PDVSA Sistemas de Alivio.

 MANUAL DE INGENIERIA DE DISEÑO VOLUMEN 17 GUIA DE INGENIERIA

PDVSA N

°

SISTEMAS DE ALIVIO

90616.1.022

0

AGO.90

REV.

FECHA

APROB.

 PDVSA,

APROBADA

José Gilarranz

1983

TITULO

21 DESCRIPCION FECHA

JUN.90

PAG. APROB.

J.S. REV.

Eduardo Santamaría

APROB. APROB. FECHA AGO.90

ESPECIALISTAS

GUIA DE INGENIERIA



SISTEMAS DE ALIVIO

PDVSA 90616.1.022

REVISI REVISION ON

FECHA FECHA

0

AGO.90

Página 1 .Menú Principal

Indice manual

Indice volumen

Indice Indice norma

Indice 1

GENERAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

2

REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

3

OBSERVACIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

4

DISCUSIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

5

RE R EQUERIMIENTOS DE ALIVIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

6

LINEAS DE ALIVIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

6.3

Dimensionamiento del Tamaño de Cabezales de alivio . . . . . . . . . . . . . . .

13

VALVULAS DE ALIVIO Y SEGURIDAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

7

GUIA DE INGENIERIA



SISTEMAS DE ALIVIO

PDVSA 90616.1.022

REVISION

FECHA

0

AGO.90


1

Indice manual

Indice volumen

Indice norma

GENERAL Esta Guía de Ingenier ía contiene recomendaciones que establecen criterios para determinar el tamaño de las válvulas de seguridad y l íneas de alivio.

2

REFERENCIAS Las siguientes referencias se citan en esta gu ía o son de inter és general en el diseño de sistemas de alivio: 2.1

API RP 520, Prácticas Recomendadas para el Dise ño e Instalaci ón de Sistemas de Alivio de Presi ón en Refiner ías. Parte 1 – Diseño, Ultima Edici ón.

2.2

API RP 521, Guía para Sistemas de Alivio de Presi ón y Despresurizaci ón, Ultima Edición.

2.3

ASME Código de Calderas y Recipientes a Presi ón, Sección VIII, Recipientes a Presión, Ultima Edici ón.

2.4

Guía 90616.1.024, “Determinaci ón de Tamaño de Línea de Proceso ”.

2.5

Guía 90616.1.021, “Sistemas de Mechurrios ”.

2.6

Jenkins, J.H., Kelley, P.E., Cobb, C.B., “Diseño para un Mejor Alivio y Seguridad ”, Hydrocarbon Processing (Agosto 1977).

2.7

Klooster, H.J., et al, “Optimizando el Dise ño de Sistemas de Alivio y Mechurrio ”, Chem. Eng. Proc., Vol. 71, N 1, p. 39 – 43 (Enero 1975). °

2.8

Lawley, H.G., y Kletz, T.A., “Sistemas de Disparo por Alta Presi ón para Protecci ón de Recipientes ”, Chem. Eng. 81 – 88 (Mayo 12, 1975).

2.9

Lurden, D.E., “Requerimientos para Descarga Segura a la Atm ósfera, de Hidrocarburos ”, Proc. API, Div. de Refinaci ón, Vol. 43 (111), Ultima Edici ón.

2.10

Natural Gas Processors Suppliers Association (NGPSA) “Manual de Datos de Ingenier ía”, Ultima Edici ón.

GUIA DE INGENIERIA



SISTEMAS DE ALIVIO

PDVSA 90616.1.022

REVISION

FECHA

0

AGO.90


2.11

Indice manual

Indice volumen

Indice norma

Simon, H., y Thomson, S.J., “Optimizaci ón de Sistemas de Alivio ”, Chem. Eng. Prog., Vol. 68, N 5, p.52 – 58 (Mayo 1972). °

2.12

3

Normas API 526. Ultima Edici ón

OBSERVACIONES Esta Guía trata solamente de las v álvulas de seguridad y l íneas de alivio. Para sistemas de mechurrios v éase guía PDVSA 90616.1.021 y API RP521; para detalles de recipientes separadores v éase el Manual de Dise ño de Proceso de PDVSA. El alivio de presi ón deberá cumplir con todas las normas locales y nacionales. Además, las instalaciones para alivio de presi ón deberán cumplir con las recomendaciones dadas en API – RP 520 y API RP – 521.

4

DISCUSIONES 4.1

Las válvulas de seguridad se requieren en los recipientes de proceso por una serie de razones. La forma m ás fácil y económica de disponer del efluente, durante una situaci ón que requiere alivio, ser ía descargarlo a la atm ósfera. Esto puede hacerse cuando la descarga no contiene l íquidos (o no se forma ninguno por condensaci ón), y cuando los vapores as í descargados se mezclan suficientemente bien con el aire como para estar por debajo del l ímite inferior de explosividad, antes de alcanzar una fuente de ignici ón. Esto implica que la salida de la válvula de seguridad debe estar colocada en una posici ón relativamente alta. Además, es necesario verificar que la emisi ón cumpla con las normas pertinentes sobre control de contaminaci ón, ruido y seguridad del personal.

4.2

La alternativa es un sistema de alivio que conduzca los vapores lejos de la planta, hasta un mechurrio o un punto seguro de descarga. Desde el punto de vista del proceso, debe proveerse de un cabezal de alivio. La disposici ón y tamaño del cabezal de alivio y el tama ño de las válvulas de seguridad forman parte del diseño.

4.3

El diseño de las redes de alivio de las refiner ías es t ípicamente complejo y debe ser óptimo. Esto no sucede generalmente en el caso del campo petrolero. Es una tarea difícil establecer los requerimientos de alivio que provean, un balance entre la seguridad por un lado y una inversi ón razonable por el otro.

4.4

Las válvulas de seguridad deben estar situadas cerca de los recipientes o l íneas de vapor a ser protegidos. Una excepci ón notable es la ubicaci ón de las válvulas térmicas de alivio en los cabezales de producci ón de petr óleo.

