Curso Alivio Parte 1

Diseño y Verificación de Sistemas de AlivioSistemas de Alivio

Ing. Mayra [email protected] de Abril 2013

Objetivos del Curso• Repasar conceptos básicos sobre dispositivos de alivio• Discutir las normas aplicables al dimensionamiento

y/o verificación de redes de alivio – API RP 520 & API STD 521-Protección de equipos ASME-TEMA

• Utilizar Aspen Flare System Analyzer y un software de proveedor para el dimensionamiento de PSVs

• Distinguir los pasos necesarios para la verificación y/o • Distinguir los pasos necesarios para la verificación y/o diseño de un sistema de alivio

• Calcular el caudal de alivio según el tipo de contingencia

• Utilizar el software Aspen Flare System Analyzer para diseño y/o verificación de los colectores de alivio

• Conocer distintos tipos de Antorchas• Realizar cálculos de disposición final de gases.

Dispersión y Radiación.

Agenda:• Tarde 1 :

– Conceptos básicos de Dispositivos de Alivio– Diferentes presiones a considerar en el

dimensionamiento de dispositivos de alivios– Normativa Aplicable– Normativa Aplicable– Dimensionamiento de válvulas de seguridad

(Ecuaciones de API 520 y Programa de Proveedores)– Ejercicio práctico

• Mañana 2 :– Diseño por contingencias– Tipos de Contingencias– Cálculo del caudal de alivio por contingencia

Agenda:• Tarde 2 :

– Cálculo de líneas de entrada y salida de los Dispositivos de Alivio

– Método de calculo y verificación de los sistemas de alivio.– Dimensionamiento y/o verificación del separador de gotas

(KOD) del sistema de alivio. Ejemplo práctico.– Ejemplo del uso de cálculo dinámico.– Ejemplo del uso de cálculo dinámico.– Líneas de entrada y salida (API 520-Parte II) Aspen Flare

System Analyzer• Mañana 3:

– Diseño y Verificación de colectores utilizando Aspen FlareSystem Analyzer

– Diseño de altura por radiación (API 521)– Diseño por dispersión (SCREEN 3)– Aspectos constructivos (API 537)

Bibliografía

v API 520 Parte 1: Sizing Selection and Installations of Pressure-Relieving Devices - 8°ED 2008

v API 520 Parte 2: Sizing Selection and Installations of Pressure-Relieving Devices - 7°ED 2000

v API RP 521 Guide for Pressure and Despressuring Systems - 5°Ed 2007v API 521: Pressure Relieving and Depressurizing Systems – 5° Ed 2007 –

Errata 2007 – Ademdum 2008v API 537: Flare Details for General Refinery and Petrochemical Service-

2nd.edition (2008)v Especificación de Diseño YPF ED-18.00-01-Válvulas de Seguridad y discos

de ruptura.v Flare Gas Systems Pocket Handbook-K. Banjee, N.P. Cheremisinoff & P.N. v Flare Gas Systems Pocket Handbook-K. Banjee, N.P. Cheremisinoff & P.N.

Cheremisinoffv Improve Flare System Design to Reduce Cost and Enhace Safety- Brian

Marshall-Softbits Consultants.v Taller de Sistemas de Alivio de Presión-Nivel Básico – Alvin Azocar –

Inelectra Panamá.v Crosby Pressure Relief Valve Engineering Handbookv Capítulo 5-GPSA- Relief Systemsv Rigurously Size Relief Valves for Supercritical Fluids-Ryan Ouderkirk-Fluor

Corp-CEP-2002v The last line of defence- J. Bellovich, J. Franklin & Dr. C. Baukal-John Zink

Company-Hydrocarbon Engineering-2006.v Flare School Argentina-Dr. Dee McClain-Callidus Technologies-Bs.As.

Octubre 2010

Dispositivos de Alivio

VÁLVULAS DE ALIVIO DE PRESIÓNAnderson Greenwood-Crosby Dresser-Consolidated Farris Engineering

7

Usos principales:§ Protección de los equipos (recipientes, bombas, compresores, etc.) y de

líneas.§ Pueden ser usadas en conjunto con los discos de ruptura.

DISCOS DE RUPTURABS&B Oseco Fike Corporation

8

Usos principales:§ Protección de equipos (recipientes, bombas, compresores, etc.) y de

líneas por sobrepresión o vacío.§ Son colocados aguas arriba de las válvulas de alivio de presión.§ Usados en servicios tóxicos en caso que la válvula de alivio presente una

fuga; o para evitar que las fluctuaciones de la presión de operaciónprovoquen el golpeteo de las válvulas de alivio.

§ No son reutilizables, luego de romperse tienen que ser reemplazados.

Groth Corp. EnardoVÁLVULAS DE ALIVIO DE PRESIÓN / ROMPE VACÍO

Safety Systems UK

9

Usos principales:§ Protección de equipos con presión de diseño atmosférica o cercana, ej.

tanques de almacenamiento.§ Existen dispositivos dobles de alivio de presión y rompe vacío.§ Pueden aliviar a la atmósfera o ser conectadas a un sistema de

recolección de alivios.

ESCOTILLAS DE EMERGENCIAGroth Corp. Enardo Safety Systems UK

10

Usos principales:§ Protección de equipos con presión de diseño atmosférica o cercana, ej.

tanques de almacenamiento.§ Generalmente son los dispositivos finales de alivio de presión en los

tanques y tienen una presión de alivio más alta que las válvulas.

VÁLVULAS CON CLAVIJAS PARA DOBLARSE

BS&BAPI RP 520

11

Usos principales:§ Protección de equipos (recipientes, bombas, compresores, etc.) y de

líneas.§ Pueden ser usados en conjunto con los discos de ruptura.§ Son una alternativa económica con respecto a las válvulas de alivio.§ No son reutilizables, luego de romperse tienen que ser reemplazados.

Existen modelos, en los cuales solo es requerido el cambio de la clavija.

