Diseño Mecanico de Equipos de Proceso (1.2011) - Introducción

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Plan de trabajo

Plan de trabajo

•• 3 Evaluaciones:- 2 pruebas + trabajos +3 Evaluaciones:- 2 pruebas + trabajos +

tareas tareas - Taller de investigación - Taller de investigación (presentación) + reporte (presentación) + reporte terreno y charla. terreno y charla.

•• 1 visita a terreno + 1 charla.1 visita a terreno + 1 charla. •

Plan de trabajo

Plan de trabajo

•• 3 Evaluaciones:- 2 pruebas + trabajos +3 Evaluaciones:- 2 pruebas + trabajos +

tareas tareas - Taller de investigación - Taller de investigación (presentación) + reporte (presentación) + reporte terreno y charla. terreno y charla.

•• 1 visita a terreno + 1 charla.1 visita a terreno + 1 charla. •

Fechas de pruebas

Fechas de pruebas

•• 1° 1° Evaluación Evaluación 4 4 de de MayoMayo •• 2° 2° Evaluación Evaluación 25 25 de de mayomayo

•• 3° 3° Evaluación Evaluación 28 28 de jde junio unio informe informe escritoescrito

vía mail - 29 de

Plan de estudio

Unidades:

• 1. Materiales de construcción. • 2. Corrosión.

• 3. Diseño de equipos de proceso. • 4. Aplicación del diseño.

Introducción

• Prueba de diagnostico

- Comentar sobre resistencia de materiales?

- Cuales son las problemáticas que pueden surgir en el diseño de equipos?

Introducción

• El diseño de procesos es uno de los campos

más apasionantes y complejos dentro de la ingeniería química, y es el corazón del desarrollo de proyectos de ingeniería relacionados con la construcción nuevas  plantas de procesamiento.

Introducción

• El diseño de un proceso es una tarea

interdisciplinaria que abarca todos los campos de la ingeniería y se ha dividido en tres etapas principales:

 – Diseño conceptual  – Diseño básico

Introducción

• Las dos primeras etapas son realizadas por

los , en su

mayoría

ingenieros

químicos

mientras que la última es realizada por un equipo de ingenieros mecánicos, civiles, eléctricos, instrumentistas, entre otros; luego el punto de partida de todo proyecto de ingeniería de procesos parte del equipo de ingenieros químicos encargados de los diseños conceptual y básico.

• El diseño conceptual o síntesis de proceso

es la etapa en la cual se arma la topología del proceso, es decir el esquema o diagrama de flujo básico que presenta la secuencia de operaciones necesarias para transformar las materias primas en los productos deseados.

Por simple que parezca, la

conceptualización del proceso es un tema complejo de alta responsabilidad, ya que los errores de esta etapa se trasladarán y amplificarán en las etapas siguientes.

Introducción

• En esta etapa cuenta mucho la experiencia

del ingeniero de procesos, ya que él tendrá que seleccionar las operaciones y procesos unitarios que se deben incluir en el proceso, considerando por supuesto aspectos no sólo técnicos sino económicos y ambientales;

además, no una única solución, por lo cual es necesario ponderar los pro y contra de cada alternativa posible.

Introducción

• El diseño básico es la concreción del diseño

conceptual en cuanto a la definición de las variables de operación y los parámetros de construcción de los equipos. El ingeniero de  procesos en esta etapa debe calcular y seleccionar los equipos, tuberías y accesorios que harán parte de la planta de  proceso.

Introducción

• Los parámetros de construcción en este caso

son las dimensiones básicas que se refieren a diámetros y altura de tanques; tipo, altura, dimensiones y configuración de las partes internas de columnas y reactores; tipo y  potencia de bombas y compresores…. en fin.

Antes que ser un diseño mecánico, el diseño  básico es el cálculo de los parámetros de

construcción de los equipos requeridos en el  proceso para proceder a su compra o a su

Introducción

• Finalmente, la ingeniería de detalle parte de

la información generada por los ingenieros de proceso en las anteriores etapas de diseño para proceder a los diseños mecánicos, civiles, eléctricos y demás.

Introducción

• El trabajo del ingeniero de procesos como

 punto inicial en el diseño de plantas de  proceso es entonces claro: de su acierto depende el éxito y la seguridad de la nueva  planta, su desacierto no sólo puede

representar pérdida de dinero sino también de vidas.

