Estabilidad del Buque II: Teoría para la carga de los buques de gases licuados.

GENERALIDADES

En el Clases anteriores hemos visto todo lo que respecta a los buques tanques que transportan petróleo, que en general y en lo que se relaciona con la asignatura, se puede aplicar a los buques que transportan productos químicos, o sea, un cargamento a una temperatura determinada y densidad a esa temperatura, que mediante Tablas, se reduce a la densidad correspondiente a la Temperatura tipo de 15° C/600º F, que multiplicada por el Volumen efectivo nos da el Peso de la Carga.

Con este peso como dato, con sus coordenadas, y sus Superficies Libres, tenemos la Estabilidad y los Calados del buque.

El cálculo del peso de la carga, en los buques que transportan "Gases Licuados", son bastante más complejos que en los mencionados anteriormente, pues el espacio no ocupado por el líquido, lo ocupa el vapor y es un peso a tener en cuenta, y evidentemente con una densidad distinta del líquido.

Los buques tanques para el Transporte de Gases Licuados, están construidos, en función directa de las Temperaturas y Presiones de sus cargamentos.

Este tráfico está teniendo modernamente un avance espectacular, y podemos citar entre los cargamentos más importantes, los siguientes: Propano, Butano, Butadieno, Propileno, Butileno, Cloruro de Vinilo, Metano, Etano, Cloro, Amoníaco, etc. etc.

Como dato importante en lo que respecta al tráfico de estos productos, tenemos que en el año 1978 supuso las siguientes cantidades:

Butano, propano y

·         Mezclas ……………………………8,5       millones de toneladas

·         Amoniaco………………………….2,0                   “           “

·         Butadieno………………………….0,4                   “           “

·         Propileno…………………………. 0,2                   “           “

·         Cloruro de vinilo…………………. 0,17                 “           “

CLASIFICACIÓN DE LOS BUQUES QUE TRANSPORTAN GASES LICUADOS.

Se pueden clasificar en tres grupos:

a) Buques de Alta Presión.

b) Buques de Media Presión o Semirefrigerados.

c) Buques de Baja Presión o Refrigerados.

Buques de alta presión.

Estos buques son los pioneros de este tipo de transporte, se vienen usando desde 1931 en los Estados Unidos y desde 1950 en Europa. Son generalmente buques transformados de antiguos cargueros, a los que se colocan tanques esféricos o cilíndricos verticales, apoyados en fuertes polines; los de acero admiten temperaturas de -5° C.

La capacidad efectiva de estos buques es escasa, no suele superar los 3.000 m3, y como su clasificación .indica, transporta la carga a alta presión de hasta 18,0 Kg./cm², lo que como veremos más adelante, supone transportar los productos a "Temperatura ambiente", sin problemas acerca de mantenimiento de la carga.

Así por ejemplo tenemos:

·         Butano a        45° C tiene una Presión de Saturación         =           4,4 Kg/cm²

·         Propano a     45º C              “           “                       “         =           14,8 Kg/cm²

·         Amoniaco a 45º C              “           “                       “         =            17,2 Kg/cm²

Para admitir estas presiones los tanques son de chapas gruesas y de aceros especiales, apoyados en fuertes polines (apoyos intermedios firmes a la estructura del buque).

Su equipo consiste por lo general, en una pequeña Sala de Bombas, con una o dos bombas tipo Booster y dos o tres compresores de gas para la descarga.

Esta se efectúa sobrepresionando el tanque a descargar con 2,5 o 3,0 Kg., con ayuda de los compresores, y luego, se ceba la bomba de descarga.

Buques semirrefrigerados.

Estos tipos de buques pueden llevar el cargamento, hasta una presión máxima de 6,7 Kg./cm², que le permite transportar los productos a una temperatura aproximada de +10° C, así por ejemplo:

·         Butano a       10° C tiene una Presión de Saturación de……. 1,5 Kg./cm²

·         Propano a     10º C tiene una Presión de Saturación de……..5,5 Kg./cm²

·         Amoniaco a   10º C tiene una Presión de Saturación de……..5,3 Kg./cm²

En este tipo de buques los tanques suelen ser cilíndricos en sentido horizontal.

Al objeto de ganar espacio para la carga, se instala una más completa Sala de Bombas que en los buques de "Alta Presión", y que está compuesta de:

Bombas Booster, dos o tres compresores, y para cada compresor un condensador circulado por agua de mar, separadores y calentador. Así podemos, enfriar o calentar la carga, según las necesidades del puerto de descarga. Es muy normal cargar productos fríos y luego, en el puerto de descarga, nos exigen entregarlos a temperatura ambiente, siendo necesario un calentamiento; o bien, el cargarlos a temperatura ambiente, y a la vez que los cargamos, lo vamos enfriando.

