Calibracion.de.Tanques.y.recipientes.en.Plantas

Facultad Regional Resistencia Dto. de Ingeniería Química Cátedra Ingeniería de las Instalaciones

Calibración de Tanques y Recipientes a Presión en la Industria de Procesos

Ing. Carlos O. Alderetes

Serie N°3 / 2004 – Argentina

Introducción

El almacenaje, transferencia y despacho de líquidos en las plantas de procesos constituye una operación frecuente e importante en muchas industrias. Esta actividad tiene tanto más relevancia cuanto mayor sea el valor de los productos en juego. De aquí que el conocimiento, control y seguimiento de los volúmenes de líquido en existencia adquiera una enorme importancia en las plantas de procesos. A modo de ejemplo basta pensar en los volúmenes manejados en las industria de bebidas tales como la cervecera o vitivinícola y el impacto que estos tienen en todas las actividades desarrolladas

Objetivos La lectura atenta y análisis del trabajo permitirán al lector:

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Entender la importancia que tiene el management de los líquidos almacenados tanto para la operación como para la contabilidad de costos de la planta

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Comprender y analizar las variables físicas y matemáticas que intervienen en el proceso de calibración de tanques y recipientes a presión, así como el impacto que ellas tienen sobre la exactitud de los resultados obtenidos

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Conocer las Normas y Standard internacionales que rigen el proceso de calibración y los diferentes procedimientos de medición recomendados

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Integrar los conocimientos de las distintas disciplinas relacionadas en el análisis y visión global de esta actividad

Almacenaje de productos El manejo de líquidos en las plantas de procesos involucra frecuentes operaciones diarias tales como:

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Recepción de materias primas e insumos varios (leche, jugos, agua, ácidos, etc.) Almacenaje de las cantidades demandadas por los diferentes consumidores Transferencia de productos intermedios a tanques y equipos de procesos Almacenaje y despacho de productos elaborados Almacenaje y tratamiento de efluentes líquidos Control de stock y seguimiento de los mismos

Es obvio que el control de los productos almacenados será tanto más importante cuanto mayor sea el valor de los mismos. Cuanto más grande sea el grado de incertidumbre con que se mide el volumen mayor será el impacto económico que tendrán estas medidas. De aquí que las tolerancias de medición fueren inversamente proporcionales al precio del producto almacenado. El inventario de los productos adquiridos, en curso de fabricación o elaborados es vital para: 1. El control del proceso productivo a través de los balances de masas de la planta y para la confección de la documentación asociada (Partes de Producción). Estos reportes permitirán juzgar el grado de cumplimiento o alejamiento respecto de los estándares fijados, conocer los rendimientos, pérdidas, etc. 2. La gerencia estratégica de costos, dado que según la participación en el proceso productivo y las actividades requeridas, podrán integrar parte de los costos directos o indirectos, datos fundamentales en la determinación de la rentabilidad del negocio en el que opera la empresa 3. Detección de posibles cuellos de botellas por falta de capacidad en algún sector o área del proceso productivo 4. Control de pérdidas o fugas en la instalación 5. Facturación del producto entregado o pago del comprado Dependiendo de los volúmenes requeridos y de las propiedades de los fluidos en cuestión, el almacenaje se podrá efectuar en tanques de almacenaje o en recipientes a presión Los equipos más difundidos y aceptados en las plantas de procesos son aquellos cuyos diseños y construcción se efectúan bajo las Normas y Códigos de la ASME y API Los diseños geométricos más difundidos son:

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Tanques cilíndricos verticales u horizontales según STD API 620 / 650 / 12D / 12F Tanques y recipientes a presión según ASME, Boiler and Pressure Vessel Code, Section VIII y X

Los fondos de los tanques pueden tener distintas formas geométricas: planos, hemisféricas, elipsoidales, cónicos, etc.- El diseño seleccionado dependerá de las condiciones de operación, la función del equipo en el proceso, las limitaciones de espacio, requerimientos de seguridad, etc., que harán que un tipo determinado de equipo sea preferible o más recomendable que otro. Los equipos a su vez podrán ser aéreos (aboveground), subterráneos (underground) o móviles (tank car)