SIMBOLOGÍA EN LOS P&IDs

PSVVálvula de alivio de presión

Válvula de alivio de presión operada con piloto(sensor integral)

PSVP

12

Válvula de alivio de presión operada con piloto(sensor remoto)

PSVP

PSVVálvula de alivio de vacío

SIMBOLOGÍA EN LOS P&IDs

Válvula de alivio de presión/rompe vacío

Disco de ruptura por sobre presión

PVV

RDP

13

Disco de ruptura por vacío

Escotillas de emergencia

RDV

PSV

Válvula con clavija para doblarsePSV

PSV

MÁXIMA PRESIÓN DE OPERACIÓN PERMISIBLE (MPOP)Es la máxima presión manométrica permisible en el tope de un recipiente (en suposición normal de operación) a la temperatura de diseño correspondiente aesa presión. La MPOP es la base para la presión de ajuste de los dispositivosde alivio de presión que protegen al recipiente.En inglés: maximum allowable working pressure, MAWP.

Definiciones Básicas

14

PRESIÓN DE DISEÑO (Design Pressure)Es la presión usada, junto con la temperatura de diseño, como base paradeterminar el espesor mínimo de pared del equipo o la línea. La presión dediseño puede ser menor o igual a la MPOP.

PRESIÓN DE SET O DE DISPARO (Set pressure)Es la presión a la cual una válvula de alivio, dispositivo de seguridad oinstrumento está ajustado para abrir o accionar.

PRESIÓN DE ALIVIO (Relief Pressure)Es la presión a la cual se produce la descarga a flujo máximo. La presión dealivio es la presión de ajuste más el porcentaje de sobrepresión. Esta presiónes la utilizada para determinar las condiciones de alivio y las dimensiones deldispositivo de seguridad.

PRESIÓN DE REAJUSTE, CIERRE (Reset / Blowdown)


15

PRESIÓN DE REAJUSTE, CIERRE (Reset / Blowdown)Es la diferencia entre la presión de ajuste y la presión de cierre de la válvula dealivio de presión, expresada como un porcentaje de la presión de ajuste o enunidades de presión.

CONTRAPRESIÓN (Backpressure)Es la presión total existente en el colector de descarga del sistema de alivio depresión incluyendo la presión estática (static) mas la debida a la descarga deldispositivo de seguridad (dinámica, built-up).

ACUMULACIÓN (Accumulation)§ Es el incremento de presión por encima de la MAWP que está permitido

durante la descarga de un dispositivo de alivio de presión.§ Los valores aceptables de acumulación permitida están establecidos en

varios códigos (ASME VIII recip.,ASME I calderas, ASME B31.3 cañerías) dediseño para operaciones de emergencia y para contingencias de fuego.


16

SOBREPRESIÓN (Overpressure)§ Es el aumento de presión sobre la presión de set del dispositivo de alivio

que experimentará el sistema al momento en el cual el dispositivo alcanzasu máxima apertura durante el alivio.

§ 10 % de la presión de set (manométrica) para todos los casos menos fuego.En el caso de alivio por fuego, se considera el 21 %.

§ La sobrepresión es igual a la acumulación sólo cuando el dispositivo dealivio está seteado para abrir a la MAWP, considerando que no existenpérdidas de presión en la línea de entrada al dispositivo de alivio.

ACUMULACIÓN VS SOBREPRESIÓN

SOBREPRESIÓN(% DE LA PRESIÓN DE SET)

ASME

ACUMULACIÓN(% DE LA MAWP)API

MAWP

PRE

SIÓ

NDefiniciones Básicas

17

PRESIÓN DE SET

MAWP

COMIENZO DEL ALIVIO

TIEMPO

PRE

SIÓ

N

Adaptado de Crowl, D. y Louvar, J. Chemical Process Safety.

ACUMULACIÓN EN RECIPIENTES DE CSEfecto de la acumulación de presión en recipientes de acero al carbono

% MAWP (% sobre presión) Efectos Observaciones <135 No se espera ninguno Ninguna

135-165 Potencial para leve deformación permanente

Este rango de presión corresponde al límite de deformación del recipiente y depende tanto del material como del código. Los límites superiores e inferiores corresponden a recipientes diseñados según ASME VIII, Div. 2 y ASME VIII Dv. 1 (Edición 1998 y anteriores), respectivamente. Los recipientes según ASME VII, Div. 1 (Edición

18

Adaptado de : Maximización del uso de sus estructuras de Antorcha Existentes-Artículo Técnico de ioMosaic Corporation-www.iomosaic.com..

según ASME VII, Div. 1 (Edición 1998 con agregados en 1999), se encuentran entre estos valores. Por consiguiente, un valor representativo para este rango es 150%.

165-300 Deformación permanente, posible y pequeña pérdida

Válida para contingencias remotas, ya que una acción de sobrepresión podría debilitar el recipiente por fatiga.

300-400

Igual a la anterior pero con una mayor probabilidad de

experimentar una pérdida grande o un estallido

Sobrepresión peligrosa

400-500 Estallido Típica para recipientes sanos diseñados según código ASME VIII.

RELACIONES ENTRE LAS DEFINICIONES BÁSICAS DE PRESIÓN

MAWP ≥ PRESIÓN DE DISEÑO

PRESIÓN DE DISEÑO = % o ∆P DE LA MÁXIMA PRESIÓN DE OPERACIÓN (CRITERIOS DE DISEÑO)

19

PRESIÓN DE AJUSTE = PRESIÓN DE DISEÑO¡Si no se conoce la MAWP!

PRESIÓN DE ALIVIO = PRESIÓN DE AJUSTE + SOBREPRESIÓN

SOBREPRESIÓN = VALORES SEGÚN EL ASME


v Requerimiento derecipientes yreglas dedimensionamiento

v PSVs múltiples sedimensionan condimensionan conuna sobrepresiónde 116%

v PSVs adicionalesse diseñan con un105%

Cuadro de API 520

CONTRAPRESIÓN TOTAL (Total Backpressure)Es la presión del lado de la descarga de la válvula de alivio durante la operación dela misma. Esta presión es la suma de la contrapresión superimpuesta (variable oconstante) y la construida.


21

CONTRAPRESIÓN SUPERIMPUESTA (Superimposed Backpressure)Es la presión estática que existe a la salida de la válvula de alivio de presión almomento que se requiere que esta abra; es el resultado de la presión en el sistemade alivio originado por otras fuentes y puede ser constante o variable.

