E SCUELA S UPERIOR DE LA M ARINA C IVIL DE G IJÓN
Trabajo Fin de Máster
OPERACIONES EN ASFALTEROS
Para acceder al Título de Máster Universitario en
NÁUTICA Y GESTIÓN DEL TRANSPORTE MARÍTIMO
Autor: Antonio Guzmán Rodríguez.
Tutor: Roberto Álvarez Bucetas.
Mes –Julio-2020
ÍNDICE GENRAL
1. INDICE DE ILUSTRACIONES ... 1
2. INTRODUCCIÓN ... 3
3. DERIVADOS DEL CRUDO ... 5
3.1 INTRODUCCIÓN ... 5
3.2 TRATAMIENTO DEL CRUDO ... 5
3.2.1 Destilación inicial, atmosférica ... 6
3.2.2 Destilación al vacío ... 9
3.3 CARACTERÍSTICAS DE LOS HIDROCARBUROS ... 9
3.3.1 Flash-point-temperatura de inflamación ... 10
3.3.2 Punto de fluidez – pour point... 10
3.3.3 Punto de ebullición... 11
3.3.4 Acidez ... 11
3.3.5 Contenido en azufre ... 11
3.3.6 Viscosidad ... 13
3.3.6.1 Viscosidad absoluta ... 13
3.3.6.2 Viscosidad cinemática ... 13
3.4 PRODUCTOS TRANSPORTADOS ... 14
3.4.1 Residuo atmosférico ... 14
3.4.1.1 Origen ... 14
3.4.1.2 Tráfico ... 15
3.4.2 Residuo de vacío y gasoil de vacío (VGO) ... 16
3.4.3 Bitumen ... 17
3.4.3.1 Origen ... 17
3.4.3.2 Clasificación ... 17
3.4.3.3 Empleo del bitumen ... 18
3.4.4 Productos derivados del asfalto (PDA) ... 19
3.4.5 Intermediate fuel oil. IFO-380 ... 19
3.4.5.1 Origen ... 19
3.4.5.2 Clasificación ... 19
3.4.6 Cycle oil-aceites clarificados ... 20
4. BUQUE ASFALTERO ... 21
4.1 INTRODUCION ... 21
4.2.1 Tanques de estructura integral ... 22
4.2.2 Tanques soportados ... 22
4.3 RECUBIMIENTO DE SILICATO DE ZINC ... 24
4.3.1 Introducción ... 24
4.3.2 Categorías ... 25
4.3.3 Inconvenientes ... 25
5. SITEMA DE CALEFACCIÓN. ... 27
5.1 CALDERAS ... 27
5.1.1 Normativa ... 27
5.1.2 Transferencia de calor ... 28
5.1.3 Superficie de calefacción ... 28
5.1.3.1 Superficie de radiación. ... 29
5.1.3.2 Superficie de convección. ... 30
5.1.4 Transmisión de calor en calderas ... 30
5.1.4.1 Superficie de calefacción directa ... 30
5.1.4.2 Superficie de calefacción indirecta ... 31
5.1.5 Tipos de Hogares ... 32
5.1.5.1 Hogares en sobrepresión ... 32
5.1.5.2 Hogares en depresión ... 32
5.1.5.3 Hogares equilibrados... 32
5.1.6 Quemadores ... 32
5.1.6.1 Funciones del quemador ... 32
5.1.6.2 Requerimientos mínimos del quemador ... 33
5.1.6.3 Quemadores y su control ... 33
5.2 CALDERAS DE VAPOR ... 34
5.2.1.1 Calderas pirotubulares ... 34
5.2.1.2 Caldera acuotubulares ... 36
5.2.1.3 Características ... 39
5.2.2 Problemas más típicos en las calderas de vapor ... 40
5.2.2.1 Corrosión ... 40
5.2.2.2 Erosión ... 40
5.2.2.3 Sobrecalentamiento ... 40
5.2.2.4 Fatiga de materiales ... 40
5.2.2.5 Daños mecánicos ... 41
5.3 CALDERAS DE AGUA CALIENTE Y SOBRECALENTADA ... 41
5.3.1.2 Inconvenientes ... 41
5.4 CALDERAS ELÉCTRICAS ... 42
5.5 MATERIALES REFRACTARIOS ... 42
6. CALDERAS DE ACEITE TERMICO ... 44
6.1 INTRODUCCIÓN ... 44
6.2 ACEITE TÉRMICO ... 45
6.2.1 Estructura química ... 45
6.2.1.1 Aceites sintéticos ... 45
6.2.1.2 Aceites minerales ... 45
6.2.1.3 Otros, incluidas las siliconas ... 45
6.2.2 Uso de aceite ... 46
6.2.2.1 Aceites térmicos de grado medicinal ... 46
6.2.2.2 Aceites térmicos de limpieza ... 46
6.2.2.3 Aceites térmicos de calentamiento ... 46
6.2.3 Sistema de trabajo ... 46
6.2.3.1 Sistemas de fase líquida no presurizados ... 46
6.2.3.2 Sistemas de fase líquida presurizada ... 46
6.2.3.3 Sistemas de fase de vapor ... 46
6.2.4 Propiedades de los aceites térmicos ... 47
6.2.4.1 Estabilidad térmica ... 47
6.2.4.2 Resistencia a la oxidación ... 47
6.2.4.3 Eficiencia de transferencia de calor ... 48
6.2.5 Temperaturas del aceite térmico ... 48
6.2.5.1 Temperatura de salida ... 48
6.2.5.2 Temperatura de retorno ... 48
6.2.5.3 Temperatura del aceite o de masa... 48
6.2.5.4 Temperatura de película ... 49
6.2.5.5 Temperatura mínima de bombeo ... 49
6.2.5.6 Máxima temperatura de servicio ... 49
6.2.5.7 Punto de congelación (Pour Point) ... 49
6.2.5.8 Punto de inflamación (Flash Point) ... 50
6.2.5.9 Punto de combustión (FirePoint) ... 50
6.2.5.10 Diferencial térmico ... 50
6.3 TANQUE DE EXPANSION... 51
6.3.1 Funciones ... 51
6.3.2 Diseño ... 52
6.3.3 Oxidación ... 54
6.4 CALDERA ... 55
6.4.1 Elementos de seguridad ... 57
6.5 CRAQUEO DEL ACEITE TÉRMICO ... 58
6.6 DILATACIONES TÉRMICAS ... 58
6.7 BOMBAS DE ACEITE TÉRMICO ... 60
6.7.1 Introducción ... 60
6.7.2 Flujo del aceite térmico ... 60
6.7.2.1 Capa límite ... 61
6.7.2.2 Instalación ... 62
6.8 ECONOMIZADOR ... 63
6.8.1 Introducción ... 63
6.8.2 Clasificación ... 63
6.8.2.1 Tipo de material ... 63
6.8.2.2 Localización ... 63
6.9 SERPENTINES ... 65
6.9.1 ACOMPAÑAMIENTO ... 68
6.10 CALORIFUGADO... 69
7. BOMBAS DE TORNILLO. ... 69
7.1 BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO ... 70
7.1.1 De pistón o reciprocantes ... 70
7.1.2 Rotatorias ... 70
7.1.2.1 Características ... 70
7.2 VÁLVULAS ... 73
7.2.1 Partes de la válvula ... 73
7.2.1.1 Cuerpo de acero inoxidable. ... 74
7.2.1.2 Tajadera de acero inoxidable ... 74
7.2.1.3 Asiento ... 74
7.2.1.4 Empaquetadura. ... 74
8. OPERATIVAS ... 76
8.1 FLUSHING. ... 76
8.1.1 Introducción ... 76
8.1.2 Operativa de Flushing a bordo. ... 77
8.1.2.1 Buque tipo ... 77
8.1.2.2 Producto. ... 79
8.1.2.4 Tiempo ... 80
8.1.2.5 Temperatura ... 81
8.1.2.6 Toma de muestras ... 82
8.1.2.7 Secuencia ... 82
8.2 DESPLAZAMIENTO DE LINEAS ... 84
8.2.1 Introducción ... 84
8.2.2 Buque ... 84
8.2.3 Terminal ... 84
8.3 LIQUIDACION ... 85
8.3.1 Corrección por dilatación ... 86
9. SEGURIDAD EN EL TRANSPORTE ... 88
9.1 ALTAS TEMPERATURAS ... 88
9.2 CONTENIDOS DE H2S ... 88
9.2.1 Consideraciones sobre el H2S ... 89
10. MEDIOAMBIENTE ... 91
10.1 CLASIFICACIÓN ... 91
10.1.1 Propiedades ... 91
10.1.2 PAHs y VOCs ... 92
10.1.3 ITOPF ... 93
10.2 METEORIZACION EN HIDROCARBUROS PERSISTENTES ... 95
10.2.1 Vertidos en superficie ... 96
10.2.1.1 Cinta absorbente. ... 96
10.2.1.2 Skimmer de agua a presión. ... 97
10.2.1.3 Cepillo ... 97
10.2.1.4 Cinta de palas ... 97
10.2.2 Vertidos sumergidos ... 97
10.2.2.1 Guías operacionales ... 97
10.2.3 Circunstancias clave para que el producto se hunda tras el derrame ... 98
10.2.4 Circunstancias que harán que el hidrocarburo se hunda con el tiempo ... 98
10.2.5 Técnicas de detección de vertidos sumergidos... 99
10.2.5.1 Sistemas de sonar ... 99
10.2.5.2 Cámaras acústicas y de video ... 99
10.2.5.3 Buzos ... 100
10.2.5.4 Remolque de material absorbente ... 100
10.2.5.5 Absorbentes fijos al fondo ... 100
10.2.5.6 Observación visual ... 100
10.2.5.7 Toma de muestras del fondo ... 101
10.2.5.8 Muestras de agua ... 101
10.2.5.9 Detección por laser ... 101
10.2.6 MÉTODOS DE RECUPERACIÓN ... 101
