DISEÑO DE UN TANQUE DE ALMACENAMIENTO DE ACETALDEHÍDO

Zulma Lorena Betancourt, Fabian Leonardo Huertas, Andrea Romero Millánzlbetancourtr@unal.edu.co, flhuertasa@unal.edu.co, anromeromi@unal.edu.co

Universidad Nacional De Colombia – Sede Bogotá

Resumen

En este artículo se propone el diseño para un tanque de almacenamiento de acetaldehído, con capacidad de 10 Ton. Al ser el acetaldehído una sustancia inflamable, es necesario generar una atmósfera inerte que acompañe al acetaldehído dentro del tanque, para la cual se usará N2. El diseño se basa en que debe haber una relación de volumen de 70 – 30%, para el líquido y el gas respectivamente. Además, por las propiedades del acetaldehído se hace necesario implementar un sistema de refrigeración para evitar la mayor cantidad de pérdidas de producto debidas a la evaporación. Para el diseño se siguen las normas establecidas en el código ASME sección VII y la API 650.

Palabras Claves: Acetaldehído, Diseño, Código ASME, API 650, Tanque de almacenamiento.

Abstract

This article proposes the design for a storage tank of acetaldehyde, with capacity of 10 tons. As the acetaldehyde is a flammable substance, is necessary to generate an inert atmosphere inside the tank, to be with the acetaldehyde, in this case it will be of N2. The design is based on it must have a volume ratio of 70 to 30% for the liquid and gas respectively. Furthermore, due to the properties of acetaldehyde is necessary to implement a refrigeration system to prevent as much product losses due to evaporation. For the design to follow the rules set out in section VII ASME code and API 650.

Key words: Acetaldehyde, Design, ASME code, API 650, Tank storage.

INTRODUCCIÓN

En los procesos típicos de la ingeniería química, es común encontrar procesos que demanden en uno de sus pasos, el almacenamiento de sustancias líquidas, para lo cual es necesario el uso de equipos diseñados con las especificaciones requeridas por cada una de las sustancias según sus propiedades físicas y químicas; por esto, el diseño de los tanques de almacenamiento usualmente corresponde a una sustancia y proceso particular, garantizando seguridad al personal que deba trabajar con estos. En el presente artículo, se

realiza el diseño de un tanque de almacenamiento de 10 toneladas de acetaldehído, cuyas características más relevantes son inflamabilidad y volatilidad, criterios con una influencia significativa sobre el diseño del tanque.

1. GENERALIDADES SOBRE EL DISEÑO DE TANQUES

Para el almacenamiento de líquidos, se encuentran varios tipos de tanques según la clasificación que den los autores. En el manual del Ingeniero Químico, se encuentra una caracterización sencilla que distingue

dos clases de tanques: tanques atmosféricos y tanques a presión; mientras que en el libro Ejecución de proyectos de ingeniería de Humberto Fernández Faccini la clasificación se da según la geometría del techo y si éste es móvil o fijo.

- Tanques atmosféricosSe denomina así a un tanque cuyas condiciones de operación rodean la presión atmosférica, que puede ser abierto a l atmósfera o cerrado.

- Tanques a presiónSe denomina así al tanque cuyas condiciones de operación aunque mayores a la presión atmosférica, no se alejan mucho de ésta. Estos se diseñan según especificaciones de la norma API 650.

- Tanque de techo fijoSon los más usados en la industria, debido a la sencillez en el diseño y al bajo costo que presentan. Generalmente tienen techo cónico. Presentan la gran desventaja de tener pérdidas permanentes de vapor de la sustancia que almacena, debido a los venteos que se dan para la respiración del tanque.

- Tanque de techo móvilSon tanques cuyo techo flota sobre el líquido, reduciendo las pérdidas por evaporación. Tienen un diseño más complejo que el de techo fijo y por ende más costoso. Se clasifican en tres tipos: tipo bandeja, de cubierta sencilla y de cubierta doble.

Adicionalmente se encuentran también clasificaciones según la geometría del tanque, puede ser de geometría simple, como un cilindro, o de forma compuesta como una combinación de una geometría toroidal y una esfera; según la geometría del techo: cónico, de cúpula, techo elevador, entre otros.

