Reglas generales para tuberías de transporte neumático

Jun 06, 2023

1 de mayo de 2012 | Por Amrit Agarwal, consultores de transporte neumático

Muy a menudo, durante el diseño de los sistemas de transporte, no se presta suficiente atención al diseño de la tubería de transporte y sus componentes. Este descuido a menudo conduce a algunos problemas importantes del sistema de transporte, como bajas tasas de transporte, obstrucción de la línea de transporte, desgaste excesivo en la línea de transporte, alta caída de presión del sistema de transporte, rotura del producto, generación de finos y serpentinas y contaminación cruzada del producto. Las pautas presentadas en este artículo ayudan a mitigar o evitar tales problemas.

Materiales de construcción. Para la tubería en sí, use acero al carbono si la contaminación no es un problema. De lo contrario, utilice aluminio o acero inoxidable. Utilice acero inoxidable para aplicaciones alimentarias y farmacéuticas. Para aplicaciones especiales como sólidos abrasivos, altas temperaturas, etc., es necesario encontrar un material adecuado para la línea de transporte y sus componentes.

La calificación de presión. La clasificación de presión de la tubería de transporte debe ser adecuada para la presión de transporte máxima del sistema de transporte. Para la mayoría de las aplicaciones con un soplador tipo Roots, una presión nominal de 30 psig es satisfactoria. Esta clasificación corresponde a la clasificación de una tubería Schedule 10. Use tuberías más gruesas, como Schedule 20, 30 o 40 para aplicaciones de mayor presión.

Clasificación de temperatura. La clasificación de temperatura de la tubería de transporte debe ser adecuada para las temperaturas mínimas y máximas experimentadas por la línea de transporte. Estas temperaturas dependen de la temperatura ambiente, la temperatura del aire de transporte y la temperatura de los sólidos.

Juntas de tuberías. Los segmentos de tubería no deben soldarse entre sí debido a la necesidad de desmantelar la tubería. En su lugar, estos segmentos deben unirse para permitir un fácil desmantelamiento de la tubería. Se pueden usar bridas, pero son caras y no son fáciles de desatornillar. Deben usarse donde la junta debe ser 100% a prueba de fugas. El uso de acoplamientos de tubería fáciles de abrir es común. Ubique las juntas de fácil acceso para permitir el desmantelamiento de la tubería cuando sea necesario.

El diámetro interior de los acoplamientos o de las bridas debe ser igual al diámetro interior de la tubería. Ambos extremos de los segmentos de tubería adyacentes deben estar realmente alineados entre sí para que no haya protuberancias internas ni espacios entre los dos extremos.

Superficie interna de la tubería. La superficie interior debe estar limpia y libre de aceite y óxido. Se puede utilizar un interior liso, excepto cuando se manipulan plásticos que pueden generar las denominadas serpentinas (producto de la degradación del plástico). En ese caso, la superficie interior se vuelve rugosa con herramientas especiales.

Por ejemplo, las líneas de transporte de fase diluida en el servicio de plástico granulado generalmente tienen la superficie interior rugosa para evitar la formación de serpentinas. (Otros nombres comunes para las serpentinas son cabello de ángel o piel de serpiente). Las serpentinas se forman cuando una partícula de plástico a alta velocidad de transporte golpea la pared lisa de la tubería con un ángulo de incidencia bajo. La energía del impacto es suficiente para derretir la superficie de la partícula en el punto de contacto y dejar una marca delgada similar a un crayón en la pared de la tubería. Esta película delgada continúa creciendo debido a los impactos posteriores, se enfría rápidamente y se desprende de la pared de la tubería en forma de serpentina. La longitud de esta serpentina puede ser una fracción de pulgada o de dos a tres pies de largo, o incluso más. Las serpentinas largas y delgadas tienden a flotar y arremolinarse en la corriente de aire en los recipientes de almacenamiento hasta que se hinchan para formar algo que se asemeja a un nido de pájaro.

En cualquier caso, el resultado neto de los streamers es el taponamiento de las compuertas deslizantes, los alimentadores, las cribas, los transportadores mecánicos y las tolvas. La mejor solución para resolver este problema es evitar hacer serpentinas, lo que se hace raspando el interior de la tubería. El desbastado (o marcado) se realiza mediante un método especial de granallado, ya sea utilizando especificaciones internas o proveedores que tengan esta experiencia. Los proveedores tienen sus propias técnicas patentadas para aplicar la puntuación. Una tubería bien calificada debe durar al menos un año antes de que sea necesario volver a calificarla.

Los codos de aluminio deben anodizarse para prolongar la vida útil del rayado, especialmente cuando se transportan materiales duros o abrasivos. Como opción, también se pueden utilizar codos de acero inoxidable dependiendo de su costo relativo.

