clase teorica sistemas de alivio de presion

Sistemas de alivio de Sistemas de alivio de presiónpresión

Los equipos que componen una planta de proceso Los equipos que componen una planta de proceso deben protegerse de sobrepresiones causadas por deben protegerse de sobrepresiones causadas por

circunstancias anormales. 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 Elementos de protección contra sobrepresionessobrepresiones

Válvulas de seguridad y alivio Válvulas de presión y vacío

Discos de ruptura

Código ASME: Obligatorio en USACódigo ASME: Obligatorio en USADefine algunos requerimientos de protección contra sobrepresionesDefine algunos requerimientos de protección contra sobrepresiones

Presión de operación: es la presión normal de trabajo del equipo. La que se Presión de operación: es la presión normal de trabajo del equipo. La que se obtiene del balance de masasobtiene del balance de masas

Presión de diseño: Todos los procesos pueden tener fluctuaciones Presión de diseño: Todos los procesos pueden tener fluctuaciones consideradas normales y para las que se desea que la planta continúe consideradas normales y para las que se desea que la planta continúe operando. Suele fijarse como un cierto % de la presión de operación (Por operando. Suele fijarse como un cierto % de la presión de operación (Por ejemplo 10% o 2 kg/cm2 , lo que sea mayor)ejemplo 10% o 2 kg/cm2 , lo que sea mayor)

Presión máxima admisible de trabajo (maximum allowable working Presión máxima admisible de trabajo (maximum allowable working pressure). La fija el diseñador mecánico. Puede ser algo mayor que la pressure). La fija el diseñador mecánico. Puede ser algo mayor que la presión de diseño debido a la utilización de espesores standard de chapapresión de diseño debido a la utilización de espesores standard de chapa

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

DiseDiseño de un sistema de alivio de presionesño de un sistema de alivio de presiones

EtapasEtapas Determinación del caudal a aliviarDeterminación del caudal a aliviar Selección del tipo de dispositivoSelección del tipo de dispositivo Cálculo del área de alivioCálculo del área de alivio Diseño del sistema de descarga a atmósferaDiseño del sistema de descarga a atmósfera

Determinación del caudal Determinación del caudal a aliviara aliviar

Determinación del caudal a aliviarDeterminación del caudal a aliviar

Hipótesis de contingencia única:Hipótesis de contingencia única:

Se deben analizar todas las hipótesis de Se deben analizar todas las hipótesis de contingencia y elegir la más crítica. Se supone contingencia y elegir la más crítica. Se supone que las contingencias no ocurren en forma que las contingencias no ocurren en forma simultáneasimultánea

Se excluyen las fallas latentesSe excluyen las fallas latentes

Determinación del caudal a aliviarDeterminación del caudal a aliviarCaso de fuego externoCaso de fuego externo

Determinación del caudal a aliviarDeterminación del caudal a aliviar Caso de fuego externo Caso de fuego externo


Aeroenfriadores: un caso complicadoAeroenfriadores: un caso complicado Mucha superficie expuesta al fuego, pero en el caso de los Mucha superficie expuesta al fuego, pero en el caso de los

condensadores el volúmen líquido que contienen es pequeño. En condensadores el volúmen líquido que contienen es pequeño. En ciertos casos puede que ese líquido, totalmente vaporizado sea ciertos casos puede que ese líquido, totalmente vaporizado sea un porcentaje pequeño del volumen de vapor del sistema.un porcentaje pequeño del volumen de vapor del sistema.

API 521 no da ninguna recomendación, pero sugiere analizar:API 521 no da ninguna recomendación, pero sugiere analizar: Considerar como superficie mojada solo la superficie sin aletasConsiderar como superficie mojada solo la superficie sin aletas Para condensadores tomar el 30% como superficie mojadaPara condensadores tomar el 30% como superficie mojada Considerar reemplazar 21000 por 12000 en la fórmula de QConsiderar reemplazar 21000 por 12000 en la fórmula de Q Analizar instalar el equipo con pendiente para facilitar el drenajeAnalizar instalar el equipo con pendiente para facilitar el drenaje API 521 ed 2007: considerarlo como pipingAPI 521 ed 2007: considerarlo como piping


Una vez calculado el flujo de calor, se debe traducir en un caudal a aliviarUna 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/Si se trata de un fluido que se vaporiza W= Q/ll Líquidos: considerar la expansión térmica: gpm= B.Q/500.g.cLíquidos: considerar la expansión térmica: gpm= B.Q/500.g.c B= coef expansión cúbica por °FB= coef expansión cúbica por °F