10.2.6.1 Dragas de succión ... 101
10.2.6.2 Recuperación mecánica ... 101
10.2.6.3 Buzos con bomba ... 102
10.2.6.4 Material absorbente ... 102
10.2.6.5 Recuperación manual ... 102
10.2.6.6 Agitación/Reflote ... 102
10.2.7 Vertido de bitumen ... 102
10.2.7.1 Incidente ... 103
10.2.7.2 Derrame... 103
11. CONCLUSIONES ... 107
12. BIBLIOGRAFIA ... 108
Título: Operaciones en Asfalteros
1. INDICE DE ILUSTRACIONES
Ilustración 1 Torre de destilación atmosférica. ... 8
Ilustración 2 Torre de destilación al vacío ... 9
Ilustración 3 Resumen de productos con temperaturas de transporte y tablas de liquidación. ... 10
Ilustración 4 Límites de contenido en azufre para bunker marino. ... 12
Ilustración 5 Densidad y contenidos de sulfuro de los crudos. ... 14
Ilustración 6 Fracciones destiladas según sus características. ... 16
Ilustración 7 Grados de bitumen más comunes en España ... 18
Ilustración 8 Esquema de procesos en una refinería. Los productos resaltados en rojo son objeto de transporte en asfalteros. ... 20
Ilustración 9Corte transversal de un tanque de carga suspendido. ... 23
Ilustración 10Corte transversal tanque de carga integral. Astilleros ARMON ... 23
Ilustración 11Interior de un tanque de lastre con recubrimiento de silicato de zinc ... 26
Ilustración 12 Caldera pirotubular ... 36
Ilustración 13 Caldera acuotubular ... 39
Ilustración 14 Sistema de calefacción de aceite térmico ... 44
Ilustración 15 Características de los fluidos térmicos en el mercado ... 51
Ilustración 16 Aumentos de volumen debido al incremento en la temperatura para un aceite térmico de coeficiente de dilatación 0.00075 ... 53
Ilustración 17 Tanque de expansión con instalación adosada de un desaireador y enfriador ... 55
Ilustración 18 Caldera de aceite térmico ... 56
Ilustración 19 Haz tubular de la caldera. ... 56
Ilustración 20 Serpentines de calefacción. ... 59
Ilustración 21 Serpentines de calefacción. Soportes y abarcones. ... 59
Ilustración 22 Compensador de dilatación tipo fuelle de acero inoxidable... 59
Ilustración 23 Esquema velocidad/flujo del fluido ... 61
Ilustración 24 Esquema velocidad/temperatura del fluido ... 62
Ilustración 25 Vista desde el costado de estribor. Plano calderas, economizador y tanque de expansión a bordo. Astilleros ARMON ... 64
Ilustración 26 Vista en planta de sala de máquinas. Bombas de aceite y calderas. Astilleros ARMON 65 Ilustración 27 Vista en planta de los serpentines de calefacción a bordo. Astilleros ARMON ... 66
Ilustración 28 Corte transversal del tanque de babor. Vista de los serpentines en dos alturas. Astilleros ARMON ... 66
Ilustración 29 Piano de válvulas de aceite en el interior de la cámara de bombas. ... 67
Ilustración 30 Interior del tanque de un buque quimiquero. Serpentines y bomba de pozo profundo ... 67
Ilustración 31 Parrilla de serpentines en el interior de un buque asfaltero. ... 68
Ilustración 32 Esquema línea de carga con acompañamientos ... 68
Ilustración 33 Calorifugado entorno a una válvula de aceite térmico. ... 69
Ilustración 34 Eficiencia de las bombas centrifugas frente a las bombas de tornillo en base a la viscosidad. Chemical Tanker Notes ... 71
Ilustración 35 Despiece de una bomba de dos tornillos. ... 72
Ilustración 36 Bombas de tornillo a bordo de una gabarra. Posición vertical ... 72
Ilustración 37 Esquema de bomba de tornillo de pozo profundo. ... 72
Ilustración 38 Despiece de una bomba de tornillo. Husillos durante el mantenimiento. ... 73
Ilustración 39 Válvula del manifold de un asfaltero... 73
Título: Operaciones en Asfalteros
Ilustración 40 Válvula de corte de las líneas de carga a bordo de un asfaltero. www.orbinox.com .. 73
Ilustración 41 Esquema de asiento de válvula de mariposa. Asiento metálico. ... 75
Ilustración 42 Asiento metálico. ... 75
Ilustración 43 Dilatación de la válvula. ... 75
Ilustración 44 MSDS IFO HS de CEPSA ... 78
Ilustración 45 MSDS IFO HS de CEPSA ... 78
Ilustración 46 MSDS Asfalto de CEPSA ... 78
Ilustración 47 MSDS Asfalto de CEPSA ... 79
Ilustración 48 MSDS de VGO de CEPSA ... 80
Ilustración 49 Secuencia de lavado con 300 m3 de asfalto ... 83
Ilustración 50 Secuencia de lavado con 150 m3 de asfalto ... 83
Ilustración 51 Descarga de asfalto a camiones. Puerto de Oran, Argelia ... 85
Ilustración 52 Tablas de conversión de hidrocarburos. ... 85
Ilustración 53 Tablas FCV D4311/D4311M ... 86
Ilustración 54 Soporte de tanque de carga de asfalto. ... 87
Ilustración 55 TLV del benceno, sulfuro de hidrogeno y la gasolina ... 89
Ilustración 56 Efectos del ácido sulfúrico según sus concentraciones... 90
Ilustración 57 Hidrocarburo persistente (izquierda) y no persistente (derecha). ITOPF ... 91
Ilustración 58 Categorías según clasificación de la ITOPF. Grupo 1 ... 93
Ilustración 59 Categorías según clasificación de la ITOPF. Grupo 2 ... 93
Ilustración 60 Categorías según clasificación de la ITOPF. Grupo 3 ... 94
Ilustración 61 Categorías según clasificación de la ITOPF. Grupo 4 ... 94
Ilustración 62 La siguiente grafía nos da una idea sobre la persistencia de los hidrocarburos en base a grado API. ITOPF ... 94
Ilustración 63 Relación entre densidad, grado API, salinidad y comportamiento del crudo. API TECHNICAL REPORT 1154-2 ... 99
Ilustración 64 Remolque de material absorbente. A Response Guide for Sunken Oil Mats (SOMs) .. 100
Ilustración 65 Absorbentes fijos al fondo. A Response Guide for Sunken Oil Mats (SOMs) ... 100
Ilustración 66 Toma de muestras del fondo marino. A Response Guide for Sunken Oil Mats (SOMs) ... 101
Ilustración 67 Draga de succión subacuática con cabezal dentado. A Response Guide for Sunken Oil Mats (SOMs) ... 101
Ilustración 68 Succión de bomba dirigida por un buzo. A Response Guide for Sunken Oil Mats (SOMs) ... 102
Ilustración 69 Situación de la gabarra tras escorarse 90º sobre el costado de babor. ... 104
Ilustración 70 Derrame de bitumen y contención con barreras. Mientras se mantiene fluido es una sustancia pegajosa que facilita su contención. ... 104
Ilustración 71 Salida de producto por las escotillas y P/V de la gabarra ... 104
Ilustración 72 Bitumen solidificado sobre la propia cubierta de la gabarra y barreras de contención. ... 105
Ilustración 73 Análisis del fondo del rio en busca del derrame. Acumulación del bitumen justo bajo la gabarra. ... 105
Ilustración 74 Draga sobre pontón recuperando el vertido solidificado del fondo del rio. ... 106
Título: Operaciones en Asfalteros
2. INTRODUCCIÓN
En el presente trabajo se describen las operativas de transporte de bitumen por vía marítima.
