gc07c01t_v2008.019_AlmacenamientoSuperficie

1 Almacenamiento Capítulo 1. Almacenamiento de Gases en Superficie

1.1 gc07c01

1

1 Almacenamiento de Gases en Superficie

[email protected]


1.2 gc07c01

Tabla de contenido

CAPÍTULO 1. ALMACENAMIENTO DE GASES EN SUPERFICIE .................................................. 1.5

1.1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 1.5

1.2 ALMACENAMIENTO EN SUPERFICIE DE GLP ...................................................................................... 1.9

1.2.1 Depósitos convencionales a presión cilíndricos y esféricos. ................................................. 1.10

1.2.2 Sistemas contra incendios ..................................................................................................... 1.16

1.2.3 Almacenamiento de Butano y Butileno.................................................................................. 1.17

1.2.4 Almacenamiento de Propano y Propileno ............................................................................. 1.18

1.2.5 Sistema de semirefrigeración ................................................................................................ 1.19

1.2.6 Almacenamiento de Butadieno 1,3 ........................................................................................ 1.21

1.3 DEPÓSITOS DE ALMACENAMIENTO DE GAS NATURAL LICUADO (GNL) ........................................... 1.22

1.3.1 Características generales de los depósitos de GNL .............................................................. 1.22

1.3.2 Boil-off .................................................................................................................................. 1.24

1.3.3 Niveles del tanque ................................................................................................................. 1.26

1.3.4 Componentes del tanque ....................................................................................................... 1.27

1.3.5 Haz (Rack) de tuberías .......................................................................................................... 1.28

1.3.6 Concepción general de un depósito cilíndrico vertical de GNL ........................................... 1.29

1.3.7 Depósitos aéreos con recipiente interno autoportante. ......................................................... 1.31

1.4 ALMACENAMIENTO DE ETILENO ...................................................................................................... 1.44

1.5 BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................. 1.46


1.3 gc07c01

Tablas

Tabla 1.1 Características de gases,. 1.5

Tabla 1.2 Tanques cilíndricos horizontales de propano en España. 1.12

Tabla 1.3 Esferas de almacenamiento de butano en España. 1.12

Tabla 1.4 Valores mecánicos de aceros para envolventes de tanques cilíndricos y

esféricos 1.16

Figuras

Figura 1.1 Gráfica orientativa para selección del método de almacenamiento[311].

..................................................................................................................... 1.6

Figura 1.2 Formas de almacenamiento de gases por producto. ......................... 1.8

Figura 1.3 Esquema de obtención de GLP a partir de la columna de destilación

atmosférica. ................................................................................................ 1.10

Figura 1.4 Cálculo del volumen de la esfera. .................................................... 1.11

Figura 1.5 Diagrama de presión de vapor (relativa) en función de la temperatura

para el propano, el butano y sus mezclas. ................................................. 1.13

Figura 1.6 Tanques esféricos para GLPwww.tecnisysteminstitute.com. ........................... 1.14

Figura 1.7 Normas de reconocido prestigio para envolventes esféricas ........... 1.15

Figura 1.8 Sección esfera para almacenamiento de butano ó propano. ........... 1.17

Figura 1.9 Esquema de un sistema de refrigeración para almacenamiento de GLP

semirefrigerado. ......................................................................................... 1.20

Figura 1.10 Tanque GNL. Dibujo de BP. ........................................................... 1.22

Figura 1.11 Ejemplo de niveles de un tanque de GNL. Fuente PFC A. Latorre, 2012. ..... 1.27

Figura 1.12 Haz de tuberías lateral. Fuente PFC A. Latorre, 2012. .................................. 1.28

Figura 1.13 Tanque GNL. Detalle del aislamiento térmico. Dibujo de BP. ........ 1.30

Figura 1.14 Tanque GNL de doble pared metálica ............................................ 1.32

Figura 1.15 Tanque GNL con pared metálica (interior) y de hormigón (exterior).

................................................................................................................... 1.32

Figura 1.16 Construcción de tanque GNL de planta de regasificación de

Sagunto.[www.saggas.es] ................................................................................... 1.36


1.4 gc07c01

Figura 1.17 Disposición de conjunto de un tanque GNL ................................... 1.37

Figura 1.18 Vista de tanques de 40 000 m3, 80 000 m3 y de la construcción de dos

tanques de 150 000 m3 en la regasificadora de Enagas en Barcelona[564] . 1.40

Figura 1.19 Sección de depósito de GNL de 80 000 m3 en Barcelona. ............. 1.42

Figura 1.20 Esquema de tuberías depósito GNL. .............................................. 1.44

Figura 1.21 Tanque de etileno. Depósito metálico aéreo de doble pared con fondo

plano y cúpula externa y techo interno de aluminio colgado. ..................... 1.45


1.5 gc07c01

Capítulo 1. Almacenamiento de Gases en Superficie

1.1 Introducción

Debido a la baja densidad de los gases, el almacenamiento en superficie

prácticamente en su totalidad se realiza en estado líquido, para incrementar la

densidad del producto (Tabla 1.1). El producto licuado se encuentra en equilibrio

con su vapor. Así, la presión de almacenamiento coincidirá con la presión de

vapor del producto, y la temperatura de almacenamiento con la dada por la curva

de equilibrio líquido-vapor. Con ello se consiguen reducciones del volumen de

almacenamiento bastante considerables.

Tabla 1.1 Características de gases1,2

.

Hidrógeno Metano Etano Etileno Propano Propileno Butano 1-

Butileno

H2 CH4 C2H6 C2H4 C3H8 C3H6 C4H10 C4H8

H2 CH4 CH3-

CH3 CH2=CH2

CH3-

CH2-

CH3

CH2=CH-

CH3

CH3-

CH2-

CH2-

CH3

CH3-

CH2-

CH-

=CH2

Tc [K] 33,18 190,6 305,3 282,5 369,9 365,2 425 419,5

pc[bar,a] 13,00 46,1 49 50,6 42,5 46 38 40,2

Pm[kg/kmol] 2,01588 16,0425 30,0690 28,0532 44,0956 42,0797 58,1222 56,1063

dl,1atm,Tebullición

[kg/m3]

70.973 422.62 546,49 567,92 582 613,9 601,4 630

dg,1atm,Tebullición

[kg/m3]

1,312 1,819 2,054 2,085 2,423 2,365 2,7 2.72

G/L (1 atm,

15 °C) [v/v] 844 630 432 482 311 388 239 261

Hovap,gas

[kJ/mol] 0,186

*1 8,519

*2 14,7 13,54 16,25 16,04 22,44

*3 20,88

c [mol/l] 15,4 10,1 6,9 7,63 5,1 5,42 3,92 4,15 CAS 1333-74-0 74-82-8 74-84-0 74-85-1 74-98-6 115-07-1 106-97-8 106-98-9

*1. Medido a

33K

*2. Medido

a 99,54K

*3. Medido

a 272,05 K

El cambio de estado se logra bien por almacenamiento a presión, por

almacenamiento a temperaturas muy bajas (a presión atmosférica) o por mezcla

de ambas técnicas (presiones superior a la atmosférica y temperatura inferior a la

1 http://webbook.nist.gov/chemistry/

2 http://encyclopedia.airliquide.com


1.6 gc07c01

atmosférica). Así se pueden distinguir almacenamientos a presión (a temperatura

ambiente), semirefrigerados, refrigerados, o criogénicos. El tipo de

almacenamiento utilizado depende del tipo de gas, así como de la cantidad del

mismo a almacenar (Figura 1.1).

Figura 1.1 Gráfica orientativa para selección del método de almacenamiento[311]

.

