Capitulo III. Tanques

7/16/2019 Capitulo III. Tanques

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CAPITULO III. Tanques de almacenamiento.

Producción de Acetato de n-Butilo

III. TANQUES DE ALMACENAMIENTO.

III.1 TANQUES DE ALMACENAMIENTO DE MATERIA PRIMA.

Para el dimensionamiento de los sistemas de almacenamiento de materia prima se debe

tomar en cuenta la disponibilidad de la misma, el transporte, el tiempo de almacenamiento permisible, los requerimientos de consumo en la planta entre otros. En principio se toma en

cuenta la presión de vapor a la temperatura de almacenamiento para determinar el tipo de

tanque a utilizar, ya que la presión de vapor generalmente es el criterio decisivo para ello.

III.1.1 Tanque de almacenamiento de n-butanol T-101

El alcohol, n-butanol, es importado en su totalidad y a una pureza comercial de 98%peso,

suponiendo que cada carga llega a planta cada 15 días (dos veces al mes) se asume para eltanque de almacenamiento un tiempo de residencia de 720h (30días) para asegurar de esta

manera los requerimientos de consumo del fluido en la planta, dando un tiempo de 15 días para buscar alguna alternativa en caso de que se presentase algún contratiempo en cuanto a

la entrega de la carga en el tiempo estipulado.

D

Determinación de la presión de vapor.

La presión de vapor del fluido a almacenar se determina a la temperatura de

almacenamiento mediante la ecuación de Antoine tal como sigue:

( )T C

B A P Ln

+

−=

Donde:

P: Presión de vapor (mmHg)

T: Temperatura (K)A, B y C: constantes de Antoine.

III-1

1

n-butanol al 98% peso

Flujo másico = 1238.4 Kg/h

Temperatura = 32ºCPresión = 0.2 barg

h





Tabla III. 1. Constantes de Antoine para el agua y n-butanol.

El fluido a almacenar contiene 92.25% molar de n-butanol y 7.75% molar de agua.

.- Presión de vapor del agua (PA) a la temperatura de almacenamiento:

( )30513.46

44.38163036.18

+−

−= P Ln

Despejando la presión queda:

PA = 35.20 mmHg

.-Presión de vapor del n-butanol (PB) a la temperatura de almacenamiento:

( )30543.94

02.313721.17

+−

−= P Ln

PB = 10.16 mmHg.

.-Presión de vapor la mezcla:

Pmezcla =∑ ii P X *

Donde:

Xi: Fracción molar del componente i.

Pi : Presión de vapor del componente i.

Pmezcla = XA* PA + XB*PB

Pmexcla = 0.9225*10.16 + 0.0775*32.20 = 12.10 mmHg (0.016Kgf/cm2)

Con la presión de vapor calculada y haciendo uso de la Tabla AIII.1 podemos determinar el

tipo de tanque a utilizar; y para una presión de 0.016Kg/cm 2 se recomienda utilizar untanque del tipo G1.

III-2

Componente A B C

Agua 18.3036 3816.44 -46.13

n-butanol 17.21 3137.02 -94.43





Después que se conoce el tipo de tanque a utilizar (Tanque G1), se procede a determinar la

altura y el diámetro del mismo de acuerdo a la capacidad requerida para un tiempo dealmacenamiento igual a 720 horas.

Cálculo de la capacidad del tanque.

La capacidad del tanque se calcula mediante la siguiente ecuación:

ρ

t F C

*=

Donde:

C: Capacidad del tanque, m3.F: Flujo másico del fluido a almacenar, Kg/h.

ρ: Densidad del fluido, kg/m3.

t: Tiempo de almacenamiento del fluido, h.

Al sustituir los valores en la ecuación nos queda lo siguiente:

3

303.1098

/04.812

720*/4.1238m

m Kg

hh Kg C ==

La capacidad obtenida para el tanque se aproxima a una capacidad tabulada, tomándose el

valor superior más inmediato y de esta manera poder diseñar con un porcentaje adicional

(porcentaje de sobrediseño).

