TFG
Diseño de sistemas de relicuefacción/relicuación en buques gaseros de LPG.
Trabajo Fin de Grado
Grado en Arquitectura Naval e Ingeniería de Sistemas Marinos
Universidad Politécnica de Cartagena 2019
Autor: Antonio Costa Sánchez Tutor: Juan Pedro Luna Abad
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Índice General
CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN ... 9
1. JUSTIFICACIÓNDELPROYECTO ... 9
2. OBJETIVOSDELPROYECTO ... 10
3. FASESDELPROYECTO ... 10
CAPÍTULO 2. TRANSPORTE DE GLP ... 12
1. TIPOSDETRÁFICO ... 12
1.1. TRÁFICOS TRAMP. ... 12
1.2. SERVICIOS DE LÍNEAS REGULARES. ... 13
2. RUTASDETRANSPORTE ... 13
2.1. SITUACIÓN DEL TRÁFICO MARÍTIMO DE PETRÓLEO EN ESPAÑA. ... 14
CAPÍTULO 3. EL BUQUE Y SUS CARACTERÍSTICAS ... 15
1. ELBUQUETANQUE ... 17
1.1. CARACTERÍSTICAS COMUNES A LOS BUQUES TANQUE DE TRANSPORTE DE GAS. ... 17
2. ELGASYSUTRANSPORTE ... 19
2.1. CLASIFICACIÓN DE LOS BUQUES POR PRODUCTOS Y VOLÚMENES A TRANSPORTAR. ... 20
2.1.1. Buques de LPG totalmente presurizados. ... 21
2.1.2. Buques de LPG semirefrigerados y a presión. ... 21
2.1.3. Buques de LPG semipresurizados/totalmente refrigerados. ... 22
2.2. TANQUES INDEPENDIENTES. ... 22
2.3. TANQUES INTEGRADOS. ... 27
3. CARGAYDESCARGADELGAS ... 29
4. MANTENIMIENTOYCONSERVACIÓNDELGAS ... 31
CAPÍTULO 4. GASES LICUADOS DEL PETRÓLEO ... 34
3
1. TIPOSYCARACTERÍSTICAS. ... 35
1.1. PROPIEDADES. ... 36
2. COMPOSICIÓNDEGLP ... 36
3. OBTENCIÓNDELPG ... 36
3.1. LPG EN REFINERÍAS. ... 37
3.2. LPG A PARTIR DE GAS NATURAL. ... 37
4. RENDIMIENTOSDEPROCESOCATALITÍCO ... 38
CAPÍTULO 5. SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE. ... 39
1. BASEDEDATOS ... 40
2. ESTIMACIÓNDELDESPLAZAMIENTO ... 41
3. COEFICIENTESYDIMESIONESSECUNDARIAS ... 44
3.1. ESLORA EN FLOTACIÓN. ... 44
3.2. COEFICIENTE DE BLOQUE. ... 44
3.3. COEFICIENTE DE LA MAESTRA O SECCIÓN MEDIA. ... 46
3.4. COEFICIENTE PRISMÁTICO LONGITUDINAL... 47
3.5. COEFICIENTE DE LA FLOTACIÓN. ... 48
3.6. POSICIÓN LONGITUDINAL DEL CENTRO DE CARENA. ... 50
4. DIMENSIONESFINALESDELAALTERNATIVASELECCIONADAS ……….50
CAPÍTULO 6. ESCANTILLONADO DE LA CUADERNA MAESTRA. ... 52
1. ESTRUCTURASEGÚNELBUQUE ... 53
1.1. ZONA CENTRAL. ... 53
1.2. ZONA DE CÁMARA DE MÁQUINAS. ... 54
1.3. ZONA DE PROA Y POPA. ... 54
2. CÁLCULODELESCANTILLONADO ... 55
2.1. ESCANTILLONADO DE LA PLANCHA DE CUBIERTA. ... 55
2.2. ESCANTILLONADO DE LA PLANCHAS DE COSTADO. ... 56
2.3. ESCANTILLONADO DE LA UNIÓN COSTADO-PANTOQUE. ... 58
2.4. ESCANTILLONADO ZONA TRACA DE CINTA. ... 60
2.5. ESCANTILLONADO DE FONDO. ... 60
2.6. ESCANTILLONADO DE QUILLA. ... 61
4
CAPÍTULO 7. TEORÍA DE LAS INSTALACIONES BASICAS DE
PRODUCCIÓN DE FRÍO. ... 63
1. INSTALACIONESFRIGORÍFICASDECOMPRESIÓNSIMPLE ... 63
1.1. DIAGRAMAS TERMODINÁMICOS PARA EL ESTUDIO DE CICLOS FRIGORÍFICOS... 64
1.2. PROCESOS DE COMPRESIÓN SIMPLE. ... 65
1.3. ESTUDIO DE LOS PROCESOS EN EL CICLO DE COMPRESIÓN SIMPLE. ... 66
2. SISTEMASDECOMPRESIÓNMULTIPLE... 72
2.1. COMPRESIÓN MÚLTIPLE DIRECTA. ... 73
2.1.1. Rendimiento volumétrico. ... 73
2.1.2. Desrecalentamiento entre etapas. ... 73
2.2. DESRECALENTAMIENTO MEDIANTE UN AGENTE EXTERNO. ... 74
2.2.1. Desrecalentamiento mediante un agente interno. ... 75
2.2.1.1. Expansión escalonada ... 76
2.2.1.2. Inyección de líquido con intercambiador de superficie. ... 77
3. SISTEMASDECOMPRESIONMÚLTIPLEINDIRECTA. REFRIGERACIONENCASCADA. ... 78
3.1. ANÁLISIS TEÓRICO. ... 80
3.2. ANÁLISIS REAL. ... 80
CAPÍTULO 8. SELECCIÓN DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN. ... 82
1. COMPRESOR. ... 83
1.1. COMPRESORES ALTERNATIVOS. ... 83
1.2. COMPRESORES ROTATIVOS. ... 85
1.3. COMPRESORES DE TORNILLO. ... 86
1.4. TURBO COMPRESORES. ... 88
2. CONDENSADORES ... 89
2.1. CONDENSADORES REFRIGERADOS POR AIRE. ... 90
2.2. CONDENSADORES REFRIGERADOS POR AGUA. ... 91
2.2.1. Condensador refrigerado por agua de doble tubo. ... 92
2.2.2. Condensador de carcasa o serpentín. ... 92
2.2.3. Condensadores de carcasa y tubos... 93
2.3. CONDENSADORES EVAPORATÍVOS ... 93
5
3. EVAPORADORES ... 95
3.1. EVAPORADORES SEGÚN EL TIPO DE FUNCIONAMIENTO. ... 95
3.1.1. Evaporadores de expansión seca. ... 95
3.1.2. Evaporadores inundados. ... 96
3.2. EVAPORADORES SEGÚN EL TIPO DE CONSTRUCCIÓN. ... 98
3.2.1. Evaporadores de tubo liso... 98
3.2.2. Evaporadores de placas. ... 99
3.2.2.1. Evaporadores de tubos entre chapas. ... 99
3.2.2.2. Evaporadores de chapas estampadas. ... 99
3.2.3. Evaporadores de aletas. ... 100
3.3. CLASIFICACIÓN DE EVAPORADORES SEGÚN ESTADO DE LA MATERIA A ENFRIAR……….... 101 3.3.1. Evaporadores para el enfriamiento de sólidos. ... 101
3.3.2. Evaporadores para enfriamiento de gases. ... 101
3.3.2.1. Evaporadores de convección natural. ... 101
3.3.2.2. Evaporadores de convección forzada. ... 102
3.3.3. Evaporadores para el enfriamiento de líquidos. ... 103
3.3.3.1. Evaporadores de doble tubo. ... 103
3.3.3.2. Enfriadores Baudelot. ... 103
3.3.3.3. Enfriador de tanque. ... 103
3.3.3.4. Enfriador de carcasa y serpentín. ... 104
3.3.3.5. Evaporadores para enfriamiento de líquidos de carcasa y tubos. . 105
3.3.3.6. Evaporadores de tipo atomizador. ... 105
3.4. ESCARCHA EN LOS EVAPORADORES. ... 106
3.4.1. Desescarche por pulverización o lluvia. ... 106
3.4.2. Descongelación por los gases calientes. ... 107
3.4.3. Desescarche por resistencias eléctricas. ... 107
4. VÁLVULASDEEXPASIÓN. ... 107
4.1. VÁLVULAS REGULADORAS DE CAUDAL. ... 107
4.1.1. Válvulas de expansión manual. ... 108
