Sistemas de Alivio

PDVSA N° TITULO

REV. FECHA DESCRIPCION PAG. REV. APROB. APROB.

APROB. FECHAAPROB.FECHA

VOLUMEN 17

� PDVSA, 1983

90616.1.022 SISTEMAS DE ALIVIO

APROBADA

José Gilarranz Eduardo SantamaríaJUN.90 AGO.90

GUIA DE INGENIERIA

AGO.900 21 J.S.

MANUAL DE INGENIERIA DE DISEÑO

ESPECIALISTAS

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SISTEMAS DE ALIVIO AGO.900

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.Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

Indice1 GENERAL 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 REFERENCIAS 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 OBSERVACIONES 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 DISCUSIONES 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 REQUERIMIENTOS DE ALIVIO 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 LINEAS DE ALIVIO 13. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3 Dimensionamiento del Tamaño de Cabezales de alivio 13. . . . . . . . . . . . . . .

7 VALVULAS DE ALIVIO Y SEGURIDAD 18. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

http://www.intevep.pdv.com/santp

http://www.intevep.pdv.com/santp/mid/indice_mid.htm

http://www.intevep.pdv.com/santp/mid/vol17/indice_vol17.htm

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1 GENERALEsta Guía de Ingeniería contiene recomendaciones que establecen criterios paradeterminar el tamaño de las válvulas de seguridad y líneas de alivio.

2 REFERENCIASLas siguientes referencias se citan en esta guía o son de interés general en eldiseño de sistemas de alivio:

2.1 API RP 520, Prácticas Recomendadas para el Diseño e Instalación de Sistemasde Alivio de Presión en Refinerías. Parte 1 – Diseño, Ultima Edición.

2.2 API RP 521, Guía para Sistemas de Alivio de Presión y Despresurización, UltimaEdición.

2.3 ASME Código de Calderas y Recipientes a Presión, Sección VIII, Recipientes aPresión, Ultima Edición.

2.4 Guía 90616.1.024, “Determinación de Tamaño de Línea de Proceso”.

2.5 Guía 90616.1.021, “Sistemas de Mechurrios”.

2.6 Jenkins, J.H., Kelley, P.E., Cobb, C.B., “Diseño para un Mejor Alivio y Seguridad”,Hydrocarbon Processing (Agosto 1977).

2.7 Klooster, H.J., et al, “Optimizando el Diseño de Sistemas de Alivio y Mechurrio”,Chem. Eng. Proc., Vol. 71, N° 1, p. 39–43 (Enero 1975).

2.8 Lawley, H.G., y Kletz, T.A., “Sistemas de Disparo por Alta Presión para Protecciónde Recipientes”, Chem. Eng. 81–88 (Mayo 12, 1975).

2.9 Lurden, D.E., “Requerimientos para Descarga Segura a la Atmósfera, deHidrocarburos”, Proc. API, Div. de Refinación, Vol. 43 (111), Ultima Edición.

2.10 Natural Gas Processors Suppliers Association (NGPSA) “Manual de Datos deIngeniería”, Ultima Edición.




http://www.intevep.pdv.com/~citonline/espanol/cat_norm_inter_frame.htm

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2.11 Simon, H., y Thomson, S.J., “Optimización de Sistemas de Alivio”, Chem. Eng.Prog., Vol. 68, N° 5, p.52–58 (Mayo 1972).

2.12 Normas API 526. Ultima Edición

3 OBSERVACIONESEsta Guía trata solamente de las válvulas de seguridad y líneas de alivio. Parasistemas de mechurrios véase guía PDVSA 90616.1.021 y API RP521; paradetalles de recipientes separadores véase el Manual de Diseño de Proceso dePDVSA.

El alivio de presión deberá cumplir con todas las normas locales y nacionales.Además, las instalaciones para alivio de presión deberán cumplir con lasrecomendaciones dadas en API–RP 520 y API RP–521.

4 DISCUSIONES

4.1 Las válvulas de seguridad se requieren en los recipientes de proceso por unaserie de razones. La forma más fácil y económica de disponer del efluente,durante una situación que requiere alivio, sería descargarlo a la atmósfera. Estopuede hacerse cuando la descarga no contiene líquidos (o no se forma ningunopor condensación), y cuando los vapores así descargados se mezclansuficientemente bien con el aire como para estar por debajo del límite inferior deexplosividad, antes de alcanzar una fuente de ignición. Esto implica que la salidade la válvula de seguridad debe estar colocada en una posición relativamentealta. Además, es necesario verificar que la emisión cumpla con las normaspertinentes sobre control de contaminación, ruido y seguridad del personal.

4.2 La alternativa es un sistema de alivio que conduzca los vapores lejos de la planta,hasta un mechurrio o un punto seguro de descarga. Desde el punto de vista delproceso, debe proveerse de un cabezal de alivio. La disposición y tamaño delcabezal de alivio y el tamaño de las válvulas de seguridad forman parte deldiseño.

4.3 El diseño de las redes de alivio de las refinerías es típicamente complejo y debeser óptimo. Esto no sucede generalmente en el caso del campo petrolero. Es unatarea difícil establecer los requerimientos de alivio que provean, un balance entrela seguridad por un lado y una inversión razonable por el otro.

4.4 Las válvulas de seguridad deben estar situadas cerca de los recipientes o líneasde vapor a ser protegidos. Una excepción notable es la ubicación de las válvulastérmicas de alivio en los cabezales de producción de petróleo.




