Diseño de Tanques de Almacenamiento de Lodos: Volumen, Relación y Anclaje
Creado 09.04
Tanques de almacenamiento de lodos: relación de volumen de diseño, pared y anclaje
El diseño de un tanque de almacenamiento de lodos parte de un balance de masa de sólidos secos, luego fija la relación diámetro-altura, el espesor de la pared del cuerpo, el techo, el aislamiento donde el lodo no debe enfriarse, y la cimentación y el anclaje que lo sostienen. Para un tanque atornillado, el volumen de trabajo proviene de los sólidos secos diarios divididos por la concentración almacenada multiplicada por los días de retención más el borde libre; la relación se elige entonces a partir del gráfico y de la bomba; el espesor de la pared sigue el diseño de los paneles; y la cimentación debe controlar la diferencia de asentamiento porque un cuerpo fuera de redondez presenta fugas en el curso superior. El aislamiento es importante dondequiera que el lodo deba mantenerse por encima de una temperatura que lo mantenga bombeable.
Las reuniones de diseño sobre un tanque de lodos salen mal en un orden predecible. Alguien propone un diámetro, otro pregunta por la bomba, y el espesor de pared se decide según la placa que había en el estante. Mientras tanto, el balance de masa que debería haber producido el volumen sigue en curso, y la cimentación está siendo dibujada como una losa plana por un arquitecto que nunca ha visto una viga anular de tanque atornillado. Este artículo presenta la secuencia de diseño en el orden en que debería ejecutarse, con cada paso produciendo el número que necesita el siguiente.
Paso uno: el balance de masa que fija el volumen
El volumen proviene de los sólidos secos, no del caudal, y esa es la línea más importante en el diseño de un tanque de lodos. Tome la producción diaria de sólidos secos del proceso aguas arriba, divídala por la concentración que el tanque puede contener, multiplíquela por el número de días de retención y añada el borde libre para el sedimento que se asienta y la espuma que asciende. Un lodo al 6 por ciento de sólidos y 10 toneladas de sólidos secos por día es de aproximadamente 167 m³ por día; cinco días de retención son 835 m³ de volumen útil; con un margen del 15 por ciento para sedimento y espuma, el casco se aproxima a 960 m³.
El francobordo no es un error de redondeo en un tanque de lodos. Un manto compactado ocupa volumen real y una capa de espuma asciende con cualquier generación de gas, por lo que un tanque dimensionado al volumen de trabajo exacto estará lleno antes de que llegue el caso de diseño. Especifique el francobordo explícitamente, luego verifique que el nivel alto aún deje la boquilla de salida por debajo de la línea de líquido para que la bomba nunca funcione con espuma.
Paso dos: relación diámetro-altura
La proporción la decide la parcela, la bomba y la secuencia de montaje, no el volumen. El volumen es igual a 0,785 por el diámetro al cuadrado por la altura del líquido, por lo que un volumen fijo puede ser un tanque ancho y poco profundo o uno alto y esbelto. Un tanque ancho y poco profundo es la solución habitual en una planta de tratamiento: un vano más corto para el skimmer o el agitador, una escalera más corta, una altura de viento menor, un anillo de refuerzo más sencillo y una excavación menos profunda si el tanque está bajo el nivel del suelo. Un tanque alto y esbelto se adapta a una parcela con limitaciones, pero requiere un puente o brazo más largo para la agitación, una escalera más alta y una cimentación más profunda.
Las relaciones prácticas para tanques de lodos atornillados se sitúan en una banda moderada, aproximadamente una relación diámetro-altura entre 0,8 y 2,0 para una envolvente circular. Por debajo de aproximadamente 0,6, la envolvente se vuelve lo suficientemente alta como para que el viento y el anclaje dominen y el equipo de agitación se vuelva costoso; muy por encima de 2,5, el área del fondo comienza a costar obras civiles y la salida necesita un barrido para alcanzar cada esquina. La relación debe verificarse contra el diseño de agitación desde el principio, porque el alcance del agitador impulsa la plataforma estructural.
Paso tres: espesor de pared, paneles y pernos
El espesor de pared en un tanque atornillado es un valor de diseño del panel y debe indicarse por cada virola. Los anchos de panel rondan los 1,2 m y el espesor se elige para el caso de presión interna y externa, la carga del suelo donde el tanque está parcialmente enterrado, y el caso de manipulación en fábrica. Las virolas inferiores más gruesas y las superiores más delgadas son normales para envolventes soldadas; un sistema de paneles atornillados normalmente utiliza un espesor de panel uniforme para el cilindro, permitiéndose que las virolas superiores cambien de perfil, lo que simplifica enormemente los repuestos.