Q= BTU/hQ= BTU/h

C= BTU/lb°FC= BTU/lb°F

g= grav específicag= grav específica

Fluido cerca del punto crítico

Aproximación: tomar l= 50 BTU/lb cerca del punto crítico(API 521 3.15.3.1)


La evaporación del líquido contenido en el recipiente es lo que permite La evaporación del líquido contenido en el recipiente es lo que permite evacuar el calor recibidoevacuar el calor recibido

En el caso de los recipientes que no contienen líquido, la falla se produce 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 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 equipo para reducir la presión a la que está sometido y enfriar con agua externamente (recipientes con gas o fluidos supercríticos)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)


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 aliviarDeterminación del caudal a aliviar Condiciones de proceso Condiciones de proceso

Limitadores de caudal (orificio de restricción)Limitadores de caudal (orificio de restricción)

W=2140.Ko.A. Δp.D

Caudal a través de un orificio

líquidos

A= área i2

D= densidad (lb/ft3)

W= lb/h

∆p= psi

Ko= coef de orificio


Caudal a través de un orificioCaudal a través de un orificio

Gases o vapores Gases o vapores 1 1

12.Ko.A.p1.λW=Ko.A.λ. p .D =

R.T

12 /

2 2

1 1

k

k-12 2crit 1 2crit

1544

24061

2si p <p =p usar p para el calculo de

k+1

kk

k

RM

p pk

k p p

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

VAPOR AIRE O N2 Presión de entrada(psig)

11 165 495 82.5 110 137.5

Tamaño ½” 213 1400 3860 1240 1590 1940 ¾” 373 2460 6760 2170 2780 3400 1” 604 3990 11000 3520 4510 5510 1 ½” 1420 9390 25800 8290 10600 13000 2” 2350 15500 42600 13700 17500 21400 3” 5170 34100 93800 38600 38600 47100

AGUA ∆p a través de la válvula (psi)

55 82.5 110

½” 21500 26300 30300 ¾” 37600 46100 53200 1” 61000 74700 86300 1 ½” 144000 176000 203000 2” 237000 210000 33500 3” 522000 639000 73800

Determinación del caudal a aliviarDeterminación del caudal a aliviar Condiciones de proceso Condiciones de proceso


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


Explosiones:Explosiones:

No se pueden aliviar con válvulas de seguridad. Instalar discos No se pueden aliviar con válvulas de seguridad. Instalar discos de ruptura, que aún no siempre son efectivosde 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 Típicamente para hidrocarburos, la presión durante una

explosión aumenta 7 veces. explosión aumenta 7 veces. Si la explosión ocurre a presión atmosférica (ej flare KOD) llega 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 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 hidráulicaestaría por debajo de la presión de prueba hidráulica


Vaporización súbitaVaporización súbita

Ejemplo típico: Agua o hidrocarburos livianos en hot oilEjemplo típico: Agua o hidrocarburos livianos en hot oil

Es muy dificil prever. Lo mejor es cubrir con procedimientos operativos

SelecciSelección del ón del

dispositivo de aliviodispositivo de alivio

Selección del dispositivo de alivioSelección del dispositivo de alivio

Válvulas de seguridadVálvulas de seguridad (gases o vapores)(gases o vapores)

Válvulas de alivioVálvulas de alivio (líquidos)(líquidos)

Válvulas de seguridad Válvulas de seguridad y alivio (gases o líquidos)y alivio (gases o líquidos)

Selección del dispositivo de alivioSelección del dispositivo de alivioVálvulas 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


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


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 dispositivoSelección del dispositivo

Válvula operada por pilotoVentajas

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


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


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


Efecto de la contrapresiónEfecto 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


no balanceada balanceada

Selección del dispositivoSelección del dispositivo Efecto del chattering en válvulas no balanceadasEfecto 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


Chattering por alta caída de presión en la línea de entrada


Efecto de la contrapresión sobreimpuesta sobre una válvula convencionalEfecto 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


Ventajas del fuelleVentajas del fuelle No tiene la limitación del 10% de contrapresión propia. No tiene la limitación del 10% de contrapresión propia.