2. ACCESORIOS DE UN TANQUE Venteo:

Es el sistema diseñado para prevenir los efectos de las alteraciones bruscas de la a de un tanque de almacenamiento como consecuencia de las operaciones de transvase o de las variaciones de la temperatura ambiente. Se puede observar en la siguiente figura 1:

Figura 1 [1]

Instrumentos: Medidores de nivel con lectura en el piso.

Atrapallamas: Se trata de una celda hecha de placas ancladas o de una celda de mallas de alambre; se utiliza con el fin de prevenir la propagación de llamas posiblemente creadas por mezclas inflamables que puedan escapar del tanque. Se puede observar en la siguiente figura 2:

Figura 2 [1]

Válvulas Boquillas para ventilación

En general se tiene el modelo de un tanque como se observa en la figura 3:

Figura 3 [1]

3. MARCO NORMATIVO

Existen varias instituciones que se encargan de establecer una serie de normas y parámetros a seguir al diseñar un tanque de almacenamiento.

American Petroleum Institute (API)

La norma API 650, Steel tanks for oil storage (tanques de acero para almacenamiento de petróleo), es la más comúnmente usada en el diseño de tanques de almacenamiento, gracias a los criterios alternos que posee, que por ejemplo pueden dar lugar a tanques con mayor capacidad.

American Water Works Association (AWWA)

Esta asociación ha producido las normas para el almacenamiento y manejo de agua. De ésta, la relacionada con el diseño de tanques de acero, es la AWWA D100, Standard for steel tanks.

Underwriters Laboratories Inc.

Sus normas coinciden con las normas API, con el valor agregado de incluir tanques de dimensiones muy pequeñas, que no cubre la normatividad API. Sin embargo, no son tan específicas y por eso su uso es menor. Para la presente investigación, la norma de interés es la UL 142 Steel aboveground tanks for flammable and combuatibloe liquids (Tanques de acero sobre el terreno para líquidos inflamables y combustibles)

American Society of Mechanical Engineers

Esta sociedad emitió el código ASME Boiler and Pressure Vessel Code, que recoge las normas de diseño, fabricación e inspección de calderas y recipientes a presión. De este código, la sección VIII es la de interés para la mayoría de diseños de tanques de almacenamiento, ya que la gran mayoría de estos son a presión.

Sin embargo, el fluido de trabajo del presente artículo, posee una característica de gran relevancia, su inflamabilidad, por lo que es necesario recurrir a normas explícitas en cuanto al manejo de este tipo de sustancias. Entre éstas se encuentra la norma APQ 001, que se aplica a las instalaciones industriales de almacenamiento, manipulación, carga y descarga de los líquidos inflamables y combustibles, y es la que se tomará como base.

En esta norma, el acetaldehído se encuentra en la categoría B: “Productos cuyo punto de inflamación es inferior a 55 °C y no están comprendidos en la clase A.” Según su punto de inflamación pueden ser considerados como: Subclase B1: Productos de clase B cuyo punto de inflamación es inferior a 38 °C.

Esta norma contempla los requerimientos para los venteos, como sigue: Apartado 3.1. Venteos normales. “Todo tanque atmosférico de almacenamiento deberá disponer de sistemas de venteos para prevenir la formación de vacío o presión interna, de tal forma que se evite la deformación del techo o de las paredes del tanque como consecuencia de llenados, vaciados o cambios de temperatura ambiente”.Los tanques y depósitos que almacenen líquidos de clase B cumplirán la condición anterior pero podrán tener venteos abiertos, cuando éstos estén equipados con atrapallamas.

4. SUSTANCIA DE TRABAJO. ACETALDEHÍDO.

Es un líquido incoloro con un fuerte olor afrutado. Se utiliza para fabricar otros productos químicos. Hace de intermediario en la producción del ácido acético. Se utiliza también en la producción acetato de vinilo y otros ésteres acéticos, derivados de la piridina, como el ácido paracético. En pequeñas cantidades es utilizado como aditivo alimenticio, así como para desnaturalizar el alcohol. El acetaldehído es un intermediario natural en el proceso de fermentación como ocurre en la fabricación de bebidas alcohólicas y se puede encontrar naturalmente en pequeñas cantidades en frutas, verduras y plantas.

