Sistemas de alivio de presión

Los equipos que componen una planta de proceso deben protegerse de sobrepresiones causadas por circunstancias anormales. Los elementos más comunes son Válvulas de seguridad y alivio: Válvulas que permanecen cerradas por acción de un resorte. Cuando la presión a la entrada vence la fuerza del resorte la válvula se abre descargando hacia un lugar seguro. Se calibran para que abran a la presión de diseño del recipiente que protegen Discos de ruptura: Elemento fusible que se instala en una boca del recipiente, calculado para que rompa a una presión algo menor que la que soporta el recipiente Válvulas de presión y vacío. Para protección de tanques atmosféricos. Poseen clapetas que abren a muy baja sobrepresión o vacío permitiendo aliviar gases o admitir aire en el tanque

Elementos de protección contra sobrepresiones Válvulas de seguridad y alivio Válvulas de presión y vacío Discos de ruptura

Código ASME: Obligatorio en USA Define algunos requerimientos de protección contra sobrepresiones Presión de operación: es la presión normal de trabajo del equipo. La que se obtiene del balance de masas Presión de operación: es la presión normal de trabajo del equipo. La que se obtiene del balance de masas Presión de diseño: Todos los procesos pueden tener fluctuaciones consideradas normales y para las que se desea que la planta continúe operando. Suele fijarse como un cierto % de la presión de operación (Por ejemplo 10% o 2 kg/cm2, lo que sea mayor) Presión de diseño: Todos los procesos pueden tener fluctuaciones consideradas normales y para las que se desea que la planta continúe operando. Suele fijarse como un cierto % de la presión de operación (Por ejemplo 10% o 2 kg/cm2, lo que sea mayor) Presión máxima admisible de trabajo (maximum allowable working pressure). La fija el diseñador mecánico. Puede ser algo mayor que la presión de diseño debido a la utilización de espesores standard de chapa Presión máxima admisible de trabajo (maximum allowable working pressure). La fija el diseñador mecánico. Puede ser algo mayor que la presión de diseño debido a la utilización de espesores standard de chapa Presión de prueba hidráulica: Por código= 1.3 x p. diseño Presión de prueba hidráulica: Por código= 1.3 x p. diseño

Diseño de un sistema de alivio de presiones Etapas Determinación del caudal a aliviar Determinación del caudal a aliviar Selección del tipo de dispositivo Selección del tipo de dispositivo Cálculo del área de alivio Cálculo del área de alivio Diseño del sistema de descarga a atmósfera Diseño del sistema de descarga a atmósfera

Determinación del caudal a aliviar

Hipótesis de contingencia única: Se deben analizar todas las hipótesis de contingencia y elegir la más crítica. Se supone que las contingencias no ocurren en forma simultánea Se excluyen las fallas latentes

Determinación del caudal a aliviar Caso de fuego externo

Aeroenfriadores: un caso complicado Mucha superficie expuesta al fuego, pero en el caso de los condensadores el volúmen líquido que contienen es pequeño. En ciertos casos puede que ese líquido, totalmente vaporizado sea un porcentaje pequeño del volumen de vapor del sistema. API 521 no da ninguna recomendación, pero sugiere analizar: Considerar como superficie mojada solo la superficie sin aletas Considerar como superficie mojada solo la superficie sin aletas Para condensadores tomar el 30% como superficie mojada Para condensadores tomar el 30% como superficie mojada Considerar reemplazar por en la fórmula de Q Considerar reemplazar por en la fórmula de Q Analizar instalar el equipo con pendiente para facilitar el drenaje Analizar instalar el equipo con pendiente para facilitar el drenaje API 521 ed 2007: considerarlo como piping API 521 ed 2007: considerarlo como piping

Determinación del caudal a aliviar Caso de fuego externo Una vez calculado el flujo de calor, se debe traducir en un caudal a aliviar Una vez calculado el flujo de calor, se debe traducir en un caudal a aliviar Si se trata de un fluido que se vaporiza W= Q/ l Si se trata de un fluido que se vaporiza W= Q/ l Líquidos: considerar la expansión térmica: gpm= B.Q/500.g.c Líquidos: considerar la expansión térmica: gpm= B.Q/500.g.c B= coef expansión cúbica por °F B= coef expansión cúbica por °F Q= BTU/h C= BTU/lb°F g= grav específica Fluido cerca del punto crítico Aproximación: tomar l= 50 BTU/lb cerca del punto crítico

Determinación del caudal a aliviar Caso de fuego externo La evaporación del líquido contenido en el recipiente es lo que permite evacuar el calor recibido La evaporación del líquido contenido en el recipiente es lo que permite evacuar el calor recibido En el caso de los recipientes que no contienen líquido, la falla se produce por alta temperatura del material. El único recurso es despresurizar el equipo para reducir la presión a la que está sometido y enfriar con agua externamente (recipientes con gas o fluidos supercríticos) En el caso de los recipientes que no contienen líquido, la falla se produce por alta temperatura del material. El único recurso es despresurizar el equipo para reducir la presión a la que está sometido y enfriar con agua externamente (recipientes con gas o fluidos supercríticos) Despresurización: Típicamente reducir la presión un 50% en 15 minutos Tener en cuenta la entrada de calor por el fuego, cambio de densidad del vapor durante la despresurización y flasheo de líquidos que pudieran estar en el sistema (usar módulo de Hysis)

Determinación del caudal a aliviar Expansión térmica de líquidos confinados (Ej tramos de cañerías que pueden quedar bloqueados llenos de líquidos) En general se pone una válvula de alivio de ¾” x 1”. En grandes pipelines estimar la entrada de calor y calcular el caudal a aliviar por dilatación térmica

Determinación del caudal a aliviar Condiciones de proceso

Limitadores de caudal (orificio de restricción) Caudal a través de un orificio líquidos A= área i 2 D= densidad (lb/ft3) W= lb/h ∆p= psi Ko= coef de orificio

Limitadores de caudal (orificio de restricción) Caudal a través de un orificio Gases o vapores

Limitadores de caudal (orificio de restricción)

Caudales a través de una válvula globo (valores en lb/h)

Determinación del caudal a aliviar Condiciones de proceso

Determinación del caudal a aliviar

Si fuera necesario modelar la rotura del tubo, el cálculo puede ser complejo. Se debe analizar la capacidad de las cañerías que conducen el fluido de baja presión para aliviar el caudal, teniendo en cuenta posibles efectos de vaporización, aceleración de líquido etc

Determinación del caudal a aliviar Explosiones: Explosiones: No se pueden aliviar con válvulas de seguridad. Instalar discos de ruptura, que aún no siempre son efectivos No se pueden aliviar con válvulas de seguridad. Instalar discos de ruptura, que aún no siempre son efectivos En caso de ser posible, aumentar la presión de diseño. En caso de ser posible, aumentar la presión de diseño. Típicamente para hidrocarburos, la presión durante una explosión aumenta 7 veces. Típicamente para hidrocarburos, la presión durante una explosión aumenta 7 veces. Si la explosión ocurre a presión atmosférica (ej flare KOD) llega a 7 bar(a). Si se diseña el equipo a 4.5 bar(g) en la explosión estaría por debajo de la presión de prueba hidráulica

Determinación del caudal a aliviar Vaporización súbita Vaporización súbita Ejemplo típico: Agua o hidrocarburos livianos en hot oil Ejemplo típico: Agua o hidrocarburos livianos en hot oil Es muy dificil prever. Lo mejor es cubrir con procedimientos operativos