Generalmente los aceros usados en los tanques están calculados para soportar temperaturas de hasta -150 C.

Buques refrigerados.

Estos tipos de buques pueden llevar el cargamento, hasta una presión máxima de 0,3 Kg/cm², por lo que el producto debe ser transportado a su temperatura de ebullición, así por ejemplo:

·         Butano a -20º C       Presión de Saturación           0,0 Kg/cm²

·         Propano a -420º C               “           “                       0,0 Kg/cm²

·         Amoniaco a -330º C            “           “                       0,0 Kg/cm²

Estos buques van dotados de potentes instalaciones de gas Freón para las bajas temperaturas que necesitan; aislamientos para crear la llamada doble barrera "Void Space", de perlita, vinilo, etc.; y complejos sistemas de relicuación.

Sus tanques son de aceros especiales a bajas temperaturas, de hasta -550º C y de forma prismática. Este tipo de buque suelen estar estandarizados en capacidades de: 25.000, 55.000 y 80.000 metros cúbicos. Van dotados sus tanques con sondas muy delicadas, mecánicas o electrónicas, con numerosas correcciones por dilatación, temperatura, densidad, asiento, y otros.

En general, cualquiera que sea el tipo de buque, jamás irán los tanques a más del 98% de sus capacidades con líquido, debiendo mantenerse durante el viaje este nivel máximo, para evitar que el líquido entrara por las líneas de aspiración del gas, a los compresores, pudiendo producir importantes averías y que saltaran las seguridades. Conviene recordar, que los tanques están aislados de la atmósfera, y por tanto todo el espacio no ocupado por el líquido lo llena el gas; si enfriamos baja el nivel del líquido y aumenta el espacio del gas (menos presión), pero si se calienta, que era el problema mencionado anteriormente, aumenta el nivel del líquido.

Clasificación de los buques según el Código CIG:

El código clasifica los buques según la peligrosidad del producto transportado y por tanto por la resistencia del casco ante una avería, determinando la distancia de separación entre los tanques de carga y el forro del casco:

Buque tipo 1 G: dedicado a transportar productos indicados en la columna “c” del capítulo XIX que exijan la adopción de medidas de máximo rigor para evitar escapes. Este tipo es el que transporta los productos de más riesgo, siendo el resto de menor riesgo en sentido decreciente. Deberán resistir averías de mayor gravedad, en cualquier parte de su eslora, y sus tanques estarán separados del forro más distancia que los de cualquier otro tipo.

Buque tipo 2 G: lo mismo que el anterior pero las medidas a adoptar serán de menos rigor que las de 1G. Los buques menores de 150 m de eslora resistirán averías en cualquier punto de su eslora salvo las que afecten a los mamparos que limiten con los espacios de máquinas a popa, y los de más de 150 m de eslora en cualquier punto de ésta.

Buque tipo 2 PG: lo mismo que el tipo 2 PG pero para buques gaseros de eslora igual ó inferior a 140 m con tanques independientes de tipo C proyectados para un MARVS 7 de mínimo 7 bar de presión manométrica y una temperatura de proyecto en el sistema de contención de la carga igual ó superior a -55º C. Resistirán averías en cualquier punto de su eslora salvo las que afecten a mamparos transversales espaciados a una distancia superior a la de la supuesta avería.

Buque tipo 3 G: buque gasero que transporte los productos que exijan medidas “sólo” moderadas comparativamente con los anteriores para impedir escapes. Hasta 125 m de eslora las condiciones serán iguales a las 2 PG y las que afecten al espacio de máquinas a popa, y a partir de 125 m, resistirán averías en cualquier punto de su eslora salvo las que afecten a mamparos transversales espaciados a una distancia superior a la de la supuesta avería.

DEFINICIONES DE LOS TÉRMINOS USUALES EN LAS TABLAS PARA CARGAMENTOS DE GASES LICUADOS.

(a) Presión de vapor saturante.

La Presión de equilibrio entre el gas licuado y su vapor, a una temperatura determinada. Es un equilibrio dinámico, que no altera macroscópicamente el estado del sistema. A cada temperatura habrá una presión saturante distinta.

Figura A. Punto de equilibrio. Punto triple

(b) Punto de congelación.