4.1.2. Válvulas de expansión automática. ... 108
4.1.3. Válvulas de expansión termostática. ... 109
6
4.1.4. Válvulas de flotador... 110
4.1.4.1. Válvulas de flotador de baja presión. ... 110
4.1.4.2. Válvulas de flotador de alta presión. ... 111
4.2. VÁLVULAS RESTRICTORAS O CAPILARES. ... 112
CAPÍTULO 9. REFRIGERANTES Y SU SELECCIÓN ... 113
1. CLASIFICACIÓNDELOSREFRIGERANTES. ... 113
1.1. CLASIFICACIÓN DE FORMA GENERAL. ... 114
1.2. CLASIFICACIÓN SEGÚN EL FLUIDO. ... 114
1.3. CLASIFICACIÓN SEGÚN LA PRESIÓN DE TRABAJO. ... 115
1.4. CLASIFICACIÓN SEGÚN REGLAMENTO DE SEGURIDAD PARA PLANTAS E INSTALACIONES FRIGORÍFICAS. ... 115
1.5. CLASIFICACIÓN DE SEGURIDAD ANSI/ASHRAE. ... 116
2. CARACTERÍSTICASDELOSREFRIGERANTES. ... 117
2.1. CARACTERÍSTICAS FÍSICAS, QUÍMICAS Y TERMODINÁMICAS. ... 117
2.2. CARACTERÍSTICAS DE SEGURIDAD. ... 117
2.2.1. Toxicidad. ... 117
2.2.2. Inflamabilidad y explosividad. ... 118
2.3. CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO. ... 118
2.3.1. Efecto de la humedad. ... 118
2.3.2. Relaciones refrigerante-aceite. ... 118
3. ELECCIÓNDELOSFLUIDOSREFRIGERANTES. ... 119
3.1. FLUIDO REFRIGERANTE PRINCIPAL. ... 120
3.1.1. R-404A ... 120
3.1.2. R-507A ... 120
CAPÍTULO 10. CÁLCULO DE LA INSTALACIÓN ... 122
1. CÁLCULODELCOEFICIENTEDETRANSMISIÓNDELCALORPOR CONVECCIÓN. ... 122
1.1. CÁLCULOS DEL COEFICIENTE DE TRANSMISIÓN DEL CALOR POR CONVECCIÓN LIBRE DEL NITRÓGENO. ... 124
1.1.1. Módulo A. ... 127
1.1.2. Módulo B. ... 128
7
1.1.3. Modulo C. ... 130
1.1.4. Módulo D. ... 131
1.1.5. Módulo E. ... 132
1.2. CÁLCULOS DEL COEFICIENTE DE TRANSMISIÓN DEL CALOR POR CONVECCIÓN LIBRE DEL ETILENO. ... 134
1.2.1. Paredes Verticales... 136
1.2.2. Paredes inclinadas superiores. ... 137
1.2.3. Paredes inclinadas inferiores. ... 138
1.2.4. Pared suelo. ... 139
1.2.5. Pared techo. ... 140
1.2.6. Pared Cofferdam. ... 141
1.3. CÁLCULOS DEL COEFICIENTE DE TRANSMISIÓN DEL CALOR POR CONVECCIÓN FORZADA. ... 143
1.3.1. Cálculo en zona del Aire: ... 144
1.3.2. Cálculo en zona de Agua ... 145
2. CÁLCULOSDELOSFLUJOSDECALORPORCONDUCCIÓN. ... 146
3. CALCULODELASCARGASTÉRMICAS. ... 153
CAPÍTULO 11. CICLOS FRIGRORÍFICOS ... 154
1. CICLOFRIGORÍFICODER-404A ... 154
2. CICLOFRIGORÍFICODEETILENO ... 159
CAPÍTULO 12. SELECCIÓN DE EQUIPOS PRINCIPALES ... 165
1. SELECCIÓNDELCOMPRESOR ... 165
1.1. COMPRESORES EN CICLO DE ETILENO ... 165
1.2. COMPRESORES DE R-404A ... 167
2. SELECCIÓNDELCONDENSADOR ... 169
2.1. CONDENSADOR DE ETILENO ... 170
2.2. CONDENSADOR DE R-404A ... 170
3. EVAPORADORES. ... 171
CAPÍTULO 13. DISEÑO DE TUBERIAS ... 172
1. CARACTERÍSTICAS ... 172
1.1. TUBERÍA DE ASPIRACIÓN ... 173
8
1.2. TUBERÍA DE DESCARGA ... 174
1.3. TUBERÍAS DE LÍQUIDO ... 174
2. DIMENSIONAMIENTODELASTUBERÍASPARAREFRIGERANTES ………...174
3. ACEPTACIONDELASPERDIDASDECARGA ... 178
3.1. TUBERÍAS DE LÍQUIDO ... 178
3.2. TUBERÍA DE DESCARGA ... 178
3.3. TUBERÍAS DE ASPIRACIÓN ... 179
4. CÁLCULODELDIAMETRODELASTUBERÍAS ... 179
NOMENCLATURA ... 183
BIBLIOGRAFÍA ... 186
ANEXO 1. ... 187
ANEXO 2. ... 190
ANEXO 3. ... 195
ANEXO 4. ... 201
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CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN
1. JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO
La aplicación de instalaciones de frío en buques de transporte de gas licuado es esencial debido a que para el transporte del gas es necesario que esté a cierta temperatura y presión para poder llevar a cabo su mantenimiento en condiciones de transporte; por ello, es importante que el gas sea transportado en estado líquido, ya que disminuye su volumen y es posible transportar mayor cantidad que en estado gaseoso, también por razones de seguridad, este método es el único viable y seguro de transportar tanto por mar como por tierra.
Para llevar a cabo este proceso es necesario equipar los buques con tanques y sus respectivas instalaciones frigoríficas.
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2. OBJETIVOS DEL PROYECTO
Los objetivos del proyecto diseño de sistemas de relicuefacción/relicuación en buques gaseros LPG son los siguientes:
1. Tipos de Buques.
2. Tipos de transporte.
3. Selección de buques y tipo de tanques.
4. Estimación de las cargas térmicas.
5. Diseño de la instalación.
6. Selección de equipos primarios y secundarios.
7. Estimación del coste de la instalación.
3. FASES DEL PROYECTO
El presente trabajo se trata de diseñar el sistema de frío para licuar el gas formado en los tanques de almacenaje de los buques que transportan LPG.
1. Búsqueda bibliográfica y de normativa aplicable a las diferentes instalaciones frigoríficas en buques de transporte de gas.
2. Seleccionar el tipo de buque y carga que va ser usada en la instalación.
3. Determinación de las dimensiones del buque, número de tanques y espacios necesarios para la ubicación de la instalación de frío.
4. Calcular del escantillonado en la cuaderna maestra.
5. Estimación de las cargas térmicas a considerar.
6. Determinar el tipo de aislante a usar.
7. Determinación del ciclo termodinámico de la instalación.
8. Elección de los elementos principales y secundarios.
9. Dimensionamiento del condensador.
10. Estimación del coste.
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El buque seleccionado para el presente proyecto tendrá las siguientes especificaciones:
Clasificación: NKK-NS* (LGC 2G, PSPC-WBT) (ESP) (IWS) (PSCM), MNS*, NOx-III y Lloyd´s Register “Rules and Regulations for the Classification of Ships”.
