Pautas de cálculo hidráulico (PDF)

1. ¿Cuál es el propósito del cálculo hidráulico?

Se realiza un cálculo hidráulico para la bomba, el compresor, la válvula de control y el sistema de tuberías. Estos son los equipos e instrumentos más utilizados en las industrias de procesos. El objetivo principal del cálculo hidráulico es proporcionar criterios y requisitos mínimos para la selección de bombas, compresores y válvulas de control para desarrollar la hoja de datos del proceso. En cuanto a la adquisición de bombas, compresores y válvulas de control, es necesario transmitir toda la información del proceso a los respectivos proveedores en forma de hoja de datos del proceso. Si se dan instrucciones específicas en las especificaciones del proyecto, deben tener prioridad sobre los requisitos establecidos en estas directrices.

El cálculo hidráulico se puede realizar en las diferentes etapas de un proyecto, por ejemplo, en una etapa preliminar, en la etapa de ingeniería de detalle también después de emitir dibujos isométricos.

2. Pasos para el cálculo hidráulico

Para el cálculo hidráulico, es necesario construir un circuito hidráulico antes del cálculo hidráulico. Además, debe recopilar los datos requeridos (consulte 2.1) antes de realizar el cálculo hidráulico, debe seguir los pasos a continuación:

  • Paso 1, seleccione el circuito cuyo cálculo hidráulico debe realizarse.
  • Paso 2, marque el circuito hidráulico en PFD y luego en P & ID.
  • Paso 3: Dibuje el circuito hidráulico en el software respectivo (ya que las diferentes compañías usan software diferente).
  • Paso 4: todos los elementos a través de los cuales cae la presión, como medidor de flujo, filtro, intercambiador de calor, secador, válvula de control, FO, etc., deben mostrarse en el circuito hidráulico para calcular la presión de punto final en todos y cada uno de los segmentos.
  • Paso 5: coloque el caudal, las propiedades físicas, el diámetro nominal, el factor de rugosidad, la longitud equivalente, etc. en cada segmento de tubería.
  • Paso 6, Ejecute el modelo.
  • Paso 7, Verifique y evalúe el resultado del cálculo hidráulico.

2.1 ¿Cuáles son los datos necesarios para el cálculo hidráulico?

Los datos que se utilizarán para el cálculo hidráulico, como el caudal, la temperatura, la presión, etc., deben aclararse de la siguiente manera. Los datos de diseño se obtendrán de, entre otros, los siguientes documentos;

  • Diagrama de flujo de proceso (PFD)
  • Datos básicos de diseño de ingeniería (BEDD)
  • Diagrama de tuberías e instrumentos (P&ID)
  • Calor y balance de materiales (H y MB)
  • Plano del terreno
  • Ficha técnica del equipo
  • Especificación de material de tubería

Datos de entrada para el cálculo hidráulico

El siguiente es un resumen de los datos de entrada que se prepararán antes del diseño hidráulico.

(1) Datos operativos requeridos en el cálculo hidráulico

  • – Servicio de identificación
  • – Nombre del fluido para identificación
  • – From-To para identificación
  • – Caudal(es) de líquido y/o vapor
  • – La temperatura
  • – Presión
  • – Propiedades físicas

Para servicio de líquidos: Densidad, Viscosidad, Presión de vapor, Presión crítica, SpGr @15°C

Para servicio de vapor: Densidad, Viscosidad, Peso molecular, Relación de calor específico (Cp/Cv)

Factor de compresibilidad (Z)

Flujo de dos fases: Densidades y Viscosidad tanto para líquido como para vapor

(2) Datos de construcción en el cálculo hidráulico

  • – Clase de línea
  • – Elevación a la entrada y salida del sistema de tuberías.
  • – Distancia entre origen y destino.
  • – Instrumentos, tipos y cantidades
  • -Diferentes válvulas y accesorios, tipos y cantidades.
  • – Válvulas de control)
  • – Bomba(s), compresor(es) y soplador(es)