GUIA DE INGENIERIA



SISTEMAS DE ALIVIO

PDVSA 90616.1.022

REVISION

FECHA

0

AGO.90


4.5

5

Indice manual

Indice volumen

Indice norma

La presión de operaci ón no debe exceder el 90% de la presi ón de ajuste. La presión de operación deberá ser menor del 90% de la presi ón de ajuste para casos de dispositivos que operan con presiones pulsantes, tales como bombas, compresores, etc. La presi ón de entrada debe caer 5 a 7 por ciento (m áx. 10% en relación con la tolerancia del punto de ajuste) por debajo de la presi ón de ajuste antes de que la v álvula pueda cerrarse. Esto se llama com únmente “purga” (“blowdown ”). Estas válvulas tienen normalmente una tolerancia de  3% en la presión de ajuste. La presi ón de ajuste máxima, no debe exceder la presi ón de operaci ón máxima permisible, del equipo a proteger.

REQUERIMIENTOS DE ALIVIO 5.1

Las condiciones que dictan los requerimientos de alivio son simplemente:

5.1.1

La cantidad de fluido a ser aliviado por unidad de tiempo.

5.1.2

La temperatura, presi ón, y gravedad espec ífica del fluido aguas arriba de la válvula de alivio. Las presiones son generalmente fijadas por otros, de acuerdo a las normas. Un parámetro importante en el dimensionamiento de sistemas de alivio es la contrapresi ón, como se discute m ás adelante.

5.2

API RP 520 muestra muchas de las condiciones limitantes que pueden dictar los requerimientos de alivio. Una lectura cuidadosa de este material hace evidente que el diseñador del sistema de alivio debe tener una comprensi ón completa del proceso. Para el dise ño se necesitan las hojas de flujo de proceso/mec ánico preliminares a fin de estudiar:

5.2.1

El flujo del proceso.

5.2.2

Esquema de instrumentaci ón y de control.

5.2.3

Especificaciones de tuber ías y recipientes.

5.3

Con estos datos a mano, el dise ñador puede hacerse una idea de las diferentes emergencias que puedan presentarse y sus consecuencias. Los problemas m ás frecuentemente considerados son:

5.3.1

Falla del aire de instrumentos o energ ía eléctrica.

5.3.2

Mal funcionamiento de las v álvulas de control principales.

5.4

Equipos de seguridad redundantes y otros factores incorporados en el dise ño, pueden aminorar la posibilidad de presentarse situaciones de emergencia (Vea referencias 2.7 y 2.8).

GUIA DE INGENIERIA



SISTEMAS DE ALIVIO

PDVSA 90616.1.022

REVISION

FECHA

0

AGO.90


Indice manual

Indice volumen

Indice norma

5.5

La familiaridad con el equipo mec ánico utilizado, ayuda a establecer una evaluaci ón realista de los requerimientos de alivio. Por ejemplo, a pesar del hecho de que ciertas v álvulas est án diseñadas a prueba de fallas, pueden trabarse mecánicamente en una emergencia. As í, la línea de un pozo podr ía dirigirse a un separador de gas – petróleo con la v álvula de descarga de crudo cerrada. Tal condici ón debe ser considerada en el dimensionamiento de las válvulas de alivio para separadores gas – petróleo.

5.6

El diseño apropiado de las v álvulas de seguridad, cabezales, y mechurrios conlleva un an álisis riguroso y puede demandar tanto juicio de ingenier ía y experiencia como el dise ño del reactor m ás sofisticado. Tal an álisis, no s ólo proteger á las unidades de procesamiento y la salud y seguridad del personal de operaciones, sino que puede reducir substancialmente el costo del equipo requerido. Un sistema de “seguridad ” no demanda necesariamente grandes cabezales y mechurrios, sino m ás bien el equipo adecuado en los lugares apropiados.

5.6.1

Bases de Diseño

El aspecto más crítico del dise ño es desarrollar un listado de contingencias bien determinadas y razonables, o emergencias probables basadas en la historia de la planta y la experiencia general. Del mismo modo que un arquitecto dise ña un edificio para cargas de viento espec íficas, factores s ísmicos y condiciones de suelo, el dise ño de seguridad debe determinar cuales emergencias tienen una posibilidad razonable de ocurrir y cuales emergencias son virtualmente imposibles. Un dise ñador quien simplemente supone que todas las v álvulas de alivio se abrir án simultíneamente, podr ía terminar con un sistema sobre – diseñado. 5.6.2

Recolección de Datos

Primero, todos los datos de dise ño relativos al equipo deben ser listados. Estos incluyen: – Diágramas de flujo de proceso con tasas, temperaturas, presiones, composiciones y propiedades f ísicas; – Diagramas de flujo mec ánico; – Presión máxima de trabajo permisible (PMTP) y condiciones de dise ño para todos los equipos y bosquejos mostrando alturas de las faldas, dimensiones, especificaciones de aislamiento, etc.; – Hojas de datos de intercambiadores y hornos; – Planos de ubicaci ón de equipos y planos de la(s) planta(s); – Caracter ísticas de bombas y compresores.

GUIA DE INGENIERIA



SISTEMAS DE ALIVIO

PDVSA 90616.1.022 REVISION

FECHA

0

AGO.90


Indice manual

Indice volumen

Indice norma

Se puede requerir adem ás especificaciones para v álvulas de control cr íticas, dibujos de distribuci ón eléctrica y ubicaci ón con respecto a plantas y equipos vecinos. 5.6.3

Lista de Contingencias A continuación, se desarrolla una lista de contingencias mostrando todas las causas potenciales de sobrepresi ón en la unidad. Adem ás de las emergencias normales de la planta, tales como falla el éctrica o de agua de enfriamiento, uno debe estar consciente de las contingencias especiales que pueden ser únicas para una unidad en particular, tales como la p érdida de control de un reactor.