La capacidad próxima superior de la calculada es de 1220m3 y fue seleccionada de la

Tabla AIII.2.

Porcentaje de sobrediseño.

El porcentaje de sobrediseño se puede calcular en base a la capacidad calculada y su

diferencia con la capacidad real:

C

C Creal oSobrediseñ

−=%

Donde:

Creal: Capacidad real de almacenamiento determinada por Tabla AIII.2.

C: Capacidad calculada por fórmula.

3

33

03.1098

03.10981220%

m

mmoSobrediseñ

−= *100 = 11.1%

Dimensiones del tanque.

III-3





Después de haber seleccionado la capacidad del tanque más próxima a la calculada se

procede a presentar las dimensiones del tanque haciendo uso de la Tabla AIII.2:

Capacidad: 1220m3

Diámetro: 12m

Altura del cuerpo: 10.8mDimensión de las chapas: 1.8 x 2 π

Superficie del fondo: 113.1m2

Cálculo del número de virolas.

Con la altura de la chapa y la altura del cuerpo se calcula el número de virolas queconforman el tanque:

Número de virolas =chapalade Altura

cuerpodel Altura

...

..

Número de virolas = virolasm

m6

8.1

8.10=

La longitud de la virola se calcula con el perímetro, utilizando el diámetro nominal.

Longitud de la virola = π * D

Longitud de la virola= π * 12m = 37.7m

Cálculo del número de chapas por virola.

Como ya se conoce el ancho de la chapa (2π) se procede a calcular el número de estas queconstituyen cada virola:

Perímetro = chapa Anchovirola

chapas Número.*

..

N=virola

chapas Número..=

π

π

2

* D=

π

π

2

12* m= 6 chapas/ virola.

Una vez conocido el número de virolas que conforman el tanque y el número de chapas que

conforman cada virola se puede calcular el número total de chapas que integran el tanque:

NChapas.totales = NVirolas * N

NChapas totales = 6 chapas/virola * 6virolas = 36 chapas.

III-4





A partir de la Tabla AIII.3 y con el diámetro del tanque se puede determinar la forma del

techo y la estructura.

Forma del techo: Cónico con pendiente 1/16 por metro.

Estructura: Con pies derechos.

Angulares de cabeza: 70x70x7 mm.

Espesor del tanque y material a utilizar.

Para determinar el espesor de las chapas es necesario conocer la presión y temperatura de

diseño del equipo, donde la primera esta conformada por la presión de vapor y la presión

del compuesto y la presión hidrostática del líquido, esto en vista que el almacenamiento esen condiciones atmosféricas.

.- Presión de diseño.

Pop = PHidrostática + Pvapor

PHidrostática = ρgh

Pop=3/04.812 m Kg * 9.81m/s2 *9.7 m *

Pa

cm Kg

101300

/01.12

+ 0.016Kg/cm2=0.7864 Kg/cm2

La presión de operación en el sistema ingles es la siguiente:

Pop = 0.7864 Kg/cm2 * 2/01.1

7.14

cm Kg

Psi= 11.45 Psig

Para determinar la presión de diseño se procederá a sumarle 15psi a la presión deoperación:

Pd = 11.45 Psig + 15psig = 26.45 psig

.- Temperatura de diseño.

Como la temperatura de operación es menor de 200F se tomará entonces 250F como

temperatura de diseño.

Td = 250F = 121ºC.

Antes de calcular el espesor de las chapas que conforman el tanque se debe especificar el

tipo de material a utilizar; para ello hacemos uso de una serie de tablas las cuales enfunción de las propiedades químicas y físicas de la sustancia a almacenar se puede

determinar el material más apropiado. Según la tabla de resistencia química de los metales

(Tabla AIII.4), se tiene que para el n-butanol se puede utilizar acero; de igual manera

III-5





haciendo uso de la Tabla AIII.5 se tiene que se empleará como material de construcción del

tanque acero al carbono de composición nominal C-Si, con las siguientes especificaciones:número SA-516, grado 55 para servicios a temperaturas moderada y baja, cuyo valor de

esfuerzo para la temperatura de diseño es de 13800psi (ver Tabla AIII.6).

