diseño de recipientes a presión para productos agroindustriales

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DISEÑO DE RECIPIENTES A

PRESIÓN PARA PRODUCTOSAGROINDUSTRIALES

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TUMBES

ESCUELA DE AGROINDUSTRIAS

Docente: Ing. Edwin Torres Infnte

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DEFINICIÓN¿Qué se entiende por recipientes a presión?

Cuando se habla de recipientes a presión porlo general se suele pensar en balones de gaso algo relacionado con el uso y maneo dehidrocarburos! lo cual es completamente

errado ! ya "ue no solo en la industriapetro"u#mica se emplean e"uipos capaces desoportar altas presiones producidas por el tipode producto "ue contiene$

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En el campo de la agroindustria se podr#a

decir "ue un recipiente a presión escual"uier recipiente cerrado sueto a unadi%erencia de presión mayores a &$' bar$

Dentro de esta de(nición est)n

consideradas las calderas! losintercambiadores de calor! autocla*es! etc$ +odos e"uipos "ue de acuerdo a susprincipios tecnológicos son ,tiles para el

procesamiento agroindustrial$

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Caldera

Intercambiador -utocla*ehori.ontal

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Clasi(cación/e puede clasi(car dependiendo del espesorde la pared en0

A. Recipientes de paredes fnas./on a"uellos "ue tiene una relación delespesor de la pared con respecto aldi)metro del recipiente menor a 101&

B. Recipientes de paredes gresas/on a"uellos "ue tiene una relación delespesor de la pared con respecto al di)metrodel recipiente mayor a 101&

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Códigos y est)ndaresEs sabido "ue no e2isten est)ndaresinternacionales para el dise3o de recipientes apresión! sin embargo en la mayor parte delmundo se sigue los Códigos -/4E 567$ ! lacual esta sub di*idida en 18 secciones! siendola sección 7III la "ue presenta las 9eglas parala construcción de recipientes a presión$

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/ECCIÓN 7III : -/4E 567DI!ISIÓN ".# Contiene normas generales y es la mas

com,nmente seguida! particularmente para recipientes de baapresión$

DI!ISIÓN $.# Contiene normas alternati*as "ue son masrestricti*as en los materiales! las temperaturas de dise3o! los

detalles del dise3o! los métodos e inspecciones de %abricación!pero permiten es%uer.os de dise3o mayores! y por lo tanto!paredes de recipiente mas (nas$ Esta di*isión es utili.adageneralmente para recipientes grandes y presiones ele*adasdonde el ahorro en el costo del metal y la compleidad de la%abricación compensan los costos mas ele*ados de ingenier#a yconstrucción$

DI!ISIÓN %.# Contiene normas alternati*as propuestas pararecipientes con presiones de dise3o mayores a 1& &&& psig$ Nose establece una presión m)2ima! pero proporciona normasalternati*as "ue se pueden seguir para recipientes de pared

gruesa$

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C;N/IDE9-CI;NE/ DE<

DI/E=;Presi&n de Dise'(>n recipiente se debe dise3ar para soportar la presión m)2imaa la "ue sea probable "ue esté sometido durante la operación$

6or eemplo para los recipientes de baa presión interna! lapresión de dise3o se considerar) como la presión a la "ue seausta el dispositi*o de descarga! la cual ser) por lo general de' a 1& por encima de la presión normal de trabao! para e*itarun trabao (cticio de la *)l*ula de descarga durante procesosde menor importancia$

<os recipientes suetos a presiones e2ternas se debe dise3arpara resistir la presión di%erencial m)2imo "ue es probable "uese produ.ca en %uncionamiento$<os recipientes "ue probablemente trabaen con *acio se debendise3ar para una presión negati*a total de 1 bar$

