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 Discos de ruptura Válvulas de seguridad y alivio Válvulas de presión y vacío

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 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 de prueba hidráulica: Por código= 1.3 x p. diseño

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

Determinación del caudal a aliviar

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

Determinación del caudal a aliviar Caso de fuego externo

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 Para condensadores tomar el 30% como superficie mojada Considerar reemplazar 21000 por 12000 en la fórmula de Q Analizar instalar el equipo con pendiente para facilitar el drenaje 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 Si se trata de un fluido que se vaporiza W= Q/l Líquidos: considerar la expansión térmica: gpm= B.Q/500.g.c 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(API 521 3.15.3.1)

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 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

Determinación del caudal a aliviar Condiciones de proceso

Determinación del caudal a aliviar Condiciones de proceso

Determinación del caudal a aliviar Condiciones de proceso

Limitadores de caudal (orificio de restricción) A= área i2 D= densidad (lb/ft3) W= lb/h ∆p= psi Ko= coef de orificio Caudal a través de un orificio líquidos

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 Condiciones de proceso

Determinación del caudal a aliviar Condiciones de proceso

Determinación del caudal a aliviar Condiciones de proceso

Determinación del caudal a aliviar Condiciones de proceso

Determinación del caudal a aliviar Condiciones de proceso

Determinación del caudal a aliviar Condiciones de proceso

Determinación del caudal a aliviar

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: 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. 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 Ejemplo típico: Agua o hidrocarburos livianos en hot oil Es muy dificil prever. Lo mejor es cubrir con procedimientos operativos

Selección del dispositivo de alivio

Selección del dispositivo de alivio Válvulas de seguridad (gases o vapores) Válvulas de alivio (líquidos) y alivio (gases o líquidos)

Selección del dispositivo de alivio Válvulas de seguridad (gases o vapores) Acción “pop”: abren totalmente cuando se alcanza la presión de set y permanecen abiertas por un efecto dinámico originado en el cambio de dirección del fluido a alta velocidad en la hudding chamber. Ese efecto da origen al blowdown (una vez que el fluido comenzó a descargar se requiere que la presión disminuya por debajo de la presión de set para que la válvula cierre

Selección del dispositivo de alivio Válvulas de alivio (líquidos) Comienzan a abrir cuando se alcanza la presión de set y alcanzan su máxima apertura para una acumulación igual al 10% de la presión de set

Selección del dispositivo de alivio Válvulas de seguridad y alivio : Pueden usarse para cualquiera de las dos funciones gracias a la presencia de un anillo de blowdown que penetra dentro de la hudding chamber. En la posición superior actúa como válvula de seguridad y en la posición inferior como válvula de alivio

Selección del dispositivo Válvula operada por piloto Ventajas Hasta alcanzar la presión de set, la fuerza de cierre aumenta con la presión Independiente de la contrapresión Se puede automatizar para que funcione como válvula telecomandada Inconvenientes Posibilidad que se tape El O ring es un elemento delicado

Selección del dispositivo de alivio Descarga de gas a través de una tobera Las válvulas de seguridad trabajan en régimen crítico. El caudal depende de la presión del recipiente y del área de la tobera y es independiente de la contrapresión, pero la contrapresión juega un papel importante en la apertura de la válvula

Selección del dispositivo de alivio Contrapresión: Causada por la caída de presión del gas en el colector. Contrapresión propia (built up backpressure): Causada por la descarga de la propia válvula. No existe si la válvula está cerrada. Contrapresión sobreimpuesta (superimposed backpressure): causada por las descargas de otras válvulas

Selección del dispositivo Efecto de la contrapresión La fuerza sobre el disco en una válvula convencional se ve afectada por la contrapresión. La contrapresión tiende a cerrar la válvula En una válvula de fuelle balanceada la contrapresión actúa sobre igual superficie en ambas caras del disco

Selección del dispositivo no balanceada balanceada

Selección del dispositivo Efecto del chattering en válvulas no balanceadas Válvulas no balanceadas no pueden usarse cuando la contrapresión propia es más del 10% de la presión de set

Selección del dispositivo Chattering por alta caída de presión en la línea de entrada

Selección del dispositivo Efecto de la contrapresión sobreimpuesta sobre una válvula convencional Se debe corregir la tensión del resorte Si la contrapresión sobreimpuesta es variable, la válvula convencional no se puede usar