Características químicas

Es un producto totalmente soluble en agua y en la mayoría de los solventes orgánicos, alcohol, éter, benceno, gasolina, tolueno, xileno y turpentina. El acetaldehído puro es un producto estable si se encuentra protegido del aire y de la luz. Se oxida rápidamente con el aire formando de manera espontánea peróxidos explosivos. Es sensible al calor, a los cambios de presión y a los golpes. Reacciona rápidamente con un gran número de compuestos químicos. No es corrosivo para los metales, pero al oxidarse forma ácido acético que sí lo es. El acetaldehído puede provocar incendios y explosiones al reaccionar, incluso con pequeñas cantidades de ácidos (ácido acético, ácido sulfúrico concentrado), álcalis (hidróxido sódico) , metales ( cobre, plata, mercurio y sus aleaciones). Existe también riesgo de incendio y explosión al reacciona con materiales oxidados. Los vapores de acetaldehído pueden autoinflamarse al entrar en contacto con óxidos de metales.

Riesgo de incendio y explosión

Es un producto que puede ser inflamado por una descarga de electricidad estática de energía suficiente. Es un líquido inflamable

volátil que puede formar mezclas explosivas en el aire a altas concentraciones. Los vapores pueden oxidarse rápidamente en el aire para formar peróxidos que pueden estallar en forma espontánea.

Almacenamiento

Los locales de almacenaje deben ser frescos, bien ventilados y fuera del alcance de la luz solar directa. El almacenaje se debe hacer alejado de fuentes de ignición y de calor y de agentes oxidantes. Se deben utilizar sistemas de ventilación resistentes a la corrosión y que no provoquen chispas. Los recipientes tienen que ser herméticos y estar señalizados debidamente con indicación del contenido y precauciones a tomar. Los recipientes de almacenaje deben de ser de acero y estar depositados en un área abierta a una temperatura inferior a 20°C.

5. DISEÑO DELTANQUE DE ALMACENAMIENTO

5.1.Volumen del tanque

Figura 4.

Elaboración propia

Para calcular el volumen de tanque se tendrá en cuenta las toneladas que a almacenar y la temperatura de almacenamiento; como la cantidad total de sustancia que se desea almacenar es de 10 toneladas, se parte de la densidad del acetaldehído para calcular el volumen que este ocupa.

Se usará una temperatura de operación de 10°C la cual se discute más ampliamente en la sección de la temperatura del sistema; es necesario determinar la densidad del acetaldehído a esa temperatura, tomando en cuenta que según las especificaciones descritas anteriormente la densidad relativa del acetaldehído es de 0,78 y la densidad del agua a 10°C1 es de 999,77 Kg/m3, resultándonos así una densidad de 779,82 Kg/m3 para el acetaldehído a una temperatura de 10°C

Volumenacetaldeh ído=10

Ton∗1000kg1Ton

∗m3

779,82Kg=12,82m3

Este volumen de 12,82 m3 es el equivalente al 70% de la capacidad del tanque y el 30% restante corresponde al nitrógeno inerte:

VolumenN2=12,82 m

3∗0,30,7

=5,49m3

A la hora de realizar el cálculo del volumen necesario para su almacenamiento se ha de tener en cuenta que el diseño estará sobredimensionado un 10%, tal y como se muestra seguidamente:

VolumenTotal=12,82+5,49+((12,82+5,49 )∗20%)¿Volumentotal=21,99m

3

1 http://www.vaxasoftware.com/doc_edu/qui/denh2o.pdf

70 %

30 %N2 20%

Acetaldehído

5.2.Dimensionamiento del tanque:

Para realizar el dimensionamiento del tanque cilíndrico se tomo en cuenta un catálogo de Harrington Industrial Plastics2 en donde se muestran los valores de diámetro y altura comunes según la capacidad que deban almacenar, en la tabla siguiente observamos las medidas que se pueden tomar en cuenta con un volumen de 21,9 m3 o 5785 gal.

La relación de diámetro/altura es de alrededor de 0,5 en este rango con esto realizaremos el cálculo de altura y diámetro:

Dh

=0,5π D2

4h=21,9m3

Con estas relaciones encontramos que el diámetro es de 2,4m y la altura es de 4,81 m.

