mdp 04 cf-11 plato tipo surtidor

PDVSA N° TITULO

REV. FECHA DESCRIPCION PAG. REV. APROB. APROB.

APROB. FECHAAPROB.FECHA

TORRES DE FRACCIONAMIENTO

�1994

MDP–04–CF–11 PLATO TIPO SURTIDOR

APROBADA

NOV.97 NOV.97

NOV.97 L.C.0 42 L.R.

MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO

ESPECIALISTAS

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PLATO TIPO SURTIDOR NOV.970

PDVSA MDP–04–CF–11

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.Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

Indice1 ALCANCE 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 REFERENCIAS 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 ANTECEDENTES 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 DEFINICIONES 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 APLICACIONES 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 CONSIDERACIONES BASICAS DE DISEÑO 4. . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 PROCEDIMIENTO DETALLADO DE DISEÑO 12. . . . . . . . . . . . . . . . . .

8 NOMENCLATURA 16. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

http://www.intevep.pdv.com/santp

http://www.intevep.pdv.com/santp/mdp/indice_mdp.htm

http://www.intevep.pdv.com/santp/mdp/fraccio/indice_fraccio.htm

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1 ALCANCEEsta subsección cubre las técnicas para realizar el diseño de procesos de losplatos tipo surtidor en aplicaciones de transferencia de masa. El diseño mecánicodetallado y el arreglo de las lengüetas los maneja normalmente el fabricante delos platos y sobre esa premisa se ha elaborado esta sección. Un formato decálculos que muestra paso a paso el procedimiento de diseño se incluye en elApéndice. Para el diseño de otros internos de la torre relacionados con el platotales como boquillas, cajas de retiro y conexiones del rehervidor refiérase a laSubsección MDP–04–CF–08. Para el diseño de platos tipo surtidor en serviciosde transferencia de calor, refiérase a la Subsección MDP–04–CF–13.

2 REFERENCIASMDP–04–CF–06. Selección del Tipo de Plato.

MDP–04–CF–08. Otros Internos de Torres de Fraccionamiento.

MDP–04–CF–13. Transferencia de Calor por Contacto Directo.

Consideraciones Económicas de Diseño

Kister Henry Z.’’Distillation Design’’,McGraw Hill,inc. ISBN 0–07–034909–6

3 ANTECEDENTESLos platos tipo surtidor han sido usados en las industrias de los procesos químicosy del petróleo desde los primeros años de la década de los cincuenta. Debido asu alta capacidad de manejo de líquido y vapor unida a su bajo costo, hanreemplazado a los platos de casquetes de burbujeo en muchos servicios. Sinembargo, los platos tipo surtidor han sido sustituidos a su vez en muchas de susaplicaciones por los platos perforados ya que resultan más económicos y tienenuna amplia flexibilidad. Los platos tipo surtidor se utilizan aún en servicios dondese requiere una alta capacidad de manejo de líquido.

4 DEFINICIONESVer Subsección MDP–04–CF–06 y la Nomenclatura de esta Subsección.

5 APLICACIONESPara la mayoría de las nuevas instalaciones, los platos perforados son la mejorselección (ver Subsección MDP–04–CF–06). Sin embargo, los platos tipo surtidorpodrían ser considerados para los siguientes servicios:




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� Servicios sucios.� Servicios de transferencia de calor con elevadas cargas de líquido, que

requerirían platos perforados de 3 ó 4 pasos y por ende transiciones complejas,que pueden manejarse con platos tipo surtidor de paso sencillo o paso doble.Estos servicios incluyen reflujos circulantes en destiladoras atmosféricas,fraccionadores primarios en craqueo catalítico y con vapor, torres combinadasy fraccionadores de viscoreducción.

� En eliminación de cuellos de botellas en torres de gran diámetro que manejencargas de líquido muy altas y puedan tolerar un sacrificio en la eficiencia.

� En diseños de torres nuevas con platos para cargas de líquido muy altas y quetienen un diámetro mayor de 1500 mm (5 pie). La alta capacidad de los platostipo surtidor puede más que compensar su baja eficiencia, y por lo tanto resultaren un diseño de torre más económico. Un ejemplo es la sección del fondo deuna desbutanizadora.

Los platos tipo surtidor no deberían usarse en los siguientes servicios:

� Donde el flujo de líquido esté por debajo de 10 dm3/s por metro de diámetro(3000 gph/pie de diámetro) por paso. Flujos de líquido por debajo de este valorpueden causar arrastre por soplado en el plato, con la consiguiente pérdida deeficiencia.

� En servicios donde se requiere un tiempo de residencia largo, tales comodespojadores con soda cáustica, contactores y regeneradores de aminas.

� En torres con diámetros menores de 1500 mm (5 pie). La relación de área deburbujeo a área superficial (sección transversal total) comienza a hacerserelativamente pequeña debido al área requerida del bajante. Esta baja relaciónpuede causar una alta velocidad del vapor localizada, que puede incrementarel arrastre y causar una inundación prematura.

� En platos de reflujos circulantes en destiladores al vacío. La alta caída depresión que producen y su pobre funcionamiento en las condiciones de bajoflujo de líquido que generalmente existente en esas torres, hace que los platostipo surtidor sean la peor selección. Para este servicio los anillos “Pall”normalmente son una mejor selección (ver Subsecciones MDP–04–CF–05MDP–04–CF–07 y MDP–04–CF–13.)

6 CONSIDERACIONES BASICAS DE DISEÑOEl diseño apropiado de un plato tipo surtidor da como resultado un arreglo de platoque en las condiciones de operación a las que se verá sometido realizará sufunción de separación con eficiencia razonable, será estable y no presentarácomportamientos inadecuados tales como inundación por chorro, soplado,vaciado o mala distribución de vapor, todo ello sin incurrir en costos excesivos.