Es la temperatura del "punto triple"; punto en el cual, las tres fases (sólido, líquido y vapor) pueden existir juntas en equilibrio. En la (Fig. A), que se refiere al agua, la curva de presiones de "vapor saturante" es la PV. El sólido correspondiente (hielo) emite también vapor, y ejerce a cada temperatura una cierta presión de "vapor saturan te”, que representa el equilibrio ente éste y el sólido. En la (Fig.A) es la curva S P. Recordamos que la temperatura de fusión (temperatura de equilibrio entre las fases sólida y líquida) depende de la presión. En el agua, al aumentar la presión la temperatura de fusión disminuye un poco; la curva de equilibrio será de la forma PF.

Las tres Curvas mencionadas se cortan en un punto "P", la temperatura y la presión correspondientes a este punto, son las únicas a las cuales podemos tener agua en equilibrio en sus tres estados, sólido, líquido y vapor. El punto "p" es el punto triple del agua. Sus coordenadas son: Temperatura = 0,01° C y Presión = 4,6 tor. Todo esto tiene el siguiente significado: Si un espacio herméticamente cerrado, que contiene agua y un trozo de hielo, se lleva a la temperatura de 0,01° C, haciendo en el mismo un vacío, hasta llegar a la presión de 4,6 tor. (La normal es de 760 tor.) , se observa, que si el sistema no recibe calor del exterior; ni el hielo funde, ni el agua en fase líquida disminuye de volumen por evaporación. Los tres estados permanecen en equilibrio.

Volviendo a observar la (Fig. A), vemos que su superficie queda dividida en tres zonas; representando cada una de ellas, el campo de presiones y temperaturas, en el cual sólo puede existir en equilibrio, uno de los tres estados.

Para cada sustancia, pueden dibujarse las tres curvas de dicha (Fig. A), .quedando definido el correspondiente punto triple. Continuando con la observación de dicha Fig., podemos añadir, que si calentamos una sustancia sólida, manteniéndola a presión constante, una presión por debajo de la de su punto triple, pasará del estado sólido al de vapor sin licuar. Un ejemplo para intuir el concepto, lo tenemos en el Anhídrido Carbónico a la Presión Atmosférica; y a la inversa, cuando sale de una botella a gran presión licuado, sale en forma de vapor, y al enfriarse fuertemente, se solidifica (a causa de la expansión adiabática) sin pasar por su estado líquido.

La Temperatura a la que una sustancia, a una presión normal (760 tor), hierve o se sublima (paso directo de sólido a vapor). El agua pura hierve a 100° C.

(d) Punto crítico

Observando la (Fig. B) en la que tenemos un diagrama de Volumen-Presión, donde las Isotermas correspondientes al C0₂, sufren desviaciones mayores, cuanto más se aproxima el gas a las condiciones propias del estado líquido.

Figura B. Isotermas de CO₂

El comportamiento de un "gas real" queda expresado por el trazado de las isotermas correspondientes.

Por ejemplo, tenemos un mol de un cierto gas, anhídrido carbónico (mol: masa de una especie química, expresada en gramos por el número que define su peso molecular), contenido en un cuerpo de bomba, a la temperatura inicial de 20°. Manteniendo constante su temperatura (transformación isotérmica) vamos disminuyendo el volumen. Al principio comprobaremos, que la presión va aumentando, pero llega un momento en que se interrumpe el incremento de la presión, aunque sigamos disminuyendo el volumen. Si observáramos el gas, veríamos que en su seno se han formado gotitas; es decir, se ha iniciado la condensación del gas. Esté se ha convertido, pues, en un vapor saturante, y toda reducción de volumen se traduce en un aumento de la fase líquida. Puesto que la temperatura se supone invariable, la presión del sistema mientras quede todavía algo de gas, se mantiene constantemente igual al valor de saturación.

Para reducir todavía más el Volumen, cuando todo el gas haya pasado al estado líquido como este es muy poco compresible, será preciso que las presiones ejercidas sean muy grandes.

En el diagrama Volumen-Presión de la (Fig. B) la evolución descrita, isoterma de 20° C, presentará un tramo paralelo al eje V, correspondiente al intervalo de condensación (p (presión) = constante) o sea, al estado líquido-vapor.

Repitiendo el experimento a la temperatura constante de 40°, encontraremos que a toda disminución de volumen, le corresponde siempre un aumento de presión; el gas no se convierte en líquido, aunque sobre el mismo se ejerzan presiones muy elevadas (isoterma de 40°).

