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El presente documento tiene como objetivo comunicar a quienes lo lean, el proceso de diseño que el autor empleó para diseñar un tanque mezclador de diez mil galones, tema que escogió como Proyecto Integrador en el proceso de graduación de la Materia Integradora de la carrera de Ingeniería en Mecánica. El diseño estructural del tanque fue basado al estándar API 650 debido a que el producto a mezclar es aceite lubricante de base mineral, el cual es un derivado del petróleo.
Tipo: Tesis
Subido el 02/02/2025
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A mi papá, Gonzalo Ricaurte, por apoyarme siempre en todo, a mi familia y amigos por darme ánimo para continuar. Al ing. Santiago Díaz, por darme la oportunidad de trabajar en Swissoil, a mis compañeros de trabajo: Jorge Gómez, Aldo Martínez, Braulio Valdez, Fabricio Ruales, Tanya Martínez y Abel Zambrano, por enseñarme y ayudarme a realizar este trabajo. A los profesores que tuve a lo largo de mi vida estudiantil, por darme los conocimientos. A mi tutor, el ing. Gonzalo Zabala. Al ing. Vicente Adum Gilbert.
I
El presente documento tiene como objetivo comunicar a quienes lo lean, el proceso de diseño que el autor empleó para diseñar un tanque mezclador de diez mil galones, tema que escogió como Proyecto Integrador en el proceso de graduación de la Materia Integradora de la carrera de Ingeniería en Mecánica. El diseño estructural del tanque fue basado al estándar API 650 debido a que el producto a mezclar es aceite lubricante de base mineral, el cual es un derivado del petróleo. La mezcla de los productos se logró gracias a un sistema de agitación que emplea un agitador mecánico axial tipo turbina y un moto-reductor de quince caballos de fuerza. El sistema de agitación fue diseñado en base a las configuraciones estándares para tanques agitados. El calentamiento se realizó por medio de un serpentín helicoidal de vapor, el cual está sumergido en el producto y está formado por sesenta y seis metros de tubería de acero de una pulgada y media de diámetro. El serpentín de calentamiento se diseñó aplicando conocimientos de transferencia de calor para que fuera capaz de calentar diez mil galones de aceite lubricante en una hora. Se realizó un modelo a computadora en tres dimensiones del tanque y una simulación dinámica del flujo interno en el tanque para confirmar que las velocidades y el patrón de flujo del fluido fueran las requeridas para que exista una buena agitación. Palabras Clave: Tanque, Mezcla, Agitación, Aceite, Lubricante, Transferencia de Calor.
II
The purpose of this document is to communicate the design process the author used to design a ten thousand gallons mixing tank, subject he chose as Integrating Project in the Integrating Subject graduation process of the Mechanical Engineering career. The structural design was based on the API 650 standard due to the product to mix is mineral lubricant oil, which is petroleum based. Product mixing was achieved by an agitation system that uses a turbine as mechanical axial agitator and a fifth teen horse power gear motor. The agitation system was designed based on standards configurations for stirred vessels. Heating was done through a helical coil, which is submerged in the product and is made up of sixty-six meters of steel pipe of one and a quarter inch diameter. The heating coil was designed applying heat transfers knowledge so it was capable of heating ten thousand gallons of lubricant oil in one hour. A computer three-dimensional model of the tank and a dynamic simulation of the tank internal flow was conducted to confirm that fluid velocities and flow pattern were the required for a good agitation to exist. Keywords: Tank, Mixing, Agitation, Oil, Lubricant, Heat Transfer
VII
ESPOL Escuela Superior Politécnica del Litoral FIMCP Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción ISO International Standards Organization ASTM American Society for Testing and Materials ANSI American National Standards Institute API American Petroleum Institute INEN Servicio Ecuatoriano de Normalización NACE National Association of Corrosion Engineers NFPA National Fire Protection Association AWS American Welding Society SAE Society of Automotive Engineers ASME American Society of Mechanical Engineers ARCH Agencia de Regulación y Control Hidrocarburífero APEL Asociación de Productores Ecuatorianos de Lubricantes PDS Product Data Sheet CE Carbono Equivalente Re Reynolds Nu Nusselt Pr Prandtl
VIII
mm Milímetro pulg. Pulgada gal Galón l Litro m Metro m^2 Metro cuadrado m^3 Metro cúbico g Gramo T Temperatura °C Grados Celsius K Grados Kelvin Ø Diámetro N Newton h Hora s Segundo min Minuto k Conductividad térmica Cp Calor específico a presión constante Q̇ Flujo de calor q’’ Tasa de transferencia de calor cSt Centistoke cP Centipoise HP Caballo de fuerza W Vatio rpm Revoluciones por minuto U Coeficiente global de transferencia de calor x Calidad del vapor
X Figura 2.13. Configuración estándar de un serpentín helicoidal en un tanque agitado ................................................................................................................................. 47 Figura 2.14. Masa y Volumen de Control .................................................................. 48 Figura 2.15. Ψ vs Z ................................................................................................... 55 Figura 2.16. Dimensiones de un serpentín helicoidal ................................................ 58 Figura 2.17. Dimensiones recomendadas del serpentín ........................................... 59 Figura 3.1. Contornos de la magnitud de la velocidad del fluido ............................... 63 Figura 3.2. Campo vectorial de velocidades del fluido, componente vertical ............ 64 Figura 4.1. Variación de la temperatura del lubricante .............................................. 78
Tabla 20. Desempeño del mezclado según la velocidad lineal superficial ......... ¡Error!