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4.5 La presión de operación no debe exceder el 90% de la presión de ajuste. Lapresión de operación deberá ser menor del 90% de la presión de ajuste paracasos de dispositivos que operan con presiones pulsantes, tales como bombas,compresores, etc. La presión de entrada debe caer 5 a 7 por ciento (máx. 10%en relación con la tolerancia del punto de ajuste) por debajo de la presión deajuste antes de que la válvula pueda cerrarse. Esto se llama comúnmente “purga”(“blowdown”). Estas válvulas tienen normalmente una tolerancia de � 3% en lapresión de ajuste. La presión de ajuste máxima, no debe exceder la presión deoperación máxima permisible, del equipo a proteger.

5 REQUERIMIENTOS DE ALIVIO

5.1 Las condiciones que dictan los requerimientos de alivio son simplemente:

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

5.1.2 La temperatura, presión, y gravedad específica del fluido aguas arriba de laválvula de alivio.

Las presiones son generalmente fijadas por otros, de acuerdo a las normas. Unparámetro importante en el dimensionamiento de sistemas de alivio es lacontrapresión, como se discute más adelante.

5.2 API RP 520 muestra muchas de las condiciones limitantes que pueden dictar losrequerimientos de alivio. Una lectura cuidadosa de este material hace evidenteque el diseñador del sistema de alivio debe tener una comprensión completa delproceso. Para el diseño se necesitan las hojas de flujo de proceso/mecánicopreliminares a fin de estudiar:

5.2.1 El flujo del proceso.

5.2.2 Esquema de instrumentación y de control.

5.2.3 Especificaciones de tuberías y recipientes.

5.3 Con estos datos a mano, el diseñador puede hacerse una idea de las diferentesemergencias que puedan presentarse y sus consecuencias. Los problemas másfrecuentemente considerados son:

5.3.1 Falla del aire de instrumentos o energía eléctrica.

5.3.2 Mal funcionamiento de las válvulas de control principales.

5.4 Equipos de seguridad redundantes y otros factores incorporados en el diseño,pueden aminorar la posibilidad de presentarse situaciones de emergencia (Veareferencias 2.7 y 2.8).




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5.5 La familiaridad con el equipo mecánico utilizado, ayuda a establecer unaevaluación realista de los requerimientos de alivio. Por ejemplo, a pesar delhecho de que ciertas válvulas están diseñadas a prueba de fallas, puedentrabarse mecánicamente en una emergencia. Así, la línea de un pozo podríadirigirse a un separador de gas–petróleo con la válvula de descarga de crudocerrada. Tal condición debe ser considerada en el dimensionamiento de lasválvulas de alivio para separadores gas–petróleo.

5.6 El diseño apropiado de las válvulas de seguridad, cabezales, y mechurriosconlleva un análisis riguroso y puede demandar tanto juicio de ingeniería yexperiencia como el diseño del reactor más sofisticado. Tal análisis, no sóloprotegerá las unidades de procesamiento y la salud y seguridad del personal deoperaciones, sino que puede reducir substancialmente el costo del equiporequerido. Un sistema de “seguridad” no demanda necesariamente grandescabezales y mechurrios, sino más bien el equipo adecuado en los lugaresapropiados.

5.6.1 Bases de Diseño

El aspecto más crítico del diseño es desarrollar un listado de contingencias biendeterminadas y razonables, o emergencias probables basadas en la historia dela planta y la experiencia general. Del mismo modo que un arquitecto diseña unedificio para cargas de viento específicas, factores sísmicos y condiciones desuelo, el diseño de seguridad debe determinar cuales emergencias tienen unaposibilidad razonable de ocurrir y cuales emergencias son virtualmenteimposibles. Un diseñador quien simplemente supone que todas las válvulas dealivio se abrirán simultíneamente, podría terminar con un sistemasobre–diseñado.

5.6.2 Recolección de Datos

Primero, todos los datos de diseño relativos al equipo deben ser listados. Estosincluyen:

– Diágramas de flujo de proceso con tasas, temperaturas, presiones,composiciones y propiedades físicas;

– Diagramas de flujo mecánico;

– Presión máxima de trabajo permisible (PMTP) y condiciones de diseño paratodos los equipos y bosquejos mostrando alturas de las faldas, dimensiones,especificaciones de aislamiento, etc.;

– Hojas de datos de intercambiadores y hornos;

– Planos de ubicación de equipos y planos de la(s) planta(s);

– Características de bombas y compresores.




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Se puede requerir además especificaciones para válvulas de control críticas,dibujos de distribución eléctrica y ubicación con respecto a plantas y equiposvecinos.

5.6.3 Lista de Contingencias

A continuación, se desarrolla una lista de contingencias mostrando todas lascausas potenciales de sobrepresión en la unidad. Además de las emergenciasnormales de la planta, tales como falla eléctrica o de agua de enfriamiento, unodebe estar consciente de las contingencias especiales que pueden ser únicaspara una unidad en particular, tales como la pérdida de control de un reactor.

5.6.4 Análisis de Unidad Individual

El siguiente paso en el procedimiento para el diseño de alivio y seguridad, esanalizar las unidades individualmente para determinar cómo reaccionarán bajocondiciones de emergencia. Cada pieza de equipo que puede generar un vaporo líquido, bajo cualquiera de las contingencias, debe ser analizada. Aún cuandoeste análisis no sea detallado, ninguna carga es demasiado pequeña para no serconsiderada.