El valor numérico del espesor de las chapas se calcula mediante la siguiente expresión:

C P E S

D P e +

+

=

*8.0**2

*

Donde:

e: Espesor del recipiente, pulg.

P: Presión de diseño, lbf/pulg2.

E: factor de soldadura.S: Esfuerzo permisible del material a la temperatura de diseño, lbf/pulg2.

D: Diámetro externo del recipiente, pulg.

C: Valor permisible para corrosión, pulg.

El valor correspondiente a la eficiencia de la junta es de 0.85 el cual corresponde a juntas a

tope hechas por doble cordón de soldadura y cuando la junta es examinada por zonas, paradeterminar dicho valor se utilizó la Tabla AIII.7. En cuanto al valor permisible para

corrosión se tomará 1/16 pulg (0.0625pulg), el cual es un valor típico para acero al carbono;

entonces tenemos que:

lg125.0lg/5.26*8.085.0*lg/13800*2

1

lg37.39*12*lg/5.26

22

2

pu pulbf pulbf

m

pum pulbf

e +

+

== 0.66pulg

e = 0.66pulg*

lg1

40.25

pu

mm= 16.8mm

Propiedades de los materiales de construcción.

El material es del tipo: Acero al Carbono. Las especificaciones que se muestran en la tabla

III. 2 fueron tomadas de la Tabla AIII.5.

Tabla III. 2. Especificación de los materiales de construcción del tanque.

III-6





Forma Composición

Nominal

Especificación

Número Grado

Placa C-Si SA-516 60

Bridas y Accesorios C-Mn SA-350 LF1

Tubería C-Mn SA-53 B

Tornillería 1Cr-1/5Mo SA-307 B

Ficha Técnica de Diseño

III-7





EQUIPO:

Tanques de almacenamiento.CODIGO TIPO

SUSTANCIA:

N-butanol, 98% peso.T –101 G1

Especificaciones Símbolo Unidades Valor

Flujo másico F Kg/h 1238.4Densidad ρ Kg/m3 812.04

Presión de vapor Pv psig 0.233

Temperatura de operación Top °F 89.60

Temperatura de diseño Td °F 250

Presión de operación Pop psig 11.45

Presión de diseño Pd psig 26.45

Tiempo de almacenamiento t Días 30

Número de tanques -- -- 1

Capacidad de operación C m3 1098.03

Capacidad de diseño Creal m3 1220

% de sobre diseño % Sb % 11.1EQUIPO: tanque (tipo) -- -- G – 1

Altura h m 10.8

Diámetro D m 12

Superficie de fondo Sf m2 113.1

Dimensiones de chapa -- mm. 1.80*2π

Número de virolas -- -- 6

Número de chapas por virola N -- 6

Número de chapas totales -- -- 36

Longitud de la virola -- m 37.7

Espesor de la pared e mm. 18

Forma del techo -- -- Cónico

Pendiente del techo -- -- 1/16

Pie derecho -- - Con pies

Material de construcción -- -- Acero al carbono

Composición nominal C-Si

Número de especificación -- -- SA-516

Grado de especificación 55

Factor de soldadura E -- 0.85

Factor de corrosión C mm 3.18

III.1.2 Tanque de almacenamiento de ácido acético T-102.

El ácido acético utilizado como materia prima es importado (con una pureza del 98% peso)debido a ello es que el tiempo de almacenamiento se fijará en 720h (30 días) asegurando así

III-8





los requerimientos de este fluido en el proceso ya que no hay disponibilidad del mismo en

el país. Debido a que la presión de vapor del fluido es despreciable (0.032Kg/cm2) seescoge un tanque de almacenamiento del Tipo G1; como el procedimiento de cálculo para

tanques de este tipo se explicó anteriormente, a continuación se muestra directamente la

ficha técnica de diseño.