Aunque se recomienda marcar para los sistemas de transporte que manejan plásticos blandos, tiene dos desventajas distintas. La caída de presión a través del sistema de transporte es mayor que la de las tuberías lisas, y se produce cierto desgaste de partículas debido a la superficie rugosa. En los sistemas de granulados de plástico, la cantidad de finos generados es significativa. Entonces será necesario elutriar o lavar con aire los gránulos al final del sistema de transporte.

Cargas estáticas. Cuando se manipulan sólidos que generan carga estática, se deben construir tuberías para conducir esta carga al suelo. Las uniones de tuberías deben permitir que esta carga fluya hacia el suelo mediante el uso de puentes conductores de electricidad estática en cada unión. Después del montaje de la tubería, compruebe su resistencia a tierra, desde el principio hasta el final. No debe exceder de 1 ohmio.

Soportes de tubería. Las tuberías vienen en longitudes estándar de 20 pies. Por lo tanto, proporcione soportes para la tubería cada 20 pies o menos. Ubique estos soportes para evitar pandeos en la tubería debido a su peso. Después de la instalación, asegúrese de que la tubería esté recta y no combada. Si la tubería puede expandirse debido a las altas temperaturas, diseñe los soportes para permitir esta expansión. Ubique la tubería de modo que tenga fácil acceso para desmantelarla.

Enfermedad de buzo. El material de construcción, la clasificación de presión y la clasificación de temperatura de los codos deben ser los mismos que los de la tubería. Las curvas de radio corto estándar no se utilizan en las líneas de transporte debido a consideraciones de caída de presión. Los estudios muestran que las curvas de radio largo tienen una caída de presión más baja. Los resultados de estos estudios se muestran en la Figura 1. Las curvas de radio largo con una relación de radio de curvatura a diámetro de tubería de 8–10 tienen una caída de presión más baja.

Algunos proveedores han desarrollado codos especiales como Hammertek, Vortice Ell, Gamma bend o tees ciegas, etc., para reducir la degradación del producto y la erosión por codo.

Línea de suministro de aire o gas. Mantenga la longitud de esta línea lo más corta posible ubicando el soplador cerca del punto de entrada o salida de sólidos. Minimice la caída de presión en esta línea usando una línea de gran diámetro si es necesario. Se puede utilizar una construcción de acero al carbono, excepto en aplicaciones alimentarias y farmacéuticas. La clasificación de presión y temperatura puede ser la misma que la de la tubería de transporte. Proporcione una válvula de retención en esta línea aguas arriba de la entrada de sólidos (para sistemas de tipo presión) o aguas abajo del punto de salida (para sistemas de tipo vacío) para evitar que los sólidos se acumulen en el soplador transportador.

Las válvulas desviadoras se utilizan para desviar el flujo de sólidos y aire de una línea de transporte a cualquiera de dos destinos o de cualquiera de las dos líneas de transporte a una línea de transporte. Las características más críticas de las válvulas desviadoras son las siguientes:

• Cierre positivo para que no haya fugas de aire o sólidos del puerto usado al puerto no usado. Esto se hace mediante el uso de sellos herméticos al gas.

• Diseño de puerto completo para que el área transversal interna de la válvula sea esencialmente la misma que la de la línea de transporte

Estas válvulas se fabrican en varios diseños, pero las denominadas tipo túnel, canal o tapón son más comunes. La posición de desvío está a 30 o 45 grados de la posición de paso. Prefiera usar válvulas de desvío de tipo túnel o canal, ya que tendrán caídas de presión más bajas.

Mantenga la clasificación de presión de la válvula igual a la de la tubería de transporte. La clasificación de presión de la carcasa de la válvula es generalmente de 150 psig, y la clasificación de presión del canal o tapón debe ser la misma que la de la línea de transporte.

Para evitar el agarrotamiento de las válvulas, asegúrese de que las válvulas estén diseñadas para operar a la temperatura ambiente más baja junto con la temperatura interna más alta.

Las válvulas desviadoras pueden operarse con volantes, manijas en T, pistones de aire, cilindros hidráulicos o motores eléctricos. Los interruptores de límite para el desvío o los indicadores de paso se instalan en muchos casos para detectar la posición de la válvula, según el grado de instrumentación requerida para el proceso. Durante el tiempo que se cambia la posición de la válvula, es necesario apagar el sistema de transporte y limpiar la línea de transporte de sólidos. Este tiempo suele ser de unos 15 s.

El material de construcción de las válvulas depende de la aplicación y de los sólidos que se transportan. Los materiales de construcción más comunes son un cuerpo de aluminio fundido y placas finales con un tapón de acero inoxidable y ejes de acero inoxidable. El aluminio puede ser anodizado para un mejor desgaste. Proporcione sellos y empaques para evitar fugas a través o hacia el exterior de la válvula. Para prolongar la vida útil, utilice tapones de acero inoxidable incluso si utiliza líneas de transporte de aluminio. Esto es para minimizar el desgaste abrasivo de la superficie debido al impacto de sólidos a alta velocidad. El cuerpo puede ser de aluminio o de acero inoxidable.

