STUDENT TEAMWORK

REPORT: “DESIGN OF HIGH PRESSURE STORAGE TANKS”

COURSE: OCCUPATIONAL HEALTH AND INDUSTRIAL SAFETY

FACULTY: PROF. ENG. JUAN ESPINOZA

ACADEMIC TERM: 2016-1

DATE: JUNE, 19th

MEMBERS:

NAME STUDENT CODE PROGRAMS

Muñoz Gaona Gustavo Adolfo 20130318E Petroleum and Natural Gas

Vasquez Maguiña Henry Alex 20104128H Petrochemistry

De la fuente Briceño Alfredo Alejandro 20112514K Petroleum and Natural

Gas

Score: 16

NATIONAL UNIVERSITY OF ENGINEERING College of Petroleum, Natural Gas and Petrochemical Engineering Petrochemical Engineering Program

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1. MARCO TEÓRICO Tanques de Almacenamiento Vessel Muchos de los productos requeridos o productos en las industrias requieren para su almacenaje y utilización de presiones superiores a la atmosférica, dando lugar así a los llamados recipientes de presión. Estos equipos deberán ser capaces de contener productos de diferente naturaleza química bajo las condiciones de operación requeridas (presiones, temperaturas, concentraciones, etc.). Los tanques de alta presión (funcionamiento sobre los 15 psig) son una forma especial de container y son tratados separadamente de los tanques por todos los códigos normas y regulaciones. Algunas especificaciones de Presiones

Presión dentro del cilindro 25.51 atm Presión válvula de alivio 30.62 atm Presión regulador 5.10 atm Presión desde el regulador 0.68 atm

2. CONDICIONES Y SUSTANCIA DE MANEJO El GLP es un producto que está desplazando a los combustibles convencionales como la gasolina y el Diesel, en el mercado nacional peruano existe un déficit en el abastecimiento de GLP apróx. 20 MBPD*. Debido a tal situación consideramos que el GLP es un producto muy importante en el mercado nacional, el GLP tiene una composición mayor de propano líquido y en segunda instancia al butano. Sustancia de manejo:

Propano líquido Datos generales del compuesto:

Nombre comercial: Propano Nombre químico: Propano Formula química: C3H8 Peso molecular: 44.096 g/mol Familia química: Hidrocarburos

Propiedades físicas del compuesto: Fase líquida

Densidad del líquido (1atm en el punto de ebullición): 580.88 kg/m3 Punto de ebullición (1 atm): -42.11 °C Calor latente de vaporización (1 atm): 425.59 kJ/kg

Punto Crítico

Temperatura Crítica: 96.74 °C Presión Crítica: 42.51 bar Densidad Crítica: 220.48 kg/m3

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Fase gaseosa Densidad del gas (1 atm en el punto de ebullición): 2.417 kg/m3 Densidad del Gas (1 atm y 15 °C): 1.8988 kg/m3 Factor de Compresibilidad (Z) (1 atm y 15 °C): 0.98194 Gravedad específica (aire = 1): 1.55 Volumen Específico (1.013 atm y 21 °C): 0.546 m3/kg Capacidad calorífica (Cp) (1 atm y 25 °C): 7.430001E-02 kJ/(mol.K) Capacidad calorífica (Cv) (1 atm 25 °C): 0.0654 kJ/(mol.K) Viscosidad (1 atm y 0 °C): 7.4692E-05 Poise Conductividad Térmica (1.013 atm y 0 °C): 15.65 mW/(m.K)

Datos de Almacenamiento

Condiciones de almacenamiento Presión de almacenamiento 20°C Temperatura de almacenamiento 9 atm Volumen de almacenamiento 400 m3

3. LIMITE INFERIOR, SUPERIOR DE INFLAMABILIDAD Se realizarán una serie de calculos: Presión de vapor del Propano: En base a la de la Ec. Antoine y las constantes de Antoine.