Tomando como ejemplo el propano comercial:

para las cantidades menores se utilizan bombonas de propano domésticas

(habitualmente llamado propanito, almacena 11,5kg de propano) y

comerciales (almacena 35 kg de propano), que almacenan el producto

líquido (en equilibrio con su vapor) por presión, viniendo marcada la

presión del recipiente por la temperatura exterior, por lo que el espesor de

la botella debe diseñarse para las peores condiciones (por ejemplo 60 ºC).

si se necesitan cantidades mayores de propano se acude al suministro a

granel en depósitos (llegando hasta 238 m3, ó 100 000 kg de propano con

una densidad de 420kg/m3), haciendo uso de depósitos cilíndricos

horizontales (habitualmente llamados cigarros), que almacenan el producto

a temperatura ambiente y a presión (la correspondiente al equilibrio líquido


1.7 gc07c01

vapor). Al aumentar el diámetro del cilindro de almacenamiento, aumenta el

espesor (están relacionadas de forma inversa, e ≈ x·(1/Di)). Existe un límite

en el espesor de chapa debido al proceso de soldadura: cuando los

espesores de pared superan los 30 mm, la soldadura requiere personal

muy especializado, y posiblemente procesos de recocido (calentamiento y

enfriamiento controlados) posteriores a la soldadura para aliviar las

tensiones producidas en el material.

para almacenar todavía mayores cantidades se opta por utilizar esferas,

pues es una forma muy favorable al disminuir espesores y superficie de

chapa (Se llega hasta 6 000 m3, aprox. 252 000 kg). Precisamente el mayor

espesor conocido en un depósito de propano fue una esfera de 60 mm de

espesor de chapa para Oriente Medio.

el siguiente paso para el almacenamiento de mayores cantidades de

propano es utilizar un proceso de semirefrigeración: disminuyendo la

temperatura de almacenamiento, el equilibrio de vapor permite presiones

de almacenamiento inferiores, y por tanto es posible utilizar esferas con

diámetros contenidos. Además la densidad del producto licuado aumenta al

disminuir la temperatura.

Respecto al equipamiento auxiliar de las instalaciones de almacenamiento, hay

que considerar que los depósitos a presión individuales se procura que funcionen

por vaporización natural, para que la instalación sea totalmente autónoma, simple,

fiable y carente en lo posible de mantenimiento y de costes de operación. Para

cigarros en industrias se utilizan vaporizadores de agua caliente y calderas para

lograr los caudales de gas necesarios. Para los equipos refrigerados, además de

los equipos de vaporización es necesario disponer de ciclos frigoríficos que

permitan manejar la vaporización natural del depósito para volver a licuar dichos

gases, evitando tener que quemarlos en antorcha.

Al elegir entre los distintos tipos de almacenamiento existe, por tanto, un

compromiso entre espesores de chapa y espesores de aislamiento e

instalaciones auxiliares.


1.8 gc07c01

Legislativamente (RD2085/1995; RD1523 / 1999), los hidrocarburos combustibles

gaseosos a 15 ºC (clase A) se dividen en:

Subclase A2, aquellos gases que pueden licuarse a temperatura

atmosférica (almacenamiento a presión), caso de los GLP.

Subclase A1, aquellos gases que precisan baja temperatura para licuarlos

(almacenamiento criogénico), por tener temperaturas críticas inferiores a la

temperatura atmosférica, caso del gas natural.

Figura 1.2 Formas de almacenamiento de gases por producto3.

Las formas básicas de almacenamiento de los gases licuados del petróleo en

superficie son (Figura 1.2):

Depósitos convencionales a presión, cilíndricos y esféricos (temperatura

ambiente, presión superior a la ambiente), normalmente de pequeño

diámetro, para poder ser transportados por carretera (menos de 2,55 m

3 Eduardo Vega. Felguera - IHI. Trabajo TGPC. Curso 2007/8. IE. ETSIM


1.9 gc07c01

para transporte convencional por carretera, a partir de ese valor se

requiere transporte especial).

Depósitos esféricos semirefrigerados (temperatura inferior a la

ambiente, presión superior a la ambiente).

Depósitos refrigerados (temperatura inferior a la ambiente, presión

atmosférica, para gases con temperatura crítica superior a la

atmosférica).

Depósitos criogénicos (igual que los refrigerados, pero el término

criogénico suele reservarse para temperaturas inferiores a -70ºC, y se

utiliza en gases con temperatura crítica inferior a la atmosférica).

Cada uno de ellos tiene su lugar en la industria del gas, variando sus tamaños

(Figura 1.2), desde los pequeños tanques a presión de 1 000 litros (1 m3) pasando

por los refrigerados a 50 000 m3 , hasta los criogénicos de 200 000 m3.

En las grandes instalaciones es posible encontrar depósitos de distintos tipos. Así,

en las proximidades de los grandes depósitos refrigerados de GLP, deben existir

instalaciones para calentamiento del producto y de este modo almacenarlo en

depósitos convencionales intermedios, más flexibles y rápidos de respuesta

(caudal de inyección extracción), con vistas a la entrega de gas al cliente en

cisterna o en botella a temperatura ambiente.

1.2 Almacenamiento en superficie de GLP

Inicialmente la mayor parte de los GLP provenía de la parte superior (cabeza) de

la columna de destilación atmosférica del crudo de petróleo, lo cual motivó su

nombre: “Gases Licuados del Petróleo”.

En la actualidad sin embargo, se estima que el 65% del GLP proviene del

fraccionamiento de los gases naturales ricos, y sólo el 35% de las refinerías de

petróleo.

Los gases propano y butano se almacenan en la refinería en tanques

convencionales a presión (cilindros y o esferas), de adecuadas capacidades a la


1.10 gc07c01

estructura del refino en espera de su distribución hasta las factorías de Butano,

que son Terminales de diversa capacidad de almacenamiento que hacen de

centros de distribución y de envasado.

Figura 1.3 Esquema de obtención de GLP a partir de la columna de destilación atmosférica.

1.2.1 Depósitos convencionales a presión cilíndricos y esféricos.

En España, las Factorías, o Centros de almacenamiento y distribución de envases

de gases licuados del petróleo (RD919/2006) tienen una capacidad de

almacenamiento inferior a 250 000 kg (límite superior 1ª categoría), por lo que en

las más importantes con esferas de 6 000 m3 existe el sistema de

semirefrigeración mientras que en los países en que se supera los 35 000 m3 se

utiliza el sistema de depósitos refrigerados.

El producto licuado sale de la Refinería hacia las Factorías o Terminales por vía

marítima, ferrocarril o carretera, según la importancia de los contingentes

transportados, así como la ubicación de estos.

Una esfera es la figura geométrica de los puntos que tienen la misma distancia a

un punto central. Se puede pensar como un conjunto de círculos apilados unos

encima de otros con la peculiaridad de que cualquier plano que corte a la esfera

define un círculo, y cualquier plano que corte a la esfera por su centro tiene el

mismo diámetro que la esfera.

15 ºC

40 ºC

30 ºC

Gasolina ligera

Gas 1% GLP

Ref 1

2

H2O


1.11 gc07c01

Figura 1.4 Cálculo del volumen de la esfera.

El volumen geométrico del cilindro horizontal (de Radio R y longitud L) viene dado

por ·R2·L, mientras que para la esfera es ·R3. La longitud del cilindro se limita

por superficie ocupada y por problemas de estabilidad frente a sismicidad o

movimientos de tierras de la zona. Adicionalmente la esfera es la forma

geométrica que ofrece menor superficie exterior para un volumen contenido dado

(lo que a su vez se traduce en menor absorción de calor, menor cantidad de

aislante necesario y menor cantidad de suelo requerido), lo cual favorece la

contención de productos licuados por el menor aporte calorífico exterior al

disminuir la superficie de exposición.

Además el aumento del radio, tiene una influencia en el cilindro mucho mayor que

en la esfera, puesto que el espesor (e) de la esfera: e=p· De/(4·s), es en teoría

exactamente la mitad del necesario que para la esfera: e=p·De/(2·s), a igualdad

de p (presión interna), De (diámetro exterior), y s (límite elástico del material).

Adicionalmente hay que considerar no sólo la superficie ocupada por el depósito

en sí, sino que por medidas de seguridad se imponen distancias mínimas desde

las paredes del depósito a otras instalaciones, por lo que la superficie ocupada

hace todavía más favorable la esfera respecto al cilindro. Sin embargo la

construcción del cilindro es mucho más sencillo, por lo que para pequeños


1.12 gc07c01

volúmenes (sobre todo depósitos transportables por carretera, que se fabrican de

manera centralizada, con mano de obra y maquinaria especializada y en

ambientes controlados) impera el depósito cilíndrico.

El gas licuado que llega a estas Instalaciones es almacenado en tanques o

depósitos a la temperatura ambiente, siendo en España habituales:

Propano. Se almacena en tanques cilíndricos horizontales (Tabla 1.2) con fondos

elípticos o esféricos a una presión manométrica a 20 ºC entre 7,5 bar y

10 bar. Depende de si se almacena propano comercial (80 % C3, 20 %

C4) o bien propano puro (100 % C3), que es más volátil.

Tabla 1.2 Tanques cilíndricos horizontales de propano en España.