(3) Requisito de diseño en el cálculo hidráulico

  • – Bomba NPSH disponible
  • – % de sobrediseño: especificación del caudal de diseño, si corresponde
  • – Turndown % – especificación del caudal mínimo, si lo hay

3. Cálculo y fórmulas hidráulicas

3.1 Generalidades:

(1) Como sabemos, la capacidad, la potencia y los requisitos de cabeza de las bombas y los compresores dependen de la caída de presión por fricción impartida por el sistema de tuberías asociado. Entonces, en un cálculo hidráulico, todo el circuito debe desarrollarse según P & ID. Las pérdidas de presión a través de la tubería deben calcularse cuidadosamente. Los principales parámetros que se utilizan para comprobar son las caídas de presión y la velocidad. Si se ha observado en un cálculo hidráulico que la caída de presión y la velocidad exceden los criterios de limitación dados en los criterios del proyecto, entonces se puede aumentar el tamaño de la línea y está sujeto a la aprobación del cliente. El principio básico para fijar los tamaños de las líneas debe basarse en un punto de vista económico, es decir, minimizar la suma de los costos operativos y la inversión.

3.1.1 Principio básico para el dimensionamiento de líneas utilizado en el cálculo hidráulico:

  • (1) El principio básico para fijar los tamaños de línea durante la realización de cálculos hidráulicos debe basarse en un punto de vista económico, es decir, minimizar la suma de los costos operativos y la inversión.
  • (2) Sin embargo, los tamaños de línea no deben exceder las limitaciones dadas en las especificaciones del proyecto.
  • (3) En algunos casos, los requisitos del proceso tendrán prioridad sobre los aspectos económicos; por ejemplo, en el caso de líneas de succión de bombas donde el NPSH es la principal preocupación.
  •  (4) En los proyectos de renovación o modificación de la planta existente, es más probable que aumente la velocidad del fluido que en los proyectos de nueva instalación.

3.1.2 Fórmula de cálculo de caída de presión utilizada en el cálculo hidráulico:

(1) La caída de presión por fricción se calculará utilizando la ecuación de Darcy-Weisbach de la siguiente manera:

Ecuación de Darcy-Weisbach
Ecuación de Darcy-Weisbach

Aquí,

  • ΔP= Caída de presión por fricción
  • f= factor de fricción de Moody
  • e = Longitud equivalente
  • S2= Factor de conversión de unidades.

(2) Para flujo laminar (número de Reynolds por debajo de 2000), el factor de fricción se puede calcular como f=64/Re, aquí f=factor de fricción.

(3) Para flujo turbulento (número de Reynolds superior a 4000), el factor de fricción se puede calcular usando una ecuación desarrollada por la correlación de Colebrook como se indica a continuación:

correlación de Colebrook
correlación de Colebrook

Donde, ɛ = rugosidad interior de la tubería, a menos que se especifique lo contrario, la rugosidad de la tubería de acero comercial puede tomarse como 0,0457 mm.

Los siguientes son fluidos típicos en esta categoría.

  • – Hidrocarburos generales
  • – Agua tratada químicamente como agua de refrigeración, agua de alimentación de calderas, etc.

(4) Se aplicará la fórmula empírica de Hazen y William en un cálculo hidráulico, tomando a Hazen y Williams como

Fórmula empírica de Hazen y William
Fórmula empírica de Hazen y William

Dónde

  • f = Pérdida de carga por fricción, m
  • e = Longitud equivalente, m
  • C = factor de fricción
  • Q = Caudal, m 3 /seg
  • D = Diámetro interior de la tubería, m
  • 3 = Factor de conversión de unidades, 0.002125

La fórmula se puede utilizar para cualquier líquido que tenga una viscosidad en el rango de 1,13 centistokes, que es el caso del agua a 15 °C. Factor de fricción C = 100, para el siguiente servicio;

  • – Agua de mar, que fluye en una tubería de superficie interna no tratada
  • – Agua con contenido de oxígeno y sin tratar químicamente, como agua potable, agua industrial, etc., que fluye en una tubería de superficie interior sin tratar

(5) Fórmulas de flujo de gas comprimible utilizadas en el cálculo hidráulico

Para servicio de caída de presión baja: Para estimar la caída de presión en tramos cortos de tuberías de gas, la fórmula de Darcy-Weisbach descrita anteriormente es aplicable y precisa, suponiendo que la caída de presión a través de la línea no supere el 10 % de la presión total (GPSA Engineering Databook, Sección 10).