Teóricamente se puede usar hasta 50% de sobrepresión, Teóricamente se puede usar hasta 50% de sobrepresión, aunque es aconsejable no más de 30%aunque es aconsejable no más de 30%

No hace falta corregir la tensión del resorte para contrapresión No hace falta corregir la tensión del resorte para contrapresión sobreimpuestasobreimpuesta

Abre siempre a la misma presiónAbre siempre a la misma presiónInconvenientesInconvenientes El fuelle es un elemento delicado. Si se rompe el fuelle la El fuelle es un elemento delicado. Si se rompe el fuelle la

válvula deja de ser balanceadaválvula deja de ser balanceada El fuelle debe estar venteado a la atmósfera. Peligroso si es un El fuelle debe estar venteado a la atmósfera. Peligroso si es un

gas tóxico en caso de rotura del fuellegas tóxico en caso de rotura del fuelle


Discos de rupturaDiscos de ruptura

VentajasVentajas Pueden construirse en materiales resistentes a la corrosiónPueden construirse en materiales resistentes a la corrosión Gran capacidadGran capacidad Bajo costoBajo costo

InconvenientesInconvenientes Pérdida del inventario y parada de la plantaPérdida del inventario y parada de la planta Requiere mayor margen entre presión de operación y de roturaRequiere mayor margen entre presión de operación y de rotura

Selección del dispositivoSelección del dispositivo Discos de rupturaDiscos de ruptura

Presión de rotura especificada: la solicitada por el compradorPresión de rotura especificada: la solicitada por el comprador Presión de rotura estampada: La presión a la que el disco rompe según Presión de rotura estampada: La presión a la que el disco rompe según

ensayos realizados. Puede ser mayor o menor que la especificada, pero ensayos realizados. Puede ser mayor o menor que la especificada, pero debe encontrarse dentro del rango de fabricación indicado por el fabricantedebe encontrarse dentro del rango de fabricación indicado por el fabricante

Rango de fabricación: Es el rango de presiones dentro del cual el disco 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 puede ser estampado. Normalmente el fabricante indica un rango en más y en menos con respecto al valor de la presión especificadaen menos con respecto al valor de la presión especificada

Tolerancia a la rotura: es la variación alrededor de la presión marcada Tolerancia a la rotura: es la variación alrededor de la presión marcada dentro de la que el disco puede romperdentro de la que el disco puede romper

Relación de operación: cociente entre la máxima presión operativa y la Relación de operación: cociente entre la máxima presión operativa y la presión de rotura estampada. La sugiere el fabricantepresión de rotura estampada. La sugiere el fabricante

Selección del dispositivoSelección del dispositivoDiscos de ruptura

Forma de especificarForma de especificar

Selección del dispositivoSelección del dispositivoTipos de discos

Selección del dispositivoSelección del dispositivo Combinación disco Combinación disco

válvulaválvula

Cálculo del área de alivioCálculo del área de alivio

Cálculo del área de alivio de la PSVCálculo del área de alivio de la PSV

´Las válvulas de seguridad pueden ´Las válvulas de seguridad pueden calcularse asumiendo una evolución calcularse asumiendo una evolución isoentrópica en la toberaisoentrópica en la tobera

2 2 p22 1p1

22

2 2 2

2

2p

2

Balance de cantidad de movimiento

v -vg.Δz .dp + F + W=0

2v= velocidad vol.especifico

en una tobera sin friccion (isoentropica)

v1=0 z=0 W=0 F=0

W.Wv =

A .ρ A

W.1

2 A

v

v

v

vv

p2

1

1/2p2

p1

2 2

.dp

2. .dpW

A

v

v

Cuando un fluido se expande isoentropicamente desde una presión p1 Cuando un fluido se expande isoentropicamente desde una presión p1 hasta p2 sin realizar trabajo, la expansion cumple conhasta p2 sin realizar trabajo, la expansion cumple con

1/ 2p222 p1

2

W.v 2. .dp

A

vv

1/ 2p22

p12 2

v W2. .dp

. A v

v

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 Se puede calcular a lo largo de la expansión el valor de v (velocidad) y el valor de G (veloc másica)(velocidad) y el valor de G (veloc másica)

Se observa que la función G vs p2 pasa por un máximo y Se observa que la función G vs p2 pasa por un máximo y luego se reduce a pesar que aumente la velocidadluego se reduce a pesar que aumente la velocidad

Esto implica que el área del conducto debe pasar por un Esto implica que el área del conducto debe pasar por un mínimo para mantener isoentrópico el flujo.mínimo para mantener isoentrópico el flujo.

Es decir que se requiere una tobera convergente divergenteEs decir que se requiere una tobera convergente divergente

la tobera de la válvula de seguridad es solo convergente de la tobera de la válvula de seguridad es solo convergente de modo que ena vez alcanzado el G maximo en la garganta, la modo que ena vez alcanzado el G maximo en la garganta, la presión cae bruscamente hasta el valor de la presión de salidapresión cae bruscamente hasta el valor de la presión de salida

En la garganta se establece una presión distinta a la de salida En la garganta se establece una presión distinta a la de salida de la válvulade 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.


