Producción de Biodiesel FINAL...

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Producción de Biodiesel A partir de Aceite Vegetal y Metanol Integrantes: Francisco Gonzales Rosales Tania Ledezma Torres Luis Magnata Soto César Martínez Romero Isabel Panire Narváez Felipe Ramírez Ortega Fecha: 29-Noviembre-2012

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Produccion de Biodiesel

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    Produccin de Biodiesel A partir de Aceite Vegetal y Metanol

    Integrantes: Francisco Gonzales Rosales Tania Ledezma Torres Luis Magnata Soto Csar Martnez Romero Isabel Panire Narvez Felipe Ramrez Ortega

    Fecha: 29-Noviembre-2012

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    ndice Introduccin: ......................................................................................................................................2

    Produccin de Biodiesel .....................................................................................................................3

    Descripcin biodiesel .....................................................................................................................3

    Proceso productivo ........................................................................................................................3

    Refinacin de Glicerina ......................................................................................................................6

    Ventajas y Desventajas del Biodiesel .................................................................................................8

    Ventajas sobre hidrocarburos derivados del petrleo: ..............................................................8

    Desventajas respecto a hidrocarburos derivados del petrleo: ................................................9

    Usos del Biodiesel ..............................................................................................................................9

    Diagrama de Flujo de Produccin de Biodiesel ................................................................................11

    Diagrama de Flujo de Proceso Refinacin Glicerina .........................................................................12

    Diseo del estanque de acumulacin de biodiesel ..........................................................................13

    Aspectos generales del diseo de los estanques ..........................................................................13

    Clasificacin de estanques .......................................................................................................13

    Segn las propiedades fsicas de la sustancia ...........................................................................13

    Segn el material de construccin ...........................................................................................14

    Segn su funcin ......................................................................................................................15

    Segn su posicin .....................................................................................................................16

    Diseo y clculo de Estanques de Almacenamiento ................................................................18

    Geometra del equipo ..................................................................................................................19

    Esfuerzos del Acero A-36 ..............................................................................................................20

    Clculo de los espesores del cuerpo .............................................................................................21

    Calculo placa de fondo .................................................................................................................22

    Calculo placa de fondo anular ......................................................................................................23

    Calculo del techo del estanque ....................................................................................................25

    Conclusiones ....................................................................................................................................27

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    Introduccin: Debido a las alzas en los combustibles fsiles causados por eminente escasez y conflictos de los pases productores, adems de los altos niveles de dixido de carbono atmosfrico, es que las ultimas dcadas se ha comenzado a buscar alternativas para la produccin de combustibles a partir de recursos renovables, y se ha hallado respuesta en los biocombustibles, uno de los ms exitosos a pesar de su alto costo de produccin es el de produccin es el Biodiesel a partir de aceites vegetales o animales. El biodiesel es un combustible que se obtiene a partir de la reaccin de un triglicrido con un alcohol, tpicamente metanol o etanol, con hidrxido de sodio como catalizador, esta reaccin es conocida como transesterificacin. En el proceso de produccin de biodiesel se obtiene como subproducto Glicerina, la cual debe ser refinada para su comercializacin, haciendo aun ms atractivo llevar a cabo este tipo de proyectos. Actualmente el Biodiesel se presenta como una alternativa a los combustibles convencionales o como mezclas mejorando la calidad de estos principalmente en Europa, Estados Unidos y Brasil. Es muy importante la eleccin de la materia prima, ya que dependiendo de su cantidad y calidad de triglicridos cambia la eficiencia del proceso, adems de si compite o no con otro tipo de industrias como la agrcola o alimenticia, lo que no es de menor importancia debido a la escasez de estos productos a nivel mundial.

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    Produccin de Biodiesel

    Descripcin biodiesel El Biodiesel es un combustible lquido que se obtiene a partir de materias primas renovables, como aceites y grasas vegetales y/o aceites de fritura usados, y es asimilable al gasleo de automocin de origen fsil (petrleo). Los aceites vegetales que se utilizan suelen ser la soja, la colza, la palma y el girasol. Aunque estas especies suelen ser las materias primas ms utilizadas en su produccin, se puede obtener a partir de ms de 300 especies vegetales, dependiendo de cul sea la que ms abunde en el pas

    de origen. El hecho de que tambin se pueda obtener a partir de la transformacin del aceite vegetal de cocina frito ha cobrado fuerza

    ante la necesidad de reciclar los aceites usados de la cocina, especialmente procedentes de bares, restaurantes y asadores. El trmino biodiesel se refiere, en general, a los steres metlicos obtenidos a partir estos aceites mediante un proceso llamado transesterificacin metlica.