Eslora: 230 m.
Eslora entre perpendiculares: 219 m.
Manga: 36,6 m.
Puntal: 20,4 m.
Calado: 10,6 m.
Arqueo bruto (GT): 44.868 t.
Peso muerto (DWT): 48.495 t.
Capacidad de tanques: 84344,11 m3.
Numero de tanques: 4.
Velocidad: 16,7 nudos.
Potencia: 16.800 BHP.
Habilitación y alojamiento: 31 Tripulantes.
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CAPÍTULO 2. TRANSPORTE DE GLP
En este capítulo se describe de manera general el tipo de servicio de transporte en el tráfico marítimo, donde existen dos modalidades de prestación de servicio según la carga.
También se hará mención de las rutas generales del transporte de petróleo y los principales de llegada en España, donde es tratado el petróleo para fraccionarlo y obtener los gases licuados del petróleo.
1. TIPOS DE TRÁFICO
1.1. Tráficos Tramp.
En estos tipos de tráficos las mercancías que transportan son, en general, productos con escasa elaboración y de un valor pequeño, menos de 500 dólares/tonelada. En el comercio de estos productos lo ideal es reducir al mínimo el coste de transporte por unidad de carga. Por este motivo en este tipo de tráfico las mercancías se transportan en grandes partidas, de decenas incluso de cientos de miles de toneladas, y en la mayor parte de los casos a granel.
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Las distancias son relativamente muy grandes, por lo tanto, el transporte de productos del petróleo como en nuestro caso, se transporta en tráfico tramp. Estos servicios de transporte se contratan para pocos viajes, quedando el buque libre para contratar el transporte de otra mercancía para otro puerto cualquiera, llevando de este modo una vida errante.
Los buques utilizados en este tipo de tráfico se proyectan para transportar un tipo de carga a granel en condiciones de seguridad y de economía.
1.2. Servicios de líneas regulares.
Las mercancías que transportan tienen un valor específico, por unidad de peso o volumen, mayor que en tráfico tipo tramp. Por este motivo, las partidas comerciales tienen un menor tamaño, por lo que resultaría imposible tener una mercancía del volumen suficiente para llenar un buque completo, por lo que se transportan en buques de
“servicios regulares” con itinerarios predeterminados. El transporte de las mercancías en este tipo de servicio es de un coste mayor debido al mayor coste de la manipulación de la carga, transportándose embaladas y además requieren un cuidado especial para evitar su deterioro.
2. RUTAS DE TRANSPORTE
Debido a que el gas licuado del petróleo es un subproducto del petróleo o del gas natural no tiene rutas de transporte fijas. Esto se debe a que la gran parte del gas se produce en refinería y posteriormente se transporta para distribuirlo donde se haya solicitado su demanda. Es de gran interés nombrar las principales rutas de distribución del petróleo y así se puede hacer una breve estimación de la distribución del gas licuado del petróleo.
Las principales rutas del transporte de petróleo son las que proceden de Oriente Medio, África Occidental, Norte de África y Caribe hacia Europa, Japón y Norte América.
En estas rutas se está haciendo un hueco China, que, por su crecimiento económico, está aumentando su demanda externa de petróleo.
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2.1. Situación del tráfico marítimo de petróleo en España.
Rusia, Irán, Arabia Saudí y México, son los países que distribuyen petróleo a España, de mayor a menor cantidad, respectivamente al orden nombrado. En las importaciones de productos del petróleo Italia es nuestro mayor suministrador, seguida de Reino Unido, EE. UU y Rusia.
En las exportaciones de productos del petróleo donde EE. UU es el principal destino, seguido de México, Francia, Portugal, Holanda e Italia.
En España existen diez refinerías pertenecientes a tres grupos empresariales (Figura 2.1). En España la gran parte de las refinerias, excepto la de Puertollano, se encuentran en el litoral; las refinerías de la península se conectan a las redes de oleoductos de productos.
Figura 0.1: Mapa de refinerías.
Las rutas principales de los buques que transportan productos del petróleo o petróleo exportado o importado a España son las que conectan los puertos españoles en los que existe refinería con estos destinos internacionales. Independientemente del tráfico marítimo en puertos españoles, nuestras costas están siempre sujetas al tráfico internacional de buques petroleros que navegan por los dos dispositivos de separación de tráfico internacionales que hay en nuestras aguas: Finisterre y el Estrecho de Gibraltar.
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CAPÍTULO 3. EL BUQUE Y SUS CARACTERÍSTICAS
Según el libro “El proyecto básico del buque mercante” [2]. En los primeros buques de dimensiones pequeñas, las cubas, en general eran cilíndricas y se colocaban en las bodegas como si fueran botellas de grandes dimensiones. Los gases que contenían eran gases calientes, es decir que habían sido licuados por compresión a temperatura ambiente.
Los reglamentos exigían una prueba de los depósitos que correspondieses a una temperatura de servicio teórico de 45ºC, de tal manera que las cubas, construidas para resistir fuertes presiones, eran muy pesadas; algunas veces pesaban la mitad de su contenido. El inconveniente del sistema residía en que teóricamente resultaba muy difícil construir tanques grandes, mientras que las leyes de mercado exigían capacidades de transporte cada vez mayores.
Para reducir el problema del transporte y adaptarse a las leyes de mercado se aplicaron en los buques dos técnicas que permitían al buque poder explotar el transporte al máximo. Estas técnicas llamadas semirefrigerada y refrigerada, donde en la técnica refrigerada la carga de gases licuados se transportan a la presión atmosférica y a su temperatura de ebullición correspondiente. Por otro lado, la técnica semirefrigerada en
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general trabaja a presión de trabajo proyectada, con independencia de la carga que se transporta, y la temperatura de la carga debe regularse para que esté próxima al punto de ebullición correspondiente a la presión de trabajo.
La técnica llamada “semirefrigerada” y la técnica “refrigerada”, permitieron reducir el coste de los materiales y aumentar considerablemente la capacidad de los tanques, por lo tanto, de disminuir el coste del transporte.
En 1959 se puso en servicio el primer buque del mundo de tipo semirefrigerado; sus tanques cilíndricos alargados (en total 930 metros cúbicos), en la bodega del buque, podían transportar un producto líquido en condiciones de presión y temperaturas intermedias. El “Descartes”, fue rápidamente seguido por 30 buques del mismo tipo. Se dió un paso decisivo con la puesta en servicio, en 1961, del “Tridina” (10.270 metros cúbicos), reconvertido para el transporte de butano líquido a presión atmosférica. Este buque abrió el camino a los grandes buques actuales, y entre ellos el “Gay Lussac”, construido bajo la certificación de Bureau Veritas y recibiendo la mejor calificación.
En esta última generación de buques, y debido a su forma paralepipédica o prismática, los tanques de carga han sido proyectados de manera que ocupan lo mejor posible el volumen de las bodegas. Se trata de grandes tanques auto-sustentadores que descansan sobre una especie de amortiguadores situados en el fondo de la bodega y lo mismo que los depósitos cilíndricos de los primeros buques, sustentan su propio peso además del peso de la carga.
En el ámbito de los depósitos auto-sustentadores, al cual pertenecen todos los buques para el transporte LPG actualmente en servicio, hay una técnica de transporte particular puesta a punto por primera vez a bordo del “Pascal”, botado en Marzo de 1967. En efecto, el “Pascal” fue el primer barco capaz de recibir indistintamente una carga total o parcialmente refrigerada y que podía incluso cargar un producto caliente refrigerándolo durante el viaje. Sus depósitos y sus tuberías de carga se construyeron con un acero especial que soporta temperaturas que pueden bajar hasta -50º C y, al mismo tiempo, los tanques puedan aguantar presiones de hasta 6 bar, de tal manera que el barco reúne las ventajas de ambos modos de transporte refrigerado y semirefrigerado. El resultado es una adaptabilidad a la explotación que permite cargar o descargar el producto en cualquier
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almacenamiento. El “Pascal” tiene seis depósitos cilíndricos horizontales, que totalizan una capacidad de 6250 m3.
