Desarrollo y validación de un modelo predictivo del comportamiento térmico de un tanque esférico de almacenamiento de propileno

Abstract

Existen aplicaciones en la industria y en logística en las que se utilizan tanques esféricos para el almacenamiento de Gases Licuados del Petróleo (GLP o GNL) de grandes dimensiones, por encima de 20 metros de diámetro.

Debido a cambios en las condiciones ambientales o en los aledaños, se podría producir un aumento en la presión interior del gas licuado almacenado, por lo que, para evitar una sobrepresión en el interior de la esfera por encima de la de diseño, éstas poseen un sistema de válvulas de venteo. El venteo de gas es una situación anómala en la que aspectos relacionados con la seguridad, medioambiente, pérdidas económicas y calidad del producto almacenado pueden verse comprometidos.

Disponer de un gemelo digital basado en un modelo predictivo del aumento de presión, que permita tomar alguna acción correctiva, evitaría el venteo de gas y sus consecuencias, como la aparición de una situación de rollover en el almacenamiento de cualquier gas licuado o de envejecimiento y meteorización en el caso del GNL.

Tras una revisión de la literatura científica, sólo se han encontrado algunas referencias a modelos térmicos relacionados con almacenamiento de gases licuados en tanques de diferentes geometrías y condiciones operativas, siendo aún más escasas para esferas de gran tamaño. Entre los diferentes modelos analíticos, numéricos y experimentales encontrados, no se observa un estudio profundo de los efectos de la radiación solar o de las correlaciones de convección para esferas con un alto número de Rayleigh.

Dos modelos térmicos simplificados han sido desarrollados considerando al propileno como un sistema capacitivo, un nodo, o como un sistema estratificado, dos nodos, uno para la fase vapor y otro para la líquida. Además, la superficie de la esfera se ha dividido en diferentes zonas en función de su exposición a la radiación solar y contacto interior con la fase vapor o líquida. Las ecuaciones resultantes de los modelos (balances de masa, energía y transferencia de calor) se han implementado para su resolución en el software ‘Engineering Equation Solver’ (EES).

En el desarrollo de los modelos se ha obtenido una nueva correlación para convección natural en esferas con un alto número de Rayleigh y un método de cálculo integral para las áreas convectivas y radiantes ha sido necesario.

Los modelos se han calibrado y validados con el histórico de datos reales de una esfera de almacenamiento de propileno de aproximadamente 21 metros de diámetro desde el año 2017, que incluye medidas de condiciones ambientales y del estado del propileno (presión de vapor o nivel y temperatura de líquido).

El proceso de validación ha consistido en la comparación de los valores de presión y temperatura calculados a través de los modelos, con los datos históricos. Los resultados muestran desviaciones del modelo capacitivo inferiores al +2,4% en presión de vapor y 0,75 ºC en la temperatura del líquido; mientras el modelo estratificado mejora la predicción de la presión de vapor con desviaciones inferiores al 1,5% aunque muestra desviaciones superiores en la temperatura de líquido debido, probablemente a la selección de un perfil de estratificación lineal. Hay que destacar también que dichas desviaciones se reducen considerablemente si el periodo de predicción se reduce al orden de 5 horas.