Stoccaggio e trasporto dei fluidi

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Stoccaggio e trasporto dei fluidi

I serbatoi di stoccaggio dei fluidi e dei solidi

I cicli produttivi industriali prevedono l’utilizzazione di serbatoi dove accumulare temporaneamente materie prime, combustibili, prodotti intermedi di lavorazione o prodotti finiti in attesa di essere commercializzati. In base al tipo di prodotto accumulato possiamo distinguere:

serbatoi di stoccaggio: vengono accumulati i prodotti finiti e le materie prime. Negli impianti industriali essi sono ubicati in aree apposite chiamate parchi serbatoi.
serbatoi di processo: servono per l’accumulo temporaneo degli intermedi di lavorazione. Sono di dimensioni relativamente ridotte e vengono utilizzati per collegare un’apparecchiatura a funzionamento discontinuo con una a funzionamento continuo, oppure per ammortizzare oscillazioni di temperatura o composizione

La valutazione della capacità di stoccaggio si esegue tenendo conto del valore del prodotto conservato e dei vari costi associati, come il terreno, le assicurazioni, ecc.

La capacità dei serbatoi di stoccaggio nell’industria chimica si può valutare grossolanamente in base al tipo di prodotto. Per i prodotti chimici di base, ovvero quelli prodotti in notevole quantità a partire da materie prime, si hanno capacità di stoccaggio pari all’incirca al 25 % della produzione annua; per i derivati dei prodotti base si hanno capacità circa del 16 %; e per i prodotti parachimici il 20 %. L’area dove ubicare il parco serbatoi dovrà essere scelta in maniera da agevolare le operazioni di scarico e carico dei materiali. In relazione alla pericolosità delle sostanza poste a stoccaggio, dovranno essere previste le opportune misure di sicurezza. Ogni serbatoi destinato allo stoccaggio dei liquidi deve essere circondato da una trincea che determina un bacino di contenimento per l’eventuale fuoriuscita di liquido in caso di incendio. In base al tipo di sostanza accumulate, possiamo avere:

