ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción
“Diseño de Tanque Criogénico para Almacenamiento de Nitrógeno Líquido con Capacidad de 12 metros cúbicos”
TESIS DE GRADO Previo a la obtención del título de:
INGENIERO MECÁNICO
Presentada por: BENEDICTO FERNANDO MOSQUERA UNDA
GUAYAQUIL – ECUADOR
AÑO 2004
AGRADECIMIENTO
A quienes colaboraron en la realización de esta tesis, hago
un
agradecimiento
especial al Ingeniero Ernesto Martínez por la dedicación prestada como Director de Tesis y a cada uno de los vocales.
DEDICATORIA
A mis padres A Dios.
TRIBUNAL DE GRADUACIÓN
_____________________________
_____________________________
Ing. Eduardo Rivadeneria P.
Ing. Ernesto Martínez L.
DECANO DE LA FIMCP
DIRECTOR DE TESIS
PRESIDENTE
_____________________________
_____________________________
Ing. Eduardo Donoso P.
Ing. Francisco Andrade S.
VOCAL
VOCAL
DECLARACIÓN EXPRESA “La responsabilidad del contenido de esta
Tesis
de
Grado,
me
corresponde
exclusivamente; y el patrimonio intelectual de la
misma
a
la
ESCUELA
SUPERIOR
POLITECNICA DEL LITORAL”.
(Reglamento de Graduación de la ESPOL)
_____________________________________
Benedicto Fernando Mosquera Unda Octubre de 2004
RESUMEN
La presente tesis de grado ha sido desarrollada partiendo del estudio de una empresa agroindustrial dedicada al procesamiento de concentrado, zumos y pulpa de frutas. Actualmente dentro del sistema de homogeneizado de producto, se inyecta ácido ascórbico para evitar la oxidación inmediata, luego de este proceso, el producto es envasado inyectándole nitrógeno, con el fin de inertizar su atmósfera y preservar el producto en percha por mayor tiempo. Finalmente es llevado a cámaras frigoríficas, las mismas que operan con un sistema de refrigeración mecánica; es decir, sistemas que cuentan con condensadores, evaporadores y compresores.
La empresa en la actualidad posee una limitada capacidad de producción, con un requerimiento mensual de nitrógeno de 1.25 m 3 aproximadamente, por lo que su necesidad es incrementar, tecnificar y mejorar sus procesos.
Dentro de los avances tecnológicos alimenticios y luego de estudiar las bondades que presenta el nitrógeno dentro de este campo, se haya la necesidad de incorporar en la mayor parte de los procesos a este gas inerte, puesto que presenta beneficios que incrementa el valor agregado del
producto final como presentación, durabilidad, frescura, eliminación de malos olores y ácido ascórbico. Analizando los diferentes procesos en los que intervendrá el nitrógeno, a continuación se exponen:
Fase de homogeneización.- se inyectará nitrógeno a través de una tobera para el desplazamiento inmediato del oxígeno, principal causante de la oxidación, degradación y de cultivo bacteriano en la sustancia.
Empaquetado.- para mantener la atmósfera inerte del producto dentro del empaque, desalojando de esta forma el aire que pueda mantenerse en el enfundado.
Criogenización.- en el cual la pulpa pasará por un túnel de congelamiento, donde la caída de temperatura interna es inmediata, favoreciendo de esta manera la formación de microcristales de hielo aislando el agua y dificultando su participación en reacciones químicas y bioquímicas, inhibiendo la actividad de microorganismos patógenos y pérdida de peso.
Partiendo del volumen requerido de nitrógeno de 12 m 3 mensuales, especificado en estudios previos al dimensionamiento del sistema, esta tesis se orienta específicamente al diseño del tanque criogénico, y la selección de
sus accesorios. El país cuenta con la infraestructura suficiente para fabricar este tipo de tanques, por lo que la empresa ha decidido construirlo.
El tanque criogénico estará formado por tres elementos principales: Un tanque interno cuyo material es de acero inoxidable; El tanque externo al que se denomina coraza, formado por acero al carbono Y el aislamiento térmico dado por un material aislante y vacío. Adicionalmente se realizará la selección de los accesorios respectivos.
El diseño del tanque estará en función de la presión de trabajo que es 17.6 Kgf/cm2, además se contemplará los problemas generados por la presión externa dado los efectos de vacío entre el tanque interno y su coraza, valor que contempla 0.01033 Kgf / cm 2. Debido a esto se utilizarán normas de la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos (ASME), sección VIII, para recipientes sometidos tanto a presión externa como interna, normando esta misma sección la soldadura. La aplicación del sistema de pintura estará normada de acuerdo al Consejo para Pintar Estructuras de Acero (SSPC).
Finalmente se presentará los planos de diseño del tanque, contando con el volumen necesario y óptimo que cubra los requerimientos periódicos de la planta y que este de acuerdo a normas internacionales, para que este pueda ser implementado; mejorando en sí procesos tecnológicos e incrementando
la producción, además de reducir costos con respecto a la adquisición de un tanque importado.