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C;N/IDE9-CI;NE/ DE<

DI/E=;Te)peratra de dise'(<a temperatura m)2ima de dise3o a la "ue se

e*al,a el es%uer.o permisible m)2imo se debetomar como la temperatura m)2ima detrabao del material! con la permisibilidaddebida para cual"uier incertidumbrein*olucrada en la predicción de lastemperaturas de la pared del recipiente$

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C;N/IDE9-CI;NE/ DE<

DI/E=;*ateria+es<a selección del material adecuado debe

tener en cuenta la idoneidad del material parael %abricante @particularmente en lassoldadurasA tanto como la compatibilidad delmaterial con el medioambiente de proceso$

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C;N/IDE9-CI;NE/ DE< DI/E=;Efciencia de +a Uni&n S(+dada , Categ(r-as de

C(nstrcci&n<a resistencia de una unión soldada depende del tipo de unión yla calidad de la soldadura$El Código -/4E de(ne cuatro categor#as de soldadura0

-$ /oldaduras en espiral o longitudinales en la carcasa principal!el cuello o las bo"uillas! o soldaduras circulares "ue conectancabe.ales hemis%pericos a la carcasa principal! cuellos obo"uillas$

5$ /oldadura circulares en la carcasa principal! cuello o bo"uilla o

conectadas con una cabe.a %ormada "ue no sea hemis%érica$C$ /oldaduras "ue conectan bridas! placas tubulares cabe.asplanas a la carcasa principal! una cabe.a %ormada! cuello obo"uilla$

D$ /oldaduras "ue conectan c)maras comunicadas o bo"uillas ala carcasa principal! a cabe.as o a cuellos$

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C;N/IDE9-CI;NE/ DE< DI/E=;

C(rr(si&n Per)isi+eEs el espesor adicional del metal a3adido parapermitir la pérdida de material por corrosión yerosión! o desescamación$/i bien es cierto en las normas internacionalesno consideran un *alor establecido para

considerar espesores adicionales por lacorrosión es practico "ue se considere entre 1a B mm dependiendo del material a usar$

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C;N/IDE9-CI;NE/ DE<

DI/E=;Cargas de Dise'(/e debe dise3ar una estructura para resistir lade%ormación pl)stica gruesa o el colapso baotodas las condiciones de carga$<as cargas se pueden clasi(car en0Cargas mayores$ las cuales siempre se deben

considerar en el dise3o de recipientes apresión$Cargas /ubsidiarias$ las cuales por lo generalno siempre est)n contempladas en el dise3o$

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C;N/IDE9-CI;NE/ DE<

DI/E=;Cargas 6rincipales1$ 6resión del dise3o0 incluye cual"uier carga

est)tica signi(cati*a del l#"uido$8$ 6eso m)2imo del recipiente y su contenido!

en las condiciones de operación$$ 6eso m)2imo del recipiente y su contenido!

en las condiciones de ensayo hidr)ulicas$B$ Cargas por el *iento$'$ Cargas por terremotos @s#smicasA$$ Cargas soportadas por el recipiente$

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C;N/IDE9-CI;NE/ DE<DI/E=;Cargas Ssidiarias1$ Es%uer.os locales causados por los soportes!

estructuras internas y tuber#as de cone2ión$8$ Cargas de cho"ue pro*ocadas por un

martillo hidr)ulico! o por el contenido delrecipiente$

$ 4omentos de pandeo pro*ocados por lae2centricidad del centro de la presión detrabao en relación al ee neutral delrecipiente$