Medición de líquidos en tanques y recipientes La determinación del volumen contenido en un tanque o recipiente es una actividad que requiere la consideración y análisis de múltiples datos vinculados tanto a las propiedades del producto almacenado, al diseño del equipo que lo contiene como al procedimiento de medición utilizado. Cuando los volúmenes son pequeños, la densidad conocida y constante, es frecuente determinar estos valores en forma gravimétrica, esto es, colocando el equipo sobre balanza y por diferencia de pesadas conocer la cantidad existente. En cambio, cuando los volúmenes a manejar son considerables debe recurrirse a otros métodos de medición Al procedimiento de medición del volumen contenido en un recipiente o tanque de almacenaje para diferentes niveles de llenado, se le conoce con el nombre de Calibración La calibración consistirá entonces en obtener una función que nos permita saber en todo momento cual es el contenido del tanque por unidad de altura líquida con el grado de certidumbre o tolerancia fijada como aceptable, esto es, encontrar la función:

V=f(H) A =V /H H = altura o nivel de líquido medido, expresada normalmente en mm V = volumen contenido en el equipo, en litros o m3 A = apreciación (volumen por unidad de altura líquida) en litros o m3 / mm Esta función nos permitirá calcular las tablas de calibración y /o desarrollar un software que nos permita obtener el dato a partir del input correspondiente Este procedimiento como expresáramos, exige el conocimiento de múltiples variables, siendo estas: 1. Lado fluido: densidad, temperatura, viscosidad, presencia de otras fases, tendencia a la formación de espumas o sedimentos, color, volatilidad, corrosividad, etc. 2. Lado tanque o recipiente : forma geométrica, posición de trabajo (vertical, horizontal, inclinado), tipo de fondo, con o sin aislación, mecanismos de desgaste presentes (corrosión, abrasión y pérdidas de espesores), deformaciones presentes en el fondo y envolvente, inclinación respecto del eje vertical, temperaturas ambientes (máximas, mínimas), lugar de emplazamiento (cielo abierto, o bajo techo), presencia de agitadores, serpentines de calefacción, tipo de techo, fijo, flotante, accesibilidad, etc. 3. Lado de la instrumentación : aquí es fundamental la forma en la que se mide el nivel del líquido en el tanque. Puede hacerse en forma manual mediante cinta o varilla graduada de acero, detectando el nivel de líquido o el espacio vacío entre el punto de referencia y la superficie libre del producto. Este método no permite conocer el nivel de manera continua. Existen finalmente los elementos de medición automática de nivel que pueden ser: medidores a flotador con accionamiento mecánico, medidores eléctricos servoperados, medidores a radar, ultrasónicos o medidores hidrostáticos, o simplemente

indicadores ópticos de nivel por vasos comunicantes. Con estos sistemas es posible conocer de manera continua el nivel del producto y con un grado apreciable de exactitud. De esta forma se eliminan o minimizan los errores atribuibles al operador que efectúa la lectura. Las figuras siguientes muestran dos de estos instrumentos. Otra variable muy importante a medir es la temperatura del producto y adquiere mayor relevancia cuando los volúmenes almacenados son muy grandes como es el caso de los tanques API. Esta determinación es esencial para poder efectuar las correcciones de volúmenes debido a los cambios de densidad. Aquí también se puede efectuar mediciones manuales con termómetros de tensión de mercurio o digitales portátiles o bien tener una medición continua a través de termoresitencias o termocuplas. Con relación a esta medición las Normas API recomiendan que si un tanque tiene más de 3.05 m de altura de líquido, la medición se efectúe en los puntos medios de los tercios superior, medio e inferior del producto. Con estos datos se debe promediar el valor. Si la altura fuese menor a 3.05 m, basta con tomar una sola lectura en el punto medio de la columna líquida. En cualquiera de los casos deberá tratarse de obtener un valor representativo de la masa líquida almacenada

Figura N°1 - Medición de nivel en tanques y recipientes

La importancia de este tema y la cantidad de aspectos a evaluarse hizo que el procedimiento de calibración no fuese manejado a libre juicio de las partes interesadas sino que fuese reglamentado a través de Normas de Ingeniería que establecen los criterios, metodología y consideraciones a efectuarse en cada caso

