PDVSA - Manual de Procesos (Diseño de Plantas)

PDVSA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO SEGURIDAD EN EL DISEÑO DE PLANTAS SISTEMAS DE ALIVIO DE PRESION

PDVSA N

TITULO

°

MDP–08–SA–01

PRINCIPIOS BASICOS

1

AGO.97

Sinceración con MID/MIR

13

O.R.

L.R.

0

ABR.95

APROBADO

13

J.P.

F.R.

REV.

FECHA

PAG.

REV.

APROB.

E

PDVSA, 1983

DESCRIPCION FECHA ABR.95

APROB.

APROB. APROB. FECHA ABR.95

ESPECIALISTAS

MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO

PDVSA

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SEGURIDAD EN EL DISEÑO DE PLANTAS SISTEMA DE ALIVIO DE PRESION PRINCIPIOS BASICOS Indice manual

Indice volumen

PDVSA MDP –08 –08 –SA –SA –01 –01 REVISION

FECHA

1

AGO.97

Página 1 Indice Indice norma

Indice 1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

4 DEFINICIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 4.22 4.23 4.24 4.25 4.26 4.27 4.28 4.29 4.30 4.31 4.32 4.33 4.34

Acumulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Area de riesgo de incendio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Contingencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Contingencia doble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Co Contingencia remota . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Contingencia sencilla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Contrapresión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Contrapresión acumulada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Contrapresión superimpuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Descarga atmosférica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diferencia de presión de descarga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dispositivo de alivio de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dispositivo de disco de ruptura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Emergencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Evento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Levantamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M áxima presión de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Má Máxima presión de trabajo permisible (MAWP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Presión de abertura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Presión de ajuste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Presión de cierre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Presión de diseño manométrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Presión de prueba diferencial en frío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Presión de ruptura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Riesgo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Si Sistema de alivio de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Si Sistema abierto de desecho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Si Sistema cerrado de desecho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sobrepresión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Válvula de alivio (PR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Válvula balanceada de alivio de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Válvula convencional de alivio de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Válvula operada por piloto de alivio de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Válvula con resorte de alivio de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 4 4 5 5 5 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8


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4.35 Válvula de alivio de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.36 Válvula de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.37 Válvula de alivio de vací vac ío . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 CONS CONSID IDER ERAC ACIO IONE NES S DE DE DIS DISE EÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 5.1 5.2 5.3

Base Base de cont contin inge genc ncia ia pa para ra el dise diseñ ño . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aplicaci ón de có códigos y regulaciones gubernamentales . . . . . . . . . . . . . . Resu Re sumen men de los los proce procedim dimien ientos tos pa para ra el el alivi alivio o de presi presi ón . . . . . . . . . . . . .

8 8 8

9 9 11 11

6 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

7 APENDICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

Tabla 1

“Resumen de Contingencia de V álvulas de Seguridad” Seguridad ” . . . . . . . . .

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SEGURIDAD EN EL DISEÑO DE PLANTAS SISTEMA DE ALIVIO DE PRESION PRINCIPIOS BASICOS

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OBJETIVO El objetivo de esta secció secci ón es presentar los principios b ásicos en los cuales se sustenta el diseñ dise ño de los sistemas de alivio de presi ón aplicables a los proyectos de instalaciones nuevas y a las modificaciones de las instalaciones existentes en la IPPCN. El tema “Sistemas de alivio de presió presi ón”, dentro del área de “Seguridad en el diseñ dise ño de plantas” plantas”, en el Manual de Dise ño de Procesos (MDP), está est á cubierto por los siguientes documentos: PDVSA –MDP – Descripci ón de Documento 08 – SA SA – 01 Sistemas de alivio de presi ón: Principios Bá B ásicos (Este documento). 08 – SA SA – 02 02 Sistemas de alivio de presi ón: Consideraciones de contingencia y determinació determinaci ón de los flujos de alivio. 08 – SA SA – 03 03 08 – SA SA – 04 04

Sistemas de alivio de presi ón: Dispositivos de alivio de presi ón. Sistemas de alivio de presió presi ón: Procedimientos para especificar y dimensionar vá válvulas de alivio de presi ón. 08 – SA SA – 05 05 Sistemas de alivio de presi ón: Instalació Instalación de vá válvulas de alivio de presió presión. Este documento, junto con los dem ás que cubren el tema de “Sistemas de alivio de presió presión”, dentro del Manual de Diseñ Dise ño de Procesos (MDP) de PDVSA, son una actualizació actualizaci ón de la Prá Pr áctica de Diseñ Dise ño “Seguridad en el diseñ dise ño de plantas, subsecció subsecci ón 15C: Sistemas de alivio de presi ón”, presentada en la versió versi ón de Junio de 1986 del MDP.

2

ALCANCE Cubre las definiciones bá b ásicas, las referencias que soportan las definiciones y las consideraciones bá b ásicas que deben ser tomadas en cuenta para el dise ño de los sistemas de alivio de presió presi ón, excluyendo los relacionados con riesgos de incendio, explosió explosi ón o accidente, el cual ser á tratado en PDVSA – MIR MIR – (Pendiente) (Pendiente) (Consultar MDP versió versi ón 1986, subsecció subsecci ón 15B).

3

REFERENCIAS Manual de Dise ño de Proceso (Actual) S

MDP – 01 01 – DP DP – 01“ 01“Temperatura y presió presi ón de diseñ dise ño”

Manual de Dise ño de Proceso (versi ón 1986) S

Vol IX, Subsecció Subsecci ón 15B “Minimizació Minimizaci ón de los riesgos de incendio, explosi ón o accidente” accidente ”


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Vol IX, Subsección 15C “Sistemas de alivio de presión”

Manual de Ingenier í a de Riesgo S

IR – S – 00: “Definiciones”, Marzo 1995

Otras Referencias 1. API – RP520, “Sizing, selection and installation of pressure – relieving devices in refineries, part I, 1993. 2. API – RP521, “Guide for pressure – relieving and depressuring systems ”, 1990. 3. AMERICAN NATIONAL STANDARD ANSI B95.1 “Terminology for pressure relief devices” (ANSI/ASME Performance Test Code PTC – 25.3).

4

DEFINICIONES

4.1

Acumulación Aumento de presión sobre la MAWP de un recipiente durante la descarga a trav és de un dispositivo de alivio de presi ón y se expresa en unidades de presi ón o como porcentaje de presión. Las acumulaciones máximas permisibles, se establecen por los códigos de diseño aplicables a contingencias operacionales y de fuego.

4.2

Area de Riesgo de Incendio Una planta de proceso es subdividida en áreas de riesgo de incendio, cada una de las cuales es el área máxima que razonablemente puede esperarse estar involucrada totalmente en un incendio sencillo. Esto se usa como base para determinar el requerimiento combinado para alivio de presi ón debido a la exposición a un incendio, basado principalmente en los efectos de la radiaci ón de un incendio centrado en una piscina de l íquido inflamable ardiendo. Esto no debe confundirse con las áreas usadas para determinar las capacidades de agua contra incendios y de drenaje, las cuales se definen como áreas de subdivisión del plano de disposición de equipos según los documentos PDVSA MIR IR – M – 03 “Sistemas de Agua contra Incendio” e IR – M – 04 “Sistemas de Espuma contra Incendio”. Tampoco debe confundirse con la definici ón más general empleada durante los ejercicios de Análisis Cuantitativo de Riesgos, en los cuales se considera la radiación por incendio de líquido inflamable y la sobrepresi ón por explosión de nubes de gases inflamables.

4.3

Contingencia Evento anormal que causa una condici ón de emergencia.

4.4

Contingencia doble Ocurrencia simultánea de dos o más contingencias sencillas que no est án relacionadas entre si.


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Contingencia remota Resultado de una contingencia sencilla o doble de muy baja probabilidad de ocurrencia.

4.6

Contingencia sencilla Evento anormal sencillo que causa una condici ón de emergencia.

4.7

Contrapresió n Presión existente en el cabezal de descarga al cual alivia un dispositivo de alivio de presión. Es la suma de las contrapresiones superimpuesta y acumulada.

4.8

Contrapresió n acumulada Incremento en la presión en el cabezal de descarga, la cual se genera despu és que un dispositivo de alivio de presi ón abre.

4.9

superimpuesta Contrapresió n Presión estática existente a la salida de un dispositivo de alivio de presi ón al momento de su abertura. Esta contrapresi ón proviene de otras fuentes y puede ser constante o variable.

4.10

Descarga atmosf ér ica Alivio de vapores o gases desde un dispositivo de alivio de presi ón a la atmósfera.

4.11

Diferencia de presi ón de descarga Diferencia entre la presi ón de ajuste y la presión de cierre de una válvula de alivio de presión, expresada en unidades de presi ón o como porcentaje de la presión de ajuste.

4.12

Dispositivo de alivio de presi ón Un dispositivo de alivio de presi ón funciona por la presión estática interna y está diseñado para abrir durante una situaci ón anormal o emergencia, de manera tal de prevenir un aumento excesivo de la presi ón de fluido interno, por encima de un valor específico. El dispositivo también puede estar diseñado para prevenir un vacío excesivo. Entre estos dispositivos se encuentran las v álvulas de alivio de presión, los dispositivos de alivio de presi ón no recerrables y las válvulas de alivio de vacío.

4.13

Dispositivo de disco de ruptura Dispositivo de alivio de presi ón diferencial no recerrable, accionado por la presi ón estática interna, y está diseñado para funcionar mediante la ruptura del disco que contiene la presión. Un dispositivo de disco de ruptura incluye un disco de ruptura y un porta disco de ruptura.


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Emergencia Interrupción de las operaciones normales en la cual el personal, los equipos y el ambiente están en peligro.

4.15

Evento Suceso que envuelve el comportamiento de un equipo, una acci ón humana o un agente o elemento externo al sistema y que causa desviaci ón de su comportamiento normal.

4.16

Levantamiento Desplazamiento real del disco de una v álvula de alivio de presión desde su posición cerrada hasta su posici ón abierta.

4.17

de operaci ón Má xima presi ón Máxima presión esperada durante la operaci ón de un sistema.

4.18

de trabajo permisible (MAWP) Má xima presi ón Máxima presión manométrica permisible en el tope de un recipiente a una temperatura especificada. La MAWP se calcula usando el espesor nominal de cada elemento del recipiente sin considerar el espesor adicional por corrosi ón ni otras cargas de presiones. Es la base para fijar la presi ón de un dispositivo de alivio de presión.

4.19

Presió n de abertura Valor de presión estática, corriente arriba de la v álvula, a la cual existe un levantamiento apreciable del disco y empieza a observarse un flujo de venteo continuo.

4.20

Presió n de ajuste Presión manométrica a la cual es ajustada una v álvula de alivio de presión para abrir bajo condiciones de servicio.

4.21

Presió n de cierre Valor de la presión estática, aguas arriba de la válvula, a la cual el disco de la válvula hace contacto nuevamente con su asiento o cuando el levantamiento alcanza el valor de cero.

4.22

manom é trica Presió n de dise ño Condición de presión más severa, coincidente con la temperatura m ás severa que se espera durante la operación. Esta presión puede ser usada en lugar de la MAWP, si esta última no ha sido establecida. La presión de diseño es igual o menor que la MAWP.


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Presió n de prueba diferencial en fr í o Presión a la cual una válvula de alivio de presión es ajustada para abrir en un banco de prueba e incluye las correcciones para las condiciones de servicio de contrapresión o temperatura o ambos.

4.24

Presió n de ruptura Presión estática, aguas arriba de un dispositivo de alivio no recerrable, al cual el dispositivo abre.

4.25

Riesgo Medida de pérdidas económicas, daño ambiental o lesiones humanas, en términos de la probabilidad de ocurrencia de un accidente (frecuencia) y magnitud de las pérdidas, daño al ambiente o de las lesiones (consecuencias).

4.26

Sistema de alivio de presi ón Arreglo de un dispositivo de alivio de presi ón, tubería y medios de disposición concebidos para la recolecci ón, transporte y disposición segura de alivios. Tal sistema puede estar formado por un simple dispositivo de alivio de presi ón con o sin tubería de descarga ubicados en un recipiente o l ínea; sistemas más complejos incluyen varios dispositivos de alivio de presi ón que descargan a un cabezal común y terminan en un equipo de disposici ón.

4.27

Sistema abierto de desecho Sistema de disposición que descarga directamente desde un dispositivo de alivio de presión a la atmósfera.

4.28

Sistema cerrado de desecho Sistema de disposición capaz de resistir presiones diferentes de la presi ón atmosférica.

4.29

Sobrepresió n Aumento de presión por encima de la presión de ajuste del dispositivo de alivio de presión y se expresa en unidades de presi ón o como porcentaje de presión. La sobrepresión coincide con la acumulaci ón cuando el dispositivo de alivio de presión esta ajustado a la MAWP del recipiente.

4.30

Vá lvula de alivio (PR) Válvula de alivio de presión con resorte que funciona por la presi ón estática aguas arriba de la válvula. Normalmente, se abre en proporci ón al aumento de presión


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por encima de la presión de apertura. incompresibles.

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Se utiliza principalmente con fluidos

Vá lvula balanceada de alivio de presi ó n Válvula de alivio de presi ón con resorte que incorpora elementos para minimizar el efecto de la contrapresión en las características de funcionamiento.

4.32

Vá lvula convencional de alivio de presi ón Válvula de alivio de presión con resorte, cuyas caracter ísticas de funcionamiento dependen directamente de los cambios de la contrapresi ón en la válvula.

4.33

Vá lvula operada por piloto de alivio de presi ó n Válvula de alivio de presión en la que la válvula principal está combinada con y controlada por una válvula de alivio de presi ón auxiliar.

4.34

Vá lvula con resorte de alivio de presi ó n Dispositivo de alivio de presi ón diseñado para cerrar automáticamente y prevenir la salida adicional de fluido.

4.35

Vá lvula de alivio de seguridad Válvula de alivio de presi ón con resorte que puede ser utilizada como v álvula de seguridad o como válvula de alivio, dependiendo de su aplicaci ón.

4.36

Vá lvula de seguridad Válvula de alivio de presión con resorte, que funciona por la presi ón estática aguas arriba de la válvula, y se caracteriza por abrir r ápidamente. Normalmente se utiliza con fluidos comprensibles.

4.37

Vá lvula de alivio de vac í o Dispositivo de alivio de vac ío diseñado para admitir un fluido para prevenir un excesivo vacío interno; estos dispositivos est án diseñados para cerrar y prevenir la salida de fluidos despu és que la condición normal ha sido restablecida.

5

CONSIDERACIONES DE DISEÑO En esta sección se describen las causas principales de sobrepresi ón en equipos de refinería y los procedimientos de diseño para minimizar los efectos de estas causas. La sobrepresión es el resultado de un desbalance de los flujos normales de material o energía, que causan que la materia o energ ía, o ambos, se acumule en alguna parte del sistema. El an álisis de las causas y magnitudes de la sobrepresión involucra por lo tanto un estudio complejo de los balances de materia y energía en un sistema del proceso.


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Aunque se han hecho esfuerzos para cubrir todas las circunstancias principales, el diseñador debe tener cuidado en no considerar las condiciones descritas como las únicas causas de sobrepresión. Deben considerarse en el dise ño todas las circunstancias que razonablemente constituyan un riesgo bajo las condiciones prevalentes del sistema. El sobrecalentamiento por encima de la temperatura de dise ño puede también resultar en una sobrepresión debido a una reducción del esfuerzo permisible. Una válvula de alivio de presión no puede proteger contra este tipo de contingencia. Debe hacerse referencia a la secci ón sobre “Reacciones químicas”.

5.1

Base de contingencia para el dise ño El costo de proveer instalaciones para aliviar todas las posibles emergencias simultáneamente sería prohibitivo. Cada emergencia surge de una causa específica o contingencia. La ocurrencia simult ánea de dos o más contingencias es improbable. De aquí que, generalmente, una emergencia que pueda surgir solamente de dos o más contingencias no relacionadas normalmente no es considerada para propósitos de dimensionar equipos de seguridad. Ejemplos de lo anterior serían el caso de la falla simultánea de una válvula de control en la posición abierta y la falla por falta de agua de enfriamiento. Otro ejemplo ser ía el caso de la falla de un tubo en un intercambiador de calor al mismo tiempo que una falla de cierre de una válvula de control. Asimismo, emergencias simult áneas pero separadas, no se consideran si las contingencias que las causan no est án relacionadas. Las contingencias, incluyendo incendios externos, se consideran no relacionadas si no existe una interrelaci ón de proceso, mecánica o eléctrica entre ellas, o si el lapso de tiempo transcurrido entre posibles y sucesivas ocurrencias de esas causas es lo suficientemente largo para separar sus efectos. Cada unidad o componente del equipo debe ser estudiado individualmente y cada contingencia debe ser evaluada. El equipo de seguridad para una unidad individual se dimensiona para manejar la carga m ás grande resultante de cualquier posible contingencia sencilla. Cuando se analiza cualquier contingencia sencilla uno debe considerar todos los efectos directamente relacionados que puedan ocurrir por causa de esa contingencia. Por ejemplo, si una falla de aire causa tambi én que una válvula de control en un circuito de enfriamiento cierre, entonces tanto la falla de aire como la pérdida de enfriamiento en el circuito deben considerarse como parte de la misma contingencia. De un modo similar, si una cierta emergencia involucra m ás de una unidad, entonces todas las unidades afectadas deben considerarse en conjunto. Un ejemplo de esto es el uso de una corriente procedente de una unidad para proveer enfriamiento en una segunda unidad. La p érdida de energía eléctrica en la primera unidad resultaría en una pérdida de ese enfriamiento en la segunda unidad, de modo que ésta debe considerarse como parte de la misma contingencia.


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Cada contingencia sencilla de un equipo podr á generar una carga de alivio. Aquella contingencia sencilla que genere la mayor carga de alivio sobre las instalaciones de alivio se denomina la “contingencia sencilla mayor”, y constituye la base de diseño del sistema colector común tal como el cabezal del mechurrio, el tambor de descarga de presi ón (tambor de purga o de alivio) y el mechurrio. La emergencia que resulta en la “contingencia sencilla mayor” en una base global puede ser diferente de la emergencia que constituye la base para cada componente individual del equipo. Aunque en general sólo se considera una contingencia sencilla para prop ósitos de diseño, pueden haber situaciones donde deben tomarse en cuenta dos o m ás contingencias simultáneas; por ejemplo si hay alguna interrelaci ón remota entre ellas, y las presiones o temperaturas desarrolladas pudieran resultar en fallas catastróficas. La sobrepresión que pueda ocurrir a presi ón normal o por debajo de la presi ón normal, como resultado de esfuerzos permisibles reducidos a temperaturas m ás altas que las de diseño, debe ser también evaluada y deben aplicarse en el dise ño características adecuadas de protecci ón. Por ejemplo, tales condiciones pueden resultar de reacciones químicas, condiciones de arranque o de inestabilidad. Asimismo, deben considerarse las posibles bajas temperaturas de los metales, como por ejemplo autorefrigeración, con el fin de asegurarse de que no se desarrollen condiciones de fractura por fragilidad.

5.2

Aplicació n de c ód igos y regulaciones gubernamentales La base para diseño por sobrepresión descrita en esta sección está relacionada con el “Boiler and Pressure Vessel Code ” ASME y el “Code for Petroleum Refinery Piping” ANSI B31.3. El cumplimiento con esos c ódigos es un requerimiento o es reconocido como el equivalente de un requerimiento en muchos lugares. Donde apliquen códigos más estrictos, deben cumplirse los requerimientos locales. Por lo tanto, deben examinarse los c ódigos locales para establecer sus requerimientos. Como un ejemplo en algunos pa íses no está permitido el uso de válvulas de bloque por debajo de v álvulas de alivio de presión a menos que se instalen dos válvulas de clavamiento. También en algunos casos no est á permitida una acumulación de 20% bajo condiciones de exposición a un incendio y la acumulaci ón permisible puede ser menor que lo que establecen los C ódigos ASME. La compañía afiliada para la cual se elabora el diseño es usualmente la mejor fuente de informaci ón sobre códigos locales. En los Estados Unidos el C ódigo ASME es ahora obligatorio ya que es un requerimiento de la Ley de Salud y Seguridad Ocupacional.


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Resumen de los procedimientos para el alivio de presi ón A continuación se resumen los pasos esenciales en el dise ño para la protección contra la sobre presión y los cuales se exponen en detalle en las diferentes secciones de Procedimientos de Dise ño de los documentos MDP – 08 – SA – 02 al 05.

5.3.1

Consideraci ón de contingencias Se consideran todas las contingencias que puedan resultar en sobrepresi ón sobre los equipos, incluyendo la exposici ón de los equipos a un incendio externo, falla de los servicios auxiliares, fallas y mal funcionamiento de los equipos, condiciones de proceso anormales, expansi ón térmica, arranque, parada y errores operacionales. Para cada contingencia se eval úa la sobrepresión resultante y se establecen las necesidades o bien para una presión de diseño adecuadamente aumentada (para soportar la presión de emergencia) o para la necesidad de instalaciones de alivio de presión para prevenir sobrepresi ón (con los flujos de alivio calculadas).

5.3.2

Selecci ón del dispositivo de alivio de presi ón Para cada componente del equipo que podr ía estar sujeto a sobrepresi ón se hace una selección del tipo adecuado entre la gran variedad de v álvulas de alivio de presión y otros dispositivos disponibles. La instrumentaci ón, las válvulas de retención y otros dispositivos similares, no son generalmente aceptables como medio de protección contra la sobrepresión.

5.3.3

Especificaci ón para válvulas de alivio de presi ón Se aplican los procedimientos de c álculo normalizados para determinar el tama ño de la válvula de alivio de presión requerida para el flujo máximo de alivio, así como también la información adicional necesaria para especificar la v álvula.

5.3.4

Diseño de la instalaci ón para una v álvula de alivio de presi ón Finalmente se diseña en detalle la instalación para la válvula de alivio de presión incluyendo su ubicación, el dimensionamiento de la tubería de entrada y salida, el conjunto de válvulas adicionales y drenaje, selecci ón de la descarga a un sistema abierto o cerrado y diseño de un sistema de descarga cerrado a un mechurrio u otro lugar.

5.3.5

Resumen y documentaci ón de las contingencias La Especificación de Diseño debe incluir una tabulación de todas las contingencias consideradas, así como también sus requerimientos de alivio. Una tabulaci ón tal es de gran ayuda para asegurarse de que se han considerado todas las contingencias y también para escoger la contingencia que determina el dise ño del sistema colector. Un ejemplo de una hoja de tabulaci ón se ha incluido en el Apéndice como Tabla 1.


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NOMENCLATURA No aplica en esta sección

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APENDICE Tabla 1 “Resumen de contingencias de v álvulas de seguridad”


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AGO.97



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TABLA 1 RESUMEN DE CONTINGENCIAS DE VALVULAS DE SEGURIDAD L A N O I C A R E P O A L L A F

) M G P S (

O I D N E C N I

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A R A S P O E T R N I E A M E U D R T A S L N L I A F

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S : E N R O I A V S E R L E L V A N R O A C P


PDVSA N°

TITULO

MDP–08–SA–02

CONSIDERACION DE CONTINGENCIA Y DETERMINACION DE LOS FLUJOS DE ALIVIO

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OCT.97

Sinceración con MID, MIR y Contingencia Incendio

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O.R.

L.R.

0

AGO.95

APROBADA

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J.P

F.R.

REV.

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PAG.

REV.

APROB.

E

PDVSA, 1983

DESCRIPCION FECHA AGO.95

APROB.

APROB. APROB. FECHA AGO.95

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MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO SEGURIDAD EN EL DISEÑO DE PLANTAS SISTEMAS DE ALIVIO DE PRESION CONTINGENCIAS Y FLUJOS DE ALIVIO Indice manual

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PDVSA MDP–08–SA–02 REVISION

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Indice 1 2 3 4 5

OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DEFINICIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PROCED PROCEDIMI IMIENT ENTOS OS DE DISE DISEÑO ÑO “CON “CONSID SIDERA ERACIO CION N DE CONTINGENCIAS Y DETERMINACION DE LOS FLUJOS DE ALIVIO” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15 5.16 5.17

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Falla de los servicios industriales como una causa de una sobrepresión Contingencias de falla de los servicios industriales a considerar . . . . . . . Mal funcionamiento de los equipos como una causa de sobrepresión . . Errores del operador como causa de sobrepresión . . . . . . . . . . . . . . . . . . Evalu Evaluaci ación ón de la sobre sobrepr presi esión ón resu resulta ltante nte d de e cond condici icione ones s de emergencia y Determinación de las velocidades de alivio . . . . . . . . . . Sobrepresión en componentes específicos del equipo . . . . . . . . . . . . . . . Sobrepresión causada por reacción química . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sobrepresión causada por temperaturas anormales . . . . . . . . . . . . . . . . . Sobrepresión causada por expansión térmica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Incendio como causa de una sobrepresión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . El vacío como una causa de falla de los equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Evaluaci Evaluación ón de la ruta ruta de presuriz presurizació ación n en el diseñ diseño o del alivi alivio o de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Evaluaci Evaluación ón de la la ruta ruta de esca escape pe de presión presión en en el diseño diseño de alivio de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Válvulas con dispositivos de bloqueo en la posición abierta (“CSO”) . . . Válvula Válvula del del tipo “CSC” “CSC” (válvu (válvula la con dispo dispositi sitivo vo para para bloques bloques en posición cerrada) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Válvulas de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 APENDICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figur Figura a1 Figura Figura 2A Figura Figura 2B

2 2 2 3 3 3 4 6 11 11 12 20 30 31 31 35 43 46 48 49 50 50

53 53

Válvul Válvula a de de baj bajo o rec recorr orrido ido guiad guiada a por por el fon fondo do y el el tope tope pa para ra descargas de turbinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Presión Presión de vapo vaporr y calor calor latente latente de vapor vaporizac ización ión para líquidos líquidos hidrocarburos parafínicos puros (un solo componente), 1era parte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Presión Presión de vapo vaporr y calor calor latente latente de vapor vaporizac ización ión para líquidos líquidos hid hidroc rocarbu rburos ros par para afín fínicos icos puros ros (u (un sol solo o co comp mpo onente), te), 2d 2da a pa parte rte 59

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OBJETIVO Presentar las contingencias que pueden causar una sobrepresión en los equipos de una planta, y la forma de evaluarlas en términos de las presiones que puedan ser generadas y/o de los flujos de los fluidos que deben ser aliviados. El tema “Sistemas de alivio de presión”, dentro del área de “Seguridad en el diseño de plantas”, en el Manual de Diseño de Procesos (MDP), está cubierto por los siguientes documentos: PDVSA–MDP– Descripción de Documento 08–SA–01 Sistemas de alivio de presión: Principios Básicos. 08–S 08 –SA– A–02 02 Sist Sistem emas as de de aliv alivio io de de pres presió ión: n: Con Consi side dera raci cion ones es de de cont contin inge genc ncia ia y determinación de los flujos de alivio (Este documento). 08–SA–03 Sistemas de alivio de presión: Dispositivos de alivio de presión. 08–SA–04 Sistemas de alivio de presión: Procedimientos para especificar y dimensionar válvulas de alivio de presión. 08–SA–05 Sistemas de alivio de presión: Instalación de válvulas de alivio de presión. Este documento, junto con los demás que cubren el tema de “Sistemas de alivio de presión”, dentro del Manual de Diseño de Procesos (MDP) de PDVSA, son una actualización de la Práctica de Diseño “Seguridad en el diseño de plantas, subsección 15C: Sistemas de alivio de presión”, presentada en la versión de Junio de 1986 del MDP.

2

ALCANCE Cubre las contingencias originadas por incendios, fallas en los Servicios Industriales (energía eléctrica, agua de enfriamiento, vapor, aire de instrumentos, energía eléctrica para instrumentos, combustible, otros Servicios Industriales), fallas y mal funcionamiento de los equipos, errores del operador, arranques y paradas, y fallas causadas por expansión térmica.

3

REFERENCIAS Manual de Diseño de Proceso (versión 1986) S S S S S

Vol. IX, Subsección 15B “Minimización de los riesgos de incendio, explosión o accidente”. Vol. IX, Subsección 15C “Sistemas de alivio de presión”. Vol. VI, Subsección 10A “Procedimientos de diseño para servicios de bombeo”. Vol. VI, Subsección 10F “Bombas de desplazamiento positivo”. Vol. IV, Subsección 8A “Selección de hornos de proceso”.

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Vol. I, Sección 2 “Temperatura de diseño, presión de diseño y clasificación de bridas”.

Manual de Ingeniería de Diseño S

PDVSA–MID–Vol. PDVSA–MID–Vol. 06 B–201–PR “Calentadores de fuego directo”.

Manual de Ingeniería de Riesgo S

PDVSA– IR–P–01 IR–P–01 “Sistema de paradas de despresurización y venteo de equipos y plantas”.

emergencia,

bloqueo,

Otras Referencias S S S S S

4

ASME–Section I, I , “Power Boilers”, 1992. ASME–Section VIII, VIII , “Pressure Vessels”, 1992. ANSI–B31.3,, “Petroleum Refinery Piping Code”. ANSI–B31.3 API RP 520, 520, Part I, 6th edition, Marzo 1993. API RP 521, 521 , 3th edition, Noviembre 1990.

DEFINICIONES Véase documento PDVSA– MDP–08–SA–01 PDVSA– MDP–08–SA–01 “Principios Básicos”.

5

PROCED PROC EDIM IMIE IENTO NTOS S DE DI DISE SEÑO ÑO “CON “CONSI SIDE DERA RACI CION ON DE DE CONTINGENCIAS Y DETERMINACION DE LOS FLUJOS DE ALIVIO” 5.1

Introducción El primer paso en el diseño para protección contra sobrepresión es considerar todas las contingencias que puedan causar una sobrepresión y evaluarlas en términos de las presiones que puedan ser generadas y/o de los flujos de fluidos que deben ser aliviados. Todos los recipientes a presión no sujetos a combustión deben ser protegidos mediante dispositivos de alivio de presión que eviten que la presión aumente mas de un 10% o 3 psi, cualesquiera de las dos que sea la mayor, mayor, por encima de la máxima presión de trabajo permitida (16% o 4 psi con válvulas múltiples). La excepción es que se permite un exceso de presión de 21%, en los dispositivos dispositivos de alivio de presión que adicionalmente adicionalmente son requeridos, cuando el exceso de presión es causado por una exposición a un incendio u otras inesperadas fuentes externas de calor. Los recipientes a presión bajo condiciones de combustión están cubiertos por el Código ASME, Sección I (Power Boilers). Este Código especifica el requerimiento de dispositivos de alivio de presión para evitar que las presiones aumenten más de un 6% por encima de la máxima presión de trabajo permitida.

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En la sección de “Principios Básicos” y bajo “Consideraciones de Diseño” se describe la base de Contingencia sencilla para estas consideraciones, así como también los medios para tabular y documentar las varias contingencias consideradas. En el resto de este capítulo se detallan los tipos de contingencias que deben ser consideradas así como también los lineamientos para evaluarlas. La selección de la presión de diseño para equipos es cubierta en el documento PDVSA– MDP–01–DP–01 MDP–01–DP–01 “Temperatura y Presión de Diseño”. E l diseño para protección contra sobrepresión en la mayoría de los casos consiste en proveer dispositivos de alivio de presión dimensionados para manejar las velocidades de alivio necesarias para evitar que las presiones que surgen en emergencias aumenten por encima de la presión de diseño (más la acumulación permitida). Como un medio alterno de protección, en algunos casos es económico especificar una mayor presión de diseño del equipo que soportará la presión máxima que pueda ser generada sin aliviar ninguno de los fluidos contenidos en el sistema. Más aún, en algunos casos el costo de un sistema colector puede ser reducido especificando presiones de diseño más altas, las cuales permitirán una contrapresión más alta en el sistema colector.

5.2 5.2

Fall Falla a de de los los servi servici cios os ind indust ustri rial ales es com como o una una causa causa de una una sobrepresión La falla de los suministros provistos por los servicios industriales (por ejemplo, electricidad, agua de enfriamiento, vapor, electricidad o aire para instrumentos, o combustible), a las instalaciones de la planta de refinación resultará en muchos casos en condiciones de emergencia que potencialmente pueden sobrepresionar los equipos. Aunque los sistemas de suministro de servicios industriales están diseñados para ser confiables mediante la selección de sistemas múltiples de generación y distribución, equipos de repuesto, sistemas de apoyo, etc., todavía permanece la posibilidad de que fallen. Los mecanismos de posibles fallas de cada servicio industrial deben por lo tanto ser examinados y evaluados para determinar los requerimientos asociados para la protección contra la sobrepresión. Las reglas básicas para estas consideraciones son las siguientes: 1.

Las interrupciones del suministro de un servicio industrial se consideran solamente en una base de contingencia sencilla, o sea que corresponde a la falla de un componente sencillo del sistema de generación o distribución de un servicio industrial. Sin embargo, se debe prestar consideración al efecto directo de un servicio auxiliar sobre otro. Si la falla del suministro en un sistema industrial, como resultado de una contingencia sencilla, resulta en la pérdida total o parcial de otro servicio industrial interrelacionado, entonces se debe considerar la falla dual. Por ejemplo, en una planta donde la electricidad es producida por turbo–generadores de vapor, la pérdida de

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la producción de vapor puede causar una pérdida directa de la energía eléctrica. 2.

Las fallas se consideran tanto en una base local, es decir, pérdida del suministro de un servicio industrial a un componente de los equipos (por ejemplo, electricidad al motor de una bomba), como en una base general, es decir, pérdida del suministro a todos los equipos que lo consumen en una unidad de procesos (por ejemplo, agua de enfriamiento a todos los enfriadores y condensadores). Para propósitos de estas considera– ciones de diseño de alivio de presión, una unidad de procesos se define como la que cumple todos los criterios siguientes:

a.

Está segregada dentro de sus propios límites de batería claramente identificables.

b.

Está suplido con cada servicio industrial a través de uno o dos ramales de tubería laterales independiente desde un cabezal de suministro fuera de los límites físicos de la planta.

c.

Constituye en sí una función de procesamiento completa.

3.

Para una unidad de procesos con su propio y segregado sistema cerrado de descarga para alivio de presión y separado del resto de la planta, solamente se necesita considerar una sola falla de los servicios industriales a esa unidad para propósitos de diseñar las instalaciones de seguridad. Sin embargo, cuando dos o más unidades comparten un sistema de descarga cerrado (por ejemplo, un tambor de descarga común y/o un mechurrio) el procedimiento de diseño debe incluir una consideración para la falla potencial del suministro de los servicios industriales a más de una de las unidades, causada por una contingencia sencilla. Aunque estas fallas de los servicios industriales de la refinería o de la planta no se usan normalmente como base para dimensionar las instalaciones de seguridad, deben evaluarse de todos modos. No es necesario usarlas como base para el dimensionamiento con tal que puedan ser realísticamente establecidas como de muy remota probabilidad. Esto involucra la evaluación de la confiabilidad de los sistemas de generación y distribución y requiere de un buen diseño de ingeniería y la provisión de características (equipos) de apoyo adecuados. Ejemplos de tales características de apoyo para cada servicio auxiliar se dan más adelante. En los diseños en que todas las válvulas de alivio de presión descargan a un sistema colector cerrado, debido a restricciones por protección al ambiente, una falla total de un servicio industrial merece una consideración más profunda puesto que no hay alivio a la atmósfera el cual tendería a aliviar la carga sobre el sistema cerrado.

4.

La evaluación de los efectos de una sobrepresión atribuible a la pérdida del suministro en un servicio industrial en particular, debe incluir la cadena de

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eventos que podrían ocurrir y el tiempo de reacción involucrado. En las situaciones donde el flujo de fluidos es interrumpido debido a la falla del suministro de servicio industrial que lo soporta, pero está en paralelo con equipos que tienen una fuente diferente de energía, puede concederse un crédito por los equipos no afectados que se mantienen en funcionamiento hasta el punto en el cual la operación se mantiene y los equipos en operación no se detienen por sobrecarga. Como ejemplo, considerando el caso de un sistema de circulación de agua de enfriamiento que consta de dos bombas paralelas en operación continua, con impulsores accionados por fuentes de energía diferentes y no relacionadas. Si falla una de las fuentes de energía puede concederse un crédito por la operación ininterrumpida de la bomba no afectada, con tal que la bomba en operación no se desconecte y se detenga (no se dispare) debido a sobrecarga. De un modo similar, puede también darse crédito por la operación ininterrumpida de compresores de aire o generadores de electricidad físicamente dispuestos en paralelo, que operan normalmente con impulsores con dos fuentes no relacionadas de energía. Los sistemas de apoyo que dependen de la acción de dispositivos automáticos de relevo (por ejemplo, un repuesto de relevo impulsado por una turbina para una bomba de agua de enfriamiento impulsada por un motor eléctrico con un control “PLCI”, instrumento indicador de control por presión y nivel) no deben ser considerados como un medio aceptable para prevenir una falla de servicios industriales para propósitos de diseño de alivio de presión, aunque su instalación está totalmente justificada para una mejor continuidad y confiabilidad de las operaciones de la planta.

5.3

Contingencias de falla de los servicios industriales a considerar A continuación, se describe la aplicación de las consideraciones de diseño anteriores, a los sistemas auxiliares principales de instalaciones típicas. En algunos casos, la pérdida del suministro de servicios no es una causa directa de sobrepresión, pero inicia un descontrol de la planta o una emergencia, la cual a su vez puede resultar en una sobrepresión (por ejemplo, una falla eléctrica que conduzca a la pérdida del reflujo de una columna). Donde sea necesario, se debe hacer referencia a los procedimientos para evaluar tales situaciones de descontrol o emergencia y para la determinación de las velocidades de alivio, que se describen más adelante en esta sección.

5.3.1

Energía eléctrica 1.

Consideraciones en base normal individual y en base respecto a la unidad de procesos para el dimensionamiento del alivio de presión – Las siguientes contigencias sencillas deben ser consideradas como la base

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normal para evaluar la sobrepresión que pueda resultar de fallas de energía eléctrica: a.

Falla individual del suministro de energía eléctrica a cualquier componente de los equipos que la consuma, tal como un motor impulsor de una bomba, ventilador o compresor.

b.

Falla total del suministro eléctrico a todos los equipos que lo consumen en una unidad de procesos.

c.

Falla general eléctrica a todos los equipos alimentados desde una barra de distribución eléctrica (“Bus Bar”) en una subestación que presta servicio a una o más unidades de procesos.

2.

Consideración de una falla eléctrica total en planta o en refinería – Aunque normalmente no se usa como una base para el dimensionamiento de las instalaciones de alivio de presión, deben considerarse las siguientes fallas eléctricas generales a nivel de planta.

a.

Falla del suministro de energía eléctrica comprada a la planta o refinería.

b.

Falla del suministro de la energía auto–generada a la planta o refinería.

c.

Falla total eléctrica en cualquier sub–estación particular. Como se expuso anteriormente punto 5.2. “Falla de los servicios industriales como una causa de una sobrepresión”, se deben incluir características de apoyo adecuadas para reducir la probabilidad de fallas mayores a un grado bajo aceptable y balanceadas contra las consecuencias si ocurrieran tales fallas. Las siguientes provisiones son normalmente requeridas como mínimo:

5.3.2

d.

Dos o más alimentadores para energía eléctrica comprada.

e.

Dos o más generadores en paralelo con un repuesto de apoyo cuando la energía eléctrica es generada en la planta o refinería.

f.

Más de un combustible para las calderas que generan vapor para los generadores a turbina de vapor.

g.

Arreglos de distribución de la carga eléctrica para mantener el suministro preferencial a los consumidores críticos.

h.

Sistemas secundarios selectivos para la distribución de la energía eléctrica.

Agua de enfriamiento Consideraciones en base normal individual y en base a la unidad de 1. procesos para el dimensionamiento del alivio de presión – Las siguientes contingencias sencillas se deben considerar como la base normal para evaluar la sobrepresión que pueda resultar de las fallas de agua de enfriamiento:

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a.

Falla individual del suministro de agua a cualquier enfriador o condensador en particular

b.

Falla total de cualquier rama lateral de suministro a una unidad de procesos y que puede ser cerrada con válvulas desde la línea principal fuera del área de la planta.

2.

Consideración de una falla total en planta o en refinería – Deben considerarse las siguientes fallas de agua de enfriamiento:

a.

Falla de cualquier sección de la línea principal de agua fuera del área de la planta.

b.

Pérdida de la disponibilidad de todas las bombas de agua de enfriamiento que resultaría de cualquier contingencia sencilla en los sistemas auxiliares que suplen o controlan los impulsores de las bombas.

c.

Pérdida de la disponibilidad de todos los ventiladores en una torre de enfriamiento de agua que resultaría de una contingencia sencilla en el sistema de servicios industriales que suplen o controlan los impulsores de los ventiladores. Como se expuso anteriormente en el punto 5.2., “Falla de los servicios industriales como una causa de una sobrepresión” , generalmente se incluyen características de apoyo adecuadas reducir la probabilidad de ocurrencia de estas fallas mayores a un grado bajo aceptable. Como mínimo se debe suministrar lo siguiente:

d.

Bombas de agua de enfriamiento múltiples con impulsores diferentes y con interconexión automática de la bomba de repuesto.

e.

Por lo menos 30 minutos de retención útil del nivel de líquido en el sumidero de una torre de enfriamiento de agua, basado sobre la pérdida de agua de reposición, con una alarma independiente de bajo nivel de agua ajustada al nivel de retención de 30 minutos. Esto debería proveer suficiente advertencia al personal de operaciones para tomar las acciones correctivas. Sin tal alarma la falla del flujo de agua de reposición puede ser difícil de detectar.

f.

Suministro secundario selectivo de energía eléctrica a los motores de los ventiladores de la torre de enfriamiento de agua.

g.

Instrumentación y alarmas adecuadas para dar advertencia de fallas potenciales en el sistema de agua de enfriamiento, tal como una alarma de bajo flujo en el suministro de reposición de agua de enfriamiento. En casos apropiados se debe también considerar la aplicación de lo siguiente:

h.

Torres de enfriamiento múltiples.

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i.

5.3.3

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Cabezales de distribución entrecruzados o en circuito en anillo para beneficiarse de la capacidad adicional de reposición de las torres de enfriamiento múltiples.

Vapor de agua 1.

Consideraciones en base normal individual y en base a la unidad de procesos para el dimensionamiento del alivio de presión – Las siguientes contingencias sencillas deben ser consideradas como la base normal para evaluar la sobrepresión que puede resultar de las fallas de vapor de agua.

a.

Falla individual de vapor de agua a cualquiera de los componentes de los equipos que lo consuma (por ejemplo, impulsores de turbinas, recalentadores, despojadores, eyectores, etc.).

b.

Falla total de cualquier rama lateral de tubería que supla a una unidad de procesos desde la línea principal fuera del área física de la planta.

2.

Consideración de fallas totales en planta o en refinería – Deben considerarse las siguientes fallas generales del vapor de agua:

a.

Falla de cualquier sección de la línea principal de suministro fuera del área física de la planta.

b.

Pérdida de la disponibilidad de cualquier generador de vapor en particular.

c.

Pérdida de la disponibilidad de vapor comprado a terceros en cualquier línea de suministro. Como se expuso anteriormente en el punto 5.2. “Falla de los servicios industriales como una causa de una sobrepresión” , la probabilidad de ocurrencia de estas fallas mayores debe ser reducida a un grado bajo aceptable por características de apoyo, tales como las siguientes:

5.3.4

d.

Calderas múltiples con capacidad de repuesto y sometidas a combustión por combustibles múltiples.

e.

Sistemas de control y de alarma adecuados, arreglos para la distribución de las cargas, etc.

f.

Cabezales de distribución con suficientes circuitos y válvulas de modo que sólo se necesite cerrar una porción del sistema si ocurre un escape de presión de importancia.

Aire para instrumentos 1.

Consideraciones en base normal individual y en base a la unidad de procesos para el dimensionamiento del alivio de presión – Las siguientes contingencias sencillas deben ser consideradas como la base

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normal para evaluar la sobrepresión que pueda resultar de una falla de aire para instrumentos: a.

La pérdida del suministro de aire para instrumentos a cualquier instrumento de control individual o válvula de control. Se asume que ocurre la respuesta correcta ante la falla de aire. En el caso de válvulas de control del tipo que “permanece estacionaria”, se asume que tiene lugar la acción de desplazamiento a la posición abierta o cerrada. Las fallas de los controles automáticos se cubre más adelante en el punto 5.6 de esta sección bajo “Evaluación de la Sobrepresión resultante de Condiciones de Emergencia y Determinación de las Velocidades de Alivio”. Debe notarse que estas últimas consideraciones incluyen la falla de cualquier válvula de control en ambas posiciones, abierta y cerrada.

b.

Falla total de cualquier tubería lateral con válvula suministrando a una unidad de proceso desde la tubería principal fuera del límite de batería de la planta. Se asume que tiene lugar la respuesta correcta ante la falla de aire de instrumentos y válvulas de control (considere que las válvulas del tipo que “permanecen estacionarias” se mueven hacia la posición abierta o cerrada dependiendo de la dirección del actuador).

2.

Consideración de las fallas totales en planta o en refinería – Deben considerarse las siguientes fallas generales de aire para instrumentos:

a.

Falla de cualquier sección de la línea principal de aire para instrumentos fuera del área física de la planta.

b.

Pérdida del flujo a través de cualquier conjunto de secadores de aire para instrumentos. Como se explicó anteriormente en el punto 5.2. “Falla de los servicios industriales como una causa de una sobrepresión”, se debe reducir la probabilidad de ocurrencia de estas fallas mayores a un grado bajo aceptable, con características de apoyo apropiadas. Los siguientes renglones requerimientos mínimos:

5.3.5

deberían

ser

considerados

como

los

c.

Compresores de aire múltiples con impulsores diferentes y arranque automático del equipo de repuesto.

d.

Secadores múltiples de aire para instrumentos.

e.

Arranque automático del sistema de aire para mantenimiento.

f.

Cabezales de distribución con circuitos en anillo.

Energía eléctrica para instrumentos – La falla de energía eléctrica para instrumentos se evalúa en una base similar a la descrita para falla de energía eléctrica y se debe incluir en las consideraciones normales para el

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dimensionamiento del alivio de presión, la falla del suministro de energía eléctrica a todos los instrumentos controlados desde una barra de distribución sencilla (“single bus bar”). Las características de confiabilidad deberían incluir el suministro eléctrico secundario selectivo a salas de control, con apoyo de generadores de emergencia o baterías para instrumentos críticos y computadoras de control. Los controles críticos deberían ser capaces de operar continuamente independientes de los computadores de control. 5.3.6

Combustibles – Los suministros de combustibles a calderas, hornos, impulsores de turbina de gas y máquinas, etc., se diseñan con características tales como combustibles múltiples, apoyo con vaporizadores de propano y un tanque de compensación de combustible líquido para promover la confiabilidad. La falla de cualquier combustible en particular a una unidad de procesos o instalación generadora de un servicio auxiliar se usa como base para evaluar una sobrepresión potencial.

5.3.7

Otros servicios industriales – La falla de otros servicios industriales tales como gas inerte a sellos y sistemas de purga, o aire comprimido (cuando el proceso lo usa), puede en algunos casos determinar los requerimientos de alivio de presión. Estos casos se evalúan en base a una falla de contingencia sencilla, en forma similar a las anteriores.

5.4

Mal funcionamiento de los equipos como una causa de sobrepresión Los componentes de los equipos están sujetos a falla individual debido a mal funcionamiento mecánico, en adición a fallas como resultado de la falta del suministro de algún servicio auxiliar. Tales componentes incluyen bombas, ventiladores, compresores, mezcladores, instrumentos y válvulas de control. El descontrol del proceso que resulta de un tal mal funcionamiento (por ejemplo la falla de una bomba de reflujo), puede a su vez resultar en condiciones de emergencia y en una situación potencial de sobrepresión. Estas contingencias deberían examinarse y deberían también evaluarse como se describe en el punto 5.6 de esta sección “Evaluación de Condiciones de Emergencia y Determinación de las Velocidades de Alivio”. Al aplicar estas reglas generalmente puede concederse crédito por condiciones de presión o temperatura que existan bajo las condiciones de alivio o de máxima presión.

5.5

Errores del operador como causa de sobrepresión Los errores de los operadores se consideran como una causa potencial de sobrepresión, aunque generalmente no se consideran las contingencias causadas por extrema negligencia o incompetencia. Casos de extrema negligencia que no se incluyen generalmente son: olvido de remover discos ciegos, vacío debido al bloqueo de un recipiente que trabaja con vapor durante una

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parada de mantenimiento, desvío de dispositivos de emergencia, operar con una válvula de bloqueo cerrada asociada con una válvula de alivio de presión y un grave desalineamiento del flujo de proceso durante un arranque. El cierre o apertura de válvulas que normalmente deben estar trabadas en la posición abierta (CSO) o trabadas en la posición cerrada (CSC) es considerado como un caso de extrema negligencia (Referirse al punto 5.13 sobre válvulas CSO bajo “Evaluación de las rutas de Presurización en el Diseño del Alivio de Presión). Un ejemplo típico de un error de un operador que debería ser considerado es la apertura o cierre de una válvula sin darse cuenta de lo que está haciendo. Las sobrepresiones posibles deben evaluarse como se describe en el punto 5.6 “Evaluación de la sobrepresión resultante de Condiciones de Emergencia y Determinación de las Velocidades de Alivio” de esta sección.