contenitori per solidi: i materiali solidi vengono conservati in silos. Devono essere previsti degli accorgimenti necessari affinché il volume sia interamente sfruttato. Infatti nelle operazioni di carico-scarico possono formarsi delle zone morte dove il solido rimane bloccato riducendo la capacità complessiva del silo. Per questo motivo la parte di tronco inferiore del silo è sagomata con un’opportuna angolazione in modo che eviti l’impaccamento del solido. A seconda delle caratteristiche del solido può essere installato un sistema di scuotimento ad aria compressa.
serbatoi per liquidi: i serbatoi di stoccaggio per liquidi possono essere aperti, per lo stoccaggio di liquidi poco pregiati e non pericolosi e possono essere interrati o sopraelevati. La maggior parte delle applicazioni richiede serbatoi chiusi. Per piccoli volumi e pressioni atmosferiche possono essere interrati a pianta rettangolare. Per lo stoccaggio di grandi volumi a pressione atmosferica si impiegano serbatoi cilindrici ad asse verticale costruiti in acciaio con lamiere saldate e fondo piano direttamente poggiato sulla fondazione. Il tetto può essere conico, bombato o galleggiante mentre il fondo può essere piano o bombato. Si preferisce tetto e fondo bombato perché consente una migliore ripartizione delle tensioni. Il serbatoio può poggiare su una platea di cemento o essere sostenuto da pilastri. Per lo stoccaggio di liquidi molto volatili possono essere impiegati serbatoi a tetto galleggiante, in cui il tetto, che poggia in una serie di galleggianti, è libero di translare verticalmente, lasciando così un volume minimo tra il tetto e la superficie del liquido, in modo da evitare l’accumulamento di vapore del liquido e l’eventuale ingrasso dell’aria. Un altro accorgimento sta nell’usare vernici chiare o una copertura li lamiere di alluminio molto riflettenti, onde evitare l’assorbimento dei raggi solari. Per i serbatoi che devono operare a pressioni più drastiche vengono utilizzati i serbatoi cilindrici con asse orizzontale, oppure serbatoi pseudoelittici, ellissoidali e sferici. I serbatoi cilindrici non hanno grandi dimensioni, la bombatura dell’estremità può essere più o meno pronunciata a seconda della pressione, vengono ubicati nel parco serbatoi in batteria con un numero che varia a seconda delle necessità. Con i serbatoi pseudoelittici si possono raggiungere capacità di circa 20.000 m3. Capacità minori si hanno nei serbatoi ellissoidali e la loro forma si avvicina a quella sferica tanto più è maggiore la pressione, vengono appoggiati al terreno tramite pilastri o supporti triangolari tenendo conto che i materiali di contatto tra pilastro e serbatoio siano dello stesso tipo per evitare problemi di corrosione. I serbatoi di lavorazione, o polmoni, sono di dimensioni relativamente ridotte, di dimensioni relativamente ridotte, di forma cilindrica sia ad asse orizzontale che verticale. Tutti i tipi di serbatoi devono essere muniti di una serie di dispositivi che ne consentano l’esercizio, l’ispezione e la manutenzione. Per esempio sono necessari: indicatori di livello, valvole di respirazione, che consentono l’oscillazione libera del livello. A seconda del tipo do sostanza, possono essere necessari sistemi di agitazione, per evitare la sedimentazione di particele pesanti o la stratificazione, e talvolta anche di sistemi di scambio termico, per i liquidi che presentano una viscosità troppo alta alle basse temperature. Per liquidi che formano miscele esplosive, bisogna mettere il serbatoio in leggera sovrapressione di azoto, in maniera da impedire l’ingresso dell’aria.
Serbatoi per gas: i serbatoi più adeguati per immagazzinare gas sotto pressione sono quelli a forma sferica, perché offrono una migliore ripartizione dei carichi, e a parità di pressione interna, la parete del serbatoio potrà avere uno spessore minore. La loro dimensione, per motivi di sicurezza, diminuisce all’aumentare della pressione. Alcuni gas (metano, propano, butano, idrogeno e ossigeno) possono essere meglio conservati allo stato liquido in serbatoi criogenici, dopo essere stati raffreddati e condensati I serbatoi vengono mantenuti a basse temperature con l’ausilio di circuiti di raffreddamento e sono isolati termicamente. In funzione del tipo di gas, la pressione può variare da 10 a 20 Kgf / cm2. Un altro modello di serbatoi a gas è il gasometro, la cui caratteristica è quella di esserre a volume variabile e a pressione costante, grazie a particolari tetti mobili mantenuti sospesi dalla pressione del gas. A seconda del tipo di tenuta tra il tetto mobile e la parte fissa, si distinguono gasometri a secco, in cui la tenuta è assicurata da guarnizioni di gomma che richiedono una frequente manutenzione, e a umido. I gasometri a umido possono essere a campana semplice, costituito da un cilindro fisso, parzialmente riempito di un liquido in cui il gas da conservare non è solubile; a campana con intercapedine, in cui il liquido è confinato nell’intercapedine; e telescopici.

il dimensionamento dei serbatoi in pressione

Per il dimensionamento dei serbatoi occorre, una volta attribuito il volume, scegliere la proporzione più opportuna tra il diametro e l’altezza e, soprattutto, determinare lo spessore minimo. Per il calcolo del volume del serbatoio si deve tenere conto del grado di riempimento, che per i liquidi non deve mai essere del 100 %. Per effetto delle dilatazioni termiche si possono generare notevoli sollecitazioni sulle pareti, a causa della scarsa comprimibilità dei liquidi. Generalmente si attribuisce un grado di riempimento del 90 %. Il rapporto diametro-altezza, per i serbatoi cilindrici, viene determinato in base ai costi dei materiali, del suolo e delle fondazioni. Il calcolo dello spessore si effettua tenendo conto delle caratteristiche di resistenza del materiale e della pressione a cui deve lavorare il serbatoio. All’aumentare della pressione avremo bisogno di spessori maggiori, o utilizzando materiali più resistenti potremo ridurre lo spessore. Il dimensionamento viene fatto in base ad un carico di sicurezza decisamente più basso del carico limite.

Nei casi reali, alla seguente formula vengono aggiunti alcuni fattori correttivi.

