La presión de operación tiene un mayor impacto en el costo de los recipientes de proceso porque la resistencia del recipiente a la presión está determinada principalmente por el espesor de la pared. A medida que aumenta la presión de diseño, el recipiente requiere paredes considerablemente más gruesas, componentes estructurales más pesados y una fabricación más exigente. Los intercambiadores de calor también requieren carcasas y tubos diseñados para soportar presión, pero su costo suele estar dominado por el área de transferencia de calor, el número de tubos, el mecanizado de las placas tubulares, los deflectores y la disposición interna, por lo que la presión produce un aumento relativo menor en el costo total.
La diferencia clave está en la estructura de costos: la presión modifica los requisitos del material principal portante de un recipiente de proceso, mientras que solo cambia una parte del intercambiador de calor, cuyo costo ya está fuertemente determinado por el tamaño y la complejidad interna.
Por qué la presión impulsa el costo de los recipientes
Las paredes del recipiente soportan la carga principal de presión
Un recipiente de proceso es esencialmente una frontera de presión que encierra un volumen. Su carcasa debe resistir la fuerza ejercida por el fluido interno sobre la superficie del recipiente.
A medida que aumenta la presión de operación o de diseño, aumenta el espesor de pared requerido. Esto incrementa la cantidad de acero o aleación necesaria, el peso del recipiente, el trabajo de soldadura, los requisitos de conformado y los costos de transporte e instalación.
El costo del recipiente está estrechamente relacionado con la masa de la carcasa
En reactores, separadores, recipientes de almacenamiento y tanques pulmón, la carcasa y los fondos suelen representar una parte importante del precio de compra. Por lo tanto, una carcasa más gruesa tiene un efecto directo y considerable sobre el costo del equipo.
El impacto puede hacerse cada vez más pronunciado a altas presiones. Los factores de corrección por presión para recipientes pueden aumentar considerablemente a medida que la presión de diseño pasa de una referencia de baja presión a cientos o miles de psi, lo que refleja los requisitos adicionales de material y fabricación.
La presión también afecta a los componentes de soporte
Los recipientes de mayor presión pueden requerir fondos, boquillas, bridas, bocas de hombre, soportes y cierres más resistentes. Estos componentes deben seguir siendo compatibles con la frontera de presión, por lo que el aumento de costo se extiende más allá de la propia carcasa cilíndrica.
Una mayor presión de diseño también puede incrementar los requisitos de inspección, pruebas, calificación de soldaduras y cumplimiento de códigos. Estos costos refuerzan el aumento del precio del recipiente impulsado por los materiales.
Por qué el costo de los intercambiadores de calor responde de manera diferente
El área de transferencia de calor suele ser la variable de dimensionamiento dominante
Un intercambiador de calor se adquiere principalmente para proporcionar una carga térmica requerida. Por lo tanto, su costo base suele estar relacionado con el área de superficie de transferencia de calor, más que únicamente con el volumen de la carcasa.
Un intercambiador más grande requiere más tubos, mayor área de placas tubulares, deflectores, canales, soportes y fabricación. Estas características pueden dominar el costo antes de que la presión aumente de forma significativa.
La construcción interna añade un costo considerable
Los intercambiadores de carcasa y tubos contienen componentes internos complejos, incluidos haces de tubos, placas tubulares, deflectores, canales y, en ocasiones, conjuntos de cabezal flotante. La fabricación y el ensamblaje de estos componentes requieren mecanizado, instalación de tubos, uniones, inspección y pruebas.
En consecuencia, el costo del intercambiador refleja tanto su frontera de presión como su complejidad térmica y mecánica. El aumento de presión afecta a los componentes diseñados para soportarla, pero no elimina ni multiplica proporcionalmente los costos asociados con el área de transferencia de calor requerida.
La presión afecta a los intercambiadores, pero normalmente como una corrección
Las correlaciones de costo de los intercambiadores de calor generalmente comienzan con un costo base para un material y un rango de presión definidos. Luego se aplica un factor de presión para una presión de diseño elevada, junto con factores de material cuando el acero al carbono se sustituye por acero inoxidable o una aleación más especializada.
Esta corrección puede ser significativa, especialmente a alta presión. Sin embargo, el aumento resultante suele ser menor como porcentaje del costo total que el aumento correspondiente para un recipiente a presión, porque el intercambiador ya contiene una extensa superficie dependiente del área y equipos fabricados internamente.
El papel de los materiales de construcción
La presión y la corrosión son factores de costo independientes
La presión de operación es solo una parte de la selección del equipo. El material también debe soportar el fluido de proceso, la temperatura, los mecanismos de corrosión y los requisitos de control de contaminación.
El acero al carbono suele ser económico para hidrocarburos no corrosivos y presiones moderadas. Puede ser necesario utilizar acero inoxidable o materiales de mayor contenido de aleación para corrientes corrosivas o aplicaciones en las que deba evitarse la contaminación del producto.
Las mejoras de material pueden afectar a ambos tipos de equipos
En algunas aplicaciones, cambiar de acero al carbono a acero inoxidable puede producir un aumento de costo mucho mayor que el causado únicamente por la presión. Los factores de material ilustrativos utilizados en estimaciones preliminares pueden ser aproximadamente 1,0 para acero al carbono, 3,0 para acero inoxidable y considerablemente superiores para el titanio, según el equipo y el método de estimación.