CONTRAPRESIÓN CONSTRUIDA (Built-up pressure)Es el incremento en la presión a la salida de la válvula de alivio de presión, el cualse genera cuando la válvula abre.

CONTRAPRESIÓN SUPERIMPUESTA VARIABLE§ Contrapresión producida cuando otras válvulas alivian al mismo sistema de

descarga.


22

Válvula en evaluación

¿Cuándo alivian las válvulas?

¿Cuántas válvulas alivian?

CONTRAPRESIÓN SUPERIMPUESTA VARIABLE§ Compresión producida por la columna de líquido en un tanque, si la válvula

de alivio de alivio descarga hacia dicho tanque. Dado que el nivel del tanqueno es conocido al momento del alivio, se considera variable.


23

LLL

HLL

¿Dónde está el nivel del tanque al momento

del alivio?

§ Contrapresión producida por el gas de purga inyectado al sistema dedescarga.

CONTRAPRESIÓN SUPERIMPUESTA CONSTANTE

FI


24

§ Contrapresión originada por la presión de operación constante delrecipiente al cual alivia la válvula.

PC

§ Contrapresión producida por el sello de líquido para evitar un “flash back”en el sistema de descarga.

CONTRAPRESIÓN SUPERIMPUESTA CONSTANTE

§ Cuando la contrapresión superimpuesta es constante se puede compensarcon la carga en el resorte.


25

∆ h

Blowdown o % de Reset (3-7%)Definiciones Básicas

GOLPETEO, TRAQUETEO (CHATTERING)Definiciones Básicas

27

Ejemplo obtenido con SuperChems®.

TIPOS DE VÁLVULAS DE

Con Fuelles Balanceados o

Convencionales


28

ALIVIO Equilibrados

Operadas con Pilotos

De acción violenta tipo flujo / no flujo

De acción modulada tipo flujo

/ no flujo

VÁLVULAS DE ALIVIO DE PRESIÓN CONVENCIONALES§ Las características de funcionamiento son

afectadas directamente por los cambios decontrapresión en la válvula.

§ Su uso es recomendado para unacontrapresión construida menor del 10.% de lapresión manométrica de ajuste; es decir, se

Tipos de PSVs

29

§ No se recomienda su uso, si en su posicióncerrada, puede exponerse a valores altos decontrapresión superimpuesta variable.

presión manométrica de ajuste; es decir, serecomienda su instalación cuando descargan ala atmósfera a través de una línea corta, ocuando descargan a sistemas de baja presión.

Consolidated®. Safety Relief Valve 1900 (SRV-1/Q2.02)

VÁLVULAS DE ALIVIO DE PRESIÓN DE FUELLE BALANCEADO

§ Se recomiendan para valores decontrapresión (referida a la presión de

§ Diseñadas de tal manera, que minimizan losefectos de la contrapresión en suscaracterísticas de funcionamiento.

Tipos de PSVs

30

§ Existen fabricantes que permiten hasta un50.% de contrapresión para sus modelos deválvulas balanceadas.

§ Son utilizadas cuando la contrapresión essuperimpuesta y variable.

contrapresión (referida a la presión dedisparo) inferiores al 30.% para servicio degas o vapor y de 15.% para servicio delíquido.


§ Si es inevitable su uso, se recomienda que en

§ No se recomienda su uso si la contrapresiónsuperimpuesta constante es muy alta, porejemplo mayor a 18,62.barg (270.psig), debido aque el material del fuelle no soporta presionestan altas.

VÁLVULAS DE ALIVIO DE PRESIÓN DE FUELLE BALANCEADOTipos de PSVs

31

§ Si es inevitable su uso, se recomienda que enservicios tóxicos, el venteo del cuerpo alivie a unsitio seguro. Ej.:

PSVVenteo


Venteo tapado Venteo destapado

DIFERENCIAS ENTRE VÁLVULAS CONVENCIONALES Y BALANCEADASTipos de PSVs

32

Convencional De Fuelle BalanceadoConsolidated®. Safety Relief Valve 1900 (SRV-1/Q2.02)

Sin fuelle Con fuelle

Convencional De Fuelle Balanceado

PBPB

PB

FR

FREl cuerpo tiene un venteo interno

Abierto a la atmósfera

Tipos de PSVs

33

Adaptado de la API RP 520.

PV PV

PB

PV presión desde el equipoPB contra presiónFR fuerza del resorte

El fuelle se puede romper y permite el paso de fluido

VÁLVULAS DE ALIVIO DE PRESIÓN OPERADAS CON PILOTO

§ Son capaces de soportar contrapresionessuperiores al 30.% de la presión de ajuste en elcaso de gases y vapores, y de 15.% para líquido.

§ La válvula principal es combinada y controlada por una válvula de alivioauxiliar llamada piloto

Tipos de PSVs

34

§ EL uso para servicio líquido altamente viscoso(ej. μ > 100.cP) y para servicios de polímeros, essólo posible con un dispositivo de aislamientoya que la línea piloto, que censa la presión,puede obstruirse.

Consolidated®. Pilot Operated Safety Relief Valve 3900 MPV® (SRV-1/Q2.02).

Normativa Aplicable

Section VIII: Rules for Construction of Pressure Vessels

Division 1

Usar siempre Normas Actualizadas!

Division 1

B31.3: Process Piping

Section I: Rules for Construction of Power Boilers

Section IV: Rules for Construction of Heating Boilers

(ANSI/) API STD 521 (ISO 23251)Pressure-Relieving and Depressuring Systems

API RP 520Sizing, Selection, and Installation of Pressure. Relieving Devices in Refineries - Parts I & II

American Petroleum InstituteNormativa Aplicable

API STD 526Flanged Steel Pressure Relief Valves

API STD 537Flare Details for General Refinery and Petrochemical Service

API STD 2000 (15psia)Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks. Nonrefrigerated and Refrigerated

Esp.

