Boil-Off Gas (BOG) y Aislamiento Térmico en Tanques Refrigerados – API 620 Apéndices Q y R

1. Introducción

El almacenamiento de gases licuados como el GNL, etano, propano o amoníaco exige un diseño especializado para manejar condiciones de baja y muy baja temperatura. Uno de los aspectos más críticos en este tipo de instalaciones es el Boil-Off Gas (BOG), que representa la cantidad de producto que se evapora diariamente debido al ingreso de calor al tanque. Minimizar este valor es clave para la eficiencia operativa y la seguridad del sistema.

Los Apéndices R y Q del estándar API 620 proporcionan los lineamientos técnicos para el diseño de tanques de almacenamiento a baja presión, aplicables según la temperatura del producto almacenado y el tipo de contención requerido.

2. Alcance del Apéndice R y del Apéndice Q

El Apéndice R aplica a tanques de almacenamiento a baja presión para productos refrigerados con temperaturas que van desde +40 °F hasta –60 °F (de +4 °C a –51 °C). Este tipo de tanque es común para productos como butano, isobutano o amoníaco, que requieren refrigeración moderada.

El Apéndice Q, por su parte, cubre tanques diseñados para almacenar gases licuados criogénicos con temperaturas de hasta –325 °F (–198 °C) según el diseño, como el GNL o el etileno. Este apéndice establece requisitos más estrictos para el diseño térmico, selección de materiales, configuración estructural y pruebas.

Ambos apéndices permiten establecer el marco normativo según el nivel de exigencia térmica del producto y determinan si el tanque puede ser de una sola pared con contención externa o de doble pared con contención secundaria integrada.

3. Productos, Temperaturas de Almacenamiento y Calor Latente

Los productos más comunes almacenados en tanques refrigerados tienen diferentes características térmicas, que influyen directamente en el diseño del aislamiento y el cálculo del BOG:

Los productos más comunes almacenados en tanques refrigerados tienen diferentes características térmicas, que influyen directamente en el diseño del aislamiento y el cálculo del BOG:

• GNL / Metano: –165 °C | Calor latente ≈ 510 kJ/kg

• Etano: –89 °C | Calor latente ≈ 360 kJ/kg

• Etileno: –104 °C | Calor latente ≈ 483 kJ/kg

• Propano / Propileno: –42 °C | Calor latente ≈ 428 kJ/kg

• Amoníaco: –33 °C | Calor latente ≈ 1370 kJ/kg

• Butano / Isobutano: –10 °C | Calor latente ≈ 380 kJ/kg

La selección del aislamiento se ajusta según la temperatura de almacenamiento y el calor latente, ya que estos determinan cuánta energía es necesaria para evaporar el producto.

4. ¿Qué es el Boil-Off Gas (BOG) y cómo se controla?

El Boil-Off Gas (BOG) es el gas que se evapora continuamente desde el líquido criogénico almacenado como consecuencia del ingreso de calor al tanque. Esta evaporación es inevitable debido a la diferencia térmica entre el entorno y el producto, pero su tasa debe controlarse cuidadosamente para evitar:

• Incrementos de presión interna no deseados

• Pérdida económica del producto

• Sobrecarga de los sistemas de recuperación o seguridad:

🔍 Factores que contribuyen al BOG:

• Transferencia de calor a través del fondo, las paredes y el techo del tanque

• Radiación solar, tanto en horas de sol como durante la noche por gradientes térmicos

• Conductividad térmica de los materiales aislantes utilizados

• Espesor y tipo de aislamiento en cada zona del tanque

• Presión de almacenamiento, que influye en la temperatura de ebullición del producto

🎯 Valor máximo permitido de BOG

Para propósitos de diseño térmico, la industria suele adoptar como referencia un BOG máximo de:

🔸 0.05% del volumen almacenado por día

Este valor se utiliza como criterio para dimensionar el aislamiento y minimizar la ganancia de calor. No obstante, en algunos proyectos específicos se permite un BOG de hasta 0.1%, dependiendo de:

• La capacidad de recuperación del sistema de vapores

• El tipo de producto

• Las condiciones climáticas o ubicación del tanque

El diseño del aislamiento en fondo, pared y techo se define precisamente para que el BOG estimado no supere este límite incluso en los días más calurosos del año, aplicando criterios similares a los usados en sistemas HVAC, como los definidos por la ASHRAE, para el cálculo de temperaturas superficiales bajo sol y sombra.