De todos modos, la elección entre los diferentes modos de transporte posibles (presión total, semirefrigerado o refrigerado), depende de varios factores, uno de ellos referente al buque, la dimensión del buque, el precio de los depósitos, de los materiales de aislamiento y de las instalaciones de refrigeración, los demás factores referentes a las condiciones económicas de conjunto de los tráficos previstos. El buque a presión máxima resulta económico para unidades pequeñas, que no sean superiores a 1000 m3: el buque semirefrigerado es sobre todo rentable para capacidades entre 2000 m3 y 6000 m3; para capacidades superiores, la técnica refrigerada es la más económica.
1. EL BUQUE TANQUE
El buque a analizar en el presente proyecto tiene los tanques totalmente refrigerados y a presión atmosférica. Dicho buque dispone de cuatro tanques, a lo largo de la eslora, por ello debe tener unas elevadas restricciones de seguridad tanto para la tripulación como para el buque, con unas buenas condiciones para el mantenimiento de los equipos, el trabajo de los tripulantes, etc. Para cumplir esas exigencias, todo buque tanque que transporta sustancias con alta peligrosidad tiene que tener unas características y unas necesidades de seguridad en la instalación de frío.
1.1. Características comunes a los buques tanque de transporte de gas.
Muy alta tecnología y sofisticado por lo que tiene un alto costo de construcción.
Transportan gas en estado líquido a temperaturas de hasta -163ºC y a una presión correspondiente a la temperatura exigida.
El buque gasero se caracteriza por la forma de sus tanques, en general esférico o cilíndrico para los tipos presurizados o mixtos, los que van alojados dentro de la estructura del casco.
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En buques refrigerados, tienen un sistema de doble casco, siendo el interno de tipo membrana, comportándose como tanque.
En general, son buques de buena velocidad y disponen de sistema de inertizado. El inertizado consiste en reemplazar el aire del interior del depósito por un gas inerte, con la finalidad de evitar la formación de una mezcla inflamable.
Se clasifican en cuatro tipos; completamente presurizados, semirefrigerado y a presión atmosférica, semipresurizados/totalmente refrigerado, y a presión atmosférica/totalmente refrigerados. En nuestro proyecto nos basamos en el tipo a presión atmosférica/totalmente refrigerada.
Los buques LPG totalmente presurizados, considerando el sistema de contención y el equipo de manejo de la carga, son los de construcción más sencilla, porque transportan la carga a temperatura ambiente. No precisan ningún aislante térmico, ni planta de relicuefacción.
Los buques LPG semipresurizados/totalmente refrigerados, este tipo de buques se han desarrollado para el transporte de una gran variedad de gases como; cloruro de vinilo monómero, propano y butano. En este tipo de buque sus tanques no requieren barrera secundaria.
Los buques LPG a presión atmosférica y totalmente refrigerados llevan su carga a presión atmosférica y en consecuencia requieren una planta de re- licuación y aislamiento de los tanques, en este caso requieren una barrera secundaria.
Los buques LPG semirefrigerados y a presión son la evolución tecnológica de los buques totalmente presurizados, no requieren barrera secundaria y el espacio de bodegas o espacios huecos se ventila con aire.
La cámara de máquinas de estos buques se sitúa siempre a popa.
El espacio de la carga está distribuido a lo largo de la zona central del buque, con cofferdam a proa y popa. Donde cofferdam es un espacio estanco entre compartimentos de carga, en algunos casos va relleno con sustancias, que aumentan su volumen al penetrar el agua en ellos, conteniendo de esta manera el agua que se pueda filtrar en caso de averías.
El espacio de alojamientos situados a popa de la zona de carga.
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Los locales de servicios, situados a proa y popa.
Los espacios de control situados en la cubierta de intemperie y, normalmente, sobre la zona de carga.
Los locales de la planta de relicuación, también situados en la cubierta de intemperie.
Los tanques de lastre, tanques de combustible líquido y otros espacios libres del gas, que pueden ir conectados a bombas situadas en la cámara de máquinas.
Son buques de alta relación manga-puntal, de gran francobordo y gran capacidad de lastre, llegando a tener cerca del 50% del peso muerto.
Las formas exteriores de los LPG son similares a la de los petroleros de volumen equivalente, aunque con mayor obra muerta por tener densidades de carga más bajas.
La propulsión es propulsión diésel convencional.
Los requisitos básicos de diseño del buque LPG son los tipos y volúmenes de la carga a transportar, que fijan las condiciones de transporte, presión y temperatura de proyecto y el grado de flexibilidad en el manejo de la carga.
Las condiciones de carga más restrictivas suelen ser en lastre, completamente cargado con la carga de mayor densidad, completamente cargado con dos segregaciones, algún tanque parcialmente lleno.
2. EL GAS Y SU TRANSPORTE
En el presente trabajo utilizamos gas licuado del petróleo (GLP), en inglés Liquefied Petroleum Gas (LPG), es la mezcla de gases disueltos en el petróleo o presentes en el gas natural. Los componentes del LPG, son gases fáciles de condensar y en la práctica los LPG son una mezcla de butano y propano. El butano y propano se encuentran en el crudo del petróleo y el gas natural, aunque una parte se obtiene durante el refino de petróleo, sobre todo como subproducto de la destilación fraccionada catalítica (FCC, Fluid Catalytic Cracking).
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2.1. Clasificación de los buques por productos y volúmenes a transportar.
Para el transporte de LNG y de LPG se pueden utilizar las siguientes clases de tanques:
Tanques independientes: Tipo A, Tipo B y Tipo C.
Tanques integrados: De membrana, de semimembrana y de aislamiento interno.
Se puede afirmar que un buque con tanques construidos para transportar gases hasta -50ºC puede hacerlo para cualquier gas licuado (excluidos el etileno y el gas natural) son los LPG, aunque en casos especiales como es en el presente trabajo si se puede, por otro lado, en buques LNG se puede transportar a -163ºC.
La primera clasificación de los buques transporte de gases licuados, es corolario de lo antedicho:
Buques LNG o LPG para etileno y LNG para el gas natural (temperaturas de -104ºC o -163ºC, respectivamente), donde en este proyecto se estudia el buque LPG para el transporte de etileno.
Buques LPG, para los restantes gases, que se podrían transportar a temperatura ambiente y a presión. Por limitaciones tecnológicas o económicas en los espesores de pared de los tanques, el transporte a presión se ha limitado al butano, butadieno y cloruro de vinilo monómero, que requieren a -45ºC y 8 kg/cm2 de presión. El propano requiere 16 kg/cm2, el amoniacio anhídrido 18 kg/cm2, el polipropileno 20 kg/cm2, etc. Debido a la elevada presión se transportan refrigerados o de forma mixta, semirefrigerados y a presión.
En base a lo anterior y ciñéndose exclusivamente a los buques de transporte LPG se pueden establecer las categorías siguientes, de acuerdo con las condiciones térmicas de transporte de las cargas en los distintos tipos de tanques.
Buques LPG totalmente presurizados.
Buques LPG semirefrigerados y a presión.
Buques LPG semipresurizados/totalmente refrigerados.
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Buques LPG a presión atmosférica y totalmente refrigerados (Esta alternativa es la aplicada al presente proyecto, también válida para buque LNG).
2.1.1. Buques de LPG totalmente presurizados.
Considerando el sistema de contención y el equipo de manejo de la carga, son los de construcción más sencilla, porque transportan la carga a temperatura ambiente. No precisan ningún aislante térmico, ni planta de relicuación. La descarga se realiza por medio de bombas y compresores. El sistema de contención está basado en tanques tipo C, cuya recipientes a con una presión de proyecto es 17,5 bares correspondiente a la presión de vapor del propano a 45ºC. Sin embargo, existen en servicio buques totalmente presurizados con presiones más altas entre 18 y 20 bares.
