se construyen de aluminio.
3.3.6. Cálculo del área del intercambiador.
3.3.6.1. Cálculo del área total.
Se calcula de igual manera que el área del IC-01 (cálculo hecho en
el apartado 3.2.5.3), a través de la siguiente expresión:
𝑄 = 𝐴𝑡 · 𝑈 · ∆𝑇𝑚𝑙
De esta ecuación se conoce únicamente el calor intercambiado. El
resto de parámetros es preciso calcularlos.
Temperatura media logarítmica.
Se obtiene a partir de la siguiente expresión:
∆𝑇𝑚 =
𝑇𝐶𝐿 − 𝑇𝐹𝐿 − 𝑇𝐶𝑜 − 𝑇𝐹0
𝑇𝐶 − 𝑇𝐹
𝐿𝑛 𝑇 𝐿 − 𝑇 𝐿
𝐶𝑜
𝐹0
Para el cambio de 137,4ºC a 85ºC:
∆𝑇𝑚𝑙 = 68,241
Para el cambio de 137,4ºC a 124,9ºC:
Anexos
Página 138
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
∆𝑇𝑚𝑙 = 92,973
Coeficiente global de transferencia de materia.
Se calcula de la misma forma que para IC-01, a través de la
siguiente expresión:
𝑟
𝐷0 · 𝐿𝑛 𝑟𝑜
1
𝐷0
1
𝑖
=
+
+ + 𝑅𝑖 + 𝑅0
𝑈 𝑕𝑖 · 𝐷𝑖
2 · 𝑘𝑚
𝑕𝑜
El proceso de cálculo es el mismo, por lo que únicamente se
presentarán los resultados finales de los diferentes coeficientes.
Coeficiente de película interna (hi).
Tabla XLIII:
Cálculo de hi para el cambio global.
Parámetro
Valor
Re
3,655·106
Pr
Nu
4,719·10-2
1,207·103
hi(W·m-2·K-1)
5,425·103
Tabla XLIV:
Cálculo de hi para el ΔT=12,5ºC.
Anexos
Parámetro
Valor
Re
4,791·106
Pr
Nu
0,754
4,540·103
hi(W·m-2·K-1)
4,575·103
Página 139
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Coeficiente de película externa (h0).
Tabla XLV:
Cálculo de h0 para el cambio global.
Parámetro
Re
Pr
Nu
Valor
2,930·106
0,754
3,063·103
hi(W·m-2·K-1)
2,538·103
Tabla XLVI:
Cálculo de ho para el ΔT=12,3ºC.
Parámetro
Re
Pr
Un
Valor
7,289·105
0,7540
1,01·103
hi(W·m-2·K-1)
8,339·102
De manera que el coeficiente global de transferencia de materia vale:
𝑈𝑃𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜
𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙
𝑈∆𝑇=12,5℃
𝐾 · 𝑚2
= 736,498
𝑊
𝐾 · 𝑚2
= 455,130
𝑊
Cálculo del área del intercambiador.
Para el cambio total el área de intercambio necesaria será:
𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 0,410 𝑚2
Para el salto térmico de ΔT=12,5ºC:
Anexos
Página 140
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐴ΔT=12,5 ℃ = 0,121 𝑚2
De manera que para conseguir esta área total harán falta:
𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝐴ΔT=12,5 ℃
=
0,410
= 3,388 = 4 𝑢𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠
0,121
[𝐴. 3.37]
Por lo que a partir de ahora se calcularan las propiedades para el
aerorrefrigerante con un salto térmico de 12,5ºC.
3.3.7. Dimensionamiento de los tubos del intercambiador.
3.3.7.1. Número de tubos.
Se calcula través de la siguiente expresión:
𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 =
𝑚𝑓
𝐷2
𝑣 · 𝜋 · 𝜌 · 4𝑖
[𝐴. 3.37]
La velocidad de paso del fluido a través de los tubos será la misma
que se determinó mediante la bibliografía [Branan et Carl, 3ª Edición],
adquiriendo un valor de 4,572 m·s-1.
Todas las propiedades de esta sección hacen referencia a la
Tabla XLI. Sustituyendo se obtiene un número de tubos de:
𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 = 11,181 = 12 𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠
Anexos
Página 141
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
3.3.7.2. Longitud de los tubos.
Su cálculo es idéntico al del IC-01, por lo que únicamente se
sustituye:
𝐿=
𝐴
= 0,104 𝑚
𝜋 · 𝐷0 · 𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠
Adoptando las longitudes comerciales impuestas por las normas
TEMA y recogidas en la Tabla A.VIII del anexo 8 se obtiene:
𝐿 = 2,438 𝑚
3.3.7.3. Aletas en los tubos.
Los tubos estarán aleteados por medio de una configuración de
aletas altas, ya que estas son las recomendadas para equipos
refrigerados por aire. Estarán hechas de aluminio. Presentan las
siguientes características.
Tabla XLVII:
Características de la aleta.
Descripción
Valor
Altura (cm)
5
-1
Densidad (aleta·m )
200-400
Hendidura sobre el tubo (cm)
0,26
Anchura de la aleta (cm)
1,27
Una vez conocidas las características de las aletas es preciso
definir algunos otros parámetros concernientes al tamaño y disposición
de las mismas.
Anexos
Página 142
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Área aleteada.
Se calcula a través de la siguiente expresión:
𝐴𝑎𝑙𝑒𝑡𝑒𝑎𝑑𝑎 = 𝐴 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 − 𝐴 𝑇𝑢𝑏𝑜𝑠
[𝐴. 3.38]
Donde:
𝐴𝑎𝑙𝑒𝑡𝑒𝑎𝑑𝑎 : Área disponible para las aletas (m2).
𝐴 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 : Es el área total del sistema (m2).
𝐴 𝑇𝑢𝑏𝑜𝑠 : Es el área de los tubos (m2).
De estas tres superficies se desconoce la total, ya que la aleteada
es la que se quiere calcular. El área total se calcula de la misma forma
que la de los tubos, pero usando como coeficiente global un dato
bibliográfico para equipos refrigerados por aire.
𝑈 = 45,6
𝑊
𝐾 · 𝑚2
Sustituyendo se obtiene:
𝐴 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 =
𝑄
𝑈𝑏𝑖𝑏𝑙𝑖𝑜𝑔𝑟 á𝑓𝑖𝑐𝑜 · ∆𝑇𝑚𝑙
= 1,208 𝑚2
Por lo que el área de las aletas:
𝐴𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎𝑠 = 1,087 𝑚2
Anexos
Página 143
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Superficie de las aletas.
Se ha de tener en cuenta que la superficie frontal de las aletas es
una corona, mientras que el espesor es un rectángulo.
𝑆𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 =
𝜋
2
· 𝐷𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎
− 𝐷𝑜2
4
[𝐴. 3.39]
Donde:
𝑆𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 : Es la superficie frontal de la aleta (m2).
𝐷𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎 : Es la altura de la aleta (m). Es la altura recogida en la
Tabla L.
𝐷𝑜 : Es el diámetro exterior de los tubos (m). Establecido en el
apartado 3.3.5.
Sustituyendo:
𝑆𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 = 0,0012 𝑚2
La superficie del canto de la aleta:
𝑆𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 = 𝜋 · 𝑒 · 𝐷𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎
[𝐴. 3.40]
Donde:
𝑆𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 : Es la superficie del espesor de la aleta (m2).
𝑒: Es el espesor de la aleta (m). Recogido en la Tabla LVII.
𝐷𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎 : Es la altura de la aleta (m). Es la altura recogida en la Tabla
LVII.
Anexos
Página 144
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Sustituyendo:
𝑆𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 = 3,990 · 10−5 𝑚2
Por lo que la superficie total de la aleta:
𝑆𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎 = 𝑆𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟 + 2 · 𝑆𝑓𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙
[𝐴. 3.41]
Sustituyendo:
𝑆𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎 = 0,00247 𝑚2
Número de aletas.
El número de aletas se determina por medio de la siguiente
expresión:
𝑁𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎𝑠
𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
=
𝐴𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎𝑠
𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 · 𝑆𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎𝑠 · 𝐿
[𝐴. 3.42]
Donde:
𝐴𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎𝑠 : Área de las aletas (m2).
𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 : Número de tubos.
𝑆𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎𝑠 : Superficie de las aletas (m2).
𝐿: Longitud de los tubos (m).
De manera que el número de aletas por metro es de:
Anexos
Página 145
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑁𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎𝑠
𝑝𝑜𝑟 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜
= 353,384 = 354 𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎𝑠
3.3.7.4. Haces tubulares.
Los tubos estarán dispuestos en forma de haces que adoptan una
geometría cuadrada, por lo que la anchura del haz será:
𝐴𝑕 =
𝐿
4
[𝐴. 3.43]
Donde:
𝐴𝑕 : Es la anchura del haz tubular (m).
𝐿: Es la longitud del haz tubular (m).
Sustituyendo, la anchura del haz tubular será de:
𝐴𝑕 = 0,610 𝑚
La disposición normal de los tubos es de 2 a 10 filas, de 4 a 6 son
los casos más comunes, por lo que se escogerán 4 filas de 3 tubos cada
una.
En función de la anchura del haz tubular, se calcula la cantidad de
tubos que hay mediante la siguiente expresión:
𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 /𝐴𝑕 =
𝐴𝑕 − 0,2
− 0,5
𝑃′
[𝐴. 3.44]
Donde:
Anexos
Página 146
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 /𝐴𝑕 : Número de tubos por anchura del haz.
𝐴𝑕 : Anchura del haz (m).
𝑃′ : Pitch (m).
El pitch se estimó en el apartado 3.6.
𝑃′ = 2,5 𝑖𝑛 = 0,064 𝑚
Por lo que el número de tubos por anchura de haz será de:
𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 /𝐴𝑕 = 5,898 = 6
𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠
𝑎𝑛𝑐𝑕𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑕𝑎𝑧
Por lo que el número de haces será:
𝑁𝑕𝑎𝑐𝑒𝑠 =
𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑓𝑖𝑙𝑎
3
= = 0,5 = 1
𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 /𝐴𝑕
6
Los haces tubulares estarán compuestos por tubos y cabezales,
los cuales tienen una altura mínima.
𝐴𝐶 = 𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 /𝐴𝑕 − 1 · 𝑃′ + 𝐷𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎 + 0,2
[𝐴. 3.45]
Donde:
𝐴𝐶 : Altura mínima del cabezal (m).
𝑃′ : Pitch (m).
Anexos
Página 147
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐷𝑎𝑙𝑒𝑡𝑎 : Diámetro de la aleta (m).
𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 /𝐴𝑕 : Número de tubos por anchura.
Sustituyendo:
𝐴𝑐 = 0,57 𝑚
De manera que la anchura del haz será de:
𝐴𝑕𝑎𝑧 = 𝐴𝑐 + 0,2 = 0,77 𝑚
[𝐴. 3.46]
Se le añade una distancia extra de 0,2 m como seguridad. La
anchura total de la sección será de:
𝐴𝑠 = 𝐴𝑕𝑎𝑧 + 0,04 · 𝑁𝑕𝑎𝑐𝑒𝑠 + 0,06
[𝐴. 3.47]
Sustituyendo se obtiene:
𝐴𝑠 = 0,87 𝑚
La longitud de los haces coincide con la longitud de los tubos.
3.3.8. Otros elementos.
En este tipo de intercambiadores también es preciso cuantificar y
dimensionar los ventiladores que impulsaran el aire.
Anexos
Página 148
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
3.3.8.1. Ventiladores.
Se colocaran en la parte superior de los intercambiadores. Los
más típicos son los ventiladores centrífugos y los axiales. Los axiales se
recomiendan para aquellos casos en los que haya que impulsar caudales
de hasta 235 m3·s-1, por lo que serán los seleccionados.
Caudal de aire.
Se calcula de la misma forma que se obtuvo el caudal del fluido
calefactor para IC-01.
𝑄 = 𝑄𝑎𝑖𝑟𝑒 · 𝐶𝑝 · ∆𝑇
[𝐴. 3.48]
Donde:
𝑄𝑎𝑖𝑟𝑒 : Caudal másico de aire (kg·s-1).
𝑄: Calor intercambiado (J·s-1).
𝐶𝑝: Capacidad calorífica del aire (J·kg-1·K-1)
𝛥𝑇: Diferencia de temperatura entra la entrada y la salida del aire
(K).
Todos estos parámetros están recogidos en la Tabla XLV,
obteniendo un caudal de aire de:
𝑄𝑎𝑖𝑟𝑒 = 0,344
Anexos
𝑘𝑔
𝑠
Página 149
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tamaño de los ventiladores.
Los ventiladores para estos tipos de sistemas tienen que tener un
diámetro comprendido entre 4 y 18 ft. Se calcula a través de la siguiente
expresión:
𝐷 = 0,5 · 𝐴𝑠 · 𝐿
[𝐴. 3.49]
Donde:
𝐴𝑠 : Es la anchura total de la sección (m).
𝐿: Es la longitud de los tubos.
Por lo que sustituyendo:
𝐷 = 0,728 𝑚 = 2,388 𝑓𝑡
Como se encuentra fuera del rango establecido por la bibliografía
se aumenta el diámetro al mínimo teórico, 4 ft (1,219 m).
Número de ventiladores.
Se calcula a través de la siguiente expresión:
𝑁=
𝐴𝑠 · 𝐿𝑕
𝑆𝑣
[𝐴. 3.50]
Donde:
𝐴𝑠 : Anchura de la sección del haz (m).
Anexos
Página 150
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐿: Longitud del haz (m).
𝑆𝑣 : Superficie del ventilador (m2).
El ventilador tendrá una superficie cilíndrica:
2
𝐷𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟
𝑆𝑉 = 𝜋 ·
= 0,292 𝑚2
4
[𝐴. 3.51]
Sustituyendo en [A.3.50]:
𝑁 = 7,270 = 8 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠
Potencia de los ventiladores.
Se calcula a través de la siguiente ecuación:
𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 =
𝑃𝑖
𝜂·𝐸
[𝐴. 3.52]
Donde:
𝑃𝑖 : Potencia ideal del sistema (C.V.)
𝜂: Rendimiento del ventilador. Oscila entre 75-80%.
𝐸: Eficiencia de los impulsores. Es del 95%.
La potencia ideal del sistema se determina a partir de:
𝑃𝑖 = 0,04 · 𝑆𝑓
Anexos
[𝐴. 3.53]
Página 151
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Donde 𝑆𝑓 es la superficie frontal del la sección a enfriar en ft 2.
𝑆𝑓 = 𝐴𝑠 · 𝐿
𝐴. 3.54
Donde:
𝐴𝑠 : Es la anchura de la sección calculada en el apartado 3.3.7.4.
𝐿: Es la longitud de la sección calculada en el apartado 3.3.7.2.
Operando se llega a:
𝑆𝑓 = 22,831 𝑓𝑡 2
𝑃𝑖 = 0,913 𝐶𝑉 = 680,978 𝑊
Sustituyendo en [A.3.52]:
𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙 = 1,248 𝐶𝑉 = 930,934 𝑊
Al haber 8 ventiladores, la potencia de cada ventilador será:
𝑃𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 =
Anexos
𝑃𝑟𝑒𝑎𝑙
= 116,367 𝑊
8
Página 152
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
3.3.9. Diseño mecánico del intercambiador.
3.3.9.1. Espesor de los tubos.
Se calcula de la misma forma que para el intercambiador de calor
anterior, por lo que únicamente se plantean los resultados.
Información previa al diseño.
Presión de diseño.
La presión de operación se calcula como se hizo para el
intercambiador de calor de la alimentación y corresponde a 5,670 kg·cm-2
(82,236 psi).
Temperatura de diseño.
La temperatura de diseño será de 157,4ºC (430,4 K).
Máxima tensión admisible.
Depende de la temperatura de diseño y del material. Para acero al
carbono SA-106 y para una temperatura de diseño de 430,4K (315,054
ºF).
𝑆 = 17.300 𝑝𝑠𝑖
Eficacia de la soldadura.
Se utilizaran tuberías sin costuras, es decir, sin soldadura por lo
que la eficacia de la soldadura será 1.
Anexos
Página 153
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Espesor por corrosión.
Según la Tabla A.III del anexo 8 las tuberías tendrán una vida
media de 15 años, por lo que asumiendo una pérdida de 0,005 pulgadas
al año:
𝐶 = 15 𝑎ñ𝑜𝑠 · 0,005
𝑖𝑛
= 0,075 𝑖𝑛 = 1,905 𝑚𝑚
𝑎ñ𝑜
Espesor de los tubos.
Se calcula a través de la siguiente expresión definida por código
ASME B31.3.
𝑡=
𝑃𝐷 · 𝐷0
1
+𝐶 ·
𝑀
2 · 𝑆 · 𝐸 + 2 · 𝑃𝐷 · 𝑌
1 − 100
Tolerancia a la fabricación M.
Para tuberías sin costuras como las proyectadas, la tolerancia a la
fabricación es bastante elevada. Depende del material y la temperatura.
Toma un valor de 12,5%.
Coeficiente Y.
Al igual que otros parámetros depende tanto del material como de
la temperatura. Para un acero al carbono SA-106 y una temperatura de
137,4 ºC el coeficiente Y tendrá un valor de:
𝑌 = 0,4
Anexos
Página 154
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
De manera que el espesor será de:
𝑡 = 0,089 𝑖𝑛 = 2,261 𝑚𝑚
Con este espesor se recurre a la Tabla A.X-XIII del anexo 8 y
para tubos de un diámetro de 1 in y un espesor de 0,089 in. Por lo tanto,
los tubos serán 13 BWG (espesor 0,095 in, diámetro interior 0,810 in
(0,0206 m)) obteniendo valores análogos al supuesto inicialmente
3.3.10. Pérdidas de carga en tubos.
Se calculan también por medio de la ecuación de Fanning.
𝑓 · 𝐺2 · 𝐿
∆𝑃 =
𝐷𝑖 · 𝜌
[𝐴. 3.55]
Únicamente se desconoce tanto el factor de fricción como la
velocidad másica.
3.3.10.1. Cálculo de la velocidad másica.
Se calcula a través de la siguiente ecuación.
𝐺=
4 · 𝑀 · 𝑛𝑡
𝜋 · 𝐷𝑖2 · 𝑁𝑡
𝐺 = 4.914,417
Anexos
[𝐴. 3.56]
𝑘𝑔
𝑚2 · 𝑠
Página 155
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
3.3.10.2. Cálculo del factor de fricción.
Se calculará a través del diagrama de Moody, para el cual es
necesario conocer el número de Reynolds.
𝑅𝑒 =
𝐺 · 𝐷𝑖
𝜇
Sustituyendo se obtiene un Reynolds de:
𝑅𝑒 = 4,923 · 105
La viscosidad está recogida en la Tabla XXXI.
Para tubos lisos y recurriendo al diagrama de Moody:
𝑓 = 0,013
3.3.10.3. Cálculo de la pérdida de carga.
Sustituyendo en [A.3.55] se obtiene una pérdida de carga de:
∆𝑃 = 48.969,602 𝑃𝑎 = 0,490 𝑏𝑎𝑟
3.3.11. Diseño de los otros intercambiadores de la línea.
Como se ha calculado anteriormente para conseguir el salto
térmico deseado es preciso instalar 4 aerorrefrigerantes. Al ser el
Anexos
Página 156
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
procedimiento de cálculo idéntico para todos simplemente se presentaran
los resultados a modo de tabla para simplificar.
Destacar que salvo del primer aerorrefrigerante el resto tienen la
misma disposición de tubos, 4 filas de 8 tubos cada una.
Tabla XLVIII:
Características de los intercambiadores de la línea de cabeza.
Descripción
Incremento temperatura
-1
Calor intercambiado (J·s )
AR-01
AR-02
AR-03
AR-04
12,5
12,5
12,5
12,5
5.122,044 4988,524
-1
Caudal que circula por tubos (kg·s )
-1
19,655
4852,671 4731,347
70759,828 70759,828
19,656
Caudal de aire (kg·s )
0,344
0,335
0,335
0,335
ΔTml
Coeficiente global de transmisión
de calor (W·m-2·K-1)
Pérdida de carga (bar)
92,973
81,144
81,144
75,642
455,130
791,437
439,528
430,807
0,489
0,490
0,603
0,603
Diámetro externo (m)
0,031
0,023
0,023
0,023
Espesor de los tubos (m)
0,0023
0,0024
0,0024
0,0024
Diámetro interno (m)
0,025
0,0206
0,0206
0,0206
Pitch (m)
0,064
0,064
0,064
0,064
Longitud de los tubos (m)
2,438
2,438
2,438
2,438
Número de tubos
12
12
32
32
Superficie de las aletas (m )
0,0025
0,0025
0,0025
0,0025
Número de aletas/tubo
354
346
340
333
Número de tubos por haz
12
12
16
16
Número de haces
1
1
2
2
Anchura del haz (m)
0,77
0,77
0,77
0,77
Anchura del aerorrefrigerante (m)
0,87
0,87
1,68
1,68
Diámetro del ventilador (m)
1,219
1,219
1,219
1,219
Número de ventiladores
8
8
15
15
Potencia del ventilador (W)
116,367
116,367
119,844
119,844
2
Anexos
Página 157
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
3.4. Diseño del intercambiador de calor de la corriente de colas
(IC-02).
En este intercambiador de calor (IC-02) se pretende reducir la
temperatura del líquido residual proveniente del reboiler del fondo de
columna para alcanzar las condiciones establecidas para su
almacenamiento.
3.4.1. Selección de un tipo de intercambiador.
Pese a la posible consideración de que es posible proyectar
aerorrefrigerantes para esta línea, se seleccionará un intercambiador de
calor de carcasas y tubos refrigerado por agua.
Esto se debe a que personal consultado de refinería desaconseja
su uso por el gran salto térmico que ha de producirse.
3.4.2 Justificación de este intercambiador.
La presencia de este intercambiador viene justificada por la
necesidad de almacenar el producto de colas.
Para ello será preciso disminuir la temperatura de la corriente
hasta un valor no inferior a los 70ºC, para evitar de esta forma que el
bifenilo pase a su estado sólido, puesto que a condiciones normales se
presenta en dicho estado. Se almacenará a 85ºC.
3.4.3. Asignación de los flujos.
El fluido refrigerante (el agua) circulará por el lado de la carcasa,
mientras que el fluido a calentar por el lado de los tubos.
Anexos
Página 158
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
3.4.4. Calor intercambiado.
Para podre calcular el calor intercambiado entre las corrientes es
preciso definir y conocer las características de las mismas.
Es por ello que se crean la Tablas XLIX y Tabla XL, donde se
recogen las características necesarias para poder desarrollar el
dimensionamiento del intercambiador.
Tabla XLIX:
Características de la corriente que circula por los tubos .
Propiedad
Entrada
Viscosidad (Pa·s)
Densidad (kg·m-3)
Temperatura (K)
2,71·10
831,1
516,7
-4
Salida
9,19·10
967,7
358
Qmolar (kmol·h-1)
W F (kg·h-1)
QV (m3·h-1)
-4
Media
5,950·10-4
899,4
437,35
4,412
656,506
0,730
-1
-1
2,02·10-2
Capacidad calorífica (kJ·kg ·K )
Presión (bar)
Conductividad
4
0,129
1,013
0,168
2,507
0,149
Tabla L:
Características de la corriente que circula por carcasas.
Propiedad
Entrada Salida Media
Viscosidad (Pa·s) 1,002·10-3 0,719 0,860
Densidad (kg·m-3)
Temperatura (K)
1011
293
Qmolar (kmol·h-1)
W F (kg·h-1)
QV (m3·h-1)
-1
2793,251
50.334,377
50,064
-1
Cp (kJ·K ·kg )
Presión (bar)
Conductividad
Anexos
999,8 1.005,4
308
300,5
0,042
2,289
0,603
2,289
0,625
2,289
0,614
Página 159
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
La determinación del calor intercambiado se hace del mismo modo
que se hizo para el intercambiador de alimentación IC-01, al igual que el
cálculo de todos los elementos de este dispositivo, por lo que
simplemente se presentaran los resultados.
𝑄 = 584,627
𝐽
𝑠
Con este calor intercambiado es posible obtener el caudal de fluido
refrigerante necesario, el cual está reflejado en la Tabla L.
3.4.5. Características del intercambiador.
Los intercambiadores
características:
de
calor
tendrán
las
siguientes
1. Se escoge un intercambiador de calor de carcasas y tubos.
2. Se escoge un pitch de 1 pulgada con una disposición triangular,
pues permite colocar un 10% de tubos más que en el paso
cuadrado.
3. Se escogen tubos con un diámetro externo de 0,75 in y un
diámetro de 0,532 in.
4. Los tubos estarán hechos de acero al carbono SA-106 y la carcasa
de acero al carbono SA-285.
5. Se tendrá un paso por carcasa y dos por tubos
3.4.6. Resultados del intercambiador IC-02.
Al ser el procedimiento de cálculo igual al seguido para definir
todas las dimensiones del intercambiador de calor IC-01 simplemente se
presentan los resultados definitivos en la siguiente tabla.
Anexos
Página 160
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla LI:
Características del intercambiador IC-02.
Descripción
Incremento temperatura
en tubos (K)
Incremente temperatura
en carcasa (K)
Valor
Descripción
Diámetro interno de los
tubos (m)
Valor
15
Pitch (m)
0,0254
Calor intercambiado (J·s-1)
584,627
Longitud de los tubos
(m)
2,438
Caudal que circula
por los tubos (kg·s-1)
0,182
Número de tubos
30
Caudal de agua (kg·s-1)
17,195
ΔTml
115,933
158,7
Coeficiente global de
1.216,48
transferencia de masa (W·m-2·K-1)
Diámetro externo de tubos (m)
0,023
Espesor de los tubos (m)
Espesor de los carcasa (mm)
Diámetro de carcasa (m)
0,0024
9,5
0,203
Anexos
Pérdida de carga en
tubos (bar)
Pérdida de carga en
carcasa (bar)
Número de placas
deflectoras
Diámetro de placas
deflectoras (mm)
0,021
0,00185
2,396·104
4
4,8
Página 161
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
ANEXO 4: Equipos auxiliares de la columna.
4.1. Introducción.
En la columna de rectificación existen los siguientes equipos
auxiliares esenciales para su funcionamiento.
1. Condensador en la parte superior de la columna (CD-01).
2. Reboiler en la parte superior de la columna.
3. Acumulador de reflujo (botellón de reflujo) en la parte superior de
la columna.
4. Bombas de impulsión.
4.2. Diseño del condensador asociado a la columna (CD-01).
4.2.1. Selección de un tipo de condensador.
Se usará como tipo de condensador un aerorrefrigerante, en el
que se reduce la temperatura de la corriente de cabezas condensándola.
Tendrán la misma morfología que la batería de aerorrefrigerantes (AR-01AR-04) presentes en la línea de cabezas.
4.2.2. Justificación de este intercambiador.
Este dispositivo es esencial para el buen funcionamiento de la
columna, ya que es el encargado de transformar la corriente de vapor
que sale de la columna en una corriente líquida mediante un intercambio
de calor con una corriente de aire. Es necesario para asegurar un reflujo,
y de esta manera poder obtener tanto el producto final, el destilado, como
el líquido que se devuelve a la torre.
Anexos
Página 162
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
4.2.3. Asignación de flujos.
En el caso de estos dispositivos, la asignación de las corrientes
viene definida por las propias características del intercambiador. Por los
tubos circulará la corriente de vapor a condensar y por el exterior
circulará la corriente de aire para refrigerarla.
4.2.4. Calor intercambiado.
Para el cálculo del calor intercambiado entre las corrientes es
preciso definir las características de ambas, las cuales se encuentran
recogidas en las siguientes tablas.
Tabla LII:
Características de la corriente que circula por los tubos.
Propiedad
Viscosidad (Pa·s)
Densidad (kg·m-3)
Temperatura (K)
Entrada Salida
Media
-5
-4
8,8·10 1,96·10 1,024·10-4
5,916
751,9
378,908
410,6
-1
410,4
790,671
Qmolar (kmol·h )
W F (kg·h-1)
QV (m3·h-1)
72.797,079
Capacidad calorífica (kJ·kg-1·K-1)
344,2
Presión (bar)
2,413
-1
-1
Conductividad térmica (W·K ·m ) 0,01983
410,5
192,123
2,413
0,1074
2,413
0,064
La corriente de refrigeración de este intercambiador de calor es
una corriente de aire impulsada por ventiladores, al igual que los
aerorrefrigerantes de la línea de cabezas dimensionados anteriormente
(AR-01, AR-02, AR-03 y AR-04).
Las características de la corriente de aire que sirve como
refrigerantes están reflejadas en la Tabla XLIII.
Anexos
Página 163
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla LIII:
Características de la corriente de aire impulsada.
Propiedad
Viscosidad (Pa·s)
Entrada Salida
Media
-5
-5
1,91·10 1,98·10 1,945·10-5
Densidad (kg·m-3)
Temperatura (K)
1,165
303
Qmolar (kmol·h-1)
W F (kg·h-1)
QV (m3·h-1)
1,109
318
1,137
310,5
58.143,107
1.683.242,952
1.480.424,76
-1
-1
Capacidad calorífica (kJ·kg ·K )
Presión (bar)
-1
-1
Conductividad térmica (W·K ·m )
1,013
0,992
1,013
1,013
0,025
0,026
0,026
Al producirse un cambio de estado, una condensación, de la
corriente a refrigerar el calor intercambiado se calculará a través de la
siguiente expresión:
𝑄 = 𝑚𝑓 · 𝜆
[𝐴. 4.1]
Donde:
𝑚𝑓 : Es el caudal de fluido a condensar (kg·s-1).
𝜆: Es el calor latente de la corriente (kJ·kg-1).
Por lo que el calor que se intercambia será:
𝑄 = 6,960 · 106
𝐽
𝑠
El caudal másico de aire se calcula de la misma forma que se hizo
para el intercambiador de calor de la alimentación. Por lo que
sustituyendo se llega al resultado recogido en la Tabla LIV.
Anexos
Página 164
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒 = 467,567
𝑘𝑔
𝑠
4.2.5. Características del intercambiador.
Se adoptan las siguientes características.
1. Los tubos tendrán un diámetro interno de 1 pulgada, por ser el
valor más típico para estos dispositivos.
2. Los tubos tendrán un diámetro externo de 1,218 pulgada, por ser
el valor más típico para estos dispositivos.
3. El pitch del haz tubular será de 2,5 veces el diámetro de los tubos,
por lo que en este caso será de 2,5 pulgadas.
4. Los tubos serán aleteados y construidos de acero al carbono SA283, por las razones expuestas en la memoria descriptiva. Las
aletas se construirán de aluminio.
4.2.6. Resultados del condensador CD-01.
Posee la misma morfología que los aerorrefrigerantes, ya que en
esencia es un aerorrefrigerante. Se sigue el mismo procedimiento que se
estableció en el anteriormente, pero presentando las siguientes
diferencias.
1. El número de tubos mínimo calculado corresponde a 80, pero con
esta cantidad la longitud determinada de los mismos equivale a
13,171 m, valor fuera del rango establecido. Por ello, para lograr
una longitud dentro del margen establecido se estima el número
de tubos en 175.
2. Se distribuirán en 5 filas de 35 tubos cada uno con un pitch de 1
pulgada.
Anexos
Página 165
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla LIV:
Características del condensador de la columna.
Descripción
Incremento de temperatura en los tubos
(K)
Calor intercambiado
(J·s-1)
Caudal que circula por los tubos
(kg·s-1)
Caudal de aire impulsado
(kg·s-1)
ΔTml
Coeficiente global de transmisión de calor
(W·m-2·K-1)
Pérdida de carga en tubos
(bar)
Diámetro exterior de los tubos
(m)
Espesor de los tubos
(m)
Diámetro interior de los tubos
(m)
Pitch
(m)
Longitud de los tubos
(m)
Número de tubos
Superficie de las aletas
(m2)
Número de aletas por tubos
Anexos
Valor
0,2
6,960·106
20,221
467,567
99,807
1.075,692
0,0002
0,0191
0,002
0,0135
0,064
6,096
180
0,0034
393
Número de tubos por haz
90
Número de haces
Anchura del haz
(m)
Anchura del dispositivo
(m)
Diámetro del ventilador
(m)
Número de ventiladores
Potencia del ventilador
(W)
2
1,73
3,6
2,5
18
535,107
Página 166
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
4.3. Diseño del reboiler asociado a la columna (RB-01).
4.3.1. Selección del tipo de reboiler.
Como se expuso en la memoria descriptiva, el tipo de reboiler
asociado a la columna que se selecciona es un reboiler tipo Kettel. En
esencia no es más que un intercambiador de calor de carcasas y tubos,
pero con la salvedad de que en este caso el fluido que circula por los
tubos es vapor de agua a alta presión.
4.3.2. Justificación de este equipo.
Para el funcionamiento de la columna es necesario vaporizar
parcialmente el líquido que sale por la parte inferior, para recircular este
vapor a la columna de nuevo y retirar el líquido no vaporizado. Es por eso
que se considera el reboiler como una etapa más de equilibrio de la
propia columna.
Es necesaria la recirculación del vapor para que se pueda dar la
transferencia de masa entre el líquido descendente y el vapor
ascendente.
4.3.3. Asignación de flujos.
A diferencia de los intercambiadores de calor de carcasas y tubos
convencionales en estos equipos la asignación de flujos difiere. El fluido
que circula por la carcasa en este caso será el líquido proveniente de la
columna, ya que está tiene la morfología adecuada para favorecer la
separación entre el vapor y el líquido. Por lo tanto por los tubos circulará
el fluido calefactor, que en este caso corresponde a vapor.
Anexos
Página 167
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
4.3.4. Calor intercambiado.
Para determinar el calor que se intercambia entre las corrientes es
preciso conocer sus características.
Tabla LV:
Características de la corriente líquida proveniente de la torre.
Propiedad
Viscosidad (Pa·s)
Entrada
2,8·10-4
Salida
2,71·10-4
Media
2,75·10-4
Densidad (kg·m-3)
818,3
831,1
824,7
Temperatura (K)
429,4
516,7
473,05
Qmolar (kmol·h-1)
795,083
4,412
399,748
-1
W F (kg·h )
3
91.196,020 656,506 45.926,263
-1
QV (m ·h )
111,446
0,790
56,118
Capacidad calorífica (kJ·kg-1·K-1)
2,00·10-2
2,36·10-2
0,0218
Conductividad
0,120
0,168
0,144
Tabla LVI:
Características de la corriente de vapor (calefactora).
Propiedad
Viscosidad (Pa·s)
Entrada
Salida
Media
-5
-3
5,58·10 1,005·10 7,815·10-4
Densidad (kg·m-3)
26,35
884,7
771,9
Temperatura (K)
543
540
541,5
-1
Caudal mol (kmol·h )
2,696
-1
Caudal mas (kg·h )
3
48,586
-1
Caudal vol (m ·h )
1,844
Calor latente (kJ·kg-1)
1.639
1.656
1.647,5
Conductividad
0,594
0,681
0,637
La determinación del calor intercambiado entre las corrientes se
hace del mismo modo que para los intercambiadores de calor y
aerorrefrigerantes, a través de la siguiente expresión:
𝑄 = 𝑚𝑓 · 𝐶𝑝 · ∆𝑇
Anexos
Página 168
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Todos los datos necesarios están recogidos en la Tabla LVI
𝑄 = 2,223 · 10−4
𝐽
𝑠
Al determinar el calor intercambiado es posible obtener el caudal
de vapor necesario para obtener este intercambio.
𝑄 = 𝑚𝑐 · 𝜆
→ 𝑚𝑐 =
𝑄
𝜆
Este caudal está recogido en la Tabla LX.
𝑚𝑐 = 48,586
𝑘𝑔
𝑘𝑔
= 0,013
𝑕
𝑠
4.3.5. Características del intercambiador.
Los intercambiadores
características:
de
calor
tendrán
las
siguientes
1. Se escoge un intercambiador de calor de carcasas y tubos.
2. Se escoge un pitch de 1 pulgada con una disposición triangular,
pues permite colocar un 10% de tubos más que en el paso
cuadrado.
3. Se escogen tubos con un diámetro externo de 0,75 in y un
diámetro de 0,532 in.
4. Los tubos estarán hechos de acero al carbono SA-106 y la carcasa
de acero al carbono SA-285.
5. Se tendrá un paso por carcasa y dos por tubos.
Anexos
Página 169
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
4.3.6. Resultados del intercambiador.
El reboiler presenta una morfología extremadamente análoga a la
de un intercambiador de calor de carcasas y tubos, pero con algunos
elementos adicionales. Por ello en la siguiente tabla se presentan los
cálculos realizados para obtener las características del reboiler resumidos
y en posteriores apartados se determinaran los elementos nuevos que
presentan.
Tabla LVII:
Características del RB-01.
Descripción
Valor
Incremento de temperatura
de la corriente por tubos
3
Incremento de temperatura
de la corriente por carcasa
87,3
Calor intercambiado
(J·s-1)
2,223·104
Caudal que circula por tubos
(kg·s-1)
0,014
Caudal que circula por
carcasa
(kg·s-1)
12,757
Pitch
(m)
0,0254
56,999
Longitud de
los tubos
(m)
6,096
13,260
Número de tubos
30
ΔTml
Coeficiente de
transmisión de calor
(W·m-2·K-1)
Diámetro externo
de los tubos
(m)
Espesor de
los tubos
(mm)
Número de placas
deflectoras
Anexos
0,01905
2,5
Descripción
Espesor de
la carcasa
(mm)
Diámetro de
la carcasa
(m)
Espesor de placas
deflectoras
(mm)
Diámetro interno
de los tubos
(m)
Pérdida de carga
en tubos
(bar)
Pérdida de carga
en carcasa
(bar)
Valor
8,159
0,203
6,4
0,0135
3,715·10-6
1,120·10-8
8
Página 170
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
4.3.7. Elementos propios del reboiler.
4.3.7.1. Altura de la barrera.
En la carcasa del reboiler existe una barrera para acumular el
líquido no vaporizado, la cual de tener una altura de 4 pulgadas más que
el diámetro de la carcasa (0,1016 m).
𝑕𝑤 = 𝑑𝑐 + 0,1016
[𝐴. 4.2]
Donde:
𝑕𝑤 : Altura de la barrera (m).
𝑑𝑐 : Diámetro de la carcasa (m).