5.6

Evaluación de la sobrepresión resultante de condiciones de emergencia y determinación de las velocidades de alivio En los siguientes párrafos se describen una variedad de situaciones típicas de emergencia en una planta que puedan resultar de fallas de servicios industriales, mal funcionamiento de los equipos o descontroles de la planta y que pueden resultar en una sobrepresión de los equipos. Se incluyen lineamientos para la evaluación de esas condiciones de emergencia y la determinación de las velocidades de alivio.

5.6.1

Falla de control automático – Los dispositivos de control automático son generalmente actuados directamente por el proceso o indirectamente por medio de una variable de proceso, o sea, presión, flujo, nivel de líquido o temperatura. Cuando falla la señal de transmisión o el medio operativo, el dispositivo de control adoptará una posición totalmente abierta o totalmente cerrada de acuerdo con su diseño básico, aunque algunos dispositivos pueden ser diseñados para permanecer estacionarios en la última posición de control. Tales válvulas de control para “permanecer estacionarios”, sin embargo, tienden a moverse a la posición que favorece el proceso y esto debe tomarse en cuenta. Se debe también estudiar atentamente la falla de un elemento medidor del proceso en un transmisor o controlador sin una falla coincidencial de la energía de operación al elemento final controlado para determinar el efecto en este elemento. Sin embargo, al examinar un sistema de proceso en cuanto a causas potenciales de sobrepresión, se asume que cualquier dispositivo de control automático puede fallar en la posición abierta o cerrada independientemente de su acción ante la pérdida de su señal de transmisión o medio operativo. Cuando el diseñador establece el tamaño de una válvula de control, por ejemplo al seleccionar el Cv, se asume que una válvula de ese tamaño ha sido instalada. Si más adelante se aumenta el tamaño de la válvula de control, puede ser necesario revisar las consideraciones de alivio de la válvula PR.

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Acción en el caso de falla de aire de instrumentos o falla eléctrica – El suministro de aire para instrumentos y de electricidad debería ser diseñado para minimizar el riesgo de situaciones de emergencia que puedan resultar por su falla. Esto se logra generalmente especificando el cierre de válvulas de control en fuentes de entrada de calor, drenajes de agua y corrientes de alimentación y de productos. El bloqueo total hermético de los equipos de la planta de esa manera (en base a que cualquier sobrepresión resultante será aliviada por válvulas de alivio de presión apropiadamente diseñadas) se considera más seguro que la descarga descontrolada a tanques u otras unidades. Una válvula de control en un sistema de calentamiento debe generalmente ser ajustada para cerrar por falla a fin de eliminar la entrada de calor. Sin embargo, una válvula de control en un circuito de calentamiento, tal como una válvula de control de flujo de entrada a un horno, debe generalmente ser ajustada para abrir por falla para evitar un sobrecalentamiento. Del mismo modo, los circuitos de calor integrados deben ser cuidadosamente estudiados para determinar el efecto de la pérdida del enfriamiento o calentamiento. Por ejemplo, un sistema de circuito cerrado que usa para calentar y enfriar puede resultar en una entrada de calor aumentada si falla la corriente que remueve el calor.

2.

Análisis del sistema de válvulas de control – Para evaluar los requerimientos de capacidad de alivio de un sistema para cualquier contingencia sencilla (que no sea la falla de un servicios auxiliar que afecte el movimiento de una válvula), tal como el cierre o apertura de una sola válvula o falla de un servicio auxiliar, se asume que todas las válvulas de control en el sistema que abren bajo los efectos de las contingencia en consideración, permanecen en la posición requerida para el flujo normal del proceso. Por lo tanto, puede concederse un crédito por la capacidad normal de esas válvulas, corregida para las condiciones de alivio, con tal que el sistema aguas abajo sea capaz de manejar el aumento de flujo. Si bien algunos controladores pueden responder correctamente aumentando la apertura de las válvulas, el crédito de capacidad debe concederse sólo hasta la extensión correspondiente a su posición operativa normal. Esto evita decisiones subjetivas involucradas al evaluar los tiempos de respuesta y los efectos de los ajustes de los controladores, tales como banda proporcional, reajuste (“Reset”) y velocidad de acción. Esto es también compatible con la filosofía básica que establece que los instrumentos pueden no necesariamente operar en una situación de emergencia. En el caso de que una válvula cierre bajo la contingencia considerada no debe concederse ningún crédito por alivio a través de esa válvula.

3.

Falla de una válvula de control individual – Las siguientes fallas individuales de válvulas de control deberían incluirse en el análisis de

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sistemas de control para la determinación de los requerimientos de alivio de presión: a.

Falla en la posición totalmente abierta de una válvula de control que admite un fluido desde una fuente de alta presión a un sistema con una presión más baja.

b.

Falla en la posición totalmente abierta de una válvula de control que normalmente deja pasar líquido desde una fuente de alta presión a un sistema con una presión más baja, seguido de la pérdida de nivel de líquido en el recipiente aguas arriba y flujo de vapor de alta presión solamente.

c.

Falla de una válvula de control en la posición cerrada en la corriente de salida de un recipiente o sistema.

d.

Una válvula de control que falla abierta con su desvío abierto al mismo tiempo. En este caso, la velocidad de alivio y el orificio de alivio de presión deben basarse en la falla de la válvula de control con el desvío 50% abierto (basado en área) a 110% de la presión de diseño. Al analizar tales fallas individuales de válvulas de control debe considerarse la acción de otras válvulas de control del sistema, de acuerdo con el párrafo 2 anterior. En los dos primeros casos anteriores, puede concederse un crédito, donde aplique, por la reducción de la presión de una fuente de alta presión debido a la reducción del inventario neto durante el período que la presión del equipo aguas abajo esté subiendo para aliviar la presión. Sin embargo, las instalaciones de alivio de presión deben ser dimensionadas para manejar las condiciones de flujo “pico” calculadas.

4.

Consideraciones de capacidad especial – Aunque los dispositivos de control tales como válvulas de control operadas por diafragma, son especificadas y dimensionadas para condiciones operacionales normales, se espera también que ellos operen durante condiciones de trastorno operacional, incluyendo los períodos cuando los dispositivos de alivio de presión estén aliviando. Se debe seleccionar el diseño de válvula y capacidad del mecanismo operador de la válvula para asegurar la operación del tapón de la válvula de acuerdo con las señales de control durante las condiciones de presiones anormales. Cuando existen muchas discrepancias entre las condiciones normales y de emergencia se deben cubrir en la sección de Especificación de Diseño los requerimientos de más alta presión del mecanismo operador de la válvula. Al determinar los requerimientos de alivio de presión, se deberían calcular las capacidades de las válvulas de control para las condiciones de temperatura y presión de alivio, puesto que en muchos casos estas son significativamente diferentes de las capacidades a las condiciones

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operacionales normales. Los equipos aguas abajo deben ser analizados bajo las condiciones de alivio. 5.

Evaluación de la presurización y de la vía de escape de presión – Se debe hacer también referencia a “Evaluación de la ruta de Presurización en el diseño del alivio de presión” y “Evaluación de la ruta de Escape de presión en el diseño de alivio de presión” más adelante en esta sección, en los puntos 5.13 y 5.14 para una exposición complementaria de las válvulas de control como un factor en el diseño del alivio de presión.

5.6.2

Falla de enfriamiento en condensadores – En adición a la falla general del agua de enfriamiento descrita bajo “Falla de los Servicios Industriales como una Causa de Sobrepresión” se debe considerar la falla del flujo de agua de enfriamiento a cada condensador o enfriador individual. Normalmente no se concede ningún crédito por el efecto en un condensador de tubos y carcaza después de una falla de la corriente de enfriamiento, porque está limitada en el tiempo y depende de la configuración física de la tubería. Sin embargo, si el sistema de tuberías de proceso es anormalmente extenso y no aislado se debe considerar el efecto de la pérdida de calor a la atmósfera. 1.

Condensación total – El requerimiento de alivio es el flujo total de vapor que entran al condensador. Si se desea se puede conceder un crédito por la velocidad de alivio reducida cuando se recalcula una temperatura correspondiente a la nueva composición de los vapores a la presión de ajuste de la válvula de alivio de presión más la sobrepresión, y por la entrada de calor que prevalece en el momento del alivio. La capacidad de compensación del acumulador del tope a un nivel de líquido normal está típicamente limitada a menos de 10 minutos. Si la duración de la falla de enfriamiento excede el tiempo normal de sostenimiento del nivel, se pierde el reflujo y la velocidad de flujo de vapores del tope, su composición y temperatura pueden cambiar significativamente. Asimismo, la carga de vapores en el momento del alivio puede reducirse por debajo del flujo normal de diseño debido a la más alta presión que puede contrarrestar la vaporización en el momento de la sobrepresión. El “reventón” de un recalentador es un ejemplo de tal situación. En un caso tal pueden usarse las condiciones de diseño de la presión del vapor, en vez de la presión máxima del vapor que podría existir bajo condiciones de alivio de presión del sistema de vapor. Estos cambios pueden tomarse en cuenta, donde sea apropiado, tanto para el equipo involucrado como para los equipos aguas abajo.

2.

Condensación parcial – El requerimiento de alivio es la diferencia entre los flujos de vapores de entrada y de salida a las condiciones de alivio. El flujo de vapores de entrada debe ser calculado en la misma base que se estableció en el renglón 1. Si el reflujo cambia en cantidad o composición, el

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flujo de vapores que entra al condensador debe determinarse para las nuevas condiciones. 5.6.3

Falla de intercambiadores de aire – La pérdida de la capacidad de un intercambiador por aire puede resultar de una falla del ventilador o cierre inadvertido de las rejillas. 1.

Falla del ventilador – El efecto de la falla de un ventilador sobre la capacidad de transferencia de calor dependerá de la configuración de los ventiladores y de los haces de tubos. Para propósitos de diseño del alivio de presión se considera la contingencia sencilla de la falla de un ventilador (la falla de todos los ventiladores que resultaría de una falla eléctrica general, estaría incluida bajo las consideraciones de falla de los servicios industriales). Se puede conceder crédito por la transferencia continua de calor como resultado de la convección natural. Como una guía esta concesión puede ser 10% de la capacidad de diseño para el servicio de condensación y 30% de la capacidad de diseño para servicio de enfriamiento, aplicado sobre el área de los haces de tubos afectados por la falla del ventilador.

2.

Falla de las rejillas – El cierre inadvertido de las rejillas puede ser el resultado de una falla del control automático o de una falla mecánica de interconexión. El efecto sobre la transferencia de calor dependerá del grado de restricción del flujo de aire en la posición cerrada, y de la configuración de las rejillas en relación a los haces de tubos (por ejemplo, puede que las rejillas no hayan sido instaladas sobre todos los haces de tubo en un servicio dado). Para los efectos del diseño del alivio de presión se asume la contingencia sencilla del cierre de un juego de rejillas (la falla de todas las rejillas que resultaría de una falla general de aire para instrumentos o falla general eléctrica se incluye en las consideraciones de las fallas de los servicios industriales). Se puede conceder un crédito por la continuación de la transferencia de calor por medio del flujo de aire restringido. Como una guía se puede dar un crédito de 10% de la capacidad de diseño para servicio de condensación y 30% de la capacidad de diseño para servicio de enfriamiento, aplicado sobre el área de los haces de tubos afectados por la falla del juego de rejillas.

5.6.4

Condiciones especiales en un circuito cerrado – Cuando se aplica calentamiento o enfriamiento en un circuito cerrado (por ejemplo un sistema de aceite caliente o de refrigeración) se deben considerar las condiciones de sobrepresión que puedan ocurrir por pérdida del flujo del fluido, pérdida de la entrada de calor o de la remoción de calor. 1.

Falla del flujo de reflujo – En algunos casos la falla del reflujo (por ejemplo por causa de una bomba que se pare o el cierre de una válvula) causará la inundación de los condensadores, lo que es equivalente a la capacidad

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requerida de una válvula de alivio de presión por pérdida total del medio enfriante. Los cambios de composición causados por la pérdida de reflujo pueden producir propiedades diferentes de los vapores, que afectan la capacidad. Corrientemente una válvula de alivio de presión dimensionada para una falla total del medio enfriante será adecuada para esta condición, pero cada caso debe ser examinado con relación a los componentes particulares y el sistema involucrado. 2.

Falla del flujo en el circuito de una bomba circulante – El requerimiento de alivio es equivalente a la rata de vaporización causada por una cantidad de calor igual al calor removido en el circuito de flujo alrededor de la bomba. El calor latente de vaporización es el correspondiente a la temperatura y presión de las condiciones de la válvula de alivio de presión. Si aplica se puede considerar el agotamiento de los calentadores a vapor.

3.

Falla del flujo del medio absorbente – Para la absorción con aceite pobre generalmente no existe un requerimiento de alivio por falla del flujo de este aceite. Sin embargo, en una unidad donde pueden removerse grandes cantidades de vapores de entrada en el absorbedor, la pérdida del medio absorbente puede causar un aumento de presión que requiera alivio puesto que el sistema aguas abajo puede no ser adecuado para manejar el aumento de flujo. En tales casos debe analizarse el efecto del flujo de los vapores adicionales sobre los equipos aguas abajo.

4.

Pérdida del calor en un sistema de fraccionamiento en serie – En el fraccionamiento en serie, o sea cuando el flujo del fondo de la primera columna alimenta la segunda columna, y el flujo del fondo de la segunda alimenta una tercera, es posible que la pérdida de la entrada de calor a una columna cause la sobrepresión de la siguiente columna. La falta de calor resulta en que algunas de las fracciones livianas se queden en el fondo de la columna y sean transferidos a la columna siguiente como alimentación. Bajo estas circunstancias, por ejemplo, la carga de vapores del tope de la segunda columna puede consistir en su carga normal de vapores más las fracciones livianas provenientes de la primera columna. Si la segunda columna no tiene suficiente capacidad de condensación para la carga adicional de vapores puede tener lugar una presión excesiva.

5.

Entrada anormal del calor en el proceso – La capacidad requerida es el flujo máximo de generación de vapores a las condiciones de la válvula de alivio de presión, incluyendo todos los no–condensables producidos por el sobrecalentamiento, menos la condensación normal o el flujo de salida de vapores. En cada caso el diseñador debe considerar la conducta potencial de un sistema y cada uno de sus componentes. Por ejemplo, el combustible o la válvula de control del medio de calentamiento o la transferencia de calor por el lado de los tubos puede ser la consideración limitante. Consistente con las prácticas para otras causas de sobrepresión, se deben usar valores de

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diseño para cálculos como el del tamaño de la válvula. Sin embargo, se debe considerar la sobre–capacidad intrínseca, tal como la práctica común de especificar quemadores capaces de trabajar con un 125% del calor de diseño a la entrada del calentador. Esto no fija generalmente la capacidad de la válvula de alivio de presión. En los casos en que se instalan accesorios para limitar el movimiento del vástago de las válvulas, se debería usar la capacidad de la válvula totalmente abierta en vez de la capacidad al ajuste de límite. Para equipos de intercambio de calor del tipo tubos/carcaza, la entrada de calor se debería calcular en base a condiciones limpias en vez de condiciones de ensuciamiento. 5.6.5

Condiciones de emergencia en plantas integradas – En plantas integradas un descontrol del proceso en una unidad puede tener un efecto sobre otras unidades (por ejemplo, la pérdida del flujo en un circuito de bomba circulante que se usa como fuente de calor para recalentar otras columnas). Se deben considerar todas las posibilidades como esas y evaluar el potencial de una sobrepresión resultante. 1.

Entrada de calor anormal desde un recalentador – Los recalentadores se diseñan con una entrada de calor especificada. Cuando están nuevos o limpiados recientemente, puede ocurrir una entrada de calor adicional por encima del diseño normal. En el caso de una falla del control de temperatura, la generación de vapor puede exceder la habilidad del sistema de proceso para condensar o absorber de otra manera el aumento de presión, que puede ser también causado por no–condensables producidos durante el sobrecalentamiento.

2.

Acumulación de no–condensables – Los no–condensables no se acumulan bajo condiciones normales puesto que son desalojados con las corrientes de vapores del proceso. Sin embargo, en ciertas configuraciones de tubería es posible que se acumulen los no–condensables hasta el punto que un condensador sea bloqueado. Tal condición podría suceder si una válvula automática de control de venteo fallara en la posición cerrada por un lapso de tiempo. Este efecto es igual a una pérdida total del medio enfriante y por consiguiente no necesita ser considerada separadamente.

3.

Agua o hidrocarburos livianos en el aceite caliente – Aunque esta situación está presente como una causa potencial de sobrepresión, no existen métodos generalmente reconocidos para calcular los requerimientos de alivio de presión. En situaciones limitadas si se conocen la cantidad de agua presente y el calor disponible en la corriente de proceso, puede calcularse el tamaño de la válvula de alivio de presión como una válvula de vapor. Por ejemplo, en el caso de un acumulador de la corriente de alimentación caliente que opera por encima de 100 °C, puede ser posible estimar la presión

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que se desarrollaría si se bombeara agua dentro del recipiente al caudal de alimentación normal. En la mayoría de los casos, sin embargo, la cantidad de agua no es conocida aún entre límites muy amplios. también, puesto que la expansión de volumen del estado líquido al de vapor es tan grande (aproximadamente 1400 veces a presión atmosférica) y la velocidad de generación de vapor es así mismo tan grande, es dudoso si una válvula de alivio de presión podría abrir lo suficientemente rápido para ser de utilidad, aunque un disco de ruptura podría proveer alivio. Puesto que los discos de ruptura no son muy prácticos, normalmente no se provee ningún dispositivo de alivio de presión para esta contingencia. Por lo tanto, el diseño y operación de un sistema apropiado de proceso, incluyendo las condiciones de arranque, son requerimientos muy importantes para eliminar esta posibilidad. Algunas de las precauciones que pueden tomarse son evitar los “bolsillos” colectores de agua, proveer trampas de condensado de vapor apropiadas y bloqueos dobles y drenajes en conexiones de agua a líneas de proceso calientes. Asimismo, no se deben instalar conexiones de retiro del fondo de recipientes con extensiones internas, que puedan atrapar el agua en el fondo del recipiente. Refiérase también a lo expuesto bajo “Operaciones con Asfalto y Tanques Atmosféricos”. 4.

Bloqueo de equipos por el colapso de partes internas, coque, etc.– Se deberían considerar contingencias tales como colapso de las partes internas del lecho de un reactor (como por ejemplo, las parrillas de un reactor de lecho fijo, lechos con catalizador coquizado, acumulación de partículas finas de catalizador, obstrucción de pantallas y coladores, líneas bloqueadas con coque, etc.) que pudieran presentarse para identificar situaciones de sobrepresión. El colapso de las partes internas de una columna fraccionadora es tan poco probable que generalmente no es una consideración de diseño.

5.

Válvula manual – La operación inadvertida de una válvula de bloqueo mientras la planta está en operación puede exponer los equipos a una presión que excede la presión máxima de trabajo permitida. Para propósitos de diseño se considera que sólo una válvula manual es abierta o cerrada y que los dispositivos de control están en su posición normal de diseño, como se describió anteriormente. Se requiere una válvula de alivio de presión si la válvula de bloqueo no está asegurada con cadena y candado o “car sealed” en su posición de abierta, y si el cierre de tal válvula puede resultar en una sobrepresión. Para las limitaciones del uso de válvulas “CSO”, refiérase al punto 5.14 expuesto bajo “Evaluación de la ruta de Escape de presión en el Diseño de Alivio de Presión” de esta sección.

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La cantidad de material a ser aliviada debería determinarse a las condiciones que corresponden a la presión de ajuste de la válvula de alivio más la sobrepresión y no a las condiciones de operación normales. Frecuentemente, resulta una disminución apreciable de la capacidad de la válvula de alivio de presión requerida cuando esa diferencia de las condiciones es bastante grande. Se debería también considerar el efecto de la caída de presión por fricción en la línea de interconexión entre la fuente de sobrepresión y el sistema que está siendo protegido, cuando se determina el requerimiento de capacidad. Si la válvula deja pasar un líquido que se evapora súbitamente al bajar la presión o el contenido de calor causa la evaporación del líquido, esto se debe considerar cuando se determina el tamaño de la válvula de alivio. 6.

Arranque, parada y operaciones alternas – Para propósitos de protección contra la sobrepresión no sólo se deben considerar las condiciones operacionales estables sino también las condiciones de un arranque, parada, lavado, regeneración, tipos de alimentación variables, operaciones restringidas y cualquier otra condición de operación posible que sea diferente de las normales.

7.

Aumento de la capacidad de la planta – Cuando se aumenta la capacidad de la planta, debe re–evaluarse todo el sistema de alivio de presión, aun si se han instalado equipos adicionales. Por ejemplo, una unidad que está operando a 120% de la capacidad de diseño puede requerir una capacidad de alivio de presión adicional.

5.7

Sobrepresión en componentes específicos del equipo Además del mal funcionamiento de componentes del equipo que puedan causar una sobrepresión operativa en equipos asociados (por ejemplo, una sobrepresión en un fraccionador debido a la falla del agua de enfriamiento o de la bomba de reflujo), algunos componentes del equipo están sujetos a sobrepresión por razones mecánicas. Tales componentes incluyen intercambiadores de calor, bombas, compresores, turbinas y hornos. En los siguientes párrafos se describe el diseño para la protección apropiada de esos componentes. 1.

Falla en los tubos de un intercambiador de calor – En un intercambiador de calor del tipo tubos/carcaza, los tubos están sujetos a falla debido a varias causas tales como choque térmico, vibración o corrosión. Cualquiera que sea la causa, el resultado es la posibilidad de que una corriente a alta presión sobrepresione el equipo en el lado de baja presión del intercambiador. El diseño económico normalmente requiere que la corriente a mayor presión fluya a través de los tubos, puesto que esto resulta en una carcaza más delgada, pero esto no es siempre el caso. Se deben conocer las relaciones de presión para permitir la evaluación apropiada de los resultados de la falla en los tubos. así también se debería

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determinar la capacidad del sistema de baja presión para absorber el alivio de presión. Es necesario cuantificar el posible aumento de presión, para determinar si se requiere alivio de presión adicional en el caso de que el flujo de alta presión se descargue en la corriente de baja presión, por causa de la rotura de un tubo. La base general de diseño es que el lado de baja presión de un intercambiador de calor debe ser protegido por medio de aparatos de alivio de presión, si la presión de diseño en el lado de baja presión es menor que dos tercios, la presión de diseño del lado de alta presión y también si la tubería en el lado de baja presión no puede soportar la descarga a través de un tubo roto sin exceder el valor de dos tercios la presión de diseño del lado de alta presión. Todo el sistema de baja presión debe ser examinado para sobrepresión potencial a través de un tubo roto. Si la decisión es aumentar la presión de diseño del lado de baja presión para eliminar la necesidad de una válvula de alivio de presión, es imperativo que todo el lado de baja presión sea verificado para asegurarse que la presión de diseño del lado de baja presión sea mayor o igual a dos tercios la presión de diseño del lado de alta presión. El efecto de cambios de temperatura en el lado de baja presión como resultado de un escape de presión en un tubo no se toma en cuenta generalmente cuando la temperatura de diseño del lado de baja presión es especificada, puesto que un aumento de temperatura se considera normalmente como una caso de esfuerzo permitido de corta duración. Sin embargo, en los casos de fractura por fragilidad, que podrían ocurrir en el lado de baja presión, existen varios procedimientos para minimizar el riesgo de la falla de un tubo (tales como el soldar los tubos a la placa de tubos y uso de un mejor material para obtener mayor resistencia contra la corrosión) que son una alternativa más aceptable a especificar materiales resistentes a la fractura por fragilidad, en toda la extensión del lado de baja presión. 2.

Bombas y equipos aguas abajo – Una válvula de alivio PR se requiere para una bomba cuando la presión de la bomba con la descarga cerrada es mayor que la presión de diseño de la tubería de descarga, del equipo aguas abajo o de la carcaza de la bomba. Las bombas de desplazamiento positivo normalmente requieren tal protección, mientras que en la mayoría de los casos las bombas centrífugas no la requieren. La capacidad de una válvula de alivio de presión en la descarga de una bomba debería ser igual a la capacidad de la bomba, excepto que para una bomba centrífuga con una curva de rendimiento conocida, puede aprovecharse la reducción de la capacidad de la bomba a medida que desciende en su curva de rendimiento, para también reducir el tamaño de la válvula de alivio de presión. La presión de descarga de una bomba centrífuga funcionando con la descarga cerrada, para determinar si los equipos aguas

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abajo necesitan protección con una válvula de alivio de presión, se calcula como se describe a continuación, a menos que se requieran presiones de diseño más altas debido a otras consideraciones diferentes a la presión de descarga de la bomba. Se debe hacer referencia también a los document os PDVSA– MDP–02–P–06 MDP–02–P–06 “Calculos en Servicios de Bombeos” y PDVSA– MDP–02–P–08 MDP–02–P–08 “Bombas de Desplazamiento Positivo”. a.

Para una bomba centrífuga una obstrucción aguas abajo usualmente causa un aumento de la presión de succión, de modo que la presión de diseño para la carcaza de la bomba y el equipo aguas abajo, es normalmente la presión de succión máxima, más la presión diferencial máxima de la bomba que se desarrolla al cerrar la descarga totalmente. Cuando una obstrucción aguas abajo no causa un aumento de la presión de succión, la presión de diseño es la presión mayor entre (a) la presión de succión normal más la presión diferencial máxima de la bomba o (b) la presión de succión máxima de la bomba más la presión diferencial normal de la bomba. La determinación más exacta de la presión diferencial máxima de la bomba se hace por medio de la curva de rendimiento para la bomba en particular. Esa curva puede no estar disponible durante la fase de diseño, de modo que se pueden consultar curvas reales para bombas similares en servicios parecidos. Si esta información no está disponible, la presión diferencial máxima puede aproximarse usando al menos el 120% de la presión diferencial normal de la bomba. En tales casos, debe corroborarse el diseño cuando las curvas reales estén disponibles.

b.

La presión de diseño de una bomba reciprocante impulsada por vapor y la presión del equipo aguas abajo, se puede fijar como la máxima presión de proceso que el cilindro a vapor es capaz de producir a la presión máxima del vapor, en cuyo caso no se requieren instalaciones de alivio de presión. Sin embargo, en la mayoría de los casos no es económico fijar la presión de diseño del equipo aguas abajo, tan alta como esta máxima presión restrictiva. En estos casos se requeriría una válvula de alivio de presión para proteger el equipo aguas abajo contra la sobrepresión. Para bombas reciprocantes impulsadas por motores eléctricos, las válvulas de alivio de presión sirven para el doble propósito de proteger contra la sobrepresión a la bomba y a la tubería aguas abajo y además de proteger el impulsor contra una sobrecarga. El volumen PDVSA– MDP–02–P–08 PDVSA– MDP–02–P–08 “Bombas de Desplazamiento Positivo”, describe esta aplicación. Otras bombas de desplazamiento positivo tales como bombas rotativas de engranaje y de diafragma, requieren normalmente protección con una válvula de alivio de presión para ambos, la bomba y del equipo aguas abajo. Las válvulas de alivio de presión para todas las bombas de desplazamiento

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positivo deben tener una capacidad por lo menos igual a la capacidad de la bomba. Para cualquier bomba que requiera una válvula de alivio de presión para su protección o la de los equipos aguas abajo, la presión de ajuste de la válvula de alivio debe ser mayor que la presión de descarga normal de la bomba en 170 kPa (25 psi) o 10% de la presión de ajuste, cualesquiera de las dos que sea la mayor. mayor. Debe tenerse en cuenta, sin embargo, que en algunos casos puede ser deseable una presión de ajuste más elevada en la válvula de alivio de presión para asegurar un diferencial suficiente cuando la bomba va a ser operada bajo un flujo de bombeo más bajo que el del diseño normal. Esto reconocerá la más alta presión de descarga de la bomba bajo condiciones de bajo flujo. En el caso de las bombas reciprocantes, es deseable un diferencial mayor a un 10% debido a oleaje de presión. Las válvulas de alivio de presión de las bombas deberían descargar a un sistema cerrado. En muchos casos pueden ser convenientemente enviadas a la línea de succión o al recipiente de succión. 3.

Compresor y Equipos Aguas Abajo – Las válvulas de alivio de presión son requeridas por cualquier compresor donde la máxima presión que pueda ser generada durante oleaje o condiciones de descarga restringida exceda la presión de diseño de la tubería de descarga, equipo aguas abajo o carcaza del compresor. Para compresores centrífugos, es usualmente económico fijar la presión de diseño más baja que la máxima presión posible que el compresor pueda desarrollar y proporcionar una protección adecuada sobre la descarga con una válvula de alivio de presión. En algunos casos (por ejemplo, donde el flujo fluj o a través de la válvula de alivio de presión sería la descarga más grande, determinando así del tamaño de un sistema cerrado de disposición), puede ser ventajoso fijar la presión de diseño de la carcaza del compresor y del equipo aguas abajo igual a la máxima presión que puede ser generada en un punto de oleaje, asumiendo la más severa de las combinaciones de velocidad, peso molecular, molecular, presión de succión y condiciones de temperatura que puedan ocurrir como resultado de una contingencia sencilla. Sin embargo, esto generalmente no es lo deseable. Para los compresores de desplazamiento positivo, casi siempre se requieren válvulas de alivio de presión en la descarga. Generalmente, no es económicamente atractivo el confiar en la parada del compresor reciprocante, ya que las presiones de parada del impulsor son usualmente bastante altas en comparación con la presión de operación. Las carcazas en la etapa de baja presión y los circuitos interetapas en compresores multietapas centrífugos y de desplazamiento positivos no están normalmente diseñadas para la presión de descarga completa y deben estar también provistas con protección contra sobrepresión.

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La presión de ajuste para las válvulas de alivio de presión para compresores centrífugos debería ser mayor que la presión normal de operación en 170 kPa (25 psi) o 10% de la presión de ajuste cualesquiera de las dos que sea mayor. Sin embargo, en el caso de los compresores reciprocantes, un diferencial mayor a un 10% puede ser deseable debido a los oleajes de presión. Las válvulas de alivio de presión interetapas deberían deberían ser ajustadas al menos tan altas como la presión de ajuste de salida del compresor, para evitar el levantamiento de la válvula durante paradas del compresor. La capacidad de una válvula de alivio de presión debería ser igual a la capacidad del compresor en condiciones de emergencia. Para compresores centrífugos la combinación del punto de ajuste de la válvula de alivio de presión y capacidad de alivio debería ser tal que evite condiciones de oscilación por causa de las condiciones anticipadas de emergencia, combinada con las variables operacionales. Las válvulas de alivio de presión de compresores deberían descargar a sistemas apropiados atmosféricos o cerrados y nunca a la succión de la máquina. 4.

Turbina de vapor va por – Se requiere una válvula de alivio de presión en la línea de entrada de vapor de agua para cualquier turbina de vapor, si la presión máxima de suministro de vapor es mayor que la presión de diseño de la entrada de la carcaza. La válvula de alivio de presión debería ser ajustada a la presión de diseño de la entrada de la carcaza y dimensionada para evitar la sobrepresión de la carcaza bajo condiciones de suministro de vapor totalmente abierto y flujo normal de escape de presión. La protección del lado de escape de presión de las turbinas de vapor depende de si están en servicio de condensación o están en servicio de no–condensables, como se expone a continuación:

a.

Turbina de condensación – El condensador y la carcaza del extremo de descarga de una turbina de condensación no son diseñados normalmente para soportar la presión total del suministro de vapor. Por lo tanto, en tales casos se debe proveer protección contra la sobrepresión que resultaría debido a pérdida del flujo de agua de enfriamiento u otra falla operacional. El tipo especial de válvula de alivio de presión que se instala normalmente para este propósito en el escape de presión de la turbina se ilustra en la Figura 1. No tiene un extremo con resorte y es normalmente sostenida en posición cerrada por las condiciones de vacío en el condensador, pero se requiere un suministro de agua fresca (no agua salada o sucia) para el sistema de sello. El suplidor del condensador usualmente especifica y provee la válvula de alivio de presión de acuerdo con las especificaciones de “Standards of the Heat Exchanger Institute, Surface Condenser Section”. Los flujos de alivio requeridos para estas válvulas de alivio de presión se basan en el flujo de vapor a la turbina y el tamaño apropiado puede

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corroborarse con la tabla siguiente la cual se ha extraído de los “Standards of the Heat Exchanger Institute”.

Flujo Máximo de Vapor a la Turbina (kg/s) (1)

Tamaño Requerido de la Válvula de Alivio (mm2)

< 0 .9 5

1 50

0,95–1.49

200

1.50–2.14

200

2.15–2.14

200

2.53–2.91

250

2.92–3.80

250

3.81–4.81

300

4.82–5.67

300

5.68–5.94

350

5.95–7.81

350

7.81–8.56

400

8 .5 7 – 1 0 .3 3

4 00

1 0 .3 4 – 1 3 .3

4 50

1 3 .4 – 1 5 .1

450

1 5 .1 – 2 1 .4

500

2 1 .5 – 3 1 .5

600

3 1 .6 – 4 7 .9

750

NOTA: Para convertir kg/s a lb/h, divida entre 1.2599x10 –4. Para convertir mm a pulg, divida entre 25.4 b.

Turbina sin condensación – La carcaza de una turbina sin condensación no está normalmente diseñada para soportar la presión total de suministro de vapor en el extremo de descarga. Se requiere por lo tanto una válvula de alivio de presión en el extremo de descarga si la presión en cualquier parte de la carcaza puede llegar a exceder la presión de diseño como resultado del cierre de la válvula en dicho extremo, fluctuaciones de la contrapresión o contingencias similares. La válvula de alivio de presión debe descargar a la atmósfera y la presión de ajuste debería ser mayor que la presión de escape de presión normal en 170 kPa (25 psi) o 10% de la presión de ajuste, cualquiera de las dos que sea mayor.

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Más aún, la presión de diseño más baja de cualquier sección de la carcaza se debe especificar para que no sea menor que la presión a que puede ser sometida bajo las condiciones de alivio de la válvula de alivio de presión. Esto es necesario para dar margen para la caída de presión dentro de la carcaza. La válvula de alivio de presión debería ser dimensionada para dejar pasar el flujo normal de vapor a la turbina, pero puede concederse un crédito por el flujo de vapor que es retirado de una etapa intermedia de la turbina, si no fuera bloqueado por la misma contingencia como cierre del escape de presión. Las excepciones a los requerimientos anteriores aplican en los casos siguientes: a.

Las turbinas que descargan a la atmósfera a través de la tubería abierta sin válvulas no requieren protección contra la sobrepresión en el escape de presión.

b.

Las turbinas que descargan en una salida principal de vapor a través de una conexión en el tope o lateral no requieren protección contra la sobrepresión en el escape, con tal que la presión máxima de entrada del vapor no exceda 1000 kPa manométricas (145 psig), pero se debe proveer un letrero de advertencia en la válvula de escape de presión que indique la forma de manipular esta válvula. Debe instalarse también una válvula tipo centinela en la carcaza de la turbina para dar una advertencia audible. (NOTA: esto puede no ser permitido por códigos locales).

5.

Hornos y calderas – La sobrepresión puede producirse en los hornos y las calderas en dos formas: sobrepresión de la caja de combustión por ventiladores de tiro forzado o ruptura de tubos y sobrepresión de los tubos debido a pérdida del flujo del fluido o bloqueo de la salida, con el sobrecalentamiento resultante. 1.

Sobrepresión en la caja de combustión – La caja de combustión de un horno y calderas con tiro forzado está diseñada para soportar la sobrepresión que pueda generarse por los ventiladores con sus compuertas de tiro en posición cerrada de acuerdo co n el documento PDVSA– MDP–05–F–05 “Precalentadores de Aire” y el Manual de Ingeniería de Diseño B–201–PR, “Calentadores de fuego directo”. Esto necesita comprobarse particularmente cuando se proveen ventiladores de tiro forzado y de tiro inducido, para descargar los productos de combustión a través de las instalaciones de recuperación de calor, puesto que pueden usarse presiones en los ventiladores mayores que las normales para vencer la caída de presión. En el caso de hornos de proceso de alta presión, la ruptura de un tubo puede ser también la causa de sobrepresión en la caja de combustión.

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2.

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Sobrepresión en el lado de vapor de una caldera – Todas las calderas sometidas a combustión están provistas de válvulas de alivio de presión dimensionadas para aliviar el flujo total de vapor en el caso del cierre de la salida normal de vapor de acuerdo con el Código ASME (“American Society of Mechanical Engineering”: Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos), Sección I “Power Boilers” (calderas de potencia) u otras regulaciones que aplican. La protección contra la sobrepresión para calderas de recuperación de calor de desecho se diseña de acuerdo con los requerimientos del “Código ASME” para recipientes a presión, siempre y cuando los recipientes satisfagan las definiciones del párrafo U–1(e) de la Sección VIII, División 1 del Código.

3.

Sobrepresión en los serpentines de un horno de proceso – El serpentín de cualquier horno en que el flujo del fluido de proceso puede ser interrumpido por el cierre inadvertido de una válvula en la salida del horno (por error del operador) está sujeto a sobrepresión potencial y falla de un tubo debido a sobrecalentamiento y consecuente reducción del nivel de esfuerzo permitido. A menos que puedan eliminarse efectiva– mente tales mecanismos de interrupción del flujo (que surgen de una contingencia sencilla), el horno debe ser provisto de una válvula de alivio de presión en la salida del serpentín. En aplicaciones como ésta, la válvula de alivio de presión funciona asegurando la continuidad del flujo a través del serpentín, así como también limitando la presión máxima. Es por lo tanto necesario que el sistema de alimentación sea capaz de proveer el flujo necesario a las condiciones de alivio de la válvula de alivio de presión. La sobrepresión y falla de un tubo puede también ser resultante del cierre de una válvula en el lado de entrada al horno o por falla de la bomba de alimentación, si el serpentín permanece presionado por el equipo aguas abajo. En estos casos, sin embargo, la sobrepresión ocurre a la presión de operación normal o por debajo de ella (debido al sobrecalentamiento en una condición de ausencia de flujo) y por lo tanto una válvula de alivio de presión no puede proveer la protección necesaria. Las características de diseño requeridas para evitar el sobrecalentamiento de los tubos de un horno y su sobrepresión consiguiente, son las siguientes:

a.

Se deberían proveer alarmas de bajo flujo, cierre hermético del combustible inmediato a la pérdida del flujo del fluido de proceso y confiabilidad del flujo de alimentación al horno de acuerdo con el documento PDVSA– MDP–05–F–02 “Consideraciones de Diseño”. L a alarma de bajo flujo y el cierre hermético del combustible proveerán alguna protección


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contra la falla de un serpentín debido a sobrecalentamiento por la pérdida del flujo de alimentación o cierre de la válvula de bloque en la entrada al horno. b.

Las válvulas de control en líneas de entrada al horno deberían abrir o permanecer estacionarias y luego moverse a la posición abierta, en un caso de falla de la señal o del medio actuante, con el fin de evitar el sobrecalentamiento del serpentín.

c.

Si se ha instalado una válvula de bloqueo en la entrada al horno, no se requiere una válvula de alivio de presión y la válvula de bloqueo no necesita ser del tipo CSO (válvula con dispositivo para bloquearla en la posición abierta). Sin embargo, si se instalan válvulas operadas manualmente o válvulas de control en cada paso de entrada al horno para proveer una distribución de la alimentación en un horno de pasos múltiples, se debería proveer una protección contra la pérdida del flujo de fluido en cualquier y cada pase en particular como sigue: 1.

Proveer un bloqueo del movimiento de la válvula hacia el cierre, o proveer un desvío abierto alrededor de cada válvula para que el flujo no pueda ser totalmente interrumpido, o

2.

Proveer indicador de flujo en cada pase con una alarma de bajo flujo. El bloqueo del movimiento hacia el cierre o desvíos deberían ser dimensionados para dejar pasar por lo menos el 25% del flujo de diseño a través de cada pase en particular. Asimismo, la alarma de bajo flujo y el cierre hermético del flujo de combustible deberían ajustarse para operar cuando el flujo disminuya al 25% del flujo de diseño. Si se provee una válvula de alivio de presión en la línea de alimentación al horno, la válvula debería ser ubicada aguas arriba del orificio que mide el bajo flujo de alimentación al horno y activa el cierre hermético del flujo de combustible, de modo que tenga lugar el cierre hermético del flujo de combustible si el horno es bloqueado en la salida.

d.

No usar válvulas de retención para aislar el horno. Consultar el documento PDVSA– IR–P–01. En caso de que exista una sola válvula de retención para aislar el horno, no requiere de dispositivo de alivio.

e.

Se requiere normalmente una válvula de alivio de presión en la línea de salida de un serpentín cuando tienen instalada una válvula de bloqueo que no puede ser del tipo CSO (válvula con dispositivo para bloquearla en su posición abierta), como por ejemplo, en una planta “Powerformer” o donde una válvula del tipo CSO no está permitida por códigos locales. La válvula de alivio de presión debería ser instalada preferentemente a la salida del

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serpentín, particularmente cuando la alimentación al horno es 100% de vapores. La válvula de alivio de presión debería ser diseñada para las condiciones de salida del horno, incluyendo una purga si es necesario para evitar la deposición de coque en la entrada a la válvula de alivio de presión. f.

Cuando se instala una válvula de bloqueo remota (VBR) en la salida de un horno para propósitos de aislamiento (bloqueo) de emergencia, según el documento PDVSA– IR–P–01, es necesario o bien proveer algún flujo a través de los tubos o interrumpir rápidamente el flujo de combustible a la caja de combustión para evitar la ruptura de un tubo en el caso de que la VBR sea cerrada inadvertidamente. Si bien se prefiere la instalación de una válvula de alivio de presión en la salida del serpentín, esto puede no ser siempre práctico, particularmente en hornos de alta presión debido a limitaciones de diseño de la válvula de alivio de presión. Por lo tanto, está permitido usar cualquiera de las dos alternativas siguientes (la válvula de alivio de presión es preferible): – Una válvula de alivio de presión: a. La válvula de alivio de presión puede instalarse como un desvío alrededor de la válvula VBR, o puede descargar a la atmósfera o a otro sistema cerrado. Debería ser dimensionada lo menos para 25% del flujo normal del horno y debería tener un punto de ajuste de 10% o 170 kPa manométricos (25 psig) por encima de la presión normal de operación, cualquiera de las dos que sea mayor. b. La fuente de alimentación al horno debe tener una característica de presión/flujo tal que por lo menos 25% del flujo normal sea mantenido a través del horno, si la válvula de bloqueo (VBR) es inadvertidamente cerrada y la válvula de alivio de presión se abre como consecuencia. Debe darse un margen para la caída de presión en el sistema debido al ensuciamiento. c.

d.

Si el equipo aguas arriba del horno está provisto de una válvula de alivio de presión, para protección contra la sobrepresión causada por el cierre de la descarga de una bomba o compresor, entonces el punto de ajuste debería ser lo suficientemente alto de modo que la válvula preferencialmente no abrirá, en el caso de que la válvula de alivio de presión en la salida del horno esté funcionando, para mantener el flujo. La válvula de alivio de presión debería ser diseñada para las condiciones a la salida del serpentín y debería incluir una purga si es necesario, para minimizar la deposición de coque en la entrada a la válvula de alivio de presión.

– Cierre del Flujo de Combustible y del Flujo de Proceso – La válvula VBR debería tener instrumentación de modo que cuando el desplazamiento del vástago de la válvula alcance el 50% de la posición cerrada active lo siguiente:

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a.

Cierre del flujo de combustible a la caja de horno.

b.

Parada de las bombas de alimentación del horno o compresores.

Debe proveerse un desvío con una válvula del tipo CSC (válvula con un dispositivo para bloquearla en su posición cerrada) alrededor de la válvula VBR para pruebas durante la operación con el fin de asegurarse del funcionamiento de la válvula VBR.

5.8

Sobrepresión causada por reacción química En ciertos procesos pueden ocurrir reacciones de descomposición o cambios bruscos de la temperatura como resultado de una falla del flujo de alimentación o de enfriamiento, sobrecalentamiento de la alimentación, contaminantes o causas similares. Los procesos con hidrógeno a alta presión o las reacciones de metanación son algunos ejemplos. En otros casos el aire introducido para reaccionar químicamente, como decoquización o regeneración de cataliza– dores, pueden causar sobrecalentamiento si no son cuidadosamente controlados. El sobrecalentamiento puede resultar en sobrepresión debido a una reducción del esfuerzo permitido. Por lo tanto, el diseño debe incluir posibilidades de monitoreo y de control para evitar la eventualidad de reacciones de descomposición y reacciones disparadas sin control, puesto que los dispositivos de alivio de presión convencionales normalmente no pueden proveer protección contra esas contingencias. Las temperaturas de diseño deben especificarse con un margen suficiente por encima de la temperatura de operación normal, para permitir la detección de temperaturas anormales y la toma de medidas correctivas por medio de controles manuales o automáticos. Las características apropiadas de diseño pueden incluir control adelantado de la temperatura de la alimentación, alarmas de alta temperatura, cierres automáticos por alta temperatura para interrumpir el flujo de alimentación y abrir un venteo, a la atmósfera o a un sistema cerrado, monitoreo adecuado de las temperaturas a través de un lecho de catalizador, etc.

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Sobrepresión causada por temperaturas anormales Debe tomarse en cuenta la interrelación entre los esfuerzos permitidos (y de ahí la presión de diseño del equipo) y las temperaturas que pueden surgir durante los descontroles operacionales, emergencias, arranque y parada. Los efectos de la alta temperatura en algunas contingencias particulares se presentan en el punto 5.11 “Incendio Como una Causa de Sobrepresión”, y el punto 5.8 “Sobrepresión Causada por Reacción Química”. Deben también evaluarse las bajas temperaturas que puedan resultar de condiciones ambientales, autorefrigeración, etc., para asegurarse de que los recipientes que puedan estar sometidos a temperaturas por debajo de las temperaturas de transición de fragilidad, sean diseñados de tal modo que los esfuerzos permisibles bajo estas condiciones no son excedidos. Este tópico se explica en detalle en el documento PDVSA MDP–01–DP–01 “Temperatura y Presión de Diseño”.

5.10

Sobrepresión causada por expansión térmica 1.

Sobrepresión por expansión térmica – Las líneas o equipo que puedan estar llenos de líquido bajo condiciones de ausencia de flujo y que pueden calentarse mientras están totalmente bloqueados (encerrados entre válvulas), deben ser provistos de algún medio para aliviar la creciente presión por efecto de la expansión térmica del líquido contenido. Debe considerarse la radiación solar así como otras fuentes de calor. Las líneas o equipo que están más calientes que la temperatura ambiente cuando se bloquearon y que no pueden de otra manera ser calentados por encima de la temperatura a la cual se bloquearon, no necesitan protección contra la expansión térmica del líquido. Los siguientes son ejemplos de algunos mecanismos de expansión térmica:

a.

Tuberías y recipientes que son bloqueados (encerrados entre válvulas) con líquido en su interior y después calentados por líneas trazadoras de calentamiento, serpentines o por transferencia de calor desde la atmósfera u otros equipos.

b.

Un intercambiador de calor bloqueado por el lado “frío”, con flujo sin interrupción en el lado “caliente”. Esta situación puede ocurrir algunas veces durante la operación normal. Por ejemplo, considérese el caso de un tren de intercambiadores de calor en que la alimentación a la planta es pre–calentada por intercambio de calor con productos calientes, con la alimentación fluyendo desde una bomba (que tiene una válvula de retención en la descarga), a través de los intercambiadores a un tambor de vaporización instantánea. Un controlador de nivel en el tambor de vaporización opera una válvula de control entre el tren de intercambiadores y el tambor de vaporización: así que se si la válvula de control cierra, el sistema de alimentación queda bloqueado y sujeto a expansión térmica.


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c.

Tuberías o recipientes bloqueados totalmente mientras están llenos de líquido a, o por debajo, de la temperatura ambiente y después calentados por radiación solar directa. Los sistemas criogénicos y de refrigeración deben ser particularmente examinados respecto a esta contingencia.

2.

Método de protección contra sobrepresión, causada por expansión térmica – Puede proveerse protección contra la sobrepresión causada por expansión térmica por medio de los siguientes métodos:

a.

Instalación de una válvula de alivio de presión.

b.

Adición de un pequeño desvío abierto alrededor de una de las válvulas de aislamiento (bloqueo), que podría ser usada para bloquear totalmente el equipo.

c.

Asegurarse de que los equipos totalmente bloqueados sean drenados de líquido. Nota: los puntos b y c pueden no ser permitidos por códigos locales.

3.

Aplicaciones de la protección contra la sobrepresión por expansión térmica – La protección contra la sobrepresión causada por expansión térmica se debería incluir en aplicaciones específicas de acuerdo con lo siguiente:

a.

Intercambiador de calor – Los intercambiadores del tipo carcaza/tubos o de doble tubo, en que el lado más frío puede ser bloqueado estando lleno de líquido sin interrupción del flujo en el lado caliente, debe ser protegidos por cualquiera de los siguientes métodos: •

Una válvula de drenaje operada manualmente con un letrero de advertencia, cuando hay dos válvulas de bloque localizadas en el intercambiador. Si ambas válvulas de bloque no están localizadas en el intercambiador debe usarse el método (b) o (c) siguientes:

•

Un pequeño desvío permanentemente abierto alrededor de una de las válvulas de bloque. Refiérase al Manual de Ingeniería de Diseño “Safety relief protection systems”.