5.3.Cantidad de Nitrógeno en atmosfera Inerte

Ya que a la presión de Bogotá 560 mmHg la temperatura de ebullición de el acetaldehído es de 13 °C implicaría un costo muy alto de refrigeración desde la temperatura ambiente hasta la temperatura menor a su ebullición, para esto se decidió agregar la cantidad de nitrógeno que ejerza una presión de 1 atm sobre el liquido para así aumentar su temperatura de ebullición hasta 20,4 °C que corresponde a una presión de una atmosfera, Para calcular esa cantidad se parte de la ecuación de gas ideal:

n=PVRT

=1atm∗(5,49m3 )

8,21∗10−5 atmm3

mol K∗283,15

=236,16mol

Mas aN2=236,16 mol∗28 g

mol=7947,77 g=7,94 Kg

5.4 Presión de diseño:

En primer lugar, se ha de conocer la presión que ejerce la altura del líquido dentro del tanque.Una vez calculada, se le sumará la presión atmosférica, así se obtendrá la presión de diseño. Primero calcularemos la presión ejercida por el acetaldehído:

Ph idrostática=ρfluido∗g∗h fluido=779,82Kg

m3∗9,81m

s2∗(4,81m∗0,7 )=25809,8Pa

Luego la presión ejercida por el nitrógeno puro primero calculando la densidad con la ecuación de gas ideal tomando encuenta que la presión es 1 atm:

ρ=PMRT

= 1atm∗28g /mol8,21∗10−5∗283K

=1,25Kg /m3

Ph idrostática=1,25Kg

m3∗9,81 m

s2∗(4,81m∗0,3)=17,69 N

m2

Tabla 1. Relación diámetro – altura.Fuente : Harrington Industrial Plastics

2 http://viewer.zmags.com/services/DownloadPDF

A esta presión se debe sumar la presión atmosférica que en este caso ya que el tanque se realizar en Bogotá donde la presión atmosférica es 560 mmHg o 74660,5 Pa.

Poperación=74660,5+25826,8=100470,33 Pa

Para determinar la presión de diseño del tanque utilizaremos la expresión conocida Pdiseño=1,3Poperación

Pdiseño=1,3∗100470,33 Pa=130311,43Pa∗1atm101325 Pa

=1,29atm

1. Espesores 1.1.Espesor de paredes del tanque

El grosor de las paredes del tanque se calcula en función de la presión interna a la que están sometidos. A continuación se muestra la ecuación que es necesaria para el caso de parte cilíndrica:

t= P∗RS∗E−0,6∗P

+C1+C2

Donde:t: grosor del tanque (mm)P: Presión de diseño R: Radio interno del tanque E: Factor de soldadura (soldadura en X y radiografiado en los puntos de soldadura,0,85)S: Límite elástico (1650 bar de 0 a 50 °C)C1: Tolerancia a la corrosión C2: Tolerancia a la fabricación

1.2.Factor de soldadura, E:La soldadura es el medio por el que se realiza normalmente la unión entre chapas. Debido a que representa una discontinuidad, a la vez que su realización puede conllevar defectos, la zona de soldadura se considera debilitada. Así pues, en el cálculo de los recipientes se introduce una reducción del límite elástico multiplicando a este por un coeficiente denominado factor de soldadura (E). Este valor es E=0,85, considerando que el radiografiado realizado es parcial.

1.3.Límite elástico, S:

El límite elástico variará en función del material escogido y de la temperatura de operación del equipo. El tanque de almacenamiento se diseña en acero inoxidable 304, por sus buenas prestaciones mecánicas. En la siguiente figura, se muestra una tabla donde se refleja la dependencia del límite elástico con la temperatura para diferentes aceros.Observando la tabla 2 observamos que el límite elástico en este caso está por alrededor de 1650 bar de 0 a 50°C.

Sobre espesor de corrosión, C1: Se determina un margen o sobre espesor de corrosión para compensar la corrosión que van sufriendo los equipos Este valor es habitualmente igual al máximo espesor corroído previsto durante diez años, y en la práctica oscila de 1 a 6 mm incrementándose a los espesores obtenidos para resistir las cargas a las que se encuentran sometidos los recipientes. Sin embargo, este sobredimensionamiento depende del producto almacenado y de las características del material de construcción para resistir el ataque de la sustancia contenida. En este caso se tendrá en cuenta un sobredimensionamiento de acuerdo a los

espesores de láminas reportados por los proveedores para el material escogido.