El entendimiento de esta cuestión hace necesario el análisis del buque y los productos a transportar.
Los asfalteros son capaces de transportar distintos tipos de productos, hecho poco conocido incluso por personal del sector. El estudio de los procesos de refinado del crudo aporta luz a esta cuestión. Además, permite conocer los parámetros necesarios para la operativa a bordo:
viscosidad, acidez, contenido en azufre, punto de ebullición, punto de fluidez y temperatura de inflación.
El segmento que nos ocupa es el de los crudos reducidos y fueles pesados, siendo los productos más típicos: bitumen, residuo atmosférico, VGO e IFO – 380. Caracterizados por la presencia de las partes más pesadas del crudo, resultado de la destilación, con altos pesos moleculares, aromáticos y concentraciones de azufre elevadas. Altas densidades y viscosidades a temperatura ambiente y altas temperaturas de fluidez definen a los productos transportados por asfalteros.
El parámetro clave es la temperatura. Este valor marca todos los conceptos tratados en el presente trabajo. Es la medida que hace posible la operativa de carga, transporte y descarga de bitumen. Las instalaciones y los procedimientos están enfocados hacia el mantenimiento e incremento de la temperatura del producto. El personal del buque controla este parámetro cada cuatro horas, anotando los datos en la hoja de registro de temperaturas.
Se describen las características de los tanques de carga. En la actualidad, los modelos que se imponen son de tipo tanque flotante o soportado. Los recubrimientos de silicato de zinc garantizan la durabilidad de los tanques de lastre y cofferdams del buque. Se revisan los tipos y características principales de estos recubrimientos.
Si el parámetro clave es la temperatura, el sistema de calefacción es, por tanto, el principal elemento del buque. Se analizan los distintos tipos de calderas, sus diseños y formas de trabajo para finalmente centrarnos en las calderas utilizadas a bordo.
Las calderas de aceite térmico son las que mejores características presentan. Sus diseños compactos, sencillos de operar y sin cambios de fase en el fluido caloportador las hacen idóneas para trabajar con productos bituminosos.
Título: Operaciones en Asfalteros
Otro de los elementos que definen a este tipo de buques son las bombas de tornillo. Las bombas de desplazamiento positivo rotatorias, de dos o más husillos, permiten la descarga y limpieza de los tanques del buque. Capaces de trabajar con un amplio rango de viscosidades, a altas temperaturas y presiones y su preciso control de los rate de descarga las hacen aptas para prestar servicio a bordo.
Habiendo analizado los productos, el buque y sus sistemas de carga/descarga estamos en condiciones de comprender las operativas de: flushing y desplazamiento de líneas.
Por último, se considera la posibilidad de vertido de estos productos al mar siguiendo lo dispuesto por las guías técnicas sobre recuperación de vertidos sumergidos.
La singularidad de este segmento del transporte marítimo y la experiencia profesional a bordo han sido los motivos para elegir el tema que pone fin a los estudios de Máster.
Me pareció importante dar a conocer esta clase de buques tanque, tremendamente desconocida y con un alto grado de especialización. El presente trabajo es de crucial importancia para comprender las formas de operar a bordo de uno de estos buques.
Título: Operaciones en Asfalteros
3. DERIVADOS DEL CRUDO
3.1 INTRODUCCIÓN
El nombre atribuido a esta clase de buques tanque no deja lugar a dudas acerca del producto objeto de su tráfico. Sin embargo, en la práctica, existe una serie de hidrocarburos que por sus características son transportados con regularidad a bordo de buques asfalteros.
Los productos transportados suelen recibir el nombre de la unidad de producción de la refinería, de modo que debemos realizar un análisis de los distintos procesos de tratamiento del crudo y las propiedades que presentan sus derivados.
La mayor parte de los productos de origen petrolífero son mezclas más o menos sencillas en el caso de los gases, pero muy complejas al tratarse de fracciones líquidas. Además, los productos comerciales, los cuales deben responder a determinadas especificaciones, son generalmente mezclas de fracciones complejas: naftas, carburantes para reactores, fueles y aceites.
3.2 TRATAMIENTO DEL CRUDO
La industria de refinación del petróleo transforma los crudos de petróleo en numerosos productos destilados, incluyendo gases licuados del petróleo, nafta, kerosene, combustible para aviación, gasoil, fueloil, lubricantes, asfaltos y productos básicos para la industria petroquímica.
La industria de refinación del petróleo cuenta con una amplia variedad de procesos, los cuales varían de unas refinerías a otras en función de su estructura, materias primas utilizadas, productos finales que se desea obtener y especificaciones de los productos.
Los procesos de refinación y las operaciones auxiliares pueden ser clasificadas en cinco categorías:
1.Procesos de separación: destilación atmosférica, destilación al vacío, procesado de gases (recuperación de los gases de refinería, metano y etano) y desalado de los crudos.
2.Procesos de conversión: craqueo (térmico y catalítico), reformado catalítico, alquilación, polimerización, isomerización, coquización y reducción de viscosidad (visbreaking)
Título: Operaciones en Asfalteros
3.Procesos de tratamiento: hidrotratamiento (tratamiento con hidrógeno), hidrodesulfuración, tratamiento químico (endulzamiento), extracción de gas ácido y tratamiento, desasfaltado, asfaltos, lubricantes, parafinas y grasas.
4.Mezclas y manejo de productos: almacenamiento, cargas, descargas, mezclas de crudos y productos intermedios, mezclas de productos
5.Operaciones auxiliares: unidad de producción de hidrógeno, unidad de recuperación de azufre, sistema de generación de vapor, generación de energía eléctrica o cogeneración de calor, vapor y electricidad, sistema de refrigeración de aguas, sistema de purgas, compresores y plantas de tratamiento de aguas.
Además, las Refinerías integradas poseen diversas unidades petroquímicas
El petróleo crudo, transportado desde los yacimientos a la refinería por petroleros u oleoductos, es almacenado en grandes depósitos cuya capacidad media es de 30.000 m3 aproximadamente. Previamente a un eventual desalado, el crudo sufre una primera operación de fraccionamiento por destilación (destilación atmosférica); posteriormente, los cortes obtenidos son sometidos a operaciones de transformación molecular o a nuevas separaciones físicas.
3.2.1 Destilación inicial, atmosférica
La unidad de destilación inicial o topping atmosférica, tiene por finalidad separar el petróleo crudo en un determinado número de cortes o fracciones clasificadas según las temperaturas de ebullición de los hidrocarburos. Estos cortes de destilación directa son regulados para hacerlos corresponder en forma aproximada con las especificaciones de destilación A.S.T.M, que condiciona su rendimiento respecto al crudo.
Previa vaporización en los hornos, los hidrocarburos se clasifican verticalmente de acuerdo a su volatilidad, es decir, según su peso molecular. Al concluir esta primera etapa, la situación evaluada desde el punto de vista cualitativo y cuantitativo va a condicionar el resto del programa.
Las fracciones que se obtienen en el procesamiento del crudo están dadas por el rango de ebullición y la presión de vapor del producto dando como resultado la siguiente clasificación:
• Gases ligeros: metano y etano, los cuales son utilizados como combustible en las refinerías o como materia prima en la industria petroquímica.
Título: Operaciones en Asfalteros
• Propano: el cual es vendido directamente como tal o se utiliza en la alimentación de las instalaciones petroquímicas.