Métodos y Normas de Calibración Como dijimos, la importancia del tema llevó a normalizar los procedimientos de calibración, siendo los estándares más conocidos los desarrollados por la Organización Internacional de Estandarización (ISO), el Instituto del Petróleo (IP) y el Instituto Americano del Petróleo (API) , que son aplicables a diferentes tipos de tanques y recipientes. Existen básicamente dos métodos de calibración, pero puede usarse un tercero que es combinación de los anteriores, siendo estos:

1. Método volumétrico: consiste en determinar de manera directa la capacidad del equipo mediante el llenado progresivo con una cantidad de líquido conocida (patrón) proporcionada desde uno o varios tanques calibrados. De manera inversa, la calibración puede efectuarse también vaciando el tanque progresivamente hacia el o los tanques patrones y midiendo el volumen extraído. En cada alimentación o vaciado, se registra el nuevo nivel ocupado y el volumen correspondiente. Se registra también la temperatura durante el ensayo. En el procedimiento se usa generalmente agua dada su baja volatilidad y bajo coeficiente de expansión volumétrica. Obviamente, su implementación requiere contar con agua en cantidades suficientes y de patrones con trazabilidad, pudiendo estos ser de diferentes capacidades (50 a 3000 lts). Es este un procedimiento muy exacto pero que requiere de tiempos largos en caso de tanques o recipientes de gran capacidad. Este método se usa tanto en tanques como recipientes a presión de cualquier tipo y capacidad y se aplica también en los casos siguientes:

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Tanques y recipientes muy pequeños o inaccesibles

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Equipos de forma geométrica muy irregular

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Tanques y recipientes con deformaciones o inclinaciones fuera de tolerancia

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Equipos no posibles de calibrar por el método geométrico

2. Método geométrico: consiste en determinar directa e indirectamente las dimensiones internas y externas del equipo y calcular en base a ellas el volumen correspondiente Esto quiere decir que bajo ninguna circunstancia se podrá efectuar el calculo de volumen en base a los planos de ingeniería de detalles con los que se construyó el equipo, pues hacerlo conduciría a importantes errores. Solamente las mediciones sobre el equipo físico real tal cual está construido y ensayado se consideran como válidas. Este método se aplica a tanques y recipientes a presión de cualquier tipo y capacidad, especialmente en aquellos de grandes volúmenes.. El método geométrico puede ser efectuado por distintos procedimientos normados, siendo estos:

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Método de los diámetros internos: según el IP (Manuel de Mediciones de Petróleo, parte II, sección I, capítulo 5), las mediciones deben efectuarse entre puntos opuestos

diametralmente en tres niveles de cada zona. Los niveles donde se toman las mediciones depende de cómo está construido el tanque. En el caso de equipos soldados a tope, las mediciones se toman 30 cm por arriba y debajo de las soldaduras horizontales y en medio de cada zona. Esto se aplica a cada zona del tanque. La cantidad mínima de diámetros permitidos en cada nivel es tres por zona. Los diámetros se miden generalmente con cintas de acero flexible calibradas a una determinada temperatura ( 15 o 20°C) y a una cierta tensión con dinamómetro. Al efectuar el ensayo deberá registrarse la temperatura para efectuar las correcciones que correspondieren y asegurar que la cinta sea siempre tensionada de la misma forma. También habrá que compensar la curvatura (comba) de la cinta cuando se estira diametralmente. Este método resulta útil en aquellos equipos donde no pueden aplicarse métodos externos (ej. tanques aislados térmicamente)

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Método por cintada exterior (Strapping Method ) según ISO 7507 – 2003, Parte 1: Se aplica a tanques cilíndricos verticales y consiste en medir externamente las circunferencias y determinar a partir de ellas los diámetros interiores y sus secciones transversales, considerando el espesor de las chapas (virolas) y la pintura. Esta Norma es equivalente al Standard API 2550 MPMS – Sección 2 A. Para el caso de tanques soldados a tope las medidas se tomarán por arriba y por debajo de las soldaduras horizontales a 27 y 33 cm de las mismas y la tercera medición se hará en la mitad de la zona en cuestión. Aquí también se consideran tres medidas por zona. Una de las ventajas de este método respecto del anterior, es que la cinta al apoyar directamente sobre la chapa y tomar la temperatura de la misma, puede considerarse que el efecto de la dilatación puede no ser necesario compensar en virtud que chapa y cinta al ser del mismo material (acero) tienen un mismo coeficiente de dilatación. Este procedimiento es recomendado para tanques de diámetros no muy grandes < 20 m

