Introducción

El almacenamiento mediante tanques constituye un elemento de sumo valor en la explotación de los hidrocarburos ya que actúa como un receptor para absorber las diferencias entre producción y demanda, más permitir un proceso de transporte estable y controlado. Pero la industria petrolera siempre se ha enfrentado con el problema de proveer almacenamiento a bajo costo y al mismo tiempo evitar pérdidas de los productos por evaporación del petróleo, sus derivados y además de minimizar el impacto ambiental por dichas emisiones.

Las pérdidas se producen, durante los procesos de almacenamiento y operación en los tanques atmosféricos. Aunque las pérdidas por evaporación, se han reducido progresivamente mediante mejoras implementadas en el diseño y construcción de los tanques, así como por aplicación de las mejores prácticas operacionales en los procesos de almacenamiento, en algunas instalaciones todavía son considerables.

Es de suma importancia controlar las pérdidas por evaporación, para esto es necesario la selección apropiada del tipo de tanque, dentro de los cuales se encuentran los tanques de techo fijo y techo flotante, o tanque de techo flotante interno, estos últimos han sido diseñados con enfoque en la disminución de las pérdidas. En los tanques de techo fijo las pérdidas por evaporización son considerablemente elevadas, ya que por su diseño son los menos recomendados para el almacenamiento de líquidos Inflamables. 

La selección del tipo de tanques se basa en estudios, en donde se evalúa la reducción de evaporación versus el costo, así como impacto ambiental.En los sistemas operacionalmente activos las pérdidas por evaporación se pueden reducir sustancialmente pero no eliminar, dicha reducción se puede lograr con la aplicación de programas de mantenimiento sobre todos los componentes y accesorios de los tanques, también con cambios en la construcción de techos, así como mediante la aplicación de mejores prácticas y procedimientos operacionales. 

Las consecuencias debido a las pérdidas por evaporación, incluyen un descenso en el volumen de producto, disminución en su densidad (°API del crudo) y emisiones contaminantes al ambiente, ya que se evaporan los componentes hidrocarburos más livianos, de aquí la importancia de cuantificar las pérdidas.

Proceso de evaporación en tanques de almacenamiento

1.1       Mecanismos de pérdida en Tanques de Techo fijo 

La pérdida por evaporación total de un tanque de techo fijo es la suma de la pérdida de almacenamiento permanente y la pérdida de trabajo, estas a su vez se subdividen en categorías:

• Perdidas debido a respiración en el tanque que sucede en el estado de almacenamiento.
• Perdida por llenado y vaciado del tanque en el proceso de trabajo.

Pérdida de almacenamiento

Varios mecanismos están involucrados en la pérdida por evaporación durante el almacenamiento. La fuerza impulsora principal para la pérdida de almacenamiento permanente de un tanque de techo fijo es el ciclo de calentamiento diario, que hace que la temperatura del espacio de vapor del tanque aumente durante las horas diurnas y disminuya durante las horas nocturnas. Este calentamiento hace que la mezcla de aire y vapor en el espacio de vapor del tanque se expanda y aumente de presión hasta el ajuste de presión de la válvula P V, momento en el que el vapor se ventila desde el espacio de vapor del tanque, lo que resulta en pérdida por evaporación.

Después de la temperatura máxima del espacio de vapor, que normalmente ocurre en las primeras horas de la tarde, el enfriamiento hace que la mezcla de aire y vapor en el espacio de vapor del tanque disminuya su volumen especifico y la presión. Cuando la presión cae por debajo de la configuración de vacío de la válvula P V, el aire ingresa al espacio de vapor del tanque, que luego se satura parcialmente con el vapor de reserva.

Durante las horas diurnas, el tanque está expuesto al calentamiento ambiental tanto por insolación solar como por intercambio de calor convectivo con el aire ambiental. El techo del tanque está expuesto a la insolación solar directa y difusa, así como al intercambio de calor por convección con el aire ambiente. 

El lado soleado de la carcasa del tanque está expuesto a la insolación solar directa, difusa y reflejada en el suelo, así como al intercambio de calor por convección con el aire ambiental. El lado sombreado de la carcasa del tanque está expuesto a una insolación solar difusa y reflejada en el suelo, así como al intercambio de calor por convección con el aire ambiental. Durante las horas nocturnas, el techo del tanque y la carcasa intercambian calor por transferencia de calor por convección con el aire ambiente, sin que haya insolación solar (Ver Fig. 2). 