•

Instalación de una válvula de alivio de presión. Si se provee un desvío o una válvula de alivio de presión de presión, está debe también tener suficiente capacidad para aliviar los vapores generados por el flujo frío, por entrada de calor desde el lado caliente bajo las condiciones de flujo de diseño, si la vaporización pudiera también causar la sobrepresión del lado frío. Debe notarse que una válvula de retención ubicada en la tubería aguas arriba del lado más frío de un intercambiador de calor se considera como una válvula de bloqueo.


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b.

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Tuberías – Las secciones de tubería en cualquier servicio de líquido dentro o fuera del área de la planta, que pueden ser bloqueadas totalmente mientras están llenas de líquido, y ser sometidas a expansión térmica por un calentamiento posterior, deben ser protegidas por el método siguiente: •

Un pequeño desvío alrededor de una de las válvulas de bloqueo según lo especificado en el Manual de Ingeniería de Diseño “Safety relief protection systems” (el desvío debe ser de 25 mm (1 pulg.) de diámetro con una válvula de retención. Este método es sólo aplicable donde el escape a través del desvío es aceptable) o si no por medio de:

•

La provisión de medios para retirar el líquido de modo que la línea no permanezca llena de líquido. Debe notarse que secciones cortas de tuberías que contienen líquido, dentro o fuera del área de la planta, que puedan ser bloqueadas, no necesitan generalmente válvulas para el alivio térmico puesto que normalmente están disponibles un drenaje manual y un medio seguro de drenaje. Tales secciones cortas de tubería incluirían esas entre válvulas de aislamiento en estaciones de válvulas de control, múltiples de tuberías en bombas, etc., y son de una longitud menor de 30 m (100 pie). También, el escape a través de una válvula de retención es usualmente suficiente para compensar la expansión térmica debida a calentamiento solar.

c.

Recipientes – Todos los recipientes y equipo que puedan ser bloqueados mientras están llenos de líquido y sujetos a calentamiento posterior y por tanto a expansión térmica por cualquiera de los mecanismos descritos en el párrafo (1) anterior, deben ser protegidos por cualquiera de los métodos descritos anteriormente para tuberías, o sea: •

Válvula de alivio de presión, o bien,

•

Un pequeño desvío alrededor de una de las válvulas de bloque, o bien,

•

Medios para drenaje del líquido. En los casos en que los recipientes son provistos de válvulas de alivio de presión para la protección contra la sobrepresión por exposición a un incendio, o por una contingencia de falla operacional, no se requiere protección adicional contra la expansión térmica.

d.

Válvula de control – Se considera que las válvulas de control con doble asiento dejan pasar suficiente flujo de escape de presión para que los equipos bloqueados por tales válvulas, no necesiten ser provistos de protección contra la expansión térmica.

4.

Detalles de instalación para una válvula de alivio de presión para prevención de la expansión térmica

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a.

Las válvulas de alivio de presión para protección contra la expansión térmica deberían ser especificadas con un punto de ajuste tan alto como sea posible por encima de la presión operacional a fin de evitar descargas inadvertidas o por descuido. Debe seguirse el Código “ASME” para recipientes. Cuando la válvula de alivio de presión se instala solamente para propósitos de alivio por expansión térmica en sistemas de tuberías, es deseable un ajuste de hasta 1.33 veces la presión de diseño del componente del equipo que se protege (especificación ANSI B–31.3), siempre y cuando la duración de la sobrepresión no exceda 10 horas de una sola vez, o 100 horas en un año y si lo permiten los códigos locales. Sin embargo, debe concederse un margen por la contrapresión si la válvula de alivio de presión descarga a un sistema cerrado, de modo que no se exceda el valor de 1.33 veces la presión de diseño.

b.

No es fácil determinar el requerimiento de capacidad, pero puesto que el volumen a descargar para aliviar la presión es pequeño, puede especificarse normalmente una válvula de alivio de presión de tamaño nominal 15 mm (3/4 pulg.) por 25 mm (1 pulg.), particularmente cuando sólo está involucrado el calentamiento solar. Deben considerarse tamaños más grandes para tuberías de gran diámetro tendidas sobre la superficie del terreno y no aisladas térmicamente, así como también para recipientes llenos de líquidos e intercambiadores de calor. (No debería olvidarse el tomar en cuenta las presiones generadas por vaporización, así como también la expansión del líquido).

c.

Una válvula de alivio de presión contra la expansión térmica puede ser instalada en cualquier punto conveniente en el equipo o tubería que esté protegiendo. En muchos casos la ubicación será determinada por la disponibilidad de una ruta de descarga apropiada.

d.

Para ubicaciones en el sitio de la planta la válvula de alivio de presión que provee protección contra la expansión térmica y que alivia líquido debe descargar a un sistema cerrado, si el líquido dentro del sistema está a una temperatura por encima de 315 °C (605°F) o está por encima de su punto de inflamación. Ese sistema cerrado puede ser un cabezal de mechurrio o un equipo en el lado opuesto de una de las válvulas de bloqueo. Las válvulas de alivio de presión para la protección contra la expansión térmica ubicadas en el sitio de la planta y que alivian líquido pueden descargar a la atmósfera a nivel del suelo en una ubicación segura tal como una alcantarilla de recolección de agua sucia (como se detalla en el Manual de Ingeniería de Diseño “Safety relief protection systems”), con tal que el líquido en el sistema esté a una temperatura menor de 315 °C (605°F), y por debajo de su punto de inflamación. Materiales que están a una temperatura mayor que su punto de inflamación pueden descargarse a una cloaca si la cantidad es pequeña

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(menor de 100 dm3) (26 galones) y la densidad del material es mayor de 710 kg/m3 (44 lb/pie 3).

5.11

e.

En ubicaciones fuera del área de la planta las válvulas de alivio de presión para protección contra la expansión térmica pueden descargar al cabezal de un mechurrio aguas arriba de un tambor separador, si está disponible, o a equipos (por ejemplo un tanque) en el lado opuesto de una de las válvulas de bloqueo, o a la atmósfera. Las descargas a la atmósfera deben ser a nivel del suelo en una ubicación segura.

f.

Válvulas de alivio de presión para la protección contra la expansión térmica en ubicaciones dentro o fuera del área de la planta, que alivian fluidos tóxicos (Sustancias tóxicas: “Aquellos materiales que por sus propiedades químicas pueden producir efectos nocivos, reversibles o irreversibles, cuando han sido absorbidos o introducidos en un organismo viviente”), deben descargar a un sistema cerrado adecuado.

g.

Cada válvula de alivio de presión para protección contra la expansión térmica debería ser provista de una válvula del tipo CSO en la entrada (válvula con dispositivo para bloquearla en posición abierta) y también de una válvula tipo CSO en la salida (en el caso de una descarga cerrada), con el fin de permitir el aislamiento del sistema para propósitos de inspección y de prueba, si lo permiten los códigos locales.

Incendio como Causa de una Sobrepresión Los equipos en el área de una planta que maneja fluidos inflamables estén sujetos potencialmente a ser expuestos a un incendio externo, lo cual puede conducir a una sobrepresión resultante de la vaporización de los líquidos contenidos. Este riesgo puede existir aun para componentes del equipo que contienen materiales no inflamables. 1.

Equipos a Ser Protegidos – Todos los recipientes sujetos a riesgo de sobrepresión por incendio deben ser protegidos mediante válvulas de alivio, con las siguientes excepciones:

a.

No se requiere una válvula de alivio de presión para proteger contra incendios cualquier recipiente que normalmente no contiene o contiene muy poco liquido, puesto que la falla de la carcaza debido a un sobrecalentamiento ocurriría aun si se ha provisto dicha válvula. Algunos ejemplos son los tambores separadores de gas combustible y los tambores separadores en la succión de compresores. (Nota: algunos códigos locales requieren protección con válvula de alivio de presión para el caso de ”tambores secos”). Si se requiere una válvula de alivio para las condiciones de un ”tambor seco” se puede usar el procedimiento de dimensionamiento descrito bajo el API RP–520.

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b.

Tambores y columnas de 0.6 m (2 pie) y menos de diámetro, construidos de tuberías, accesorios de tuberías o su equivalente no requieren válvulas de alivio para su protección contra incendios en base a que las tuberías no son provistas de protección contra sobrepresión a causa de esta contingencia. Se requieren válvulas de alivio en estos recipientes, sin embargo, si la sobrepresión puede resultar de otras contingencias que no sean incendio.

c.

Los recipientes interconectados puede ser considerados como una unidad para propósitos de alivio de presión si las tuberías y las válvulas entre ellos cumplen con los criterios delineados en la sección 5.14 “Evaluación de la ruta de escape de presión en el diseño de alivio de presión”, en este mismo documento. Excepto en el caso de situaciones especiales, no se proveen dispositivos de alivio de presión para exposición a incendio de intercambiadores de calor, enfriadores por aire, o tuberías, ni tampoco se incluyen las superficies expuestas de esos renglones en el cálculo de la entrada total de calor por exposición a un incendio. Situaciones especiales pueden ser congestión y espaciamiento sub–estándar, o equipos mucho más grandes que lo normal con un inventario normal de liquido por encima de alrededor de 4 m 3 y/o que representa más del 15% de la superficie total en contacto con el líquido en el sistema al cual está directamente conectado para alivio de presión.

2.

Determinación de los Flujos de Alivio y Area de Riesgo – Al calcular las cargas de calor como resultado de incendio de los diferentes recipientes, se asume que los vapores son generados por la exposición al incendio y que el calor es transferido a los líquidos contenidos a las condiciones operacionales. El procedimiento de cálculo se describe posteriormente. Para determinar la capacidad de la válvula de alivio para varios recipientes interconectados, cada recipiente debe ser calculado separadamente, en vez de determinar la entrada total de calor en base a la suma de las superficies humedecidas de todos los recipientes. No se consideran los vapores generados por la entrada de calor normal del proceso o compresión, etc. No se da ningún crédito para cualquier vía de escape de la carga de vapores generados por el incendio que no sea a través de la válvula de alivio (que puede ser una válvula de alivio común para más de un recipiente interconectado). Tampoco se da ningún crédito por la reducción de la carga de calor generada por el incendio debido al funcionamiento continuo de condensadores y enfriadores. A fin de determinar la capacidad total de vapores a ser aliviada cuando varios recipientes están expuestos a un incendio sencillo, el área de procesos se considera dividida en un número de áreas sencillas de riesgo de incendio. Referirse al documento PDVSA– MDP–08–SA–01 para la definición de un área de riesgo de incendio. API RP 521 indica, en su sección 5.2.2, que, en ausencia de otros factores controlantes, la consideración de un área sencilla

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de riesgo de incendio debería estar limitada a un área de terreno entre 230 a 460 m2 (2500 a 5000 pies 2). La colocación de los equipos de la planta debe ser diseñada de acuerdo con los estándares de espaciamiento (referirse al docu mento PDVSA– MIR–IR–M–01 “Separación entre equipos e Instalaciones”) y debe incluir la accesibilidad para el combate de incendios. Las áreas de riesgo de incendio se establecen mediante la provisión de vías de acceso o espacios libres de por lo menos 6 m (20 pie) de ancho por todos los lados, los cuales permitan el acceso de todos los equipos de combate de incendios en todas las partes del área y limiten así la propagación del incendio. El espacio libre por debajo de las líneas de tuberías si es mayor de 6 m (20 pie) de ancho, se considera una separación aceptable entre áreas con riesgo de incendio. Sin embargo, un área de riesgo de incendio sencillo no necesita extenderse más de 465 m 2 (5000 pie2) con tal que el área incluya la combinación más severa de cargas originadas por incendio dentro de un módulo de área que razonablemente podría estar involucrada en un incendio real. El uso de formas de módulo no comunes tales como por ejemplo, una ”T”, debe evitarse. La base para lo anterior es que un incendio que involucre un área más grande seria de tal magnitud que las fallas de tuberías o de otros equipos proveería medios adicionales de alivio de la presión. Aún cuando cada caso debe analizarse por separado, siguiendo las indicaciones del párrafo anterior, se recomienda considerar el área sencilla de riesgo de incendio, la cual se considera que razonablemente estará totalmente involucrada en un incendio sencillo, como un área circular con un diámetro de 21 m (69 pies), o un área limitada por espacios abiertos de 6 m ó más de ancho, que cubra un máximo de 460 m 2 (5000 pies2) Cuando ocurre un incendio se supone que todo el flujo de los fluidos hacia o desde el área de riesgo ha sido interrumpido. Por lo tanto, cargas de flujo originadas por fallas de válvulas de control o corrientes de alimentación que entran no son aditivas a las cargas originadas por el incendio. No se da ningún crédito por la salida de flujos a través de las vías normales puesto que pueden estar bloqueadas durante la emergencia del incendio. La carga total por el incendio se calcula para cada área de riesgo de incendio y se usa para determinar la descarga más grande del riesgo sencillo. Donde el tamaño de un cabezal de descarga cerrado es fijado por los requerimientos de capacidad de alivio por fuego puede tomarse ventaja para reducir el requerimiento suministrando protección o aislamiento a prueba de incendio en recipientes con altos inventarios de líquidos, como se describe en el documento PDVSA–MIR– IR–C–03 “Revestimientos contra Incendios”. La duración de un incendio depende de muchos factores: las instalaciones disponibles para combatir incendios, la preparación del personal para combatirlos, la disponibilidad de fácil acceso al lugar del incendio, etc. En

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general, las instalaciones de PDVSA, cumplen con estrictas normas de seguridad para que, si se sucede una emergencia por incendio, éste pueda sofocarse rápida y eficientemente. API RP 521, en su sección 3.15.2.2, considera que un razonable tiempo de exposición a fuego de cualquier equipo, en lugares donde se tienen las instalaciones necesarias para combatir incendios, personal adecuadamente entrenado para combatirlos, y un fácil acceso al lugar del incendio, es de 20 minutos a una hora. Para efectos de trabajo preliminar, se supondrá que un incendio no durará más de una hora, al menos que se consideren hechos de sabotaje. 3.

Protección de los Recipientes Contra la Exposición a un Incendio en Añadidura al Alivio de Presión – Las válvulas de alivio de presión no pueden proteger a un recipiente que se sobrecalienta localmente en su superficie no humedecida, aunque en realidad evitan que la presión suba más allá de la presión de acumulación de la válvula. Sin embargo, en tales casos el recipiente puede ser protegido efectivamente contra una falla por uno de los dos métodos siguientes para mitigar los efectos de un incendio:

a.

Reducción de la Presión por Despresurización – La reducción de la presión en un recipiente expuesto a un incendio tiene la ventaja de no sólo reducir los esfuerzos sobre el metal a un valor que no resulte en una falla, sino que también reduce apreciablemente la cantidad de combustible que alimentaria el incendio. La aplicación y el diseño de sistemas de despresurización (purga de vapor) en emergencias se describe en el documento PDVSA– MIR–IR–P–01 “Paradas de Emergencia, bloqueo, despresurización y venteo de plantas y equipos”.

b.

Limitación Efectiva de la Entrada de Calor – La aplicación de agua contra incendios desde instalaciones fijas y móviles es el método primario de enfriar los equipos expuestos a un incendio. Estas instalaciones se describen en el documento PDVSA– MIR–IR–M–03: “Sistema de Agua contra Incendio ”. Protección adicional por medio de sistemas fijos de chorro o de regadera de agua, o protección a prueba de incendio se aplican en áreas de riesgo particularmente de alto de incendio, como se describe en los documentos IR–M–03 y IR–C–03, respectivamente. Sin embargo, en el dimensionamiento de las válvulas de alivio, no se confiere ningún crédito por reducir la entrada de calor mediante la aplicación de agua para enfriamiento, puesto que no se le puede considerar 100% efectiva en todas las condiciones de los posibles tipos de incendios.

4.

Determinación de las cargas de vapor de recipientes que contienen líquidos y que están expuestos a un incendio.– A continuación se describe el procedimiento para calcular los caudales de alivio requeridos.

Paso 1. Cantidad de calor absorbida – La cantidad de calor absorbida por un recipiente expuesto a un incendio abierto es notablemente afectada por el combustible que produce y/o alimenta al incendio, el grado en que el fuego


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envuelve al equipo bajo estudio, tamaño y carácter de la instalación, y las medidas de protección contra incendio. Estas condiciones se evalúan mediante la ecuación siguiente, bajo la premisa que existen las instalaciones adecuadas (y el personal adecuado para actuar rápidamente) para combatir incendios, y el drenaje adecuado para alejar el material inflamable del foco del incendio: Q + F 1 F A 0.82

Ec. (1)

donde:

Q

=

A F F1

= = =

Absorción de calor total (entrada) por la superficie humedecida Superficie total humedecida Factor Ambiental Factor cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidades SI

En unidades inglesas

kW

BTU/h

m2 adim. 43.19

pies2 adim. 21000

Cuando no existen las instalaciones adecuadas (y el personal adecuado para actuar rápidamente) para combatir incendios, y el drenaje adecuado para alejar el material inflamable del foco del incendio, la ecuación a emplear es: Q + F 2 A0.82

Ec. (2)

donde:

Q

=

A F2

= =

Absorción de calor total (entrada) por la superficie humedecida Superficie total humedecida Factor cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidades SI


kW

BTU/h

m2 70.96

pies2 34500

Factor Ambiental – El valor F depende de la conductancia térmica del aislante térmico del recipiente; otros efectos ambientales se ignoran.

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La conductancia es la conductividad térmica dividida por el espesor del aislante. La conductividad térmica a ser usada aquí es a la temperatura media entre 900°C (1650°F) y la temperatura de proceso que se espera a las condiciones de alivio. Se sugiere una temperatura media conservadora de 540°C (1000°F). Generalmente, no puede concederse ningún crédito por la disponibilidad de regadera de agua o sistemas de diluvio al dimensionar sistemas de válvulas de alivio de presión. El suministro de suficiente agua para absorber la mayor parte del calor por radiación se hace poco práctico para la mayoría de las instalaciones. El esfuerzo debe concentrarse en proveer suficiente agua al exterior de un recipiente expuesto a un incendio, para mantener la temperatura del metal por debajo de un punto en que pueda ocurrir una falla. Un clima de invierno, vientos fuertes, sistemas tapados, suministro de agua no confiable y condiciones de la superficie del recipiente, son los factores que pueden impedir una cobertura con agua adecuada, así que no se recomienda ninguna reducción del factor ambiental. Los valores de Factor Ambiental a usar en la Ec. (1), de acuerdo a las recomendaciones del API RP521, Tabla A–3, son los siguientes:

Tipo de Instalación / protección contra fuego

Factor Ambiental, F

Recipiente desnudo 1.0 Recipiente aislado contra fuego, con los siguientes valores de conductancia (Supone aislamiento que soporte el chorro de las mangueras contra incendio) KW/m2 °C (BTU/h pie2 °F) (4)

0.3

(2)

0.15

(1) (0.67)

0.075 0.05

(0.5)

0.0376

(0.4)

0.03

(0.33)

0.026

Sistemas de enfriamiento con agua sobre recipientes desnudos Instalaciones de Despresurización y Vaciado de recipientes

1.0 1.0

A menos que el sistema de aislamiento cumpla los requerimientos para soportar las llamas y el choque de la corriente de la manguera contra incendio detallados en el documento PDVSA– MIR–IR–C–03 “Revestimientos contra Incendios”, debe usarse un valor de F = 1.0.

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Nótese que las consideraciones económicas favorecerán en algunos casos la provisión de aislamiento adicional (más allá de la requerida para conservación del calor), a fin de reducir la capacidad requerida del sistema de alivio de presión cuando el caso controlante de diseño es por consideraciones de incendio.

Superficie Húmeda Expuesta a Incendio – La superficie húmeda A usada para calcular la absorción de calor para una situación práctica de incendio, se toma normalmente como la superficie total húmeda dentro de 7.5 m (25 pie) por encima del nivel del suelo. El ”nivel” usualmente se refiere al nivel del piso, pero también debe considerarse cualquier otro nivel al cual puede sostenerse un incendio de grandes proporciones, tal como una plataforma. En el caso de recipientes que contienen un nivel variable de liquido se considera el nivel promedio. Las interpretaciones especificas de A a usarse para varios recipientes son como sigue: 1.

Tambores Horizontales Menos del 50 % lleno (hasta el nivel alto normal de liquido). Se usa la superficie del recipiente húmeda hasta el nivel alto normal de liquido sin tomar en cuenta la distancia por encima del nivel del suelo. Más del 50 % lleno (hasta el nivel alto normal de liquido). Se usa la superficie total del recipiente dentro de una distancia de 7.5 m (25 pie) desde el nivel del suelo o hasta el plano ecuatorial del recipiente, cualquiera de las dos que sea mayor.

2.

Tambores Verticales – Se usa la superficie húmeda dentro de una distancia de 7.5 m (25 pie) a partir del suelo, basada en el nivel normal de liquido. Si todo el recipiente está 7.5 m (25 pie) o más por encima del nivel del suelo sólo necesita incluirse el nivel de liquido contenido en la tapa inferior del recipiente.

3.

Fraccionadores y Otras Columnas – Un nivel equivalente a columna vacía es calculado sumando la retención de liquido en las bandejas al nivel normal de liquido en el fondo de la columna. Se usa la superficie húmeda por este nivel equivalente y que esté dentro de 7.5 m (25 pie) desde el nivel del suelo. Se incluirá el nivel del rehervidor en este nivel equivalente si dicho aparato forma parte integral de la columna.

4.

Esferas y Esferoides de Almacenaje – Se usa la superficie total expuesta dentro de 7.5 m (25 pie) desde el nivel del suelo o hasta la elevación del diámetro horizontal máximo, cualquiera de los dos que sea mayor.

5.

Almacenamiento en General – Se usa la superficie húmeda dentro de una distancia de 7.5 m (25 pie) a partir del suelo, basada en el nivel normal de liquido. Para Tanques con presión de operación igual o por debajo de 1.03 barg (15 psig), ver API estándar 2000.


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Intercambiadores de Calor, Intercambiadores por Aire y Tuberías – Estos equipos no son normalmente considerados para establecer la

6.

superficie húmeda de recipientes expuestos en un área con riesgo de incendio. Sin embargo, pueden haber situaciones especiales, tales como congestión o espaciamiento grande sub–estándar, o un componente de equipo grande no usual, tal como un rehervidor con una retención de liquido de 4 m3 (1000 galones) o más, que ameriten su inclusión.

Paso 2. Velocidad de Alivio de Vapores – Toda absorción de calor por exposición a un incendio se considera como calor latente y no se concede ningún crédito por la capacidad de calor sensible del fluido dentro del recipiente. La rata de alivio de vapores (W) se calcula con la fórmula: donde: W + QL

W Q

= =

L

=

Flujo másico de vapores a aliviar Absorción de calor total (entrada) por la superficie humedecida Calor latente de vaporización del liquido en el recipiente, evaluado a la presión existente en la entrada de la válvula de alivio de presión, bajo condiciones de descarga total

Ec. (3)

En unidades SI


kg/s kW

lb/h BTU/h

kJ/kg

BTU/lb

Los vapores a ser aliviados son aquellos que están en equilibrio con el líquido bajo las condiciones existentes cuando la válvula está aliviando a su capacidad máxima. No debe pasarse por alto que la composición de los vapores y del líquido pueden cambiar a medida que se alivian vapores del sistema; las temperaturas y valores del calor latente pueden cambiar. Los valores del calor latente y peso molecular a ser usados para calcular la rata de vaporización, son los relevantes a las condiciones capaces de generar las máxima rata de alivio. La duración de un incendio no entra normalmente en este análisis. La estimación del calor latente de vaporización, deberá ser lo más realista posible, para lograr una estimación apropiada de los vapores a aliviar. En mezclas multicomponentes, el uso de reglas de mezcla en peso de los valores individuales de calor latente de vaporización entrega los resultados más apropiados. Sin embargo, debido a que el fenómeno de absorción de

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calor, con su consecuente generación de vapores, hace que la composición del líquido remanente cambie con el tiempo, será necesario llegar a un compromiso acerca de que composición usar para dicha estimación del calor latente de vaporización: para todos los efectos, usar la composición inicial del líquido en el recipiente bajo incendio para dicha estimación. Para efectos de estimación preliminar del calor latente de vaporización, y cuando no se tenga una fuente más confiable de información, como lo sería una simulación del evento con un programa de simulación de procesos, se usarán las gráficas 2a y 2b presentes en el apéndice. Estas gráficas fueron tomadas del API RP 521 (1990), Apéndice A, y fueron desarrolladas para líquidos de hidrocarburos parafínicos de un sólo componente. Obviamente, mientras más alejados se esté de la base de esta gráfica, mayores serán los errores que se cometan. La práctica recomendada de calcular el flujo de alivio usando la absorción de calor del recipiente y el calor latente del líquido, no es válida cerca del punto crítico de dicho fluido, ya que el calor latente se aproxima a cero y el calor sensible domina Para condiciones de vaporización de líquidos cercanas al punto critico, el valor mínimo del calor latente que debe usarse es 116 kJ/kg (50 BTU/lb). Para condiciones de vaporización de líquidos en o por encima del punto crítico, la rata de descarga de vapores depende de la rata a que el fluido se expandirá.

5.12

El vacío como una causa de falla de los equipos 1.

Generalidades – Los equipos que puedan operar bajo condiciones de vacío de un modo continuo o intermitente, deben ser diseñados para soportar condiciones de vacío o protegidos de otra manera, en adición a cualquier requerimiento para su operación bajo presión positiva. Deben especificarse las condiciones del vacío. En algunos casos esto puede incluir las tuberías, así como también recipientes u otros equipos. Otros equipos que no operan bajo condiciones de vacío, bien sea de manera continua o intermitente, pueden ser inadvertidamente expuestos a condiciones de vacío por contingencias, tales como las siguientes:

a.

Mal funcionamiento de la instrumentación.

b.

Drenaje de líquidos no volátiles de un recipiente sin venteo atmosférico o represurización con gas.

c.

Cierre del flujo de vapor de agua al terminar una purga con vapor de agua sin admitir un gas no condensable (por ejemplo, aire durante una parada, gas combustible durante un arranque).

d.

Funcionamiento defectuoso de válvulas.

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e.

Baja temperatura ambiente resultante en una presión de vapor subatmosférica de ciertos materiales (por ejemplo, algunos alcoholes, aromáticos, butano, pentano) almacenados a presión.

f.

Pérdida de introducción de calor a equipos de proceso cerrados que manejan materiales con baja presión de vapor (por ejemplo, en el fraccionamiento de alcoholes y solventes aromáticos), mientras continua el enfriamiento tal como por medio de un condensador o por pérdida de calor a la atmósfera.

g.

Pérdida de la introducción de calor a calderas de recobro de calor de desecho con la resultante condensación de vapor.

h.

Pérdida de la entrada de calor a equipos de proceso cerrados donde se generan grandes cantidades de vapor de agua, por ejemplo en regeneradores de “DEA” (dietanolamina) y “MEA” (metanolamina). En algunas de las situaciones anteriores puede proveerse una protección contra el vacío mediante la instalación de dispositivos de alivio de vacío, por ejemplo, válvulas de alivio de vacío en tanques y esferoides. En otros casos, se confía en que no se desarrollará una condición de vacío por la confiabilidad en procedimientos operacionales correctos por el personal de operaciones, por ejemplo, no drenar un líquido no volátil de un recipiente sin ventear o represurizar, o no bloquear un recipiente que ha sido llenado de vapor de agua durante el arranque o parada de la planta. En general, deben considerarse en el diseño cualesquiera condiciones de vacío que puedan crearse durante las operaciones del proceso tales como enfriamiento anormal, baja temperatura ambiente, pérdida de calor o succiones bloqueadas en ciertos compresores. Al diseñar para condiciones de vacío puede concederse un crédito por el hecho de que una condición de vacío puede no crear un vacío total. Así, no todos los recipientes y equipo necesitan ser diseñados para una condición de 100% de vacío. Por ejemplo, si la condición de vacío ha sido creada por un bloqueo de la succión en el circuito de un compresor y el vacío creado está limitado a 10 psia por las características del compresor, el sistema sólo necesita ser diseñado para 69 kPa abs. (10 psia). Como una regla general, se permiten los dispositivos de alivio de vacío en recipientes de almacenaje ubicados fuera del área de la planta que manejan productos acabados limpios, puesto que no existe esencial– mente ninguna posibilidad de una fuente de ignición interna. Sin embargo, los dispositivos de alivio de vacío que permiten el rompimiento de un vacío con gas inerte o vapores inflamables no están permitidos para su uso en equipo de proceso, puesto que no se consideran lo suficientemente confiables para suministrar una protección adecuada bajo todas las circunstancias. Pueden, sin embargo, usarse dispositivos para la protección contra el vacío que permiten la entrada de aire, en el caso de que el equipo no contenga o no pueda

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contener materiales inflamables, por ejemplo, en el caso de algunos sistemas de vapor de agua. 2.

Diseño de equipos para evitar falla bajo condiciones de vacío Los equipos que pueden ser expuestos al vacío por cualquier contingencia sencilla del proceso deberían diseñarse para condiciones de vacío. En muchos casos, equipos con una presión de diseño sustancialmente positiva son capaces de soportar el vacío total, pero el diseño debería corroborarse. Como una alternativa para diseñar en condiciones de vacío, en ciertos casos es permisible proveer medios para prevenir la ocurrencia de las condiciones de vacío. En general, venteos de vacío, y sistemas de represurización con inerte o con gas no se consideran como una alternativa aceptable para el diseño en condiciones de vacío para equipos de proceso. Los sistemas de represurización pueden ser provistos por razones de proceso, pero no se consideran lo suficientemente confiables para la protección del equipo. Los rompedores de vacío son difíciles de mantener herméticos y pueden admitir aire dentro del equipo. Venteos de vacío (aire) son, sin embargo, usados en recipientes de almacenaje refrigerados para productos limpios, como un apoyo a un sistema de represurización y de parada de un compresor por baja presión. Esto es aceptable, puesto que no hay ninguna fuente de ignición interna y los venteos de vacío funcionarían solamente si la protección primaria contra el vacío (represurización y parada del compresor) fallara en operar. Asimismo, cuando se requiere protección contra el vacío en recipientes presurizados tales como esferas y esferoides, son aceptables los dispositivos de alivio de vacío que admiten aire, puesto que la posibilidad de un gran vacío es muy remota y no hay fuentes de ignición interna. En el caso de equipos de fraccionamiento a baja presión no se requiere diseñar para condiciones de vacío si se pueden cumplir todas las siguientes condiciones:

a.

Existe un dispositivo adecuadamente dimensionado de alivio de vacío para evitar un vacío.

b.

No existen materiales pirofóricos tales como peróxidos, acetiluros o sulfuros o cualesquiera posibilidades internas de ignición tales como electricidad estática, bien sea por condiciones normales o anormales.

c.

Las temperaturas de proceso están por lo menos 83 °C (180°F) por debajo del punto de auto–ignición de los materiales que se manejan. Los fraccionadores que satisfacen los criterios anteriores y que por lo tanto no necesitan ser diseñados para condiciones de vacío deben, sin embargo, ser provistos con los dos dispositivos siguientes:


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•

Un sistema confiable automático de represurización (gas inerte o un hidrocarburo gaseoso) para minimizar la posibilidad de que ocurran condiciones de vacío.

•

Una alarma de baja presión montada en el tablero de instrumentos, ajustada a una presión positiva y un dispositivo operado a control remoto para que pueda admitirse gas de presurización desde el centro de control, en el caso de que falle el sistema automático. Como una regla los sistemas de vapor de agua no requieren protección especial contra el vacío, puesto que ellos son normalmente capaces de soportar el vacío que se desarrolle si fallara la generación de vapor y se condensara vapor residual. Sin embargo, deberían examinarse los sistemas de vapor de baja presión. Generalmente los equipos no son diseñados para soportar el vacío debido al bloqueo total en un recipiente por razones de parada después de su limpieza con vapor. Se confía en una buena práctica operacional para asegurarse de que un recipiente o equipo no esté embotellado, es decir, que tenga su venteo correspondiente abierto. También, por otra parte, no se requiere diseñar para protección contra el vacío en el caso de esferas, esferoides y recipientes similares cuando las condiciones de vacío pueden resultar solamente del drenaje de agua durante el arranque, puesto que una buena práctica operacional requiere el desplazamiento con gas o el venteo en circunstancias tan infrecuentes. Los tanques de almacenaje atmosféricos del tipo de techo cónico deben ser provistos de una válvula de presión–vacío o de un venteo abierto, dependiendo del punto de inflamación del producto almacenado.

5.13

Evaluación de la ruta de presurización en el diseño del alivio de presión En los siguientes párrafos se indica la base para el diseño de la limitación de capacidad permisible, en las vías de flujo a través de las cuales un componente de equipo pueda ser sobrepresionado desde una fuente de fluidos a alta presión.


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Tuberías – Puede concederse un crédito por la caída de presión y flujo máximo a través de una tubería que constituye una vía de presurización a un recipiente en el cual se va a instalar una válvula de alivio de presión para propósitos de protección contra la sobrepresión. El cálculo debe hacerse para las condiciones de alivio. Sin embargo, en el caso en que se da un crédito por caída de presión al determinar el ajuste de la válvula de alivio de presión, debe también considerarse que bajo condiciones de ausencia de flujo, las presiones se igualarán a través del sistema a la presión de ajuste de la válvula de alivio de presión. También, si se requiere el alivio de vapores a través de un sistema líquido, debe tomarse en cuenta la dinámica del desplazamiento del líquido previo a la descarga de los vapores. Por ejemplo, en el caso de dos recipientes llenos con líquido interconectados por una línea de líquido en el fondo con una válvula de alivio de presión en el segundo recipiente, el desplazamiento del líquido a través de la línea de interconexión puede no ser suficiente para proteger el primer recipiente, si la sobrepresión es causada por generación de vapores.

2.

Válvula de retención – Una válvula de retención normalmente no es un medio aceptable de evitar la sobrepresión por el flujo invertido desde una fuente de alta presión. Sin embargo, una válvula de retención es aceptable cuando un análisis de confiabilidad muestre que dicha válvula de retención tenga una tasa aceptable de fallas. La tasa máxima aceptable de fallas será especificada por PDVSA.

3.

Orificio de restricción – En general, no debería usarse un orificio de restricción como un medio de limitar la capacidad de una vía de presurización. En casos especiales en los cuales se logran grandes incentivos (tal como reducir el tamaño de un sistema del mechurrio), puede usarse un orificio de restricción con tal que se satisfagan todas las condiciones siguientes:

a.

Se incluye un medio físico para evitar la remoción inadvertida (por descuido) del orificio de restricción, por ejemplo soldando el orificio de restricción a la brida.

b.

Se provee una advertencia contra la remoción no autorizada del orificio por medio de las siguientes indicaciones: •

Una placa de advertencia soldada a la manilla del orificio de restricción o a la brida.

•

Una nota de advertencia en la documentación correspondiente (hojas de especificación, diagramas de flujo y manuales operacionales).

•

La instalación del orificio es revisada por la sección correspondiente del Departamento (Superintendencia) de Seguridad.

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4.


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Válvula de control – Una válvula de control con un bloqueo para restringir su movimiento hasta su posición de máxima apertura, no es normalmente aceptable como un medio de limitar la capacidad de una vía de presurización, puesto que el límite de parada puede ser removido después o la válvula puede ser cambiada. Puede concederse un crédito por la limitación de capacidad de una válvula de control en la posición de totalmente abierta, solamente si aplican todas las condiciones siguientes:

5.14

a.

No existe ningún desvío alrededor de la válvula de control. Si se ha provisto un desvío, referirse al punto (d) más adelante.

b.

Se supone que la válvula de control ha sido provista con el tapón de tamaño máximo y también el asiento correspondiente para el tamaño del cuerpo de la válvula.

c.

Si el tamaño de la válvula de control es crítico para la protección contra la sobrepresión del equipo aguas abajo, y no debe ser aumentado, entonces esto es claramente advertido en toda la documentación relevante (hojas de especificaciones, diagramas de flujo, manuales operacionales, etc.) y además se suelda una placa de advertencia al cuerpo de la válvula. En tales casos, debería hacerse una revisión de la válvula instalada o adquirida, durante la revisión previa al arranque.

d.

Si existe un desvío alrededor de la válvula de control, el equipo aguas abajo debe ser protegido de modo tal que su presión no exceda 110% de la presión de diseño, al mismo tiempo considerando que la válvula de control está en la posición de totalmente abierta y el desvío 50% abierto.

e.

La instalación es revisada por la sección correspondiente de la Superintendencia de Seguridad.

Evaluación de la ruta de escape de presión en el diseño de alivio de presión Los siguientes párrafos presentan la base para el diseño de las vías de escape de presión permisibles cuando se consideran las contingencias de sobrepresión.

Agrupamiento de recipientes interconectados – Dos o más recipientes a presión conectados por tubería pueden considerarse como una unidad sencilla para propósitos de alivio de presión, sujeto a las condiciones que se delinean más adelante. Si esas condiciones son satisfechas, entonces las instalaciones para el alivio de presión para el grupo pueden estar ubicadas en cualquiera de los recipientes en particular o en la tubería de interconexión. Sin embargo, las caídas de presión a través del sistema bajo las condiciones de alivio deben ser tales que ningún recipiente en el grupo esté expuesto a una presión mayor que su presión de diseño (más la acumulación permitida) durante cualquier contingencia sencilla. (Referirse a “Evaluación de la Vía de Presurización en el Diseño del Alivio de

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Presión” anteriormente expuesto). Al evaluar las cargas de alivio por incendio cuando se considera un grupo de recipientes como una unidad sencilla para propósitos de alivio de presión, la exposición al incendio debe suponerse para recipientes del grupo que están en la misma área de riesgo de incendio, como se describe en la sección 5.11 de este documento.

Falla de los tubos de un intercambiador de calor – Vía de Escape de presión en el Lado de Baja Presión. Los requerimientos que se describen más adelante aplican también a las vías de escape de presión requeridas en el lado de baja presión de intercambiadores de calor para evitar una sobrepresión en el caso de una falla en los tubos. Referirse también al Manual de Ingeniería de Diseño “Safety relief protection systems”.

Tuberías para recipientes interconectados e instalaciones de alivio de presión – Las tuberías deben ser de capacidad adecuada para manejar las velocidades de alivio acumuladas a través del sistema, que puedan surgir por causa de cualquier contingencia sencilla. Una situación especial ocurre con los condensadores sumergidos donde la salida del condensador está usualmente por debajo del nivel normal de líquido en el tambor acumulador de destilado. Si ocurre un incendio cerca del tambor la introducción de calor al tambor hará que suba la presión en el sistema formado por la columna y el tambor. Cuando la válvula de seguridad en la columna “alivie”, el flujo será en la dirección hacia fuera del tambor forzando líquido a salir por la línea del tope de la columna. Si continúa la entrada de calor al tambor, puede aumentar considerablemente el cabezal estático de líquido en la línea de salida del tope de la columna. Esto dependerá, por supuesto, del volumen del tambor y de la longitud vertical de la línea de salida del tope. Si este incremento de presión puede ser mayor del 20% de la presión de diseño del tambor, entonces debe instalarse una válvula de seguridad en el tambor o debe aumentarse la presión de diseño del tambor.

5.15

Válvulas con dispositivos de bloqueo en la posición abierta (“CSO”) Las válvulas de bloqueo del tipo “CSO” son permisibles en vías de escape de presión de alivio de presión con tal que la contingencia sencilla que causa el cierre de la válvula “CSO” no origine que algún equipo resulte sometido a más de una 1.1 veces su presión de diseño. (Nota: el uso de válvulas del tipo “CSO” no está reconocido en todos los códigos locales). Los requerimientos para válvulas del tipo “CSO” son los siguientes: a.

El bloqueo de válvula es un medio de asegurar la posición correcta de una válvula de bloqueo y debería usarse solamente cuando la posición de “totalmente abierta” es una parte esencial de un sistema de alivio de presión o de ruta de escape de presión. Generalmente, no debería usarse una

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válvula del tipo “CSO” para conveniencias de proceso, sino que su uso debe ser confinado a aplicaciones que tengan que ver con la seguridad.

5.16

b.

Las válvulas del tipo “CSO” deben ser del tamaño de la línea, de operación manual y del modelo de bola, compuerta o tapón (las válvulas operadas por motor pueden no considerarse del tipo “CSO”).

c.

Las válvulas del tipo “CSO” no deben tener ninguna restricción o obstrucción en su área de sección transversal en la posición abierta.

d.

Las válvulas de compuerta deben ser instaladas con la orientación del vástago indicada en el Manual de Ingeniería de Diseño “Safety relief protection systems”.

e.

Las válvulas del tipo “CSO” deben ser pintadas de un color claramente distinguible, normalmente de color amarillo.

f.

Pueden usarse sellos de bloqueo de plástico o alambres con sellos de plomo. Cada planta debe establecer un procedimiento efectivo para revisar y llevar un control escrito regular de todas las válvulas que tengan un sello para el movimiento del vástago. La rotura de los sellos de movimiento del vástago de las válvulas “CSO” debería ser permitido solamente por personal autorizado.

g.

El uso de válvulas de bloqueo doble donde se requiera para cierre hermético es sólo aceptable si ambas válvulas son del tipo “CSO”.

Válvula del tipo “CSC” (Válvula con dispositivo para bloqueo en posición cerrada) En ciertos casos puede ser ventajoso usar válvulas con dispositivo para bloqueo en posición cerrada, tal como en el caso de un desvío alrededor de una válvula de control de gas combustible usada para proteger un horno contra la extinción repentina de la llama (el desvío se provee para verificar periódicamente la operación del sistema automático de parada). Donde se usen válvulas del tipo “CSC” para otros propósitos, su uso está limitado también a aplicaciones donde la apertura inadvertida de la válvula “CSC” no sobrepresionaría el equipo en más de 1.1 veces la presión de diseño.

5.17

Válvulas de control 1.

Generalmente no está permitido el uso de una válvula de control en la vía de escape de presión del alivio de presión. En algunos casos muy particulares donde se presentan razones importantes (tal como en una unidad de craqueo catalítico en el caso de válvulas para los gases de combustión que salen del regenerador) puede usarse una válvula de control con una característica de mínima apertura, pero sujeto a que se satisfagan todas las condiciones siguientes:

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a.

La apertura mínima, que puede ser un hueco o un corte en el disco o tapón de la válvula, debe ser dimensionado para dejar pasar el flujo de alivio de diseño sin sobrepresionar ningún equipo. Los límites para detener el movimiento del vástago de la válvula no son un medio aceptable para asegurarse de la apertura mínima.

b.

Debe hacerse notar claramente en la documentación pertinente (hojas de especificaciones, catálogos mecánicos, diagramas de flujo, manuales operacionales, etc.) el hecho de que la característica de apertura mínima se ha incluido para propósitos de alivio de presión y no debe cambiarse. también debe soldarse al cuerpo de la válvula una placa–letrero de advertencia.

c.

La instalación debería ser revisada por la sección correspondiente de la Superintendencia de Seguridad.

2.

Es aceptable una válvula de control de 3 vías que divide o combina dos flujos en una vía de alivio de presión, con tal que el área total seccional transversal de apertura sea por lo menos igual a la tubería adyacente en todas las posiciones de la válvula. También, la válvula debería ser del tipo que nunca tiene la compuerta en la posición de totalmente cerrada.

3.

Las válvulas interconectadas eléctrica o mecánicamente para dividir o combinar dos flujos no son aceptables en una vía de alivio.

4.

Placa de orificio de medidor de flujo – Una placa de orificio de medición de flujo es permisible en la vía de alivio de presión del flujo normal de proceso, con tal que pueda dejar pasar el flujo de emergencia requerido sin exceder los límites de presión de los equipos aguas arriba. Sin embargo, no es aceptable en la entrada de una válvula de alivio de presión ni tampoco en cabezales de mechurrios.

5.

Válvula de retención – Una válvula de retención es aceptable en una vía de alivio de presión del proceso con tal que:

a.

La válvula abra en la dirección del alivio de presión y

b.

La válvula sea de retención a bisagra o del tipo de compuerta como una “galleta” (wafer) con ninguna actuación externa o mecanismo de amortiguación y, también,

c.

Se incluye la caída de presión en el análisis del sistema. Sin embargo, no está permitido el uso de una válvula de retención en la tubería de entrada o de salida de una válvula de alivio de presión ni tampoco en cualquier cabezal de mechurrio o de válvula de seguridad.

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Supresores de llama y pantallas deshumificadoras – Ninguno de estos dispositivos está permitido en un sistema de descarga de alivio de presión, tal como en el cabezal de un mechurrio o tambor separador. El diseño de dispositivos de remoción de materiales arrastrados tales como pantallas deshumificadoras debe asegurar que la vía de alivio no pueda ser obstruida o, bien por taponamiento de la pantalla o por la pantalla misma, desprendiéndose y bloqueando la entrada de la válvula de alivio.

7.

Vías de flujo paralelas – En algunos casos, las vías de alivio de presión pueden tener lugar a través de componentes de equipos unidos por múltiples de tubería en sus entradas y salidas, con válvulas que tienen dispositivos de sello para mantenerlas abiertas (válvulas “CSO”) para aislamiento de una o más de las vías paralelas para mantenimiento en operación o condiciones de flujo menores que las de diseño. Un ejemplo de este caso son dos condensadores en paralelo en el sistema del tope de una columna fraccionadora. Si la válvula de alivio de presión de la columna es también usada para la protección del tambor de destilado, la vía de alivio de presión sería a través de los dos condensadores en paralelo. Para propósitos de diseño, ambas vías pueden considerarse como disponibles para el alivio de presión, puesto que todas las válvulas de aislamiento son del tipo de bloque en su posición abierta (válvulas “CSO”). Sin embargo, el sistema debería también ser analizado en base a que solamente habría una vía disponible cuando el condensador es aislado para su mantenimiento en operación. En este análisis, la vía sencilla disponible debería ser de dimensión suficiente para que el tambor de destilado no sea sobrepresionado a una presión mayor de 1.1 veces la presión de diseño. Esta base debería también aplicarse a otros componentes de equipos, como por ejemplo filtros paralelos o reactores.

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6

7

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1

OCT.97


NOMENCLATURA

A F F1

= = =

F2

=

L

=

Q

=

W

=

Superficie total humedecida Factor Ambiental Factor cuyo valor depende de las unidades usadas en la Ec. (1) Factor cuyo valor depende de las unidades usadas en la Ec.(2) Calor latente de vaporización del liquido en el recipiente, evaluado a la presión existente en la entrada de la válvula de alivio de presión, bajo condiciones de descarga total Absorción de calor total (entrada) por la superficie humedecida Flujo másico de vapores a aliviar

En unidades SI


m2 adim. 43.19

pies2 adim. 21000

70.96

34500

kJ/kg

BTU/lb

kW

BTU/h

kg/s

lb/h

APENDICE Figura 1 “ Válvula de bajo recorrido guiada por el fondo y el tope para descargas de turbinas” Figura 2a: “Presión de Vapor y Calor Latente de Vaporización para Líquidos Hidrocarburos parafínicos puros (un solo componente), 1era parte” Figura 2b: “Presión de Vapor y Calor Latente de Vaporización para Líquidos Hidrocarburos parafínicos puros (un solo componente), 2da parte”

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1

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FIGURA 1 VALVULA DE BAJO RECORRIDO GUIADA POR EL FONDO Y POR EL TOPE PARA DESCARGA DE TURBINA

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1

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FIGURA 2A PRESIÓN DE VAPOR Y CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN PARA LÍQUIDOS HIDROCARBUROS PARAFÍNICOS PUROS (UN SOLO COMPONENTE), 1ERA PARTE

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OCT.97


FIGURA 2B PRESIÓN DE VAPOR Y CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN PARA LÍQUIDOS HIDROCARBUROS PARAFÍNICOS PUROS (UN SOLO COMPONENTE), 2DA PARTE


PDVSA N

TITULO

°

MDP–08–SA–03

DISPOSITIVOS DE ALIVIO DE PRESION

1

AGO.97


30

O.R.

L.R.

0

AGO.95

APROBADO

31

J.P

F.R.

REV.

FECHA

PAG.

REV.

APROB.

E

PDVSA, 1983


APROB.