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Método de la Línea de Referencia Optica (Optical Reference Line Method – ORLM) según ISO 7507 – 1993, Parte 2: Se aplica también externamente como el método anterior, a tanques cilíndricos verticales, pero utilizando un equipo consistente en una cinta de acero calibrada, una plomada óptica y una escala deslizable que puede ser suspendida del techo del tanque. Esta escala consta de una regla transparente montada horizontalmente sobre un carrito con imanes que lo sujetan a la envolvente del tanque. Este carrito se desliza sobre la envolvente detectando las desviaciones a distintos niveles que el tanque tiene con respecto de la vertical. De esta forma se puede calcular los diámetros promedio del tanque a todos los niveles requeridos. Junto a estas mediciones se requiere implementar otras correspondientes a los espesores de chapa de las distintas virolas, que se efectúan mediante equipos medidores de espesores por ultrasonido. Esta Norma es equivalente al Standard API 2550 MPMS – Sección 2 B . Este método es muy utilizado en la industria petrolera, pues es más exacto que el strapping, no requiere acceder al tanque exteriormente. Es más rápido, un tanque típico de 20 m de diámetro se puede terminar en pocas horas. Hay algunas desventajas en este método: requiere de un instrumental más caro y delicado que para strapping y no es posible usarlo en aquellos tanques que tienen andamiaje de acceso

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Método de triangulación óptica, según ISO 7507 - 1993, Parte 3

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Método electro-óptico interno / externo, de recorrido de distancias según ISO 7507 – 1995 / 2000, Partes 4 y 5 (Electro-Optical Distance Ranging Method – EODR): en este procedimiento todas las distancias y datos relevantes son medidas por un teodolito láser de alto grado de exactitud. Usando las últimas técnicas de software EODR, se genera un modelo en 3D del tanque. Se trata del método más moderno actualmente en uso y ha sido adoptado por la Organización Internacional de Metrología Legal (OIML). Este método ofrece obtener incertidumbre en la calibración del tanque en el orden de + / 0.02% del volumen, esto es, grados de exactitud de 5 a 10 veces mayor que por cualquiera de los otros métodos. Permite también colectar y registrar datos automáticamente y efectuar correcciones por efecto de la presión hidrostática, cambios de temperatura. Permite también corregir las pérdidas o ganancias de volumen debido a los accesorios internos del tanque (deadwoood). Se aplica tanto interna como externamente a los equipos

Estos métodos como expresáramos, son recomendados para tanques cilíndricos verticales. Cuando se trata de tanques y recipientes a presión horizontales y de otras formas geométricas se pueden emplear los siguientes estándares:

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Calibración de tanques cilíndricos horizontales, según ISO 12917-2002, Partes 1: es aplicable a tanques fijos o subterráneos de hasta 4 m diámetro y 30 m de longitud, con o sin aislación, presurizados o no y con fondos planos, elípticos y esféricos. Esta Norma es equivalente al STD API 2550 MPMS, capítulo 2, Sec 2E

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Calibración de tanques cilíndricos horizontales, según ISO 12917-2002, Partes 2: se emplea para tanques con diámetros superiores a 2m y utilizando técnicas EODR. Esta Norma es equivalente a API 2550 MPMS, capítulo 2, Sec 2F

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Calibración de tanques cilíndricos horizontales, según STD API 2551 por método manual. Aplicable a equipos presurizados o no e inclinados

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Calibración de esferas y esferoides, según STD API 2552 o IP 202, Parte II, Sección 4

3. Método Combinado: este procedimiento es un mix de los anteriores que se aplica para determinar por el método geométrico, el volumen correspondiente al envolvente (shell) del tanque y por el volumétrico, conocer la capacidad correspondiente a los fondos del equipo. El procedimiento se aplica cuando el fondo del tanque no puede ser calculado con exactitud debido a su forma irregular o bien porque presenta deformaciones que dificultan el calibrado geométrico pudiendo inducir errores no aceptables La operación de calibración y su certificación incluye en general los siguientes datos:

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Plano de ingeniería conforme a obra, indicando las medidas reales, en el plano vertical y horizontal tanto del envolvente como del fondo

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Altura de referencia respecto del cual se determinan los niveles de llenado

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Los instrumentos de medición de nivel, sus tolerancias, alcances, etc.