Capacidad (m3) Diámetro (m) Longitud (m)

115 3,2 16

213 3,5 22

Butano. Se almacena en esferas a una presión efectiva a 20 ºC de 2,3 bar a

4 bar. Depende de si se almacena Butano puro o bien Butano

comercial, que es más volátil (80 % C4, 20 % C3).

Tabla 1.3 Esferas de almacenamiento de butano en España.

Capacidad [m3] Diámetro [m]

Presión de

diseño

[bar]

Espesor

medio aprox.

[mm]

1 000 12,41 10 16

2 000 15,64 10 20

4 000 19,7 10 25

6 000 22,55 10 30

Como se ha indicado en los recipientes a presión el gas licuado se almacena a la

temperatura ambiente (20 ºC) y el depósito se proyecta para contener el producto

a presiones superiores a las medias de la zona (Figura 1.5).


1.13 gc07c01

Figura 1.5 Diagrama de presión de vapor (relativa) en función de la temperatura para el propano, el

butano y sus mezclas.

El propano tiene una presión de vapor a 60 ºC de 20 barg que se toma como

presión de cálculo o diseño. La presión de prueba del tanque se realiza con un

coeficiente de seguridad de 1,3 lo que se traduce en someter al tanque a una

presión de 26 barg. Se limita la presión en el interior del tanque mediante una

válvula de seguridad tarada a 20 barg, con lo que el espesor de chapa teórico

mínimo para un tanque cilíndrico de 3,5 m de diámetro sería:

pS

Dipe

·2

· 1.1

cm

cm

kgf

cm

kgf

cmcm

kgf

p

Dipe 2

204220·4,0·2

350·20

·4,0·2

·

22

2

es decir unos 20 mm.

Estos mismos depósitos se utilizan corrientemente para mezclas propano-butano,

ya que la denominación de Propano Comercial (RD61/2006) lleva entre un 10 % y

0.10

1.00

10.00

100.00

-10 0 10 20 30 40 50 60

T (ºC)

pre

sió

n d

e v

ap

or

(b

ar

g)

100 % C3H8 (bar g) 100 % C4H10 (bar g) 80%C3,20%c4 60%C3,40%c4 40%C3,60%c4 20%C3,80%c4


1.14 gc07c01

un 20% de butano (y cuanto más butano tenga la mezcla, menor es la presión de

vapor para una temperatura dada).

Sin embargo, si se va a almacenar sólo butano (esferas), dado que la presión de

vapor a 60 ºC del butano es 10 barg se debería tomar como presión de trabajo o

cálculo (presión de diseño) 10 barg y puesto que las esferas tienen una válvula

para sobrepresión tarada a 7,5 barg, no es posible llegar a los 10 barg quedando

como presión de prueba 1,5 x 7,5 barg = 12 barg.

Figura 1.6 Tanques esféricos para GLPwww.tecnisysteminstitute.com

.

El tanque esférico es una esfera perfecta, soportada cerca de su ecuador sobre

columnas de acero y estaño normalizadas en España para tamaños de 1 000 m3,

2 000 m3, 4 000 m3 y 6 000 m3. Su fabricación se hace en obra, con el

desplazamiento del personal, material y maquinaria requerida. El diseño de los

“gajos” de chapa requeridos para realizar la esfera se diseña de manera que haya

la menor coincidencia posible de puntos de soldadura distintos (Figura 1.6), para

lo cual los casquetes superior e inferior constituyen una única chapa (en esferas

pequeñas) o asemejan el aspecto de un balón de futbol (en las grandes).


1.15 gc07c01

Figura 1.7 Normas de reconocido prestigio para envolventes esféricas

Son varias las normas utilizadas para el diseño y fabricación de tanques de acero

a presión. En España está dirigida su construcción por el “Reglamento de

Aparatos a Presión” RD 769/1999 (que derogó en 2002 el anterior RD 1244/1979

y demás disposiciones del Ministerio de Industria y Energía). En España, se

siguen normas de reconocido prestigio, tal como normas alemanas A.D.

MERBLAC en todo lo que se refiere a esta tecnología (Figura 1.7) así como

condiciones de seguridad en valvulería y llenado máximo.

El llenado máximo en los tanques depende del modo de almacenamiento. Si el

almacenamiento es a temperatura ambiente, entonces el llenado máximo de los

tanques se fija en un 85%, de manera que la cámara de respeto del 15% permite

el aumento de volumen (disminución de densidad) del líquido almacenado si se

calienta (aumento de temperatura ambiente).


1.16 gc07c01

Tabla 1.4 Valores mecánicos de aceros para envolventes de tanques cilíndricos y esféricos

Código Acero Lim. Elástico min

[MPa] Carga Rotura min

[MPa]

ASME SA -516 Gr. 70 260 485

ASME SA – 738 Gr. C 415 550

EN 10028-3 P355N 345 490

En el caso de los almacenamientos refrigerados o criogénicos, los sistemas

activos (ciclo frigorífico o gestión BO) se encargan de mantener la temperatura (y

por tanto la presión) de modo que el llenado máximo es superior al 85% motivado

anteriormente. El llenado máximo en estos casos suele corresponder a fórmulas

que permiten llenar a valores entre el 90 % y el 98% de la capacidad nominal

considerando el punto de ebullición del producto almacenado (a menor

temperatura de ebullición menos llenado se permite) y de la densidad del

producto a la temperatura máxima esperable de almacenamiento (en caso de fallo

del sistema activo de control de temperatura). Existen sin embargo otros

condicionantes técnicos que pueden obligar a disminuir el grado de llenado:

sismicidad, longitud mínima de un elemento en el interior del depósito por

cuestiones de seguridad o de medida,…

1.2.2 Sistemas contra incendios

Para las esferas se emplea un sistema de rociadores encargados de disminuir la

temperatura de la chapa, evitando que fracase el equipo, así como para disminuir

la temperatura del producto y disminuir su evaporación. Un cubeto de esferas

debe estar protegido por un sistema contra incendios, que conectado a la red de

agua a presión a 7,5 bar, suministre 10 litros/(min. m2) de caudal de agua para la

alimentación de los equipos de refrigeración en caso de incendio. No es necesario

red de espuma, puesto que los depósitos carecen de válvulas por depresión.

Dado que son depósitos de Alta Presión, debe evitarse el fenómeno del BLEVE

(boiling liquid expanding vapor explosion), tal como sucedió en el famoso siniestro

de San-Juanico (Mexico) en 1980. Una fuga de gas incontrolada encontró ignición

a nivel del suelo, produciéndose el UVCE (unconfined vapor cloud expansion),


1.17 gc07c01

que originó una llama errática que se propagó hasta la zona de almacenamiento

de esferas de GLP, lo cual dio lugar a un debilitamiento de la resistencia del

acero. Al calentarse las esferas apareció el ya citado BLEVE, una sobrepresión

que propició una explosión mecánica, que vino acompañada por la posterior

inflamación de cada una de las esferas del cubeto, facilitado por la escasa

resistencia mecánica que el acero había alcanzado, con la proyección de

fragmentos metálicos a más de 300 m.

Esta catástrofe fue muy estudiada en su origen y consecuencias por los Servicios

de Seguridad de todas las Refinerías del mundo.

1.2.3 Almacenamiento de Butano y Butileno

En Refinería, no hace falta ninguna instalación auxiliar de semirefrigeración pues

estos productos se almacenan a temperatura ambiente, que en invierno puede ser

de 8 ºC a 10 ºC y en verano de 28 ºC a 30 ºC. A estas temperaturas medias

corresponden según la Figura 1.5 presiones de vapor de entre 2 bar y 5 bar

asimilables por la esfera que tiene una presión de prueba de 12 bar. A estas

presiones el butano está líquido (en equilibro con su fase vapor), por lo tanto en

condiciones de poderse trasegar por tubo hasta las Factorías de Repsol - Butano.

Figura 1.8 Sección esfera para almacenamiento de butano ó propano.

En Refinerías, su almacenamiento se hace en esferas de 4 000 m3 (20 m de

diámetro) y 6 000 m3 (24 m de diámetro). Estas esferas están fabricadas a base

de chapa de acero al carbono de 20 mm de espesor en forma de husos

seccionados para constituir las virolas que van soldadas a tope.