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1

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Indice 1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

4 DEFINICIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

5 PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13

Válvulas de alivio de seguridad tipo convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Válvula de alivio de presión del tipo de fuelle balanceado . . . . . . . . . . . . Válvula de alivio de presión operada por piloto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Efecto de la contrapresión sobre las válvulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Factores de la contrapresión en el diseño de válvulas de alivio de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Golpeteo de las válvulas de alivio de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Instalación de válvulas múltiples de alivio de presión . . . . . . . . . . . . . . . . Características especiales para válvulas de alivio de presión operadas por resorte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Discos de ruptura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Compuerta para explosión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sello líquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Válvula de alivio de presión para servicio contra taponamiento por polímeros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Protección contra la sobrepresión con el uso de restricciones y vías de escape de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 5 7 9 10 12 14 16 17 19 19 20 20

6 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 7 APENDICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Figura 1 Figura 2 Figura 3 Figura 4 Figura 5 Figura 6 Figura 7 Figura 8 Figura 9

“Válvula típica de alivio de seguridad convencional” . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 “Característica de una válvula típica de seguridad” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 “Fuerzas que actúan sobre los discos de válvulas de seguridad del tipo convencional y de fuelle balanceado” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 “Condiciones de presión para una válvula de seguridad instalada en un recipiente a presión (fase vapor).válvula suplementaria usada para exposición a un incendio solamente” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 “Válvula típica de seguridad de fuelle balanceado” . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 “Válvula típica de alivio de presión operada por piloto” . . . . . . . . . . . . . . . 28 “Válvula de seguridad con sello de asiento de anillo en “O”” . . . . . . . . . . . 29 “Conjunto típico de disco de ruptura” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 “Compuerta de explosión para oxidador de asfalto” . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30


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AGO.97


OBJETIVO El objetivo de esta sección es describir los diferentes tipos de dispositivos de alivio de presión existentes para desalojo de vapor y/o l íquidos, con sus características y criterios para su selecci ón. El tema “Sistemas de alivio de presión”, dentro del area de “Seguridad en el diseño de plantas”, en el Manual de Dise ño de Procesos (MDP), está cubierto por los siguientes documentos: PDVSA –MDP –

Descripci ón de Documento

08 – SA – 01 08 – SA – 02

Sistemas de alivio de presión: Principios Básicos. Sistemas de alivio de presi ón: Consideraciones de contingencia y determinación de los flujos de alivio. 08 – SA – 03 Sistemas de alivio de presión: Dispositivos de alivio de presi ón (Este documento). 08 – SA – 04 Sistemas de alivio de presión: Procedimientos para especificar y dimensionar válvulas de alivio de presi ón. 08 – SA – 05 Sistemas de alivio de presi ón: Instalación de válvulas de alivio de presión. Este documento, junto con los demás que cubren el tema de “Sistemas de alivio de presión”, dentro del Manual de Diseño de Procesos (MDP) de PDVSA, son una actualización de la Práctica de Diseño “Seguridad en el diseño de plantas, subsección 15C: Sistemas de alivio de presi ón”, presentada en la versi ón de Junio de 1986 del MDP.

2

ALCANCE Esta sección cubre la descripción, características y criterios para seleccionar el tipo de dispositivo de alivio de presi ón o válvula de seguridad adecuado según los requerimientos del servicio, incluye tambi én las ventajas y desventajas de los mismos.

3

REFERENCIAS Manual de Dise ño de Proceso (versi ón 1986) S S

Vol. IX, Subsección 15B “Minimización de los riesgos de incendio, explosi ón o accidente”. Vol. IX, Subsección 15C: “Sistema de Alivio de Presión”.

Manual de Dise ño de Proceso S

PDVSA – MDP – 08 – SA – 02 “Consideración de contingencias y determinación de los flujos de alivio”.

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Otras Referencias S

ASME–Section I, “Power Boilers”, 1992

S

ASME–Section VIII, “Pressure Vessels”, 1992

S

4

API–RP520, “Sizing, Selection and Installation of Pressure–Relieving Devices in Refineries”, Part I, 6th edition, Marzo 1993.

DEFINICIONES Véase documento PDVSA– MDP–08–SA–01.

5

PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO Los dispositivos de alivio de presión más usados en refinerías y plantas químicas son: válvulas de alivio de seguridad tipo convencional, válvulas de alivio de presión del tipo de fuelle balanceado y válvulas de alivio de presión operada por piloto.

5.1

Válvulas de alivio de seguridad tipo convencional El dispositivo de alivio de presión usado en la mayoría de los equipos de refinerías y plantas químicas es del tipo de válvula de seguridad cargada por resorte, guiada por el tope, de alto levantamiento y de modelo de boquilla ilustrado en la Figura 1. El resorte es usualmente externo y empotrado en un bonete para su protección contra el clima. La cámara del bonete se ventea a través de un pasaje interno a la salida de la válvula.

5.1.1

Operación general – La operación de una válvula de seguridad convencional se muestran en el diagrama de la Figura 2. La acción de la válvula a medida que sube la presión desde su valor inicial de operación normal (asumiendo que no existe contrapresión) se describe a continuación. 1.

A una presión por debajo de la presión de ajuste (típicamente 93% a 98% de la presión de ajuste dependiendo del mantenimiento de la válvula y su condición) puede ocurrir un ligero escape de presión como una sudoración entre el asiento de la válvula y el disco. Esto se debe al progresivo decremento de la fuerza neta de cierre que actúa sobre el disco (presión del resorte menos la presión interna).

2.

A medida que sube la presión operacional, aumenta la fuerza resultante sobre el disco de la válvula, oponiéndose a la fuerza ejercida por el resorte, hasta que, al alcanzar la presión de ajuste (ajustada normalmente igual al valor de la presión de diseño del recipiente), las fuerzas sobre el disco se balancean y el disco comienza a levantarse.


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5.1.2

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1

AGO.97


3.

A medida que continúa aumentando la presión del recipiente por encima de la presión de ajuste, el resorte es comprimido a ún más hasta que el disco está totalmente levantado. La válvula es diseñada para alcanzar su capacidad de trabajo a la acumulaci ón máxima permitida (10% para contingencias que no sean incendio, 16% si se usan v álvulas múltiples y 21% para exposición al fuego).

4.

Subsiguiente a una reducci ón de la presión del recipiente, el disco retorna a su posición bajo acción del resorte, pero se re – asienta a una presión menor que la presión de ajuste en una cantidad denominada “presión diferencial de purga” que es 4% a 8% de la presión de ajuste. La “diferencia de presión de purga” puede ajustarse dentro de ciertos l ímites por varios medios recomendados por el suplidor o fabricante de la v álvula, para proveer una “presión diferencial de purga” más larga o más corta.

Caracter í sticas de apertura de la v álvula Servicio de vapor Las válvulas de alivio de presión para servicio de vapor (o sea v álvulas de seguridad y válvulas de alivio de seguridad) son espec íficamente diseñadas para una acción de disparo. Eso significa que se mueven a la posici ón totalmente abierta si ocurre una ligera sobrepresi ón, la válvula permanece totalmente abierta a medida que la presión aumenta al máximo permitido, y a esa condici ón descargan su flujo de dise ño. Esa característica de disparo se logra mediante un orificio anular secundario construido fuera del asiento – boquilla. Esto origina que exista un área de disco adicional expuesta a la presi ón de operación tan pronto ocurra un ligero levantamiento, acelerando el movimiento de apertura. La energía cinética del vapor que fluye, por acci ón entre el retenedor del disco de la válvula y el anillo de purga, se suma a la fuerza de apertura y causa que la v álvula abra con un disparo. Esta energ ía cinética del flujo continúa actuando contra la fuerza del resorte a medida que la presi ón del fluido retorna al valor de ajuste de la válvula de alivio de presión. Esto explica el hecho de que la v álvula de alivio de presión se re – asiente a una presión menor que la presión de ajuste, lo cual se denomina presión diferencial de purga. El flujo de vapor a través de una válvula típica de alivio de seguridad de alto levantamiento diseñado normalmente está caracterizado por una velocidad sónica límite y por condiciones cr íticas de flujo/presión en el orificio (garganta de la boquilla), y para un tamaño de orificio y composición del gas dado, el flujo de masa es directamente proporcional a la presi ón absoluta aguas arriba. Servicio de l í quido Las válvulas de alivio de presi ón en servicio líquido (o sea válvulas de alivio y válvulas de alivio de seguridad) tienen la caracter ística de un aumento progresivo


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del levantamiento a medida que va aumentando la presi ón de entrada hasta que alcanza la posición totalmente abierta a 25% de sobrepresi ón. Esta característica puede variar entre tipos y marcas. 5.1.3

Limitaciones de contrapresi ón La contrapresión acumulada máxima no debe exceder el valor de sobrepresi ón que aplique en el momento, es decir, la contrapresi ón acumulada no excederá el 10% de la presión manométrica de ajuste, o el 21% de dicha presi ón para el caso de fuego.

5.2

del tipo de fuelle balanceado Vá lvula de alivio de presi ón

Una válvula típica de alivio de presión del tipo fuelle se ilustra en la Figura 3 5.2.1

Aplicaci ón – Se deberían especificar válvulas de fuelle donde apliquen cualquiera de lo siguientes casos: 1.

Las contrapresiones superimpuestas no son constantes (En los casos en que las contrapresiones fluct úan sobre una válvula convencional, la válvula puede abrir a una presi ón muy baja o puede permitir que la presi ón del recipiente exceda la presi ón de trabajo de los componentes del equipo, dependiendo de la fluctuaci ón de la contrapresión).

2.

La contrapresión acumulada excede el 10% de la presi ón manométrica de ajuste en cualquier caso, y excede el 21% de la presi ón manométrica de ajuste en caso de incendio

3.

El servicio es sucio o corrosivo, puesto que el fuelle protege el resorte del fluido de proceso. Sin embargo, las circunvoluciones del fuelle pueden también ensuciarse en servicio extremadamente viscoso, tal como con asfalto, limitando el levantamiento de la v álvula, a menos que la válvula sea calentada y aislada. Aunque la válvula de alivio de presión tipo fuelle tiene la ventaja de tolerar una contrapresión más alta que lo que puede soportar una v álvula convencional, debe reconocerse que el fuelle es inherentemente un punto de debilidad mecánica que introduce algún grado de riesgo adicional en el caso de que el fuelle tenga una falla y descargue fluidos de proceso a trav és del venteo. Estas válvulas de fuelle no se deben usar en servicios en que la temperatura de proceso excede el punto de auto – ignición.


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5.2.2


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Limitaciones de contrapresi ón – Las válvulas de alivio de presi ón del tipo de fuelle balanceado pueden ser usadas satisfactoriamente en servicio para vapores o líquidos hasta una contrapresi ón máxima (superimpuesta más acumulada) de hasta 50% (Recomendaciones del fabricante CROSBY), de la presi ón de ajuste con tal qie el efecto de la contrapresi ón sea incorporada en los cálculos de dimensionamiento. A contrapresiones mayores la capacidad se torna cada vez más sensitiva a pequeños cambios de la contrapresi ón. Aparte de las limitaciones de contrapresi ón anteriormente expuestas basadas en la capacidad de la válvula, las válvulas de alivio de presión del tipo fuelle balanceado están también sujetas a limitaciones de contrapresi ón basadas en la resistencia mecánica del fuelle o del bonete o de la clasificaci ón de trabajo de la brida externa.

5.2.3

Venteos del bonete en v álvulas de fuelle – A fin de lograr el balanceo requerido del disco de la válvula, el interior del fuelle debe ser venteado a trav és de la cámara del bonete a la atmósfera. Para este propósito, se provee un hueco de venteo de 10 a 20 mm (0 – 5 pulg.) de diámetro en el bonete. así, cualquier falla o escape de presión del fuelle permitirá que el fluido de proceso sea descargado desde el lado de alivio de la válvula a través del venteo. Las instalaciones de venteo deben por lo tanto ser cuidadosamente dispuestas para cumplir con los siguientes requerimientos: 1.

Antes de poner en servicio una nueva v álvula deben removerse los tapones de los huecos de venteo del bonete, que han sido provistos por el fabricante para el transporte.

2.

Cada válvula de alivio de presi ón debe ser instalada de modo que el venteo del bonete no permita que los vapores aliviados caigan sobre tuber ías o equipos, o sobre vías de acceso para el personal. Donde sea necesario, debe añadirse un niple corto o un codo para dirigir el flujo lejos de tales áreas. En estos casos, la tuber ía de venteo debe descargar horizontalmente para evitar la penetración de suciedad o agua de lluvia y su extremo debe ser tal que sea accesible para pruebas de fuga.

3.

En los casos en que una falla del fuelle descargar ía líquidos inflamables, tóxicos o corrosivos a través del venteo debe usarse un embudo abierto para dirigir el escape de presi ón hasta el nivel del suelo a trav és de una tubería extendida, conectada a una bandeja recolectora o un pasa – hombre con conexión de entrada sellada.

4.

Aunque se prefiere un venteo a la atm ósfera como se describió en los párrafos 2 y 3 anteriores, una alternativa es hacer una conexi ón a un sistema cerrado de baja presión, si está disponible. Este método puede usarse en el caso de fluidos altamente tóxicos. Debe usarse la longitud mínima de la tubería de venteo. Deben examinarse cuidadosamente los efectos de


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cualquier contrapresión puesto que en tales casos, la contrapresi ón superimpuesta es aditiva a la fuerza ejercida por el resorte.

5.3

Vá lvula de alivio de presi ón operada por piloto En la Figura 4 se ilustra una válvula típica de alivio de presi ón operada por piloto. Bajo las condiciones operacionales normales, la presi ón de un recipiente actúa sobre el asiento principal de la v álvula en la parte inferior del pist ón de área diferencial flotante y por medio de la l ínea de suministro del piloto es tambi én aplicada al tope del pistón y por debajo del disco de la v álvula piloto. Puesto que el área superior del pistón es más grande que el área de la boquilla en el extremo inferior del pistón, existe una fuerza grande sosteniendo apretado el pist ón sobre la boquilla. Bajo condiciones est áticas, esta fuerza de sello ejercida hacia abajo aumenta a medida que sube la presi ón en el recipiente y la v álvula se acerca hacia su punto de ajuste. Esto contrasta con la v álvula convencional operada por resorte, donde la fuerza neta sobre el asiento se reduce y la v álvula de alivio de presión comienza a dejar escapar el fluido a medida que se aproxima a su punto de ajuste. Cuando se alcanza la presión de ajuste del piloto, éste abre y despresiona el área por encima del pistón, y alivia a la atmósfera o a un cabezal de tuber ía reduciendo así la carga sobre la parte superior del pist ón, hasta el punto en que la fuerza de empuje hacia arriba sobre el asiento del pist ón puede vencer la fuerza ejercida hacia abajo. Esto causa un levantamiento instant áneo del pistón hasta su posición de apertura total. La válvula piloto asiento blando cargada por resorte es construida de modo tal que logra una gran descarga de alivio. En el caso de un piloto del tipo activado por el flujo, en el punto en que la l ínea de suministro del piloto alimenta la presi ón del sistema a la válvula de alivio del piloto, el flujo pasa a trav és de un orificio variable que es también el ajuste de descarga de alivio de la v álvula principal. Cuando el piloto abre el flujo a través de la línea de suministro causa una ca ída de presión inmediata a través del orificio. Ajustando el tama ño del orificio, o sea la magnitud de la caída de presión a través del mismo, puede obtenerse el grado deseado de descarga de alivio del sistema (un valor t ípico es 5 a 7%). Cuando se alcanza la presión de descarga de alivio predeterminada del sistema, la válvula piloto cierra, se repone la presi ón del sistema al domo por encima del pistón y éste es movido rápidamente a su posición de cierre. El punto de detección de presión de la válvula piloto puede estar localizado en el cuello de entrada de la v álvula principal o en la carcaza del recipiente que se protege. En este último caso, la válvula es menos afectada por la ca ída de presión en la tubería de entrada como se explica más adelante.

5.3.1

Ventajas – Las ventajas de las válvulas de alivio operadas por piloto son las siguientes:


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1.

Una válvula operada por piloto puede operar en la cercan ía de su punto de ajuste y permanece cerrada sin el menor escape de presi ón hasta que la presión de entrada alcanza la presi ón de ajuste. Es posible aprovechar esto para reducir el margen normal de 10% entre las presiones de operaci ón y de ajuste, reduciendo así el espesor requerido de la pared de la carcaza del recipiente. Sin embargo, todav ía a esta altura no hay suficiente experiencia operacional para hacer de esto una recomendaci ón general. Aún más, esto no constituye un factor de significaci ón hasta que se involucran presiones de diseño por encima de 6900 kPa manom étricos (1000 psig), excepto quiz ás para remover restricciones operacionales.

2.

Una vez que se alcanza la presi ón de ajuste, la válvula se abre completamente y permanece abierta, mientras se excede el valor del punto de ajuste. No hay necesidad de una sobrepresi ón de un flujo mínimo para mantenerla abierta. De este modo, no est á sujeta a golpeteo a bajas velocidades de descarga.

3.

Si la conexión de detección de presión para la válvula piloto se toma directamente del recipiente protegido (corriente arriba de cualquier restricción por la tubería de entrada), una válvula operada por piloto est á menos expuesta al golpeteo que est á normalmente asociado con una alta caída de presión en la tubería de entrada. Sin embargo, es todav ía aconsejable diseñar la tubería de entrada para una ca ída de presión máxima por fricción de 3% de la presión de ajuste, puesto que se ha tenido información de resonancia y golpeteo, cuando se han medido ca ída de presión más altas.

4.

Cuando el piloto descarga a la atm ósfera, una válvula de alivio de presión operada por piloto está totalmente balanceada. Al igual que la v álvula de fuelle balanceado su presión de apertura no es afectada por la contrapresi ón y una alta contrapresión acumulada no resulta en un golpeteo.

5.

Las válvulas operadas por piloto pueden ser usadas satisfactoriamente en servicios de líquido o de vapores hasta una contrapresi ón máxima (superimpuesta más acumulada) de 50% de la presi ón de ajuste, con tal que la contrapresión sea incluida en los c álculos de dimensionamiento. A contrapresiones más altas la capacidad es cada vez m ás afectada por pequeños cambios de la contrapresión. Como una excepción puede usarse una contrapresión de 75% de la presión de ajuste con tal que se reconozca esa desventaja.

6.

Facilidad de Ajuste – Con una sencilla conexión de prueba pueden chequearse la presión de reventón del piloto y la presión de reasentamiento mientras la válvula está en servicio.

7.

Despresurización Remota – Una válvula operada por piloto es suficientemente segura en su acci ón para ser usada como un dispositivo de


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despresurización. Mediante el uso de una válvula manual, de una válvula de control o una válvula solenoide para descargar la c ámara del pistón, es posible abrir y cerrar una v álvula operada por piloto a presiones por debajo de su punto de ajuste desde cualquier localidad remota, sin afectar su operación como una válvula de alivio de presión.

5.3.2

8.

Las válvulas de alivio operadas por piloto pueden especificarse para una descarga de alivio tan baja como el 2%. Esto representa una ventaja para su uso en una tubería principal de gas y almacenaje bajo presi ón, donde el estrecho rango de ciclos de presi ón minimiza las pérdidas del producto por descargas de alivio.

9.

Para aplicaciones que involucran una alta contrapresi ón superimpuesta, una válvula operada por piloto puede ser la única válvula balanceada posible que esté comercialmente disponible debido a las limitaciones mec ánicas que aplican a los fuelles.

Desventajas – Las válvulas de alivio de presión operadas por piloto presentan las siguientes desventajas: 1.

No son recomendados para servicios expuestos a ensuciamiento u obstrucciones, debido a que pueden taparse la v álvula piloto y las líneas detectoras de presión de bajo calibre. Si se ensucian o tapan la v álvula piloto o las conexiones del piloto la v álvula abre automáticamente. En casos especiales en que el ensuciamiento es debido a s ólidos arrastrados esta dificultad puede obviarse usando una v álvula piloto del tipo “sin flujo” y un filtro en la línea del piloto. Con una v álvula piloto del tipo “sin flujo” no existe un flujo normal en el sistema del piloto y por lo tanto el arrastre de s ólidos es reducido.

2.

Estas válvulas están normalmente limitadas a una temperatura m áxima de entrada de 230 C (450 F) por los sellos del pistón en forma “O”. °

5.4

°

3.

La condensación de vapores por encima del pist ón puede causar el mal funcionamiento de la válvula a menos que se apliquen dise ños especiales.

4.

En los tamaños más pequeños son más costosas comparadas con las válvulas convencionales y las v álvulas de fuelle.

sobre las v ál vulas Efecto de la contrapresi ón

La Figura 5 ilustra las fuerzas que actúan sobre los discos de válvulas convencionales típicas y de fuelle balanceado. El efecto de la contrapresi ón sobre las válvulas de alivio, así como las consideraciones apropiadas de dise ño se describen a continuaci ón. 1.

La presencia de cualquier contrapresi ón superimpuesta sobre el tope del disco de una válvula convencional ejerce una fuerza de cierre, adicional a la


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fuerza del resorte, que se opone a la fuerza de apertura ejercida sobre el disco de la válvula por la presión en el recipiente. El efecto de la contrapresi ón superimpuesta sería aumentar la presión de ajuste si no se concede un margen para la misma en el ajuste del resorte.

5.5

2.

La existencia de cualquier contrapresi ón que actúe sobre el tope del disco de una válvula convencional mientras ésta se encuentra en la posici ón abierta o parcialmente abierta, ejerce una fuerza de cierre y resulta en un levantamiento reducido de la válvula y por consiguiente, en una velocidad de descarga disminuida, asumiendo que las otras variables permanecen sin cambio.

3.

Una contrapresión acumulada excesiva que act úa sobre el tope del disco de una válvula de alivio de presi ón convencional puede resultar en un golpeteo.

4.

La contrapresión reduce la caída de presión a través del orificio de cualquier tipo de válvula de alivio de presión. Esto resulta en velocidades de descarga reducidas en el caso de vapores, si la contrapresi ón excede la presión crítica de flujo. Para líquidos, cualquier contrapresi ón reduce la caída de presión lo cual resulta en una velocidad de descarga menor.

5.

Una válvula de alivio de presión del tipo “fuelle” es una en que la fuerza de cierre ejercida por la contrapresi ón sobre el tope del disco de la v álvula y la contrapresión ejercida sobre la parte inferior del disco se balancean porque las superficies expuestas son iguales, cancel ándose la una con la otra. El fuelle protege el tope del disco contra la sobrepresi ón y el área del fuelle se ventea a la atmósfera a través del venteo del bonete. En el caso de una válvula operada por piloto, con tal que la v álvula piloto descargue a la atmósfera, el pistón principal es independiente de la contrapresi ón y, por lo tanto, es también considerada como una válvula balanceada. Las válvulas de alivio de presión balanceadas se caracterizan por lo siguiente:

a.

La presión de apertura no es afectada por la contrapresi ón.

b.

Están sujetas a menos golpeteo por una contrapresi ón acumulada.

c.

La capacidad de la válvula es afectada por la contrapresi ón de la misma manera que para válvulas de alivio convencionales.

Factores de la contrapresi ón en el dise ño de v ál vulas de alivio de presi ón La contrapresión se incluye como un factor en la selecci ón y dimensionamiento de una válvula de alivio de presión de acuerdo con lo siguiente: 1.

Las válvulas de alivio de presión convencionales sujetas a una contrapresi ón superimpuesta constante se diseñan para que abran a la presi ón de ajuste requerida, por una reducci ón apropiada de la presi ón del resorte.


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2.

Las válvulas de alivio de presión convencionales expuestas a una contrapresión superimpuesta variable abren a la presi ón variable correspondiente, puesto que la contrapresi ón superimpuesta se añade a la fuerza del resorte.

3.

Las válvulas de fuelle balanceado no necesitan una reducci ón en presión ejercida por el resorte para compensar la contrapresi ón superimpuesta variable, sin efecto sobre la presi ón de apertura.

4.

Las válvulas de alivio de presión convencionales y los sistemas de descarga deben ser diseñados de tal modo que la contrapresi ón acumulada no exceda el 10% la presión de ajuste (ambas medidas en unidades manom étricas), para evitar problemas de golpeteo. En el caso en que un sistema con v álvula de alivio de presión es dimensionado para condiciones de un incendio, con una sobrepresión de 21%, está permitida una contrapresión acumulada de 21% de la presión de ajuste. Sin embargo, el flujo inferior resultante de otras contingencias debe todavía cumplir la limitación del 10%.

5.

Las válvulas de alivio de presi ón del tipo fuelle balanceado no necesitan ser restringidas al límite de contrapresión acumulada (10% de la presi ón de ajuste) como son las válvulas convencionales, puesto que no est án sujetas a golpeteo por esa causa. Sin embargo, la contrapresi ón máxima está limitada por la capacidad y en algunos casos por las limitaciones de resistencia mecánica de diseño de partes tales como la brida de salida, fuelles y bonete de la v álvula. En general, la contrapresi ón total sobre una válvula de alivio de presión del tipo fuelle balanceado (superimpuesta m ás acumulada) debe limitarse al 50% de la presión de ajuste, debido al importante efecto de contrapresiones mayores sobre la capacidad de la v álvula, aun cuando se usan factores de corrección apropiados en el dimensionamiento.

6.

El efecto de la contrapresión sobre la capacidad de la v álvula de alivio de presión convencional se toma en cuenta en los procedimientos de c álculo para el dimensionamiento.

a.

Si la contrapresión superimpuesta es menor que la presi ón de flujo crítico calculada, la capacidad de una v álvula de alivio de presión convencional en servicio de vapor no es afectada, y la contrapresi ón no es un factor a considerar. Sin embargo, la acumulación de contrapresión sobre una válvula de alivio de presión convencional afecta su capacidad de flujo y sus características y no debe exceder el 10% de su ajuste de presi ón.

b.

Si la contrapresión total (superimpuesta más acumulada) es mayor que la presión de flujo crítico calculada, la capacidad de una v álvula de alivio de presión convencional en servicio de vapor es afectada y la contrapresi ón total se incorpora en el procedimiento de c álculo para el dimensionamiento.


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5.6


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c.

Cualquier contrapresión reduce la capacidad de una v álvula de alivio de presión convencional en servicio l íquido, y el procedimiento de c álculo para el dimensionamiento se basa en la presión diferencial a través de la válvula, dando margen para las presiones superimpuesta y acumulada.

7.

La contrapresión afecta la capacidad de las v álvulas de alivio de presión balanceadas, de la misma manera como se describi ó en el párrafo (6) anterior para las válvulas convencionales y por tanto se incluyen los factores apropiados en los procedimientos de c álculo para su dimensionamiento. Estas válvulas están sujetas a límites recomendados en cuanto a m áxima contrapresión total (superimpuesta más acumulada), tal como sucede para las válvulas convencionales. En el caso de v álvulas del tipo de fuelle balanceado, deben también evaluarse las consideraciones mec ánicas, puesto que éstas limitan la contrapresión máxima permisible.

Golpeteo de las v ál vulas de alivio de presi ón El golpeteo es la apertura y cierre r ápido y alternado de una v álvula de alivio de presión. Esta vibración puede causar desalineaci ón y escape de presión cuando la válvula retorna a su posición normal cerrada; si se prolonga por un tiempo suficiente puede resultar en fallas mec ánicas de las partes internas de la v álvula o de accesorios asociados con la tuber ía. El golpeteo puede ocurrir en válvulas de alivio de presión en servicio para líquidos o vapores. Las principales causas del golpeteo son las siguientes: Válvula sobredimensionada S Caída de presión excesiva en la entrada S Excesiva contrapresión acumulada. Además, mecanismos adicionales de golpeteo pueden presentarse en algunas instalaciones con válvula de alivio de presi ón en servicio líquido, si las características de respuesta de una v álvula de control en el mismo sistema son tales que ocurre oscilaci ón entre las dos válvulas. Generalmente, esto puede eliminarse manipulando los ajustes de los instrumentos o por la instalaci ón de dos válvulas con puntos de ajuste escalonados. La v álvula con el menor ajuste debe ser dimensionada para manejar el 25% de la capacidad requerida. S

5.6.1

Válvula sobredimensionada – Las válvulas de alivio de presión de acción de disparo en servicio para vapores, abren en el punto de ajuste por acci ón de la presión estática del proceso sobre el disco de la v álvula, y se mueven a la posici ón de totalmente abierta con solo una ligera sobrepresi ón. Típicamente, se necesita un flujo de por lo menos 25% de la capacidad de la v álvula para mantener el disco en la posición abierta. A flujos más bajos la energía cinética del flujo de vapor es insuficiente para mantener la v álvula abierta contra la acci ón del resorte y retorna a la posición cerrada solamente para abrirse otra vez inmediatamente, puesto que


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la presión estática dentro del sistema todavía excede la presión de ajuste. El golpeteo resulta de un ciclo que se prolonga de esa manera. Puede tambi én ocurrir cuando una válvula de alivio de presión del tipo de disparo es muy grande para la cantidad de flujo que se descarga. En la mayor ía de los casos, puede ser apropiado el uso de v álvulas de alivio de presión múltiples con puntos de ajuste escalonados para eliminar este problema. Las válvulas de alivio de presi ón en servicio para líquidos se caracterizan por un levantamiento que aumenta progresivamente a medida que sube la presi ón de entrada, en vez de la acción como de disparo de las v álvulas en servicio para vapores. Por lo tanto, las válvulas en servicio para l íquidos son menos propensas al golpeteo a bajas velocidades de alivio y se modulan a si mismas hasta una reducción de cerca del 25% del flujo de dise ño. 5.6.2

Caí da de presi ón excesiva a la entrada – Una válvula de alivio de presión comienza a abrir a su presión de ajuste, pero a las condiciones de descarga la presión que actúa sobre el disco de la válvula se reduce en una cantidad igual a la caída de presión a través de la tubería de entrada y sus accesorios. Si esta ca ída de presión es lo suficientemente grande, la presi ón de entrada a la válvula puede disminuir por debajo de la presi ón de reasiento causando que la v álvula cierre para reabrirse inmediatamente, ya que la presi ón estática es todavía mayor que la presión de ajuste. El golpeteo resulta de la repetici ón rápida de este ciclo. Para evitar que ocurra el golpeteo, debe dise ñarse la tubería de entrada y la válvula de alivio de presión con la menor caída de presión práctica posible (incluyendo pérdidas de presión por entrada, en la tuber ía y a través de la válvula de aislamiento), o sea no mayor del 3% de la presi ón de ajuste a la rata de alivio de diseño. Esta limitación basada en la experiencia es recomendada por los m ás importantes fabricantes de válvulas de alivio de presi ón. Solamente se toma en cuenta en este cálculo la caída de presión por fricción. (En casos muy raros puede usarse el 5% de caída de presión de entrada, como por ejemplo en el caso de válvulas grandes de alivio de presi ón para servicio de vapor de agua de baja presión). La limitación del 3% es particularmente importante para v álvulas en servicio líquido.

5.6.3

Excesiva contrapresi ón acumulada – La contrapresión acumulada resultante del flujo de descarga a través del sistema de salida de una válvula de alivio de presión convencional, resulta en una fuerza sobre el disco de la v álvula tendiente a retornarla a su posición cerrada. Si esta fuerza de retorno es lo suficientemente grande puede causar que la v álvula cierre, solamente para reabrirse inmediatamente cuando desaparece el efecto de la contrapresi ón acumulada. El golpeteo resulta de la r ápida repetición de este ciclo.


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Para prevenir este golpeteo por el mecanismo anterior, los sistemas de descarga de válvulas de alivio de presi ón convencionales deben ser dise ñadas para una contrapresión acumulada máxima de 10% la presión de ajuste, cuando descarga con 10% de acumulación. En los casos en que el dise ño de alivio de presión es controlado por condiciones de incendio con una sobrepresi ón de 21%, está permitida una contrapresión acumulada del 21% de la presi ón de ajuste. En los casos en que las pérdidas en la presión de salida excedan del 10% se deben considerar el uso de las v álvulas de fuelle. Sin embargo, la sustituci ón de una válvula convencional por una v álvula de fuelle no necesariamente puede resolver el problema de golpeteo, ya que las desventajas asociadas con las v álvulas de fuelle reducen la capacidad de trabajo de este tipo de v álvulas. De aquí que la válvula tienda a ser sobredimensionada dependiendo de la magnitud de la contrapresión que ocurra. Por esa raz ón, es preferible la revisión de la tubería de salida para reducir la contrapresi ón a una valor dentro del l ímite de 10%, a la alternativa de instalar una v álvula de fuelle.

5.7

Instalació n de m úl tiples v ál vulas de alivio de presi ón

En ciertos casos es necesario instalar dos o m ás válvulas de alivio de presi ón en paralelo para un solo servicio. Estas aplicaciones se describen a continuaci ón junto con lineamientos apropiados para su dise ño. 5.7.1

Alivios grandes – La magnitud de algunos alivios grandes puede ser mayor que la capacidad de la válvula de alivio de presi ón más grande que está disponible comercialmente, necesitándose el uso de dos o más válvulas. Aun cuando esté disponible una válvula sencilla de alivio de presi ón, debe considerarse el costo relativo de válvulas múltiples. Por encima de un cierto tamaño (típicamente 200 x 250 mm (8 x 10 pulg.)), las consideraciones de ingenier ía estructural y de tuberías y las de válvulas y líneas de gran tamaño pueden resultar en un costo instalado mucho menor para dos v álvulas de alivio de presi ón más pequeñas. Cuando se instalan dos o más válvulas de alivio de presión, por esas razones, deben especificarse con puntos de ajuste escalonados, a fin de minimizar el golpeteo a bajas velocidades de alivio.

5.7.2

Prevenci ón del golpeteo – En el dimensionamiento de válvulas de alivio de presión es siempre necesario seleccionar el orificio pr óximo más grande comercialmente disponible por encima del tama ño calculado. Aun más, una válvula de alivio de presi ón puede levantarse como resultado de varias contingencias, una cualquiera de las cuales requiere una velocidad de alivio m ás baja que la de la contingencia de dise ño. Ambos factores afectan la probabilidad de que una válvula de alivio de presión para vapores, experimente golpeteo en servicio, ya que éste es más probable que ocurra cuando la cantidad de fluido que se descarga es menor que el 25% de su capacidad m áxima. Cuando diferentes contingencias de igual probabilidad requieren capacidades substancialmente


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diferentes, es mejor siempre usar dos o m ás válvulas de alivio de presi ón con ajustes escalonados. Por ejemplo, si una contingencia requiere una capacidad de 3 kg/s (6.61 lb/s) y otra 12 kg/s (26 lb/s) se usar ían dos válvulas de alivio de presión, una con capacidad mínima de 3 kg/s (6.61 lb/s) y otra de 9 kg/s (20 lb/s). La v álvula de menor capacidad en este caso se ajustar ía a la menor presión de ajuste escalonado. Cuando una contingencia de incendio es la contingencia m ás grande y la contingencia próxima es menor que el 25% de la velocidad de alivio por incendio, deben siempre usarse válvulas de alivio de presión múltiples con ajustes escalonados. Sin embargo, cuando la contingencia por incendio es la carga m ás pequeña, generalmente se ignora. Esto se debe a que un incendio es una contingencia remota y el golpeteo bajo condiciones de un incendio no constituye una preocupación importante. 5.7.3

Diseño de instalaciones con m últiples válvulas de alivio de presi ón – Cuando se requieren dos o más válvulas de alivio de presi ón en casos como los anteriores, las capacidades y puntos de ajuste deben especificarse de acuerdo al C ódigo ASME, como sigue: 1.

El código estipula que cuando se usan m últiples válvulas de alivio de presión, solamente una de ellas necesita ser ajustada a la m áxima presión de trabajo permitida (MAWP). Las válvulas adicionales pueden ajustarse hasta un 105% de la MAWP. (Para propósitos de diseño la máxima presión de trabajo permitida es la misma que la presi ón de diseño).

2.

Adicionalmente, una tolerancia de 3% sobre la presi ón de ajuste es permitida para válvulas nominalmente ajustadas a la presi ón de diseño o máxima presión de trabajo permitida. así que una manipulación cuidadosa del punto de ajuste en el campo (sitio de la planta) puede proveer un escalonamiento de los puntos de ajuste, pero esto no se considera normalmente en el dise ño. Las cuestiones relacionadas con el punto de ajuste, escalonamiento, tolerancia y sobrepresión son tópicos en que otros códigos pueden diferir del Código ASME. Si se instalan válvulas múltiples para manejar una capacidad por condici ón de operación (o sea la condición de incendio o una fuente de calor inesperada no es un factor de control al dimensionamiento la v álvula), entonces las válvulas deben manejar esa capacidad a una presi ón de alivio que no exceda el 116% de la presi ón de diseño. Es una práctica aceptada dimensionar todas las v álvulas a la máxima presión de trabajo permitida más una acumulación del 16% y además escalonar los ajustes hasta el 105% de la presión de diseño de la presión de diseño. Esta práctica resuelve al diseñador el problema de ajustar la v álvula con el punto de ajuste más alto a la presión de diseño y escalonar hacia abajo desde ese punto. Esto también asegura que se cumplen los requerimientos del C ódigo, puesto que con un ajuste de presi ón escalonado de 105% de la presi ón de


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diseño, la sobrepresión de la válvula de alivio de presi ón no debe exceder el 10% a la capacidad total. Si, por otra parte, una condici ón de incendio o fuente de calor inesperado controla la capacidad, la presi ón de acumulación puede subir al 121% de la presión de diseño, cuando la válvula esté manejando la capacidad requerida.

5.8

3.

En el caso de que una condici ón de incendio es la que rige puede usarse una válvula suplementaria ajustada tan alto como lo permita el C ódigo. Esta válvula que se muestra en la Figura 6 provee la máxima carga posible sobre el asiento. Este ajuste deja s ólo un 9.1% de sobrepresi ón disponible para el dimensionamiento aunque la presi ón de acumulación en el recipiente es de 21%.

4.

La velocidad de alivio total para algunos sistemas de alivio de presi ón puede ser muy alta como en el caso del tambor separador de un termoreactor. Esta velocidad puede ser manejada econ ómicamente por una válvula de alivio de presión que descarga líquido a un sistema cerrado; y otra v álvula ajustada a una presión mayor, decargando vapores a la atm ósfera. La configuración del diseño debe asegurar que el l íquido preferentemente sea descargado a través de la válvula ajustada a una presi ón menor y que la posibilidad del arrastre de líquido a través de la válvula para vapores, sea minimizada proveyendo un espacio de vapor igual a por lo menos 15 minutos de sustentación del nivel de líquido por encima de la alarma de alto nivel de líquido.

Caracterí sticas especiales para v ál vulas de alivio de presi ón operadas por resorte Las características adicionales que se describen a continuaci ón, disponibles como medio para mejorar el hermetismo por debajo de la presi ón de ajuste de una válvula de alivio de presión cargada por resorte, pueden estar justificados en algunas aplicaciones.

5.8.1

Asiento Blando – (Ver Figura 7) Es un sello en forma de anillo de material sintético, o sea es un asiento blando (por ejemplo, de Viton o de caucho de silic ón) que puede incorporarse en el área del asiento del disco de una v álvula convencional o de una v álvula de alivio de presión del tipo de fuelle balanceado. Con este dispositivo puede lograrse un cierre herm ético más cercano a la presión de ajuste que con un asiento t ípico de metal a metal. Es particularmente aplicable en servicios que presentan dificultades tales como: 1.

Operación cercana a la presión de ajuste, por ejemplo, por causa de fluctuaciones de presión o pulsaciones. Sin embargo, en caso de nuevos diseños debe todavía aplicarse el margen normal de 10% o 100 a 175 kPa (15 a 25 psi) entre las presiones operacionales y de ajuste.


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2.

Fluidos muy livianos, dif íciles de detener, tal como hidr ógeno.

3.

Presencia de partículas de sólidos muy finas.

4.

Equipos sujetos a vibración.

5.

Fluidos corrosivos.

6.

Formación de hielo en la boquilla durante las condiciones de alivio.

El costo adicional es aproximadamente 50% para v álvulas pequeñas y entre 15 y 40% para válvulas más grandes. Los asientos “blandos” están normalmente limitados a una temperatura m áxima de aproximadamente 230 C (446 F) y a una presión máxima de 10000 kPa manométricos (1450 psig). °

5.8.2

°

Adaptador de hermetismo – Este dispositivo puede ser incorporado en v álvulas convencionales o de fuelle balanceado, para reducir el peque ño escape de presión o sudoración que ocurre por debajo del punto de ajuste. Funciona aplicando la carga adicional de un resorte auxiliar sobre el v ástago de la válvula movida por un mecanismo de varillas. La presi ón de entrada de la válvula de alivio de presión se aplica a través de una pequeña tubería al pistón que controla la posición de la uña de empuje, de modo que la creciente presi ón del recipiente aumenta la fuerza de asiento aplicada al resorte auxiliar. El mecanismo de varillas está diseñado de tal manera que cuando se alcanza la presi ón de ajuste, la uña de empuje se mueve alejándose del centro y se dispara a una posici ón neutral en que no se transmite ninguna fuerza sobre el resorte auxiliar, permitiendo as í que la válvula de alivio de presi ón opere normalmente. Es necesario un reajuste manual de la uña de empuje para reactivar el adaptador de mermetismo, despu és que la válvula ha descargado. El dispositivo es diseñado para fallar en posici ón segura, puesto que la pérdida de la presión del pistón permite que la uña de empuje se mueva a una posici ón neutral. Es aplicable a válvulas de alivio que operan cerca del punto de ajuste, o sea donde ocurren fluctuaciones de presi ón o pulsaciones. En nuevos dise ños debe usarse el margen normal de 10% o 170 kPa (25 psi) entre la presi ón operacional y la presión de ajuste, pero el adaptador de hermetismo puede lograr la reducción de ese margen en casos y como:

5.9

1.

Remodelación de equipos existentes para operar a una presi ón más alta.

2.

Operación continua de equipos donde es necesario reducir la m áxima presión de trabajo permitida debido a corrosi ón.

Discos de ruptura Un disco de ruptura (Ver Figura 8) es un diafragma delgado instalado entre bridas y diseñado para reventar a una presi ón determinada. Existen varios tipos disponibles comercialmente. Normalmente, se usa un disco previamente


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abombado y puede incluirse si se requiere un apoyo para eliminar la posibilidad de ruptura bajo condiciones de vac ío. Los materiales del disco m ás comúnmente usados son aluminio, monel, inconel y acero inoxidable, pero tambi én están disponibles otros materiales o revestimientos, tales como carb ón, oro y plástico para servicios particularmente corrosivos. Los discos de ruptura est án normalmente disponibles para presiones de ruptura de hasta 4800 kPa manométricos (696 psig) y hasta 41000 kPa manom étricos (5948 psig) en los tamaños más pequeños. Seleccionando el material del disco apropiado, se pueden soportar temperaturas de hasta 480 C (896 F). °

5.9.1

5.9.2

°

Ventajas – Las ventajas de los discos de ruptura sobre las v álvulas de alivio de presión son las siguientes: 1.

No existe un pequeño escape de presión previo a la ruptura.

2.

Tienen mayor probabilidad de ser m ás efectivos que una válvula de alivio de presión, para aliviar una presi ón explosiva.

3.

Es menos vulnerable a problemas de corrosi ón u obstrucción que una válvula de alivio de presión.

4.

Tiene mayor capacidad de manejar l íquidos de alta viscosidad y l íquidos con sólidos en suspensión.

5.

Es adecuado para aplicaciones en que se requiere una r ápida despresurización en adición a prevenir una sobrepresi ón.

6.

Su costo inicial puede ser menor que el de una v álvula de alivio de presión.

Desventajas – Los discos de ruptura presentan las siguientes desventajas: 1.

Todo el contenido del sistema protegido se pierde cuando el disco se revienta. Esto requiere una interrupci ón de las operaciones para reemplazar el disco a menos que se provea una v álvula de bloque corriente arriba del disco. En este caso debe usarse una v álvula con dispositivo para bloqueo en posición abierta.

2.

La presión de ruptura real puede desviarse en +5% de la presi ón establecida en la “nueva” condición y el efecto de la fatiga en servicio puede resultar en su falla prematura a presiones m ás bajas. Por lo tanto, es normal aplicar un margen de 20% de la presión de ajuste entre la presión operacional y de ajuste. Es por eso que un disco de ruptura puede requerir una presi ón de diseño de los componentes del equipo mayor que la normal. Este margen puede, sin embargo, reducirse usando una construcci ón especial del disco.

3.

No puede probarse para determinar la exactitud de su punto de ruptura o los efectos de su servicio en operaci ón. Algunas veces se instala un disco de ruptura aguas arriba de una v álvula de alivio de presión para evitar el escape de materiales altamente t óxicos o


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costosos, o para minimizar la corrosi ón o ensuciamiento de la válvula. Debe proveerse algún medio de detectar y aliviar la presi ón acumulada entre el disco y la válvula. El disco no se reventar á a su presión de diseño, si la contrapresión se acumula en ese espacio debido a escape de presi ón a través del disco por corrosión u otra causa. Algunos retenedores de disco incluyen una conexión hembra enroscada en la brida aguas abajo para instalar un medio de venteo abierto. Otro arreglo aceptable limitado a servicios limpios, usa un drenaje con un manómetro y una válvula de exceso de flujo que permite que se venteen peque ños escapes de presión. Si el disco se revienta y la válvula de alivio de presi ón se abre debido a sobrepresi ón, la válvula de exceso de flujo cierra y el man ómetro continúa indicando la presión en la línea, después que se reasienta la válvula de alivio de presión. Algunas veces se usa un man ómetro con un drenaje normalmente cerrado. Este sistema depende de la operación manual para prevenir la sobrepresi ón y su uso no es recomendado. Tambi én, puede usarse un disco de ruptura en algunos casos para proveer protecci ón contra una sobrepresión explosiva interna. Sin embargo, este es un asunto que involucra un dise ño especial y debe consultarse con la sección correspondiente de la Superintendencia de Seguridad Industrial.

5.10

Compuerta para explosi ón

Un recipiente que opera esencialmente a presi ón atmosférica y está sujeto a explosión interna tal como un oxidador de asfalto, debe ser protegido con una compuerta contra explosión equivalente por lo menos al 80% del área transversal del recipiente. La compuerta consiste de una tapa de metal con bisagras instalada sobre una apertura en el tope del recipiente y sellada por su propio peso. Para recipientes que operan normalmente a una presi ón ligeramente positiva se logra un sello hermético usando ménsulas de fijación con pasadores de esfuerzo más bien que con una compuerta más pesada lo cual aumenta la inercia evitando una apertura rápida. Pueden proveerse una o más compuertas para un sólo recipiente. La Figura 9 ilustra un conjunto de doble compuerta que puede ser dise ñado para dejar expuesto el 100% del área transversal del recipiente.

5.11

Sello lí quido En algunos casos puede usarse un sello en forma de circuito hidr áulico, para aliviar la sobrepresión en componentes del equipo que operan a una presi ón ligeramente por encima de la atmosférica. Ejemplos son ciertos fraccionadores de nafta con condensación total, donde el sello se instala en el espacio de vapores del tambor de condensado, descargando a la atm ósfera.

5.11.1

Descripci ón – El sello consiste de un tubo sencillo en forma de U conteniendo un líquido apropiado (normalmente agua) con la profundidad y di ámetro


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dimensionados para dejar pasar el flujo m áximo de alivio a la presión de diseño requerida. 5.11.2

Caracter í sticas del dise ño – Deben incorporarse las siguientes caracter ísticas de diseño: 1.

Reposición de agua continua para mantener el circuito del tubo en U para asegurarse de que el sello siempre est á completo durante la operaci ón normal y es reestablecido despu és de una evacuación.

2.

Protección adecuada contra la congelaci ón del sello durante el invierno, para climas donde esto suceda.

3.

Asegurar una descarga segura del agua del sello evacuada, considerando cualquier posibilidad de contaminaci ón por los líquidos de proceso.

4.

Deben satisfacerse los criterios que rigen la aceptaci ón de descargas de fluidos de proceso a la atm ósfera, como se describe más adelante para válvulas de alivio de presión en esta subsección.

5.

Deben eliminarse completamente todas las contingencias por causa de las cuales podrían descargarse hidrocarburos l íquidos a través del venteo atmosférico.

La línea de venteo debe satisfacer los requerimientos de supresi ón de evaporación instantánea y aplicación de vapor de agua descritos en la Norma PDVSA – MDP – (Pendiente) (Consultar MDP versi ón 1986, Sección 15B) “Minimización de los Riesgos de Incendio, Explosi ón y Accidentes”. Aunque los sellos de líquido son relativamente sencillos, confiables y econ ómicos, su aplicación es limitada debido a la dificultad de satisfacer todos los criterios anteriormente descritos. también pueden no ser muy prácticos donde existen condiciones de vacío. 6.

5.12

para servicio contra taponamiento por Vá lvula de alivio de presi ón pol í meros

Los sistemas de proceso que manejan pol ímeros y resinas (por ejemplo, goma de butilo) están a menudo sujetos a taponamiento en sitios terminales como por ejemplo, a la entrada a una válvula de alivio de presión. En casos extremos puede resultar un bloqueo completo de la tuber ía de entrada y de la boquilla de la v álvula. Este problema puede obviarse con el uso de v álvulas de alivio de presi ón con un asiento a ras, en las cuales el extremo sin flujo se elimina colocando el disco a nivel con la pared del recipiente, en la v ía de flujo del contenido.

5.13 5.13.1

Protecció n contra la sobrepresi ón con el uso de restricciones y v í as de escape de presi ón Restricciones – Como una alternativa para aumentar la capacidad de algunos dispositivos de alivio de presi ón, en algunos casos especiales los componentes


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de los equipos pueden protegerse con v álvula de alivio de presión más pequeñas, instalando una restricción física en cualquier vía de flujo por la que puedan estar conectados a una fuente de fluidos de alta presi ón. La base para la evaluación de las vías de presurización al considerar restricciones por medio de tuberías, válvulas de retención, orificios de restricción y válvulas de control se describe en el volume n PDVSA – MDP – 08 – SA – 02. 5.13.2

6

Ví as de escape de presi ón – Como una alternativa adicional a la instalaci ón de dispositivos de alivio de presi ón, los equipos pueden, en algunos casos, ser protegidos mediante la provisión de una vía de escape de presión constantemente disponible y adecuadamente dimensionada. La base para evaluar tales v ías de escape de presión, incluyendo tubería de interconexión, válvulas del tipo “CSO”, válvulas de control, placas de orificio, componentes del equipo en paralelo, etc., se describe en la Norma PDVSA – MDP – 08 – SA – 02.