De manera que la barrera tendrá una altura de:
𝑕𝑤 = 0,305 𝑚 = 305 𝑚𝑚
4.3.7.2. Diámetro del reboiler.
Depende de la altura de la barrera.
𝑑𝑘 = 2,93 · 𝑕𝑤0,788
[𝐴. 4.3]
Donde:
𝑑𝑘 : Diámetro del reboiler (m).
𝑕𝑤 : Altura de la barrera (m).
Anexos
Página 171
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Sustituyendo se obtiene un diámetro de 1,148 m.
4.3.7.3. Cálculo del parámetro L.
Para tubos de con una longitud mayor de 4,8 metros este
parámetro vale 0,98 m.
4.4. Diseño del acumulador de reflujo (BR-01).
4.4.1. Justificación de este equipo.
Estos equipos se colocan a la salida del condensador de cabeza
para recoger el líquido condensado y evitar así que pueda volver a pasar
a vapor, lo que produciría un mal funcionamiento de la bomba posterior.
Pero su principal función es acumular una cantidad de líquido
suficiente como para asegurar el caudal de reflujo.
4.4.2. Dimensionamiento del acumulador.
Antes de proceder con el dimensionamiento, es preciso conocer
las características del producto a almacenar. Este producto corresponde
al líquido procedente del aerorrefrigerante, por lo que tendrá sus
propiedades resumidas en la siguiente tabla.
Anexos
Página 172
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla LVIII:
Características de la corriente condensada.
Propiedad
Salida
Viscosidad (Pa·s) 0,001862
Densidad (kg·m-3)
744,7
Temperatura (K)
416,9
Qmolar (kmol·h-1)
768,532
W F (kg·h-1)
Propiedad
3
-1
QV (m ·h )
Salida
188,3042
Presión (bar)
2,413
70.759,83
4.4.2.1. Volumen del acumulador de reflujo.
Estos acumuladores no son más que tanques de almacenamiento
provisionales o transitorios, que han de ser capaces de almacenar el
producto durante un tiempo de 15 a 30 minutos (se estimaran 23
minutos). Teniendo en cuenta esto, el volumen será de:
𝑉𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝑄𝑣 · 𝑡 = 188,304
𝑚3
1𝑕
· 23 𝑚𝑖𝑛 ·
𝑕
60 𝑚𝑖𝑛
𝑉𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 = 72,183 𝑚3
[𝐴. 4.4]
Al ser un tanque de un tamaño superior a los 38 m3, su soporte
será una cimentación de hormigón, y en ningún momento ha de estar
lleno a más del 90%. Por lo que el volumen real será de:
𝑉′𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 =
𝑉𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟
72,183
=
= 80,203 𝑚3
0,9
0,9
[𝐴. 4.5]
Este volumen no será el definitivo ya que hay que añadirle el
volumen de los fondos calculados en el apartado 4.4.2.3.
Anexos
Página 173
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
4.4.2.2. Tamaño óptimo del recipiente.
El tamaño óptimo del recipiente se calcula en base al diagrama de
Abakians, el cual depende de un parámetro F, el diámetro del recipiente
(en pies) y el volumen del mismo (en pies cúbicos).
Parámetro F.
Se calcula a través de la siguiente expresión:
𝐹=
𝑃𝐷
𝐶·𝑆·𝐸
[𝐴. 4.6]
Donde:
𝑃𝐷 : Es la presión de diseño (psi).
𝐶: Es el sobreespesor de corrosión (in).
𝑆: Es la máxima tensión admisible (psi).
𝐸: Es la eficiencia de la soldadura.
Como presión de diseño se escoge el mayor valor de una terna de
posibilidades, sabiendo que el líquido entra a 2,068 bar (30 psi):
1. Un sobredimensionamiento de la presión de operación.
𝑃𝐷 = 1,1 · 𝑃𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖 ó𝑛 = 1,1 · 30 = 33 𝑝𝑠𝑖
𝑃𝐷 = 2,320
𝑘𝑔
𝑐𝑚2
[𝐴. 4.7]
2. Presión máxima de operación más un valor fijo.
Anexos
Página 174
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑃𝐷 = 𝑃𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖 ó𝑛 + 2
𝑘𝑔
𝑘𝑔
= 2,461 + 2 = 4,109
2
𝑐𝑚
𝑐𝑚2
[𝐴. 4.8]
3. 3,5 kg·cm-2.
La presión de operación corresponderá a la reflejada en [A.4.8],
4,109 kg·cm-2 (58,444 psi).
La máxima tensión admisible depende de la temperatura a la que
se opere en la línea. En este caso la máxima temperatura corresponde a
137,4ºC (279,32ºF), por lo que al ser menor a 500ºF toma un valor de
15700 psi.
El sobreespesor de corrosión depende del tiempo para el que se
vaya a proyectar el recipiente. Según la Tabla XXIV y para una pérdida
de 5 milésimas de pulgada al año:
𝐶 = 0,005
𝑖𝑛
· 10 𝑎ñ𝑜𝑠 = 0,05 𝑖𝑛 = 0,0013 𝑚
𝑎ñ𝑜
Para una soldadura de doble cordón con una revisión por zonas el
coeficiente de soldadura toma un valor de 0,85.
Sustituyendo en [A.4.6]:
𝐹 = 0,088 𝑖𝑛−1
Por lo que con el factor F recién calculado y el volumen del
recipiente estimado en [A.4.5] expresado en pies cúbicos se obtiene el
diámetro del recipiente recurriendo al diagrama de Abkians (Figura A.3
del anexo 8).
𝐷 = 7,6 𝑓𝑡 = 2,317 𝑚
Anexos
Página 175
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Recurriendo a los diámetros nominales de la Tabla A.II del anexo
8, el diámetro del recipiente corresponde a:
𝐷 = 2,317 𝑚 → 2,438 𝑚
Conocido el diámetro del recipiente, así como su volumen y
geometría (cilíndrica) es posible estimar la longitud del mismo:
𝐿=
𝑉′𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟
𝐷2
𝜋 · 4𝑖
[𝐴. 4.9]
Donde:
𝑉′𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 : Es el volumen de la carcasa sin tener en cuenta los
fondos (m3).
𝐷𝑖 : Diámetro del recipiente (m).
De manera que la longitud del mismo será:
𝐿 = 17,181 𝑚
4.4.2.3. Dimensiones de los fondos.
Tal y como se expuso en la memoria descriptiva los acumuladores
estarán provistos de dos fondos idénticos tipo Koppler. Cuyas
dimensiones se exponen a continuación:
𝐿 = 𝐷𝑖
Anexos
𝐴. 4.10
Página 176
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑟 =
𝐷𝑖
10
𝐴. 4.11
𝐻 = 0,2 · 𝐷𝑖
[𝐴. 4.12]
𝑉 = 0,1 · 𝐷𝑖 3
[𝐴. 4.13]
Donde:
L: Es el radio mayor del fondo (m).
r: Es el radio menor del fondo (m).
H: Es la altura del fondo (m).
V: Es el volumen del fondo (m3).
Di: Diámetro interior (m).
El modo más correcto de calcular las dimensiones es con el
diámetro exterior, pero como este se desconoce y se presupone
ligeramente superior al interior se procederá al cálculo de las
dimensiones con el interior. Una vez calculado el espesor habrá que
considerar las dimensiones reales.
Los resultados se recogen en la siguiente tabla:
Tabla LIX:
Dimensiones de los fondos con el diámetro interior.
L (m)
r (m)
Anexos
2,438
H (m)
0,488
0,244
3
1,449
V (m )
Página 177
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
4.4.3. Diseño mecánico del acumulador.
4.4.3.1. Información previa.
Tanto la presión de diseño, la tensión máxima admisible, el
sobreespesor por corrosión y la eficacia de la soldadura se determinaron
anteriormente, adquiriendo los siguientes valores:
𝑃𝐷 = 58,444 𝑝𝑠𝑖
𝐶 = 0,05 𝑖𝑛 = 0,00127 𝑚
𝐸 = 0,85
𝑆 = 15700 𝑝𝑠𝑖
El diseño mecánico se hace en base al código ASME sección VIII
división 1. Se ha de tener en cuenta los espesores determinados por
norma y por el propio material. De manera que:
 Espesor determinado por norma: Exigido por el código ASME.
𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑚 = 2,5 + 𝐶 = 2,5 + 1,27 = 3,77 𝑚𝑚
[𝐴. 4.14]
 Espesor exigido por el material:
𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑚 = 5 + 𝐶 = 5 + 1,27 = 6,27 𝑚𝑚
Anexos
[𝐴. 4.15]
Página 178
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
4.4.3.2. Cálculo del espesor de la carcasa.
Se ha de calcular el espesor de la carcasa sujeta a presiones
internas de dos tipos, longitudinales y circunferenciales, escogiendo el
mayor de las 2.
Tensiones longitudinales.
Se calcula a través de la siguiente expresión:
𝑡=
𝑃𝐷 · 𝑟𝑖
2 · 𝑆 · 𝐸 + 0,4 · 𝑃𝐷
[𝐴. 4.16]
Donde:
𝑃𝐷 : Presión de diseño (psi).
𝑟𝑖 : Radio del recipiente (in).
𝑆: Tensión máxima admisible (psi).
𝐸: Eficiencia de la soldadura.
Sustituyendo se obtiene:
𝑡 = 0,105 𝑖𝑛 = 2,667 𝑚𝑚
Tensiones circunferenciales.
𝑡=
Anexos
𝑃𝐷 · 𝑟𝑖
· 𝐸 − 0,6 · 𝑃𝐷
[𝐴. 4.17]
Página 179
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Sustituyendo se obtiene:
𝑡 = 0,210 𝑖𝑛 = 5,334 𝑚𝑚
Conclusión sobre espesores de la carcasa.
De estos dos espesores calculados el mayor es el debido a las
presiones circunferenciales, por lo que será a este al que se le añada el
sobreespesor por corrosión.
𝑡 𝑚𝑚 = 5,334 + 1,27 = 6,604 𝑚𝑚
[𝐴. 4.18]
4.4.3.3. Cálculo del espesor de los fondos.
Se calcula a través de:
𝑡=
𝑃𝐷 · 𝐿 · 𝑀
2 · 𝑆 · 𝐸 − 0,2 · 𝑃𝐷
[𝐴. 4.19]
Donde:
𝑃𝐷 : Presión de diseño (psi).
𝐿: Radio mayor del fondo.
𝑆: Tensión máxima admisible (psi).
𝐸: Coeficiente de soldadura
𝑀: Parámetro que depende de las dimensiones de la tapa.
El parámetro M se calcula a través de:
Anexos
Página 180
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑀 = 0,25 · 3 +
𝐿
𝑟
[𝐴. 4.20]
El cociente entre L y r ha de ser menor a 16,6, por lo que:
𝐿
2,438
=
= 10 < 16,6
𝑟 0,2438
Sustituyendo se obtiene tanto M como el espesor:
𝑀 = 1,541
𝑡 = 0,0089 𝑖𝑛 = 0,226 𝑚𝑚
Añadiendo el sobreespesor por corrosión:
𝑡 𝑚𝑚 = 0,226 + 1,27 = 1,496 𝑚𝑚
[𝐴. 4.21]
4.4.3.4. Conclusión sobre el espesor.
Tanto la carcasa como los fondos han de tener el mismo espesor,
y se ha de escoger el mayor teniendo en cuenta también el espesor
mínimo exigido por el material y por norma, por lo que:
Espesor calculado para los fondos.
Anexos
Página 181
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑡 𝑚𝑚 = 0,226 + 1,27 = 1,496 𝑚𝑚
Espesor calculado para la carcasa.
𝑡 𝑚𝑚 = 5,334 + 1,27 = 6,604 𝑚𝑚
Espesor determinado por norma: Exigido por el código ASME.
𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑚 = 2,5 + 𝐶 = 2,5 + 1,27 = 3,77 𝑚𝑚
Espesor exigido por el material:
𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑚 = 5 + 𝐶 = 5 + 1,27 = 6,27 𝑚𝑚
De todos estos espesores el mayor es el espesor calculado para la
carcasa, por lo que éste será el elegido. Habrá que escoger el valor del
espesor comercial inmediatamente superior según la Tabla A.VI del
anexo 8.
𝑡 𝑚𝑚 = 7,08 𝑚𝑚 → 7,9 𝑚𝑚
4.4.3.5. Dimensiones reales del acumulador.
No será necesario repetir el cálculo de las dimensiones de los
fondos, ya que al ser la diferencia entre el diámetro interno y externo tan
pequeñas el resultado del espesor final estaría por debajo del redondeo
último realizado a los 7,9 mm comerciales. Se resumen a continuación
las dimensiones reales.
Diámetro del acumulador.
Anexos
Página 182
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐷 = 𝐷𝑖 + 2 · 𝑡 = 2,438 + 2 · 0,0079 = 2,454 𝑚
[𝐴. 4.22]
Volumen de total.
𝑉𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑉′𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 + 2 · 𝑉 = 80,204 + 2 · 1,449 = 83,102 𝑚3 [𝐴. 4.23]
Una vez conocido el volumen del acumulador se comprobará que
no se llenará más del 90%.
𝑉𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟
72,183
=
= 0,868 < 0,90
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
83,102
4.4.4. Soporte del acumulador.
Según lo expuesto en la memoria descriptiva, al ser el volumen del
acumulador mayor de 38 metros cúbicos el elemento de soporte será una
estructura de hormigón.
Anexos
Página 183
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
ANEXO 5: Equipos de almacenamiento.
5.1. Introducción.
Estos elementos se diseñan en base a la normativa API 650.
Antes de abordar el diseño de estos dispositivos se han de tener
en cuenta las siguientes consideraciones:
 Los depósitos han de estar llenos al 50% en todo momento.
 Se proyectaran 2 tanques para almacenamiento por corriente, y
por motivos de seguridad.
Destacar que se colocaran tanques para el almacenamiento de la
alimentación del proceso, la recepción del producto de cabeza y el
producto de cola. En total 12 tanques.
5.2. Tanques de almacenamiento de alimentación.
La mezcla utilizada como alimentación en la planta se almacena a
unas condiciones de 85ºC y a presión atmosférica.
Al depósito le llega una corriente de 772,944 kmol·h-1, y es
necesario poder almacenar producto para un periodo de 7 días. Con
estas consideraciones la masa de producto a almacenar será de:
𝑀 = 772,944
𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑘𝑔
24 𝑕
· 92,39
· 7𝑑í𝑎𝑠 ·
= 11.997.262 𝑘𝑔 [𝐴. 5.1]
𝑕
𝑘𝑚𝑜𝑙
1 𝑑í𝑎
Teniendo en cuenta la densidad de la corriente obtenida a través
del programa informático Hysys, el volumen necesario para almacenar
esta masa será de:
Anexos
Página 184
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑉=
𝑀 11.997.262 𝑘𝑔
=
= 14.846,264 𝑚3
𝑘𝑔
𝜌
808,2 3
𝑚
𝑉 = 14.846,264𝑚3 ·
[𝐴. 5.2]
264,18 𝑈𝑆𝑔𝑎𝑙
= 3.922.085,96 𝑈𝑆𝑔𝑎𝑙
1 𝑚3
Con este volumen útil se recurre a la Tabla A.XIV del anexo 8
basada en el código AP 650I, para determinar el volumen del tanque
normalizado. Éste será el inmediatamente superior al calculado, que es el
volumen útil que ha de tener el tanque. De manera que las dimensiones
del tanque son:
𝑉 = 4.060.000 𝑈𝑆𝑔𝑎𝑙
𝐷 = 120 𝑓𝑡
𝑉 = 15.368,3095 𝑚3 𝐷 = 36,576 𝑚
𝑕 = 48 𝑓𝑡
𝑕 = 14,630 𝑚
[𝐴. 5.2. 𝑎]
Donde:
D: Diámetro.
V: Volumen.
h: Altura.
La elección del tipo de depósitos de almacenamiento se ve
justificada por el volumen que ha resultado, ya que para volúmenes
mayores de 1.000 gal el tipo de depósito más recomendado es de
tanques verticales sobre estructuras de hormigón.
La altura de estos depósitos no ha de exceder los 22 metros, ya
que en caso de incendio dificultaría su extinción en caso de incendio.
El volumen calculado en [A.5.2.a] es el volumen estándar del
tanque. Como se estableció al principio que estos tanques no podían
estar llenos más del 50% harán falta 2 tanques ocupados cada uno con
un volumen de 6.894,1861 m3, la mitad de lo que hay que almacenar.
Por motivos de seguridad estos tanques se doblan, estableciendo
un total de 4 depósitos de almacenamiento para la alimentación.
Anexos
Página 185
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
5.2.1. Diseño mecánico del tanque.
En el presente apartado se seleccionará el material del recipiente,
así como se calcularán y seleccionaran los fondos y los soportes.
5.2.1.1. Material empleado.
Se seleccionará un acero inoxidable SA-285, según la Tabla A.I
del anexo 8 ya que es adecuado para recipientes a presión.
5.2.1.2. Espesor de la envolvente.
El espesor de la envolvente depende de las tensiones a las que se
someta el equipo. Se aplica la norma API 650 específica para tanques de
almacenamiento instalados en industrias petroquímicas.
Según esta normativa no se han de contemplar al mismo tiempo
las tensiones debidas a seísmos y las tensiones debidas al viento.
Debido al emplazamiento de nuestros equipos, Algeciras, y sus
condiciones climáticas, se tendrán en cuenta las tensiones debidas al
viento, puesto que las debidas a seísmos serán despreciables. En el caso
que nos ocupa, el espesor a calcular por la acción del viento será muy
pequeño en comparación con el espesor debido a la presión interna, por
lo que no se calcula.
Información previa al diseño.
Se calcula aplicando el método del pie, aplicable para depósitos de
almacenamiento con un diámetro máximo de 60,960 metros. Se
calcularan dos posibles espesores, uno debido a las condiciones de
diseño y otro por pruebas hidrostáticas, escogiendo el mayor de ambos.
Este espesor calculado ha de ser mayor al establecido por norma y
por exigencias del material.
Anexos
Página 186
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Para un tanque con un diámetro de 42,672 metros según la Tabla
LXI equivale un espesor de 6 mm.
Tabla LX:
Relación entre el diámetro del tanque y
el espesor de la envolvente.
(Normas API)
Diámetro del tanque Espesor de la envolvente
(m)
(mm)
< 15
5
15-36
6
36-60
8
> 60
10
A este espesor es preciso añadirle el sobreespesor por corrosión,
el cual corresponde a 5 milésimas de pulgada al año para una vida media
del tanque de 10 años según la Tabla XXIV. De manera que:
𝐶 = 10 𝑎ñ𝑜𝑠 · 0,005
𝑖𝑛
= 0,05 𝑖𝑛 = 1,27 𝑚𝑚
𝑎ñ𝑜
𝑡min 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑚𝑚 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
[𝐴. 5.3]
[𝐴. 5.4]
Por otro lado para aceros al carbono el espesor mínimo para el
material equivale a:
𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑚 = 5 + 𝐶 = 5 + 1,27 = 6, 27 𝑚𝑚
[𝐴. 5.5]
Las máximas tensiones admisibles se calculan a través de la
Tabla LXVII obteniendo dos valores, uno para las condiciones de diseño
(Sd) y otro para las pruebas hidráulicas (Sh).
Anexos
Página 187
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla LXI:
Tensiones máximas admisibles para diseño y prueba hidráulica.
(Norma API 650).
Se obtienen los siguientes valores:
𝑆𝑑 = 137 𝑀𝑃𝑎 (1.352,085 𝑎𝑡𝑚)
𝑆𝑕 = 154 𝑀𝑃𝑎 (1.519,862)
Espesor por debido a las condiciones de diseño.
Se calcula a través de la siguiente expresión:
𝑡𝑑 =
4900 · 𝐷 · 𝐻𝐿𝑖𝑞 − 0,3 · 𝐺
𝑆𝐷
[𝐴. 5.6]
Donde:
𝐷: Diámetro del depósito (m).
Anexos
Página 188
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐻𝐿𝑖𝑞 : Altura de diseño del líquido en el tanque (m).
𝑆𝐷 : Máxima tensión admisible para las condiciones de diseño (Pa).
𝐺: Densidad relativa del fluido a almacenar.
Estos
parámetros
se
desconocen,
pero
se
calcularan
a
continuación.
Diámetro del depósito.
Se calculó anteriormente en [A.5.2.a].
𝐷 = 36,576 𝑚
Altura de diseño del líquido en el tanque (m).
Es la máxima altura del nivel del líquido en el tanque. En
condiciones normales equivale al volúmen mínimo que está ocupado. Al
haber establecido que existirán dos tanques cada uno de los cuales se
repartirá el volumen de producto a almacenar al 50 %, en cada uno habrá
7.684,157 m3. Se proyectará para que no sobrepase en ningún momento
el 50 % del tanque. De manera que:
𝐻𝐿𝑖𝑞 =
𝑉𝐴𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑟
𝐷
𝜋· 2
2
[𝐴. 5.7]
Donde:
𝑉𝐴𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑟 : Será la mitad del total de producto necesario a
almacenar 6.894,186 m3.
𝐷: Diámetro del depósito.
Anexos
Página 189
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Por lo que sustituyendo:
𝐻′𝐿𝑖𝑞 = 6,561 𝑚
No obstante se proyectará asumiendo las peores condiciones
posibles, es decir, el tanque lleno totalmente por lo que la altura del
líquido coincidirá con la altura de la envolvente.
𝐻𝐿𝑖𝑞 = 14,630 𝑚
Densidad relativa.
Se calcula a través de:
𝐺=
𝜌𝐷𝐴
𝜌𝐻2 𝑜
[𝐴. 5.8]
Donde:
𝜌𝐷𝐴 :
Densidad del
fluido
a almacenar
en
las
siguientes
-3
condiciones: 20ºC y 1 atm (870,1 kg·m ).
𝜌𝐻2 𝑜 : Densidad del agua a las mismas condiciones que las del
fluido a almacenar (1.000 kg·m-3).
De manera que sustituyendo en [A.5.8]:
𝐺 = 0,870
Anexos
Página 190
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
En estos momentos se está en disposición de calcular el espesor
de diseño del tanque sustituyendo en [A.5.6].
𝑡𝑑 = 0,01631 𝑚 = 16,31 𝑚𝑚
Sumándole el sobreespesor por corrosión:
𝑡𝑑 𝑚𝑚 = 16,31 + 𝐶 = 16,31 + 1,27 = 17,58 𝑚𝑚
[𝐴. 5.9]
Espesor por pruebas hidrostáticas.
Se calcula a través de la siguiente expresión:
𝑡𝑕 =
4900 · 𝐷 · 𝐻𝐿𝑖𝑞 − 0,3 · 𝐺
𝑆𝑕
[𝐴. 5.10]
Donde:
𝐷: Diámetro del depósito (m).
𝐻𝐿𝑖𝑞 : Altura de diseño del líquido en el tanque (m).
𝑆𝑕 : Máxima tensión admisible para la prueba hidráulica (Pa).
𝐺: Densidad relativa del fluido a almacenar.
Se conocen todos los parámetros ya que se calcularon
anteriormente para el espesor por las consideraciones de diseño excepto
la máxima tensión admisible que cambia. Por lo que:
𝑡𝑕 = 0,01451 𝑚 = 14,511 𝑚𝑚
Anexos
Página 191
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Sumándole el sobreespesor por corrosión:
𝑡𝑑 𝑚𝑚 = 14,511 + 𝐶 = 14,511 + 1,27 = 15,781 𝑚𝑚
[𝐴. 5.11]
Conclusión.
Se han calculado los siguientes espesores para la carcasa del
tanque de almacenamiento, obteniendo los siguientes resultados.
Espesor mínimo por norma.
𝑡min 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑚𝑚 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
Espesor mínimo debido al material.
𝑡𝑚𝑖 𝑛 𝑚𝑚 = 5 + 𝐶 = 5 + 1,27 = 6, 27 𝑚𝑚
Espesor debido a las condiciones de diseño.
𝑡𝑑 𝑚𝑚 = 16,31 + 𝐶 = 16,31 + 1,27 = 17,58 𝑚𝑚
Espesor debido a las pruebas hidráulicas.
𝑡𝑑 𝑚𝑚 = 14,511 + 𝐶 = 14,511 + 1,27 = 15,781 𝑚𝑚
De entre todos estos el mayor es el espesor debido a las
condiciones de diseño, por lo que la envolvente tendrá este espesor.
Anexos
Página 192
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Recurriendo a la Tabla XVII se obtiene el espesor comercial,
seleccionando el inmediatamente superior.
𝑡𝑑 𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 17,58 𝑚𝑚 → 19,1 𝑚𝑚
5.2.1.3. Espesor de fondos.
Se calcula a través de la siguiente tabla:
Tabla LXII:
Espesor mínimo de fondo plano según la norma API 650.
(API 650).
Espesor
nominal
(mm)
t ≤ 19
Máxima tensión admisible hidrostática (S’h)
(MPa)
≤ 190
≤ 210
≤ 230
≤ 250
6
6
7
9
19 < t ≤ 25
6
7
10
11
25 < t ≤ 32
6
9
12
14
32 < t ≤ 38
8
11
14
17
38 < t ≤ 45
9
13
16
19
Estos espesores están recogidos en una cimentación bien
compactada que proporcione un soporte uniforme debajo de todo el
recipiente. Depende del espesor de la carcasa calculado en el apartado
anterior y de la máxima tensión admisible que se determina en base a
este espesor a partir de la siguiente expresión:
𝑆′𝑕 =
4900 · 𝐷 · 𝐻𝐿𝑖𝑞 − 0,3 · 𝐺
𝑡𝑕
[𝐴. 5.12]
Se conocen todas las variables de esta ecuación, por lo que
sustituyendo se llega a:
Anexos
Página 193
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑆′𝑕 = 8105881,696 𝑃𝑎 = 8,106 𝑀𝑃𝑎
Por lo que con este valor de máxima tensión y el del espesor se
estima que el fondo ha de tener un espesor mínimo de 6 mm según se
puede ver en la Tabla LXIII.
Sumándole el sobreespesor por corrosión:
𝑡𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 = 6 + 𝐶 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
[𝐴. 5.13]
El fondo dispondrá de una pequeña pendiente del 1 % para
facilitar el drenaje de su contenido y evitar así la estanqueidad de su
contenido.
Conclusión para espesor de fondos.
Al igual que para la carcasa se encuentran los siguientes
espesores:
Espesor mínimo por norma.
𝑡min 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑚𝑚 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
Espesor mínimo debido al material.
𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑚 = 5 + 𝐶 = 5 + 1,27 = 6, 27 𝑚𝑚
Espesor calculado.
Anexos
Página 194
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑡𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 = 6 + 𝐶 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
En este caso el mayor espesor es el calculado, por lo que
recurriendo a la Tabla A.VI del anexo 8 se obtiene el espesor comercial,
seleccionando el inmediatamente superior.
𝑡𝑓 𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 7,27 𝑚𝑚 → 7,9 𝑚𝑚
5.2.1.4. Estimación del espesor del fondo y la carcasa.
Una vez conocido tanto el espesor comercial de la carcasa
envolvente como del fondo es necesario aclarar que en los tanques tiene
que existir la máxima homogeneidad posible entre los espesores.
Por ello tanto la carcasa como el fondo han de tener el mismo
espesor.
Se seleccionará aquel mayor de los calculados en los dos últimos
apartados que corresponde al espesor de la envolvente ya que:
𝑡𝑑 𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖
𝑎𝑙
= 17,58 𝑚𝑚 → 19,1 𝑚𝑚 > 𝑡𝑓 𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 7,27 𝑚𝑚 → 7,9 𝑚𝑚
De manera que el espesor exterior de la carcasa será:
𝐷𝑒𝑥𝑡 = 𝐷𝑖𝑛𝑡 + 2 · 𝑡𝑑 𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 36,576 + 2 · 19,1 · 10−3 = 36,614 𝑚
5.2.1.5. Espesor del techo.
Si el diámetro del tanque no es mayor de 12,192 m el techo estará
autosoportado, en caso contrario requiere de apoyo. En este caso el
Anexos
Página 195
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
techo será cónico soportado por unidades externas ya que el diámetro
del recipiente es mayor de 12,192 m.
Este tipo de techo generalmente se usa en tanques de gran
diámetro como este. Consisten en un cono formado a partir de placas
soldadas al traslape soportada por una estructura.
El espesor requerido para los techos es inferior al del resto del
recipiente, ya que no está sometido al mismo desgaste, por lo que se
puede asumir que:
𝑡𝐶𝑜𝑛𝑜 = 𝑡𝐶𝑎𝑟𝑐𝑎𝑠𝑎 −
𝐶
1,27
= 19,1 −
= 18,465 𝑚𝑚
2
2
[𝐴. 5.14]
El espesor de la carcasa no se encuentra dentro del margen
asumible por el techo cónico, ya que éste ha de tener un espesor mínimo
de 4,8 mm y máximo de 12,7 mm. Por eso se asume como espesor del
techo 12,7 mm, ya que como se mencionó anteriormente no necesita
tener tanto espesor al no estar sometido a tanto desgaste.
Si no existe especificaciones propias del usuario se recomienda
que la pendiente del cono sea de 19 mm cada 305 mm, es decir, que
cada 305 mm de desplazamiento horizontal se produzca un
desplazamiento vertical de 19 mm como establece la norma API 650.
De manera que el ángulo mínimo del cono será de:
𝜃𝐶𝑜𝑛𝑜 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔
19
= 3,564°
305
[𝐴. 5.15]
De manera que la altura interior del cono será de:
𝐻𝑖𝐶𝑜𝑛𝑜 =
Anexos
𝐷
36,576
· 𝑡𝑎𝑛 𝜃𝐶𝑜𝑛𝑜 =
· tan 3,564 = 1,139 𝑚
2
2
[𝐴. 5.16]
Página 196
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
La altura real, teniendo en cuenta el espesor del techo será de:
𝐻𝐸𝑥𝑡 = 1,139 + 12,7 · 10−3 = 1,152 𝑚
[𝐴. 5.17]
Las columnas para soportar la estructura del techo se seleccionan
a partir de perfiles estructurales, o puede usarse tubería de acero.
Cuando se usa tubería de acero, debe proveerse ésta de drenes y
venteos; la base de la misma será provista de topes soldados al fondo
para prevenir desplazamientos laterales. Aclarar que no se entrará en el
diseño de estas estructuras.
Las uniones de la estructura deben estar debidamente
ensambladas mediante tornillos, remaches o soldadura, para evitar que
las uniones puedan tener movimientos no deseados.
Existirá una pantalla flotante interna por la presencia de benceno,
un compuesto volátil. Su espesor será el mismo que el de la carcasa para
asegurar la máxima homogeneidad posible.
5.2.1.6. Volumen total del tanque y altura real del recipiente.
Una vez estimado las dimensiones del tanque y del techo así
como sus espesores es necesario considerar el volumen real del mismo.
𝑉𝑅𝑒𝑎𝑙 = 𝑉𝑇𝑒𝑐 𝑕𝑜 + 𝑉𝐶𝑎𝑟𝑐𝑎𝑠𝑎 − 𝑉1 %
[𝐴. 5.18]
Donde:
𝑉𝑇𝑒𝑐 𝑕𝑜 : Es el volumen del cono que conforma el techo (m3).
𝑉𝐶𝑎𝑟𝑐𝑎𝑠𝑎 : Es el volumen de la carcasa cilíndrica (m3).
𝑉1% : Volumen a eliminar debido a la pendiente del 1 % para el
drenaje del suelo (m3).
Anexos
Página 197
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Volumen del techo.
Al tener el techo una geometría cónica, su volumen será:
𝑉𝐶𝑜𝑛𝑜
𝐷
=𝜋· 2
2
· 𝐻𝐶𝑜𝑛𝑜
3
[𝐴. 5.19]
Donde:
𝐷: Es el diámetro del tanque 36,576 m.
𝐻𝐶𝑜𝑛𝑜 : Altura del cono 1,139 m.
Sustituyendo y operando se obtiene que el volumen del cono será:
𝑉𝐶𝑜𝑛𝑜 = 398,919 𝑚3
Volumen del cono de drenaje.
En función del diámetro del tanque, se puede calcular la altura del
cono de drenaje sabiendo que existe una pendiente del 1 %.
𝐻𝐶𝑜𝑛𝑜 =
1 𝐷𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒
1 36,576
·
=
·
= 0,183 𝑚
100
2
100
2
[𝐴. 5.20]
Con esta altura y aplicando la expresión [A.5.19] es posible
estimar el volumen de este cono, por lo que:
Anexos
Página 198
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑉𝐶𝑜𝑛𝑜 = 64,093 𝑚3
De manera que el volumen total del tanque será:
𝑉𝑅𝑒𝑎𝑙 = 15703,135 𝑚3
Altura total del tanque.
Será el resultado de sumar la altura de la envolvente y la altura
exterior del techo cónico.
𝐻𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐻𝐶𝑎𝑟𝑐𝑎𝑠𝑎 + 𝐻𝐸𝑥𝑡 𝑑𝑒𝑙
𝑐𝑜𝑛𝑜
= 14,630 + 1,152 = 15,782 𝑚
[𝐴. 5.21]
5.2.2. Elementos adicionales.
5.2.2.1. Cubetos de retención.
Los cubetos de retención son áreas de seguridad diseñadas para
retener el volumen del tanque en caso de que se produzca una fuga.
Su geometría es un cuadrado de tamaño suficiente como para
albergar todos los tanques de almacenamiento contenidos en la misma
zona.
Según la normativa de refinería, cada equipo ha de estar separado
una cierta distancia de otro, como se recoge en la Tabla IV de la
memoria descriptiva. La distancia entre tanques de almacenamiento
será al menos la altura del tanque. Y la distancia de los tanques a la
pared del cubeto de retención será el diámetro mayor de los tanques.
En esta zona se emplazan dos tanques de las siguientes
dimensiones:
Anexos
Página 199
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla LXIII:
Dimensiones de los depósitos.
Tanque 1
Tanque 2
Diámetro (m)
36,576
36,576
Altura (m)
15,782
15,782
La separación entre elementos según especificaciones CEPSA
será de:
 La distancia entre la pared del cubeto y el tanque será al menos la
altura del tanque.
 La distancia entre tanques será como mínimo el mayor diámetro
de los tanques.
Por lo que se tendrán las siguientes distancias.
Tabla LXIV:
Separación entre elementos del cubeto.
Cubeto-Tanque Tanque-Tanque Tanque-Cubeto
Distancia (m)
15,782
36,576
15,782
Sumando estas distancias se obtiene la longitud del lado del
cubeto teniendo en cuenta la presencia de 2 tanques:
𝐿 = 15,782 + 36,576 + 36,576 + 36,576 + 15,782
[𝐴. 5.22]
𝐿 = 141,292 𝑚
Al ser cuadrado, el área será:
Anexos
Página 200
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐴𝑐𝑢𝑏𝑒𝑡𝑜 = 𝐿2 = 19.963,429 𝑚2
[𝐴. 5.23]
El volumen necesario para el cubeto será tal que sea capaz de
albergar todo el volumen de los tanques en caso de que se produzca la
fuga del contenido.
𝑉𝐶𝑢𝑏𝑒𝑡𝑜 = 𝐴𝐶𝑢𝑏𝑒𝑡𝑜 · 𝑕
[𝐴. 5.24]
Donde:
𝐴𝐶𝑢𝑏𝑒𝑡𝑜 : Área del cubeto calculada en [A.5.23].
𝑕: Altura del cubeto (m).
La capacidad de los depósitos será el volumen mínimo del cubeto.
Este dato se calculó en [A.5.2], pero se usará el normalizado al ser el
volumen total del tanque:
𝑉𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 15.703,135 𝑚3
Al haber 2 tanques:
𝑉𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
2 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒𝑠
= 31.406,27 𝑚3
En caso de que existan problemas ajenos al proceso tales como
avería aguas arriba, huelga de transportistas, necesidad de parada o
avería puntual para que la columna no se encuentre parada se necesitará
disponer de un número extra de tanques, por lo que este número se
dobla, pasando a disponer de 4 tanques:
Anexos
Página 201
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑉𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 62.812,54 𝑚3
Según la normativa, para una corriente de estas características el
cubeto ha de tener una capacidad suficiente como para albergar la
totalidad del volumen del tanque mayor más el 30% del volumen conjunto
del resto de depósito. Por lo que ha de ser capaz de contener:
𝑉𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 15.703,135 + 15.703,135 · 3 · 0,3 = 29.835,957 𝑚3
Este volumen hay que someterlo a un factor de
sobredimensionamiento del 10%. Por lo que el volumen a contener será
de:
𝑉𝑇.𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜
= 1,1 · 𝑉𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 32.819,552 𝑚3
Despejando de [A.5.24] se llega a la altura que ha de tener el
cubeto de retención.
𝑉𝐶𝑢𝑏𝑒𝑡𝑜
32.819,552 𝑚3
𝑕=
=
= 1,644 𝑚
𝐴𝐶𝑢𝑏𝑒𝑡𝑜
19.963,429 𝑚2
Por lo que el cubeto de retención de la zona de almacenamiento
de la alimentación tendrá las siguientes dimensiones:
Tabla LXV:
Dimensiones del cubeto.
Lado
(m)
Área
(m2)
Volumen
(m3)
Altura
(m)
141,292
19.963,429
32.819,552
1,644
Anexos
Página 202
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
5.2.2.2. Otros elementos.
Escalerilla y plataformas
Elementos de mantenimiento a los que hay que complementar con
plataformas cada 30 ft (9,144 m) y jaulas en el caso de que la altura del
recipiente sea mayor de 20 ft (6,096 m) según la normativa ANSI A14.31974.
El depósito de la alimentación mide 12,129 m de altura, por lo que
se ha de colocar al menos una plataforma y será necesaria la jaula de la
escalerilla.
Se colocará una plataforma a los 6,064 m de altura. Dicha
plataforma es para descansar y se encuentra desplazada
horizontalmente.
La jaula comienza a los 2,28 metros del suelo para evitar posibles
golpes en la cabeza
En la Figura A.4 del anexo 8 es posible contemplar un diagrama
de la escalerilla.
Bocas de hombre.
El número de bocas de hombre depende del diámetro del tanque.
Esta relación queda reflejada en la Tabla LXXII basada en la norma API
650.
Tabla LXVI:
Número de bocas de hombre según el diámetro del tanque.
(Normas API 650).
Diámetro
nominal del tanque
(m)
D ≤ 61
Anexos
Número
mínimo
2
61 < D ≤ 91
3
91 < D
4
Página 203
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Para un diámetro de 42,672 m corresponden 2 bocas de hombre
que se colocaran una en el techo y la otra en el casco.