Especificación Técnica de cálculo de alivios

Especificación Técnica de Instrumentación-Disp. Alivios

Normativa Aplicable

Esp.TécnicasClientes

Especificación Técnica de Instrumentación-Disp. Alivios

Hojas de datos Standard de válvulas de alivios

Hojas de datos standard para Antorchas y recipientes KOD

ESTÁNDARES INTERNACIONALES - ECUACIONES

GAS O VAPOR

§ API RP 520: flujo crítico y subcrítico

§ API STD 521: fuego

§ API STD 2000: tanques de almacenamiento (P < 15 psig).

38

almacenamiento (P < 15 psig).

VAPOR DE AGUA API RP 520

LÍQUIDO

§ API RP 520: válvulas con y sin certificación

§ API STD 521: fuego

FLUJO BIFÁSICO

§ API RP 520: apéndice D è método del DIERS (Design Institute of Emergency Relief Systems)

§ Otras versiones del HEM (Homogeneous Equilibrium Flow Model): disponible en

ESTÁNDARES INTERNACIONALES - ECUACIONES

Cálculo del Orificio Requerido de la PSV

39

Equilibrium Flow Model): disponible en VisualFlowTM y AspeFlare System Analyzer

Modificada

RECREO!RECREO!

API RP 520 Parte I - ECUACIONES

MC·Kd·P1·Kb·Kc

WA req =T1·Z

C·Kd·P1·Kb·Kc

2,676·V· =

T1·Z·M

§ Gas – flujo crítico

Areq área requerida del orificio [mm2]W flujo másico requerido de alivio [Kg/hr]

41

W flujo másico requerido de alivio [Kg/hr]V flujo volumétrico estándar de alivio [Nm3/min]T1 temperatura de alivio [ºK]C coeficiente en base al k (= CP/CV) [ - ]Kd coeficiente de descarga efectivo [ - ]P1 presión de alivio aguas arriba [kPa-abs]Kb coeficiente de corrección debido a la contrapresión [ - ]Kc coeficiente de corrección por la presencia de un disco de ruptura [ - ]Z factor de compresibilidad a las condiciones de alivio [ - ]M peso molecular del gas [Kg/Kg-mol]


§ Coeficiente C – Unidades SI

2

(k+1)(k-1)

kC = 0,03948 *2

k + 1

(k-1)k

Kd Corrección de capacidad – Diferencia con una boquilla idealizada

MC·Kd·P1·Kb·Kc

WA req = T1·Z

Factor de corrección de la


43

Adaptado de Darby, R. et al. Select the Best Model for Two-Phase Relief Sizing. CEP Mayo 2001.

corrección de la capacidad

Kb Corrección debido a la contrapresión para válvulas balanceadas

1.00

10% de

16% de sobrepresión


Fact

or d

e co

rrec

ción

por

co

ntra

pres

ión

K b

MWC·Kd·P1·Kb·Kc

WA req = T1·Z

Factor de corrección por

44

0.6525 50

10% de sobrepresión

30

Porcentaje de la presión manométrica = (PB/PS) x 100

Fact

or d

e co

rrec

ción

por

co

ntra

pres

ión

Límite recomendado para uso de las válvulas balanceadas

corrección por contrapresión

PB contrapresión [psig]PS presión de disparo [psig]

Para una sobrepresión de 21 % (fuego), Kb = 1 hasta 50 %.

Kc Corrección por uso de un disco de ruptura

MC·Kd·P1·Kb·Kc

WA req = T1·Z

Factor de


45

Factor de corrección por uso del disco de ruptura

Disco de rupturaè restricción del flujo


API RP 520 Parte I - ECUACIONES§ Gas – flujo subcrítico (solo para válvulas convencionales y tipo piloto)

M·P1· (P1 – P2)F2·Kd·Kc

17,9 · WA req =T1·Z

F2·Kd·Kc

47,95 · V= P1· (P1 – P2)T1·Z·M

46

W flujo másico requerido de alivio [Kg/hr]V flujo volumétrico estándar de alivio [Nm3/min]T1 temperatura de alivio [ºK]F2 coeficiente de flujo subcrítico [ - ]Kd coeficiente de descarga efectivo [ - ]P1 presión de alivio aguas arriba [kPaa]P2 contrapresión [kPaa]Kc coeficiente de corrección por la presencia de un disco de ruptura [ - ]Z factor de compresibilidad a las condiciones de alivio [ - ]M peso molecular del gas [Kg/Kg-mol]


P1·Kd·Kb·Kc·KN·KSH

190,5 WA req =

§ Vapor de agua


47

W flujo másico requerido de alivio [Kg/hr]P1 presión de alivio aguas arriba [kPaa]Kd coeficiente de descarga efectivo [ - ]Kb coeficiente de corrección debido a la contrapresión [ - ]Kc coeficiente de corrección por la presencia de un disco de ruptura [ - ]KN factor de corrección para la ecuación de Napier [ - ]KSH factor de corrección para vapor sobrecalentado [ - ]

§ Solo para vapor de agua.§ Considera flujo crítico, ej. con alivio a la atmósfera.


p1 – p2Kd·Kw·Kc·Kv

11,78. QA req =G

§ Líquido con certificación de capacidad

Areq área requerida del orificio [mm2]Q flujo de líquido [lit./min]

48

Q flujo de líquido [lit./min]Kd coeficiente de descarga efectivo [ - ]Kw coeficiente de corrección debido a la contrapresión [ - ]Kc coeficiente de corrección por la presencia de un disco de ruptura [ - ]Kv coeficiente de corrección debido a la viscosidad [ - ]G gravedad específica del líquido a la temperatura de alivio referida a ladel agua a condiciones estándar [ - ]p1 presión de alivio aguas arriba [kPag]p2 contrapresión [kPag]

Kw Corrección debido a la contrapresión para servicio de líquido

1.00


Fact

or d

e co

rrec

ción

por

co

ntra

pres

ión

K w Factor de corrección por


11,78 · QA req =G

49

0.6510 5015

Porcentaje de la presión manométrica = (PB/PS) x 100

Fact

or d

e co

rrec

ción

por

co

ntra

pres

ión

Límite recomendado para uso de las válvulas balanceadas

corrección por contrapresión

PB contrapresión [psig]PS presión de ajuste [psig]

API RP 520 Parte I - ECUACIONESKv Corrección debido a la viscosidad de líquidos

Coe

ficie

nte

de c

orre

cció

n de

bido

a la

vis

cosi

dad


11,78·QA req =G

50

Número de Reynold

Kv

Coe

ficie

nte

de c

orre

cció

n de

bido

a la

vis

cosi

dad

0.2

¡ No extrapole!