NOMENCLATURA No aplica en esta secci ón


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APENDICE Figura 1 Figura 2 Figura 3 Figura 4

Figura Figura Figura Figura Figura

5 6 7 8 9

“Válvula típica de alivio de seguridad convencional ” “Característica de una válvula típica de seguridad” “Fuerzas que actúan sobre los discos de válvulas de seguridad del tipo convencional y de fuelle balanceado ” “Condiciones de presión para una válvula de seguridad instalada en un recipiente a presión (fase vapor). válvula suplementaria usada para exposición a un incendio solamente ” “Válvula típica de seguridad de fuelle balanceado ” “Válvula típica de alivio de presión operada por piloto” “Válvula de seguridad con sello de asiento de anillo en “O”” “Conjunto típico de disco de ruptura ” “Compuerta de explosión para oxidador de asfalto”


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FIGURA 1 VALVULA TIPICA DE ALIVIO DE SEGURIDAD CONVENCIONAL


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FIGURA 2 CARACTERISTICAS DE UNA VALVULA TIPICA DE ALIVIO DE SEGURIDAD


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FIGURA 3 VALVULA TIPICA DE ALIVIO DE SEGURIDAD DE FUELLE BALANCEADO (SERIE FERRIS 2600)


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FIGURA 4 VALVULA TIPICA DE ALIVIO DE PRESION OPERADA POR PILOTO


PDVSA

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FECHA

1

AGO.97


FIGURA 5 FUERZAS QUE ACTUAN SOBRE LOS DISCOS DE VALVULAS DE ALIVIO DE SEGURIDAD DEL TIPO CONVENCIONAL Y DE FUELLE BALANCEADO


PDVSA

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FECHA

1

AGO.97


FIGURA 6 CONDICIONES DE PRESION PARA UNA VALVULA DE ALIVIO DE SEGURIDAD INSTALADA EN UN RECIPIENTE A PRESION (FASE VAPOR) VALVULA SUPLEMENTARIA USADA PARA EXPOSICION A UN INCENDIO SOLAMENTE


PDVSA

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1

AGO.97


FIGURA 7 VALVULA DE SEGURIDAD CON SELLO DE ASIENTO DE ANILLO EN “O” (SERIE FERRIS 2600)


PDVSA

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1

AGO.97


FIGURA 8 CONJUNTO TIPICO DE DISCO DE RUPTURA

FIGURA 9 COMPUERTA DE EXPLOSION PARA OXIDAR DE ASFALTO


PDVSA N°

TITULO

MDP–08–SA–04

PROCEDIMIENTOS PARA ESPECIFICAR Y DIMENSIONAR VALVULAS DE ALIVIO DE PRESION

1

AGO.97

Sinceración con el MID/MIR

33

O.R.

L.R

0

AGO.95

APROBADO

39

J.P

F.R.

REV.

FECHA

PAG.

REV.

APROB.

E

PDVSA, 1983


APROB.


ESPECIALISTAS

MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO SEGURIDAD EN EL DISEÑO DE PLANTAS PDVSA PROCEDIMIENTOS PARA ESPECIFICAR Y DIMENSIONAR VALVULAS DE ALIVIO DE PRES. .Menú Principal

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FECHA

1

AGO.97


Indice 1 2 3 4 5

OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DEFINICIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PROCEDIMIENTOS PARA ESPECIFICAR Y DIMENSIONAR VALVULAS DE ALIVIO DE PRESION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

2 2 2 3 3

Dimensionamiento para servicio de vapor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dimensionamiento para servicio de líquido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dimensionamiento para servicio de fases mixtas de vapores y líquidos Dimensionamiento de válvulas de alivio de presión operadas por piloto Preparación de especificaciones de diseño para válvulas de alivio de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 10 12 12

6 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 APENDICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17 19

Tabla 1. Tabla 2. Tabla 3. Tabla 4. Figura 1. Figura 2. Figura 3. Figura 4. Figura 5. Figura 6a. Figura 6b. Figura 7. Figura 8.

13

Propiedades termodinámicas de varias substancias a condiciones estándar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Tamaño normalizado de las válvulas de alivio, en función del tamaño del orificio 21 Valores de la constante “C” para calculos con la formula de flujo . 22 Factores de corrección para sobrecalentamiento para válvulas de seguridad en servicio para vapor de agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Presión de flujo crítico para hidrocarburos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Factor de dimensionamiento para contrapresión constante o variable (K b) para válvulas de alivio de seguridad de fuelle balanceado balanceado (vapores y gases) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Area requerida del orificio de la válvula de seguridad para alivio de vapores de hidrocarburos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Valores de F 31 para flujo subcrítico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Factores de corrección de capacidad por defecto de sobrepresión para válvulas de alivio y válvulas de alivio de seguridad en servicios con líquidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Viscosidad a temperaturas de operación – segundos Saybolt universal (SSU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Corrección de viscosidad: procesamiento alterno según estándar API–RP–520 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Factor de dimensionamiento (K w) a contrapresión variable o constante para válvulas de alivio de seguridad de fuelle balanceado (líquidos solamente) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Especificaciones de diseño para válvulas de alivio de presión . . . 33


1

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FECHA

1

AGO.97


OBJETIVO Entregar suficiente información para especificar y dimensionar válvulas de alivio. El tema “Sistemas de alivio de presión”, dentro del área de “Seguridad en el diseño de plantas”, en el Manual de Diseño de Procesos (MDP), está cubierto por los siguientes documentos:

PDVSA–MDP– 08–SA–01 08–SA–02

Descripción de Documento Sistemas de alivio de presión: Principios Básicos. Sistemas de alivio de presión: Consideraciones de contingencia y determinación de los flujos de alivio.

08–SA–03 08–SA–04

Sistemas de alivio de presión: Dispositivos de alivio de presión. Sistemas de alivio de presión: Procedimientos para especificar y dimensionar válvulas de alivio de presión (Este documento). 08–SA–05 Sistemas de alivio de presión: Instalación de válvulas de alivio de presión. Este documento, junto con los demás que cubren el tema de “Sistemas de alivio de presión”, dentro del Manual de Diseño de Procesos (MDP) de PDVSA, son una actualización de la Práctica de Diseño “Seguridad en el diseño de plantas, Subsección 15C: Sistemas de alivio de presión”, presentada en la versión de Junio de 1986 del MDP.

2

ALCANCE Cubre los requerimientos para la especificación y dimensionamiento de válvulas de alivio de presión para servicios de vapor, líquido y fases mixtas.

3

REFERENCIAS Manual de Diseño de Proceso (versión 1986) S S S S

Vol I, Sección 3 “Torres de Fraccionamiento” Vol VIII, Sección 14 “Flujo de Fluidos” Vol IX, Subsección 15D “Mechurrios” Vol IX, Subsección 15C: “Sistemas de Alivio de Presión”

Manual de Diseño de Proceso S

PDVSA– MDP–03–S–01 “Tambores Separadores: Principios Básicos”.

Otras Referencias S

ASME–Section I, “Power Boilers”, 1992


S S S

4

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1

AGO.97


ASME–Section VIII, “Pressure Vessels”, 1992 API–RP520, “Sizing, Selection and Installation of Pressure–Relieving Devices in Refineries”, Part I, 6th edition, Marzo 1993 CRANE Technical Paper No. 410M, “Flow of fluids through valves, fittings and pipes”, 1986

DEFINICIONES Véase PDVSA– MDP–08–SA–01.

5

PROCEDIMIENTOS PARA ESPECIFICAR Y DIMENSIONAR VALVULAS DE ALIVIO DE PRESION El flujo de alivio requerido para una válvula de alivio de presión se determina considerando las contingencias que pueden causar una sobrepresión como se describió en el volumen PDVSA– MDP–08–SA–02. En lo que sigue, se describen los procedimientos de cálculo para determinar el tamaño de la válvula de alivio de presión requerido para dejar pasar el flujo de alivio de diseño.

5.1

Dimensionamiento para servicio de vapor

Flujo crítico y sub–crítico El flujo máximo de vapores a través de una restricción, tal como una boquilla u orificio de una válvula de alivio de presión, tiene lugar cuando las condiciones son tales que la velocidad a través del área de la sección transversal es igual a la velocidad del sonido en esos vapores. A esta condición se la refiere como el flujo crítico o flujo restringido (Esto no debe confundirse con velocidad crítica que está relacionada con el arrastre al cual se hace referencia en PDVSA–MDP–(Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 3) “Torres de Fraccionamiento”, PDVSA– MDP–03–S–01 “Tambores” y PDVSA– MDP–(Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 15E) “Mechurrios”. Referirse al documento PDVSA–MDP–(Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 14C) “Flujo de Fluidos”, flujo de gas de una sola fase, para una presentación de esos tópicos). La ecuación simplificada para la velocidad sónica o crítica es: Vc

+

F1



kPx ρx

Ec. (1)


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REVISION

FECHA

1

AGO.97


donde:

Vc k

= =

Px

=

ρx

=

F1

=

Velocidad crítica Relación de los calores específicos a presión constante y a volumen constante, Cp y Cv, respectivamente(C p /Cv) Presión en la restricción cuando ocurre el flujo crítico (presión de flujo crítico) Densidad a la temperatura y presión del flujo crítico Factor cuyo valor depende de la unidades usadas

En unidades SI


m/s adim

pie/s adim

kPa

psia

kg/m3

lb/pie 3

31.5

68.1

La caída de presión que corresponde al flujo crítico se denomina “caída de presión crítica”, o sea es P 1 –Px, donde P1 es la presión absoluta aguas arriba. Si la presión P 2 (superimpuesta + acumulada) aguas abajo de la restricción es menor que la “presión del flujo crítico”, entonces el flujo máximo que puede obtenerse y que ocurre a la velocidad crítica es una función de P 1 y de Px, pero no es afectado por P 2. Sin embargo, si la presión P 2 es mayor que P x, entonces el flujo se denomina “subcrítico” y la velocidad de flujo es una función de P 1 y P2. Existen entonces dos ecuaciones para dimensionar las válvulas de alivio de presión en servicio para vapores, dependiendo de si el flujo es crítico o subcrítico. En el diseño de válvulas de alivio de presión, es deseable seleccionar el lugar de la descarga de la válvula de alivio a una presión lo suficientemente baja para permitir diseñar para condiciones de flujo crítico, de modo que el flujo de alivio sea independiente de pequeñas fluctuaciones de la contrapresión. 5.1.1

Determinación de la presión del flujo crítico El primer paso para dimensionar una válvula de alivio de presión para el flujo de vapores es determinar la presión del flujo crítico P x, mediante la siguiente ecuación: Px P1

+

k )2 1

k k–1

Ec. (2)

Para vapores de hidrocarburos, el valor de Px/P1 puede leerse directamente en la Figura 1., la cual es lo suficientemente exacta bajo todas las condiciones relacionadas con el cálculo de válvula de alivio de presión. La relación de calores específicos, k, para una substancia en particular, varía con la presión y temperatura, pero para los cálculos de válvula de alivio de presión, pueden usarse los valores publicados de k a 15 °C (60°F) y a una atmósfera (14.7 psia).


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1

AGO.97


En la Tabla 1 se presenta un listado de los valores de k para un rango de gases comunes con los valores correspondientes de P x /P1. Cuando la presión y temperatura reducidas se acercan a 1.0, la relación P x /P1 se acerca al valor límite de 0.606. 5.1.2

Dimensionamiento para vapores – flujo crítico Para condiciones de flujo crítico (o sea, cuando la presión superimpuesta total más la contrapresión acumulada, es igual o menor que la presión de flujo crítico) la siguiente ecuación se usa para calcular el área del orificio requerido: W

+



M z . T1

F 23 C . K d . Kb . A . P 1

Ec. (3a)

donde:

C

+

520

 k

2 k

)

1



k)1 k–1

Ec. (3b)

Combinando las ecuaciones (3a) y (3b), se obtiene:

W

+

F 2 K d . Kb . A . P 1







M k 2 z . T1 k ) 1

k)1 k–1

Ec. (4)

donde:

En unidades SI


W

=

Cantidad de flujo a aliviar

kg/s

lb/h

Kd

=

Coeficiente de descarga del orificio según lo recomienda el fabricante. Generalmente, se usa un coeficiente de 0.975 para el tipo común de válvula de alivio de presión. (Sin embargo, algunos diseños de válvula más recientes y válvulas fabricadas fuera de los EUA pueden tener un coeficiente ligeramente diferente. Para la selección final de la válvula, debe consultarse la literatura del fabricante).

adim

adim

Kb

=

Factor de corrección para la contrapresión. Nota: Para válvulas de alivio de seguridad convencionales puede usarse un valor de 1.0 para las condiciones de flujo crítico.

adim

adim


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FECHA

1

AGO.97


En unidades SI


mm 2

pulg2

Para válvulas del tipo fuelle balanceado deben consultarse las curvas del fabricante para el factor de contrapresión recomendado (K b). Este factor (K b) puede ser significativo, o sea puede ser menor de 1.0 a contrapresiones menores que la presión de flujo crítico. La Figura 2. representa un promedio de los valores de (Kb) recomendados por varios fabricantes de válvulas de alivio de presión y pueden usarse cuando se desconoce la marca de la válvula de fuelle balanceado. Sin embargo, ese gráfico no es confiable para presiones de ajuste menores 345 kPag (50 psig) y debe hacerse referencia al catálogo del fabricante de la válvula de alivio de presión. A

=

Area efectiva del orificio

P1

=

Presión de entrada a la brida a las condiciones de alivio (incluyendo la acumulación)

kPa abs.

psia

M

=

Peso molecular de los vapores

kg/kmol

lb/lbmol

z

=

Factor de compresibilidad a las condiciones de entrada.

adim

adim

T1

=

Temperatura de entrada a las condiciones de alivio

°K

°R

k

=

Relación de calores específicos (Cp/Cv) a las condiciones de entrada, que se dan para algunas sustancias en la Tabla 1. Nota: pueden usarse valores publicados de (k) a 15°C (60°F) y una atmósfera. Si (k) es desconocido puede usarse un valor “conservador” de k = 1.10 o un valor más común de k = 1.30. Si se desea corregir para gases no ideales, puede usarse el Apéndice E de la especificación API 520 “American Petroleum Institute” (API).

adim

adim

C

=

Constante para vapores del Código ASME “Recipientes de Presión no Sometidos a Combustión”; como se mencionó anteriormente, “C” es función de la relación de calores específicos (k). La Ec.(3b) para determinar “C” se presenta tabulada en la Tabla 3.

adim

adim

F2

=

Factor cuyo valor depende de las unidades usadas

1.1x10 –5

520

F23

=

Factor cuyo valor depende de las unidades usada

2.11x10 –8

1


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1

AGO.97

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El procedimiento de cálculo es como sigue: 1.

Para vapores de hidrocarburos, la Ec.(4) puede ser resuelta directamente mediante la Figura 3.

2.

Para vapor de agua, ver “Dimensionamiento para el Flujo de Vapor de Agua” más adelante.

3.

Para mezclas de vapores de hidrocarburos, más hidrógeno más vapor de agua, ver “Dimensionamiento para Mezclas de Vapores de Hidrocarburos/Hidrocarburos/Vapor de Agua” más adelante.

4.

Para vapores distintos de los anteriores deben aplicarse las Ecs. (3a) y (3b) anteriores.

El procedimiento anterior aplica a válvulas convencionales y de fuelle balanceado de alivio de seguridad, con tal que se use el factor apropiado de contrapresión, K b. 5.1.3

Dimensionamiento para vapores–flujo subcrítico Para los casos excepcionales de flujo subcrítico (por ejemplo, cuando se diseña una válvula de alivio de presión para una baja presión de ajuste y la presión superimpuesta más contrapresión acumulada total excede la presión del flujo crítico) pueden usarse las siguientes ecuaciones:

W ó

+

F 3 Kd . A



W + F 30 F 31 Kd A

  P1 V 1

 k k–11 – 

   P2 P1

=

V1

=

2

2 k

1



MP1 P1 – P 2 zT

Ec. (5)

Ec. (6)

En unidades SI


Contrapresión total (superimpuesta más acumulada)

kPa abs

psia

Volumen específico a la condiciones de entrada

m3/kg

pie 3 /lb

donde: P2

P  P 

k–1 k


F3

=

F30

=

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Factor cuyo valor depende de las unidades usadas Factor cuyo valor depende de las unidades usadas

+

F 31



k–1k  PP  2 1

2 K


FECHA

1

AGO.97


4.47 x 10 –5

2404

1.55 x 10 –5

735

1– P P     1 – P P     (k–1) k

2

1

2

1

(Para valores véase Figura 4.) El resto de la nomenclatura es como se definió después de la Ec.(4) anterior. Las ecuaciones anteriores son aplicables solo a válvulas del tipo convencional y válvulas de alivio de presión operadas por pilotos. Las válvulas de fuelle balanceado se pueden calcular aplicando la Ec. (4). 5.1.4

Dimensionamiento para flujo de vapor de agua Para el flujo de vapor de agua bajo condiciones de flujo crítico, la siguiente ecuación se obtiene sustituyendo las constantes apropiadas en la Ec. (4): W

+

F 4 . Kd . Kn . Ksh . A . P 1

Ec. (7)

En unidades SI


1.46 x 10 –6

51.5

10445 kPa abs

1515 psia

10445 kPa abs

1515 psia

22170 kPa abs

3215 psia

A

0.02764

0.1906

B

0.03324

0.2292

donde: Ksh

=

Factor de corrección para vapor sobrecalentado, determinado según la Tabla 4 (ksh = 1.0 para vapor saturado) a cualquier presión.

F4

=

Factor cuyo valor depende de las unidades usadas.

Kn

=

Factor de corrección para la ecuación de Napier

Valores de Kn Para

P1

v

Kn = 1 Para

P1 >

y

P1

v

Kn +

(AP1 – 1000) (BP1 – 1061)


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1

AGO.97

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Para flujo de vapor de agua bajo condiciones de flujo subcrítico, puede usarse la siguiente ecuación, derivada de la Ec.(5).

W

+

F 5 Kd . Kn . Ksh . A

  P1 V1

donde: F5

=

Factor cuyo valor depende de las unidades usadas.

P2 P1



1. 54

 1 – 

  P2 P1

  

0.23

Ec. (8)

En unidades SI


9.33 x 10 –5

5020

Nótese que para calderas por combustión, en que las instalaciones de válvulas de seguridad deben cumplir con el Código ASME para Calderas de Potencia (ASME Sección I: “Power Boilers”), en vez del Código para Recipientes a Presión no Sometidos a Combustión (ASME Sección VIII), la acumulación permitida es de sólo 6% en vez de 10%. Debe hacerse también referencia a las definiciones de (K d) y (A) anteriores. 5.1.5

Dimensionamiento para mezclas de vapores de hidrocarburos, hidrógeno y vapor de agua El dimensionamiento de una válvula de alivio de presión para mezclas de vapores de hidrocarburos, hidrógeno y vapor de agua a condiciones de flujo críticas puede (en la mayoría de los casos) basarse en el peso molecular promedio y el uso de la Figura 1. para la determinación de la presión de flujo crítico, seguido del uso de la Figura 3. para la determinación del área del orificio requerida. El procedimiento es lo suficientemente exacto para propósitos de dimensionamiento de válvulas de alivio de presión. Sin embargo, la Figura 1. no puede usarse para pesos moleculares promedio menores de 10, y en tales casos debe usarse la Ec. (2) para calcular Px, usando un valor promedio de “k” para la mezcla. también se requiere un valor promedio de “k” si la Ec. (5) aplica. Cuando se requiere un valor promedio de “k” para una mezcla de vapores de hidrocarburos/hidrógeno/vapor de agua el procedimiento para determinar ese valor de “k” es como sigue: 1.

Combinar los calores específicos a presión constante en base a peso.

2.

Combinar los calores específicos a volumen constante de la misma manera.

3.

El valor promedio de “k” es entonces la relación de los calores específicos promedio combinados.


5.2

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1

AGO.97


Dimensionamiento para servicio de líquido

5.2.1

Dimensionamiento para líquidos de no–evaporación instantánea No hay una presión de flujo crítico que limite el flujo de líquido a través del orificio de una válvula de alivio de presión, en oposición a caso de flujo de vapores. El flujo de descarga es una función de la caída de presión a través de la válvula, como lo indica la Ec. (9):

L

+

F 6 A . K d . Ku . K w



Pd



Ec. (9)

S

(Para válvulas de alivio que requieren certificación de capacidad de líquidos)

L

+

F 6 A . K p . Kd . K u . K w



1.25P – P b S

Ec. (10)

(Para válvulas de alivio que no requieren certificación) donde:

En unidades SI


dm 3/s

gpm

L

=

Flujo volumétrico de líquido a aliviar

A

=


mm 2

pulg2

Kp

=

Factor de corrección por sobrepresión que se obtiene de la Figura 5. para sobrepresiones menores del 25% de la presión de ajuste. Este factor es necesario puesto que las válvulas de alivio de presión en servicio líquido generalmente requieren un 25% de sobrepresión para un levantamiento total y la fórmula para dimensionamiento está basada en un levantamiento total. Sin embargo, cuando la presión de ajuste es igual a la presión de diseño, la sobrepresión máxima está limitada, bajo el Código ASME, a 10% de la presión de ajuste (16% con válvulas múltiples) para contingencias por fallas operacionales. El factor K p representa la capacidad reducida que resulta de un levantamiento reducido, sobrepresión reducida y por el cambio del coeficiente de descarga del orificio.

adim

adim


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FECHA

1

AGO.97


En unidades SI


Ku

=

Factor de corrección para líquidos viscosos, determinado según la Figura 6. (a) y (b). Nótese que es necesaria una selección del tamaño del orificio por tanteo, en la determinación del factor “K u”.

adim

adim

Kw

=

Factor de corrección para contrapresión. Este factor no necesita ser aplicado a válvulas convencionales (o sea K w = 1.0). Una válvula del tipo fuelle balanceado, sin embargo, tiene un resorte más fuerte que una válvula convencional para el mismo servicio de contrapresión y el factor K w da cuenta por la reducción de capacidad asociada. El factor K w se determina con los gráficos de los fabricantes a la contrapresión total (superimpuesta más acumulada). Existen variaciones significativas entre valores de K w de diferentes fabricantes. La Figura 7. representa un promedio de los valores para suplidores en EUA, los cuales pueden usarse para propósitos de diseño cuando no se sabe quien es el fabricante de la válvula.

adim

adim

P

=

Presión de Ajuste de la válvula

kPa man

psig

Pb

=

Contrapresión total

kPa man

psig

Pd

=

Caída de presión a través de la válvula, o sea la presión de alivio (ajuste mas sobrepresión permitida) menos la contrapresión total (superimpuesta más acumulada). Nótese que aunque el flujo real es proporcional a la raíz cuadrada de la caída de presión a las condiciones de alivio, esta fórmula está basada en la caída de presión medida respecto a la presión de ajuste

kPa

psi

S

=

Gravedad específica del líquido a las condiciones de entrada, referida al agua a 15 °C (60°F)

adim

adim

F6

=

Factor cuyo valor depende de las unidades usadas

1.67 x 10 –3

38

Dimensionamiento para líquidos de evaporación instantánea Las válvulas de alivio de presión que manejan fluidos que son líquidos a las condiciones de entrada pero que se vaporizan total o parcialmente a las condiciones de descarga, deben dimensionarse como sigue:


5.3

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FECHA

1

AGO.97


1.

Por un procedimiento de tanteo, determinar la cantidad de líquido que se vaporiza por una expansión isentálpica (entalpía constante) a la presión del flujo crítico (o a la presión real, si ésta es mayor que la crítica) para los vapores generados.

2.

Calcular individualmente el área del orificio requerida para dejar pasar el componente de vapor generado usando las Ecs. (3a), (3b), (4), (5) ó (6) según sea la apropiada y de acuerdo con el servicio, tipo de válvula y si la contrapresión es mayor o menor que la presión de flujo crítico.

3.

Calcular individualmente el área del orificio requerida para dejar pasar el componente líquido no vaporizado, usando la Ec. (8). El término que representa la caída de presión, Pd, debe igualarse a la presión de ajuste menos la contrapresión total desarrollada por la porción de vapores a la presión de flujo crítico, excepto cuando la presión de flujo crítico es menor que la contrapresión total calculada (superimpuesta más acumulada), considerando el flujo combinado de líquido y vapores. En el último caso, Pd debe igualarse a la presión de ajuste menos la contrapresión total calculada.

4.

Sumar las áreas calculadas para los componentes de vapores y de líquido para obtener el área total de orificio requerida. Esto puede ser algo conservativo, ya que la evaporación instantánea no tiene lugar instantáneamente a través de un orificio de válvula de alivio de presión.

Dimensionamiento para servicio de fases mixtas de vapores y líquidos El dimensionamiento de una válvula de alivio de presión para el caso de una mezcla de vapores y líquido a las condiciones de entrada, puede calcularse usando el método de sumar las áreas de orificio requeridas para cada fase individualmente, de la misma manera que fue anteriormente descrito para servicio de líquido con vaporización instantánea.

5.4

Dimensionamiento de válvulas de alivio de presión operadas por piloto Los métodos de dimensionamiento para válvulas de alivio de presión operadas por piloto son acordes con las fórmulas aceptadas, descritas anteriormente, utilizando los coeficientes de descarga apropiados y las áreas de orificio efectivas según recomendación de los fabricantes de válvulas. Deben tomarse en cuenta las siguientes indicaciones: S

S

Los coeficientes de descarga típicos de válvulas operadas por piloto están en el rango de 0.84 a 0.92. Si no se conoce el valor exacto usar el coeficiente más bajo. Si la válvula piloto descarga a la atmósfera, una válvula operada por piloto puede ser considerada como una válvula balanceada.


S

5.5

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FECHA

1

AGO.97


Las válvulas operadas por piloto tienen limitaciones en el servicio para líquidos y debe contactarse el fabricante para recomendaciones acerca de los procedimientos para su dimensionamiento.

Preparación de especificaciones de diseño para válvulas de alivio de presión La Figura 8 muestra una hoja típica de especificación para una válvula de alivio de presión. Las siguientes notas indican la base para lo que se requiere en la Especificación de Diseño.

Número de válvulas requeridas Normalmente se especifica una válvula de alivio de presión estándar disponible de los fabricantes con un área de orificio igual o mayor que el requerimiento calculado. En algunos casos, por ejemplo, de grandes velocidades de alivio o para evitar el golpeteo, son necesarias dos o más válvulas. así mismo, si hay una diferencia apreciable entre el tamaño del orificio calculado y el tamaño disponible, es deseable usar válvulas de alivio de presión múltiples para igualar más exactamente el área disponible al área de orificio requerida. La determinación de las presiones de ajuste y las acumulaciones perm isibles para estas instalaciones de válvulas múltiples se describe en el documen to PDVSA– MDP–08–SA–03. La columna para Repuestos indica el requerimiento, si lo hay, para la instalación de válvulas de alivio de presión de repuesto en los equipos. Normalmente, esto sólo aplica en el caso de preferencia de la refinería o regulaciones locales, pero es requerido en muchos países europeos.

Temperatura La temperatura operacional que ocurre en una emergencia es la temperatura de entrada del fluido bajo condiciones de alivio. Esta temperatura se usa para dimensionar el orificio en servicio para vapores. La temperatura de emergencia no se especifica para servicios líquidos, puesto que la temperatura no entra directamente en el cálculo de dimensionamiento. La temperatura de diseño se especifica igual a la temperatura de diseño del recipiente sobre el cual está localizada la válvula y esta temperatura se usa para la selección de la válvula de las tablas de temperatura y presión de trabajo de los fabricantes. La condición de alta temperatura se considera como un esfuerzo de corta duración y por tanto generalmente no se toma en cuenta. La temperatura de descarga debe, sin embargo, incluirse en el análisis del sistema colector, particularmente en los efectos de la expansión térmica. Nótese que en algunos casos la temperatura de emergencia puede exceder la temperatura de diseño, pero esta última es aún así la usada como base para la selección de la válvula de alivio de presión.


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FECHA

1

AGO.97


Un ejemplo de tal caso es una válvula de alivio de presión dimensionada para incendio montada sobre un recipiente que contienen un hidrocarburo de alto punto de ebullición. La temperatura de emergencia es el punto medio de ebullición a la presión de alivio y ésta puede ser considerablemente mayor que la temperatura de diseño del recipiente y de la válvula de alivio de presión. La base para este acercamiento es que la protección de equipos contra exposición a un incendio requiere no sólo instalaciones para el alivio de presión para la descarga de vapores generados por líquidos contenidos, sino también instalaciones para el combate de incendios a fin de enfriar los equipos y evitar fallas por sobrecalentamiento. Así, la temperatura bajo condiciones de alivio no sería más severa que la de exposición a un incendio.

Presión de ajuste La presión de ajuste (la presión a la cual la válvula de alivio de presión está diseñada para abrir) se especifica de acuerdo con los requerimientos del Código, como se describe en la Norma PDVSA–MDP–01–(Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, sección 2). En la mayoría de las aplicaciones en recipientes, la presión de ajuste de por lo menos una válvula de alivio de presión es igual a la presión de diseño. Sin embargo, esta presión de ajuste es regulada (hacia arriba o hacia abajo) para compensar cualquier efecto de la presión estática y caída de presión por fricción, que puedan ocurrir cuando la válvula se instala en otra parte que no sea directamente sobre el recipiente. Por ejemplo, si una válvula de alivio de presión se instala en una línea sin flujo por encima de un recipiente lleno de líquido, la presión de ajuste de la válvula de alivio de presión se reduciría lo suficiente para permitir un cabezal estático de líquido entre el recipiente y la válvula.

Contrapresión En el caso de una válvula de alivio de presión convencional, la columna “contrapresión máxima” debe especificar la máxima contrapresión superimpuerta (en kPa man. (psig)) bajo condiciones de ausencia de flujo. Si la descarga se dirige a la atmósfera o a un cabezal de válvula de seguridad donde la presión es esencialmente atmosférica bajo condiciones de ausencia de flujo, la máxima contrapresión debe especificarse como “cero”. Para válvulas de alivio de presión del tipo de fuelle balanceado debe especificarse la máxima contrapresión superimpuesta. (Para válvulas de fuelle balanceado que descarga a un cabezal de válvula de seguridad que está a presión atmosférica bajo condiciones sin flujo, la máxima contrapresión es “cero”).


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FECHA

1

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Presión diferencial del resorte Para válvulas convencionales, la presión diferencial del resorte es igual a la presión de ajuste menos la máxima contrapresión superimpuesta bajo condiciones sin flujo. Para válvulas balanceadas, la presión de apertura no es afectada por la contrapresión y la presión diferencial del resorte es igual a la presión de ajuste.

Sobrepresión permitida y condición crítica A menos que se impongan códigos locales más estrictos, la máxima acumulación para recipientes no sometidos a combustión debe especificarse de acuerdo con el Código ASME, Sección VIII, o sea 21% máximo de la presión de diseño para incendio y 10% máximo para todas la otras contingencias de falla. Para válvulas de alivio de presión con presiones de ajuste escalonadas una válvula ajustada para abrir a 105% de la presión de diseño puede tener una sobrepresión de 16% para contingencias del proceso y 21% para condiciones de incendio cuando se cumplen los requerimientos del Código ASME para acumulación, so bre todo la presión de diseño (Ver el documento PDVSA– MDP–08–SA–03). Para las calderas a combustión y serpentines de sobrecalentamiento de vapor de agua en hornos de proceso se permite una acumulación máxima de 6% según la Sección I del Código ASME. (Algunos códigos locales pueden permitir solamente 3% de acumulación). Los siguientes generadores de vapor de agua se consideran como recipientes a presión no sometidos a combustión y la acumulación máxima debe especificarse de acuerdo con el Código ASME, Sección VIII (a menos que sea prohibido por códigos locales). 1.

Evaporadores e intercambiadores de calor en los cuales se genera vapor de agua.

2.

Recipientes por ejemplo calderas de recuperación de calor perdido, en los que el vapor de agua se genera incidentalmente a las operaciones del sistema de procesos, el cual involucra una serie de recipientes a presión, tales como se usan en la manufactura de productos químicos y de petróleo. (Los equipos que someten a combustión un combustible suplementario deben considerarse como recipientes a presión sometidos a combustión.) La “condición crítica” en la hoja de especificaciones se anota como la contingencia que determina el tamaño de la válvula, o sea incendio o falla operacional.


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1

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Tipo y tamaño de la válvula de alivio de presión La escogencia del tipo y tamaño de la válvula de alivio, se hará usando los catálogos de los fabricantes recomendados de la filial que estudia el caso. Dependiendo de la tradición de compra que tenga cada una de las instalaciones de cada una de las filiales de PDVSA, se tendrán suplidores preferidos.

Observaciones: A veces, al formato presentado en la Figura 8, es conveniente añadir una fila llamada “Observaciones”, donde se debe incluir factores relevantes tales como: 1.

La presencia (y concentración si se conoce) de materiales corrosivos, diferentes de las concentraciones típicas de compuestos de azufre presentes en corrientes de hidrocarburos derivados del petróleo.

2.

Requerimientos para características especiales de válvulas, por ejemplo, conexiones de entrada y salida, engranaje de levantamiento de la válvula, etc., que sean no estándar.

3.

Requerimientos para materiales de construcción especiales.

4.

Base para especificar características no estándar o especiales.

5.

Autorefrigeración, si afecta los materiales de construcción del sistema colector.

6.

Clarificaciones respecto a la presión de ajuste, si es diferente a la presión de diseño de los equipos.


6

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REVISION

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1

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NOMENCLATURA En unidades SI


A

=


mm 2

pulg 2

C

=

adim

adim

k

=

adim

adim

Kb

=

Constante para vapores del Código ASME “Recipientes de Presión no Sometidos a Combustión”. Relación de los calores específicos a presión constante y a volumen constante, Cp y Cv, respectivamente(C p /Cv) Factor de corrección para la contrapresión. Nota: Para válvulas de alivio de seguridad convencionales puede usarse un valor de 1.0 para las condiciones de flujo crítico.

adim

adim

Kd

=

Coeficiente de descarga del orificio según lo recomienda el fabricante.

adim

adim

Factor de corrección para la ecuación de Napier Factor de corrección que se obtiene de la Figura 5. Factor de corrección para vapor sobrecalentado, determinado según la Tabla 4 (Ksh = 1.0 para vapor saturado) a cualquier presión

adim

adim

adim

adim

adim

adim

Factor de corrección para líquidos viscosos. Factor de corrección para contrapresión. Flujo volumétrico de líquido a aliviar

adim adim dm 3/s

adim adim gpm

Peso molecular de los vapores

kg/kgmol

lb/lbmol

Presión de Ajuste de la válvula

kPa abs

psig

Kn

=

Kp

=

Ksh

=

Ku Kw L

= = =

M P

= =

P1

=

Presión de entrada a la brida a las condiciones de alivio (incluyendo la acumulación)

kPa abs.

psia

P2

=

Contrapresión total (superimpuesta más acumulada)

kPa abs

psia

kPa man

psig

kPa kPa

psi psia

Pb

=

Contrapresión total

Pd Px

= =

Caída de presión a través de la válvula. Presión en la restricción cuando ocurre el flujo crítico (presión de flujo crítico)


S

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=


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REVISION

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En unidades SI


Gravedad específica del líquido a las condiciones de entrada, referida al agua a 15°C (60°F)

adim

adim

T1

=

Temperatura de entrada a las condiciones de alivio

°K

°R

Vc V1

= =

Velocidad crítica Volumen específico a la condiciones de entrada

m/s m3/kg

pie/s pie 3 /lb

W

=

Cantidad de flujo a aliviar

kg/s

lb/h

z

=

adim

adim

ρx

=

Factor de compresibilidad a las condiciones de entrada. Densidad a la temperatura y presión del flujo crítico

kg/m3

lb/pie 3


7

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1

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APENDICES Tabla 1. Tabla 2. Tabla 3. Tabla 4. Figura 1. Figura 2.

Figura 3. Figura 4. Figura 5.

Figura 6a. Figura 6b. Figura 7.

Figura 8.

Propiedades termodinámicas de varias substancias a condiciones estándar Tamaño normalizado de las válvulas de alivio, en función del tamaño del orificio Valores de la constante “C” para cálculos con la fórmula de flujo Factores de corrección para sobrecalentamiento para válvulas de seguridad en servicio para vapor de agua Presión de flujo crítico para hidrocarburos Factor de dimensionamiento para contrapresión constante o variable (Kb) para válvulas de alivio de seguridad de fuelle balanceado (vapores y gases) Area requerida del orificio de la válvula de seguridad para alivio de vapores de hidrocarburos Valores de F 31 para flujo subcrítico Factores de corrección de capacidad por defecto de sobrepresión para válvulas de alivio y válvulas de alivio de seguridad en servicios con líquidos Viscosidad a temperaturas de operación – segundos Saybolt universal (SSU) Corrección de viscosidad: procesamiento alterno según estándar API–RP–520 Factor de dimensionamiento (K w) a contrapresión variable o constante para válvulas de alivio de seguridad de fuelle balanceado (líquidos solamente) Especificaciones de diseño para válvulas de alivio de presión


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TABLA 1. PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DE VARIAS SUBSTANCIAS A CONDICIONES ESTÁNDAR* RELACIÓN DE CALORES ESPECÍFICOS

RELACIÓN DE PRESIÓN DE FLUJO CRÍTICO P x/P1

k = CP/CV Gas METANO

1.31

0.54

ETANO

1.19

0.57

PROPANO

1.13

0.58

BUTANO

1.09

0.59

AIRE

1.40

0.53

AMONIACO

1.31

0.53

BENCENO

1.12

0.58

DIOXIDO DE CARBONO

1.29

0.55

HIDROGENO

1.41

0.52

SULFURO DE HIDROGENO

1.32

0.53

FENOL

1.30*

0.54*

VAPOR DE AGUA

1.33

0.54

DIOXIDO DE AZUFRE

1.29

0.55

TOLUENO

1.09

0.59

* ESTIMADA * LAS CONDICIONES ESTANDAR SON 15 °C (60°F) Y PRESION ATMOSFERICA


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TABLA 2. TAMAÑO NORMALIZADOS DE LAS VÁLVULAS DE ALIVIO, EN FUNCIÓN DEL TAMAÑO DEL ORIFICIO Area real del orificio normalizado, plg 2

Tamaño normalizado de válvula

0,110

1” x Dx 2”

0.196

1” x Ex2”

0,307

1 1/2” x F2”

0.785

2” x Hx3”

1,838

3” x Kx4”

2,853

4” x Lx6”

6,380

4” x Lx 6”

11,040

6” x Q x8”

16,000

6” x Rx10”

26,000

8” x Tx10”


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1

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TABLA 3. VALORES DE LA CONSTANTE “C” PARA CÁLCULOS CON LA FÓRMULA DE FLUJO k

+

C p C v

C

+

520

 k

2 k

1.001

315

1.02

318

1.04

320

1.06

322

1.08

324

1.10

327

1.12

329

1.14

331

1.16

333

1.18

335

1.20

337

1.22

339

1.24

341

1.26

343

1.28

345

1.30

347

1.32

349

1.34

351

1.36

352

1.38

354

)

1



k ) 1 k–1


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FECHA

1

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TABLA 3. (CONT.) k

+

C p C v

C

+

520

 k

2 k

1.40

356

1.42

358

1.44

359

1.46

361

1.48

363

1.50

364

1.52

365

1.54

368

1.56

369

1.58

371

1.60

372

1.62

374

1.64

376

1.66

377

1.68

379

1.70

380

2.00

400

2.20

412

(*) Para uso en la ecuación (3a)

)

1



k ) 1 k–1


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FECHA

1

AGO.97


TABLA 4. FACTORES DE CORRECCIÓN PARA SOBRECALENTAMIENTO PARA VÁLVULAS DE SEGURIDAD EN SERVICIO PARA VAPOR DE AGUA


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1

AGO.97


Fig 1. PRESIÓN DE FLUJO CRÍTICO PARA HIDROCARBUROS


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FECHA

1

AGO.97


Fig 2. FACTOR DE DIMENSIONAMIENTO PARA CONTRAPRESIÓN CONSTANTE O VARIABLE (Kb) PARA VÁLVULAS DE ALIVIO DE SEGURIDAD DE FUELLE BALANCEADO (VAPORES Y GASES)


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1

AGO.97


Fig 3. AREA REQUERIDA DEL ORIFICIO DE LA VÁLVULA DE SEGURIDAD PARA ALIVIO DE VAPORES DE HIDROCARBUROS


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Fig 4. VALORES DE F31 PARA FLUJO SUBCRÍTICO

1 3

F

Línea de flujo crítico

r + P 2P 1


FECHA

1

AGO.97



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FECHA

1

AGO.97


Fig 5. FACTORES DE CORRECCIÓN DE CAPACIDAD POR EFECTO DE SOBREPRESIÓN PARA VÁLVULAS DE ALIVIO Y VÁLVULAS DE ALIVIO DE SEGURIDAD EN SERVICIOS CON LÍQUIDOS

p K , N O I C C E R R O C E D R O T C A F

PORCENTAJE DE SOBREPRESION NOTA: LA CURVA DE ARRIBA INDICA QUE HASTA UNA SOBREPRESION DE 25%, INCLUSIVE LA CAPACIDAD ES EFECTADA POR EL CAMBIO DE ELEVACION, EL CAMBIO EN EL COEFICIENTE DE DESCARGA DEL ORIFICIO Y EL CAMBIO DE SOBREPRESION. POR ENCIMA DE 25% LA VALVULA ESTA A SU ELEVACION TOTAL Y LA CAPACIDAD ES SOLAMENTE AFECTADA POR LA SOBREPRESION


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FECHA

1

AGO.97


Fig 6.a VISCOSIDAD A TEMPERATURAS DE OPERACIÓN–SEGUNDOS SAYBOLT UNIVERSAL (SSU)


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FECHA

1

AGO.97


Fig 6.b. CORRECCIÓN DE VISCOSIDAD: PROCESAMIENTO ALTERNO SEGÚN ESTÁNDAR API–RP–520

R = NUMERO DE REYNOLDS Para dimensionar una válvula de alivio para servicio de líquidos viscosos:

1. Determinar el área requerida sin la corrección para la viscosidad, A o (Ku = 1.0), con la ecuación 9. 2. Seleccionar el tamaño próximo más grande de orificio estándar de la referencia del fabricante o de la Tabla 2. 3. Determinar el número de Reynolds “R” con la ecuación: R

+

F 7 x L.S. m

A

Donde: L = Flujo S = Gravedad especifica a la temperatura de flujo contra agua a 15 °C. (60°F) m

= Viscosidad a la temperatura de flujo

A = Area efectiva del orificio (de la referencia del fabricante) F7 = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas

En Unidades SI

dm3/s adim cp(mPa.s) mm2 1 x 106

En Unidades Inglesas

gpm adim lb/pie.s pulg2 1.669

4. Encontrar el factor de corrección para viscosidad (Ku) del gráfico. 5. El área corregida que se requiere es A o /Ku. Si este valor excede el de A 1 repetir el cálculo. 6. Si el área corregida que se requiere tiene un valor solo ligeramente mayor que el tamaño del orificio estándar, considerar el uso de válvulas múltiples más pequeñas con presiones de ajuste escalonadas a fin de minimizar la tendencia al golpeteo.


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FECHA

1

AGO.97


Fig 7. FACTOR DE DIMENSIONAMIENTO (Kw) A CONTRAPRESIÓN VARIABLE O CONSTANTE PARA VÁLVULAS DE ALIVIO DE SEGURIDAD DE FUELLE BALANCEADO (LÍQUIDOS SOLAMENTE)


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FECHA

1

AGO.97


Fig 8. ESPECIFICACIONES DE DISEÑO PARA VÁLVULAS DE ALIVIO DE PRESIÓN EJEMPLO DE FORMATO PARA ESPECIFICACIONES DE DISEÑO


PDVSA N°

TITULO

MDP–08–SA–05

INSTALACION DE VALVULAS DE ALIVIO DE PRESION

1

AGO.97

Sinceración con el MID/MIR

32

O.R

L.R.

0

AGO.95

APROBADA

30

J.P.

F.R.

REV.

FECHA

PAG.

REV.

APROB.

APROB.

E

PDVSA, 1983


APROB.

APROB.

FECHA AGO.95

ESPECIALISTAS

PDVSA MDP–08–SA–05 MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO REVISION FECHA SEGURIDAD EN EL DISEÑO DE PLANTAS PDVSA 1 AGO.97 SISTEMAS DE ALIVIO DE PRESION INSTALACION VALVULAS DE ALIVIO DE PRESION Página 1

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Indice 1 2 3 4 5

OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DEFINICIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 2 2 3 3

5.1 5.2 5.3 5.4

3 4 4

Localización de válvulas de alivio de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Posición de las válvulas de alivio de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diseño de la tubería de entrada a válvulas de alivio de presión . . . . . . . Selección de descarga atmosférica o cerrada para válvulas de alivio de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aplicación de los criterios para dirigir la descarga de válvulas de alivio de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diseño de la tubería de salida de válvulas de alivio de presión descarga atmosférica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diseño de sistemas cerrados para válvulas de alivio de presión . . . . . . .

9 12

6 APENDICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

5.5 5.6 5.7

Figura 1. Figura 2. Figura 3.

Válvula de alivio de presión típica sin válvula de aislamiento Válvula de alivio de presión típica montada en línea de proceso Instalación típica para evitar turbulencia excesiva a la entrada de una válvula de alivio de presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 4a. Instalación típica de válvulas de alivio con válvulas de aislamiento Figura 4b. Arreglo de instalación típica de válvulas de alivio con 100% de respaldo de capacidad de alivio Figura 4c. Arreglo alterno de instalación típica de válvulas de alivio con 100% de respaldo de capacidad de alivio Figura 5. Válvula de alivio de presión instalada en una tubería larga . . . . . . Figura 6. Arreglo de válvula de aislamiento para cabezales y subcabezales

5 7

26 27 28 29 30 31 32 33


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PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO

1

OBJETIVO Presentar procedimientos para la instalación de válvulas de alivio. El tema “Sistemas de alivio de presión”, dentro del área de “Seguridad en el diseño de plantas”, en el Manual de Diseño de Procesos (MDP), está cubierto por los siguientes documentos:

PDVSA–MDP– Descripción de Documento 08–SA–01 Sistemas de alivio de presión: Principios Básicos. 08–SA–02 Sistemas de alivio de presión: Consideraciones de contingencia y determinación de los flujos de alivio. 08–SA–03 Sistemas de alivio de presión: Dispositivos de alivio de presión. 08–SA–04 Sistemas de alivio de presión: Procedimientos para especificar y dimensionar válvulas de alivio de presión. 08–SA–05 Sistemas de alivio de presión: Instalación de válvulas de alivio de presión (Este documento). Este documento, junto con los demás que cubren el tema de “Sistemas de alivio de presión”, dentro del Manual de Diseño de Procesos (MDP) de PDVSA, son una actualización de la Práctica de Diseño “Seguridad en el diseño de plantas, subsección 15C: Sistemas de alivio de presión”, presentada en la versión de Junio de 1986 del MDP.

2

ALCANCE Cubre los requerimientos para el diseño e instalación de las tuberías de entrada y de salida de las válvulas de alivio de presión, así como los criterios de selección de descargas a la atmósfera o a los sistemas cerrados, y el diseño de sistemas cerrados para disposición de los alivios. Se excluyen los tambores de purga y los mechurrios.

3

REFERENCIAS Manual de Diseño de Proceso (versión 1986) S Vol IX, Subsección 15C “Sistemas de alivio de presión”. S Vol IX, Subsección 15D “Sistemas de manejo de desechos”. S Vol IX, Subsección 15E “Mechurrios”. S Vol IX, Subsección 15K “Manejo de químicos y productos de alta peligrosidad”.