Para el servicio de caída de alta presión, en las tuberías de gas ordinarias, el flujo es más adiabático que verdaderamente isotérmico. La caída de presión del flujo adiabático se puede calcular usando las siguientes ecuaciones:

Ecuaciones para la caída de presión del flujo adiabático
Ecuaciones para una caída de presión de flujo adiabático

Aquí,

  • P = Presión (N/m2)
  • T = Temperatura (°K)
  • N = Factor de resistencia de la tubería
  • u = Velocidad (m/s)
  • a = Velocidad del sonido (m/s)
  • M = número de Mach = u/a
  • Y = factor de número de Mach
  • f = Factor de fricción de Moody basado en la viscosidad promedio
  • D = Diámetro de la tubería (m)
  • L = Longitud de la tubería (m)
  • k = C p /C v , relación de calor específico (-)
  • R = constante de gas = 847,9/peso molecular ((kgf/m2) ・m3/kg-mol・°K)
  • Subíndice 1= Entrada y 2=Salida.  i= 1 o 2

Procedimiento de cálculo

  • Paso 1: Asumir condiciones aguas abajo (P2, M2, T2)
  • Paso 2: Calcular M1 por la ecuación (3) como método de prueba y error.
  • Paso 3: Calcule T1 por la ecuación (4) con M1 del Paso 2.
  • Paso 4: Calcule la caída de presión mediante la ecuación (5) con M1, T1 del Paso 2, 3.
  • Paso 4: Si P1 calculado es igual a la presión de entrada dada, el cálculo se puede terminar. Si no es así, regrese al Paso 1 con nuevas condiciones asumidas.

3.2 Datos de tubería estándar:

Datos de tubería estándar
Datos de tubería estándar

3.3 Limitación del tamaño de la línea:

Las líneas deben tener un tamaño dentro de las limitaciones tabuladas a continuación (consulte la Tabla 1)

LíquidoVelocidad de erosiónVelocidad sónicaVelocidad de ruidoVelocidad mínimaPatrón de flujoRequisito especial
Líquido-General    
Líquido en el punto de ebullición    
gas o vapor    
Gas/Líquido    
Condensado de vapor    
Estiércol líquido   
Vapor    

Tabla-1: (Parámetro límite)

3.3.1 Fórmula de velocidad de erosión utilizada en el cálculo hidráulico:

(1) La velocidad por encima de la cual puede ocurrir la erosión en el flujo bifásico de gas/líquido se puede determinar usando la siguiente ecuación empírica. V e = C e /√ρ m , donde, V e =Velocidad de erosión, ρ m =Densidad homogénea, C e = Constante empírica normal en el rango de 180-240.

(2) Tubería de agua: la velocidad máxima debe ser inferior a los valores que se indican a continuación,

  • Mortero u hormigón 3,0 m/s
  • Capa de sellado del revestimiento de mortero con pintura 5,0 m/s
  • Acero hierro fundido o PVC 6,0 m/s

(3) Solución de amina:

La velocidad en el proceso de amina debe ser menor que la siguiente;

  • Acero carbono                 
    • Líquido 3 m/s
    • Vapor 30 m/s
  • Acero inoxidable             
    • Líquido 9 m/s
    • Vapor 36 m/s
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3.3.2 Fórmula de velocidad sónica utilizada en el cálculo hidráulico:

(1) La velocidad máxima deberá ser inferior al 50 % de la velocidad sónica para servicios continuos de gas o vapor.

