DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA
LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES
LECTURAS DE INGENIERÍA 27
RECIPIENTES A PRESIÓN
RECOPILÓ:
CUAUTITLÁN IZCALLI, EDO. DE MÉXICO. 2018-1
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Diseño de Recipientes a Presión: Tanques Atmosféricos y Recipientes Esféricos, Diapositivas de Materiales
diapositivas sobre recipientes a presion
Tipo: Diapositivas
2022/2023
1 / 70
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DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA
LABORATORIO DE TECNOLOGÍA DE MATERIALES
LECTURAS DE INGENIERÍA 27
RECIPIENTES A PRESIÓN
RECOPILÓ:
CUAUTITLÁN IZCALLI, EDO. DE MÉXICO. 2018-
INTRODUCCIÓN
En la medida que la Ingeniería de Proyectos se ha incrementado en nuestro país se requiere de un conocimiento más amplio de las diferentes especialidades que intervienen, siendo una de las más importantes la de recipientes, los cuales representan un amplio panorama, por la gran intervención que tienen en la totalidad de las Plantas Industriales.
En la actualidad toda empresa de proyecto, cualquiera que sea su capacidad no debe estar exenta del diseño de recipientes.
Dada la importancia que representa para un país la industria tanto la petrolera, alimenticia, química, cañera, cervecera, cafetera, etc., es aquí donde el diseño de recipientes no sólo es una rama más de la ingeniería, sino una especialidad, en donde el diseñador y el calculista pueden elaborar el diseño del equipo más funcional de acuerdo a las condiciones de proceso y de los productos que se van a obtener.
En la especialidad de recipientes convergen varios conocimientos afines a distintas ramas de la ingeniería como son: resistencia de materiales, corrosión, ingeniería mecánica, ingeniería civil, ingeniería hidráulica, ingeniería química, etc; con esto, nos podemos dar cuenta de la importancia que tiene la intervención de personal con conocimientos en diseño y cálculo de recipientes para un proyecto determinado.
1.1. TANQUES ATMOSFÉRICOS
Tanque de Almacenamiento que ha sido diseñado para operar a presiones desde la atmosférica hasta presiones de 1,0 psig (de 760 mm Hg hasta 812 mm Hg) medidos en el tope del Tanque. Los tanques atmosféricos no podrán ser usados para el almacenamiento de líquidos a temperaturas iguales o mayores a su punto de ebullición.
Otra definición sobre los tanques atmosféricos es, que serán usados para líquidos que tienen hasta una máxima presión de vapor de 0.914 kg/cm^2 abs (13 psia) a nivel del mar. Por cada 300 metros de elevación la máxima presión de vapor deberá ser reducida en 0.035 kg/cm^2 abs (0.5 psia). Los principales tanques atmosféricos son de techo flotante y de techo fijo.
1.1.1 Tanques de techo fijo. La forma del techo de un tanque puede ser usada para clasificar el tipo de tanque. Para saber por qué, es necesario comprender el efecto de la presión interna en las placas de la estructuras incluyendo tanques y recipientes a presión. Si una placa de acero es sujeta a una presión en un lado, esta debe estar fabricada con un espesor lo bastante suficiente como para resistir una visible deformación o pandeo. Por ejemplo; un techo cónico poco profundo en un tanque se aproxima a una superficie plana y es construido con placa de 3/16‖ de espesor es incapaz de soportar más que unas pocas pulgadas columnas de agua. El tamaño del tanque es el más severo efecto de presión en la estructura, ya que conforme la presión se incrementa, la fabricación y el costo fuerzan al constructor a usar formas más sustentables para que sean capaces de soportarla. En el momento de la construcción, la forma cilíndrica es mas económica y fácil de fabricar para presiones internas y lograr que el almacenamiento sea seguro. Relativamente los techos y fondos planos de los tanques no ayudan mucho a la presión interna. Si la presión interna incrementa, se debe tomar la decisión de construir usando domos o esferas como techos. La esfera es la forma más económica para almacenar fluidos presurizados en términos del espesor requerido, pero es más difícil de fabricar, generalmente más que los tanques de techo en domo o sombrilla.