Los tanques de los buques presurizados son muy robustos, debido a las altas presiones de proyecto, por eso sólo se construyeron buques pequeños con capacidades de carga inferiores a 4000 m3, para el transporte de LPG y amoniaco.
2.1.2. Buques de LPG semirefrigerados y a presión.
Son la evolución tecnológica de los buques totalmente presurizados. Incorporan tanques tipo C, estando en este caso proyectados para una presión máxima entre 5 y 7 bares. Los buques alcanzan capacidades de hasta 12.000 m3 y se usan principalmente para el transporte de LPG. Comparados con los buques totalmente presurizados, los tanques son de menor espesor, por soportar una menor presión, pero precisan de planta de relicuación y los tanques han de estar aislados. El material de los tanques es de acero de grano fino o con bajo contenido en Níquel (<0,5%), capaces de resistir temperaturas de - 10ºC. Los tanques tienen formas esféricas, cilíndricas, troncocónicas o bilobuladas.
El lastre se lleva en en tanques laterales superiores y dobles fondos. Como estos buques llevan un sistema de contención tipo C, no se requiere barrera secundaria y el espacio de bodegas o espacios huecos se ventila con aire.
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2.1.3. Buques de LPG semipresurizados/totalmente refrigerados.
Su capacidad de carga no suele ser superior a 20.000 m3. Este tipo de transporte se ha desarrollado para el transporte de una gran variedad de gases como LPG, cloruro de vinilo de monómero, propano y butano, utiliza tanques del tipo C y por tanto no requieren de una barrera secundaria.
Los tanques se construyen de aceros con 0,5% de níquel, ya que han de ser capaces soportar temperaturas de -48ºC adecuadas para la mayoría de cargamentos de LPG y gases químicos. El sistema de carga de estos buques está proyectado para cargar o descargar gas presurizado o refrigerado hacia las instalaciones de la terminal.
2.1.4. Buques de LPG a presión atmosférica y totalmente refrigerados.
Este tipo de buque, que además pueden transportar amoniaco, tienen una capacidad de carga entre 20.000 m3 y 100.000 m3, lleva su carga a la presión atmosférica y en consecuencia requieren una planta de relicuación y el aislamiento de los tanques.
La configuración más utilizada es con tanques independientes prismáticos, tipo A, capaces de resistir una presión máxima de trabajo de 0,7 bares. Los tanques se construyen en aceros aleados con níquel, capaces de soportar temperaturas de -48ºC, también de aceros o aluminios de aleación especial, con características de alta resiliencia para el transporte de etileno a -104ºC donde requieren barrera secundaria.
Los transportes de LPG totalmente refrigerados suelen tener tres o cuatro tanques de carga, (divididos por un mamparo longitudinal en crujía).
2.2. Tanques independientes.
Estos tanques reciben esa calificación porque no forman parte de la estructura del buque y no contribuyen por tanto a la resistencia del casco. Dependen principalmente de la presión de diseño, existen tres tipos, los tipos A (Figura 3.1), B (Figura 3.2), y C (Figura 3.3) según el código CIG. Los buques LPG utilizan, normalmente, estos tanques.
23 2.2.1. Tanques tipo A.
Se construyen principalmente a partir de planchas planas mediante construcción convencional y sus escantillones deben cumplir los requisitos de tanques profundos, calculados por métodos sencillos de análisis estructural, como teoría de vigas, pero teniendo en cuenta las cargas especiales inherentes al transporte de gas licuado. Por ejemplo, la máxima presión de vapor permisible está limitada por el código a 0,7 bares, lo que significa que las cargas deben ser transportadas totalmente refrigeradas a una presión cercana a la atmosférica (normalmente por debajo de 0,25 bares), es la típica de los transportes de LPG totalmente refrigerados.
Para garantizar la seguridad en este tipo de tanques, en caso de fuga, requieren un sistema de contención secundario para proteger el casco de las bajas temperaturas. Este sistema de contención se conoce con el nombre de “barrera secundaria” y es característico en los buques con tanques de tipo A son capaces de llevar cargas a temperaturas inferiores a -10ºC.
Para un transporte de LPG totalmente refrigerado, la barrera secundaria deber ser capaz de recibir todo el volumen del tanque y puede ser parte de la estructura del casco.
La solución que suele adoptarse es construir con aceros resistentes a bajas temperaturas las zonas implicadas del propio casco del buque. La barrera secundaria debe de ser capaz de contener las fugas en periodo mínimo de 15 días.
El espacio entre el exterior del tanque principal, también conocido como barrera principal, y la barrera secundaria se denomina espacio de bodega. Si la carga es inflamable, este espacio debe llenarse de gas inerte para prevenir la creación de una atmosfera inflamable en el caso de fuga. El aislamiento térmico se sitúa en el exterior del tanque principal.
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Figura 3.1: Tanque tipo A.
2.2.2. Tanques tipo B.
Un tanque tipo B requiere solo barrera secundaria parcial. El espacio de bodega se llena de gas inerte seco, pero se puede ventilar con aire siempre que haya alcanzado la inertización de los espacios y se disponga de un sistema de detección de vapor de fugas de la carga. Un domo de acero protege la barrera principal por encima de la cubierta principal y el aislamiento está situado en la cara externa de la barrera principal.
Este tipo de sistema de contención está condicionado a un análisis de tensiones más preciso en comparación con el tipo A. Para que un tanque independiente pueda ser considerado como tipo B ha de calcularse su estructura mediante un análisis detallado tridimensional para: Determinar su nivel de tensiones, llevar a cabo un estudio de pandeo, hacer un análisis de probabilidad de fallo por fatiga y realizar un análisis de propagación de grietas aplicando la teoría de la mecánica de fractura, incluso puede ser necesario efectuar pruebas con modelos de tanques a escala.
Los tanques esféricos del tipo B se aplican exclusivamente a los barcos LNG. Los tanques esféricos para LNG, son un tipo de tanque B muy conocido y entre ellos figuran los patentados por Kvaerner-Moss, Technigaz, Sener y por IHI-SPB.
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Un tanque tipo B no ha de ser necesariamente esférico. Los tanques tipo B se pueden construir, al menos teóricamente, de superficies planas o de tipo recipiente de presión (cuerpos de revolución); pero, la mayor parte de los tanques prismáticos son tipo A, y están en servicio con buques LPG y LNG. En este caso la máxima presión de proyecto será inferior a 0,7 bares.
Figura 3.2: Tanque tipo B.
2.2.3. Tanques tipo C.
Los tanques tipo C se construyen de acuerdo con los códigos para recipientes convencionales a presión y, en consecuencia, se pueden realizar análisis precisos de tensiones, como se logran tensiones de diseño razonablemente bajas, no se requiere de barrera secundaria. El espacio de bodega se rellena de has inerte o aire.
Son recipientes a presión, normalmente combinación de esferas, cilindros y troncos de cono, con presiones de vapor, PV, de proyecto superior a 2 bares, concretamente la presión de vapor, PV, se calcula mediante la fórmula:
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𝑃𝑉 = 2 + 𝐴 · 𝐶 · 𝜌 (𝑏𝑎𝑟) (3.1)
Siendo:
𝐴 = 0,0185 · (𝜎𝑚 𝜎𝑎)
2
[− −] (3.2)
Con σm tensión de diseño de la membrana primaria, y σa tensión admisible, C es igual a la mayor de las dimensiones {h, 0.75·b, 0.45·l}; donde h, b y l son la altura, la manga y la eslora del tanque, respectivamente. ρ es la densidad de carga, relativa al agua y a la temperatura de diseño.
Los tanques cilíndricos pueden posicionarse de forma horizontal o vertical. Este tipo de sistemas de contención se usa en los transportes de gas líquido semirefrigerado y totalmente presurizado, se usa también para transporte totalmente refrigerado, aunque en este caso se requiere el uso de aceros de alta resiliencia (adecuados para trabajar a bajas temperaturas).