La junta es donde el diseño vive o muere. Las juntas con empaque de EPDM y pernos de grado 8.8, apretados a un valor escrito y verificados nuevamente después del primer llenado, son la especificación práctica. Un empaque que no sea compatible con el pH y la temperatura del lodo se endurecerá y fugará primero en el anillo superior, que también es el primer lugar donde el operador lo ve. Especifique el grado del perno, el material del empaque y el intervalo de re-apriete en el contrato en lugar de dejarlos al instalador, y mantenga un panel de repuesto y un juego de empaques durante la vida útil del tanque.
Paso cuatro: aislamiento, temperatura y el techo
El aislamiento es una decisión de proceso: existe para mantener los lodos por encima de la temperatura a la que dejan de comportarse como un líquido. Los lodos espesos que estaban a 20 °C en el proceso aguas arriba perderán calor hacia un tanque frío y un sitio frío en pocos días, y una caída por debajo del límite elástico significa que el tamaño de la bomba aumenta y la tubería necesita su propio trazado. Aísle la carcasa y el techo donde el proceso sea sensible, y detalle el sello de vapor porque una capa de aislamiento húmeda es peor que no tener aislamiento en absoluto.
El techo sigue la cuestión del gas. Un espacio de cabeza de lodos almacenados genera sulfuro de hidrógeno y metano, y el techo y el venteo deben diseñarse para esa generación, no para un caso genérico de respiración. Un techo de dos membranas con una membrana interior a una presión nominal de alrededor de 2–3 kPa y un dispositivo de alivio es común para un tanque cerrado; una opción rígida se remite a AWWA D108 o API 650 con viento y nieve de ADM 2015 o ASCE 7-10. En ambos casos, el acero del espacio de cabeza es de una clase de corrosión propia, por lo que el revestimiento y el techo se especifican juntos.
Especificación técnica
Parámetro | Valor / Rango típico | Nota |
Base de diseño | sólidos secos diarios divididos por la concentración multiplicado por los días de retención | el balance de masa determina el volumen |
Caso de ejemplo | 10 t/d de sólidos secos al 6 % de ST, 5 días | aproximadamente 960 m³ de carcasa con bordo libre |
Bordo libre | alrededor del 15 por ciento para sedimentos y espuma | protege la salida y el caso de diseño |
Relación diámetro-altura | aproximadamente de 0,8 a 2,0 para una carcasa circular atornillada | determinado por la parcela, la bomba y el vano de agitación |
Ancho del panel | aproximadamente 1,2 m | cilindro uniforme, repuestos simplificados |
Grado de perno | pernos de grado 8.8 | inhibido contra la corrosión, valor de par escrito |
Junta | EPDM común, verificado contra el pH del lodo | reapriete después del primer llenado |
Temperatura de fusión del esmalte | 820–930 °C | vidrio fusionado al acero en un solo ciclo |
Espesor de la capa de esmalte | 0,25–0,45 mm | prueba de chispa de 1500 V CC después del montaje |
Resistencia al pH del esmalte | 1–14 | inerte a través del manto anaerobio |
Techo | de dos membranas, o rígido AWWA D108 / API 650 | carga ADM 2015 / ASCE 7-10 |
Cimentación | viga anular, diferencia de asentamiento controlada | patrón de anclaje coincidente con el panel |
Paso cinco: cimentación, anclaje y la falla que se manifiesta como una filtración
La cimentación es la parte del diseño de un tanque de lodos que con mayor frecuencia dibuja alguien que nunca ha ensamblado un tanque atornillado. Una envolvente atornillada requiere una viga anular o una base con una diferencia de asentamiento controlada en todo el diámetro, y un patrón de anclaje que coincida con los orificios de los paneles. Una envolvente fuera de redondez somete las juntas a una inclinación que abre la empaquetadura en el curso superior, y un curso superior que filtra en el segundo invierno es una reparación que involucra la bomba y el tanque.
El levantamiento por viento determina el anclaje. Un tanque esbelto de gran diámetro en un sitio expuesto se levanta en el anclaje de barlovento en condición vacía, que es el caso más desfavorable porque el tanque es más ligero y la succión es mayor. Calcule el levantamiento en condición vacía, verifique el empotramiento del anclaje en la viga anular y no dimensione el anclaje a partir del caso de condición llena. La secuencia de montaje también importa: los paneles se elevan desde la viga anular, la redondez se verifica en la parte superior de cada hilada, y el par de apriete de los pernos se aplica en un patrón definido en lugar de hacerlo de manera casual por el equipo.