Según la norma consultada su tamaño ha de ser de 20 in (0,508
m), pero a tener de experiencia de operarios con los que el proyectista ha
tenido la posibilidad de hablar se recomienda aumentar su tamaño hasta
las 24 in (0,696 m).
5.3. Tanque de almacenamiento de producto de cabezas.
Por la corriente de cabeza de columna sale una mezcla de tolueno
prácticamente puro, únicamente contiene trazas de benceno y bifenilo.
Esta corriente se almacena a una presión atmosférica o ligeramente
superior a la atmosférica (por exigencias del tipo de tanque escogido
para su conservación) y a una temperatura en torno a los 87,4ºC para
evitar la solidificación del bifenilo.
Para el dimensionamiento de estos tanques si sigue el mismo
procedimiento que se siguió para los de alimentación, con las mismas
consideraciones, por lo que no se volverán a repetir continuamente.
Al depósito le llega una corriente de 768,532 kmol·h-1, y es
necesario poder almacenar producto para un periodo de 7 días. Con
estas consideraciones la masa a almacenar será de:
𝑀 = 768,532
𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑘𝑔
24 𝑕
· 92,07
· 7𝑑í𝑎𝑠 ·
= 11.887.468,528 𝑘𝑔
𝑕
𝑘𝑚𝑜𝑙
1 𝑑í𝑎
[𝐴. 5.25]
El volumen será de:
𝑉=
𝑀 11.887.422,1 𝑘𝑔
=
= 15.809,906 𝑚3
𝑘𝑔
𝜌
751,9 3
𝑚
𝑉 = 15.809,906 𝑚3 ·
Anexos
[𝐴. 5.26]
264,18 𝑈𝑆𝑔𝑎𝑙
= 4.176.661,040 𝑈𝑆𝑔𝑎𝑙
1 𝑚3
Página 204
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Acudiendo a la normativa seleccionada para la normalización de
sus dimensiones reflejada en la Tabla A.XIV del anexo 8:
𝑉 = 4.220.000 𝑈𝑆𝑔𝑎𝑙
𝐷 = 134 𝑓𝑡
𝑉 = 15.973,975 𝑚3 𝐷 = 40,843 𝑚
𝑕 = 40 𝑓𝑡
𝑕 = 12,192 𝑚
[𝐴. 5.27]
La elección del tipo de depósitos de almacenamiento se ve
justificada por el volumen que ha resultado, ya que para valores mayores
de 1.000 gal el tipo de depósito más recomendado es de tanques
verticales sobre estructuras de hormigón.
La altura de éstos no ha de exceder los 22 metros, ya que en caso
de incendio dificultaría su extinción.
5.3.1. Diseño mecánico del tanque.
A la
hora de abordar el diseño mecánico del tanque de
almacenamiento de los productos de cabezas hay que tener en cuenta
que al presentar características muy similares respecto al de alimentación
se diseñará de la misma forma.
5.3.1.1. Material empleado.
Se seleccionará un acero inoxidable SA-285, según la Tabla A.I
del anexo 8 ya que es adecuado para recipientes a presión.
5.3.1.2. Espesor de la envolvente.
Se calculará según la norma API 650 calculando dos espesores
uno debido a las consideraciones de diseño y otro a las pruebas
hidráulicas, escogiendo el mayor de los dos.
Anexos
Página 205
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Información previa al diseño.
Al tener las mismas dimensiones y características que el tanque de
alimentación los resultados de esta sección serán los mismos, ya que se
calcula del mismo modo. Por consiguiente simplemente se presentaran
los resultados.
Sobreespesor por corrosión.
𝐶 = 10 𝑎ñ𝑜𝑠 · 0,005
𝑖𝑛
= 0,05 𝑖𝑛 = 1,27 𝑚𝑚
𝑎ñ𝑜
[𝐴. 5.28]
Espesor mínimo por norma.
𝑡min 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑚𝑚 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
[𝐴. 5.29]
Espesor mínimo del material.
𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑚 = 5 + 𝐶 = 5 + 1,27 = 6, 27 𝑚𝑚
[𝐴. 5.30]
Máximas tensiones admisibles.
𝑆𝑑 = 137 𝑀𝑃𝑎
𝑆𝑕 = 154 𝑀𝑃𝑎
Espesor por debido a las condiciones de diseño.
Se calcula a través de la siguiente expresión:
Anexos
Página 206
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑡𝑑 =
4900 · 𝐷 · 𝐻𝐿𝑖𝑞 − 0,3 · 𝐺
𝑆𝐷
Estos parámetros
continuación.
se
desconocen,
pero
[𝐴. 5.31]
se
calcularan
a
Diámetro del depósito.
Se calculó anteriormente:
𝐷 = 40,843 𝑚
Altura de diseño del líquido en el tanque (m).
Es la máxima altura del nivel del líquido en el tanque. Cada uno de
los dos tanques tendrá ocupado un volumen de 7.986,979 m3. Se
proyectará para que no sobrepase en ningún momento el 50% del
tanque. De manera que:
𝐻𝐿𝑖𝑞 =
𝑉𝐴𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑟
𝐷
𝜋· 2
2
[𝐴. 5.32]
No obstante se sigue el mismo criterio que se impuso en el
apartado 5.2.1.2. por el cual se considera el tanque totalmente lleno
alcanzando la altura de la envolvente, por lo que:
𝐻𝐿𝑖𝑞 = 6,096 𝑚
Densidad relativa.
Se calcula a través de:
Anexos
Página 207
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐺=
𝜌𝐷𝐴
𝜌𝐻2 𝑜
[𝐴. 5.33]
La densidad del fluido a almacenar será de 751,9 kg·m-3 y la del
agua de 1.000 kg·m-3, por lo que:
𝐺 = 0,752
En estos momentos se está en disposición de calcular el espesor
de diseño del tanque sustituyendo en [A.5.31].
𝑡𝑑 = 0,0064 𝑚 = 6,367 𝑚𝑚
Sumándole el sobreespesor por corrosión:
𝑡𝑑 𝑚𝑚 = 6,367 + 𝐶 = 6,367 + 1,27 = 7,637 𝑚𝑚
[𝐴. 5.34]
Espesor por pruebas hidrostáticas.
Se calcula a través de la siguiente expresión:
𝑡𝑕 =
4900 · 𝐷 · 𝐻𝐿𝑖𝑞 − 0,3 · 𝐺
𝑆𝑕
[𝐴. 5.35]
Se conocen todos los parámetros ya que se calcularon
anteriormente para el espesor por las consideraciones de diseño excepto
la máxima tensión admisible que cambia. Por lo que:
Anexos
Página 208
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑡𝑕 = 0,0057 𝑚 = 5,664 𝑚𝑚
Sumándole el sobreespesor por corrosión:
𝑡𝑕 𝑚𝑚 = 5,664 + 𝐶 = 5,664 + 1,27 = 6,934 𝑚𝑚
[𝐴. 5.36]
Conclusión.
Se han calculado los siguientes espesores para la carcasa del
tanque de almacenamiento, obteniendo los siguientes resultados.
Espesor mínimo por norma.
𝑡min 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑚𝑚 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
Espesor mínimo debido al material.
𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑚 = 5 + 𝐶 = 5 + 1,27 = 6, 27 𝑚𝑚
Espesor debido a las condiciones de diseño.
𝑡𝑑 𝑚𝑚 = 6,367 + 𝐶 = 6,367 + 1,27 = 7,637 𝑚𝑚
Espesor debido a las pruebas hidráulicas.
𝑡𝑕 𝑚𝑚 = 5,664 + 𝐶 = 5,664 + 1,27 = 6,934 𝑚𝑚
Anexos
Página 209
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
De entre todos estos el mayor es el espesor debido a las
condiciones de diseño, por lo que la envolvente tendrá este espesor.
Recurriendo a la Tabla A.VI del anexo 8 se obtiene el espesor comercial,
seleccionando el inmediatamente superior.
𝑡𝑑 𝐶𝑜𝑚𝑒 𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 7,637 𝑚𝑚 → 7,9 𝑚𝑚
5.3.1.3. Espesor de fondos.
Se sigue el mismo procedimiento que se siguió para el espesor del
fondo de tanques de alimentación, recurriendo a la Tabla LXVII y al valor
de las máximas tensiones admisibles calculado con [A.5.37].
𝑆′𝑕 =
4900 · 𝐷 · 𝐻𝐿𝑖𝑞 − 0,3 · 𝐺
𝑡𝑕
[𝐴. 5.37]
Sustituyendo:
𝑆′𝑕 = 12.579.86.830,07 𝑃𝑎 = 125,799 𝑀𝑃𝑎
Por lo que con este valor de máxima tensión y el del espesor se
estima que el fondo ha de tener un espesor mínimo de 6 mm según se
puede ver en la Tabla LXVIII.
Sumándole el sobreespesor por corrosión:
𝑡𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 = 6 + 𝐶 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
Anexos
[𝐴. 5.38]
Página 210
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
El fondo dispondrá de una pequeña pendiente del 1% para facilitar
el drenaje de su contenido y evitar así la estanqueidad de su contenido.
Conclusión para espesor de fondos.
Al igual que para la carcasa se encuentran los siguientes
espesores:
Espesor mínimo por norma.
𝑡min 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑚𝑚 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
Espesor mínimo debido al material.
𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑚 = 5 + 𝐶 = 5 + 1,27 = 6, 27 𝑚𝑚
Espesor calculado.
𝑡𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 = 6 + 𝐶 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
En este caso el mayor espesor es el calculado, por lo que
recurriendo a la Tabla XVII se obtiene el espesor comercial,
seleccionando el inmediatamente superior.
𝑡𝑓 𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 7,27 𝑚𝑚 → 7,9 𝑚𝑚
Anexos
Página 211
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
5.3.1.4. Estimación del espesor del fondo y la carcasa.
Una vez conocido tanto el espesor comercial de la carcasa
envolvente como del fondo es necesario aclarar que en los tanques tiene
que existir la máxima homogeneidad posible entre los espesores.
Por ello tanto la carcasa como el fondo han de tener el mismo
espesor.
Se seleccionará aquel mayor de los calculados en los dos últimos
apartados al ser iguales:
𝑡𝑑 𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 7,9 𝑚𝑚
De manera que el espesor exterior de la carcasa será:
𝐷𝑒𝑥𝑡 = 𝐷𝑖𝑛𝑡 + 2 · 𝑡𝑑 𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 40,843 + 2 · 7,9 · 10−3 = 40,859 𝑚
5.3.1.5. Espesor del techo.
Dado que las dimensiones que intervienen en este apartado tienen
el mismo valor que las calculadas para el tanque de alimentación tanto el
espesor del techo como el resto de parámetros no varía, de manera que
simplemente se presentarán los resultados.
𝑡𝑡𝑒𝑐 𝑕𝑜 = 7,265 𝑚𝑚 = 0,0073 𝑚
𝜃𝐶𝑜𝑛𝑜 = 3,564°
𝐻𝑖𝐶𝑜𝑛𝑜 = 1,272 𝑚
La altura real, teniendo en cuenta el espesor del techo será de:
Anexos
Página 212
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐻𝐸𝑥𝑡 = 1,272 + 7,265 · 10−3 = 1,279 𝑚
[𝐴. 5.39]
Al igual que para el tanque de alimentación estos depósitos
poseen una pantalla flotante interna. Su espesor será el mismo que el de
la carcasa para asegurar la máxima homegeneidad posible.
5.3.1.6. Volumen total del tanque y altura real del recipiente.
Se calcula a través de la expresión [A.3.29].
𝑉𝑅𝑒𝑎𝑙 = 𝑉𝑇𝑒𝑐 𝑕𝑜 + 𝑉𝐶𝑎𝑟𝑐𝑎𝑠𝑎 − 𝑉1 %
[𝐴. 5.40]
Como los tanques de cabezas son tanques de iguales
dimensiones a los de alimentación, solo cambia el espesor del mismo, el
volumen será idéntico ya que tanto el diámetro del tanque, la altura de la
envolvente y del techo cónico tienen el mismo valor. Por esta razón
simplemente se presentan los resultados.
Volumen del techo.
𝑉𝐶𝑜𝑛𝑜 = 555,264 𝑚3
Volumen del cono de drenaje.
𝐻𝐶𝑜𝑛𝑜 = 0,204 𝑚
[𝐴. 5.41]
𝑉𝐶𝑜𝑛𝑜 = 89,052 𝑚3
De manera que el volumen total del tanque será:
Anexos
Página 213
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑉𝑅𝑒𝑎𝑙 = 16.440,169 𝑚3
Altura total del tanque.
Será el resultado de sumar la altura de la envolvente y la altura
exterior del techo cónico.
𝐻𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐻𝐶𝑎𝑟𝑐𝑎𝑠 𝑎 + 𝐻𝐸𝑥𝑡 𝑑𝑒𝑙
𝑐𝑜𝑛𝑜
= 12,192 + 1,279 = 13,471 𝑚
[𝐴. 5.42]
5.3.2. Depósito Rundown.
Son un tipo de depósitos cuyo objetivo es el almacenamiento del
producto fabricado para realizar pruebas de calidad antes de mezclarlo
con el producto final, de manera que si la corriente no cumple las
especificaciones marcadas se desecha antes de almacenarlo de forma
definitiva.
Se escoge el mismo tipo de tanque, cilíndrico vertical de fondo
plano, pero en este caso tendrá otras dimensiones ya que es un tanque
“provisional”.
5.3.2.1. Dimensionamiento del depósito de Rundown.
Le llega la misma corriente, solo que en lugar de almacenar
producto para 7 días se ha de proyectar para hacerlo durante 2 días.
𝑀 = 768,532
𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑘𝑔
24 𝑕
· 92,39
· 2𝑑í𝑎𝑠 ·
𝑕
𝑘𝑚𝑜𝑙
1 𝑑í𝑎
𝑀 = 3.408.224,231 𝑘𝑔
Anexos
[𝐴. 5.43]
Página 214
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
El volumen será de:
𝑉=
𝑀 3.408.210,927 𝑘𝑔
=
= 4.532,816 𝑚3
𝑘𝑔
𝜌
751,9 3
𝑚
𝑉 = 4.532,816 𝑚3 ·
[𝐴. 5.44]
264,18 𝑈𝑆𝑔𝑎𝑙
= 1.197.479,289 𝑈𝑆𝑔𝑎𝑙
1 𝑚3
El objetivo de este depósito no es el almacenamiento, sino el de
tener algo de producto para poder realizar pruebas a la calidad del
mismo. Es por ello
sobredimensionamiento.
que
se
diseño
con
un
𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
= 1,1 · 𝑉 = 4.986,097 𝑚3
𝑉𝑆𝑜𝑏𝑟𝑒𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
= 1.317.227,218 𝑈𝑆𝑔𝑎𝑙
𝑉𝑆𝑜𝑏𝑟𝑒𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚
10%
de
[𝐴. 5.45]
Según la norma API 650, recurriendo a la Tabla A.XIV del anexo
8 a un tanque de este volumen le corresponden las siguientes
dimensiones normalizadas:
𝑉 = 1.380.000 𝑈𝑆𝑔𝑎𝑙
𝑉 = 5.223,711 𝑚3
𝐷 = 70 𝑓𝑡
𝐷 = 21,336 𝑚
𝐻 = 48 𝑓𝑡
𝐻 = 14,63 𝑚
Se comprueba el grado de sobredimensionamiento respecto al
volumen calculado en [A.5.44].
% 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 =
Anexos
5.223,711 − 4.532,816
· 100 = 15,24 %
4.532,816
Página 215
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
5.3.2.2. Diseño mecánico del depósito de Rundown.
A la hora de abordar el diseño mecánico del tanque de rundown
de los productos de cabezas hay que tener en cuenta que se hará de la
misma forma que los tanques de almacenamiento, pero teniendo en
cuenta la diferencia entre las dimensiones.
Material empleado.
Se seleccionará un acero inoxidable SA-285, según la Tabla A.I
del anexo 8 ya que es adecuado para recipientes a presión.
Espesor de la envolvente.
Se calculará según la norma API 650 calculando dos espesores
uno debido a las consideraciones de diseño y otro a las pruebas
hidráulicas, escogiendo el mayor de los dos.
Información previa al diseño.
Al no depender del tamaño del tanque, la información recogida en
esta sección permanece invariable.
Sobreespesor por corrosión.
𝐶 = 10 𝑎ñ𝑜𝑠 · 0,005
𝑖𝑛
= 0,05 𝑖𝑛 = 1,27 𝑚𝑚
𝑎ñ𝑜
[𝐴. 5.46]
Espesor mínimo por norma.
𝑡min 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑚𝑚 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
Anexos
[𝐴. 5.47]
Página 216
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Espesor mínimo del material.
𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑚 = 5 + 𝐶 = 5 + 1,27 = 6, 27 𝑚𝑚
[𝐴. 5.48]
Máximas tensiones admisibles.
𝑆𝑑 = 137 𝑀𝑃𝑎 (1.352,085 𝑎𝑡𝑚)
𝑆𝑕 = 154 𝑀𝑃𝑎 (1.519,862 𝑎𝑡𝑚)
Espesor por debido a las condiciones de diseño.
Se calcula a través de la siguiente expresión:
𝑡𝑑 =
4.900 · 𝐷 · 𝐻𝐿𝑖𝑞 − 0,3 · 𝐺
𝑆𝐷
Estos parámetros
continuación.
se
desconocen,
pero
[𝐴. 5.49]
se
calcularan
a
Diámetro del depósito.
Se calculó anteriormente en el apartado 5.3.2.1.
𝐷 = 21,336 𝑚
Altura de diseño del líquido en el tanque (m).
Al ser un depósito de prueba se establece que su nivel no va a
estar nunca por encima del 90% del nivel del tanque. Teniendo en cuenta
Anexos
Página 217
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
que lo que se tiene que almacenar respecto a la capacidad del tanque se
determina su volumen de ocupación:
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑜𝑐𝑢𝑝𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =
4.532,816
· 100 = 86,77 % < 90 %
5.223,711
[𝐴. 5.50]
La altura del nivel del líquido en el tanque se calcula de la misma
forma, con la excepción de que tanto el volumen como el diámetro son
menores.
𝐻𝐿𝑖𝑞 =
𝑉𝐴𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑟
𝐷
𝜋· 2
2
[𝐴. 5.51]
El volumen a almacenar será de 4.147,758 m3 y el diámetro
22,250 m, por lo que la altura del líquido será:
𝐻𝐿𝑖𝑞 = 6,339 𝑚
No obstante se sigue el mismo criterio que se impuso en el
apartado 5.3.1. por el cual se considera el tanque totalmente lleno
alcanzando la altura de la envolvente, por lo que:
𝐻𝐿𝑖𝑞 = 14,63 𝑚
Densidad relativa.
Es el mismo fluido almacenado a las mismas condiciones, por lo
que la densidad relativa es la misma:
Anexos
Página 218
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐺 = 0,752
En estos momentos se está en disposición de calcular el espesor
de diseño del tanque sustituyendo en [A.5.49].
𝑡𝑑 = 0,00822 𝑚 = 8,22 𝑚𝑚
Sumándole el sobreespesor por corrosión:
𝑡𝑑 𝑚𝑚 = 8,22 + 𝐶 = 9,490 𝑚𝑚
[𝐴. 5.50]
Espesor por pruebas hidrostáticas.
Se calcula a través de la siguiente expresión:
𝑡𝑕 =
4900 · 𝐷 · 𝐻𝐿𝑖𝑞 − 0,3 · 𝐺
𝑆𝑕
[𝐴. 5.51]
Se conocen todos los parámetros ya que se calcularon
anteriormente para el espesor por las consideraciones de diseño excepto
la máxima tensión admisible que cambia. Por lo que:
𝑡𝑕 = 0,007315 𝑚 = 7,315 𝑚𝑚
Sumándole el sobreespesor por corrosión:
𝑡𝑕 𝑚𝑚 = 7,315 + 𝐶 = 8,585 𝑚𝑚
Anexos
[𝐴. 5.52]
Página 219
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Conclusión.
Se han calculado los siguientes espesores para la carcasa del
tanque de almacenamiento, obteniendo los siguientes resultados.
Espesor mínimo por norma.
𝑡min 𝑛𝑜 𝑟𝑚𝑎 𝑚𝑚 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
Espesor mínimo debido al material.
𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑚 = 5 + 𝐶 = 5 + 1,27 = 6, 27 𝑚𝑚
Espesor debido a las condiciones de diseño.
𝑡𝑑 𝑚𝑚 = 8,22 + 𝐶 = 9,490 𝑚𝑚
Espesor debido a las pruebas hidráulicas.
𝑡𝑕 𝑚𝑚 = 7,315 + 𝐶 = 8,585 𝑚𝑚
De entre todos estos el mayor es el espesor debido a las
condiciones de diseño, por lo que la envolvente tendrá este espesor.
Recurriendo a la Tabla A.VI del anexo 8 se obtiene el espesor comercial,
seleccionando el inmediatamente superior.
𝑡𝑑 𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 9,490 𝑚𝑚 → 9,5 𝑚𝑚
Anexos
Página 220
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Espesor de fondos.
Se sigue el mismo procedimiento que se siguió para el espesor del
fondo de tanques de alimentación, recurriendo a la Tabla LXVIII y al valor
de las máximas tensiones admisibles calculado con [A.5.53].
𝑆′𝑕 =
4900 · 𝐷 · 𝐻𝐿𝑖𝑞 − 0,3 · 𝐺
𝑡𝑕
[𝐴. 5.53]
Sustituyendo:
𝑆′𝑕 = 118.590.393,034 𝑃𝑎 = 118,590 𝑀𝑃𝑎
Por lo que con este valor de máxima tensión y el del espesor se
estima que el fondo ha de tener un espesor mínimo de 6 mm según se
puede ver en la Tabla LXVIII.
Sumándole el sobreespesor por corrosión:
𝑡𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 = 6 + 𝐶 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
[𝐴. 5.54]
El fondo dispondrá de una pequeña pendiente del 1% para facilitar
el drenaje de su contenido y evitar así la estanqueidad de su contenido.
Conclusión para espesor de fondos.
Al igual que para la carcasa se encuentran los siguientes
espesores:
Anexos
Página 221
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Espesor mínimo por norma.
𝑡min 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑚𝑚 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
Espesor mínimo debido al material.
𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑚 = 5 + 𝐶 = 5 + 1,27 = 6, 27 𝑚𝑚
Espesor calculado.
𝑡𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 = 6 + 𝐶 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
En este caso el mayor espesor es el calculado, por lo que
recurriendo a la Tabla XXVII se obtiene el espesor comercial,
seleccionando el inmediatamente superior.
𝑡𝑓 𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 7,27 𝑚𝑚 → 7,9 𝑚𝑚
Estimación del espesor del fondo y la carcasa.
Una vez conocido tanto el espesor comercial de la carcasa
envolvente como del fondo es necesario aclarar que en los tanques tiene
que existir la máxima homogeneidad posible entre los espesores.
Por ello tanto la carcasa como el fondo han de tener el mismo
espesor.
Se seleccionará aquel mayor de los calculados anteriormente que
corresponde al espesor de la envolvente ya que:
Anexos
Página 222
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑡𝑑 𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 9,04 𝑚𝑚 → 9,5 𝑚𝑚 > 𝑡𝑓 𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 7,27 𝑚𝑚 → 7,9 𝑚𝑚
De manera que el espesor exterior de la carcasa será:
𝐷𝑒𝑥𝑡 = 𝐷𝑖𝑛𝑡 + 2 · 𝑡𝑑 𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 21,336 + 2 · 9,5 · 10−3 = 21,355 𝑚
Espesor del techo.
Para este depósito varían las dimensiones, consecuentemente
también lo hará tanto el ángulo como la altura del cono y el espesor. Se
puede considerar como aceptable la decisión de adoptar el espesor de la
envolvente para el techo, ya que se encuentra dentro del margen
aceptable (4,8-12,7 mm). Teniendo en cuenta que el techo no está
sometido a tanto desgaste como es resto de elementos se puede reducir
el sobreespesor por corrosión, de manera que:
𝑡𝑡𝑒𝑐 𝑕𝑜 = 𝑡𝑒𝑛𝑣𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 −
𝐶
1,27
= 9,5 −
= 8,865 𝑚𝑚
2
2
[𝐴. 5.55]
El ángulo del cono será el mismo, ya que únicamente depende de
la pendiente establecida y se aplicará el criterio anterior de 19 mm en
vertical por cada 305 mm en horizontal. De manera que el ángulo del
cono será:
𝜃𝐶𝑜𝑛 𝑜 = 3,564°
La altura del techo del dependerá tanto del diámetro como del
ángulo del cono, por lo que toma la siguiente altura:
Anexos
Página 223
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐻𝑖𝐶𝑜𝑛𝑜 =
𝐷
· tan 𝜃𝐶𝑜𝑛𝑜 = 0,664 𝑚
2
La altura real, teniendo en cuenta el espesor del techo será de:
𝐻𝐸𝑥𝑡 = 0,664 + 8,865 · 10−3 = 06731 𝑚
[𝐴. 5.56]
5.3.2.3. Volumen total del tanque y altura real del recipiente.
Se calcula a través de la expresión [A.5.57].
𝑉𝑅𝑒𝑎𝑙 = 𝑉𝑇𝑒𝑐 𝑕𝑜 + 𝑉𝐶𝑎𝑟𝑐𝑎𝑠𝑎 − 𝑉1 %
[𝐴. 5.57]
Volumen del techo.
𝑉𝐶𝑜𝑛𝑜 = 79,133𝑚3
Volumen del cono de drenaje.
𝐻𝐶𝑜𝑛𝑜 = 0,107 𝑚
[𝐴. 5.58]
𝑉𝐶𝑜𝑛𝑜 = 12,752 𝑚3
De manera que el volumen total del tanque será:
𝑉𝑅𝑒𝑎𝑙 = 5.290,092 𝑚3
Anexos
Página 224
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Altura total del tanque.
Será el resultado de sumar la altura de la envolvente y la altura
exterior del techo cónico.
𝐻𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐻𝐶𝑎𝑟𝑐𝑎𝑠𝑎 + 𝐻𝐸𝑥𝑡 𝑑𝑒𝑙
𝑐𝑜𝑛𝑜
= 14,630 + 0,663 = 15,293 𝑚
[𝐴. 5.59]
5.3.3. Elementos adicionales.
5.3.3.1. Cubetos de retención.
En esta zona se emplazan dos tanques de las siguientes
dimensiones más el depósito de rundown:
Tabla LXVII:
Dimensiones de los depósitos.
Tanque 1
Tanque 2
Rundown
Diámetro (m)
40,843
40,843
21,336
Altura (m)
12,192
12,192
14,630
La separación entre elementos será de:
Tabla LXVIII:
Separación entre elementos del cubeto.
Distancia (m)
Anexos
Cubeto-
Tanque-
Tanque-
Rundown-
Tanque
Tanque
Rundown
Cubeto
12,192
40,843
40,843
14,630
Página 225
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Sumando estas distancias se determina la longitud del lado del
cubeto largo del cubeto, ya que se dispondrán de tres tanques, dos de
almacenamiento y el de rundown.
𝑎 = 211,53 𝑚
[𝐴. 5.60]
El lado corto por el contrario solo tendrá dos tanques, ya que como
ocurre para los depósitos de alimentación habrá que doblar el número
inicial pasando de dos a cuatro más el depósito de rundown. Su
disposición en el cubeto serán dos filas, situando en la primera dos
tanques más el de rundown y en la segunda los restantes.
𝑏 = 146,913 𝑚
[𝐴. 5.61]
El cubeto por lo tanto tendrá una geometría rectangular, por lo que
su área será:
𝐴𝑐𝑢𝑏𝑒𝑡𝑜 = 𝑎 · 𝑏 = 31.076,507 𝑚2
[𝐴. 5.62]
El volumen necesario para el cubeto será:
𝑉𝐶𝑢𝑏𝑒𝑡𝑜 = 𝐴𝐶𝑢𝑏𝑒𝑡𝑜 · 𝑕
[𝐴. 5.63]
Estos tanques almacenarán un producto de similares
características a las del producto de alimentación, por lo que para el
cálculo del volumen se seguirá el mismo criterio, es decir ha de ser capaz
de contener el volumen del tanque de mayor tamaño más un 30% del
volumen restante de los depósitos.
El volumen que ha de alojar el cubeto será:
Anexos
Página 226
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑉 𝐶𝑢𝑏𝑒𝑡𝑜 = 31.917,666 𝑚3
[𝐴. 5.64]
Este volumen hay que someterlo a un factor de
sobredimensionamiento del 10%. Por lo que el volumen a contener será
de:
𝑉𝑇.𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒𝑑 = 1,1 · 𝑉𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 35.100,432 𝑚3
[𝐴. 5.65]
Despejando de [A.5.63] se llega a la altura que ha de tener el
cubeto de retención.
𝑕=
𝑉𝐶𝑢𝑏𝑒𝑡𝑜
35.100,432 𝑚3
=
= 1,099 𝑚
𝐴𝐶𝑢𝑏𝑒𝑡𝑜
31.917,666 𝑚2
Por lo que el cubeto de retención de la zona de almacenamiento
del producto de cabezas tendrá las siguientes dimensiones:
Tabla LXIX:
Dimensiones del cubeto
Lado largo
(m)
Lado corto
(m)
Área
(m2)
Volumen
(m3)
Altura
(m)
211,53
146,913
31.917,666
35.100,432
1,099
5.3.3.2. Otros elementos.
Escalerilla y plataforma.
El tanque de almacenamiento mide 12,192 m de altura, por lo que
siguiendo la regla de la normativa le corresponderá al menos 1
plataforma. Finalmente se instalará una plataforma a los 8 metros y otra
en la parte superior, de acuerdo con el código.
Anexos
Página 227
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
También será necesaria una jaula de seguridad, ya que la altura
del depósito es mayor que la establecida por la normativa para su
instalación.
Se aplica también este criterio para el depósito de rundown,
instalando los elementos a las mismas distancias, ya que la altura es
similar.
Boca de hombre.
Según la Tabla LXXII para tanques de un diámetro menor a 61 m
le corresponden dos bocas de hombre. Una se instalará en el techo y la
otra en el casco con un tamaño de 24 pulgadas.
5.4. Tanque de almacenamiento de producto de colas.
Al igual que los tanques para los productos de cabezas, estos
siguen las mismas consideraciones.
Al depósito le llega una corriente de 4,414 kmol·h-1, y es necesario
poder almacenar producto para un periodo de 7 días. Con estas
consideraciones la masa de producto a almacenar será de:
𝑀 = 4,412
𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑘𝑔
24 𝑕
· 148,4
· 7𝑑í𝑎𝑠 ·
= 109.996,454 𝑘𝑔 [𝐴. 5.66]
𝑕
𝑘𝑚𝑜𝑙
1 𝑑í𝑎
El volumen de producto a almacenar será de:
𝑉=
𝑀 109.996,454 𝑘𝑔
=
= 113,668 𝑚3
𝑘𝑔
𝜌
967,7 3
𝑚
𝑉 = 113,668 𝑚3 ·
Anexos
[𝐴. 5.67]
264,18 𝑈𝑆𝑔𝑎𝑙
= 30.028,793 𝑈𝑆𝑔𝑎𝑙
1 𝑚3
Página 228
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Acudiendo a la normativa seleccionada para la normalización de
sus dimensiones reflejadas en la Tabla A.XIV del anexo 8:
𝑉 = 41.000 𝑈𝑆𝑔𝑎𝑙
𝐷 = 21 𝑓𝑡
𝑉 = 155,197 𝑚3 𝐷 = 6,401 𝑚
𝑕 = 16 𝑓𝑡
𝑕 = 4,877 𝑚
La elección del tipo de depósitos de almacenamiento se ve
justificada por el volumen que ha resultado, ya que para volúmenes
mayores de 1.000 gal el tipo de depósito más recomendado es de
tanques verticales sobre estructuras de hormigón.
La altura de estos depósitos no ha de exceder los 22 metros, ya
que en caso de incendio dificultaría su extinción.
5.4.1. Diseño mecánico del tanque.
A la
hora de abordar el diseño mecánico del tanque de
almacenamiento de los productos de colas hay que tener en cuenta que
al presentar características muy similares respecto al de alimentación se
diseñará de la misma forma.
5.4.1.1. Material empleado.
Se seleccionará un acero inoxidable SA-285, según la Tabla A.I
del anexo 8 ya que es adecuado para recipientes a presión.
5.4.1.2. Espesor de la envolvente.
Se calculará según la norma API 650 calculando dos espesores
uno debido a las consideraciones de diseño y otro a las pruebas
hidráulicas, escogiendo el mayor de los dos.
Anexos
Página 229
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Información previa al diseño.
Al tener las mismas dimensiones y características que el tanque de
alimentación los resultados de esta sección serán los mismos, ya que se
calcula del mismo modo. Por consiguiente simplemente se presentaran
los resultados.
Sobreespesor por corrosión.
𝐶 = 10 𝑎ñ𝑜𝑠 · 0,005
𝑖𝑛
= 0,05 𝑖𝑛 = 1,27 𝑚𝑚
𝑎ñ𝑜
[𝐴. 5.68]
Espesor mínimo por norma.
𝑡min 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑚𝑚 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
[𝐴. 5.69]
Espesor mínimo del material.
𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑚 = 5 + 𝐶 = 5 + 1,27 = 6, 27 𝑚𝑚
[𝐴. 5.70]
Máximas tensiones admisibles.
𝑆𝑑 = 137 𝑀𝑃𝑎
𝑆𝑕 = 154 𝑀𝑃𝑎
Espesor por debido a las condiciones de diseño.
Se calcula a través de la siguiente expresión:
Anexos
Página 230
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑡𝑑 =
Estos parámetros
continuación.
4.900 · 𝐷 · 𝐻𝐿𝑖𝑞 − 0,3 · 𝐺
𝑆𝐷
se
desconocen,
pero
[𝐴. 5.71]
se
calcularan
a
Diámetro del depósito.
Se calculó anteriormente en el apartado 5.4.
𝐷 = 6,401 𝑚
Altura de diseño del líquido en el tanque (m).
Es la máxima altura del nivel del líquido en el tanque. Cada uno de
los dos tanques tendrá ocupado un volumen de 56,275 m 3. Se proyectará
para que no sobrepase en ningún momento el 50% del tanque. De
manera que:
𝐻𝐿𝑖𝑞 =
𝑉𝐴𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑟
𝐷
𝜋· 2
2
[𝐴. 5.72]
No obstante se sigue el mismo criterio que se impuso en el
apartado 5.2.1.2. por el cual se considera el tanque totalmente lleno
alcanzando la altura de la envolvente, por lo que:
𝐻𝐿𝑖𝑞 = 4,877 𝑚
Anexos
Página 231
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Densidad relativa.
Se calcula a través de:
𝐺=
𝜌𝐷𝐴
𝜌𝐻2 𝑜
[𝐴. 5.73]
La densidad del fluido a almacenar será de 980,4 kg·m-3 y la del
agua de 1.000 kg·m-3, por lo que:
𝐺 = 0,967
En estos momentos se está en disposición de calcular el espesor
de diseño del tanque sustituyendo en [A.5.71].
𝑡𝑑 = 0,001027 𝑚 = 1,027 𝑚𝑚
Sumándole el sobreespesor por corrosión:
𝑡𝑑 𝑚𝑚 = 1,027 + 𝐶 = 1,027 + 1,27 = 2,297 𝑚𝑚
[𝐴. 5.74]
Espesor por pruebas hidrostáticas.
Se calcula a través de la siguiente expresión:
𝑡𝑕 =
Anexos
4.900 · 𝐷 · 𝐻𝐿𝑖𝑞 − 0,3 · 𝐺
𝑆𝑕
[𝐴. 5.75]
Página 232
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Se conocen todos los parámetros ya que se calcularon
anteriormente para el espesor por las consideraciones de diseño excepto
la máxima tensión admisible que cambia. Por lo que:
𝑡𝑕 = 0,000914 𝑚 = 0,914 𝑚𝑚
Sumándole el sobreespesor por corrosión:
𝑡𝑕 𝑚𝑚 = 0,914 + 𝐶 = 0,914 + 1,27 = 2,184 𝑚𝑚
[𝐴. 5.76]
Conclusión.
Se han calculado los siguientes espesores para la carcasa del
tanque de almacenamiento, obteniendo los siguientes resultados.
Espesor mínimo por norma.
𝑡min 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑚𝑚 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
Espesor mínimo debido al material.
𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑚 = 5 + 𝐶 = 5 + 1,27 = 6, 27 𝑚𝑚
Espesor debido a las condiciones de diseño.
𝑡𝑑 𝑚𝑚 = 1,027 + 𝐶 = 1,027 + 1,27 = 2,297 𝑚𝑚
Anexos
Página 233
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Espesor debido a las pruebas hidráulicas.
𝑡𝑕 𝑚𝑚 = 0,914 + 𝐶 = 0,914 + 1,27 = 2,184 𝑚𝑚
De entre todos estos el mayor es el espesor exigido por norma,
por lo que la envolvente tendrá este espesor. Recurriendo a la Tabla VI
del anexo 8 se obtiene el espesor comercial, seleccionando el
inmediatamente superior.
𝑡𝑑 𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 7,27 𝑚𝑚 → 7,9 𝑚𝑚
5.4.1.3. Espesor de fondos.
Se sigue el mismo procedimiento que se siguió para el espesor del
fondo de tanques de alimentación, recurriendo a la Tabla LXVIII y al valor
de las máximas tensiones admisibles calculado con [A.5.77].
𝑆′𝑕 =
4900 · 𝐷 · 𝐻𝐿𝑖𝑞 − 0,3 · 𝐺
𝑡𝑕
[𝐴. 5.77]
Sustituyendo:
𝑆′𝑕 = 64.442.961,178 𝑃𝑎 = 64,443 𝑀𝑃𝑎
Por lo que con este valor de máxima tensión y el del espesor se
estima que el fondo ha de tener un espesor mínimo de 6 mm según se
puede ver en la Tabla LXVII.
Sumándole el sobreespesor por corrosión:
Anexos
Página 234
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑡𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 = 6 + 𝐶 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
[𝐴. 5.78]
El fondo dispondrá de una pequeña pendiente del 1% para facilitar
el drenaje de su contenido y evitar así la estanqueidad de su contenido.
Conclusión para espesor de fondos.
Al igual que para la carcasa se encuentran los siguientes
espesores:
Espesor mínimo por norma.