En el caso de un buque totalmente presurizado, en el cual la carga se encuentra a temperatura ambiente, los tanques se pueden proyectar para soportar una presión máxima de trabajo igual o ligeramente superior a 17 bares. Para un buque semipresurizado o totalmente refrigerado, los tanques de carga y el equipo relacionado con estos, se diseñan para una presión de trabajo de entre 5 y 7 bares y un vacío del 50 %. Los aceros de los tanques son capaces de resistir temperaturas de transporte de -48ºC para LPG y de -108ºC para el transporte de etileno.
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Figura 3.3: Tanque tipo C.
2.3. Tanques integrados.
Son aquellos que forman parte de la estructura del buque, y por lo tanto están sometidos a las mismas solicitaciones que la estructura del buque. El forro interior del buque constituye a la vez la barrera primaria del tanque. Su uso primordial es el transporte de LNG, pero se han construido en Japón tanques del tipo integrado para el transporte de gas butano (temperaturas iguales o superiores a -10ºC).
Se pueden clasificar según las variantes siguientes:
2.3.1. Tipo membrana.
Su uso está limitado al transporte de LNG, por motivos de rentabilidad (Figura 3.4).
Se han construido buques con dos sistemas patentados y denominados como las compañías que las proyectaron (Technigaz y Gaz-Transport). Ambos tienen en común que la barrera principal o primaria es una plancha muy delgada o membrana (de espesores iguales o inferiores a 1 mm) sin reforzado por perfiles, cuyo único objetivo es contener el gas licuado y separarlo de la estructura del buque. La membrana no es auto-portante y las cargas son resistidas por la estructura del casco a través del material de aislamiento. La membrana, sin embargo, está sujeta a tensiones de origen térmico y a las causadas por la deformación de la estructura del casco. También es posible que se produzcan fallos del
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material por fatiga debido a las variaciones cíclicas de las cargas. Por ejemplo, el sistema original Gaz Transport comprendía una barrera principal de INVAR (acero con un 36%
de níquel) de 0,5 mm de espesor pegada a la superficie interna (fija) mediante cajas de madera contrachapada rellena de perlita con 200 mm de espesor, esta se emplea como principal aislante; éstas son como la capa interior de una barrera secundaria INVAR idéntica de 0,5 mm de espesor y cajas de madera contrachapada con relleno de perlita de 200 mm de espesor como aislante secundario. El INVAR se utiliza para las membranas debido a que posee un bajísimo coeficiente de expansión térmica, haciendo que las juntas de expansión sean inecesarias. Los diseños más recientes de este sistema utilizan membranas de INVAR de 0,7 mm de espesor y caja de contrachapado reforzado, para retener el aislante de perlita, la cual es siliconizada para hacerla impermeable a la humedad y al agua. El sistema Technigaz utilizaba acero inoxidable corrugado.
Figura 3.4: Tanque Membrana.
29 2.3.2. Tipo semimembrana.
Los tanques de semimembrana se construyen simplemente para el transporte de LNG, aunque no se ha construido todavía un transporte de LNG de tamaño comercial con este diseño. Por el contrario, este sistema ha sido usado, por Japón, para el transporte de LPG en tanques totalmente refrigerados.
Es una variación del concepto de tanque membrana, la barrera principal es más gruesa (Del orden de 6 mm) que la del sistema de membrana. El tanque es auto-portante cuando está vacío; cuando está cargado las presiones del líquido y del vapor sobre la barrera principal son transmitidas por el aislamiento al casco, como el sistema de membrana.
2.3.3. Tanques de aislamiento interno.
Son una variante del tanque integrado, emplean el aislamiento sujeto a las planchas del casco del buque para soportar y aislar la carga. Se ha utilizado este sistema en un número muy limitado de buques LPG totalmente refrigerados; pero, en la práctica, no ha tenido éxito.
3. CARGA Y DESCARGA DEL GAS
La operación de carga en los buques refrigerados (Figura 3.5), se divide en dos partes: enfriamiento y carga propiamente dicha. La operación de enfriamiento comprende el enfriado de todo el sistema de carga, el plan del tanque cubierto de líquido y una temperatura próxima a la de la carga en la parte alta del tanque de carga, para ello se usarán los rociadores de la parte alta del tanque. Una vez que el tanque esté frío en las condiciones anteriores y la presión controlada, se procederá a la operación de carga. La planta de relicuefacción estará en marcha desde el primer momento. En el caso que se produzca un exceso de presión será reducido mandando parte del líquido a través de la línea de condensado a los rociadores de la parte alta del interior del tanque de carga poniendo en marca la planta de relicuefacción. En el tope de los tanques, se pueden producir subidas de presión, por lo cual hay que estar atento para reducir el flujo de carga.
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En la operación de descarga con cargas a muy baja temperatura (Figura 3.5), las líneas de líquido en cubierta deben ser enfriadas con anterioridad a la descarga, esto se puede hacer enviando el líquido condensado procedente de los compresores hacia los tanques a través de la línea de líquido, generalmente, hay una línea de conexión entre la línea de condensado y la línea de líquido para este propósito. Sin embargo, se debe recalcar, que debido a que el diámetro de la línea de líquido es apreciablemente mayor que la línea de condensado, la cantidad de líquido que hay en la línea es mayor y la velocidad de circulación es más baja que en la de condensado, por lo cual el calor ganado también es mayor debido al mayor tiempo que el producto permanece en la línea recibiendo calor de la radiación exterior, por consiguiente, la línea de líquido se usará como retorno de condensado solamente con el propósito de enfriar esa tubería.
El método para empezar la descarga varía ligeramente dependiendo del tipo de bomba de pozo que disponga el buque. Si ésta es de baja presión de descarga, combinada con una bomba elevadora de presión, entonces el mejor método para empezar la descarga es primero, purgar todo el vapor de la línea de líquido, usando la bomba de pozo para transferir una pequeña cantidad de líquido de un tanque a otro y llenando completamente la línea de líquido con carga fría, cerrando la línea de llenado del tanque al que se está trasfiriendo carga, toda la descarga de la bomba de pozo irá a la succión de la bomba elevadora de presión, esta bomba será purgada de cualquier bolsa de gas, y tan pronto como esté llena de líquido puede ser arrancada, y la carga enviada a tierra.
Figura 3.5: Esquema de carga y descarga.
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Con bombas de pozo de más potencia o con bombas sumergidas, lo más usual es empezar la descarga abriendo la válvula de descarga de la bomba ¼ y a continuación arrancar la bomba. Muchas de estas bombas necesitan operar con una contrapresión suficiente para evitar la cavitación, para ello con la válvula de descarga de la bomba se regulará la presión de descarga.
Una vez que se ha empezado la descarga del primer tanque, el resto de las bombas pueden ser arrancadas y todos los tanques ser descargados simultáneamente.
Durante la descarga, debido a que el nivel del líquido disminuye, el espacio ocupado por el vapor aumenta, si la velocidad de evaporación del producto en el tanque es menor que la cantidad de producto descargado, la presión en el tanque ira disminuyendo, pudiendo llegar a ser negativa, en este caso se puede aumentar la presión en el tanque usando el evaporador.
Cuando sea particularmente importante descargar la mayor cantidad posible (por ejemplo, cuando después de la descarga se van des gasificando los tanques de carga), los tanques deben tener presión antes del agotamiento, un pequeño grado de saturación negativa debida a la caída de presión de los tanques, es suficiente causa para que las bombas empiecen a cavitar demasiado pronto y el agotamiento de los tanques no sea lo completo que cabría esperar.
Hacia el final de la descarga, cuando el nivel de líquido en los tanques sea bajo, el flujo de descarga de la bomba debe ser reducido, estrangulando para ello la válvula de descarga de la bomba.
El líquido remanente a bordo y el vapor después de descargar será usado para mantener los tanques fríos hasta la próxima operación de carga, usando para ello la planta de re licuación.
