DIMENSIONAMIENTOEn el dimensionamiento de la antorcha de quemado se debe tener en cuenta varios factores, incluyendo la disponibilidad del espacio, consideraciones ocupacionales, las caractersticas del gas de la antorcha como: composicin, cantidad, nivel de presin, flujo msico, peso molecular del gas, temperatura de la llama, lmites de radiacin trmica, emisin de humo, emisin de ruido, espacio disponible para la instalacin entre otras. El diseo del tamao de las antorchas requiere la determinacin del dimetro de la boquilla de la antorcha y su altura.La presin de alimentacin es muy importante, dado que el dimetro y la altura debern ser tales, que permitan llevar el caudal de diseo al punto terminal de la antorcha para su combustin, es decir, al quemador. Tambin es importante el nivel de radiacin en el punto de referencia seleccionado, habitualmente a pie de antorcha, y que ha sido la opcin seleccionada para el diseo.Para su diseo satisfactorio se debe incluir: Provisin de un recipiente separador de los lquidos hacia la tea Seleccin del tipo de antorcha de quemado Seguro de la quema estable Supresin de la formacin de humo Control de la Generacin de humo Dimensionamiento de antorcha Control de la radiacin de calor a nivel del suelo

LNEA DE DIMENSIONAMIENTO DE LA ANTORCHA DE QUEMADO

Las lneas de brotes deben ser lo suficientemente grande como para entregar la cantidad diseo de productos aliviados sin exceder la cada de presin disponible. Cabeceras de las antorchas son dimensionadas utilizando los siguientes criterios:1. La contrapresin acumulada de la vlvula de alivio, que es la que est presente en la salida de una vlvula de alivio de presin cuando se requiere para operar no debe exceder el lmite permitido; es decir, 10 % de la presin de ajuste (psig ) para la vlvula de alivio de tipo convencional o 40-50% de la presin de ajuste ( psia ) para la vlvula de alivio de equilibrio. Eso contrapresin acumulada incluye toda la presin cae entre la vlvula de alivio y la toma de antorcha. Los efectos debidos a la contrapresin pueden incluir variaciones en la presin de apertura, la reduccin en la capacidad de flujo, la inestabilidad, o una combinacin de los tres. La excesiva contrapresin acumulada puede hacer que la vlvula funcione de manera inestable como aleteo (Flutter) o golpeteo (Chatter).2. la velocidad mxima de la lnea debe ser inferior a 60 % de la velocidad snica, recomienda el fin de 200 pies / seg3. El supuesto de isotrmica, el flujo compresible se traducir en un diseo conservador, ya que las prdidas de calor y / o la formacin de lquido reducir la cada de presin

