Diseño de Tanques de Almacenamiento.
Diseño del Fondo y del Techo:
Construidos con placas de menor espesor que las usadas en las paredes
Diseño del Fondo: o
Consideraciones:
Para el fondo: debido a que esta sostenido por una base
Para el techo: debido a que la única caraga que se considera es la del viento y alguna otra especial
Si las consideraciones marcan un fondo plano con una capacidad de carga del suelo menor a 3000 lb/ft, se coloca sobre una capa de arena o grava. Si el fondo esta soportado por el terreno, se previene el pandeo del mismo y las cargas sólo están sujetas a las cargas por compresión. Debe utilizarse placas de ¼’’ como mínimo para mayor facilitado de soldadura y espesor adicional por corrosión. Para la pared se utiliza comúnmente un ancho de placa de 96’’ por 20 o 30 ft de largo. Las placas de ¼’’ se unen por soldaduras a traslape con margen de almeno 1 1/4 ‘’. Las placas colocadas simétricamente a las líneas centrales a la planta del fondo reducirán al mínimo el número de placas requeridas. La simetría más simple es la que junta las esquinas de cuatro placas intersectándolas al fondo, sin embargo no es utilizable ya que con algunas dimensiones puede fragmentarse con las placas del perímetro. La siguiente ecuación nos permite calcular fácilmente el tamaño y la posición de los cortes perimetrales de las placas:
()
NOTA: el cálculo de C depende de la disposición geométrica del fondo y de su longitud.
Diseño del techo o
Clasificación:
Según la forma
• Cilíndricos • De domo
Según el tipo de soporte
• Autosoportados • Soportados
2
Se diseñan para soportar una carga v iva mínima de 20 lb/ft adicionalmente a la carga muerta. o
Techos Autosoportados Cónicos:
Es el que se encuentra soportado por la pared misma del tanque. Su diámetro máximo es de 60 ft y en general no sobrepasan los 40 ft. Se fabrican de acero que cumpla con las especificaciones ASTM-A-283 grado C o D. Se especifican placas de 3/16’’, el techo debe reforzarse con soportes estructurales si es mayor a 15.5 ft de diámetro. Si se utilizan placas de ¼’’ no se requieren soportes para diámetro de 15.5 ft, pero sí para diámetros mayores. El techo debe unirse a la pared por saldado y bridado. Para tanques mayores debemos tomar en cuenta la ecuación de esfuerzo en un cono:
P=presión interna o externa (psia)
d= diámetro (plg) t= espesor del cono (plg) Ɵ= ángulo del cono con la horizontal Para techos cónicos con diámetros grandes esta e cuación toma la siguiente forma:
2
E= módulo de elasticidad (lb/in )
t=espesor (plg) r= radio de la curvatura (plg) El esfuerzo de compresión puede ser impuesto sin falla como la doceava parte del esfuerzo teórico crítico, considerando la siguiente ecuación para un techo cónico:
()
El esfuerzo de compresión inducido por las cargas no debe sobrepasar el esfuerzo permitido. Para calcular el primero, se usa la siguiente e cuación:
La siguiente ecuación es la aceptada por el API para los techos cónicos Autosoportados:
√
o
Techos Soportados Cónicos:
Tienen generalmente una pendiente de ¾’’ por cada12’’. Las placas deben estar rígidas para disminuir el número de vigas y no deben estar unidas a ellas. Se unirás por juntas a traslape (mínimo de 1’’). Se usará soldado completo sólo por la parte exterior del techo. El espesor mínimo recomendado es de 3/16’’. El diseño debe tomar en cuenta el pandeo y el movimiento lateral de las placas, vigas y trabes, también se considera la acción de las columnas. Ecuaciones a usar: Especificaciones Viga cargada uniformemente, con extremos libres
Para la flexión en la columna de área seccional a Para el espaciamiento máximo entre vigas Número mínimo de vigas
Ecuación
⁄ √
Variables W=carga uniforme L=largo E=módulo de elasticidad I=momento de inercia L= largo no soportado b= ancho de la brida de compresión t= espesor de la viga f= esfuerzo permisible p=carga del techo N=número de lados del polígono R radio del círculo que circunscribe al polígono
Las vigas se diseñan como vigas uniformemente cargadas con los extremos libres. Se considera que cada viga soporta las placas del techo y las cargas sobre el techo. Su longitud se encuentra usualmente limitada a 20 ó 24 ft. Para los tanques de diámetros mayores, el claro entre las vigas, se reduce con e uso de trabes, soportados por columnas usando una columna para el centro del tanque. Los trabes se diseñan del mismo modo que las vigas. El diseño de las vigas se basa en un factor de seguridad de aproximadamente tres ( un tercio del esfuerzo máximo). Para columnas, debe considerarse la flexión lateral, por lo que el esfuerzo máximo permisible no deberás ser superior a 15 000 psi. o
Techos en Forma de Domo:
Tienen una superficie esférica. No son usados para tanques que trabajan a presión atmosférica, y solo se usan para servicios a bajas presiones. La ecuación del esfuerzo para un tanque de pared delgada es:
t= espesor P= presión d= diámetro f= esfuerzo máximo permisible API recomienda que el radio de la curvatura sea el doble del radio de la pared ±20%. R=304 t R=radio de la curvatura t= espesor NOTA: se usarás las mismas ecuaciones que para los techos soportados cónicos.
Tanques de almacenamiento a presiones moderadas: esferas y salchichas.