4. MANTENIMIENTO Y CONSERVACIÓN DEL GAS
En el caso de buques para un transporte completamente refrigerado. Conforme desciende la temperatura del gas licuado, disminuye su presión de vapor hasta que se alcanza la atmosférica o se aproxima mucho a ella. Completamente refrigerado es cuando
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se transporta la carga del gas a presión atmosférica y a temperatura de ebullición, siendo tan baja que representa el factor que más influye en el transporte y en el proyecto del equipo de manipulación de la carga de este tipo de buque. A bajas temperaturas muchos materiales, también los aceros empleados para la construcción de buques, se vuelven susceptibles y frágiles de sufrir graves fracturas. La carga de gas licuado refrigerado debe estar contenida en un material con buenas propiedades para bajas temperaturas y aislada de la estructura del casco. Este recipiente, primera barrera, es metálico y forma un tanque que adopta las formas necesarias para adaptarse a los espacios de carga del casco. Como quiera que el calor transmitido hacia la carga tiende a transformar la carga en vapor haciéndola hervir, se debe reducir esta ebullición en cantidades admisibles, mediante una capa de aislamiento entre la barrera primaria y el casco del buque. El aislamiento puede servir también para soportar la barrera primaria, asimismo actuando como recipiente temporal del gas licuado, en caso de que haya fugas procedentes de la barrera primaria.
La barrera secundaria es el recipiente para contener de manera temporal las fugas del cargamento.
Aunque el aislamiento reduce el vapor formado por ebullición, esta cantidad de vapor no se elimina por completo. Para cargas LPG y etano/etileno normalmente disponen de una planta de refrigeración a bordo para que el producto de la ebullición sea licuado de nuevo y devolverlo a los tanques de carga.
El sistema de gas licuado que consta de tanques de carga, tubería y maquinaria de manipulación de la carga, forma un sistema cerrado integral del que se elimina todo el aire y permanece lleno de líquido y/o vapor de hidrocarburo, hasta que des-gasifique por exigencias del mantenimiento e inspección. Después de la desgasificación, antes de ponerlo de nuevo en servicio de carga, expulsa todo vapor de agua y el aire que contiene, previamente purgando los tanques con gas del tipo a transportar a la temperatura ambiente o con un gas inerte. Mientras está en servicio, se lleva gran cuidado para asegurarse de que el aire está fuera del sistema de gas licuado. Esto se consigue con una ligera presión positiva en el sistema en la descarga, reemplazando el líquido desplazado por vapor de carga obtenido, bien procedente de tierra, o bien, de los medios de a bordo.
Los aceros del casco del buque como se ha mencionado anteriormente, no son materiales para trabajar mucho tiempo a temperaturas muy bajas. Es necesario disponer de algún detector que avise en caso de que se deteriore localmente el sistema de
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aislamiento. Esto se consigue mediante un control automático de las zonas críticas del buque con sensores térmicos indicación a distancia en el sitio conveniente. Para recibir el aviso que por la barrera primaria hay fugas de carga, se puede circular gas inerte entre las barreras primaria y secundaria y automáticamente controlar la presencia de hidrocarburos en el gas inerte. Empleando un gas inerte seco, no solamente se evita la inflamabilidad, sino que también la parte exterior de la barrera primaria se mantiene libre de corrosión.
El transporte más económico de gases licuados es el método completamente refrigerado, especialmente si la capacidad de carga del buque que se requiere es grande y las terminales de almacenamiento del son también completamente refrigeradas.
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CAPÍTULO 4. GASES LICUADOS DEL PETRÓLEO
El consumo de gases como fuente de energía o como materia prima para la industria química plantea el problema de su transporte desde el lugar de producción al de utilización. El transporte se puede hacer por gaseoductos, medio que puede hacerse inviable económicamente hablando. Dado el gran volumen de los gases, si el transporte es marítimo o terrestre se ha de recurrir al licuado de los gases. La primera definición que ha de establecerse es la distinción entre carga química líquida y gas licuado. El primer grupo pertenecen aquellos líquidos cuya presión de vapor es inferior a 2,8 bares (absolutos) a una temperatura de 37,8 ºC; y al segundo grupo cuando es superior.
Los sistemas utilizados en el transporte marítimo se conocen respectivamente como transporte:
Completamente refrigerado.
A presión.
Semirefrigerado y a presión.
En la actualidad prácticamente solo se utiliza el transporte refrigerado, y el semirefrigerado y a presión.
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1. TIPOS Y CARACTERÍSTICAS.
Los gases industrialmente más importantes son los siguientes:
Gas natural. Se encuentra, junto con el petróleo, en los yacimientos petrolíferos. Su principal componente es el metano al que acompañan pequeñas cantidades de etano, propano, butano y nitrógeno, variando su composición de unos yacimientos a otros.
Gas natural licuado. LNG es inodoro, incoloro, no tóxico e inflamable. Su densidad varía entre 0.43 y 0.51 kg/m3, dependiendo de la proporción de etano, propano, etc., que a su vez dependen de la procedencia del gas.
Gases del petróleo. Son mezclas de hidrocarburos, propano y butano principalmente, y gases afines, como el propileno, que se obtienen, bien como subproducto en la destilación fraccionada del crudo, o bien por condensación del gas natural a distintas temperaturas. Los gases del petróleo licuados, LPG se utilizan como fuente de energía industrial y doméstica.
Gases industriales. Son etileno, butadienos, amoniaco anhidro y cloruro de vinilo monómero que se utiliza en la industria química de fertilizantes, plásticos, etc.
Licuados presentan grandes analogías con los LPG y LNG, y en consecuencia se incluyen en este grupo. Las características de todos los gases licuados anteriormente nombrados son:
Su densidad es baja exceptuando el cloruro de vinilo monómero; esto equivale a efectos de su transporte marítimo, que los buques han de definirse por su capacidad de tanques, es decir son buques de volumen.
La temperatura crítica de todos los gases, excepto el gas natural y el etileno, es superior a 45ºC. En consecuencia, el gas natural y el etileno no se pueden llevar al estado líquido aumentando la presión solamente; por el contrario, los restantes gases se pueden licuar incrementando la presión adecuadamente.
36 1.1. Propiedades.
Las siguientes propiedades son las más significativas:
No son corrosivos ni tóxicos, desplaza al oxígeno y no se recomienda respirarlo mucho tiempo.
No contiene añadido ningún aditivo ni plomo.
En su composición no contiene azufre.
Son inodoros e incoloros, sin embargo, para detectar su fuga se le añaden sustancias que producen un olor fuerte y desagradable.
Pesan más que el aire. Si hay pequeña fuga pueden extenderse por el suelo y los fosos de inspección.
El LPG por su rendimiento es un combustible económico en comparación con otros combustibles.
Es excesivamente frío, porque cuando se licua es sometido a muy bajas temperaturas por debajo de los 0ºC. Por lo tanto, el contacto con la piel produce quemaduras.
2. COMPOSICIÓN DE GLP
Es un combustible donde en su composición química predominan el butano y propano o sus mezclas, las cuales contienen impurezas principales, como son el butileno o propileno o una mezcla de estos. Los gases butano y propano, en estado puro, son hidrocarburos del tipo Alcanos CnH2n+2:
Butano: C4H10
Propano: C3H8
3. OBTENCIÓN DE LPG
Las refinerías son la fuente de obtención de este combustible (destilación del petróleo) y las plantas de proceso de gas natural, las cuales aportan alrededor de un 25%
y un 75% de LPG respectivamente.
37 3.1. LPG en refinerías.
El Licuado del Petróleo, proviene de convertir en líquido el estado gaseoso en el que se encuentra a presión atmosférica mediante enfriamiento y compresión, necesitándose 273 litros de vapor de LPG para obtener 1 litro de LPG líquido. Se obtiene del petróleo donde este se somete a una destilación, donde se van separando ordenadamente, de acuerdo con sus densidades y puntos de ebullición los diversos componentes: aceites pesados, kerosenos, gasolinas ligeras, gas-oil, fuel-oil, butano y propano. (Figura 4.1).
Figura 4.1: Destilación fraccionada del Petróleo.