• Butanos: El butano normal se mezcla con la nafta para aumentar su volatilidad o bien es vendido directamente como GLP. El isobutano se emplea como materia prima en la unidad de alquilación.
• Nafta: incluye los productos de punto de ebullición entre 36°C y 140°C. Por regla general la fracción entre 36°C y 71°C se mezcla directamente con la nafta, mientras que la comprendida entre 71°C y 140°C se alimenta a una unidad de reformado catalítico para mejorar su índice de octano o para producir benceno, tolueno y xilenos.
• Nafta pesada: con un intervalo de destilación entre 140°C y 204°C. Se utiliza como carga de alimentación del reformado catalítico o se mezcla con el queroseno y el combustible de reactores.
• Queroseno: destila entre 204 y 275°C, y es utilizado fundamentalmente como combustible de reactores.
• Gas-oil liviano: destila entre 275 y 343°C. Suele ser mezclado directamente con el fuel- oil N°2 y el dieselfuel, que son empleados como combustibles domésticos. El gas-oíl liviano suele ser utilizado también como materia prima en los procesos de craqueo catalítico o hidro craqueo si la demanda de productos ligeros de la refinería así lo determina.
• Gas-oil pesado: con un intervalo de destilación entre 343 y 538°C puede incorporarse directamente a la mezcla de fracciones pesadas que constituyen el fuel-oil pesado.
Además, puede utilizarse en la fabricación de asfaltos y en los procesos de conversión, como el craqueo térmico e hidrocraqueo. El gas-oil pesado se utiliza como combustible industrial.
La fracción restante del petróleo (> 350°C) es denominada residuo “largo” y puede ser:
• Parafínico: si predomina en su composición este tipo de hidrocarburos,
• Asfáltico: si predominan los nafténicoso aromáticos.
• Otros de los derivados son: Fuel-oil liviano, aceites ligeros: lubricantes para mecánica ligera, aceites pesados para la obtención de lubricantes para motores, aceites de cilindros: para máquinas de vapor y engrase general, parafinas y ceras, fueloil pesado,
Título: Operaciones en Asfalteros
asfalto y materiales asfálticos, sólidos y semisólidos, coque, aromáticos, olefinas y diolefinas, aceites bituminosos, disolventes y alquitrán o residuo.
Ningún producto de la unidad de destilación atmosférica admite ser considerado, de manera usual, como producto acabado, a excepción del residuo atmosférico, vendido como fuel pesado.
Las cantidades de las diversas fracciones de base no se corresponden a la demanda del mercado, determinando un excedente de productos pesados y un déficit de ligeros; excepto para ciertos crudos, tales como los del Sahara que presentan una situación inversa. Por ello resulta necesario utilizar los procesos de transformación y de separación (procesos de conversión) con la finalidad de mejorar la calidad y eliminar el exceso de pesados con aumento de los gases y de la nafta.
Ilustración 1 Torre de destilación atmosférica.
https://www.google.com/search?q=distillation-tower-illustration&client=firefox-b-
d&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=2ahUKEwilvo_HrqnqAhXJ3YUKHcbMC64Q_AUoAXoECAsQAw#imgrc=_
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Título: Operaciones en Asfalteros
3.2.2 Destilación al vacío
Se trata del segundo paso dentro de la destilación del crudo. En las unidades de destilación al vacío el proceso de evaporación del residuo largo se realiza a una presión inferior a la atmosférica.
El incremento de la demanda de productos ligeros, la disminución en el consumo de fuel oil, el incremento en el diferencial de precios entre crudo livianos, pesados y las mayores reservas de crudos pesados en el mundo, han obligado a las refinerías a modificar su estructura productiva a fin de adaptarse a esta situación.
Los procesos de conversión se utilizan desde hace muchos años. La destilación al vacío y la reducción de viscosidad desde el siglo XIX, la coquización de residuos desde 1928, el craqueo catalítico desde 1936 y el hidrotratamiento de residuos desde 1965. No obstante, la utilización de estas tecnologías se ha generalizado a partir de 1973 y 1979, en los cuales se desencadenan las crisis de los precios del petróleo.
Ilustración 2 Torre de destilación al vacío
https://www.slideshare.net/OctovianCletus/petroleum-introrev-4 .
3.3 CARACTERÍSTICAS DE LOS HIDROCARBUROS
Desde el punto de vista del transporte marítimo merecen especial atención las siguientes propiedades: flashpoint, punto de ebullición, acidez, contenido en azufre, viscosidad, punto de solidificación y penetración y resbalamiento de los productos asfalticos. Estas características nos ayudarán a clasificar los distintos productos a transportar a bordo del buque y establecerán las pautas a seguir durante las operaciones.
Título: Operaciones en Asfalteros
3.3.1 Flash-point-temperatura de inflamación
Es definida como la temperatura más baja a la que un líquido emite suficientes gases inflamables que en presencia de una llama cauda la ignición del líquido. Esta prueba puede realizarse según el método de vaso cerrado o vaso abierto. Debido a la perdida de gases en el método de vaso abierto esta temperatura es siempre un poco mayor que la obtenida por el método del vaso cerrado (unos 6º C de diferencia)
PRODUCTO FLASH-POINT (ºC) Tª media de transporte(ºC) TABLAS
IFO-380/ IFO HS >60 50-55 54-B
IFO BIA (combustible de calefacción) >70 50-55 54-B
RESIDUO ATMOSFÉRICO >90 65-75 D-4311
GASOIL DE VACIO (VGO) 167,5 40-45 54-B
FONDO DE VACIO (Producto Intermedio) 250 140-160 D-4311
ASFALTO >230 150-160 D-4311
PDA >130 145 D-4311
CYCLE OIL >60 30 54-B
Ilustración 3 Resumen de productos con temperaturas de transporte y tablas de liquidación.
3.3.2 Punto de fluidez – pour point.
El punto de escurrimiento de un líquido es la temperatura por debajo de la cual el líquido pierde sus características de flujo. La temperatura más baja a la que un hidrocarburo permanecerá fluido.
Existen varios métodos para su obtención: ASTM D97 y ASTM D5949. Según la norma ASTM D5949, la muestra de ensayo se calienta y se enfría mediante un dispositivo Peltier a una velocidad de 1,5±0,1 °C/min. A intervalos de 1 °C o 3 °C, se imparte un pulso presurizado de gas comprimido sobre la superficie de la muestra. Múltiples detectores ópticos observan continuamente la muestra en busca de movimiento. Se determina que el punto de escurrimiento es la temperatura más baja a la que se detecta movimiento en la superficie de la muestra.
Título: Operaciones en Asfalteros
Los crudos reducidos y los fueles pesados se caracterizan por sus altas temperaturas de fluidez. Los compuestos bituminosos comenzaran a fluir a partir de los 50ºC.
3.3.3 Punto de ebullición
Este se define como la temperatura a la cual un líquido puro, pasa al estado de vapor a una presión preestablecida en cualquier punto de su masa líquida. Para todas las series de hidrocarburos homólogos, el punto de ebullición se incrementa con el número de átomos de carbono que conforman la molécula. Generalmente, los aromáticos poseen puntos de ebullición más altos que los correspondientes nafténicos o parafínicos.
3.3.4 Acidez
Los ácidos se acumulan en los crudos como resultado de la biodegradación del crudo en el yacimiento. Las bacterias metabolizan las moléculas ligeras de forma sencilla, los crudos ácidos tienden a estar formados por las partes no metabolizadas, las moléculas más pesadas que las bacterias no son capaces de digerir.
El contenido en ácidos del crudo se mide según el TAN (Total Acid Number), referido al NN (Neutralization number), miligramos de hidróxido de potasio necesarios para neutralizar un gramo de crudo. La mayor parte de las refinerías están diseñadas para trabajar con un TAN menor a 0.5. Crudos agrios son aquellos con un TAN > 0.7.
3.3.5 Contenido en azufre
Este parámetro clasifica los crudos en agrios y dulces en función del contenido de azufre.
Los crudos que poseen contenidos de azufre superiores al 1%, son llamados agrios (son corrosivos), mientras que los que se encuentran por debajo de dicho valor, dulces. Los productos transportados a bordo presentan concentraciones entre 1% a 3.5 % en azufre.
El azufre debe ser eliminado de los productos destilados debido a:
• problemas de contaminación atmosférica que genera.
• el azufre es un veneno de los catalizadores utilizados en la refinación, disminuye la calidad de las naftas.