Este ciclo de calentamiento diario hace que el techo y la cubierta del tanque varíen en temperatura e intercambien calor con la mezcla de aire y vapor en el espacio de vapor del tanque. Durante el ciclo de calentamiento diario, la mezcla de aire y vapor en el espacio de vapor del tanque intercambia calor con la superficie interior del techo del tanque, la superficie interior de la carcasa del tanque y la superficie del líquido de reserva.

Esta transferencia de calor provoca un movimiento convectivo de la mezcla de vapor de aire en el espacio de vapor del tanque. Además, durante el día, cuando se calienta el espacio de vapor del tanque, se transfiere algo de calor a la superficie del líquido, lo que hace que aumente la temperatura, lo que resulta en una mayor presión de vapor en la superficie del líquido.

La evaporación ocurre en la superficie del líquido a medida que el stock intenta establecer condiciones de equilibrio con la mezcla de aire y vapor en el espacio de vapor del tanque. El vapor de reserva evaporado de la superficie líquida se mezcla con la mezcla de aire y vapor y es conducido hacia arriba hacia el área de ventilación por las corrientes de convección que se inducen durante el ciclo diario de calentamiento.

Además, la difusión del stock de vapor se produce desde la superficie del líquido hacia el espacio de vapor del tanque.A medida que la temperatura de la superficie del líquido aumenta durante el ciclo de calentamiento diario, se evapora un stock adicional al tratar de establecer condiciones saturadas por encima de la superficie del líquido. En la parte superior del espacio de vapor del tanque, el vapor común se mezcla con el aire que fue atraído hacia el espacio de vapor del tanque a través de la válvula P V durante el ciclo de calentamiento diario anterior.

Los efectos combinados de la convección y la difusión afectan el grado de saturación que ocurre en la parte superior del espacio de vapor del tanque. El efecto combinado de los mecanismos de pérdida anteriores da como resultado el movimiento del stock de vapor desde la superficie del líquido hacia el área debajo de la válvula PV, y finalmente a través de la válvula P V cuando la presión excede el ajuste de presión de válvula PV.

El grado de saturación en el vapor ventilado depende de la velocidad de transferencia de masa del vapor de reserva desde la superficie del líquido a la parte superior del espacio de vapor del tanque por convección y difusión. Estos mecanismos típicamente resultan en estratificación de vapor, con la concentración de vapor más baja en la parte superior del espacio de vapor del tanque y acercándose a la saturación en la superficie del líquido.

1.1.1      Pérdida por trabajo

La pérdida del producto por el resultado del trabajo es el efecto combinado de la pérdida del llenado y del vaciado del tanque.

Mecanismos de pérdida de llenado

Durante el llenado del tanque, a medida que aumenta el nivel de líquido de reserva, la mezcla de aire y vapor en el espacio de vapor del tanque se comprime hasta que su presión alcanza el ajuste de presión de válvula PV. En esta condición, se abre la válvula PV y se expulsa la mezcla de aire y vapor del espacio de vapor del tanque para mantener la presión del espacio de vapor cerca del ajuste de alivio de presión.

