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DISEO Y SELECCIN DESEPARADORES

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Vlvulas de Aliviode Presin



9El diseo, seleccin e instalacin de un sistema de alivio de presin es discutido en varios cdigos. Los mecanismos de alivio de presin se pueden situar en cuatro categoras: Vlvula de alivio:Un mecanismo automtico de alivio de presin que acta por la variacin de presin corriente arriba y que abre en proporcin al incremento de presin por encima del punto de ajuste. Vlvula de seguridad:

Similar al mecanismo anterior, excepto que la vlvula posee una apertura rpida y completa, o una accin de disparo. Vlvula de seguridad alivio:

Adecuada funcin para alivio seguridad dependiendo de su aplicacin. Disco ruptura:

Un diafragma de metal instalado entre dos bridas y que se rompe a cierta presin, equivalente a la que se va proteger el sistema.

Vlvulas de Alivio de Presin



9Las vlvulas de seguridad se requieren en los recipientes y tuberas de procesos de manera de proteger al equipo de fallas en la operacin. La forma ms fcil y econmica de disponer del efluente, durante una situacin que requiere alivio, sera descargarlo a la atmsfera.

9Esto puede hacerse cuando la descarga no contiene lquidos (o no se forma ninguno por condensacin), y cuando los vapores as descargados se mezclan suficientemente bien con el aire como para estar por debajo del lmite inferior de explosividad, antes de alcanzar una fuente de ignicin.

9Esto implica que la salida de la vlvula de seguridad debe estar colocada en una posicin relativamente alta. Adems, es necesario verificar que la emisin cumpla con las normas pertinentes sobre control de contaminacin, ruido y seguridad del personal.




9La alternativa es un sistema de alivio que conduzca los vapores lejos de la planta, hasta un quemador o un punto seguro de descarga. Desde el punto de vista del proceso, debe proveerse de un cabezal de alivio. La disposicin y tamao del cabezal de alivio y el tamao de las vlvulas de seguridad forman parte del diseo.

9El diseo de las redes de alivio de las refineras es tpicamente complejo y debe ser ptimo. Esto no sucede generalmente en el caso del campo petrolero. Es una tarea difcil establecer los requerimientos de alivio que provean, un balance entre la seguridad por un lado y una inversin razonable por el otro.




9Las vlvulas de seguridad deben estar situadas cerca de los recipientes o lneas de los fluidos.

9La presin de operacin no debe exceder el 90% de la presin de ajuste.

9La presin de operacin deber ser menor del 90% de la presin de ajuste para casos de dispositivos que operan con presiones pulsantes, tales como bombas, compresores, etc. La presin de entrada debe caer 5 a 7 por ciento (mx. 10%), por debajo de la presin de ajuste antes de que la vlvula pueda cerrarse.

9Esto se llama comnmente purga (blowdown). Estas vlvulas tienen normalmente una tolerancia de 3% en la presin de ajuste. La presin de ajuste mxima, no debe exceder la presin de diseo mxima permisible, del equipo a proteger.




9Las condiciones que dictan los requerimientos de alivio son:

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

La temperatura, presin, y gravedad especfica del fluido corriente arriba de la vlvula de alivio.

El flujo del proceso.

Esquema de instrumentacin y control.

Especificaciones de tuberas y equipos.

Falla del aire de instrumentos o energa elctrica.

Mal funcionamiento de las vlvulas de control principales.




Equipos de seguridad redundantes y otros factores incorporados en el diseo, pueden aminorar la posibilidad de presentarse situaciones deemergencia.

La familiaridad con el equipo mecnico utilizado, ayuda a establecer una evaluacin realista de los requerimientos de alivio.

El diseo apropiado de las vlvulas de seguridad, cabezales, y quemadores conlleva un anlisis riguroso y puede demandar tanto juicio de ingeniera y experiencia como el diseo del reactor ms sofisticado.

9Las condiciones que dictan los requerimientos de alivio son:




El aspecto ms crtico del diseo es desarrollar un listado de contingencias bien determinadas y razonables, o emergencias probables basadas en la historia de la planta y la experiencia general.

Recoleccin de datos.

Tipos de carga:Alivio trmicas no balanceadas.Carga de alivio obstruida.Fuego.

Dispositivos de seguridad:Vlvula de seguridad.Vlvula de alivio.Vlvula de alivio y seguridad.Disco de ruptura.

Vlvulas de Alivio de Presin9Bases de Diseo



Localizacin.Posicin.Diseo de la tubera de entrada:

Cada de presinDimensionamientoPrevencin del taponamiento.Vlvulas de aislamiento.

Seleccin de descarga atmosfrica o cerrada.Aplicacin de los criterios para dirigir la descarga.Diseo de la tubera de salida con descarga a la atmsfera:

Cumplir con requerimientos de descarga a la atmsfera.Ignicin de los alivios.Elevacin de la tubera vertical de descarga.Restricciones en la tubera.Dimensionamiento.Temperatura.