Tanques de techo cónico. Estos tanques tienen una envolvente cilíndrica con un eje vertical de simetría. El fondo es usualmente plano, y la parte superior está hecha en forma de un cono poco profundo. Estos son los tanques más ampliamente usados para almacenar grandes cantidades de fluido ya que son más económicos de construir. Pueden ser fabricados en pequeñas piezas y ser armados en campo. Este tipo de tanque tienen soportes y columnas de soporte para el techo excepto en los tanques de diámetro muy pequeño.
Tanques techo de sombrilla. Estos tanques son similares a los de techo cónico, pero el techo parece una sombrilla. Estos tanques pueden ser de estructura auto-soportada, lo que significa que no cuenta con estructuras de soporte que deben ser puestas desde el fondo del tanque.
Tanques techo de domo. Son similares a los tanques con techo en forma de sombrilla, excepto que su domo es más aproximado a una superficie esférica que a las secciones segmentadas de un techo con forma de sombrilla.
Tanques con techo de domo geodésico de aluminio.. Este tipo de techo fijo ha llegado a ser muy popular. Ofrecen una alternativa económica, superior resistencia a la corrosión para una amplia variedad de condiciones y son estructuras que no requieren soportes internos. Pueden ser construidos, también, con cualquier diámetro requerido, figura 1.
Figura 1.2. Un tanque con techo de domo geodésico de aluminio.
Techos cónicos externamente soportados. (^) Mismas ventajas de los techos soportado y soportado cónico. Menos obstrucciones internas. Ideal para capas internas
Mismas desventajas que el techo soportado en el centro y soportado. Más caro que los techos internamente soportados. No es rompible.
Techo de domo o sombrilla.
Excelente diseño para capa interior. Excelente diseño para servicios de alta corrosión tales como el azufre.
Más caro que el techo cónico. Aplicable solo para tanques pequeños y medianos. No aplicable para altas presiones de vapor a menos que el vapor sea recuperado. No es frágil.
1.1.2. Tanques de techo flotante. Los tanques de techo flotante tienen envolvente vertical y cilíndrica como los tanques de techo cónico. La cubierta flotante del techo es una estructura en forma disco que tiene suficiente flotabilidad para asegurar que el techo flote sobre todas las condiciones esperadas. Están construidos con un hueco de 8 a 12 pulgadas entre el techo y la envolvente así que no está unido de tal manera que el techo suba y baje con el nivel de líquido. El espacio entre el techo flotante y la envolvente es sellado por un empaque llamado tubo sello. El techo flotante puede tener muchos diseños que serán descritos en la sección de techos. La envolvente y el fondo de estos tanques son similares a un tanque cilíndrico vertical ordinario de techo fijo.
Las dos categorías de los tanques de techo flotante son techo flotante externo (TFE) y techo flotante interno (TFI). Si el tanque es abierto en la parte superior, es considerado como un tanque TFE. Si el techo flotante es cubierto por un techo fijo en la parte superior del tanque es un tanque TFI. La función de cubrir es para reducir la evaporación y la contaminación del aire por reducción del área de superficie del líquido que es expuesto a la atmosfera. Nótese que los tanques de techo fijo no pueden ser fácilmente convertidos a tanques de techo flotante por la simple instalación del techo flotante en el interior del tanque de techo fijo, y un tanque de techo flotante externo puede ser fácilmente convertido a un tanque de techo flotante interno cubriéndolo con un techo fijo o domo geodésico.
Los tanques TFE no tienen presión de vapor asociada a su diseño y operan estrictamente con presión atmosférica. Los tanques IFR trabajan estrictamente con presión atmosférica en el espacio entre el techo flotante y el techo fijo.
El requerimiento fundamental para los techos flotantes es dependiente a la presión interna o externa que debe soportar. Las condiciones de diseño para los techos flotantes externos son más severas dado que estas deben manejar lluvia, viento, sismo, condiciones de cargas muertas y cargas vivas tomadas en cuanta de las más fuerte hasta la más insignificante.
A continuación se describirá el tipo de techo para techos flotantes, internos y externos.