EQUIPO:


SUSTANCIA:

Acido Acético, 98% peso.T –102 G1


Flujo másico F Kg/h 997.33

Densidad ρ Kg/m3 1054.75



Temperatura de diseño Td °F 250Presión de operación Pop psig 9.5






% de sobre diseño % Sb % 19.0

EQUIPO: tanque (tipo) -- -- G – 1

Altura h m 7.2

Diámetro D m 12

Superficie de fondo Sf m2 113.1Dimensiones de chapa -- mm. 1.80*2π








Pie derecho -- - Con pies

Material de construcción -- -- Acero inoxidable, tipo 316

Factor de soldadura E -- 0.85Factor de corrosión C mm 3.18

III.1.3 Tanque de almacenamiento de ácido sulfúrico (catalizador) T-103.

III-9





Debido a que el ácido sulfúrico se encuentra en un circuito cerrado, se estima reponer las

perdidas en el proceso cada 7 días y es por ello que se toma dicho tiempo para diseñar eltanque en el cual se almacenará dicho fluido.


EQUIPO:Tanques de almacenamiento.

CODIGO TIPO

SUSTANCIA:

Acido Sulfúrico, 98% peso.T –103 G1








Número de tanques -- -- 1Capacidad de operación C m3 12.01

Capacidad de diseño Creal m3 --

% de sobre diseño % Sb % --






Debido a la baja capacidad de este tanque, el mismo deberá ser construido especialmente para esta planta, ya que no se encuentra disponible en los catálogos comerciales

convencionales.

III.2 TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE PRODUCTO.

III.2.1 Tanque de almacenamiento de acetato de n-butilo, T-601.

III-10





El almacenamiento del acetato de n-butilo se puede realizar a presión atmosférica y

temperatura ambiente, ya que bajo estas condiciones el producto se encuentra como líquido.El tiempo de almacenamiento escogido fue de 720 h (30 días) tomando en cuanta que el

producto sale a la venta semanalmente pero se debe cubrir cualquier irregularidad en la

planta o en el momento de vender el producto. De igual forma que los tanques para materia

prima, éste es del tipo G1 ya que la presión de vapor del producto es despreciable; acontinuación se muestra la ficha técnica del tanque.


EQUIPO:


SUSTANCIA:

Acetato de n-butilo.T –601 G1




Presión de vapor Pv psig 0.323Temperatura de operación Top °F 89.6



Presión de diseño Pd psig 25





% de sobre diseño % Sb % 16


Altura h m 10.8Diámetro D m 16

Superficie de fondo Sf m2 201









Pie derecho -- - Con piesMaterial de construcción -- -- Acero inoxidable, tipo 304



III.3 TANQUES DE SERVICIOS.

III.3.1 Tanque de almacenamiento de tripropilenglicol, T-302.

III-11





El tripropilenglicol es usado como solvente en el proceso de purificación del producto, elcual es recuperado para ser utilizado nuevamente; el tiempo de almacenamiento escogido

para el mismo fue de 168h (7días) ya que las pérdidas del mismo es poca en el proceso.

Ficha Técnica de DiseñoEQUIPO:


SUSTANCIA:

Tripropilenglicol.T –302 G1




Presión de vapor Pv psig 1.5E-4



Presión de operación Pop psig 13.5Presión de diseño Pd psig 28.5



Capacidad de operación C m3 1880




Altura h m 10.8

Diámetro D m 16










Pie derecho -- - Con pies derechos



Número de especificación -- -- SA-516Grado de especificación 55



III.3.2. Tanque de almacenamiento de agua de reposición a la torre de enfriamiento,

T-701.

III-12






EQUIPO:


SUSTANCIA:Agua de reposición a torre de enfriamiento.