Chapa Acero 20 mm

Pintura Aluminio incombustible e impermeable

Aislante Poliuretano expandido 6 cm


1.18 gc07c01

Por si se utilizan para almacenar propano, están aisladas térmicamente mediante

revestimiento de 6 cm de vidrio celular (foamglass) con una capa de neopreno

impreso a pistola de color aluminio incombustible y estanco al vapor de agua, o

bien con una chapa sólo para contener y proteger el aislamiento del exterior.

La misma consideración sirve para el almacenamiento de butileno (CH3-CH2-

CH=CH2) de punto de licuación -6,5 ºC.

1.2.4 Almacenamiento de Propano y Propileno

Se ha indicado que el almacenamiento en Factorías es a temperatura ambiente a

base de depósitos horizontales con fondos esféricos o elipsoidales de

capacidades de 115 m3 y 213 m3, pues tienen una presión de prueba de 26 bar.

En Refinerías, en que son necesarias capacidades mayores, el cálculo económico

obligaba a ir a depósitos esféricos con presiones de prueba de 30 bar

correspondientes a una temperatura difícilmente alcanzable de 60 ºC y al emplear

el acero normal en el mercado, de grado X-52, resulta un espesor de chapa

superior a los 38 mm entrando en consideración los esfuerzos de tensiones

remanentes de soldadura que exigen la realización de técnicas de recocido sobre

toda la superficie de la esfera, de muy difícil realización y elevado coste.

Inevitablemente se llega con dichos espesores a precios por metro cúbico de

capacidad de almacenamiento excesivamente elevados.

Para obviar esto, y en especial para hacer frente a las demandas estacionales de

determinados productos, se ha de utilizar la semirefrigeración.

Como ya se ha indicado en Factorías, el espesor (20 mm) de la esfera a presión

para el butano está calculado para soportar presiones de servicio de 7,5 bar, lo

que supone presiones de prueba de 1,5 x 7,5 = 12 bar.


1.19 gc07c01

En Refinerías como se exigen mayores capacidades, es necesario abaratar los

costes y por lo tanto disminuir el espesor de chapa y para ello asegurar que si las

esferas contienen propano su presión no excede los 5,3 barg, presión

sensiblemente inferior al tarado de la válvula de seguridad 7,5 barg, siendo por

ello necesaria la semirefrigeración del producto que debe tener una temperatura

comprendida entre 0 ºC y 4 ºC.

Esto se consigue aportando frío a dicha masa al mismo tiempo que aislándola del

exterior de la misma forma explicada en el apartado 1.2.1.

1.2.5 Sistema de semirefrigeración

En una refinería, el llenado de la esfera se hace a expensas del propano

procedente de la Unidad de Concentración de Gases de Refinería o del reformado

catalítico, a 43 ºC y 15 bar, donde es enfriado por distintos medios. En la refinería

de Tarragona mediante la gasificación del etileno almacenado a -102 ºC, en un

intercambiador etileno-propano se consigue para el propano la temperatura de

0 ºC necesaria para su almacenamiento.

Una vez que el producto está almacenado (Figura 1.9), por muy perfecto que sea

el aislamiento no se puede impedir que la masa de propano se vaya calentando,

creándose una fase gaseosa o boil-off que va aumentando su presión hasta llegar

a 5,3 bar.

Automáticamente se pone en marcha secuencial un grupo de presión compuesto

por varios compresores (e.g. dos de 750 m3/h y uno de 400 m3/h en la factoría de

Pinto), dependiendo de las esferas que vayan a ser semirefrigeradas.

La fase gaseosa que es aspirada y comprimida a 17 bar sale del compresor con

40 ºC, pasando seguidamente a un filtro (limpieza posibles gotas de aceite del

compresor) y después a un separador tanto de gas condensado como de las

posibles gotas de aceite lubricante del compresor que se han incorporado al

propano al efectuar la compresión.


1.20 gc07c01

Como se trata de enfriar este gas presurizado se utilizan dos condensadores

evaporativos a base de duchas de agua con ventilación que enfrían la corriente de

propano hasta 20° C a una presión de 10 bar.

Figura 1.9 Esquema de un sistema de refrigeración para almacenamiento de GLP semirefrigerado.

La fase gaseosa enfriada, incorpora fase líquida a un recipiente líquido-gas

presurizado a 10 bar.

Seguidamente, se impulsa el líquido acompañado de la fase gaseosa a una

válvula de expansión en que la presión bajará a casi 4,5 bar, produciéndose un

enfriamiento del líquido próximo a 0 ºC para finalmente entrar en las esferas

mediante una línea de duchas interiores que permiten, al mismo tiempo que se

efectúa el llenado, un enfriamiento de la cámara de la esfera vaporizando parte de

las finas gotas de propano entrantes.

Al final del proceso se ha conseguido un almacenamiento de propano, en una

esfera preparada para butano a 0 ºC y 4,5 bar. Como a 4 ºC la presión de

equilibrio se establece a 5,3 bar para un propano comercial (90 % C3, 10 % C4)

que no puede ser sobrepasada, el grupo de compresores se pone

automáticamente en marcha, iniciándose otra vez el proceso ya descrito, que

finaliza con el almacenamiento a 4,5 bar y 0 ºC. Un proceso similar se realiza con


1.21 gc07c01

el propileno (CH3-CH=CH2) cuyo punto de licuación atmosférico es -48 ºC similar

al C3.

El proceso descrito en la Figura 1.9 corresponde a una refrigeración directa,

empleándose para la refrigeración el mismo producto almacenado. Una limitación

a este sistema es la cantidad de impurezas que puede obtener el producto, a

pesar de poder utilizar compresores “secos” (oil free). Existe la posibilidad de una

refrigeración indirecta con fluidos refrigerantes (freón, amoniaco, etileno…) para

evitar la contaminación del producto, o bien si la curva de vaporización del

producto no permite realizar un ciclo frigorífico que utilice el ambiente como foco

frío para la condensación.

1.2.6 Almacenamiento de Butadieno 1,3

El butadieno, de gran importancia en la industria química para la fabricación del

caucho, responde a la fórmula desarrollada CH2=CH-CH=CH2 , tiene una

densidad relativa de 0,627 y un punto de licuación de -4,3 ºC a presión

atmosférica.

Se almacena en esferas bajo presión a 1,58 atm a 7 ºC. Cuando la masa líquida

se calienta a 11 ºC se alcanza una presión de 1,8 atm y los compresores se

ponen en marcha enfriando nuevamente hasta la temperatura de

almacenamiento, de manera idéntica a la instalación indicada en la Figura 1.9.


1.22 gc07c01

1.3 Depósitos de almacenamiento de gas natural licuado (GNL)

1.3.1 Características generales de los depósitos de GNL

Un depósito de almacenamiento (Figura 1.10) está determinado por su forma, sus

dimensiones geométricas que fijan el volumen contenido, su presión, y la

temperatura del producto almacenado, la cual está ligada además a su presión

por la curva de equilibrio líquido - vapor. La forma esférica es la mejor adaptada al

aislamiento (menos superficie exterior para mismo volumen interior), pero para

capacidades que sobrepasen los 15 000 m3 ó 20 000 m3 se recurre siempre a la

forma cilíndrica.

Figura 1.10 Tanque GNL. Dibujo de BP.

Si se supone (hipótesis grosera) que los intercambios térmicos tienen la misma

efectividad por metro cuadrado sobre la superficie lateral, el fondo y el techo, la

forma más favorable de un depósito cilíndrico es aquella en que la altura es igual


1.23 gc07c01

al diámetro, ya que es el cilindro que presenta menor superficie exterior para un

volumen (V) interior dado.

para un volumen constante la superficie mínima viene dada por:

Un condicionante importante al seleccionar la geometría del cilindro, es la

resistencia portante del suelo. Para tamaños de almacenamiento de hasta

80 000 m3 es posible encontrar tanques que mantienen un diámetro igual a la

altura, pero para los tamaños actuales de 150 000 m3 y hasta 200 000 m3 la

tendencia es que aproximadamente el diámetro sea 1,5 veces la altura, para

reducir la presión ejercida contra el suelo a través de la losa del depósito.

La presión de almacenamiento es siempre ligeramente superior a la presión

atmosférica, de manera que se eviten las entradas de aire que, con el vapor del

GNL, provocarían mezclas explosivas. La sobrepresión es del orden de algunas

decenas de milibares, siendo habitual que los tanques trabajen entre unas

presiones mínima y máxima (e.g. 100 mbarg y 250 mbarg) vigiladas atentamente

para evitar la depresión y sobrepresión respectivas del tanque, y que se eligen

intencionadamente en función de las necesidades de la planta.