1.1.2.1 Techo flotante externo. Techos con pontón. Estos techos son comunes para techos flotantes de aproximadamente 30 a 100 pies de diámetro, el techo es simplemente una membrana de placas de acero con un compartimento anular que provee de la fuerza de flotación.
Tabla 1.2 Techos flotantes Techos flotantes Tipo Ventajas Desventajas
Diafragma bajo con pontón flotante.
Construcción más barata que el de doble cubierta para 20’
∅ a 170’ ∅.
Adecuado para altas presiones de vapor. Capaz de reparaciones en servicio de accesorios Buena flotabilidad.
Pobre diseño para aislar el techo. Estructuralmente más delgado que el de doble cubierta. Una fuga resultaría en un residuo en la cubierta causando fuego en el sistema de drenado en el techo.
Flotantes de doble diafragma.
Puede ser fácilmente aislado si se necesita. Estructura muy fuerte. Adecuado para altas presiones de vapor. Una fuga no pone el producto en el techo u en el sistema de drenado. Excelente flotabilidad
Es mas costoso. Pierde capacidad ya que es mayor la altura de los bordes que la requerida.
Domo de conservación de vapor.
Reduce o evita el requerimiento para evitar fugas de gas. Puede ser usado como contenedor de gas.
Costoso de construir y mantener. Existen problemas de corrosión en el área del sello a menos que se le de mantenimiento.
1.1.2.2 Techo flotante interno Techo de cacerola. Es una simple hoja de acero en forma de disco con los bordes doblados hacia arriba para hacer la flotación. Estos techos son propensos a voltearse y hundirse por cualquier pequeña fuga o abertura que pueda tener.
Techo de cacerola con muro de contención. Este techo tiene compartimientos anulares abiertos en la periferia para prevenir el hundimiento que se pueda producir por una fuga.
Techos de diafragma y pontón. Estos son usualmente construidos con una piel de aluminio soportado en una serie de pontones tubulares de aluminio. Estos tanques tienen un espacio de vapor entre la cubierta y la superficie del líquido.
Tabla 1.3 Techos flotantes internos. Tipo Techo flotante interno ventilado arriba de la envolvente Ventajas Una buena ventilación maximiza la capacidad del tanque.
Desventajas Más costoso que el de compuerta de aire en el techo. No aplicable para modificaciones. Techo flotante interno con ventilaciones en el techo y rebosadero en la envolvente. Ventajas Aplicable para modificacion es. Instalación económica.
Desventajas 1 - 1/2’ de perdida adicional en la capacidad del tanque.
Techo flotante interno de alumnio sin contacto. Ventajas Diseño interno más económico. Puede ser instalado en cualquier envolvente que se elija. Aplicable para altas presiones de vapor. Rápida instalación en campo.
Desventajas Estructura muy débil. Servicios para aluminio muy limitados. No aplicable para altos servicios de viscosidad. Menor vida útil que el acero.
Techo flotante de aluminio con contacto Ventajas. Puede ser instalado en cualquier envolvente que se elija. Aplicable para altas presiones de vapor. Más fácil de reparar que el arreglo anterior. Más fuerte. Menos probable de hundirse. Desventajas Limtados servicios para el aluminio. Vida útil corta. Cacerola Ventajas Bajo costo
Desventajas Extremadamente vulnerables al hundimiento o a voltearse. Peligrosos para el fuego. No recomendados.
1.2. FONDO DE LOS TANQUES.
Como se mencionó anteriormente, las formas en las que cierra un tanque cilíndrico (fondo y techo) dependen de la presión interna, ya que las variantes a las que está sujeto el fondo de un tanque han hecho que varios tipos de estos hayan evolucionado. En términos generales, los tanques pueden ser clasificados por forma del fondo de la siguiente manera: Fondo plano. Cónicos. Domo o esferoide. De los cuales solo se presentan los tanques de fondo plano.