    La descripcin qumica del biodiesel presenta que contiene compuestos orgnicos de esteres monoalquilicos de cidos grasos, tanto de cadena larga como de cadena corta. Adems tiene mejores propiedades lubricantes y mucho mayor ndice de cetano que el diesel normal por su poco contenido en azufre. Al agregar biodiesel al gasleo se reduce significativamente el desgaste del circuito de combustible. Es lquido a temperatura ambiente y su color vara entre marrn oscuro y dorado segn la materia prima utilizada en su elaboracin. Es inmiscible con el agua, posee un punto de ebullicin alta, una baja presin de vapor, punto de inflamabilidad superior a 130 C. En la tabla de a continuacin se muestra las propiedades qumicas que presenta el biodiesel frente al diesel.

    Tabla 1 Propiedades fsicas

    Proceso productivo El biodiesel se elabora mediante la transesterificacin de grasas y aceites con alcohol metlico en ambiente bsico. Los catalizadores a emplear pueden ser soda caustica o metilato sdico, ambos

    Figura 1 Biodiesel

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    en solucin metanlica. El proceso continuo es el ms ampliamente empleado, ya que es la ms econmica y ofreciendo diversas ventajas:

    x Elevada conversin (98%) con pocas reacciones secundarias y reducido tiempo de reaccin.

    x Conversin directa a ster metlico sin pasos intermedios. x Materiales de construccin estndar (AISI 304, acero al carbono y materiales plsticos:

    PRFV, PP) Adems, los equipos son de fcil obtencin adems de que la mantencin de estos no es especializada. Tambin existe un proceso batch, pero es ms artesanal y con menos produccin. Para seleccionar entre un proceso batch y uno continuo uno se debe fijar en la escala productiva y en la calidad de la materia prima a utilizar. En la siguiente imagen se muestra a grandes rasgos como es el ciclo del biodiesel.

    Figura 2 Ciclo del Biodiesel

    El proceso parte con la combinacin del metanol con aceites animales o vegetales que contienen cidos grasos libres en un mezclador esttico. Posterior a eso, el producto se pasa por el reactor de lecho fijo, donde se produce la reaccin de esterificacin de los cidos grasos libres. La corriente resultante del reactor se mezcla en el segundo mezclador esttico con el metanol en exceso para la transesterificacin y el catalizador, que aporta el ambiente bsico el cual es comnmente soda custica o el metilato sdico, con el objetivo de producir la transesterificacin mucho ms rpido adems de permitir operar en condiciones moderadas. La corriente proveniente de esta unidad va a un reactor tubular donde ocurre la reaccin de transesterificacin que su ecuacin es la siguiente:

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    Figura 3 Reaccin

    La figura muestra claramente que un producto de la reaccin es la glicerina. Una recomendacin es la utilizacin de aceites y alcoholes anhdridos, ya que la presencia de agua en las materias favorece la formacin de jabones por el mecanismo de saponificacin. Por dicha recomendacin es que se debe eliminar el agua mediante un mecanismo de evaporacin en los aceites con altos contenidos de humedad. El producto de la reaccin, compuesto por el metil ster, la glicerina, el metanol en exceso y el catalizador, debe ser neutralizado. Para poder cumplir esto la corriente es llevada a un tanque de mezcla con cido mineral en la cantidad necesaria para que ocurra la neutralizacin. A continuacin se desea refinar el producto aumentando el porcentaje de metil ster y glicerina. Para ello se lleva la corriente a una unidad de destilacin flash. Los vapores de metanol se condensan y se envan a un tanque de almacenamiento para su posterior recirculacin al proceso. El producto de fondo de la unidad, que son ricos de metil ster y glicerina, se enva a un decantador donde se separa el metil ster del resto de los dems productos. La fase ligera del decantador (metil ster o biodiesel) se enva a la columna de lavado, mientras la fase pesada (glicerina bruta) que contiene glicerina (aproximadamente un 90%), eventuales impurezas y sales se envan al almacenaje a un tanque de acumulacin. En la columna con agua se lava el metil ster quitndole las trazas de glicerina que puede contener. Se separa el producto lavado de la parte superior de dicha columna, envindose a una unidad de secado y al almacenaje (Estanque de acumulacin).

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    Refinacin de Glicerina El Glicerol es un compuesto qumico obtenido de la produccin de biodiesel, donde es almacenado junto a otros subproductos. La glicerina es el nombre comercial comnmente conocido, donde se basa en una mezcla de alto contenido de glicerol.