La temperatura interna es la correspondiente a la ebullición del producto, esta es

del orden de -160 ºC para el gas natural. Un depósito está siempre constituido por

dos recipientes separados por un espesor importante de aislamiento. A pesar de

este aislamiento los aportes de calor inevitables provenientes del exterior, se

manifiestan por una evaporación del producto, a temperatura constante.


1.24 gc07c01

La calidad del aislamiento se traduce en la tasa de evaporación (boil-off),

expresada generalmente en tanto por ciento evaporado de producto contenido

cada día en las condiciones de llenado máximo.

1.3.2 Boil-off

El Boil-off (B.O.) se produce al calentarse el líquido a causa de los aportes de

calor. En una situación de equilibrio dinámico, cualquier molécula de líquido que

pase a gas se contrarresta inmediatamente por otra que pase de gas a líquido.

Pero si el líquido se calienta se rompe el equilibrio pues al incrementarse la

temperatura aumenta la tensión del vapor que vence a la contrapresión del gas,

hasta restablecerlo de nuevo. Por eso se produce el B.O. al calentarse el líquido.

La conducción es la modalidad esencial de transmisión del calor, de ahí la

importancia de la elección del aislamiento.

Para un depósito cilíndrico con H=D, conteniendo GNL a -160 ºC, con una

temperatura exterior de 40° C y utilizando aislamientos cuya conductividad no

sobrepase 0,03 W/(m·K), se puede obtener por medio de fórmulas

convencionales una tasa de evaporación “E” en tanto por ciento por día en

volumen.

De

EBO·

2,1

siendo

e: espesor de aislamiento [m]

D: diámetro del depósito [m]

E: Boil Off [% / día]

Para un objetivo fijado previamente, concerniente a la tasa de evaporación, se ve

que el espesor de aislamiento es inversamente proporcional al diámetro. Se

encuentra otra vez el efecto favorable del tamaño sobre el aislamiento térmico. Si

se fija D = 50 m y E = 0,06% por día, se encuentra un espesor de aislamiento de

40 cm.


1.25 gc07c01

Por supuesto que este cálculo no está destinado más que a poner en evidencia

los principales parámetros del problema térmico y dar órdenes de magnitud. Es

además un cálculo optimista, pues no contempla los “puentes térmicos”, es decir

las entradas de calor por los órganos que cortocircuitan el aislamiento, tales como

tuberías, soportes, etc.

El Boil Off, es el % de producto almacenado que se evapora por día para

compensar con el calor de vaporización el calor entrante al tanque por la

radiación, conducción y convección.

La conservación del producto almacenado exige evidentemente reducir el Boil Off

en la medida de lo posible, pues si el B.O. es relativamente elevado el depósito

deberá estar equipado con dispositivos de evacuación de evaporaciones

(tuberías, válvulas, compresores, etc) más importantes.

Sin embargo, la disminución del valor de B.O. no se puede hacer

económicamente para depósitos por encima de un determinado tamaño (del

orden de 200 m3) mas que por aumento del espesor del espacio aislante, pues los

coeficientes de aislamiento prácticos de los aislantes son aproximadamente los

mismos, cualquiera que sea el producto empleado (salvo que el espacio aislante

esté sometido al vacío).

Este aumento del espesor ocasiona no solamente un incremento del volumen del

aislante, sino también el crecimiento de las dimensiones del depósito exterior para

un volumen de GNL dado. Hay pues un óptimo económico a alcanzar, por una

parte el coste del incremento de los medios de recuperación de las evaporaciones

y, de otra, el del aumento del espesor del aislamiento. Los grandes depósitos de

los terminales marítimos de GNL tienen tasas de evaporación de

aproximadamente 0,05% por día.

No obstante, en ciertos casos, es indispensable tener valores de BO tan bajos

como sea posible, por ejemplo para los depósitos de descrestado de puntas que


1.26 gc07c01

son llenados al comienzo del invierno y que deben conservar el máximo de GNL

posible en espera de ola de frío, que hará necesaria su utilización. Un valor de BO

de 0,1% por día conduce aproximadamente a una reducción de nivel deI 10% al

cabo de los 3 meses, lo que a menudo no es ni aceptable ni admisible.

Una solución a este problema consiste entonces en relicuar las evaporaciones, lo

que representa la ventaja de conservar el stock de GNL y la composición inicial,

pero tiene el inconveniente de su elevado coste.

1.3.3 Niveles del tanque

Una vez definido el volumen geométrico del tanque, es importante indicar que no

todo ello será volumen útil de trabajo. Así, en los tanques de GNL, hay un nivel

mínimo de tanque que debe permanecer permanentemente, conocido como talón

del tanque y que permite mantener el tanque en frío hasta su siguiente llenado.

Adicionalmente este volumen se relaciona con la altura mínima que asegura que

la presión mínima de succión de las bombas (NPSH= Net Positive Suction Head)

está por encima de la presión de cavitación.

Existe también un nivel máximo de líquido que no debe sobrepasarse como

medida de seguridad, para que en función de la sismicidad de la zona se asegure

que una “ola” de producto no sea capaz de superar al tanque primario.

Una vez fijados ambos límites inferior y superior, existen unos límites de

respuesta de los elementos de control (válvulas) y actuación (bombas) que hay

que tener en cuenta para marcar unos volúmenes que pueden entrar desde que

se da la orden hasta que se para el trasiego, que se restan al del llenado máximo

y se suman al del mínimo del talón.

Añadiendo a estos niveles los márgenes de alarma para asegurar la atención del

operario al punto de control, se obtiene finalmente la capacidad útil de trabajo del

tanque, que es el volumen real del tanque con el que se puede trabajar en el

mismo (Figura 1.11).


1.27 gc07c01

Figura 1.11 Ejemplo de niveles de un tanque de GNL. Fuente PFC A. Latorre, 2012.

1.3.4 Componentes del tanque

El tanque estará provisto de las siguientes instalaciones:

• Bombas criogénicas sumergidas, incluidos los mecanismos de elevación

necesarios para su mantenimiento, los pozos donde se instalan y todos los

demás elementos auxiliares

• Tuberías de llenado de los tanques (una superior, una inferior), de

recirculación de GNL, de alimentación a bombas secundarias, de

circulación del vapor de GNL, y todas las demás necesarias para aire de

instrumentación, suministro de nitrógeno, etc., desde el interior del tanque

hasta el límite de batería, en la base del tanque. Todas ellas provistas de

sus correspondientes válvulas de seccionamiento, de control y necesarios

by-pases, así como del aislamiento requerido según la temperatura de

funcionamiento

• Estructuras y soportes de tuberías, plataformas, escaleras, raíles,

pasarelas y todo el acero estructural necesario

• Válvulas de protección de sobrepresión y vacío


1.28 gc07c01

• Instrumentación para medición de presión, temperatura y nivel de GNL,

detección de fugas y control de enfriamiento

• Sistema de detección y control de fuegos

• Sistema de calentamiento en la base del tanque, para evitar el

congelamiento del terreno

• Cableado para las bombas criogénicas, la instrumentación y el sistema de

calentamiento, incluidas bandejas y conexiones.

Figura 1.12 Haz de tuberías lateral. Fuente PFC A. Latorre, 2012.

1.3.5 Haz (Rack) de tuberías

Dado que todas las interconexiones del tanque primario se realizan a través de la

cúpula del tanque, existe un entramado de tuberías que debe alcanzar la misma a

partir de una estructura lateral denominada Rack de Tuberías (Figura 1.12).


1.29 gc07c01

Entre las tuberías que deben formar parte del rack se incluyen:

Tubería de llenado del tanque. De gran diámetro, para permitir el gran

caudal de descarga del buque.

Vapor de GNL. De gran diámetro para permitir la salida del mismo volumen

de gas que el de caudal de carga de GNL en la descarga del buque

GNL a vaporizadores. El GNL extraído del tanque para su vaporización y

emisión a la red de gasoductos.

Recirculación GNL. Cantidad de GNL extraído para poder mantener frías

las líneas de descarga de buques.

Agua antiincendio.

N2. Permite inertizar los pozos de las bombas primarias para su

mantenimiento, así como los cables eléctricos para evitar que por las

fundas de los mismos pueda haber gas natural.

