Diseños sistemas desvio y alivio

DISEÑO SISTEMAS DE ALIVIO,

DESVIO Y DESPRESURIZACIÓN

JUNIO 2010

JUNIO 2010

PROCESOFLARE

ALIMENTACIÓN

SDV 01

PC

V01

CABEZAL DE DESVIO

PSV 01

CS

O

CSO

PSV 02

CS

O

CSO

SALIDA DE PROCESO

SDV 02

BDV 01

CABEZAL DE ALIVIO / DESPRESURIZACIÓN

KOD

FO

SISTEMAS DE ALIVIO, DESVIO Y DESPRESURIZACIÓN

CAUSAS QUE CONLLEVAN A SOBREPRESIÓN EN PROCESOS

Fuego externo.

Salida bloqueada de equipos.

Falla de lazo de control.

Falla mecánica de válvulas de control (nivel, presión, flujo).

Rotura de tubos en intercambiadores de calor de tubo y carcasa.

Expansión térmica de fluido confinado.

Falla del reflujo de torre de fraccionamiento.

Sobrellenado de líquido de recipientes y tanques de almacenaje.

Error Humano.

Reacciones químicas.

Gas Blowby.


TIPOS DE VÁLVULAS DE ALIVIO

Convencional

-. Válvula de seguridad cargada por resorte

- .Guiada por el tope

-. De alto levantamiento

-. El resorte es usualmente externo y empotrado en un bonete

-. La cámara del bonete se ventea a través de un pasaje interno a la salida de la válvula

De fuelle balanceado

-. Para contrapresiones superimpuestas variables.

-. Tolera una contrapresión más alta que lo que puede soportar una válvula convencional.-. Utilizadas donde el servicio es sucio y corrosivo.-. Pueden ser usadas para vapores o líquidos hasta unauna contrapresión máxima (superimpuesta más acumulada) de hasta 50% de la presión de ajuste.


TIPOS DE VÁLVULAS DE ALIVIO

Operadas por piloto

- .Utilizadas en servicios limpios y a bajas presiones.

-. También son utilizadas cuando se requieren grandes áreas de alivio a elevadas presiones de ajuste.

-. Pueden ser usadas para vapores o líquidos hasta unauna contrapresión máxima (superimpuesta más acumulada) de hasta 50% de la presión de ajuste-. No son recomendados para servicios expuestos a ensuciamiento u obstrucciones, debido a que pueden taparse la válvula piloto.

-. Puede operar en la cercanía de su punto de ajuste y permanece cerrada sin el menor escape de presión hasta que la presión de entrada alcanza la presión de ajuste.


PREMISAS Y CRITERIOS PARA EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE DESVÍO Y ALIVIO Y/O DESPRESURIZACIÓN

PREMISAS:

El sistema de Desvío y Alivio y/o Despresurización de una Planta debe estar conformado por:

1.- Un cabezal de desvío con capacidad para manejar todo el gas que procesa la planta

y transferirlo hacia quema segura (Mechurrio), en caso de incendio.

2.- Un cabezal de recolección de gas de todas las válvulas de alivio que protegen a los

equipos, y eventualmente el gas generado por la despresurización de equipos y tuberías

también por efecto de cualquier incendio.

3.- Un despojador de líquido (KOD).

4.- Un Mechurrio para la quema segura del gas bajo cualquier evento de contingencia .

Se debe conocer si existe contrapresión superpuesta constante o variable en el sistema. Para el caso de contrapresión constante, verificar si esta es mayor del 10% de la menor presión de ajuste de las válvulas de alivio.

.



CONTINUACIÓN PREMISAS:

Para el dimensionamiento de las válvula de alivio de presión se considera la contingencia que genera el mayor flujo másico, de acuerdo al análisis de contingencias realizado a la planta.

Dependiendo de la contrapresión superpuesta existente, se seleccionará el tipo de válvula de alivio de presión. Contrapresión superpuesta constante ó una contrapresión generada por la apertura de la válvula de alivio menor al 10% de su presión de ajuste, se seleccionará una válvula de alivio de tipo convencional. En caso contrario, se debe seleccionar una válvula de alivio balanceada.

.



CRITERIOS DE DISEÑO:

Válvulas de Alivio de Presión (PSV):

1.- Se dimensionan para las contingencias de salida bloqueada y presencia de fuego en

equipos y tuberías con paredes húmedas o secas, según sea el caso ó cualquier otra

contingencia predominante. Para intercambiadores de calor tubo y carcasa, sólo se

considera instalación de PSV, en caso que la relación presión de diseño de la

carcasa/presión de diseño de tubos sea menor de 2/3.

2.- Para válvulas de tipo convencional, la máxima contrapresión permisible al abrir la

válvula será del 10% de su presión de ajuste.

