INTRODUCCION
El almacenamiento mediante tanques
constituye un elemento de sumo valor
en la explotación de los hidrocarburos
ya que actúa como un receptor para
absorber
las
diferencias
entre
producción y demanda, más permitir un
proceso de transporte estable y
controlado. Pero la industria petrolera
siempre se ha enfrentado con el
problema de proveer almacenamiento a
bajo costo y al mismo tiempo evitar
pérdidas de los productos por
evaporación del petróleo, sus derivados
y además de minimizar el impacto
ambiental por dichas emisiones.
PROCESOS DE
EVAPORACION DE
PETROLEO Y SUS
DERIVADOS
VENTAJAS DE UN AJUSTE
ADECUADO PARA VALVULA PV
EN TANQUE DE TECHO FIJO
Las pérdidas se producen, durante los
procesos de almacenamiento y
operación en los tanques atmosféricos.
Aunque las pérdidas por evaporación, se
han
reducido
progresivamente
mediante mejoras implementadas en el
diseño y construcción de los tanques, así
como por aplicación de las mejores
prácticas operacionales en los procesos
de almacenamiento, en algunas
instalaciones todavía son considerables.
En los tanques de techo fijo las pérdidas
por
evaporización
son
considerablemente elevadas, ya que por
su diseño son los menos recomendados
para el almacenamiento de líquidos
Inflamables.
La selección del tipo de tanques se basa en
estudios, en donde se evalúa la reducción de
evaporación versus el costo, así como
impacto ambiental.
techos, así como mediante la aplicación de
mejores
prácticas
y
procedimientos
operacionales.
Las consecuencias debido a las pérdidas por
evaporación, incluyen un descenso en el
volumen de producto, disminución en su
densidad (°API del crudo) y emisiones
contaminantes al ambiente, ya que se
evaporan los componentes hidrocarburos
más livianos, de aquí la importancia de
cuantificar las pérdidas.
En los sistemas operacionalmente activos las
pérdidas por evaporación se pueden reducir
sustancialmente pero no eliminar, dicha
reducción se puede lograr con la aplicación de
programas de mantenimiento sobre todos los
componentes y accesorios en los tanques,
también con cambios en la construcción de
1 TANQUE DE TECHO FIJO
Un tanque de techo fijo típico consta de una
envolvente de acero cilíndrica y un techo que
puede variar su diseño entre domo y cono
(ver Fig.1 a y b). El diseño de los tanques de
techo fijo requiere una abertura a la
atmósfera que permita el desplazamiento de
aire y vapores durante el llenado, vaciado, y
inhalación y exhalación por temperaturas
(respiración). La apertura esta comúnmente
provista con dispositivos de presión/vacío
que permiten la operación.
En este tipo de tanque se presentan pérdidas
durante el almacenamiento (respiración) y
operación. En general las emisiones en los
tanques de techo fijo varían en función de su
capacidad volumétrica, la presión de vapor
del líquido almacenado y las condiciones
meteorológicas donde se
encuentra
localizado. Las emisiones de los tanques de
techo fijo se pueden reducir instalando
internamente un techo flotante o usando
dispositivos de recuperación de vapor.
a) Domo
b) Cono
Fig. 1 Tanque Vertical techo fijo, a) Domo b) Cono
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•
Componentes de un tanque:
•
•
•
Paredes, techo, columnas soporte,
sistemas de control y seguridad
Válvula de presión y vacío
Flotador de medición o instrumento
de medición de nivel
•
•
•
•
•
Cámaras de espuma (sistema
contraincendios)
Accesorios característicos o típicos
Escotilla para aforo
Facilidad para toma de muestras
Boca de visita o manhole
Escalera externa de acceso
2 VALVULA DE PRESION Y VACIO
Las válvulas de Alivio de Presión-Vacío
(también conocidas como válvulas de venteo,
de respiración o conservación de vapores) son
dispositivos de seguridad para tanques de
almacenamiento, (Ver Fig.2 a). Se instalan en
el domo del contenedor de baja presión y su
función es mantenerlo en los rangos de
presión y vacío para los que fue diseñado,
evitando emanaciones de vapores libres a la
atmósfera. La parte más importante de la
válvula son sus “discos”, que abren y cierran
durante el llenado y vaciado del tanque. (Ver
Fig.2 b)
evaporación del contenido del tanque hacia la
atmósfera evitando un venteo libre. Los
tanques de almacenamiento se presurizan
cuando el líquido es bombeado al interior del
tanque debido a que el vapor interno se
comprime mientras sube el nivel, o también
con temperaturas elevadas ya que los gases
existentes se expanden. Así mismo, las
condiciones de vacío se dan cuando se extrae
líquido del contenedor o cuando la
temperatura disminuye.
Una buena selección de la válvula y de
calibración en los discos de presión-vacío
evitará que la estructura del tanque falle, tras
el exceso de presión interna o vacío.