Introducción

• El éxito de los ingenieros de procesos está

fuertemente ligado a su experiencia y de ahí que los nuevos ingenieros más que solo documentarse deben practicar, ejercer y realizar sus diseños bajo la supervisión de un ingeniero “veterano”,  experimentado,

como en las antiguas artes de hace siglos cuando los iniciados progresaban bajo el

Ciencia e Ingeniería de los

Materiales.

• La ciencia de los materiales se encarga de

investigar la relación entre la estructura y las propiedades de los diferentes materiales.

• La ingeniería de materiales de fundamente

en las relaciones propiedad estructura para diseñar o proyectar la estructura de un material y conseguir en si mismo un material con las propiedades requeridas.

Ciencia e Ingeniería de los

Materiales

• La estructura de un material se relaciona

con la disposición de sus componentes internos.

- A estructura subatómica - A estructura atómica

- A estructura microscópica - A estructura Macroscópica

Las propiedades mas relevantes de

los materiales sólidos son:

Mecánicas

• Carga

• Deformación

•  resistencia a la fractura • Resistencia a la tracción • Rigidez. Módulo elástico

• Tenacidad. Resistencia a la fractura • Dureza. Resistencia al desgaste

• Resistencia a la fatiga

Eléctricas

• Valoran la conductividad eléctrica o la

constante dieléctrica de los materiales. Magnética

• Se valora la respuesta del material frente a

un campo magnético

Térmicas

• Valoran la capacidad calorífica o la

Ópticas

• Se valora aquí, si las hubiera, las

 propiedades ópticas del material. Al exponerlo a radiación electromagnética o lumínica y su modo de responder a dicho estimulo. Propiedades tales como índice de refracción, reflectividad.

Químicas

• Se valora la reactividad química del

material y sus modificaciones con el tiempo dependiendo del medio químico que le rodea. De aquí se extrae información acerca de si el material se corroe, se oxida, se reduce, en diversos medios como son, agua, ácidos, bases entre otros reactivos. Se puede catalogar a los materiales como reactivos o inertes siempre expresando ante que agentes.

• Los metales pierden su estado elemental y

retornan al estado combinado de origen, por un proceso denominado CORROSIÓN.

• Los metales muestran una tendencia

inherente a reaccionar con el medio (atmósfera, agua, suelo, etc..) y con los agentes químicos utilizados en los procesos diseñados.

Unidades 1:

Materiales de construcción.

• Los materiales son las sustancias que componen

cualquier cosa o producto.

• Los ingenieros diseñan la mayoría de los

 productos facturados y los procesos necesarios  para su fabricación.

• Los ingenieros deben conocer de la estructura

interna y propiedad de los materiales, de modo que sean capaces de seleccionar el mas adecuado para cada aplicación y también capaces de desarrollar los mejores métodos de  procesado.

Tipos de materiales

• Por conveniencia la mayoría de los

materiales de la ingeniería están divididos en cuatro grupos principales:

- materiales metálicos - poliméricos

- cerámicos

• Metales: Las propiedades de los metales se

atribuyen a los electrones, por ello, conducen perfectamente el calor y la electricidad. Además, los metales son resistentes, aunque deformables, lo que contribuye a su utilización en aplicaciones estructurales.

• Cerámicas: Se trata de materiales que son

aislantes eléctricos y térmicos y que a elevada temperatura y en ambientes agresivos son muy resistentes. Desde el  punto de vista mecánico, las cerámicas son

• Polímeros: Se trata de compuestos

orgánicos caracterizados por la gran longitud de las estructuras moleculares. Los  polímeros poseen densidades bajas y extraordinaria flexibilidad. Tienen baja resistencia mecánica

• Materiales Compuestos: Son materiales

diseñados para alcanzar la mejor combinación de las características de cada componente. Hay un creciente intereses en el desarrollo de estos materiales.

Por ultimo añadir que no seria posible el avance tecnológico sin la modificación, mejora y desarrollo de nuevos materiales.

Pr opiedades M ecánicas de los M ater iales M etálicos.

Cuando aplicamos una carga sobre un material metálico obtenemos una deformación.

La carga puede ser por tipo:

• TRACCION

• COMPRESION

• CIZALLADURA

 Se puede aplicar:

• CONSTANTE • FLUCTUANTE • OSCILANTE • ALEATORIA

Además en estos experimentos debemos tener en cuenta las condiciones en las que se desarrolla como son

• Presión

• Temperatura

• Los elementos metálicos son hierro, cobre,

aluminio, níquel y titanio mientras que como elementos no metálicos podríamos mencionar al carbono.