1. PROCEDIMIENTOS DE DISEO1.1 Requerimientos de Combustible Auxiliar El dimetro de la boquilla de la antorcha es una funcin de la razn de flujo del gas venteado ms la razn de flujo del combustible auxiliar y del gas de purga. La razn del flujo del gas de purga es relativamente pequea en relacin a las razones de los flujos del gas venteado y del combustible, as que puede ser ignorado cuando se determina el dimetro de la boquilla. La razn del flujo del combustible auxiliar, en caso de que se requiera, es significativa y debe calcularse antes de que el dimetro de la boquilla. A algunas antorchas se les proporciona combustible auxiliar para quemar vapores de hidrocarburos cuando una corriente de gas con bajas concentraciones cae por debajo del rango de inflamabilidad o del poder calorfico necesario para mantener una flama estable. Tpicamente el gas natural tiene un valor calorfico neto de aproximadamente 1,000 Btu/ ft3. El control automtico del combustible auxiliar es ideal para procesos con grandes fluctuaciones en las composiciones de COV. Estas antorchas son utilizadas para la eliminacin de corrientes tales como gases residuales de azufre y de amonaco, as tambin como cualquier corriente venteada con bajo Btu.1.2 Dimetro de la Boquilla de la AntorchaSe disea el dimetro de la boquilla tpicamente en base a la velocidad, aunque la cada de presin tambin debe ser verificada. El diseo del tamao de las boquillas de la antorcha, utilizadas para cumplir con las normas ambientalesEn este punto se requiere calcular la cada de presin para asegurar que la corriente venteada tiene suficiente presin para vencer la cada de presin que ocurre a travs del sistema de la antorcha, a las condiciones de flujo mximo. El clculo de la cada de presin es especfico del sitio, pero deben tomarse en cuenta las prdidas a travs del cabezal recolector y la tubera, el cilindro separador, el sello de lquido, la chimenea, el sello de gas y finalmente la boquilla de la antorcha.1.3 Altura de la Antorcha La altura de la antorcha Se determina en base a las limitaciones a nivel del suelo de la intensidad de radiacin trmica, luminosidad, ruido, altura de las instalaciones vecinas y a la dispersin de los gases extrados. Adicionalmente, tambin se debe considerar la dispersin de la pluma en el caso de una posible falla de encendido de la emisin. El diseo del tamao de las antorchas industriales se hace normalmente para una intensidad mxima de calor de 1,500-2,000 Btu/hr-ft3 cuando la combustin en la antorcha est en su mxima capacidad de diseo. A ste nivel de intensidad de calor, los trabajadores pueden permanecer en el rea de la antorcha solamente por un tiempo limitado. Si, sin embargo, se requiere que el personal de operacin permanezca en el rea de la unidad realizando sus funciones, el nivel de diseo de radiacin recomendado, excluyendo la radiacin solar, es de 500 Btu/hr-ft3 .[1] La intensidad de la radiacin solar est en el rango de 250-330 Btu/hr-ft3 .[1] La altura de la antorcha tambin puede estar determinada por la necesidad de dispersar el gas venteado de manera segura en caso de que la flama se apague. La altura en estos casos debe basarse en el modelo de dispersin para las condiciones particulares de la instalacin y no se discute en sta seccin. La altura mnima normalmente utilizada es de 30 piesTambin se supone que la localidad donde la radiacin trmica debe limitarse est en la base de la antorcha. Por lo tanto, la distancia, L, es igual a la altura requerida para la chimenea (que es un mnimo de 30 pies).Por lo general, la fraccin de calor radiado aumenta a medida que aumenta el dimetro de la chimenea.1.4 Requerimientos del Gas de Purga El flujo volumtrico total de la flama debe ser controlado cuidadosamente para prevenir problemas de retorno de flama por bajo flujo y evitar la inestabilidad de la flama. El gas de purga, tpicamente gas natural, N2 o CO2, se usa para mantener el mnimo flujo positivo requerido a travs del sistema. Si hay la posibilidad de aire en el mltiple de la antorcha, debe usarse N2, otro gas inerte o un gas inflamable para prevenir la formacin de una mezcla explosiva en el sistema de la antorcha. Para asegurar un flujo positivo a travs de todos los componentes de la antorcha, la inyeccin de gas de purga debe hacerse en el punto ms alto en la tubera de transporte de la antorcha. El requerimiento mnimo de gas de purga continuo est determinado por el diseo de los sellos de la chimenea, los cuales son generalmente dispositivos patentados. Existe otra velocidad mnima de boquilla de la antorcha para una operacin sin retorno o instabilidad de flama. Esta velocidad mnima depende de la composicin del gas y del dimetro y puede variar desde cantidades insignificantes en antorchas pequeas hasta 0.5 ft/sec en unidades con dimetros de ms de 60 pulgadas. Tambin se requiere el gas de purga para eliminar el aire en el sistema antes del arranque y prevenir un vaco que succione el aire dentro del sistema despus de que se queme una descarga de gas caliente. (El enfriamiento de los gases dentro del sistema de antorcha puede crear un vaco.) Se supone que el consumo de gas de purga para estos usos es menor1.5 Requerimientos de Gas Para el Piloto El nmero de pilotos requerido depende del tamao de la antorcha y posiblemente de la composicin del gas de la antorcha y de las condiciones de viento. El uso del gas para el piloto es una funcin del nmero de quemadores requeridos para asegurar una ignicin positiva del gas a quemar, del diseo de los pilotos y del modo de operacin. El consumo promedio del gas para el piloto en base a un modelo de consumo eficiente de energa es de 70 ft3 /hr (para un gas tpico de1000 Btu por ft3), por quemador piloto. El nmero de quemadores pilotos, N, en base al tamao de la antorcha es:Tabla 1.1 Nmero de Quemadores Pilotos por Dimetro de Boquilla de la Antorcha