Se si tiene conto della corrosione si aggiunge un valore K (da 1 a 3 mm). La costruzione de serbatoi prevede l’unione di varie lamiere tramite saldature o chiodature, ce determinano nella zona di giunzione una minore resistenza, e per questo si moltiplica a σsic un fattore α < 1. Pere ulteriore garanzia il dimensionamento si effettua sulla base di una pressione Pi di sicurezza ottenuta maggiorando la pressione P. Se il serbatoio è verticale, alla pressione Pi dovrà sommarsi la pressione idrostatica. Se il liquido non è sotto pressione ma possiede un’elevata tensione di vapore bisognerà sommarla alla pressione idrostatica. Infine le due formule risultanti saranno:

Per i serbatoi sferici si addotta una procedura analoga, che ne risulterà la formula:

tubazioni per liquidi e gas

Il sistema delle tubazioni incide fino al 60 % dei costi totali d’installazione delle apparecchiature. La progettazione del sistema di tubazioni richiede:

un’opportuna scelta del materiale
il calcolo dei diametri e degli spessori dei tubi
la scelta dei percorsi e dei punti di sostegno
la localizzazione delle valvole e di ogni altra strumentazione necessaria

Diametro nominale e pressione nominale

Il diametro e lo spessore di una tubazione sono, assieme al tipo di materiale, gli elementi principali che determinano il costo della tubazione. La scelta del diametro si effettua tennendo conto dei seguenti fattori:

all’aumentare del diametro aumenta il peso della tubazione e, di conseguenza, aumentano i costi di installazione
all’aumentare del diametro diminuiscono le perdite di carico e l’energia richiesta per trasportare il liquido nell’unità di tempo

Nella scelta del diametro si possono consultare opportune tabelle, altrimenti calcolare, al variare del diametro, i costi di esercizio, variabili con le perdite di carico, e i costi d’installazione; si otterrà un grafico:

La fabbricazione dei tubi è comunque soggetta ad unificazione, per cui sono standardizzati i diametri ed i relativi materiali con cui sono prodotte le varie tubazioni. Secondo le normative UNI le dimensioni di una tubazione sono definite dal suo diametro nominale (DN). Così tutte le apparecchiature, giunti e valvole, da associare alla tubazione dovranno avere tutte lo stesso DN. Il diametro esterno non coincide con quello nominale.

Un altro dato caratteristico è la pressione nominale (PN), che rappresenta una indicazione relativa alla presione in base alla quale vengono calcolati gli elementi ella tubazione; può essere considerata la massima pressione di esercizio delle tubazioni. Lo spessore della tubazione sarà tanto maggiore quanto più grande sarà il PN.

Materiali comunemente impiegati

Ad ogni tipo di tubazione corrisponde una ben precisa norma UNI. Sono molto utilizzate in ambito nonindustriale, le tubazioni costruite in materiale plastico. Sono anche molto usati i tubi in rame in edilizia, per l’installazione di impianti idraulici nelle abitazioni.

Giunti e raccordi

La lunghezza dei tubi varia tra i 4 e i 10 metri, per i tubi in PE e PP le lunghezze arrivano fino a 500 m. Ciò comporta la necessità di operare giunzione tra i tubi per raggiungere lunghezze desiderate. I più comuni sistemi di giunzione sono:

saldatura
giunto a manicotto filettato
giunto flangiato
giunto a bicchiere

La saldatura è il tipo più economico, garantisce una resistenza meccanica uguale a quella del materiale e assicura una tenuta perfetta, è adoperata quando si decide di non dover separare le parti saldate. Invece, se si vuole separare le parti frangiate si impiegano giunti saldati. La flangia è costituita da una corona fissata alla parte terminale del tubo; la giunzione si effettua affiancando le flange opposte, in maniera da far coincidere i fori di cui sono munite, e avvitando con bulloni passanti; tra le due flange va inserita una guarnizione che assicura la tenuta.

Per piccoli diametri si usa il sistema del manicotto filettato, che consiste nel generare una filettatura ad ogni estremità dei tubi, su cui andrà avvitato un manicotto.

Il giunto a bicchiere è molto impiegato per tubazioni costruite con materiali difficilmente lavorabili ed è idoneo solo per basse pressioni di esercizio. Un’estremità del tubo (bicchiere), ha una forma leggermente svasata tale da poter ricevere l’estremità opposta di un altro tubo; la tenuta viene realizzata comprimendo nello spazio tra la parete del tubo e quella del bicchiere canapa, piombo fuso o materiali plastici.

Per tubi in rame o PE sono molto usati sistemici giunzione chiamati giunti a tre pezzi.