• se transforma en anhídrido sulfuroso por combustión, que en presencia de agua produce ácido sulfúrico.
Título: Operaciones en Asfalteros
La proporción de crudos agrios en la producción mundial ha ido en aumento. Los países con refinerías adaptadas a estos crudos son receptores de este tráfico. Debido a las restricciones medioambientales, las refinerías deben eliminar los contenidos en azufre de los productos finales.
La normativa internacional muestra especial interés por la reducción del azufre en el crudo.
La Organización Marítima Internacional así nos aclara su postura frente a la cuestión:
“El principal tipo de hidrocarburos usado como combustible en los buques es el fueloil pesado, derivado del residuo de la destilación del petróleo crudo. El petróleo crudo contiene azufre que, tras la combustión en el motor, es liberado en la atmósfera junto con el resto de emisiones del buque. Los óxidos de azufre (SOx) son conocidos por ser perjudiciales para la salud humana, causando síntomas respiratorios y enfermedades de los pulmones. En la atmósfera, los Sox pueden producir lluvia ácida, que puede a su vez provocar daños en los cultivos, bosques y especies acuáticas, y contribuye además a la acidificación de los océanos.”
“Desde el 1 de enero de 2020, el límite de contenido de azufre en el combustible usado a bordo de los buques que operen fuera de las zonas de control de emisiones designadas será de 0.50 % masa/masa. De esta forma, se reducirá significativamente la cantidad de óxidos de azufre que emanan de los buques, lo que debería tener grandes beneficios tanto para la salud como para el medio ambiente mundiales, especialmente, para las poblaciones que viven cerca de los puertos y costas.”
Ilustración 4 Límites de contenido en azufre para bunker marino.
https://www.eia.gov/petroleum/
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3.3.6 Viscosidad
Es una magnitud física que mide la resistencia interna al flujo de un fluido, resistencia producto del frotamiento de las moléculas que se deslizan unas contra otras. La inversa de la viscosidad es la fluidez.
La viscosidad es un parámetro que influye en la potencial emisión de contaminantes dado que es una determinante en las condiciones de la combustión.
Además, resulta importante para definir las posibilidades de bombeo de los productos y el tipo de régimen de los caños. La viscosidad es una especificación de primer orden en los aceites lubricantes, ya que condiciona las cualidades requeridas para la lubricación.
La magnitud de la viscosidad depende de la conformación química del crudo, de manera que, a mayor proporción de fracciones ligeras, menor es la viscosidad. Este valor depende además de la temperatura ambiente, de forma que cuanto menor resulta ésta, más viscoso es un crudo. Existen diversas unidades para definir la viscosidad, siendo las más utilizadas las descriptas a continuación:
3.3.6.1 Viscosidad absoluta
Representa la viscosidad dinámica del líquido y es medida por el tiempo en que tarda en fluir a través de un tubo capilar a una determinada temperatura. Sus unidades son el poise o centipoise (gr/SegCm), siendo muy utilizada a fines prácticos.
3.3.6.2 Viscosidad cinemática
Representa la característica propia del líquido desechando las fuerzas que genera su movimiento, obteniéndose a través del cociente entre la viscosidad absoluta y la densidad del producto en cuestión. Su unidad es el stoke o centistoke (cm2/seg). Esta nos la encontraremos como parámetros de funcionamiento de las bombas de carga.
Viscosidad Cinemática (CSt) = Viscosidad Absoluta / Densidad
La unidad de la viscosidad absoluta es el Ps.m llamado Pascal. Segundo. las unidades del pascal segundo son: Kg/m.seg. Las unidades de la viscosidad cinemática son los St. Las unidades del St son cm2/seg. Las equivalencias son las siguientes.
1 St = 1 cm2/seg=100 cSt 1sSt= 1 mm2/seg
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Ilustración 5 Densidad y contenidos de sulfuro de los crudos.
https://www.eia.gov/petroleum/
3.4 PRODUCTOS TRANSPORTADOS
Una vez definido el proceso de tratamiento del crudo y las características principales de los hidrocarburos, podemos centrarnos en aquellos transportados por los buques asfalteros.
Los productos transportados que se han tenido en cuenta para la elaboración del presente trabajo son: residuo atmosférico, residuo de vacío, gasoil de vacío y asfaltos (en sus distintos grados). Además de un quinto producto, denominado: IFO-380HS o LSFO dependiendo de su concentración de sulfuro.
3.4.1 Residuo atmosférico
3.4.1.1 Origen
El residuo atmosférico tratado en la unidad de vacío, visbreaking o mediante craqueo es destinado como combustible marino o para la generación eléctrica. Las refinerías venden este producto a un precio menor que el han pagado por el crudo. El margen de beneficio para la refinería es casi siempre negativo. En algunos casos, se decide utilizar como combustible dentro de la propia refinería que lo produce.
Título: Operaciones en Asfalteros
En la torre de destilación atmosférica, presión de trabajo cercana a una atmosfera, se recibe el crudo proveniente de la unidad flash. Mientras la parte de gas comienza a ascender por la torre y a condensar a distintas alturas en base al gradiente de presión y temperatura, la parte líquida no destilada se acumula en la base de la torre, es decir, la menos volátil, llamada residuo atmosférico, crudo reducido o residuo largo.
Como producto no destilado, contiene los componentes menos volátiles de alto peso molecular, ricos en azufre, nitrógeno, oxígeno y metales, con elevada proporción de carbono sobre hidrógeno (asfaltenos); junto con otros de mayor volatilidad y exentos de metales y compuestos nitrogenados y oxigenados, formando una emulsión estable.
3.4.1.2 Tráfico
En los últimos años, los márgenes de beneficio sobre el residuo atmosférico se han reducido debido a varios factores. En primer lugar, la mayor parte de las refinerías de Asia no disponen de medios para el craqueo del residuo atmosférico en derivados más ligeros. Se da un exceso de oferta en la producción de residuo. En segundo lugar, Arabia Saudí incremento su producción de crudos pesados. Estos tienen menos partes volátiles. Esto mismo ocurre con los productores fuera de la OPEC. A estos dos factores se les suma las restricciones medioambientales, la demanda de crudos reducidos y derivados no es tan alta como la demanda de los productos más ligeros como las gasolinas
La salida inmediata de este producto es la composición de fuelóleos, bien sea mediante la mezcla con gasoil atmosférico y/u dieseloil pesado.
La cantidad de residuo atmosférico resultante varía entre el 30% de la cantidad inicial de producto para crudos ligeros y hasta el 70 % para crudos pesados.
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Ilustración 6 Fracciones destiladas según sus características.
https://www.google.com/search?q=valero-energy-basics-of-refining-presentation-january-13-2009-6- 728&client=firefox-b-d&biw=1366&bih=635&tbm=isch&source=lnms&sa=X&ved=0ahUKEwj6---
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3.4.2 Residuo de vacío y gasoil de vacío (VGO)
La temperatura máxima que se alcanza en la torre atmosférica es de 365ºC. Por encima de esa temperatura es muy difícil evitar el craking térmico de sus componentes, comenzando el proceso de coquización. Para librar el límite de temperatura se recurre a la torre de destilación al vacío. La reducción de la presión dentro de la torre, de entre 65 a 135 mmHg, permite reducir unos 150ºC la temperatura a la que destilar el residuo atmosférico.
Como resultado del tratamiento del crudo reducido en la torre de vacío obtenemos el gasoil de vacío (VGO) ligero y pesado. Suele destinarse, junto con el gasoil atmosférico previamente desulfurado o sin ningún tratamiento, para alimentar las unidades de conversión catalítica (FCC) que los convertirán en productos más ligeros, y/o como elementos de mezcla (cutter stocks) para la preparación de fueloil.
La parte no destilada es denominada residuo de vacío. El residuo de vacío puede destinarse a la preparación de asfaltos (separándose los aceites más pesados contenidos mediante extracción con disolventes), a la producción de coque, o a la preparación de fuelóleos, debiéndose reducir entonces su viscosidad, bien por tratamientos térmicos (visbreaking), o bien mezclándolo con residuo atmosférico.
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3.4.3 Bitumen
3.4.3.1 Origen
El bitumen está formado por moléculas asfálticas pesadas y por ello es comúnmente conocido como asfalto. El alquitrán también se suele confundir con el bitumen. El alquitrán es un producto del carbón no del crudo.