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Otras Referencias S ASME–Section VIII, “Pressure Vessels”, 1992 S API–RP520, Part II, 4th edition,“Sizing, Selection and Installation of Pressure–Relieving Devices in Refineries, Part II: Installation”, Diciembre 1994. S API–RP521, “Guide for Pressure–Relieving and Depressuring Systems”,1990

4

DEFINICIONES Véase PDVSA–MDP–08–SA–01

5

PROCEDIMIENTOS DE DISEÑO 5.1

Localización de válvulas de alivio de presión Una válvula de alivio de presión debería normalmente ser instalada muy cerca del equipo que protege. Cuando se trata de recipientes, la válvula de alivio de presión debería ser instalada directamente sobre el recipiente (Ver Figura 1). Sin embargo, si los códigos locales no lo prohiben, está permitido montar la válvula de alivio de presión sobre la tubería de proceso conectada al recipiente (ver Figura 2), con tal que la vía de alivio desde el recipiente a la válvula de alivio de presión esté libre de obstrucciones y cumpla con los requerimientos que se listan a continuación. Sobre la misma base también está permitido proteger uno o más recipientes que estén conectados por tuberías por una sola válvula de alivio de presión (o grupo de válvulas de alivio de presión) montada sobre uno de los recipientes o sobre la tubería de interconexión, con tal que: S La vía de alivio de presión entre cualquier recipiente y la válvula de alivio de presión que lo protege debe satisfacer los requerimientos de Diseño especificados en “Evaluación de rutas de Escape en el Diseño de Alivio de Presión”. S La caída de presión entre el recipiente o tubería sobre la cual está montada la válvula de alivio de presión no debe exceder el valor máximo permitido especificado según el caso. Cuando una válvula de alivio de presión se usa en un fraccionador para proteger un tambor de destilado con una entrada sumergida, la válvula de alivio de presión debe estar localizada en la columna misma y no en la tubería de salida de tope o debe descargar a un sistema cerrado. Esto es con el fin de evitar un alivio de líquido en el caso de que la válvula de alivio de presión descargue bajo condiciones de un incendio en el tambor de destilado. Adicionalmente, las válvulas de alivio de presión deberían ser instaladas corriente abajo de estaciones reductoras de presión, placas de orificio, tomas para medición de flujo y otras conexiones como codos, a una distancia suficiente para evitar turbulencia, la cual genera inestabilidad. (Ver Figura 3).


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5.2

Posición de las válvulas de alivio de presión Las válvulas de alivio de presión deberían ser instaladas en la posición vertical. La instalación de válvulas de alivio de presión, diferentes a la posición vertical afecta su operación y debería ser consultado con el fabricante.

5.3

Diseño de la tubería de entrada a válvulas de alivio de presión

5.3.1

Caída de presión de la tubería de entrada La tubería de entrada, entre el equipo protegido y la conexión de entrada de la válvula de alivio de presión, debería ser diseñada de manera tal que la caída de presión total no exceda 3% de la presión de ajuste de la válvula. (Ver Figuras 1, 2, 3, 4a, 4b, 4c y 5). La caída de presión debería ser calculada usando la máxima capacidad de alivio de la válvula. En el caso de presiones de ajuste por debajo de 100 kPa manométricos (14.7 psig) la máxima caída de presión a la entrada puede ser aumentada a 5% de la presión de ajuste (unidades manométricas). El propósito de este requerimiento, que aplica a ambas válvulas del tipo convencional y de fuelle, es evitar el golpeteo, como se describe en el documento PDVSA–MDP–08–SA–03. El golpeteo causado por un tamaño de tubería de entrada menor que el requerido, puede algunas veces eliminarse en válvulas de alivio de presión operadas por piloto, si la conexión de toma de presión de la válvula piloto se hace directamente del recipiente que se está protegiendo. Sin embargo, se recomienda que se apliquen las limitaciones de caída de presión anteriores, para evitar la reducción de capacidad que resultaría de pérdidas excesivas a la entrada y asegurar la ausencia de golpeteo.

5.3.2

Dimensionamiento de la tubería de entrada El diámetro nominal de la tubería de entrada debe ser igual o mayor que el diámetro nominal de la conexión de entrada de válvula de alivio de presión. Cuando válvulas de seguridad múltiples se unen con un múltiple por la entrada, el área de la sección transversal de la tubería que conforma el múltiple, debe ser igual o mayor que la suma de todas las áreas (de sección transversal) de entrada de las válvulas abiertas al múltiple.

5.3.3

Prevención del taponamiento en entradas de válvulas de alivio de presión 1.

Debe proveerse calefacción en las tuberías de entrada de válvulas de alivio de presión donde pueda ocurrir taponamiento por formación de hielo, acumulación de cera o congelamiento de líquidos viscosos a temperaturas ambientales.


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2.

5.3.4

5.4

5.4.1

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Donde pueda ocurrir taponamiento de la tubería de entrada como resultado de formación de coque, acumulación de sólidos, etc., por corrientes de proceso, debe colocarse una purga continua o una retroinyección de un fluido limpio, (por ejemplo vapor de agua) por debajo de la válvula de alivio de presión. El flujo se controla normalmente mediante un orificio de restricción dimensionado para proveer un flujo de por lo menos 1.5 m/s (0.5 pie/s) en la línea de entrada. En el caso particular de válvulas de alivio de presión para reactores de craqueo catalítico, la experiencia ha demostrado que las líneas de entrada pueden mantenerse libres de taponamiento por catalizador y coque si se proveen de un codo de extensión interno dentro del reactor, orientado horizontalmente hacia la línea central del reactor. Cualquier conexión interna debe ser de igual o mayor diámetro que el de la entrada de la válvula de alivio de presión. Esto es adicional a la purga con vapor de agua.

Válvulas de aislamiento Se puede incluir una válvula de bloque con dispositivo para bloqueo en posición abierta (CSO) en la tubería de entrada a una válvula de alivio de presión, si se requiere para propósitos de aislamiento y si está permitido por códigos locales. Para mayores detalles véase puntos 5.6.7 y 5.7.3 de este procedimiento y el documento PDVSA–08–SA–02. Selección de descarga atmosférica o cerrada para válvulas de alivio de presión Las vías de descarga de las válvulas de alivio de presión a la atmósfera o a un sistema cerrado se determina de acuerdo con los siguientes criterios:

Criterios para descargar válvulas de alivio de presión a sistemas cerrados Se requiere la descarga de válvulas de alivio de presión a sistemas cerrados para las siguientes categorías de servicio: 1. Válvulas de alivio de presión que manejan materiales que son líquidos o parcialmente líquidos en la entrada a la válvula. Se hace una excepción a esto para ciertas válvulas de alivio por expansión térmica . Válvulas de alivio de presión normalmente en servicio para vapores, pero 2. que bajo cualquier contingencia sencilla pueden descargar líquidos corrosivos, inflamables o peligrosos. Válvulas de alivio de presión localizadas en el espacio para vapores de 3. recipientes parcialmente llenos de líquido y que podrían llenarse rápidamente con líquido durante un descontrol de la planta. Esta categoría incluye columnas, tambores de destilado, tambores de expansión en refrigeración, o cualquier otro recipiente en que el tiempo de retención de


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líquido por encima de la alarma de alto nivel es menor de 15 minutos, basado en el flujo de entrada de líquido de diseño y el cese del flujo de salida de líquido. Una excepción puede ser un sistema de circuito cerrado de refrigeración donde el inventario es tan pequeño que descarta el sobrellenado. 4.

Válvulas de alivio de presión que manejan vapores tóxicos o corrosivos que se condensan a las condiciones del ambiente, por ejemplo fenol.

5.

Válvulas de alivio de presión en servicio para vapores tóxicos en que la descarga a la atmósfera resultaría en una concentración calculada en la línea de demarcación del sitio o en cualquier área de trabajo (a nivel del suelo o de una plataforma elevada), que excede el Valor Límite dentro del Area (TLV).

6.

Alivios de vapores inflamables, que si son descargados a la atmósfera resultarían, en caso de una ignición inadvertida, en densidades de calor radiante por encima de los niveles de exposición permitidos para el personal. Este nivel máximo está establecido en 9.46 kW/m2 (3000 BTU/hpie2) a nivel de plataformas cercanas a la cual el personal puede tener acceso, y tienen suficientes vías de escape para abandonar el lugar en unos ocho segundos; si se necesita ejecutar acciones de emergencia en dichas plataformas cercanas, la radiación no deberá exceder de 6.31 kW/m2 (2000 BTU/hpie2) y el personal podrá dejar el lugar en un minuto o menos. Todo esto supone que no hay protección física contra la radiación térmica. En el caso que se tenga algún tipo de protección (vestimenta apropiada, pantallas, etc.), los valores de radiación pueden ser mayores. El cálculo para la densidad de calor por radiación sigue el procedimiento detallado para mechurrios en los procedimientos de cálculos presentados en el documento PDVSA–MDP (Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 15E), con la excepción de que se usen valores menores para F, la fracción de calor emanado que se irradia, por las velocidades de salida asociadas con descargas de válvulas de alivio de presión, que generalmente son más altas.

F para Alivios de Válvulas de Alivio de Presión Hidrógeno, metano Etano e hidrocarburos más pesados 7.

0.1 0.25

Las válvulas de alivio de presión que no entran dentro de las categorías anteriores pero que serían contribuyentes significativos a la contaminación atmosférica. Tales alivios no deben ser normalmente usados para dimensionar un sistema cerrado, pero deben combinarse tomándolos en cuenta hasta el límite de su capacidad. El orden de preferencia para su


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8.

5.4.2

5.5

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combinación es (1) vapores malolientes, (2) hidrocarburos no saturados, (3) hidrocarburos saturados. Si los requerimientos locales no permiten tales descargas atmosféricas, será necesario incluir esos alivios, cuando se determina el tamaño del sistema cerrado. Válvulas de alivio de presión en sitios donde la descarga atmosférica es permitida, pero la conexión a un cabezal cerrado es menos costosa que una línea de descarga atmosférica a una localización aceptable.

Criterios para la descarga de válvulas de alivio de presión a la atmósfera Las válvulas de alivio de presión pueden descargarse a la atmósfera si se satisfacen las siguientes condiciones: 1.

El fluido manejado debe ser totalmente vapor a la entrada de la válvula.

2.

La válvula no debe caer en ninguna de las categorías listadas bajo “Criterios para Válvulas de Alivio de Presión a Sistemas Cerrados” Se cumplen las regulaciones locales con respecto a alivios atmosféricos.

3.

5.4.3

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Vías de descarga para válvulas múltiples Algunos equipos que operan en dos modos, tales como reactores que son regenerados periódicamente, requieren protección separada con válvulas de alivio de presión para cada servicio. Son necesarias precauciones especiales en casos en que la válvula de alivio de presión en servicio normal descargue hidrocarburos y la válvula para el ciclo de regeneración descargue aire. En la eventualidad de que ambas válvulas descarguen a la atmósfera debe ponerse un aviso de advertencia cerca de las válvulas de alivio de presión y explicar claramente los procedimientos apropiados en las instrucciones operacionales. Si la válvula de alivio de presión para servicio de hidrocarburos descarga a un sistema cerrado deben proveerse conexiones tales que solamente un sistema de alivio de presión pueda estar en servicio al mismo tiempo, y el aire procedente del ciclo de regeneración se mantenga alejado del sistema cerrado. En adición deben proveerse letreros de advertencia apropiados e instrucciones adecuadas. Aplicación de los criterios para dirigir la descarga de válvulas de alivio de presión A continuación se describe la aplicación de los criterios para dirigir la descarga de las válvulas de alivio de presión en varias instalaciones típicas de planta. 1.

Columna de fraccionamiento Una válvula de alivio de presión en una columna de fraccionamiento en servicio para hidrocarburos es típicamente descargada a la atmósfera, con tal que se cumplan los tres criterios que se acaban de exponer. Aunque la localización de la válvula de alivio de presión en el tope de la columna o en


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la línea de salida de vapores del tope está normalmente expuesta a materiales en fase de vapor de modo que es aceptable la descarga a la atmósfera, cierta cantidad de líquido puede ser arrastrada con los vapores que salen del tope bajo ciertas condiciones de descontrol tal como inundación de la columna o flujo invertido desde el tambor de destilado. Sin embargo, la sobrepresión conjuntamente con el arrastre de líquido se considera una doble contingencia, la cual no se toma en cuenta para propósitos de diseño, excepto en el caso de válvulas de alivio de presión localizadas en la zona de vapores de recipientes parcialmente llenos de líquido. Aun cuando el alivio de tope de una columna sea todo vapor en la entrada a la válvula de alivio de presión, la posibilidad de condensación de vapores de alto peso molecular después del alivio puede ser otra materia que requiere consideración. Algunos asumen que ocurrirá extensa condensación en el aire si la temperatura atmosférica más baja está por debajo de la temperatura de condensación de los vapores de hidrocarburos aliviados. Sin embargo, no necesariamente ocurre esto. A medida que los vapores se despresionan a través de la válvula de alivio de presión, se sobrecalientan, lo cual minimiza las tendencias a condensar en la zona rica cerca del punto de alivio. Más adelante, corriente abajo, los vapores de hidrocarburos se enfrían al mezclarse con aire. Este enfriamiento y dilución con aire reduce la presión de vapor de los hidrocarburos y a menudo resulta en que el punto de rocío de los hidrocarburos permanece por debajo de la temperatura real de los vapores, evitando así la condensación. Existen cálculos que indican que pocos alivios de válvulas de alivio de presión en refinerías se condensan, independientemente de su peso molecular. La tendencia es máxima, sin embargo, donde las presiones son cercanas a la atmosférica y el sobrecalentamiento relativo a la atmósfera es mínimo. Las columnas de destilación atmosférica y los fraccionadores de unidades de craqueo catalítico tienden a entrar en esta categoría. Como se expone en la API RP 521, algunos operadores consideran que es grande la probabilidad de que la condensación calculada coalezca en gotitas que gravitan (como una lluvia) cuando la presión parcial de los condensables en el punto de rocío excede 1/3 de la atmosférica. Con este factor y la protección del ambiente en algunas plantas han desviado tales alivios a un sistema cerrado. Sin embargo, generalmente esto no ha sido de mucha preocupación y tales alivios han sido tratados como si fueran todo vapor. 2.

Bombas y hornos No es siempre necesario que una válvula de alivio de presión que debe descargar a un sistema cerrado debe también ser conectada a un cabezal de mechurrio. Por ejemplo, válvulas de alivio de presión en hornos frecuentemente descargan a un recipiente corriente abajo del horno y


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3.

4.

5.

5.6

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válvulas de alivio de presión en bombas normalmente descargan a la succión de la bomba o al recipiente de succión de la bomba. Cuando las variaciones de presión en la succión de la bomba pueden resultar en sobrepresión en el lado de descarga, la válvula de alivio de presión debe descargar a algún lugar seguro que no sea la succión. Como una alternativa podría usarse una válvula de fuelle balanceado puesto que no es afectada por una contrapresión superimpuesta variable. (Véase el documento PDVSA–MDP–08–SA–03) Válvulas de alivio de expansión térmica Véase el documento PDVSA–MDP–08–SA–01 la sección correspondiente a “Sobrepresión causada por expansión térmica” Calderas de recuperación de calor de desecho Una válvula de alivio de presión instalada en la carcaza de generación de intercambio de una caldera de recuperación de calor de desecho (a diferencia de la instalación en un tambor de vapor de agua), en la mayoría de los diseños descarga una mezcla de agua y vapor. Esta mezcla no puede descargarse con seguridad a la atmósfera, ni en el suelo, ni en un lugar elevado, y por lo tanto debe proveerse un medio para separar el vapor y el agua, tal como un tambor para recolección de agua, para permitir así la disposición de las dos fases con seguridad. Intercambiadores de calor y condensadores Las válvulas de alivio de presión instaladas en intercambiadores de calor y condensadores para protección contra la rotura de un tubo deben descargar a un sistema cerrado, cuando pueda haber descarga de líquido.

Diseño de la tubería de salida de válvulas de alivio de presión descarga atmosférica La tubería de salida de las válvulas de alivio de presión que descargan a la atmósfera debe ser diseñada de acuerdo con lo siguiente:

5.6.1

Requerimientos 1. Deben satisfacerse los criterios señalados en el punto 5.4 de este volumen Deben cumplirse las limitaciones de contrapresión acumulada definidas en 2. el documento PDVSA–MDP–08–SA–03.

5.6.2

Ignición de los alivios de las válvulas de alivio de presión Si se descargan vapores por encima de su temperatura de autoignición, deberá conectarse una línea de (1” nominal) vapor de extinción que pueda ser remotamente operada. Considerar además lo siguiente:


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1.

2.

3.

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Para conexiones para vapor de extinción, debe usarse una temperatura de 315°C (600°F) como criterio de temperatura de autoignición para corrientes de hidrocarburos típicas. Para la inclusión de una conexión para vapor de extinción, esta características debe también proveerse para todas las válvulas de alivio de presión en servicio para hidrógeno y metano que descarguen a la atmósfera. Todas las tuberías verticales de válvulas de alivio de presión en servicio para hidrógeno y metano, deben ser provistas de un anillo toroidal (Figura 1) para reducir la probabilidad de ignición por descargas electrostáticas.

5.6.3

Elevación de la tubería vertical de descarga Cuando una válvula de alivio de presión, en servicio para vapores inflamables está montada en el tope de un recipiente debe incluirse lo siguiente: La tubería debe descargar verticalmente hacia arriba. 1. 2. El extremo de la tubería debe estar por lo menos 2 m (6 pies) por encima de cualquier parte del recipiente o su tubería que sale del tope, para evitar el choque de la descarga con los equipos. 3. El extremo de la tubería vertical debe estar por lo menos 3 m (10 pies) por encima de la estructura accesible más alta en un radio de 8 m (26 pies). 4. La colocación debe también considerar los niveles de disipación de calor por radiación, en caso de que se encienda el alivio de la válvula de alivio de presión. Referirse al Punto 5.3 “Selección de Descarga Atmosférica o Cerrada para Válvulas de Alivio de Presión”.

5.6.4

Restricciones en la tubería No se permiten restricciones en la tubería de salida tales como válvulas de retención, supresores de llama, placas de orificio, etc.

5.6.5

Dimensionamiento de la tubería de salida La tubería de salida se dimensiona de acuerdo con consideraciones de diámetro mínimo y velocidades de salida, como sigue: El diámetro de la línea de descarga debe ser por lo menos igual al diámetro 1. de la brida de salida de la válvula de alivio de presión. La tubería vertical de la válvula de alivio de presión debe ser dimensionada 2. para una velocidad máxima de salida, con el alivio en contingencia de diseño, del 75% de la velocidad sónica; esto es con el fin de limitar los problemas de ruido y evitar un flujo estrangulado. Si es necesario instalar una sección de la tubería vertical de mayor diámetro para limitar la máxima velocidad de salida, su longitud debe ser por lo menos equivalente a 10 diámetros de la tubería de mayor diámetro.


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3.

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Las tuberías verticales de válvulas de alivio de presión deben ser también dimensionadas de modo que las velocidades de salida sean al menos 150 m/s (500 pies/s) para el máximo flujo de alivio, y por lo menos 30 m/s (98 pies/s) para el mínimo flujo de alivio. En base a trabajos experimentales y experiencias en la planta, esta velocidad mínima, en conjunción con los requerimientos de elevación ha probado asegurar una dispersión efectiva. La retención de aire y la dilución resultan en una zona de inflamación limitada, con una probabilidad despreciables de que esta zona alcance cualquier equipo que pudiera constituir una fuente de ignición. Para satisfacer los criterios de velocidad mínima de salida deben considerarse las contingencias de sobrepresión que resulten en flujos de alivio menores que los de la contingencia de diseño. Al considerar la velocidad de salida es importante asegurarse de que no se exceden los límites de contrapresión acumulada. En algunos casos este factor, en conjunción con consideraciones de golpeteo de la válvula de alivio de presión a bajos flujos de alivio, justificarían la instalación de dos válvulas de alivio de presión con puntos de ajuste escalonados como se describió en la Parte II de los Procedimientos de Diseño.

5.6.6

Temperatura de diseño de la tubería de salida La temperatura de diseño para tubería de salida de válvula de alivio de presión que descargan a la atmósfera, es normalmente la del ambiente. Sin embargo, debe examinarse si ocurre autorefrigeración y si hay necesidad de materiales resistentes a fractura por fragilidad, y además examinar las fuerzas por expansión térmica, en el caso de que la tubería de alivio sea excepcionalmente larga.

5.6.7

Válvulas de alivio de presión múltiples que descargan a una tubería vertical sencilla Donde dos o más válvulas de alivio de presión se conectan por un múltiple a una tubería vertical sencilla que descarga a la atmósfera, los siguientes requerimientos adicionales son aplicables: 1.

Válvulas de aislamiento Deben proveerse válvulas de aislamiento en las líneas individuales de salida de las válvulas de alivio de presión de acuerdo con los requerimientos del Manual de Ingeniería de Diseño “Safety Relief Protection Systems”, para permitir la remoción con seguridad de una válvula de alivio de presión, para su mantenimiento, durante la operación de la planta.

2.

Contrapresión El sistema combinado de descarga atmosférica debe diseñarse para satisfacer las limitaciones de contrapresión superimpuesta.


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3.

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Falla por fatiga El sistema combinado de cabezal de descarga debe diseñarse de acuerdo con las mismas consideraciones de falla potencial de la tubería por fatiga, como se describe más adelante para sistemas de descarga cerrados.

4.

5.7

Velocidad de Salida La velocidad de salida desde la tubería de salida combinada debe cumplir los mismos requerimientos de velocidad máxima y mínima definidos para instalaciones sencillas de válvula de alivio de presión como se describió antes bajo “Dimensionamiento de la Tubería de Salida”. La velocidad máxima debe basarse en el alivio más grande por contingencia sencilla del grupo de válvulas de alivio de presión combinadas en el mismo múltiple. La velocidad mínima debe basarse sobre el alivio más pequeño por contingencia sencilla desde una válvula de alivio de presión del grupo. Esto puede requerir más de una tubería vertical de salida, si se instalan válvulas múltiples de alivio de presión.

Diseño de sistemas cerrados para válvulas de alivio de presión Los sistemas cerrados para alivios de válvulas de alivio de presión se diseñan de acuerdo con lo siguiente:

5.7.1

Vías de escape en los sistemas cerrados 1.

Sistema de mechurrio convencional La mayoría de las descargas de válvulas de alivio de presión que deben ser dirigidas a un sistema cerrado son combinadas en un múltiple de tubería y alineadas a un tambor de purga convencional y luego a un sistema de mechurrio. El tambor de purga sirve para separar el líquido de los vapores de modo que la porción de vapores pueda ser quemada con seguridad en el mechurrio y la porción de líquido bombeada a instalaciones para su disposición. El tambor de purga puede ser del tipo para materiales condensables o no condensables dependiendo de las características de las corrientes que entran al sistema. Los criterios de selección así como la base de diseño para cada tipo de tambor de purga se detallan en el documento PDVSA MDP (Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 15D). El diseño del mechurrio incluyendo tambores de sello y otros medios de protección contra el retroceso de la llama se describe en el documento PDVSA MDP (Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 15E). Además del manejo de alivios de válvulas de alivio de presión, el cabezal del mechurrio se usa también para dirigir otros alivios de emergencia al tambor de purga. Estos incluyen separadores de gas combustible, de compresores y absorbedores.


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2.

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A la atmósfera a través de un tambor de purga para condensables Los alivios que pueden ser condensados totalmente pueden ser dirigidos a un tambor de purga para condensables, el cual puede ser venteado a la atmósfera si se cumplen los criterios expuestos en el documento PDVSA MDP (Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 15D).

3.

Sistemas de mechurrio segregados para H2S Los alivios continuos de sulfuro de hidrógeno concentrado (mayor que 0.5 m3 /m3) (como se define en el documento PDVSA MDP (Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 15K)), se dirigen normalmente a un sistema de mechurrio segregado para H2S, que se describe en el documento PDVSA MDP (Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 15E), a fin de limitar la extensión de los problemas de ensuciamiento y obstrucciones. Los alivios intermitentes de H2S concentrado (mayor que 0.5 m3 /m3 (0.5 pie3 /pie3)), (es decir, alivios que duran hasta 30 minutos, por ejemplo mientras descarga una válvula de seguridad) deberían preferiblemente ser dirigidos a un sistema de mechurrio especial para H2S si está disponible; si no a un sistema de mechurrio regular. El sistema segregado tiene la intención de evitar un sistema de alivio sucio y obstruido para las válvulas de alivio de presión. Los cabezales de mechurrios de H2S deben ser construidos con provisión para su aislamiento, lavado y desmantelamiento para su limpieza. Debe reconocerse la necesidad de una limpieza periódica del cabezal del mechurrio de H2S y por tanto debe proveerse una dirección de vía alterna para alivios de H2S para tales ocasiones, si no puede tolerarse una parada de las fuentes de H2S.

4.

Otros sistemas cerrados y segregados para servicios especiales Sistemas cerrados especiales se proveen también para alivios de válvulas de alivio de presión, en ciertos servicios en que resultarían problemas operacionales o peligros por su descarga a través de un cabezal de mechurrio regular. Tales servicios incluyen materiales severamente tóxicos, corrosivos, contaminantes o costosos. Los siguientes son ejemplos de las instalaciones especiales que se requieren: a.

Un cabezal y tanque de purga segregados para válvulas de alivio de presión que descargan fenol, metil–etil cetona (MEK) o dimetilo de formamida (DMF) en procesos que usan estos materiales como solventes. Referirse al documento PDVSA MDP (Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 15D) para más detalles.


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5.7.2

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b.

Un sistema de cabezal y tambor de purga segregados (que se ventea a un cabezal de mechurrio regular), para válvulas de alivio de presión que descargan materiales corrosivos, tales como ácidos o extractos de ácidos en procesos tales como los de alquilación o extracción de isobutileno.

c.

Secciones segregadas del cabezal del mechurrio para evitar la mezcla de vapores que reaccionarían químicamente causando la deposición de sólidos. Por ejemplo, amoníaco debe ser separado de H2S o CO2 para evitar el taponamiento del cabezal por sulfuro de amonio o carbonato de amonio. En algunas situaciones el calentamiento de la línea del mechurrio puede evitar la reacción y formación de depósitos sólidos.

Dimensionamiento de sistemas de mechurrio y otros sistemas de alivio cerrados En lo que sigue se describen los factores que afectan el dimensionamiento de sistemas de alivio cerrados. Los mismos principios aplican al dimensionamiento de otros sistemas de alivio cerrados, por ejemplo, alivios de válvula de alivio de presión que son combinadas en un múltiple a un evento atmosférico. 1.

Consideración de todos los alivios a través del sistema Deben considerarse todos los alivios combinados en el sistema cerrado. Además de las descargas de válvulas de alivio de presión, éstos pueden incluir drenajes de tambores separadores de compresores de gas combustible y de absorbedores, vapores venteados de tambores de separación de agua, corrientes de alimentación desviadas, drenajes cerrados procedentes de equipos, evacuaciones de vapores y de líquido.

2.

Flujo máximo a manejarse El sistema de mechurrio debe ser dimensionado para manejar el mayor flujo total precedente de cualquiera de las fuentes conectadas al mismo y resultante de cualquier contingencia sencilla. Puesto que el sistema del mechurrio consiste de varios cabezales colectores, ramas laterales, tambores de purga y separación, etc., este principio debe aplicarse a todas las partes del sistema, o sea, cada parte del sistema debe estar capacitado para manejar el flujo máximo por cualquier contingencia que pueda ocurrir en esa sección del cabezal. (Cualquier carga continua, tal como quema excesiva de gas por el mechurrio, es adicional a la contingencia más grande). Las bases de diseño para contingencias con el propósito de evaluar los flujos de alivio a sistema del mechurrio se definen en: a.

Flujos de descarga de (PDVSA–MDP–08–SA–02).

válvulas

de

alivio

de

presión


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3.

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b.

Flujos de alivio de vapores evacuados, Manual de Ingeniería de Riesgos “Sistemas de paradas de emergencia, bloqueo, despresurización y venteo” (PDVSA–IR–P–01).

c.

Alivio de vapores de tambores de separación de agua (PDVSA–MDP (Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 15D)).

d.

Flujos de corrientes de alimentación desviadas (PDVSA–MDP (Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 15E)).

Presión disponible y caídas de presión de los equipos a través del sistema del mechurrio La caída de presión a través del sistema del mechurrio está compuesta de caídas de presión parciales a través de los siguientes equipos: a.

Líneas laterales de descarga desde válvulas de alivio de presión.

b.

Cabezales de válvulas de seguridad.

c.

Tambor de purga.

d.

Cabezal del mechurrio.

e.

Sello del mechurrio (determinada por la inmersión del tubo de sello).

f.

Chimenea del mechurrio.

g.

Boquilla del mechurrio

Con las caídas de presión a través de la boquilla del mechurrio, del sello del mechurrio y la elevación del mechurrio fijos (de acuerdo con los Procedimientos de Diseño de PDVSA–MDP (Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 15E)), la chimenea del mechurrio, los cabezales y las líneas laterales se dimensionan para el alivio más grande, cuidado de no exceder la máxima presión operacional permitida de los tambores de purga y de los tambores de separación de agua asociados. Estas máximas presiones operacionales permitidas se explican en el documento PDVSA–MDP (Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 15D) y a su vez son determinadas por: a.

Contrapresión máxima permitida sobre las válvulas de alivio de presión, que es una función de la presión de ajuste, tipo de válvula y de la contingencia más grande.

b.

Contrapresión máxima permitida sobre corrientes de desvío de vapores que permitirá el alivio del flujo de diseño de los equipos.

c.

Contrapresión máxima permitida sobre corrientes de agua de los equipos que permitirá el alivio del flujo de diseño de los equipos.


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El diseño completo de la capacidad del sistema del mechurrio consiste en un dimensionamiento apropiado de las tuberías laterales, cabezales y columna del mechurrio para satisfacer los criterios anteriormente expuestos, usando los procedimientos de cálculo presentados en el Apéndice E (“Design of Relief Manifolds”), del API RP 521. En algunos casos el diseño puede ser optimado con el uso de válvulas de alivio de presión balanceadas (usualmente del tipo con fuelles), las cuales pueden tolerar contrapresiones más altas que las del tipo convencional. 5.7.3

Diseño de un sistema de alivio cerrado 1.

Dirección de la salida del cabezal del mechurrio a través del área de procesos La dirección de la salida de los cabezales de mechurrio a través de las áreas de procesos debe ser tal que se eviten colocaciones con un riesgo de incendio particularmente alto, tales como sobre bombas, hornos, etc. Los cabezales y subcabezales deben ser también dispuestos y provistos con válvulas de aislamiento del tipo “CSO” (trabadas para permanecer abiertas) y discos ciegos del tipo “anteojo”, a menos que sea prohibido por códigos locales (Ver Figura 6). El objetivo es que no sea necesario que líneas del mechurrio permanezcan en servicio en unidades que se paran separadamente. Los tambores de purga y tambores de agua deben ser espaciados y distanciados en áreas de proceso como lo requiere el Manual de Ingeniería de Riesgos.

2.

Tubería de salida de válvulas de alivio de presión La tubería de salida de válvulas de alivio de presión debe ser por lo menos de igual tamaño al de la brida de salida de la válvula.

3.

Drenaje de líquidos desde un sistema de alivio cerrado La acumulación de líquidos en sistemas de alivios cerrados puede imponer una contrapresión apreciable y reducir la capacidad de alivio. Deben incluirse las siguientes características de diseño para evitar estos problemas: a.

Las válvulas de alivio de presión deben instalarse a un nivel por encima del cabezal de modo que la tubería de salida drene dentro del cabezal. En casos excepcionales, está permitida la localización a un nivel por debajo del cabezal, de un drenaje especial para la tubería de salida.

b.

Los cabezales cerrados deben inclinarse continuamente hacia abajo en dirección al tambor de purga desde todos los puntos en que les entran tuberías laterales, desde válvulas de alivio de presión u otros alivios. Los cabezales de mechurrio deben inclinarse continuamente hacia abajo desde el tambor de sello del mechurrio hacia atrás, hasta el tambor de purga. La inclinación requerida es de 0.2%.


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No debe haber puntos bajos, ni otras trampas de líquidos donde pueda acumularse líquido en sistemas de alivio cerrados. d. Deben proveerse trazas de vapor a las tuberías de salida de válvula de alivio de presión y también a los cabezales donde puedan ocurrir deposiciones de cera, hielo o congelamiento de líquidos viscosos. Expansión térmica en el cabezal del mechurrio 4. Pueden usarse juntas de expansión del tipo deslizante como una alternativa a los lazos de expansión en la tubería, si se requieren, para obtener una reducción de la caída de presión o donde las juntas de expansión pueden resultar en acumulación del líquido, pero sujeto a las siguientes condiciones: a. Están permitidas solamente en áreas con bajo riesgo de incendio, tales como en sitios fuera del área de procesos de la planta, por lo menos a 4,5 m (15 pie) de carreteras y a 15 m (50 pie) de fuentes continuas de ignición tales como hornos . b. No deben usarse en cabezales de mechurrio segregados para H2S o servicios similares, debido a la toxicidad del fluido en caso de que ocurra un escape. c. El líquido o vapores no son corrosivos para las superficies de contacto. d. El sistema en el cual están instaladas opera por debajo de 345 kPa man. (50 psig) (especificar 345 kPa man. (50 psig), presión mínima de diseño) e. El límite máximo de temperatura en de 400°C (752°F) y un mínimo de 10°C (50°F) para servicio intermitente, puesto que la formación de hielo puede causar que la junta se pegue. Si se especifica una junta deslizante la especificación de diseño debe incluir también las siguientes notas: f. Proveer guías y anclajes para eliminar momentos en la tubería y absorber fuerzas extremas sobre las juntas. g. Las partes cilíndricas deslizantes de la junta deben ser de acero inoxidable 18–8 h. La junta debe ser guiada internamente para mantener la alineación axial. i. La junta debe tener 6 tornillos de empacadura con anillo tipo y provisiones para inyección de un lubricante no combustible. El material de la empacadura debe ser de un material adecuado (asbesto no está permitido por ser cancerígeno) para 400°C (752°F) y debe ser por lo menos de 13 mm (1/2 pulg.). La empacadura impregnada con teflón no es aceptable. c.


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La junta debe ser protegida con tensores limitantes parea evitar la sobre–expansión o compresión. La identificación de la junta debe incluir presión y temperatura de k. diseño, rango de temperatura, ajuste ambiental, rango de movimiento máximo para comprensión y extensión. Temperatura de diseño para sistemas de alivio cerrados La temperatura de diseño de todas las tuberías, cabezales, tambores de purga, etc. en un sistema de alivio cerrado, debe considerar las condiciones reales más extremas asociadas con cualquier contingencia sencilla. La aplicación de esta base de diseño incluye las siguientes interpretaciones: a. Deben tomar en cuenta las bajas temperaturas que puedan resultar por autorefrigeración o expansión cuando los fluidos de proceso se descargan a través de válvulas de alivio de presión. b. Puede concederse crédito por una caída de temperatura por expansión en el caso de alivios calientes y también por enfriamiento atmosféricos del cabezal, si estos pueden calcularse realísticamente. c. Los extremos de temperatura de descarga usados para el diseño de sistemas de alivios de presión se basan en contingencias de fallas operacionales. Así, la máxima temperatura de diseño para propósitos de selección de materiales para válvulas de alivio de presión y tuberías, se toma como la máxima temperatura de diseño del recipiente protegido, con un crédito por la caída de presión como se describió anteriormente. Sin embargo, en contingencias de exposición a un incendio externo, estas temperaturas pueden ser excedidas por la temperatura del fluido de proceso (por ejemplo, en el caso de líquidos que hierven a alta temperatura) o por la temperatura de la superficie de equipos (como resultado de exposición a un incendio); pero con ciertas excepciones, estas temperaturas de contingencia de incendio no se usan para el diseño de sistemas de alivio de presión. Estas excepciones son: • El punto de ebullición del fluido a la presión de alivio se usa para dimensionar el orificio de una válvula de alivio de presión para la contingencia de incendio como se describe en el volumen PDVSA–MDP–08–SA–04. • La temperatura de alivio más fría o más caliente que resulte de condiciones del ambiente, falla operacional o contingencia de incendio, se usa para el propósito de diseñar para expansión térmica en el sistema completo de tuberías y cabezales. Puede concederse un crédito por elevación o caída de temperatura en el sistema, como se describió anteriormente.

j.

5.

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d.

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El diseño de sistemas de alivio cerrados para bajas temperaturas debe tomar en consideración los siguientes factores: • Los materiales de construcción deben ser adecuados para soportar la temperatura mas baja posible que pueda ocurrir en servicio. • Debe darse un margen por la contracción térmica de la tubería, basado en la temperatura de servicio más baja posible. • Debe considerarse que los cabezales de válvula de seguridad y del mechurrio están sujetos a intenso enfriamiento, si pueden estar expuestos a líquidos fríos aliviados dentro del sistema. Esto incluye cabezales de mechurrio que reciben de tambores de purga dentro de los cuales se descargan líquidos fríos. Donde se combinen tuberías laterales de materiales diferentes, el material del cabezal de menor temperatura se usa para el resto de la línea combinada y se extiende también hacia atrás en otras líneas hasta 6 m (20 pie). • Un calentador en línea en la salida de vapores de un tambor de purga es un medio permitido de proteger el cabezal y el mechurrio, aguas abajo, contra bajas temperaturas que puedan resultar de alivios de vapores fríos o por la exposición al clima de los líquidos fríos en el tambor. Normalmente, el calentador en línea consiste de una sección con chaqueta de vapor de agua sobre el cabezal con un suministro de vapor continuo y además con una alarma independiente de baja temperatura. El diseño debe también proveer un medio efectivo para el retiro de condensado, para evitar la pérdida de transferencia de calor y posible formación de hielo. Diseños aceptables incluyen un tubo de sello barométrico (donde la presión del vapor de agua es lo suficientemente baja) o un tambor de vapor de agua con una retención de 15 minutos entre un alto nivel normal y un alto nivel de emergencia, con un sistema de descarga independiente. Es importante que no aparezca condensado en ningún momento en el calentador en línea. Sin embargo, los calentadores de líneas al mechurrio no están permitidos en líneas sujetas a choque por enfriamiento intenso, causado por el líquido, y donde la posibilidad de una falla del calentador pueda resultar en fractura por fragilidad. • Los diseños de sistemas de mechurrio deben también incluir medios para evitar la congelación de agua de sello en el tambor de sello del mechurrio, si los vapores que entran pueden estar por debajo de 0°C (32°F), como se describe en el documento PDVSA–MDP (Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 15E).


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Válvulas de aislamiento para sistemas de alivios de presión Las válvulas de bloqueo para propósitos de aislamiento pueden usarse para aislar un aparato de alivio de presión del equipo que protege o de su sistema de disposición aguas abajo. Puesto que el uso impropio de dichas válvulas puede hacer inoperativo el aparato de alivio de presión, el diseño, instalación y manejo de estas válvulas de aislamiento debe evaluarse cuidadosamente, para asegurar que la seguridad de la planta no se ha comprometido. Si un aparato de alivio de presión tiene un historial de servicio con fugas, taponamientos y otros problemas severos que afecten su desempeño, debe proveerse aislamiento y respaldo (duplicación) del aparato de alivio. Esta estrategia de diseño permite que el aparato de alivio de presión sea inspeccionado, mantenido o reparado sin parar la unidad de proceso. Sin embargo, hay peligros potenciales asociados con el uso de válvulas de asilamiento. La legislación local puede tener otros requisitos. Todas las válvulas de aislamiento en tuberías de alivio de presión deberán cumplir con los siguientes requisitos (ver Figuras 4a , 4b y 4c ): a. Las válvulas serán de hueco completo (abertura del tamaño de la tubería donde está). b. Las válvulas serán apropiadas para la clasificación de servicio de la tubería donde están. Las válvulas tendrán la capacidad de ser trancadas, abiertas o CSO. c. Cuando se usen válvulas de compuerta, se instalarán con el vástago d. orientado horizontalmente o si esto no es factible, con el vástago orientado hacia abajo a un máximo de 45° desde la horizontal, para evitar que la compuerta caiga y cierre el flujo. e. Considérese pintar las válvulas de aislamiento con un color especial o proveer otra identificación. f. Cuando se instalen válvulas de asilamiento en tuberías de descarga de válvulas de alivio (PRV), se proveerán medios para prevenir acumulación de presión entre la PRV y la válvula de aislamiento (por ejemplo, una válvula de purga o venteo). g. Considérese la instalación de un aparato adicional de alivio de presión, de tal manera que se tenga un 100% de capacidad disponible de alivio mientras que cualquier aparato de alivio está fuera de servicio. h. Considérese almacenar la válvula de alivio extra hasta que se necesite, para preservar su integridad y permitir su prueba en los bancos de instrumentos justo antes de su instalación. Cuando se provean aparatos de alivio de respaldo, un enclavamiento i. deberá proveerse, el cual fije las secuencias apropiadas de apertura y


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cierre de las válvulas de aislamiento, para asegurar que la protección contra sobrepresión del recipiente no se ha comprometido. Típicamente, las válvulas de aislamiento de la entrada de los aparatos de respaldo de alivio de presión están cerradas. j.

Válvulas de aislamiento de tres vías son aceptables, siempre y cuando la instalación cumpla con los requisitos de tamaño y de caída de presión.

Las colocaciones particulares donde se permiten tales válvulas del tipo “CSO” son: a.

Entradas de válvulas de alivio de presión donde se requiere el aislamiento de la válvula de alivio de presión para mantenimiento en operación, sujeto al cumplimiento de códigos locales.

b.

Salidas de válvulas de alivio de presión que están combinadas en un múltiple a un sistema cerrado o a un venteo atmosférico combinado, donde se requiere el aislamiento de la válvula de alivio de presión para mantenimiento en operación, sujeto al cumplimiento de códigos locales.

c.

Un cabezal de mechurrio en los límites de batería de una unidad que puede pararse independientemente de otras unidades conectadas al mismo cabezal.

Líneas de entrada a mechurrios cuando un sistema de mechurrio está conectada a más de un mechurrio y se requiere aislar un mechurrio para mantenimiento. Deberán fijarse procedimientos estrictos de manejo que prohibirán el cierre inadvertido de válvulas de aislamiento las tuberías de alivio. Estos procedimientos podrán requerir que la apertura y cierre de dichas válvulas lo haga solamente una persona autorizada. Se tendrá una lista actualizada de todas las válvulas de aislamiento localizadas en las tuberías de alivio que puedan aislar válvulas de alivio. Se proveerá además documentación de la posición requerida y razón para el candado o sello de posición de la válvula en cuestión. Se harán inspecciones periódicas de las válvulas de asilamiento localizadas en las tuberías de alivio, las cuales verificarán la posición de dichas válvulas y la condición del aparato de trancado o sello. d.


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Problemas de vibración acústicamente inducida en sistemas de cabezales de mechurrios La tendencia actual hacia el diseño de unidades y equipos más grandes aumenta el potencial para problemas complejos de vibración. En particular, los sistemas de tuberías de gas con válvulas reductoras de presión de gran capacidad, han experimentado problemas de falla por fatiga donde existía una turbulencia excesiva y alta energía acústica. Las fuerzas de la turbulencia producen ciertos modos complejos de vibración en componentes de tubería aguas abajo. Estas vibraciones pueden resultar eventualmente en esfuerzos que exceden el límite de resistencia para los materiales, y por lo tanto, pueden causar una falla por fatiga. Las válvulas de alivio de presión pueden tener la capacidad de generar energía acústica suficiente para causar fallas por fatiga, en tuberías de descarga laterales y/o tuberías de cabezales del mechurrio, aguas abajo. Problemas potenciales de vibración de este tipo, deben considerarse con anterioridad, en la etapa de diseño del sistema de cabezal del mechurrio. Se han desarrollado los siguientes criterios de diferenciación para ayudar al diseñador en el reconocimiento de servicios con problemas potenciales de vibración y que requieren evaluación más detallada: • Tamaños de líneas aguas abajo de 400 mm (15 pulg.) y mayores: velocidad de flujo de masa mayor de 91000 kg/h (200000 lb/h) o relación de presiones mayores que 3. • Tamaños de líneas aguas abajo de 200–350 mm (7–14 pulg.): velocidad en la línea aguas abajo mayor que el 50% de la velocidad del sonido y relación de presiones mayor que 3. • Tamaños de línea aguas abajo menor de 200 mm (7 pulg.) y ensanchada o conectada por una “T” a una línea de 200 mm (7 pulg.) o más grande: velocidad en la línea mayor que el 50% de la velocidad del sonido y relación de presiones mayor que 3. Los criterios anteriores son una guía para detectar problemas potenciales en sistemas de reducción de presión de gas y aplican a los primeros 90 m (295 pie) de tubería aguas abajo del reductor de presión bajo consideración. Los sistemas con flujo de líquido solamente no se consideran como problemas potenciales y no necesitan ser investigados. Para sistemas con flujos de dos fases, usar la suposición conservadora de que la velocidad de flujo de masa total es de gas solamente.


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Debe hacerse una distinción en cuanto al tiempo de servicio de los sistemas de reducción de presión. La falla por fatiga de cualquier sistema mecánico depende del tiempo, o sea del número de ciclos hasta la falla. Por lo tanto el tratamiento requerido para un servicio continuo puede no estar justificado. Un sistema en servicio de corta duración se define como uno que opera durante un total de 12 horas o menos durante la vida de la planta. Las válvulas de alivio de presión típicamente están dentro de ese límite.

Servicio continuo Las válvulas de reducción de presión que operan más de 12 horas durante la vida de la planta debe considerarse que están en servicio continuo. Las alternativas de tratamiento para esos servicios típicamente requieren medidas para reducir la energía acústica generada en la fuente. Velocidad máxima en líneas Las condiciones sónicas en discontinuidades de tuberías tales como conexiones de ramales, reductores, etc., pueden también resultar en vibraciones inaceptables acústicamente inducidas. Puesto que los componentes de tubería no son diseñados para trabajar como estaciones reductoras de presión, estos han probado ser más susceptibles a fallas por fatiga. Las velocidades máximas del flujo de vapores o fases mezcladas no debe exceder el 50% de la velocidad sónica. Sin embargo, para servicios de corta duración tal como el de un dispositivo de alivio que descarga a un sistema de cabezal de mechurrio, las velocidades en la línea pueden ser tan altas como el 75% de la velocidad sónica. 1.

Diseño para condiciones de arranque Los cabezales cerrados deben ser diseñados para cualesquiera condiciones anormales que puedan surgir durante la puesta en servicio del cabezal o arranques de la planta.


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APENDICE Figura 1. Figura 2. Figura 3. Figura 4a. Figura 4b. Figura 4c. Figura 5. Figura 6.

Válvula de alivio de presión típica sin válvula de aislamiento. Válvula de alivio de presión típica montada en línea de proceso. Instalación típica para evitar turbulencia excesiva a la entrada de una válvula de alivio de presión. Instalación típica de válvula de alivio con válvulas de aislamiento. Arreglo de instalación típica de válvulas de alivio con 100% de respaldo de capacidad de alivio. Arreglo alterno de instalación típica de válvulas de alivio con 100% de respaldo de capacidad de alivio. Válvula de alivio de presión instalada en una tubería larga. Arreglo de válvula de aislamiento para cabezales y subcabezales.


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Fig. 1. VÁLVULA DE ALIVIO DE PRESIÓN TÍPICA SIN VÁLVULA DE AISLAMIENTO.

CAPUCHA CONTRA LLUVIA (PUEDE REQUERIRSE)

SOPORTAR PARA RESISTIR PESO Y FUERZAS DE REACCION SI LA VALVULA DE ALIVIO SE CONECTA A UN SISTEMA CERRADO, EVITAR QUE LOS ESFUERZOS DE LA TUBERIA AFECTEN LA VALVULA BAJO CUALQUIER CONDICION DE OPERACION

CODO DE RADIO LARGO

VALVULA DE ALIVIO DE PRESION DRENAJE DEL CUERPO DE LA VALVULA

DRENAJE OPCIONAL DE PUNTO BAJO

LA CAIDA DE PRESION NO EXCEDERA EL 3% DE LA PRESION DE AJUSTE

DIAMETRO NOMINAL DE TUBERIA NO MENOR QUE EL TAMANO DE ENTRADA DE LA VALVULA RECIPIENTE


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Fig. 2. VÁLVULA DE ALIVIO DE PRESIÓN TÍPICA MONTADA EN LÍNEA DE PROCESO.

VER 5.3.1 PARA LIMITACIONES EN LA CAIDA DE PRESION

RECIPIENTE

VALVULA DE ALIVIO DE PRESION


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Fig. 3. INSTALACIÓN TÍPICA PARA EVITAR TURBULENCIA EXCESIVA A LA ENTRADA DE UNA VÁLVULA DE ALIVIO DE PRESIÓN.

BRIDAS DE ENTRADA

TUBO DE ENTRADA CONEXION DEL RAMAL

TUBERIA PRINCIPAL

NO MENOS DE 10 DIAMETROS DE TUBERIA DESDE CUALQUIER DISPOSITIVO QUE PRODUZCA TURBULENCIA


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Fig. 4a. INSTALACIÓN TÍPICA DE VÁLVULA DE ALIVIO CON VÁLVULAS DE AISLAMIENTO.


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Fig. 4b. ARREGLO DE INSTALACIÓN TÍPICA DE VÁLVULAS DE ALIVIO CON 100% DE RESPALDO DE CAPACIDAD DE ALIVIO.


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Fig. 4c. ARREGLO ALTERNO DE INSTALACIÓN TÍPICA DE VÁLVULAS DE ALIVIO CON 100% DE RESPALDO DE CAPACIDAD DE ALIVIO.


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Fig. 5. VÁLVULA DE ALIVIO DE PRESIÓN INSTALADA EN UNA TUBERÍA LARGA.

VALVULA DE ALIVIO DE PRESION

TUBERIA DE DESCARGA

DISEÑAR LA TUBERIA DE ENTRADA, DE TAL MANERA QUE LA CAIDA DE PRESION DESDE EL RECIPIENTE HASTA LA ENTRADA DE LA VALVULA DE ALIVIO DE PRESION NO EXCEDA EL 3% DE LA PRESION DE AJUSTE DE LA VALVULA

RECIPIENTE


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Fig. 6. ARREGLO DE VÁLVULA DE AISLAMIENTO PARA CABEZALES Y SUBCABEZALES.