Oltre a raccordi di giunzione possono essere necessari altri elementi di raccorderia. Un’altra categoria di giunti è costituita da compensatori di dilatazione, adatti a liquidi ad alta temperatura. Un’esempio è quello di disporre un tratto di tubazione con secondo una conformazione a “lira”, altri compensatori sono quelli assiali e a snodo.

le valvole

Le valvole si distinguono in:

valvole di intercettazione
valvole di regolazione
valvole di ritegno
valvole di sfiato

Sulle valvole sono riconoscibili elementi in comune:

il corpo della valvola: l’involucro su cui sono ricavate le luci di passaggio del fluido.
l’otturatore: tramite cui si ostruisce il passaggio del fluido, è collegato al volante di manovra tramite un stelo
il cappello: chiude il corpo valvola, può essere aperto per intervenire all’interno della valvola.

Dal punto di vista geometrico le valvole possono essere: a via dritta, se l’ingresso e l’uscita del fluido sono sullo stesso asse, o a squadra, se sono ortogonali. Le valvole possono essere a tre vie, quando sono possibili due ingressi e un’uscita o viceversa. I materiali più usati sono la ghisa, l’acciaio, il bronzo, l’ottone e il PTFE. Le valvole possono essere azionate manualmente o tramite aria compressa o motori elettrici.

Valvole di intercettazione

Vengono montate con lo scopo di escludere tratti di tubazione quando non in funzione, oppure per consentire la manutenzione di apparecchiature o della stessa tubazione. Si usano in posizione tutta aperta o tutta chiusa. In posizione intermedia esse lasciano passare parte del fluido, ma non c’è corrispondenza tra il grado di apertura e la portata effluente. Le valvole di intercettazione possono essere a rubinetto, a farfalla e a saracinesca. Quella a rubinetto, sono munite di un foro di varia forma, che ruota sul suo asse lasciando libero oppure ostruendo il passaggio del liquido. L’otturatore può essere di forma conica, come nei rubinetti a maschio, o sferica come nei rubinetti a sfera, che non comportano perdita di carico in posizione tutta aperta. Nelle valvole a farfalla, usate per grandi diametri e per i gas, l’organo di intercettazione è un disco che ruota su un asse ortogonale a flusso. Non garantiscono una perfetta tenuta e se usate in posizione intermedia aumenta il grado di usura della “farfalla”. Nelle valvole a saracinesca l’otturatore costituito da un setto che si muove in direzione verticale manovrato da un volantino.

Valvole di regolazione

Le valvole di regolazione consentono la variazione graduale e misurata dal flusso. Ad ogni grado di apertura, in funzione delle caratteristiche delle valvole, corrisponde una ben precisa portata. La dipendenza tra il grado di apertura e la portata, per un salto di pressione costante, viene chiamata caratteristica intrinseca della valvola e viene illustrata graficamente da un diagramma (x = apertura; y = portata).

Una valvola ad apertura rapida lascia fluire una grande frazione della portata massima per un minimo grado di apertura. Se una valvola presenta una caratteristica lineare c’è una proporzionalità diretta tra il grado di apertura e la frazione di portata in efflusso. Dal punto di vista costruttivo possiamo distinguere valvole a disco, a spillo, a pistone, a membrana e a manicotto.

Le valvole a disco sono divise in due zone comunicanti tramite una luce di passaggio. Il flusso è regolato dal maggiore o dal minore grado di penetrazione di un disco entro questa luce. Possono essere a via dritta, a flusso avviato, flusso libero, a squadra e a tre vie.

Le valvole a spillo hanno, rispetto a quelle a disco, una luce più ristretta ed un otturatore di forma molto affusolata. Nelle valvole a pistone l’otturatore è un pistone metallico che, muovendosi all’interno di un cilindro, lascia più o meno scoperte le luci di passaggio; hanno un’elevata perdita di carico determinata dai rapidi cambi di direzione del flusso.

Minori perdite di carico sono opposte dalle valvole a membrana e a manicotto. Nella prima il movimento dello stelo determina l’avanzamento di una membrana che ostruisce la sezione di passaggio. La seconda è costituita da un tratto di tubo deformabile sotto l’azione dell’otturatore. Hanno il pregio di una perfetta tenuta.

Fonte: http://members.xoom.virgilio.it/alberto_chim/lo%20stoccagio%20e%20il%20trasporto%20dei%20fluidi.doc

Stoccaggio e trasporto dei fluidi