Un accidente fatal fue causado en una refinería de la Gulf Coast cuando unintercambiador de calor fue bloqueado del lado de los tubos, mientras el mediode calentamiento circulaba en el lado de la carcaza. La expansión térmica dellíquido ocasionó la explosión del cabezal, matando un hombre e hiriendo a otros.El desastre pudo haberse prevenido con una simple válvula de alivio de 19,1 mmx 19, 1 mm (3/4 pulg. x 3/4 pulg.).

5.6.5 Tipos de Carga

El cálculo de las cargas de alivio no es un simple ejercicio. En general, los cálculoscaen dentro de tres clases:

a. Cargas de Alivio térmicas No Balanceadas

Un ejemplo clásico de una carga térmica no balanceada sería una falla de aguade enfriamiento en una columna separadora propano–propileno. Como elrehervidor continuará generando vapores mientras el condensador no puedecondensar, la columna aumentará su presión y deberá aliviar. La tasa de alivio,sin embargo, no es necesariamente igual a la tasa de vapores del rehervidor quecontinúa en operación. más bien, la carga de alivio debe ser calculada para laspeores condiciones de alivio. El efecto de la presión aumentada, limita la fuerzatérmica impulsora ( t) en el rehervidor y baja la tasa de alivio. En algunascolumnas, este efecto puede reducir la tasa de alivio calculada a una fracción dela tasa normal de vapor.




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b. Cargas de Alivio Obstruidas

El cierre inadvertido de la salida de una unidad que esté siendo alimentada ócalentada, generará frecuentemente una carga de alivio. De nuevo, esimportante calcular la carga de alivio en condiciones de alivio. Por ejemplo, alobstruirse el lado de vapor del separador de alta presión en una planta de gas,se formará una carga de vapor de alivio desde el rehervidor de la columna y elcompresor, simultíneamente. En lugar de combinar las tasas de operación, eldiseñador deberá consultar la curva del compresor de gas para determinar la tasareal del compresor a la presión de alivio y luego agregar la carga térmica nobalanceada desde el separador.

c. Fuego

La carga por fuego se define como la cantidad de vapor que puede ser generadapor un fuego directamente debajo del recipiente. Los cálculos están basados enla geometría y aislamiento de la unidad. No se puede suponer que el aislamientoreduzca las cargas por fuego a menos que pueda soportar el choque directo dela llama y no pueda ser destruído por chorros de agua contra incendio a altapresión. No se permite reducción de carga para poliuretano, a menos que éstehaya sido protegido contra el fuego por un escudo exterior.

El diseñador debe considerar las cargas calculadas como una buenaaproximación, pero no como un valor absoluto. Aún cuando es posible definir másexactamente las cargas de alivio, analizando la operación a condiciones de alivio,es imposible predecir exactamente cómo reaccionará una unidad bajocondiciones de emergencia.

Válvulas de alivio deberán instalarse en los equipos que contengan líquidos (porej., recipientes, columnas y sedimentadores) si pueden suceder las siguientescircunstancias:

a. El equipo esté situado en un área donde pueda ocurrir un incendio grande.

b. El equipo en consideración puede ser obstruído mientras la unidad continúa enoperación.

5.6.6 Dispositivos de Seguridad

Los dispositivos de alivio y seguridad usados normalmente son:

a. Una válvula de alivio, que es un dispositivo de alivio automático de presión,activada por la presión estética aguas arriba de la válvula, la cual se abre enproporción al aumento de presión por encima de la presión de ajuste. Una válvulade alivio, se usa principalmente para manejar líquidos.

b. Una válvula de seguridad, se usa normalmente en servicio de gas y vapor ó enservicio de aire y vapor de agua. Es un dispositivo de alivio automático de presión,activada por la presión estética aguas arriba de la válvula y caracterizada por unaapertura rápida completa ó acción de disparo.




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c. Una válvula de alivio y seguridad que se utiliza normalmente en servicio de gaso líquido, es un dispositivo automático de alivio de presión, apropiado para usobien sea, como válvula de seguridad ó como válvula de alivio, dependiendo desu aplicación.

d. Un disco de ruptura es un dispositivo que se acciona por la presión estética deentrada y está diseñado para funcionar por rotura de un disco retenedor depresión. El disco, el cual está generalmente ensamblado entre bridas, puedeestar hecho de metal, plástico u otros materiales. está diseñado para soportarpresiones hasta un nivel especificado, a la cual el disco se romperá y aliviará lapresión del sistema a proteger.

Al calcular cargas de alivio, no debe tomarse en cuenta la existencia de cualquiersistema de seguridad, tal como suiches de paro o válvulas solenoide.

Como regla general, el diseñador debe suponer que todos los dispositivos deseguridad adicionales, que deben efectuar una acción positiva para prevenir lasobrepresión (por ejemplo, el cierre de una válvula o el paro de una bomba),fallarán. Sin embargo, si la acción positiva de un dispositivo de seguridadadicional aumentara la carga de alivio, el diseñador debe suponer que funcionarádebidamente.