Caso de proyecto
Proyecto | Ubicación | Producto | Capacidad | Alcance |
Tanques para aguas residuales de cervecería | China, Sichuan | Tanques GFS | 14.655 m³ | suministro de tanque atornillado y techo |
Sección anaerobia para aguas residuales del procesamiento de frijoles | China, Hebei | Tanques digestores GFS | sección del proceso anaerobio | suministro de tanques más integración del proceso |
Tanques para aguas residuales municipales, 10 unidades | China, Sichuan | Tanques GFS | 17.420 m³ en total | suministro y montaje en sitio |
Tanques para aguas residuales industriales, 27 unidades | China, Xinjiang | Tanques GFS | 30.469 m³ en total | suministro y supervisión |
Capacidad de ingeniería de Center Enamel
Center Enamel (Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd) ha diseñado y fabricado tanques de almacenamiento atornillados desde 2008. Como el primer fabricante de tanques de vidrio fundido a acero (GFS) en China, la empresa posee cerca de 200 patentes relacionadas con el esmalte, produce aproximadamente 300.000 placas de acero recubiertas de esmalte al año, ha completado más de 30.000 proyectos instalados y suministra sus tanques a más de 100 países. Se añadió la nueva base de producción de 150.000 m² para aumentar la capacidad de producción, y se suministran tanques individuales de hasta 60.000 m³. La fabricación se realiza bajo ISO 9001 e ISO 45001, con certificación de producto que incluye NSF/ANSI 61, WRAS, FDA, LFGB, CE (EN 1090), ISO 28765, FM, BSCI y EUROCODE, y diseño referenciado a AWWA D103-09, AWWA C550 y NFPA donde la aplicación lo requiera.
Para el diseño de tanques de lodos, esa capacidad significa la cadena completa desde el balance de masa hasta el anclaje: el revestimiento de esmalte con su registro de prueba de chispa, el espesor de los paneles y el programa de torque de los pernos, el techo y el límite de gas, y el anillo de refuerzo y los casos de levantamiento calculados en conjunto.
Preguntas frecuentes
P1: ¿En qué debe basarse el volumen de diseño?
R1: En un balance de masa de sólidos secos: los sólidos secos diarios divididos por la concentración almacenada, multiplicado por los días de retención, más el borde libre para sedimentos y espuma. Las cifras de caudal no son fiables para un fluido no newtoniano.
P2: ¿Cómo se elige la relación diámetro-altura?
R2: A partir del gráfico, la succión de la bomba y el alcance de la agitación. Una relación cercana a 1,0 es un buen valor por defecto para un tanque circular atornillado, con un tanque ancho y poco profundo cuando hay espacio disponible en el suelo y una envolvente más alta cuando no lo hay.
P3: ¿El espesor de la pared de la envolvente de un tanque atornillado es el mismo en toda su altura?
R3: A menudo sí para un cilindro atornillado, lo que supone una ventaja práctica para los repuestos, pudiendo las hiladas superiores cambiar de perfil. Una envolvente soldada normalmente se adelgaza hacia la parte superior. Especifique el espesor del panel por hilada en el diseño.
P4: ¿Cuándo se necesita aislamiento en un tanque de lodos?
A4: Siempre que el lodo deba mantenerse por encima de una temperatura bombeable durante un período frío. Aísle con un sellado de vapor, porque una capa de aislamiento húmeda es peor que ninguna, y considere tanto el techo como la envolvente.
P5: ¿Necesita el tanque un techo hermético a los gases?
R5: Solo si el sitio requiere confinamiento o captura de gases. El lodo almacenado sigue generando sulfuro de hidrógeno y metano, por lo que el techo, la ventilación y el alivio deben dimensionarse para esa generación, sea cual sea el tipo de techo.
P6: ¿Cuál es el error de cimentación más común?
R6: La diferencia de asentamiento no controlada. Una viga anular dibujada como losa plana permite que la envolvente pierda su redondez, y el primer síntoma es una fuga en la junta de la hilada superior en el segundo invierno.
P7: ¿Cómo se maneja la sustentación por viento?
R7: Calcule la sustentación en condición vacía, no el caso de condición llena, y dimensione el anclaje embebido en la viga anular para ello. Luego, los paneles se erigen desde la viga anular verificando la redondez en cada hilada.
El diseño de un tanque de almacenamiento de lodos es una secuencia: el balance de masa establece el volumen, el terreno y la bomba establecen la relación, el diseño de los paneles establece la pared y la junta, el aislamiento y el techo responden a la temperatura y al gas, y el anillo de refuerzo y el anclaje lo mantienen todo unido. Siga la secuencia y el diseño será defendible; omita un paso y el fallo será una filtración en el curso superior tres inviernos después.
Envíenos la producción de sólidos secos, la concentración, los días de retención, el terreno y las condiciones del sitio, y le devolveremos el cálculo del volumen, la relación, los casos de pared y anclaje, y el paquete de documentación técnica.
Hable con un ingeniero
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