𝑡min 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑚𝑚 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
Espesor mínimo debido al material.
𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑚 = 5 + 𝐶 = 5 + 1,27 = 6, 27 𝑚𝑚
Espesor calculado.
𝑡𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 = 6 + 𝐶 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
En este caso el mayor espesor es el calculado, por lo que
recurriendo a la Tabla A.VI del anexo 8 se obtiene el espesor comercial,
seleccionando el inmediatamente superior.
Anexos
Página 235
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑡𝑓 𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 7,27 𝑚𝑚 → 7,9 𝑚𝑚
5.4.1.4. Estimación del espesor del fondo y la carcasa.
Una vez conocido tanto el espesor comercial de la carcasa
envolvente como del fondo es necesario aclarar que en los tanques tiene
que existir la máxima homogeneidad posible entre los espesores.
Por ello tanto la carcasa como el fondo han de tener el mismo
espesor.
Se seleccionará aquel mayor de los calculados en los dos últimos
apartados, pero en este caso son iguales, por lo que el espesor toma un
valor de:
𝑡𝑑 𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 7,27 𝑚𝑚 → 7,9 𝑚𝑚
De manera que el espesor exterior de la carcasa será:
𝐷𝑒𝑥𝑡 = 𝐷𝑖𝑛𝑡 + 2 · 𝑡𝑑 𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 6,401 + 2 · 7,9 · 10−3 = 6,416 𝑚
5.4.1.5. Espesor del techo.
A diferencia del resto de depósitos el techo de los depósitos de
almacenamiento de los tanques de colas son techos cónicos
autosoportados. Su diseño se hará de la misma forma asumiendo las
mismas hipótesis.
El espesor del techo se asume igual al de la envolvente, ya que
está dentro del margen.
𝑡𝑡𝑒𝑐 𝑕𝑜 = 7,9 𝑚𝑚 = 0,0079 𝑚
Anexos
Página 236
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
La altura del cono depende del ángulo del mismo, y en este caso
varía respecto a los anteriores, ya que es autosoportado en lugar de
soportado por una estructura externa. El ángulo se calculará a través de
la siguiente expresión:
𝜃𝑐𝑜𝑛𝑜 = 𝑎𝑠𝑒𝑛
𝐷
4.800 · 𝑡𝑡𝑒𝑐 𝑕𝑜
[𝐴. 5.79]
𝜃𝐶𝑜𝑛𝑜 = 9,712 °
Con este ángulo la altura toma un valor de:
𝐻𝑖𝐶𝑜 𝑛𝑜 =
𝐷
tan 𝜃𝐶𝑜𝑛𝑜 = 0,548 𝑚
2
[𝐴. 5.80]
La altura real, teniendo en cuenta el espesor del techo será de:
𝐻𝐸𝑥𝑡 = 0,548 + 7,9 · 10−3 = 0,556 𝑚
[𝐴. 5.81]
5.4.1.6. Volumen total del tanque y altura real del recipiente.
Se calcula de la misma forma que para los tanques de cabeza y
alimentación, por lo que simplemente se presentaran los resultados.
Volumen del techo.
𝑉𝐶𝑜𝑛𝑜 = 5,878 𝑚3
Anexos
Página 237
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Volumen del cono de drenaje.
𝐻𝐶𝑜𝑛𝑜 = 0,032 𝑚
[𝐴. 5.82]
𝑉𝐶𝑜𝑛𝑜 = 0,343 𝑚3
De manera que el volumen total del tanque será:
𝑉𝑅𝑒𝑎𝑙 = 160,732 𝑚3
Altura total del tanque.
Será el resultado de sumar la altura de la envolvente y la altura
exterior del techo cónico.
𝐻𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐻𝐶𝑎𝑟𝑐𝑎𝑠𝑎 + 𝐻𝐸𝑥𝑡 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑜 = 4,877 + 0,556 = 5,433 𝑚
[𝐴. 5.83]
5.4.2. Depósito de Rundown.
Se diseñará del mismo modo que se hizo para los tanques de
alimentación.
5.4.2.1. Dimensionamiento del depósito de Rundown.
Le llega la misma corriente, solo que en lugar de almacenar
producto para 7 días se ha de proyectar para hacerlo durante 2 días.
𝑀 = 4,412
Anexos
𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑘𝑔
24 𝑕
· 148,4
· 2𝑑í𝑎𝑠 ·
𝑕
𝑘𝑚𝑜𝑙
1 𝑑í𝑎
Página 238
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑀 = 31.427,558 𝑘𝑔
[𝐴. 5.84]
El volumen será de:
𝑉=
𝑀 31.427,558 𝑘𝑔
=
= 32,477 𝑚3
𝑘𝑔
𝜌
967,7 3
𝑚
𝑉 = 32,477 𝑚3 ·
[𝐴. 5.85]
264,18 𝑈𝑆𝑔𝑎𝑙
= 8.579,655 𝑈𝑆𝑔𝑎𝑙
1 𝑚3
El objetivo de este depósito no es el almacenamiento, sino el de
tener algo de producto para poder realizar pruebas a la calidad del
mismo. Es por ello que se diseño con un 10 % de
sobredimensionamiento.
𝑉𝑆𝑜𝑏𝑟𝑒𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
= 1,1 · 𝑉 = 35,724 𝑚3
𝑉𝑆𝑜𝑏𝑟𝑒𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜
= 9.437,621 𝑈𝑆𝑔𝑎𝑙
[𝐴. 5.86]
Según la norma API 650, recurriendo a la Tabla A.VI del anexo 8
a un tanque de este volumen le corresponden las siguientes dimensiones
normalizadas:
𝑉 = 21.000 𝑈𝑆𝑔𝑎𝑙
𝑉 = 79,494 𝑚3
Anexos
𝐷 = 15 𝑓𝑡
𝐷 = 4,572 𝑚
𝐻 = 16 𝑓𝑡
𝐻 = 4,877 𝑚
Página 239
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
5.4.2.2. Diseño mecánico del depósito de Rundown.
Material empleado.
Se seleccionará un acero inoxidable SA-285, según la Tabla A.I
del anexo 8 ya que es adecuado para recipientes a presión.
Espesor de la envolvente.
Se calculará según la norma API 650 calculando dos espesores
uno debido a las consideraciones de diseño y otro a las pruebas
hidráulicas, escogiendo el mayor de los dos.
Información previa al diseño.
Al no depender del tamaño del tanque sino de las propiedades del
material, la información recogida en esta sección permanece invariable.
Sobreespesor por corrosión.
𝐶 = 10 𝑎ñ𝑜𝑠 · 0,005
𝑖𝑛
= 0,05 𝑖𝑛 = 1,27 𝑚𝑚
𝑎ñ𝑜
[𝐴. 5.87]
Espesor mínimo por norma.
𝑡min 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑚𝑚 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
[𝐴. 5.88]
Espesor mínimo del material.
𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑚 = 5 + 𝐶 = 5 + 1,27 = 6, 27 𝑚𝑚
Anexos
[𝐴. 5.89]
Página 240
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Máximas tensiones admisibles.
𝑆𝑑 = 137 𝑀𝑃𝑎
𝑆𝑕 = 154 𝑀𝑃𝑎
Espesor por debido a las condiciones de diseño.
Se calcula a través de la siguiente expresión:
𝑡𝑑 =
4.900 · 𝐷 · 𝐻𝐿𝑖𝑞 − 0,3 · 𝐺
𝑆𝐷
Estos parámetros
continuación.
se
desconocen,
pero
[𝐴. 5.90]
se
calcularan
a
Diámetro del depósito.
Se calculó anteriormente en el apartado 5.4.2.
𝐷 = 4,572 𝑚
Altura de diseño del líquido en el tanque (m).
Al ser un depósito de prueba se establece que su nivel no va a
estar nunca por encima del 90% del nivel del tanque. Teniendo en cuenta
que lo que se tiene que almacenar respecto a la capacidad del tanque se
determina su volumen de ocupación:
𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑜𝑐𝑢𝑝𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =
Anexos
32,157
· 100 = 40,452 % < 90 %
79,494
[𝐴. 5.91]
Página 241
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
La altura del nivel del líquido en el tanque se calcula de la misma
forma, con la excepción de que tanto el volumen como el diámetro son
menores.
𝐻𝐿𝑖𝑞 =
𝑉𝐴𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑟
𝐷
𝜋· 2
2
[𝐴. 5.92]
Se considera el tanque totalmente lleno alcanzando la altura de la
envolvente, por lo que:
𝐻𝐿𝑖𝑞 = 4,877 𝑚
Densidad relativa.
Es el mismo fluido almacenado a las mismas condiciones, por lo
que la densidad relativa es la misma:
𝐺 = 0,9804
En estos momentos se está en disposición de calcular el espesor
de diseño del tanque sustituyendo en [A.5.90].
𝑡𝑑 = 0,000734 𝑚 = 0,734 𝑚𝑚
Sumándole el sobreespesor por corrosión:
𝑡𝑑 𝑚𝑚 = 0,734 + 𝐶 = 0,734 + 1,27 = 2,004 𝑚𝑚
[𝐴. 5.93]
Espesor por pruebas hidrostáticas.
Anexos
Página 242
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Se calcula a través de la siguiente expresión:
𝑡𝑕 =
4.900 · 𝐷 · 𝐻𝐿𝑖𝑞 − 0,3 · 𝐺
𝑆𝑕
[𝐴. 5.94]
Se conocen todos los parámetros ya que se calcularon
anteriormente para el espesor por las consideraciones de diseño excepto
la máxima tensión admisible que cambia. Por lo que:
𝑡𝑕 = 0,000653 𝑚 = 0,653 𝑚𝑚
Sumándole el sobreespesor por corrosión:
𝑡𝑕 𝑚𝑚 = 0,653 + 𝐶 = 0,653 + 1,27 = 1,923 𝑚𝑚
[𝐴. 5.95]
Conclusión.
Se han calculado los siguientes espesores para la carcasa del
tanque de almacenamiento, obteniendo los siguientes resultados.
Espesor mínimo por norma.
𝑡min 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑚𝑚 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
Espesor mínimo debido al material.
𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑚 = 5 + 𝐶 = 5 + 1,27 = 6, 27 𝑚𝑚
Anexos
Página 243
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Espesor debido a las condiciones de diseño.
𝑡𝑑 𝑚𝑚 = 0,734 + 𝐶 = 0,734 + 1,27 = 2,004 𝑚𝑚
Espesor debido a las pruebas hidráulicas.
𝑡𝑕 𝑚𝑚 = 0,653 + 𝐶 = 0,653 + 1,27 = 1,923 𝑚𝑚
De entre todos estos el mayor es el espesor exigido por el
material, por lo que la envolvente tendrá este espesor. Recurriendo a la
Tabla A.VI del anexo 8 se obtiene el espesor comercial, seleccionando
el inmediatamente superior.
𝑡𝑑 𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 7,27 𝑚𝑚 → 7,9 𝑚𝑚
Espesor de fondos.
Se sigue el mismo procedimiento que se siguió para el espesor del
fondo de tanques de alimentación, recurriendo a la Tabla LXVII y al valor
de las máximas tensiones admisibles calculado con [A.5.96].
𝑆′𝑕 =
4900 · 𝐷 · 𝐻𝐿𝑖𝑞 − 0,3 · 𝐺
𝑡𝑕
[𝐴. 5.96]
Sustituyendo:
𝑆′𝑕 = 52.276.587,797 𝑃𝑎 = 52,277 𝑀𝑃𝑎
Anexos
Página 244
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Por lo que con este valor de máxima tensión y el del espesor se
estima que el fondo ha de tener un espesor mínimo de 6 mm según se
puede ver en la Tabla LXVII.
Sumándole el sobreespesor por corrosión:
𝑡𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 = 6 + 𝐶 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
[𝐴. 5.97]
El fondo dispondrá de una pequeña pendiente del 1% para facilitar
el drenaje de su contenido y evitar así la estanqueidad de su contenido.
Conclusión para espesor de fondos.
Al igual que para la carcasa se encuentran los siguientes
espesores:
Espesor mínimo por norma.
𝑡min 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑎 𝑚𝑚 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
Espesor mínimo debido al material.
𝑡𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑚 = 5 + 𝐶 = 5 + 1,27 = 6, 27 𝑚𝑚
Espesor calculado.
𝑡𝑓𝑜𝑛𝑑𝑜 = 6 + 𝐶 = 6 + 1,27 = 7,27 𝑚𝑚
Anexos
Página 245
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
En este caso el mayor espesor es el calculado, por lo que
recurriendo a la Tabla A.VI del anexo 8 se obtiene el espesor comercial,
seleccionando el inmediatamente superior.
𝑡𝑓 𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 7,27 𝑚𝑚 → 7,9 𝑚𝑚
Estimación del espesor del fondo y la carcasa.
Comparando el espesor calculado tanto para fondos como para
carcasa se observa que ambos tienen el mismo valor, por lo que el
tanque tendrá un espesor homogéneo.
𝑡𝑑 𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 7,27 𝑚𝑚 → 7,9 𝑚𝑚
De manera que el espesor exterior de la carcasa será:
𝐷𝑒𝑥𝑡 = 𝐷𝑖𝑛𝑡 + 2 · 𝑡𝑑 𝐶𝑜𝑚𝑒𝑟𝑐𝑖𝑎𝑙 = 4,572 + 2 · 7,9 · 10−3 = 4,588 𝑚
Espesor del techo.
Se puede considerar como aceptable la decisión de adoptar el
espesor de la envolvente para el techo, ya que se encuentra dentro del
margen aceptable (4,8-12,7 mm). Teniendo en cuenta que el techo no
está sometido a tanto desgaste como es resto de elementos se puede
reducir el sobreespesor por corrosión, de manera que:
Anexos
Página 246
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑡𝑡𝑒𝑐 𝑕𝑜 = 𝑡𝑒𝑛𝑣𝑜𝑙𝑣𝑒𝑛𝑡𝑒 −
𝐶
1,27
= 7,9 −
= 7,265 𝑚𝑚
2
2
[𝐴. 5.98]
Al igual que el depósito de colas son techos soportados, por lo que
se calcula las características del techo como tales:
𝜃𝑐𝑜𝑛𝑜 = 𝑎𝑠𝑒𝑛
𝐷
4800 · 𝑡𝑡𝑒𝑐 𝑕𝑜
[𝐴. 5.99]
𝜃𝐶𝑜𝑛𝑜 = 6,925 °
Con este ángulo la altura toma un valor de:
𝐻𝑖𝐶𝑜𝑛𝑜 =
𝐷
tan 𝜃𝐶𝑜𝑛𝑜 = 0,278 𝑚
2
[𝐴. 5.100]
La altura real, teniendo en cuenta el espesor del techo será de:
𝐻𝐸𝑥𝑡 = 0,278 + 7,9 · 10−3 = 0,286 𝑚
[𝐴. 5.101]
5.4.2.3. Volumen total del tanque y altura real del recipiente.
Volumen del techo.
𝑉𝐶𝑜𝑛𝑜 = 1,521 𝑚3
Volumen del cono de drenaje.
𝐻𝐶𝑜𝑛𝑜 = 0,023 𝑚
[𝐴. 5.102]
𝑉𝐶𝑜𝑛𝑜 = 0,126 𝑚3
Anexos
Página 247
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
De manera que el volumen total del tanque será:
𝑉𝑅𝑒𝑎𝑙 = 80,889 𝑚3
Altura total del tanque.
Será el resultado de sumar la altura de la envolvente y la altura
exterior del techo cónico.
𝐻𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐻𝐶𝑎𝑟𝑐𝑎𝑠𝑎 + 𝐻𝐸𝑥𝑡 𝑑𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑜 = 4,877 + 0,286 = 5,163 𝑚
[𝐴. 5.103]
5.4.3. Elementos adicionales.
5.4.3.1. Cubetos de retención.
En esta zona se emplazan dos tanques de las siguientes
dimensiones:
En esta zona se emplazan dos tanques de las siguientes
dimensiones:
Tabla LXX:
Dimensiones de los depósitos.
Tanque 1
Tanque 2
Rundown
Diámetro (m)
6,401
6,401
4,572
Altura (m)
5,433
5,433
4,877
La separación entre elementos será de:
Anexos
Página 248
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla LXXI:
Separación entre elementos del cubeto.
Distancia (m)
CubetoTanque
TanqueTanque
TanqueRundown
RundownCubeto
5,433
6,401
6,401
4,877
Tendrán la misma disposición que el cubeto de retención de
cabezas, por lo que habrá que determinar un lado largo (a) y uno corto
(b):
𝑎 = 40,486 𝑚
[𝐴. 5.104]
𝑏 = 30,069 𝑚
[𝐴. 5.105]
Al ser rectangular, el área será:
𝐴𝑐𝑢𝑏𝑒𝑡𝑜 = 𝑎 · 𝑏 = 1.217,374 𝑚2
[𝐴. 5.106]
El volumen necesario para el cubeto será tal que sea capaz de
albergar todo el volumen de los tanques en caso de que se produzca la
fuga del contenido.
𝑉𝐶𝑢𝑏𝑒𝑡𝑜 = 𝐴𝐶𝑢𝑏𝑒𝑡𝑜 · 𝑕
[𝐴. 5.107]
Según las características del producto, hidrocarburo clase D, de
acuerdo a su legislación no existe un límite para la cantidad de producto
que se puede albergar en los cubetos, por lo que se supondrán las
peores condiciones, es decir que ha de ser capaz de albergar la totalidad
del producto contenido en los depósitos (los 4 tanques y el de prueba).
Anexos
Página 249
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑉𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 723,817 𝑚3
Este volumen hay que someterlo a un factor de
sobredimensionamiento del 10%. Por lo que el volumen a contener será
de:
𝑉𝑇.𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛𝑎𝑑𝑜
= 1,1 · 𝑉𝑇𝑎 𝑛𝑞𝑢𝑒 = 796,199 𝑚3
[𝐴. 5.108]
Despejando de [A.5.107] se llega a la altura que ha de tener el
cubeto de retención.
𝑉𝐶𝑢𝑏𝑒𝑡𝑜
796,199 𝑚3
𝑕=
=
= 0,654 𝑚
𝐴𝐶𝑢𝑏𝑒𝑡𝑜
1.217,374 𝑚2
Por lo que el cubeto de retención de la zona de almacenamiento
de la alimentación tendrá las siguientes dimensiones:
Tabla LXXII:
Dimensiones del cubeto.
Lado largo
(m)
Lado corto
(m)
Área
(m2)
Volumen
(m3)
Altura
(m)
40,486
30,069
1.217,374
796,199
0,654
5.4.3.2. Otros elementos.
Escalerilla y plataformas.
Se sigue la misma normativa de instalación que para el resto de
depósitos.
Anexos
Página 250
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
En estos depósitos la altura es menor a 6 metros tanto para los
tanques de almacenamiento de producto de colas como el depósito de
rundown. Por eso únicamente se instalará una plataforma en la parte
superior del depósito.
La jaula de la escalerilla para estos tanques no es necesaria ya
que su altura no excede de los 6 metros.
Bocas de hombre.
Al tener un diámetro menor de 61 metros serán necesarias dos
escalerilla, tal y como se refleja en la Tabla LXXII.
Se colocará una en el techo y otra en el casco.
Anexos
Página 251
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
ANEXO 6: Sistemas de tuberías y accesorios.
6.1. Consideraciones previas: Diseño de tuberías.
Para llevar el fluido de un equipo a otro se utilizan líneas de
transporte formadas por distintos elementos, como por ejemplo
conducciones, accesorios de tuberías entre otros elementos.
Son equipos de vital importancia, pues ocupan una parte
considerable de la partida económica de una planta de proceso (un tercio
aproximadamente) así como un volumen considerable (60%).
Las tuberías a presión tienen su propio código, el código ANSI
B31, formado por diferentes secciones publicadas como documentos
independientes cada una de ellas.
6.2. Líneas del proceso.
En el presente proyecto fin de carrera se distinguen varias líneas
de proceso, como son las siguientes:
 Línea 1: Es la línea encargada de llevar el fluido desde el tanque
de almacenamiento a la columna.
 Línea 2: Es la línea encargada de llevar el producto de cabeza,
destilado, de la columna al tanque de almacenamiento.
 Línea 3: Es la línea encargada de llevar el producto de colas de la
columna al tanque de almacenamiento.
En el diseño de las líneas se trataran los siguientes aspectos:
 Accesorios de la conducción.
 Pérdidas de carga en la conducción.
 Dimensionamiento de la conducción.
Anexos
Página 252
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
6.3. Línea 1: Depósito-Torre.
6.3.1. Conducciones presentes en la línea.
Se localizan las siguientes conducciones:
 Conducción 1: Del depósito (TA-01) a la bomba (B-01).
 Conducción 2: De la bomba (B-01) al intercambiador de calor de
alimentación (IC-01).
 Conducción 3: Del intercambiador de calor (IC-01) a la torre de
rectificación (T-01).
6.3.2. Diseño de la línea de tuberías.
En primer lugar se calcula el diámetro interior de cada línea. Para
ello es necesario conocer una velocidad de circulación del fluido a través
de la conducción, la cual se obtiene a partir de la Tabla XXXVIII. El
caudal se conoce de los balances de materia a la planta.
Tabla LXXIII:
Estimación de las velocidades en una planta de proceso.
(McCabe y col, 1.994).
TIPO DE FLUIDO
Líquido poco viscoso
SERVICIO
Flujo por gravedad
0,15-0,30
Entrada de bomba
0,3-0,9
Salida de bomba
Línea de conducción
Liquido viscoso
VELOCIDAD (m·s-1)
1,2-3
1,2-2,4
Entrada de bomba
0,06-0,15
Salida de bomba
0,15-0,06
Aire o gas
9-30
De manera que:
𝑄=𝑣·𝑆
Anexos
[𝐴. 6.1]
Página 253
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Donde:
𝑣: Velocidad de paso de fluido por la conducción (m·s -1).
𝑄: Caudal volumétrico de circulación del fluido (m3·s-1).
𝑆: Sección de la conducción (m2).
La sección de la tubería es circular, por lo que por expresiones
geométricas será:
𝑆=𝜋·
𝐷2
4
[𝐴. 6.2]
Donde:
1. 𝑆: Sección de la conducción (m2).
2. 𝐷: Diámetro de la conducción (m).
Por lo que sustituyendo [A.6.2] en [A.6.1] y despejando el
diámetro:
𝐷=
𝑄·4
𝜋·𝑣
[𝐴. 6.3]
El caudal es el que ha de llegar a la columna, 772,944 kmol·h-1,
por lo que habrá que transformar el caudal molar a caudal volumétrico.
𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑘𝑔
1 𝑚3
1𝑕
𝑄 = 772,944
· 92,39
·
·
𝑕
𝑘𝑚𝑜𝑙 870,1 𝑘𝑔 3.600 𝑠
𝑄 = 0,023
Anexos
𝑚3
𝑠
[𝐴. 6.4]
Página 254
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Sustituyendo en [A.6.3.] se obtiene:
𝐷 = 0,135 𝑚 = 4,899 𝑖𝑛
Acudiendo a las tablas de normalizado se obtiene el siguiente
diámetro externo normalizado:
𝐷𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑜 = 0,141 𝑚
Con este valor se determina el diámetro externo de la tubería,
pues depende del interno. Estos diámetros se encuentran normalizados
en dimensiones comerciales según se recogen en las Tablas A.X-XIII del
anexo 8.
A la hora de escoger un valor de esta tabla la elección la marca el
diámetro interno, pues el valor del externo será el inmediatamente
superior al estimado anteriormente, siendo este el global de la
conducción.
Es necesario determinar el espesor de la tubería requerido para
soportar la presión interna de la conducción
Para ello tal y como se especifica en la bibliografía consultada se
aplica el código ASME sección VIII división 1, calculándose el espesor a
través de la siguiente expresión, considerando un sobreespesor por
corrosión y la tolerancia de la fabricación:
𝑡𝑚𝑖𝑛 =
𝑃𝐷 · 𝐷0
1
+𝐶 ·
𝑀
2 · 𝑆 · 𝐸 + 𝑃𝐷 · 𝑌
1 − 100
[𝐴. 6.5]
Donde:
𝑃𝐷 : Presión de diseño.
Anexos
Página 255
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐷0 : Diámetro exterior de la tubería.
𝑆: Tensión máxima permisible a la temperatura de diseño.
𝐸: Eficiencia de la soldadura.
𝑌: Coeficiente que depende del material de la tubería y la
temperatura de diseño.
𝐶: Margen de corrosión.
𝑀: Tolerancia de fabricación.
Los parámetros necesarios para determinar el espesor de la línea
es necesario conocer estos parámetros.
Estos cálculos habrá que hacerlos para cada conducción presente
en la línea.
Presión de diseño.
La presión de operación será la mayor
Como presión de diseño se escoge el mayor valor de una terna de
posibilidades:
1. Un sobredimensionamiento de la presión de operación.
𝑃𝐷 = 1,1 · 𝑃𝑜𝑝 𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖 ó𝑛
[𝐴. 6.6]
2. Presión máxima de operación más un valor fijo.
𝑃𝐷 = 𝑃𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖 ó𝑛 + 2
𝑘𝑔
𝑐𝑚2
[𝐴. 6.7]
3. 3,5 kg·cm-2.
Anexos
Página 256
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tensión máxima admisible.
Depende de la temperatura de diseño y el material de la tubería.
Se selecciona como temperatura de diseño la temperatura máxima de la
línea más 20C. En esta línea la temperatura de diseño será la
correspondiente a la conducción 3. De esta manera la temperatura de
diseño máxima de la línea 1 será de:
𝑇𝐷 = 𝑇𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖
ó𝑛
+ 20℃
Recurriendo a la Tabla A.IX del anexo 8 y con la temperatura de
diseño se obtiene un valor de tensión máxima admisible.
Las tuberías estarán construidas de acero al carbono SA-106, ya
que según la Tabla A.I del anexo 8 es el material que mejor se adapta.
Eficiencia de la soldadura.
Si se usan tuberías lisas sin juntas de soldadura esta eficiencia
asciende a un valor de 1.
Factor Y.
Depende de la temperatura de diseño de la línea y del material de
las conducciones. Se obtiene a partir de la Tabla XXXVIII.
Margen de corrosión.
Para tuberías y recipientes un desgaste por corrosión de 0,005
pulgadas es aceptado. Equipos principales o mayores se diseñan para
que su vida sea de aproximadamente de 17 años. Por lo que el margen
de corrosión será de:
Anexos
Página 257
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐶 = 0,005
𝑖𝑛
· 17 𝑎ñ𝑜 = 0,085 𝑖𝑛
𝑎ñ𝑜
[𝐴. 6.8]
Tolerancia a la fabricación.
En conducciones este parámetro alcanza un valor de 12,5%, es
decir, que la tubería podría tener un espesor un 12,5% menor.
En resumen, y sustituyendo en [A.6.4] se obtiene el espesor de
cada línea. Cada una de ellas tendrá unas condiciones de presión y
temperatura.
En la siguiente tabla (Tabla LXXV) se recogen todos los valores
necesarios para el cálculo del espesor de cada conducción perteneciente
a la línea 1 del proceso que va desde el parque de tanques de
almacenamiento de producto de cabezas (TA-01) a la columna de
rectificación (T-01).
Tabla LXXIV:
Datos necesarios para el cálculo del espesor de la conducción.
PD
TD
TD
(psi)
(K)
(°F)
1
43,143
358
185
2
58,447
358
185
3
Conducción
v
t
(m·s-1)
(in)
20.000 1 12,5 0,4
0,6
0,134
20.000 1 12,5 0,4
1,6
0,109
58,447 410,7 279,86 20.000 1 12,5 0,4
1,6
0,109
S
E
M
Y
Será necesario calcular el espesor para cada conducción. Con él y
con el diámetro externo calculado anteriormente se determina el diámetro
interno, escogiendo aquel inmediatamente superior al mínimo.
Estas tablas corresponden a Tablas A.X-XIII del anexo 8, por lo
que se obtienen las siguientes dimensiones para cada conducción de la
línea de alimentación. Los resultados se recogen en la Tabla LXXVI.
Anexos
Página 258
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla LXXV:
Diámetros de las conducciones presentes en la línea 1.
Conducción
1
2
3
Diámetro externo
in
mm
10,75
273,051
5,563
141,301
5,563
141,301
Diámetro interno
in
mm
10,482
266,244
5,345
135,763
5,345
135,763
Espesor
in
mm
0,134
3,404
0,109
2,769
0,109
2,769
Una vez definida la conducción se determina la velocidad real del
fluido que circula por el interior despejándola de la ecuación [A.6.3].
𝑣=
𝑄
=
𝑆
𝑄
4·𝑄
=
2
𝐷
𝜋 · 𝐷2
𝜋· 4
Las tres conducciones presentan un caudal constante, teniendo
como única variación el diámetro interno. Los resultados de las
velocidades se muestran en la Tabla LXXVII.
Tabla LXXVI:
Velocidades del fluido por las conducciones de la Línea 1.
1
Velocidad
(m·s-1)
0,409
2
3
1,575
1,575
Conducción
Las velocidades reflejadas en la Tabla LXXIV no son más que
datos orientativos de los que partir. Una vez calculado el diámetro interno
de la conducción es preciso recalcular la velocidad para comprobar que
se encuentra dentro del rango considerado y con un valor aproximado al
supuesto.
En caso contrario se procedería a seguir un cálculo iterativo
utilizando la velocidad calculada para volver a obtener un diámetro
nominal.
Anexos
Página 259
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Como se ve en la Tabla LXXVII la consideración inicial de la
velocidad es aceptable al haber obtenido datos próximos a los supuestos.
Para evitar que se produzca una pérdida de temperatura a lo largo
de las conducciones estos equipos también han de ir aislados
térmicamente. Para ello se elige como aislante lana de roca, ya que
cumple los requisitos técnicos de una manera económica. A partir de la
Tabla LXXVIII se obtienen los siguientes resultados.
Tabla LXXVII:
Valores de espesor de la capa de lana de roca de la Línea 1.
Conducción
1
2
3
Diámetro
externo
mm
273,051
141,301
141,301
Conducción
Aislante
Total
Diámetro
Diámetro
Temperatura Espesor
interno
externo
mm
ºC
mm
mm
266,244
50
373,051
85
135,763
50
241,301
85
135,763
50
241,301
137,7
6.4. Línea 2: De la torre al depósito de cabeza.
6.4.1. Conducciones presentes en la línea.
En esta línea están presentes las siguientes conducciones:
 Conducción 4: Corriente de vapor que va de la torre al
condensador.
 Conducción 5: Corriente líquida que va del condensador al botellón
de reflujo.
 Conducción 6: Corriente líquida que va del botellón de reflujo a la
bomba (B-03).
 Conducción 6.a: Corriente líquida que va del botellón de reflujo a la
bomba (B-05).
 Conducción 6.b: Corriente líquida que va de la bomba (B-03) de
vuelta a la torre.
 Conducción 7: Corriente líquida que va de la bomba a la batería de
aerorrefrigerantes.
Anexos
Página 260
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
 Conducción 8: Corriente líquida que va de la batería de
aerorrefrigerantes a la válvula de desahogo.
 Conducción 9: Corriente líquida que va de la válvula de desahogo
a los tanques de almacenamiento.
A diferencia de la línea de alimentación, en esta existen caudales
diferentes como se puede comprobar en la Tabla LXXIX.
Tabla LXXVIII:
Relación de caudales de la línea de cabezas.
Conducción
Caudal
-1
Caudal
(kmol·h )
(m3·s-1)
4
5
790,671
790,671
3,418
0,027
6
22,194
0,001
6.a
768,532
0,026
6.b
22,194
0,001
7
8
768,532
768,532
0,026
0,026
9
768,532
0,026
6.4.2. Diseño de la línea de tuberías.
En la presente conducción existen líneas por las que el fluido que
circula es un fluido gaseoso. Esta situación únicamente se da en la
conducción número 4 que lleva el vapor de cabeza de columna al
condensador. Según la Tabla LXXIX se parten las siguientes
velocidades.
Anexos
Página 261
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla LXXIX:
Velocidades de partida.
Conducción
Velocidad
(m·s-1)
4
19,5
5
1,8
6
0,6
6.a
6.b
0,6
2
7
1,8
8
1,8
9
1,8
El procedimiento para dimensionar las conducciones de la línea de
cabezas es el mismo que para la línea de alimentación, por lo que se
resume el proceso en las siguientes tablas. En la Tabla LXXXI se
recogen los datos necesarios para poder estimar el espesor de la
conducción.
Tabla LXXX:
Datos de espesores de cada conducción en la línea 2.
Conducción PD (PSI) TD (K) TD (°F)
S
E
M
Y
t (in)
4
58,446
410,7 279,594 20.000 1 12,5 0,4 0,131
5
58,446
410,4 279,054 20.000 1 12,5 0,4 0,109
6
58,446
410,4 279,054 20.000 1 12,5 0,4 0,109
6.a
58,446
410,4 279,054 20.000 1 12,5 0,4 0,134
6.b
58,446
410,4 279,054 20.000 1 12,5 0,4 0,113
7
87,462
410,4 279,054 20.000 1 12,5 0,4 0,134
8
58,093
358
185
20.000 1 12,5 0,4 0,109
9
43,143
358
185
20.000 1 12,5 0,4 0,109
Con estos espesores se determina el diámetro normalizado tanto
interno como externo a partir de las Tablas A.X-XIII del anexo 8.
Anexos
Página 262
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla LXXXI:
Datos de diámetros reales para cada conducción de la línea 2.
Diámetro externo
Conducción
4
5
6
6.a
6.b
7
8
9
in
20
5,563
1,66
10,750
1,05
5,563
5,563
5,563
mm
508,002
141,301
42,164
273,051
26,670
141,301
141,301
141,301
Diámetro interno
in
19,5
5,345
1,442
10,482
0,824
5,345
5,345
5,345
mm
495,301
135,763
36,627
266,244
20,930
135,763
135,763
135,763
Espesor
in
0,25
0,109
0,109
0,134
0,113
0,109
0,109
0,109
mm
6,350
2,769
2,769
3,404
2,870
2,769
2,769
2,769
Siguiendo el mismo procedimiento que para la línea 1, se
recalculan las velocidades de circulación del fluido por cada conducción,
comprobando que no difieren mucho de los valores supuestos. Estos
datos están recogidos en la Tabla LXXXIII.
Tabla LXXXII:
Valores de velocidades para
las conducciones de la línea 2.
Conducción Supuesta Calculada
4
5
6
6.a
6.b
7
8
9
19,5
1,8
0,6
0,6
2
1,8
1,8
1,8
17,71
1,858
0,716
0,407
2,194
1,806
1,806
1,806
Las conducciones deberán de estar aisladas térmicamente, por lo
que recurriendo a la Tabla A.V del anexo 8 se obtiene que el espesor de
la capa de aislante equivale a los valores reunidos en la Tabla LXXXIV.
Anexos
Página 263
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla LXXXIII:
Valores de los espesores de la capa de aislante de la Línea 2.
Conducción
4
5
6
6.a
6.b
7
8
9
Diámetro
externo
mm
508,002
141,301
42,164
273,051
26,670
141,301
141,301
141,301
Conducción
Aislante
Total
Diámetro
Diámetro
Temperatura Espesor
interno
externo
mm
ºC
mm
mm
495,301
137,4
50
608,002
135,763
137,4
50
241,301
36,627
137,4
50
142,164
266,244
241,301
137,4
50
20,930
126,670
137,4
50
135,763
241,301
137,4
50
135,763
241,301
85
50
135,763
241,301
85
50
6.5. Línea 3: De la columna al depósito de colas.
6.5.1. Definición de las conducciones.
En la presente línea se encuentran las siguientes conducciones:






Conducción 10: De la torre al reboiler.
Conducción 10.a: Del reboiler a la torre.
Conducción 11: Del reboiler a la bomba.
Conducción 12: De la bomba al intercambiador de calor.
Conducción 13: Del intercambiador de a la válvula de desahogo.
Conducción 14: De la válvula de desahogo a los tanques.
Habrá que analizar 3 caudales diferentes que se producen en la
línea de colas y diferentes fases, ya que hay una conducción por la que
circula una fase de vapor, la conducción 10.5 que va del reboiler a la
torre, y el resto son corrientes líquidas.
Los diferentes caudales que circulan por la línea de cabezas se
resumen en la Tabla LXXXV.
Anexos
Página 264
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla LXXXIV:
Caudales de la línea de colas.
10.a
Caudal
(kmol·h-1)
795,083
790,671
Caudal
(m3·s-1)
0,031
4,365
11
4,412
2,188·10-4
12
4,412
2,188·10-4
13
4,412
1,879·10-4
14
4,412
1,880·10-4
Conducción
10
6.5.2. Diseño de la línea de tuberías.
En la Tabla LXXXVI se recogen las velocidades de partida para el
cálculo de las dimensiones de las conducciones.
Tabla LXXXV:
Velocidades supuestas para las conducciones.
Conducción
Velocidad
(m·s-1)
10
1,8
10.a
19,5
11
0,6
12
2
13
1,8
14
1,8
Análogamente a la línea de cabezas y colas se calcula el espesor
y el diámetro nominal de la cada conducción, y se recogen los resultados
en la Tabla XXXVII.
Anexos
Página 265
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla LXXXVI:
Dato de los espesores de cada conducción de la línea 3.
Conducción PD (PSI) TD (°F)
10
S
E
M
Y
t (in)
58,446 313,254 20.000 1 12,5 0,4 0,109
10.b
11
58,446
58,446
506,66 18.900 1 12,5 0,4 0,25
506,66 18.900 1 12,5 0,4 0,113
12
58,446
506,66 18.900 1 12,5 0,4 0,12
13
58,446
185
20.000 1 12,5 0,4 0,12
14
43,143
185
20.000 1 12,5 0,4 0,12
De manera que los diámetros normalizados se calcularan de la
misma forma que se hizo para las otras líneas.
Finalmente, los diámetros normalizados de las líneas de la
conducción 3 o de colas se recogen en la Tabla LXVIII.
Tabla LXXXVII:
Dimensiones normalizadas de las conducciones de la línea 3.
Diámetro externo Diámetro interno
Conducción
in
mm
in
10
10.b
11
12
13
14
6,625
24
1,05
0,675
0,675
0,405
168,276
609,602
26,670
17,145
17,145
10,287
6,407
23,5
0,824
0,423
0,423
0,423
mm
Espesor
in
mm
162,738 0,109 2,769
596,902 0,25 6,350
20,930 0,113 2,870
10,744
0,12 3,048
10,744
0,12 3,048
10,744
0,12 3,048
Una vez calculados los diámetros y espesores normalizados es
preciso recalcular las velocidades, para ver si coinciden con las
supuestas.
