I UNIDAD TUBERÍAS Y ACCESORIOS Juntas Las tuberías se deben unir a otras tuberías y componentes. El diseño óptimo requiere un mínimo de trabajo de montaje y prevé la misma resistencia que posee la tubería para:  Presión interna en lo que se refiere a las fracturas y las fugas  Momentos de torsión que se producen al tender largas distancias de tuberías entre los soportes o debido a la dilatación térmica en las tuberías con acodamientos dobles.  Deformación axial por la presión interna que actúa sobre los cambios de dirección, llaves ciegas y válvulas cerradas o por la contracción térmica en los tramos rectos.  Fractura o fugas en el caso de que se produzca algún incendio. Tipos de juntas Juntas soldadas Soldadura por ensamble: en todos los metales dúctiles de tuberías que se pueden soldar, hay codos, tes, tuberías, ramales laterales, reductores tapones, válvulas, bridas y juntas de abrazadera en V en todos los tamaños y todos los espesores de paredes, con extremos preparados para la soldadura por ensamble. Juntas de casquillo soldado: existen en todos los tamaños; pero los accesorios y las válvulas con extremos de casquillo soldado se limitan a los tamaños de 3 pulgadas. La junta no es tan resistente a los esfuerzos de flexión como la soldadura por ensamble. Las soldaduras de bifurcaciones: eliminan la necesidad de adquirir tes y no requieren más metal de soldadura. El uso de accesorios facilita la inspección visual de la bifurcación soldada.

Juntas roscadas Tuberías con extremos roscados: El uso principal de las juntas roscadas se hace en los tamaños de 2 pulgadas y menores, Para las juntas roscadas de más de 2 pulgadas, aumentan con rapidez el trabajo necesario de montaje, el tamaño y el costo de las herramientas. Las roscas estrían la tubería y provocan pérdidas de resistencia y fatiga.

Roscas de tuberías rectas: se limitan a los acoplamientos ligeros, de tamaños de 2 pulgadas y menores. Cuando los dos componentes de la junta roscada son de metal soldable, la junta se puede sellar mediante soldadura. Este tipo de juntas se limita a las construcciones nuevas y no es apropiado para procedimiento de reparaciones. Cuando se usan juntas a rosca para unir materiales con coeficientes distintos de dilatación térmica, que están sujetos a temperaturas cíclicas, se puede necesitar el sellado de soldadura para evitar las fugas.

Juntas de unión Se utilizan como ayuda para montar y desmontar tanto los sistemas roscados como los soldados. Tienen asientos de metal con metal, que se oprime el uno contra el otro mediante una tuerca de rosca recta, y existen tanto en acoplamientos para unir tramos de tubería como en los extremos de algunos accesorios. En sistemas de tuberías a rosca, donde no se espera tener que desmontarlas, las juntas de unión instaladas a ciertos intervalos permiten apretar todavía más las juntas roscadas. Juntas embridadas Para tamaños mayores de 2 pulgadas, se usan cuando se espera tener que desmontar las tuberías. Las juntas embridadas no imponen tolerancias diametrales severas a la tubería. No se requiere de una alineación cuidadosa para el montaje.

Juntas de cuello empacado No requieren preparación especial del extremo de la tubería, pero exigen un control cuidadoso del diámetro. Los acoplamientos equipados con cuellos empacados en cada extremo, que se conocen como acoplamientos Dresser, existen en diferentes metales. Las juntas de cuello empacado se diseñan para soportar el mismo esfuerzo tangencial que las tuberías. No tienen resistencia a los momentos de torsión o las fuerzas axiales que tienden a separar las juntas, sino que ceden ante ellos hasta un punto indicado por las especificaciones de movimientos del extremo y de flexión angular tolerable, que proporciona el fabricante. Este tipo de juntas se utiliza mucho en líneas subterráneas. Juntas coladas No requieren ninguna preparación especial en los extremos de la tubería ni el control de diámetro. Se usan para los materiales frágiles. Las juntas coladas no pueden absorber el movimiento angular o axial sin fugas. El código limita su utilización al servicio con agua.

Juntas embutidas Requieren el control del diámetro del extremo de la tubería. Se usan para materiales frágiles. No resisten los momentos de torsión ni las fuerzas axiales que tienden a separar las juntas, sino que ceden ante ellos hasta un punto limitado por las especificaciones de movimiento de los extremos y deflexión angular admisible, que proporciona el fabricante. Tienen gran aplicación en líneas subterráneas. El código limita el uso a los servicios de agua. Juntas expandidas Se limitan a los tamaños menores de tuberías de metales dúctiles. Se utilizan para fijar uniones y bridas Lovekin a las tuberías.