3.- Para válvulas de tipo balanceadas, la máxima contrapresión permisible al abrir la

válvula estará comprendida en el rango 40-50% de su presión de ajuste.

4.- Para todos los tipos de válvulas de alivio, la sobrepresión permisible será del 10% de

su presión de ajuste en caso de no haber presencia de fuego, y en caso de haberlo será

de 21%.



CONTINUACIÓN CRITERIOS DE DISEÑO: Válvulas de Alivio de Presión (PSV):

5.- El diámetro de la tubería entre la brida del recipiente a proteger y la brida de la

válvula de alivio, debe ser tal que la caída de presión sea menor o igual al 3% de la

presión de ajuste de la válvula.

6.- El área mínima requerida por la válvula de alivio para manejar el caudal de fluido

generado por la contingencia predominante, se calculará aplicando las ecuaciones

recomendadas por la Norma API-520 para flujo sónico ó subsónico, el que aplique de

acuerdo al siguiente criterio: Si la presión de alivio es mayor que la contrapresión el

flujo es Sónico y si la presión de alivio es menor que la contrapresión el flujo es

Subsónico.

7.- Dimensionamiento válvula de alivio para flujo sónico.

8.- Dimensionamiento válvula de alivio para flujo subsónico.



CONTINUACIÓN CRITERIOS DE DISEÑO: Cabezal de Desvío, Alivio y/o Despresurización:

1.- Para estimar el diámetro del cabezal de Desvío se fija la presión máxima requerida

en la base del Mechurrio (psig) y mediante la Simulación Hidráulica se calcula la presión

con la cual deben salir el flujo a desviar aguas abajo de la válvula de control de presión

PCV.

2.- Para dimensionar el cabezal de alivio, se considera como criterio que la

contrapresión total para el diámetro supuesto del cabezal, cuando cualquiera de las

válvulas de alivio abra, debe ser menor al 10% de la menor presión de ajuste de las

válvulas que descargan a dicho cabezal (Caso de válvulas de alivio convencionales) o

menor al 50% de la menor presión de ajuste de las válvulas balanceadas que descargan

al cabezal.

3.- La máxima velocidad permisible para el gas en el cabezal de desvío y alivio debe ser

menor o igual al 70% Mach.



CONTINUACIÓN CRITERIOS DE DISEÑO:

Cabezal de Desvío y Alivio y/o Despresurización:

4.- Debido a que las contingencias de alivio y despresurización no pueden ocurrir

simultáneamente, el cabezal de alivio también será utilizado para la despresurización de

la planta, en el caso de presencia de fuego en la misma ó para sacar de servicio

cualquier equipo y tuberías asociadas.

5.- En el caso de fuego, se debe garantizar mediante un arreglo de válvula Blow-Down –

Orificio de restricción, una despresurización controlada del sistema, de tal forma de ir

desde la condición inicial de presión hasta el 50% de la presión de diseño ó 100 psig, la

que sea menor, en un tiempo menor o igual a 15 minutos (API-RP-521). Se debe

verificar si con el caudal Instantáneo generado en la despresurización, la velocidad del

gas en el cabezal no excede el 70% Mach.




Despojador de Liquido (KOD):

1.- El KOD debe ser ubicado en los límites de la zona estéril del Mechurrio (1500 BTU/h-

pie2), por lo tanto se debe definir previamente la altura, el diámetro y la distancia

horizontal segura del Mechurrio (440 BTU/h-pie2, considerando 300 BTU/h-pie2 de

radiación solar), mediante el estudio de Radiación del Mechurrio.

2.- Una vez ubicado el KOD, su presión de operación será definida por la hidráulica del

sistema de alivio, fijando la máxima presión requerida en el Mechurrio, el máximo caudal

de alivio o el caudal instantáneo de despresurización, el que sea mayor.

3.- El tamaño de partícula de la gota de liquido en suspensión en la fase gaseosa que se

considera para el dimensionamiento del KOD es de 400 micrones (recomendación

Norma API-RP-521 300-500 micrones).

4.- La relación L/D debe ser mayor o igual a 2,5 y menor o igual a 6.





5.- El tiempo de residencia del gas en el KOD debe ser mayor al tiempo que necesita la

gota de líquido para salir de la fase gaseosa.

6.- La longitud mínima del KOD, será igual al producto de la velocidad del gas (pie/s) x

tiempo de sedimentación de la gota de liquido (s).

7.- El nivel máximo de liquido permisible en el KOD será igual a 1/3 Di del mismo.

8.- El tiempo mínimo de residencia del líquido debe ser igual a 20 minutos.

9.- El volumen de líquido adicional desde proceso a ser manejado por el KOD está

limitado a 500 gal.

10.- Se recomienda que la válvula control de nivel de líquido en el KOD sean ON-OFF.