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Capacidad nominal del tanque o recipiente y el límite inferior de exactitud de la medida

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Menor volumen mensurable correspondiente a la medición manual o automática

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Tablas de calibración V = f (H) y su apreciación en lts / mm o m3 / mm

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La temperatura y densidad de referencia

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El máximo error permitido en la determinación de los datos que integran la tabla. Por ejemplo, el error máximo en + / - será igual a:

0,2% del volumen indicado para tanques cilíndricos verticales calibrados por el método geométrico 0,3% del volumen indicado para tanques cilíndricos horizontales o inclinados calibrados por el método geométrico y para cualquier tanque calibrado por el método volumétrico 0,5% del volumen indicado para recipientes esféricos o esferoidales calibrados por el método geométrico

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El método de calibración empleado y su estándar de aplicación

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Las correcciones por los efectos de la presión hidrostática y la temperatura sobre las dimensiones principales del tanque

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Período de validez de la calibración

Volumen y Altura Mínima Mensurable

En todo proceso de calibración se requiere fijar puntos de referencia respecto de los cuales se tomarán las medidas de diámetro, espacio vacío y niveles de líquido, esto es, se precisarán definir dos ejes principales: uno vertical y otro horizontal (ver figuras anexo)

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Eje de medición vertical: es el punto fijado sobre el tanque a través del cual se efectuarán la mediciones de nivel, sean estas manuales (varillas o cintas graduadas) o automáticas (radar, flotador, etc)

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Punto de referencia máximo (upper reference point): es el punto de máxima altura respecto del cual se mide el espacio vacío, es decir la altura comprendida entre la superficie libre del líquido y el punto fijado

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Punto de nivel cero (dipping datum point): es la medida tomada sobre el eje vertical en intersección con la cara superior de la placa de referencia (dip plate) o bien con el fondo del tanque en caso de no existir la anterior. Este punto constituye el origen de las medidas de nivel de líquido y que corresponde al nivel cero

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Espacio vacío (ullage): es la medida tomada entre el punto de referencia máximo y la superficie libre del líquido

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Altura de referencia h (reference height): es la altura tomada entre la superficie libre del líquido y el punto de referencia máximo, medida a lo largo del eje vertical y bajo las condiciones de referencia

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Eje horizontal de referencia: está dado por la cara superior de la placa de referencia o bien por el punto más alto del fondo del tanque supuesto prácticamente horizontal

Independiente de los puntos de referencia antes definidos, los tanques o recipientes tienen fijados dos niveles de trabajo: uno que corresponde al máximo nivel permitido (Hmáx) y que define su capacidad nominal y otro correspondiente al mínimo nivel (Hmín) establecido ya sea por cuestiones de seguridad o por razones tolerancia como veremos Entre estos dos niveles es que se define la zona de calibración, es decir, la zona para la cual tienen validez las tablas de calibración. El volumen no comprendido dentro de la zona de calibración se conoce como volumen muerto (deadstock) y se determina por diferencia entre la capacidad nominal y el medido Como cada tanque tiene una apreciación (A) o sensibilidad en la medición de nivel y a los fines de no cometer errores por arriba de los establecidos por las normas, se define un cierto volumen mínimo capaz de ser recibido o entregado en cualquier punto de la zona de calibración que se conoce como: “ volumen mínimo mensurable”. A este volumen le corresponderá obviamente un cierto nivel mínimo de líquido que se le llama: “ altura mínima mensurable” . Veamos como se calcula este valor. Si la tolerancia en la medición de nivel: medición