- 1.3.3.1 Conceptos Básicos - 1.3.3.2 Agitadores mecánicos - 1.3.3.2.1 Agitadores de Hélice - 1.3.3.2.2 Agitadores de Paletas - 1.3.3.2.3 Agitadores de Turbina - 1.3.3.3 Eductores - 1.3.3.4 Pulsador de aire - 1.3.3.5 Deflectores - 1.3.4 Transferencia de Calor en tanques agitados - 1.3.4.1 Chaqueta - 1.3.4.2 Serpentín - 1.3.4.3 Calentador eléctrico de inmersión................................................... - 1.3.5 Dinámica de Fluidos Computacional aplicado a mezcladores XIII
PLANO # 1 Tanque de mezcla de 10,000 gal PLANO # 2 Dimensiones generales PLANO # 3 Partes del tanque de mezcla PLANO # 4 Agitador tipo turbina PLANO # 5 Deflectores PLANO # 6 Domo Toriesférico - Fondo PLANO # 7 Techo cónico PLANO # 8 Serpentín de calentamiento PLANO # 9 Escalera helicoidal y plataforma PLANO # 10 Junta cuerpo-base PLANO # 11 Entrada de hombre
En la actualidad, la lubricación es una actividad fundamental en cualquier industria. Todas las máquinas y equipos con elementos en contacto donde uno debe moverse con respecto al otro, necesitan ser lubricados para reducir la fricción y así lograr disminuir la temperatura y el desgaste. Además, la venta de aceites lubricantes es un negocio que crece año a año. La Figura 1. 1 muestra que la tendencia del volumen total de litros vendidos de aceites lubricantes para uso en motores ciclo Otto y ciclo Diesel es creciente y que el año 2015 es el año en el cual se registraron más ventas en los últimos 4 años, con un incremento del 7% con respecto al año 2014. (APEL, 2016) Figura 1. 1. Venta de aceites lubricantes en el Ecuador. Fuente: ARCH El mercado nacional de lubricantes lo componen los miembros de la Asociación de Productores Ecuatorianos de Lubricantes (APEL), otros productores nacionales (OPN) y las marcas importadas (IMP). La Figura 1. 2 muestra que los miembros de APEL colocaron el 66,13% del total del producto en el mercado nacional en el 2015, incrementando así su participación de mercado con respecto al año anterior - en el 2014 la participación de mercado fue de 65,0%. La Figura 1. 2 también muestra que en el 2015, la participación de las marcas importadas fue del 32% y las marcas producidas nacionalmente fue del 68%. Por lo tanto, hay posibilidad de producir esas marcas importadas aquí y así generar empleo y desarrollo para el Ecuador.
3 1.2.2 Objetivos Específicos Seleccionar los materiales Diseñar los elementos estructurales del tanque Diseñar el sistema de calentamiento Diseñar el sistema de agitación Diseñar los cordones de soldadura Diseñar la escalera Hacer un modelo 3D a computadora Realizar una simulación dinámica Obtener los planos mecánicos del tanque y sus elementos Calcular el costo total de los materiales 1.3 Marco Teórico 1.3.1 Lubricantes 1.3.1.1 Definición Un lubricante es toda sustancia sólida, semisólida o liquida de origen animal, vegetal, mineral o sintético que pueda utilizarse para producir lubricación, es decir, eliminar en lo posible el frotamiento y el desgaste impidiendo que las superficies en movimiento entren en contacto. (Booser, 1983) 1.3.1.2 Clasificación Los lubricantes se pueden clasificar según su estado y según su composición. También se pueden clasificar según su uso y el grado SAE, API o ISO. Los lubricantes que actualmente se emplean son en su gran mayoría de origen mineral y se extraen del petróleo crudo. Antes de conocerse el petróleo se empleaban aceites de origen animal (de ballena, cerdo, vacuno, ovino, etc.) Y de origen vegetal (de oliva, maravilla, colza, ricino, etc.) (Sanchez, 2013). La Tabla 1 muestra la clasificación según se estado y composición.
4 Tabla 1. Clasificación de los lubricantes S/estado Sólidos Grafito y sulfuro de molibdeno Semisólidos Grasas Líquidos Aceites S/Composición Base Mineral Parafínicos Nafténicos Aromáticos Hydrocracked Base sintética Poly Alpha Olefines (PAOs) Ésteres orgánicos Ésteres fosfóricos Base Semi-sintética Combinación entre Base Mineral y Sintética Fuente: Adaptado de (Booser, 1983) 1.3.1.3 Composición de los lubricantes líquidos Los aceites lubricantes en general están conformados por una base y aditivos. Las bases lubricantes determinan la mayor parte de las características del aceite, tales como: Viscosidad, Resistencia a la oxidación, Punto de fluidez. Las bases lubricantes pueden ser: Minerales: Derivados del petróleo. Sintéticas: Químicas. Semi-sintéticas: Mezcla entre las dos bases anteriores. Los aditivos son aquellos compuestos químicos destinados a mejorar las propiedades naturales de un lubricante, y conferirle otras que no posee y que son necesarias para cumplir con su cometido. La Tabla 2 detalla los tipos de aditivos que se emplean y las propiedades sobre las que actúan.