Diseo de sistemas cerrados.Sistema con quemador convencional.A la atmsfera a travs de un tambor de purga para condensables.Sistemas com quemador segregados para H2S.Otros sistemas cerrados y segregados para servicios especiales.

Diseo de un sistema de alivio cerrado:Direccin de la salida del cabezal del quemador a travs del rea de procesos.Tubera de salida.Drenaje de lquidos.Expansin trmica.Temperatura.Vlvulas de aislamiento.Problemas de vibracin.




Dimensionamiento de vlvulas de seguridad para gas

Una instalacin de gas esta procesando 75 MMPCED de gas, a una presin de 1600 psig y una temperatura de 100 oF, con una gravedad especifica de 0,7785, un peso molecular de 22,55 y un factor de compresibilidad de 0,721. Calcular el tamao de la vlvula de seguridad, si el equipo a proteger tiene una presin de diseo de 1320 psi.

9Ejercicio




9Dimensionamiento de vlvulas de seguridad para gas

Para flujo sub-critico:

(735).(F2).(K).

W. T1. ZA =

PM.(P1).(P1-P2)(735).(F2).(K).

W. T1. ZA =

PM.(P1).(P1-P2)PM.(P1).(P1-P2)

Para flujo critico:

(C1).(K).(P1).(Kb).

W. T1. Z

PMA =

(C1).(K).(P1).(Kb).

W. T1. Z

PMA =




donde:A: rea del orificio, pulg2W: flujo de gas, lb/hrT1: temperatura de salida, oRZ: factor de compresibilidad a condiciones de flujo, adimensionalC1: coeficiente de calores especficos, adimensionalK: coeficiente de descarga del fabricanteP1: presin de relevo= presin de ajuste + sobrepresin + presin atmosfrica, psiaP2: presin corriente abajo de la vlvula de seguridad, psiaKb: factor de correccin de capacidad debido al backpressure, adimensionalPM: peso molecular del gas, lb/molF2: coeficiente para flujo sub-critico

9Dimensionamiento de vlvulas de seguridad para gasVlvulas de Alivio de Presin



Para conocer si el flujo es crtico o sub-crtico, se aplica que si la presin corriente abajo (p2) de la vlvula de seguridad es menor que la presin a flujo crtico, entonces el flujo a travs de la vlvula es crtico.

P2 < PCF

PCF = k

k-1P1 2k+1

PCF = k

k-1k

k-1P1 2k+1

2k+1

donde:Pcf: presin a flujo crtico, psiaP1: presin de relevo, psiaK: radio de calores especficos, adimensional




9Dimensionamiento de vlvulas para alivio de lquidosVlvulas de Alivio de Presin

Flujo Turbulento

donde:A: rea del orificio, pulg2(gpm): flujo de lquidos, gpmG: gravedad especifica del liquido, adimensionalK: coeficiente de descarga del fabricanteP: presin de ajuste, psiaPb: backpressure, psiaKw: factor de correccin debido al backpressure, adimensionalKp: factor de correccin debido al overpressure, adimensionalKv: factor de correccin debido a la viscosidad, adimensional




Flujo Laminar

donde:Re: numero de Reynolds, adimensionalA: rea de descarga preliminar, pulg2(gpm): flujo de lquidos, gpmG: gravedad especifica del liquido, adimensional: viscosidad del liquido a condiciones fluyentes, cP

Calculo por ensayo y error. Kv = 1.Se determina un A preliminar, se selecciona un A del fabricante, y se calcula Re. Con Re se determina Kv y se realiza A/Kv, y el rea corregida se compara con la seleccionada, si es mayor se repite el calculo.




Alivio Trmico

donde:B: coeficiente expansin liquido a la temperatura de alivio, 1/oFQ: calor de entrada, BTU/hr(gpm): flujo de lquidos, gpmG: gravedad especifica del liquido, adimensionalS: calor especifico, BTU/(lb oF)

Se debe tomar en cuenta la radiacin solar del rea geogrfica. Cuando se calcule el flujo de liquido, se tendr que calcular el rea requerida utilizando la ecuacin de flujo turbulento.




Mezcla de Fases

Determinar el flujo de gas y el flujo de liquido que debe ser desalojado.Calcular el orificio requerido para el alivio de gas.Calcular el orificio requerido para el alivio de liquido.Sumar las dos reas calculadas de gas y liquido, para obtener el rea total requerida.