El procedimiento de diseño que se presenta en esta Subsección se basa en laaplicación de criterios para definir una configuración tentativa del plato, que se




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somete a pruebas sucesivas que permiten decidir si el arreglo propuesto fallaráfrente a los criterios de comportamiento ya mencionados, que a su vez orientanla modificación del diseño tentativo para lograr un arreglo final satisfactorio.

En la Subsección MDP–04–CF–06 se tratan en detalle las limitaciones de losplatos mencionadas aquí.

Espaciamiento Entre Platos

La combinación óptima del espaciamiento entre platos y del diámetro de la torrees aquella que minimiza la inversión total de la torre sujeta a la condición de queel espaciamiento entre platos sea suficiente para permitir el acceso paramantenimiento. La información de inversiones del Manual de Estimación deCostos puede ser utilizada como una guía para determinar la inversión como unafunción del diámetro de la torre y del espaciamiento entre platos.

Los espaciamientos mínimos entre platos se muestran en la tabla de la página 13como una función del diámetro de la torre, tipo de servicio y requerimientos demantenimiento. Ver también las discusiones sobre el llenado del bajante en“Hidráulica del Plato’’ y la Tabla 1 del Apéndice.

Diámetro de la Torre

Junto con los criterios discutidos posteriormente en los puntos “Dimensionamientodel Bajante”, “Espacio libre en el Bajante’’ y “ Llenado del Bajante’’, el diámetro dela torre debe proveer suficiente área de sección transversal para evitar arrastre deacuerdo a la siguiente ecuación. “

Va �F7 Kd Kp K�p H�

�V�L – �V

�Ec. 1

donde:

En unidadesmétricas

En unidadesinglesas

Va = Velocidad superficial permisible del vapor(Diseñe para un máximo de 100% de Va)

m/s pie/s

Kd = Factor de corrección de la capacidad de vaporpara el área del bajante.Ver Ecuación (1a).

adim adim

Kp = Factor de corrección de la capacidad de vapora la presión de operación (Fig. 2.)

adim adim

K�p = Factor de velocidad permitida del vaporbasado en las propiedades del sistema(Fig.1.)

adim adim




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H = Espaciamiento entre platos mm pierV = Densidad del vapor a condiciones de trabajo kg/m3 lb/pie3

rL = Densidad del líquido a condiciones de trabajo kg/m3 lb/pie3

F7 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas

0.0175 1

Kd �As – Adi – Aw

0.92 AsEc. (1a)

donde:

As = Area superficial de la torre m2 pie2

Adi = Area de entrada al bajante. En bajantesinclinados o escalonados, se debe utilizar elpromedio de las áreas de entrada y salida delbajante.

m2 pie2

Aw = Area estimada de desperdicio m2 pie2

Una modificación en la ecuación (1) de Va para permitir calcular As directamentese presenta en el formato de cálculo como ecuación (2b2). Ya que As y Kddependen una de otra, la solución de la ecuación que las liga requiere un cálculoiterativo.

Como en todo proceso de solución iterativa de ecuaciones el esfuerzo de cálculopuede reducirse significativamente si se seleccionan buenos valores iniciales paralas variables de cálculo, se sugieren dos procedimientos para estimar el áreasuperficial de la torre, y por consiguiente su diámetro. Primer procedimiento deestimación: para el primer ensayo, As debería ser calculada basados en un valorasumido para Kd = 0.95. Del valor resultante de As, se puede calcular un valor“final’’, suficientemente preciso, de Kd. Nótese que en el formato de cálculo no sedebe tomar crédito de capacidad para espaciamiento entre platos más grandesque 900 mm (36 pulgadas). Segundo procedimiento: Decida a que porcentaje dela velocidad de vapor a máxima capacidad de la torre (VL(Lim)) se va a trabajar enel equipo (siempre por debajo de 100%). Calcule con ayuda de la ecuación 2c delformato de cálculo el área libre del plato y para obtener un valor conservador deldiámetro calcule el área superficial del plato suponiendo que el área libre estimadaes el 88% del área superficial.

El factor de capacidad de vapor K�p para las propiedades del sistema se presentaen la Fig. 1. Esta correlación se basa en datos operacionales de torres quemanejan hidrocarburos. Debido a que la correlación es empírica, debería usarsecualquier dato de capacidad disponible para el tipo de torre que se está diseñando.Esto es especialmente válido para absorbedoras, servicios que no manejanhidrocarburos y sistemas donde la viscosidad del líquido excede los 0.6 mPa.s(cp). Los valores de K�p para viscosidades de hasta 6 cp pueden leerse en la Fig.1,pero deben utilizarse con precaución.




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El factor de corrección de capacidad de vapor Kp para la presión de operación hasido derivado de varias pruebas en sistemas aire–agua. Estos valores songraficados en la Figura 2.

Capacidad Máxima

La ecuación (2c) del formato de cálculos da la carga de vapor limitante para lacapacidad máxima. En caso de excederse esta carga, ocurrirá el fenómeno desoplado y el líquido se dispersará en pequeñas gotas produciéndose su arrastre.Debido a esta atomización del líquido, aumentar el espaciamiento entre los platosno reducirá la cantidad de líquido arrastrado al plato superior. La relación de lacarga de vapor de diseño VL a la carga de vapor de máxima capacidad VL(Lim) debemantenerse por debajo de 100%. Si es necesario, el diámetro de la torre debeincrementarse, aun cuando la ecuación (1) sobre arrastre haya sido satisfecha.Sin embargo, el diámetro calculado mediante esta ecuación normalmente proveesuficiente área libre para satisfacer las limitaciones de capacidad máxima.

