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Sistemas de alivio de presión

Sistemas de alivio de presión. Los elementos más comunes son

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Sistemas de alivio de presión

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Presentation Transcript

  1. Sistemas de alivio de presión

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

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

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

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

  6. Determinación del caudal a aliviar

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

  8. Determinación del caudal a aliviarCaso de fuego externo

  9. Determinación del caudal a aliviar Caso de fuego externo

  10. Determinación del caudal a aliviar Caso de fuego externo Aeroenfriadores: un caso complicado Mucha superficie expuesta al fuego, pero en el caso de los condensadores el volúmen líquido que contienen es pequeño. En ciertos casos puede que ese líquido, totalmente vaporizado sea un porcentaje pequeño del volumen de vapor del sistema. API 521 no da ninguna recomendación, pero sugiere analizar: • Considerar como superficie mojada solo la superficie sin aletas • Para condensadores tomar el 30% como superficie mojada • Considerar reemplazar 21000 por 12000 en la fórmula de Q • Analizar instalar el equipo con pendiente para facilitar el drenaje • API 521 ed 2007: considerarlo como piping

  11. Determinación del caudal a aliviar Caso de fuego externo • Una vez calculado el flujo de calor, se debe traducir en un caudal a aliviar • Si se trata de un fluido que se vaporiza W= Q/l • Líquidos: considerar la expansión térmica: gpm= B.Q/500.g.c • B= coef expansión cúbica por °F Q= BTU/h C= BTU/lb°F g= grav específica Fluido cerca del punto crítico Aproximación: tomar l= 50 BTU/lb cerca del punto crítico(API 521 3.15.3.1)

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

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

  14. Determinación del caudal a aliviar Condiciones de proceso

  15. Determinación del caudal a aliviar Condiciones de proceso

  16. Determinación del caudal a aliviar Condiciones de proceso

  17. Determinación del caudal a aliviar Condiciones de proceso

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

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

  20. Limitadores de caudal (orificio de restricción)

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

  22. Determinación del caudal a aliviar Condiciones de proceso

  23. Determinación del caudal a aliviar Condiciones de proceso

  24. Determinación del caudal a aliviar Condiciones de proceso

  25. Determinación del caudal a aliviar Condiciones de proceso

  26. Determinación del caudal a aliviar Condiciones de proceso

  27. Determinación del caudal a aliviar Condiciones de proceso

  28. Determinación del caudal a aliviar Condiciones de proceso

  29. Determinación del caudal a aliviar

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

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

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

  33. Selección del dispositivo de alivio

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

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

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

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

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

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

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

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

  42. Selección del dispositivo no balanceada balanceada

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

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

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

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

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

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

  49. Selección del dispositivo Discos de ruptura

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