Juntas estriadas De estrías cortadas: reducen el espesor de las paredes metálicas de la tubería. Su uso s e limita a tuberías de paredes gruesas. Laminadas: reducen menos el espesor de las paredes metálicas de la tubería, sin embargo reducen ligeramente el área de flujo. Se limitan a paredes delgadas de material dúctil. Las juntas estriadas resisten fuerzas axiales que tienden a separar las juntas. Se pueden utilizar en el tendido de tubería sobre terrenos desiguales. Juntas de abrazadera en V Se sujetan a al tubería mediante juntas de expansión o soldadas por ensamble. Tienen menos probabilidad de tener fugas en ciclos rápidos y soportan una amplia gama de temperaturas. Son propensas a fallar o sufrir daños debidos al exceso de presión. Se usan mucho para tuberías de aleaciones altas sujetas a reubicación o limpieza periódica. Fabricadas como piezas de forja, se usan en acero de carbono con empaques metálicos para las presiones muy altas. Resisten tanto los momentos de torsión como los esfuerzos axiales.

Juntas para tubos De ajuste abocinado: se usan para tubos dúctiles. Tienen pocas probabilidades de sufrir daños mediante el apretamiento excesivo y su eficiencia no se ve perjudicada por el montaje y desmontaje repetidos. De ajuste de compresión: se utilizan para tubos dúctiles con paredes delgadas. Para su instalación el exterior de los tubos debe estar liso y limpio. No resisten las vibraciones ni las variaciones cíclicas de temperatura. De ajuste de mordiente: para su instalación el exterior del tubo debe estar limpio y liso. Son resistentes a las vibraciones, pero no a las variaciones cíclicas de temperatura, rápidas y de intervalo amplio. Son poco adecuadas para el desmontaje y montaje frecuente. Se usa mucho para sistemas hidráulicos rellenos de aceite a todas las presiones.

Juntas pegadas Se usan en tuberías de plástico rígido, con el pegamento como modificación del plástico mismo. Juntas de inserción de abrazadera: Se usan para tuberías flexibles de plástico de tamaños de hasta 2 pulgadas.

Juntas de sello de presión: se utilizan para presiones de 600 lb/pulg2 y superiores.

Sistemas de tuberías de metales ferrosos   

Acero forjado De hierro colado centrifugado Hierro con alto contenido de silicio: son resistentes a la mayoría de los productos químicos, tales como ácidos sulfúrico, nítrico y acético, a cualquier esfuerzo y temperatura.

Sistemas de tuberías de metales No ferrosos       

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Aluminio: no se hace frágil al descender las temperaturas ni esta sujeto a la corrosión externa cuando se expone a atmósferas normales. Cobre y aleaciones de cobre Plomo y acero recubierto de plomo: se utilizan para manejar ácido sulfúrico a temperaturas moderadas Acero recubiertas de Plomo Magnesio: resisten el ataque de la mayor parte de los álcalis y muchos productos orgánicos incluyendo alcoholes, fenoles, aminas y ésteres. Níquel y aleaciones de níquel: se utilizan para ácidos de halógenos a altas temperaturas y soluciones de cloruro de sodio cáustico. Aleación de níquel-cromo-molibdeno-cobre-hierro: excelente resistencia al ácido sulfúrico a temperaturas y concentraciones que se encuentran fuera de la gama para el acero al carbono. Estaño: se utiliza para manejar fluidos para el consumo humano. Titanio: son resistentes a los ácidos oxidantes tales como el nítrico, el crómico y el agua regia y es particularmente resistente a la corrosión por el agua de mar en procesos para la extracción de agua potable.