Mezcla de Fases

Cuando el compuesto a ser desalojado es un liquido flashing, es difcil de calcular, pero se puede asumir conservadoramente que es una expansin isentalpica y que todo el vapor es formado en la vlvula, y se puede utilizar la siguiente formula:

donde:hL1: entalpa del liquido saturado a la presin corriente arriba, BTU/lbhL2: entalpa del liquido saturado a la presin corriente abajo, BTU/lbhG2: entalpa del vapor a presin corriente abajo, BTU/lb




Por Fuego

Cuando un liquido queda atrapado en equipos, la capacidad de la vlvula de alivio es igual a la cantidad de liquido vaporizado generado por la energa calrica y absorbido por el liquido.

donde:Q: calor de entrada, BTU/hrF: Factor de aislamientoAw: rea mojada del recipiente, pulg2W : flujo, lb/hrHL : calor latente del liquido expuesto al fuego, BTU/lb



Clculo de espesoresde recipientes a presin



Clculo de espesores de recipientes a presin9Generalidades

El criterio de diseo utilizado por la norma ASME Seccin VIII Div 1, establece que el espesor de pared de un recipiente a presin, deber ser tal que las tensiones generadas por la presin, no deben exceder el valor de la tensin admisible del material.

La presin de trabajo mxima permitida, estar limitada por la envolvente los cabezales y no por partes menores. Los recipientes cubiertos por la Secc. VIII Div1, sern diseados para las ms severas condiciones coincidentes de presin y temperatura previstas para las condiciones normales de operacin que le son requeridas. Consecuentemente, la presin de diseo ser la mxima de trabajo admitida por el recipiente sin que se supere la tensin admisible del material en el punto mas comprometido.

Los recipientes sometidos a presin, debern ser diseados para poder soportar las tensiones debidas a las cargas ejercidas por la presin interna externa, el peso del recipiente lleno de lquido y toda otra solicitacin que agregue tensiones sobre las partes que lo componen.



Clculo de espesores de recipientes a presin9Generalidades

En los recipientes cilndricos verticales de altura considerable, tambin debern ser verificadas las tensiones que provocan, adems de la presin, otros factores tales como las cargas excntricas, la accin del viento y las cargas ssmicas (si correspondiere); asimismo, tambin deben ser considerados el efecto de la temperatura si fuere el caso, la posibilidad de cargas de impacto, etc. El anlisis debe concentrarse en la verificacin de la condicin mas desfavorable, provocada por su efecto combinado

Ser responsabilidad del diseador establecer en funcin del fluido y del servicio, el valor que resulte apropiado para permitir una vida til razonable. Salvo casos especiales, los recipientes a presin debern ser diseados para una vida til no menor de 15 aos de operacin continuada.

Como el avance real de una posible corrosin puede responder a factores que no hayan sido previstos, para no correr riesgos, la Norma exige la realizacin del control peridico de espesores, as como tambin, y a los efectos de posibilitar el control peridico, los recipientes debern contar con aberturas de inspeccin.



Clculo de espesores de recipientes a presin9Formulas para el calculo del cuerpo cilndrico

LxLL HDP =Presin del lquido

LD PPP +=Presin total

a.CRR ic +=Radio corrodo

( )( ) a.CP.SE/PRt c += 601Esfuerzo Circunferencial (t



Clculo de espesores de recipientes a presin

( )21 tttt yaa Espesor Supuesto

))a.Ct(.R(SEtMAWP

ac

a

+= 601Esfuerzo circunferencial P1 (P




PD= Presin de diseo (psig) S= Esfuerzo Admisible del Material (psi) t= Espesor de Pared Calculado (pulg)Rc= Radio Corrodo (pulg)E= Factor de Eficiencia de la Junta C.a= Corrosin Permisible (pulg)K = Factor de Radio Esfricotsch = Espesor segn Schedule Estndar

PL = Presin del Liquido (psi)DL = Densidad del Liquido (lb/pulg3)HL = Carga Esttica del Liquido (pulg)P = Presin Total (pulg)TD = Temperatura de Diseo (F)RO = Radio Externo (pulg)Ri = Radio Interno (pulg) h = Altura del cabezal (pulg)

9Formulas para el calculo del cuerpo cilndrico




( )

+=2

2221670

)h(D.K cx

Factor de radio esfrico (K)

9Formulas para el calculo del cabezal (Elipsoidal)

LxLL HDP =Presin del lquido

LD PPP +=Presin total

a.CDD ic 2+=Dimetro corrodo

a.C)P.SE(

PKDt cmin += 202

Espesor mnimo




Espesor Asumido: Es el espesor inmediato mayor comercial, y no debe ser menor de 1/16 pulgadas.

9Formulas para el calculo del cabezal (Elipsoidal)

Mxima Presin de Trabajo Permisible (MAWP)

))a.Ct().K(KD()a.Ct(SEMAWP

ac

a

=

2102




9Ejercicio

Calcular el espesor de pared de un separador de acuerdo a los datos que se suministraran en el curso.

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