Las válvulas deben poder desviarse muy rápido. Es deseable un tiempo de desvío de menos de cinco segundos.

Los desviadores tipo aleta no son adecuados para su uso en líneas de transporte neumático. Se utilizan principalmente para controlar el flujo de sólidos de depósitos de baja presión (menos de 2 psig). En la mayoría de los casos, el flujo de sólidos debe detenerse mediante una válvula de cierre ubicada sobre el desviador antes de cambiar la posición de la aleta porque su posición no se puede cambiar fácilmente si la línea está llena de sólidos.

• El diámetro de la válvula debe coincidir con el de las tolvas de alimentación de conexión

• Use una aleta de acero inoxidable para minimizar el desgaste. La carcasa puede ser de aluminio o acero inoxidable. La aleta debe cerrarse completamente en cualquier posición.

• La clasificación de presión de la válvula debe coincidir con la de los conductos de alimentación de conexión

Las mangueras flexibles no se utilizan en líneas de transporte, excepto en distancias cortas, como en la descarga de contenedores a granel como vagones de ferrocarril y camiones. Hay varias razones para esto. Es difícil mantener las mangueras flexibles en una configuración recta horizontal o vertical y tienen tendencia a combarse y formar curvas. Su caída de presión es mayor que la de las tuberías. También se desgastan tanto interna como externamente.

Las mangueras flexibles pueden ser metálicas o sintéticas. Las mangueras sintéticas vienen con revestimientos metálicos internos enrollados en espiral para mejorar la resistencia y la durabilidad. Cuando se transportan sólidos generadores de estática, se utilizan mangueras conductoras. Las mangueras de metal son generalmente de acero inoxidable trenzado con un revestimiento interno de acero inoxidable para evitar fugas de aire.

Las desventajas de las mangueras flexibles incluyen lo siguiente:

• Caídas de presión más altas que la tubería de metal debido a una mayor pérdida de energía cinética del sólido

• Fallas frecuentes de mangueras causadas por doblado y manipulación

• Dificultad en el manejo manual de mangueras de gran diámetro (6 pulgadas y más)

• Conexiones manuales de mangueras que no se incluyen fácilmente en la lógica de control del sistema de proceso

Las consideraciones a tener en cuenta en la selección de la manguera incluyen la clasificación de presión de la manguera, los métodos de conexión de las bridas y los niples a la manguera, las consecuencias de las fallas, la conexión a tierra estática adecuada y el radio de curvatura mínimo de la manguera seleccionada.

Las pautas para las válvulas de compuerta deslizante incluyen lo siguiente:

• Use válvulas bidireccionales de asiento elástico para que puedan cerrarse completamente incluso con una cabeza de sólidos

• No use válvulas con asientos de metal o rebordes internos porque los sólidos pueden acumularse en estos rebordes, dificultar el cierre completo de la válvula y provocar la contaminación cruzada del producto.

• Para aplicaciones que necesitan protección contra la corrosión, use una construcción de acero inoxidable 316 fundido para el cuerpo y la compuerta

• El estilo del cuerpo debe ser tipo wafer

• El empaque de la válvula debe ser de filamento acrílico trenzado cuadrado blanco con politetrafluoroetileno (PTFE)

• El material del asiento debe ser Viton blanco

• El yugo debe ser de acero inoxidable

• Proporcione gas de purga en la sección del casquete para evitar la acumulación de polvo dentro del casquete

El diseño y la instalación de las válvulas de compuerta deslizante deben mantener el patrón de flujo del silo de arriba. Si se trata de un depósito de flujo másico, la válvula deslizante debe mantener el flujo másico. Esto requiere que el diámetro interior de la válvula sea el mismo que el de la salida del depósito y que la válvula se use solo en una posición completamente abierta o completamente cerrada.

Es posible que se requieran diseños herméticos a los gases si el contenedor anterior contiene gases como hidrocarburos o nitrógeno.

Las válvulas de cierre, las válvulas de retención o las válvulas de control no se utilizan en las líneas de transporte para detener o regular el flujo de la mezcla de sólidos y aire porque interfieren con el funcionamiento del sistema de transporte.

inyectores de línea. Los inyectores de línea se utilizan para inyectar sólidos en la línea de transporte. La figura 2 muestra un inyector de línea para alimentar sólidos desde una válvula rotativa a una línea de transporte. Este diseño permite que los sólidos se filtren hacia la línea de transporte en lugar de caer verticalmente y formar un montón.