Tuberías no metálicas y sistemas de tuberías recubiertas    

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Asbesto cemento: se utiliza ampliamente para sistemas de aguas subterráneos, para desechos y lechadas de fábricas de papel y para aguas de minas. Grafito impermeable: es resistente a a mayoría de los ácidos incluyendo el fluorhídrico, las sales y los compuestos orgánicos. Acero recubierto de cemento: De alcantarillado de arcilla vítrea: son resistentes a los productos químicos muy diluidos, con excepción del ácido fluorhídrico. Se utilizan para drenajes, desechos industriales y aguas de avenidas, a la presión atmosférica. Concreto: se utilizan para drenajes De vidrio: se fabrican con vidrio de borosilicato resistente al calor y los productos químicos. Este vidrio es muy estable en ácidos y resiste los ataques de loa álcalis en soluciones en los que el pH es de 8 o menos. Lo atacan el ácido fluorhídrico y el fosfórico glacial. Acero recubiertas de vidrio: son totalmente resistentes a temperaturas de hasta 212 °F a todos los ácidos, excepto el fluorhídrico y a todas las soluciones alcalinas hasta un pH = 12. De porcelana química: son inertes a todos los ácidos excepto el fluorhídrico; pero no son recomendables para los álcalis. Opacas o transparentes de sílice o cuarzo: se pueden utilizar continuamente a temperaturas de hasta 1000 °C. Tienen como ventajas la no contaminación de la mayoría de los productos químicos en servicios a latas temperaturas, la resistencia a los choques térmicos y características de aislamiento a altas temperaturas. De madera y de acero recubiertas de madera. Son apropiadas para temperaturas de hasta 180 °F y presiones de 200 lb/pulg2. Se utilizan en instalaciones subterráneas. Acero recubiertas de plástico y caucho Acero recubiertas de caucho De plástico: están libres de corrosión interna y externa, se pueden cortar con facilidad y no provocan corrosión galvánica cuando se unen a otros materiales. De polietileno: excelente resistencia, a la temperatura ambiente, a las sales, los hidróxidos de sodio y amonio y los ácidos sulfúrico, nítrico y clorhídrico. Cloruro de polivinilo (PVC) y cloruro de polivinilo clorado (CPVC): excelente resistencia a la temperatura ambiente a las sales, el alcohol, la gasolina, el hidróxido de amonio, el ácido sulfúrico, el acético y el clorhídrico; pero puede sufrir daños mediante las cetonas, los aromáticos y algunos hidrocarburos clorados. Termo-fraguadas y reforzadas: resistentes a los ácidos no oxidantes, los álcalis, el agua salada y los gases corrosivos. Resina de poliéster con refuerzo de vidrio: resisten ácidos fuertes y soluciones alcalinas.

BOMBAS Las bombas son dispositivos que se encargan de transferir energía a la corriente del fluido impulsándolo, desde un estado de baja presión estática a otro de mayor presión. Están compuestas por un elemento rotatorio denominado impulsor, el cual se encuentra dentro de una carcasa llamada voluta. Inicialmente la energía es transmitida como energía mecánica a través de un eje, para posteriormente convertirse en energía hidráulica. El fluido entra axialmente a través del ojo del impulsor, pasando por los canales de éste y suministrándosele energía cinética mediante los álabes que se encuentran en el impulsor para posteriormente descargar el fluido en la voluta, el cual se expande gradualmente, disminuyendo la energía cinética adquirida para convertirse en presión estática. Bomba centrífuga La bomba centrífuga es el tipo que se utiliza más en la industria química para transferir líquidos de todos tipos, materias primas, materiales de fabricación y productos acabados. Las ventajas primordiales de una bomba centrífuga son la simplicidad, el bajo costo inicial, el flujo uniforme, la simplicidad de su instalación y los costos. Una bomba centrífuga es una máquina que consiste de un conjunto de paletas rotatorias encerradas dentro de una caja o cárter, o una cubierta o coraza. Se denominan así porque la cota de presión que crean es ampliamente atribuible a la acción centrífuga. Las paletas imparten energía al fluido por la fuerza de esta misma acción. Así, despojada de todos los refinamientos, una bomba centrífuga tiene dos partes principales: (1) Un elemento giratorio, incluyendo un impulsor y una flecha, y (2) un elemento estacionario, compuesto por una cubierta, estoperas y chumaceras.

Funcionamiento El flujo entra a la bomba a través del centro u orificio del impulsor aplicando cierta potencia al eje A, que hace girar el impulsor B dentro de la caja estacionaria C. Las hojas del impulsor al girar producen una reducción de presión a la entrada del orificio del impulsor. Esto hace que fluya líquido al impulsor desde la tubería D. este líquido9 se ve obligado a salir a lo largo de las paletas a velocidades tangenciales crecientes. La velocidad de carga que adquiere al salir de las puntas de las paletas, se convierte en carga de presión conforme pasa el líquido a la cámara espiral y de esta última a la descarga E.

Partes principales de una bomba centrífuga

Carcasa: Es la parte exterior protectora de la bomba y cumple la función de convertir la energía de velocidad impartida al líquido por el impulsor en energía de presión. Esto se lleva a cabo mediante reducción de la velocidad por un aumento gradual del área. Impulsores: Es el corazón de la bomba centrífuga. Recibe el líquido y le imparte una velocidad de la cual depende la carga producida por la bomba. Anillos de desgaste: Cumplen la función de ser un elemento fácil y barato de remover en aquellas partes en donde debido a las cerradas holguras entre el impulsor y la carcasa, el desgaste es casi seguro, evitando así la necesidad de cambiar estos elementos y quitar solo los anillos. Estoperas, empaques y sellos: la función de estos elementos es evitar el flujo hacia fuera del líquido bombeado a través del orificio por donde pasa la flecha de la bomba y el flujo de aire hacia el interior de la bomba. Flecha: Es el eje de todos los elementos que giran en la bomba centrífuga, transmitiendo además el movimiento que imparte la flecha del motor. Cojinetes: Sirven de soporte a la flecha de todo el rotor en un alineamiento correcto en relación con las partes estacionarias. Soportan las cargas radiales y axiales existentes en la bomba. Bases: Sirven de soporte a la bomba, sosteniendo el peso de toda ella.