1.6 Requerimientos de VaporLos requerimientos de vapor dependen de la composicin del gas venteado que es quemado, la velocidad del vapor de la boquilla de inyeccin y el dimetro de la boquilla de la antorcha. Aunque algunos gases pueden ser quemados sin humo sin vapor, tpicamente se requieren de 0.01 a 0.6 libras de vapor por libra de gas quemado. La relacin es estimada usualmente a partir del peso molecular del gas, la relacin de carbn a hidrgeno en el gas, o si el gas es saturado o no. Una boquilla con un dimetro pequeo (menos de 24 pulgadas), puede usar vapor ms eficazmente que una boquilla de mayor dimetro para mezclar el aire en la flama y promover turbulencia. El operar una antorcha con una relacin alta de vapor-a-gas, no slo es costoso, sino que tambin resulta en una eficiencia de combustin baja y en una molestia de ruido. La capacidad de una antorcha auxiliada con vapor para quemar sin humo puede estar limitada por la cantidad de vapor disponible.Tabla 1.2 Tasas de vapor inyectado sugeridas

1.7 Cilindro Separador El cilindro separador se utiliza para remover cualquier lquido que pueda estar en la corriente venteada. Se utilizan dos tipos de cilindros: horizontal y vertical. La factibilidad econmica del diseo del recipiente influye en la seleccin entre un cilindro horizontal o uno vertical. Cuando se requiere un gran recipiente de almacenamiento de lquido, generalmente un cilindro horizontal es ms econmico. Los separadores verticales son utilizados cuando la carga de lquido es pequea, el espacio es limitado o donde se desea fcil nivel de control. Aqu se supone que no se disea el tamao del cilindro para descargas de emergencia y que el flujo del lquido es mnimo. Las antorchas diseadas para controlar corrientes venteadas continuas, tpicamente tienen separadores verticales, mientras que las antorchas de emergencias tienen recipientes horizontales. Las partculas lquidas se separarn cuando el tiempo de residencia del vapor es mayor que el tiempo requerido para recorrer la altura vertical disponible a la velocidad de cada de las partculas lquidas, v.g., la velocidad es menor que la velocidad de cada. Adems, la velocidad vertical del gas debe ser lo suficientemente baja para permitir que las gotas lquidas caigan. Puesto que las antorchas son diseadas para manejar gotas de lquido pequeas, la velocidad vertical permitida est basada en la separacin de gotas de 300 a 600 micras de dimetroUna vez que la velocidad de diseo del vapor ha sido determinada, el rea mnima de la seccin transversal del recipiente, puede ser calculada.El tamao de algunos cilindros verticales se disea como ciclones y utilizan una entrada tangencial para generar velocidades horizontales de separacin. Los recipientes verticales cuyo tamao se disea exclusivamente a velocidades de asentamiento, sern ms grandes que aquellos diseados como ciclones. El espesor del recipiente, se determina a partir del dimetro tal como se muestra en la Tabla 1.3. La altura apropiada para un recipiente, se determina generalmente en base al volumen del lquido de compensacin. Se verifica entonces la altura calculada para asegurar que la relacin altura-dimetro est dentro del rango econmico de 3 a 5. Para volmenes pequeos de lquido, como en el caso de controles continuos de COV venteados, es necesario proporcionar ms lquido de compensacin que el necesario para satisfacer la condicin de h/d > 3. Tabla 1.3 Espesor del Recipiente Basado en el Dimetro