3/4”

2”

DRENAJE SIN VALVULA (CEGADO) DESDE LA PLANTA O UNIDAD

VALVULA DE AISLAMIENTO, VASTAGO HORIZONTAL, TRANCADA ABIERTA CIEGO DE ANTEOJOS (ABIERTO)

PDVSA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO SEGURIDAD EN EL DISEÑO DE PLANTAS

PDVSA N°

TITULO

MDP–08–SD–01

0

NOV.97

REV.

FECHA

APROB.

E

PDVSA, 1983

SISTEMAS DE DISPOSICION

APROBADO DESCRIPCION FECHA NOV.97

APROB.

36

O.R.

PAG.

REV.

L.R. APROB. APROB. FECHA NOV.97

ESPECIALISTAS


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SEGURIDAD EN EL DISEÑO DE PLANTAS SISTEMAS DE DISPOSICION

PDVSA MDP –08 –SD –01 REVISION

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Indice 1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

4 DEFINICIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

5 PROCEDIMIENTO DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

Venteos y Drenajes de Equipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Disposición de Efluentes Acuosos de la Planta Contaminados con Hidrocarburos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tambores de Purga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistemas de Evacuación de Efluentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Almacenaje de Desvíos de Corrientes de Proceso y de Desechos . . . . .

3 7 9 22 27

6 NOMENCLATURA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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7 APENDICE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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OBJETIVO El propósito de las instalaciones descritas en este documento es lograr el manejo seguro de materiales de varios drenajes y de corrientes de emergencia, de manera que puedan ser dirigidas con seguridad a cloacas, tanques, mechurrio u otro destino apropiado. Los sistemas de drenaje aqu í especificados aseguran que materiales inflamables o tóxicos pueden ser desechados sin peligro de incendio o de daños cuando el equipo se saca de servicio. Tambi én se describen sistemas para manejar decantados de agua de proceso, agua de enfriamiento y otras corrientes de efluente acuoso que puedan estar contaminadas con hidrocarburos y que podrían de otra manera crear condiciones peligrosas si fueran descargadas directamente al sistema de cloacas. Los alivios de válvulas de seguridad se dirigen a tambores de purga, tambi én conocidos como tambores de alivio, cuando la presencia de l íquido, propiedades tóxicas u otros factores har ían peligrosa la descarga a la atmósfera. Estos criterios se detallan en el documento PDVSA – MDP – 08 – SA – 05: “Instalación de Válvulas de Alivio de Presión”. Las facilidades para el alivio de emergencia de vapores y la evacuación de líquido para unidades de proceso se describen en el documento PDVSA – IR – P – 01: “Sistemas de Paradas de Emergencia, Bloqueo, Despresurización y Venteo de Equipos y Plantas ”. Este documento, es una actualizaci ón de la Práctica de Diseño “Seguridad en el diseño de plantas, subsección 15D: Sistemas de Disposici ón”, presentada en la versión de Junio de 1986 del MDP.

2

ALCANCE Este documento presenta el diseño de: (a) instalaciones para manejar drenajes y efluentes acuosos contaminados procedentes de equipos y tambi én para enviarlos a una disposición apropiada; (b) sistemas de tambor de purga para recibir descargas cerradas de v álvulas de seguridad, alivios de vapores de emergencia; y (c) instalaciones para procesar desv íos de corrientes y almacenaje de desechos. También se cubren los criterios para seleccionar el m étodo apropiado de disposición. El diseño de los mechurrios se cubre en el documento PDVSA – MID 90616.1.021 Guía de Ingeniería: “Sistemas de Mechurrios”, versión más reciente que la de Agosto 1990, y el docu mento PDVSA – MDP – 08 – SA – 05: “Instalación de Válvulas de Alivio de Presi ón”, incluye criterios para el dise ño de cabezales de mechurrios y cabezales de v álvulas de seguridad.

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REFERENCIAS Manual de Dise ño de Proceso (versi ón 1986) S

Vol I, Sección 2 “Temperatura de dise ño, presión de diseño y clasificación de bridas”.


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Vol IX, Subsección 15C “Sistemas de alivio de presión”. Vol IX, Subsección 15D: “Sistemas de Disposición”.

Manual de Dise ño de Proceso (versi ón actualizada) S

PDVSA – MDP – 01 – DP – 01: “Temperatura y Presi ón de Diseño”.

Manual de Ingenier í a de Dise ño S S S S

Guía de Ingeniería 90622.1.001: “Guías de Seguridad en el Dise ño”, de Agosto 1994. Guía de Ingeniería 90616.1.021 : “Sistemas de Mechurrios”, de Agosto 1990. Especificación de Ingeniería H – 251 – R: “Requerimientos de Diseño de Tuberías de Procesos y de Servicios”, de Junio 1993. Especificación de Ingeniería HE – 251 – PRT: “Sistemas de Drenaje”, de Septiembre 1995.

Manual de Ingenier í a de Riesgo S S

IR – P – 01: “Sistemas de Paradas de Emergencia, Bloqueo, Despresurizaci ón y Venteo de Equipos y Plantas ”, de Mayo 1993. IR – S – 01: “Filosofía de Diseño Seguro”, de Marzo 1995.

Otras Referencias 1. API – RP520, “Sizing, selection and installation of pressure – relieving devices in refineries, Part I, 6th edition, Marzo 1993. 2. API RP 521, 3th edition, Noviembre 1990 (“Guide for Pressure – Relieving and Depressuring Systems”).

4

DEFINICIONES Véase documento PDVSA – MDP – 08 – SA – 01 “Principios Básicos”.

5

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO 5.1

Venteos y Drenajes de Equipos Los requerimientos generales para el suministro de v álvulas y descarga para todas las conexiones de venteo y de drenaje en equipos del proceso, se detallan en el documento PDVSA – MID – H – 251 – R Especificación de Ingeniería: “Requerimientos de Diseño de Tuberías de Procesos y de Servicios ”. Este documento cubre drenajes en puntos bajos y venteos en puntos altos, as í como también conexiones específicamente provistas para drenaje y venteo de equipos durante una parada o cuando se sacan de servicio. Tambi én cubre venteos y drenajes para instrumentos, visores de nivel, puntos de muestreo, etc. Como un requerimiento adicional no cubierto all í, todas las conexiones de drenaje y puntos de muestreo en servicio para fracciones livianas que se usan regularmente deben tener válvulas dobles.


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Los requerimientos adicionales para la descarga de materiales peligrosos a sistemas de drenaje cerrados se presentan por los siguientes p árrafos: Disposici ón del Drenaje del Contenido de Equipos de Proceso – Cuando se sacan de servicio equipos de procesos en el área de la planta, o bien individualmente durante la operaci ón de la planta o para mantenimiento general, deben proveerse medios para el drenaje y disposici ón segura del contenido de hidrocarburos líquidos residuales, de acuerdo con lo siguiente: Fracciones Livianas

Recipientes con un inventario de líquido mayor de 0.1 m 3 (3.5 pie3) (1) (2) (7) Recipientes con un inventario de líquido menor o igual que 0.1 m3 (3.5 pie3) (1) (2) (7) Bombas

Carcazas de Compresores, drenaje de cilindros y de recipientes de separación de líquidos

Cabezal de drenaje cerrado A la atmósfera (4) (6) A la atmósfera (4) (5) (6) Cabezal de drenaje cerrado

Más pesados que las fracciones livianas, a temperatura por encima del punto de inflamaci ón Cabezal de drenaje cerrado

Más pesados que las fracciones livianas, a temperatura por debajo del punto de inflaci ón A cloacas (3)

A cloacas (3) (6)

A cloacas (3)

A cloacas (3) (6)

A cloacas (3)

––

––

NOTAS: 1. El término “recipientes” incluye columnas, tambores y equipos misceláneos en el área de la planta, tales como, filtros, coladores, separadores, etc. Los intercambiadores de calor se tratan separadamente más abajo (Ver la Nota 7). 2. El término “inventario” se refiere al contenido de hidrocarburos líquidos en el tope del rango de nivel de trabajo. Se incluye la retenci ón de las bandejas de columnas, pero no se toma en cuenta el contenido de tuberías. 3. La conexión abierta al depósito de retención de la cloaca de agua aceitosa debe estar, por lo menos a 15 m (50 pie) de cualquier fuente de ignici ón continua. Debe lavarse con agua en el punto de descarga. Sin embargo, esta ruta de disposición no debería usarse para el drenaje de equipos que contienen materiales de alto punto de fluidez que se solidificar ían en la cloaca, a menos que se provean conexiones de aceite liviano de la vado para desplazar tales materiales de los equipos. 4. El alivio controlado a la atmósfera debe estar por lo menos a 15 m (50 pie) de cualquier fuente de ignición continua. 5. Pueden estar justificadas las conexiones al cabezal de drenaje cerrado para bombas con un alto volumen de fracciones de livianos. 6. Las prioridades de la refinería pueden exceder estos requerimientos. En tales casos, pueden instalarse conexiones adicionales de 25 mm (1 pulg), desde los equipos al cabezal de drenaje cerrado (las conexiones de 20 mm (3/4 pulg) son adecuadas para bombas).


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7. Los intercambiadores de calor que tienen válvulas para mantenimiento durante la operaci ón deberían considerarse como “recipientes” en la tabla anterior, de acuerdo con su inventario y contenido. Los lados de la carcaza y de los tubos deber ían tratarse separadamente. Sin embargo, si el contenido líquido de un intercambiador puede ser enviado por gravedad a un equipo interconectado a través de la tubería de proceso antes de cerrar todas las v álvulas de aislamiento, entonces puede cancelarse el requerimiento para drenaje a un cabezal de drenaje cerrado (si es como lo establecido en la tabla anterior). Los intercambiadores que no tienen v álvulas para su mantenimiento durante la operación solamente requieren un medio de drenaje para una situaci ón de parada de la unidad. Si el contenido líquido de un intercambiador de calor no puede ser evacuado por gravedad o desplazado (como parte del procedimiento de parada) a un recipiente interconectado que est á provisto de medios de drenaje apropiados, entonces el intercambiador debería considerarse como un “recipiente” y por tanto debe también ser provisto de instalaciones de drenaje de acuerdo a su inventario y contenido en la tabla. 8. Los métodos de drenaje de los equipos anteriormente descritos se considera que proveen una disposición segura de los contenidos de hidrocarburos líquidos, para su aplicación a la mayoría de los diseños de unidades de proceso. El drenaje a la atmósfera o a cloacas, cuando est á permitido por los lineamientos anteriores, está sujeto a una buena capacidad de juicio operacional, considerando las condiciones que prevalezcan (direcci ón del viento, fuentes de ignici ón adyacentes, necesidad de vestimenta protectora, etc.) Consideraciones de control de la contaminación pueden requerir un uso más amplio de conexiones a cabezales de drenajes cerrados.

Sistemas de Cabezales de Drenaje Cerrados para L í quidos Inflamables – Se proveen cabezales cerrados de drenaje para l íquidos, de acuerdo con los criterios descritos en los párrafos precedentes, para el drenaje seguro de fracciones livianas y materiales livianos que de otra manera causar ían alivios peligrosos de hidrocarburos a la atmósfera o a las cloacas. Las conexiones para los equipos para su mantenimiento son relativamente pequeñas. El diseño de los sistemas de cabezales de drenaje cerrados deber ían ser como sigue: 1.

Las conexiones a los equipos son t ípicamente 50 mm (2”) y 80 mm (3”) para recipientes de proceso e intercambiadores de calor, de acuerdo con el tamaño del equipo. Cada conexi ón incluye una válvula de bloqueo accesible. Se proveen válvulas de bloqueo dobles, si son requeridos por el documento PDVSA – MID – 90622.1.001 Guía de Ingeniería: “Guías de Seguridad en el Diseño”, de Agosto 1994. Debería incluirse una válvula de retención en el caso de que resulte una sobrepresi ón u otro riesgo por retroceso del flujo durante el drenaje simult áneo desde más de un recipiente. Las conexiones individuales de cada equipo se hacen en el tope del cabezal de drenaje.

2.

El cabezal es normalmente un tubo de 80 mm (3 ”) (50 mm (2”) puede ser adecuado para unidades peque ñas) y se dirige vía un soporte de tubería elevada (que es generalmente inclinada) a un tambor de purga de no – condensables.


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3.

El cabezal es diseñado para una presión de trabajo igual a la del equipo con la presión más alta de trabajo que este reciba, o es pro visto de una v álvula de seguridad si es dise ñado para una presión de trabajo menor. Secciones del cabezal, separadas por v álvulas de retención, pueden ser diseñadas para presiones de trabajo diferentes, pero la protección con válvulas de seguridad es requerida todav ía para las secciones con menor presi ón de trabajo.

4.

El cabezal debe ser diseñado para los extremos de alta y baja temperatura y condiciones corrosivas que puedan surgir de la descarga de corrientes de proceso en el mismo. La vaporizaci ón súbita y la auto refrigeración de líquidos de fracciones livianas puede requerir materiales especiales (por ejemplo, acero al carbón calmado para corrientes de propano y aleaciones de acero para etanos y más livianos). Es usualmente econ ómico minimizar el uso de materiales especiales segregando tales corrientes en sub – cabezales separados del sistema de drenaje cerrado. Estos sub – cabezales pueden ser dirigidos separadamente al tambor de purga con una válvula de cierre de flujo por alto nivel para cada sub – cabezal o pueden combinarse en una sola línea con una válvula de cierre de flujo por alto nivel. Donde se combinen sub – cabezales de materiales de tuber ía diferentes, el material del cabezal con más baja temperatura se usa para el resto de la línea combinada y también se extiende hacia atrás dentro del otro cabezal por 6 m (20 pie), precedido por una v álvula de retención de baja temperatura

5.

El cabezal y las ramas laterales deben ser calentados y aislados, donde la temperatura ambiente o temperaturas de proceso puedan resultar en solidificación de corrientes de proceso pesadas, o en la congelaci ón de agua o humedad que pueda estar presente.

6.

Deben proveerse varias salidas de tuber ía de 25 mm (1 pulg), con válvulas en cada una de las salidas en puntos apropiados del cabezal, a los cuales puedan hacerse conexiones temporales de drenaje desde equipos para los cuales no se justificarían conexiones permanentes debido al uso infrecuente o al pequeño inventario. Las salidas deber ían colocarse a nivel del suelo dentro de 30 m (100 pie) desde los equipos.

Cabezales de Drenaje Cerrados para Materiales Especiales – Normalmente se proveen cabezales de drenaje cerrados para el drenaje seguro de equipos que contienen químicos altamente tóxicos, corrosivos, contaminantes o de alto costo (por ejemplo, fenol, ácido sulfúrico, monoetanolamina, dióxido de azufre, “catacarb”), donde haya un inventario apreciable en un n úmero de recipientes de proceso de la planta. El cabezal debe ser de 50 mm (2 ”) de diámetro mínimo y debería ser unido a los recipientes y equipos mayores con conexiones de tama ño mínimo de 25 mm (1”) (20 mm (3/4”) es adecuado para bombas). El cabezal puede ser dirigido a un tambor de drenaje por gravedad (con recuperaci ón hacia el proceso por medio de una bomba o presurizaci ón con gas), o a una bomba de


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desahogo que retorna el flujo al proceso, o en el caso de ácido sulfúrico al tambor de purga de ácido. Si el tambor de drenaje requiere un venteo, éste debería ser dirigido por tubería a un sistema cerrado para su localizaci ón segura, dependiendo de la toxicidad y presión de vapor de los materiales drenados.

5.2

Disposición de Efluentes Acuosos de la Planta Contaminados con Hidrocarburos Retiros Acuosos de Recipientes que Contienen Hidrocarburos – Agua o materiales acuosos que se retiran continua o intermitentemente de recipientes donde los mismos tienen contacto directo con hidrocarburos (por ejemplo, agua de proceso desde tambores de destilado, agua de lavado gastada o soluci ón de cáustica gastada de sedimentadores) deben ser dispuestos de tal manera que el arrastre o el retiro inadvertido de hidrocarburos no cree un peligro. La disposici ón es por lo tanto una función de la categoría de los hidrocarburos, como sigue: 1.

Recipientes que Contienen Fracciones Livianas – Descargar a un tambor separador de agua, tambor separador de aguas agrias, o tambor separador de soda cáustica gastadas, de acuerdo con el m étodo de tratamiento posterior. Estos tambores deben dise ñarse de acuerdo con esta subsección.

2.

Recipientes que Contienen Hidrocarburos m ás Pesados que Fracciones Livianas a Temperatura por encima de su Punto de Inflamaci ón, con tal que no entren en la Categor ía (4) más abajo: a.

Retiro automático continuo con control de nivel: la descarga como en el punto (1) anterior o dentro de una secci ón venteada de la cloaca de agua aceitosa a través de una conexión cerrada. Si este retiro es de agua agria o soda cáustica gastada, ver el punto (c)m ás abajo.

b.

Retiro intermitente manualmente controlado: descargar a trav és de una conexión abierta al depósito colector de la cloaca de agua aceitosa. Si el retiro es agua ácida o soda cáustica gastada, ver el punto (c) m ás abajo.

c.

Agua ácida o soda cáustica gastada debe ser descargada como en el punto (1) anterior, o a un tanque colector atmosf érico para su disposición posterior, con tal que se tenga una adecuada capacidad de venteo para la contingencia de recibo de hidrocarburos y tenga medios para el desnatado de hidrocarburos l íquidos.


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Recipientes que Contienen Hidrocarburos m ás Pesados que Fracciones Livianas a Temperatura por debajo de su Punto de Inflamaci ón: a.

Descargar al depósito colector de la cloaca de agua aceitosa a trav és de una conexión abierta excepto cuando el retiro es agua ácida o soda cáustica gastada.

b.

Agua ácida o soda cáustica gastada debe descargarse como en el punto (1) anterior o a un tanque colector atmosf érico para su disposición posterior, con tal que tenga medios para “desnatar” los hidrocarburos líquidos.

4.

Hidrocarburos L í quidos más Pesados que Fracciones Livianas, pero que están a elevada temperatura de modo que su presi ón de vapor real es 103 kPa (14.9 psia) absoluta o m ás alta, deben ser considerados como fracciones livianas. Los retiros acuosos provenientes de recipientes con tales materiales (por ejemplo, desaladores de crudo) deben por lo tanto descargarse de acuerdo con el p árrafo (1) anterior.

5.

Agua Proveniente de Tanques – No se proveen instalaciones de sepa ración especiales para el agua retirada de tanques de almacenaje fuera del sitio de la planta o para el almacenaje a presi ón.

Efluentes Acuosos de Intercambiadores de Calor – La falla de tubos en un intercambiador enfriado por agua o calentado por vapor de agua y en servicio para hidrocarburos, resultará en una contaminación del agua efluente de enfriamiento o del condensado, por la corriente de proceso, si ésta se encuentra a una presi ón mayor. Estos efluentes deben por lo tanto ser dispuestos de modo que las contaminaciones con hidrocarburos puedan ser retenidas con seguridad. Los requerimientos de diseño son los siguientes: 1.

2.

Se requieren instalaciones especiales de evacuaci ón en los siguientes casos: a.

Enfriadores y condensadores en servicio para fracciones livianas, con la presión de entrada de los hidrocarburos mayor que la presi ón de salida del agua de enfriamiento bajo condiciones operacionales normales, y

b.

Calentadores y rehervidores con vapor de agua con la presi ón de entrada de los hidrocarburos mayor que la presi ón de salida del condensado bajo condiciones operacionales normales y donde los hidrocarburos (a la temperatura del condensado) tienen una presi ón de vapor real de 103 kPa (14.9 psia) absoluta o mayor.

Las instalaciones de evacuación especiales pueden consistir de lo siguiente: a.

Un tambor de evacuación de agua diseñado de acuerdo con esta subsección.


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5.3

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b.

Una torre de enfriamiento de agua, en el caso de un sistema de agua de enfriamiento circulante, y con tal de que sean incorpora das las características de seguridad descritas en esta subsecci ón.

c.

Un tambor de evacuación de condensado, en el caso en que se requiera su recuperación y reuso del condensado de vapor de agua, dise ñado de acuerdo con esta subsección.

Para enfriadores, condensadores, calentadores con vapor de agua y rehervidores que no son cubiertos por los casos (a) o (b) del p árrafo 1 anterior, el agua efluente de enfriamiento y el condensado se descargan como sigue: a.

A la cloaca de aguas limpias, aguas aceitosas o a la cloaca de desv ío, o:

b.

A un tanque colector atmosférico en el caso de condensado de va por de agua donde se requiere su recuperaci ón y reuso. Si la presi ón de los hidrocarburos a la entrada del intercambiador es mayor que la presi ón de salida del condensado, entonces el tanque debe estar equipado para poder desnatar los hidrocarburos l íquidos, y el venteo del tanque debería ser lo suficientemente grande para aliviar en forma segura la presión generada. El venteo debe estar localizado en una ubicaci ón segura.

Tambores de Purga Criterio para la Selecci ón de Tambor de Purga para Condensables y No Condensables – El propósito principal de un tambor de purga es separar alivios cerrados de válvulas de seguridad y varios drenajes, materiales aliviados o desviados, en corrientes de l íquido y de vapor que puedan ser dispuestas con seguridad a instalaciones de almacenaje apropiadas o de descarga por el mechurrio, respectivamente. No es aceptable el arrastre de hidrocarburos l íquidos a la columna del mechurrio puesto que puede resultar en que l íquido de combustión caiga al suelo o sobre instalaciones adyacentes. Esta es la raz ón por la que se requiere un tambor de purga. Sin embargo, aun si el tambor de purga es efectivo para separar l íquido de vapores, puede ocurrir una condensaci ón posterior aguas abajo si los vapores venteados salen del tambor a una temperatura superior a la del ambiente. Una proporción de tales materiales condensables que salen del tambor de separaci ón por el alivio de vapor, puede condensarse como resultado de enfriamiento en el cabezal del mechurrio y por contacto con el agua de sello y luego separarse en el tambor de sello del mechurrio, mientras que por otra parte vapores condensables que no se condensan y separan en esta etapa pueden condensarse en la columna del mechurrio o en su l ínea de entrada, creando el potencial para una ca ída


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peligrosa de líquido en combustión desde el mechurrio. Los hidrocarburos condensados en el tambor de sello ser án arrastrados con el agua efluente de sello, que es normalmente dirigida a las cloacas, y puede resultar en contaminaci ón, toxicidad o problemas de sobrecarga del separador. Si el alcance de la condensación de hidrocarburos aguas abajo del tambor de separaci ón es tal que la magnitud de los problemas resultantes exceden los l ímites aceptables locales, entonces pueden considerarse una o m ás de las siguientes características como métodos de reducir o eliminar tal condensaci ón: 1.

Seleccionar un tambor de purga para alivios condensables, en vez del tipo para no condensables. Si un tambor de purga para condensables no es adecuado para manejar el servicio total de separaci ón (por ejemplo, si están involucrados líquidos fríos), entonces puede usar se una combinaci ón de tambor para condensables y no condensables.

2.

Ubicar el tambor de purga (cuando se usa el tipo para no condensables) a la distancia mínima permitida (ver documento PDVSA – MID – 90616.1.021 Guía de Ingeniería: “Sistemas de Mechurrio”, versión más actualizada que la de Agosto de 1990) desde el mechurrio, para minimizar la condensaci ón en el cabezal del mechurrio.

3.

Instalar un tambor de separaci ón inmediatamente aguas arriba del tambor de sello del mechurrio, para remover materiales condensados en el cabezal del mechurrio.

4.

Proveer instalaciones de asentamiento para separar hidrocarburos l íquidos del agua efluente del sello del mechurrio y tambi én medios apropiados para su disposición, como por ejemplo, a almacenaje de desechos.

5.

Donde un grupo de recipientes conectados se considera como una unidad para propósitos de alivio de presión, considerar la posibilidad de una ubicación alterna para la válvula de alivio de presión de modo que la corriente descargada contenga una menor cantidad de materiales condensables.

Ventajas de los Tambores de Purga para Condensables 1.

Son efectivos como un medio para remover vapores pesados de hidrocarburos de corrientes de alivio de emergencia, minimizando as í problemas de condensación en equipos aguas abajo.

2.

Son efectivos como un medio de reducir los requerimientos de capacidad del mechurrio.

3.

Son capaces de separar neblinas de aceite mejor que los del tipo para no condensables.


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Desventajas de los Tambores de Purga para Condensables 1.

Aunque algo de aceite puede ser removido por desnataci ón (si se proveen las conexiones), los hidrocarburos condensados son descargados con el agua efluente, a menudo en forma de una emulsi ón, lo cual puede resultar en contaminación, toxicidad o problemas de sobrecarga del separador. Sin embargo, estos pueden ser eliminados, cuando se justifique por instalaciones de asentamiento o de rotura de la emulsi ón y/o medios apropiados de disposición del aceite separado.

2.

Son incapaces de manejar cantidades significativas de fracciones livianas líquidas o de materiales más fríos de 0°C (32°F).

3.

Altas cargas de condensaci ón, si son manejadas en base continua, resultan en requerimientos apreciables de agua de enfriamiento y de capacidad del tambor de purga. Estas cargas pueden ser reducidas, sin embargo, por el uso de condensación de estado inestable, por ejemplo, por el uso de un enfriador de serpentín como se describe más adelante en este documento.

Tambores de Purga para No – condensables (Servicio Normal) – Los tambores de purga para no condensables para servicio normal de hidrocarburos son diseñados de acuerdo a lo siguiente: 1.

En la Figura 1 se ilustra un tambor de purga t ípico para no condensables y sus equipos y cabezales asociados.

2.

Puede usarse un solo tambor de purga para m ás de una unidad de procesos, si es atractivo económicamente. Sin embargo, cuando se hace esto, todas las unidades servidas por el mismo deben ser paradas para sacar el tambor fuera de servicio, a menos que se provean conexiones entrecruzadas a otro sistema de capacidad adecuada.

3.

Normalmente, todas las descargas cerradas de v álvulas de seguridad se combinan en un solo cabezal que entra al tambor, aunque son aceptables cabezales y boquillas de entrada separados si es econ ómica mente ventajosos. Los siguientes alivios son tambi én normalmente dirigidos a un cabezal de válvulas de seguridad: a.

El condensado del tambor de separaci ón de gas combustible, y el líquido del tambor de separación del gas de tope de los absorbe dores.

b.

Líquido de los tambores de separaci ón de la succión y etapas intermedias de compresores.

c.

Tambores de purga de vapores de emergencia, si se suministran.

d.

Corrientes de vapores desviadas de unidades de proceso, si existen instalaciones (Ver Desvío de Corrientes de Proceso y Almacenaje de Desechos, en este documento). Las corrientes de gas seco, donde no


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existe posibilidad de arrastre de l íquido pueden, sin embargo, ser dirigidas directamente al cabezal del mechurrio. El dimensionamiento, la temperatura de diseño y los requerimientos para su instalaci ón de cabezales de válvulas de seguridad se cubren en el documento PDVSA – MDP – 08 – SA – 05: “Instalación de Válvulas de Alivio de Presión”. 4.

El cabezal cerrado de drenaje de l íquido es llevado a una l ínea se parada al tambor y provisto con una válvula de cierre de flujo por alto nivel con reajuste local manual. En algunos casos, el sistema de drenaje cerrado se segrega en un número de subcabezales, como se describi ó antes en esta subsección. Los líquidos de hidrocarburos pueden ser desviados alrededor del tambor a través de una conexión desde el cabezal de drenaje cerrado directamente a la succión de la bomba de desahogo, con tal que el l íquido pueda ser desechado y dispuesto con seguridad, considerando su presi ón de vapor y su temperatura. Las conexiones de desahogo de l íquido para emergencias, si existen, se dirigen al tambor de purga a trav és del cabezal de drenaje cerrado.

5.

Como se describe más adelante, el desvío de corrientes líquidas en el rango de fracciones livianas, cuando se proveen en las unidades de proceso, pueden en algunos casos ser dirigidas a un tambor de no condensables para su disposición. En estos casos, la corriente desviada es normalmente unida al cabezal de drenaje cerrado, aguas arriba de la válvulas de cierre de flujo por alto nivel, aumentando el tamaño del cabezal si es necesario. (Sin embargo, ver el párrafo 6(b) más adelante para excepciones a esta direcci ón de las corrientes).

6.

El dimensionamiento del tambor de purga y la ubicaci ón de los instrumentos de nivel se basan en lo siguiente (Ver la Figura 2): a.

La retención de líquido por debajo de LH(CO)A (A – B en la Figura 2) es el requerimiento del desv ío de la corriente de fracciones livianas (si se requiere, ver “Desvío de Corrientes de Proceso y Almacenaje de Desechos” en esta Subsección) o el requerimiento de drenaje cerrado para líquidos residuales de proceso en una parada normal, cualquiera de los dos que sea mayor. Este requerimiento para el drenaje cerrado se toma como el 10% del total del inventario l íquido de hidrocarburos de todos los recipientes en una unidad de proceso que est án provistos de conexiones al cabezal de drenaje cerrado. Esto asume que el 90% del inventario de líquido de estos recipientes puede ser removido por presurización o bombeo de drenaje a través de las rutas normales de disposición. La unidad de procesos a usarse para prop ósitos de dimensionamiento es aquella que tiene el requerimiento de drenaje cerrado mas grande y que puede ser parada independientemente para su mantenimiento. El inventario de los recipientes se calcula en el tope

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del rango de nivel de trabajo, excluyendo la retenci ón por las bandejas y el contenido de las tuber ías. En el caso de recipientes que contienen grandes inventarios de líquido, por ejemplo, tambores de compensación, el requerimiento individual del cabezal de drenaje cerrado puede reducirse por debajo de 10%, donde sea apropiado, concediendo un crédito por medios alternos de disposici ón del contenido de líquido, por ejemplo por desplazamiento de agua a almacenaje. Cuando se requiere una capa de aceite para protecci ón del serpentín de vapor de agua (ver el párrafo 12 más adelante) debe darse un margen apropiado en el volumen del tambor. b.

Si la instalación para el desvío de corrientes de fracciones livianas al tambor de purga debe estar continuamente disponible por razones de seguridad (en oposición a razones económicas o de operabilidad), entonces la base de dimensionamiento descrita en el p árrafo 6(a) anterior se modifica como sigue: 1.

Se provee un instrumento “LH(CO)A” (alarma de alto nivel de líquido) a un bajo nivel, actuando una v álvula de cierre hermético en el cabezal de drenaje cerrado. La retenci ón debajo de este LH(CO)A es equivalente al requerimiento de drenaje cerrado, calculado como en el párrafo 6(a) anterior.

2.

Un segundo instrumento LH(CO)A se provee a un nivel m ás alto, actuando una válvula de cierre hermético de flujo en la corriente de líquido desviada, la cual es dirigida al tambor de purga por medio de una línea separada.

3.

La retención entre ambos instrumentos LH(CO)A debe ser igual al requerimiento para el desvío de líquido.

c.

El espacio en el tambor por encima del instrumento LH(CO)A (por encima del LH(CO)A más alto cuando se proveen dos) est á constituido por una capacidad de retención equivalente (B – D en la Figura 2) a 30 minutos de acumulación de alivio de líquido procedente de válvulas de seguridad, más un espacio de vapor (D – F) para los vapores asociados aliviados. El dimensionamiento del tambor está determinado por la contingencia sencilla que requiere el máximo espacio combinado B – D más D – F.

d.

Además de la contingencia que requiere el m áximo espacio combina do B – D más D – F y que determina el dimensionamiento del tambor(como descrito en el párrafo (c) anterior), se consideran otras contingencias como sigue: 1.

La contingencia sencilla que resulta en la acumulaci ón más grande (B – E) de alivios líquidos procedentes de válvulas de seguridad durante 30 minutos, independientemente de cualquier flujo de vapores asociados. El nivel en el punto E se usa para el


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dimensionamiento de la bomba de transporte de desahogo, como se describe en el párrafo 16 más adelante. 2.

e.

La contingencia sencilla que resulta en la carga de vapores m ás grande, independientemente de cualquier carga de l íquido asociada, se usa para determinar el espacio m áximo requerido para vapores C – F, y además se instala una alarma de alto nivel en el punto c.

Al considerar las contingencias descritas en los p árrafos (c) y(d) anteriores, las cargas de vapores y de l íquido se evalúan en las siguientes bases: 1.

Las consideraciones de carga de vapores deben incluir todas las válvulas de seguridad, alivios de vapores de emergencia, y fuentes de desvío de corrientes de vapores que sean aliviados como resultado de una contingencia sencilla.

2.

Se consideran todas las cargas de l íquido de todas las válvulas de seguridad que descarguen como resultado de un contingencia sencilla, más en cada caso un margen para líquidos provenientes de tambores de separaci ón (tambores de separación de gas combustible, del tope de absorbedores, y de succión y de inter etapas de compresores) igual al inventario de todos los tambores que descarguen al tambor de purga en sus puntos de alarma por alto nivel de l íquido (LHA).

3.

Las velocidades en el espacio de vapores normalmente no deberían exceder del 100% del valor cr ítico. La experiencia demuestra que esto mantiene el arrastre de l íquido en la línea del mechurrio dentro de límites aceptables. V c

+ F 9



ò L – ò v

Ec. (1)

ò v

donde:

Vc ρL

= =

ρv

=

F9

=

Velocidad crítica de los vapores Densidad del líquido a las condiciones de operación Densidad de los vapores a las condiciones de operación Factor cuyo valor depende de las unidades usadas

En unidades métricas m/s kg/m3

En unidades inglesas pie/s lb/pie 3

kg/m3

lb/pie 3

0.048

0.157

No se permiten pantallas de malla de metal ondulado.


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4.

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La profundidad del espacio de vapores no deber ía ser bajo ninguna contingencia menor del 20% del di ámetro del tambor, o menor de 300 mm (12”).

f.

Se provee una alarma de bajo nivel LL(CO)A con un reajuste local manual para que la bomba de transporte de desahogo se pare cuan do el nivel de líquido ha sido reducido a un nivel bajo (ver el p árrafo 13 para la localización exacta).

7.

La presión de diseño del tambor de purga es 345 kPa manom étricos (50 psig).

8.

La máxima presión operacional permitida en el tambor de purga est á determinada por el más bajo de los siguientes valores: a.

La máxima contrapresión permitida sobre válvulas de seguridad que descargan al tambor de purga, de acuerdo con la presi ón de ajuste y el tipo de válvula de seguridad, o bien,

b.

La presión de alivio requerida a la que los vapores desde cualquier succión de compresores sean desviados al tambor de purga. Estas instalaciones son normalmente provistas en compresores de gas de proceso de unidades de craqueo catal ítico y de craqueo con vapor de agua.

c.

La máxima presión operacional permitida sobre cualquier otro tambor de purga de condensables, tambor de evacuaci ón de agua, etc., que ventee al mismo cabezal de mechurrio.

El dimensionamiento global y las caídas de presión de sistemas de mechurrio se cubren en el documento PDVSA – MDP – 08 – SA – 05: “Instalación de Válvulas de Alivio de Presión”. 9.

La temperatura de diseño del tambor de purga es determinada por los extremos de temperatura operacional de emergencia que puedan resultar de cualquier corriente unida al mismo. Si los materiales maneja dos est án a temperaturas por debajo de 15 °C (60°F), o si ellos pueden autorefrigerarse por debajo de 15 °C (60°F), debe también especificarse una mínima temperatura de diseño.

10.

Los materiales del tambor de purga deben ser adecuados para cualquier substancia corrosiva que pueda ser descargada al mismo, y tambi én para los límites de temperatura definidos en el p árrafo 9 anterior.

11.

Se provee un serpentín de vapor de agua en el tambor de purga para propósitos de descongelación, adaptación a las condiciones del invierno y acondicionamiento para el transporte. El dimensionamiento del serpentín se basa en sacar las fracciones livianas de los l íquidos vaporizados, al nivel máximo acumulado como resultado de cualquier contingencia de dise ño


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descrita en el párrafo 6 anterior. El material líquido debe ser acondicionado para su transporte (con bomba) en 2 horas a condiciones de temperatura y presión de vapor que permitan su bombeo con seguridad a instalaciones asociadas de desecho o a otras de recepci ón. En algunos casos, el acondicionamiento para el transporte debe ser seguido por enfriamiento de la corriente transportada por la bomba (ver el p árrafo 17 más adelante). Para la mayoría de las aplicaciones resulta adecuado un serpent ín de vapor de agua de tamaño nominal de 60 m (200 pie) de tuber ía de 50 mm (2”) de diámetro. El serpentín debe ser inclinado para asegurar el drenaje del condensado. 12.

13.

Para servicios en que el serpent ín de calentamiento puede ser ex puesto a líquidos fríos o autorefrigerados, el diseño debería ser tal que evite el taponamiento por congelación del condensado de vapor de agua. Para lograr esto, están disponibles los siguientes métodos: a.

Un desvío de 50 mm (2”) con trampa de vapor de agua directo a la cloaca. Esto se requiere en todos los casos en que pueden ocurrir temperaturas por debajo de 0 °C (32°F) en el tambor de purga.

b.

Provisión de una línea para inyección de gasoil de bajo punto de fluidez o de un material similar dentro del tambor de purga. Un nivel de gasoil que sumerja el serpentín actúa como un acumulador de calor, pero este volumen del gasoil debe incluirse en el dimensionamiento del tambor. Esta es la protección normal usada cuando pueden ocurrir temperaturas por debajo de – 45°C ( – 50°F) en el tambor de purga.

c.

Conexiones para la inyección de metanol dentro de la tubería de entrada y salida del serpentín de vapor de agua para descongelaci ón.

d.

Uso de calentadores de vapor de agua de doble tuber ía vertical(del tipo bayoneta).

e.

Uso de un medio de calentamiento del serpent ín con aceite caliente, o un sistema de calentamiento en cascada (por ejemplo, vapor de agua/metanol).

El tambor es provisto de una bota cil índrica acumuladora de tamaño nominal 600 mm (24”) de diámetro por 900 mm (35”) de altura, con un serpentín de vapor de agua separado e individual fabricado de tuber ía de 25 mm (1”). Normalmente, no es necesario retirar los hidrocarburos y el agua separadamente, y por tanto la bomba de desahogo succiona del fondo de la bota acumuladora. El instrumento de bajo nivel y alarma LL(CO)A se coloca lo más cerca posible al tope de la bota acumuladora para asegurar que la bomba sea parada antes de perder succi ón.


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14.

Si el tambor ocasionalmente puede recibir agua, soda c áustica o corrientes acuosas similares, que crear ían problemas en instalaciones receptoras si son bombeadas con los hidrocarburos, entonces deber ían incluirse medios para un drenaje separado. Esto puede consistir de una conexión a la cloaca desde el fondo de la bota colectora; o en el caso de agua agria, una conexi ón desde la descarga de la bomba de desahogo dirigida a instalaciones para agua agria u a otra disposici ón adecuada.

15.

El dimensionamiento, temperatura de dise ño y requerimientos de instalaciones para tuberías de salida de vapores de tambores de purga dirigidas al mechurrio se cubren en el document o PDVSA – MDP – 08 – SA – 05: “Instalación de Válvulas de Alivio de Presi ón”.

16.

Para el servicio de bombeo de desahogo se prefiere una bomba impulsada por vapor de agua y manualmente controlada. Tambi én es preferible una bomba reciprocante debido a su mayor habilidad para aguantar la succión con líquidos volátiles; sin embargo, si se usa una bomba centrífuga, las líneas de succión y de descarga deben ser venteadas de regreso al tambor, dimensionando la línea de venteo en la descarga para el 15% de la capacidad de la bomba. El dimensionamiento de la bomba se basa en el desahogo por bombeo del contenido total del tambor en 2 horas desde el máximo nivel de líquido acumulado, como se definió en el párrafo 6(d) anterior. Debido al amplio rango de fluidos manejados, la bomba deber ía ser especificada para 2.0 m (6.5 pie) a 2.5 m (8 pie) de requerimiento de cabezal neto positivo de succión en la brida de succión. La elevación del tambor debería ser tal que se cumpla el requerimiento de cabezal de succión (NPSH) de la bomba (NPSH). La temperatura de dise ño de la bomba debería ser la misma que la del tambor de purga y la presi ón de diseño se fija de acuerdo con la dirección de disposición aguas abajo.

17.

El material drenado desde el tambor de purga es normalmente enviado a almacenaje de desechos bajo presi ón, a almacenaje atmosférico de desechos livianos, o a otro tanque atmosf érico. Como se expuso en el documento PDVSA – MIR (Pendiente) (Consultar MDP versi ón 1986 Subsección B: “Minimización de Riesgos de Incendio, Explosi ón o Accidente”), se deben incorporar caracter ísticas de diseño para evitar el riesgo de emanación excesiva de vapores o sobrecalentamiento con ebullición (“boil over”) que pueden resultar al enviar materiales livianos o calientes a tanques atmosféricos. Los requerimientos para promover el desprendimiento de fracciones livianas del líquido acumulado en el tambor de purga se definieron en el párrafo 11 anterior. Además, se debería proveer un enfriador en la l ínea de descarga de la bomba de desahogo, si se presenta alguna de las siguientes situaciones:


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a.

El tambor de purga puede recibir l íquidos calientes (por encima de 93 °C (200 °F), o,

b.

El líquido del tambor de purga (despu és del desprendimiento de vapores si es necesario), si es dirigido a un tanque atmosf érico para su disposición, pudiera provocar un aumento en la presi ón de vapor real del material tal que el tanque exceda 90 kPa absoluta(13 psia).

El enfriador debería ser dimensionado para enfriar el flujo de desahogo máximo a 50°C (122°F). Tambores de Purga para No Condensables (Servicio Especial) – En algunos casos, debido a severos problemas de corrosi ón o por razones especiales de proceso, una unidad debe tener su propio sistema separado de purga. Un ejemplo es el proceso de alquilaci ón con ácido sulfúrico. En este caso, la descarga proveniente de válvulas de seguridad que puede contener una emulsi ón de ácido, presenta dos problemas particulares: corrosi ón y el lento desprendimiento de hidrocarburos desde el ácido. El primer recipiente en el sistema de alivio y purga es por lo tanto un separador de ácido e hidrocarburos. Este tambor est á provisto con una bomba para transferir el ácido separado al tanque de ácido gastado. Los hidrocarburos l íquidos separados son preferiblemente bombeados de regreso al proceso, o a almacenaje de desechos o a un tambor común de purga para no condensables. La corriente de vapores venteados desde el separador de ácido – hidrocarburos se hace burbujear a través de una capa de solución de soda cáustica en un tambor de neutralización y es luego dirigida al cabezal del mechurrio. Para evitar la corrosi ón en el sistema especial de alivio y purga para ácido no se envían a éste los alivios que puedan contener agua o soluciones alcalinas. Tambores de Purga para Condensables – Los tambores de purga para condensables (ver Figura 3) se proveen como un medio para evitar la condensación de hidrocarburos líquidos en sistemas de mechurrio, para reducir los requerimientos de capacidad del mechurrio, o para evitar la descarga de hidrocarburos condensables a la atm ósfera. En algunos casos, sirven para el propósito adicional de reducir la temperatura de los gases descargados por el mechurrio y de aquí a minimizar los problemas de expansión térmica en el diseño mecánico de columnas de mechurrio. Un tambor de purga para condensables funciona por medio de un arreglo de contacto directo con una regadera de agua que condensa vapores de hidrocarburos entrantes m ás pesados que fracciones livianas. Los hidrocarburos condensados y agua efluente son descargados a la cloaca a través de un sello y los vapores de hidrocarburos livianos no condensados son venteados al mechurrio o a la atm ósfera. La base de diseño para tambores de purga para condensables es como sigue:


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1.

La máxima carga de vapores al tambor se basa en el alivio m ás grande proveniente de válvulas de seguridad que descarguen como resultado de una contingencia sencilla. Las velocidades de los vapores en el tambor se basan en 100% de la velocidad cr ítica (ver la Ec.(1)). No se permiten pantallas de malla de metal ondulado.

2.

La salida de vapores preferiblemente se deber ía conectar al sistema del mechurrio. Sin embargo, cuando los alivios de v álvulas de seguridad y otras corrientes conectadas al tambor contienen s ólo una pequeña cantidad de hidrocarburos no condensables o inertes y donde no se prevén problemas de contaminación, entonces es aceptable el venteo atmosf érico, sujeto a las siguientes condiciones: a.

El venteo debe estar localizado por lo menos a 15 m (50 pie) por encima del nivel del suelo y por lo menos 3 m (10 pie) por encima de cualquier equipo dentro de una distancia horizontal de 15 m(50 pie).

b.

El venteo debe ser localizado de modo tal que si ocurriera el encendido inadvertido del alivio máximo de vapores de hidrocarburos, las densidades de calor radiante resultantes a nivel del suelo no excedan los límites prescritos para la exposici ón del personal. Referirse a el documento PDVSA – MID 90616.1.021 Guía de Ingeniería: “Sistemas de Mechurrios”, versión más reciente que la de Agosto 1990.

c.

La dispersión de materiales inflamables o t óxicos debe ser adecuada en relación a equipos y áreas de trabajo adyacentes.

d.

El venteo debe ser provisto con inyecci ón de vapor de agua o de gas inerte para protección contra el retroceso de la llama y apagado como requerido por el documento PDVSA – MIR (Pendiente) (Consultar MDP versión 1986 Subsección B: “Minimización de Riesgos de Incendio, Explosión o Accidente”..

e.

La presión de diseño del tambor debería ser 1030 kPa manométricos (150 psig).

3.

La presión de diseño del tambor debería ser 345 kPa manométricos (50 psig) a menos que el tambor esté conectado directamente al mechurrio (sin un tambor de sello), en cuyo caso la presi ón de diseño del tambor de purga debería ser 1030 kPa manométricos (150 psig).

4.

Los documentos MDP – 03 – S – 01 / 03 / 04 / 05 Principios Básicos, Separadores Líquido – Vapor, Líquido – Líquido, y Líquido – Líquido – Vapor”, junto con los siguientes párrafos, describen el diseño del disco y la sección en forma de anillo, así como de otras partes internas del tambor.


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5.

Los requerimientos de agua se basan normalmente en reducir las temperaturas de salida de gas y l íquido a 65°C (150°F), aproximadamente. La selección de la temperatura óptima se basa en consideraciones de temperatura y composición de las corrientes que entran y de la extensión en que se tolere la condensación posterior de vapores efluentes aguas abajo del tambor. El suministro de agua deber ía tomarse de un sistema de agua confiable. Si se usa un sistema de agua de enfriamiento recirculante, entonces las bombas de circulaci ón y el depósito colector de la torre de enfriamiento, deben tener suficiente capacidad para suministrar el requerimiento máximo del tambor de purga para condensables, durante 30 minutos. un controlador del tipo activado/desactivado (On / Off) para temperatura en la línea de entrada acciona una válvula de control en la línea de suministro de agua y un orificio de restricción en el desvío de la válvula de control admite continuamente 0.6 a 1.2 dm3/s (10 a 20 gpm) de agua, a fin de mantener el sello en la salida. Asimismo, se provee una conexi ón para agua de reemplazo de emergencia desde la tuber ía de agua para incendio con una válvula de bloqueo para alivio (RBV) accionada desde la sala de control y también un orificio de restricción dimensionado para el máximo requerimiento de agua. Se requiere una alarma de alta temperatura en la salida de vapores desde el tambor.

6.

La retención de agua en la base del tambor se dimensiona de acuerdo con el documento MDP – 03 – S – 05 “Separadores Líquido – Líquido – Vapor”.

7.

La altura del sello en la l ínea de líquido efluente (asumiendo 100% de agua) es normalmente dimensionada para el 175% de la m áxima presión operacional del tambor, ó 3 m (10 pie), cualquiera de las dos que sea mayor.

8.

La presión máxima operacional permitida para prop ósitos de dimensionamiento de cabezales de mechurrio y de c álculo de contrapresiones en válvulas de seguridad se toma entre 7 y 14 kPa manométricos (1 y 2 psig) en el tambor, a menos que se requieran presiones mas bajas por consideraciones especiales del proceso. El vapor de agua que se genera por evaporación de agua de enfriamiento a cargas altas tambi én debe ser considerado.

9.

Debido al flujo continuo de agua a trav és de un tambor de purga para condensables, éste puede manejar con seguridad los alivios fr íos o autorefrigerados solamente mientras que la temperatura de los efluentes de líquido y vapor permanezca por encima de 0 °C (32°F).

Sistemas de Purga para Condensables de Estado Inestable – En algunos casos donde las cargas de condensación son altas, o donde se requiere recobrar material de purga líquido condensado por razones de contaminaci ón, toxicidad o económicas, puede ser apropiado un sistema de condensaci ón de estado inestable. A continuación se presentan ejemplos de tales aplicaciones:


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1.

Enfriador de Serpent í n en la Entrada de un Tambor de Purga para Condensables – Mediante un enfriador de serpent ín en la entrada del tambor separador para condensables, se evita el alto requerimiento de agua para la condensación por contacto directo. El enfriador de serpentín debe estar elevado y el serpentín continuamente inclinado para evitar acumulaciones de líquido en el cabezal de la v álvula de seguridad. La retención del agua estática en el enfriador debe ser adecuada para la carga de condensación de diseño durante 30 minutos, dando margen para el calentamiento del agua durante ese per íodo. No debería aplicarse este tipo de diseño donde pueda ocurrir solidificaci ón de materiales pesados dentro del serpentín del enfriador.