    El glicerol en forma natural en las materias primas se presenta en forma combinada como triglicridos en todas las grasas animales y aceites vegetales, constituyendo alrededor de un 10% de estos materiales. Es un trialcohol que posee dos grupos hidroxilos primarios y uno secundario, los cuales ofrecen diferentes posibilidades de reaccin y son la base de la versatilidad de este producto como materia prima para diversas aplicaciones que tiene la glicerina como humectante, espesante, emoliente, plastificante, disolvente, lubricante, anticongelante, entre otros usos. La glicerina tambin tiene un empleo farmacutico o alimenticio, con lo cual se debe tener sumo cuidado en la calidad y la responsabilidad de su uso, ya que existen registros histricos de intoxicaciones fatales con producto fuera de especificacin para dichos usos.

    Existen 3 tipos de glicerina dependiendo el grado de pureza de esta:

    x Glicerina Cruda: Correspondiente al coproducto del proceso de tranesterificacin en la produccin de biodiesel. Contiene una gran cantidad de metanol, agua, jabones y sales.

    x Glicerina Grado Tcnico: Purificacin requerida y adecuada para aplicaciones industriales. Es de alta pureza, libre de metanol, jabones, sales y otros componentes extraos.

    x Glicerina Refinada: Producto de calidad farmacutica, adecuada para la utilizacin alimenticia, cuidado personal, cosmticos, productos farmacuticos y otras aplicaciones especiales.

    En las siguientes tablas se resumen las propiedades fsicas del glicerol y las especificaciones de calidad para cada tipo de glicerina mencionadas anteriormente.

    Tabla 2: Principales Propiedades Fsicas del Glicerol

    Caracterstica Valor Apariencia Incoloro a Marrn

    Solubilidad en agua

    Soluble

    Olor Inodoro a Suave Gravedad especifica

    1,26

    Presin de Vapor 0,0025 [mmHg] a 50[C]

    Punto de flash >160 [C] Punto de Ebullicin 290 [C]

    Punto de Fusin 17,9 [C] Peso Molecular 92,1 [gr/mol]

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    Tabla 3: Especificaciones de Calidad para cada grado de Glicerina

    Propiedades Glicerina Cruda Glicerina Grado Tecnico

    Glicerina Refinada

    Contenido de Glicerol

    40%-88% 98% min. 99,70%

    Ceniza 2% max NA NA Humedad NA 2% max 0,3% max Cloruros NA 10 ppm max. 10 ppm max.

    Color NA 40 max (Pt - Co) 10 max. Gravedad Especifica NA 1,262 (a 25C) 1,2612 min.

    Sulfato NA NA 20 ppm max. Anlisis NA NA 99% - 101% (base

    seca) Metales Pesados NA 5 ppm max 5 ppm

    Componentes Clorados

    NA 30 ppm max. 30 ppm

    Residuos de Ignicin NA NA 100 ppm cidos Grasos y

    Esteres NA 1 max 1000 max

    Agua 12% max 5% max 0,5 max pH (solucin 10%) 04-sep 4 - 9,1 NA

    Residuos Orgnicos 2% max 2% max. NA

    Por lo tanto, para que el proceso de generacin de biodiesel tenga aun mayor rentabilidad, se debe agregar valor a la corriente de glicerina cruda producida, con lo cual se debe contar con proceso de refinacin de este producto, para de esta manera tener un producto de un 99,7% en contenido de glicerina.

    En primer lugar lo que se realiza con la glicerina cruda producida es almacenarla en un tanque, para asegurar un proceso continuo en esta seccin de la planta. Luego se cuenta con un reactor de pre tratamiento para eliminar principalmente los cidos grasos libres presentes en la mezcla. En el reactor donde se produce la reaccin de transesterificacin de los triglicridos en presencia de Metanol. El producto de la reaccin contiene ster metlico y glicerina, adems de sales las cuales deben ser eliminadas. Luego del reactor viene una seccin de separacin constituida por: Una columna de destilacin que funciona a vaco para separar las fracciones livianas como el agua, metanol y metil ster. Dicha torre utiliza un rehervidor para que exista un intercambio de masa en la torre elevando la temperatura en el fondo, haciendo que las sustancias de menor volatilidad vayan ascendiendo en el interior de la torre. Adems en el tope de la torre se dispone un condensador que utiliza agua como fluido de refrigeracin para disminuir la temperatura del fluido, para luego ser enviados a un tanque de vaco donde se obtiene metanol principalmente, el cual podra ser recirculado al proceso. El fondo de esta primera columna se enva a un separador de sales. El producto liviano de esta separacin es llevado a una segunda torre de destilacin a vaco, alimentada en fase vapor, donde una fraccin del producto de fondo es utilizado en el

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    rehervidor para ser recirculado a la torre, y la otra fraccin se devuelve hacia el separador de sales para su reprocesamiento. En el tope de la torre se utiliza un condensador y el producto liquido es almacenado en un tanque. La glicerina en este proceso posee un grado tcnico, con un 98% en contenido de glicerol. Por lo tanto, para alcanzar la calidad farmacutica es necesario proceder a un proceso de decoloracin y desodorizacin. Para llevar a cabo este ltimo proceso es necesario una batera de columnas de carbn activado granular. Finalmente la glicerina es almacenada en un tanque para su posterior comercializacin.