(2) Para servicios intermitentes, tales como tuberías de descarga de válvulas de alivio de presión, el 80% de la velocidad sónica puede ser aceptable. Se debe tener cuidado con las limitaciones de contrapresión.

(3) La velocidad sónica se puede calcular de la siguiente manera.

Ecuación del cálculo de la velocidad sónica
Ecuación del cálculo de la velocidad sónica

Dónde,

  • sónico = Velocidad sónica (m/s)
  • c = factor de conversión de gravedad (kgf・m/kgf・s2)
  • k = Relación de calores específicos = Cp/Cv
  • R = Constante de gas = 847,9 (kgf/m 2 )(m 3 )/(kg-mol)(°K)
  • T = Temperatura (°K)
  • M = peso molecular

(4) Cuando la caída de presión a través de la válvula es relativamente alta, por ejemplo, inyección de vapor, cabezal de nitrógeno, etc., y verifique la velocidad sónica para la tubería aguas abajo de la válvula.

3.3.3 Línea de lodos:

(1) Aceite de ciclo Las velocidades mínimas y máximas para el aceite de ciclo que contiene finos de catalizador serán las siguientes;

  • Velocidad mínima 1,1 m/s
  • Velocidad máxima 2,1 m/s

(2) Otros servicios

Si es práctico, la velocidad del flujo no debe ser inferior a 0,9 m/s para minimizar la deposición de sólidos. [API RP-14E 2.3a – 1991]. La velocidad máxima debe ser inferior a la velocidad de erosión, que dependerá de los fluidos y procesos. Por lo tanto, la velocidad de erosión será proporcionada por el licenciante del proceso.

3.3.4 Patrón de flujo de dos fases:

(1) El método de estimación de la caída de presión y el patrón de flujo para el flujo bifásico gas/líquido en el cálculo hidráulico se basa en lo siguiente:

  • Caída de presión: método HTFS
  • Patrón de flujo: método universitario TULSA

(2) Patrones de flujo

El patrón de flujo se determina utilizando el método desarrollado por la universidad de TULSA que se basa en el método de Taitel y Dukler. Además, este método se aplica en HTFS Handbook TM2 (agosto de 1986).

(3) El mapa de patrones de flujo con la definición de coordinación es el siguiente:

Patrón de flujo en flujo bifásico
Patrón de flujo en flujo bifásico

El patrón de flujo se define de la siguiente manera:

  • Flujo de burbujas : la fase gaseosa se distribuye como burbujas discretas en un líquido continuo. Las burbujas tienden a fluir en la parte superior de la tubería.
  • Flujo estratificado : la separación de la fase líquida y gaseosa está completa; el líquido fluye en la parte inferior de la tubería y el gas en la parte superior.
  • Flujo ondulado : a  medida que la velocidad del gas aumenta aún más en el flujo estratificado, las ondas superficiales comienzan a acumularse sobre la capa líquida.
  • Slug flow (flujo intermitente) : a  medida que la velocidad del gas aumenta aún más en la región de flujo ondulado, las ondas se vuelven lo suficientemente grandes como para alcanzar la parte superior de la tubería. Estas ondas se propagan por el gas a alta velocidad, a menudo tienen una naturaleza espumosa y se denominan “babosas”.
  • Flujo anular:  A medida que la velocidad del gas aumenta aún más, los tapones ya no se producen y el flujo se vuelve esencialmente anular pero con una película más gruesa en la parte inferior de la tubería que en la parte superior.

3.3.5 Directrices para el dimensionamiento de líneas en el cálculo hidráulico:

El tamaño final de la línea se determinará en el Cálculo hidráulico. Para minimizar el análisis riguroso, las siguientes pautas son útiles para el dimensionamiento práctico de la línea . Las tablas 2 a 4 muestran las caídas de presión prácticas y las velocidades prácticas para cada servicio.