1.3.6 Concepción general de un depósito cilíndrico vertical de GNL

Para poder mantener el gas en el depósito en estado líquido y a baja temperatura,

los depósitos se componen de tres elementos principales (Figura 1.13):

a) El recipiente o tanque interno, destinado a contener el gas licuado a

temperatura criogénica, totalmente aislado y separado por este aislamiento de

cualquier contacto con el ambiente exterior. Este contenedor primario está

constituido por materiales aceptados y comprobados para que puedan trabajar en

condiciones criogénicas, teniendo características mecánicas y de estanqueidad

adecuadas.

Los materiales que cumplan con estos requisitos, según técnicas establecidas y

aceptadas son básicamente los siguientes:

- la chapa de acero aleado al 9% Ni

- el hormigón pretensado4 y el postensado5

4 Mientras que en el hormigón armado (colaboración de acero y hormigón, adecuado

especialmente para resistir esfuerzos de flexión) la armadura metálica es pasiva, es decir, entra en

carga cuando las acciones exteriores actúan sobre la estructura; en el pretensado la armadura es

activa, es decir se tensa previamente a la actuación de las cargas que va a recibir la estructura


1.30 gc07c01

- el aluminio

- el acero inoxidable.

Figura 1.13 Tanque GNL. Detalle del aislamiento térmico. Dibujo de BP.

Para depósitos de grandes dimensiones, el aluminio presenta el inconveniente de

tener un coeficiente de contracción/dilatación muy elevado comparado con los

demás materiales citados.

El acero inoxidable se ofrece como alternativa a la aleación con Ni. Como tiene un

coeficiente de dilatación más elevado, las chapas están corrugadas, de manera

que dichas “ondulaciones” permitan la contracción de la chapa al pasar el tanque

a frío y su expansión al pasar a caliente. En España no existen tanques de acero

(peso propio, carga muerta y cargas exteriores), comprimiendo el hormigón, de forma que nunca

tenga tracciones o que éstas tengan un valor reducido. Primero se tensan los cables y después se

hormigona

5 El postensado tiene los mismos efectos que el pretensado, con la diferencia de que se da tensión

después del hormigonado. Para ello se preparan unas vainas en el hormigón por los que luego se

hacen pasar los cables, los cuales se tensan, y luego se suelen cubrir de hormigón para

protegerlos.

Tanque interior de aleación de acero al 9 % Ni

Aislante de perlita granular

Hormigón reforzado

Calentadores de suelo para evitar su congelación

Barrera secundaria de acero inoxidable

Aislante de Foamglass

Bloques de perlita


1.31 gc07c01

inoxidable corrugado, pero en Japón es una alternativa frecuente y que permite

prescindir del niquel cuando su precio es elevado.

b) El aislante, que rodea totalmente el recipiente interno o contenedor primario, y

evita el aporte de calor del exterior al GNL, disminuyendo por tanto la

evaporación. Se utilizan diversos aislantes dependiendo de su localización en el

tanque, ya que si están por debajo del fondo deben ser capaces de resistir la

compresión, y si están en el techo deben ser especialmente ligeros.

c) El recipiente externo, que sirve para contener el aislante antes descrito, y es

estanco a los vapores de GNL, estando normalmente a temperatura ambiente.

Este recipiente incorpora funciones de contenedor secundario en caso de rotura

del tanque interior, y se proyecta con fuertes requisitos de seguridad incorporando

a las funciones de contenedor secundario las de protección frente a derrames de

GNL procedentes de depósitos adyacentes, radiaciones térmicas debidas a fuego

externo o interno, explosiones o impactos de elementos de sabotaje, aviación, etc.

1.3.7 Depósitos aéreos con recipiente interno autoportante.

1.3.7.1 Principio

En este tipo de depósitos, el recipiente interno es de una concepción idéntica a la

de cualquier depósito para almacenamiento de líquido, es decir que debe ser

estanco, soportar el peso del líquido, su presión hidrostática y eventualmente un

posible vacío.

El recipiente externo rodea completamente al recipiente interno; es igualmente

estanco y puede resistir, en caso de accidente del recipiente interno, el peso y las

presiones del líquido (al menos durante el tiempo suficiente para permitir el

vaciado del depósito).

Los dos recipientes están separados por el aislante y todo el conjunto reposa

sobre una losa de hormigón, eventualmente montada sobre pilotes.

Entre las diferentes posibilidades de construcción están:


1.32 gc07c01

- recipiente interno y externo metálicos (Figura 1.14)

- recipiente interno metálico y externo de hormigón.

- recipiente interno y externo, ambos de hormigón

Figura 1.14 Tanque GNL de doble pared metálica

Figura 1.15 Tanque GNL con pared metálica (interior) y de hormigón (exterior).


1.33 gc07c01

1.3.7.2 Recipiente interno metálico (aleación criogénica).

Su concepción es clásica como ya se ha indicado. La pared está constituida por

un cierto número de virolas cuyo espesor crece desde arriba hacia abajo, para

asegurar una tasa de trabajo del metal sensiblemente constante. El fondo está

constituido por placas planas soldadas a solape.

En cuanto al techo, puede ser autoportante y unido por soldadura a la pared

lateral, caso de los pequeños depósitos, o bien realizado con chapa metálica

plana, generalmente de aluminio, rigidizado y suspendido de la armadura del

deposito exterior mediante tirantes de acero criogénico; en este caso el techo y la

pared lateral del tanque primario no son solidarios.

El recipiente interno puede tener que soportar vacíos accidentales por ejemplo en

caso de vaciado rápido. A tal fin, y dado que la forma cilíndrica resiste muy mal al

vacío, la pared del recipiente interior lleva generalmente rigidizadores, los cuales

además ayudan al tanque interior a soportar el esfuerzo de la perlita aislante que

está situada en el exterior del tanque primario.

El esfuerzo soportado por el tanque debido al líquido contenido proviene de su

presión hidrostática, que a su vez viene determinada por la altura del líquido y su

densidad.

donde:

• P. Presión en el fondo de la columna de líquido en Pa.

• ρ. Densidad del líquido en kg/m3.

• g. Aceleración de la gravedad: 9,81 m·s-2.

• H. Altura de líquido en m.

En caso de que la superficie del líquido estuviera sometida a presión, entonces

dicha presión se añade a la del líquido, para el cálculo del esfuerzo soportado por

la chapa cilíndrica del tanque primario. Dicho esfuerzo es soportado por la chapa,

mediante el espesor de la misma y la característica mecánica del acero utilizado


1.34 gc07c01

de manera idéntica a como ocurre en un gasoducto, al ser también una sección

circular.

El cálculo del espesor de chapa necesaria se realiza por tanto con una ecuación

semejante a la (1.1) conocida como ecuación de Barlow, con los factores de

seguridad adicionales que se estimen. La norma habitual para el diseño de estos

tanques es la API 620: Low pressure storage tanks for liquefied hydrocarbon

gases, que remite en este caso a la API 650.

El espesor de chapa realmente utilizado dependerá de la seguridad que se le

quiera añadir, de los espesores de chapa mínimos requeridos por la normativa y

el cliente, por la presión de prueba indicada y por la línea de fabricación del

suministrador, siempre incrementando el espesor (escogiendo el más parecido al

calculado, pero por encima) para aumentar la seguridad.

El espesor de chapa máximo se encuentra en el fondo del tanque y el mínimo en

la parte superior.

1.3.7.3 Aislamiento térmico

Es un factor importante para la calidad del almacenamiento. Los materiales

aislantes más utilizados son la perlita, el foam-glass, la Iana de vidrio, polietileno y

poliuretano.

Perlita: materia volcánica expandida de tipo silicato de aluminio

calentado a 800 ºC, formando bolas de 0,5 mm. A menudo se

produce en obra según necesidades.

Vidrio celular (Foamglass): se obtiene por inyección de SH2 en pasta de

vidrio. Es estanco al agua y resistente al calor. Es pesado,

frágil y resiste bien la compresión.

Fibra de vidrio: es un material fibroso obtenido al hacer fluir vidrio fundido a

través de una pieza de agujeros muy finos (espinerette) y al

solidificarse tiene suficiente flexibilidad para ser usado como


1.35 gc07c01

fibra. Buen aislamiento térmico, inerte ante ácidos, soporta

altas temperaturas.

Lana de vidrio: semejante a la fibra de vidrio

PVC: Cloruro de polivinilo. Se obtiene por polimerización del cloruro de

vinilo, cuya fabricación se realiza a partir del cloro y etileno. Es

ligero, químicamente inerte y completamente inocuo.