El bitumen se produce extrayendo las moléculas de asfaltenos de cada molécula aromática pesada de hidrocarburo. Existen tres métodos para su producción: destilación, desasfaltado y soplado. Mediante el proceso de desasfaltado con propano del residuo de vacío se obtiene un asfalto de excelente calidad y destilado pesado más duro, no contaminado por trazas de materias asfálticas. La acción disolvente, muy selectiva, del propano admite una separación entre dichos destilados pesados y el residuo, resultando mejor que por destilación.
La destilación se obtiene mediante las unidades de vacío y el soplado mediante la aplicación de aire caliente a los residuos del crudo. El bitumen producido según este último método es llamado bitumen marrón.
3.4.3.2 Clasificación
El bitumen es la parte más pesada y viscosa de la refinería. Es utilizado principalmente para pavimentar suelos (asfalto) y como emulsiones de fuel. El 80% del bitumen es utilizado como asfalto en la pavimentación de carreteras, principalmente en los meses de verano.
El bitumen se clasifica según su grado de penetración (PEN). Se calienta una muestra de bitumen hasta los 25ºC y una aguja estandarizada de 100g de peso se sitúa sobre la muestra durante 5 segundos. El número de decimas de milímetro que la aguja penetra en el bitumen nos da una idea sobre sus características, viscosidad y dureza. Normalmente el PEN de un bitumen viene expresado como un rango del tipo 80/100 PEN.
Algunos de los grados típicos son: 50 (significa que la aguja penetro 5 milímetros), 100, 200, 300 y 450 PEN. Cuanto menor sea el PEN más viscoso será el bitumen, pero más duradero y resistente será como asfaltó en carretera. Los distintos grados de bitumen se seleccionan según la densidad del tráfico que la carretera vaya a soportar
El asfalto es una mezcla que contiene aproximadamente el 5% de bitumen y un 95% de arena, piedra triturada y grava.
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También se denominan betunes de penetración debido a que es esta propiedad la que sirve para su clasificación. El betún es el componente que aglomera y da cohesión en las mezclas bituminosas y es el principal responsable de las propiedades de estas. Su consistencia puede modificarse con la temperatura lo que permite su fácil manipulación, la envuelta de los áridos, la compactación de las mezclas y su adecuado comportamiento a temperaturas de servicio.
3.4.3.3 Empleo del bitumen
Los betunes asfalticos se emplean en:
Carreteras: mezclas bituminosas en caliente convencionales, betunes modificados con polímeros, betunes modificados con polvo de neumáticos, betunes anti carburantes, betunes multigrado, emulsiones (convencionales y modificadas).
Aplicaciones industriales: emulsiones y másticos para impermeabilización y pavimentación industrial, telas asfálticas, revestimiento de tuberías, obras hidráulicas, sellado de juntas, pinturas asfálticas, etc.
Los betunes convencionales más empleados en nuestro país, principalmente por razones climáticas, son los betunes de penetración 35/50 y 50/70, usados para la fabricación de mezclas bituminosas convencionales. En la siguiente tabla se muestran las características de los betunes asfalticos para carretera que se comercializan en España:
Ilustración 7 Grados de bitumen más comunes en España https://www.cepsa.es/es/particular
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3.4.4 Productos derivados del asfalto (PDA)
Una combinación muy compleja de compuestos orgánicos de alto peso molecular que contiene una proporción relativamente alta de hidrocarburos. También contiene pequeñas cantidades de diversos metales como el níquel, hierro o vanadio. Se obtiene como residuo no volátil de la destilación de petróleo crudo o por separación como el refinado del aceite residual en un proceso de desasfaltado o descarbonización
3.4.5 Intermediate fuel oil. IFO-380
3.4.5.1 Origen
El IFO-380 es el resultado de la mezcla de distintos componentes (blending) clasificables en:
residuos (residuo atmosférico, residuo de vacío y residuo visbreaking) y productos más ligeros (keroseno o gasóleo).
Los contenidos de sulfuro para cada producto se indican tras el nombre del producto con las siglas HS, para altas concentraciones de sulfuro y LS par bajas concentraciones.
Si el residuo atmosférico tiene una alta viscosidad se mezcla con partes más volátiles como:
fuel ligero o keroseno. Las diferencias en el precio dependerán de la cantidad de partes volátiles que se hayan incluido al residuo para hacerlo un producto apto para la venta. Otra forma de reducir la viscosidad sin necesidad de mezclas es la unidad de visbreaking
3.4.5.2 Clasificación
La ISO ha tratado de uniformar la codificación de los fueles marinos. Para los fueles marinos destilados: DMA (MGO), DMB (MDO), DMC y DMX donde D indica que es un destilado y M que es marino. Para fuel residual la ISO utiliza 15 especificaciones distintas: RMA, RMB, RMC… hasta RML. La R indica que es residuo y la M, marino. Además de esta división también se establecen límites de viscosidad. Por ejemplo, RME-25 es un fuel residual marino del tipo E con una viscosidad máxima a 100ºC de 25 centistokes.
A pesar de que la mayoría de las partes implicadas en el comercio del crudo utilizan la codificación de la ISO, en el comercio de fueles marinos se utiliza la categoría de Intermediate Fuel Oil, o IFO.
Título: Operaciones en Asfalteros
Se le denomina intermedio pues contiene partes de productos destilados para reducir su viscosidad. Los IFO son nombrados según su viscosidad a 50ºC (temperatura de uso a bordo de los buques) en cambio, la ISO enuncia su viscosidad a 100ºC.
Los IFO más comúnmente utilizados son: IFO-180, IFO-380 e IFO-460. El más utilizado como bunker marino es el IFO-380, llamado también Bunker C. El IFO-380 contiene aproximadamente 3% de productos destilados (gasolina o keroseno)
3.4.6 Cycle oil-aceites clarificados
Se trata de un aceite lubricante ligero. Es un residuo líquido producido en la industria del petróleo cuando se emplea el craqueo catalítico para convertir las fracciones de hidrocarburos pesados que quedan de las etapas anteriores del refinado del petróleo crudo en productos más ligeros y valiosos
En la práctica, otros factores como los recubrimientos de los tanques, la capacidad de lavado y las limitaciones de las bombas, hacen que la principal diferencia al contar con IGS sea la posibilidad de transportar productos derivados del asfalto, conocidos por sus siglas PDA.
Estos pueden contener trazas de sustancias volátiles.
En el siguiente esquema se muestra los distintos niveles de las torres de destilación atmosféricas y de vacío los tratamientos a los crudos y procesos derivados.
Ilustración 8 Esquema de procesos en una refinería. Los productos resaltados en rojo son objeto de transporte en asfalteros.
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4. BUQUE ASFALTERO
4.1 INTRODUCION
Los buques tanque representan aproximadamente el 30% de la flota mercante mundial Existen dos categorías de buques tanque: los destinados al transporte de productos destilados o limpios (nafta, gasolina, keroseno…) y los destinados al transporte de productos crudos o sucios (crudo pesado, fuel, bitumen…) Aproximadamente la mitad de la producción mundial de crudo es transportada por estos últimos en varias etapas de su camino entre los pozos petrolíferos y las refinerías.
Los buques asfalteros están clasificados como buques sucios. Son buques dedicados al tráfico de corta o media distancia y su tamaño varía principalmente desde los 1000 a 6000 DWT.
Si bien es cierto que existen buques asfalteros de mayor tamaño estos no son la norma en la construcción y tráfico. Algunos ejemplos son: el BITU EXPRESS, uno de los mayores de su categoría, construido en el año 2003, con un GRT de 28.323Tm, una eslora de 179,88 m y una capacidad máxima de carga de 50.590,08 Tm o el MARONI, con GRT de 25.738 Tm y capacidad máxima de carga de 40.535,20 Tm y el ASFALT STAR con GRT de 28.559 Tm y capacidad máxima de carga de 52.543,60 Tm
Estos grandes asfalteros han realizado operativas de carga en España, en concreto en la terminal de carga de ASESA, en Tarragona, que tiene capacidad de almacenaje de más de 100.000 Tm de betún asfáltico con posibilidades de suministrar en un solo embarque 40.000 Tm de una misma especificación de producto. La refinería de Asfaltos Españoles, S.A.
produce anualmente cerca de un millón de toneladas de betún asfáltico del cual el 75 % se exporta principalmente a países del Magreb y África meridional.