Número de Pasos de Líquido

Debido a su capacidad inherente para manejar altas cargas de líquido, es pococomún que se requieran platos tipo surtidor de pasos múltiples. Esta capacidadresulta de la componente horizontal de velocidad que adquiere el vapor, comoconsecuencia de su paso a través de las aberturas de las lengüetas. La acción delchorro o “jet” de vapor ayuda a propulsar el líquido a través del plato, en direcciónhacia el bajante. Por lo tanto, cuando en una torre, se requieren platos tipo surtidorde dos pasos usualmente se debe a que hay otros tipos de platos de paso múltipleen las secciones adyacentes de la torre y no a que los platos tipo surtidor de pasosimple pudieran sobrecargarse. Cuando se usan platos tipo surtidor de dos pasosno se deben tener beneficios por una capacidad de manejo de vapor extra.

Dimensionamiento del Bajante

El área requerida en la entrada del bajante se ajusta por las limitaciones desegregación o separación de la espuma para dar un líquido claro a la salida delbajante sin acumularla en el plato. Si el área es insuficiente, la espuma puedeacumularse en el plato y causar inundación prematura. Esta separación es másfácil mientras más difieran las densidades de las fases líquida y vapor, por lo que,a medida que la temperatura del sistema se aproxime a la temperatura crítica, ylas densidades de las fases de vapor y líquido se aproximen una a la otra, lasegregación del vapor así como la predicción del área requerida para segregación,serán cada vez más difíciles de realizar. Esto es más probable que suceda ensistemas de destilación a altas presiones, por lo que se recomienda en esos casosser conservadores en la definición de las áreas de bajante.

La experiencia con una amplia variedad de sistemas muestra que para los platostipo surtidor, la velocidad de entrada al bajante debe estar limitada a un máximo




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de 0.09 m/s (0.3 pie/s), basada en las condiciones de líquido libre de vapor. Parasistemas espumantes a presión alta (2000 kPa man. (300 psig) o mayores), estevalor debería ser reducido a 0.06 m/s (0.2 pie/s). Para un bajante recto, estosvalores se aplican automáticamente a la salida. Para un bajante inclinado oescalonado la velocidad de salida puede ser tanto como 0.18 m/s (0.6 pie/s).

Para prevenir el salto de líquido a la entrada del bajante por un movimiento rápidode la espuma, solamente deberían usarse los bajantes tipo segmento circular.Para una buena distribución de líquido, la longitud de salida del bajante debe seral menos 65% del diámetro de la torre. Esto significa que el área de salida delbajante (por lo tanto el área de entrada) debe ser al menos 6.8% del áreasuperficial de la torre As. Si el área de entrada al bajante que se requiere parasatisfacer los criterios de velocidad, excede 12% de As, entonces la salida de unbajante recto quedaría sobredimensionada y se debería considerar un bajanteinclinado o escalonado.

A cargas de líquido altas, las áreas de bajante requeridas pueden convertirse enun gran porcentaje del área de la torre. En ese caso pudiera resultar que no sedisponga de suficiente área activa para una buena distribución de las lengüetas.Si la sumatoria de las áreas requeridas de entrada y de salida del bajante es mayorque el 45% de As, el diámetro de la torre debería incrementarse.

Ver MDP–03–S–03,Tabla 5 para las relaciones geométricas.

Espacio Libre del BajanteEl espacio libre del bajante es la distancia vertical entre el fondo del borde delbajante y la cubierta del plato. Este espacio libre no debe ser menor de 25 mm (1pulg) y está basado en una pérdida normal de cabezal (pérdida de presión) de 13a 38 mm (0.5 a 1.5 pulg) de líquido caliente, de acuerdo a la fórmula del vertederosumergido, Ecuación (4d) del formato de cálculo. En aquellos casos donde semanejen flujos altos de líquido que requieran bien el uso de un mayor espacio libredel bajante (mayor de 75 mm (3 pulg)) o de una caja de entrada de receso másprofunda, un borde de bajante perfilado puede ser usado en su lugar (verMDP–04–CF–08).Para estos tipos de bordes de bajantes perfilados, el coeficienteen la Ecuación (4d) es reducida de 160 a 53 cuando se usa el sistema métrico yde 0.06 a 0.02 si se usa el sistema inglés.

No debería usarse un borde de bajante perfilado cuando se ha especificado unacaja de entrada de receso. Esto es debido a que la obstrucción presentada por ellado vertical de la caja de entrada de receso o por el vertedero de entrada, podríacausar turbulencia y anular el propósito del borde del bajante perfilado que esfacilitar el flujo de salida.

Sellado del BajantePara prevenir el desvío de vapor a través del bajante, éste debe ser sellado porel líquido del plato inferior. Por lo tanto, es necesario verificar la sumatoria de todas




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las alturas de líquido libre de gas hi a la entrada del plato y de las pérdidas decabezal hud en el bajante a flujo mínimo de líquido. Dicha sumatoria debe ser porlo menos igual al espacio libre en el bajante, y preferiblemente excederlo en 6 mm(0.25 pulg) de líquido caliente. Si no se obtiene un sellado considérese añadir unvertedero de entrada o el uso de una caja de entrada de receso, en ese orden depreferencia. El reducir el espacio libre en el bajante (por debajo de 25 mm (1 pulg)mínimo) podría ayudar al sellado del bajante, siempre que el llenado del bajanteno sea excesivo a los flujos de diseño.

Una caja de entrada de receso debería ser evitada a flujos de líquido mayores de28 dm3/s por metro de diámetro (8000 gph por pie de diámetro) por paso. A flujosaltos de líquido la inversión en la dirección de flujo en el borde del bajante perfiladocausa un aumento grande de líquido aguas abajo del bajante. Este alto cabezalde entrada provoca a su vez un vaciado a través de las hileras de las lengüetas.Bajo estas condiciones una mejor solución sería usar el borde de bajante perfiladodiscutido a continuación.

El uso de un borde de bajante perfilado podría ser considerado si se maneja unamplio rango de flujos de líquido. El uso de un bajante perfilado da una menorpérdida de cabezal para un espacio libre, que la pérdida dada por un bajanteestándar, tipo afilado. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, éste nodebería ser usado si una caja de receso o un vertedero de entrada ha sidoespecificada.