    Ventajas y Desventajas del Biodiesel

    Ventajas sobre hidrocarburos derivados del petrleo: x Reduce la dependencia energtica de los pases importadores x A diferencia de los hidrocarburos derivados de petrleo, es una fuente de Energa

    Renovable, ya que es hecho a partir materias primas renovables x Emite 50% menos de material particulado con respecto a Diesel convencional x No contiene azufre, por lo que no produce xidos de azufre contaminantes al ambiente x Bajas emisiones de Dixido de Carbono y monxido con respecto a los derivados de

    petrleo, desde un 25 a 80% menos lo que significa un menor impacto con respecto al calentamiento global

    x El dixido de carbono que se emite es igual al que absorben las plantas usadas como materia prima, por lo que se cierra el ciclo de carbono y la emisin total es casi nula.

    x Aumenta la vida til de los motores y bombas de inyeccin debido a sus propiedades lubricantes

    x Mayor poder disolvente que hace que no se produzca carbonilla, lo que evita que se tapen los conductos dejando limpio el motor.

    x Mejor calidad de ignicin en los motores por su alto contenido de oxigeno lo que se traduce en un mayor ndice de cetano.

    x Son biodegradables es decir se degrada ms fcilmente en el ambiente en caso de derrames.

    x No es txico x En chile los Biocombustibles estn exentos de impuestos especficos a los combustibles x Aumenta el octanaje de los combustibles convencionales x La Plantacin de vegetales para producir biodiesel disminuye la erosin del suelo

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    Tabla 4 Comparacin de los niveles de emisin entre biodiesel y el gasleo

    Comparacin de los niveles de emisin entre el biodiesel y el gasleo

    Emisin Biodiesel al 100% (Kg/100km) Biodiesel al 30% (Kg/100km) Gasleo (Kg/100km)

    CO 0,37 0,43 0,46

    HC 0,03 0,04 0,04

    NOx 2,73 3,37 3,64

    Partculas 0,62 1,48 1,85

    CO2 0,87 3,53 4,67

    SO2 0 1,14 1,62

    Desventajas respecto a hidrocarburos derivados del petrleo: x Altos costos de las materias primas utilizadas que equivalen a un 70% del costo de

    produccin x Menor contenido energtico que el diesel convencional, lo que aumenta el consumo x Se necesitan modificaciones en los motores y filtros para iniciar su uso x Solidifica a temperaturas mayores que el Diesel, convencional, entre 0 y 5[C], lo que en

    caso de bajas temperaturas significara obstruccin del motor. x Al ser hidrfilo y biodegradable se debe ser ms cuidadosos en su transporte y almacenaje x El cultivo para materias primas compite con la industria de los alimentos.

    Usos del Biodiesel El uso de Biodiesel en automocin est totalmente extendido en Europa desde los ltimos 10-12 aos. En pases como Alemania y Austria hay ms de 1.000 gasolineras que incorporan un surtidor de Biodiesel (ya sea 100% o mediante una mezcla del 2% al 30% de Biodiesel y el resto de Gasleo). La razn de realizar una mezcla con Gasleo convencional (EN590), radica en que los aceites vegetales tienen, entre otras cosas, la particularidad de disolver la goma y el caucho. Debido a que estos aceites vegetales son la materia prima para la fabricacin del Biodiesel, dicho producto tambin disuelve la goma y el caucho, materiales empleados en la fabricacin de los conductos y la juntas del sistema de alimentacin de los vehculos (latiguillos o manguitos) por lo que con el uso prolongado de Biodiesel 100%, se podran llegar a degradar dichos conductos, produciendo algn poro o prdida de combustible (El Biodiesel es biodegradable en un 98,3% en 21 das). Desde mediados de los aos 90, casi todos los fabricantes de vehculos (principalmente marcas alemanas), ya han substituido dichos conductos por conductos fabricados con materiales plsticos o derivados, con lo que el Biodiesel no los disuelve.