1.2.1 Tanques de fondo plano. Los tanques de fondo plano solo aparentan serlo, pero usualmente tienen una pequeña inclinación o forma de diseño. Estos son usualmente clasificados de acuerdo a las siguientes categorías:
Características Usos: Principalmente tanques pequeños, 20 ft ∅ o menos. Aplicable para pruebas de campo, tanques manométricos, tratamiento de aguas, etc. Extensamente usado por la industria química. Ventajas: Simple y económico de fabricar e instalar en pequeños tamaños. Las conexiones del fondo son accesibles para inspección y mantenimiento. Desventajas: Difícil de drenar completamente debido a los lugares bajos causados por los asentamientos, cimientos o envoltorio de las placas del fondo. Un sifón de drene no drena completamente dado que es más alto que el fondo.
Figura 1.7 Fondo plano
Cono levantado. Estos fondos son construidos con un punto alto en el centro del tanque, este es acoplado a un coronamiento de fundición, y construyendo el tanque sobre la corona. La inclinación es limita a alrededor de una o dos pulgadas por cada 10 pies. Con este arreglo los residuos pesados y el agua tenderán a drenarse en la esquina para ser removidos casi por completo.
Usos. Ha sido más comúnmente usado excepto tanques pequeños en campo. Normalmente usado para la industria petrolera. Ventajas. Menos probable de colectar agua abajo del fondo que el plano horizontal o los tanques de cono hacia abajo. Mejor drenaje Conexiones de fondo y envolvente son accesibles para inspección y mantenimiento. Permite un incremento diferencial entre el cimiento y el fondo. Aplicable para reservas con gravedades especificas más grandes que las del agua. Tanque fácil de construir. Desventajas: Menor capacidad que el del cono hundido (1160 BBLS para 100 ft ∅ y tanques de inclinación) No se drenan para la línea periférica inferior. Los asentamientos se reducen en el fondo y causan pandeos. Se drena en el área de la envolvente pero no se drena en la periferia del tanque.
Figura 1.8 Fondo de cono levantado.
Cono hundido. En este diseño las pendientes van desde el fondo de la envolvente hacia el centro del tanque. Usualmente existe un sumidero de recolección de material en el centro. Las tuberías en el interior del tanque drenan los residuos a un pozo o sumidero en la periferia del
Inclinados. Este diseño usa un fondo plano pero es ligeramente inclinado hacia un lado. Esto aplica para que el drenaje sea directamente hacia abajo en el perímetro. Donde puede ser eficientemente recogido. Este diseño es limitado en tanques de 100 pies de diámetro.
Usos: Aplicables a tanques menores de 100 pies de diámetro. Buena opción para tanques con frecuente cambio de producto y cuando el drenado completo y/o remoción de agua sea requerida.
Ventajas: Se mejora el desalojo de residuos sobre los arreglos cónicos levantados. Las conexiones del fondo son más accesibles para inspección y mantenimiento. Desventajas: El costo de instalación es más caro que los arreglos anteriores debido al diseño y el costo que implica su cimentación y erección de la envolvente. La ligera inclinación crea problemas por sedimento contenido en los tanques. El sedimento puede formar bolsas de agua que no se drenan.
Figura 1.10. Fondo plano con inclinación.
Otra importante clase de tanques, son los tanques subterráneos, la capacidad de este tipo de recipientes está limitada entre 500 y 20,000 galones, son usados usualmente para almacenar gasolinas así como distintos tipos de químicos. Para su diseño, este tipo de tanques requiere considerar las cargas terrestres a las que está sujeto. La flotabilidad debe ser también considerada, y por lo regular son anclados al suelo para que no salten durante periodos de
movimiento de suelo. En adición se deben proteger contra la corrosión a la que están sujetos por medio de protección catódica u otros métodos.
Los códigos de protección contra incendios prohíben el uso de tanques atmosféricos en lugares de recarga de combustibles, tales como estaciones de servicio y marinas. Además estos taques proveen de una buena respuesta al problema del espacio.
1.3. RECIPIENTES SUJETOS A PRESIÓN. Los diferentes tipos de recipientes a presión que existen, se clasifican de la siguiente manera:
1.3.1. Por su servicio (uso). Se dividen en; recipientes de proceso y recipientes de almacenamiento. Los recipientes de almacenamiento se usan como depósitos para contener una reserva suficiente de algún producto para su uso posterior y/o comercialización.
Los recipientes de proceso se utilizan como intercambiadores de calor, reactores, torres fraccionadora, torres de destilación, entre otros.