5.6.4

Análisis de Unidad Individual El siguiente paso en el procedimiento para el dise ño de alivio y seguridad, es analizar las unidades individualmente para determinar c ómo reaccionarán bajo condiciones de emergencia. Cada pieza de equipo que puede generar un vapor o líquido, bajo cualquiera de las contingencias, debe ser analizada. A ún cuando este análisis no sea detallado, ninguna carga es demasiado peque ña para no ser considerada. Un accidente fatal fue causado en una refiner ía de la Gulf Coast cuando un intercambiador de calor fue bloqueado del lado de los tubos, mientras el medio de calentamiento circulaba en el lado de la carcaza. La expansi ón t érmica del líquido ocasionó la explosión del cabezal, matando un hombre e hiriendo a otros. El desastre pudo haberse prevenido con una simple v álvula de alivio de 19,1 mm x 19, 1 mm (3/4 pulg. x 3/4 pulg.).

5.6.5

Tipos de Carga El cálculo de las cargas de alivio no es un simple ejercicio. En general, los c álculos caen dentro de tres clases:

a.

Cargas de Alivio t érmicas No Balanceadas Un ejemplo cl ásico de una carga t érmica no balanceada ser ía una falla de agua de enfriamiento en una columna separadora propano – propileno. Como el rehervidor continuar á generando vapores mientras el condensador no puede condensar, la columna aumentar á su presión y deberá aliviar. La tasa de alivio, sin embargo, no es necesariamente igual a la tasa de vapores del rehervidor que contin úa en operaci ón. más bien, la carga de alivio debe ser calculada para las peores condiciones de alivio. El efecto de la presi ón aumentada, limita la fuerza térmica impulsora ( t) en el rehervidor y baja la tasa de alivio. En algunas columnas, este efecto puede reducir la tasa de alivio calculada a una fracci ón de la tasa normal de vapor.

GUIA DE INGENIERIA



SISTEMAS DE ALIVIO


FECHA

0

AGO.90


b.

Indice manual

Indice volumen

Indice norma

Cargas de Alivio Obstruidas El cierre inadvertido de la salida de una unidad que est é siendo alimentada ó calentada, generar á frecuentemente una carga de alivio. De nuevo, es importante calcular la carga de alivio en condiciones de alivio. Por ejemplo, al obstruirse el lado de vapor del separador de alta presi ón en una planta de gas, se formará una carga de vapor de alivio desde el rehervidor de la columna y el compresor, simult íneamente. En lugar de combinar las tasas de operaci ón, el diseñador deberá consultar la curva del compresor de gas para determinar la tasa real del compresor a la presi ón de alivio y luego agregar la carga t érmica no balanceada desde el separador.

c.

Fuego La carga por fuego se define como la cantidad de vapor que puede ser generada por un fuego directamente debajo del recipiente. Los c álculos est án basados en la geometría y aislamiento de la unidad. No se puede suponer que el aislamiento reduzca las cargas por fuego a menos que pueda soportar el choque directo de la llama y no pueda ser destru ído por chorros de agua contra incendio a alta presión. No se permite reducci ón de carga para poliuretano, a menos que éste haya sido protegido contra el fuego por un escudo exterior. El diseñador debe considerar las cargas calculadas como una buena aproximaci ón, pero no como un valor absoluto. A ún cuando es posible definir m ás exactamente las cargas de alivio, analizando la operaci ón a condiciones de alivio, es imposible predecir exactamente c ómo reaccionará una unidad bajo condiciones de emergencia. Válvulas de alivio deber án instalarse en los equipos que contengan l íquidos (por ej., recipientes, columnas y sedimentadores) si pueden suceder las siguientes circunstancias:

a.

El equipo est é situado en un área donde pueda ocurrir un incendio grande.

b.

El equipo en consideraci ón puede ser obstru ído mientras la unidad contin úa en operaci ón.

5.6.6

Dispositivos de Seguridad Los dispositivos de alivio y seguridad usados normalmente son:

a.

Una válvula de alivio, que es un dispositivo de alivio autom ático de presi ón, activada por la presi ón estética aguas arriba de la v álvula, la cual se abre en proporci ón al aumento de presi ón por encima de la presi ón de ajuste. Una válvula de alivio, se usa principalmente para manejar l íquidos.

b.

Una válvula de seguridad, se usa normalmente en servicio de gas y vapor ó en servicio de aire y vapor de agua. Es un dispositivo de alivio autom ático de presión, activada por la presi ón estética aguas arriba de la v álvula y caracterizada por una apertura rápida completa ó acción de disparo.

GUIA DE INGENIERIA



SISTEMAS DE ALIVIO


FECHA

0

AGO.90


Indice manual

Indice volumen

Indice norma

c.

Una válvula de alivio y seguridad que se utiliza normalmente en servicio de gas o líquido, es un dispositivo autom ático de alivio de presi ón, apropiado para uso bien sea, como v álvula de seguridad ó como válvula de alivio, dependiendo de su aplicaci ón.

d.

Un disco de ruptura es un dispositivo que se acciona por la presi ón estética de entrada y est á diseñado para funcionar por rotura de un disco retenedor de presión. El disco, el cual est á generalmente ensamblado entre bridas, puede estar hecho de metal, pl ástico u otros materiales. est á diseñado para soportar presiones hasta un nivel especificado, a la cual el disco se romper á y aliviar á la presión del sistema a proteger. Al calcular cargas de alivio, no debe tomarse en cuenta la existencia de cualquier sistema de seguridad, tal como suiches de paro o v álvulas solenoide. Como regla general, el dise ñador debe suponer que todos los dispositivos de seguridad adicionales, que deben efectuar una acci ón positiva para prevenir la sobrepresi ón (por ejemplo, el cierre de una v álvula o el paro de una bomba), fallar án. Sin embargo, si la acci ón positiva de un dispositivo de seguridad adicional aumentara la carga de alivio, el dise ñador debe suponer que funcionar á debidamente. Un ejemplo de esto ser ía una turbina de repuesto con arranque autom ático acoplada a la bomba de carga de un horno rehervidor. Puesto que una falla de energía pararía una bomba el éctrica, la carga de la columna bajar ía. Sin embargo, si la turbina de repuesto arranca debidamente, habr ía recirculaci ón en el rehervidor y la carga a aliviar de vapor aumentar ía. Aún cuando parece demasiado conservador suponer que varios dispositivos de paro fallar án simult áneamente, debe tomarse en cuenta que la mayor ía de las válvulas de paro y solenoides podr ían pasar años desatendidos y est ár sujetos a corrosi ón y con tendencia a pegarse.