Al igual que para el resto de líneas la comparación entre la
velocidad supuesta y la calculada se recogen en la Tabla LXXXIX.
Anexos
Página 266
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla LXXXVIII:
Velocidades recalculadas.
Conducción Supuesta Calculada
10
10.b
11
12
13
14
1,8
19,5
0,6
2
1,8
1,8
1,490
15,60
0,636
2,45
2,07
2,07
Se comprueba que las velocidades no difieren mucho.
Una vez comparadas la velocidad supuesta con la calculada es
necesario determinar el espesor de la capa de lana de roca que se usará
como material aislante de calor. La relación entre el espesor necesario y
la temperatura queda estipulada mediante la Tabla XXIX y para la línea 3
resumida en la Tabla XC.
Tabla LXXXIX:
Valores de espesores de lana de roca para la línea 3.
Conducción
10
10.b
11
12
13
14
Diámetro
externo
mm
168,276
609,602
26,670
17,145
17,145
10,287
Conducción
Aislante
Total
Diámetro
Diámetro
Temperatura Espesor
interno
externo
mm
ºC
mm
mm
162,738
156,25
428,276
80
596,902
243,7
709,602
50
20,930
243,7
126,670
50
10,744
243,7
117,145
50
10,744
85
117,145
50
10,744
85
110,287
50
6.6. Pérdida de carga en las conducciones.
Se calcularán las pérdidas de carga que sufre el fluido al atravesar
la planta de un lado a otro producidas en las conducciones y sus
accesorios, así como los equipos que atraviesa.
Se determina a partir de la fórmula de Darcy:
Anexos
Página 267
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐿 𝑣2
𝑕𝑓 = 4𝑓 · ·
𝐷 2·𝑔
[𝐴. 6.9]
Donde:
𝑕𝑓 : Es la pérdida de carga.
4𝑓: Es el factor de fricción. Depende de la rugosidad relativa y el
número de Reynolds.
v: Es la velocidad de paso a través de las tuberías (m·s -1).
L: Es la longitud que ha de atravesar (m).
D: Es el diámetro (m).
g: Es la gravedad (m·s-2).
Los accesorios presentes en la conducción supondrán una pérdida
de carga adicional, la cual puede ser cuantificada a través del concepto
de longitud equivalente, que no es más que un tramo de tubería recta
que produzca las mismas pérdidas de carga.
De manera que la ecuación [A.6.9] sufre la siguiente modificación:
𝑕𝑓 = 4𝑓 ·
𝐿 + 𝐿𝑒𝑞 𝑣 2
·
𝐷
2·𝑔
[𝐴. 6.9. 𝑎]
En la Figura 13 situada en la siguiente página se puede observar
una distribución de la planta, con una representación esquemática de las
3 líneas de proceso presentes en el mismo.
La azul es la línea de alimentación, que va desde el parque de
tanques de alimentación (TA-01) a la columna (T-01).
La roja es la línea de cabezas, que va desde la columna (T-01) al
parque de tanques de cabezas (TA-02).
Anexos
Página 268
141.292 mm
1.000 mm
146.913 mm
1.000 mm
30.069
TA-03
TA-02
9.000 mm
Figura 13: Distribución en planta.
3.000 mm
3000 mm
9000 mm
Anexos
2000 mm
TA-01
3.000 mm
IC-02
3000 mm
BR-01
CD-01
IC-01
3.000 mm
9000 mm
6.000 mm
RB-01
C-01
2. Las medidas y cotas están expresadas en milímetros.
1. El diagrama representado no está a escala, se usa como simple referencia.
NOTA:
3000 mm
AR-01, AR-02, AR-03,
AR-04,
9.000 mm
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Por último, la línea verde es la línea de colas, que va desde la
columna (T-01) al parque de tanques de colas (TA-03).
Página 269
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
6.6.1. Línea 1 (Alimentación): Del parque de tanques de alimentación
(TA-01) a la columna (T-01).
La presente línea se divide en las siguientes conducciones:
 Conducción 1: Del depósito (TA-01) a la bomba (B-01).
 Conducción 2: De la bomba (B-01) al intercambiador de calor de
alimentación (IC-01).
 Conducción 3: Del intercambiador de calor (IC-01) a la torre de
rectificación (T-01).
6.6.1.1. Conducción 1: Depósito-bomba.
En su camino atraviesa una serie de accesorios cada uno de los
cuales propiciará una pérdida de carga. Se recogen en la Tabla XCI.
Tabla XC:
Accesorios Conducción 1.
ACCESORIOS
CANTIDAD
Válvulas de Globo
1
Válvulas de Compuerta
2
Válvulas de Retención
-
Válvulas de Reducción
-
Codos 90º
2
Tes
1
Reducciones
-
Una vez hecho el recuento del número de accesorios, será preciso
estimar la pérdida de carga que cada uno de estos aporta a la
conducción, para lo cual se hace uso del concepto de longitud
equivalente de un accesorio.
“Se entiende por longitud equivalente a un tramo de tubería recta
que produce la misma pérdida de carga que el accesorio al que
sustituye”.
Anexos
Página 270
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Estos valores se recogen en la Tabla XCII.
Tabla XCI:
Longitud equivalente de Accesorios.
(Rase H.F., 2.000).
Por lo que la longitud equivalente del conjunto se recoge en la
Tabla XCIII.
Tabla XCII:
Cálculo de la longitud equivalente de la conducción 1.
ACCESORIOS
CANTIDAD LONGITUD EQUIVALENTE
Válvulas de Globo
1
93,1
Válvulas de Compuerta
2
48,768
Válvulas de Retención
-
-
Válvulas de Reducción
-
-
Codos 90º
2
12,192
Tes
1
19,812
Reducciones
-
-
TOTAL
173,782
Anexos
Página 271
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Como se comprueba en la Figura 13 la longitud del tramo es de 3
metros.
Para poder calcular las pérdidas de carga es preciso determinar el
factor de fricción o de Darcy. Para ello hace falta conocer el número de
Reynolds.
𝑅𝑒 =
𝑣·𝐷·𝜌
𝜇
[𝐴. 6.10]
Donde:
1. 𝑣: Velocidad del fluido (m·s-1).
2. 𝐷: Diámetro de la conducción (m).
3. ρ: Densidad (kg·m-3).
4. 𝜇: Viscosidad (Pa·s).
Todos los datos se calcularon anteriormente al dimensionar la
conducción, por lo que se estima un Reynolds de:
𝑅𝑒 = 2,720 · 105
Para poder recurrir al diagrama de Moody (Figura A.I del anexo 8)
es preciso conocer la rugosidad relativa, la cual se calcula en función del
tipo de material y el diámetro de la conducción a través de la Figura 12.
Por lo que la rugosidad relativa toma un valor de:
𝜀
= 0,00016
𝐷
Junto al valor de la rugosidad relativa (tomada para aceros
comerciales) y el número de Reynolds, a través del diagrama de Moody
se determina un factor de fricción de:
Anexos
Página 272
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
4𝑓 = 0,017
Sustituyendo en [A.6.9.a] se obtienen unas pérdidas de carga de:
𝑕𝑓 = 0,091 𝑚
Se sigue el mismo procedimiento para todas las conducciones
definidas anteriormente se obtienen las pérdidas de carga para cada una
de ellas, por lo que simplemente se definirán las accesorios que
atraviesan y se presentaran los resultados de forma resumida en los
siguientes apartados.
6.6.1.2. Conducción 2: Bomba (B-01) a intercambiador de calor (IC-01).
En esta conducción se encuentran los siguientes accesorios:
Tabla XCIII:
Accesorios Conducción 2.
ACCESORIOS
CANTIDAD
Válvulas de Globo
-
Válvulas de Compuerta
-
Válvulas de Retención
2
Válvulas de Reducción
-
Codos 90º
1
Codos 45º
4
Tes
1
Reducciones
1
Estos accesorios suponen una longitud equivalente de:
Anexos
Página 273
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla XCIV:
Longitud equivalente de accesorios en la conducción 2.
ACCESORIOS
CANTIDAD
LONGITUD EQUIVALENTE
Válvulas de Globo
-
-
Válvulas de Compuerta
-
-
Válvulas de Retención
2
24,384
Válvulas de Reducción
-
-
Codos 90º
2
60,096
Codos 45º
4
6,096
Tes
1
9,754
Reducciones
1
0,72
TOTAL
101,05
El número de Reynolds será:
𝑅𝑒 = 5,335 · 105
La rugosidad relativa será:
𝜀
= 0,0003
𝐷
La pérdida de carga será:
𝑕𝑓 = 1,919 𝑚
6.6.1.3. Conducción 3: Intercambiador de calor (IC-01) columna de
rectificación (T-01).
En esta conducción se encuentran los siguientes accesorios:
Anexos
Página 274
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla XCV:
Accesorios presentes en la conducción 3.
ACCESORIOS
CANTIDAD
Válvulas de Globo
-
Válvulas de Compuerta
-
Válvulas de Retención
-
Válvulas de Reducción
-
Codos 90º
3
Codos 45º
-
Tes
-
Reducciones
-
La longitud equivalente de los accesorios será:
Tabla XCVI:
Longitud equivalente de accesorios de la conducción 3.
ACCESORIOS
CANTIDAD LONGITUD EQUIVALENTE
Válvulas de Globo
-
-
Válvulas de Compuerta
-
-
Válvulas de Retención
-
-
Válvulas de Reducción
-
-
Codos 90º
3
90,144
Codos 45º
-
-
Tes
-
-
Reducciones
-
-
TOTAL
90,144
El número de Reynolds será:
𝑅𝑒 = 8,189 · 105
La rugosidad relativa será:
𝜀
= 0,0003
𝐷
Anexos
Página 275
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
La pérdida de carga será:
𝑕𝑓 = 1,783 𝑚
6.6.2.
Línea
2
(Cabezas):
De
la
columna
al
parque
de
almacenamiento de producto de cabezas.
En esta línea están presentes las siguientes conducciones:
 Conducción 4: Corriente de vapor que va de la torre al
condensador.
 Conducción 5: Corriente líquida que va del condensador al botellón
de reflujo.
 Conducción 6: Corriente líquida que va del botellón de reflujo a la
bomba (B-03).
 Conducción 6.a: Corriente líquida que va del botellón de reflujo a la
bomba (B-05).
 Conducción 6.b: Corriente líquida que va de la bomba (B-03) de
vuelta a la torre.
 Conducción 7: Corriente líquida que va de la bomba a la batería de
aerorrefrigerantes.
 Conducción 8: Corriente líquida que va de la batería de
aerorrefrigerantes a la válvula de desahogo.
 Conducción 9: Corriente líquida que va de la válvula de desahogo
a los tanques de almacenamiento.
En la Tabla XCVIII se recoge el número de accesorios presentes
en cada conducción.
Mencionar que antes de producirse la entrada a tanque existe una
válvula de reducción que disminuye la presión hasta la atmosférica, y al
tener las mismas características que la conducción 8, salvo en la presión,
se ha decidido englobarlas para el cálculo de las pérdidas de carga.
Anexos
Página 276
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla XCVII:
Accesorios en la línea 2.
CONDUCCIÓN
ACCESORIOS
4 5 6 6.a 6.b 7 8 9
Válvulas de Globo
1
-
1
1
-
-
-
-
Válvulas de Compuerta
-
-
1
1
-
-
1
-
Válvulas de Retención
-
-
-
-
1
1
-
-
Válvulas de Reducción
-
-
-
-
-
-
-
1
Codos 90º
3
-
2
-
2
-
4
-
Codos 45º
-
-
-
-
-
-
4
-
Tes
-
-
1
1
1
1
-
-
Reducciones
-
-
-
-
-
1
-
-
Los datos necesarios para obtenerlas así como las pérdidas de
carga se engloban en la Tabla XCIX.
Tabla XCVIII:
Pérdidas de carga de la Línea 2.
LONGITUD
LONGITUD
CONDUCCIÓN EQUIVALENTE
Re
(m)
(m)
4
72,237
31,326
6,048·106
5
0
3
1,007·106
6
18,208
39,326
1,158·105
6.a
115,044
3
4,263·105
6.b
4,876
30,326
2,245·105
7
22,934
9
9,805·105
8
18,136
162,972
6,992·105
hf
39,107
0,060
0,784
0,057
7,448
0,601
3,409
6.6.3. Línea 3 (Colas): De la columna al parque de almacenamiento
del producto de colas.
En la presente línea se encuentran las siguientes conducciones:
 Conducción 10: De la torre al reboiler.
 Conducción 10.a: Del reboiler a la torre.
Anexos
Página 277
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
 Conducción 11: Del reboiler a la bomba.
 Conducción 12: De la bomba al intercambiador de calor.
 Conducción 13: Del intercambiador de a la válvula de desahogo.
 Conducción 14: De la válvula de desahogo a los tanques.
Se podrán encontrar los siguientes accesorios:
Tabla XCIX:
Accesorios presentes en la línea 3.
CONDUCCIÓN
ACCESORIOS
10 10.a 11 12 13 14
Válvulas de Globo
-
-
-
-
1
-
Válvulas de Compuerta
-
-
1
-
-
-
Válvulas de Retención
-
-
-
1
-
-
Válvulas de Reducción
-
1
-
-
1
1
Codos 90º
1
1
1
1
4
-
Codos 45º
-
-
-
-
4
-
Tes
-
-
1
1
-
-
Reducciones
-
-
-
-
-
-
Siguiendo la morfología del apartado anterior, en la Tabla CI.
Tabla C:
Pérdidas de carga de la línea 3.
LONGITUD
LONGITUD
CONDUCCIÓN EQUIVALENTE
Re
(m)
(m)
10
4
9
7,328E·105
10.a
5,029
10,5
4,958·106
11
1,859
12
5,202·104
12
4,242
3
1,288·105
13
7,007
261,153
3,737·104
Anexos
hf
0,144
3,792
0,279
3,145
92,227
Página 278
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Las siguientes líneas no se han considerado a la hora de
diseñarlas, puesto que no son objeto de estudio del presente proyecto fin
de carrera.
1.
2.
3.
4.
Líneas de abastecimiento de vapor de calefacción.
Línea de abastecimiento de agua de refrigeración.
Línea de drenaje de aguas de lluvia.
Líneas de drenaje de aguas contaminadas procedentes de los
parques de almacenamiento.
Anexos
Página 279
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
ANEXO 7: Sistemas de impulsión.
En el presente anexo se discutirán las características de las
bombas que se van a colar en el proceso.
Las bombas son equipos cuya misión es la dar a un fluido la
energía necesaria para ser capaz de desplazarlo de un punto a otro del
sistema a través de conducciones.
7.1. Localización de las bombas dentro del sistema.
Será precisa la instalación de bombas en 4 puntos del sistema:
1. Conducción 1: Será la encargada de drenar el fluido del tanque de
alimentación y transportarlo a la columna.
2. Conducción 6.b: Corriente proveniente del botellón de reflujo que
es necesario reintroducir a la columna. Conforma el llamado
reflujo.
3. Conducción 6: Es la encargada de transportar el líquido desde el
acumulador de reflujo hasta los tanques de almacenamiento.
4. Conducción 11: Trata de impulsar el líquido no vaporizado en el
rebolier a la zona de almacenamiento de producto de colas.
7.2. Elección de un tipo de bomba.
Existen una gran cantidad de bombas disponibles para su
selección en el ámbito industrial, pero esta decisión se tomará de un
modo gráfico a través de la Figura 14.
En ella se relacionan la altura útil con el flujo a impulsar, y con
estos datos se realiza la selección de la bomba.
Anexos
Página 280
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Figura 14: Gráfica de selección de bombas.
(Greene Richard W, 1987).
Para poder realizar la elección del tipo de bomba será preciso
primero el cálculo de algunos parámetros característicos.
7.3. Parámetros característicos.
En el presente apartado se calcularan los siguientes aspectos
relacionados con las bombas, teniendo en cuenta que muchos de los
valores necesarios para el cálculo son conocidos.
7.3.1. Pérdidas de carga.
La bomba impulsará el fluido a través de una serie de
conducciones, lo que supondrá una pérdida de carga determinada. Estos
valores se calcularon anteriormente, por lo que ahora simplemente se
presentaran los resultados en la Tabla CII.
Anexos
Página 281
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla CI:
Valores de las pérdidas de carga para las conducciones asociadas
a las bombas.
Bomba
Conducciones asociadas
B-01
B-03
B-05
B-07
1,2
6,6.b
6.a,7,8,9
11,12,13,14
Pérdida de carga
(m)
0,091
0,784
0,057
0,279
7.3.2. Carga efectiva.
Se entiende por carga efectiva a la presión efectiva o carga total
que debe aportar la bomba para elevar el fluido desde su nivel más bajo
hasta el punto de elevación más alto venciendo los desniveles, las
presiones y las resistencias que puedan existir a lo largo del tramo de
impulsión.
Se calcula a través de la ecuación de Bernoulli teniendo en cuenta
la carga debida a la diferencia de altura, presión, velocidad y la pérdida
de carga.
𝑃2 − 𝑃1
𝑣22 − 𝑣12
𝐻=
+ 𝑧2 − 𝑧1 +
+ 𝑕𝑓
𝜌·𝑔
2·𝑔
[𝐴. 7.1]
Donde:
𝑃2 : Es la presión en el punto de descarga (bar).
𝑃1 : Es la presión en el punto de aspiración (bar).
𝜌: Es la densidad de la corriente (kg·m-3).
𝑧2 : Es la altura del punto de descarga (m).
𝑧1 : Es la altura del punto de aspiración (m).
𝑣2 : Es la velocidad del fluido en la conducción del punto de
descarga (m·s-1).
Anexos
Página 282
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑣1 : Es la velocidad del fluido en la conducción del punto de succión
(m·s ).
-1
𝑕𝑓 : Es la pérdida de carga en la conducción
En la Tabla CIII se recogen los valores conocidos de los citados
anteriormente.
Tabla CII:
Datos para el cálculo de la carga efectiva de la bomba.
Bomba
P2
P1
z2
z1
v2
v1
hf
ρ
B-01
2,068 1,013 0,5 0,5 1,575 0,409 0,091 808,4
B-03
2,068 2,068 0,5 0,5 2,194 0,716 0,784 751,9
B-05
B-07
2,068 2,068 0,5 0,5 1,84 0,47 0,057 751,9
2,068 2,068 0,5 0,5 2,413 0,636 0,279 831,1
De manera que la carga efectiva de cada bomba será:
Tabla CIII:
Carga efectiva de cada bomba.
Bomba
B-01
B-03
B-05
B-07
H
(m)
0,209
1,00
0,218
0,555
Caudal
(m3·s-1)
0,023
0,001
0,026
0,00022
Una vez calculada la carga efectiva y conociendo el caudal que ha
de circular para cada bomba se está en disposición de aplicar la Figura
14 y obtener el tipo de bomba. Pero antes de poder usar esta gráfica
habrá que transformar tanto la carga como el caudal a las unidades
pertinentes.
Anexos
Página 283
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla CIV:
Parámetros para determinar el tipo de bomba a usar.
Bomba
H
(m)
Caudal
(m3·s-1)
H
(ft)
Caudal
(gpm)
B-01
2,037
0,023
0,686 364,557
B-03
B-05
1,00
0,218
0,001
0,026
3,280 15,850
0,715 412,108
B-07
0,555 0,0002 1,820
3,170
Por lo que según estas relaciones todas las bombas serán bombas
centrífugas.
7.3.3. Potencia de la bomba.
Se calcula a través de la siguiente expresión:
𝑊 = 𝑄·𝐻·𝜌·𝑔
[𝐴. 7.2]
Donde:
Q: Es el caudal que se ha de impulsar (m·s-1).
H: Es la carga efectiva de la bomba (m).
ρ: Es la densidad del fluido (kg·m-3).
g: Es la gravedad (m·s-2).
Todos estos parámetros se conocen, por lo que sustituyendo se
puede confeccionar la Tabla A.XXV.
Anexos
Página 284
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla CV:
Potencia de las bombas.
Bomba
B-01
B-03
B-05
B-07
Potencia
(W)
38,129
7,399
41,865
0,905
7.4. Altura neta de succión positiva disponible.
Se calcula para comprobar el correcto funcionamiento del equipo y
así evitar problemas como la cavitación, la cual se evita si la carga total
media en la succión de la bomba (altura neta de succión positiva) es
mayor que la carga de presión de vapor del fluido.
En este momento es donde interviene la altura neta de succión
positiva disponible (NPSHd), el cual es un parámetro que comprueba si el
líquido se vaporiza en el punto más bajo de presión de la bomba.
Se calcula a través de:
𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑 =
𝑃𝑎 − 𝑃𝑣
𝑣𝑎2
+
− 𝑕𝑓−𝑎 + 𝑧𝑎 − 𝑧𝑒
𝜌·𝑔
2·𝑔
[𝐴. 7.3]
Donde:
𝑃𝑎 : Presión de aspiración de la bomba (bar).
𝑃𝑣 : Presión de vapor del fluido (bar).
𝑣𝑎 : Velocidad de aspiración de la bomba (m·s -1).
𝑧𝑎 : Altura de aspiración (m).
𝑧𝑒 : Altura en la entrada en la bomba (m).
𝑕𝑓−𝑎 : Es la pérdida de carga del tramo de aspiración (m).
Anexos
Página 285
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Algunos datos de esta expresión no se conocen, por lo que es
preciso calcularlos.
7.4.1. Presión de vapor.
Se obtiene a partir de la ecuación de Antoine para las condiciones
más severas de la línea.
𝐿𝑜𝑔 𝑃𝑣 = 𝐴 −
𝐵
𝑇+𝐶
[𝐴. 7.4]
Donde:
A,B y C: Son los coeficientes de Antoine.
T: Es la temperatura a la que se han de evaluar (ºC).
Pv: Es la presión de vapor (bar).
Tanto la corriente de cabezas como de colas son muy ricas en
tolueno, por lo que se asume que la presión de vapor será un valor muy
parecido al de la presión de vapor del tolueno. Para colas ocurre lo
mismo pero con el bifenilo. Se evalúa a la temperatura de trabajo, es
decir a la que se va a almacenar el producto.
Estos datos están recogidos en la Tabla CVII presente en la
siguiente página.
Tabla CVI:
Presiones de vapor.
Línea
Anexos
Temperatura Presión de vapor
(ºC)
(bar)
1
85
0,460
2
137,4
2,044
3
243,7
0,785
Página 286
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
7.4.2. Pérdidas de carga en el tramo de aspiración.
Es preciso determinar las pérdidas de carga de aquellos tramos de
tubería que van desde el punto de aspiración a la bomba. Se resumen en
la Tabla CVIII.
Tabla CVII:
Pérdidas de carga en el punto de aspiración.
Bomba
B-01
B-03
B-05
B-07
Pérdida de carga (m)
0,091
0,784
0,057
0,279
7.4.3. Presión del punto de aspiración.
Es la presión que tiene el fluido en la conducción anterior a la
bomba. Se recogen en la Tabla CIX.
Tabla CVIII:
Presiones en el punto de aspiración de cada bomba.
Bomba Conducciones asociadas
B-01
B-03
B-05
B-07
1
6
6.a
11
Presión
(bar)
1,013
2,068
2,068
2,068
7.4.4. Velocidad en el punto de aspiración.
Se calcularon anteriormente, y se resumen en la Tabla CX.
Anexos
Página 287
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla CIX:
Velocidades en los puntos de aspiración de la bomba.
Bomba Conducciones asociadas
B-01
B-03
B-05
B-07
1
6
6.a
11
Velocidad
(m·s-1)
0,409
0,716
0,47
0,636
7.4.5. Altura de succión positiva disponible.
Aplicando la ecuación [A.7.3] se obtienen los datos resumidos en
la Tabla CXI.
Tabla CX:
Altura neta de succión positiva disponible.
Bomba
Caudal
(m·h-1)
NPSHd
(m)
B-01
B-03
B-05
B-07
82,8
3,6
93,6
0,76
7,341
2,068
2,780
15,728
Destacar que para conseguir una altura de succión positiva
disponible aceptable se han enmarcado las bombas en pequeños
cubetos de 1 metro de profundidad, para mejorar la diferencia.
Recurriendo a catálogos y a las curvas de caracterización de las
bombas se decide implementar los siguientes modelos. Se ha de cumplir
que:
𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑 > 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟
Las bombas se recogen en la Tabla CXII
Anexos
Página 288
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla CXI:
Bombas del proceso.
Bomba
NPSHd (m)
NPSHr (m)
B-01
7,341
5
B-03
2,068
1,5
B-05
2,780
1,7
B-07
15,728
4
Anexos
Modelo
Bomba centrífuga de
la casa Johnson.
CombiPro
n=1.500 rpm
Bomba centrífuga de
la casa Johnson.
CombiPro Monobloc
n=1.000 rpm
Bomba centrífuga de
la casa Johnson.
CombiPro Monobloc
n=1.000 rpm
Bomba centrífuga para
servicio industrial de la
casa Chempump.
n=1.450 rpm
Página 289
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
ANEXO 8: Tablas y gráficas.
Figura A. 1: Gráfica de Moody.
(Rase H.F., 2.000).
Anexos
Página 290
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla A. I:
Selección de materiales.
(Megsey, E.F., 2001)
TORNILLERIA
TUBERIA
BRIDAS
Y ACC.
PLACA
PROPIEDADES DE LOS MATERIALES
Acero al carbono y de bajo contenido en elementos de aleación*
Composición
Especificación
Forma
Aplicación
Nominal
Número
Grado
Calidad estructural.
Puede usarse con
C
SA-283
C
limitaciones para
recipientes a presión.
Calderas para servicio
C
SA-285
C
estacionario y otros
recipientes a presión
C-Si
SA-515
55
Principalmente para
C-Si
SA-515
60
servicio a temperatura
C-Si
SA-515
65
media y alta
C-Si
SA-515
70
C-Si
SA-516
55
Para servicio a
C-Si
SA-516
60
temperaturas
C-Mn-Si
SA-516
65
moderadas y baja.
C-Mn-Si
SA-516
70
C-Mn-Si
C-Si
C-Mn
C-Mn-Si
SA-105
SA-181
C-Mn
C-Mn
1 Cr-1/5 Mo
I
LF1
LF2
Servicio a alta temperatura
Para servicio general
Servicio a baja
temperatura
SA-53
B
Servicio general
SA-106
B
Servicio a alta temperatura
SA-350
SA-193
B7
SA-194
2H
SA-307
B
Servicio a alta
temperatura; tornillos
pasantes de 2 ½ pulgadas
de diámetro o menos
Para tuercas para servicio
a alta temperatura
Tornillo de máquinas para
uso general
* Datos de los materiales de uso más frecuente tomados de las normas
ASME, secciones I y VIII
Anexos
Página 291
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla A. II:
Relación de diámetros comerciales de recipientes
de pequeña y mediana capacidad.
(Megsey, E.F., 2001).
Diámetro
(in)
Diámetro Diámetro
(m)
(in)
Diámetro
(m)
12
0,305
48
1,219
14
0,356
54
1,372
16
0,406
60
1,524
18
0,457
66
1,676
20
0,508
72
1,829
22
0,559
78
1,981
24
0,610
84
2,134
26
0,660
90
2,286
28
0,711
96
2,438
30
0,762
102
2,591
32
0,813
108
2,743
34
0,914
114
2,896
36
0,965
120
3,048
38
1,016
126
3,200
40
1,016
132
3,353
42
1,067
138
3,505
Tabla A. III:
Vida media de los equipos.
(Aries y Newton 1.998).
Aparato
Calderas vapor
Edificio hormigón
Edificio ladrillo y acero
Motores eléctricos
Transformadores
Bombas
Columnas
Compresores
Condesadores y evaporadores
Depósitos
Anexos
Vida
(años)
25
50
33
14
15
20
8
20
17
10
Aparato
Digestores
Espesadores
Filtros prensa
Hornos eléctricos
Horno de gas
Molinos
Refrigerantes
Secadores
Tamizadoras
Tuberias
Vida
(años)
10
5
17
20
8
12
17
25
12
15
Página 292
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla A. IV:
Máxima tensión admisible
(Código ASME Sección II).
Tabla A. V:
Espesores de lana de roca
(Especificaciones CEPSA).
TEMPERATURA DE OPERACIÓN
(ºC)
65-75
75-160
160-180
180-310
310-450
450-650
650-750
Anexos
ESPESOR
(mm)
40
50
60
80
120
150
180
Página 293
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla A. VI:
Espesores de placas comerciales.
(Megsey, 2.000)
Espesor
Espesor
Espesor
Espesor
Espesor
Espesor
(in)
(mm)
(in)
(mm)
(in)
(mm)
1/16
1,6
9/16
14,3
1 1/16
27,0
3/32
2,4
5/8
15,9
1 1/8
28,6
3/16
4,8
11/16
17,5
1 3/16
30,2
1/4
6,4
3/4
19,1
1 1/4
31,8
5/16
7,9
13/16
20,6
1 5/16
33,3
3/8
9,5
7/8
22,2
1 3/8
34,9
7/16
11,1
15/16
23,8
1 7/16
36,5
1/2
12,7
1
25,4
1 1/2
38,1
Tabla A. VII:
Relación de tubos.
(Mendía Urquiola, 1.996).
Tabla A. VIII:
Longitud normalizada de los tubos para intercambiadores de calor.
(Normas TEMA).
Longitud
(ft)
8
10
12
16
20
Longitud
(m)
2,438
3,048
3,658
4,877
6,096
Anexos
Página 294
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Figura A. 2: Parámetros correctores E y R
(Mendía Urquiola, 1.996)
Tabla A. IX:
Máxima tensión admisible SA-106.
Anexos
Página 295
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla A. X:
Características normalizadas de los tubos (I).
(Normas ANSI)
Anexos
Página 296
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla A. XI:
Características normalizadas de los tubos (II).
(Normas ANSI).
Anexos
Página 297
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla A. XII:
Características normalizadas de los tubos (III).
(Normas ANSI).
Anexos
Página 298
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla A. XIII:
Características normalizadas de los tubos (IV).
(Normas ANSI).
Anexos
Página 299
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla A. XIV:
Dimensiones normalizadas de tanques.
(Norma API 650).
Anexos
Página 300
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Figura A. 3: Gráfica de Abiakins. (Megsey 2.000).
Anexos
Página 301
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Figura A. 4: Diagrama de la escalerilla.
(Megsey, 2.001).
Anexos
Página 302
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
ANEXO 9: Estudio Económico.
9.1. Ingreso anual neto.
La producción generada es de 61.977 toneladas al año, por lo que
asumiendo que el precio de venta del tolueno es de 592 €·t -1, por lo que
se producirá un ingreso de 36.690.384 €/año.
Como producto secundario se obtiene una corriente rica en bifenilo
(corriente de colas), la cual es susceptible de venderse, generando unos
beneficios de 3.148.077,57 € al año.
Por lo que el ingreso anual neto equivale a:
𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜 𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑛𝑒𝑡𝑜 = 39.838.461,57
€
𝑎ñ𝑜
9.2. Beneficio bruto.
Será la diferencia entre el beneficio bruto anual y el coste neto
anual.
Por lo que el beneficio bruto será de:
𝑅 = 𝐼𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜 𝑛𝑒𝑡𝑜 − 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑒 𝑁𝑒𝑡𝑜
𝑅 = 39.838.461,57 − 763.309,432 = 39.075.153
€
𝑎ñ𝑜
9.3. Amortización.
Es la relación entre el capital fijo invertido (presupuesto de
ejecución por contrata) y el beneficio bruto.
Anexos
Página 303
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝐴𝑚𝑜𝑟𝑡𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖ó𝑛 =
4.251.436
= 0,109 𝐴Ñ𝑂𝑆
39.075.153
Pasado este periodo, tanto el beneficio como la rentabilidad han
de aumentar.
9.4. Beneficio neto anual.
Depende del beneficio bruto anual, se calcula a través de:
𝑃 = 𝑅 − 𝑒 · 𝐼𝑓 − 𝑅 − 𝑑 · 𝐼𝑓 · 𝑡
[𝐴. 9.1. ]
Donde:
R: Es el beneficio bruto anual.
e: Es el factor de amortización expresado en €·año-1.
IF: Es el valor del capital inmovilizado. Corresponde al presupuesto
de ejecución por material calculado en el Documento 4:
Presupuesto. Toma un valor de 4.251.436 €.
d: Factor anual de pérdida de inmovilizado. Toma un valor
bibliográfico de 0,1 €·€año-1.
t: Término de impuestos en € por recibo. Se consideran 0,35 € por
€ recibido.
9.4.1. Factor de amortización.
Para una amortización no lineal se obtiene a partir de la expresión
[A.9.2].
Anexos
Página 304
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
𝑒=
𝑖
exp 𝑖 · 𝑛 − 1
[𝐴. 9.2. ]
Donde:
i: Rentabilidad promedio. Toma el valor de 0,11 €·año -1.
n: Vida esperada para el proyecto. La vida media de una planta es
45 años, pero en ese tiempo el proyecto puede sufrir modificaciones, por
lo que un dato aceptable de vida para el proyecto son 5 años.
Por lo que sustituyendo se llega a un valor de amortización de 0,2
€ por cada € obtenido.
9.4.2. Beneficio neto.
Sustituyendo en [A.9.2] se llega a un beneficio neto de:
𝑃 = 24.909.864,5 €
9.5. Rentabilidad.
Es la relación entre el capital fijo invertido y el beneficio neto
obtenido.
%𝑟𝑒𝑛𝑡𝑎𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 =
4.251.436
· 100 = 17%
24.909.864,5
Este dato de rentabilidad está por encima del considerado como
aceptable (15%) para este tipo de plantas.
Anexos
Página 305
DOCUMENTO 1:
Anexos a la memoria:
Catálogos
CombiPro
Heavy duty process pump
according to API 610, API 682, API 685
The reliable Pro!
CombiPro is a series of horizontal centreline supported centrifugal pumps.
The design of CombiPro is based on the American Petroleum Institute standard
“Centrifugal Pumps For General Refinery Services”, also known as API 610.
Satisfying this standard, the CombiPro meets the high level performance requested
by refineries and petrochemical industries.
The CombiPro is part of the CombiSystem,
a modular concept of single stage end-top
centrifugal pump families, all sharing the same
basic hydraulic design with a high degree of
interchangeability between parts and subassemblies.
The seal chamber is designed to fit all types
of seals, especially API 682 cartridge seals. The
multifunctional pump cover and the integrated
design of pump, base plate and accessories
enable the use of standard constructions for all
API 682 seal plans.
For seal less applications the CombiPro
can be equipped with a magnetic coupling in
accordance with API 685
Each CombiPro pump is mounted on a
sturdy welded steel base plate with reinforced
pedestals and bracket support, conforming to
API 610. This reliable rigid construction extends
the duty life of bearings and seal and enables
trouble-free operation under severe process
conditions.
CombiPro
Typical characteristics
• Designed according to the latest
requirements of API 610
• Suitable for all common API 682
cartridge seal makes
• Seal less design option in accordance
with API 685
• Fully integrated design of pump, motor,
base plate and accessories
• All pumps come with specially
designed rigid base plates in
accordance with API 610
• Computer aided design of geometry of
all hydraulic parts
• Outstanding hydraulic performance,
verified by actual test results
• Most suitable centreline mounted,
end-suction pump for chemicals and
hydrocarbon duties
Trouble-free operation
under every process condition!
Process Industry
The CombiPro is Johnson Pump’s process pump for refineries and (petro) chemical industries. Its
sturdy construction, its specially designed ‘tailor-made’ base plate and its versatility to fit a great
number of seals or magnetic coupling enable trouble-free operation under every process condition,
resulting in long Mean Time Between Failure and low cost of ownership.
Features and benefits
Hydraulic performance
• implementation of the latest
hydraulic research results
• improved NPSH
• excellent over-all hydraulic
performance
Shaft sealing
• standardised seal chamber design to fit all
recognised API 682 seal configurations
• welded and flanged seal plan connections
• seal less design with magnetic coupling
• all standardised seal chamber designs avaliable as
full cartridge seal
Flanges
• according to ANSI B16.5,
300 lbs RF, 150 lbs RF
• stock finish, smooth finish
Pump casing
• centreline supported
• end suction type
• available with integrated
cooling or heating chamber
• welded and flanged drain
connection
Two impeller types
• closed impeller
• half open
• dynamically balanced
• clearances according to API 610
• suitable for liquids with solids
• easy to clean when pumping
sticky liquids
• fully interchangeable
Impeller cap nut
• positively locked with stainless
steel set screw
• in accordance with API 610
Wear rings
• one in pump casing, one on
impeller
• secured against co-rotation
by means of stainless steel
set screws
• replaceable
• extending pump life
Pressure parts
• designed with a corrosion
allowance of at least 3 mm
• guaranteeing an adequate
duty life for every application
Base plate
• all CombiPro pumps are assembled
as complete units on a sturdy API 610
designed base plate.
• integrated welded and fabricated
drain pan design with flanged drain
connection, in stainless steel optional
• the strong modular concept of the
design enables the optimum base plate
configuration for each pump/motor
combination to be selected by computer
and assembled from standardised
components.
Casing gasket
• spiral wound
• metal to metal fit
• burst proof
• cannot be overstretched
Bearing bracket
• robust design
• optional oil-cooling cover
• large openings
• dimpled locations for
accurate vibration
measurements
• longer bearing life
• maintaining optimum service
temperature of the lube oil
• excellent accessibility of the
seal environment
Bearing
• oil lubricated bearing
construction
• roller bearing at pump end
• double row angular contact
ball bearing at drive end
• providing bearing life of over
25,000 hours
• retaining radial forces
• providing axial thrust
Coupling guard
• non-sparking design
• meets all safety requirements for
rotating equipment
• all rotating parts between bearing
bracket and motor are fully
protected
Pump shaft
• robust design
• minimal shaft deflection
• deflection less than 0.05 mm at
the seal face
• extending duty life of seal and
bearings
Bearing bracket support
• reinforced construction
• minimised shaft misalignment
• ensures optimal rigidity of the
entire pump construction
• extending duty life of seal and
bearings
Impellers
The CombiPro is provided with 2 different types of impellers:
Closed impeller
Provided with back vanes to ensure a good circulation of flushing liquid
and to minimise the risk of pollution of the shaft sealing environment.