El tanque más común en cuanto al consumo de material y que más fácilmente soporta las presiones, es la esfera. Sin embrago, debido a que su fabricación es complicada, se tiene a elegir entre la opción de las salchicha y la esfera. Si se diseña una esfera y ésta da un diámetro menor de 10 ft, se preferirá una o varias salchichas. Para capacidades mayores, la esfera es la forma indiscutible de almacenar grandes cantidades de líquidos a presión. La fabricación de la esfera se realiza con soldado a tope. Las salchichas no son más que tanques cilíndricos y su diseño se contempla en la misma forma que los r ecipientes a presión. El espesor de una esfera se determina por:
d= diámetro interno (m) 2
P= presión interna de diseño (kg/m ) E=eficiencia por la soldadura
c= Espesor por corrosión
Ejemplos de Tanques de Almacenamiento más Usados. o
Tanque de Techo Flotante con Puente Simple:
Está diseñado específicamente para el almacenamiento de productos volátiles (petroleros). Su objetivo es tener pérdidas mínimas por medio de la eliminación de la fase gaseosa. Consiste en un tanque cilíndrico de fondo plano normal, con un techo que flota sobre el líquido. Se usa para almacenar: petróleo crudo, naftas y gasolinas. Está diseñado para soportar cargas de agua o nieve importantes. El techo flotante simple de puente estándar puede ser usado para diámetros entre 12 y 65 metros; el techo de puente reforzado se usa para condiciones de cargas altas y diámetros entre 20 y 60 metros. Debe de responder a las exigencias del código API-650 apéndice C. las juntas del techo con las paredes pueden ser del tipo “espuma” o mecánicas. Puede ser equipado con: indicador automático, equipo contra incendio, agitador, calentador o agitación flotante. o
Tanque de Techo Flotante Interno:
Diseñado para almacenar productos petroleros refinados volátiles. Se usa comúnmente para: gasolinas, supercarburantes y gas-avión. El techo fijo protege al flotante contra la intemperie, evitando entre otras cosas los problemas de drenaje. Apto para cualquier capacidad y diámetro. Los techos fijos pueden se r Autosoportados o de postes. Debe de responder a las exigencias del código API-650 apéndice H. El techo fijo está provisto de aireadores dimensionados y dispuestos para asegurar una ventilación natural. Las juntas son de tipo “espuma”. o
Tanque de Techo Fijo Autosoportado Cónico
Ideados para almacenar productos no volátiles o poco volátiles. Para soportar el techo se pueden usar vigas o armaduras. Si se usan vigas: el diámetro está limitado entre 3 y 24 metros; para armaduras: el diámetro está limitado entre 24 y 72 metros. Es preferido cuando el fondo del tanque puede experimentar asentamientos importantes. o
Tanques de Techo Fijo Soportado
Tiene los mismos objetivos que el de techo a utosoportado. Se encuentran limitados a diámetros inferiores a 52 metros. Dependiendo de las condiciones de carga y del diámetro, las vigas interiores esféricas, se pueden sustituir por vigas cónicas. El radio del techo varía normalmente entre 0.8D y 1.5D.
o
Tanque de Baja Temperatura
Diseñados para almacenar gases licuados a bajas temperaturas y presión atmosférica (temperatura mínima de -50°C). Usados para almacenar: butadieno, monómero de cloruro de vinilo, propileno, mezclas de butano-propano. Pueden ser usados tipo simple pared, constituida de una pared hermética, aislada con poliuretano o fibra de vidrio; o bien tipo doble pared, constituido de una pared interior hermética de acero de aja temperatura y una pared exterior que sirve como retención al aislamiento. o
Esfera
Se usa para almacenar líquidos que se evaporan a temperaturas cercanas a la ambiente, gases licuados o gases almacenados a presión superior a la atmosférica con objeto de reducir su volumen de almacenamiento. Almacena: propano, butano, mezclas propano, butano, amoniaco, butadieno, acetaldehído, etc. Están generalmente definidas por el código SNCT, BS1515 o ASME sección VIII. La temperatura mínima para el acero al carbón es de -50°C. la capacidad varía según el producto y la presión de 3
operación y es en general entre 200 a 10 000 m .
Cuestionario (Respuestas)
1. Por la forma, los techos se clasifican en: techos cónicos y techos de domo. 2. Según su soporte, los techos se clasifican en: autosoportados y soportados. 3. Para el diseño de los techos tomamos en cuenta: las cargas vivas (viento, nieve, peso del personal) y las cargas muertas. 4. El factor de seguridad es igual a 1/3 del esfuerzo máximo permitido. 5. Para el diseño de techos en forma de domo se deben tomar en cuenta: que el radio de la curvatura sea el doble del radio de la pared ±20%, el número de vigas y el tipo de soldadura. 6. El espaciamiento entre vigas y trabes debe ser aproximadamente 26 ft de largo. El espaciamiento entre vigas = 2πft 7. El cálculo del número de vigas se calcula al dividir la circunferencia de la pared entre el espaciamiento máximo. 8. La selección del tamaño de la viga depende de la carga del techo más la carga de la viga. 9. La selección del tamaño de los trabes se calculará asumiendo que éstos son como vigas uniformemente cargadas que soportan a las vigas. 10. La selección de las columnas se toma la siguiente especificación: se escogen perfiles de doble “U” unidos perpendicularmente y por medio de las especificaciones de los fabricantes se escoge la columna más ligera que cumpla con los requerimientos.
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla.
Facultad de Ingeniería Química.
Ingeniería Química Aplicada IX (Diseño de Equipo).
Currás Tuala María Fernanda.
Matrícula: 200821086.
Diseño de Tanques de Almacenamiento y Cuestionario.
Entrega: 10/Septiembre/2012