Tolerancia de fabricación, C2:

En las partes del equipo en que el material sufre una deformación, como en las curvaturas de los fondos toriesféricos, se pierde parte del espesor, por lo que se añade un sobre espesor adicional. AL igual que con la tolerancia anterior, se tendrá en cuenta de acuerdo a los espesores estándar dados por el fabricante del material deseado.

Ahora ya aplicando la ecuación obtenemos:

t= 25809,8Pa∗1,2m

165N

mm2∗0,85∗1000=0,18mm

Tabla 2:Valores del límite elástico a diferentes temperaturas (Sinnott R.K., 1983)

Donde t es el espesor límite dado por las propiedades del material, antes de que se deforme por la presión ejercida por el fluido.

El factor de seguridad vendrá dado porel espesor mínimo de lámina ofrecido por el proveedor.

Espesor de cabezal toriesférico del tanque

En el caso del techo del tanque se usa la misma fórmula de las paredes considerando las mismas condiciones pero tomando en cuenta que la presión en este punto solo implica la presión atmosférica 1ue en Bogotá son 560 mm Hg ó 0,727bar.

t= 0,727 ¿̄1204,93mm1650 ¿̄0,85−0,6∗0,727 ¿̄=0192mm¿

Una vez más, se tuvo en cuenta las consideraciones de sobredimensionamiento C1 y C2 de acuerdo al espesor mínimo de lámina ofrecido por el proveedor para AISI 304.

1.4.Venteo normal

Como se menciona en la parte de arriba, los venteos siguen la norma MIE-APQ-001. Los venteos normales de un recipiente se dimensionarán de acuerdo con la legislación vigente y tendrán un tamaño igual al mayor de las tuberías de llenado o vaciado y en ningún caso inferiores a 35 milímetros de diámetro interior. El venteo de acetaldehido no será lanzado a la atmosfera, ya que es nuestro producto y además lo prohíbe la normativa ambiental vigente, así que se hará una recuperación de la porción de líquido evaporada durante los venteos.

La salida de todos los venteos en recipientes que permitan presiones manométricas mayores de 15 kPa (0,15

kilogramos/centímetro cuadrado), se dispondrá de forma que la descarga, en caso de inflamarse, no pueda producir recalentamientos locales o que el fuego incida en cualquier parte del recipiente. Los tanques y depósitos que almacenen líquidos con un punto de ebullición que no exceda de 38 °C, serán equipados con dispositivos de venteo, los cuales estarán normalmente cerrados, excepto cuando se ventee a la atmósfera en condiciones de presión interna o vacío.

Los venteos son calculado a partir de la siguiente fórmula:

S=π∗D∗H∗% ocupación

Donde,S: superficie húmeda (m2)D: diámetro interno tanque (m)H: altura tanque (m)

S=π∗2,41∗4,82∗80%=29,19m2

Ahora revisando la siguiente tabla de norma MIE-APQ-001 la capacidad total de venteo teniendo en cuenta la superficie húmeda calculada que aproximaremos a 30 m2.

Se observa que se requieren 7736 m3/hora de aire a 15 °C y 1 atm.

1.5.Temperatura de diseño

La temperatura de diseño vendrá marcada por la temperatura de ebullición del acetaldehído, con un valor de 20,2C. El recipiente de almacenamiento tendrá que estar refrigerado por debajo de su temperatura de ebullición, y se elige mantenerlo a 10C. Para mantener constante la temperatura se decide instalar un serpentín interior que funcione como intercambiador de calor, y además revestir la superficie del tanque con un aislante. Para elegir el tipo de aislante y espesor se ha utilizado el programa ISOVER. El tipo de aislante recomendado en este caso es la Manta spintex 342-G-125 con un espesor de 10 mm.