Bombas de chorro Es la clase de dispositivos de manejo que utilizan la cantidad de movimiento de un fluido para desplazar otro. Los tipos de bombas de chorro son los eyectores y los inyectores. El eyector (sifón), se diseña para la utilización en operaciones en las que la carga contra la que se realiza el bombeo es baja y menor que la carga del fluido utilizado para bombear. El eyector se utiliza para transferir líquidos de un depósito a otro, elevar ácidos, álcalis o líquidos que contengan sólidos de naturaleza abrasiva y para vaciar sumideros. El inyector funciona por medio de vapor y se utiliza para la alimentación de quemadores. Bombas electromagnéticas Se utilizan para la circulación de transferencia calorífica de metales líquidos en sistemas de reactores nucleares. Todas las bomba electromagnéticas utilizan el principio motor, en donde el fluido es el conductor.

Medición del rendimiento La cantidad de trabajo que realiza cualquier dispositivo de transporte de fluidos es el producto de: 1) el índice de la velocidad con la que pasa el fluido por él (capacidad) y 2) la altura de la columna de fluido equivalente (carga), en condiciones adiabáticas, a la presión diferencial total medida inmediatamente antes y después del dispositivo. Capacidad: se expresa en diversas unidades, dependiendo del tipo de dispositivo. Por lo general se usan los galones por minuto o los metros cúbicos por minuto para la mayoría de los tipos de bombas de líquidos. Trabajo realizado en el bombeo: es el trabajo realizado para hacer que un líquido se desplace en contra de la gravedad. Caballaje de potencia hidráulica (trabajo teórico): es necesario conocer la carga dinámica total y el peso del líquido que se debe bombear en un tiempo dado. El peso se expresa en función del volumen y la densidad o densidad relativa. Velocidad: puesto que la mayoría de los líquidos son prácticamente incompresibles, existe una relación definida entre la cantidad que fluye por un punto dado en un tiempo determinado y la velocidad del flujo.

Cavitación La presión mínima a la cual un bomba operará adecuadamente debe ser por encima de la presión de vapor del fluido; de lo contrario el fluido se vaporizará o hervirá, esto se conoce como cavitación. Cuando la bomba es llenada con gas o vapor se forma un sello de vapor y la bomba no funciona cuando esto ocurre. Cuando la presión en cualquier punto dentro de la bomba gotea por debajo de la presión de vapor del líquido, se formaran burbujas de vapor en aquel punto (esto generalmente ocurre en o cerca del impulsor). Estas burbujas serán entonces transportadas a otra región en el fluido donde la presión es más grande que la presión de vapor, punto o momento en el cual se colapsará. Esta formación y colapso de burbujas ocurre rápidamente y puede crear ondas de choque locales. Las cuales pueden causar erosión y serios daños al impulsor o la bomba.

NPSH Para prevenir la cavitación, es necesario que la presión en la succión de la bomba sea suficientemente alta para que la mínima presión en todas partes en la bomba este por encima de la presión de vapor. Este requerimiento mínimo de presión de succión (en exceso de la presión de vapor) depende del diseño de la bomba, el tamaño del impulsor, la velocidad y el rango de flujo. Así pues se puede ver que para cada bomba hay cierta carga mínima de succión necesaria para su funcionamiento; esta carga es siempre menor que la altura barométrica equivalente del líquido que se maneje. Este valor varía con el gasto y se conoce como carga de succión neta positiva que se requiere NPSHR. Una bomba no presentará cavitación si NPSHA > NPSHR + carga de presión de vapor

LEYES DE AFINIDAD Son las relaciones matemáticas entre las diferentes variables involucradas en el funcionamiento de una bomba. Estas aplican para todo tipo de bomba centrífuga y de flujo axial. Consiste en partir de las condiciones iniciales de funcionamiento (1), para estimar el comportamiento der estas funciones en un punto determinado (2), a otra velocidad y diámetro del impulsor. La eficiencia permanece constante para cambios moderados en la velocidad y para pequeños cambios en el diámetro del impulsor. Un cambio en el tamaño del diámetro del impulsor o de la velocidad de revolución afecta el flujo volumétrico o a la velocidad al primer orden; la cabeza de presión al segundo orden y la potencia de la bomba al tercer orden.

Bibliografía  Perry, Robert H. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. McGraw – Hill.  Ron Darby. Chemical engineering Fluid Mechanics 2nd edition.

Resumen y adaptación: Leticia Judith Moreno Mendoza