1/ 2p222 p1

2

W.v 2. .dp

A

vv

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

1/2p2

p1

2

2. .dpvG

v

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

2 2 p22 1p1

2 p22p1

p2

p1

v -v.dp + W=0

2En una tobera con velocidad inicial cero

v.dp =0

2En una turbina

.dp + W=0

v

v

v

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

1/2pi

p1 12. .dp

Gi

j i

j

i i

Wjv

v v

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. 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

2p22

p1

1

1

1 1

2

.

con la ecuación de estado

p. =z.R.T

vy con .dp =0

2v

y maximizando v.

se obtiene

2 .Gmax=p1

1 . .

En unidades SI G=kg/s.m R=8314 p= Pa

La formula del API 520

k

k

k

p cte

v

v

k M

k z RT

21

1

1

1 1

es con G= kg/h.mm y p en kPa y es

2 .Gmax=.0.03948 p1

1 .

k

k k M

k z T

la ecuación anterior es válida cuando la función G pasa por un máximo, 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 decir cuando en la garganta se alcanza el flujo crítico.

Es posible demostrar que en estas condiciones la presión en la garganta Es posible demostrar que en estas condiciones la presión en la garganta valevale

k

k 1

2c 1

2p p

k 1

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

y la fórmula para el cálculo del área de la garganta, suponiendo y la fórmula para el cálculo del área de la garganta, suponiendo una tobera ideal en flujo crítico quedauna tobera ideal en flujo crítico queda

1 1

1

1

.WA=

p1.C

2con C=0.03948

1

k

k

T z

M

kk

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

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

k 12 / k k

1 1 2

1 1

1 2

2

1 1 2

1 1

k 12 / k k

M.p (p p )k 1 rG max 2 .

k 1 1 r R.z .T .

siendo r =p /p

si se ponen las presiones en kPa y se quiere G en kg/h.mm resulta

M.p (p p )F2Gmax =

17.9 z .T .

k 1 rcon F2=

k 1 1 r

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

2p22

p1

v.dp =0

2 v

si es constante se reduce a

G 2. . p y

Gmax= 2. .(p1 p2)

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 Cálculo del área de alivio de la PSV Formulas del API 520Formulas del API 520

1

12520 .

1

k

kC k

k

k

k-12Gas o vapor - Flujo sonico : p2 < p1

k+1

13160.W T.z 35250.V. T.z.MA=

C.Kd.P1.Kb.Kc M C.Kd.P1.Kb.Kc

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 PSVCálculo del área de alivio de la PSVEn 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


2 2

(k-1)/k2/k

Flujo subcritico - gases o vapores

Valvula convencional (sin fuelle) o valvula operada por piloto

17.9.W z.T 47.95.V z.T.MA=

F .Kd.Kc M.p1.(p1-p2) F .Kd.Kc p1.(p1-p2)

k 1-rF2= .r

k-1 1-r

r = p2/p1

A= mm2Kd=Coef de descarga . Típico: 0.975 para válvulas 0.62 para disco rupturap1= Kpa absT= KelvinW= kg/hV= Nm3/min (15°C y 1 atm)Kc= corrección si se instala PRV + disco de ruptura (= 0.9, si no =1)


11.78.Q GA=

Kd.Kw.Kc.Kv p1-p2

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


1

0.5 1.5

Kv=correccion por viscosidad=

2.878 342.75= 0.9935+ +

Re Re

Q.(18800G)Re=

μ A

Requiere una estimacion previa de A

Kw= Corrección por backpressure (solo para válvulas de fuelle balanceadas)

Líquidos (continuación)


.11.78.Q G

A=Kd.Kw.Kc.Kv.Kp 1.25p-p2

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)


Orificios normalizadosOrificios normalizados DD 0.11 i0.11 i22 QQ 11.05 i11.05 i22

EE 0.196 i0.196 i22 RR 16 i16 i22

FF 0.307 i0.307 i22 TT 26 i26 i22

GG 0.503 i0.503 i22

HH 0.785 i0.785 i22

JJ 1.33 i1.33 i22

KK 1.83 i1.83 i22

LL 2.85 i2.85 i22

MM 3.6 i3.6 i22

NN 4.34 i4.34 i22

PP 6.38 i6.38 i22

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 Diseño del sistema de descarga a la atmósferadescarga a la atmósfera

Diseño del sistema de descarga a la atmósferaDiseño del sistema de descarga a la atmósfera

Evaluar el caudal máximo (simultaneidad)Evaluar el caudal máximo (simultaneidad)