ServicioΔP 100 (kgf/cm2/100m)práctico (m/s)Observaciones
Succión de bomba   
-Líquido de punto de    
ebullición -Líquido subenfriado

0,05
0,08
  
Descarga de bomba    -Acero al carbono
-Acero inoxidable   

0,15
1,5
  
Desmontaje de columna0.051.0 
Líquido a rehervidor0.05  
Líquido a CV en BP0.05  
Flujo por gravedad -servicio general 1.0 

Tabla-2: Caídas de presión y velocidades prácticas para servicio líquido

ServicioΔP 100 (kgf/cm2/100m)práctico (m/s)Observaciones
Atmosférico / Vacío
10 kgf/cm2G e inferior
100 kgf/cm2G e inferior
Más de 100 kgf/cm2G
0,01 – 0,07
0,07 – 0,20
0,20 – 0,70
0,7 % de población
  
Retorno
del rehervidor
-Tipo marmita -Tipo termosifón -Tipo
horno

0,02 – 0,05
0,02 – 0,05
0,18
  
Compresor de succión
– Alternativo –
Centrífugo
   

0.0-0.5
 
12
Velocidad económica
 

Tabla-3: Caídas de presión y velocidades prácticas para servicio de gas y vapor

ServicioΔP 100 (kgf/cm2/100m)práctico (m/s)Observaciones
Instrumento, aire de planta  
Atmosférico
Hasta 3,5 kgf/cm2G
Hasta 7,0 kgf/cm2G
Hasta 10 kgf/cm2G
0,05

0,07
0,11
0,13
  
Vapor saturado
-Por debajo de 7 kgf/
cm2G -Por encima de 7 kgf/cm2G

0,20
0,45

40 – 60
30 – 50
 
Vapor sobrecalentado
-10 kgf/cm2G e inferior
-100 kgf/cm2G e inferior

0,07 – 0,20
0,20 – 0,70
máx. 75 
Condensado de vapor: Aguas arriba de la trampa de vapor o válvula de control  0.05  
Condensado de vapor: Aguas abajo de la trampa de vapor o válvula de control  0.2-0.7  25 
Agua de refrigeración0.31-4 
Agua de mar 1-4 

Tabla-4: Caídas de presión y velocidades prácticas para Servicios Públicos

3.4 Longitud equivalente de tubería

3.4.1 Estimación de Longitud Equivalente para Cálculo Hidráulico:

(1) Longitud equivalente de la tubería: la longitud equivalente debe tomarse del diseño de la tubería si no está disponible, la longitud debe tomarse del plano del terreno y la longitud equivalente (Le) de la tubería se estimará en función de la línea recta. longitud (Ls) como sigue:

  • Área de proceso: 3,0 veces la longitud recta (se puede cambiar según las especificaciones del proyecto)
  • Líneas en el soporte de tuberías: 1,5 veces la longitud recta para una temperatura superior a 100ᵒC y 1,2 veces la longitud recta para una temperatura inferior a 100ᵒC (se puede cambiar según las especificaciones del proyecto).

Es recomendable contar el número de codos, tes y válvulas y evaluar la longitud equivalente, suponiendo un diseño de tubería para tuberías de gran tamaño o de alta presión.

(2) Línea de succión de la bomba: cuando no se disponga del diseño de la tubería, se debe suponer que la longitud equivalente de la línea de succión de la bomba es de 50 m como mínimo para las bombas de proceso y las bombas de servicios públicos.

(3) Bucle de expansión: los bucles de expansión térmica normalmente se configuran para líneas de servicio largas y de alta temperatura, como una línea de vapor HP y una línea de antorcha. Dado que los bucles de expansión aumentan considerablemente la longitud equivalente, confirme la Sección de tubería para los números esperados si el balance de presión es ajustado en el tamaño de tubería seleccionado.

3.5 Datos de caída de presión

3.5.1 Caída de Presión de Instrumentos para Cálculo Hidráulico:

(1) Si la caída de presión estimada está disponible para el instrumento, utilícela en el cálculo hidráulico. De lo contrario, use la caída de presión permitida.