5.6.7

Dimensionamiento de la v álvula Después de calculadas las cargas de vapor de cada unidad para las diferentes contingencias de dise ño, pueden seleccionarse las v álvulas de alivio y seguridad individuales.

5.6.8

Análisis de Fallas Simult áneas Una vez determinado el tama ño de las válvulas y calculadas las cargas de alivio para todas las contingencias, se dimensiona el sistema de cabezal y mechurrio. No es razonable sumar la carga m áxima de cada unidad, y luego dimensionar el tamaño del cabezal para la carga total. De igual manera que el arquitecto no planifica para un hurac án al mismo tiempo que un terremoto, el dise ñador de seguridad supone que s ólo una cosa ir á mal a la vez.

GUIA DE INGENIERIA



SISTEMAS DE ALIVIO


FECHA

0

AGO.90


Indice manual

Indice volumen

Indice norma

Es importante notar, sin embargo, que una falla puede provocar otra, as í que debe hacerse un an álisis para determinar c ómo se relacionan las unidades una con otra. Por ejemplo, una falla el éctrica puede causar una falla total de agua de enfriamiento si las bombas de circulaci ón son eléctricas. Si, por otro lado, el agua de enfriamiento se suministra por dos bombas en paralelo, una accionada por motor eléctrico y la otra por turbina, una falla instant ánea total de agua de enfriamiento no se considera normalmente una contingencia v álida. Para cualquier contigencia que causar ía la pérdida de una bomba, se supone 40 – 50 por ciento de falla de carga de agua de enfriamiento. 5.6.9

Zonas de Incendio En lugar de sumar todas las cargas por fuego para obtener la carga total de vapor causada por un incendio, la planta se divide en áreas separadas o “Zonas de Incendio ”. No es necesario calcular el tama ño del cabezal para un incendio que se extienda a varias zonas, ya que un incendio de tal magnitud destruir ía suficiente tubería de proceso como para evitar el exceso de presi ón y explosión de los recipientes. Las zonas de fuego tienen generalmente 230 m 2 (2.500 pies2), pero pueden limitarse por diques o sistemas que eviten la extensi ón de un incendio.

5.6.10

Venteo a la Atm ósfera Uno de los métodos más antiguos y simples de reducir las dimensiones requeridas del cabezal y mechurrio es ventear los hidrocarburos livianos a la atmósfera en condiciones de emergencia. Sin embargo, antes de dise ñar un sistema con venteo atmosf érico, debe cumplirse con varios criterios:

a.

Que el venteo de emergencia de hidrocarburos est á permitido por normas locales. En primer lugar el dise ñador debe consultar a las agencias locales de protecci ón contra contaminaci ón ambiental para averiguar si est á permitido el venteo de hidrocarburos no t óxicos. Aún cuando algunos lugares exigen que cualquier hidrocarburo aliviado est á contenido en un cabezal cerrado, otros lugares permiten el venteo atmosf érico en condiciones de emergencia. No se permite el alivio al ambiente de l íquidos, excepto agua. La concentraci ón del producto aliviado fuera de los linderos de la propiedad, no debe causar un olor penetrante ni irritaci ón.

b.

Que los hidrocarburos no representen una amenaza de fuego. El vapor debe ser aliviado a la elevaci ón más alta posible y a la m áxima velocidad. Modelos de dispersi ón en el aire, similares a los utilizados en contaminaci ón, pueden usarse para estar seguros de que los niveles de hidrocarburos est án dentro de los límites de explosividad antes de llegar a nivel del suelo o acercarse a calentadores encendidos. Debido a que tales modelos computarizados raramente toman en cuenta las corrientes de aire hacia arriba y hacia abajo y la geometr ía de la parcela, debe tomarse un margen de seguridad. La posibilidad de que la corriente

GUIA DE INGENIERIA



SISTEMAS DE ALIVIO


FECHA

0

AGO.90


Indice manual

Indice volumen

Indice norma

venteada se incendie debe ser considerada, en cuyo caso la radiaci ón de calor, a las plataformas de operaci ón vecinas no debe exceder 5400 kcal/m 2hr (2000 BTU/hr – pie2), para no causar da ños a las estructuras m ás cercanas. Los tubos de salida de venteos deber án tener conexiones para mangueras de vapor para la extinci ón de la llama, si fuere necesario. La velocidad a la salida del venteo no deber á ser menor de 150m/seg (500 pies/seg) a plena capacidad y los tubos de salida de venteos no deber án tener un diámetro menor que el de la salida de la v álvula de alivio y deber án ser soportados adecuadamente contra las fuerzas de reacci ón. c.

Que el nivel de ruido a nivel del suelo no sea excesivo durante el venteo. Las altas velocidades necesarias para la dispersi ón adecuada de los hidrocarburos en la atmósfera, causan tambi én un ruido considerable de alta frecuencia. Aislando el cabezal de salida se puede reducir substancialmente este problema.

d.