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    En el Estado Espaol, y ante la imposibilidad de controlar si los vehculos que repostan en las estaciones de servicio estn o no preparados para la utilizacin de Biodiesel 100% se emplea la mezcla BDP-10 (10% Biodiesel + 90% Gasleo), y as cualquier vehculo lo puede utilizar sin ningn tipo de problema. El biodiesel al igual que el petrleo diesel, se le puede utilizar en motores de combustin interna (motores por compresin). Este combustible (dependiendo del tipo de vehculo) puede utilizarse puro, o mezclado en alguna proporcin con el petrleo diesel y gasolinas. En concentraciones que no superen entre el 5% o el 15%, normalmente no se requieren de modificaciones en el vehculo.

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    Diagrama de Flujo de Produccin de Biodiesel

    Catalizador

    Alcohol Metilico

    cidos GrasosMezclador

    Reactor EmpacadoEsterificacin

    Mezclador

    Reactor TubularTransesterificacin

    Mezclador

    Acido Mineral

    Separador Flash

    Cond

    Agua Fresca

    Alcohol Metilico Rec

    Decantador

    Glicerina Cruda

    Agotador

    Metilester

    H2O

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    Diagrama de Flujo de Proceso Refinacin Glicerina

    Tanque almacenamientoGlicerol

    Separador

    ReboilerTanque de

    Sales

    Separador de SalesSeparador

    Reboiler

    Condensador

    Sistema Vacio

    Tanque Vacio

    Columnas Carbon Activado Tanque almacenamiento Glicerina Farmaceutica 99%Pretratamiento

    Reactor

    E-59

    Agua Fresca

    Tanque Glicerina Tecnica

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    Diseo del estanque de acumulacin de biodiesel Se ha elegido el diseo del estanque de acumulacin. Debido a que en general ste no se encuentra sometido a altas presiones, sino ms bien a presin atmosfrica, su construccin se llevar a cabo basndose en las normas API 650, las cuales cubren estanques que almacenan lquidos y estn construidos de acero, y soportan temperaturas bajo 93C.

    Aspectos generales del diseo de los estanques

    A continuacin se realiza una clasificacin de los estanques, para tener en consideracin al momento del diseo de este:

    Clasificacin de estanques Existen diferentes formas de clasificar los estanques, a continuacin se presentaran algunas de ellas.

    Segn las propiedades fsicas de la sustancia Si un tanque debe ser abierto o cerrado, est definido por los requerimientos de la sustancia en su interior. Por ejemplo si se desea almacenar un gas, ste muchas veces debe permanecer a una condicin de baja temperatura. Otro factor determinante es la presin de operacin. Abiertos: Principalmente, se usan para almacenar sustancias que son estables a condiciones

    ambientales como materias en la industria alimenticia, vitivincola, agrcola y algunas en la industria qumica. Adems generalmente poseen un revestimiento para mejorar la resistencia a la corrosin.

    Cerrados: Este tipo de estanques es utilizado cuando las sustancias en su interior deben cumplir con una estricta especificacin. Al estar cerrado, el recipiente puede ser acondicionado a distintas condiciones de presin y temperatura, adems de evitar el ingreso de suciedades y el

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    escape del mismo compuesto en caso de ser voltil. Por todas estas razones son los ms utilizados en la industria, un ejemplo es el petrleo y sus derivados.

    Segn el material de construccin

    El material del cual se construye el tanque de almacenamiento, depender exclusivamente de las propiedades que logren satisfacer las distintas necesidades como la compatibilidad qumica con la sustancia en su interior, la resistencia a la corrosin, las condiciones de presin y temperatura, etc.

    No metlicos: Los estanques no metlicos generalmente son de concreto o plstico y se utilizan para sedimentacin, almacenaje de granos, almacenamiento de sustancias de baja reactividad.

    Metlicos: Los ms comunes son los de aluminio y acero, donde el primer caso dado su alto

    costo es empleado para almacenar gases en general y combustibles, adems se utiliza para estanques de menor tamao y transportables considerando el bajo peso de este metal. En cambio, el acero gracias a su abundancia es el material ms utilizado por sus propiedades y bajo costo.

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    Estanque plstico: Son cada vez ms utilizados gracias a su fcil transporte por el bajo peso, su conveniente costo de produccin y la resistencia a la corrosin al ser reforzado con fibra de vidrio. Por el momento se fabrican en capacidades pequeas y medianas.

    Segn su funcin Los estanques se pueden clasificar segn la funcin que cumplen en la planta, por ejemplo si se utiliza directamente en el proceso o si se utilizan para guardar las reservas.

    Reserva: Generalmente son estanques de mayor tamao, que almacenan sustancias que para su proceso requieren un tiempo de residencia mayor. Algunos ejemplos son la minera, zonas rurales, servicios pblicos y hospitales, que generalmente requieren almacenar agua de emergencia.

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    Produccin y Proceso: Los estanques son un elemento de transicin en el transporte de una

    mezcla, una caracterstica particular de este tipo de estanque, es el uso de agitadores para mantener en movimiento la mezcla para as evitar precipitaciones o una composicin no homognea.