Un ejemplo de esto sería una turbina de repuesto con arranque automáticoacoplada a la bomba de carga de un horno rehervidor. Puesto que una falla deenergía pararía una bomba eléctrica, la carga de la columna bajaría. Sinembargo, si la turbina de repuesto arranca debidamente, habría recirculación enel rehervidor y la carga a aliviar de vapor aumentaría. Aún cuando parecedemasiado conservador suponer que varios dispositivos de paro fallaránsimultáneamente, debe tomarse en cuenta que la mayoría de las válvulas de paroy solenoides podrían pasar años desatendidos y estár sujetos a corrosión y contendencia a pegarse.

5.6.7 Dimensionamiento de la válvula

Después de calculadas las cargas de vapor de cada unidad para las diferentescontingencias de diseño, pueden seleccionarse las válvulas de alivio y seguridadindividuales.

5.6.8 Análisis de Fallas Simultáneas

Una vez determinado el tamaño de las válvulas y calculadas las cargas de aliviopara todas las contingencias, se dimensiona el sistema de cabezal y mechurrio.No es razonable sumar la carga máxima de cada unidad, y luego dimensionar eltamaño del cabezal para la carga total. De igual manera que el arquitecto noplanifica para un huracán al mismo tiempo que un terremoto, el diseñador deseguridad supone que sólo una cosa irá mal a la vez.




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Es importante notar, sin embargo, que una falla puede provocar otra, así quedebe hacerse un análisis para determinar cómo se relacionan las unidades unacon otra. Por ejemplo, una falla eléctrica puede causar una falla total de agua deenfriamiento si las bombas de circulación son eléctricas. Si, por otro lado, el aguade enfriamiento se suministra por dos bombas en paralelo, una accionada pormotor eléctrico y la otra por turbina, una falla instantánea total de agua deenfriamiento no se considera normalmente una contingencia válida. Paracualquier contigencia que causaría la pérdida de una bomba, se supone 40–50por ciento de falla de carga de agua de enfriamiento.

5.6.9 Zonas de Incendio

En lugar de sumar todas las cargas por fuego para obtener la carga total de vaporcausada por un incendio, la planta se divide en áreas separadas o “Zonas deIncendio”. No es necesario calcular el tamaño del cabezal para un incendio quese extienda a varias zonas, ya que un incendio de tal magnitud destruiríasuficiente tubería de proceso como para evitar el exceso de presión y explosiónde los recipientes. Las zonas de fuego tienen generalmente 230 m2 (2.500 pies2),pero pueden limitarse por diques o sistemas que eviten la extensión de unincendio.

5.6.10 Venteo a la Atmósfera

Uno de los métodos más antiguos y simples de reducir las dimensionesrequeridas del cabezal y mechurrio es ventear los hidrocarburos livianos a laatmósfera en condiciones de emergencia. Sin embargo, antes de diseñar unsistema con venteo atmosférico, debe cumplirse con varios criterios:

a. Que el venteo de emergencia de hidrocarburos está permitido por normaslocales. En primer lugar el diseñador debe consultar a las agencias locales deprotección contra contaminación ambiental para averiguar si está permitido elventeo de hidrocarburos no tóxicos. Aún cuando algunos lugares exigen quecualquier hidrocarburo aliviado está contenido en un cabezal cerrado, otroslugares permiten el venteo atmosférico en condiciones de emergencia. No sepermite el alivio al ambiente de líquidos, excepto agua. La concentración delproducto aliviado fuera de los linderos de la propiedad, no debe causar un olorpenetrante ni irritación.

b. Que los hidrocarburos no representen una amenaza de fuego. El vapor debe seraliviado a la elevación más alta posible y a la máxima velocidad. Modelos dedispersión en el aire, similares a los utilizados en contaminación, pueden usarsepara estar seguros de que los niveles de hidrocarburos están dentro de los límitesde explosividad antes de llegar a nivel del suelo o acercarse a calentadoresencendidos. Debido a que tales modelos computarizados raramente toman encuenta las corrientes de aire hacia arriba y hacia abajo y la geometría de laparcela, debe tomarse un margen de seguridad. La posibilidad de que la corriente




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venteada se incendie debe ser considerada, en cuyo caso la radiación de calor,a las plataformas de operación vecinas no debe exceder 5400 kcal/m2hr (2000BTU/hr–pie2), para no causar daños a las estructuras más cercanas.

Los tubos de salida de venteos deberán tener conexiones para mangueras devapor para la extinción de la llama, si fuere necesario.

La velocidad a la salida del venteo no deberá ser menor de 150m/seg (500pies/seg) a plena capacidad y los tubos de salida de venteos no deberán tenerun diámetro menor que el de la salida de la válvula de alivio y deberán sersoportados adecuadamente contra las fuerzas de reacción.

c. Que el nivel de ruido a nivel del suelo no sea excesivo durante el venteo. Las altasvelocidades necesarias para la dispersión adecuada de los hidrocarburos en laatmósfera, causan también un ruido considerable de alta frecuencia. Aislando elcabezal de salida se puede reducir substancialmente este problema.

d. Que las válvulas no tengan fugas. Algunas compañías instalan discos de rupturadebajo de las válvulas de seguridad para garantizar que no ocurra una fugacontínua. Los discos de ruptura precombados no deben usarse, ya que tiendena fragmentarse y podrían obstruir la válvula de seguridad. Se recomienda el usode discos, que al actuar se cortan por hojas estacionarias.