11.- Se recomienda la utilización de bombas centrífugas para desalojar el líquido del

KOD, estando una bomba en operación y la otra de respaldo. Es conveniente que esta

última sea accionada por una fuente de energía diferente a la de la bomba principal.

12.- Se recomienda que el tiempo de desalojo del líquido del KOD no sea mayor a 5-10

minutos, para ir desde el nivel alto de líquido (NAL) hasta el nivel bajo de líquido (NBL).




Mechurrio (Flare):

1.- La ubicación del Mechurrio con respecto a procesos y terceros debe ser tal que se

garantice la distancia horizontal segura donde la Radiación tiene un valor de 440 BTU/h-

pie2, incluyendo la radiación solar con un valor de 300 BTU/h-pie2.

2.- Para la estimación del diámetro de la Estaca, se utilizará la ecuación 23 página 58

definida en la Norma API-RP-521 para número de Mach entre 0,2-0,5 (Mechurrio

subsónico), el primer valor para quemas frecuentes y el segundo valor para quemas

eventuales.

3.- La altura de la Estaca se estimará considerando una radiación en la base del

Mechurrio de 1200 BTU/h-pie2, sin incluir la radiación solar.

4.- La fracción de calor radiada por la llama debe ser menor o igual a 0,3 (API-RP-521).




Mechurrio (Flare):

5.- La máxima caída de presión total en el Mechurrio (Estaca+Tip) debe ser menor o

igual a 6 psi.

6.- La velocidad del viento a considerar debe ser por lo menos el 80% de la velocidad

predominante del viento durante el año, así como la dirección predominante del viento.

7.- La presión en la base del mechurrio depende del tipo de mechurrio empleado. Para

sónicos, se considera una presión entre 50-60 psig; para subsónicos entre 5-15 psig.

8.- Los niveles de ruido permisibles a 100 pies deben ser menores o igual a 100 Dc.


DEFINICIONES ASOCIADAS LAS PSV

Contrapresión acumulada: Incremento en la presión en el cabezal de descarga, la cual

se genera después que un dispositivo de alivio de presión abre.

Contrapresión superimpuesta: Presión estática existente a la salida de un dispositivo de

alivio de presión al momento de su apertura. Esta contrapresión proviene de otras fuentes y

puede ser constante o variable.

VÁLVULAS CONVENCIONALES

Contrapresión superimpuesta Constante: El efecto de la contrapresión constante en una

válvula convencional, antes que la válvula abra, es incrementar la presión a la cual la válvula

abre en una cantidad igual a la contrapresión.

Contrapresión superimpuesta Variable: Cuando la contrapresión superimpuesta es

variable, la presión a la cual la válvula abre, cambiará a medida que la contrapresión cambia.

Esta variación de presiones de apertura podrían salirse de los límites tolerables para válvulas

convencionales. Por esta razón, generalmente se recomienda una válvula balanceada para

aplicaciones donde la contrapresión superimpuesta sea variable.


FACTORES DE CORRECCIÓN DE CAPACIDAD DE LAS PSV

Efecto de la contrapresión acumulada en la operación de la válvula: Para una válvula

convencional, este efecto se traduce en reducir rápidamente las fuerzas de empuje para

mantener la válvula abierta. La contrapresión, en estas condiciones, esta limitada al 10% de

la presión de ajuste o al CDTP (Presión de ajuste-contrapresión), la que sea menor.

Efecto de la contrapresión superimpusta en la operación de la válvula: Para una

válvula convencional, un factor de corrección de flujo puede ser requerido para calcular el

tamaño de la válvula.

Gases y Vapores

Si la contrapresión en la válvula excede la presión de flujo crítico (55% de la presión de

alivio absoluta), el factor de corrección de flujo Kb debe ser aplicado (figura 35, pág 49,

API RP-521 ). Si la contrapresión es menor que la presión de flujo crítico, no se requiere

factor de corrección (Kb=1).

Líquidos

En caso de válvulas convencionales para servicios de líquidos, no se requiere factor de

corrección (Kw=1).


FACTORES DE CORRECCIÓN DE CAPACIDAD DE LAS PSV

VÁLVULAS BALANCEADAS

Contrapresión superimpuesta Constante o Variable: Puesto que el área efectiva del

pistón es equivalente al área del asiento, la presión de ajuste de la válvula no se ve afectada

por la contrapresión.

Contrapresión acumulada o Superimpuesta Constante o Variable: El efecto de la

contrapresión en una válvula de alivio balanceada que está abierta y aliviando es reducir

gradualmente las fuerzas de empuje. El efecto en la capacidad de alivio de la válvula por este

comportamiento característico se debe tomar en consideración. Para calcular el tamaño del

orifico requerido de la válvula, se debe usar un factor de corrección de capacidad de flujo

para la máxima contrapresión total (contrapresión acumulada + la contrapresión

superimpuesta) esperada.

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