1.8 Sistema Manejador de Gas La cada de presin total del sistema es una funcin de la presin disponible de la corriente venteada, del diseo de los diferentes componentes del sistema y de la razn de flujo del gas de la antorcha. La estimacin de los requerimientos de la cada de presin real, involucra clculos complejos basados en las propiedades especficas del gas venteado del sistema y del equipo utilizado. La cada de presin de diseo a travs de la boquilla de la antorcha puede variar de 0.1 a 2 psi con las siguientes relaciones aproximadas de cada de presin: La cada de presin total del sistema vara de cerca de 1 a 25 psi

Tabla 1.4 Prdidas de Presin de Diseo a travs de la Boquilla de la Antorcha

CLCULO1. Sistema de AlivioEl parmetro ms importante en el dimensionamiento de una vlvula de alivio de presin es el orificio de la vlvula. El dimensionamiento del orificio de una vlvula est basado en la norma API RP 520 Sizing, Selection, and Installation of Pressure - Relieving Devices in Refineries Part ISizing and Selection Para dimensionar el orificio de una vlvula de seguridad es necesario determinar el tipo de fluido a tratar (critico o subcritico). Conocida el rea de orificio de la vlvula se puede designar los tamaos estndar de los orificios y las conexiones designadas. Estos tamaos estn designados en base a las normas API-526 Flanged Steel Pressure Relief Valves y a ASME code, Section VIII.La existencia de valores normalizados de rea de orificio, tamao del cuerpo o bridas y presin nominal permiten la seleccin de la vlvula a instalar. El rea o tamao de un orificio y tamao de bridas aparecen editados en la tabla del cdigo API 520. La escala comienza en la letra D, de dimetro de orificio 0.110 pulgadas cuadradas y terminan en T de 26,0 pulgadas cuadradas. El orificio tamao D, E, y F se dan con tamaos de brida desde 1x2 pulgadas hasta 1 1/2 X 2 1/2". El tamao T, en bridas de 8 x 10 pulgadas. El rea efectiva de descarga de la vlvula se calcula dependiendo si el flujo es crtico o subcrtico, si la presin absoluta a flujo crtico (Pcf) es mayor o igual a la presin absoluta de relevo (P1), el flujo es crtico. De lo contrario es subcrtico.La presin absoluta a flujo crtico es calculada mediante la siguiente ecuacin: DondePcf = presin absoluta a flujo crtico, en psia,P1 = presin absoluta de relevo, en psia,k = relacin de calores especficos para cualquier gas ideal Cp/Cv.Para el caso de flujo crtico el rea de descarga efectiva se puede calcular mediante la siguiente ecuacin:

DondeA = rea requerida para la descarga de la vlvula, in2 W = flujo msico a travs de la vlvula, lb / h.T1=temperatura del gas a la entrada, RZ= Factor de compresibilidadKd=coeficiente efectivo de descarga (para el dimensionamiento de vlvulas nuevas se toma un valor de 0.62 segn API 520)P1 = Presin de alivio a la entrada de la vlvula (es el valor de la presin fijada a la entrada de la vlvula, ms el admisible de sobrepresin, ms la presin atmosfrica), psia.Kb = factor de correccin de la capacidad debido a la contrapresin (este factor se puede leer en la Figura conociendo la relacin entre la contrapresin y la presin con la que se va estimar la vlvula) y el porcentaje de sobrepresin (tomar el valor de 10% cuando el equipo lleva una sola vlvula y cuando lleva ms de una vlvula tomar el valor de 16%).Kc = factor de correccin de combinacin para instalaciones con un disco de ruptura aguas arriba de la vlvula de alivio de presin (tomar un valor de 1.0 cuando no se ha instalado un disco de ruptura, 0,9 cuando un disco de ruptura se instala en combinacin con una vlvula de alivio de presin y la combinacin no tiene un valor publicado).M = peso molecular del gas o vapor. C = coeficiente determinado por la relacin de los calores especficos (k = CP / CV) de gas o vapor a las condiciones estndar (esta valor se obtiene mediante la siguiente ecuacin)

Unidades de C1

Cuando el tipo de flujo es subcrtico el rea de descarga efectiva de la vlvula se puede calcular mediante la siguiente ecuacin.