B$ Cargas pro*ocadas por uctuaciones en la

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C;N/IDE9-CI;NE/ DE<

DI/E=;Espes(r *-ni)( practic( de pared.E2iste un espesor m#nimo de pared re"ueridopara garanti.ar "ue cual"uier recipiente es

su(cientemente r#gido para soportar su propiopeso! y cual"uier carga adicional$

Di/)etr( de+ recipiente0)1

Espes(r )-ni)( 0))1

1 '1 a 8 G

8 a 8$' H

8$' a $& 1&

$& a $' 18

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C;N/IDE9-CI;NE/ DE<

DI/E=;Compensación para aberturas y rami(caciones<a presencia de aberturas debilita la carcasa! y da lugar aconcentraciones de es%uer.os mayores$ 6ara contrarrestar

ese e%ecto! el método mas sencillo para proporcionar lacompensación es soldar un asiento o collar alrededor de laabertura$El di)metro e2terno del asiento generalmente serecomienda este entre 1 y 8 *eces el di)metro del

aguero o rami(cación

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En una rami(cación ! se recomienda

proporcionar el es%uer.o re"uerido! con o sinasiento! permitiendo "ue la rami(caciónsobresalga dentro del recipiente$ /in embargoesta disposición de sede manear con mucho

cuidado ya "ue esta sobresaliente puedegenerar un %oco de contaminación poracumulación de suciedad o por la generaciónde grietas en la "ue puede ocurrir una

corrosión locali.ada$

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C;N/IDE9-CI;NE/ DE<

DI/E=;/;6;9+E/ DE< 9ECI6IEN+EEl método usado para soportar un recipientedepender)0

 del tama3o  %orma peso del recipiente la temperatura

la presión de dise3o la ubicación disposición del recipiente los accesorios internos y e2ternos$

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En +(s recipientes 2(ri3(nta+espara este tipo de recipientes el tipo de soporte masutili.ado es el de silla! en el cual se disponen de dos sillasde apoyo colocadas al 81 del tramo! desde cada e2tremo$/e considera "ue el )ngulo de contacto no debe ser menore 18&J ni mayor de 1'&J

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Consideraciones para el dise3o de soportes tipo silla

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S(p(rtes tip( 4a+da

<os soportes tipo %alda se recomiendan pararecipientes *erticales ! ya "ue no imponencargas concentradas en la carcasa delrecipienteK son particularmente adecuadas para

su uso con columnas altas sometidas a cargaspor *iento$ Estas 6ueden ser de %orma recta ocónica$<as %aldas se pueden soldar al cabe.al del %ondodel recipiente o soldarse a ras de la carcasaK osoldarse al e2terior de la carcasa del recipiente

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Consideraciones para el dise3o de soportes tipo %alda

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Consideraciones para el dise3o de soportes tipo%alda

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S(p(rtes tip( ara3aderas ( asas

/on usadas en todo tipo de recipientes $ <ossoportes se deben dise3ar para soportar el pesodel recipiente y sus contenidos! y cual"uier cargasuperpuesta! tales como las cargas por *iento$

En este tipo de soportes se generaran cargas enlas paredes del recipiente! por lo "ue se deber)comprobar el dise3o a (n de garanti.ar "ue lasconcentraciones de es%uer.o resultantes esténpor debao del es%uer.o m)2imo del dise3o

permisible $

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C;N/IDE9-CI;NE/ DE<

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C;N/IDE9-CI;NE/ DE<DI/E=;DISEÑO DE UNIONES SOLDADAS

4uchas %ormas di%erentes de uniones soldadas sonnecesarias en la construcción de un recipiente a presión$/in embargo se debe considerar "ue una unión soldada

debe satis%acer los siguientes re"uisitos b)sicos01$ ;%recer una buena accesibilidad para soldadura y la

inspección8$ 9e"uerir la cantidad m#nima de metal para soldar$

$ ;%recer una buena penetración del metal para soldar!desde ambos lados de la unión si es practicable$B$ Incorporar su(ciente e2ibilidad para e*itar el cra"ueo

debido a la e2pansión térmica di%erencial$

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<a %orma correcta de usar para una unióndada depender) del material! el método desoldadura @manual o con ma"uinaA! el espesorde la placa y las condiciones de ser*icio$

-s# mismo! se debe tener en cuenta "uecuando se reali.a soldaduras en el e2tremoentre dos placas de di%erentes espesor ! laplaca mas gruesa se reduce en espesor conuna pendiente no superior de 1 a @1HJA$