    Segn su posicin

    Esta propiedad se ve muy ligada a la geometra del estanque, se crean distintas combinaciones de tal manera de alcanzar las condiciones deseadas. Los estanques pueden instalarse en altura, a nivel del suelo, enterrados o semienterrados, adems de variar su posicin de manera vertical u horizontal.

    Horizontales: El estanque rectangular es muy comn pero dadas las concentraciones de

    esfuerzos en sus esquinas suele construirse a bajas alturas, su principal ventaja es que se adapta fcilmente a espacios reducidos.

  • 17

    Los estanques cilndricos horizontales, se utilizan principalmente para el transporte de productos petroqumicos y se usan para almacenar volmenes pequeos de sustancias debido a que presentan problemas de fallas por corte y flexin. Las formas de sus extremos dependern de las condiciones de presin de vapor del fluido almacenado.

    Verticales: Posee varias ventajas respecto al horizontal, por ejemplo, se pueden insertar paletas o agitadores, mayor capacidad de almacenaje, menor costo de materia. Por todas estas razones y adems porque permite almacenar grandes volmenes de lquidos y concentrados el estanque vertical es el de mayor utilizacin en la industria.

  • 18

    Diseo y clculo de Estanques de Almacenamiento El material que se escoge, debido a su compatibilidad con el biodiesel, alta disponibilidad bajo costo facilidades de construccin, es Acero de tipo estructural, segn la norma ASTM definida por ASME se escoge acero A-36M/A-36, el cual presenta un espesor mximo que se corroborar ms adelante en el diseo propiamente tal.

    Tabla 5: Materiales Comunes (C) y Especiales (E) segn sustancia

    Luego se debe saber cuanto es el volumen que se desea acumular:

    =

    Cabe destacar que la masa de biodiesel corresponde a la generada en 5 das, esto debido a que en un periodo de tiempo mayor a 10 das, el biodiesel comienza a absorber impurezas y humedad indeseadas. Adems, se debe considerar el transporte que no puede llevarse a cabo todos los das.

    De acuerdo a lo anterior la capacidad requerida es de 560 [m3] aproximadamente, para los 5 das anteriormente mencionados.

    De acuerdo a las propiedades del bioetanol este puede ser almacenado a condiciones atmosfricas, por lo que no excedera los 93C establecidos por las normas API 650. Esta condicin disminuye la energa requerida en fluidos de servicio y en calidad de materiales de construccin.

    Tabla 6. Propiedades del Bioetanol

    EstanqueSustancia

    Acero C C C C CAluminio E E E EPlstico C E CConcreto C E E

    AguaPetroleo y derivados

    Material de minera

    Gases Qumicos

    Alimentos

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    Geometra del equipo

    Como se dijo anteriormente el volumen a utilizar es de 560 [m3], si se considera un factor de volumen, que incluya el volumen muerto y las olas que se puedan formar debido al movimiento del recipiente (este factor vara entre 0.8 y 0.9), de 0.85 el volumen a utilizar es de 668 [m3]. Este ltimo corresponde al volumen de diseo, con lo cual se obtiene la altura de diseo:

    = 4

    La geometra corresponde a un cilindro con una razn dimetro-Alto de 0.7.

    = 0,7

    Con lo cual se obtiene el dimetro:

    = 4 668[]

    0,7

    = 10,67[]

    = 7,47 []

    Una vez obtenida el dimetro de diseo es posible obtener la altura de llenado del tanque:

    = 4

    =4 =

    4 560[] (10,67 []) = 6,26[]

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    Esfuerzos del Acero A-36

    Tabla 7. Esfuerzos ASTM

    De la Tabla 7. Esfuerzos ASTM se obtienen los siguientes valores de esfuerzos para el material elegido:

    Mnimo Esfuerzo Fluencia

    = 250

    Mximo Esfuerzo Tensin

    = 400

    Esfuerzo de Diseo

    = 160

    Esfuerzo por prueba Hidrosttica

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    = 171

    Clculo de los espesores del cuerpo

    Las normas API 650 indican que el espesor de la pared del cuerpo para resistir la carga hidrosttica ser mayor al calculado segn condiciones de diseo o por prueba hidrosttica, pero nunca menor a los indicados en la Tabla 8:

    Tabla 8. Espesor Mnimo

    Para el clculo de los espesores, se realizar segn el mtodo de un pie, el cual solo es posible utilizarlo para dimetros de tanques menores o iguales a 60,96[m], por lo que el tanque a construir est dentro de esta categora.