Si se usa un disco de ruptura en combinación con una válvula de seguridad/alivio,se proveerá un indicador de presión precedido por una válvula de bloqueo entreel disco de ruptura y la válvula de seguridad/alivio, para verificar la calibración deldisco si fuere necesario.

Sólo se permitirán válvulas de cierre aguas arriba de las válvulas deseguridad/alivio, si el reemplazo de una válvula de seguridad/alivio puede causarpérdidas inaceptables de producción, trastornos operacionales o contaminaciónambiental, en cuyo caso una segunda conexión (reserva) para la instalación deuna válvula de seguridad/alivio deberá proveerse.

Las válvulas de cierre deberán estar provistas de sistemas de bloqueo concandado.

En algunos lugares, las compañías deben reportar cualquier venteo atmosféricode emergencia a las oficinas de control de contaminación ambiental, de modoque toda la estrategia se ve en peligro si las “emergencias” son demasiadofrecuentes. Un alto porcentaje de estas emisiones pueden eliminarse instalandouna segunda válvula de seguridad, más pequeña, calculando su tamaño para10–20 por ciento de la carga total. La presión de ajuste para esta válvula es variaslibras menor y su descarga será hacia un sistema cerrado. así la mayoría de lostrastornos menores se enviarán al sistema cerrado y la válvula que descarga ala atmósfera sólo se abrirá bajo condiciones realmente catastróficas.

a. Dimensionamiento del Cabezal y Mechurrio. Los resultados de los análisis de lasinstalaciones propuestas (diseño) deben tabularse para determinar la tasa de




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contingencia del diseño y caracterásticas del gas a ventear, (peso molecular ytemperatura). Para determinar el tamaño del cabezal principal y líneas, loscálculos de caída de presión deben hacerse desde la boquilla del mechurrio haciaatrás. El cabezal debe tener un tamaño tal, que la contrapresión acumulada enel cabezal, sea menor que la contrapresión más baja permisible de cada válvulade seguridad conectada al cabezal.

Se han logrado mejoras importantes en el diseño de mechurrios en los últimosaños. Antes, la tasa máxima de gases hasta el mechurrio estaba limitada aaproximadamente 60 m/seg. (200 pies/segundo) para la mayoría de los gases.A velocidades más altas, el gas combustible no era mezclado suficientementecon el oxígeno cerca de la boquilla y la llama podría levantarse o Aún apagarse.Dada esta limitación, se requerían mechurrios muy grandes para las cargas degas de bajo peso molecular. Los adelantos en el diseño de la boquilla permitenahora una buena mezcla y combustión estable a velocidades mucho mayores.Es importante notar, sin embargo, que la caída de presión en la boquilla puedeestar limitada por razones de contrapresión. Los vendedores de mechurriospueden suministrar información adicional sobre la caída de presión y velocidadesmáximas.

b. Tanques Separadores y Sellos. Se recomienda un tanque separador en la líneaal mechurrio a fin de recoger cualquier líquido que llegue al cabezal. Paramezclas de peso molecular más alto, se puede instalar un tanque decondensación con un enfriador interno, en el cual una porción del vapor escondensado y recuperado en él. El volumen de vapor que iría al mechurrio sereduce, aminorando asi los requerimientos de cabezal y mechurrio. En sistemasgrandes, que sirven a muchas unidades, es a menudo más económico instalarcapacidad de sobrecarga en exceso y recuperar los gases y líquidos. En laliteratura hay referencias completas sobre los diferentes tipos y tamaños detanques.

Los separadores deben diseñarse en base a la máxima cantidad de vapor amanejar. La selección entre un tanque horizontal o uno vertical, estará basadaen consideraciones económicas, tomando en cuenta la inclinación requerida delcabezal del mechurrio. El volumen de líquido en el tanque entre el nivel máximoy el mínimo debe diseñarse para contener la cantidad máxima de líquidodescargado durante 15 minutos.




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También se recomienda proveer una forma de sellar el mechurrio desde elcabezal ya que el enfriamiento en el cabezal después de una descarga, puedesuccionar aire dentro del sistema de alivio. Hay varios sistemas de sello:

Tanque de Sello Hidráulico: El método más antiguo de sellado, emplea un tanqueparcialmente lleno de agua, con la línea de entrada de vapor sumergida en elseno del líquido.

Sello Molecular: Este sello está diseñado con dos curvas de 180° para efectuarel sellado. El sello molecular requiere una pequeña purga de gas.

Sellos de Gas de Purga: En el pasado, muchas unidades estaban selladas através de un flujo contínuo de gas de purga hacia el mechurrio. Se requiere unavelocidad de purga de 0,3–1 m/seg (1–3 pies/seg). En vista del alto costo de laenergía, un sistema de gas de purga sencillo, sin un sello complementario, no eseconómico y raramente se usa hoy día.

Sellos Internos: Actualmente varios suplidores ofrecen un sello estacionario querequiere una pequeña purga de gas, la cual mantiene el aire fuera del mechurrio.Debido a que la tasa de gas de purga es pequeña, éste no es suficiente paraigualar la presión del cabezal después de una descarga. Tales unidades debenusarse junto con un sistema de control para aumentar la tasa de gas de purga amedida que se enfría el cabezal.