Pv = 10(A−� BC+T�) … … … … . Ecuacion de Antoine

Pv: Presion de vapor (mmHg) T: Temperatura (°C)

Constantes de Antoine

Sustancia Formula A B C

Propano C3H8 3.92828 803.997 247.04 Con ayuda de una hoja de calculos se calcula la Presión de vapor a diferentes temperaturas obteniéndose la tabla 1. Para el cálculo de las temperaturas de inflamabilidad se trabajó con la data que se obtiene en bibliografías:

Combustible L.I.I L.S.E Metano 5% 15% Etano 3% 13% Propano 2.40% 9.60% Butano 1.80% 8.50% CO 12.50% 75%

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Tabla 1

T(°C) Pv (mmHg) -30 1.67 -20 2.44 -10 3.44 0 4.72

10 6.32 20 8.27 30 10.62 40 13.41 50 16.66 60 20.41 70 24.68 80 29.50 90 34.90

100 40.88 110 47.47 120 54.68 130 62.50 140 70.96 150 80.04 160 89.75 170 100.10

Según la gráfica 1.

Límite Inferior de Inflamabilidad (LII) 52°C Límite Superior de Inflamabilidad (LSI) 140°C

Densidad relativa de vapor Este parámetro indica las veces que un gas es más pesado que el aire a la misma temperatura. Dicho valor se emplea para conocer la tendencia de un vapor a elevarse (Dvap < 1) o a acumularse en zonas bajas (Dvap > 1), siendo útil para establecer las condiciones de ventilación necesarias, la ubicación de detectores, etc.

Dvp =Pv ∗ s

P+

P − PvP

s =M�Propano

M�Aire

Pv: Presion de vapor (mmHg) M�Propano: Masa molar propano s: Densidad relativa de su valor puro M�Aire: Masa molar aire P: Presion total del sistema (760 mmHg)

Grafica 1

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Tabla 2

Pv Dvp 750.06 1.51 700.06 1.48 650.06 1.45 600.06 1.41 550.06 1.38 500.06 1.34 450.06 1.31 400.06 1.27 350.06 1.24 300.06 1.21 250.06 1.17 200.06 1.14 150.06 1.10 100.06 1.07 50.06 1.03 0.06 1.00

4. COMBUSTION DEL PRODUCTO Considerando una reacción completa del propano:

C3H8(g) + O2(g) → CO2(g) + H2O(l) Trabajando con las entalpias, y se construye la sgte. tabla

Sustancia n(coef. estq.) Hf n*Hf C3H8 1 -103.8 KJ/mol -103.8 KJ/mol React.

O2 5 0 KJ/mol 0 KJ/mol CO2 3 -393.5 KJ/mol -1180.5 KJ/mol Prod. H2O 4 -285.52 KJ/mol -1142.08 KJ/mol

Analizando las condiciones del producto almacenado:

T 25 °C P 9 atm V 400 m3 ρ 580.88 kg/m3 M 44.096 Kg/Kmol

Calor de Combustión Molar

-2218.78 KJ/mol

0.00

100.00

200.00

300.00

400.00

500.00

600.00

700.00

800.00

1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60

Pv (m

mHg

)

Dvp

Pv Vs Dvp

Grafico 2

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5. CONSIDERACIONES FUGA DE PROPANO Considerando que existe una fuga por un agujero en el lado derecho del tanque Vessel, lo que ocasionara una fuga del propano que al entrar a condiciones atmosféricas se evapora generando el proceso de combustión y seguidamente incendio. El diámetro del agujero es de 0.2 m.

Flujo de radiación térmica: Necesitamos información de nuestra sustancia, para continuar con los cálculos necesarios. 1.Para el caudal de evaporación en la combustión: m Calor de combustión (hc): 50426820 J/Kg (De calor de combustión molar se pasó a calor de combustión másico) Calor latente de vaporización (hv): 425590 J/Kg (Dato obtenido de tablas termodinámicas) Temperatura de ebullición (Teb): 230.89 K (-42.11 °C) Calor especifico (Cp): 2120 J/KgK (Dato obtenido de tablas termodinámicas) Presión de vapor saturado del agua @20°C: 2310 Pa (Dato obtenido de tablas de Pv vs T)

m =hc ∗ 10−3

Cp ∗ ∆t + hv∗

kgm2s

m =50426820 ∗ 10−3

2120 ∗ (−42.11− 20) + 425590

m = 0.172kg

m2s

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2. Para las dimensiones del incendio Nuestro tanque Vessel se adecua más a un incendio con base rectangular por la posición de su ubicación.

h = 7m, b = 10.5m, c = 15m, p = 7m Observación: al ser una circunferencia “p” asume el mismo valor que “h”.

