Questionnaire Distribution

El diseño propuesto para las columnas de adsorción implica la utilización de tuberías de proceso y otros elementos mecánicos tales como tapones de fin de línea y bujes de acople, en esta sección se especifican los principales aspectos a tener en cuenta durante el diseño de estos elementos.

Los tapones de fin de línea son utilizados comúnmente para obstruir el flujo a través de un conducto, con este fin son capaces de soportar altas presiones debido a la presencia de roscas cónicas estandarizadas por la norma NPT (Rosca Nacional de Tubos por sus siglas en inglés). Así mismo, estas roscas favorecen la estanqueidad del fluido contenido debido al contacto entre hilos del tapón (rosca hembra) y de la tubería (rosca macho).

El primer aspecto a tener en cuenta es la resistencia de las roscas frente a la presión de diseño especificada previamente, dado que la manufactura de las roscas NPT presentes en tapones y tuberías está estandarizada es posible encontrar tablas de resistencia en los manuales designados. En la Tabla 12 se presentan los rangos de

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presión permitidos para la utilización de tapones de fin de línea según la norma ANSI/ASME B 31.3.

Tabla 12. Rangos de presión admisibles para roscas NPT.

A partir de los valores presentados en la Tabla 12 es posible determinar que las roscas cónicas presentes en los tapones y tuberías de diámetro de dos pulgadas admiten una presión de hasta 3900 psi. Según lo anterior, es posible asegurar que la resistencia de las roscas presentes en los componentes es adecuada para la aplicación dado que no supera la presión interna máxima calculada.

Debido a que las columnas de adsorción deben permitir que fluidos transiten a través de ellas es importante que estas cuenten con una entrada y una salida de gases. Dado que los tapones de fin de línea poseen una superficie sólida es necesario adaptar este componente mediante la instalación de bujes, ver Figura 19.

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Los bujes diseñados deben ser manufacturados con un material compatible con el de los tapones ya que estos deberán ser unidos fijamente mediante soldaduras, por lo tanto, se empleará el acero inoxidable como material base para la manufactura de este componente.

Las uniones soldadas entre sustratos ferrosos tales como el acero inoxidable poseen resistencias variables en dependencia de las propiedades del electrodo empleado y las características del cordón de soldadura obtenido. Al diseñar componentes soldados es importante seleccionar procesos y materiales que faciliten y disminuyan los costos del proceso. [30] Debido a la compatibilidad entre el material del tapón y de los bujes se opta por realizar un cordón de soldadura mediante la técnica GTAW o TIG que se caracteriza por la ausencia de material de aporte. En este proceso un electrodo permanente de tungsteno produce un cordón más resistente puesto que se mitiga la interacción con el aire u otras sustancias contaminantes durante el proceso de aplicación.

En el diseño planteado se realizan juntas de filete alrededor de los arcos internos y externos del buje con un tamaño de cateto de dos milímetros. En la Figura 20 se presentan los cordones de soldadura presentes en los tapones.

Figura 20. Juntas de filete en los tapones resaltadas por zonas azules, modificado de Autodesk Inventor.

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La resistencia de las uniones soldadas se calcula a partir del tipo de carga a la cual esta se encuentra sometida, en el caso particular de las columnas de adsorción la presión produce esfuerzos cortantes a lo largo de la soldadura. La mínima área del cordón de soldadura se encuentra en la garganta y usualmente las fallas se producen por esta zona. En la Figura 21 se presenta el esquema de las juntas soldadas y las fuerzas aplicadas.

Figura 21. Esquema de la junta de filete y la acción de las cargas aplicadas. [31]

Para realizar un análisis de las tensiones sobre la garganta se emplean las siguientes ecuaciones [31]: 𝜎_𝑥= 𝐹 𝐴= 𝐹 0.707 ∗ ℎ_𝑐∗ 𝑙 [𝐸𝑐. 7] 𝜏 = 𝜎 = 𝜎𝑥∗ 𝐶𝑜𝑠(45°) = 𝐹 ℎ𝑐∗ 𝑙 [𝐸𝑐. 8] 𝜎₁ = 𝐹 2 ∗ ℎ_𝑐∗ 𝑙+ √( 𝐹 2 ∗ ℎ_𝑐∗ 𝑙)2+ ( 𝐹 ℎ_𝑐∗ 𝑙)2 = 1.618 ∗ 𝐹 ℎ_𝑐∗ 𝑙 [𝐸𝑐. 9] 𝜏_𝑚á𝑥 = √( 𝐹 2 ∗ ℎ_𝑐∗ 𝑙)2+ ( 𝐹 ℎ_𝑐∗ 𝑙)2 = 1.118 ∗ 𝐹 ℎ_𝑐∗ 𝑙 [𝐸𝑐. 10]

Donde 𝜎_𝑥 representa el esfuerzo de tensión del plano x, F corresponde a la fuerza de tensión aplicada, A es el área sobre la cual se aplica la fuerza, ℎ𝑐 es el tamaño del

cateto, 𝑙 es la longitud de la soldadura, σ corresponde al esfuerzo normal sobre la garganta, 𝜏 es el esfuerzo cortante sobre la garganta, 𝜎1 es el esfuerzo principal y 𝜏𝑚á𝑥

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Tabla 13. Resultados de los cálculos de uniones fijas.

c Filete superior Filete inferior

F 154.4 N 94.5 N A 2.24*10-4 _m2 _1.37*10-4 _m2 𝒉_𝒄 2 mm 2 mm 𝒍 62.8 mm 53.4 mm 𝝈_𝒙 1.25 MPa 1.74 MPa 𝝉 = 𝝈 1.23 MPa 0.88 MPa 𝝈_𝟏 1.99 MPa 1.42 MPa 𝝉_𝒎á𝒙 1.37 MPa 0.98 MPa 𝝈_{𝒑𝒆𝒓𝒎} 68 MPa 68 MPa

Según los resultados presentados en la Tabla 13 se puede determinar que ambos cordones de soldadura son mecánicamente resistentes en el estado de esfuerzos establecidos para el diseño.

Los diseños CAD de los bujes soldados a los tapones de fin de línea se presentan en la Figura 22, el tapón de entrada posee un único conducto mientras que el tapón de salida posee dos, el superior destinado a la instrumentación de un manómetro o termopar y el inferior destinado al conducto del flujo. En la Figura 23 se presenta el aspecto del ensamble final de las columnas de adsorción.

(a) (b)

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Figura 23. Diseño CAD de las columnas de adsorción ensambladas, obtenido en Autodesk Inventor.