T –701 G1


Flujo másico F Kg/h 19200







Tiempo de almacenamiento t h 24

Número de tanques -- -- 1Capacidad de operación C m3 464.5




Altura h m 10.8

Diámetro D m 8





Número de chapas totales -- -- 24Longitud de la virola -- m 25.1











III.3.3. Tanque de almacenamiento de agua helada T-702

III-13





Este tanque es utilizado para almacenar agua helada a una temperatura de 5ºC, la cual es

usada en ciertos intercambiadores de calor como agua de enfriamiento. Para el diseño deltanque se fijara un tiempo de almacenamiento de 1 hora, debido a que es un fluido de

proceso que opera en un circuito cerrado. El tipo de tanque a utilizar es G1 debido a que la

presión de vapor del fluido es despreciable (0.00877 Kgf/cm2 ).

Para el dimensionamiento del tanque se realiza el mismo procedimiento mostradoanteriormente, pero debido a que el agua se debe almacenar a una temperatura de 5°C, es

necesario recubrir el tanque con un aislante que reduzca las ganancias de calor y evite elcalentamiento de la misma.

Para la determinación del espesor del aislante se utilizaron las gráficas del anexo

(Figura AIII.1) para las cuales se deben definir los siguientes parámetros:

Th: Temperatura del fluido dentro del tanque.

Ta: Temperatura del aire.

Ts: Temperatura de la superficie∆Tf: (Ts-Ta).

∆Ti: (Th-Ts).

Tm: Temperatura promedio entre Th y Ts.

A continuación se muestran los valores de cada uno de los parámetros mencionados

anteriormente:

Th= 5 ºC.

Ta= 32ºC.Ts= 20ºC.

∆Tf= (20 – 32)ºC = 12ºC

∆Ti= (5 – 20)ºC = 15ºC

Tm= 12.5ºC

Con el valor de ∆Tf y haciendo uso de la figura AIII. 1 del anexo se obtiene el flujo de

calor, Q.

Flujo de calor, Q = 48 Btu/ pie2*h

III-14





De igual manera en la misma figura parte b, con ∆Ti se obtiene X/K=0.7, donde K es la

conductividad térmica del aislante y X el espesor del aislante.

El tipo de aislante seleccionado utilizando la tabla AIII.8 fue: Rigial Fiberglass Shee1

ASTMC-547-77, class 2, que maneja rangos de 37 °F a 204°F, el valor de k para este tipo

de aislante viene dado de la siguiente manera:

K= 0.2782+1.226*10-3*Tm Tm (°F)

Donde:

T: La temperatura promedio.

K a Tm = 0.35

Luego despejando el espesor del aislante nos queda:

X = 0.7*0.35= 0.24 pulg.

Tanque de almacenamiento de agua halada T-702.

III-15






EQUIPO:


SUSTANCIA:

Agua heladaT –702 G1





Temperatura de operación Top °F 41






Capacidad de operación C m3 246.4Capacidad de diseño Creal m3 270



Altura h m 5.4

Diámetro D m 8






Longitud de la virola -- m 25.1Espesor de la pared e mm. 11










III.3.4. Tanque de almacenamiento de combustible, T-703.

III-16






EQUIPO:


SUSTANCIA:Combustible.

T –703 G1



Densidad ρ Kg/m3 900







Número de tanques -- -- 1Capacidad de operación C m3 88




Altura h m 3.6

Diámetro D m 6


Dimensiones de chapa -- mm. 1.80*1.5π







Pie derecho -- - Sin pies derechos







III.3.5. Tanque de almacenamiento de agua para caldera, T-704.

III-17






EQUIPO:


SUSTANCIA:Agua para caldera.

T –704 G1





Temperatura de operación Top °F 158





Número de tanques -- -- 1Capacidad de operación C m3 472




Altura h m 10.8

Diámetro D m 8
















III.3.6. Tanque de almacenamiento de terminol T-705.

III-18






EQUIPO:Tanques de almacenamiento.