• Los materiales de cerámica, como los

ladrillos, el vidrio la loza, los aislantes y los abrasivos, tienen escasas conductividad tanto eléctrica como térmica y aunque pueden tener  buena resistencia y dureza son deficientes en

ductilidad, confortabilidad y resistencia al impacto.

• Los Polímeros, en estos se incluyen el

caucho (el hule), los plásticos y muchos tipos de adhesivos. Se producen creando grandes estructuras moleculares a partir de moléculas orgánicas obtenidas del petróleo o productos agrícolas.

•

Los materiales metálicos han

constituidos

los

materiales

fundamentales para Ingeniería.

Tarea 1

• Presentación en grupos : Tema tipos

Materiales

- Metálicos - Ferrosos –  Fundiciones

- No Ferrosos- Aluminio y sus Aleaciones

- No metálicos - Polímeros - Cerámicos

-Metales compuestos

Entrega Martes 29 de Marzo y presentación en clases 30 de Marzo

Grupos

Grupo 1: Natalia Garrido Metales Compuestos  Natalia Rojas

Rodolfo Maya Juan Santos

Grupo 2: Alexandra Herrera Aleaciones Magnesio Viviana Espinoza

 Nicole Soto

Grupo 3: Roberto Saguas Aleaciones de Zinc Juan Pablo Catalán

Grupo 4: Natalia Araya Fundiciones Javier Fuente

Daniel Muños

Grupo 5: Mario Rodríguez Aluminio y su aleaciones Mariana Araya

Franco Montalván

Grupo 6: Yuliana Michea Polímeros Felipe Sepúlveda

Pablo tapia

Grupo 7: Sebastián Marín Cerámicos Javier Martínez

Características de los metales que se

utilizan en aleaciones

 Aluminio Maleable dúctil, D= 2,7

Tf= 660ºC, aleaciones ligeras

 Antimonio Frágil quebradizo,D= 6,62, Tf=630

ºC, endurecimiento de metales pesados, Metal Inglés (estaño),  Aleac.Blanca (Zinc)

Bismuto Frágil, quebradizo D=9.8, Tf=

271ºC, endurecimiento de metales

Cobre Maleable dúctil, D= 8,9

Tf= 1083ºC, aumenta la tenacidad de la aleación, estaño , antimonio, bismuto

Estaño Maleable, D=7,3, Tf=232ºC, preservar metales (bronce)

Fierro

Fierro Maleable, dúctil, D=7,8,Maleable, dúctil, D=7,8,

Tf=1539ºC, disminuye Tf=1539ºC, disminuye

maleabilidad AL, aumenta dureza maleabilidad AL, aumenta dureza ST

ST

Manganeso

Manganeso Gran dureza, D=7,4, Tf=1245ºC,Gran dureza, D=7,4, Tf=1245ºC,

Niquel

Niquel Siguiente en dureza,Siguiente en dureza,

inoxidabilidad, D=8,9, Tf=1455ºC inoxidabilidad, D=8,9, Tf=1455ºC

Plomo

Plomo Poco tenaz, D= Poco tenaz, D= 111ºC, Tf= 327ºC1ºC, Tf= 327ºC

Zinc

Zinc Quebradizo en frío y caliente,Quebradizo en frío y caliente,

excepto 150ºC, Tf=420ºC. excepto 150ºC, Tf=420ºC. No con Bismuto ni Plomo. No con Bismuto ni Plomo.

•• ALEACIONES FERROSAS :ALEACIONES FERROSAS :

En este grupo se hallan los aceros al carbono, los En este grupo se hallan los aceros al carbono, los aceros de baja aleación, los aceros de alta aleación y aceros de baja aleación, los aceros de alta aleación y las fundiciones.

las fundiciones.

•• ALEACIONES NO FERROSAS :ALEACIONES NO FERROSAS :

En

En este este grupo grupo se se hallan hallan el el resto resto de de los los metales, metales, eses decir, la aleaciones donde el fierro no es el decir, la aleaciones donde el fierro no es el constituyente mayoritario. Entre las aleaciones no constituyente mayoritario. Entre las aleaciones no férreas se encuentran , las aleaciones de Cobre, férreas se encuentran , las aleaciones de Cobre,  Níquel, Plomo, Zinc y Est

 Níquel, Plomo, Zinc y Estaño.año.

También se considerarán aquí las denominadas También se considerarán aquí las denominadas ALEACIONES LIGERAS, las cuales se centran en ALEACIONES LIGERAS, las cuales se centran en aleaciones en base a

ALEACIONES FÉRREAS

• Las aleaciones férreas constituyen mas del 90% en

 peso de los materiales metálicos utilizados por el hombre.