ϑ(h) = 0.1% = 0.001 y la apreciación en la

∆h = 2 mm, tendremos entonces: V = S. H

∆V = S. ∆H ∆V / V = ∆H / H = 0.001 H = ∆H / 0.001 = 2 / 0.001 = 2 m

El valor obtenido Hmín = 2 m representa entonces la altura mínima mensurable en el tanque y Vmín el correspondiente volumen mínimo mensurable antes definido. Como veremos más adelante, este valo r Hmín responde a una necesidad de contemplar las deformaciones que se producen en el tanque por efecto de la presión hidrostática

Condiciones para la calibración Antes de proceder a la calibración de los tanques estos deben ser preparados de modo tal que se minimicen los errores durante el ensayo; para lo cual se deberá cumplir con los siguientes pasos: 1. limpieza general interna o externa según corresponda tratando de eliminar todas las incrustaciones o suciedades adheridas a las paredes del envolvente o fondo del equipo 2. prueba hidráulica según los requerimientos de los códigos aplicados ASME, API, etc. 3. Llenado y reposo de por lo menos 24 hs antes del ensayo 4. Tamaño y ubicación de cualquier elemento que se encontrara dentro del tanque, tales como serpentín de calefacción, tubos guías, accesorios de cañerías, etc. que redujeran la capacidad del tanque 5. La temperatura del agua en la calibración deberá ser preferentemente fría entre 10 y 15°C. Bajo ningún aspecto se deberá emplear agua caliente 6. En caso de haber contenido productos riesgosos para la salud, estos deberán ser adecuadamente desgasificados, aireados de modo que no representen riegos alguno para los operadores al ingresar al tanque

Cálculos para la calibración geométrica El método de calibrado geométrico requiere el cálculo del volumen del equipo en función de sus dimensiones físicas reales. Este cómputo es simple cuando se trata de tanques cilíndricos verticales con fondo plano, pero se complica cuando los fondos tienen otra forma geométrica. El calculo es también laborioso cuando los equipos son de eje horizontal y de fondos abovedados, particularmente cuando están con llenado parcial. El tema será más complejo resolver cuando más compleja sea la figura de los fondos. En efecto, si miramos las figuras siguientes veremos que la función de calibración no será una función lineal, dependiente solo de la altura de llenado, esto es:

V = f (H) ≠ f (xh)

sino que tendrá una función:

V = f (h, R) o V = f (D, α)

es decir dependerá de dos o más parámetros dado que el volumen del líquido en el tanque vendrá dado por la suma del volumen del envolvente (Ve) más el volumen de los fondos (Vf) y que cambiarán según dos dimensiones, esto es:

V = Ve + 2Vf  Este tema requiere un análisis matemático que se traduce en un cálculo integral complejo para determinar los elementos de volumen que se forman en los cabezales para los diferentes niveles de llenado. La importancia del tema hizo que fuera motivo de estudio y de publicaciones en revistas especializadas, tal es el caso de los trabajos recientes de Jones. Observando las figuras advertiremos que cada diseño requiere de consideraciones especiales y que para cada una de ellas habrá una función más sencilla de trabajar matemáticamente

Figura N° 2 – tanques horizontales con fondos varios típicos en las CPI

Figura N°3 – Tanques horizontales de sección elíptica y cilíndrica - variables a considerar para la función de calibración

Figura N°4 – Tanques verticales con fondos varios - variables para la función de calibración

Para la calibración volumétrica de estos equipos existen métodos analíticos tales como los desarrollados por Jones y otros de resolución gráfica –analítica como los presentados por Poddar, Kowal y en el Manual Perry , aunque en este último caso la información existente es muy resumida y sin mayores detalles acerca de los métodos desarrollados para la obtención de los mismos La resolución de los casos más frecuentes presentados en las plantas de proceso con relación a los tanques y recipientes pueden ser resueltos con cierta precisión por el método de Poddar, quien proporciona tablas de algunas constantes que se introducen en el calculo y que son de rápida y fácil aplicación. Según Poddar, el volumen contenido en estos equipos parcialmente llenos se podrá calcular a partir de la ecuación general:

VL = Vs + 2 Vf = hLAK1 + (2h*3) K2 / P

(1)

P = B*2 / Ab

(2)

∅=h/B

(3)

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