Resistente al fuego y a la intemperie, es impermeable y

aislante (térmico, eléctrico, acústico), de elevada transparencia,

protege los alimentos, es económico, fácil de transformar y

totalmente reciclable.

Espumas de poliuretano: se fabrica por reacción de isocianato y de polioles

en presencia de un agente expansor (freón). Tiene una

conductividad de 0,03 W/(m K) a 0,04 W/(m K).

Madera de balsa: Baja densidad y conductividad. Aguanta compresión.

Como la conductividad térmica de los aislantes depende de la temperatura a

ambas caras del mismo, los fabricantes dan tablas de valores y ábacos para la

determinación de la conductividad, que suele estar en el entorno de 0,04 W/(m·K),

aunque hay que tener en cuenta que los aislantes sometidos a compresión tienen

una conductividad mayor por estar comprimidos.

Con el fin de evitar el asentamiento de la perlita durante los ciclos térmicos de

puesta en frío, que sufre el depósito en explotación y que podría comprometer el

contenido entre los dos recipientes del almacenamiento, se han puesto a punto

distintos sistemas para absorber las “diferencias de volumen” debidas al

movimiento de las paredes cilíndricas interna y externa. Estos sistemas están

constituidos por capas verticales de lana de vidrio, colocadas a lo largo del

recipiente interno y, a veces, igualmente en el externo.

Para evitar la alteración de las propiedades de los aislantes por la humedad

atmosférica, el espacio entre los dos recipientes se mantiene en “atmósfera de

gas inerte” (nitrógeno) o de gas natural, a una presión absoluta del orden de

1 060 mbar a 1 150 mbar aproximadamente. Normalmente el espacio de perlita se


1.36 gc07c01

mantiene en atmósfera de gas natural, y el espacio de la protección de esquina y

el fondo se mantiene en atmósfera de nitrógeno, la cual se monitoriza para

detectar fugas y con ello tener información continuada sobre la estanqueidad de

dicho espacio.

El aislamiento del fondo presenta una dificultad particular; el material aislante

debe soportar el peso del recipiente interno y del líquido contenido. La capa

aislante está generalmente constituida por ladrillos de “foam-glass” (vidrio celular)

incombustibles, estancos al agua y resistiendo bien la compresión.

Eventualmente, la capa del fondo puede estar bordeada por una corona de

hormigón perlítico, situada justo por debajo de la pared del recipiente interior. El

hormigón es un material criogénico, pero es sensible a los ciclos térmicos de

calentamiento y enfriamiento.

Figura 1.16 Construcción de tanque GNL de planta de regasificación de Sagunto.[www.saggas.es]

También pueden utilizarse bloques de madera de balsa como apoyo del muro

interno, presentándose como particularmente idóneos para cumplir la doble

misión de resistencia a compresión y de aislamiento.


1.37 gc07c01

Figura 1.17 Disposición de conjunto de un tanque GNL

1.3.7.4 Bombas primarias

Ya que el metano (CH4) es una molécula apolar, es un buen dieléctrico. Ello

permite que se utilice a la vez como refrigerante y como lubricante de las bombas

eléctricas primarias, que se colocan sumergidas en el GNL.

Como medida de seguridad las conexiones a los depósitos de GNL actuales se

realizan en todos los casos desde la cúpula evitando así las perforaciones del

depósito por la parte lateral, y mejorando por tanto la seguridad del mismo, ya que

no pueden existir fugas del depósito por bridas, válvulas,….

Las bombas GNL son bombas verticales sumergidas colocadas dentro de unos

pozos que comunican el exterior con la parte interior del tanque, en la zona

sumergida, por debajo del nivel mínimo de GNL del tanque. Dichas bombas se

pueden cambiar y sacar del tanque, sin interrumpir la explotación del mismo, para

lo cual los pozos disponen de unas válvulas de pie que se abren con el peso de la

bomba, y se cierran al elevar la bomba.


1.38 gc07c01

Un valor habitual de caudal para estas bombas en las plantas de regasificación es

de 400 m3/h de GNL, comunicando una presión de 8 bar, necesaria para extraer

el producto y entrar en el relicuador, que suele a trabajar entre 7 bar y 9 bar

(plantas de regasificación).

Un valor habitual de caudal para estas bombas en las plantas de licuación es de

1600 m3/h de GNL, con presiones en torno a 6 bar para la carga de los metaneros

en un rango de entre 14 h y 18 h.

1.3.7.5 El recipiente externo

Debe asegurar funciones múltiples:

Proteger el aislamiento de la intemperie.

Constituir una segunda barrera estanca en caso de incidente en el

recipiente interior.

Constituir una protección térmica del producto almacenado en caso de

incidencia exterior.

Rresistir en la medida de lo posible agresiones externas tales como

impactos de proyectiles, cargas explosivas, etc.

Todos los depósitos de cierta importancia actualmente en construcción disponen

de recipientes externos en hormigón pretensado o postensado. En este caso, la

envoltura de hormigón se diseña con las siguientes condiciones:

El paramento externo debe poder ser llevado bruscamente hasta -160 ºC y

permanecer a esta temperatura durante un período de tiempo suficiente

para vaciar el depósito.

El emplazamiento de los cables de pretensado de los muros de hormigón

pretensado debe ser elegido de tal suerte que su temperatura no

descienda por debajo de -60 ºC durante el mismo tiempo.

El espesor del muro externo debe ser tal que en caso de fuego externo no

se alcance ni la fluencia de los cables de pretensado ni la elevación de la

temperatura en el depósito interior antes de haber vaciado el depósito.


1.39 gc07c01

Por último, frente a las agresiones voluntarias desde el exterior, las normas

de seguridad son prácticamente las mismas que las aplicables a las

centrales nucleares (un depósito de 80 000 m3 de GNL almacena del orden

de 1,8 ·109 MJ de energía cuando está lleno).

1.3.7.6 Variante: Recipiente interno en hormigón.

En los depósitos concebidos siguiendo la técnica Preload, el depósito interior está

constituido por paneles prefabricados en hormigón pretensado. Estos paneles

están revestidos exteriormente por una barrera de estanqueidad al GN (vapores

en equilibrio con el GNL) en acero al carbono. Después del montaje, por medio de

cables de alta resistencia, enrollados siguiendo la circunferencia del cilindro, se

aplica tensión al recipiente interno de manera que se establezcan fuerzas de

compresión en los paneles y en la barrera de vapor o de estanqueidad, valores

iguales y opuestos a los que sufrirá la estructura en servicio (para evitar que el

hormigón trabaje con esfuerzos radiales salientes). Se disponen también cables

de pretensado vertical en los paneles de hormigón.

El fondo del depósito interior, en acero al 9 % Ni se une por una junta especial a

la barrera de vapor en acero al carbono, solidaria con los paneles de hormigón.

1.3.7.7 Descripción de los tanques de GNL de 80 000 m3 de Barcelona

(ENAGAS).

El recipiente interno tiene un fondo de acero al 9 % Ni de 5 mm de espesor,

excepto el anillo de apoyo del muro que tiene un espesor de 10 mm. Las paredes

son de hormigón pretensado, vertical y horizontalmente, y revestidas por el

exterior con una barrera de vapor de acero al carbono de 5 mm de espesor,

excepto la primera virola que es de acero al 9% Ni y espesor 10 mm. Se ha

dejado de acuerdo con la especificación de ENAGAS un resguardo de 610 mm

entre la coronación del muro interno y la lámina máxima de GNL como garantía

frente a exceso de llenado o efectos sísmicos.


1.40 gc07c01

La altura del muro es de 35 m con espesor uniforme de 35 cm y el diámetro es de

55 m.

Figura 1.18 Vista de tanques de 40 000 m3, 80 000 m

3 y de la construcción de dos tanques de 150 000 m

3

en la regasificadora de Enagas en Barcelona[564]

La cubierta del recipiente interno está formada por un falso techo de aluminio

suspendido de una estructura metálica de acero entre los cuales se coloca el

aislamiento de fibra de vidrio (Figura 1.19). La unión se realiza mediante cables

de acero inoxidable, facilitando la transición del techo cilíndrico plano metálico de

aluminio a la forma esférica de la cúpula de hormigón, permitiendo realizar menos

puntos de fijación (que a su vez exigen trabajos de soldadura) a la membrana de

la cúpula.

La barrera de vapor del muro se montó por un procedimiento nuevo, consistente

en el arrollamiento en hélice de las chapas preparadas en un banco especial de

trabajo. El arrollamiento se consigue con gatos hidráulicos que mueven una

estructura de 55 m de diámetro con un espesor de tan solo 5 mm de chapa.