DondeA= rea requerida para la descarga de la vlvula (in2)W= flujo msico (lb/h)T1=temperatura del gas a la entrada, RZ= Factor de compresibilidadKd=coeficiente efectivo de descarga (para el dimensionamiento de vlvulas nuevas se toma un valor de 0.62 segn API 520)P1 = Presin de alivio a la entrada de la vlvula (es el valor de la presin fijada a la entrada de la vlvula, ms el admisible de sobrepresin, ms la presin atmosfrica), psia.Kc = factor de correccin de combinacin para instalaciones con un disco de ruptura aguas arriba de la vlvula de alivio de presin (tomar un valor de 1.0 cuando no se ha instalado un disco de ruptura, 0,9 cuando un disco de ruptura se instala en combinacin con una vlvula de alivio de presin y la combinacin no tiene un valor publicado).M = peso molecular del gas o vapor. F2=coeficiente de flujo subcritico (valor ledo en la figura conocida el porcentaje de sobrepresin y la relacin PB/PSP2=contrapresin.

Tamao estandar de orificio y conexiones para vlvulas de alivioLos tamaos de orificio y de las conexiones de las vlvulas de alivio de presin estan estandarizados en base a ASME Code, Section VIII.En la siguiente se muestran los tamaos de orificio y de conexiones estandar segn API y ASMEFigura B2 Orificios y tamaos de conexiones para vlvulas de alivio de presin

Dimensionamiento de la Tea: El diseo de la tea est definido en base a la radiacin originada por la llama y por la dispersin de contaminantes presentes en el gas. La quema sin humo es un requerimiento para la operacin de una tea siempre y cuando la tea este quemando frecuentemente, se emplean diferentes fluidos de servicio para mejorar la mezcla combustin, aire y gas como son vapor de agua el cual es inyectado por las boquillas, agua por medio de aspersores ubicados en la punta de la tea, aire inyectado a travs de un soplador centrifugo. El uso de estos servicios depende de la disponibilidad y de un balance de costos operativos y de instalacin. Debido a que la estacin compresora maneja un flujo muy grande debe operar continuamente y por el gran volumen de gas para la cual est diseada se emplea gas natural como medio de asistencia. Calculo del dimetro de la TeaEl dimetro de la tea se puede calcular usando la siguiente ecuacin:

Dnde:qm= flujo msico expresado en lb/hZ= factor de compresibilidad del gasT= temperatura absoluta en RM= peso molecular del gas Ma= nmero de Mach es el porcentaje de la velocidad del sonido al cual va el gas est en un rango entre 0,2 a 0,5.P=presin a la que se encuentra la tea en psiad=dimetro de la tea en ft

Calculo del calor liberado.

Calculo de la longitud de la llamaLa longitud de la llama vara en funcin de la velocidad de emisin y de la cantidad de calor liberado en la combustin.

Calculo de la distorsin de la llama causada por el vientoEl viento causa que la llama se incline en la direccin que sople este. Para determinar la distorsin de la llama se usa la Figura E2, cuyas curvas relacionan el alcance horizontal X/L y la elevacin vertical Y/L. Estos valores se pueden leer de la grfica usando el factor U/Uj el cual es la relacin entre la velocidad lateral del viento y la velocidad de salida del gas y multiplicndolo por la longitud de la llama. La velocidad de salida del gas se calcula mediante la siguiente ecuacin:

Dnde:Qa=flujo a condiciones normales en ft3/sd=dimetro de la tea

Dnde:X: U/Uj Y: X/L Y/LCalculo de la distancia DLa distancia D es la distancia exigida entre la localizacin de un venteo atmosfrico en combustin y un punto que est expuesto a la radiacin trmica emitida por la tea. Esta distancia se puede calcular mediante la siguiente ecuacin:

Dnde:D: distancia mnima entre el punto medio de la llama y el punto u objeto considerado, ft.F: fraccin de calor irradiado (emisividad).Q: calor liberado en la combustin de la antorcha, Btu/hK: radiacin permisible en el punto considerado, Btu/h*ft2Tabla E1 Fraccin de calor irradiado para diferentes gases

GAS

Dimetro del quemador (cm)Fraccin de calor irradiado

Hidrogeno0.510.095

0.910.091

1.900.097

4.10.111

8.400.158

20.300.0154

40.600.169

Butano0.510.215

0.910.253

1.900.286

4.10.285

8.400.291

20.300.280

40.600.2999

Metano0.510.103

0.910.116

1.900.160

4.10.161

8.400.147

Gas natural (95% de metano)20.300.192

40.600.232

Estos valores representan la fraccin de calor emitido como radiacin mxima, supuestas unas condiciones de combustin prcticamente ideales. Puesto que estas condiciones raramente se cumplen, el empleo en el diseo de valores de F aproximadamente 2/3 de los citados supone una mayor aproximacin a lo que debe ocurrir en la prctica.La intensidad del calor radiante generado por la flama y la distancia requerida de la base del quemador al punto en el cual se requiera tener la intensidad de radiacin mxima permisible para el diseo de la tea.Tabla E2: Niveles de radiacin permisible para el diseoExposicinIntensidad de radiacin Btu/h*ft2

Exposicin prolongada del personal500

Exposicin en un intervalo de tiempo corto del personal que trabaja en el rea.1500

Exposicin del personal, equipado con ropa apropiada, efectuando acciones de emergencia que no duran ms de un minuto.2000

Exposicin de equipo (tanques, unidad de encendido remoto)3000

Exposicin de estructuras y reas donde no hay personal trabajando.5000

El nivel de radiacin permisible depende del tiempo de exposicin del personal, por lo tanto se debe considerar el tiempo en que las personas se percatan de una situacin de emergencia y el tiempo que tardan para ponerse a salvo.Intensidad Btu/h*ft2Umbral del dolor (s)Ampollamiento (s)

55060______

150016______

2000820

De acuerdo con la tabla 5 se puede emplear como diseo un valor de K=500 Btu/ h*ft2 ya que este valor representa la mxima intensidad de calor radiante en cualquier lugar donde el personal con una ropa adecuada puede estar expuesto continuamente.Calculo de la altura de la antorchaLa determinacin de la altura de la antorcha se encuentra calculada de acuerdo a la Figura E3.Figura E3: Dimensiones para el clculo de la altura de la antorcha

Dnde:1: Direccin del vientoPara calcular la altura de la tea se puede seguir el procedimiento empleado segn la seccin 6.4.2.3 del api 521 como se muestra a continuacin.Calcular la distancia horizontal de la llama al punto de referencia ( R )

Conocido el valor de R y usando el teorema de Pitgoras se puede calcular la distancia vertical de la llama a la de la base de la tea H

Como se observa en la figura la altura de la tea se puede calcular haciendo la diferencia entre la distancia vertical de la llama a la base de la tea y la elevacin vertical de la llama.

BIBLIOGRAFA http://repositorio.uis.edu.co/jspui/bitstream/123456789/6552/2/132342.pdf http://e-archivo.uc3m.es/bitstream/handle/10016/10817/PFC_David_Gomez_Fernandez.pdf?sequence=1 http://www.epa.gov/ttncatc1/dir2/cs3-2ch1-s.pdf Norma API RP 520 Parte I (2000) Norma API RP 520 Parte II (1994) Norma API RP 521 (1997) Norma API RP 537 Details for General Refinery and Petrochemical Service