    Este mtodo calcula el espesor por condiciones de diseo como por prueba hidrosttica, restando una seccin transversal ubicada a 0.3 [m] por debajo de la unin de cada anillo. Se comparan ambos espesores, y el que tenga mayor valor corresponder al elegido para el diseo.

    =4,9 ( 0,3)

    +

    =4,9 ( 0,3)

    Donde:

    td : Espesor por condicin de diseo, en [mm].

    tt : Espesor por prueba hidrosttica, en [mm].

    D: Dimetro nominal del estanque, en [cm].

    H: Altura del nivel del lquido de diseo, en m (altura desde la parte baja del primer anillo considerado el perfil de coronamiento, o cualquier nivel indicado por el usuario, restringido por techos flotantes internos o clculos por accin de sismo).

    G: Densidad relativa del lquido a almacenar o del agua para clculo por prueba hidrosttica.

    CA: Corrosin permisible, en [mm].

    Sd : Esfuerzo permisible por condiciones de diseo, en [MPa].

  • 22

    St: Esfuerzo permisible por condiciones de prueba hidrosttica, en [MPa].

    Considerando que la densidad del biodiesel es 880 [Kg/m3] y la corrosin es 1,6[mm], se obtiene el espesor de diseo:

    =4,9 10,67 (6,26 0,3) 0,88

    160 + 1,6 = 3,31[]

    A continuacin se calcula el espesor por prueba hidrosttica:

    =4,9 10,67 (6,26 0,3)

    400 = 0,78[]

    Como se mencion anteriormente el espesor ms grande entre ambos, es el que se escoger, por lo tanto el espesor de placa para primera lmina tendr un valor de 3.31 [mm].

    As sucesivamente se calcularan los espesores para las siguientes lminas hasta que el nivel de lquido sea menor al de la placa. La norma ASTM especifica que las lminas ubicadas en el cuerpo debe tener un ancho nominal de 1800 [mm].

    H de clculo [mm] H anillo [mm] td [mm] tt [mm] t escogido [mm]

    anillo 1 6260 1800 3,31 0,78 3,31 anillo 2 4460 1800 2,80 0,54 2,80 anillo 3 2660 1800 2,28 0,31 2,28 anillo 4 860 860 1,76 0,07 1,76

    De acuerdo a la norma API 650 el espesor de la pared para dimetros menores a 15 [m], como en este caso, el espesor debe ser a lo menos 5 [mm], como ninguna de las 4 lminas cumple con esta condicin, se debern modificar estos valores como lo muestra la siguiente tabla:

    t real [mm] anillo 1 6,5 anillo 2 6 anillo 3 5,5 anillo 4 5

    Calculo placa de fondo El diseo de un recipiente de fondo plano segn norma API 650 seala que el espesor mnimo del fondo no debe ser inferior a 6, sin considerar el espesor de corrosin. Por lo que se toma este valor en el diseo y se corrobora que la presin hidrosttica no exceda los lmites de deformacin

    Adems el dimetro de esta placa debe ser mayor en unos 25[mm] que el dimetro del anillo inferior con el fin de facilitar as uniones y soldaduras

    Luego calculamos la carga mxima que se logra cuando el estanque est en el mximo de s capacidad

  • 23

    =

    =

    4

    =568[] 880 9,8

    (10,11[])4

    = 54,8 []

    Por lo que se encuentra en los rangos de la norma Api que establece como mximo 70[Kpa] como mximo de carga.

    Espesor placa fondo[mm] 6,5 Carga mxima fondo [KPa] 70 Carga calculada [KPa] 54,8 Proyeccin placa fondo [mm] 25 Dimetro nominal placa fondo[mm] 10160

    Calculo placa de fondo anular Esta placa es un anillo que bordea la placa de fondo y es donde ocurre la soldadura. Para iniciar el diseo segn la norma API 650 lo primero es comprobar que los esfuerzos en el primer anillo sean menores a los esfuerzos mximos de diseo y prueba hidrosttica como se muestra en la siguiente formula:

    =4,9 ( 0,3)

    =4,9 10,67[] (6,35[] 0,3) 0,88

    7[] 1,6[]

    = 51,6 []

  • 24

    Como el esfuerzo mximo es mayor que el esfuerzo de diseo calculado, el diseo esta correcto bajo los parmetros de la norma. De la misma forma se calcula el esfuerzo de prueba hidrosttica del primer anillo se muestra a continuacin:

    =4,9 ( 0,3)

    =4,9 10,67[] (6,35[] 0,3)

    154[]

    = 45,2 []

    El esfuerzo que se calculo recin es menor al esfuerzo mximo de prueba hidrosttica del material, por lo tanto el diseo esta correcto bajo los parmetros de la norma.