En esta condición, un volumen de líquido que ingresa al tanque desplaza un volumen esencialmente igual de mezcla de aire y vapor del espacio de vapor del tanque. A medida que avanza el proceso de llenado del tanque, el grado de saturación en el vapor ventilado se aproxima a las condiciones de saturación. El grado de saturación en el vapor ventilado depende del intervalo de tiempo entre el proceso de llenado del tanque y el proceso previo de vaciado del tanque, durante ese período de tiempo, el stock intentó establecer condiciones de equilibrio en el espacio de vapor del tanque.El método para estimar la pérdida de trabajo en ediciones anteriores de la norma API 19.1, suponía que el tanque se comporta como si estuviera ventilado libremente durante el proceso de llenado del tanque. En otras palabras, el método supone que el volumen de aire y vapor desplazado del tanque es igual al volumen de líquido que ingresa al tanque. Esta suposición es razonable para configuraciones de ventilación muy bajas (como el nivel típico de media onza por pulgada cuadrada). Sin embargo, a medida que aumenta la configuración de la válvula PV del respiradero, la suposición de ventilación libre puede volverse conservadora (es decir, dar como resultado una sobreestimación de la pérdida de trabajo). Cuando el ajuste de la presión de la válvula PV del respiradero es suficientemente alto, puede producirse una compresión significativa del espacio de vapor antes de que se abra la ventilación de la válvula PV. Los vapores comenzarán a condensarse si la compresión del espacio de vapor continúa después de que haya alcanzado condiciones saturadas, reduciendo así el volumen de vapores liberados a la atmósfera. El factor de corrección de configuración de la válvula PV, K_B, se ha agregado al cálculo de la pérdida de trabajo para tener en cuenta la condensación que puede ocurrir con configuraciones de ventilación más altas. (Ver Fig. 3)

Mecanismos de pérdida de vaciado

Durante el vaciado del tanque, a medida que disminuye el nivel de líquido de reserva, disminuye la presión de la mezcla de aire y vapor en el espacio de vapor del tanque. Cuando la presión alcanza el ajuste de vacío de válvula P V, el aire ingresa al espacio de vapor del tanque a través de la válvula P V. Durante un proceso de vaciado rápido, el volumen de existencias eliminado del tanque es aproximadamente igual al volumen de aire que ingresa al espacio de vapor del tanque.

La evaporación trata de establecer condiciones de equilibrio con el aire entrante por evaporación de la superficie líquida. El material evaporado de la superficie del líquido se mueve hacia arriba por convección y difusión y se mezcla con el aire que ha entrado en el espacio de vapor del tanque. La velocidad a la que el vapor de reserva tiende a saturar el aire entrante durante el vaciado del tanque puede reducir en cierta medida el volumen de aire entrante. Estos mecanismos tienden a dar como resultado la estratificación de los vapores en el espacio de vapor del tanque. No hay pérdida de vapores de existencias del tanque durante el proceso de vaciado, y la pérdida posterior de vapores de existencias se contabiliza en los mecanismos de pérdida permanente de almacenamiento y llenado (Ver Fig. 4).

1.2 Mecanismo de Pérdida en Tanque de Techo Flotante

1.2.1      General

Cada Stock del líquido tiene una presión de vapor finita, que depende de la temperatura de la superficie y la composición del líquido, lo que produce una tendencia a la evaporación del líquido. A través de la evaporación, todos los líquidos tienden a establecer una concentración de vapores en equilibrio sobre la superficie del líquido. En condiciones completamente estáticas, se establecería una concentración de vapor de equilibrio, después de lo cual no se produciría más evaporación.

Sin embargo, los tanques de techo flotante están expuestos a condiciones dinámicas que perturban este equilibrio y conducen a una evaporación adicional. Estas condiciones dinámicas son responsables de la evaporación continua, lo que resulta en pérdida de existencias y emisiones atmosféricas. En los tanques de techo flotante existen varios mecanismos por donde se producen las pérdidas por evaporación del producto. A continuación, estas son las siguientes:

• Deck-fitting Loss (Pérdida de accesorios de cubierta)
• Rim-seal Loss (Pérdida en el Sello-Aro Externo)
• Deck-seam Loss (Pérdida en  costura de la cubierta)
• Withdrawal Loss (Pérdida por Adherencia en Pared)

Las pérdidas por evaporación de los EFRT ocurren principalmente durante el almacenamiento y están influenciadas significativamente por el viento ambiental en el sitio del tanque. Las fuentes de pérdida de almacenamiento permanente incluyen el sistema de sellado del borde o periferia y las penetraciones de ajuste a través de la cubierta de techo flotante.

Las pérdidas relativamente menores resultan de la evaporación del líquido que se adhiere a la carcasa o pared del tanque a medida que se retira el stock del tanque (Ver Fig. 5).Para los IFRT con ventilación libre, se pensaba que el factor dinámico primario que promueve la evaporación es el movimiento del aire a través del espacio de vapor entre la plataforma flotante y el techo fijo, ya sea como resultado del viento externo o cambios de temperatura ambiente. 