Que las válvulas no tengan fugas. Algunas compa ñías instalan discos de ruptura debajo de las v álvulas de seguridad para garantizar que no ocurra una fuga contínua. Los discos de ruptura precombados no deben usarse, ya que tienden a fragmentarse y podr ían obstruir la válvula de seguridad. Se recomienda el uso de discos, que al actuar se cortan por hojas estacionarias. Si se usa un disco de ruptura en combinaci ón con una válvula de seguridad/alivio, se proveerá un indicador de presi ón precedido por una v álvula de bloqueo entre el disco de ruptura y la v álvula de seguridad/alivio, para verificar la calibraci ón del disco si fuere necesario. Sólo se permitir án válvulas de cierre aguas arriba de las v álvulas de seguridad/alivio, si el reemplazo de una v álvula de seguridad/alivio puede causar pérdidas inaceptables de producci ón, trastornos operacionales o contaminaci ón ambiental, en cuyo caso una segunda conexi ón (reserva) para la instalaci ón de una válvula de seguridad/alivio deber á proveerse. Las válvulas de cierre deber án estar provistas de sistemas de bloqueo con candado. En algunos lugares, las compa ñías deben reportar cualquier venteo atmosf érico de emergencia a las oficinas de control de contaminaci ón ambiental, de modo que toda la estrategia se ve en peligro si las “emergencias ” son demasiado frecuentes. Un alto porcentaje de estas emisiones pueden eliminarse instalando una segunda v álvula de seguridad, m ás pequeña, calculando su tama ño para 10 – 20 por ciento de la carga total. La presi ón de ajuste para esta v álvula es varias libras menor y su descarga ser á hacia un sistema cerrado. as í la mayoría de los trastornos menores se enviar án al sistema cerrado y la v álvula que descarga a la atmósfera sólo se abrir á bajo condiciones realmente catastr óficas.

a.

Dimensionamiento del Cabezal y Mechurrio. Los resultados de los an álisis de las instalaciones propuestas (dise ño) deben tabularse para determinar la tasa de

GUIA DE INGENIERIA



SISTEMAS DE ALIVIO


FECHA

0

AGO.90


Indice manual

Indice volumen

Indice norma

contingencia del dise ño y caracter ásticas del gas a ventear, (peso molecular y temperatura). Para determinar el tama ño del cabezal principal y l íneas, los cálculos de caída de presión deben hacerse desde la boquilla del mechurrio hacia atrás. El cabezal debe tener un tama ño tal, que la contrapresi ón acumulada en el cabezal, sea menor que la contrapresi ón más baja permisible de cada v álvula de seguridad conectada al cabezal. Se han logrado mejoras importantes en el dise ño de mechurrios en los últimos años. Antes, la tasa m áxima de gases hasta el mechurrio estaba limitada a aproximadamente 60 m/seg. (200 pies/segundo) para la mayor ía de los gases. A velocidades m ás altas, el gas combustible no era mezclado suficientemente con el oxígeno cerca de la boquilla y la llama podr ía levantarse o A ún apagarse. Dada esta limitaci ón, se requer ían mechurrios muy grandes para las cargas de gas de bajo peso molecular. Los adelantos en el dise ño de la boquilla permiten ahora una buena mezcla y combusti ón estable a velocidades mucho mayores. Es importante notar, sin embargo, que la ca ída de presi ón en la boquilla puede estar limitada por razones de contrapresi ón. Los vendedores de mechurrios pueden suministrar informaci ón adicional sobre la ca ída de presión y velocidades máximas. b.

Tanques Separadores y Sellos. Se recomienda un tanque separador en la l ínea al mechurrio a fin de recoger cualquier l íquido que llegue al cabezal. Para mezclas de peso molecular m ás alto, se puede instalar un tanque de condensaci ón con un enfriador interno, en el cual una porci ón del vapor es condensado y recuperado en él. El volumen de vapor que ir ía al mechurrio se reduce, aminorando asi los requerimientos de cabezal y mechurrio. En sistemas grandes, que sirven a muchas unidades, es a menudo m ás económico instalar capacidad de sobrecarga en exceso y recuperar los gases y l íquidos. En la literatura hay referencias completas sobre los diferentes tipos y tama ños de tanques. Los separadores deben dise ñarse en base a la m áxima cantidad de vapor a manejar. La selecci ón entre un tanque horizontal o uno vertical, estar á basada en consideraciones econ ómicas, tomando en cuenta la inclinaci ón requerida del cabezal del mechurrio. El volumen de l íquido en el tanque entre el nivel m áximo y el mínimo debe diseñarse para contener la cantidad m áxima de líquido descargado durante 15 minutos.

GUIA DE INGENIERIA




FECHA

0

AGO.90

SISTEMAS DE ALIVIO


Indice manual

Indice volumen

Indice norma

También se recomienda proveer una forma de sellar el mechurrio desde el cabezal ya que el enfriamiento en el cabezal despu és de una descarga, puede succionar aire dentro del sistema de alivio. Hay varios sistemas de sello: Tanque de Sello Hidr áulico: El método más antiguo de sellado, emplea un tanque parcialmente lleno de agua, con la l ínea de entrada de vapor sumergida en el seno del l íquido. Sello Molecular: Este sello est á diseñado con dos curvas de 180 para efectuar el sellado. El sello molecular requiere una peque ña purga de gas. °

Sellos de Gas de Purga: En el pasado, muchas unidades estaban selladas a través de un flujo cont ínuo de gas de purga hacia el mechurrio. Se requiere una velocidad de purga de 0,3 – 1 m/seg (1 – 3 pies/seg). En vista del alto costo de la energía, un sistema de gas de purga sencillo, sin un sello complementario, no es económico y raramente se usa hoy d ía. Sellos Internos: Actualmente varios suplidores ofrecen un sello estacionario que requiere una peque ña purga de gas, la cual mantiene el aire fuera del mechurrio. Debido a que la tasa de gas de purga es peque ña, éste no es suficiente para igualar la presi ón del cabezal despu és de una descarga. Tales unidades deben usarse junto con un sistema de control para aumentar la tasa de gas de purga a medida que se enfr ía el cabezal. No se permiten partes m óviles dentro del cabezal del mechurrio, de modo que no se permite ning ún tipo de v álvula de retenci ón para sellar. a.