No se permiten partes móviles dentro del cabezal del mechurrio, de modo queno se permite ningún tipo de válvula de retención para sellar.

a. Disposición de líquidos

Los líquidos deberán ser descargados preferiblemente al mismo sistema delíneas de la planta, siempre y cuando las válvulas de alivio del sistema receptorpuedan manejar la carga adicional. Si esto no es posible, los líquidos deberán serdescargados en el sistema principal de alivio ó en un sistema de alivio separadocon un recipiente recolector, que tenga un venteo apropiado. Nunca envielíquidos a un mechurrio elevado, sólo podrán quemarse en fosas apropiadas. Lascorrientes que contengan sulfuros nunca deberán descargar al drenaje comúnde la planta.

Los líquidos que contengan componentes que no permiten la separación porgravedad, ó agentes emulsificadores, ó químicos agotados que tiendan a flocularal diluirse no deberán descargarse en drenajes con petróleo.

Diferentes situaciones de alivio exigen diferentes requerimientos. Para el diseñodebe escogerse el peor de los casos.

El diseñador de sistemas de alivio debe estar familiarizado con las Normas APIRP 520.




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6 LINEAS DE ALIVIO

6.1 Después de establecer los requerimientos de alivio, se puede diseñar el sistemade alivio. Este diseño puede variar entre una designación vaga de unos cuantospies de línea hasta dibujos preliminares. En el último caso, los accesorios seconvertirán en tramos rectos de tubo equivalente para llegar a un requerimientototal de presión necesaria.

Toda la tubería de entrada y salida hacia y desde válvulas de seguridad/ alivio ydespresurización deberá ser de acero, y deberá estar diseñada y soportada ental forma que cualquier carga excesiva debida a expansión térmica ó contracción,y fuerza de reacción, pueda ser manejada.

Los lazos de expansión deberán estar en un plano horizontal para evitaracumulación de líquidos.

6.2 El diseño inicial de un sistema de alivio debe ser verificado, después que losplanos detallados están disponibles, para asegurar que sea el adecuado.

El dimensionamiento del diámetro de la línea de alivio, se hará en forma tal quepermita una tasa de flujo máxima a través de la línea, con la presión disponiblea la salida de la válvula de alivio. El final de la línea estará a presión atmosféricamás la pérdida de presión de salida ó la presión de flujo crítico, cualquiera seamayor.

6.3 Dimensionamiento del Tamaño de Cabezales de alivioLos tamaños de las líneas al mechurrio deben ser tales que permitan la operaciónsimultínea de todas las válvulas de alivio conectadas a estas líneas a lascapacidades de diseño, cuando descarguen en el sistema. (Vea figura 1.).

A menos que consideraciones especiales indiquen otra cosa, las válvulas dealivio se dimensionan normalmente para una presión de salida o contrapresiónmenor que la presión de flujo crítico (el factor limitante en el flujo a través deorificios ó boquillas). Esto asegura tasas de alivio constantes para las válvulas dealivio sin importar la presión de salida, mientras la contrapresión no exceda lapresión crítica.

NOTA:

La tasa de flujo de gas a través de un orificio o boquilla es solamente una función de la presiónde entrada siempre y cuando la contrapresión sea igual ó menor que la presión de flujo crítico. Paracontrapresiones mayores que la crítica, la tasa de flujo del gas disminuye con un aumento en lacontrapresión. La presión de flujo crítico es ligeramente mayor que la mitad de la presión deentrada para gases con relaciones de calor específico menores de 1,4. La siguiente fórmularelaciona la presión de flujo crítico Pc, con la presión de entrada Pi, para un flujo a través de unorificio o boquilla:




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PcPi

� � 2k � 1

�k�(k–1)

donde k es la relación de calores específicos Cp

Cv

Para dimensionar las líneas en un sistema de mechurrio, se debe conocer elnúmero de válvulas de alivio conectadas al sistema, la longitud (longitudequivalente) de cada línea, la presión de ajuste y la capacidad de flujo de cadaválvula de alivio. Usando las fórmulas de flujo de gas, tales como la de Weymouth,se hacen los cálculos de caida de presión en base a tamaños supuestos de línea;luego se determina la presión de la línea aguas abajo de cada válvula de alivio,empezando por el extremo del cabezal principal (en la chimenea del mechurrio)donde la presión es atmosférica o crítica (cualquiera sea mayor), y sumando cadacaida de presión calculada; después se hacen los ajustes en el tamaño supuestode la línea si fuera necesario, para mantener estas presiones calculadas pordebajo de la presión de flujo crítico para cada válvula de alivio.

NOTA:

La presión de flujo crítico al final de una línea Pc (la cual no es igual a la presión de flujo críticoque limita el flujo a través de orificios), es generalmente atmosférica, y es dada por la siguientefórmula:

Pc � 2, 02 VD2

TGk (k � 1)�

Pc = presión crítica, lppca,

V = volumen de gas en el final de la línea del mechurrio, MMPCN/D

D = diámetro interno del tubo, en pulgadas,

T = temperatura absoluta (°F + 460),

G = gravedad específica del gas con respecto al aire,

k= relación de calores específicos, Cp

Cv

NOTA:

Esta es una ecuación empírica y las unidades deben ser del sistema Inglés. No se permite usarunidades S.I.

6.3.1 Primer Ensayo de Dimensionamiento de Línea

Líneas que conectan válvulas de alivio al cabezal principal: Use los mismostamaños que la salida de las válvulas de alivio.