El punto importante es que los factores de presión y de material suelen multiplicar el costo base. Por lo tanto, un recipiente de alta presión fabricado con una aleación resistente a la corrosión puede resultar considerablemente más costoso que un recipiente de acero al carbono de baja presión.
Los intercambiadores de calor pueden tener componentes internos más sensibles al material
En los intercambiadores de calor, la mejora del material puede aplicarse no solo a la carcasa, sino también a los tubos, las placas tubulares, los canales y otros componentes en contacto con el fluido. Esto puede hacer que los materiales de construcción sean un factor de costo dominante, incluso cuando el efecto relativo de la presión sea menor.
Por lo tanto, la estimación final debe distinguir entre el efecto de la presión y el efecto del material, en lugar de atribuir cada aumento a la presión de operación.
Comprender las compensaciones
La presión de operación no es lo mismo que la presión de diseño
El equipo se diseña para una presión de diseño especificada, que incluye márgenes adecuados por encima de la presión normal de operación. Seleccionar el equipo basándose únicamente en las condiciones normales de operación puede subestimar el espesor de pared, las capacidades nominales de los componentes y el costo total.
El factor de presión debe aplicarse utilizando la presión y la temperatura de diseño requeridas por el código de diseño aplicable y las especificaciones del proyecto.
Una mayor presión puede reducir el tamaño del equipo
Un proceso de mayor presión puede mejorar las velocidades de reacción, la separación de fases o el rendimiento, y puede permitir un volumen menor del recipiente. Esta reducción de tamaño puede compensar parte del aumento de costo relacionado con la presión.
Por lo tanto, la comparación correcta debe hacerse entre diseños de proceso completos, no entre capacidades nominales de presión de forma aislada.
Los intercambiadores de calor no son insensibles a la presión
Sería incorrecto concluir que la presión tiene poca importancia para los intercambiadores de calor. Una alta presión puede requerir carcasas y canales más gruesos, tubos y bridas con mayores capacidades nominales, diseños más exigentes de placas tubulares e inspecciones adicionales.
La conclusión más precisa es que la presión suele tener una influencia relativa menor en el costo de compra del intercambiador, porque el área superficial y la construcción interna son componentes importantes del costo.
Las correlaciones de costo tienen límites definidos
Las correlaciones de costo base suelen desarrollarse para materiales, rangos de presión y configuraciones de equipos específicos. Aplicarlas fuera de esos rangos sin correcciones por presión y material puede producir estimaciones engañosas.
Para el diseño preliminar, la estimación debe identificar el tamaño del equipo, la presión de diseño, el material de construcción, la configuración y los factores de corrección utilizados.
Tomar la decisión adecuada según su objetivo
La selección debe equilibrar los requisitos del proceso, la integridad mecánica, la resistencia a la corrosión y el costo de capital.
- Si su objetivo principal es minimizar el costo del recipiente relacionado con la presión: Evite especificar una presión de diseño superior a la requerida por el proceso y la base de seguridad, porque el espesor de la pared del recipiente y los costos de fabricación asociados aumentan directamente con la presión.
- Si su objetivo principal es estimar el costo de un intercambiador de calor: Comience con el área de transferencia de calor y la configuración del intercambiador, y luego aplique los factores de corrección por presión y material al costo base.
- Si su objetivo principal es controlar la corrosión: Evalúe el material de construcción por separado de la presión, ya que el acero inoxidable o las aleaciones especiales pueden multiplicar el costo tanto de los recipientes como de los intercambiadores de calor.
- Si su objetivo principal es diseñar un proceso de alta presión: Compare el paquete completo del equipo, incluidas las carcasas, los fondos, las boquillas, los cierres, los componentes internos, los soportes, la inspección y el cumplimiento de los códigos.
- Si su objetivo principal es elaborar el presupuesto de una planta piloto: Utilice la presión de diseño en lugar de la presión normal de operación y documente las suposiciones detrás de cada factor de presión y material.
La presión tiene el mayor impacto en los costos cuando determina la cantidad de material principal portante, por lo que su efecto suele ser más pronunciado en los recipientes de proceso que en los intercambiadores de calor.
Tabla resumen:
| Factor de costo | Recipientes de proceso | Intercambiadores de calor |
|---|---|---|
| Factor de costo principal | Espesor de la carcasa y los fondos | Área de transferencia de calor y construcción interna |
| Impacto de la presión | A menudo considerable, porque la presión aumenta el espesor de pared y la masa de la carcasa | Generalmente un aumento relativo menor aplicado a los componentes diseñados para soportar presión |
| Componentes afectados | Carcasa, fondos, boquillas, bridas, bocas de hombre, soportes y cierres | Carcasa, tubos, placas tubulares, canales, deflectores y bridas |
| Otros factores de costo importantes | Material, fabricación, inspección, pruebas y cumplimiento de códigos | Número de tubos, mecanizado de placas tubulares, ensamblaje del haz, configuración y materiales |
| Base principal de estimación | Presión de diseño, temperatura de diseño, volumen del recipiente y material | Área de transferencia de calor, configuración del intercambiador, presión de diseño y material |
| Conclusión principal para el presupuesto | Evite una presión de diseño innecesaria, ya que puede aumentar considerablemente la masa de la carcasa y el costo de fabricación | Dimensione primero según la carga térmica requerida y luego aplique los factores de corrección por presión y material |
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