Se utilizan para evitar que el tanque se
deforme, explote o colapse, tras el exceso de
presión interna o de vacío, y para reducir la
a) Válvula PV
b) Esquema de válvula PV
Fig. 2 a) Válvula PV y b) Esquema de válvula PV
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originan por el producto que está ingresando.
De igual forma cuando el tanque está lleno y
en reposo, se abre el plato de la válvula para
liberar vapores, cuando estos aumentan por
el efecto de la temperatura. Ver Fig. 3
2.1 Funcionamiento. 2.1.1 Proceso de Venteo
Proceso de Llenado del tanque, el plato de la
válvula de presión se abre permitiendo liberar
los vapores existentes y los excedentes que se
Fig. 3 Válvula de presión Venteando
colapse por vacío. De igual forma cuando el
tanque está lleno y en reposo, se abre el plato
de la válvula de vacío, durante el proceso de
respiración por el efecto de la temperatura.
Ver Fig. 4
2.1.2 Proceso de Inhalación
En el proceso de descarga (vaciado), se abre
el plato de la válvula de vacío, para
compensar la presión interna del tanque con
la presión externa, evitando que el tanque
Fig. 4 Válvula de vacío Respirando
durante una exhalación térmica que se pueda
presentar a las condiciones normales de
operación. De igual forma debe ser capaz de
manejar las condiciones de vacío que se dan
cuando se extrae líquido del contenedor o
cuando
la
temperatura
disminuye
2.1.3 Criterio de capacidad
El dispositivo de relevo de presión o venteo
debe tener una capacidad de venteo tal que
permita desfogar el flujo requerido para el
caso de una contingencia, sola o cualquier
probable combinación de contingencias,
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(inhalación). Una buena calibración en los
discos de presión vacío evitará que la
estructura del tanque se dañe ya sea por
deformación, explosión o colapso, tras el
exceso de presión interna o vacío.
3 ASPECTOS GENERALES PRAR EL DISEÑO Y SELECCIÓN DE UNA
VALVULA PV
Como norma general, los tanques de
almacenamiento
operan
a
presión
atmosférica o valores de presión muy bajas
hasta 2 ½ psig, estos tanques se diseñan y
construyen bajo la norma API-650.
Las causas principales que pueden generar
una sobrepresión o vacío en el tanque de
almacenamiento son las siguientes:
•
•
En el diseño de los tanques de
almacenamiento, un apartado fundamental
asociado a la protección y seguridad de los
mismos, es el diseño de los elementos ante
sobrepresión y vacío. Las opciones más
utilizadas de protección en tanques de
almacenamiento son los venteos, junto a
válvulas de alivio de presión y el diseño y
construcción de una unión frágil del techo del
tanque.
•
•
Cuando se producen las situaciones
anteriormente descritas, será requerido un
alivio de presión o una inhalación por vacío
que deberá ser calculada mediante los
requerimientos indicados en la norma API
2000.
El dimensionado de los venteos en tanques de
almacenamiento, se basan en el estándar API
2000 “Venting Atmospheric and LowPressure Storage Tanks”. Esta norma cubre
los requisitos de operación normal y de
emergencias
de
los
tanques
de
almacenamiento a presiones hasta 15 psig, se
incluyen en esta también los tanque
refrigerados.
Los escenarios que se deben considerar a la
hora de calcular la capacidad del venteo en un
tanque de almacenamientos son los
siguientes:
•
Para realizar el análisis serán necesarios una
serie de valores de temperaturas, latitudes,
flujos de líquido, cambios de temperatura,
posibles eventos no deseados (incendios,
etc.).
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Proceso de llenado y/o vaciado del
tanque.
Cambios de presión y temperatura en
el ambiente.
Exposición del tanque a fuego, lo que
genera un aumento considerable de
presión dentro del tanque.
Fallos o bloqueos en operación.
•
4
Inhalación al tanque por salida de
líquidos debido al desplazamiento
volumétrico
(efectos
de
la
transferencia del líquido).
Inhalación
al
tanque
por
condensación de vapores en el
espacio de vapor del tanque (efecto
térmico) debido a un descenso de la
temperatura del medio ambiente –
Thermal Inbreathing.
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•
•
Exhalación del tanque por entrada de
líquidos
y
desplazamiento
volumétrico
(efectos
de
la
transferencia del líquido).
Exhalación
del
tanque
por
evaporación de líquidos en el espacio
de vapor del recipiente (efecto
térmico) debido a un aumento de la
•
temperatura del medio ambiente –
Thermal Outbreathing
Venteo de emergencia por exposición
al fuego.
Evaluando y calculando las capacidades de los
05 escenarios indicados previamente se
combinarán para obtener las capacidades
totales de venteo requeridas tanto por
inhalación como por exhalación.
4 AJUSTE DE VALVULA PV, PARA EVITAR PERDIDAS POR
EVAPORACION EN LA FASE DE REPOSO.
Para realizar el ajuste a la válvula PV, se debe
realizar un estudio de evaporación con data
recolectada en el periodo del manejo del
tanque, para ello es necesario recolectar data
en
campo,
laboratorios,
registros
operacionales, etc. Para efecto de esta
publicación solo se indicarán de forma
general, la data requerida:
las perdidas por evaporación en los tanques
de almacenamiento atmosféricos).