Disposici ón de líquidos Los líquidos deberán ser descargados preferiblemente al mismo sistema de líneas de la planta, siempre y cuando las v álvulas de alivio del sistema receptor puedan manejar la carga adicional. Si esto no es posible, los l íquidos deberán ser descargados en el sistema principal de alivio ó en un sistema de alivio separado con un recipiente recolector, que tenga un venteo apropiado. Nunca envie líquidos a un mechurrio elevado, s ólo podrán quemarse en fosas apropiadas. Las corrientes que contengan sulfuros nunca deber án descargar al drenaje com ún de la planta. Los líquidos que contengan componentes que no permiten la separaci ón por gravedad, ó agentes emulsificadores, ó químicos agotados que tiendan a flocular al diluirse no deber án descargarse en drenajes con petr óleo. Diferentes situaciones de alivio exigen diferentes requerimientos. Para el dise ño debe escogerse el peor de los casos. El diseñador de sistemas de alivio debe estar familiarizado con las Normas API RP 520.

GUIA DE INGENIERIA




FECHA

0

AGO.90

SISTEMAS DE ALIVIO


6

Indice manual

Indice volumen

Indice norma

LINEAS DE ALIVIO 6.1

Después de establecer los requerimientos de alivio, se puede dise ñar el sistema de alivio. Este dise ño puede variar entre una designaci ón vaga de unos cuantos pies de l ínea hasta dibujos preliminares. En el último caso, los accesorios se convertir án en tramos rectos de tubo equivalente para llegar a un requerimiento total de presi ón necesaria. Toda la tubería de entrada y salida hacia y desde v álvulas de seguridad/ alivio y despresurizaci ón deberá ser de acero, y deber á estar dise ñada y soportada en tal forma que cualquier carga excesiva debida a expansi ón térmica ó contracción, y fuerza de reacci ón, pueda ser manejada. Los lazos de expansi ón deberán estar en un plano horizontal para evitar acumulaci ón de líquidos.

6.2

El diseño inicial de un sistema de alivio debe ser verificado, despu és que los planos detallados est án disponibles, para asegurar que sea el adecuado. El dimensionamiento del di ámetro de la l ínea de alivio, se har á en forma tal que permita una tasa de flujo m áxima a través de la línea, con la presi ón disponible a la salida de la v álvula de alivio. El final de la l ínea estará a presi ón atmosférica más la pérdida de presi ón de salida ó la presión de flujo cr ítico, cualquiera sea mayor.

6.3

Dimensionamiento del Tamaño de Cabezales de alivio

Los tamaños de las líneas al mechurrio deben ser tales que permitan la operaci ón simult ínea de todas las v álvulas de alivio conectadas a estas l íneas a las capacidades de dise ño, cuando descarguen en el sistema. (Vea figura 1.). A menos que consideraciones especiales indiquen otra cosa, las v álvulas de alivio se dimensionan normalmente para una presi ón de salida o contrapresi ón menor que la presi ón de flujo cr ítico (el factor limitante en el flujo a trav és de orificios ó boquillas). Esto asegura tasas de alivio constantes para las v álvulas de alivio sin importar la presi ón de salida, mientras la contrapresi ón no exceda la presión crítica. NOTA: La tasa de flujo de gas a trav és de un orificio o boquilla es solamente una funci ón de la presión de entrada siempre y cuando la contrapresión sea igual ó menor que la presión de flujo crítico. Para contrapresiones mayores que la cr ítica, la tasa de flujo del gas disminuye con un aumento en la contrapresión. La presión de flujo crítico es ligeramente mayor que la mitad de la presi ón de entrada para gases con relaciones de calor espec ífico menores de 1,4. La siguiente fórmula relaciona la presión de flujo crítico Pc, con la presión de entrada Pi, para un flujo a través de un orificio o boquilla:

GUIA DE INGENIERIA



SISTEMAS DE ALIVIO


FECHA

0

AGO.90


Indice manual

Pc Pi

 

Indice volumen



k (k– 1)

2

k



Indice norma

1

donde k es la relaci ón de calores espec íficos

C p C v

Para dimensionar las l íneas en un sistema de mechurrio, se debe conocer el número de v álvulas de alivio conectadas al sistema, la longitud (longitud equivalente) de cada l ínea, la presi ón de ajuste y la capacidad de flujo de cada válvula de alivio. Usando las fórmulas de flujo de gas, tales como la de Weymouth, se hacen los c álculos de caida de presi ón en base a tama ños supuestos de l ínea; luego se determina la presi ón de la línea aguas abajo de cada v álvula de alivio, empezando por el extremo del cabezal principal (en la chimenea del mechurrio) donde la presi ón es atmosférica o crítica (cualquiera sea mayor), y sumando cada caida de presión calculada; despu és se hacen los ajustes en el tama ño supuesto de la línea si fuera necesario, para mantener estas presiones calculadas por debajo de la presi ón de flujo cr ítico para cada v álvula de alivio. NOTA: La presión de flujo crítico al final de una línea Pc (la cual no es igual a la presión de flujo crítico que limita el flujo a trav és de orificios), es generalmente atmosf érica, y es dada por la siguiente fórmula:

P c  2,02

V D 2



TG k (k  1)

Pc = presión crítica, lppca, V = volumen de gas en el final de la l ínea del mechurrio, MMPCN/D D = diámetro interno del tubo, en pulgadas, T = temperatura absoluta ( F + 460), °

G = gravedad espec ífica del gas con respecto al aire, k=

relación de calores espec íficos,

C p C v

NOTA: Esta es una ecuación empírica y las unidades deben ser del sistema Inglés. No se permite usar unidades S.I.

6.3.1

Primer Ensayo de Dimensionamiento de L í nea Líneas que conectan v álvulas de alivio al cabezal principal: Use los mismos tamaños que la salida de las v álvulas de alivio. Cabezal principal de alivio: Suponga 8 pulgadas.