Minimizar la caída de presión. Las pautas para minimizar la caída de presión incluyen lo siguiente:

• Seleccione una ruta de tubería que sea la distancia más corta al destino, incluidas las líneas horizontales y verticales

• Minimice la cantidad de curvas en la tubería porque las curvas son una fuente importante de caída de presión. La velocidad de los sólidos se reduce en la curva debido a la fricción y el impacto de la pared y luego aumenta en la sección recta subsiguiente de la tubería, lo que resulta en una caída de presión adicional (la Figura 3 muestra el efecto de una curva en la caída de presión)

• No use codos estándar porque tienen la caída de presión más alta. Utilice curvas con una relación de diámetro interior de curvatura a radio de curvatura de aproximadamente diez. Las pruebas muestran que la caída de presión en curvas de radio tan largo es menor que en curvas de radio más pequeño

• Trate de usar válvulas de desvío con un ángulo de 30 grados. ángulo de desvío en lugar de 45 grados. Un 45 grados. el ángulo de desvío tiene el doble de la caída de presión

Mantener la velocidad de transporte. Seleccione un diseño que mantenga la velocidad de sólidos requerida en toda la línea de transporte para evitar la saltación y el taponamiento de la línea. La velocidad de los sólidos en la tubería no debe caer por debajo de la velocidad de saltación para evitar el taponamiento de la línea. Esto se hace utilizando los siguientes criterios:

• Desde el punto de recogida hasta la primera curva, asegúrese de que la línea de transporte sea horizontal y lo suficientemente larga para acelerar los sólidos a una velocidad lo suficientemente alta como para evitar la saltación en la curva. La velocidad de los sólidos se reduce en la curva debido al impacto y la fricción de la pared. Esta reducción puede ser del 5 al 50% dependiendo del sólido. Para una reducción del 50 %, la velocidad de los sólidos que ingresan a la curva debe ser al menos un 50 % más alta que la velocidad de saltación. En general, la longitud de esta línea horizontal es de al menos 20 pies, pero use una línea más larga cuando sea posible.

• Después de la primera curva, ubique la segunda curva para proporcionar una línea horizontal lo suficientemente larga que permita que los sólidos vuelvan a acelerar a la misma velocidad que tenían en la entrada de la primera curva.

• No instale codos uno al lado del otro, sino a una distancia suficiente entre sí para permitir que los sólidos se vuelvan a acelerar.

• Para líneas de transporte largas, aumente el diámetro de la tubería en un punto adecuado en la ruta de la tubería para evitar velocidades muy altas. Seleccione este punto en el que la velocidad de los sólidos no caiga por debajo de la velocidad mínima de transporte. La Figura 4 muestra una tubería con dos aumentos en el diámetro de la tubería

• El gas transportado puede tener fugas de los acoplamientos de tuberías, válvulas de desvío, válvulas rotativas y otros accesorios. Use equipo hermético al gas o aumente el flujo de aire de suministro para estas pérdidas

• Evite el uso de tuberías con pendiente ascendente debido a la pérdida de velocidad de los sólidos debido a la fricción de la pared.

Minimizar la rotura de sólidos. La alta velocidad de transporte da como resultado la rotura de partículas sólidas frágiles. Para sólidos frágiles, esta rotura puede ser proporcional a la velocidad a la tercera o cuarta potencia. Si esta rotura es inaceptable, utilice un sistema de fase densa de baja velocidad o mantenga la velocidad lo más baja posible.

Minimizar la erosión de la tubería. Al manipular sólidos abrasivos, es importante utilizar un material de construcción especial para la tubería a fin de evitar la erosión de la tubería. Las curvas en la tubería se erosionan más rápido que las tuberías rectas. Para minimizar este problema, use curvas especiales con superficies resistentes al desgaste o curvas que tengan respaldos exteriores reemplazables. No utilice materiales blandos como el aluminio. Determine la abrasividad de los sólidos antes de seleccionar un material adecuado para la tubería. Reduzca la velocidad de transporte tanto como sea posible, porque el desgaste aumenta a una potencia de 2,5 o más. Si se duplica la velocidad, el desgaste aumenta seis veces. Consulte la Figura 5 para ver una relación de este desgaste entre diferentes materiales.

Amrit Agarwa Soy ingeniero consultor de Pneumatic Conveying Consultants (7 Carriage Road, Charleston, WV, 25314; teléfono: 304-553-1350, correo electrónico: [email protected]). Comenzó su trabajo de consultoría después de jubilarse de Dow Chemical Co. en 2002 como especialista senior en investigación. Tiene más de 47 años de experiencia en diseño y operación en manejo de sólidos a granel y transporte neumático. Tiene una maestría en ingeniería mecánica de la Universidad de Wisconsin-Madison y una maestría en administración de empresas de la Facultad de estudios de posgrado de West Virginia en Charleston.