Configuración del Plato y Area de las lengüetas

Dos características importantes en la configuración del plato son el área deburbujeo Ab (Fig. 5.) y el área libre Af (Fig. 6.), éstas dependen de las áreas demanejo de líquido (bajantes) y del área de desperdicio Aw, definida como un áreano perforada a más de 75 mm (3 pulg) de la perforación más cercana.Normalmente los platos tipo surtidor no tienen área de desperdicio, a menos quese requiera un área muy pequeña de lengüetas y por lo tanto un gran área sinperforar).

Se ha demostrado que el área de burbujeo Ab y la velocidad del vapor V a travésde las lengüetas influye en la eficiencia del plato. Velocidades altas a través de laslengüetas y una baja relación del área de las lengüetas a área de burbujeo permitemejorar la eficiencia del plato. Este óptimo puede ser alcanzado mejor si el platoes diseñado para una caída de presión en el plato seco hed entre 75 y 150 mm (3y 6 pulg) de líquido caliente, si la hidráulica lo permite. Sin embargo, el área de laslengüetas no debería ser menor de 5% del área de burbujeo Ab.

Los vertederos de salida normalmente no son especificados para platos tiposurtidor. Observaciones visuales en un simulador de aire/agua indican que unvertedero de salida casi no afecta la hidráulica del plato tipo surtidor. El líquido selevanta de la bandeja del plato y salta sobre el vertedero de salida debido al vapor




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que entra horizontalmente. Entonces el vertedero de salida hace muy poco paramantener el líquido sobre el plato para efectos de retención o de sellado delbajante. Sin embargo, se ha incluido un término en la Ecuación (4a) del formatode cálculo, para obtener un valor conservador en los cálculos de llenado delbajante, para el caso en que se use un vertedero de salida.

Configuración de las lengüetas (Ver Figura 8.)

La configuración o arreglo detallado de las lengüetas normalmente lo define elfabricante,.quien también determinará el número y localización de los elementosde soporte estructural ( cerchas mayores y menores) durante el diseño mecánicodetallado del plato. Sin embargo, el fabricante debe ser informado acerca deltamaño y número de las lengüetas requeridas y debe suministrársele un esquemaindicando que porción del plato estará perforada. También el diseñador debehacer una verificación aproximada para asegurarse de que el número delengüetas especificado cabe en el área del plato destinada para la perforación.

Las lengüetas deberán configurarse sobre un arreglo triangular en hilerasnormales al flujo de líquido. Por lo menos se deben usar cuatro hileras delengüetas. Normalmente se usan lengüetas de 50 mm (2 pulg) , aunque pudieranser consideradas lengüetas de 25 mm (1 pulg) (5.8 cm2 (00062 pie2) por lengüeta)si resultan menos de seis hileras de 50 mm (2 pulg).

La línea de centros de la primera hilera de lengüetas debe estar lo más cercaposible de la entrada de líquido, pero no a menos de 50 mm (2 pulg) de la orillade (a) del bajante del plato superior, (b) la caja de entrada de receso, (c) un bordede bajante perfilado. La línea de centros de las hileras de lengüetaspreferiblemente deberían estar igualmente espaciadas y separadas al menos 64mm (2 1/2 pulg). El espaciamiento puede ser variado para llenar el área disponiblepara las lengüetas tanto como sea posible. Los centros de las lengüetas encualquier hilera (por ejemplo, para un flujo normal de líquido) deberían estarseparados de 64 a 100 mm (2 1/2 a 4 pulg). Para minimizar el rompimiento durantela fabricación del plato, las lengüetas y las hileras de lengüetas no deben serperforadas a menos de 70 mm (2 3/4 pulg) entre centros para acero al carbono,o a menos de 64 mm (2 1/2 pulg) entre centros para aleaciones de acero.

Se deja un área libre de lengüetas alrededor de la orilla del plato para podersoportar y sujetar el anillo. El ancho de este espaciamiento normalmente es de 50a 75 mm (2 a 3 pulg). Placas deflectoras de 100 mm (4 pulg) de alto y 100 mm (4pulg) de ancho serán provistas, tal como se muestra en la Figura 8., paraprevenir que el líquido se desvíe por las lengüetas alrededor de la periferia delplato.

Algunas veces es necesario obturar lengüetas para mantener una alta eficienciaen las secciones de la torre donde la carga de vapor cambia sustancialmente.Preferiblemente se deben obturar las hileras de lengüetas aguas abajo de las




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cerchas menores de soporte aunque estas hileras tienden a vaciar el líquidoprimero. No obturar más de dos hileras adyacentes en esta sección. Si se requiereuna obturación adicional se debe usar una nueva distribución del plato. Laobturación de hileras diagonales e individuales de lengüetas puede ser usadatambién cuando la distancia horizontal entre la entrada y salida del bajante es de1500 mm (5 pie) o mayor, el área de lengüetas debería distribuirse para proveer10% más de la densidad de lengüetas en la mitad de la entrada del plato.

Arrastre, Goteo y Vaciado

No debe ocurrir arrastre o soplado si el flujo de líquido se mantiene por encima delos 10 dm3/s por metro (3000 gph/pie) de diámetro por paso, y la caída de presiónen el plato seco se mantiene por debajo de 150 mm (6 pulg) de líquido caliente.Para minimizar el goteo y el vaciado, la caída de presión en el plato seco a flujosmínimos de vapor debe ser igual o mayor de 25 mm (1 pulg) de líquido caliente.

Hidráulica del Plato

Generalmente, la caída de presión óptima estará en el rango de 75 a 150 mm (3a 6 pulg) de líquido caliente. El efecto sobre la hidráulica del plato y llenado delbajante, de un aumento de la caída de presión en el plato seco (disminuyendo elárea de las lengüetas) puede ser calculada a partir del paso 3b del formato decálculo.