p ∗ b = π ∗ beq2 a = 29 ∗ beq0.7 ∗ m0.6 7 ∗ 10.5 = π ∗ beq2 → beq = 4.84 → a = 29 ∗ 4.840.7 ∗ 0.1720.6

a: altura de la llama

a= 30.41m

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3. Factor de visión geométrico Se trabaja con relaciones entre a, b, c. 𝑎𝑎𝑏𝑏

=30.4110.5

= 2.89

𝑐𝑐𝑏𝑏

=15

10.5= 1.43

𝑏𝑏𝑐𝑐

=10.515

= 0.7

𝑎𝑎𝑐𝑐

=30.41

15= 2.03

Hallando Fv (factor vertical) Fv = 0.1427 Hallando Fh (factor horizontal) Fh = 0.0572 Hallando Fmax

Fmax = �Fv2 + Fh2

Fmax = 0.1537 4. Coeficiente de transmisión atmosférica

d = 2.02 ∗ (Pv ∗ c)−0.09 Considerando la humedad limeña al 90%

Pv =2310 ∗ 90

100= 2079 Pa

𝑑𝑑 = 2.02 ∗ (2079 ∗ 15)−0.09

𝑑𝑑 =0.796

Factor de visión geométrico para incendio rectangular

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Finalmente se calcula el flujo de radiación térmica Ie = Fmax ∗ d ∗ E

Fmax: factor de vision geometrico d: Coeficiente de transferencia atmosférica

E: Intensidad media de radiacion (kWm2

)

Observación: Para el propano se tiene 92 Kw/m2

𝐼𝐼𝐼𝐼 = 0.1537 ∗ 0.796 ∗ 92

Para una distancia de 15m

6. SISTEMA DE CONTINGENCIA CONTRA INCENDIOS Cuando el agua entra en contacto con materiales que tienen mayor temperatura, absorbe calor, lo que significa que dichos materiales se enfrían. Calor sensible: Cuando se calienta una sustancia y su temperatura aumenta, a este aporte de calor se llama calor sensible. Asimismo, cuando se extrae calor de una sustancia y su temperatura desciende, a este calor extraído también se le llama calor sensible. El calor que produce un cambio de temperatura en el agua viene dado por la ecuación de que se muestra:

Q = Ce ∗ m ∗ ∆T Q: Calor sensible (KJ) Ce: Calor especifico (KJ/Kg ∗ °C) m: Masa (Kg) ∆T: Variacion de temperatura (°C) Calor latente: Ya hemos establecido que todas las sustancias puras pueden cambiar de estado. Se requiere la adición o extracción de calor para producir estos cambios. El calor que causa estos cambios de estado sin cambio de temperatura se llama calor latente. El calor que se necesita para el cambio de estado de fase liquida a vapor en el agua viene descrita por la ecuación que se muestra a continuación:

QL = cL ∗ m QL: Calor latente (KJ) cL: Calor latente de evaporacion (KJ/Kg) m: Masa (Kg) La forma de cómo se reducirá la intensidad de fuego será mediante la reducción de temperatura, para lo cual se usará agua como sustancia enfriante.

Flujo de radiación térmica

11.26KW/m2

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Para el agua: Calor específico (Ce): 4.18 KJ/Kg°C Calor latente de vaporizacion (cL): 2255 KJ/Kg Condiciones iniciales: Se considera las condiciones de ambiente: T = 20°C y P = 1 atm Cantidad de agua base: m = 1Kg Cálculos de energía requerida por el agua: Inicialmente para calentar 1Kg de Agua de 20°C a 100°C

Q = Ce ∗ m ∗ ∆T = 4.18 ∗ 1 ∗ (100− 20) Q = 334.4 KJ

Posteriormente para vaporizar 1Kg de Agua de fase liquida.

QL = cL ∗ m = 2255 ∗ 1 QL = 2255 KJ

Entonces el calor total para llevar 1 Kg de agua líquida de 20°C a vapor saturado es:

QT = Q + QL = 𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐.𝟒𝟒 𝐊𝐊𝐊𝐊

Calculos del caudal de la fuga del líquido El diámetro del agujero es de 0.2 m

Ecuacion de Bernoulli:

12∗ ρ ∗ V(1)2 + ρ ∗ g ∗ h(1) + P(1) =

12∗ ρ ∗ V(2)2 + ρ ∗ g ∗ h(2) + P(2)