¡Límite!

Factor de corrección debido a la viscosidad

ÁREA EFECTIVA (API) Y ÁREA VERDADERA (ASME)El área estándar indicada en el API STD 526 es menor que el área verdaderasegún el ASME Sección VIII División 1:

§ El diseño de las líneas de entrada y salida usa el flujo del área verdadera:AAPI

AAPI ≈ 0,9 · AREAL

51

§ El valor de Kd para servicio líquido varía según el tipo de área empleada enel cálculo:- Kd = 0,65 para una válvula certificada ASME.- Kd = 0,71 a 0,72 para una válvula certificada ASME usando orificioAPI.- Kd = 0,64 a 0,65 para una válvula no certificada usando orificio API.

AAPI

0,9 AREQUERIDAFlujo máximo = Flujo requerido

Orificio Area Area API 526

[in2] [mm2] 1x2 1½x2 1½x3 2x3 3x4 3x6 4x6 6x8 6x10 8x10

D 0.110 70.970 * * *

E 0.196 126.450 * * *

F 0.307 198.060 * *

G 0.503 324.520 * *

AREAS API 526 CON CONEXIONES STANDARD

G 0.503 324.520 * *

H 0.785 506.450 * *

J 1.287 830.320 * *

K 1.838 1185.800 * *

L 2.853 1840.640 * *

M 3.600 2322.580 *

N 4.340 2799.990 *

P 6.380 4116.120 *

Q 11.05 7129.020 *

R 16.00 10322.56 * *

T 26.00 16774.16 *

COMPARACIÓN DE TAMAÑOS

53

D L Q T

FLUJO CRÍTICO (O ESTRANGULADO O SÓNICO)Contrapresión

RCF =PCF

P1=

2k + 1

kk – 1

m.

54

VELOCIDAD DEL GAS

P2/P1 – RELACIÓN DE PRESIONES ABSOLUTAS

01 0,528 0

= PCF /P1 = RCF

FLUJO MÁSICO

vCF

v¡Realmente se estrangula la velocidad!

FLUJO CRÍTICO (O ESTRANGULADO)

m.

Flujo crítico:Flujo subcrítico:

MC·Kd·P1·Kb·Kc

WA req =T1·Z

M·P1· (P1 – P2)F2·Kd·Kc

17,9 · WA req =T1·Z

55

VELOCIDAD DEL GAS

P2/P1 – RELACIÓN DE PRESIONES ABSOLUTAS

01 0,528 0

= PCF /P1 = RCF

FLUJO MÁSICO

vCF

v

FRENTE SÓNICO: CÁLCULO DE LA CAÍDA DE PRESIÓN

Contrapresión

Presión

Presión de alivioPresión de frente sónico = Contrapresión construida

Entrada a la válvula

Salida de la válvula

56

Distancia

Presión aguas abajo de la válvula

de alivio determinada por

un cálculo hidráulico

Línea de salida

Ejercicio PrácticoØ Dimensionar una PSV para el Caso Falla de Reflujo:

§ Datos:• Presión de diseño de Torre 3403-E: Pd = 9,8 Kg/cm2g• Caudal de alivio calculado por falla de reflujo: W= 3000Kg/hr• T alivio=152 °C• Propiedades del fluido a aliviar: K=1.13, PM=66, Z=0.84• Contrapresión construida: 0,3 Kg/cm2g• Contrapresión construida: 0,3 Kg/cm2g• Contrapresión Super-impuesta Variable: 0,1 Kg/cm2g• Contrapresión constante: 0,1 Kg/cm2g• Kd=0.975, sin disco de ruptura

§ Determinar– Flujo crítico o sónico para el caso– Área requerida utilizando las formulas de API– Tamaño orificio de válvula para el caso (Utilizando Tyco PRV2Size

y Aspen Flare System Analyzer)– Conexiones estándar (Utilizar API 526)

BreakFLUJO CRÍTICO (O ESTRANGULADO O SÓNICO)

RCF =PCF

P1=

2k + 1

kk – 1

RCF = 0,578

PCF = 5,66 Kg/cm2g Cálculo Flujo Crítico o Sónico

C = 0,025

AREA REQUERIDA = 270 mm2

VALVULA SELECCIONADA 2” G 3”

AREA SELECCIONADA = 324.5 mm2

CAUSAS DE LA SOBREPRESIÓN

Contingencias GeneralesContingencias Singulares

Estudio de contingencias

60

Salida bloqueadaRuptura de tuboFalla de válvulas de controlFalla de válvula de retención (check)Expansión térmicaFuego, etc.

Falla de energía eléctricaFalla de fluido de enfriamientoFalla de aire de instrumentosFalla del sistema de vaporFuego, etc.


SALIDA BLOQUEADA

è El equipo no puede disponer de las corrientes de salida mientras semantiene la alimentación.

Cierre inadvertido de alguna válvula manual o de control en alguna de laslíneas de salida del equipo.


62

SALIDA BLOQUEADA

§ No se requiere una válvula de alivio de presión en equipos centrífugos si elsistema aguas abajo de tal equipo ha sido diseñado para la presión decierre (shut-off).

§ El caudal disminuye al aumentar la diferencia de altura (presión).Equipos centrífugos:


63

DIF

EREN

CIA

DE

ALTU

RA

(PR

ESIÓ

N)

CAPACIDAD DE FLUJO

CAPACIDAD DE FLUJO EN LA CONDICIÓN NORMAL DE OPERACIÓN

AUMENTO DE LA DIFERENCIA DE PRESIÓN

SALIDA BLOQUEADA

§ El sistema a la descarga es protegido con una válvula de alivio de presióndiseñada para el flujo de diseño del equipo.

§ Las válvulas manuales de bloqueo no son requeridas para la válvula dealivio.

§ Este tipo de bombas incrementan la presión de descarga de manerasignificativa cuando el flujo es limitado o bloqueado a la descarga.

