Engineering Tips: Diseño de sistemas de tuberías con orificios de restricción

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Los orificios de restricción son empleados en múltiples de aplicaciones donde es necesario reducir el flujo y la presión de fluidos en tuberías. Estos se pueden emplear tanto para gases, vapores y fluidos corrosivos. Muchas de sus aplicaciones están vinculadas con seguridad de las plantas y protección de los equipos:

  • Sistema de despresurización en plantas de tratamiento de gas, donde es necesario por requerimiento del API 521, en caso de situaciones de emergencia y posibilidad de sobrepresión, reducir las condiciones de presión hasta el 50% de la presión de diseño del equipo o sistema a proteger. Esto se debe de realizar en un tiempo de 15 min.
  • Líneas de mínima recirculación de bombas, para mantener el flujo necesario de protección de las bombas y reducir la presión requerida del sistema al cual se recircula dicho flujo.
  • Sistemas de drenaje, desde equipos a alta presión hasta sistema de recogida de drenajes que trabajan a condiciones atmosféricas.

Para definir correctamente estos elementos, es necesario determinar el tipo de fluido de trabajo (estado, toxicidad y corrosión), las condiciones de presión y temperatura de entrada, así como la caída de presión requerida. Para el caso de los líquidos es importante la densidad o gravedad específica, mientras que, para gases y vapor, es importante en la relación cp/cv y el factor de expansión (y).

Los parámetros que definen un orificio de restricción son el diámetro del orificio, beta y espesor. El valor beta viene determinado por la relación entre diámetro del orificio y diámetro interno de la tubería.

Por ser elementos de un coste relativamente bajo y de fácil construcción, se suele tender en los proyectos a no considerarse críticos por los procesistas. Sin embargo, la experiencia nos ha demostrado que muchas veces se realiza un mal diseño de los mismo, que tiene impacto en el diseño de otras disciplinas, como piping, o en problemas de funcionamiento posteriores en las instalaciones, debido a un alto grado de vibraciones y ruidos (por velocidades excesivas) y flashing o cavitaciones (cuando hablamos de líquidos).

Uno de los impactos más importantes encontrados en el desarrollo de los proyectos, derivado de una mala definición inicial, es el diseño de los ruteados de tuberías con poco espacio para el emplazamiento de estos dispositivos. Dependientes de la relación de presiones, los orificios de restricción pueden ser de una sola etapa (requiriendo espacios pequeños) hasta ser necesarias varias etapas (requiriendo espacios mayores). Para aplicaciones que requieren altas caídas de presión, se suelen requerir mayor número de etapas, lo cual:

  • En el caso de los líquidos: reduce o evita los fenómenos de cavitación
  • En el caso de los gases: evita vibraciones y ruido excesivo, así como fenómenos de choked.

En cuestión de espacios también hay que considerar que para tener perfiles desarrollados y evitar interferencia, los orificios deberán mantener aguas arriba (al menos 8D) y aguas abajo (al menos 4D) tramos rectos.

CADE cuenta con un experimentado equipo de ingeniería de procesos como pieza fundamental del desarrollo de proyectos; donde aspectos como la hidráulica, la transferencia de calor, o el profundo conocimiento de procesos químicos o termodinámicos, son claves y diferenciadores en un correcto diseño de instalaciones industriales y unidades de proceso. 

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