Los resultados obtenidos con el anhídrido carbónico son generales. Por consiguiente, en un gas real, las isotermas son de dos tipos netamente distintos: en unas, se presenta un tramo horizontal que corresponde al paso de líquido a gas, en otras, la licuación no se produce. La frontera entre ambos tipos de isotermas, corresponde a una temperatura denominada "Temperatura crítica", para la cual el tramo horizontal queda reducido a un punto "C". A temperaturas superiores a la "crítica", las isotermas se aproximan cada vez más a hipérbolas equiláteras (gases perfectos las isotermas están definidas por la ley de Boyle).

Es pues, evidente, que un gas no puede licuarse por mucho que se le comprima, sino se le enfría previamente por debajo de su temperatura crítica. En el caso del anhídrido carbónico, esta temperatura es de 31° C.

En la (Fig. B) se han unido mediante una curva de trazos, los extremos de los tramos horizontales de las isotermas de temperatura inferior a la "crítica" (no dibujada en la Fig.). Esta curva de trazos se denomina "Curva de Saturación", porque delimita una zona en la cual existe equilibrio entre el "líquido" y el "vapor saturante". En dicha zona, los puntos próximos a la rama de la derecha, representan "estados" del sistema en los que hay mucho gas y poco líquido, y los próximos a la rama izquierda corresponden a "estados" con mucho líquido y poco gas. La región rayada se refiere a "estados" en forma exclusivamente líquida, y el resto, representa "estados" gaseosos. El punto "C" de tangencia entre la isoterma "crítica" y la "Curva de Saturación", se denomina "punto crítico"; la presión, el volumen y la temperatura, relativos al "Punto Crítico", definen las llamadas "Constantes Críticas del Gas".

Finalmente y para comprender bien, la relación que existe entre los diagramas de las (Figs. A y B), hay que considerar la superficie de "estado" de una sustancia. Se ha dibujado dicha superficie en perspectiva en la (Fig. C), tomando como ejes coordenados; la presión (p), el volumen (v) y la temperatura (t).

Cualquier "estado" de la sustancia (sólido, líquido o gaseoso), está representado por un punto de la citada superficie. Sobre ella se han señalado las zonas que corresponden a cada "estado", y se han trazado distintas líneas isotermas, que son las intersecciones de la superficie con planos perpendiculares al eje de las temperaturas. Proyectando sobre el plano Presión (p) - Temperatura (t), las líneas que separan los distintos "estados", resulta la (Fig. A).

Figura C. Superficie de estado y sus proyecciones sobre dos planos coordenado.

La proyección sobre el plano Presión (p) - Volumen (v), es una figura análoga a la "B", en la cual también se han incluido las proyecciones de las isotermas, quedando señalada la parte relativa al estado sólido, que falta en la (Fig. B).

El valor de este punto crítico tiene a veces sensibles variaciones según los métodos usados para su cálculo.

(e) Factor de condensación.

Es un elemento auxiliar para el cálculo aproximado de cantidad de líquido formado durante la condensación. Con este factor podemos calcular la cantidad de líquido en decímetro cúbico (dm³), a la temperatura del "punto de ebullición" en condiciones "estándar" en la cual un metro cúbico (m³) de gas se condensará (760 tor. y 0° C). Si el estado de gas no existe en la, condiciones "estándar", el número se refiere a un metro cúbico de gas, a la temperatura de ebullición y una presión de 760 tor.

Temperatura de ebullición de distintos productos:

· Cloruro de Etilo 13° C

· Éter Etílico 35° C

· Cloroformo 61° C

· Benceno 80° C

· Petróleo de 110º a 160° C

(f) Densidad relativa

Es la relación que hay entre Nm³ (gas) / Nm³ (aire).

Si en las condiciones "estándar" no hay "estado" de gas, el número representa la relación entre el peso del gas a la "temperatura de ebullición", y la del aire a esa temperatura y una presión normal de 760 tor.

(g) Entalpía.

Es una función del "estado" del sistema.

Entalpía = U + p . v, donde "U" es la energía interna, "p" la presión, y "v" el volumen. En un gas perfecto la entalpía depende de la temperatura.

NORMATIVA DE SÍMBOLOS y EXPRESIONES

P (Kg/cm²)……………Presión de saturación (Absoluta = Relativa + 1)

t (ºC)………………… Temperatura.

i’ (Kcal/Kg)………… Entalpia del líquido.

i’’ (Kcal/Kg)………… Entalpia del vapor saturado.

r (Kcal/Kg)……………Calor de vaporización.

γ’ (Kg/dm³)………… Peso específico del líquido en el punto de ebullición.

γ’’ (Kg/m³)…………… Peso específico del vapor saturado.

c (vol-%;ppm)……… Concentración en % del volumen; partes por millón.