1.6.Diseño de serpentín

Para conservar el acetaldehído (A) a una temperatura óptima se hará circular refrigerante 134a por el interior de los tubos. Para conocer las necesidades de refrigerante se hace un balance de energía entre el calor

que desprende el acetaldehído y el calor que absorbe el refrigerante:

mA·Cp A· (T entrada– T interior)= m GW *Cp GW * (T – To)

Sabiendo que tenemos que refrigerar 10 ton de Acetaldehído podemos calcular el calor necesario para refrigerar esta cantidad de calor suponiendo que lo que tarda este en

llenar el tanque es 12 horas, sabiendo también que la capacidad calorífica del

acetaldehído es de 2245,85 (J/Kg°C).

Q=macetaldeh ídoC pacetaldeh ído (T entrada –T interior)

Q=(10 ton12horas

∗1000Kg

1 ton∗1hora

3600 s)∗2245,85 J

Kg °C∗(20,41−10 ° C )=5411,94 J

s

Ya sabiendo este calor transferido podremos calcular a partir del balance de energía el flujo másico de la sustancia refrigerante, la sustancia refrigerante escogida es el refrigérate 134-a ya que sus propiedades son fácilmente accesibles, tiene un pequeño punto de ebullición, lo que resulta muy útil en este proceso donde hay reducir tanto la temperatura, y teniendo en cuenta que el Cp de este producto es de 0,82 KJ/Kg °K .

mr134 a=Q

C pr134 a∗∆T= 5411,94 J /s

820J

Kg° K∗(−5— 13)

=0,82 Kgs

Ahora definiremos el caudal de operación con el que determinaremos para el ingreso de el refrigerante al serpentin de intercambio de calor, para conseguir que el fluido que circulará en su interior lo haga a una velocidad adecuada, entre 1 m/s y 3 m/s para líquidos.En este caso se eligió una velocidad de diseño de 3 m/s para el caudal, ya que será un valor máximo. Para definir el diámetro

tomaremos un valor de diámetro comercial en este caso usaremos tubos de 1,5 pulgadas de diámetro o 0,0381m:

Q=vA=3 ms∗π

(0,0381m)2

4=0,0034 m

3

s

Ahora definiremos la longitud del tubo del serpentín a partir del balance de energía tomando un valor de U (coeficiente global de transferencia de calor) como 200w/m2°C =

A= qU∗DMLT

El DMLT esta definido como:

DMLT=∆T fluido frio−∆T fluidocaliente

ln∆T fluido frio

∆T fluido caliente

=(−13−−5 )−(10−20,41)

ln(−13−−5 )(10−20,41)

=9,41 ° C❑

Ahora calcularemos el área:

A= qU∗DMLT

= 5411,96 J / s200 J

sm2 ° C∗9,41=2,87m2

Y con esta que es el área de transferencia de calor, es decir es área superficial del tubo que utilizamos, entonces ahora calcularemos la longitud del tubo teniendo el área y el diámetro:

L= AπDe

= 2,87m2

π∗0,0381m=0,38m

Peso del tanque

Peso en vacíoEl peso total del recipiente vacío se calcula según:Peso tanquevacio=Peso paredtanque+Pesofondo+Pesocabezal

En primer lugar se calcula el peso de la pared del tanque. Para ello hay que calcular previamente el área anular del cilindro:

Aanular=π4∗(De

2−Di2)

Donde :De=Di+2 t

Donde:El peso de la pared se calcula mediante la siguiente ecuación:

Pesopared tanque=Aanular∗h∗ρacero

El peso del cabezal se calcula como:

Pesocabezal=V pared cabezal∗ρacero

V pared cabezal=V e−V i

La expresión para el peso del fondo plano es:

Peso fondo=A fondo∗tρacero=( π4∗Di❑2∗t∗ρacero)

En este caso, se tendrá que sumar el peso de la media caña que se calculará siguiendo el método detallado para el peso de los tubos de los intercambiadores de calor. Peso en prueba hidráulica y en operación

Peso tanquellenode agua=Peso tanque vacío+V liquidotanque∗ρ fluido+V liquido serpentin∗ρ fluido

Consideraciones de diseñoDiámetro del tanque (m) 2,4Altura del tanque (m) 4,81Presión de diseño (atm) 1,29Material de diseñoEspesor de paredes del tanque (mm)

2,31

Espesor de cabezal toriesférico del tanque (mm)

1,31

Venteo normal m2/h 7736

Cantidad de Nitrógeno en atmosfera Inerte (Kg)

7,94

Temperatura de diseño °C

10

Material del serpentín cobreFlujo de refrigerante (Kg/s)

0,82

Longitud del serpentín (m)

0,38

2. MATERIALES PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL TANQUE

Al momento de seleccionar materiales para la construcción de un tanque de almacenamiento se deben tener en consideración además de factores mecánicos, la resistencia del material a la corrosión del líquido almacenado, los cuales se describirán brevemente a continuación.

