Cálculo de presión en fondo de tanque: fundamentos y aplicaciones técnicas

El cálculo de presión en fondo de tanque es esencial para garantizar la integridad estructural. Este proceso determina la presión ejercida por el fluido almacenado en el tanque.

En este artículo, se explican fórmulas, variables y ejemplos prácticos para un cálculo preciso y seguro. Además, se presentan tablas con valores comunes y casos reales detallados.

• Calcular presión en fondo de tanque cilíndrico con agua a 10 metros de altura.
• Determinar presión en fondo de tanque con líquido de densidad 850 kg/m³ y altura 5 m.
• Ejemplo de cálculo de presión en fondo de tanque para almacenamiento de aceite.
• Presión hidrostática en fondo de tanque con mezcla de líquidos y diferentes densidades.

Tablas de valores comunes para cálculo de presión en fondo de tanque

Fórmulas fundamentales para el cálculo de presión en fondo de tanque

El cálculo de la presión en el fondo de un tanque se basa en la presión hidrostática generada por la columna de líquido. La fórmula básica es:

• P: Presión en el fondo del tanque (Pa o N/m²)
• ρ: Densidad del líquido (kg/m³)
• g: Aceleración debida a la gravedad (9.81 m/s²)
• h: Altura o profundidad del líquido (m)

Esta fórmula asume que el líquido está en reposo y que la presión atmosférica no se incluye, o se considera aparte si se requiere presión absoluta.

Para obtener la presión en kilopascales (kPa), se divide el resultado en pascales entre 1000:

En algunos casos, es útil expresar la presión en metros de columna de agua (mca), que es una unidad de presión relativa basada en la altura de una columna de agua:

Donde ρ/1000 es la densidad relativa del líquido respecto al agua.

Presión absoluta en fondo de tanque

Cuando se requiere la presión absoluta en el fondo del tanque, se debe sumar la presión atmosférica (P_atm):

• P_abs: Presión absoluta (Pa)
• P_atm: Presión atmosférica (aprox. 101325 Pa a nivel del mar)

Presión en tanques con líquidos múltiples

En tanques con varias capas de líquidos con diferentes densidades, la presión total en el fondo es la suma de las presiones generadas por cada capa:

• ρ_i: Densidad de la capa i
• h_i: Altura de la capa i

Presión en tanques con gases sobre el líquido

Si el tanque está presurizado con gas, la presión en el fondo será la suma de la presión del gas y la presión hidrostática:

• P_gas: Presión del gas sobre el líquido (Pa)

Variables y valores comunes en el cálculo de presión en fondo de tanque

• Densidad (ρ): Varía según el líquido. Agua dulce: 1000 kg/m³, agua de mar: 1025 kg/m³, aceite ligero: 850 kg/m³, mercurio: 13546 kg/m³.
• Altura (h): Depende del diseño del tanque y nivel de llenado. Comúnmente entre 1 y 20 metros en tanques industriales.
• Gravedad (g): Valor estándar 9.81 m/s², puede ajustarse según ubicación geográfica.
• Presión atmosférica (P_atm): Aproximadamente 101325 Pa a nivel del mar, varía con altitud y condiciones meteorológicas.
• Presión del gas (P_gas): En tanques presurizados, puede variar desde 0 (tanques abiertos) hasta varios cientos de kPa.

Ejemplos prácticos de cálculo de presión en fondo de tanque

Ejemplo 1: Presión en fondo de tanque cilíndrico con agua dulce

Un tanque cilíndrico vertical contiene agua dulce con una altura de 8 metros. Se desea calcular la presión hidrostática en el fondo del tanque.

• Densidad del agua (ρ) = 1000 kg/m³
• Altura del líquido (h) = 8 m
• Gravedad (g) = 9.81 m/s²

Aplicando la fórmula:

Convertimos a kPa:

Por lo tanto, la presión en el fondo del tanque es 78.48 kPa, equivalente a aproximadamente 7.99 mca.

Ejemplo 2: Presión en fondo de tanque con dos líquidos y presión de gas

Un tanque contiene dos líquidos: 3 metros de aceite ligero (densidad 850 kg/m³) sobre 5 metros de agua dulce (densidad 1000 kg/m³). Además, el tanque está presurizado con gas a 150 kPa. Calcular la presión total en el fondo del tanque.

• Altura aceite (h₁) = 3 m
• Densidad aceite (ρ₁) = 850 kg/m³
• Altura agua (h₂) = 5 m
• Densidad agua (ρ₂) = 1000 kg/m³
• Presión gas (P_gas) = 150 kPa = 150000 Pa
• Gravedad (g) = 9.81 m/s²

Calculamos la presión hidrostática de cada capa:

Sumamos las presiones hidrostáticas y la presión del gas:

Convertimos a kPa:

La presión total en el fondo del tanque es 224.05 kPa.

Consideraciones normativas y recomendaciones técnicas

El cálculo de presión en fondo de tanque debe cumplir con normativas internacionales como API 650 para tanques de almacenamiento, ASME BPVC para recipientes a presión y normas ISO relacionadas. Estas regulaciones establecen criterios para diseño, materiales y seguridad.

Es fundamental considerar factores adicionales como:

• Variaciones de temperatura que afectan densidad y presión.
• Presión atmosférica local y su influencia en presión absoluta.
• Presencia de gases o vapores que pueden incrementar la presión interna.
• Condiciones dinámicas, como oleaje o vibraciones en tanques marítimos.
• Corrosión y desgaste que pueden modificar la resistencia estructural.

Para cálculos avanzados, se recomienda el uso de software especializado que permita modelar condiciones reales y realizar análisis de tensiones y deformaciones.

Recursos externos para profundizar en el cálculo de presión en fondo de tanque

• American Petroleum Institute (API) – Normas y guías para diseño de tanques.
• ASME International – Código para recipientes a presión y tanques.
• ISO – Normas internacionales para almacenamiento y manejo de líquidos.
• Engineering Toolbox – Herramientas y tablas para presión hidrostática.

Resumen técnico y mejores prácticas

El cálculo de presión en fondo de tanque es un proceso fundamental para asegurar la seguridad y funcionalidad de sistemas de almacenamiento. La correcta aplicación de fórmulas, comprensión de variables y consideración de condiciones reales es indispensable para evitar fallas estructurales.

Se recomienda siempre validar los cálculos con normativas vigentes y realizar inspecciones periódicas para detectar posibles desviaciones o daños. La integración de tecnología y software especializado mejora la precisión y eficiencia en el diseño y mantenimiento de tanques.