Luego de obtener los resultados, DELOT
permite realizar sensibilizaciones a ciertas
variables que afectan sensiblemente las
perdidas por evaporación. Como ejemplo se
tomó un estudio para efecto de esta
publicación, se le suprimió información
confidencial, para poder presentar el artículo.
En este caso en la Fig. 5, se puede observar
como a medida que se aumenta el setting de
la válvula se van disminuyendo las perdidas,
hasta el punto donde se observa que la curva
se mantiene constante sin variación, esa
constante representa las pérdidas de
evaporación por el efecto del trabajo, el cual
no se pueden eliminar, siempre van existir.
a.
b.
c.
d.
Data características físicas del Tanque
Data condiciones físicas del tanque
Data de Ingeniería del Tanque
Data científica para determinar la
transferencia de calor
e. Propiedades termodinámicas del
producto
f. Data de condiciones operacionales
g. Data de manejo operacional
h. Data de condiciones atmosféricas
durante las operaciones del tanque
i. Ubicación física del Tanque
Para lograr esa disminución con DELOT, se
sensibilizo la variable del setpoint de la
válvula PV, el cual consistió, que a medida que
se aumentaba el punto de apertura del disco
de la válvula lado presión, se afectaba
directamente al “Factor de Expansión del
Espacio de Vapor KE”. esta acción arroja como
Luego de obtener la data se requiere un
estudio y análisis de la misma, para luego
cargar está en DELOT (es un programa
computarizado que facilita la estimación de
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resultado, la disminución o eliminación de las
perdidas por evaporación en la fase de
almacenamiento. En otras palabras, en
configuraciones de venteo suficientemente
altas, el rango de configuración de la presión
de venteo de la válvula PV, puede volverse lo
suficientemente grande como para dar como
resultado un valor calculado negativo del
factor KE. Esto indica que los ajustes de venteo
son lo suficientemente altos como para no
abrirse durante el ciclo de respiración diario,
y la pérdida de almacenamiento permanente,
debe tomarse como valor cero ( LS = 0).
Es necesario antes de cambiar el setting de la
válvula PV, se debe conocer que el tanque
pueda operar y trabajar con las presiones
calculadas y a su vez debe cumplir con las
presiones establecidas por el API 650, que
para tanques atmosféricos estas no deben ser
mayor a 18 kPa (2 ½ psi), para evitar daños
físicos al tanque como deformación,
explosión o colapso. Para ello API 650 brinda
en su APPENDIX F—“DESIGN OF TANKS FOR
SMALL INTERNAL PRESSURES” las condiciones
de diseño y fabricación para que el techo del
tanque pueda trabajar a la presión requerida.
Fig. 5 Breather Vent Pressure Setting (psi)
La ventaja de aumentar el setting de la válvula
PV, es que a medida que la temperatura de la
superficie del líquido aumenta durante el
ciclo de calentamiento diario, porque durante
las horas diurnas, el tanque está expuesto al
calentamiento ambiental tanto por insolación
solar como por intercambio de calor
convectivo con el aire ambiental. El techo del
tanque está expuesto a la insolación solar
directa y difusa, así como al intercambio de
calor por convección con el aire ambiente, se
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evapora un stock adicional al tratar de
establecer condiciones de saturación por
encima de la superficie del líquido, el
movimiento del stock de vapor va desde la
superficie del líquido hacia el área debajo de
la válvula PV, y finalmente a través de ella,
cuando la presión del stock excede el ajuste
de presión de válvula PV. En este caso en
particular el ajuste del setting de la válvula PV
resultado del estudio, contrarresta la presión
del stock, logrando mantener el vapor
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confinado dentro del tanque y durante las
horas nocturnas, el techo del tanque y la
carcasa intercambian calor por transferencia
de calor, por convección con el aire ambiente,
sin que haya insolación solar, dando como
resultado, baja de la temperatura del stock y
este comienza a condensarse, regresando así
de nuevo el vapor saturado al producto.
superior a 0,1 psia, para ello se debe calcular
el factor de expansión del espacio de vapor KE,
definida para esos casos y así lograr obtener
cálculos más precisos.
4.1 Factor De Expansión del Espacio
de Vapor KE
El factor de expansión del espacio de vapor
representa la relación entre el volumen
expelido de la mezcla aire-vapor durante un
ciclo diario de respiración, y el volumen del
espacio físico de vapor del tanque.
Se recomienda el ajuste del setting de la
válvula PV, en los casos en que el stock del
líquido tenga una PV (presión de vapor real)
Ing. Edwin Reyes, Autor
de DELOT, herramienta
computacional
para
determinar las perdidas
por evaporación de
petróleo
y
sus
derivados, con más de
34 años de experiencia en actividades de
ingeniería, mantenimiento, construcción de
instalaciones de superficie y gestión
gerencial.
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