1.41 gc07c01

El depósito se homigonó empleando como encofrado la barrera de vapor

mediante procedimiento convencional. El hormigón, así como el coeficiente de

conservación de hormigón y aceros de pretensado fueron ensayados en España

en condiciones criogénicas con resultados plenamente satisfactorios.

El muro va pretensado verticalmente por 264 cables de 12 torones. Cada torón6,

lo forman 7 cables de 4,3 mm de diámetro, el tensado se ha efectuado a

171 Tn/torón, equivalente a 144 kg/mm2 y los alargamientos obtenidos han

entrado dentro de lo especificado de 264 mm ± 5%. Es decir que se permite hasta

un 0,75 % de variación de longitud en cada torón).

Los cables van anclados por el sistema de cuña, con placa de anclaje de reparto y

han sido homologados en nuestro país con ensayos a temperaturas criogénicas.

El pretensado horizontal se ha efectuado con alambre de alta resistencia de

6 mm de diámetro trefilado por hilera de 5,27 mm obteniéndose una tensión de

tensado de 90 kg/mm2 a 100 kg/mm2 frente a la tensión prevista de 110 kg/mm2.

El recipiente externo es similar al interno excepto que el fondo es de acero al

carbono en lugar deI 9% Ni, salvo la zona de anillo entre los dos muros y la zona

de apoyo del propio muro en que se emplean chapas de acero de 9% Ni, de

6,35 mm y 10 mm de espesor.

A requerimiento de ENAGAS se colocó un angular de acero inoxidable embebido

en la cimentación, para contener una eventual fuga de GNL del recipiente interno

por debajo de la cimentación del muro externo.

La barrera de vapor del muro externo es de acero al carbono de 5 mm de espesor

excepto la primera virola que es de acero 9% Ni de 10 mm. La altura del muro es

de 37,47 m con espesor uniforme de 35 cm y el diámetro es de 57,90 m.

6 torón: arreglo helicoidal de alambras en torno de un alambre para obtener una sección simétrica.


1.42 gc07c01

Figura 1.19 Sección de depósito de GNL de 80 000 m3 en Barcelona.

La cubierta es una cúpula autosoportada, formada por perfiles metálicos con

barrera de vapor de chapa de acero al carbono que trabaja como membrana y

que sirve de encofrado al hormigón armado proyectado que forma la estructura

resistente con espesores variables entre 30 cm en arranque y 12 cm en el vértice.

Esta solución también es la primera vez que se aplica a un depósito de este tipo.


1.43 gc07c01

El muro externo va pretensado con cables de 12 alambres de 7 mm de diámetro

con acero de alta resistencia super-estabilizado, en total 200 unidades. El

pretensado horizontal es análogo al descrito para el muro interno, el acabado se

efectúa con una capa de gunita con árido perlítico que aparte de su función

antitérmica, disminuye los riesgos de corrosión de la armadura de zunchado7 y al

final se aplica la pintura exterior.

Los aislamientos están formados por espuma de PVC (Plasticel) en el fondo con

chapas separadas de aluminio reflectante entre bloques, de acuerdo con la

solicitud de ENAGAS. El aislamiento por debajo del muro interno se efectúa con

bloques de tipo “sandwich” de madera de balsa y contrachapado marino con una

protección especial superficial a base de resinas. Para disminuir el rozamiento

entre muro interno y madera de balsa se coloca una lámina de teflón.

El aislamiento de techo está formado por mantas de fibra de vidrio con juntas

alternas y papel de aluminio entre ellos, y el aislamiento entre muro externo e

interno por perlita expandida expansionada en el horno.

1.3.7.7.1 Materiales Aislantes

Los materiales aislantes utilizados en los depósitos de GNL de Barcelona son:

Fibra de vidrio, es decir vidrio ordinario trefilado y expansionado,

generalmente a temperaturas elevadas.

Madera de balsa. Ya citada en los aislamientos de los metaneros, es una

madera tropical de muy baja densidad.

Perlita. También se ha descrito como vidrio natural, es decir rocas silíceas

fundidas que contienen del 3 % al 4 % de agua. Tratadas térmicamente se

expansionan hasta 15-20 veces su volumen original. El tratamiento térmico

se realiza entre 800 ° C y 1000 ° C.

Gunita. Es un mortero ligero que se proyecta en el espacio libre del

aislamiento, mediante aire comprimido.

7 zunchado = unido, reforzado, sujetado


1.44 gc07c01

Además de estos materiales se utilizan aislamientos de espuma de P.V.C.

poliuretano flexible y rígido8 y en los casos de pequeños depósitos, doble cámara

con vacío interno.

Figura 1.20 Esquema de tuberías depósito GNL.

1.4 Almacenamiento de etileno

Existe en España almacenamiento de etileno en las Refinerías de Puertollano y

Tarragona. A continuación se describe la instalación de Tarragona para el

abastecimiento de la industria petroquímica que se ubica en sus proximidades.

El producto proviene de la planta de etileno de la Refinería, almacenándose en un

tanque criogénico de 16 000 m3, (diámetro de 32 m y altura de 22 m), con

temperatura de almacenamiento de -102 ºC.

El tanque esta constituido por un recipiente interno de acero inoxidable en

contacto con el líquido. A continuación una envolvente de perlita como aislamiento

8 Cond. térmica: 0,02 kcal/(m ° C hora). Resistencia mecánica: 2 kg/cm

2 para d = 40 kg/m

3


1.45 gc07c01

del cuerpo cilíndrico y de foam-glass en el fondo. El recipiente exterior es de

acero criogénico. Se asienta sobre una base de hormigón.

Figura 1.21 Tanque de etileno. Depósito metálico aéreo de doble pared con fondo plano y cúpula

externa y techo interno de aluminio colgado.

El techo de aluminio, aislado con lana de vidrio, está suspendido desde la cúpula

por medio de tirantes de acero criogénico soldados a ella. El gas o Boil-off se

encuentra en el tanque a una presión de 50 mbar, es decir en el interior del

tanque existe una presión de 1033 + 50 = 1083 mbara.

El etileno que procede de la Planta ha sido enfriado con un sistema de alta

refrigeración, con un diseño de -88 ºC, 15 bar pasando a una válvula de

expansión, en donde se enfría nuevamente a la temperatura de almacenamiento

de -102 ºC entrando en el tanque por la parte superior.

Cuando el vapor en el tanque alcanza una sobrepresión de 60 mbar sale por las

válvulas de seguridad, mezclado con el vapor de agua de ahogo que permite que

no vaya a tierra, mejorando su difusión en la atmósfera, ya que el etileno tiene

una densidad relativa9 respecto al aire de 0,97.

9 El vapor de agua tiene una densidad relativa de 0,62; por lo que mezclando vapor de agua(0,62)

con etileno(0,97) la mezcla es siempre más ligera que el etileno puro.


1.46 gc07c01

El B.O. producido no se devuelve al tanque, sino que se entrega a clientes, si

cumple las especificaciones comerciales. En caso de estar contaminado con

exceso de oxígeno, se quema en la antorcha gaseosa entre 37 ºC y 45 ºC.

Para gasificarlo, se bombea merced a las bombas sumergidas del tanque hasta

un vaporizador que funciona con serpentín a base de vapor de agua, mientras el

etileno sube a contracorriente. El gas obtenido pasa a un compresor de 3 etapas

del que sale a 29 bar para el suministro a clientes.

1.5 Bibliografía

[311]. GPSA. GPSA Engineering Data Book 11th Edition. GPSA. 11th Edition.

20040000

[514]. Rodríguez Pincho, Antonio;. Transporte de hidrocarburos.. UPM. DIQYC.

Curso 2001-2002. Plan 1996.. . 20010000

[564]. Ramírez Moreno, Alberto. La construcción del sexto tanque de GNL.

Planta de regasificación de Enagás en Barcelona.. Sedigas. Revista Gas Actual.

Septiembre-Octubre 2005. pp32-35. www.sedigas.es. 20051000

Notas al pie:

1 http://webbook.nist.gov/chemistry/

2 http://encyclopedia.airliquide.com

3 Vega Fanjul, Eduardo. Trabajo almacenamiento gases combustibles. TGPC.

Curso 2007/8. GUIE. ETSIM

Documents

gc07c01t_v2008.019_AlmacenamientoSuperficie