El llenado del bajante como un porcentaje del espaciamiento entre platos, nodebería exceder los valores dados en la Figura 4. como una función de la presión.De otra manera, el espaciamiento entre platos y/o el diámetro de la torre deberíaser incrementado.

Si se usan platos de dos pasos, se deben proveer placas deflectoras para evitarmezclado en todos los bajantes interiores evitando que el líquido salte a través delbajante, con la consecuente inundación prematura (ver Figura 7. yMDP–04–CF–08).

Eficiencia Global

Para una buena eficiencia, la función de energía de mezclado líquido–vapor

Fe �Vo �V

�

Ao�Ab

debería ser igual o cercana a 70, en cuyo caso la eficiencia

resultará ser unos 20 puntos porcentuales inferior a la de un plato perforado o decasquete de burbujeo en el mismo servicio. En la Figura 3. del apéndice, semuestra la eficiencia de los platos tipo surtidor como una función de Fe y de lafluidez (inverso de la viscosidad) del líquido en el plato. Sin embargo, siempre que




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sea posible, la experiencia debería ser usada como una guía para determinar laeficiencia de los platos tipo surtidor.

Transferencia de Calor

La Subsección MDP–04–CF–13 define el procedimiento para determinar elnúmero de platos de tipo surtidor requerido para un servicio dado de transferenciade calor.

Consideraciones para el Arranque

A velocidades muy bajas de vapor (durante el arranque), los platos tipo surtidorpueden vaciarse causando que el nivel del líquido no se mantenga en el plato. Sinembargo cuando las torres de platos tipo surtidor usan un rehervidor determosifón, se debe tomar una precaución especial para asegurar que elrehervidor tenga una alimentación líquida durante el arranque. Esto se puedelograr:

� Proporcionando un plato de chimenea como plato de retiro (verMDP–04–CF–08).

� Instalando una línea de derivación (salto) desde la línea de retiro en el fondo dela torre hasta la entrada al rehervidor. Esta línea debe tener una válvula de talforma que permanezca cerrada cuando el rehervidor esté generando suficientevapor para mantener el líquido en el plato de retiro.

Para el diseño de platos de retiro e internos de torres, ver MDP–04–CF–08.

7 PROCEDIMIENTO DETALLADO DE DISEÑOEl procedimiento paso a paso para el diseño de un plato de tipo surtidor se muestraen el apéndice “Formato de Cálculo’’. Básicamente, el procedimiento se basa enproponer un diseño tentativo con la ayuda de los principios arriba mencionados,evaluarlo contra las diferentes limitaciones operacionales potenciales y luegomodificarlo como se requiera para llegar a un diseño óptimo del plato. La decisiónde cómo modificar el diseño tentativo requerirá juicio y aplicación de lasconsideraciones básicas de diseño discutidas anteriormente. Los númerosreferidos a continuación son descritos en el formato de cálculo para los diferentespasos y ecuacionesCargas de Vapor y Líquido (Paso 1).

Esta información es normalmente calculada como parte del balance de materia yenergía de la torre. Si las cargas de vapor y líquido mínimas no han sidoespecificadas se asume 70% de las cargas de diseño.

Espaciamiento, Tamaño y Configuración Preliminar de los Platos (Paso 2)

Areas del Bajante – La velocidad del líquido libre de vapor entrando al bajantedebería estar limitada a un máximo de 0.09 m/s (0.3 pie/s). Para sistemasespumantes o de alta presión (mayor de 2000 kPa man. (300 psig)) usar 0.06 m/s




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(0.2 pie/s). Esta determinación de las áreas del bajante será usada para iniciar lasiteraciones. Sin embargo, otras consideraciones sobre el diámetro de la torrepueden requerir que las áreas del bajante sean incrementadas.

Espaciamiento entre Platos – Un bajo espaciamiento entre platos (entre 450 y 600mm (18 y 24 pulgadas)) a menudo es más económico. Para el primer ensayo sepuede utilizar un espaciamiento de 450 mm (18 pulgadas) o un valor tomado dela tabla que se muestra abajo (el que sea más grande). Los valores dados acontinuación son los mínimos, determinados por consideraciones demantenimiento y espesor de la viga de soporte. En casos especiales, se puedenutilizar espaciamientos menores (pero no por debajo de 300 mm (12 pulgadas));sin embargo, ello dificulta el mantenimiento y requiere el uso de un pasahombrede más en el plato por paso.

ESPACIAMIENTO MINIMO ENTRE PLATOS, mm 1, 3

Diámetro de la Torre Servicio Limpio Servicio Suciomm piew1500,v2300 5–1/2 a 7–1/2 450 525>2300, �3100 8 a 10 450 600>3100, �5000 10–1/2 a 16–1/2 525 675>6000 2 17 y más 600 750

1. El mínimo espaciamiento entre platos con pasa–hombre (manhead) presente es 600 mm (24pulgadas).

2. Para torres de diámetro mayor de 600 mm (24 pulgadas) se deben utilizar armaduras del tipo rejillapara facilitar el mantenimiento y una buena distribución de vapor (Ver Subsección MDP–04–CF–08donde se muestra un dibujo de una armadura enrejada)

3. Para convertir de mm a pulgadas divida entre 25.4

Tamaño Preliminar del Plato –.El diámetro preliminar se calcula a partir del áreasuperficial As, la cual se determina con la Ecuación (2b2) (También se puedeutilizar el segundo procedimiento sugerido en la página 8 de esta Subsección). Eneste punto, Adi y Ado (paso 2a) deberían ser chequeados para asegurarse que Ado0.068 As. Si Adi es mayor que 0.12 As considerar un bajante en pendiente oescalonado. Si la suma de Adi y Ado sobrepasa 45% de As, el diámetro de la torredebería ser incrementado. Si es necesario, aumente el diámetro de la torre ycorrija Kd, As y Dt, entonces el Dt debería ser igual o mayor de 1500 mm (5 pie)para torres nuevas.