2.

Tambores de Purga para Condensables en Plantas de Tratamiento con Fenol – Se usa un tanque de purga en plantas de tratamiento con fenol para manejar corrientes que contienen fenol e hidrocarburos pesados (material para aceites lubricantes). El tanque de purga se ilustra en la Figura 4. La base de diseño es como sigue: a.

La carga máxima de vapores al tanque se basa en el alivio m ás grande de válvulas de seguridad que descarguen como resultado de una contingencia sencilla.

b.

La temperatura de diseño del equipo es 175 °C (347°F). La presión de diseño es 1.5 kPa manométricos (0.2 psig), en el espacio de vapores con el tanque lleno de líquido. La construcción del tan que incluye una costura débil de soldadura entre el techo y las paredes seg ún el estándar API 650.

c.

La columna de venteo atmosférico es concéntrica con el tanque, y termina por lo menos a 15 m (50 pie) sobre el nivel del suelo y por lo menos a 3 m (10 pie) por encima del equipo m ás alto dentro de una distancia horizontal de 15 m (50 pie). Se debe proveer una elevaci ón adicional si es necesario, para asegurar que las concentraciones de fenol a nivel del suelo y a nivel de las plata formas de trabajo, no excedan el Valor Límite Inicial (VLI).La columna est á perforada con huecos en el tope del tanque, con el área de los huecos dimensionada para una máxima presión en el espacio de vapores del tanque de 1 kPa manométrico (0.15 psig), ala carga m áxima de vapores.

d.

El tanque es provisto con una atm ósfera continua de nitrógeno para protección contra el retroceso de la llama, dimensionada de acuerdo con el documento PDVSA – MIR – (Pendiente) (Consultar MDP versi ón 1986 Subsección B “Mínimización de Riesgos de Incendio, Explosi ón o Accidente).


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e.

Se retiene en el tanque un nivel de extracto de fenol para enfriar y absorber el fenol en los vapores que entran. Se requiere suficiente extracto a 38 °C (100°F) para absorber la cantidad m ás grande de fenol descargada durante 30 minutos por v álvulas de seguridad, como resultado de una contingencia sencilla, sin exceder una temperatura del extracto de 93°C (200°F). El tamaño del tan que debe ser adecuado para contener el inventario de fases mezcladas que exista durante condiciones de máxima carga. Asimismo, las dimensiones del tanque se seleccionan de modo que el m áxim onivel de líquido esté por debajo de la elevación del cabezal que recolecta los alivios que contienen fenol.

f.

El fondo del tanque debe ser dise ñado para un retiro completo del agua. Se requiere una disposición segura del agua fenólica; normalmente ésta es regresada al proceso.

g.

Las instalaciones de bombeo para desahogo son provistas para regresar líquido saturado al proceso despu és que una válvula de seguridad haya descargado al tanque.

h.

Los vapores de entrada se distribuyen dentro del tanque por medio de un rociador.

Tanques de Purga para Condensables en Otros Servicios – Un tanque de purga para condensables, dise ñado sobre la misma base que la descrita anteriormente para fenol, puede ser provisto para otros servicios donde un tambor de purga convencional para condensables no ser ía aceptable (por ejemplo, debido a consideraciones de contaminaci ón por el agua efluente). Ejemplos de tales casos son la Metil Etil Cetona (MEC) y el Formuro de Dimetilo (FDM). Se especifica un material absorbente adecuado (por ejemplo, aceite lubricante para MEC y agua para el FDM) y adem ás el diseño debe tomar en cuenta las temperaturas máximas permisibles operacionales, para evitar emanaci ón excesiva de vapores o la ebullici ón del agua. Venteo de un Sistema de Purga para Condensables al Mechurrio – En algunas instalaciones donde regulaciones locales contra la contaminaci ón, no permitirían el venteo de un tanque de purga para condensables en servicio t óxico a la atmósfera, puede ser necesario un tambor de presi ón o una esfera, con venteo al mechurrio.

5.4

de Efluentes Sistemas de Evacuaci ón Se proveen tambores de evacuación para remover contaminantes consistentes de hidrocarburos líquidos o vapores, de corrientes acuosas efluentes de la planta, para poder descargarlas a la cloaca con seguridad. Los criterios para dirigir las corrientes efluentes a tambores de evacuaci ón se definieron anteriormente en esta subsección.


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La base de diseño para tambores de evacuaci ón se describe a continuaci ón: Tambores de Evacuaci ón de Agua (Ver Figura 5) 1.

El cabezal de entrada de l íquido es dimensionado para el máximo caudal de agua al tambor. La caída de presión disponible para el flujo está basada en: (a) el recipiente desde el cual el agua tiene la presión de salida más baja, y, (b) la máxima contrapresión permisible sobre el tambor (Ver el párrafo 4, más abajo).

2.

La carga de vapores al tambor resulta de los vapores de hidrocarburos que entran o de líquido que se vaporiza s úbitamente a condiciones de equilibrio a la presión atmosférica. La carga de vapores de diseño es la más grande cantidad de vapores resultante de una contingencia sencilla, tal como la falla de un tubo roto de un intercambiador de calor o falla de una v álvula de retiro de agua en la posición totalmente abierta (no se consideran las fallas múltiples de válvulas de control, con tal que las v álvulas de control sean especificadas para cerrar en caso de falla de aire para instrumentos). El procedimiento de cálculo para el flujo a través de un tubo dividido de un intercambiador de calor se cubre en el documento PDVSA – MDP – 08 – SA – 05: “Instalación de Válvulas de Alivio de Presi ón”. Los retiros de agua son examinados para determinar la carga m áxima de hidrocarburos resultante de la falla de la v álvula de control de salida de agua en posición abierta, asumiendo que el flujo sea todo de hidrocarburos.

3.

La salida de vapor puede descargar a la atm ósfera o al mechurrio. Se pueden usar descargas atmosféricas, siempre y cuando se pueda conseguir un lugar seguro, definido por los siguientes criterios: a.

El venteo debe ser elevado por lo menos 15 m (50 pie) desde el nivel del suelo y por lo menos 3 m (10 pie) por encima del equipo m ás alto en una distancia horizontal de 15 m (50 pie).

b.

Debe ser localizado de tal modo que si ocurriese una ignici ón inadvertida del máximo alivio de vapores de hidrocarburos, las densidades de calor radiante resultantes a nivel del suelo no excedan los l ímites establecidos para la exposición al personal. Ver el documento PDVSA – MID 90616.1.021 Guía de Ingeniería: “Sistemas de Mechurrios”, versión más reciente que la de Agosto 1990.

c.

El Valor Límite Inicial (VLI) de cualquier vapor t óxico que puedan ser descargados por el venteo no es excedido a nivel del suelo, ni en ninguna plataforma de trabajo.

d.

Se requiere un tubo de venteo abierto en el extremo, dirigido verticalmente hacia arriba, con inyecci ón de vapor de agua o de gas inerte para protección contra el apagado de la llama o supresi ón del encendido, según lo requerido por el documento PDVSA – MIR


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(Pendiente) (Consultar MDP versi ón 1986 Subsección B: “Minimización de Riesgos de Incendio, Explosi ón o Accidente”). 4.

La máxima presión operacional permisible en el tambor de evacuaci ón para propósitos de dimensionamiento de cabezales de mechurrio, cabezales de agua y ramales laterales desde intercambiadores de calor, está determinada por el menor de los dos valores siguientes: (la presión operacional debería diseñarse tan baja como sea posible para maximizar la efectividad de la evacuación). a.

La máxima presión operacional permisible en cualquier tambor de purga para condensables o no condensables, que ventee al mismo cabezal de mechurrio, o

b.

La presión máxima a la cual el flujo normal de agua puede todav ía entrar al tambor desde la fuente de presi ón más baja.

5.

Se especifica una presión de diseño de 345 kPa manométricos (50 psig) para tambores de evacuación de agua.

6.

El sistema de salida del agua es dise ñado para sellar el tambor y evitar el arrastre de hidrocarburos o aire dentro de la cloaca. La Figura 5 ilustra la disposición física normal incorporando un sello con lazo sencillo.

7.

El dimensionamiento del tambor y de la pierna de sello est á determinado por lo siguiente: a.

Cuando la presión en el espacio para vapores del tambor es atmosf érica, el nivel debe ser tal que el espacio para vapores sea adecuado para evacuar gotas de hidrocarburos desde los vapores de hidrocarburos a 15% de la velocidad crítica (Vc) a la carga de vapores de dise ño (de acuerdo con los documentos MDP – 03 – S – 01 / 03 / 04 / 05 Principios Básicos, Separadores Líquido – Vapor, Líquido – Líquido, y Líquido – Líquido – Vapor”) y la pierna de sello debe tener un di ámetro suficientemente grande para dejar pasar el caudal m áximo de agua. Si las variaciones operacionales pudieran resultar en menos de 60 dm 3 /s (950 gpm) de agua al tambor de evacuaci ón de ésta, un sistema externo debería proveer un flujo continuo de 60 a 120 dm 3 /s (950 – 1900 gpm) para mantener el sello.

b.

Cuando la presión en el espacio para vapores sea igual a la m áxima presión operacional permisible, la superficie del agua deber ía ser bajada a un nivel operacional m ínimo, al cual la capacidad para evacuar vapores desde el agua es adecuada para la carga de dise ño determinada según los documentos MDP – 03 – S – 01 / 03 / 04 / 05 Principios Básicos, Separadores Líquido – Vapor, Líquido – Líquido, y Líquido – Líquido – Vapor”. También, la contrapresión no debe reducir el nivel de agua por debajo de la profundidad efectiva del rompedor de


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remolinos. Esto aplica independientemente de si la contrapresi ón resulta de vapores que están siendo aliviados a través del tambor o de oleaje de contrapresión impuesto por un sistema de alivio cerrado. El nivel operacional mínimo no debería ser menor de 450 mm (18 ”) por encima del fondo del tambor. Se provee una alarma de bajo nivel (LLA) en el nivel operacional mínimo, o alternativamente, puede instalarse una alarma por alta presión, ajustada a la presión correspondiente del espacio de vapores. c.

La altura del sello en la salida de l íquido (asumiendo 100% agua) debería ser normalmente equivalente a 175% de la máxima presión operacional permisible, o 3 m (10 pie), cualquiera de las dos que sea la mayor.

8.

El tambor debería ser provisto de una alarma de alto nivel (para dar advertencia de sobrecarga o taponamiento del sello) localizado a 150 mm (6”) por encima del nivel que corresponde a una presi ón manométrica de cero en el espacio para vapores y m áximo flujo de agua.

9.

Debería instalarse un rompedor de remolinos en la salida de agua para evitar el arrastre de hidrocarburos a la cloaca, si se han satisfecho los criterios relevantes de los documentos MDP – 03 – S – 01 / 03 / 04 / 05 Principios Básicos, Separadores Líquido – Vapor, Líquido – Líquido, y Líquido – Líquido – Vapor”.

10.

El agua efluente proveniente del sello se descarga a trav és de una conexión cerrada a un pasa – hombre venteado de la cloaca, de modo que cualquier aire aspirado a través del venteo del rompedor del sifón pueda ser evacuado y además evitar la descarga de hidrocarburos a nivel del suelo.

11.

Deben proveerse cuatro conexiones para desnatado con grifos de prueba en el extremo de salida del tambor al nivel de l íquido normal y a 150 mm (6”), 300 mm (12”) y 450 mm (18”) por debajo del nivel normal. Los hidrocarburos líquidos desnatados a través de estas conexiones deber ían ser bombeados a un sistema de desechos adecuado. Una conexión a la succión de la bomba de desahogo de un tambor de purga, si está disponible es adecuada para este propósito.

Tambores de Evacuaci ón para Otras Corrientes Acuosas – Efluentes acuosos de la planta y corrientes retiradas, tales como condensado de vapor de agua, agua agria o solución de soda cáustica gastada pueden requerir su disposici ón a un tambor de evacuación, pero el tambor de evacuaci ón normal para agua puede no ser adecuado. Pueden por lo tanto requerirse tambores de evacuaci ón especiales, por ejemplo, en los siguientes casos: 1.

Condensado de vapor de agua va a ser recuperado y retornado a instalaciones de tratamiento y de agua de alimentaci ón a calderas.

2.

Agua agria va a ser dirigida a instalaciones de despojamiento de aguas ácidas.


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La soda cáustica gastada va a ser reciclada a instalaciones de reposici ón de soda cáustica fresca, o dirigida a instalaciones de deodorizaci ón o de otro tipo de disposición.

El diseño de estos tambores generalmente sigue la misma base usada para los tambores de evacuación de agua, excepto por el requerimiento de una bomba (con su repuesto) para transferir el l íquido acuoso bajo control de nivel a las instalaciones receptoras apropiadas. Tambores Combinados de Purga y Evacuaci ón – En algunos casos, es posible combinar las funciones de tambores de purga y evacuaci ón en un sólo recipiente. Sin embargo, los dispositivos de alivio de presi ón que descargan hidrocarburos líquidos más livianos que pentano, no deber ían ser conectados al tambor, si existe una posibilidad de que tales l íquidos pudieran acumularse y ser aliviados a la cloaca a través de la pierna de sello. Adem ás, el venteo del tanque deber ía ser dimensionado para evitar acumulaci ón de presión debido a vaporización. En estas aplicaciones se deben satisfacer los criterios de dise ño para ambos servicios y se debe dedicar atención especial a peligros potenciales y problemas que pueden ser introducidos, tales como: 1.

Trampas de líquido en líneas de alivio de válvulas de seguridad.

2.

Combinaciones de agua y alivios de hidrocarburos calientes que podr ían resultar en generación de vapor de agua y oleaje de presi ón.

3.

Combinaciones de agua e hidrocarburos fr íos o autorefrigerantes que podrían resultar en problemas de congelaci ón.

4.

Confiabilidad del suministro de agua si se combinan los servicios de purga de condensables y de evacuaci ón de agua.

5.

Contingencias que pueden requerir que el tambor sea usado para ambos servicios simultáneamente

Torres de Enfriamiento – Cuando los criterios detallados anteriormente bajo “Disposición de Efluentes Acuosos” de planta contaminados con hidrocarburos requieren de un medio para separar con seguridad hidrocarburos de agua de enfriamiento efluente, una alternativa aceptable a un tambor de evacuaci ón de agua en sistemas de recirculaci ón de agua es una torre de enfriamiento que incorpore características que permitan una operaci ón segura cuando se presente la contaminación del agua de enfriamiento efluente con hidrocarburos: debe consultarse al Proveedor del equipo para saber si dichas caracter ísticas están incorporadas en la torre de enfriamiento a comprar. Ahora en el dise ño de torres de enfriamiento se incluye una chimenea de venteo en el elevador vertical de retorno a la torre. Este es usualmente una “T” vertical extendiéndose por encima de los distribuidores. Incluye una peque ña línea de rebose desde la interfase de agua a un sumidero para drenar peque ñas cantidades de filtraciones de aceite, y


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un detector de gas en el espacio de vapores (a menos que se provea un detector de gas en otra parte). En el caso, de un gran escape o de ruptura de un tubo en un enfriador de gas, la chimenea de venteo evita da ños a las tuberías y estructuras debido a oleajes hidráulicos y fuerzas de reacción.

5.5

s de Corrientes de Proceso y de Desechos Almacenaje de Desv ío Materiales a ser Manejados – Los diseños de plantas deben incluir medios de disposición seguros para varios materiales de desecho, tales como los siguientes: 1.

Hidrocarburos líquidos acumulados en tambores de purga para no condensables, que se originan de v álvulas de seguridad, cabezales de drenajes cerrados, drenajes de tambores de separaci ón. Normalmente, se proveen instalaciones en el tambor para la evaporaci ón de líquidos volátiles y enfriamiento de líquidos antes de su disposici ón.

2.

Mezclas de aceite y agua y emulsiones, por ejemplo, de separadores, fondos de tanques, agua de lastre, etc. El calentamiento de tales fluidos es a menudo necesario para separar el aceite del agua.

3.

Productos fuera de especificaci ón durante el arranque, parada o trastornos de la planta. Deben estar disponibles medios de disposici ón para todas las corrientes de productos fuera de especificaci ón. En muchos casos es posible la mezcla de los mismos en tanques de productos o es posible la degradaci ón a otro producto.

4.

Corrientes que deben ser desviadas debido a una parada de emergencia de equipos aguas abajo (por ejemplo, falla del compresor). Deber ían proveerse rutas de desvío donde tal contingencia requerir ía de otra manera, la parada inmediata de la unidad de procesos afectada, resultante en p érdidas operacionales y económicas apreciables.

Métodos de Disposici ón – Pueden considerarse los siguientes m étodos de disposición para la descarga de materiales de desecho tales como los anteriormente descritos: 1.

Mechurrio – Las corrientes de vapores tales como desv íos de succión de compresores en unidades de craqueo catal ítico y de craqueo con vapor de agua, son normalmente dirigidas al mechurrio.

2.

Tuberí a Principal de Combusti ón de Gas – Vapores de hidrocarburos livianos pueden ser dirigidos a tuber ías principales de combusti ón para su disposición. Si está disponible un vaporizador de propano, éste puede ser usado como un medio para dirigir fracciones livianas de líquido a la tubería principal de combustión.


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3.

Instalaciones de Almacenaje – En muchos casos puede usarse el re ciclo o mezcla de corrientes l íquidas en tanques de almacenaje de alimentació alimentaci ón o de producto, etc. Sin embargo, el dise ño de tales sistemas de disposició disposici ón debe tomar en cuenta el potencial de excesiva emanaci ón de vapores y sobrecalentamiento con ebullici ón (“boil over” over”), que pueden surgir de la disposició disposici ón de materiales livianos o corrientes calientes a tanques de almacenaje. Estos riesgos junto con caracterí caracter ísticas de diseñ dise ño apropiadas para minimizarlos, se exponen en la el documento PDVSA – PDVSA – MIR MIR (Pendiente) (Consultar MDP versió versi ón 1986 Subsecció Subsecci ón B: “Minimizació Minimizaci ón de Riesgos de Incendio, Explosió Explosi ón o Accidente” Accidente ”).

4.

Almacenaje de Desechos – Las instalaciones para almacenaje de desechos pertenecen a tres tipos b ásicos, de acuerdo con los materia les manejados: a.

Almacenaje de desechos a presi ón para materiales de fracciones livianas.

b.

Almacenaje atmosfé atmosf érico de desechos livianos, para materiales que no requieren calentamiento para el rompimiento de la emulsi ón.

c.

Almacenaje atmosfé atmosf érico de desechos pesados, para materiales que requieren calentamiento para el rompimiento de la emulsi ón. En los casos (b) o (c) deben aplicarse las mismas consideraciones de seguridad descritas en el p árrafo (3) anterior.

Los materiales acumulados en almacenaje para desechos son normalmente dirigidos a instalaciones de reproceso o mezclados en tanques de almacenaje apropiados para su disposició disposici ón. Diseño de Instalaciones para el Almacenaje de Desechos – Al seleccionar los medios de disposició disposici ón de las corrientes deber ían usarse, en lo posible, rutas que utilicen instalaciones y tanques normales de la planta, etc. Las corrientes que no pueden ser manejadas de este modo requieren instalaciones para el almacenaje de desechos. El dimensionamiento de instalaciones de almacenaje para desechos es usualmente basado en los caudales de flujo normales de todas las corrientes que deben ser desviadas a desecho bajo una contingencia sencilla, por el perí período de tiempo necesario para eliminar la contingencia, o llevar a cabo una parada controlada. Almacenaje de Desechos Desechos a Presi ón – Si se requiere el almacenaje de desechos a presió presión para manejar materiales en el rango de fracciones livianas, debe cumplirse con los siguientes criterios: a.

El tipo de recipiente para el almacenaje de desechos a presi ón se selecciona en base a costo. Generalmente una esfera o esferoide es más econó económico que un tambor para capacidades en exceso de 160 m3 (5650 pie3).


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b.

El recipiente es venteado a una l ínea de gas de baja presi ón (si está está disponible) o al cabezal del mechurrio, mechurrio, a trav és de una vá válvula de control de presió presi ón. La carga de vapores de dise ño se basa en la contingencia sencilla (por ejemplo, desví desv ío de la alimentació alimentaci ón desde una unidad particular) que resulta en la mayor cantidad de vapores generados por evaporació evaporaci ón sú súbita a partir de los lí l íquidos entrantes.

c.

Se debe proveer protecció protecci ón contra la sobrepresió sobrepresi ón y el vací vacío de acuerdo con el documento document o PDVSA – MDP MDP – 08 08 – SA SA – 05: 05: “Instalació Instalaci ón de Vá Válvulas de Alivio de Presió Presi ón”.

d.

Se provee una alarma de alto nivel (AAN (LHA)) a 85% de la capacidad volumé volumétrica del recipiente y tambié tambi én un corte de flujo por alto nivel el cual cierra hermé herméticamente el flujo de entrada cuando el nivel del recipiente alcanza un a 92% lleno.

e.

Se provee una bomba de desahogo manualmente controlada para transferir el desecho a una unidad de proceso adecuada para su reprocesamiento. El tamañ tama ño de la bomba está est á determinado por los requerimientos de reprocesamiento. Cuando el tambor de purga y el recipiente de almacenaje de desechos est án muy pró próximos, las bombas de desahogo pueden ser interconectadas con m últiple, de modo que sean intercambiables en cualquiera de los servicios.

Como una alternativa al almacenamiento especial de desechos a presi ón, la retenció retenci ón necesaria puede ser provista en un tambor de purga para no condensables, como se describi ó antes en este documento.


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NOMENCLATURA

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=

Vc ρL

= =

ρV

=

Factor cuyo valor depende de las unidades usadas Velocidad crítica de los vapores Densidad del líquido a las condiciones de operació operación Dens De nsid idad ad de los los vap vapor ores es a las las cond condic icio ione nes s de operació operación

En unidades SI


0 .0 4 8

0 .1 5 7

m/s kg/m3

pie/s lb/pie 3

kg/m3

lb/pie 3


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APENDICE Figura 1 “Arreglo tí típico de tambor de purga de no – no – condensables condensables””. Figura 2 “Dimensionamiento de de tambor de purga de no – – condensables condensables””. Figura 3 “ Tambor de purga para condensables ”. Figura 4 “Tanque de alivio para condensables en servicio de fenol ” Figura 5 “ Tambor de purga de agua” agua ”.


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E D A G R U P E S D E L R B O A B S . N 1 M E A g T D i F E N D O C O – C I O P I N T O L G E R R A

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Indice volumen . c t e , n ó , i s s e o r d P a a o s e c i r P s o é , h f s c s o o n e s m a e i t v D A i L e e j d a s o e n j h e c c e a a s n e e c m l D a A m l e l A d A

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S A R O O H M I 2 X A N E M L N E O I V I C N A E U D C S A E V E D

A G R U P E D S R E O L B B A M A S . T N 2 E E g D D i N F O O T C N E I O N M A E N D O I S N E M I D

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Fig 3. TAMBOR DE PURGA PARA CONDENSABLES

AGUA E HIDROCARBUROS CONDENSADOS A LAS CLOACAS. (CONEXION A DRENAJE CERRADO SI LOS HIDROCARBUROS EN EL EFLUENTE PUEDEN SER DESCARGADOS A UNA TEMPERATURA POR ENCIMA DE SU PUNTO DE INFLAMACION.)


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Fig 4. TANQUE DE ALIVIO PARA CONDENSABLES EN SERVICIO PARA FENOL

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A U G A E D A . G 5 R g U i F P E D R O B M A T

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PDVSA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO SEGURIDAD EN EL DISEÑO DE PLANTAS

PDVSA N°

TITULO

MDP–08–SG–01

1

SEP.97

0

AGO.95

REV.

FECHA

APROB.

E

PDVSA, 1983

INTRODUCCION


12

O.R.

L.R.

APROBADO

12

J.P.

F.R.

PAG.

REV.


APROB.


ESPECIALISTAS


PDVSA

SEGURIDAD EN EL DISEÑO DE PLANTAS INTRODUCCION

PDVSA MDP –08 –08 –SG –SG –01 –01 REVISION

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Indice 1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

2.1 2.2 2.3

Sistemas de Alivio de Presión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sistemas de Disposición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temas Relacionados Cubiertos en Otros Manuales PDVSA . . . . . . . . . . .

2 2 2

3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

4 DEFINICIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

5 CONS CONSID IDER ERAC ACIO IONE NES S DE DE DIS DISE EÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

5.1 5.2 5.3

Reconocimiento y Eliminación de Riesgos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reducción de Daños Causados por Incendio o Explosión . . . . . . . . . . . . Consideraciones Especiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 8 10


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OBJETIVO El objetivo de esta secció secci ón es presentar una introducci ón a los capí capítulos que conforman el volumen de “Seguridad en el Diseñ Dise ño de Plantas” Plantas ” con la finalidad de visualizar los aspectos que deben ser cubiertos por el ingeniero de proceso en el diseñ diseño de instalaciones nuevas o en la ejecuci ón de cambios y modificaciones en las instalaciones actuales de la industria de una manera segura.

2

ALCANCE Cubre los capí cap ítulos involucrados con el dise ño de instalaciones seguras de plantas, los cuales son los siguientes:

2.1 2.1

Siste istema mas s de de Aliv livio de Pre Presión sión Describe los principios b ásicos y procedimientos para la evaluaci ón del potencial de sobrepresió sobrepresi ón en equipos de una planta y para la selecci ón, diseñ diseño y especificació especificaci ón de las instalaciones de alivio de presi ón apropiadas. Se incluyen criterios para el diseñ diseño de cabezales de alivio de presi ón, cubrié cubriéndose todos estos temas en lo siguientes documentos: PDVSA – MDP

2.2

Descripción del Documento

08 – SA SA – 01 01

Sistemas de Alivio de Presi ón: Principios Bá B ásicos.

08 – SA SA – 02 02

Sistemas de Alivio de Presió Presi ón: Consideraciones de Contingencia y Determinació Determinaci ón de los Flujos de Alivio.

08 – SA SA – 03 03

Sistemas de Alivio de Presi ón: Dispositivos de Alivio de Presi ón.

08 – SA SA – 04 04

Sistemas de Alivio de Presió Presi ón: Procedimientos para Especificar y Dimensionar Vá Válvulas de Alivio de Presi ón.

08 – SA SA – 05 05

Sistemas de Alivio de Presió Presi ón: Instalació Instalaci ón de Válvulas de Alivio de Presió Presión.

Sistemas de Disposición Describe los principios bá b ásicos y procedimientos para el dise ño de las instalaciones para manejar drenajes y efluentes acuosos contaminados procedentes de equipos y tambi én para enviarlos a una disposici ón apropiada, de los sistemas de tambor de purga o tambor de alivio, para recibir descargas cerradas de vá v álvulas de seguridad, alivios de vapores de emergencia y de las instalaciones para procesar desv íos de corrientes y almacenaje de desechos. Tambié También cubre los criterios para seleccionar el m étodo apropiado de disposici ón.

2.3 2.3

Tem emas as Rel Relac acio iona nado dos s Cubi Cubier erto tos s en Otr Otros os Man Manua uale les s PDVS PDVSA A Los siguientes temas, que anteriormente se cubrian en el MDP versi ón 1986, ahora se presentará presentar án (o ya se presentan) present an) en otros manuales de PDVSA, como el Manual de Ingenierí Ingenier ía de Diseñ Diseño (MID (MID)) o el el Manual de Ingenierí Ingenier ía de Riesgos (MIR ( MIR). ).


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Documento MDP versi ón 1986 Secció Sección 15 B (Minimizació (Minimizaci ón de los riesgos de Incendio, Explosió Explosi ón o Accidente) Secció Sección 15 E (Mechurrios)

Secció Sección 15 F (Paradas de Emergencia, Aislamiento y Facilidades de Alivio) Secció Sección 15 G (Espacio entre Equipos) Secció Sección 15 H (Protecció (Protecci ón a Prueba de Incendio / Explosió Explosi ón) Secció Sección 15 I (Sistemas contra Incendio)

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Documento(s) substitutivo(s) Será Será actualizado en un nuevo documento del MIR. Mientras tanto, usar el documento correspondiente del MDP versió versi ón 1986 Ser á actualizado en el documento MID Gu ía de Ingenierí Ingeniería 90616.1.021:: 90616.1.021 “Sistemas de Mechurrios” Mechurrios”. Mientras tanto, usar el documento correspondiente del MDP versió versi ón 1986 MIR No. IR – P – 01: 01: Paradas de Emergencia, bloqueo, depresurizació depresurizaci ón y venteo de equipos y plantas (May. 93) MIR No. IR – M – 01: 01: Separació Separación entre equipos e Instalaciones (Abril 95) MIR No. IR – C – 02: 02: Diseñ Diseño de Edificios de Control (Oct. 95), MIR No. IR IR – – C – 03: 03: Revestimiento contra Incendios (May. 93) MIR No. IR – M – 03: 03: Sistema de Agua contra Incendio (Ago 96), MIR No. IR – M – 04: 04: Sistema de Espuma contra Incendio (Ago 96)

REFERENCIAS Las referencias se indican en cada uno de los cap ítulos tratados.

4

DEFINICIONES Las definiciones se presentan en el documento PDVSA – MDP MDP – 08 08 – SA SA – 01: 01: “Sistemas de Alivio de Presió Presi ón: Principios Bá B ásicos” sicos”.

5

CONSIDERACIONES DE DE DI DISEÑO En el diseñ diseño de una instalació instalaci ón segura, se deben considerar los siguientes principios: reconocimiento y eliminaci ón de riesgos, reducció reducci ón de dañ daños causados por incendio o explosiones y consideraciones especiales.

5.1 5.1

ó n de Riesgos Rec eco onocimie imien nto y Eli Elimi min nac aci i ó La existencia de riesgos presentes y potenciales que puedan ocurrir en la planta deben determinarse considerando los factores asociados con el proceso, los equipos, las instalaciones asociadas, las condiciones locales y los posibles errores operacionales. Habié Habi éndose identificado los riesgos, se deben incorporar en el diseñ diseño de la planta, facilidades adecuadas para minimizar la posibilidad de ocurrencia de incendios, explosiones y otros accidentes. Entre los riesgos a ser considerados, se encuentran los siguientes:


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5.1.1

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Esfuerzos excesivos La presió presión o temperatura excesiva sobre componentes del equipo puede resultar en que se exceda el esfuerzo cedente y ocurra una falla catastr ófica. Se pueden generar presiones por encima de la presi ón operacional normal por exposici ón a un incendio externo o por diferentes formas de fallas operacionales, tales como, mal funcionamiento de instrumentos, falla de los servicios auxiliares, sobrellenado, expansió expansión térmica, cierre de salidas de equipos, etc. Tambi én pueden resultar temperaturas excesivas cuando los componentes del equipo sean presionados más allá allá de lí límites seguros, puesto que los esfuerzos cedentes son una funci ón de la temperatura. El vací vac ío es otro mecanismo potencial de exceso de esfuerzo, en el caso de componentes del equipo no dise ñados para presió presi ón subatmosfé subatmosférica y puede resultar en colapso de recipientes. Los diseñ diseños de plantas deben por lo tanto incluir caracter ísticas protectoras, para evitar que los componentes del equipo sean sometidos a esfuerzos excesivos por los mecanismos anteriores. Los pasos esenciales de esos procedimientos de diseñ diseño pueden resumirse de la siguiente forma: a.

Consideració Consideraci ón de contingencias Se deben considerar todas las contingencias posibles que pudieran causar esfuerzos excesivos o fallas de los componentes del equipo. Los flujos de alivio resultantes son evaluados para establecer una base de dise ño. Donde pueda ocurrir una sobrepresi ón, se proveen facilidades de alivio. Alternativamente se establece una base para dise ñar los componentes del equipo para soportar la má m ás alta presió presi ón o temperatura que pueda ocurrir. En el caso de amplias fluctuaciones de temperatura no puede excluirse la ocurrencia de un exceso de esfuerzo mediante la instalaci ón de dispositivos de alivio de presió presi ón y debe establecerse una base para proveer otros medios de protecció protección apropiada en forma de alarmas o cortes por alta o baja temperatura, instrumentació instrumentaci ón de control, aislamiento (bloqueo), despresurizació despresurizaci ón, enfriamiento rá r ápido, selecció selecci ón de materiales, y/o otros medios. Las instalaciones de protecci ón, son normalmente dimensionadas para soportar la descarga de alivio m ás grande resultante de una contingencia sencilla, sin exceder la presi ón o temperatura del equipo.

b.

Selecció Selecci ón del tipo apropiado de vá v álvula de alivio de presi ón Se debe seleccionar el tipo apropiado de v álvula u otro tipo de dispositivo de alivio de presió presi ón o de control de temperatura, entre los variados dispositivos disponibles.

c.

Dimensionamiento de los dispositivos de alivio de presi ón Se debe dimensionar los dispositivos de alivio de presi ón para manejar el caudal de alivio requerido.

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d.

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Diseño de las instalaciones con dispositivos de alivio de presi ón Se debe diseñar las instalaciones con dispositivos de alivio de presi ón, incluyendo la ubicación, tubería asociada y sistemas de desecho. Estos procedimientos de diseño se describen en detalle en los documentos PDVSA – MDP – 08 – SA – 01 al 05 de este manual.

e.

Mechurrios El mechurrio es un componente clave de los sistemas de desechos cerrado dado que provee de un medio de disposici ón seguro de las corrientes provenientes de las válvulas de alivio, purgas de vapores, desv íos de corrientes de proceso, drenajes de equipos, etc., quem ándolos bajo condiciones controladas de modo que los equipos adyacentes o el personal no estén expuestos a peligro, al mismo tiempo que se satisfacen los requerimientos de control de contaminaci ón ambiental. Este sistema se describe en el documento PDVSA – MID Guía de Ingeniería 90616.1.021: “Sistemas de Mechurrios” (Versión actualizada).

5.1.2

Incendios y explosiones La base de diseño de plantas debe ser tal que incluya precauciones para minimizar el riesgo de incendios y explosiones como sigue: a.

Externas En el caso de incendios y explosiones externas, es necesario prevenir la descarga sin control de productos inflamables y ubicar los puntos de alivio controlado en un sitio seguro. Adem ás deben minimizarse las fuentes de ignición. •

Prevención de las descargas de alivio sin control y ubicaci ón de los alivios controlados. Los alivios de productos inflamables sin control son usualmente el resultado de fallas de componentes del equipo o errores operacionales. Las fallas de componentes del equipo pueden ser debidas a la exposici ón de los materiales de construcci ón a condiciones operacionales m ás severas de lo que son capaces de soportar, o pueden ser una funci ón de la inherente vulnerabilidad natural de ciertos componentes tales como, tubos de hornos, maquinarias y sistemas de tubería. En el documento PDVSA – MIR (Pendiente) (Consultar MDP versi ón 1986, Sección 15B) se incluyen métodos mediante los cuales se pueden minimizar tales alivios descontrolados. Los alivios atmosféricos de productos inflamables descargados por válvulas de seguridad, deben satisfacer los criterios de ubicaci ón y

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velocidad para asegurar una dispersi ón adecuada, como se describe en el documento PDVSA – MDP – 08 – SA – 05. Deben también proveerse un drenaje adecuado de los componentes del equipo e instalaciones de disposici ón de desechos seguras para evitar acumulaciones peligrosas de materiales inflamables, cuando se sacan de servicio componentes del equipo. Estas instalaciones se describen en el documento PDVSA – MDP (Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 15D). Los tanques atmosféricos son inherentemente una fuente de alivio de materiales inflamables debido a las posibilidades de rebose, excesiva emisión de vapores y derrame por excesivo calentamiento. En el documento PDVSA – MIR (Pendiente) (Consultar MDP versi ón 1986, Sección 15B) se incluyen medidas preventivas apropiadas. •

Minimización de fuentes de ignición Las fuentes comunes de ignición que ocurren en una refinería o planta química se listan en el documento PDVSA – MIR (Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 15B) junto con métodos por los cuales pueden ser minimizadas.

b.

Internas En el caso de incendios y explosiones internas, es necesario evitar mezclas inflamables de vapores y aire dentro de los componentes del equipo de proceso y minimizar las fuentes internas de ignici ón. En algunas excepciones específicas se permiten concentraciones dentro del rango de inflamaci ón, siempre y cuando las fuentes de ignici ón sean totalmente eliminadas. •

Eliminación de mezclas inflamables La formación de una mezcla inflamable de vapores y aire en el rango explosivo dentro del equipo de proceso, representa una de las condiciones más peligrosas que puedan existir en una refiner ía o planta química, puesto que solo es necesario la adici ón de una fuente de ignición para iniciar una explosi ón. Muchos procesos y procedimientos involucran el uso de aire dentro de los equipos, o existe la entrada potencial de aire por infiltraci ón o arrastre, por ejemplo reacciones de oxidaci ón con aire, sistemas de regeneraci ón y decoquificación, todos los tipos de componentes del equipo sometidos a combustión, arranques y paradas de planta, procesos de vacío, etc. En el documento PDVSA – MIR (Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 15B) se incluyen procedimientos de dise ño para evitar incendios y explosiones.


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5.1.3

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Factores operacionales que afectan la seguridad industrial Una planta debe diseñarse de modo que el personal de operaciones y de mantenimiento puedan llevar a cabo sus deberes de manera efectiva y segura sin exponerse ellos mismos o la planta al riesgo de un incendio, explosi ón o accidente. Para lograr esto deben incluirse los siguientes recursos: S

Plataformas, escaleras, mallas protectoras, regaderas de seguridad e instalaciones similares que aseguran condiciones de trabajo seguras para el personal.

S

Instrumentación, alarmas y controles suficientes para permitir al personal de operaciones operar la planta con eficiencia y seguridad.

S

Facilidades que permitan arrancar y parar con seguridad la planta y componentes individuales del equipo, tales como conexiones de drenaje y purga, sistemas de drenaje, etc. Estas facilidades se describen en detalle en el documento PDVSA – MIR (Pendiente) (Consultar MDP versi ón 1986, Sección 15B).

5.1.4

Factores de proceso asociados con la seguridad Ciertos tipos de procesos, condiciones de proceso o fluidos manejados introducen factores que afectan la seguridad de la planta. Esos factores deben tomarse en cuenta en el diseño. Estos incluyen: S

Condiciones operacionales altamente severas, por ejemplo, temperaturas o presiones extremadamente altas.

S

Procesos por carga o cíclicos, o procesos que sufren frecuentes arranques y paradas, en que las oportunidades de cometer errores son m ás frecuentes que lo normal.

S

Procesos sujetos a trastornos operacionales frecuentes por integraci ón con otras plantas, o donde puedan surgir condiciones peligrosas debido a una falla de los servicios auxiliares.

S

Procesos inestables, en que pueden ocurrir descomposiciones, grandes descontroles de temperaturas o reacciones inestables, por ejemplo en el proceso de Hidrocraqueo.

S

Procesos que utilizan sólidos fluidizados en que las operaciones estables y seguras dependen de la efectividad de la fludizaci ón de los sólidos para evitar la reversión del flujo, por ejemplo en el proceso de craqueo catal ítico.

S

Características y propiedades de los fluidos tales como inflamabilidad, presi ón de vapor, autorefrigeración, corrosión, erosión, toxicidad y capacidad de reacción química, incluyendo las variaciones de esas propiedades que puedan ocurrir por causa de condiciones operacionales anormales.


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Debe investigarse toda informaci ón disponible sobre los factores mencionados para asegurarse de que se identifiquen los peligros actuales y potenciales del proceso. El documento PDVSA – MDP (Pendiente) (Consultar MDP versi ón 1986, Sección 15D) contiene informaci ón sobre químicos y corrientes de la planta, así como también una lista de referencias útiles. 5.1.5

Factores ambientales que afectan la seguridad Los peligros ambientales o climáticos que puedan existir deben ser reconocidos en el diseño de la planta. Estos incluyen tormentas de polvo o arena que crean problemas de lubricación en las maquinarias y las posibilidades de inundaciones, vientos huracanados o terremotos. Cuando existen estos problemas deben aplicarse las medidas de diseño especiales apropiadas. Los rel ámpagos (descargas eléctricas de la atmósfera) representan una fuente de ignici ón, especialmente para venteos atmosf éricos y se detallan en el documento PDVSA – MDP (Pendiente) (Consultar MDP versi ón 1986, Sección 15B).

5.2

Reducció n de Da ño s Causados por Incendio o Explosi ó n Con el reconocimiento de que no siempre es posible eliminar completamente tales ocurrencias, la planta deber ía ser diseñada para minimizar cualquier daño resultante si ocurriera un incendio, explosi ón u otro accidente. Aunque la filosofía de diseño anteriormente expuesta en esta secci ón es eliminar todos los riesgos previsibles de incendio, explosi ón y otros accidentes, éstos pueden todavía ocurrir por causa de una falla imprevisible de los componentes del equipo o por un error operacional. El dise ño de la planta debe ser orientado a minimizar los daños resultantes de tales incidentes. Esto se logra deteniendo el alivio de materiales inflamables o peligrosos tan pronto como sea posible, posibilitando a la planta para soportar su exposici ón a un incendio sin fallas adicionales, mientras se extingue el incendio, y suministrando facilidades efectivas para el combate de incendios. El objetivo total de estas consideraciones es mantener bajo control un gran incendio en un intervalo de una hora. El t érmino “bajo control” en este contexto se define como una situación en que el incendio est á todavía en progreso pero son muy poco probables las fallas adicionales de los componentes del equipo y los alivios adicionales no controlados. El incendio continua entonces de un modo comparativamente seguro, hasta que se agota el suministro de combustible que lo alimenta. Esta condición de “bajo control” se alcanza cuando el calor que est á siendo disipado es balanceado por los factores de enfriamiento con agua, protección a prueba de incendio (aislamiento) y espacio, de modo que los equipos críticos no están más en peligro de falla por exposici ón a las llamas. El logro de la condición “bajo control” es también función del inventario de combustible que alimenta el incendio y de la rapidez con que pueda ser reducido.


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Los renglones esenciales del dise ño de una planta que se usan para minimizar los daños resultantes de incendios y explosiones se listan a continuaci ón, con referencia a los volúmenes particulares del manual de dise ño de procesos, donde se cubren en detalle. 5.2.1

Espaciamiento y disposici ón de los equipos Una disposición satisfactoria de los equipos de la planta (incluyendo espaciamiento adecuado de los equipos, “vías para incendios” y/o paredes contra incendio, para separar las áreas con riesgos de incendio) limita la extensi ón geográfica de un incendio y da margen de acceso efectivo para el combate del mismo. La ubicación de los equipos y los estándares de espaciamiento se cubren en el Manual de Ingeniería de Riesgos, documento No. IR – M – 01: Separación entre Equipos e Instalaciones (Abril 95).

5.2.2

Protecci ón a prueba de incendio La protección contra incendio del acero estructural, recipientes y de soportes de recipientes, provee protección contra fallas por exposici ón a un incendio y contra el alivio adicional de combustible. La protecci ón también se emplea para asegurar el funcionamiento ininterrumpido de ciertos sistemas de emergencia bajo exposición al incendio. Los detalles se exponen en el Manual de Ingenie ría de Riesgos documentos No. IR – C – 02: Diseño de Edificios de Control (Oct. 95) y No. IR – C – 03: Revestimiento Contra Incendios (May. 93).

5.2.3

Facilidades para el combate de incendios Deben proveerse facilidades adecuadas fijas y m óviles para el combate de incendios, que cumplan los requerimientos de extinci ón y de enfriamiento de los componentes del equipo en el caso de un incendio en todas las áreas de proceso y fuera del sitio de la planta. La base de diseño de las facilidades para el combate de incendios se describe en el Manual de Ingeniería de Riesgos documentos No. IR – M – 03: Sistema de Agua Contra Incendio (Ago. 96) y No. IR – M – 04: Sistema de Espuma Contra Incendio (Ago. 96).

5.2.4

Facilidades de emergencia Se requieren facilidades de emergencia para detener el alivio de materiales inflamables que alimentan un incendio, tan r ápidamente como sea posible. Estas facilidades comprenden dispositivos para parada remota de ciertos renglones del equipo, válvulas de aislamiento de emergencia y medios para despresionar y remover el inventario de l íquidos inflamables. Los detalles se especifican en el Manual de Ingeniería de Riesgos documento No. IR – P – 01: Paradas de Emergencia, Bloqueo, Despresurizaci ón y Venteo de Equipos y Plantas (May.93).


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5.3

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Consideraciones Especiales Se deben considerar factores especiales tales como requerimientos de regulaciones locales, que pueden requerir caracter ísticas de seguridad del dise ño más allá de las normalmente provistas.

5.3.1

Factores especiales Durante el desarrollo del dise ño de una planta debe concederse consideraci ón especial a requerimientos locales, peligros que puedan causar preocupaci ón, y también, a incentivos especiales para minimizar la ocurrencia de paradas de emergencia. Estos factores pueden justificar caracter ísticas de seguridad del diseño adicionales a los requerimientos normales del Manual de Diseño de Procesos. Los renglones a considerar incluyen: S

S

S

S S S

S

Regulaciones estatutarias locales, c ódigos y estándares para refinerías (por ejemplo, requerimientos para la instalaci ón de válvulas de seguridad de repuestos en algunos países europeos). Peligros asociados con plantas muy grandes , grandes inventarios de materiales inflamables o tóxicos, procesos o equipos nuevos, alta densidad de grandes equipos rotativos, inestabilidad del proceso o condiciones altamente severas. Peligros asociados con el almacenaje cerrado (galpones, almacenes) de combustibles, materiales inflamables o t óxicos. Materiales de bajo punto de inflamación (por debajo de 37.8 _C (100_F)) no son normalmente almacenados dentro del área de la planta. Niveles adecuados de número y experiencia de operadores y de personal de mantenimiento e inspección. Disponibilidad limitada de ayuda local en el caso de un gran incendio, por ejemplo, en lugares aislados. Tanques refrigerados – Los tanques que almacenan l íquidos a bajas temperaturas y a presión atmosférica requieren de materiales especiales para evitar fallas debido a fracturas por fr ío o fragilidad y por la expansi ón/contracción de los platos, boquillas y líneas. El efecto de una peque ña fuga o de una falla grande, es el de crear una nube de vapor que se desplaza grandes distancias antes de que ocurra la ignici ón. Por consiguiente, se requieren materiales especiales para la construcci ón de este tipo de tanques. Asimismo, se deben incluir otras instalaciones que permitan actuar correctamente en caso de una emergencia. Incentivos para minimizar los gastos económicos y comerciales asociados a las paradas en casos de emergencia. Estos gastos incluyen: costos por reparaciones y tiempo de paralizaci ón de la planta, pérdidas de ganancias, de suministro (si lo hay), pérdida de la confianza de los clientes, efectos sobre otras unidades corriente arriba o corriente abajo, efectos adversos sobre las relaciones públicas, etc.


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5.3.2

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Caracter í sticas adicionales de seguridad en el dise ño Están disponibles una serie de métodos los cuales pueden suplementar al Manual de Diseño de Procesos, cuando se justifican por consideraciones especiales como se expuso anteriormente. Es necesario una buena capacidad de juicio en materia de ingeniería para seleccionar caracter ísticas apropiadas entre las siguientes: S S S S S S

Uso de la base de contingencia m últiple al seleccionar y dimensionar instalaciones de seguridad, en lugar de la base normal de contingencia sencilla. Diseñando para eliminar riesgos con caracter ísticas de baja probabilidad que normalmente serían descartados. Reduciendo el potencial de alivios no controlados de materiales inflamables por: Selección de maquinarias o de materiales de construcci ón de calidad óptima. Selección de características especiales de la maquinaria, como sellos mecánicos dobles o lubricación por neblina del aceite lubricante. El Manual de Ingeniería de Diseño referente a Requerimientos para la fabricación de tuberías y Requerimientos para el dise ño de tuberías de proceso y servicios cubren en detalle los requerimientos normales para el dise ño de tuberías, pero en algunos casos puede ser apropiado reducir a ún más el riesgo de falla de conexiones de tuber ías de diámetro pequeño (por ejemplo, conexiones de instrumentos y de vidrios de observaci ón de nivel), especificando características tales como:

a.

Minimizar el número y alcance de conexiones de tuber ías de pequeño diámetro.

b.

Aumentar la resistencia mecánica usando tuberías de mayor diámetro (por ejemplo, 50 mm (2 pulg)).

c.

Combinar las conexiones múltiples en una sola boquilla (con v álvula) de mayor tamaño, instalada en el recipiente.

d.

Uso de empalmes en nudo más allá de los requerimientos señalados en el Manual de Ingeniería de Diseño, referente a Requerimientos para el dise ño de tuberías de proceso y servicios.

e.

Provisión de válvulas de exceso de flujo o de orificios de restricci ón en tuberías de pequeño diámetro, tales como las conexiones de instrumentos o de vidrios de observaci ón de nivel.

S

S

Provisión de instrumentación adicional, alarmas, dispositivos de seguimiento (por ejemplo, circuito cerrado de televisi ón, alarmas de vibración, detectores de gas combustible o de incendios), para identificar situaciones potenciales de emergencia y accionar los dispositivos de alarma o correctivos. Diseño de los equipos de seguridad para su mantenimiento en operaci ón, de modo que pueda llevarse a cabo su mantenimiento mientras se mantiene la

PDVSA - Manual de Procesos (Diseño de Plantas)

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