2.1.PROPIEDADES MECÁNICAS

a. Esfuerzo a tensión: es la medida fundamental del máximo esfuerzo que puede soportar un material, obtenida experimentalmente mediante un ensayo de tensión. Si se supera este esfuerzo límite se presentará una falla en el material, lo que ocasionaría un agrietamiento de la estructura. Para el enfoque del presente trabajo, los esfuerzos que se tendrán en cuenta son las presiones generadas por el líquido.

b. Esfuerzo de fluencia: es el esfuerzo que si se supera ocasionará una deformación permanente del material (deformación plástica). Este es el esfuerzo que se utiliza para los fines de diseño.

c. Tenacidad: propiedad asociada a la resistencia que posee el material a la propagación de fisuras. En el diseño de tanques, la importancia de esta propiedad radica en determinar el comportamiento del material si se presenta una fisura, lo cual estaría relacionado con pérdidas considerables de material almacenado o el posible colapso de la estructura.

d. Dureza: es la habilidad de un material para oponerse a la penetración.

e. Efecto de la temperatura en las propiedades mecánicas: a temperaturas menores a 10°Clos metales que son dúctiles pueden transformarse en frágiles y presentar una falla. Este fenómeno está directamente relacionado con la estructura cristalina del material; los BCC (cúbico centrado en el cuerpo) son más propensos a este tipo de fallas, contrariamente a las estructuras FCC y hexagonal. Para equipos que trabajan a bajas temperaturas, tales como plantas criogénicas o almacenamiento de gases licuados se utilizan aleaciones de aluminio (hexagonales) o acero inoxidable austenítico (FCC)

2.2.RESISTENCIA A LA CORROSIÓN

Con el fin de seleccionar el material más adecuado para la construcción de un equipo, el ambiente al que va a ser sometido el material en el proceso se debe definir claramente desde el principio. Se deben considerar las características corrosivas del material y además otros factores que pueden

ocasionar variaciones en las mismas como son:

1. Temperatura, que afecta la velocidad de corrosión y las propiedades mecánicas

2. Presión3. pH4. Impurezas del material

De acuerdo a estas consideraciones, Pat L. Mangonon reporta diferentes propiedades mecánicas necesarias a la hora de seleccionar un material óptimo para el diseño del tanque. Del anexo 1 de acuerdo a los esfuerzos de fluencia listados para los diferentes materiales, el que mejor se adapta a las condiciones de operación del tanque será el acero inoxidable austenítico AISI 304, también conocido como acero inoxidable 18/8.

También, por su composición química y su alto contenido de cromo (de 18 a 20%) presenta propiedades óptimas anticorrosivas. Con respecto a la resistencia a la corrosión el tipo 304 resiste casi todos los ácidos oxidantes, muchas soluciones esterilizadoras, la mayor parte de los compuestos químicos orgánico, colorantes y una amplia variedad de compuestos químicos inorgánicos. En el anexo 1 se muestra la resistencia a la corrosión de los tipos normales de acero inoxidable en diferentes ambientes, y en el anexo 2 se muestran las aplicaciones de diversas calidades de aceros inoxidables en diferentes tipos de compuestos químicos.

Un indicador del costo de algunos de los materiales más usados en la construcción de equipos para la industria química se muestra en la siguiente tabla, aunque el costo de los

metales puede variar ampliamente dependiendo de los movimientos mundiales de la industria de metal.