Cabezal principal de alivio: Suponga 8 pulgadas.




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6.3.2 Presión Final al Extremo del Cabezal de Alivio

Calcule la “presión crítica al final de la tubería”.

Pc � 2, 02 6564

599 x 0, 7951, 22 (1, 22 � 1)

� � 27, 2

Use presión terminal: 27 lppca.

6.3.3 Caídas de presión a lo largo del cabezal de alivio.

Use fórmula de Weymouth:

Tramode Línea

MMPCN/D Gr.Esp.

T(1) ID Longitud P21 – P2

2P2

LPPCP2

2 P21

P1LPPC

Pc(2)LPPC

C–D 65 0,795 599 8” 400’ 9800 27 730 10530

B–C 60 0,775 585 8” 100’ 2020 10530 12550

A–B 30 0,86 560 8” 100’ 520 12550 13070

C1–C 5 1,04 760 4” 100’ 970 10530 11500 107 75

B1–B 30 0,69 610 6” 100’ 2020 12550 14570 121 200

A1–B 30 0,86 560 6” 100’ 2320 13070 15390 124 200

1. La disminución de temperatura debida a la expansión a través de la válvula de alivio, no se tomaen cuenta.

2. Presión crítica aproximada aguas abajo de la válvula de alivio.

6.3.4 Ajuste de Dimensiones de Líneas

La contrapresión en la válvula de alivio C1 (véase Figura 1.), calculada arriba, esmayor que la presión crítica. Aumente el diámetro del tramo CD del cabezal de8 pulgadas a 10 pulgadas y disminuya el diámetro del tramo AC de 8 pulgadasa 6 pulgadas. Vuelva a calcular la contrapresión en las válvulas de alivio paraasegurarse que sean menores que las presiones críticas correspondientes.

6.4 Al tratarse de líneas de alivio, definimos tres tipos de contrapresión (la presión enel lado de descarga de una válvula de alivio y seguridad):

6.4.1 CONTRAPRESION ACUMULADA es la contrapresión variable desarrolladacomo un resultado del flujo en la línea de alivio.

6.4.2 CONTRAPRESION SUPERIMPUESTA es la contrapresión inicial ANTES deabrirse la válvula, causada por la descarga de otras válvulas al mismo cabezal.

6.4.3 CONTRAPRESION CONSTANTE es una contrapresión NO VARIABLE, creadapor la succión de un compresor o equipo similar (no es un caso muy común).

6.5 El Ingeniero de proceso debe interactuar con el ingeniero de instrumentos en laselección de las válvulas de alivio y seguridad por las siguientes razones:




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6.5.1 PRIMERO, el TIPO de la válvula de alivio de seguridad afecta el tamaño de lalínea y las condiciones de alivio. Hay tres tipos básicos: convencional, fuellesequilibrados, y accionada por piloto.

Cada tipo tiene diferentes caracterásticas operacionales. El ingeniero de procesoDEBE estar seguro que exista compatibilidad entre el tipo de válvula especificadoy el supuesto en los cálculos de diseño.

La presión de ajuste de una válvula de alivio y seguridad convencional con unbonete no venteado aumenta con una contrapresión superimpuesta. Asi, si unaválvula alivia en un cabezal común, la presión de ajuste de todas las otrasválvulas de tipo convencional se cambia dependiendo del tipo de construcción delbonete. Este hecho puede ser importante en el diseño del sistema. El punto deajuste de una válvula de alivio de fuelle equilibrado no es afectado por lacontrapresión superimpuesta, a menos que haya sido dañada, entonces actúacomo una válvula convencional. El punto de ajuste de una válvula de alivio yseguridad accionada por piloto debidamente instalada tampoco se afecta por unacontrapresión superimpuesta. Los bonetes venteados y válvulas pilotoventeadas externamente pueden requerir un sistema de venteo separado.

La capacidad de alivio de los distintos tipos de válvulas está afectada por lapresión acumulada como se resume abajo. Supongamos que no varáe la presiónde ajuste, consideramos la presión de alivio igual a 100% de la presión de ajustede diseño. El diseñador de líneas de alivio debe tomar en cuenta la manera comola contrapresión afecta un sistema de alivio.

a. Válvulas de Alivio y Seguridad Convencionales

En una válvula de alivio y seguridad convencional, la presión de entrada actúacontra un resorte que cierra la válvula, y la contrapresión en la salida de la válvulacambiará la presión a la cual se abriria la válvula. (Ver Figura 2.).

En Servicios para Gas – La contrapresión acumulada mayor que 10% de lapresión de alivio, hace que la válvula se cierre (para sobrepresión del 10%). Paraválvulas convencionales no use contrapresiones acumuladas mayores del 10%de la presión de alivio.

Servicio para líquido – La acumulación de contrapresión disminuye la capacidady eventualmente el flujo se detiene, sin cambio de presión de ajuste. No useacumulación de contrapresión mayor del 10% para válvulas convencionales.




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b. Válvulas de Seguridad y Alivio Equilibradas

En una válvula con fuelles equilibrados, el área efectiva de los fuelles es la mismaque el área del asiento de la boquilla y se evita la acción de la contrapresión sobrela parte superior del disco; asi la válvula se abre a la misma presión de entradaaún cuando la contrapresión puede variar. (Ver Figura 2.).