Cuando los resultados de cada prueba se analizaron estadísticamente para determinar el efecto de variar la velocidad del flujo de aire en el rango probado, se descubrió que no había un cambio estadísticamente significativo en la cantidad de pérdida por evaporación a medida que variaba la velocidad del flujo de aire. Como resultado, la velocidad del flujo de aire y por lo tanto, la velocidad del viento ambiental y los cambios de temperatura ambientales, no son parámetros significativos en la ecuación de pérdida por evaporación para los IFRT con ventilación libre.

Los CFRT tienen el tipo de techo flotante que es característico de los EFRT pero, al tener techos fijos con ventilación libre, el efecto de la velocidad del viento ambiental no es un parámetro en la ecuación de pérdida por evaporación para estos tanques. Los CFRT, por lo tanto, tienen la misma forma de ecuación de pérdida por evaporación que los IFRT, pero se aplican a los detalles de construcción de un techo flotante de tipo externo y por lo tanto, no tienen pérdidas en la costura de la cubierta.

1.1.2      Rim-seal Loss (Pérdida en el Sello del Aro Externo)

Los mecanismos de pérdida de vapor del sello del aro externo de la cubierta flotante son complejos. Sin embargo, se ha encontrado que el viento es el factor dominante en la inducción de pérdidas de vapor de sellado de sello del aro externo del techo flotante de los EFRT. Las pruebas realizadas en un túnel de viento demostraron que el aire que fluye hacia arriba y sobre la parte superior de un EFRT produce una zona de baja presión sobre el techo flotante en el lado de viento del tanque. Esto da como resultado que el aire del lado del viento del techo flotante se mueva alrededor de la circunferencia del techo flotante sobre el sello del aro externo. Por lo tanto, un viento constante establece diferenciales de presión en el techo flotante, con presiones más altas en el lado del viento y presiones más bajas en el lado del sello. (La caracterización de los diferenciales de presión inducidos por el viento proporcionó un medio de convertir las tasas de flujo de aire a través del tanque de prueba en velocidades de viento equivalentes para EFRT).

1.2.3      Deck-fitting Loss (Pérdida de accesorios de cubierta)

Los accesorios que penetran en la cubierta del techo flotante son fuentes potenciales de pérdida porque pueden requerir aberturas que permitan que los vapores de stock fluyan desde el líquido almacenado a la atmósfera sobre el techo flotante. Aunque tales aberturas se sellan habitualmente, los detalles de diseño de los accesorios de la cubierta generalmente impiden el uso de un sello completamente hermético al vapor. Como resultado, algunos de los mecanismos discutidos en 1.2.2 para las pérdidas del sello del borde pueden causar pérdidas por penetraciones de accesorios de cubierta.

Estos mecanismos incluyen la mezcla vertical, resultante de la difusión o la turbulencia del aire, de vapor a través de cualquier espacio entre el sello del accesorio de cubierta y el accesorio; expansión de cualquier espacio de vapor directamente debajo del sello del accesorio, como resultado de cambios de temperatura y presión; solubilidad variable de gases en el líquido directamente debajo del sello de ajuste; absorción de líquido por el accesorio de cubierta; y permeación de cualquier sello o junta de ajuste por vapor.

1.2.4      Deck-seam Loss (Pérdida en la costura de la cubierta)

Las cubiertas flotantes se hacen típicamente uniendo varias secciones del material de la cubierta, lo que da como resultado costuras y juntas en la cubierta. Esto se puede lograr por medios mecánicos, como atornillar o soldar. En la medida en que estas costuras no sean completamente herméticas al vapor, estas se convierten en una fuente de pérdida por evaporación. Las pérdidas por evaporación de la costura de la cubierta solo están asociadas con IFRT que tienen cubiertas con costuras atornilladas o remachadas. 

1.2.5      Withdrawal Loss (Pérdida por Adherencia)

A medida que el techo flotante desciende durante la extracción de existencias del producto, parte del líquido almacenado queda adherido a la superficie interior de la carcasa o pared del tanque (y las columnas de soporte de techo fijo, si las hay) y queda expuesto a la atmósfera. En la medida en que las paredes húmedas o el producto adherido se mantengan expuestas, este se evaporara antes de que el área flotante quede nuevamente cubierta por el techo flotante ascendente durante un proceso de llenado, posteriormente se producirán pérdidas por evaporación ya discutidas previamente.