ρ: Densidad del fluido (Kg/m3) V: Velocidad del fluido (m/s) h: Altura del fluido (m) P: Presion del fluido (Pa) g: Constante de aceleracion de gravedad (9.81 m/s2)

Ecuacion de Continuidad:

A(1) ∗ V(1) = A(2) ∗ V(2) A: Area transversal (m2) V: Velocidad del fluido (m/s)

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El caudal de escape por el agujero en el tanque Vessel resultaría: Qor = Aor ∗ �2 ∗ g ∗ h

Qor: Caudal del orificio (m3/s) Ao: Area del orificio (m2) g: Constante de aceleracion de gravedad (9.81 m/s2) h: Altura del orificio (m)

Aor = A =πD2

4=π ∗ 0.22

4= 0.0314 m2

Qor = 0.0314 ∗ √2 ∗ 9.81 ∗ 3.5 Qor = 𝟎𝟎.𝟐𝟐𝟐𝟐𝟎𝟎𝟐𝟐 𝐦𝐦𝐦𝐦/𝐬𝐬 Como la altura del líquido disminuye en el tiempo entonces se genera un perfil de caudales de salida por el orificio:

h (m) V (m/s) Q (m3/s) 3.5 8.29 0.26

3 7.67 0.24 2.5 7.00 0.22

2 6.26 0.20 1.5 5.42 0.17

1 4.43 0.14 0.5 3.13 0.10

0 0.00 0.00 Transformando de flujo volumétrico a flujo molar, según la Ecuacion:

Qmolar = Qor ∗ρM�

ρ: Densidad del fluido (Kg/m3) M� : Masa molar (Kg/Kmol) Generando una media de caudal de: 0.19 (m3/s) Qmolar = 2.508 Kmol/s 𝑪𝑪á𝒍𝒍𝒍𝒍𝒍𝒍𝒍𝒍𝒍𝒍𝒍𝒍 𝒆𝒆𝒆𝒆𝒆𝒆𝒆𝒆𝒆𝒆é𝒕𝒕𝒕𝒕𝒍𝒍𝒍𝒍𝒍𝒍 Calor de combustión: 2218.78 KJ/mol Qmolar = 2.508 Kmol/s Flujo energético de combustión: 5565.46 ∗ 10e03 KJ/s Energiaa de agua de enfriamiento: 2589.4 KJ/Kg Agua

Flujo de agua enfriamiento = Flujo energetico de combustion

Energia de combustion

Flujo de enfriamiento: 2149.03 Kg Agua /s Caudal de enfriamiento: 𝟐𝟐.𝟏𝟏𝟐𝟐 𝐦𝐦𝐦𝐦/𝐬𝐬

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0 1 2 3 4

Q(m

3/s)

h(m)

Q vs h

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Equipo de contingencia: Características de la llama

• altura de la llama = 30.41m • Caudal de enfriamiento: 2.15 𝑚𝑚3/𝑠𝑠 • Bomba utilizada

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Zonas o regímenes de Intensidad de calor

Flujo térmico (KW/m2) Alcance

37.5 KW/m2 Riesgo máximo 18 m

12.6 KW/m2 Zona de intervención 35 m

4.0 KW/m2 Zona de Alerta 60 m

V-100

V-100: Unidad de almacenamiento de propano líquido

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7. EXTINTORES Tipo de riesgo: El producto almacenado es propano líquido, un hidrocarburo con facilidad de la formación de vapores de manera instantánea.

Riesgo Alto

Tipo de extintor a usar: Extintores rodantes Diseñados para que los use una sola persona y pasen a través de entradas

normales. Los extintores sobre ruedas son ideales para enfrentar los peligros de incendios de

alto nivel que requieren que el compuesto químico se descargue a velocidades y alcances uniformes a medida que evoluciona la extinción del incendio.

Deben de ser versátiles y listos para enfrentar peligros de incendios de líquidos inflamables

Parte de un extintor rodante

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Manejo de Extintor Rodante

Paso 1: Traslade el carro a la zona de fuego. Abra Válvula principal, en la parte superior del cilindro.

Paso 2: Despliegue la manguera aproximando al fuego

Paso 3: Abra el pitón y dirija la descarga a la base del fuego.

Paso 4: Recarga lo más rápido posible sus extintores

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Área máxima protegida por extintores (ft2)

Fuente: Presentaciones en Power Point del profesor de curso