Equipos reciprocantes o de cavidad progresiva:


64

alivio.

Altu

ra d

e bo

mbe

o

Flujo

RUPTURA DE TUBOS

Lado de alta Tubo Placa de Lado de baja

è Paso de flujo del lado de alta presión hacia el lado de baja presión.

§ Ruptura de un tubo en un intercambiador de calor, principalmente del tipotubo y carcaza, o en un serpentín de calentamiento o de enfriamiento.

§ El lado de alta presión puede ser el lado de los tubos o de la carcasa.


65

Ruptura en el algún punto a lo largo del tubo Ruptura en el extremo del tubo

Lado de alta presión Tubo Placa de

tubosLado de baja

presión

RUPTURA DE TUBOSEstudio de contingencias

66

ρPACYQ ∆⋅

⋅⋅⋅=2

RUPTURA DE TUBOS

Presión de prueba = 1,3 x Presión de diseño è

La instalación de una válvula de alivio por ruptura de tubos puede ser evitadasiguiendo la regla de 10/13 para las presiones de diseño del lado de altapresión y de baja:

Presión de diseño del lado de baja presión 10≥ = 0,77


67

§ Aplica para diseño nuevos según el ASME Sección VIII, División1. Para equipos existentes se debe revisar bajo que criteriofueron probados los equipos, antiguamente: Presión de prueba =1,5 x Presión de Diseñoè regla de 2/3.§ No evita la ruptura del tubo è revise el efecto sobre el sistema

de baja presión.

13Presión de diseño del lado de alta presión≥ = 0,77

FALLA DE VÁLVULA DE CONTROL

§ Falla (pérdida) del aire de instrumentoè falla a posición segura.La falla de una válvula de control puede ser debido a:

§ Válvulas con falla en la última posición de operaciónè se considerará laválvula completamente abierta o cerrada.§ Mal funcionamiento por atascamientoè en posición cerrada o abierta.


68

Se evalúan todas posibilidades para determinar el peor de los escenarios, tantopara el sistema aguas arriba y como aguas abajo.

MAL FUNCIONAMIENTO DE LA VÁLVULA DE CONTROLEjemplo: gas blow-by.

Presión en el lado de altapresión = presión dediseño del recipiente

¿Cuál es la presiónresultante con elmáximo flujo?


69

Información detallada: Cv de la válvula

Sistema de Alta Presión Sistema de Baja Presión

¿Cuál es el máximo flujo através de la válvula?

Modificada

FALLA DE LA VÁLVULA DE RETENCIÓNLa falla de una válvula de retención puede ser en posición abierta o cerradadebido a un atascamiento o falla mecánica.

600150


70

600150

600150

600150

EXPANSIÓN HIDRÁULICAAplica especialmente para las líneas completamente llenas de líquido. Si elfluido se detiene, se puede producir una expansión hidráulica (o térmica)debido al aumento de temperatura del líquido originada por la radiación solar,tracing de vapor, etc.


71

EXPANSIÓN HIDRÁULICALos intercambiadores de calor pueden ser bloqueados en la salida del lado frío;si se mantiene la circulación el lado caliente, el fluido del lado frío aumentarásu presión como un efecto del aumento de la temperatura.

T1 > T2


72

T1 T2

FALLA DE LOS SERVICIOS INDUSTRIALES

ELECTRICIDAD

§ Bombas para suministro de agua de enfriamiento, agua para calderas o de reflujo.

§ Ventiladores de los enfriadores con aire, de las torres de enfriamiento o de aire de combustión.

§ Compresores para vapor de procesos, aire,


73

§ Compresores para vapor de procesos, aire, vacío o refrigeración.

§ Instrumentación.§ Válvulas motorizadas.

§ Condensadores de procesos o de servicios industriales.

§ Enfriadores para fluidos de procesos, aceite lubricante o aceite de sello.

AGUA DE ENFRIAMIENTO

Adaptado del API RP 520.

AIRE DE INSTRUMENTOS

§ Transmisores y controladores.§ Válvulas de control.§ Sistemas de alarmas y de parada de

emergencia.

§ Turbinas para bombas, compresores,

FALLA DE LOS SERVICIOS INDUSTRIALESEstudio de contingencias

74

VAPOR

§ Turbinas para bombas, compresores, sopladores, ventiladores de combustión o generadores de electricidad.

§ Rehervidores.§ Bombas reciprocantes.§ Equipos que usan inyección directa de vapor

(ej. para despojamiento).§ Eyectores y eductores.§ Calentamiento de los fluidos en tanques y

recipientes.


COMBUSTIBLE (ACEITE, GAS, ETC.)

§ Calderas.§ Rehervidores.§ Hornos.§ Elementos motrices para bombas o

generadores de electricidad.§ Compresores.§

FALLA DE LOS SERVICIOS INDUSTRIALES


75

§ Compresores.§ Turbinas a gas.

§ Sellos de equipos rotativos.§ Reactores catalíticos.§ Purgas para instrumentos o equipos.

GASES INERTES


HeHeNN22

FUEGO EXTERNOEstudio de contingencias

76

7,6 m(25 ft) Área mojada

FUEGO EXTERNO§ Cualquier equipo en una planta que procese gases o líquidos inflamables

puede ser sometido a fuego en cualquier momento.

§ En caso de fuego es importante determinar si es conveniente colocar una

§ Este riesgo puede existir inclusive en recipientes que contengan sustanciasno inflamables, ej. recipientes de aire de instrumentos o de planta.


77

§ En caso de fuego es importante determinar si es conveniente colocar unaválvula de despresurización o una válvula de alivio. La API STD 521recomienda que los recipientes de gran volumen, con un contenido de gaso de hidrocarburos muy livianos y una presión de operación igual o mayor a17,24.barg (250.psig), sean protegidos por un sistema de despresurización.Ej: Reactores de Hidrotratamiento (en los separadores o torres)

§ Todas las alimentaciones y corrientes de salida o entrada al sistema hancesado.

§ La contingencia de fuego no considera que se originen flujos de alivios deotras contingencias ocasionadas por el fuego.