Número de Pasos de Líquido – Los platos tipo surtidor normalmente serán de pasosencillo, aunque los platos adyacentes en la torre sean de paso múltiple. Sinembargo, el formato de cálculo ha sido determinado para manejar platos de pasomúltiple, donde sea adecuado.




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Capacidad Máxima – La carga de vapor correspondiente a la capacidad máximaes calculada a partir de la Ecuación (2c). La relación de capacidad de diseño acapacidad máxima de flujo de vapor debe mantenerse por debajo de 100%.

Espaciamiento, Tamaño y Configuración Final de los Platos (Paso 3)

Areas de la Torre – Usar el último valor de Dt calculado en el paso 2(b) ó 2(c) parael diámetro final de la torre.

Detallado de las Lengüetas – Para el primer ensayo, la caída de presión en el platoseco hed se calcula a partir del valor de velocidad del vapor Vo, basado en el áreamínima de las lengüetas Ao calculada en el paso (3a). Si este valor de hed esaceptable (en el rango de 75 a 150 mm (3 a 6 pulg) de líquido caliente), procederdirectamente con el cálculo de N, el número de lengüetas. Sin embargo, si hedexcede el límite recomendado de 150 mm (6 pulg), o si otras consideraciones (porejemplo, limitaciones de Ap a través del plato) requieren un valor más pequeño dehed, será necesario recalcular Vo (Ecuación 2b2) y Ao antes de calcular N.

Bajantes y Vertederos – La longitud de la placa del bajante en el fondo del bajantedebería verificarse para estar seguro de que sea por lo menos 65% del diámetrofinal de la torre. Considerar un bajante en pendiente o escalonado si Adi 0.12 As.Además, para platos de dos pasos, el ancho del bajante interior debe ser al menosde 200 mm (8 pulg).

Ver MDP–03–S–03,Tabla 5 para las relaciones geométricas.

Energía de Mezclado – Si la energía de mezclado da una eficiencia bajaindeseable, se debería incrementar hed (dentro de las limitaciones anteriormentediscutidas) y recalcular las porciones adecuadas del paso 3(b). Sin embargopuede ser que una vez llegados a este punto no se pueda aumentar hed, y se debaaceptar una penalización moderada de la eficiencia (Ver Figura 3.).

Hidráulica del Plato (Paso 4)

La sumatoria de la altura de líquido claro hi a la entrada del plato, más la pérdidade cabezal en el bajante hud, debe ser verificada a flujos mínimos de líquido, paraasegurarse que iguala o excede el espacio libre en el bajante, sellando de estamanera el bajante. Si no se obtiene el sellado, considerar el uso de un vertederode entrada, una caja de entrada de receso, un pequeño espacio libre en el bajante,o un borde de bajante perfilado. Ver MDP–03–S–03,Tabla 5 para las relacionesgeométricas.

Si el criterio de llenado del bajante como un porcentaje del espaciamiento entreplatos es excedido, probablemente será necesario incrementar el espaciamientoentre platos, en vez de hacer otros ajustes para reducir la caída de presión en elplato.




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Eficiencia Global (Paso 5)

La eficiencia global (Figura 3.) y el número de platos teóricos requerido sedetermina por el mínimo número de platos reales. Sin embargo, se deberíarecordar que esta correlación debería ser usada solamente para sistemas dedestilación de hidrocarburos. Para absorbedoras, sistemas acuosos y otrosservicios de no hidrocarburos, la eficiencia global debería estar basada en datosoperacionales

Para decidir el número de platos reales a especificar en el diseño será necesariotomar en consideración el factor de seguridad y flexibilidad.




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8 NOMENCLATURAAb = Area de burbujeo, m2 (pie2) (ver Figura 5.)Adi = Area de entrada al bajante, m2 (pie2) (Figura 5.)Ado = Area de salida del bajante, m2 (pie2) (Figura 5.)Af = Area libre en la torre, m2 (pie2) (igual a As–Adi–Aw por encima del plato); para

platos de paso múltiple usar el valor más pequeño de Af (ver Figuras 5.y 6.)Ao = Area de las lengüetas, m2 (pie2)As = Area superficial de la torre (total), m2 (pie2)Aw = Area de desperdicio, m2 (pie2)c = Espacio libre entre al plato y el bajante de entrada al plato, mmD = Diámetro, mm (pie)Dt = Diámetro preliminar, mm (pie)Eo = Eficiencia global porcentaje, %

Función de energía de mezclado =Vo �v

�

Ao/Ab=

VL �L _ �v�

Ao (Ao/Ab)

Fi =G = Flujo másico del vapor, kg/s (lb/s)H = Espaciamiento entre platos, mm (pie)hc = Altura del líquido libre de vapor en el plato, mm (pulg) de líquido calientehd = Llenado del bajante, mm (pulg) de líquido calientehed = Caída de presión efectiva en plato seco, mm (pulg) de líquido calientehi = Cabezal de entrada al plato, mm (pulg) de líquido calienteht = Caída de presión total en el plato, mm (pulg) de líquido calientehud = Pérdida de cabezal en el bajante, mm (pulg) de líquido calientehwi = Altura del vertedero de entrada, mm (pulg)hwo = Altura del vertedero de salida, mm (pulg) (Figura 6.)hwt = Caída de la presión en las lengüetas húmedas, mm (pulg) de líquido calienteKd = Factor de corrección de capacidad del vapor para el área del bajante,

adimensionalKp = Factor de corrección de capacidad del vapor a la presión de operación (ver