Casos:Casos: Falla de utilities: complejo de analizar. Puede afectar a todo el Falla de utilities: complejo de analizar. Puede afectar a todo el

establecimiento industrial. (Corte total o parcial de energía o agua de establecimiento industrial. (Corte total o parcial de energía o agua de enfriamiento)enfriamiento)

Incendio: Considerar la máxima simultaneidad. En ausencia de otra Incendio: Considerar la máxima simultaneidad. En ausencia de otra información, se considera que el área afectada por el incendio se limita a 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)una superficie de 230 a 460 m2 (API Std 521 Ed 2007 Secc 7.1.2)


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


Antorchas elevadasAntorchas elevadas

Permiten la combustión en forma segura, con bajos niveles de radiación Permiten la combustión en forma segura, con bajos niveles de radiación

Tipos constructivos


Antorchas elevadasAntorchas elevadas

Humo: por combustión incompleta. Se Humo: por combustión incompleta. Se elimina inyectando fluidos que elimina inyectando fluidos que promuevan turbulencia (vapor o aire)promuevan turbulencia (vapor o aire)


Métodos para evitar el retroceso de llamaMétodos 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


Métodos para evitar el retroceso de llamaMétodos para evitar el retroceso de llama

Gas de purgaGas de purga

API 521: El gas de purga debe permitir reducir la concentración de O2 a un 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 tip6% a una altura de 25 ft por debajo del tip

Q(Sm3/h)= 31.25.DQ(Sm3/h)= 31.25.D3.463.46..ΣΣxxii0.650.65.K.Kii

xi= fracción molar del componente ixi= fracción molar del componente i

Valores de KiValores de Ki H2: +5.783H2: +5.783 C2H6: -1.067C2H6: -1.067 He: +5.078He: +5.078 CO2 : -2.651CO2 : -2.651 CH4: +2.328CH4: +2.328 C3H8: -2.651C3H8: -2.651 N2: +1.067 (sin viento)N2: +1.067 (sin viento) C4+: -6.586C4+: -6.586 N2:+ 1.707 con vientoN2:+ 1.707 con viento


Métodos para evitarMétodos para evitar

el retroceso de llamael 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 atmósferaDiseño del sistema de descarga a la atmósferaEfectos de la radiación térmica

BTU/h.ft2 Kw/m2 Tiempo para alcanzar el umbral de dolor (seg)

550 1.74 60 Valor al cual personal con vestimentas apropiadas puede estar permanentemente expuesto

740 2.33 40 1500 4.73 16 Intensidad a la cual se pueden realizar

operaciones de emergencia de varios minutos de duración por personal sin escudos pero con vestimenta adecuada. Deshidratación de la vegetación

3000 9.46 6 Valor máximo admisible para lugares a los que el personal puede tener acceso (por ejemplo la base de la antorcha) La exposición se limita a algunos segundos (suficiente para escapar) Ignición de la madera

5000 Valor admisible para estructuras sin acceso de personal

6300 19.87 2


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


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


. .

4. .

F QD

K

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

1/16 1/16100 30

0.79humedad relativa % D


Δy ΔxY= o

L Lu velocidad viento

X=uj velocidad del jet

Distorsión de la llama por el viento


Knock out drumKnock out drum Objeto: Separar líquidosObjeto: Separar líquidos Las cañerías deben tener pendiente hacia él. De no ser posible hay que Las cañerías deben tener pendiente hacia él. De no ser posible hay que

instalar otros en puntos intermedios con sus correspondientes sistemas de instalar otros en puntos intermedios con sus correspondientes sistemas de bombeobombeo

Diseñar como separador para eliminar gotas de 300 micrones según el Diseñar como separador para eliminar gotas de 300 micrones según el método del API 521método del API 521

Prever adecuada capacidad de bombeo. Tener cuidado con la posibilidadde Prever adecuada capacidad de bombeo. Tener cuidado con la posibilidadde descarga de líquidos fríos que podrían flashear en la bombadescarga de líquidos fríos que podrían flashear en la bomba


Diseño de colectores (descarga Diseño de colectores (descarga subsónica)subsónica)

Componer el mapa de caudales Componer el mapa de caudales para cada escenariopara cada escenario

Adoptar velocidad de descarga Adoptar velocidad de descarga Ma= 0.2Ma= 0.2

Comenzando desde la punta del Comenzando desde la punta del flare a presión atmosférica ir flare a presión atmosférica ir calculando hacia arriba, verificar calculando hacia arriba, verificar que no se exceda la máxima que no se exceda la máxima contrapresión en ninguna válvula contrapresión en ninguna válvula ni se exceda el rating de las bridasni se exceda el rating de las bridas

clase teorica sistemas de alivio de presion

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