GUIA DE INGENIERIA



PDVSA 90616.1.022

SISTEMAS DE ALIVIO

REVISION

FECHA

0

AGO.90


6.3.2

Indice manual

Indice volumen

Indice norma

Presión Final al Extremo del Cabezal de Alivio Calcule la “presión crítica al final de la tuber ía”. Pc



2,02

65 64



599 x 0, 795 1, 22 (1, 22  1)



27, 2

Use presi ón terminal: 27 lppca. 6.3.3

Caí das de presi ón a lo largo del cabezal de alivio. Use fórmula de Weymouth:

Tramo de Línea

MMPCN/D

Gr. Esp.

T(1)

ID

Longitud

C – D

65

0,795

599

8”

400’

9800

B – C

60

0,775

585

8”

100’

A – B

30

0,86

560

8”

C1 – C

5

1,04

760

B1 – B

30

0,69

A1 – B

30

0,86

P21 – P22

P2 LPPC 27

P22

P21

P1 LPPC

Pc(2) LPPC

730

10530

2020

10530

12550

100’

520

12550

13070

4”

100’

970

10530

11500

107

75

610

6”

100’

2020

12550

14570

121

200

560

6”

100’

2320

13070

15390

124

200

1. La disminución de temperatura debida a la expansión a través de la válvula de alivio, no se toma en cuenta. 2. Presión crítica aproximada aguas abajo de la válvula de alivio.

6.3.4

Ajuste de Dimensiones de L í neas La contrapresi ón en la válvula de alivio C 1 (véase Figura 1.), calculada arriba, es mayor que la presi ón crítica. Aumente el di ámetro del tramo CD del cabezal de 8 pulgadas a 10 pulgadas y disminuya el di ámetro del tramo AC de 8 pulgadas a 6 pulgadas. Vuelva a calcular la contrapresi ón en las v álvulas de alivio para asegurarse que sean menores que las presiones cr íticas correspondientes.

6.4

Al tratarse de l íneas de alivio, definimos tres tipos de contrapresi ón (la presi ón en el lado de descarga de una v álvula de alivio y seguridad):

6.4.1

CONTRAPRESION ACUMULADA es la contrapresi ón variable desarrollada como un resultado del flujo en la l ínea de alivio.

6.4.2

CONTRAPRESION SUPERIMPUESTA es la contrapresi ón inicial ANTES de abrirse la v álvula, causada por la descarga de otras v álvulas al mismo cabezal.

6.4.3

CONTRAPRESION CONSTANTE es una contrapresi ón NO VARIABLE, creada por la succi ón de un compresor o equipo similar (no es un caso muy com ún).

6.5

El Ingeniero de proceso debe interactuar con el ingeniero de instrumentos en la selecci ón de las v álvulas de alivio y seguridad por las siguientes razones:

GUIA DE INGENIERIA



SISTEMAS DE ALIVIO


FECHA

0

AGO.90


6.5.1

Indice manual

Indice volumen

Indice norma

PRIMERO, el TIPO de la v álvula de alivio de seguridad afecta el tama ño de la línea y las condiciones de alivio. Hay tres tipos b ásicos: convencional, fuelles equilibrados, y accionada por piloto. Cada tipo tiene diferentes caracter ásticas operacionales. El ingeniero de proceso DEBE estar seguro que exista compatibilidad entre el tipo de v álvula especificado y el supuesto en los c álculos de dise ño. La presión de ajuste de una v álvula de alivio y seguridad convencional con un bonete no venteado aumenta con una contrapresi ón superimpuesta. Asi, si una válvula alivia en un cabezal com ún, la presi ón de ajuste de todas las otras válvulas de tipo convencional se cambia dependiendo del tipo de construcci ón del bonete. Este hecho puede ser importante en el dise ño del sistema. El punto de ajuste de una v álvula de alivio de fuelle equilibrado no es afectado por la contrapresi ón superimpuesta, a menos que haya sido da ñada, entonces act úa como una v álvula convencional. El punto de ajuste de una v álvula de alivio y seguridad accionada por piloto debidamente instalada tampoco se afecta por una contrapresi ón superimpuesta. Los bonetes venteados y v álvulas piloto venteadas externamente pueden requerir un sistema de venteo separado. La capacidad de alivio de los distintos tipos de v álvulas est á afectada por la presión acumulada como se resume abajo. Supongamos que no var áe la presión de ajuste, consideramos la presi ón de alivio igual a 100% de la presi ón de ajuste de diseño. El diseñador de líneas de alivio debe tomar en cuenta la manera como la contrapresi ón afecta un sistema de alivio.

a.

Válvulas de Alivio y Seguridad Convencionales En una válvula de alivio y seguridad convencional, la presi ón de entrada act úa contra un resorte que cierra la v álvula, y la contrapresi ón en la salida de la v álvula cambiará la presión a la cual se abriria la v álvula. (Ver Figura 2.). En Servicios para Gas – La contrapresi ón acumulada mayor que 10% de la presión de alivio, hace que la v álvula se cierre (para sobrepresi ón del 10%). Para válvulas convencionales no use contrapresiones acumuladas mayores del 10% de la presión de alivio. Servicio para l íquido – La acumulación de contrapresi ón disminuye la capacidad y eventualmente el flujo se detiene, sin cambio de presi ón de ajuste. No use acumulaci ón de contrapresi ón mayor del 10% para v álvulas convencionales.

GUIA DE INGENIERIA



SISTEMAS DE ALIVIO


FECHA

0

AGO.90


b.

Indice manual

Indice volumen

Indice norma

Válvulas de Seguridad y Alivio Equilibradas En una válvula con fuelles equilibrados, el área efectiva de los fuelles es la misma que el área del asiento de la boquilla y se evita la acci ón de la contrapresi ón sobre la parte superior del disco; asi la v álvula se abre a la misma presi ón de entrada aún cuando la contrapresi ón puede variar. (Ver Figura 2.). Servicio para Gas – Refiérase a los boletines del Fabricante. La capacidad máxima se mantiene hasta a contrapresiones de un 30 – 50% de la presi ón de ajuste, reduciendo su capacidad a contrapresiones m ás altas. Servicio para l íquido – La acumulaci ón de contrapresi ón reduce el flujo, pero menos que en el caso de v álvulas convencionales. Refi érase a los boletines del fabricante.

c.