Figura 2.)K�p = Factor de corrección de capacidad del vapor basado en las propiedades del

sistema, adimensional (ver Figura 1.)L = Flujo másico de líquido, kg/s (lb/s)LL = Flujo de líquido, (pie3/s) a las condiciones de operaciónlfp = Longitud de la trayectoria del flujo, distancia entre la entrada y salida del

bajante, mmli = Longitud del vertedero de entrada, mm (pulg) (ver Figura 5.)lo = Longitud del vertedero de salida , mm (pulg) (ver Figura 5.)lud = Longitud de la parte inferior del bajante, mm (pulg) (ver Figura 5.)m = (Ao/Ab)2, adimensional




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N = Número de lengüetas (tabs)Np = Número de pasos de líquidoP = Presión, kPa manométrica, (psig)QL = Flujo de líquido dm3/s (pie3/s) a condiciones de operaciónQL(min)

= Flujo mínimo de líquido dm3/s (pie3/s) a condiciones de operación

QLD = Flujo de líquido, dm3/s por metro de diámetro (gph/pie) de diámetroVa = Velocidad permitida del vapor basada en el área superficial de la torre, m/s

(pie/s)

VL(Lim)

= Carga máxima de vapor, dependiente de las propiedades del sistema, dm3/s(pie3/s)

VL(Min)

= Carga de vapor a flujo mínimo de vapor (para flexibilidad)dm3/s (pie3/s) a condiciones de operación

Vo = Velocidad del vapor a través de las lengüetas, m/s (pie/s)Vs = Velocidad del vapor basado en el área superficial de la torre, m/s (pie/s)mL = Viscosidad del líquido a condiciones de operación, mPa. s (cp)rL = Densidad del líquido a condiciones de operación, kg/m3 (lb/pie3)rv = Densidad del vapor a condiciones de operación, kg/m3 (lb/pie3)gL = Tensión superficial del líquido a condiciones de operación mN/m

FACTOR FI

En unidadesmétricas

En unidadesinglesas

F2 = Fig. 7. 25.4 1.0

F7 = Ec. 1 0.0175 1.0




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1.1.APENDICE

TABLA 1. PRINCIPIOS DE DISEÑO DE LOS PLATOS TIPO SURTIDOR

Características deDiseño

ValoresSugeridos

RangoPermitido

Comentarios

1.Espaciamiento entrePlatos, mm (pie)

450 a 600mm(1.5 a 2.0pie)

450 a 900 mm(1.5 a 3.0 pie)

Es generalmente económico usar valoresmÍnimos, limitados por llenado del bajante oconsideraciones del mantenimiento. El uso deespaciamientos variables para compensarcambios de carga de una sección a otra debenser considerados, para minimizar la altura de latorre.

2.Diámetro de la Torre, mm(pie)

1500 mm(5 y más pie)

Los platos tipo surtidor no deben ser usado se entorres nuevas con diámetros menores de 1500mm (5 pie).

a. Flujo de Líquido L, dm3/s m(gal/h/pie)

10 min(3000 min)

Si L es menor de 10 dm3/s por metro (3000gph/pie) de diámetro por paso, los platos tiposurtidor no deberían ser usados, debido a latendencia de ocurrir arrastre.

b. Velocidad Superficial delVapor Vs, m/s (pie/s)

Ver comentarios Determinado por el arrastre. Ver Ecuación (2b1) y(2b2). Diseñado para 100% o menos de lavelocidad permisible del vapor.

c. Capacidad Máxima Ver comentarios La carga de vapor de diseño VL no debe excederla carga de vapor límite VL(Lim) . Ver ecuación (2c)

3.Número de Pasos deLíquido

1 – 2 La capacidad de manejo de líquido de los platostipo surtidor no es afectada significativamente porel número de pasos. Usar platos de paso sencillo,aunque los platos adyacentes en la torre sean depaso múltiple.

4.Tamaño y Configuración delas Lengüetas

La configuración, generalmente es realizada porel fabricante del plato

a. Tamaño de las Lengüetas,mm (pulg)

50 mm(2 pulg)

25 a 50 mm(1 a 2 pulg)

Normalmente, las lengüetas usadas son de 50mm (2 pulg). Si se requieren menos de 6 hilerasde lengüetas de 50 mm (2 pulg) se deben usarlengüetas de 25 mm (1 pulg) para tener una mejordistribución de área de las lengüeta.

b. Area de Lengüetas Aocomo un porcentaje de Ab

12 – 25 5 a 40 En general, la menor área de lengüetas, la mayoreficiencia y la menor capacidad. Un plato con20% de área de lengüeta da buena eficiencia yflexibilidad sin un beneficio de capacidad para unamplio rango de diseño de flujos de líquido paraevitar arrastre a muy altos flujos de líquido paraprevenir un llenado excesivo del bajante. Areasde lengüetas menores de 5% no sonrecomendadas debido a que puede ocurrirarrastre.

c. Arreglo de las Lengüetas Triangular Triangular Las hileras deben ser normales al flujo de líquidoen un arreglo triangular para prevenir canalizaciónde líquido.




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d. Espaciamiento, mm (pulg) 75 mm(3 pulg)

64 a 100 mm(2 1/2 a 4 pulg)

Proveer al menos 4 a 6 hileras de lengüetas,espaciadas para ocupar el área de burbujeodisponible tanto como sea posible. Para prevenirla canalización, las lengüeta e hileras de lengüetadeben ser espaciadas no tan cerca de 65 mm (21/2 pulg) de centro a centro en aleaciones o 70mm (2 3/4 pulg) en acero al carbón.

e. Configuración Ver Comentarios Mantener la línea central de la primera hilera delas lengüetas cercanas, pero no tan cerca de 50mm (2 pulg) de la entrada al bajante. Dejar 50 a75 mm (2 a 3 pulg) de ancho del área próxima a lapared libre para soportes y anclajes de los anillos.Colocar deflectores verticales de 100 mm por 100mm (4 por 4 pulg) en esta zona para prevenir eldesvío de líquido. Ver Figura 8.