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6rincipales %undamentos yecuaciones

ES5UER6OS PRINCIPALES<os es%uer.os principales son los *aloresm)2imos de los es%uer.os normales en elpunto! "ue act,an sobre un planos donde eles%uer.o cortante es cero$6or eemplo en sistemas de es%uer.o cortantebidimensional! los es%uer.os principales encual"uier punto est)n relacionados con loses%uer.os normales en la direcciones 2! y! L2 yLy y el es%uer.o cortante M2y

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9epresentación r)(ca

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TEORIA DE 5ALLAS

A. te(r-a de es4er3( principa+ )/7i)(.# estepostula "ue un miembro %allar) cuando uno de loses%uer.os principales alcance el *alor de %allo en unes%uer.o sencillo! LOe$

B. te(r-a de energ-a de es4er3( )/7i)(.# el cual

postula "ue el %allo ocurrir) en un sistema de es%uer.ocompleo cuando la energ#a de es%uer.o total por unidadde *olumen alcance el *alor en el "ue el error ocurreen un es%uer.o sencillo$C. Te(r-a de es4er3( de c(rte )/7i)(.# estapostula "ue el error ocurrir) en sus sistema de es%uer.ocompleo cuando el es%uer.o de corte m)2imo alcan.ael *alor del es%uer.o de corte en el %allo en un es%uer.osencillo$

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/e debe considerar adem)s "ue el es%uer.o de cortem)2imo depender) del signo de los es%uer.os

principales tanto como de su magnitud! y en un sistemade es%uer.o bidimensional! tales como a"uel de unrecipiente de presión de pared (na! el *alor m)2imo deles%uer.o de corte puede ser a"uel dado al indicar L P &$

/e debe tener presente adem)s "ue para un sistema dees%uer.os combinados e2isten tres es%uer.os de cortem)2imos$

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ES5UER6OS DE *E*BRANA EN

CARCASAS DE RE!OLUCIÓN<a mayor#a de recipientes de procesos est)n%abricados a partir de carcasas de re*olución!cuyas paredes por su delgade. pueden

considerarse membranasR por no soportarcargas de es%uer.o de corte o torsiónsigni(cati*as! similar a las paredes de unbalón$

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Forma t#pica de un recipiente

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Es%uer.os en una carcasa de re*olución

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Es%uer.os en un Cilindro

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Es%uer.os en una Es%era

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Es%uer.os en un Cono

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Es%uer.os en una Elipse

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Es%uer.os en +oro

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Donde/ P Es%uer.o permisible m)2imoD P di)metro e%ecti*o de la placaC P >na constante! "ue depende

del soporte del borde$

6<-C-/ 6<-N-/

/e utili.an placas planas para cubrir las bocasde los alcantarillados! bridas ciegas y para%ondos de los recipientes$

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DI<-+-CIÓN DE <;/ 9ECI6IEN+E/

5ao presiones internas un recipiente see2pandir) ligeramente$ 6ara un cilindrocerrado por una cabe.a semies%érica delmismo espesor! la di%erencia de la dilatación

de las dos secciones! si %ueran libres dee2pandirse de %orma separada seria$

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E/F>E9S; 4-TI4; 6E94I/I5<E @9E/I/+ENCI-N;4IN-< DE< DI/E=;A

Este se determina aplicando un %actor deseguridad del es%uer.o m)2imo "ue el materialpuede esperarse "ue pueda soportar sin %allosbao las condiciones de ensayo est)ndar$

<as bases para el establecimiento de los*alores de es%uer.os m)2imos permisiblesest)n establecidos en el código -/4E! atemperatura donde la resistencia a rotura pores%uer.o no gobierna la selección de loses%uer.os! el es%uer.o m)2imo permisible es elmas bao de0

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1$ <a resistencia al es%uer.o m#nimoespeci(cada a temperatura ambientedi*idida por $'$