Selección del dispositivo Ventajas del fuelle No tiene la limitación del 10% de contrapresión propia. Teóricamente se puede usar hasta 50% de sobrepresión, aunque es aconsejable no más de 30% No hace falta corregir la tensión del resorte para contrapresión sobreimpuesta Abre siempre a la misma presión Inconvenientes El fuelle es un elemento delicado. Si se rompe el fuelle la válvula deja de ser balanceada El fuelle debe estar venteado a la atmósfera. Peligroso si es un gas tóxico en caso de rotura del fuelle

Selección del dispositivo Discos de ruptura Ventajas Pueden construirse en materiales resistentes a la corrosión Gran capacidad Bajo costo Inconvenientes Pérdida del inventario y parada de la planta Requiere mayor margen entre presión de operación y de rotura

Selección del dispositivo Discos de ruptura Presión de rotura especificada: la solicitada por el comprador Presión de rotura estampada: La presión a la que el disco rompe según ensayos realizados. Puede ser mayor o menor que la especificada, pero debe encontrarse dentro del rango de fabricación indicado por el fabricante Rango de fabricación: Es el rango de presiones dentro del cual el disco puede ser estampado. Normalmente el fabricante indica un rango en más y en menos con respecto al valor de la presión especificada Tolerancia a la rotura: es la variación alrededor de la presión marcada dentro de la que el disco puede romper Relación de operación: cociente entre la máxima presión operativa y la presión de rotura estampada. La sugiere el fabricante

Selección del dispositivo Discos de ruptura

Forma de especificar

Selección del dispositivo Tipos de discos

Selección del dispositivo Combinación disco válvula

Cálculo del área de alivio

Cálculo del área de alivio de la PSV ´Las válvulas de seguridad pueden calcularse asumiendo una evolución isoentrópica en la tobera

Cuando un fluido se expande isoentropicamente desde una presión p1 hasta p2 sin realizar trabajo, la expansion cumple con o bien esta expresión da la velocidad másica a lo largo de la evolución

Se puede calcular a lo largo de la expansión el valor de v (velocidad) y el valor de G (veloc másica) Se observa que la función G vs p2 pasa por un máximo y luego se reduce a pesar que aumente la velocidad Esto implica que el área del conducto debe pasar por un mínimo para mantener isoentrópico el flujo. Es decir que se requiere una tobera convergente divergente

la tobera de la válvula de seguridad es solo convergente de modo que ena vez alcanzado el G maximo en la garganta, la presión cae bruscamente hasta el valor de la presión de salida En la garganta se establece una presión distinta a la de salida de la válvula

Si la presión de descarga de una válvula de seguridad es lo suficientemente alta como para que no se alcance este valor de Gmax, la presión en la garganta será igual a la presión de descarga. Pero si la presión en la descarga es inferior a la que provoca el Gmax, la expansión isoentrópica llega hasta la garganta con una presión mayor que la de descarga, y luego el fluido disminuye bruscamente la presión a la salida con una onda de choque altamente irreversible.

Cálculo del área de alivio de la PSV La integral se debe calcular siguiendo una isoentrópica El punto 2 corresponde a las condiciones en la garganta de la tobera

Es decir que la presión en la garganta siempre será la que provoque el máximo G siguiendo una expansión isoentrópica hasta la presión de descarga. Si la presión de descarga es menor que la presión correspondiente al máximo G, esa parte de la evolución no tiene lugar ya que se necesitaría una tobera convergente divergente. Como la tobera solo tiene la sección convergente, se produce la onda de choque desde la presión de garganta hasta la presión de descarga.

El método entonces consiste en ir calculando para valores decrecientes de p2 el valor de la integral Si se llega a p2 sin haber alcanzado un máximo, esa será la presión de garganta. Si antes de llegar a p2 alcanzamos un máximo esa será la presión de garganta

Como calcular la integral? La integral se puede calcular con ayuda de un simulador. Por ejemplo Hysis. En Hysis no existe un bloque de tobera isoentrópica, pero sí existe una turbina isoentrópica Comparando ambos procesos y planteando el balance de energía mecánica para una evolución sin fricción ni variación de altura

Es decir que el trabajo por unidad de masa en una turbina isoentrópica es igual a la energía cinética que tendría un fluido a la salida de una tobera isoentrópica evolucionando entre las mismas presiones

Para cada presión intermedia pi se puede calcular El valor de presión pi que hace máximo Gi corresponde a las condiciones de garganta Una vez calculado el Gmax se puede calcular el area de la tobera en la sección de garganta como A= W/Gmax Siendo W el caudal másico que se quiere descargar