5. Cálculo del BOG

Se parte del análisis de transferencia de calor hacia el tanque:

Qtotal = Qpared + Qtecho + Qfondo​

Luego, se estima la masa de producto evaporado:

ṁ BOG = Qtotal / λ​​

Donde:

• Qtotal: calor total ingresado (kJ/h)

• λ: calor latente de vaporización del producto (kJ/kg)

• ṁ BOG​: tasa de evaporación (kg/h)

El cálculo se realiza para los días más calurosos del año, considerando:

• Radiación solar directa y por sombra

• Latitud del sitio (horas de sol)

• Temperatura del aire ambiente

• Propiedades superficiales del tanque (color, emisividad)

Se utilizan métodos de la ASHRAE para estimar la temperatura superficial de las paredes y techo del tanque bajo sol y sombra.

6. Configuración del Tanque, Contención y Uso de Tanques de Doble Pared

Los tanques para productos refrigerados pueden diseñarse con diferentes configuraciones estructurales y niveles de contención, en función de la temperatura del producto, los requisitos de seguridad, las condiciones del sitio y las normativas aplicables.

🧱 Tanques de pared simple

Se utilizan generalmente para productos menos criogénicos, como amoníaco o butano, cuya temperatura de almacenamiento está por encima de –60 °C. En estos casos, el aislamiento térmico se instala externamente y el tanque se complementa con cubetos de seguridad perimetrales para cumplir con los requisitos de contención secundaria.

🧱 Tanques de doble pared (acero–acero o acero–concreto)

Estos tanques se emplean para productos a muy baja temperatura, como el GNL, metano, etano o etileno, que requieren un diseño térmico más robusto. En este tipo de configuración:

• El tanque interno contiene el producto criogénico.

• El tanque externo proporciona contención secundaria en caso de fuga.

• Entre ambos se ubica el espacio anular, que generalmente tiene un ancho de 0.8 a 1.2 metros, y se define considerando:

  • El espesor del aislamiento térmico requerido

  • El espacio necesario para instalación y mantenimiento

  • Las deformaciones térmicas y estructurales esperadas

Este espacio anular se rellena con perlita expandida seca o puede ser inertizado con nitrógeno, mejorando así el aislamiento global y evitando la formación de humedad o hielo.

📌 ¿Cuándo se utilizan tanques de doble pared?

El uso de tanques de doble pared está justificado técnica y normativamente en los siguientes casos:

• Almacenamiento de productos criogénicos a temperaturas extremadamente bajas (–105 °C a –198 °C), donde se requiere cumplir con valores de BOG muy bajos.

• Requerimiento de contención secundaria integrada, en lugar de sistemas externos como cubetos o diques.

• Limitaciones de espacio en áreas urbanas, plantas compactas o terminales portuarias donde no es viable construir infraestructura adicional.

• Mejor comportamiento sísmico, especialmente en zonas de alta peligrosidad. El tanque externo, particularmente si es de concreto, ayuda a estabilizar la estructura ante solicitaciones dinámicas.

• Necesidad de inertización o control de condensación, gracias a un espacio anular controlado que mejora la seguridad térmica.

🔩 Tipos comunes de doble pared:

• Acero–acero: Ofrece mayor modularidad y rapidez de montaje. Ideal para proyectos donde la prefabricación y transporte son determinantes.

• Acero–concreto: Proporciona alta resistencia estructural, durabilidad y estabilidad térmica. Se utiliza en grandes terminales o sitios sísmicamente activos.

7. Aislamiento Térmico por Zona

🧱 Pared

Las paredes del tanque utilizan aislamiento resiliente tipo “blanketing” que permite absorber la expansión y contracción térmica del acero sin pérdida de rendimiento. En tanques de doble pared, el espacio anular puede rellenarse con perlita expandida seca, ideal por su baja conductividad térmica (~0.025 W/m·°K).