Renewable wear ring at suction side. Clearances between impeller and
pump casing in accordance with API.
Half-open impeller
Consisting of a shaped front wear plate mounted in the pump casing
and a front plate-less impeller running against the wear plate with narrow
clearance. Easy to clean if the pumped liquid sticks to the internal of the
impeller.
Shaft sealing
• Standardised design to fit all recognised API 682 seal configurations:
– single seal construction
– dual seal construction (unpressurised and pressurised)
• In all common API conform constructions:
– pusher type
– with bellows
– with bellows, high temperature (>200°C)
Lubrication
• All of them available as full cartridge seals in a large variety of materials,
including optional heated seal chambers
• Seal less design in accordance with API 685
• A constant level oiler with cage
protected sight glass ensures optimal
lubrication conditions.
• Bull’s-eye sight glass with oil level
indication allows permanent visual
control of oil level and condition.
• Breather with micro-filter equalizes
pressure differences inside the
bearing bracket, but prevents water
from entering into the bearing bracket.
• Provisions are made to mount an
optional cooling chamber to the
bearing bracket to maintain the
optimum service temperature of the
lubricating oil.
API Material combinations
S-1 Carbon steel with cast iron impeller
A-8 Stainless steel 316 with stainless steel 316 impeller
S-6 Carbon steel with 12% chrome impeller
D-1 22% Duplex with 22% duplex impeller
S-8 Carbon steel with stainless steel 316 impeller
D-2 25% Super duplex with 25% super duplex impeller
C-6 12% Chrome with 12% chrome impeller
Other material combinations as specified by customer demand
Technical data
Max. working pressure
Max. capacity
Max. head
Max. speed
Max. viscosity
Max. temperature
35 bar (3500 kPa)
350 m3/h
160 m
3600 rpm
300 mm2/s
-30°C to +350°C
Hydraulic performance data
100B-400
100B-315
100B-315
50A-315
40A-250
40A-250
100A-250
100B-250
100B-250
40A-200
40A-200
40A-160
40A-160
40A-125
40A-125
n =1500 rpm
n =3000 rpm
100B-400
100B-315
100A-250
100B-250
100A-160
n =1800 rpm
n = 3600 rpm
Subject to alterations
Your local contact:
SPX Process Equipment NL B.V.
Dr A.F. Philipsweg 51, P.O. Box 9
NL-9400 AA Assen, NETHERLANDS
Phone: +31 (0)592 37 67 67. Fax: +31 (0)592 37 67 60
E-Mail: [email protected]
For more information about our worldwide locations, approvals, certifications, and local representatives, please visit
www.johnson-pump.com and www.spxpe.com.
SPX Corporation reserves the right to incorporate our latest design and material changes without notice or obligation.
Design features, materials of construction and dimensional data, as described in this bulletin, are provided for your information only and
should not be relied upon unless confirmed in writing.
Issued: 05/2008
JP-CR-EN
Copyright © 2008 SPX Corporation
Chempump
G Series
Canned Motor Pumps
G SERIES
Exceptional Fugitive Emissions Containment
Chempump introduced the first hermetically sealed pump and motor
design over 50 years ago, and we’ve been improving it ever since.
That’s why “Specify Chempump” has become an industry standard
for sealless canned motor pumps.
The G SERIES centrifugal pump is designed as a single sealless
unit that has no stuffing box, no seals, no packing. Pumped fluids
cannot leak out or be contaminated by in-leakage. No special
tools, foundation, leveling or alignment are required for installation.
Choose from more than 100 models in 30 sizes from 1 to 125 HP,
capacities to 2,000 GPM and fluid temperatures of -400ºF to +1,000ºF.
Standard Features
Automatic
Thrust Balance
Rotation
Indicator
Automatic Thrust Balance
Built-In Thermal Cut-Out
An automatic thrust balance feature
equalizes hydraulic pressures
across the rotor and impeller,
thereby eliminating axial thrust.
Motors are protected against
excessive heat by a built-in thermal
cut-out, which must be wired into
the electrical power-source. If the
motor windings reach a pre-set
temperature limit, the pump will
automatically shut down before
permanent damage can occur.
Precision Front
and Rear Bearings
Manufactured to extremely close
tolerances, Chempump bearings
ensure longer life and maintenancefree operation. Bearings can be
supplied in materials to suit virtually
any pumped fluid.
Oil-Filled Stator Cavity
The stator winding cavity can be
filled with a dielectric oil, to greatly
improve the rate of heat dissipation
from the motor windings and to
protect against condensation
damage. This, combined with a
high grade of insulation, results in a
motor life expectancy that exceeds
NEMA standards by a wide margin.
Compact Size
Direction of
Rotation Indicator
The direction of rotation indicator is a
compact addition to the electrical
junction box that illuminates to verify
correct direction of rotation.
Replaceable Thrust Surfaces
All G SERIES pumps are fitted with
easily replaceable thrust surfaces to
prevent damage from axial thrust
during system upsets.
Chempump
Canned Motor Pumps
Leak Proof Junction Box
Rotation Indicator
Circulation Tube
Rotor
MotorWindings
Bearings
Circulation
Filter
Stator Cavity
(oil-filled,dry or
solid-filled)
Thrust
Surfaces
Impeller
Bearings
Operation
The G SERIES pump has only one moving part – a combined rotor and impeller assembly that is driven by
an induction motor.
A small portion of the pumped fluid is allowed to circulate through the motor section, cooling the motor and
lubricating and cooling the bearings. The circulating fluid passes through a self-cleaning filter (fitted in the
discharge neck of the pump casing) through the circulation tube to the rear of the pump. It then flows into the
rotor cavity (where it is isolated from the motor windings by a corrosion resistant, non-magnetic alloy liner),
across the bearings, and back into the main flow.
The discharge filter contributes to extended motor and bearing life by keeping the circulating fluid free of
damaging particles. This filter is self-cleaning because it is open at the top and bottom and is constantly
washed by the discharge flow.
G SERIES PUMPS
1-5 HP Models for Fluid Temperatures up to 400ºF
An industry standard for low HP applications, Chempump’s GA, GB, GC and GVBS models provide
single-stage pumping at heads up to 180 feet. The G SERIES design is also available as a
regenerative turbine pump designed for high-head, low-flow applications.
5-125 HP Models for Fluid Temperatures up to 400ºF
G SERIES pumps are available in single-stage, end-suction and two-stage designs built specifically for
pumping at heads up to 700 feet. In the two-stage design, axial thrust is balanced by identical opposing
impellers and radial thrust by opposing discharge flows.
Special Application Engineering
Submerged Service Pumps
Submerged
Service
G SERIES submerged service pumps
offer many advantages over conventional pumps when used in sumps in
the nuclear and chemical processing
industries. Modification for submerged service is simple and
economical.
Nuclear Service Pumps
Nuclear Service
Chempump’s experience in nuclear
service pumps dates back to the early
1950’s. G SERIES nuclear service
pumps can be provided with the
A.S.M.E. “N” stamp, Class 1, 2, and 3,
and are qualified for IEEE 323 service.
Seismic qualification is available to
meet all requirements for nuclear
energy applications.
Slurry Service
For fluids with suspended solids, G
SERIES slurry service pumps feature
Motor Drives
a closure seal design that prevents
process fluid (which contains solid
particles) from entering the motor
section. As an alternative method,
Chempump offers an external
circulation line filter for effective
handling of fluid containing
suspended solids.
Lethal Fluid Service
Chempump can provide pumps built
to paragraph UW-2 of section VIII of
the A.S.M.E. code.
Custom-designed pumps are also
available.
Canned Motor Drives
G SERIES canned motor drives are
used principally in agitators, mixers
and similar applications that require a
sealless motor. The rotor shaft is
extended beyond the motor section to
accomodate agitator blades.
HIGH-TEMPERATURE PUMPS
1-125 HP Models for Fluid Temperatures up to 1000ºF
GT and GH SERIES pumps are ideally suited for sealless handling of high-temperature fluids. Model
GT requies cooling water. Model GH operates at temperatures up to 650ºF without cooling water.
GT SERIES
GH SERIES
GT SERIES
GH SERIES
G SERIES OPTIONAL FEATURES
Bearing Wear Detector
Bearing Wear Detector
• Inexpensive addition to new
pumps or simple retrofit to
existing units
• Indicates when bearings require
replacement
• Helps prevent system downtime
caused by pump malfunction
• Adaptable for remote control
operation
• U.L. listed
Leakproof Junction Box
• Designed to prevent system fluid
from leaking into the electrical
conduit line in the event of a
malfunction
• U.L. listed
• Simple retrofit to existing pumps
Hardened Rotor Journals
Leakproof
Junction Box
• Corrosion-resistant, wearresistant
• Can extend useful life to many
times that of other journals
Pressurized Circulation
System
Hardened
Rotor Journals
• Self-contained
• Improves pump’s ability to handle
liquids at or near their boiling
(vapor pressure) points
• Handles such liquids as
ammonia, refrigerants,
fluorocarbons and
chlorinated hydrocarbons
Inducers
Pressurized
Circulation
UL-Listed ExplosionProof Design
• Meets UL requirements for
explosion-proof operation
• Can be furnished with Class 1,
Group D, Div. 1 or Class 1,
Groups C and D, Div. 1
certification
High-Temperature
Motor Insulation
• Chempump uses motor insulation
capable of withstanding fluid
temperatures of up to 650ºF
without cooling jackets or heat
exchangers. This feature can be
provided for any G SERIES pump
• GT SERIES models can be
retrofitted with high-temperature
insulation to eliminate cooling
water requirements
Dry/Solid Filled Motor
• All Chempump motors are
capable of operating without oil
in the stator cavity
• Used where system
contamination control or absolute
secondary containment is critical
Temperature Sensors
• Highly sensitive temperature
monitoring of fluid in the rotor
cavity
• Provides shutdown in the event
of abnormal temperature rise
• Can be used with any
temperature indication device
• Developed to improve required
net positive suction head (NPSH)
• Installs easily to simplify field
retrofit
Heat Exchangers
• Simple retrofit to existing pumps
• Simple retrofit to existing pumps
Back Flush
Water Jackets
• Used where solids are present in
the pumped fluid or where fluid
viscosities are high
• Prevents solid particles from
reaching the bearings
• For applications that require
heating or cooling of fluids before
the fluid enters the rotor chamber
• Provide additional motor cooling
or heating when handling fluids at
controlled temperatures
• Simple retrofit to existing pumps
Hydraulic Coverage
The composite performance curve
above gives approximate flow rates
and total dynamic heads for
G SERIES* models, based on
20ºC water at sea level. Individual,
detailed peformance curves are
available on our website:
www.chempump.com.
*Also applicable to GT and GH SERIES pumps.
Support Services
959 Mearns Road
Bulletin G Series Rev. 5
Warminster, PA
18974
Chempump gives you much more
than the most reliable pumps available. We offer an unprecedented
record of application and engineering experience, and a commitment
to providing the best aftermarket
service in the business.
Materials
Our regular pump seminars and
training programs ensure that you
get the greatest value out of your
pumps. Our factory service centers
are strategically located throughout
the country for fast turnaround of
your service requests.
2-Year Warranty
Phone: 215-343-6000
Fax; 267-486-1037
Steel, 316 Stainless Steel and
Carpenter 20 are standard
materials of construction. Also
available are Monel, Hastelloy B or
C, and other materials, as needed.
Based on an unprecedented
application history of over 50
years, Chempump offers a 2-year
warranty.
Website:www.chempump.com
E-mail: [email protected]
Printed in USA 8/04
DOCUMENTO 2:
Planos.
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
ÍNDICE DE PLANOS.
1. PLANO 1: Columna de rectificación (T-01).
2. PLANO 2: Intercambiador de calor de la línea de alimentación
(IC-01).
3. PLANO 3: Intercambiador de calor de la línea de colas (IC-02).
4. PLANO 4: Condensador de la parte superior de la columna de
rectificación (CD-01).
5. PLANO 5: Aerorrefrigerante (AR-01) de la línea de cabezas.
6. PLANO 6: Aerorrefrigerante (AR-02) de la línea de cabezas.
7. PLANO 7: Aerorrefrigerante (AR-03) de la línea de cabezas.
8. PLANO 8: Aerorrefrigerante (AR-04) de la línea de cabezas.
9. PLANO 9: Reboiler de la parte inferior de la columna de
rectificación (RB-01).
10. PLANO 10: Parque de almacenamiento de la alimentación a la
columna (TA-01).
11. PLANO 11: Parque de almacenamiento del producto de cabeza
(TA-02).
12. PLANO 12: Parque de almacenamiento del producto de colas
(TA-03).
.
Planos.
Página 1
DOCUMENTO 3:
Pliego de
condiciones.
ÍNDICE.
CAPÍTULO 1: Descripción del proceso. ....................................... 7
1.1
Objeto del pliego de condiciones. .................................... 7
1.2
Objeto del proyecto.......................................................... 7
1.3
Emplazamiento. ............................................................... 7
1.4
Documentos del proyecto que definen las obras. ............ 8
1.5 Normas, reglamentos y ordenanzas para los materiales y
obras. ....................................................................................... 8
1.5.1 Normas de edificación. .............................................. 9
1.5.2 Normas UNE. .......................................................... 10
1.5.3 Normas ISO. ............................................................ 11
CAPÍTULO 2: Condiciones Generales. ...................................... 12
2.1. Condiciones generales facultativas. ............................... 12
2.1.1. Disposiciones generales. ......................................... 12
2.1.3. Interpretación técnica............................................... 13
2.1.4. Obligaciones y Derechos del contratista. ................. 14
2.1.5. Facultades en la dirección de obra. ......................... 16
2.1.6. Libro de órdenes. ..................................................... 17
2.1.7. Replanteo. ............................................................... 17
2.1.11. Significado de los ensayos ..................................... 20
2.1.12.- Puesta a punto y pruebas de funcionamiento ........ 20
2.1.13.- Control de Calidad y Ensayo ................................. 21
2.1.14. Partidas de alzada ................................................. 21
2.1.15. Recepción provisional de las Obras. ....................... 22
2.1.16. Periodo de garantías.............................................. 23
2.1.17. Recepción definitiva ............................................... 24
2.1.18. Documento final de la Obra ................................... 24
2.2. Condiciones Generales Económicas .............................. 24
2.2.1. Fianzas ..................................................................... 25
2.2.2. Composición de precios unitarios ............................ 25
2.2.3. Precios contradictorios ............................................. 27
2.2.4. Mejoras y modificaciones.......................................... 27
2.2.5. Revisión de Precios .................................................. 28
2.2.6. Valoración, medición y abonos de los trabajos. ....... 29
2.2.7. Penalizaciones.......................................................... 29
2.2.8. Seguros y conservación de la Obra ......................... 30
2.2.9. Condiciones de pago ............................................... 31
2.3. Condiciones Generales Legales..................................... 32
2.3.1. Disposiciones Legales. ............................................ 32
2.3.2. Contratista ............................................................... 33
2.3.3. Contrato ................................................................... 33
2.3.4. Adjudicación ............................................................ 34
2.3.5. Arbitrajes y Jurisdicción competente. ...................... 35
2.3.6. Responsabilidades del Contratista ........................... 35
2.3.7. Subcontratas............................................................ 37
2.3.8. Accidentes de trabajo .............................................. 37
2.3.9. Rescisión de Contrato ............................................. 39
CAPÍTULO 3: Condiciones particulares. .................................... 43
3.1.
Disposicones de Carácter Particular .......................... 43
3.2. Condiciones de Materiales, Equipos y Maquinaria ........ 43
3.2.1. Materiales de Construcción ..................................... 43
3.2.2. Materiales para la fabricación de equipos ................ 44
3.2.3. Equipos .................................................................... 50
3.2.4. Máquinaria ............................................................... 50
3.2.
Condiciones de Ejecución .......................................... 51
3.3.1. Movimientos de Tierra ............................................. 51
3.3.2. Obras de Saneamiento ............................................... 51
3.3.3. Cimentaciones ......................................................... 52
3.3.4. Estructuras metálicas............................................... 52
3.3.5. Albañilería ................................................................ 52
3.3.6. Cerrajería y Carpintería. .......................................... 52
3.3.7. Cubierta de edificios ................................................ 52
3.3.8. Fontanería ............................................................... 53
3.3.9. Instalaciones eléctricas ............................................ 53
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
CAPÍTULO 1: Descripción del proceso.
1.1 Objeto del pliego de condiciones.
El presente pliego tiene por objeto la ordenación, con carácter
general, de las condiciones facultativas y económicas que han de regir en
los concursos y contratos destinados a la ejecución de los trabajos de
obra civil, siempre que expresamente se haga mención de este pliego en
los particulares de cada una de las obras.
En este último supuesto, se entiende en Contratista Adjudicatario
de la obra se compromete a aceptar íntegramente todas y cada una de
las cláusulas del presente Pliego General, a excepción de aquellas que
expresamente queden anuladas o modificadas en el Pliego Particular de
Condiciones de cada una de las obras
1.2 Objeto del proyecto.
El objeto del presente Proyecto Fin de Carrera se centra en el
diseño de una unidad de separación para obtener una corriente de
tolueno purificada a partir de una mezcla de tolueno, benceno y bifenilo.
Esta unidad se emplaza en la Refinería de Gibraltar-San Roque situada
en el término municipal de San Roque en la provincia de Cádiz.
Se pretende conseguir una producción de 70.750 kg·h -1 de tolueno
con una pureza de 99,5%.
1.3 Emplazamiento.
Ésta situada en el campo de Gibraltar de la provincia de Cádiz,
más concretamente integrada dentro de la Refinería de Gribaltar-San
Roque del grupo CEPSA.
Pliego de condiciones.
Página 7
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
1.4 Documentos del proyecto que definen las obras.
Los documentos que definen las obras y que la propiedad entrega
al contratista pueden ser de carácter contractual o meramente
informativo. Se entiende por documentos contractuales aquellos que
estén incorporados en el contrato y que sean de obligado cumplimiento,
excepto modificaciones debidamente autorizadas.
El presente Proyecto consta de los siguientes documentos:




Documento n°1: Memoria.
Documento n°2: Planos.
Documento n°3: Pliego de Condiciones.
Documento n°4: Presupuesto.
Son documentos contractuales los Planos, el Pliego de
Condiciones y el Presupuesto recogidos en el presente proyecto. Los
datos incluidos en la Memoria y Anexos, tienen carácter meramente
informativo.
1.5 Normas, reglamentos y ordenanzas para los materiales y
obras.
El Pliego de Condiciones prevalecerá sobre el contenido de las
siguientes disposiciones. Las disposiciones de carácter particular de
ámbito técnico son:
 Real Decreto 919/2006, 28 de Julio, por el que se aprueba el
Reglamento Técnico de distribución y utilización de combustibles
gaseosos y sus instrucciones técnicas complementarias IDG 01 A
11. Orden FOM/891/2004, de 1 de Marzo, por la que se actualizan
determinados artículos de Pliego de Prescripciones Técnicas
generales para obras de carreteras y puentes, relativos a firmes y
pavimentos.
 Real Decreto 1797/2003, de 26 de Diciembre, por el que se
aprueba la instrucción para la recepción de cementos (RC-03).
Pliego de condiciones.
Página 8
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
 Orden FOM/475/2002, de 13 de Febrero por la que se actualizan
determinados artículos del Pliego de Preinscripciones Técnicas
Generales para obra de carreteras y puentes relativos a
hormigones y aceros.
 Real Decreto 2267/2004, de 3 de Diciembre, por el que se aprueba
el Reglamento de Seguridad contra incendios en los
establecimientos industriales.
 Real Decreto 315/2006, de 17 de Marzo (Ref. 2006/5516), sobre la
creación del Consejo sobre la Sostenibilidad, Innovación y Calidad
de Edificación.
 Real Decreto, de 10 de Marzo, sobre la protección de la salud y la
seguridad de los trabajadores contra los riesgos relacionados con
la exposición al ruido.
 Ley 6/ 2001, 8 de Mayo, de modificación del Real Decreto
Legislativo 1302/1986, de 28 de Junio, de Evaluación del Impacto
Ambiental.
 Real Decreto 1124/2000, de 16 de Junio, por el que se modifica el
Real Decreto 665/1992, de 12 de Mayo, sobre la protección de los
trabajadores contra los riesgos relacionados con la exposición a
agentes cancerígenos durante el trabajo (B.O.E. núm. 145 de 17
de Junio de 2000).
 Real Decreto 1299/2006, de 10 de noviembre, por el que se
aprueba el cuadro de enfermedades profesionales en el sistema
de la Seguridad Social y se establecen criterios para su
notificación y registro. BOE núm. 302 de 19 de diciembre.
1.5.1 Normas de edificación.
 Normas básicas de edificación (NBE).
 Normas tecnológicas de Edificación (NTE).
 Relativas a cimentaciones.
Pliego de condiciones.
Página 9
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
 Relativas a estructuras de acero (EA).
 Relativas a instalaciones de electricidad de puesta a tierra
(JET).
 Relativas a instalaciones de electricidad de red exterior (IR).
 Relativas a instalaciones de electricidad de transformadores
(IET).
 Relativas a instalaciones de fontanería de abastecimiento
(IFA).
 Relativas a instalaciones de salubridad de alcantarillado
(ISA).
 Relativas a instalaciones de salubridad de humos y gases
(ISH).
 Relativas a instalaciones de salubridad de depuración y
vertidos (ISD).
 Reglamento del agua.
 Instrucciones EH-91 y EP-80 para el proyecto y la ejecución de





obras de hormigón en masa o armado.
Instrucciones para la fabricación y suministro de hormigón
preparado (EHPRE-72). (OM del 10 de Mayo de 1973).
Reglamento sobre recipientes y aparatos a presión, aprobado por
el Decreto 1244/1979 de 4 de abril.
Pliego de prescripciones técnicas generales para la recepción de
cementos (RC- 93).
Normas I.N.T.A. (Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial
“Esteban Terradas”) de la comisión 17 sobre pinturas, barnices,
etc.
Reglamento de la Línea Eléctrica de Alta tensión. Decreto
3151/68, de 28 de noviembre.
1.5.2 Normas UNE.
Normas UNE (Normativa de la Asociación española de
Normalización) que pueden afectar a los materiales, equipos y unidades
de obra incluidos en el Proyecto.
Pliego de condiciones.
Página 10
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
1.5.3 Normas ISO.
Normas ISO (Organización Internacional de Normalización) que
pueden afectar a los materiales, equipos y unidades de obra incluidos en
el Proyecto.
Pliego de condiciones.
Página 11
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
CAPÍTULO 2: Condiciones Generales.
2.1. Condiciones generales facultativas.
2.1.1. Disposiciones generales.
Se establecen las siguientes disposiciones generales:




Reglamento de contratación de competencias locales.
Ley, Reglamento y Pliego de contrataciones del Estado.
Pliego de Cláusulas económico-administrativas particulares.
Ley de contrato de trabajo y disposiciones vigentes que regulan las
relaciones patrón-obrero.
 Ordenanza Laboral de Seguridad e Higiene en el trabajo, así como
cualquier otra que con carácter general se dicte.
 En caso de contradicción entre estas disposiciones y el presente
Pliego prevalecerá lo contenido en éste.
2.1.2. Términos del pliego de condiciones
El significado de los términos desarrollados en el presente Pliego
es el siguiente:
Propiedad: Los derechos de este Proyecto pertenecen a la
Refinería del grupo Cepsa situada en el Polígono Industrial de San
Roque en el campo de Gibraltar en la provincia de Cádiz.
Dirección de Obra: Está constituida por el Titulado Superior y
Titulado Medio que designa la propiedad en su momento. Tiene la misión
de representar a la Propiedad, defender sus intereses y establecer las
relaciones contractuales con el Contratista adjudicatario de la obra del
Proyecto. Se encarga de que la obra sea una reproducción fidedigna de
lo proyectado y estipulado en este Pliego, así como con su intervención
se garantiza la inspección de materiales, el estado de los equipos, el
perfecto funcionamiento y el apoyo técnico al Contratista.
Pliego de condiciones.
Página 12
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Contratista: Entidad fiscal que contrata con la Propiedad la
ejecución material de toda la obra o una parte de ella. Cuando en el
Pliego se refiere al Contratista, se refiere al Contratista general de la obra
y no a las subcontratas que este haya podido a su vez realizar. No podrá
hacer uso de la documentación del Proyecto para cualquier otro fin
diferente al desarrollo del mismo.
2.1.3. Interpretación técnica.
Corresponde exclusivamente a la Dirección Técnica, la
interpretación del Proyecto y la consiguiente expedición de órdenes
complementarias, gráficas o escritos para el desarrollo del mismo.
La Dirección Técnica podrá ordenar, antes de la ejecución de las
obras, las modificaciones de detalle del Proyecto que crea oportunas
siempre que no altere las líneas generales del de éste, no excedan la
garantía técnica y sean razonablemente aconsejadas por eventualidades
surgidas durante la ejecución de los trabajos o por mejoras que crea
conveniente introducir. Corresponde también a la Dirección Técnica
apreciar las circunstancias en las que, a instancias del Contratista, pueda
proponerse la sustitución de materiales de difícil adquisición por otros de
características similares, aunque de distinta calidad o naturaleza y fijar la
alteración de precios que en tal caso sea razonable.
Las condiciones técnicas que figuran en este Pliego de
Condiciones obligan igualmente en las obras que se realizan por contrata
y las que pudiera decidir la Propiedad durante el régimen de
administración.
El Contratista no podrá alterar ninguna parte del Proyecto ni podrá
hacer uso de los Planos y datos para distintos fines de los de esta obra.
Pliego de condiciones.
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2.1.4. Obligaciones y Derechos del contratista.
La Propiedad entregará al Contratista, libre de todo gasto, tres
copias de todos los planos necesarios para la ejecución del trabajo. En
caso de que el Contratista necesitara más copias, la Propiedad se las
entregará cargándole su coste.
Se considerará que el Contratista ha comprobado el lugar de
construcción y, si hubiera lugar, los planos, especificaciones y listas antes
de presentar su oferta, y que ha quedado conforme con las condiciones
en que habrá que ejecutarse el trabajo, inclusive en lo referente al
alcance, índole o naturaleza del mismo, posibles obstrucciones y
cualquier otra condición de una u otra forma pueda influir en el mismo.
El Contratista deberá conocer las disposiciones laborales, o de
otra índole vigente, que pueden ser de aplicación en la realización del
trabajo; la disponibilidad de mano de obra local, la disponibilidad de
materiales, las condiciones locales de transporte y alojamiento del
personal. No se admitirá ninguna reclamación del mismo por no haber
hecho anteriormente dicha comprobación. El Contratista proporcionará un
número suficiente de operarios competentes y el personal supervisor y
administrativo necesario a fin de cumplir con el programa de
construcción.
Durante todo el periodo de ejecución del trabajo, el Contratista
destacará en la obra un jefe de obra competente y tantos ayudantes
como sean necesarios para controlar o supervisar a todo su personal y
administrar adecuadamente el contrato.
El jefe de obra representará al Contratista y todas las instrucciones
relativas a la realización del trabajo dadas a aquel por escrito obligarán al
Contratista tanto como si se hubiesen dado a él directamente. El
Contratista no podrá cambiar su jefe de obra si no es bajo previa
autorización por escrito de la Propiedad.
El jefe de obra será plenamente responsable de la dirección y
organización del trabajo, como también del manejo y control del personal
del Contratista empleado para la ejecución de la obra, debiendo conocer
detalladamente las condiciones y términos del contrato.
Pliego de condiciones.
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El jefe de obra cuidará de que su personal circule por la línea de
proceso, si esto fuese necesario, según itinerarios marcados por la
Propiedad, no pudiendo seguir otros caminos, ni entrar en unidades
ajenas al trabajo, estén operativas o no.
El Contratista debe cumplir todas las reglamentaciones y órdenes,
aplicables a las prácticas de salarios y empleos y en proceder de acuerdo
con la política de la Propiedad en los asuntos que afecten a las prácticas
locales.
El Contratista mantendrá en condiciones adecuadas las facilidades
temporales relativas a los servicios higiénicos y de resguardo de sus
empleados.
El Contratista proporcionará, de forma continuada en el sitio de la
obra durante la construcción, servicios apropiados de reconocimiento y
primeros auxilios. También se tomarán las precauciones necesarias para
una rápida asistencia médica en el lugar más cercano que proporcione
dichos servicios. El incumplimiento por parte de un empleado de la
empresa Contratista de las reglas y prácticas requeridas por la Propiedad
será justificada suficientemente para su despido.
Los empleados del Contratista deben estar sujetos a identificación
y provistos de los documentos aceptados por la Propiedad para este
efecto. El Contratista mantendrá en el sitio de la obra un expediente
individual de cada persona que regularmente se emplee en la
construcción de la obra. Todos los empleados que visiten la planta deben
seguir las instrucciones relativas a seguridad e identificación, tal como si
estuvieran regularmente empleados en el sitio de la obra. Cualquiera de
los oficiales de seguridad puede, en cualquier momento, solicitar la
identificación apropiada y/o el de empleo de cualquier persona.
La propiedad notificará al Contratista la reglamentación que afecte
a visitas, accesos, entrada de automóviles en el recinto de la obra, pases
especiales y zonas prohibidas de la línea de proceso.
Pliego de condiciones.
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2.1.5. Facultades en la dirección de obra.
La Dirección de Obra es la única capacitada para la interpretación
del Proyecto y para la proposición de órdenes complementarias que
faciliten la ejecución del mismo.
La Dirección de Obra podrá ordenar, antes de la ejecución de las
obras, las modificaciones de detalle del Proyecto que crea oportunas
siempre que no altere las líneas generales de éste, no exceda la garantía
técnica y sean razonables aconsejadas por eventualidades surgidas
durante la ejecución de los trabajos o por mejoras que crea conveniente
introducir.
Todas las alteraciones técnicas o presupuestarias derivadas de
estas posibles modificaciones serán aceptadas por el Contratista.
Cualquier modificación del Proyecto propuesta por el Contratista deberá
ser previamente aprobada por la Dirección de Obra, que la evaluará
antes de su aprobación o desaprobación, aceptando el primero la
resolución adoptada.
Los materiales necesarios para la ejecución de las obras serán
suministrados en su totalidad por el Contratista y deberán ser
reconocidos antes de su puesta en obra por la Dirección de Obra, sin
cuya aprobación no podrán utilizarse en la misma; a tales efectos el
Contratista someterá al examen de la Dirección de Obra, al menos dos
muestras del material que se trate, reservándose éste el derecho a
desechar aquellos que no reúnan las condiciones que, a su juicio, deba
reunir el material a utilizar. Los materiales rechazados serán retirados en
el plazo más breve. Las muestras de los materiales que hayan sido
aceptados serán conservadas juntamente con los certificados de los
análisis y ensayos a efectos de posteriores comparaciones y contrastes.
Si en criterio de la Dirección de Obra, alguna unidad de obra
estuviera defectuosamente ejecutada, el Contratista estará obligado a
demolerla y a ejecutarla nuevamente cuantas veces sean necesarias
hasta que merezca la conformidad de la Dirección de Obra; estos
aumentos de trabajo no le concederán derecho a percibir indemnización
alguna, y ello aún en el caso que las condiciones de mala ejecución de
las obras se hubieren detectado con posterioridad a la recepción
Pliego de condiciones.
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provisional. Tampoco el supuesto de mala ejecución podrá repercutir en
los plazos parciales o en el total de la ejecución de la obra.
2.1.6. Libro de órdenes.
Con objeto de que en todo momento se pueda tener un
conocimiento exacto de la ejecución e incidencias de la obra, existirá en
ella, en todo momento mientras dure su ejecución, el libro de órdenes, en
el que se reflejarán las visitas realizadas por la Dirección de la Obra, las
incidencias surgidas y en general todos aquellos datos que sirvan para
determinar con certeza si el Contratista ha cumplido los plazos y fases de
ejecución previstas para la realización del proyecto. Las anotaciones en
el libro de órdenes darán fe a efectos de determinar eventuales causas
de resolución y demás incidencias del contrato. Cuando el Contratista no
estuviese conforme, podrá alegar en su defensa todas aquellas razones y
circunstancias que avalen su postura, aportando las pruebas que estime
pertinentes.
2.1.7. Replanteo.
La Dirección de Obra procederá al replanteo de las obras en
presencia del Contratista, marcando convenientemente sobre el terreno
todos los puntos de referencia necesarios para su ejecución. De esta
operación se extenderá un acta, por triplicado, o diligencia en el libro de
órdenes, que deberá ser suscrita por la Dirección de Obra, y por la
contrata, dejando constancia de la buena realización del replanteo y su
concordancia con el terreno, o por el contrario, variarlo si es preciso y
redactar un Proyecto reformado. En el primer caso, podrán iniciarse las
obras, mientras que en el segundo se dará conocimiento a la Propiedad.
Ésta, tomará la resolución que proceda y se la comunicará al Contratista,
al objeto de la prórroga del plazo y de la posibilidad de rescisión del
contrato. El Contratista facilitará todos los medios precisos para la
materialización de los replanteos, que serán a su cargo, asumiendo la
responsabilidad del mantenimiento de las señales o datos que se fijen
sobre el terreno para su cálculo.
Pliego de condiciones.
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2.1.8. Ejecución de las Obras.
El Contratista dará comienzo a las obras dentro de los siete días
siguientes a la formalización del contrato, salvo que dicha fecha quedara
expresamente determinada en el mismo. La fecha de comienzo así fijada
contará a efectos de plazos de ejecución y de revisión de precios en el
supuesto de que tal revisión se hubiese pactado.
Junto a su oferta económica, el Contratista presentará un
calendario de los trabajos a ejecutar en el que se precisará el tiempo
necesario para ejecutar la totalidad de la obra y de cada una de sus
correspondientes partes.
El plazo en el que el Contratista se compromete a ejecutar las
obras objeto de este proyecto quedará fijado en el contrato y su
incumplimiento se entenderá como una rescisión unilateral e injustificada
del mismo. A efectos del cómputo de ejecución, la Dirección de Obra
extenderá en el libro de órdenes diligencia haciendo constar el día en que
se inician los trabajos, conforme a lo señalado en el artículo precedente.
Deberían descontarse en dichos plazos los días de parada
debidos a fuerza mayor que impidan el normal desarrollo de los trabajos
siempre que así lo estime conveniente la Dirección de Obra.
Siempre que cualquier parte de la obra se complete, quedando
lista para operar la Propiedad puede tomar posesión de tal servicio para
su utilización. Sin embargo, la posesión u operación de cualquier parte
determinada de la obra no constituirá necesariamente una aceptación por
parte de la Propiedad. El Contratista estará obligado a completar las
partes no terminadas de dichos servicios, haciéndose responsable de
errores u omisiones descubiertas después de la utilización por parte de la
Propiedad, tal como si el citado servicio no hubiese sido puesto en
operación.
El Contratista deberá someter a la aprobación de la Dirección
Técnica antes del comienzo de las obras un programa con
especificaciones de plazos parciales y fechas de terminación de las
distintas unidades de obra, compatibles con el plazo total de ejecución.
Pliego de condiciones.
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Este plan, una vez aprobado por la Propiedad, se incorporará al
Pliego de Condiciones y adquirirá, por tanto, carácter contractual.
La aceptación del plan de obra no implica exención alguna de
responsabilidades para el Contratista en caso de incumplimiento de los
plazos parciales o totales convenidos.
2.1.9. Condiciones generales del suministro de equipos
Los equipos se ajustarán a las condiciones especificadas
desarrolladas para cada uno de ellos en sus correspondientes Hojas de
Especificaciones, siendo los materiales a utilizar en la fabricación del
equipo aprobados por la Dirección Técnica. Los diseños de detalle
referentes al equipo en el transcurso de la obra, serán desarrollados por
el Contratista, y deben ser aprobados por la Dirección técnica
previamente al suministro.
Los materiales utilizados en la fabricación del equipo deben estar
aprobados y definidos por la Dirección técnica, especialmente aquellos
que estén en contacto con el material a inspeccionar.
La adquisición de los equipos deberá ser documentada por el
Contratista tras la instalación del equipo y el perfecto funcionamiento de
éste. La entrega quedará documentada mediante un informe de
recepción firmado por el Contratista y por la Dirección Técnica.
Si durante la instalación o recepción del equipo se define algún
detalle sobre las capacidades del equipo que no estaba definida en el
Proyecto, deberá ser estudiada por el Contratista y la Dirección Técnica,
debiendo introducirse en el Proyecto final las conclusiones de este
estudio y los costes originados cubiertos por la Propiedad.
2.1.10. Contradicciones entre Pliegos y Normas.
El presente Pliego de Condiciones ha sido redactado de acuerdo
con las disposiciones oficiales vigentes. En casos excepcionales se
justifican posibles discrepancias, prevaleciendo lo incluido en el Pliego
sobre cualquier otra disposición.
Pliego de condiciones.
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Las omisiones en planos y Pliego de Condiciones o las
descripciones erróneas de los detalles de la obra que deben ser
subsanados, para que pueda llevarse a cabo en espíritu o intención
expuesto en los planos y el Pliego de Condiciones o que, por uso y
costumbres, deben ser realizados, no solo no exima al Contratista de la
obligación de ejecutar estos detalles u obra omitidos erróneamente sino
que por el contrario, deberán ser ejecutados como si se hubiera
completado y correctamente especificados en los planos y Pliego de
Condiciones.
2.1.11. Significado de los ensayos
Los ensayos durante la ejecución de la obra son meros
antecedentes de la recepción. Estos ensayos no liberan al Contratista
para subsanar, reponer o reparar los equipos e instalaciones que no
pasen el reconocimiento final.
El Contratista estará obligado a facilitar a la Dirección Técnica la
labor de realización de ensayos e inspecciones.
Independientemente de la Dirección Técnica de las obras, la
propiedad podrá inspeccionar en cualquier momento la buena marcha de
las obras, así como la adecuación de las mismas a las estipulaciones del
contrato y adoptar cuantas decisiones considere procedentes en garantía
de su correcta ejecución.
2.1.12.- Puesta a punto y pruebas de funcionamiento
Aquellos elementos de la instalación que, por naturaleza y forma
de sus condiciones, no tienen necesidad de poner en servicio al conjunto
de la instalación serán objeto de prueba tan pronto como se hayan
acabado.
Antes de verificar la recepción provisional, se someterán las obras
a pruebas de resistencia, estabilidad e impermeabilidad. De igual modo el
Contratista procederá a la puesta a punto de la instalación, verificándose
pruebas generales de su funcionamiento y efectividad de tratamiento.