4.2 TANQUES DE CARGA
El diseño de los tanques de carga nos permitirá diferenciar en dos grandes grupos a los asfalteros.
Entendemos como tanque todo espacio cerrado que esté formado por la estructura permanente de un buque y este proyectado para el transporte de líquidos a granel. Los tanques de un asfaltero se clasifican en los siguientes tipos:
Título: Operaciones en Asfalteros
4.2.1 Tanques de estructura integral
Este tipo de tanques de caga no presentan una separación entre el mamparo del tanque de lastre adyacente y el espacio de carga, de manera que ambos forman parte de la estructura de doble casco del buque. Este diseño presenta las siguientes características:
• La falta de un espacio entre ambos tanques dificulta las operativas de lastrado del buque. Son necesarios periodos de tiempo para el lastre y deslastre, que varían en función del buque y la capacidad de sus bombas. Es necesario aclimatar los espacios y no someter a la chapa a cambios bruscos de temperatura.
• La falta de aislamiento en cubierta principal es un punto desfavorable de este diseño.
La climatología de determinadas zonas de navegación afecta al mantenimiento de las temperaturas de la carga. Los aislamientos son fundamentales para el control de consumos del sistema de calefacción.
• En relación con su eslora, se da un aprovechamiento mayor del espacio de carga.
• Como más adelante veremos, es necesario aplicar recubrimientos especiales a la chapa en contacto con las altas temperaturas.
• Los esfuerzos extra a los que se somete la estructura deben ser tenidos en cuenta a la hora de diseñar el buque. Para contrarrestar el efecto de la temperatura se proyectan: aceros de alta resistencia, tipo AH32-AH36, un mayor número de refuerzos longitudinales y transversales, instalación de mamparos corrugados y un aumento en el grosor de la chapa. La distancia entre cuadernas es reducida en estos diseños.
• La tarea de evitar los puentes térmicos se complica.
• Las temperaturas máximas soportadas llegan a los 180ºC-200ºC.
4.2.2 Tanques soportados
Dentro de los espacios de carga del buque se instalan tanques independientes de la estructura principal. Este diseño presenta las siguientes características:
• Se evitan los esfuerzos resultado de la dilatación y contracción del tanque expuesto a altas temperaturas.
Título: Operaciones en Asfalteros
• Se produce una pérdida de capacidad de carga de 20% a 30% debido a los espacios vacíos entre la estructura principal y el tanque interior.
• La temperatura máxima soportada para estos diseños alcanza los 250ºC.
• Se evitan los puentes térmicos.
• Las operativas de carga y lastre pueden ser simultáneas en transporte de cargas a temperatura. No se hacen necesarios periodos de lastrado-deslastrado.
• Mantener las temperaturas requiere menor consumo del sistema de calefacción.
• Los espacios vacíos requieren inspecciones y mantenimiento regular.
• La construcción es más compleja y costosa.
En las siguientes imágenes podemos ver la diferencia entre ambos diseños. En las siguientes imagenes se muestra el corte transversal, dejando ver la estructura principal y los tanques interiores.
Ilustración 9Corte transversal de un tanque de carga suspendido.
Yasar GÜL, Levent KAYDIHAN, Osman BEDEL DELTA MARINE Engineering Co
Ilustración 10Corte transversal tanque de carga integral. Astilleros ARMON
En la actualidad, el diseño predominante de nuevas construcciones está basado en los tanques soportados dadas sus ventajas. Para dar respuesta a las exigencias del sector naval, la American Bureau of Shipping elaboro en 2017 una guía de requerimientos que verifican la
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clasificación A1 Asphalt Carrier with Independent Tanks (temp℃). Esta normative sigue lo dispuesto por: ABS Rules for Building and Classing Steel Vessels (Steel Vessel Rules) for fuel oil carriers y la ABS Guide for Building and Classing Liquefied Gas Carriers with Independent Tanks (LGC Guide)
En ambos diseños, se tendrán en cuenta las dilataciones de las líneas de carga. Como métodos para evitar estas dilataciones encontramos con juntas de expansión o disposición de las líneas en omegas.
Dado que estos buques operan con productos no volátiles hay una serie de requerimientos que no les son de aplicación. En el convenio MARPOL Anexo I Regla 2 nos indica que:
Las reglas 29, 31 y 32 del presente Anexo no les serán de aplicación a los buques asfalteros.
Quedan exentos de disponer de tanques de slops, ODM y detectores fijos de agua/hidrocarburo.
Desde el punto de vista constructivo esta normativa se presenta demasiado laxa siendo las exigencias de los fletadores más exhaustivas en lo relativo a seguridad y operatividad del buque.
4.3 RECUBIMIENTO DE SILICATO DE ZINC
4.3.1 Introducción
Una de las características que nos encontraremos en los asfalteros son los recubrimientos de silicato de zinc. Estos presentan una alta resistencia a los ambientes agresivos, así como a la temperatura (hasta 400ºC), disolventes, aceites minerales, etc.
Cualquier pintura, sin importar lo compleja que sea, está formada por una resina, un pigmento y un disolvente que permite aplicar la mezcla sobre la superficie. Los recubrimientos suelen ser clasificados por el tipo de resina o el pigmento. Dando lugar a la siguiente clasificación:
alquídicas, caucho clorado, vinílico, acrílicos de base de agua, epoxi poliuretano, brea-epoxi y silicato de zinc.
El silicato de zinc se caracteriza por su alta resistencia y su excelente respuesta a la abrasión, sin embargo, el componente de zinc origina problemas prácticos.
Las pinturas, normalmente se aplican mediante sprays y cualquier disolvente en la mezcla se evapora dejando una capa dura y homogénea. Los equipos de pistolas rociadores de aire son
Título: Operaciones en Asfalteros
los más utilizados. En ocasiones es necesario calentar la pintura, en especial, en los recubrimientos de epoxi, para así reducir su viscosidad.
La experiencia ha demostrado que las pinturas con dos componentes dilatan su periodo de secado, permaneciendo en un estado de plasticidad durante largos periodos de tiempo a temperaturas bajas. Además, pueden presentar problemas de adhesión en el caso de que esta situación se prolongue.
4.3.2 Categorías
Los recubrimientos de silicato de zinc son utilizados en buques tanques de productos, en cubiertas expuestas y en el interior de tanques de lastre. Dentro de este tipo de recubrimiento nos encontramos con dos categorías: de base de agua y de base de disolvente. Los de base de disolvente son más sencillos de aplicar, pero tienen una mala respuesta en los tanques de lastre segregado. Los de base de agua presentan, en general, mejores prestaciones.
El silicato de zinc difiere de cualquier otro tipo de recubrimiento orgánico del tipo epoxi o vinyl.
Se caracteriza por una gran resistencia a la abrasión que lo hace ideal para cubiertas y tanques de carga. Por el contrario, es realmente difícil de aplicar. Se debe aplicar en una sola capa. Los fallos más comunes suelen ser: la falta de uniformidad en el grosor y el proceso de secado. Una mala aplicación tiene como resultado la temprana aparición de puntos de oxido.
Su color claro, de tipo azul grisáceo, facilita las inspecciones en el interior de los tanques de lastre. Sin embargo, la experiencia demuestra que presenta una menor esperanza de vida que los recubrimientos de coal-tarepoxi. El desgaste del recubrimiento suele deberse al desgaste del zinc al final de su vida útil que conduce a la rápida aparición de puntos y lascas de oxido.
4.3.3 Inconvenientes
Si la capa aplicada es demasiada espesa tiende a agrietarse. Es muy sensible, por otro lado, a los intervalos de repintado, complicando los retoques. Todo ello hace que la aplicación deba ser hecha por un personal altamente cualificado y se debe tener presente la necesidad de chorrear la chapa de acero y volver a aplicar el silicato.
Otros de los problemas típicos que podemos citar son: la falta de organización durante el proceso de construcción o reparación del buque, una mala preparación de la superficie antes de recibir el recubrimiento, capas de recubrimiento de un grosor inadecuado, efectos climáticos, periodo demasiado prolongado entre los tiempos de pintura o un fallo en la
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composición del recubrimiento. Se deberá prestar atención a los puntos de soldadura y a las zonas de unión y de acumulación de tensiones a la hora de evaluar el estado de los recubrimientos.