🧱 Fondo

Tanques de pared simple:

• Debajo de la pared: Se instala un bloque anular de concreto con perlita, foamglas o madera aislante.

• Zona central del fondo: Se colocan capas de aislamiento térmico (foamglas, lana mineral, etc.) directamente sobre la fundación, protegidas por una capa de arena seca o concreto.

Tanques de doble pared:

• Fondo del tanque interno: Misma configuración que un tanque de pared simple.

• Fondo del tanque externo:

o Puede apoyarse directamente sobre la losa de fundación, o

o Tener un sistema de aislamiento con:

§ Capa inferior: Concreto de nivelación

§ Capa intermedia: Aislamiento térmico (foamglas u otro aislamiento)

§ Capa superior: Concreto o arena seca.

Esta solución mejora el aislamiento sin comprometer la estabilidad estructural.

🧱 Techo

El techo se aísla desde el interior utilizando un techo suspendido, el cual cuelga de la estructura del tanque superior y soporta el aislamiento criogénico sin contacto directo con la radiación solar exterior. Esta solución evita cargas térmicas excesivas y protege el producto almacenado.

8. Tipos de Aislamiento Utilizados

• Perlita expandida: Para relleno anular, excelente comportamiento criogénico (~0.025 W/m· °K)

• Foamglas: Alta resistencia mecánica, buen aislamiento (~0.045 W/m·°K)

• Espumas rígidas (PUR/PIR): Usadas en capas intermedias, baja conductividad (~0.022–0.03 W/m·°K)

• Lana mineral: Para aislamiento general en zonas no criogénicas (~0.045 W/m·°K)

9. Conclusión

El cálculo del BOG y el diseño del aislamiento térmico en tanques refrigerados deben realizarse con precisión para garantizar la eficiencia y seguridad del sistema. La selección adecuada del tipo de tanque, la configuración de sus componentes estructurales y la combinación de materiales aislantes permite cumplir con los estrictos límites de evaporación diarios.

Los Apéndices Q y R del API 620 proporcionan la guía normativa esencial para alcanzar estos objetivos, mientras que herramientas como los modelos térmicos basados en ASHRAE aseguran un diseño robusto frente a las condiciones climáticas reales del sitio.

10. Referencias Técnicas

• API 620 – Design and Construction of Large, Welded, Low-Pressure Storage Tanks, American Petroleum Institute, última edición vigente.

• API 625 – Tank Systems for Refrigerated Liquefied Gas Storage.

• ASHRAE Handbook – Fundamentals.

• UNE-EN 14620 – Tanks for the Storage of Refrigerated Liquefied Gases.

• Sener Ingeniería y Sistemas – Estudios sobre diseño térmico en terminales de GNL.

• Thermophysical Properties of Chemicals and Hydrocarbons, Carl L. Yaws.

• Chart Industries Technical Papers.

• Linde Engineering – Cryogenic Storage Solutions.

• US DOE – Guidelines for LNG Systems.

11. Glosario de Términos

• BOG (Boil-Off Gas): Gas evaporado del líquido criogénico debido a ingreso de calor.

• Calor latente de vaporización (λ): Energía requerida para evaporar 1 kg de líquido sin aumentar temperatura.

• Contención secundaria: Barrera estructural adicional para evitar fugas.

• Tanque de doble pared: Configuración con un tanque interno y otro externo.

• Espacio anular: Área entre paredes interna y externa, usualmente con aislamiento.

• Perlita expandida: Aislante granular de muy baja conductividad (~0.025 W/m·K).

• Foamglas: Vidrio celular aislante y resistente.

• PUR/PIR: Espumas rígidas de poliuretano o poliisocianurato.

• Temperatura sol-aire: Temperatura efectiva considerando radiación solar y ambiente.

• Techo suspendido: Techo interior que cuelga del tanque y sostiene el aislamiento.

• Apéndice R (API 620): Para tanques entre +4 °C y –51 °C.

• Apéndice Q (API 620): Para tanques hasta –198 °C.