Pliego de condiciones.
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Estas pruebas se efectuarán a pleno caudal de la instalación o de
la parte de la misma a la que afecte la prueba. Se comprobará el buen
comportamiento en la totalidad de las instalaciones y mecanismos de la
instalación.
2.1.13.- Control de Calidad y Ensayo
Cuando lo estime oportuno la Dirección de Obra ordenará realizar
las pruebas y ensayos, análisis y extracción de muestras, que sean
necesarias para comprobar que las unidades de obra y sus materiales
componentes están en las condiciones exigibles y cumplen con lo
establecido en este Pliego. Las pruebas y ensayos se harán bajo su
inspección.
El Contratista deberá, por su cuenta, suministrar a los laboratorios
de control de calidad homologados una cantidad suficiente de material a
ensayar, y abonar todos los gastos que estas pruebas generen.
Ninguna parte de la obra será enterrada de manera que sea
inaccesible sin que previamente haya sido inspeccionada y aceptada por
la Propiedad. El Contratista corregirá, a su costa, cualquier obra que a su
juicio de la representación de la Propiedad no haya superado la
inspección o pruebas.
La Propiedad podrá ordenar la discusión, y en este caso el
Contratista estará obligado a dejar al descubierto dicha parte de la obra.
Si se comprueba que tal trabajo está ejecutando de acuerdo con los
documentos del contrato, la Propiedad abonará el costo de las
inspecciones y el de la restitución de la obra al estado en que se
encontraba. En el caso que se compruebe que tal trabajo no está de
acuerdo con los documentos del contrato, el Contratista pagará tales
gastos.
2.1.14. Partidas de alzada
Para la ejecución material de las partidas alzadas deberá
obtenerse la previa aprobación de la Dirección de Obra. A tal efecto,
antes de proceder a la ejecución, se someterá a su consideración el
detalle desglosando del importe de las mismas y si resultase conforme
podrán realizarse.
Pliego de condiciones.
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2.1.15. Recepción provisional de las Obras.
Terminado el periodo de la prueba de funcionamiento con
resultado satisfactorio se procederá a la recepción provisional de la forma
que dispone de la legislación vigente. Para ello deberán haberse
cumplido las condiciones siguientes:
 Resultado satisfactorio de las pruebas realizadas.
 Cumplimiento de todas las obligaciones contenidas en el contrato
o en acuerdos posteriores.
En el acto de recepción estarán presentes: la persona en quien
delegue la Entidad Promotora de las obras, la Dirección de Obra de las
mismas y el Contratista, levantándose acta del mismo. El Acta de
Recepción contendrá necesariamente los siguientes documentos:
 Relación de problemas de funcionamiento pendientes de resolver
si diera el caso.
 Relación de los puntos que deben ser estudiados o vigilados
especialmente durante el periodo de garantía.
 Protocolo de las pruebas de rendimiento y funcionamiento a
realizar durante el periodo de garantía.
En el caso de que las obras no se hallaran en estado de ser
recibidas, se hará constar así en el acta, con medición de las
circunstancias o defectos que lo impidan, dándose las instrucciones
precisas y detalladas por la Dirección de Obra al Contratista a efectos de
subsanar los defectos observados, fijándose plazo para efectuarlo, a
cuyo vencimiento se realizará una nueva inspección para la recepción
provisional de las obras. Si el Contratista no subsanase los defectos
encontrados se producirá la rescisión del contrato, con pérdida de las
retenciones practicadas a no ser que la Propiedad juzgue oportuno
conceder un nuevo e improrrogable plazo.
El plazo de garantía comenzará a contarse a partir de la fecha de
la recepción provisional positiva de la obra.
Pliego de condiciones.
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En la recepción provisional, el Contratista deberá presentar las
autorizaciones de los organismos oficiales para el uso y puesta en
servicio de las instalaciones que así lo requieran, no se realizará la
recepción provisional ni, como es lógico la definitiva, si no se cumple este
requisito.
2.1.16. Periodo de garantías
El Contratista garantiza en general todas las obras que ejecute, así
como los materiales empleados en ellas y su correcta manipulación.
El plazo de garantía será de doce meses, a no ser que se
especifique otro periodo en el Proyecto de detalle, durante el cual el
Contratista corregirá los defectos observados, eliminará y volverá a
ejecutar las obras rechazadas y reparará los desperfectos que se
produzcan, todo ello a su cargo y sin derecho de indemnización alguna.
En caso de que el Contratista no cumpliera con esta obligación, las
reparaciones serán ejecutadas por la Propiedad con cargo a las
retenciones.
Junto con la recepción final de los equipos se entregará una lista
de repuestos, precio y lugares de adquisición recomendados de los
mismos. El Contratista podrá contratar con la Propiedad un contrato de
mantenimiento preventivo o de asistencia en caso de avería, que cubra el
periodo de garantía y el tiempo posterior a éste.
Para poder decidir sobre las cuentas pendientes de resolver o que
surjan durante el periodo de garantía o en la ejecución de pruebas,
incluyendo naturalmente las reparaciones, modificaciones o sustituciones
que se presenten, el Contratista queda obligado a mantener un
representante con capacidad y obligación de firmar las actas que se
vayan levantando.
El Contratista garantiza a la Propiedad contra toda reclamación de
terceras personas que tuvieran su origen en el incumplimiento de sus
obligaciones económicas o de las disposiciones legales relacionadas con
la obra. Una vez aprobada la recepción y liquidación definitiva, la
Propiedad devolverá, en su caso, las cantidades retenidas al Contratista
en las certificaciones.
Pliego de condiciones.
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2.1.17. Recepción definitiva
Dentro del mes siguiente al cumplimiento del plazo de garantía, se
procederá a la recepción definitiva de las obras.
Si las obras se encontrasen en las condiciones debidas, se
procederá a su recepción definitiva, de la que se levantará acta, en virtud
de lo cual el Contratista quedará relevado de toda responsabilidad.
El Acta de Recepción Definitiva de las obras se efectuará después
de terminado el periodo de garantía en la forma que dispone la
legislación vigente. En dicho acta deberán quedar resueltas todas las
cuestiones que en el Acta de Recepción Provisional quedaron pendientes
del funcionamiento durante el periodo de garantía.
2.1.18. Documento final de la Obra
El Contratista entregará a la Dirección de Obra, antes de la
Recepción definitiva, tres ejemplares del documento elaborado como final
de obra. Dicho documento deberá recoger todas las incidencias
acaecidas en la obra desde su inicio hasta su finalización, así como
aquellas modificaciones que durante el transcurso de la misma hayan
tenido lugar. Del mismo modo, quedarán perfectamente reflejadas,
mediante la documentación gráfica correspondiente, la ubicación final de
todas las instalaciones para que, de este modo se facilite cualquier
trabajo de reparación o modificación que resulte necesario llevar a cabo
con posterioridad.
2.2. Condiciones Generales Económicas
Todas las unidades de obra se medirán y abonarán por su
volumen, superficie, longitud y peso. Si el Contratista construye mayor
volumen del que corresponde en los dibujos que figuran en los planos o
en sus reformas autorizadas, no se abonará este exceso, pero si este
resultara perjudicial, a juicio de la Dirección Técnica, se verá obligado a
demolerlo de forma gratuita y a rehacerlo con las dimensiones debidas.
Pliego de condiciones.
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Serán de cuenta del Contratista las obras auxiliares que para la
realización de los trabajos sean necesarios o que la Dirección de Obra
estime imprescindibles, y no tendrá derecho a retribución especial,
considerándose incluidos estos gastos en los precios de la obra.
Serán también de cuenta del Contratista los útiles y herramientas
necesarios para la ejecución de las obras, y los medios auxiliares
reunirán las condiciones de seguridad indispensables para el personal,
siendo el Contratista directamente el responsable de los accidentes o
desperfectos que se pudiera ocasionar.
Las mejoras de obra que voluntariamente efectúe el Contratista en
atención a una calidad superior a la exigida en el Proyecto, o cualquier
modificación que el mismo introdujera sin la conformidad de la Dirección
de Obra por escrito, no serán abonadas. En ningún caso el Contratista
tendrá derecho a reclamación por motivos de insuficiencia de precio o
falta de explicación.
2.2.1. Fianzas
El Contratista prestará fianza que se corresponderá con un
depósito previo, en metálico o valores, o aval bancario, por importe del
5% del precio total de contrata.
La fianza retenida será devuelta al Contratista en un plazo que no
excederá de treinta días, una vez firmada el Acta de Recepción Definitiva
de la obra, siempre y cuando no existan penalizaciones de algún tipo por
incumplimiento de algún apartado del contrato, en cuyo caso se
descontará de la fianza el valor de los mismos devolviendo el resto al
Contratista en ese mismo plazo. La Propiedad podrá exigir que el
Contratista le acredite la liquidación y finiquito de sus deudas causadas
por la ejecución de la obra, tales como salarios, suministros,
subcontratos, etc.
2.2.2. Composición de precios unitarios
Todos los precios unitarios se entienden valorados para cada
partida totalmente terminada y, en el caso de equipos y maquinaria
Pliego de condiciones.
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funcionando, están comprendidos en ella la parte proporcional de costes
de puesta a punto, permisos, boletines, licencias, tasas, suministros para
pruebas, etc.
El cálculo de los precios de las distintas unidades de obra es el
resultado de sumar las siguientes partidas:
 Materiales, expresando las cantidades que en cada unidad de obra
se precisen de cada uno de ellos y su precio unitario respectivo de
origen.
 Mano de obra por categorías dentro de cada oficio, expresando el
número de horas invertidas por cada operario en la ejecución de
cada unidad de obra y los jornales horarios correspondientes.
 Transporte de materiales, desde el punto de origen al pie de la
obra, expresando el precio del transporte de unidades.
 Tanto por ciento de medios auxiliares y de seguridad sobre la
suma de conceptos anteriores en las unidades de obra que se
precisen.
 Tanto por ciento de seguros sociales y cargas vigentes sobre el
costo de la mano de obra, especificando en documento aparte, la
cuantía de cada concepto del seguro o carga.
 Tanto por ciento de gastos generales, sobre la suma de conceptos
anteriores.
 Tanto por ciento de beneficio industrial del contratista, aplicando a
la suma total de los conceptos anteriores.
Se denominará Precio de Ejecución Material (P.E.M.) al resultado
obtenido por la suma de los anteriores conceptos, a excepción del
beneficio industrial.
La suma de todas las cantidades que importan las siete partidas
se entiende que es el precio unitario contratado (Precio de Ejecución por
Contrata).
Pliego de condiciones.
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Todas las partidas que intervienen en el presupuesto tendrán su
precio unitario descompuesto descrito de forma completa, de manera que
queden precisadas y determinada cualitativa y cuantitativamente todas
las características técnicas importantes de cada unidad a ejecutar
(también sus prestaciones en el caso de equipos), y su precio final estará
escrito en letras, expresado en euros con dos decimales.
2.2.3. Precios contradictorios
Si ocurriese algún caso excepcional e imprevisto en el que fuese
necesaria la determinación de precios contradictorios entre la Propiedad
y el Contratista, estos precios deberán aprobarse por la Propiedad a la
vista de la propuesta de la Dirección de Obra y de las observaciones del
Contratista.
Si éste no aceptase los precios aprobados quedará exonerado de
ejecutar las nuevas unidades.
Las unidades de obra con PC, se introducirán al final de las
partidas existentes en cada capítulo, definiéndose expresamente con
dichas siglas y que van aprobadas por la Administración, se entenderán
incorporados a todos los efectos, a los cuadros de precios de proyecto
base del contrato.
2.2.4. Mejoras y modificaciones
Cualquier modificación en las unidades de obra que suponga la
realización de distinto número de aquellas, en más o menos de las
figuradas en el estado de mediciones y presupuesto, deberá ser conocida
y aprobada previamente a su ejecución por la Dirección de Obra,
haciéndose constar en el libro de órdenes tanto la autorización como la
comprobación posterior de su ejecución.
En caso de no obtener esa autorización, el Contratista no tendrá
derecho bajo ningún concepto al abono de las unidades de obra que
hubiese ejecutado de más respecto a las figuradas en el proyecto.
Pliego de condiciones.
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2.2.5. Revisión de Precios
Para poder en un momento dado discernir con la mayor
aproximación acerca de las posibles revisiones de precios que puedan
presentarse durante la obras como consecuencia de un aumento oficial
autorizado, o en el caso de una posible rescisión del contrato, los
contratistas de los distintos gremios presentarán juntamente con su
presupuesto de unidades de obra otra hoja firmada con los siguientes
datos:
 Porcentaje de mano de obra, de materias, de gastos generales y
de beneficio industrial que suponen estos conceptos con relación
al importe total del presupuesto de contrata de cada gremio.
 Los precios de las distintas unidades y su descomposición con el
fin de aclarar más aún cualquier duda que pudiera surgir en el
caso de una liquidación parcial de obra o de revisión de precios.
 Plazo de ejecución de obra contratada.
Las propuestas de los distintos gremios se presentarán en sobre
cerrado por duplicado a la Dirección de Obra.
Para realizar la revisión de precios se usarán los últimos índices
oficiales de revisión de precios que hayan sido aprobados por la
Comisión Delegada de Asuntos Económicos y que hayan sido publicados
en el BOE.
Las fórmulas polinómicas con estructuras de costos en la
actualidad autorizadas y por consiguiente utilizadas en las revisiones de
contratos, son las derivadas del Decreto Ley 2/1964 de 4 de Febrero, por
el que se modifica el 16/1963, de 10 de Octubre, sobre inclusión de
cláusulas de revisión en los contratos de grados y Organismos
Autónomos (BOE 6/2/64).
Las fórmulas actualmente aplicables: de la 1 a la 39 del Decreto
3650/1970 de 19 de Diciembre (B.O.E 29/12/ 70) y de la 40 a la 48 del
Real Decreto 2167/1981 de 20 de agosto (B.O.E de 24/9/81).
Estas 48 fórmulas tipos, sirven para la revisión de 76 clases de
obras, usando las que sean necesarias para cada trabajo.
Pliego de condiciones.
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2.2.6. Valoración, medición y abonos de los trabajos.
Las valoraciones de las unidades de obra que figuren en el
presente Proyecto se efectuarán multiplicando el número de aquellas por
el precio unitario asignado a las mismas en el Presupuesto.
En el precio unitario a que alude el párrafo anterior se considera
incluidos los gastos de transporte de materiales, las indemnizaciones o
pagos que hayan de hacerse por cualquier concepto, así como todo tipo
de impuestos fiscales que graven los materiales, ya sea de origen estatal,
autonómico o municipal, y también las cargas sociales.
Igualmente, serán de cuenta del Contratista los honorarios, las
tasas y demás gravámenes que se originen por inspecciones, aprobación
y comprobación de las instalaciones con que esté dotado el local.
En el precio de cada unidad de obra están comprendidos los
costes de todos los materiales, accesorios y operaciones necesarias para
dejar la obra terminada y en disposición de ser recibida.
2.2.7. Penalizaciones
Si finalizado el plazo de ejecución de las obras, éstas no hubieren
terminado sin motivo justificado por parte de la contrata, se aplicarán los
siguientes recargos a imputar al Contratista desde fecha de finalización
de las obras:
 Por día natural de retraso un 0.1% de la fianza, hasta el día 30.
 A partir del día 31 hasta el día 60 la penalización por día natural de
retraso será de un 0.5% del valor al que ascienda la fianza.
Pasados estos plazos se rescindirá el contrato quedando obligado
el Contratista a responder por daños y perjuicios a esta entidad. De igual
manera se actuará en caso de que se dé incumplimiento del contrato por
parte del Contratista.
Pliego de condiciones.
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2.2.8. Seguros y conservación de la Obra
El Contratista y otros contratistas o subcontratados, empleados en
el área de trabajo, procederán en todo momento en función de los
mejores intereses de la Propiedad y protegerán en toda su capacidad la
propiedad, equipo y herramientas de este último.
El Contratista será considerado como el contratista principal, y
será responsable del trabajo y acciones de todas las otras firmas
contratadas o subcontratadas empleadas por el mismo.
El Contratista notificará inmediatamente a la Propiedad de
cualquier práctica peligrosa por otros contratistas no empleados por ella
misma. En ausencia del representante autorizado de la Propiedad, el
Contratista actuará por criterio propio para prevenir o evitar por parte de
terceras personas cualquier acción que pudiera resultar en perjuicio de la
Propiedad o poner en peligro el personal o la obra.
Durante la ejecución del trabajo, el Contratista será enteramente
responsable de los daños que se pudieran ocasionar en personas o
cosas, a terceros y/o a la Propiedad. El Contratista mantendrá en vigor, y
a su costa, durante el período de construcción y de pruebas, los
siguientes seguros:
 De accidentes de trabajo y demás seguros sociales de su
personal, según la legislación vigente.
 De daños que puedan sufrir las obras provisionales realizadas
durante el periodo de construcción y de pruebas, incluyéndose la
cobertura de riesgos catastróficos.
 Seguro obligatorio de vehículos a motor, propio o contratados que
intervengan en los trabajos de construcción a todo riesgo, con
garantía de responsabilidad civil limitada.
El Contratista se compromete a mostrar a la Propiedad los seguros
que cubren los límites antes citados.
El Contratista exigirá, en nombre de la Propiedad, que formalicen y
mantengan en vigor a su costa durante el periodo de construcción y de
prueba los mismos seguros antes mencionados.
Pliego de condiciones.
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El Contratista mantendrá libre a la Propiedad de todas las
reclamaciones por siniestros indemnizables, sobre la base de riesgos
cubiertos por los seguros indicados, aunque estos no hubieran sido
mantenidos en vigor por el Contratista y/o subcontratados durante el
periodo de construcción y de pruebas. El Contratista acreditará el
cumplimiento de lo establecido en este punto ante la Propiedad y la
Dirección de Obra con antelación al comienzo de las obras.
2.2.9. Condiciones de pago
Los pagos se harán mensualmente por el 100 % del importe de la
certificación aprobada respecto a unidades de obra completadas
correspondiente al mes anterior.
Las cantidades retenidas serán reintegradas por la Propiedad al
Contratista una vez cumplido el plazo de garantía, siempre que no se
haya observado ningún defecto en la ejecución de los trabajos realizados,
mala calidad de los materiales utilizados y se haya firmado el acta de
recepción definitiva.
Las certificaciones se presentarán mensualmente a la
representación de la Propiedad por triplicado y en forma aceptable por la
misma. En cada certificación constará por separado el importe de los
trabajos realizados. Las certificaciones reflejan el total acumulado del
trabajo realizado hasta finales del mes anterior y se presentarán a la
representación de la Propiedad en los primeros diez días de cada mes
para la comprobación de las mismas.
Al finalizar el trabajo el Contratista presentará una última
certificación con carácter definitivo en la que haga constar que renuncia a
toda reclamación por omisión de cantidades de trabajo no certificadas
con anterioridad y que todos los precios aplicados a las unidades de
trabajo realizadas son conformes.
Pliego de condiciones.
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2.3. Condiciones Generales Legales
2.3.1. Disposiciones Legales.
Se disponen de las siguientes:
 Ordenanza General de Seguridad e Higiene en el Trabajo y Plan
Nacional de Higiene y Seguridad del Trabajo (O.M. 9-III.71).
 Comité de Seguridad e Higiene en el Trabajo (Decreto 432/71 11III-71).
 Reglamento de Seguridad e Higiene en la Industrias de la
Construcción (O.M. 20-V-52).
 Reglamento de los Servicios Médicos de Empresa (O.M. 21-IX59).
 Ordenanza de Trabajo de Construcción, Vidrio y Cerámica (O.M.
28-VIII-70).
 Reglamento Electrotécnico de Líneas Baja Tensión (O.M. 20-IX73).
 Reglamento de Líneas Eléctricas Aéreas de Alta Tensión (O.M.
28-XI-68).
 Convenio Colectivo Provincial del Sector de la Construcción y
Estatuto de los Trabajadores.
 Obligatoriedad de la Inclusión de un Estudio de Seguridad e
Higiene en el Trabajo de los Proyectos de Edificación (R.D.
555/1986, 21-II-86).
 Las normas que estén en vigor en el momento.
También es de cumplimiento obligado cuanto la Dirección de Obra
dicte encaminado a garantizar la seguridad de los obreros y de la obra en
general.
Pliego de condiciones.
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2.3.2. Contratista
El Contratista deberá acreditar su capacidad técnica para la
realización de la obra ante la
Propiedad mediante la información que se detalla a continuación:
1. Lista de obras realizadas:
 Lista de obras construidas durante los últimos cinco años,
en las que la empresa haya sido Contratista único o
miembro de un consorcio con intervención significativa en el
mismo, indicando ubicación, costo y tipo de contrato, plazo
contractual, tiempo de ejecución real, etc.
 Información documentada sobre la ejecución en los últimos
cinco años, de obras similares en características y
magnitud, si las hubiera, en las cuales haya sido Contratista
único o miembro de un consorcio donde haya ejercido
participación principal. En cada caso se mencionará el plazo
contractual y si se ha cumplido con el mismo, debidamente
certificado.
2. Lista de equipamiento y maquinarias: a afectar a estas obras, con
indicación de sus características, estado de conservación, tiempo
de uso y de vida útil.
3. Personal a emplear: nómina, currículo y calificación del personal
directivo y de conducción de la empresa.
Esta documentación debe ser de conformidad de la Propiedad y
constituirá una razón para la denegación de la obra.
2.3.3. Contrato
El contrato se firmará dentro de los diez días de notificada la
adjudicación.
Pliego de condiciones.
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A partir de la firma del contrato, la Propiedad podrá extender la
Orden de Inicio de Obra correspondiente.
Firmado el contrato, el Contratista no podrá transferirlo ni cederlo,
en todo o en parte, a otra persona o entidad, ni asociarse para su
cumplimiento sin autorización previa y por escrito de la Propiedad.
En el caso de que el Contratista no disponga del equipamiento
propio necesario para realizar los servicios objeto del contrato, deberá
presentar indefectiblemente, previo a la firma del contrato,
documentaciones que acrediten el contrato de alquiler del mismo.
2.3.4. Adjudicación
La forma de adjudicación será mediante subasta cerrada. Las
ofertas serán evaluadas sobre la base de las condiciones legales,
técnicas, económicas y financieras establecidas en las mismas.
A los efectos de formular el ordenamiento prioritario de las ofertas
con vistas a la adjudicación, se considerarán los siguientes aspectos:
 Documentación técnica.
 Condiciones económica-financieras.
 Precio final.
 Tiempo de ejecución de la obra.
La Propiedad adjudicará el contrato a la oferta más adecuada a
sus necesidades siempre que cumplan con las condiciones del Pliego de
Condiciones.
Se establece un rango razonable de precio de oferta, que estará
comprendido entre el 10 y el 25 % del precio estimado para la ejecución
de la obra. Las ofertas que se encuentren por debajo del límite inferior de
este rango serán consideradas de riesgo de ejecución.
La Propiedad se reserva el derecho de rechazar algunas o todas
las ofertas, incluida la de menor precio ofertado si las mismas, a su
exclusivo juicio, no se ajustan a las condiciones del presente Pliego. Para
poder adjudicar la licitación se deberá contar con tres ofertas válidas
entre las que se determine la que sea más baja.
Pliego de condiciones.
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En caso de que entre las ofertas adjudicables apareciesen algunas
iguales en precio y condiciones, se procederá a una nueva licitación
limitada al precio, por propuesta cerrada, entre dichos ofertantes
exclusivamente, señalándose al efecto día y hora dentro de un plazo que
no exceda de una semana. La adjudicación será notificada al ofertante
adjudicatario dejando establecidas las condiciones bajo las que haya sido
adoptada, y de igual manera será también notificada a todos los
ofertantes no adjudicatarios.
2.3.5. Arbitrajes y Jurisdicción competente.
Como se ha indicado anteriormente la Propiedad designará una
Dirección Técnica, a la que el Contratista comunicará por escrito el
nombre del delegado del Contratista o jefe de obra (nombramiento que
deberá ser aprobado por la Dirección Técnica).
Cualquier
cuestión
que
surja
entre
las
partes
sobre
la
interpretación o cumplimiento del presente contrato, y no sea posible
llegar a un acuerdo entre la Propiedad y el Contratista, será sometida a
un arbitraje de equidad con arreglo a las normas que regulen este tipo de
procedimiento.
En los contratos con firmas nacionales, se acatará el arbitraje de la
Cámara de Comercio e Industria Española, basándose en la Ley 60/2003
de 23 de Diciembre (BOE 309 de 26 de Diciembre de 2003, sección 1,
pág. 46097 a 46109). Con las firmas extranjeras se usarán las normas de
arbitraje de la Cámara de Comercio de París.
2.3.6. Responsabilidades del Contratista
En la ejecución de las obras que se hayan contratado, el
Contratista será el único responsable, no teniendo derecho a
indemnización alguna por el mayor precio a que pudieran resultarle, ni
por las erradas maniobras que cometiese durante la construcción, siendo
de su cuenta y riesgo e independiente de la inspección de la Dirección de
Obra.
Pliego de condiciones.
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El Contratista también será el responsable del pago de los salarios
y de los materiales necesarios para el desarrollo de la obra, así como de
la buena calidad de los trabajos realizados.
Asimismo será el único responsable ante los Tribunales de la
situación tanto legal como laboral del personal, así como de los
accidentes que se produjeran durante la realización de la obra y que
sobrevinieran por inexperiencia o descuido.
Si el Contratista causase algún desperfecto en las propiedades
colindantes tendrá que restaurarlas por su cuenta, dejándolas en el
estado en que las encontró al comienzo de la obra.
Por lo tanto será de cuenta del Contratista la recuperación de
cualquier daño, o indemnización por él, que puedan ocasionar sus
instalaciones, construcciones auxiliares y demás operaciones realizadas
por el Contratista para la realización de la obra en propiedades
particulares.
Las multas y fianza, que también serán por cuenta del Contratista,
se estipularán tras la firma del Programa de Trabajo, y se aplicarán con
rigurosidad según la cantidad que se estipule.
El Contratista proporcionará a la Dirección técnica o a sus
auxiliares toda clase de facilidades para el replanteo, reconocimiento,
mediciones, pruebas de materiales e inspecciones visuales de la
ejecución de todas las unidades de obra, con objeto de comprobar el
cumplimiento de las condiciones exigibles en el presente Pliego.
El Contratista será el único responsable por el pago de todos los
impuestos, derechos, tasas, contribuciones y cargas sociales previstos
por las Leyes del País donde se ejecute la obra, por lo que tiene la
obligación de ser conocedor de las mismas. Se considera que todos los
precios consignados en la oferta cubren los pagos de los mismos sin
excepción alguna. La Propiedad podrá exigir que el Contratista presente
los comprobantes de pagos de impuestos, derechos, tasas,
contribuciones y cargas sociales, constituyendo el incumplimiento de esta
cláusula causa de rescisión del contrato.
Pliego de condiciones.
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2.3.7. Subcontratas
El Contratista no subcontratará ni se asociará a terceros para la
ejecución del trabajo sin aprobación previa por escrito de la Propiedad.
Esta aprobación no eximirá al Contratista de sus responsabilidades ni de
sus obligaciones derivadas del contrato.
La Dirección Técnica de Obra podrá rechazar a aquellos
subcontratistas de los que existen antecedentes de mala ejecución,
incumplimiento de las especificaciones de proyecto, retraso en la
ejecución de los trabajos o por cualquier otra causa debidamente
justificada.
Los subcontratados, asociados, agentes, etc., contratados por el
Contratista para el trabajo serán considerados a todos los efectos como
empleados del Contratista.
El Contratista deberá asegurarse de que todos sus
subcontratados, asociados, agentes, etc., empleados en el trabajo,
cumplen con los términos del contrato como si fueran sus empleados,
siendo único responsable de cualquier fallo o negligencia causada por
aquellos.
2.3.8. Accidentes de trabajo
El Contratista cumplirá estrictamente y hará cumplir a su personal
las disposiciones de la Ordenanza General de Seguridad e Higiene en el
trabajo (BOE 188 de 7de Agosto de 1997, sec. 1, pág. 24063 a 24070),
así como las normas de seguridad de la Propiedad, ya sean generales o
particulares.
El Contratista designará un miembro de su organización en la obra
cuya obligación será la de velar por la prevención de accidentes y el
cumplimiento de las normas que regulen la materia. El nombre y cargo de
la persona que se designe será comunicado por el Contratista a la
Propiedad antes de comenzar el trabajo.
Por lo tanto el Contratista deberá equipar a su personal de los
elementos de protección adecuados al trabajo que realicen, obligatorios
según la Reglamentación en vigor de Higiene y Seguridad en el Trabajo.
Pliego de condiciones.
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Estos medios de protección personal para los trabajadores serán
homologados por el Servicio Social de Seguridad e Higiene en el Trabajo.
Todas las herramientas y equipos del Contratista serán adecuadas
para el trabajo y no afectarán a la seguridad ni a los elementos de
protección personal. Si las herramientas fueran inadecuadas o
peligrosas, a juicio de la representación de la Propiedad, deberán ser
sustituidas por otras a cargo del Contratista.
El Contratista adoptará cuantas medidas sean necesarias para
evitar la caída de operarios, desprendimiento de herramientas y
materiales que puedan poner en peligro la integridad física de alguna
persona, siendo el responsable de los daños ocasionados si llegan a
concurrir. En caso de incumplimiento de las normas de seguridad o de las
dictadas por las autoridades competentes, ya sean generales o
particulares de la Propiedad, la Propiedad se reserva el derecho a ejercer
cualquiera de las siguientes acciones:
 Expulsión del complejo, de la persona, o personas, que las hayan
incumplido.
 Suspensión de la ejecución de los trabajos mientras no se asegure
el total cumplimiento. Esta suspensión no será justificativa para
ampliar el plazo de ejecución establecido.
 Imposición de multas al Contratista, hasta un importe equivalente
al beneficio del contrato correspondiente a las obras que estuviera
ejecutando, para lo cual este porcentaje deberá constar
explícitamente en su oferta.
 Rescisión del contrato, ejecutando las acciones correspondientes
por indemnización de daños y perjuicios.
En caso de accidentes o peligro inminente, en el que exista riesgo
para las vidas de las personas, para la obra en curso, para otras obras ya
ejecutadas o para las propiedades colindantes, se autorizará al
Contratista para actuar a discreción en cuanto sea necesario para
prevenir las pérdidas o daños que pudieran producirse, debiendo ejecutar
tales órdenes inmediatamente. Las compensaciones que el Contratista
Pliego de condiciones.
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reclame como consecuencia de estos trabajos de emergencia se fijarán
de común acuerdo o mediante arbitraje.
El Contratista será el único y exclusivo responsable, durante la
ejecución de los trabajos, de todos los accidentes que puedan sufrir sus
operarios o causados por él a otras personas, entidades o cosas,
asumiendo todas las responsabilidades ajenas a la legislación vigente
sobre accidentes de trabajo, daños a las cosas, propiedades de terceros,
etc. Si se presupone un diagnóstico superior al leve en accidente de
trabajo, el Contratista, o su representante, deberá personarse en las
oficinas de personal de la Propiedad para comunicar tal circunstancia y
facilitar los datos personales del accidentado, tipo de accidente ocurrido,
lugar, causa y cuantos datos aclaratorios sean necesarios.
El Contratista informará a la Propiedad con la máxima urgencia de
cualquier dificultad de tipo laboral que surja entre él y sus trabajadores, a
fin de que, por parte de la Propiedad puedan adoptarse las medidas
oportunas con relación al caso que se trate.
2.3.9. Rescisión de Contrato
Cuando, a juicio de la Propiedad, el incumplimiento por parte del
Contratista de alguna de las cláusulas contractuales establecidas en
cualquier medida, extensión o modalidad, siempre que a juicio de la
Dirección Técnica sea por descuido inexcusable o mala fe manifiesta,
pudiera ocasionar graves trastornos en la realización de las obras, en el
cumplimiento de los plazos, o en su aspecto económico, la Propiedad
podrá decidir la resolución de las obras, con las generalidades a que
hubiera lugar. Así mismo podrá proceder a la resolución con la pérdida de
la fianza, de producirse alguno de los siguientes casos:
1. Muerte o incapacidad del Contratista.
2. Quiebra o incapacidad económica del Contratista. En caso de
quiebra del Contratista se hará un concurso entre los acreedores
del mismo. El contrato quedará rescindido, a no ser que los
sindicatos correspondientes ofrezcan llevar a cabo la obra bajo las
condiciones estipuladas en este convenio y en los documentos
adicionales. La empresa contratante podrá admitir o rechazar el
Pliego de condiciones.
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ofrecimiento sin que en este último caso tenga derecho a
indemnización alguna. Igualmente quedará rescindido el contrato
cuando el contratista no cumpla las obligaciones contraídas en el
contrato.
3. La disolución por cualquier causa de la sociedad. Alteraciones del
contrato por alguna de las siguientes causas:
 Modificación del proyecto de tal forma que represente
alteraciones fundamentales del mismo a juicio de la
Dirección Técnica, y en cualquier caso siempre que la
variación del presupuesto de contrata, como consecuencia
de estas modificaciones, represente alrededor del 25%
como mínimo del importe actual.
 Modificación de las unidades de obra en número superior al
50% del total.
 Cuando se cumpla el plazo final de las obras y falte por
ejecutar más del 20% del presupuesto de obra. La
imposición de las multas establecidas por los retrasos no
obligará a la Propiedad a la prórroga del mismo, siendo
potestativo por su parte elegir ante la resolución o la
continuidad del contrato.
4. Cuando no se hubiera realizado el montaje de las instalaciones y
unidades auxiliares o no se hubiera aportado la maquinaria
relacionada en la oferta o su equivalente en potencia o capacidad
en los plazos previstos con un margen del 25%; o en el caso de
que el Contratista sustituya maquinaria sin autorización.
5. Cuando transcurrido un tiempo de tres meses consecutivos y
considerados conjuntamente, no se alcanzase un 50% del
programa aprobado para la obra.
6. La suspensión de la obra una vez comenzada, siempre que el
plazo de suspensión haya excedido de un mes, y en todo caso
siempre que por causas ajenas a la contrata no se dé comienzo a
la obra dentro del plazo de 60 días, contados a partir de la
Pliego de condiciones.
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adjudicación, en cuyo caso la devolución de la fianza será
automática.
7. En caso de rescisión del contrato con el Contratista por causas de
fuerza mayor se abonará al mismo tiempo el importe de la obra
ejecutada y valoración de los materiales que haya hecho acopio de
la misma.
8. La inobservancia del plan cronológico de la obra y en especial del
plazo de ejecución y terminación total de la misma.
En caso de cancelación, la Propiedad tendrá derecho a estar
inmediatamente en posesión de los pedidos en curso y de la parte o
partes de la obra que la Propiedad seleccione, junto con los materiales y
herramientas, bien sean de la parte contratante o del Contratista, y
completar el trabajo. El Contratista será razonablemente pagado por el
alquiler que haya sido convenido con la Propiedad por el uso de las
herramientas del Contratista, o si este lo prefiere, puede retirar dichas
herramientas siempre y cuando:
 El retiro de tales herramientas no afecte a la terminación de las
obras.
 La propiedad esté de acuerdo con dicho retiro.
 El coste del retiro vaya a cuentas del Contratista.
Las herramientas del Contratista, empleadas por la empresa
contratante para la terminación de la obra, serán desmanteladas,
cargadas y si es el caso, preparadas para el embarque por la Propiedad.
Todos los costes derivados después de que las herramientas sean
cargadas al transporte o abandonen los dominios de la Propiedad, serán
por cuenta del Contratista, independientemente de que sean manejadas,
movidas o embarcadas por el Contratista o por la Propiedad.
Todos los materiales o equipos que estén bajo pedido en el
momento de la cancelación serán manejados hasta su entrega y
facturación indistintamente por la Propiedad o por la empresa contratada,
según se decida en el tiempo de cancelación del contrato.
El Contratista será reembolsado por todas las facturas que deba o hayan
sido pagadas después de la cancelación, de acuerdo con las condiciones
aplicables a lo gastado más el porcentaje. Cuando la Propiedad así lo
Pliego de condiciones.
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solicite, el Contratista le transferirá todos los pedidos abiertos o pedidos
cuyos materiales no hayan sido entregados. En tal caso, el vendedor será
informado de la transferencia por el Contratista y cambiará de manera
correspondiente su procedimiento de facturación.
En el caso de que dichas facturas sean remitidas al Contratista,
para su pago, entre las dos partes habrá de llegarse a un acuerdo mutuo
con respecto al método más satisfactorio de manejo.
Siempre que el Contratista sea requerido para procesar y facturar
dichas facturas deberá ser reembolsado por tales costes más el
porcentaje especificado.
En el caso de que la cancelación de este convenio se deba a la
decisión de la Propiedad para no continuar la obra, o por otras causas
fuera de control con respecto a la conclusión de la obra, todos los
convenios que aquí figuran serán aplicados con las siguientes
especificaciones:
 El Contratista procederá inmediatamente a cancelar todas las
órdenes de compra de materiales o equipos entregados, avisando
a cada vendedor de la intención de cancelar dichas órdenes. El
vendedor avisará de los cargos de cancelación y, de existir éstos,
él deberá notificar detalladamente tales cargos al Contratista. Éste
avisará entonces inmediatamente a la Propiedad de dichos cargos
y solicitará una declaración de aceptación de la Propiedad.
 La
Propiedad reembolsará
al
vendedor todos los costes
mencionados, bien sean costes de cancelación del vendedor u
otros costes resultantes de la cancelación.
 En general, la Propiedad rescatará cualquier envío sobre el que la
cancelación sea del 100% del precio de compra, aunque el
Contratista avisará a la Propiedad de dichos pagos antes de que el
vendedor sea notificado para continuar.
Pliego de condiciones.
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
CAPÍTULO 3: Condiciones particulares.
Las condiciones particulares o prescripciones técnicas particulares
son aquellas en las que se hace una descripción de los materiales,
equipos y obras que van a realizarse en el proyecto, así como la forma de
ejecución de las mismas.
También se indicarán en ellas, las obligaciones de orden técnico
que correspondan al Contratista y al Director Técnico o Ingeniero.
Así, según lo expuesto en el párrafo anterior, el objeto de estudio
de las condiciones particulares será las condiciones de materiales,
equipos y maquinaria y por otra parte las condiciones de ejecución de
obras.