Ilustración 11Interior de un tanque de lastre con recubrimiento de silicato de zinc
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5. SITEMA DE CALEFACCIÓN.
Los buques asfalteros están específicamente diseñados para transportar productos a temperatura. Una de sus características es la posibilidad de mantener, y si es necesario, aumentar, la temperatura del producto. Para conseguir este objetivo, el buque se vale del sistema de calefacción.
5.1 CALDERAS
Dadas las características de los productos asfalticos, el transporte, carga y descarga solo es practicable mientras se mantengan a temperaturas adecuadas. Entendiendo por adecuadas aquellas temperaturas que permitan la manipulación del producto, puntos de fluidez y viscosidad correctos, por parte del personal sin poner en riesgo la integridad estructural y el sistema de carga del buque. La instalación que permite hacer esto posible son: las calderas y sus sistemas asociados.
5.1.1 Normativa
El marco legislativo español, en lo referente a calderas, está contenido en el RD 2060/2008, de 12 de diciembre por el que se aprueba el Reglamento de equipos a presión y sus Instrucciones Técnicas Complementarias (ITC EP1 a EP2) modificado por el RD 560/2010.
Con posterioridad se aprobó el RD 108/2016, 18 de marzo, por el que se establecen los requisitos esenciales de seguridad para la comercialización de los recipientes a presión simples y el RD 115/2017, de 17 de febrero, por el que se regula la comercialización y manipulación de gases fluorados y equipos basados en los mismos.
Siguiendo lo dispuesto en el artículo 2 de la ITC EP1 Calderas, Capítulo I, se definen los siguientes conceptos:
Caldera: todo aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en utilizable, en forma de calorías, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.
Caldera de vapor: la que utiliza como fluido caloportador o medio de transporte el vapor de agua.
Caldera de agua sobrecalentada: toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura superior a 110 ºC.
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Caldera de agua caliente: toda caldera en la que el medio de transporte es agua a temperatura igual o inferior a 110 ºC.
Caldera de fluido térmico: toda caldera en la que el medio de transporte de calor es un líquido distinto del agua.
Caldera automática: caldera que realiza su ciclo normal de funcionamiento sin precisar de acción manual alguna, salvo para su puesta inicial en funcionamiento o en el caso de haber actuado alguno de los dispositivos de seguridad que hayan bloqueado la aportación calorífica.
Caldera manual: la que precisa de una acción manual para realizar algunas de las funciones de su ciclo normal de funcionamiento.
Caldera móvil: la que está en servicio mientras se desplaza
5.1.2 Transferencia de calor
Los distintos tipos de calderas empleados en la industria se pueden dividir en cuatro grandes grupos en función del fluido caloportador que utilizan:
a) Calderas de vapor (es el tipo que más se emplea en la industria).
b) Calderas de agua caliente.
c) Calderas de agua sobrecalentada.
d) Calderas de fluido térmico.
5.1.3 Superficie de calefacción
Toda caldera debe disponer de una superficie total de absorción de calor capaz de transmitir la máxima cantidad de calor suministrada por el combustible al fluido caloportante con el máximo rendimiento y al menor coste posible. Por tanto, cada uno de los elementos implicados en la transferencia calorífica debe ser proporcionado a los restantes, haciendo que la caldera sea un conjunto equilibrado.
Las partes que intervienen en el proceso de transferencia calorífica son:
• Envolventes y superficie de calefacción.
• Hogar (cámara donde tiene lugar la combustión).
Título: Operaciones en Asfalteros
• Quemador (equipo para quemar el combustible).
• Ventiladores (equipo que proporciona el aire para la combustión al quemador).
• Equipos para la eliminación de los residuos de combustión, en calderas de combustible sólido.
• Elementos de recogida y transporte de cenizas, en calderas de combustible sólido.
• Separadores de vapor (domos), en calderas acuotubulares.
• Sistema de suministro de agua de alimentación.
• Sistemas de purga.
• Cimentaciones y soportes.
• Refractarios, en calderas pirotubulares.
• Precalentamiento del agua de alimentación y del aire de combustión, para ahorro de energía.
• Accesorios (válvulas, niveles, etc.).
Se denomina superficie de calefacción de una caldera a la superficie de intercambio de calor que está en contacto con la fuente de calor y con el fluido caloportador. Dependiendo de la posición relativa en el hogar respecto a la llama esta superficie puede ser:
5.1.3.1 Superficie de radiación.
La superficie de radiación de una caldera es la superficie que está en contacto con la llama y con los productos de combustión. A efectos de cálculo, se tomará como superficie de
radiación.
➢ En calderas acuotubulares, el valor correspondiente a la superficie proyectada por las paredes del hogar.
➢ En calderas pirotubulares de cámara húmeda, las superficies proyectadas del hogar, envolvente de la cámara del hogar y placa trasera de dicha cámara del hogar.
➢ En calderas pirotubulares de cámara seca, la superficie proyectada del hogar.
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➢ En calderas pirotubulares de cámara semiseca, las superficies proyectadas del hogar y envolvente de la cámara del hogar.
➢ En calderas de tipo móvil, la superficie proyectada del hogar.
➢ En calderas verticales, las superficies proyectadas del hogar y de los tubos pantalla.
5.1.3.2 Superficie de convección.
La superficie de convección de una caldera es toda la superficie de calefacción que está en contacto con los gases de combustión o fluidos aportadores de calor, que se suelen colocar fuera del hogar.
5.1.4 Transmisión de calor en calderas
En las calderas, el calor que se cede al fluido caloportante se obtiene:
• Por combustión de combustibles gaseosos, líquidos o sólidos.
• De fluidos calientes procedentes de un proceso industrial.
• De energía eléctrica.
• Por un proceso de fisión nuclear del uranio.
• De biocombustibles y de energías reciclables (energía solar, viento, mareas, geotermia, etc.).
La transmisión de calor en la caldera, desde la fuente de calor al fluido caloportante se realiza por radiación, convección, conducción o por los tres sistemas simultáneamente. En toda caldera hay que distinguir la superficie de calefacción directa y la indirecta.
5.1.4.1 Superficie de calefacción directa
La superficie de calefacción directa está formada por todas aquellas superficies que por un lado están en contacto con la llama, con los productos de la combustión de los fluidos calientes portadores de calor, y por otro, con el fluido caloportante contenido en la caldera.
En la superficie de calefacción directa hay dos zonas, la de radiación y la de convección.
Teniendo en cuenta que el calor transmitido por radiación es proporcional a la cuarta potencia de la diferencia de temperaturas entre la zona caliente (llama y gases de combustión) y la
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zona fría (fluido caloportador), el flujo de calor (cantidad de calor transmitido por unidad de superficie) es muy elevado, por lo que es necesario tener especial cuidado con el cálculo y diseño de esta superficie para evitar problemas derivados de las elevadas oscilaciones térmicas(craqueo térmico) a la que se ve sometida, procurando además que por la parte del fluido esté libre de residuos e incrustaciones, para facilitar la transmisión de calor al fluido y evitar que el acero alcance temperaturas superiores a las de diseño.
5.1.4.2 Superficie de calefacción indirecta
La superficie de calefacción indirecta está formada por las superficies de la caldera que estando en contacto, por una cara, con el fluido caloportante de la caldera, por la otra cara no están en contacto con los fluidos calientes del sistema de aporte de calor. Como la transmisión se produce principalmente por convección, esta superficie se denomina de convección y normalmente suele estar fuera del hogar.
El calor transmitido por convección viene dado por:
𝑄 = ℎ 𝑥 𝑆 𝑥 ∆𝑇𝑚 Siendo:
Q: cantidad de calor transmitido
h: coeficiente de transmisión de calor por convección S: superficie de calefacción
∆𝑇𝑚: Temperatura media de la diferencia de temperatura entre la zona de aporte de calor y la zona del fluido caloportante de la caldera.
De esta ecuación se deduce que la cantidad de calor cedido se puede aumentar por:
a) Aumento de la superficie de calefacción.
b) Aumento de la diferencia media de temperaturas.
c) Aumento del coeficiente h. Este coeficiente depende de varios factores, pero el más importante es la velocidad del fluido caliente, de forma que, al aumentar esta velocidad, aumenta la cantidad de calor transmitido. Este coeficiente h baja si hay depósitos o incrustaciones de hollín en alguna de las dos caras de la superficie de calefacción.