Los LPG son el propano (60%) y el butano (40%), que se distinguen entre sí por su poder calorífico, composición química, punto de ebullición y presión.
3.2. LPG a partir de gas natural.
El LPG que se obtiene a través del gas natural se produce mediante un proceso de licuefacción, explicado a continuación:
El gas natural se constituye de metano, etano, butano, propano e hidrocarburos más pesados, así como por impurezas como el azufre. Este es enviado a las plantas de proceso.
En la primera etapa el gas pasa por una planta de endulzado eliminando el azufre, seguidamente se introduce en una planta criogénica, en la cual mediante expansiones sucesivas y enfriamiento se obtienen dos corrientes: una liquida y otra formada por
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metano. En el proceso siguiente de fraccionamiento, la fase líquida se separa en diferentes componentes: gasolinas naturales, LPG y etano. Para su fácil almacenamiento y transporte, el LPG que se encuentra en estado gaseoso a condiciones normales de presión y temperatura, se licua y se utiliza a bajas presiones para así mantenerlo en estado líquido.
El almacenamiento se realiza en tanques o en depósitos.
4. RENDIMIENTOS DE PROCESO CATALITÍCO
Los LPG son una fuente de energía fósil, que tendrá un balance energético diferente dependiendo de si se encuentra de modo natural formando ya parte del gas natural o del crudo, o si se produce mediante procesos de refino de manera artificial. Los rendimientos (relaciones entre la energía obtenida y la energía utilizada en el proceso) aproximados para cada proceso de refino son los siguientes:
Reformado catalítico: el rendimiento del LPG se sitúa entre un 5 y un 10%.
“Cracking” catalítico: el rendimiento del LPG se sitúa entre un 5 y un 12%.
“Steam Cracking”: el rendimiento del LPG se sitúa entre un 23 y un 30%.
Polimerización y alquilación: el rendimiento del LPG se sitúa entre un 10 y un 15%.
“Cracking” térmico: el rendimiento del LPG se sitúa entre un 10 y un 20%.
“Coking” y “visbreaking”: el rendimiento del LPG se sitúa entre un 5 y un 10%.
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CAPÍTULO 5. SELECCIÓN Y DIMENSIONAMIENTO DEL BUQUE.
Para la elección de los parámetros principales y dimensiones del buque, primero se realiza una base de datos, como observa en la tabla 5.1, para la cual se recopila información de buques de similar volumen total de tanques y eslora, debido a que son los parámetros más influyentes. A partir de la información recopilada, se realizará un estudio para la elección de las características del buque proyecto. Como la base de datos es de buques similares al buque proyecto, se necesita seleccionar un buque como buque base, para llevar a cabo la elección se ha utilizado la capacidad de los tanques como parámetro principal para comparar a través del coeficiente de aprovechamiento.
El coeficiente de aprovechamiento (tabla 5.2 y 5.3) viene definido como:
𝐶𝑎𝑝𝑟 = 𝑉𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒
𝐿𝑝𝑝 · 𝐵 · 𝐷[−−] (5.1)
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1. BASE DE DATOS
Tabla 5.1: Características de buques similares.
JEANNE MARIE
BERGE NANTON
G
MEROP E STAR
BERN HARD SCHUTE
SIGAS MARGRET
HE
CLIPPER QUITO
ATLANTI C GAS
GAS TAURUS
SEA BIRD
L(m) 224,5 225 88,4 120,4 99,98 225 159,83 226 225
LPP (m) 213 215 82,5 112,4 93,53 220 152 217 218
B(m) 36 36,6 15 19,8 17,2 36,6 26,6 36,6 36,6
D(m) 22,3 22 7,8 11,2 7,8 22,2 17,4 22,2 22,2
T(m) 11,25 11,4 5,5 7,65 6,06 12 11,05 12,1 12
Cb 0,76 0,75 0,73 ---- 0,76 0,74 0,77 0,75 0,75
∆ (t) 70770 72404 6100 15320 7657 73578,9 35287 73415 71520 PR(t) 17562 18624 2300 7416 2687 19250,0 11068,8 19200 18830 PM(t) 50195 50780 3800 7904 4970 54500 24218 48922,7 51740
GT(t) 46632 47012 3395 9110 4253 48920 20151 46789 47347
Vol.
Tanques(m3 )
78614 82250 3300 9109 5018 84000 22373,8 83157 82000
Vol.de un tanque(m3)
9826,75 20562,5 1650 4554,5 2509 21000 5593,45 20789,25 20500
Nº Tanques 8 4 2 2 2 4 4 4 4
Vol. fuel (m3)
3894 3367 350 1021 504 2750 1781,3 2674 2390
Velocidad.
(Nudos)
17,6 16,75 14 16 14 16,8 16 17,25 16,8
Tabla 5.2: Coeficiente de aprovechamiento.
Coef Aprov Coef Aprov>Media
JEANNE-MARIE 0,460 0,46
BERGE NANTONG 0,475 0,48
MEROPE STAR 0,342 NO
BERN HARD SCHUTE 0,365 NO
SIGAS MARGRETHE 0,400 NO
CLIPPER QUITO 0,470 0,47
ATLANTIC GAS 0,318 NO
GAS TAURUS 0,472 0,47
SEA BIRD 0,463 0,46
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Tabla 5.3: Mínimo, media y máximo del coeficiente de aprovechamiento
mínimo media máximo
0,32 0,4 0,48
Quedan cinco candidatos posibles, de los cuales el buque “BERGE NANTONG” y
“JEANNE MARIE” por tener el mayor y menor Capr y una diferencia grande en puntal y eslora se descartan, como se puede observar el buque que más se asemeja al buque proyecto es el “SEA BIRD” y tiene todos los parámetros para poder comparar, por lo tanto, es el buque escogido.
2. ESTIMACIÓN DEL DESPLAZAMIENTO
En este punto se va a realizar una estimación del desplazamiento. La primera estimación se realiza mediante una recta de regresión lineal en función del volumen de los tanques (Figura 5.1), para ello los buques que no tengan un desplazamiento conocido se eliminarán.
Figura 5.1: Gráfica Capacidad de los tanques – Desplazamiento.
y = 0,5368x + 28318 R² = 0,8333
70000 70500 71000 71500 72000 72500 73000 73500 74000
78000 79000 80000 81000 82000 83000 84000 85000
DESPLAZAMIENTO
CAPACIDAD TANQUES
CAPACIDAD TANQUES-DESPLAZAMIENTO
CAPACIDAD TANQUES- DESPLAZAMIENTO
Lineal (CAPACIDAD TANQUES-
DESPLAZAMIENTO)
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∆= 0,5368 · 𝑉𝑇𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒𝑠+ 28.318 (𝑡) (5.2)
∆= 0,5368 · 84.344,11 + 28.318 = 73.593,92 𝑡
A su vez se realiza la estimación del desplazamiento respecto al coeficiente de bloque, este coeficiente se calcula a través de una recta de regresión lineal en función de la eslora entre perpendiculares (Figura 5.2).
Figura 5.2: Gráfica Eslora entre perpendiculares – Coeficiente de bloque.
𝐶𝑏 = −0,0023 · 𝐿𝑝𝑝 + 1,248 [− −] (5.3)
𝐶𝑏 = −0,0023 · 219 + 1,248 = 0,744
Una vez se calcula el coeficiente de bloque se obtiene el desplazamiento con la siguiente formula:
∆= 𝐶𝑏 · 𝐿𝑝𝑝 · 𝐵 · 𝑇𝑚· 𝜌𝑎𝑠 (𝑡) (5.4)
Tomando la densidad del agua salada como; ρas = 1,025 t/m3.
y = -0,0023x + 1,248 R² = 0,9392
0,74 0,74 0,75 0,75 0,76 0,76 0,77
212 214 216 218 220 222 224
COEFICIENTE DE BLOQUE
ESLORA ENTRE PERPENDICULARES
Lpp-Cb
Lpp-Cb Lineal (Lpp-Cb)