Conceptos básicos

Temperaturas ambientales; máximas, mínima y promedios (deg. R)

• Temperaturas ambientales: Es la temperatura del aire registrada en el instante de la lectura correspondiente al lugar requerido.
• Temperatura Máxima: Es la mayor temperatura registrada en un día, y que se presenta entre las 14:00 y las 16:00 horas (como referencia).
• Temperatura mínima: Es la menor temperatura registrada en un día, y se puede observar entre las 06:00 y las 08:00 horas (como referencia).
• Temperatura Promedio: Es el promedio de la suma de la máxima y mínima temperatura, alcanzada durante el día, en el lugar de referencia.

Factor de Insolación diario, promedio (I) (BTU/ft² Day)

• Factor de Insolación diario: Es cantidad de radiación solar recibida en un día y en un lugar específicos del sistema Tierra-atmósfera se llama insolación (radiación solar). La insolación está determinada por cuatro factores: 
  • La constante solar 
  • La transparencia de la atmósfera 
  • La duración de la luz del día 
  • El ángulo con el que los rayos solares caen sobre la Tierra, la cual depende de la latitud de un lugar, ya que determina las diferencias estacionales en el grado de oblicuidad de los rayos solares directos, que inciden en él. 

• Factor de Insolación Promedio: Es el factor obtenido del promedio diario, mensual o anual, de la radiación solar y el lugar específico del sistema tierra-atmosfera.

Absorbancia solar (α) :

La absorbancia solar de la superficie externa del tanque es una función adimensional del color, del estado de la pintura y del tipo de superficie, que afecta la emisión de vapores en todos los tanques de almacenamiento. Para determinar su valor puede determinarse por tablas y también calcularse mediante la siguiente ecuación:

Altitud y Presión Barométrica:

• Altitud: Es la distancia vertical de un punto de la superficie terrestre respecto al nivel del mar (punto de referencia), esta altitud la medimos con un equipo llamado Altímetro.

• Presión Barométrica: Es la presión atmosférica local más una corrección por la altitud geopotencial local. La presión barométrica oscila alrededor de la presión atmosférica normalizada (101.325 KPa). Esta presión es medida por un equipo llamado Barómetro. Esta presión, se emplea para predecir o analizar el tiempo.

Velocidad del Viento (mph)

El viento produce energía, porque está siempre en movimiento; se estima que la energía contenida en los vientos, es aproximadamente el 2% del total de la energía solar que alcanza la tierra. El contenido energético del viento depende de su velocidad. 

Cerca del suelo, la velocidad es baja, aumentando rápidamente con la altura; cuanto más accidentada sea la superficie del terreno, más frenará ésta al viento. Es por ello, que sopla con menos velocidad en las depresiones terrestres y más sobre las colinas; no obstante, el viento sopla con más fuerza sobre el mar que en la tierra.

El instrumento que mide la velocidad del viento, es el anemómetro. La velocidad del viento se mide preferentemente en náutica, en nudos, mph, o m/s y mediante la escala Beaufort: Esta es una escala numérica utilizada en meteorología que describe la velocidad del viento, asignándole números que van del 0 (calma) al 12 (huracán). Fue ideada por el Almirante Beaufort en el siglo XIX.

Presión de Vapor de un Líquido

Podemos decir que cuando un líquido a una temperatura definida se coloca en un recipiente cerrado, el líquido se evaporará parcialmente para establecer una presión de vapor encima del líquido, que depende de la naturaleza de este y se encuentra en equilibrio constante a cualquier temperatura establecida. Esta presión es conocida como presión de vapor del líquido.

En tanto se mantengan ambas fases (gas y líquido) a la temperatura definida la presión en el sistema, se mantendrá constante Si se extrae o se suministra energía en forma de calor a éste sistema manteniendo constante la temperatura se condensará vapor o se evaporará líquido respectivamente para que el sistema conserve el equilibrio. La presión de vapor aumenta con un incremento de temperatura. 