CODIGO TIPO

SUSTANCIA:

TerminolT –705 G1




Presión de vapor Pv psig 1.8E-6








Capacidad de diseño Creal m3

2170% de sobre diseño % Sb % 26.6


Altura h m 9.6

Diámetro D m 16







Espesor de la pared e mm. 27Forma del techo -- -- Cónico









III-19





ANEXOS.

Tabla AIII.1. Normas para tanques establecidas por “Bureau de Normalisation du Pétrole”

Tabla AIII. 2. Escala de capacidades para tanques del tipo G1 y G2.

III-20

Número

declasificación

Presión de vapor a la

temperatura dealmacenamiento

Ejemplos de productos Tipos de tanquescorrespondientes.

1 P > 1kg/cm2 abs. PropanoTanques cilíndricos confondos semiesféricos.

2P a veces ligeramente

< 1kg/cm2 abs.Butano Esferas, cilindros.

3 Psiempre < 1 kg/cm2

Petróleo crudo,Gasolina

etc.

a) Tanques con fase gaseosa

nula o muy reducida: --de

techo flotante. b) Tanques “alta presión”

válvulas: válvulas taradas a:

-5g/cm2 de vacío.+150g/cm2 de presión.

Designación: Tanques G3.

c) Tanques “media presión”

normalizados:Válvulas taradas a:

-5g/cm2 y +25g/cm2.

Designación: Tanques G2.

4 P despreciable

Keroseno

gas oil

aceites

fuel oil, etc.

Tanques <<baja presión>>,normalizados.

Válvulas taradas a ---2,5 y 5

g/cm2 (o válvulas de

descarga).Designación: Tanques G1





Diámetro (m) 4,5 6 8 12 16 20 24 30 36 42

Dimensiones

chapas (m)1,8 x 1,5 π 1,80 x 2 π 2,40 x 3 π

Altura del cuerpo

(m) CAPACIDADES (m3)D < 20 m D > 20 m

1,8 - 30 50 90

3,60 - 60 100 180

5,40 - 90 150 270

7,20 - 110 200 360 810 1450

9,00 - 140 250 360 1020 1810 2830

10,80 9,60 310 540 1220 2170 3390 4330 6780

12,60 12,00 630 1420 2530 3960 5430 8480 12210 16620

14,40 14,40 1630 2900 4520 6520 10170 14650 19940

- 16,80 23260

Superficie del fondo

(m2)15,9 28,3 50,2 113,1 201 314,16 452,2 706,5 1017,4 1384,7

Tabla AIII. 3. Principales elementos para la construcción de tanques G1 y G2.

Diámetro nominal

(m) 4,5 6 8 12 16 20 24 30 36 42

Forma del techo

G1 cónico, pendiente 1/16 = 0,0625m por

metro

G2 esférico, flecha:1/12

G1 cónico: pendiente 1/16

=0,0625m por metro

Estructura Sin pies derechos

Con pies

derechos

para tanque G1Sin pies

derechos

Para tanque G2

Con pies derechos

Techo(espesor de la chapa

en mm)

5

Angulares de cabeza

(mm)70 x 70 x 7

80 x 80

x 8

100 x 100

x10120 x 120 x12

Tabla AIII. 4. Propiedades de los materiales.

III-21





Tabla AIII. 5. Propiedades de los materiales: acero al carbono y de bajo contenido deelementos de aleación.

III-22





III-23





Tabla AIII. 6. Eficiencia de las juntas de acuerdo al tipo.

III-24





Figura AIII.1. Parámetros de los aislantes.

Tabla AIII. 7. Constantes para determinar la conductividad térmica de diferentes aislantes.

III-25





III-26





REFERENCIAS

WUITHIER, Pierre. “ El petróleo: Refino y tratamiento químico”, Volumen III,

1964.

LUISA, Durán. “Teoría y Calculo de Equipos de Proceso en Diseños de Plantas”.

Mérida, Venezuela. Marzo del 2005.

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