f. Area de Burbujeo Ab, comoun porcentaje de As

55 a 90 El área de burbujeo debería ser maximizada paratener un buen contacto. La relación de Ab/Asmenor de 55% no debería ser usada. Ver Figura5.

g. Eficiencia Global VerComentarios

Ver Comentarios La eficiencia global en los platos tipo surtidor seráaproximadamente 20% menor que en los platosperforados o casquetes de burbujeo, en funcionesde energía de mezclado (Fc) por encima de 85previendo de que no haya limitación de arrastre,inundación o vaciado. Para una eficiencia devalores menores de energía de mezclado verFigura 3.

h. Obturación Generalmente la obturación no es requerida a noser que la torre sea dimensionada para unservicio futuro de flujos mucho mayores. Paramantener una buena eficiencia ade obturacióndebe ser uniforme en el área de burbujeo y noalrededor de la periferia. Preferiblemente, laobturación de las hileras de lengüetas debe seraguas abajo o del menor enrejado, debido a queéstas lengüetas son las más susceptibles alvaciado.

5.Bajante y Vertederos

a. Velocidad Permitida del Ba-jante, m/s (pie/s) de líquidoclaro

0.09 m/s(0.3 pie/s)

Ver Comentarios La velocidad de entrada al bajante no debeexcederse de 0.09 m/s (0.3 pie/s) para sistemasno espumosos y de 0.06 m/s (0.2 pie/s) parasistemas espumosos y de alta presión. Lavelocidad de salida del bajante no debeexcederse de 0.18 m/s (0.6 pie/s). A medida quela densidad del vapor se aproxima a la densidaddel líquido haciendo la separación del vapor másdificultosa, se debe usar una mayor área delbajante (menor velocidad de entrada al bajante).Esto es más crítico en torres que operan por encima de aproximadamente 700 kPa man. (100psig). Si la suma de Adi + Ado excede el 45% deAs, se debe incrementar el diámetro de la torre.




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b. Tipo de Bajante Cordal Ver Comentarios La longitud de la cuerda del bajante debe ser almenos 65% del diámetro de la torre para unabuena distribución. Se pueden usar bajantesinclinados a flujos altos de líquido, con unavelocidad máxima de entrada de 0.18 m/s (0.6pie/s). Considerar bajantes inclinados si Adi > 0.12As.

c. Anchura del Bajante Interior(entrada y salida) y PlacasDeflectoras Anti–mezcla

200 mm min.(8 pulg min.)

d. Espacio Libre en el Bajantec, mm (pulg)

38 mm(1.5 pulg)

25 mm (1 pulg y más)

e. Vertedero de Salida Ver Comentarios Los platos tipo surtidor normalmente no usanvertederos de entrada. Ver discusión enConsideraciones Básicas de Diseño.

f. Sellado de Bajante VerComentarios

Vertedero deentrada o cajade entrada dereces.

Si la sumatoria de la altura clara de líquido en elplato (hi) y la pérdida de cabezal en el bajante(ambas a cargas mínimas en la torre) no excedenel espacio libre en el bajante, reducirlo al mínimode 25 mm (1 pulg) (permitiendo el llenado delbajante) y añadir un vertedero de entrada o unacaja de entrada de receso, en ese orden depreferencia. No usar caja de entrada de receso siL > 28 dm3/s por metro por paso (8000gal/h/pie/paso).

g. Llenado del Bajante, % delEspaciamiento entre Platos

VerComentarios

Ver Comentarios Ver la Figura 4. para un porcentaje máximo dellenado del bajante como una función de lapresión del sistema.




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Fig 1. FACTOR DE CAPACIDAD DEL SISTEMA, Kµρ, PLATOS / TIPO SURTIDOR ENSERVICIO DE HIDROCARBURO




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Fig 2. FACTOR DE CORRECCION DE CAPACIDAD DEL VAPOR, KP PARA PLATOSTIPO SURTIDOR EN SERVICIO DE HIDROCARBURO




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Fig 3. EFICIENCIA GLOBAL PARA PLATOS TIPO SURTIDOR EN SERVICIO DEHIDROCARBURO




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Fig 4. LLENADO PERMITIDO DEL BAJANTE EN PLATOS TIPO SURTIDOR(PARA TODOS LOS SISTEMAS)




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Fig 5. NOMENCLATURA DE PLATOS

* Para el significado de los símbolos, ver Nomenclatura. Los términos son asteriscosse refieren al bajante interno; aquellos sin asteriscos se refieren al bajante externo.




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Fig 6. DEFINICIONES DE AREA LIBRE

PARA PLATOS DE DOS PASOS, USAR EL VALOR Af OBTENIDO DEL PLATO INTERIOR O EXTERIOR,CUALQUIERA SEA MENOR




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Fig 7. BALANCE DE PRESION PARA PLATOS TIPO SURTIDOR DE DOS PASOS

BALANCE DE PRESION EN LLENADO DEL BALANTE INTERNO:

BALANCE DE PRESION EN LLENADO DEL BALANTE EXTERNO:




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Fig 8. DETALLES DEL PLATO TIPO SURTIDOR




HOJA DE CALCULO PARA PLATOS TIPO SURTIDOR (Parte 1 de 7)

Unidades Métricas

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Unidades Métricas

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Unidades Métricas

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* Para platos de dos pasos

** Si se usa un vertedero de salida. Los vertederos de salida, normalmenteno son especificados para platos tipo surtidor


Unidades Métricas

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Unidades Métricas

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Unidades Métricas

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Unidades Métricas

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Unidades Inglesas

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Unidades Inglesas

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Unidades Inglesas

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Unidades Inglesas

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Unidades Inglesas

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Unidades Inglesas

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Unidades Inglesas

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mdp 04 cf-11 plato tipo surtidor

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