La cantidad de material a utilizar dependerá de la densidad del material y el estrés de diseño, cantidades que se deben tomar en consideración antes de comparar los costos de los materiales. Es posible utilizar un factor de comparación para determinar el factor de costo, expresado en la siguiente ecuación como

Factor de costo=C∗ρσ d

Donde C= costo del material por unidad de masa $/kg

Ρ= densidad, kg/m3

σ d = estrés de diseño, N/nm2

El factor de costo de los materiales, relativo al acero al carbón se muestra en la siguiente tabla. Los materiales con un estrés de diseño relativamente alto, como por ejemplo el acero inoxidable, se pueden usar más eficientemente que el acero al carbón. Sin embargo, el costo de un equipo va a depender además del costo del material básico, del costo de fabricación, referido

específicamente a aquellos materiales que requieren un manejo especial.

Si la tasa de corrosión es uniforme, el material óptimo se puede seleccionar calculando los costos anuales de los posibles materiales. El costo anual dependerá de la vida predicha para un material, calculada en base a la velocidad de corrosión y al costo de adquisición del equipo. Entonces este factor servirá para determinar si en una situación es mejor instalar un material económico con una elevada velocidad de corrosión y remplazarlo frecuentemente, o seleccionar un material más resistente así sea costoso.

Como se puede ver en la tabla, el material que se escogió para la fabricación del tanque se encuentra entre los que presentan menor factor de costo al tener un precio bajo con respecto a otros materiales y un estrés de diseño elevado.

3. COSTOS

Uno de los aspectos más importantes al momento de presentar un diseño son sus costos, ya que además de dar un criterio de viabilidad, también ofrecen un criterio de eficiencia, esto, gracias a que entre más

óptimo el diseño, tenderán a disminuir, aunque esto último también depende de las características específicas dadas por la persona que necesite el tanque y el uso de algunos materiales que puedan ser más costosos.

En este sector existe un amplio listado de oferentes, a la vez que se encuentran infinidad de opciones con respecto a las características de los materiales ofrecidos y demandados.

Se consultaron algunas fuentes, y se citan a continuación las empresas tentativas para el suministro de los materiales necesarios.

- Goodfellow, que ofrece una amplia gama de metales, aleaciones, cerámicas, polímeros, compuestos para mercados industriales. Como proveedor de las placas de acero inoxidable.

- Isotermn, es una empresa del mercado de distribución de aislamiento para la construcción y productos para difusión (rejillas y difusores), ventilación (ventiladores axiales, centrífugos...), máquinas de aire acondicionado (splits, conductos de baja silueta, etc). Como proveedor de la chaqueta aislante necesaria para el tanque.

- Coval comercial S.A., es una empresa colombiana, una distribuidora mayorista de materiales para la construcción. Como proveedor de los tubos de cobre para el serpentín refrigerante.

Material Cantidad

Precio / und (p.c.)

Precio total (p.c.)

Acero inoxidable A36 3/16 in de espesor   4x4 ft

46 212846,27

9790928,43

Tubería de cobre del

1 596240,6 596240,6

refrigerador(15,24m)Válvulas de seguridad (1/2”)

3 27067 81210

Chaqueta aislante (6x1m)

12 12484,7410618195,

9

TOTAL ---- ---------- 10468370

BIBLIOGRAFIA

1. FERNÁNDEZ FACCINI, Humberto. Ejecución de proyectos de ingeniería.

2. Catálogo GOODFELLOW. http://www.goodfellow.com/catalogue/GFCatalogue.php?Language=S

3. Catálogo Metals DEPOT. http://www.metalsdepot.com/products/hrsteel2.phtml?page=plate&LimAcc=$LimAcc

4. Catálogo ISOTERM. http://www.isoterm.es/nova/productos/docs/02%20MANTAS%20SPINTEX.pdf

5. Catálogo Coval. http://www.coval.com.co/pdfs/listasprecios/ult_cobre.pdf

6. Gere, James. MECÁNICA DE MATERIALES Quinta edición. Editorial Thomas Learning. Mexico, 2002.

7. Mangonon, Pat. CIENCIA DE MATERIALES, SELECCIÓN Y DISEÑO. Editorial Pearson Educación, México, 2001.

ANEXOSANEXO 1.

Fuente: Mangonon, Pat. CIENCIA DE MATERIALES, SELECCIÓN Y DISEÑO. Editorial Pearson Educación, México, 2001. Página 513

ANEXO 2

Fuente: Mangonon, Pat. CIENCIA DE MATERIALES, SELECCIÓN Y DISEÑO. Editorial Pearson Educación, México, 2001. Página 115.