§ Parada de todas las bombas, enfriadores por aire y compresores.

§ Todas las fuentes de calor dentro del proceso han cesado. Por lo tanto, lageneración de vapor es solo función del calor absorbido por el fuego y elcalor latente del líquido confinado a las condiciones de alivio.


78

§ No existe condensación del fluido de alivio.

FUEGO EXTERNO: ÁREA EXPUESTA AL FUEGOEl cálculo del área expuesta al fuego se calcula para recipientes con líquido(área mojada) considerando el nivel de líquido en operación normal hasta unaaltura de 7,6.m (25.ft). (Ver Manual de Crosby para fórmulas)


79

FUEGO EXTERNO: ÁREA EXPUESTA AL FUEGO

Para recipientes llenos de gas, el área expuesta al fuego (no mojada) equivale atoda la superficie de dicho recipiente. También se consideran los recipientescon fluidos que se vuelvan solo fase gaseosa a las condiciones de alivio.


80

Completamente lleno de líquido

Todo hasta una altura de 7,6 m (25 ft)

Tipo de recipiente Nivel de líquido

FUEGO EXTERNO: ÁREA EXPUESTA AL FUEGOEstudio de contingencias

81


7,6 m(25 ft)

7,6 m(25 ft)

Separadores, KO Drums y recipientes de procesos

Nivel normal de operación hasta un nivel de 7,6 m (25 ft)



82

NLL


7,6 m(25 ft)

7,6 m(25 ft)

NLL

El nivel de líquido en los reboilers tiene que ser

incluido si estos forman parte integral de la

columna

Columnas de fraccionamiento

Nivel normal de operación del fondo más el nivel normal de líquido en todos los platos,

hasta una altura de 7,6 m (25 ft)

Tipo de recipiente Nivel de líquido Comentarios


83


NLL NLL

7,6 m(25 ft)

7,6 m(25 ft)

Esferas y esferoidesHasta el máximo diámetro

horizontal o hasta una altura de 7,62 m (25 ft), lo que sea mayor



84


7,6 m(25 ft)

Máximo diámetro horizontal 7,6 m

(25 ft)

Máximo diámetro horizontal

FUEGO EXTERNO: FACTOR DEL ENTORNO, F

Q = 21 000·F·A0,82

§ Equipos sin aislamiento y diseños nuevos F = 1.

Q calor absorbido [W] [BTU/h]F Factor del entorno [ - ] [ - ]A área mojada [m2] [ft2]

Q = 43 200·F·A0,82


85

§ El uso del valor de F considera los siguientes aspectos:- El material aislante funciona adecuadamente al ser expuesto a

temperaturas entre 538 °C (1000 °F) y 1093 °C (2000 °F) por un período de20 minutos a 1 hora.- La instalación asegura que el material aislante no se desprenderá

durante el incendio.

Extraído de la API STD 521.

Modificada

FUEGO EXTERNO: TEMPERATURA DE ALIVIO

TemperaturaPresión

La temperatura de alivio del líquido corresponde a la temperatura del punto deburbuja a la presión de alivio.


86

Presión deoperación

Pres

ión

Entalpía

Temperaturade alivio

Temperaturade operación

Presiónde alivio

Curva de punto de burbuja

8,6-12 m

Todos aquellos equipos incluidos en un radio de 10,7 m (35.ft) son afectados yalivian simultáneamente con el equipo directamente afectado por estacontingencia. El punto de partida del radio de fuego es aquel que maximice lacantidad de equipos expuestos al fuego.


8,6-12 m(232m2-460m2)

87

V-002

V-003 V-001 V-002 V-001

8,6-12m(232m2-460m2)

Ejemplo 1El círculo de fuego solo “roza” aotro equipoè Se considera que el V-002 no

alivia al mismo tiempo que losotros dos recipientes.V-003 V-001 V-002


88

Ejemplo 2Los recipientes se encuentrandentro de brocales no comuni-cados entre sí.è ¿Cuánto volumen puede

retener el área de retención?Área de retención

Ejemplo 3Equipo con buen drenaje. è El caso defuego sí aplica. La API STD 521 tieneecuaciones para el cálculo del área mojadacon buen drenaje:

Q = 43 200·F·A0,82 (Q = 21000·F·A0,82)y mal drenaje:Drenaje


89

y mal drenaje:Q = 70 900·F·A0,82 (Q = 34 500·F·A0,82)

Drenaje

V-001

V-002

Ejemplo 4El recipiente V-001 contiene un volumen muypequeño de material inflamable è Se puedeconsiderar que V-001 no originará que V-002alivie simultá-neamente por fuego; pero elcaso contrario sí es factible.

§ Enfriamiento de líquido:

a) El área expuesta al fuego es igual área desnuda de los tubos por debajodel límite de 7,6 m (25 ft).

b) Intercambiadores de tiro forzado: el área de los tubos por encima dellímite de 7,6 m (25 ft) es cero.

FUEGO EXTERNO: AEROENFRIADORESEstudio de contingencias

90

límite de 7,6 m (25 ft) es cero.

c) Intercambiadores de tiro inducido: el área por encima del límite de 7,6 m(25 ft) es igual al área proyectada por el haz tubular (longitud porancho).

Pres

ión

FUEGO EXTERNO: CONDICIONES SUPERCRÍTICAS

Condiciones de alivio

Punto crítico


91

Pres

ión

Temperatura

Condiciones de operación

Cálculo de Carga por Fuegov Recipiente sólo con gas o condiciones de fluido supercríticas a la P

alivio:v API:

v Cálculo Riguroso para fluidos supercríticos: Paper de la CEP por v Cálculo Riguroso para fluidos supercríticos: Paper de la CEP por Ryan Ouderkirk- www.cepmagazine.org -Agosto 2002 –§ Pico del flujo másico no se da con un pico del flujo volumétrico§ Itera con la T de alivio, calcula las propiedades supercríticas V y m

específicos, evolución isoentrópica hasta encontrar el pico en el volumen especícico (mayor alivio posible).

API STD 521:

“Las causas de sobrepresión son consideradas sin relación, si no existenenlaces mecánicos o eléctricos entre ellas, o si el intervalo de tiempo quetranscurre entre posibles acontecimientos sucesivos de dichas causas, essuficiente para considerar su clasificación sin relación.”

