Diseño de Tanque Criogénico

8/12/2019 Diseño de Tanque Criogénico

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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 m3 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 m3 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 / cm2. 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 = Grados centígradoscm2 = centímetro cuadradoºF = Grados FahrenheitHP = Horse Power (caballos de fuerza)ºK = Grados KelvinKcal = KilocaloríasKg = KilogramoKgm = Kilogramo-masaL = LitrosLbs = Librasm = metrosm3 = metros cúbicosmils = milésimas de pulgadaml = mililitro

mm = milímetroN = NitrógenoPH = potencial de hidrógenoppm = partes por millónpulg = pulgadaspulg2 = pulgadas cuadradasSCFH = pie cúbico por hora estándaresSeg = segundosW = watios



SIMBOLOGÍA

A = factor adimensionalB = factor adimensionalD = diámetro externo del domoD

0 = diámetro externo del manto

E = eficiencia de junta soldadah = altura de domo, coeficiente de convección térmicoK = factor de radio esféricok = Coeficiente de conducción térmicaL,Lc = Longitud de mantoP = presión de diseñoPa = presión máxima admitidaq = Calor por unidad de tiempoR = radio exterior del mantoR0 = radio equivalente esférico

R’tot = resistencia totalR1int = radio interno de tanque internoR1ext = radio externo de tanque internoR2int = radio interno de corazaR2ext = radio externo de corazaS = esfuerzo de trabajo permisiblet = espesor de mantoTamb = temperatura ambienteTnitro = temperatura del nitrógeno = 3.14159265...% = porcentaje



INDICE DE FIGURAS

Pág.

Figura 1.1 Esquema de Blanketing ......................................................... 7Figura 1.2 Esquema en la recuperación de solventes .......................... 11Figura 1.3 Esquema para la criomolienda ............................................ 11Figura 2.1 Diagrama de flujo del proceso para obtención de puré

y extractos de frutas ............................................................ 13Figura 2.2 Tobera para la remoción de oxígeno ................................... 19Figura 2.3 Criogenización ..................................................................... 20Figura 3.1 Diseño de forma de tanque .................................................. 24Figura 3.2 Tanque TL 3000 instalado en planta .................................... 25Figura 3.3 Diseño de tanque interno ..................................................... 28Figura 3.4 Diseño de tanque externo .................................................... 28

Figura 3.5 Procedimiento para la selección de espesor de mantobajo presión externa ............................................................ 33

Figura 3.6 Procedimiento para la selección de espesor de domobajo presión externa ............................................................ 36

Figura 3.7 Resistividad térmica en paredes de tanque ......................... 38Figura 3.8 Detalle de soldadura para aceros al carbono ...................... 43Figura 3.9 Detalle de soldadura para aceros inoxidables ..................... 43



INDICE DE TABLAS

Pág.

Tabla 1.1 Propiedades físicas del nitrógeno .............................................. 5Tabla 3.1 Características de tanque de almacenamiento ........................ 23Tabla 5.1 Costo para la construcción de tanque criogénico .................... 52



INDICE DE PLANOS

Plano 1 Esquema para Componentes en Tanque CriogénicoPlano 2 Diseño de Tanque Criogénico: Vista General

Plano 3A Diseño de Tanque Criogénico: Diseño de tanque InternoPlano 3B Diseño de Tanque Criogénico: Diseño de tanque InternoPlano 4A Diseño de Tanque Criogénico: Diseño de tanque ExternoPlano 4B Diseño de Tanque Criogénico: Diseño de tanque ExternoPlano 5 Alternativas para la Aplicación de Soldadura en Arco Eléctrico o

Tipo MIG/MAG

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