El área así calculada es un área correspondiente a una tobera ideal El área así calculada es un área correspondiente a una tobera ideal. Deben aplicarse algunos factores de corrección que se encuentran en la norma API 520 y que veremos más adelante. Es importante notar que este cálculo es totalmente independiente de si el fluido es un gas, un líquido, una mezcla de ambos o un líquido que va flasheando a medida que se expansiona en la tobera En el caso de gases, es posible deducir teóricamente las ecuaciones de expansión en una tobera isoentrópica combinando la ecuación de la evolución isoentrópica y obtener en forma analítica la velocidad de flujo másico en la garganta

la ecuación anterior es válida cuando la función G pasa por un máximo, es decir cuando en la garganta se alcanza el flujo crítico. Es posible demostrar que en estas condiciones la presión en la garganta vale por lo tanto, se puede calcular esta presión, y si resulta que p2<p2c se tendrá flujo crítico en la garganta y una expansión irreversible a la salida hasta alcanzar p2

Vale decir que en el caso de gases no hace falta calcular la curva de expansión ya que es posible calcular directamente las condiciones en la garganta y la fórmula para el cálculo del área de la garganta, suponiendo una tobera ideal en flujo crítico queda

Si resulta que p2 es mayor que p2c, la presión en la garganta será p2 y entonces podemos calcular

En el caso de un fluido incompresible, como es el caso de un líquido que no flashea, las ecuaciones resultan aún más sencillas, dado que la ecuación si  es constante se reduce a

Vale decir que para gases y líquidos se dispone de fórmulas analíticas que evitan el cálculo de la evolución isoentrópica a lo largo de la tobera. Si bien ese método es totalmente general, sólo tiene sentido utilizarlo en los casos en que haya flujo bifásico. Por ejemplo: -Una mezcla bifásica ingresando a la PSV -Un líquido que flashea dentro de la PSV -Un fluido supercrítico que condensa en la PSV

Cálculo del área de alivio de la PSV Formulas del API 520 A= mm2 Kd=Coef de descarga . Típico: 0.975 para válvulas 0.62 para disco ruptura p1= Kpa abs T= Kelvin W= kg/h V= Nm3/min (15°C y 1 atm) Kb= corrección por backpressure (valvulas de fuelle balanceado) Kc= corrección si se instala PRV + disco de ruptura (= 0.9, si no =1)

Cálculo del área de alivio de la PSV En una válvula balanceada, si la contrapresión es grande, también aparecen fuerzas no balanceadas que pueden limitar el recorrido del disco, y esto tiene un efecto sobre la capacidad. Se debe corregir el caudal en función de la contrapresión con un coeficiente Kb

Cálculo del área de alivio de la PSV A= mm2 Kd=Coef de descarga . Típico: 0.975 para válvulas 0.62 para disco ruptura p1= Kpa abs T= Kelvin W= kg/h V= Nm3/min (15°C y 1 atm) Kc= corrección si se instala PRV + disco de ruptura (= 0.9, si no =1)

Cálculo del área de alivio de la PSV Líquidos: Kd= Coef. de descarga. Como valor preliminar tomar 0.65 para PRV o 0.62 para disco rupt. Actualmente el Código ASME VIII Div 1 requiere un ensayo certificado p1: Presión de set + acumulación (Kpag) P2: backpressure (Kpag) G= Gravedad específica Q= litros/min Kc= 1 si sólo se instala la válvula 0.9 si se instala en combinación con disco de ruptura

Cálculo del área de alivio de la PSV Líquidos (continuación) Kw= Corrección por backpressure (solo para válvulas de fuelle balanceadas)

Cálculo del área de alivio de la PSV Líquidos (continuación) Si no se requiere certificación de Kd El efecto de la sobrepresión sobre el coeficiente de descarga se incluye en el coeficiente Kp P es la presión de set (sin incluir acumulación)

Cálculo del área de alivio de la PSV Orificios normalizados D 0.11 i2 Q 11.05 i2 E 0.196 i2 R 16 i2 F 0.307 i2 T 26 i2 G 0.503 i2 H 0.785 i2 J 1.33 i2 K 1.83 i2 L 2.85 i2 M 3.6 i2 N 4.34 i2 P 6.38 i2 Un mismo tamaño de cuerpo puede tener varios tamaños de orificio Seleccionar de catálogo según el rating de la brida de entrada Designación: Ej: 2E6

Diseño del sistema de descarga a la atmósfera

Diseño del sistema de descarga a la atmósfera Evaluar el caudal máximo (simultaneidad) Casos: Falla de utilities: complejo de analizar. Puede afectar a todo el establecimiento industrial. (Corte total o parcial de energía o agua de enfriamiento) Incendio: Considerar la máxima simultaneidad. En ausencia de otra información, se considera que el área afectada por el incendio se limita a una superficie de 230 a 460 m2 (API Std 521 Ed 2007 Secc 7.1.2)