    A continuacin se puede especificar el espesor de la placa de fondo anular segn la siguiente tabla:

    Considerando que el espesor del primer anillo es de 7[mm] y que la prueba de esfuerzo hidrosttico en el primer anillo dio 45,2[MPa] se tiene que el espesor de la placa de fondo anular es 6[mm]

    Adicionalmente se desea comprobar el ancho radial para el anillo del estanque, el cual no debe superar los 600[mm]. Se usa la siguiente ecuacin:

    =(215 b)( ),

    Donde:

    b: Espesor placa anular [mm].

    H: Mximo nivel de diseo del liquido [m].

    G: Gravedad especifica de diseo del lquido a almacenar.

    =(215 6)

    (6,35 0,88), = 545,7

  • 25

    Como el ancho radial resulta ser menor a 600[mm] se escoge 600[mm] como parmetro de diseo. En resumen los parmetros importantes de la placa de fondo anular son:

    Esfuerzo de diseo calculado [MPa] 51,6 Esfuerzo Prueba Hidrosttica calculado [MPa] 45,2 Espesor placa de fondo anular [mm] 6 Ancho radial [mm] 600

    Calculo del techo del estanque Debido a que se requiere almacenar biodiesel que es una sustancia no voltil es recomendable la utilizacin de un techo cnico auto soportado. Este techo tiene la caracterstica de estar apoyado en su periferia.

    El ngulo entre el techo y la horizontal ser entre 9,5 y 37. El espesor del techo esta dado por la siguiente formula:

    tt =

    4,8 5[] tt 12,5[]

    Donde:

    D = Dimetro nominal del cuerpo del estanque en metros.

    = ngulo entre el techo y la horizontal.

    Se decidir toar un valor admisible del ngulo de cono de = 30 teniendo en consideracin los valores admisibles tanto para el espesor del techo como para la carga total soportada.

    tt =10,67 []

    4,8 (30) = 4,45[]

    Con el ngulo elegido, el espesor de techo se encuentra dentro del rango admisible. Un importante parmetro a considerar corresponde a la carga muerta y viva. Para el caso de la carga total soportada, carga viva mas carga muerta, no debe exceder los 2,2 [kPa].

    =(acero

    1000 9,8)1000

    Donde

    acero : 7800 [Kg/m3]

    =(7800 4,451000 9,8)

    1000

  • 26

    = 0,34 []

    Se calcula la superficie del techo segn

    =

    2(

    2 )

    + ( tan

    2 )

    () = 10,67

    2

    10,672

    +

    10,67 tan 302

    () = 103,25[]

    Se calcula la carga viva segn la siguiente expresin:

    =122 9,8

    1000

    Donde:

    Segn A.P.I. Carga viva recomendada 122 [Kg/m2]

    Sp: superficie techo

    =122 103,25 9,8103,25

    1000

    = 1,19 []

    La carga total corresponde a la suma de la carga viva y la carga muerta, se calcula:

    + = 0,34 + 1,19

    + = 1,53 []

    A continuacin se presenta el cuadro resumen con los parmetros del techo

    ngulo 30 Espesor techo [mm] 4,45 Superficie techo [m2] 103,25 Carga muerta [kPa] 0,34

  • 27

    Carga viva [kPa] 1,20 Carga total techo [kPa] 1,85

    Conclusiones

    La produccin de combustibles alternativos, especialmente los biocombustibles permite hacer frente a la escasez de combustibles fsiles que acontece actualmente, de esta manera reduce la dependencia de los pases importadores de petrleo mayoritariamente. Adems de la mejora econmica que presentan los pases, al importar un menor volumen de combustibles fsiles, tambin es muy importante destacar la gran disminucin de las emisiones de xido de azufre y dixido de carbono al preferir un biocombustible. Si bien se pueden identificar mayores ventajas que desventajas, dentro de estas ltimas encontramos que al ser, el biodiesel, un producto hidrfilo y biodegradable se debe tener un cuidado especial al momento de transportarlo y almacenarlo.

    La norma API-650 se utiliza para el diseo de tanques a nivel de piso, que adems pueden estar construidos con techo, es decir, cerrados o abiertos. Al tener estas caractersticas los tanques no pueden superar una presin manomtrica de 2,5 [lb/plg2] (algo superior a la presin atmosfrica). En ella se detallan los requisitos para el diseo, como las juntas, los procedimientos de soldadura; entre otros. Como as tambin las restricciones como los esfuerzos permisibles y en general cmo realizar los clculos del diseo mismo.

    Para el diseo seleccionado, con una razn altura dimetro de 0,7, los resultados obtenidos fueron coherentes con la norma, sin superar los valores mximos tanto en las dimensiones (altura, dimetro) como en los esfuerzos.