3.1.
Disposicones de Carácter Particular
Las disposiciones de carácter particular y de ámbito técnico son:
 Normativa de la Asociación Española de Normalización (AENOR).
 Normas Tecnológicas de Edificación:
 Instalaciones de fontanería. Abastecimiento (IFA).
 Instalaciones de salubridad. Alcantarillado (ISA).
 Instalaciones eléctricas. Puesta a tierra (JET).
3.2. Condiciones de Materiales, Equipos y Maquinaria
3.2.1. Materiales de Construcción
Todos los materiales que se empleen en la construcción, han de
cumplir las normas que se encuentran en el catálogo de normas UNE de
1992. Para aquellos materiales en los que no haya nada especificado, se
seguirán las instrucciones de la Dirección Técnica, y en cualquier caso
serán de la mejor calidad entre los de su clase.
Pliego de condiciones.
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Además estos materiales podrán ser sometidos a pruebas o
análisis por cuenta de la contrata que se crean necesarios para acreditar
su calidad; aquel material que a juicio de la Dirección Técnica no reúna
las condiciones exigidas será rechazado (Tabla 1).
Tabla I:
Normas a verificar por los materiales de construcción.
Normas UNE 1.992
3.2.2. Materiales para la fabricación de equipos
El material a utilizar en la fabricación de los equipos es el que se
especifique en el anexo correspondiente al diseño de cada uno de los
equipos.
Los materiales utilizados en los equipos de la instalación son
aceros al carbono SA-285, SA-106 y SA.163. Las diferentes normas a las
que están sujetos los materiales para la fabricación de los equipos y
ensayos de estos materiales son:
UNE 7183:1964 Método de ensayo para determinar la uniformidad de los
recubrimientos galvanizados, aplicados a los materiales manufacturados
de hierro y acero.
UNE-EN ISO 1461:1999 Recubrimientos galvanizados en caliente sobre
productos acabados de hierro y acero. Especificaciones y métodos de
ensayo. (ISO 1461:1999).
Pliego de condiciones.
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
UNE-EN 10257-1:1998 Alambres de acero no aleado recubiertos de cinc
o aleaciones de cinc para armado de cables para el transporte de energía
o cables para telecomunicaciones. Parte 1: Cables terrestres.
UNE-EN 10257-1:1998 Alambres de acero no aleado recubiertos de cinc
o aleaciones de cinc para armado de cables para el transporte de energía
o cables para telecomunicaciones. Parte 1: Cables terrestres.
UNE 37505:1989 Recubrimientos galvanizados en caliente sobre tubos
de acero. Características y métodos de ensayo.
UNE-EN ISO 1461:1999 Recubrimientos galvanizados en caliente sobre
productos acabados de hierro y acero. Especificaciones y métodos de
ensayo. (ISO 1461:1999).
UNE-EN 12502-3:2005 Protección de materiales metálicos contra la
corrosión. Recomendaciones para la evaluación del riesgo de corrosión
en sistemas de distribución y almacenamiento de agua. Parte 3: Factores
que influyen para materiales férreos galvanizados en caliente.
UNE 37553:1973 Recubrimientos electrolíticos de cinc y cadmio sobre
tortillería con rosca métrica de perfil triangular ISO.
UNE 112017:1992 Recubrimientos metálicos. Medición del espesor.
Métodos por espectrometría de rayos X.
UNE-EN ISO 4516:2002 Recubrimientos metálicos y otros recubrimientos
no orgánicos. Ensayos de microdureza Vickers y Knoop. (ISO
4516:2002).
UNE-EN 12540:2001 Protección de metales contra la corrosión.
Recubrimientos electrolíticos de níquel, níquel más cromo, cobre más
níquel y cobre más níquel más cromo.
UNE
112022:1993
Recubrimientos
metálicos.
Recubrimientos
electrolíticos de cromo. Ensayo de corrosión electrolítica (ensayo, etc ).
UNE 112036:1993 Recubrimientos metálicos. Depósitos electrolíticos de
cinc sobre hierro o acero.
UNE-EN 12330:2001 Protección contra la corrosión de metales.
Recubrimientos electrolíticos de cadmio sobre hierro o acero.
Pliego de condiciones.
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
UNE-EN ISO 6158:2005 Recubrimientos metálicos. Recubrimientos
electrolíticos de cromo para fines industriales. (ISO 6158:2004)
UNE 112039:1994 Recubrimientos de aleación de estaño-níquel.
Especificaciones y métodos de ensayo.
UNE 112040:1994 Recubrimiento electrolítico de aleación estaño-plomo.
Especificaciones y métodos de ensayo.
UNE 112041:1994 Recubrimiento metálico. Depósitos electrolíticos de
estaño. Especificaciones y métodos de ensayo.
UNE-EN 12476:2001 Recubrimientos de conversión fosfatantes de
metales. Método de especificación de requisitos.
UNE-EN 582:1994 Proyección térmica. Medida de la adherencia por
ensayo de tracción. (Versión oficial en UNE 112051:1994).
UNE-EN ISO 2063:2005 Proyección térmica. Recubrimientos metálicos y
otros recubrimientos inorgánicos. Cinc, aluminio y sus aleaciones (ISO
2063:2005).
UNE-EN ISO 10289:2001 Métodos de ensayo de corrosión de
recubrimientos metálicos y no orgánicos sobre sustratos metálicos.
Clasificación de probetas y piezas de protección sometidas a ensayos de
corrosión. (ISO 10289:1999).
UNE-EN ISO 2064:2001 Recubrimientos metálicos y otros recubrimientos
no orgánicos. Definiciones y principios concernientes a la medida del
espesor. (ISO 2064:1996).
UNE-EN ISO 2177:2005 Recubrimientos metálicos. Medida del espesor.
Método culombimétrico por disolución anódica. (ISO 2177:2003).
UNE-EN ISO 2178-1996 Recubrimientos metálicos no magnéticos sobre
metal base magnético. Medida del espesor. Método magnético (ISO
2361:1982).
UNE-EN ISO 21787:2007 Válvulas industriales. Válvulas de globo de
materiales termoplásticos (ISO 21787:2006).
UNE-EN ISO 2819:1996 Recubrimientos metálicos sobre base metálica.
Depósitos electrolíticos y depósitos por vía química. Lista de los
diferentes métodos de ensayo de adherencia (ISO 2819:1980).
Pliego de condiciones.
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
UNE-EN ISO 3892:2002 Recubrimientos de conversión sobre materiales
metálicos. Determinación de la masa de recubrimiento por unidad de
superficie. Métodos gravimétricos. (ISO 3892:2000).
UNE-EN ISO 4518:1986 Recubrimiento metálicos. Medición del espesor.
Métodoperfilométrico (ISO 4518:1980).
UNE-EN ISO 10289:2001 Métodos de ensayo de corrosión de
recubrimientos metálicos y no orgánicos sobre sustratos metálicos.
Clasificación de probetas y piezas de protección sometidas a ensayos de
corrosión. (ISO 10289:1999).
UNE-EN ISO 4543:1996 Recubrimiento metálicos y otros recubrimientos
no orgánicos. Directrices generales para los ensayos de corrosión
aplicables a condiciones de almacenamiento (ISO 4543:1981).
UNE-EN ISO 6988:1996 Recubrimientos metálicos y otros recubrimientos
no orgánicos. Ensayo al dióxido de azufre con condensación general de
humedad. (ISO 6988:1985).
UNE-EN ISO 7384:1996 Ensayos de corrosión en atmósfera artificial.
Prescripciones generales. (ISO 7384:1986).
UNE-EN ISO 7441:1996 Corrosión de los metales y aleaciones. Ensayos
de corrosión bimetálica mediante ensayos de corrosión en medio exterior.
(ISO 7441:1984).
UNE-EN ISO 7539-1:1996 Corrosión de metales y aleaciones. Ensayo de
corrosión bajo tensión. Parte 1: guía general de métodos de ensayo (ISO
7539-1:1987).
UNE-EN ISO 7539-2:1996 Corrosión de metales y aleaciones. Ensayos
de corrosión bajo tensión. Parte 2: preparación y utilización de probetas
para ensayos de flexión. (ISO 7539-2:1987).
UNE-EN ISO 7539-3:1996 Corrosión de metales y aleaciones. Ensayos
de corrosión bajo tensión. Parte 3: preparación y utilización de probetas
dobladas en U. (ISO 7539- 3:1989).
UNE-EN ISO 7539-4:1996 Corrosión de metales y aleaciones. Ensayos
de corrosión bajo tensión. Parte 4: preparación y utilización de probetas
para ensayos de tracción uniaxial. (ISO 7539-4:1989).
Pliego de condiciones.
Página 47
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
UNE-EN ISO 7539-5:1996 Corrosión de metales y aleaciones. Ensayos
de corrosión bajo tensión. Parte 5: preparación y uso de probetas con
forma de anillo en C (ISO 7539-6:1989).
UNE-EN ISO 7539-6:1996 Corrosión de metales y aleaciones. Ensayos
de corrosión bajo tensión. Parte 6: preparación y uso de probetas
prefiguradas para ensayos bajo carga constante o desplazamiento
constante (ISO 7539-6:1989).
UNE-EN ISO 7539-7:2006 Corrosión de metales y aleaciones. Ensayos
de corrosión bajo tensión. Parte 7: Ensayo a baja velocidad de
deformación. (ISO 7539-7:2005).
UNE-EN ISO 8401:1996 Recubrimientos metálicos. Revisión de los
métodos de determinación de la ductilidad. (ISO 8401:1986).
UNE-EN 10289:2001 Métodos de ensayo de corrosión de recubrimientos
metálicos y no orgánicos sobre sustratos metálicos. Clasificación de
probetas y piezas de protección sometidas a ensayos de corrosión. (ISO
10289:1999).
UNE-EN ISO 8565:1996 Metales y aleaciones. Ensayos de corrosión
atmosférica. Requisitos generales para realizar ensayos in situ. (ISO
8565:1992).
UNE-EN ISO 9220:1996 Recubrimientos metálicos. Medida del espesor
del recubrimiento. Método de microscopía electrónica de barrido. (ISO
9220:1988).
UNE-EN ISO 10062:1996 Ensayos de corrosión en atmósferas artificiales
con muy bajas
10062:1991).
concentraciones
de
gases
contaminantes.(ISO
UNE 92102:1998 Materiales aislamiento térmico. Lana de vidrio.
Definiciones, clasificación y características.
UNE 92201:1989 Materiales aislantes térmicos. Determinación de la
conductividad térmica. Técnica de la placa calefactora con anillo de
guarda y doble placa refrigerante.
UNE 92208:1999 Materiales aislantes térmicos. Productos de lana de
vidrio/o roca. Determinación de la cantidad de vidrio y aglomerante
orgánico.
Pliego de condiciones.
Página 48
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
UNE 92209:1989 Materiales aislantes térmicos. Productos de fibra de
vidrio/ o roca. Determinación de las dimensiones.
UNE-EN 13469:2002 Productos aislantes térmicos para equipos de
edificación e instalaciones industriales. Determinación de las propiedades
de transmisión de vapor de agua en coquillas aislantes preformadas.
UNE 92227:1989 Materiales aislantes térmicos. Determinación de la
absorción de agua por el método de vacío.
UNE-EN 13467:2002 Productos aislantes térmicos para equipos de
edificación e instalaciones industriales. Determinación de las
dimensiones, rectangularidad y linealidad de coquillas aislantes
preformadas.
UNE-EN ISO 7345:1987 Aislamiento térmico. Magnitudes físicas y
definiciones. (ISO 8497:1987).
UNE-EN ISO 8497:1997 Aislamiento térmico. Determinación de las
propiedades relativas a la transmisión de calor en régimen estacionario
en los aislamientos térmicos para tuberías (ISO 8497:1994).
UNE-EN ISO 9251:1996 Aislamiento térmico Condiciones de transmisión
térmica y propiedades de los materiales. Vocabulario (ISO 9251:1987).
UNE-EN ISO 9346:1996 Aislamiento térmico. Transferencia de masa.
Magnitudes físicas y definiciones (ISO 9346:1987).
UNE-EN 12329:2001 Protección contra la corrosión de los metales.
Recubrimientos electrolíticos de cinc sobre hierro o acero.
UNE-EN 12330:2001 Protección contra la corrosión de metales.
Recubrimientos electrolíticos de cadmio sobre hierro o acero.
UNE-EN ISO 1463:2005 Recubrimientos metálicos y capas de óxido.
Medida del espesor. Método de corte micrográfico (ISO 1463:2003)
UNE-EN ISO 2361:1996 Recubrimientos electrolíticos de níquel sobre
base metálica magnética y no magnética. Medición del espesor. Método
magnético. (ISO 2361:1982).
UNE-EN ISO 3868:1996 Recubrimientos metálicos y otros recubrimientos
no orgánicos. Medida del espesor. Método basado en el principio de
Fizeau de interferometría de haz múltiple. (ISO 3868:1976).
Pliego de condiciones.
Página 49
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
UNE-EN ISO 12241:1999 Aislamiento térmico para equipos de
edificación e instalaciones industriales. Método de cálculo. (ISO
12241:1998).
UNE-EN
ISO
8990:1997
Determinación de
las propiedades de
transmisión térmica en régimen estacionario. Métodos de la caja caliente
guardada y calibrada (ISO 8990:1994).
3.2.3. Equipos
Las normas a las que se encuentran sujetos todos los equipos se
encuentran también en el Catálogo de Normas UNE de 1992, en la
siguiente tabla se muestran el número de normas clasificadas por su
naturaleza y la localización de las mismas en dicho catálogo:
Tabla II:
Normas que han de cumplir los equipos.
Normas UNE 1.992.
3.2.4. Máquinaria
Las normas que debe cumplir la maquinaria es la que se refleja en
la Tabla III.
Pliego de condiciones.
Página 50
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla III:
Normas a cumplir por la maquinaria.
Normas UNE 1.992.
3.2.
Condiciones de Ejecución
Las condiciones de ejecución, condiciones funcionales de los
materiales y equipos industriales, control de la ejecución, seguridad en el
trabajo, medición, valoración y mantenimiento serán establecidos en las
normas NBE y NTE, así como las correspondientes si procede a equipos,
materiales o maquinaria. Se considerarán:
3.3.1. Movimientos de Tierra
Aquí se incluyen los terraplenes para dar al terreno la rasante de
explanación y excavaciones de zanjas y pozos.
La excavación se ajustará a las dimensiones que figuren en los
planos o a lo que indique el ingeniero.
3.3.2. Obras de Saneamiento
Se incluyen los sistemas de captación y conducción de aguas del
subsuelo para protección de la obra contra la humedad y las redes de
evacuación de aguas pluviales y residuos, desde los puntos donde se
cogen hasta la red de alcantarillados, pozos de filtración o equipos de
depuración.
Pliego de condiciones.
Página 51
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
3.3.3. Cimentaciones
Se incluyen las operaciones de eliminación de troncos, raíces de
árboles y otros obstáculos que se encuentren en dicha zona, según
normas NBE y NTE. Las zanjas de cimentación se excavarán hasta una
profundidad especificada en los planos; en cualquier caso debe estar
aprobada por el Ingeniero antes de colocar el hormigón o ladrillo.
3.3.4. Estructuras metálicas
Se incluyen las operaciones relacionadas con el diseño,
fabricación y montaje de acero para estructuras, según normas NBE,
NTE y las especificadas para materiales.
3.3.5. Albañilería
Se incluyen aquí las instalaciones en los puntos señalados por los
planos, de los bloques de hormigón, ladrillo, piedra y revestimientos de
suelos, escaleras y techos.
3.3.6. Cerrajería y Carpintería.
Se incluyen todos los trabajos relacionados con la instalación de
puertas, ventanas y demás elementos de carpintería general y de taller
de construcción de edificios. En la cerrajería, se incluyen las operaciones
relacionadas con ajustes para obtener un acabado perfecto.
3.3.7. Cubierta de edificios
Se incluye todo lo relacionado con la impermeabilización y el
aislamiento de cubiertas de edificios. Debido a posibles inclinaciones, los
aislamientos serán grapados, para evitar deslizamiento o movimientos
inesperados.
Pliego de condiciones.
Página 52
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
3.3.8. Fontanería
Se indican las operaciones de abastecimiento y distribución de
agua.
3.3.9. Instalaciones eléctricas
Se incluyen las operaciones relacionadas con la distribución del
alumbrado.
3.3.10. Calefacción y Ventilación
Incluyen
las
instalaciones
de
ventilación,
calefacción
y
refrigeración.
3.3.11. Instalaciones de Protección contra Incendios
Se indican las instalaciones de protección contra fuegos y
pararrayos.
3.3.12.- Pinturas y vidrieras
Se indican las operaciones de acabado de pinturas y de las
superficies exteriores del edificio, incluyendo la pintura protectora de las
superficies metálicas.
En las vidrieras se incluyen las operaciones relacionadas con su
instalación. Las dimensiones se especifican en los planos.
3.3.13. Otras instalaciones no específicas
Si en el transcurso fuese necesario ejecutar alguna clase de obra
no regulada en el pliego, el Contratista quedará obligado a ejecutarla con
arreglo a las instrucciones que reciba del ingeniero, quien a su vez
cumplirá la normativa vigente. El Contratista no tendrá derecho a
reclamación ninguna.
Noviembre 2.010
Pliego de condiciones.
Página 53
DOCUMENTO 4:
Presupuesto.
ÍNDICE.
CAPÍTULO 1: Introducción. ............................................................ 4
CAPÍTULO 2: Estado de las mediciones. ....................................... 5
2.1. Unidades de proceso. ......................................................... 5
2.2. Aislamiento de equipos y conducciones. ............................ 8
2.3. Presupuestos parciales. ...................................................... 9
2.4. Presupuesto de ejecución material (P.E.M.). .................... 14
2.5. Presupuesto de ejecución por contrata (P.E.C.). .............. 14
CAPÍTULO 3: Costes generales. .................................................. 15
3.1. Costes de fabricación......................................................... 15
3.1.1. Costes de materia prima. ............................................ 15
3.1.2. Coste de mano de obra directa. .................................. 15
3.1.3. Costes de mano de obra indirecta. .............................. 16
3.1.4. Honorarios del proyectista y dirección de montaje. ..... 16
3.1.5. Servicios generales. .................................................... 16
3.2. Costes de gestión. ............................................................. 18
3.2.1. Gastos comerciales. .................................................... 18
3.3. Costes netos totales........................................................... 18
CAPÍTULO 5: Resumen. .............................................................. 19
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
CAPÍTULO 1: Introducción.
En el presente documento se desarrollará el presupuesto general
de ejecución del proyecto. Para ello se han de tener en cuenta los
siguientes factores.
Coste de materia prima: El presente proyecto fin de carrera es una parte
de un proceso global, cuya alimentación es la corriente de colas de una
columna desbencenizadora anterior, por lo que el coste de la materia
prima es nulo.
Destino del producto: Como se ha mencionado a lo largo de la memoria
con el tolueno purificado se pueden hacer dos cosas, reintroducirlo de
nuevo al proceso (con el consiguiente ahorro en materia prima) o
venderlo a la planta petroquímica cercana. Para tener una aproximación
del beneficio que se podría generar se ha optado por la segunda
situación.
Gastos de personal: No se tendrán en cuenta el gasto de personal de
gerencia y oficinas, pues se considera como personal ya instaurado en la
planta donde va a estar integrado este proceso. No se incluyen a los
operarios, puesto que éstos forman ya parte de la plantilla de la planta.
Costes de inmovilizado: Se desglosa en las siguientes partidas
presupuestarias, maquinaria y equipos, tuberías, válvulas, instrumentos
de medición y control, aislamientos y gastos de montaje e instalación de
equipos.
En el presente documento se calcularan los siguientes aspectos
económicos:
1. Presupuesto de ejecución material (PEM): Calculando el beneficio
industrial y gastos generales y el presupuesto de ejecución por
contrata (PEC).
2. Gasto anual de funcionamiento del proceso.
Presupuesto
Página 4
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
CAPÍTULO 2: Estado de las mediciones.
Los requisitos básicos que debe cumplir un estado de mediciones
son los siguientes:
1. Definir y determinar las unidades de cada partida o unidad de
obra.
2. Incluir el número de unidades y definir las características, modelos,
tipos y dimensiones de cada partida de obra o elemento del objeto
3.
4.
5.
6.
del Proyecto.
Utilizar el concepto de partida alzada cuando la unidad no sea
fácilmente desglosable.
Contener un listado completo de las partidas de obra.
Subdividir según las partes más significativas del Proyecto.
Servir de base para la realización del presupuesto.
En base a estos requisitos, y estructurándose en los siguientes
puntos, se elabora el estado de mediciones propuesto para el presente
Proyecto:
1.
2.
3.
4.
Unidades de proceso.
Equipos auxiliares.
Bombas y compresores.
Válvulas y accesorios.
5. Tuberías.
6. Control e instrumentación.
7. Aislamiento.
8. Gastos de instalación y montaje de equipos.
2.1. Unidades de proceso.
En la Tabla I se muestra un compendio de las diferentes unidades
presentes en la planta así como de los precios asignados a las mismas.
Presupuesto
Página 5
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla I:
Compendio de precios y unidades de la línea.
UNIDAD
CANTIDAD
Intercambiador de calor de carcasa y tubos 1-2 cuya carcasa
es de acero SA-285 con un diámetro de carcasa de 0,203 m y
tubos hechos de acero SA-106 con un diámetro interno de
0,0135 m y 2,438 m de longitud.
1
Columna de rectificación de 2,743 m de diámetro. Tiene 25
platos de acero SA-285, al igual que la carcasa, y un
espaciamiento de 0,6 m.
1
Condensador aerorrefrigerante con 176 tubos de acero SA106 distribuidos en 2 bancos de tubos. El aire lo impulsan
ventiladores de 2,5 m de diámetro. Las aletas serán de
aluminio
1
Batería de aerrorefrigerantes (compuesta por 4) para
conseguir un salto térmico de 137,7 ºC a 85ºC. Los tubos
serán de acero SA-106 y las aletas de aluminio.
1
Intercambiador de calor tipo AKT (Reboiler). Carcasa
construida de acero al carbono SA-285 de 0,203 m de
diámetro. Tubos de acero al carbono SA-106 de 0,0135 m de
diámetro interior.
1
Intercambiador de calor de carcasa y tubos 1-2 cuya carcasa
es de acero SA-285 con un diámetro de carcasa de 0,203 m y
tubos hechos de acero SA-106 con un diámetro interno de
0,0135 m y 2,438 m de longitud.
1
Acumulador de reflujo de acero al carbono SA-285 de 17,1816
m de longitud y 2,438 m de diámetro.
1
Tanque de almacenamiento de 36,576 m de diámetro y altura
de 15,782 m de diámetro y una carcasa de 19,1 mm de
espesor
4
Tanque de almacenamiento de 36,576 m de diámetro y altura
de 15,782 m de diámetro y una carcasa de 17,5 mm de
espesor
4
Tanque de almacenamiento de 6,401 m de diámetro y altura
de 5,433 m de diámetro y una carcasa de 7,9 mm de espesor
4
Tanque de rundown de 22,250 m de diámetro y una altura de
15,332 m con una carcasa de 9,5 mm de espesor.
1
Tanque de rundown de 4,572 m de diámetro y una altura de
5,782 m con una carcasa de 7,9 mm de espesor.
1
Presupuesto
Página 6
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Estas son las unidades principales del proceso, se tendrán otros
equipos auxiliares que también habrá que cuantificar.
Bombas.
Tabla II:
Compendio de bombas.
UNIDAD
Bomba centrífuga de la casa Johnson. CombiPro n=1.500
rpm
Bomba centrífuga de la casa Johnson. CombiPro
Monobloc n=1.000 rpm
Bomba centrífuga para servicio industrial de la casa SIHI.
n=1.450 rpm
CANTIDAD
2
4
2
Válvulas y accesorios.
Tabla III:
Válvulas y accesorios.
DN 1/8 DN 3/8 DN 3/4 DN 1 1/4 DN 5 DN 6 DN 10 DN 20 DN 24
Válvulas de
Globo
-
1
-
1
Válvulas de
Compuerta
-
-
1
1
Válvulas de
Retención
-
1
1
Válvulas de
Reducción
1
1
Codos 90º
Codos 45º
Tes
-
Reducciones
-
Presupuesto
-
2
1
-
1
-
3
-
-
-
3
-
-
-
-
-
-
1
-
-
-
1
5
4
1
3
2
2
1
9
8
2
1
-
2
2
3
-
1
-
-
-
-
2
-
-
-
-
Página 7
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Conducciones.
Tabla IV:
Conducciones.
Diámetro tubería Longitud (m) Diámetro tubería Longitud (m)
DN 1/8
3
DN 6
9
DN 3/8
39,108
DN 10
6
DN 3/4
42,326
DN 20
31,326
DN 1 1/4
39,326
DN 24
10,5
DN 5
36,18
2.2. Aislamiento de equipos y conducciones.
El material aislante para toda la planta de proceso será lana de
roca, cuyo espesor varía dependiendo de la temperatura de trabajo.
Como se vio en la memoria cada equipo tendrá los siguientes espesores.
Tabla V:
Material aislante.
DESCRIPCIÓN
Capa de lana de roca de 50 mm de espesor con chapa
de aluminio.
Capa de lana de roca de 80 mm de espesor con chapa
de aluminio.
LONGITUD
(m)
3
4
Las conducciones también deberán de ir debidamente aisladas
para evitar una pérdida de calor al transportar el fluido.
Presupuesto
Página 8
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla VI:
Material aislante para equipos.
Capa de lana
de aluminio.
Capa de lana
de aluminio.
Capa de lana
de aluminio.
Capa de lana
de aluminio.
DESCRIPCIÓN
de roca de 30 mm de espesor con chapa
LONGITUD (m)
24
de roca de 50 mm de espesor con chapa
76
de roca de 40 mm de espesor con chapa
502
de roca de 80 mm de espesor con chapa
24
2.3. Presupuestos parciales.
En el presente apartado se muestran los precios de cada unidad
que se instalará en la planta.
Tabla VII:
Precios de las diferentes unidades (I).
UNIDAD
Intercambiador de calor de carcasa y tubos
1-2 cuya carcasa es de acero SA-285 con
un diámetro de carcasa de 0,203 m y tubos
hechos de acero SA-106 con un diámetro
interno de 0,0135 m y 2,438 m de longitud.
Columna de rectificación de 2,743 m de
diámetro. Tiene 25 platos de acero SA285, al igual que la carcasa, y un
espaciamiento de 0,6 m.
Condensador aerorrefrigerante con 176
tubos de acero SA-106 distribuidos en 2
bancos de tubos. El aire lo impulsan
ventiladores de 2,5 m de diámetro. Las
aletas serán de aluminio
Presupuesto
CANTIDAD
PRECIO
UNITARIO
(€)
PRECIO
GLOBAL
(€)
1
19.440
19.440
1
100.987
100.987
1
40.000
40.000
Página 9
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Tabla VIII:
Precio equipos (II).
UNIDAD
Batería de aerrorefrigerantes
(compuesta por 4) para conseguir
un salto térmico de 137,7 ºC a
85ºC. Los tubos serán de acero SA106 y las aletas de aluminio.
Intercambiador de calor tipo AKT
(Reboiler). Carcasa construida de
acero al carbono SA-285 de 0,203
m de diámetro. Tubos de acero al
carbono SA-106 de 0,0135 m de
diámetro interior.
Intercambiador de calor de carcasa
y tubos 1-2 cuya carcasa es de
acero SA-285 con un diámetro de
carcasa de 0,203 m y tubos hechos
de acero SA-106 con un diámetro
interno de 0,0135 m y 2,438 m de
longitud.
Acumulador de reflujo de acero al
carbono SA-285 de 17,1816 m de
longitud y 2,438 m de diámetro.
Tanque de almacenamiento de
36,576 m de diámetro y altura de
15,782 m de diámetro y una
carcasa de 19,1 mm de espesor
Tanque de almacenamiento de
36,576 m de diámetro y altura de
15,782 m de diámetro y una
carcasa de 17,5 mm de espesor
Tanque de almacenamiento de
6,401 m de diámetro y altura de
5,433 m de diámetro y una carcasa
de 7,9 mm de espesor
TOTAL (€)
CANTIDAD
PRECIO
UNITARIO (€)
PRECIO
GLOBAL
(€)
1
204.000
204.000
1
10.000
10.000
1
18.360
18.360
1
69.287
69.287
4
163.692
654.768
4
163.600
654.400
4
56.352
225.408
1.996.650
En lo que respecta a las unidades secundarias del proceso.
También habrá que analizar la partida presupuestaria necesaria para:
1.
2.
3.
4.
Bombas.
Válvulas y accesorios.
Tuberías.
Instrumentos de control.
Presupuesto
Página 10
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Bombas.
Tabla IX:
Precio de Bombas.
UNIDAD
Bomba de impulsión Combibloc
modelo 125-125 de 6 polos y 50 Hz.
Bomba de impulsión Combichem
modelo 25-125 de 1500 rpm.
Bomba de impulsión Combipro
modelo 100A-160 de 1500 rpm
Bomba de impulsión Combipro
modelo 40A-125 de 1500 rpm
CANTIDAD
PRECIO
UNITARIO
(€)
PRECIO
GLOBAL
(€)
2
10.000
20.000
2
20.000
40.000
2
180.000
360.000
2
75.000
150.000
TOTAL (€)
570.000
Válvulas.
Tabla X:
Precio Válvulas.
UNIDAD
Válvula de globo de acero al carbono
SA-106 DN 3/8
Válvula de globo de acero al carbono
SA-106 DN 1 ¼
Válvula de globo de acero al carbono
SA-106 DN 10
Válvula de globo de acero al carbono
SA-106 DN 20
Válvula de compuerta de acero al
carbono SA-106 DN ¾
Válvula de compuerta de acero al
carbono SA-106 DN 1/4
Válvula de compuerta de acero al
carbono SA-106 DN 5
Válvula de compuerta de acero al
carbono SA-106 DN 10
Válvula de retención de acero al
carbono SA-106 DN 3/8
Válvula de retención de acero al
carbono SA-106 DN ¾
Válvula de retención de acero al
carbono SA-106 DN 3
Presupuesto
CANTIDAD
PRECIO
PRECIO
UNITARIO GLOBAL
(€)
(€)
1
80
1
2.00
2
1.200
1
1.900
1
24
1
40
1
60
3
90
1
5
1
12
1
30
80
200
2.400
1.900
24
40
60
270
5
12
30
Página 11
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Válvula de reducción de acero al
carbono SA-106 DN 1/8
Válvula de reducción de acero al
carbono SA-106 DN 3/8
Válvula de reducción de acero al
carbono SA-106 DN 5
Válvula de reducción de acero al
carbono SA-106 DN 24
Codo de 90º DN 3/8
Codo de 90º DN ¾
Codo de 90º DN 1 ¼
Codo de 90º DN 5
Codo de 90º DN 6
Codo de 90º DN 10
Codo de 90º DN 20
Codo de 90º DN 24
Codo 45º DN 3/8
Codo 45º DN 5
Te DN 3/8
Te DN ¾
Te DN ¼
Te DN 5
Te DN 10
1
1.250
1
1.400
1
1.730
1
2.440
5
3
2
9
1
2
3
1
4
8
1
2
1
2
2
40
55
74
114,4
120,4
315,6
625,5
785,3
32,7
107,8
15
23,4
43,6
146,38
246,87
TOTAL (€)
1.250
1.400
1.730
2.440
200
165
148
1.029,6
120,4
631,2
1.876,5
785,3
130,8
862,4
15
46,8
43,6
292,76
493,74
18.682,1
Conducciones.
Tabla XI:
Tuberías.
Diámetro
tubería
DN 1/8
DN 3/8
DN 3/4
DN 1 1/4
DN 5
DN 6
DN 10
DN 20
DN 24
Longitud
(m)
3
39,108
42,326
39,326
36,18
9
6
31,326
10,5
Total (€)
Presupuesto
Precio Unitario
(€·m-1)
1,4
2,2
4,7
6,6
30
36
43
79
178,9
Precio
Total
4,2
86,0
198,9
259,6
1085,4
324,0
258,0
2474,8
1878,5
6.569,3
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Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Aislante de equipos.
Tabla XII:
Material aislante equipos.
DESCRIPCIÓN
SUPERFICIE
(m2)
Capa de lana de roca de 80 mm
de espesor con chapa de aluminio.
PRECIO
UNITARIO
(€/m)
PRECIO
GLOBAL
(€)
65,867
6,27
412,992
TOTAL (€)
412,992
Aislante para conducciones.
Tabla XIII:
Material aislante para conducciones.
DESCRIPCIÓN
Capa de lana de roca de 30 mm
de espesor con chapa de aluminio.
Capa de lana de roca de 50 mm
de espesor con chapa de aluminio.
Capa de lana de roca de 40 mm
de espesor con chapa de aluminio.
Capa de lana de roca de 80 mm
de espesor con chapa de aluminio.
TOTAL (€)
Presupuesto
LONGITUD
(m)
PRECIO
UNITARIO
(€/m)
PRECIO
GLOBAL
(€)
24
4,02
96,48
75,9
5,58
501,876
4,68
2.348,780
24
23,304
559,296
3.602,592
Página 13
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
2.4. Presupuesto de ejecución material (P.E.M.).
Tabla XIV:
Presupuesto de ejecución material.
PARTIDAS
Unidades principales
Unidades auxiliares
Válvulas y accesorios
Tuberías
Aislamiento
P.E.M.
CANTIDAD (€)
1.996.650
570.000
18.682,1
6.569,3
3.602,592
2.595.504
2.5. Presupuesto de ejecución por contrata (P.E.C.).
Tabla XV:
Presupuesto de ejecución por contrata.
CONCEPTO
P.E.M.
Gastos generales (13 %)
Beneficio industrial (6 %)
Obra civil (26,8%)
I.V.A. (16 %)
P.E.C.(€)
Presupuesto
CANTIDAD (€)
2.595.504
337.797,2
155.906,4
695.595
415.750,4
4.251.436
Página 14
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
CAPÍTULO 3: Costes generales.
Se determina como la suma de los costes de fabricación y de
gestión de la línea de proceso, obteniendo así los costes de producción.
Costes de fabricación.
Se consideran los siguientes:
1. Materias primas.
2. Mano de obra directa.
3. Mano de obra indirecta.
4. Honorarios de proyecto y dirección de montaje.
5. Servicios generales.
Costes de gestión.
Se consideran:
1. Costes de gerencia.
2. Costes de obra civil.
3. Gastos comerciales.
3.1. Costes de fabricación.
3.1.1. Costes de materia prima.
Como se ha mencionado a lo largo del presente proyecto, tanto en
la memoria como en los anexos, la alimentación de materia prima es una
mezcla procedente de una unidad anterior. Al ser un proceso
encadenado, la alimentación no supondrá coste alguno.
3.1.2. Coste de mano de obra directa.
Será el coste derivado de los salarios de operarios, técnicos y
otros profesionales. Como se mencionó en la introducción esta partida
Presupuesto
Página 15
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
presupuestaria no se tendrá en cuenta puesto que ya forman parte del
personal de la planta.
3.1.3. Costes de mano de obra indirecta.
Del mismo modo que para la mano de obra directa, se establece la
siguiente relación para esta mano de obra. Se sigue el mismo criterio,
por lo que no se contempla esta partida.
3.1.4. Honorarios del proyectista y dirección de montaje.
Se compone de los siguientes elementos proyecto, dirección de
obra y gestión de compra de equipos. Será el 7% del presupuesto de
ejecución por contrata (P.E.C.).
€
3.1.5. Servicios generales.
Corresponden al agua de refrigeración, vapor de calefacción y
electricidad.
Agua.
El precio del agua del término municipal donde se va a instalar es
de 0,69 €·m-3. Solo se requerirá agua de refrigeración en el
intercambiador de calor IC-02 de la corriente de colas, donde se requiere
un caudal de 61,569 m3·h-1.
Presupuesto
Página 16
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
Vapor.
Se requiere en las unidades de intercambio de calor de
alimentación (IC-01) y el reboiler, con un caudal total de 132,756 kg·h-1.
Se calcula a través de:
!"#$
% &
'(
Donde:
1.
) Consumo de vapor de agua (kg3·año-1).
2. % &) Poder calorífico del vapor (411 kcal·kg-1).
3.
'( ) Coste del kWh de electricidad consumido para generar
ese vapor de agua (0,112 €·kWh-1).
De manera que el consumo será de 61.958,995 €·año-1.
Electricidad.
Para calcular la electricidad necesaria se considera la consumida
por los ventiladores de los aerorrefrigerantes y las bombas.
Tabla XVI:
Potencia de bombas.
Bomba
B-01
B-03
B-05
B-07
Total
Potencia
(W)
38,129
7,399
41,865
0,905
88,30
Este será el consumo total de las bombas, el de los ventiladores
será de 11.429,586 W·h-1. Sumando ambas se obtiene un consumo de
Presupuesto
Página 17
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
329.309,59 W·h-1. Si funcionan durante 334 días al año, coste del
consumo será de:
Por lo que los costes de los servicios generales son de:
3.2. Costes de gestión.
3.2.1. Gastos comerciales.
Corresponden al 4% de la partida del coste de fabricación, por lo
que:
No se consideran los costes de gerencia al estar el proceso
integrado dentro de la refinería.
3.3. Costes netos totales.
Será la suma de los costes de fabricación y gestión:
Presupuesto
Página 18
Diseño de una columna de rectificación para la purificación de Tolueno
CAPÍTULO 5: Resumen.
Para poder hacer funcionar la planta se han de asumir los
siguientes costes:
Costes de Inmovilizado.
CONCEPTO
P.E.M.
Gastos generales (13 %)
Beneficio industrial (6 %)
Obra civil (26,8%)
I.V.A. (16 %)
P.E.C.(€)
CANTIDAD (€)
2.595.504
337.797,2
155.906,4
695.595
415.750,4
4.251.436
Costes de arranque de la planta.
Ascienden a la cifra de:
PRESUPUESTO……...……………………………………………5.014.746 €
El PRESUPUESTO del proyecto Diseño de una columna de
rectificación para la purificación de Tolueno asciende a una cantidad total
de “CINCO MILLONES CATORCEMIL SETECIENTOSCUARENTA Y
SEIS euros”.
Noviembre 2.010
Presupuesto
Fdo: Ignacio Gutiérrez Gamero
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