Válvulas de Seguridad y Alivio Accionadas por Piloto Una válvula de alivio y seguridad accionada por piloto es un dispositivo que consiste de dos partes principales, una v álvula principal y un piloto. La presi ón de entrada act úa sobre el tope del pist ón de la válvula principal, con mayor área expuesta a la presi ón sobre el tope del pist ón que sobre el fondo; la presi ón, no un resorte, sostiene cerrada la v álvula principal. A la presi ón de ajuste, el piloto se abre, reduciendo la presi ón sobre el tope del pist ón y la válvula se abre por completo. (Ver Figura 3.). Para uso a presiones de ajuste extremadamente bajas existen v álvulas de alivio y seguridad accionadas por piloto, con diafragmas livianos sin fricci ón, en lugar de los pistones pesados. Servicio para Gas – El efecto aqu í será el mismo que para una v álvula convencional con contrapresi ón CONSTANTE. No presentan reducci ón en la capacidad hasta contrapresiones de 55% de la presi ón de ajuste; luego la reducci ón en capacidad es gradual. Servicio para l íquido – Reducción gradual debido a que hay ca ída reducida de presión disponible. Vea las f órmulas de tamaño del fabricante. Reducci ón mucho menor que la convencional y sin cierre como tal.

6.5.2

SEGUNDO, las válvulas deben especificarse de acuerdo a la CLASIFICACION DE PRESION. Tanto la presi ón de entrada como la contrapresión deben tomarse en consideraci ón debido a que las clasificaciones de presi ón de las bridas son diferentes para los dos lados. Todas las v álvulas de alivio y seguridad deben tener conecciones bridadas de entrada y salida de 300 ANSI – RF y 150 ANSI – RF respectivamente, a menos que el servicio requiera una clasificaci ón mayor o un tipo de brida diferente. La clasificaci ón de presión de los fuelles debe ser considerada en una v álvula con fuelles. N ótese que la contrapresi ón para el diseño es la más alta posible en la l ínea de alivio si hay m ás de una v álvula de alivio y seguridad conectada. La Norma 526 de API muestra todas las

GUIA DE INGENIERIA



SISTEMAS DE ALIVIO


FECHA

0

AGO.90


Indice manual

Indice volumen

Indice norma

clasificaciones de presi ón permisibles para v álvulas convencionales. Vea también los boletines de los Fabricantes. Las v álvulas de bronce, permitidas para servicio acuoso solamente, pueden tener conexiones bridadas roscadas. Para la mayor ía de las aplicaciones se recomienda la v álvula de fuelle, sin embargo, de uso m ás frecuente son las v álvulas de seguridad y alivio convencionales. Se necesitan inspecciones y pruebas peri ódicas para asegurar que cualquier sistema de alivio y seguridad es confiable, especialmente el sistema de válvulas con fuelles. Las v álvulas de fuelle equilibrado no deben utilizarse para servicios que involucren materiales con puntos de fluidez por encima de la temperatura ambiente m ás baja (por ej. materiales que tengan cera), o cuando puede esperarse la formaci ón de coque; en tales casos s ólo se usarán válvulas equilibradas con un pist ón. Las válvulas actuadas por piloto pueden ser ventajosas. En algunos procesos, una válvula accionada por piloto ser á más pequeña que una válvula de resorte. Las válvulas accionadas por pilotos no se recomiendan cuando pueden formarse hidratos en la v álvula del piloto o cuando otro material extra ño pueda acumularse y hacer inoperativo al piloto. Para m ás seguridad puede usarse filtros en la l ínea de suministro al piloto. Algunos clientes requieren dar su aprobaci ón antes de usar válvulas accionadas por pilotos.

7

VALVULAS DE ALIVIO Y SEGURIDAD La determinación del tamaño de la válvula de alivio est á descrita en los boletines de los Fabricantes y en el Libro de Datos de Ingenier ía NGPSA. Hay dos casos básicos de dise ño: líquido y vapor. Estos deben ser distinguidos principalmente porque para aliviar 100% de flujo de l íquido se requiere 25% de sobrepresi ón, mientras que para alivio de vapor s ólo se requiere 10%. La mayor ía de los sistemas de alivio y seguridad de l íquidos de proceso se ajustan normalmente a 10% de sobrepresi ón, lo que significa que las v álvulas para l íquidos funcionan a 60% de su carrera (la carrera total ocurre a 25% de sobre – presión). Parece razonable que s ólo se requerir á 10% de sobrepresi ón para obtener el flujo total, en caso de alivio de dos fases (gas – líquido). Como regla general se usar á más de una válvula si se requiere un área mayor de 167,7 cm 2 (26 pulg2). Los materiales de las v álvulas deben ser apropiados para las temperaturas de entrada y salida que pueden resultar en condiciones extremas de operaci ón y emergencia.

GUIA DE INGENIERIA



SISTEMAS DE ALIVIO


FECHA

0

AGO.90


Indice manual

Fig 1.

Indice volumen

Indice norma

GUIA DE INGENIERIA



SISTEMAS DE ALIVIO


FECHA

0

AGO.90


Indice manual

VALVULA CONVENCIONAL

Indice volumen

Indice norma

VALVULA CON FUELLES EQUILIBRADOS

Fig 2.

GUIA DE INGENIERIA



PDVSA 90616.1.022

SISTEMAS DE ALIVIO

REVISION

FECHA

0

AGO.90


Indice manual

Indice volumen

Indice norma

VALVULA OPERADA POR PILOTO PILOTO SIN FLUJO

AJUSTE DE PUNTO OPERACION AJUSTE DE PURGA

CUBIERTA DEL PILOTO

RESORTE DE RETORNO

VALVULA PRINCIPAL

GUIA

DISCO

ASIENTO DE VALVULA PRINCIPAL

BOQUILLA

Fig 3.

PDVSA Sistemas de Alivio.

Recommend Documents