Servicio para Gas – Refiérase a los boletines del Fabricante. La capacidadmáxima se mantiene hasta a contrapresiones de un 30–50% de la presión deajuste, reduciendo su capacidad a contrapresiones más altas.

Servicio para líquido – La acumulación de contrapresión reduce el flujo, peromenos que en el caso de válvulas convencionales. Refiérase a los boletines delfabricante.

c. Válvulas de Seguridad y Alivio Accionadas por Piloto

Una válvula de alivio y seguridad accionada por piloto es un dispositivo queconsiste de dos partes principales, una válvula principal y un piloto. La presiónde entrada actúa sobre el tope del pistón de la válvula principal, con mayor áreaexpuesta a la presión sobre el tope del pistón que sobre el fondo; la presión, noun resorte, sostiene cerrada la válvula principal. A la presión de ajuste, el pilotose abre, reduciendo la presión sobre el tope del pistón y la válvula se abre porcompleto. (Ver Figura 3.).

Para uso a presiones de ajuste extremadamente bajas existen válvulas de alivioy seguridad accionadas por piloto, con diafragmas livianos sin fricción, en lugarde los pistones pesados.

Servicio para Gas – El efecto aquí será el mismo que para una válvulaconvencional con contrapresión CONSTANTE. No presentan reducción en lacapacidad hasta contrapresiones de 55% de la presión de ajuste; luego lareducción en capacidad es gradual.

Servicio para líquido – Reducción gradual debido a que hay caída reducida depresión disponible. Vea las fórmulas de tamaño del fabricante. Reducción muchomenor que la convencional y sin cierre como tal.

6.5.2 SEGUNDO, las válvulas deben especificarse de acuerdo a la CLASIFICACIONDE PRESION. Tanto la presión de entrada como la contrapresión deben tomarseen consideración debido a que las clasificaciones de presión de las bridas sondiferentes para los dos lados. Todas las válvulas de alivio y seguridad deben tenerconecciones bridadas de entrada y salida de 300 ANSI–RF y 150 ANSI–RFrespectivamente, a menos que el servicio requiera una clasificación mayor o untipo de brida diferente. La clasificación de presión de los fuelles debe serconsiderada en una válvula con fuelles. Nótese que la contrapresión para eldiseño es la más alta posible en la línea de alivio si hay más de una válvula dealivio y seguridad conectada. La Norma 526 de API muestra todas las




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clasificaciones de presión permisibles para válvulas convencionales. Veatambién los boletines de los Fabricantes. Las válvulas de bronce, permitidas paraservicio acuoso solamente, pueden tener conexiones bridadas roscadas.

Para la mayoría de las aplicaciones se recomienda la válvula de fuelle, sinembargo, de uso más frecuente son las válvulas de seguridad y alivioconvencionales. Se necesitan inspecciones y pruebas periódicas para asegurarque cualquier sistema de alivio y seguridad es confiable, especialmente elsistema de válvulas con fuelles. Las válvulas de fuelle equilibrado no debenutilizarse para servicios que involucren materiales con puntos de fluidez porencima de la temperatura ambiente más baja (por ej. materiales que tengancera), o cuando puede esperarse la formación de coque; en tales casos sólo seusarán válvulas equilibradas con un pistón.

Las válvulas actuadas por piloto pueden ser ventajosas. En algunos procesos,una válvula accionada por piloto será más pequeña que una válvula de resorte.Las válvulas accionadas por pilotos no se recomiendan cuando pueden formarsehidratos en la válvula del piloto o cuando otro material extraño pueda acumularsey hacer inoperativo al piloto. Para más seguridad puede usarse filtros en la líneade suministro al piloto. Algunos clientes requieren dar su aprobación antes deusar válvulas accionadas por pilotos.

7 VALVULAS DE ALIVIO Y SEGURIDADLa determinación del tamaño de la válvula de alivio está descrita en los boletinesde los Fabricantes y en el Libro de Datos de Ingeniería NGPSA. Hay dos casosbásicos de diseño: líquido y vapor. Estos deben ser distinguidos principalmenteporque para aliviar 100% de flujo de líquido se requiere 25% de sobrepresión,mientras que para alivio de vapor sólo se requiere 10%. La mayoría de lossistemas de alivio y seguridad de líquidos de proceso se ajustan normalmente a10% de sobrepresión, lo que significa que las válvulas para líquidos funcionan a60% de su carrera (la carrera total ocurre a 25% de sobre–presión). Parecerazonable que sólo se requerirá 10% de sobrepresión para obtener el flujo total,en caso de alivio de dos fases (gas–líquido).

Como regla general se usará más de una válvula si se requiere un área mayorde 167,7 cm2 (26 pulg2). Los materiales de las válvulas deben ser apropiadospara las temperaturas de entrada y salida que pueden resultar en condicionesextremas de operación y emergencia.




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Fig 1.




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VALVULA CONVENCIONAL VALVULA CON FUELLES EQUILIBRADOS

Fig 2.




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ASIENTO DE VALVULAPRINCIPAL

VALVULAPRINCIPAL

RESORTE DE RETORNO

CUBIERTA DELPILOTO

AJUSTE DEPURGA

AJUSTE DE PUNTOOPERACION

PILOTO SIN FLUJO

VALVULA OPERADA POR PILOTO

GUIA

DISCO

BOQUILLA

Fig 3.




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