(2) Si los datos de caída de presión para un instrumento no están disponibles, los datos (para servicio de baja viscosidad) pueden asumirse de la siguiente manera:

  • Orificio de flujo 0,2 kgf/cm2
  • Tubo venturi 0,02 kgf/cm2
  • Rotámetro 0,2 kgf/cm2
  • Medidor de desplazamiento positivo 0,6 kgf/cm2 (filtro incluido)
  • Contador de turbina 0,5 kgf/cm2 (filtro incluido)

 (3) Para servicio de alta viscosidad (μ > 1cP) o fluido no newtoniano, la caída de presión debe calcularse o evaluarse a partir de las fuentes disponibles, como la información del proveedor.

3.5.2 Caída de presión de componentes de tubería para cálculo hidráulico:

(1) filtros de succión de bomba

La caída de presión de un filtro permanente debe tomarse de la siguiente manera.

  • 0,5 m para servicio sucio
  • 0,3 m para servicio limpio

3.5.3 Caída de Presión de Equipos para Cálculo Hidráulico:

Si los datos de caída de presión estimada para el equipo no están disponibles, la caída de presión para servicio de baja viscosidad se puede asumir de la siguiente manera:

  • Intercambiadores de calor 0,3 – 0,7 kg/cm2
  • Enfriadores de aire                
    • 0,3 – 0,5 kg/cm2 para servicio limpio
    • 1,0 – 1,5 kg/cm2 para servicio sucio
  • Filtros 0,7 kg/cm2

3.5.4 Cálculo de la caída de presión de la válvula de control hidráulica:

Normalmente, los siguientes criterios para la válvula de control se utilizan durante el cálculo hidráulico.

(1) El DP de una válvula de control se determinará como valores mayores de los siguientes,

  • -Mínimo 0,7 kg/cm 2 en el circuito de la bomba
  • -8 % de descarga de la bomba
  • – [(1,1135 x (caudal máximo/caudal normal)) 2 -1] x ΔP fricción , donde la relación entre el caudal máximo y el caudal normal es un factor de sobrediseño
  • – 33% de fricción ΔP

3.6 Circuito Hidráulico y Hoja de Cálculo

La siguiente figura muestra un circuito hidráulico,

Un circuito hidráulico típico
Un circuito hidráulico típico

 (2) Las siguientes hojas de datos deben prepararse como resultado del cálculo hidráulico.

  • – Diagrama de flujo hidráulico
  • – Equilibrio de presión
  • – Patrón de flujo para flujo bifásico

 (2) La hoja de datos deberá incluir la siguiente información.

 -Tamaños de línea, equipo de origen (su presión y elevación), presión de succión y descarga de la bomba, equipo en la línea de descarga de la bomba, sus presiones de entrada y caídas de presión, presión de entrada y salida de la válvula de control, destino, su presión y elevación.

 (3) Los siguientes parámetros deben evaluarse en función de los resultados del cálculo hidráulico.

– Presión de diseño, presión de operación, clases de línea, tamaño de boquilla del equipo, elevación del equipo, etc.

La siguiente figura representa un ejemplo de un balance hidráulico,

hoja de calculo de bombas y lineas
Hoja de cálculo de bombas y líneas

4. Programas de software de cálculo hidráulico:

En los primeros días, el cálculo hidráulico se realizaba en hojas de cálculo basadas en Excel. Pero hoy en día, se han desarrollado varios software para cálculos hidráulicos sin errores. Estos programas de software también ahorran horas de mano de obra y realizan el cálculo más rápido. Los programas de software de cálculo hidráulico comunes que se utilizan ampliamente entre las industrias EPC son:

  • sistema hrs,
  • Hcalc,
  • mensura genio,
  • profundidad de popa,
  • Hytos,
  • Hydratec,
  • Flujo de fluidos
  • PASS/Hidrosistema ,
  • red de tuberías,
  • flomaster,
  • Flownex, etc.

Cursos en video en línea sobre hidráulica de procesos y cálculos hidráulicos

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