• La mayoría de los diseños de ingeniería que requieren

soportar cargas estructurales o transmisión de  potencia implican el uso de aleaciones férreas.

• En la práctica se dividen en dos grandes categorías

dependiendo de la cantidad de carbono presente en la composición de la aleación. Los aceros por lo general tienen un contenido de carbono entre 0.005% - 2.0% en peso.

• Las fundiciones contienen entre 2% - 4.5% en

 peso de carbono.

• Dentro del acero debe distinguirse o no el

empleo significativo de elementos de aleación diferentes al carbono.

• De forma arbitraria, se emplea una

concentración de 5% en peso total de los elementos aleantes distintos del carbono como límite.

• Los elementos de aleación son solamente de

ACEROS AL CARBONO Y DE

BAJA ALEACIÓN

• Los aceros al carbono son aleaciones

hierro-carbono con un porcentaje en peso de hierro-carbono desde 0.003% - 1.2% e incorporan manganeso ente 0.25% - 1%.

• Los aceros al carbono pueden alcanzar resistencias

690 Mpa pero con una elevada pérdida de ductilidad y de tenacidad.

• Tienen poca resistencia a la corrosión y a la

• Estos aceros se consideran de peso moderado. • Sus aplicaciones son: pernos de alta

resistencia, engranajes de transmisión de motores, resortes espirales y de láminas flexibles, hasta carrocería de los automóviles, mecanismos para papelería, minería y movimiento de tierra, secciones pesadas, trenes de aterrizaje, ejes etc.

ACEROS DE ALTA

ALEACIÓN

• Son aquellos en los que el total de elementos de

aleación distintos del carbono superan el 5%.

• Las aleaciones Fe-Cr con un % de Cr superior al

12% en peso constituyen los denominados aceros inoxidables.

• El cromo forma capas de óxido impermeables, si

se adiciona mas de un 12% es capaz de transferir su resistencia a la corrosión.

• Si se adiciona en un 20% recibe el nombre de

ACEROS INOXIDABLES

• 1. ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS: En

estos aceros gracias a la retención de la estructura de la austeníta (FCC) que es estable por sobre los 910ºC. Poseen combinaciones Cr-Ni (18-8, 25-20) mas molibdeno (2%) para evitar la corrosión en caliente. Estos aceros son de baja resistencia y gran capacidad de deformación. No son ferromagnéticos y tienen la mejor resistencia a la corrosión de todos los aceros inoxidables.

2. ACEROS INOXIDABLES

FERRÍTICOS

• Este tipo de acero posee mas de un 12% en

cromo con bajo contenido en carbono 0.1%.

• Se utiliza en aplicaciones que no requieren

alta resistencia a la corrosión.

• Son de menor costo que la categoría

anterior

3. Aceros inoxidables martensíticos

• En estos aceros se añade carbono

(0.2%-0.7%).

• Poseen alta resistencia, pero su

comportamiento frente a la corrosión es inferior a las dos categorías anteriores.

4. Aceros inoxidables endurecibles

• (epp) Se utilizan en piezas de

requerimientos resistentes a la corrosión con responsabilidad estructural.

DESIGNACIÓN DE ACEROS

INOXIDABLES

• Identificación de los Aceros • Según composición química:

- Instituto americano del hierro y el acero (AISI)

• Prefijos utilizados indica el proceso de elaboración del acero:

A = Acero aleado Siemens Martin

B = Acero al Carbono Bessemer ácido

C = Acero al carbono Siemens Martin básico D = Acero al carbono Siemens Martin ácido

E = Acero al carbono o aleado, Horno Eléctrico

• Primer número indica baja o alta aleación y tipo de elemento

aleante: 1 = Aceros al carbono 2 = Aceros al níquel 3 = Aceros al cromo-níquel 4 = Aceros al molibdeno 5 = Aceros al cromo

6 = Aceros al cromo vanadio 7= Acero al W

8= Acero Ni-Cr-Mo 9= Acero al Si-Mn

• Para los aceros al carbono, el segundo número indica

el tipo de acero:

10 = Aceros al carbono de construcción general 11 = Aceros de fácil mecanización ricos en azufre 12 = Aceros de fácil mecanización, ricos en S y P 13 = Aceros al manganeso

• Según resistencia mecánica en tracción:

Las letras significan: A = Acero

ES = Estructural H =Para hormigón

• El primer valor es la resistencia a la tracción (kgf/mm2) • El segundo valor es el límite de cedencia (kgf/mm2)

EJERCICIOS

a) SAE 2340

 b) SAE9260