Presión de Vapor 

La presión de vapor es la presión de un sistema cuando el sólido o líquido se hallan en equilibrio con su vapor.

Los vapores y los gases, tienden a ocupar el mayor volumen posible y ejercen así sobre las paredes de los recintos que los contienen, una presión también llamada, fuerza elástica o tensión. 

Presión de vapor REID

Es la presión de vapor de un aceite crudo, condensados, gasolinas y otros productos del petróleo, que se almacenan en tanques. Esta presión permitirá determinar si un hidrocarburo liquido almacenado en un tanque, vaporizará o no a una temperatura de 100 ºF (37.78 °C).

Presión de Vapor Real (True Vapor Pressure)

Es una de la presión de vapor real (TVP) de un líquido derivado del petróleo, a una temperatura de 100 ºF (37.78 °C), la cual es definida por la Presión de Vapor Reid.

Constantes de la Ecuación de Vapor A, B, C

La ecuación de Antoine describe la relación entre la temperatura y la presión de saturación del vapor de sustancias puras

La forma más usual de expresar la función de Antoine es:

En esta fórmula P representa la presión de vapor de saturación expresada en milímetros de mercurio (mmHg), T es la temperatura que viene siendo la variable independiente y se expresa en ℃. 

A, B y C son las constantes o parámetros de la fórmula de Antoine.

La importancia de esta fórmula que a pesar de ser empírica, da una expresión analítica sencilla que puede ser usada con facilidad en los cálculos termodinámicos.

No existe un método teórico para obtener las constantes de Antoine, debido a que se trata de una relación empírica. Se obtienen a partir de la data experimental de cada sustancia y ajustando los tres parámetros A, B y C, de modo que minimicen la diferencia cuadrática (método de los mínimos cuadrados) de la predicción con los datos experimentales.

Existen tablas en los manuales de química donde se dan estas constantes para cada sustancia indicando los rangos máximos y mínimos de temperatura en la que son aplicables.

Pendiente de destilación de un producto destilado (método ASTM D86)

La pendiente, S, es la pendiente de los datos de destilación ASTM-D86 a 10% de volumen evaporado y puede calcularse a partir de los datos de destilación, la cual se calcula mediante la ecuación:

Temperatura de la superficie del líquido (°R)

Esta es la temperatura promedio diario de la superficie del líquido, ; la misma es determinada a 1/6 de la altura del líquido almacenado. Esta información está normalmente disponible a partir de registros de mediciones del tanque o de otros registros de operaciones; este registro es usado para calcular la presión de vapor del líquido almacenado, a la temperatura promedio diario de la superficie del líquido, .

Temperatura del Líquido en Almacenamiento (°R)

La temperatura del líquido de almacenamiento,, es la temperatura media del líquido de las existencias en el tanque de almacenamiento. Esta información está normalmente disponible a partir de registros de mediciones del tanque o de otros registros de operaciones del tanque. Esta temperatura la podemos determinar, tomando las temperaturas a los tres niveles del líquido, como tope (se tomara a 1/6 de la superficie del líquido), a la mitad del líquido (1/2 del volumen del líquido) y a nivel de fondo (5/6 del volumen del líquido); estas temperaturas se suman y se dividen entre tres y el valor resultante, será el promedio de la temperatura del líquido; este promedio será obtenido del número de veces que se realizaran estas tomas, mientras el producto se encuentre almacenado.

Peso Molecular del Vapor (M_v)

El peso molecular del vapor, puede ser determinado por el análisis de muestras de vapor, mediante la cromatografía o de cálculo de la composición del líquido; también podemos determinarla mediante su composición molar, utilizando un programa computacional para proceso.

Cromatografía del Vapor

Es la técnica para separar componentes de una mezcla, y su posterior análisis, basadas en que las distintas sustancias que forman los componentes de una mezcla se dejan arrastrar a diferentes velocidades sobre un soporte. El soporte puede ser papel, un gas, otro líquido, etc. Es un método físico de separación de componentes.

Autor

Ing. Edwin Reyes

Autor de DELOT, herramienta computacional para determinar las perdidas por evaporación de petróleo y sus derivados, con más de 34 años de experiencia en actividades de ingeniería, mantenimiento, construcción de instalaciones de superficie y gestión gerencial.