Diseño del sistema de descarga a la atmósfera Descarga directa a la atmósfera Cuando no existe un sistema de flare (ej: gasoductos, plantas de almacenaje de LPG) Potenciales problemas a analizar: No formar mezclas inflamables a nivel de suelo.(analizar con modelos de dispersión o con gráficos del API 521.) Se requiere una buena velocidad en la descarga. En caso de ser necesario, agregar válvulas de seguridad escalonadas para manejar descargas pequeñas) No superar niveles de toxicidad a nivel de suelo (ej gases con SH2) Analizar con modelos de dispersión. En caso de ignición, no superar niveles admisibles de radiación

Diseño del sistema de descarga a la atmósfera Antorchas elevadas Permiten la combustión en forma segura, con bajos niveles de radiación Tipos constructivos

Diseño del sistema de descarga a la atmósfera Antorchas elevadas Humo: por combustión incompleta. Se elimina inyectando fluidos que promuevan turbulencia (vapor o aire)

Diseño del sistema de descarga a la atmósfera Métodos para evitar el retroceso de llama Sellos líquidos Ventajas: Mantiene presurizado el header Permite dirigir descargas a distintos sistemas según presión Reduce el consumo de N2 de purga en la puesta en marcha

Diseño del sistema de descarga a la atmósfera Métodos para evitar el retroceso de llama Gas de purga API 521: El gas de purga debe permitir reducir la concentración de O2 a un 6% a una altura de 25 ft por debajo del tip Q(Sm3/h)= 31.25.D3.46.Σxi0.65.Ki xi= fracción molar del componente i Valores de Ki H2: +5.783 C2H6: -1.067 He: +5.078 CO2 : -2.651 CH4: +2.328 C3H8: -2.651 N2: +1.067 (sin viento) C4+: -6.586 N2:+ 1.707 con viento

Diseño del sistema de descarga a la atmósfera Métodos para evitar el retroceso de llama Sellos moleculares y sellos dinámicos Permiten reducir el caudal de gas de purga Sin sello: Velocidad de gas de purga: 0.2 a 0.5 fps Con sello: 0.01 a 0.04 fps Fórmula de TOTAL Sin sello: Sm3/h = 24000D3.MW-0565 Con sello: Sm3/h=12000D3.MW-0565 D en metros (valores mucho mayores)

Diseño del sistema de descarga a la atmósfera

Diseño del sistema de descarga a la atmósfera Cálculo de la intensidad de radiación sobre un determinado punto del suelo API RP 521 cubre el diseño de antorchas subsónicas. Se admite una velocidad en la descarga que produzca un número de Mach entre 0.2 y 0.5 Para antorchas sónicas consultar al proveedor

Diseño del sistema de descarga a la atmósfera Antorchas : Longitud de llama vs calor liberado 1: fuel gas 2: gas de pozo 3:gas reciclo de reforming catalitico 4: efluente reactor reforming catalítico 5: unidad deshidrogenación 6, 7 : H2 Y = Long de llama en metros X= calor liberado watts

Diseño del sistema de descarga a la atmósfera

Diseño del sistema de descarga a la atmósfera Cálculo de la intensidad de radiación sobre un determinado punto del suelo Q= Energía liberada KW D= Distancia al epicentro (m) F= Fracción de calor irradiado K= intensidad (KW/m2) τ = Fracción transmitida a través de la atmósfera

Diseño del sistema de descarga a la atmósfera Distorsión de la llama por el viento

Diseño del sistema de descarga a la atmósfera Knock out drum Objeto: Separar líquidos Las cañerías deben tener pendiente hacia él. De no ser posible hay que instalar otros en puntos intermedios con sus correspondientes sistemas de bombeo Diseñar como separador para eliminar gotas de 300 micrones según el método del API 521 Prever adecuada capacidad de bombeo. Tener cuidado con la posibilidadde descarga de líquidos fríos que podrían flashear en la bomba

Diseño del sistema de descarga a la atmósfera Diseño de colectores (descarga subsónica) Componer el mapa de caudales para cada escenario Adoptar velocidad de descarga Ma= 0.2 Comenzando desde la punta del flare a presión atmosférica ir calculando hacia arriba, verificar que no se exceda la máxima contrapresión en ninguna válvula ni se exceda el rating de las bridas