8$ <a resistencia al es%uer.o a una temperatura

di*idida por $'$$ <a resistencia al rendimiento m#nimo

especi(cada a temperatura ambientedi*idida por 1$'$

B$ <a resistencia al rendimiento a unatemperatura di*idida por 1$'$

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- temperatura donde gobierna la rotura por

es%uer.o y uencia ! el es%uer.o m)2imopermisible es el mas bao de0

1$ El es%uer.o promedio para producir una*elocidad de uencia de &$&&1U1&&&h$

8$ F *eces el es%uer.o promedio para pro*ocarla rotura en el (nal de 1&&&h! donde FP&$Gpara temperatura por debao de V1'JC$

$ &$V *eces el es%uer.o m#nimo para pro*ocarla rotura después de 1&& &&&h$

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DI/E=; DE 9ECI6IEN+E/ DE 6-9ED

FIN- 5-W; 69E/IÓN IN+E9N-C-9C-/- CI<IND9IC- X E/FY9IC-

6ara una carcasa cil#ndrica el espesor m#nimore"uerido para resistir la presión interna sedetermina aplicando la ecuación0

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6ara el caso de carcasas es%éricas el espesor

m#nimo para resistir la presión interna se debecalcular0

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C-5ES-< X CIE99E

<os e2tremos de un recipiente cilindrico secierran mediante cabe.ales de *arias %ormas$ <osprincipales tipos usados son0

6lacas planas y cabe.ales planos

Cabe.ales hemis%éricos Cabe.al el#ptico Cabe.al toris%éricos

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6lacas planas y cabe.ales planos

Espesorm#nimo

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Donde0C 0 Constante de dise3o!depende de la restricción delborde$

De0 di)metro normal de la placa/0 es%uer.o permisible m)2imo$E0 e(ciencia de la unta

-un"ue el costo de %abricación es bao! lasterminaciones planas no son %ormas

estructuralmente e(cientes! y se re"uerir)n deplacas muy gruesas para presiones ele*adas odi)metros grandes$El espesor re"uerido depender) del grado de

restricción de la peri%eria de la placa$

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7alores t#picos de la constante C y el

di)metro nominal de la placa De$aA  +erminaciones solo con bridas0 C P &$1G si el radio de laes"uina no es mayor "ue t! de otro modo C P &$10 De esigual a Di$

bA 6lacas soldadas en la terminación de la carcasa con uncordón de soldaduraK )ngulo de cordón de B'J ypro%undidad de soldadura G& del espesor de la carcasa!C P &$ tUts! donde ts es el espesor de la carcasaK De P Di

cA Cubierta de pernos con una unta de cara completa0 C P

&$8' y De es el di)metro del circulo del perno$dA Cubierta de terminación con pernos con una de caraatornillada 0 C P &$ y De se podr#a tomar como undi)metro medio de la unta$

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Cabe.ales hemis%éricos @aA! Cabe.al el#ptico @bA y Cabe.altoris%éricos @cA

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Secci(nes c&nicas , cierres de +(s e7tre)(s/e usan secciones cónicas @reductorasA para reali.ar

una reducción gradual en el di)metro de unasección cil#ndrica a otra de di)metro mas pe"ue3o$<as terminaciones cónicas se usan para %acilitar lacirculación sua*e y eliminar los sólidos del e"uipode proceso! tales como tol*as! secadores depul*eri.ación y cristali.adores$

Donde0Dc0 es el di)metro del

cono en el punto  : la mitad del ángulo del

ápice del cono.

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EemploEstimar el espesor re"uerido para las partescomponentes del recipiente mostrado! sabiendo"ue el recipiente es para trabaar a una presión de

1B bar @absolutaA y una temperatura de 8&JC$ elmaterial de construcción ser) en acero al carbono$<as soldaduras estar)n totalmente radiogra(adas$ Xconsiderando una corrosión permisible de 8 mm$

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/olución

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Espesor m#nimo

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