DOBLE O MÚLTIPLE CONTINGENCIAEstudio de contingencias

93

“El acontecimiento simultaneo y sin relación de dos o más causas desobrepresión (también conocido como DOBLE o MÚLTIPLE CONTINGENCIA)no es una base de diseño.”

Modificada

Ejemplos de la API STD 521 para doble contingencia:

§ Exposición al fuego + Falla de los controles administrativos para drenar ydespresurizar un equipo aislado.

§ Exposición al fuego + Ruptura de tubo interno en un intercambiador decalor.

DOBLE O MÚLTIPLE CONTINGENCIA

§ Error del operador que origina una salida bloqueada, la cual coincide con


94

§ Falla de aire de instrumentos + durante la exposición al fuego, si este causala falla de la línea local de aire.

§ Error del operador que origina una salida bloqueada, la cual coincide conuna falla de potencia.

Ejemplos de la API STD 521 para (posible) contingencia simple:

Modificada

EJEMPLOS: RECIPIENTES

1

2

Fuego.

Cierre inadvertido de alguna válvulamanual è Salida bloqueada. Los cierresde las válvulas manuales en la salida degas o líquido son evaluados por separado.

FO

PC2


95

3 Falla de aire de instrumentos o Fallamecánica è Falla de válvula de control oválvula de apertura/cierre è Salidabloqueada.

LC

FC FC1

23 3

FC FC

EJEMPLOS: EQUIPOS EN SERIE (I)

LC

V-1 V-2


96

1

2

Falla de válvula de control, atascada en posición abierta o mala operación en modomanual.è Pérdida del sello de líquido en V-1è Paso de gas hacia V-2.Mala operación de la válvula de desvío è Pérdida del sello de líquido en V-1 èPaso de gas hacia V-2.

FC

SISTEMA DE ALTA PRESIÓN

SISTEMA DE BAJA PRESIÓN

1

2

EJEMPLOS: EQUIPOS EN SERIE (II)

LCV-1 V-2


97

La diferencia de volumen entre los dos equipos también será considerada. En el caso deun pequeño recipiente alimentando una torre de fraccionamiento, se puede considerarque la torre será capaz de absorber el flujo proveniente del separador.

FC

SISTEMA DE ALTA PRESIÓN

SISTEMA DE BAJA PRESIÓN

EJEMPLOS: EQUIPOS EN SERIE (III)

LC

V-1

1


98

Cierre inadvertido de alguna válvula aguas abajo del E-1 y la presión de diseño de E-1menor a la presión de shut-off de P-1è Salida bloqueada para E-1.

1

2 Falla de electricidad è Parada de P-1 è Salida bloqueada para V-1. Evaluar laposibilidad de rebose de líquido en base a tiempos de residencia. El caso similaraplica a una bomba accionada por una turbina de vapor: falla de vapor o mediomotriz.

FC

P-1E-1

2

1

EJEMPLOS: INTERCAMBIADORES DE CALOR (I)

Fuego, aplica para la carcasaindiferentemente que sea el lado de alta ode baja presión.

1

2 Ruptura de tubos si no se cumple la reglade 10/13.

T1 > T2 3


99

de 10/13.3 Cierre inadvertido de una válvula manual a

la salida del lado de baja presión è Salidabloqueada è Evaluar efecto del fluido dellado caliente sobre el lado del fluido frío.LADO DE ALTA

PRESIÓN

T1 T2

LADO DE BAJA PRESIÓN

1

2

EJEMPLOS: INTERCAMBIADORES DE CALOR (II)

T-1 LADO DE ALTA

Causas de la Sobrepresión

100

Si bien E-1 puede estar diseñado según la regla de 10/13, se evaluará el impacto deuna ruptura de tubos en T-1.

1

T-1 LADO DE ALTA PRESIÓNLADO DE

BAJA PRESIÓN

E-1

1

EJEMPLOS: TORRES DE FRACCIONAMIENTO (I)

1 Fuego, fondo de la columna y el rehervidor hasta el límite de 25.ft (7,62.m).

Falla de reflujo, provocada por:a) Falla de la bomba de reflujo,

mecánica o pérdida de potencia.

2

2a

PC

LC

2c

2b

2a


101

b) Falla del medio de enfriamiento èFalla de condensador de tope.c) Falla de potencia è Falla de la

bomba de reflujo, falla del enfriador de tope.

TC

1

EJEMPLOS: TORRES DE FRACCIONAMIENTO (II)

2 Falla de reflujo, provocada por:d) Falla de aire de instrumentos è

Falla de la válvula de control de reflujo.e) Rebose del condensador de

tope debido al cierre en la válvula de la línea de retiro.

PC

LC

2f2d

2e


102

de la línea de retiro.f) Acumulación de incondensables en el condensador.

TC

EJEMPLOS: TORRES DE FRACCIONAMIENTO (y III)

3 Pérdida de la alimentación fría, debido a:a) Falla de la válvula de control en la línea de alimentación.b) Falla de la bomba de

alimentación, mecánica o pérdida de potencia.

PC

LC

6


103

pérdida de potencia.4 Falla de aire de instrumentos o Falla

mecánica de la válvula de control en el medio de calentamiento è Exceso de calor hacia el rehervidor.

5 Ruptura de tubos en el rehervidor.

6 Falla de aire de instrumentos o Falla mecánica de la válvula de control èSalida bloqueada de los vapores de tope.

TC

453b

3a

BreakEjercicio PrácticoØ En base al P&ID entregado, entre a dos o tres

personas:§ Pensar posibles contingencias incluyendo bloqueos, falla

de servicios, fuego, gas blow by, etc.§ Listar las contingencias por equipo y especificar la

sobrepresión del mismo según código en cada caso.sobrepresión del mismo según código en cada caso.§ Posicionar las válvulas de seguridad y dispositivos de

alivio para evitar una sobrepresión en los equipos que pudiera provocar un accidente.§ Discutir posibles formas de calcular el flujo de alivio en

cada contingencia.

Documents

Curso Alivio Parte 1