INDICE GENERAL
Pág. RESUMEN .................................................................................................... VI INDICE GENERAL ......................................................................................... X ABREVIATURAS ........................................................................................ XIII SIMBOLOGIA ............................................................................................. XIV INDICE DE FIGURAS .................................................................................. XV INDICE DE TABLAS ................................................................................... XVI INDICE DE PLANOS ................................................................................. XVII INTRODUCCION ............................................................................................ 1
CAPÍTULO 1. 1. ASPECTOS GENERALES DEL NITRÓGENO......................................... 4 1.1 Propiedades y características del nitrógeno .................................... 4 1.2 Aplicaciones industriales del nitrógeno líquido en el área alimenticia. ....................................................................................... 6
CAPÍTULO 2. 2. GENERALIDADES DEL PROYECTO .................................................... 12 2.1 Descripción del proceso ................................................................. 12
2.2 Análisis y especificación del problema ........................................... 18
CAPÍTULO 3. 3. DISEÑO DE TANQUE CRIOGÉNICO Y SELECCIÓN DE ACCESORIOS........................................................................................ 21 3.1 Diseño de forma y cálculo de volumen requerido .......................... 21 3.2 Diseño de tanque interno ............................................................... 26 3.3 Diseño de coraza ........................................................................... 30 3.4 Diseño térmico ............................................................................... 37 3.5 Selección de accesorios ................................................................ 39
CAPÍTULO 4. 4. NORMAS APLICATIVAS EN FASE CONSTRUCTIVA .......................... 41 4.1 Normas de soldadura ..................................................................... 41 4.2 Preparación de superficie y pintura ............................................... 48 4.3 Prueba de presión .......................................................................... 49 4.4 Cronograma de trabajo .................................................................. 49
CAPÍTULO 5. 5. ANALISIS DE COSTOS .......................................................................... 54
CAPÍTULO 6. 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.......................................... 53 APÉNDICES BIBLIOGRAFÍA.
ABREVIATURAS ºC cm2 ºF HP ºK Kcal Kg Kgm L Lbs m m3 mils ml mm N PH ppm pulg pulg2 SCFH Seg W
= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =
Grados centígrados centímetro cuadrado Grados Fahrenheit Horse Power (caballos de fuerza) Grados Kelvin Kilocalorías Kilogramo Kilogramo-masa Litros Libras metros metros cúbicos milésimas de pulgada mililitro milímetro Nitrógeno potencial de hidrógeno partes por millón pulgadas pulgadas cuadradas pie cúbico por hora estándares segundos watios
SIMBOLOGÍA A B D D0 E h K k L,Lc P Pa q
R R0 R’tot
R1int R1ext R2int R2ext S t Tamb Tnitro
%
= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =
factor adimensional factor adimensional diámetro externo del domo diámetro externo del manto eficiencia de junta soldada altura de domo, coeficiente de convección térmico factor de radio esférico Coeficiente de conducción térmica Longitud de manto presión de diseño presión máxima admitida Calor por unidad de tiempo radio exterior del manto radio equivalente esférico resistencia total radio interno de tanque interno radio externo de tanque interno radio interno de coraza radio externo de coraza esfuerzo de trabajo permisible espesor de manto temperatura ambiente temperatura del nitrógeno 3.14159265... porcentaje
INDICE DE FIGURAS
Pág. Figura Figura Figura Figura
1.1 1.2 1.3 2.1
Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura
2.2 2.3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5
Figura
3.6
Figura Figura Figura
3.7 3.8 3.9
Esquema de Blanketing ......................................................... 7 Esquema en la recuperación de solventes .......................... 11 Esquema para la criomolienda ............................................ 11 Diagrama de flujo del proceso para obtención de puré y extractos de frutas ............................................................ 13 Tobera para la remoción de oxígeno ................................... 19 Criogenización ..................................................................... 20 Diseño de forma de tanque.................................................. 24 Tanque TL 3000 instalado en planta.................................... 25 Diseño de tanque interno ..................................................... 28 Diseño de tanque externo .................................................... 28 Procedimiento para la selección de espesor de manto bajo presión externa ............................................................ 33 Procedimiento para la selección de espesor de domo bajo presión externa ............................................................ 36 Resistividad térmica en paredes de tanque ......................... 38 Detalle de soldadura para aceros al carbono ...................... 43 Detalle de soldadura para aceros inoxidables ..................... 43
INDICE DE TABLAS Pág. Tabla 1.1 Tabla 3.1 Tabla 5.1
Propiedades físicas del nitrógeno .............................................. 5 Características de tanque de almacenamiento ........................ 23 Costo para la construcción de tanque criogénico .................... 52
INDICE DE PLANOS
Plano Plano Plano Plano Plano Plano Plano
1 2 3A 3B 4A 4B 5
Esquema para Componentes en Tanque Criogénico Diseño de Tanque Criogénico: Vista General Diseño de Tanque Criogénico: Diseño de tanque Interno Diseño de Tanque Criogénico: Diseño de tanque Interno Diseño de Tanque Criogénico: Diseño de tanque Externo Diseño de Tanque Criogénico: Diseño de tanque Externo Alternativas para la Aplicación de Soldadura en Arco Eléctrico o Tipo MIG/MAG
