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7/21/2019 Romero Hidalgo Ignacio Ramon 1
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REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD DEL
ZULIA
FACULTAD DE INGENIERA
ESCUELA DE PETRLEO
MARACAIBO
DISEO DE UN SISTEMA DE SEGURIDAD
PARA
EQUIPOS SOMETIDOS
A PRESIN EN LA INDUSTRIA DE
LOS
HIDROCARBUROS
TRABAJO ESPECIAL DE
ASCENSO
PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE UNIVERSIDAD
DEL
ZULIA
PARAOPTAR A
LA
CATEGORA DE
PROFESOR TITULAR
Ing. Ignacio Romero Hidalgo, MSc
Maracaibo, mayo de 2010
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Romero Hidalgo, Ignacio Ramn.
Diseo
de
un
sistema de seguridad
para
equipos
sometidos
a presin
en
la
industria de
los
hidrocarburos . (2010)
Trabajo
de Ascenso. Universidad del Zulia. Facultad
de Ingeniera. Maracaibo, Venezuela. Tutor: Prof. Marcas Martnez.
RESUMEN
El propsito
del
presente Trabajo de Grado fue estimar las dimensiones de
un sistema
de
alivio y venteo de tanques
de
propano, n-butano e iso-butano
empleando
la
ecuacin
de Panhandle A, estimar las
dimensiones de
un
mechurrio vertical. Para lograrlo
se dispuso
de
informacin
suministrada por
t rabajadores de un proceso de fraccionamiento en el oriente del pas, tal
como
la
cromatografa
de los
productos,
las
presiones
de venteo, entre
otros.
Palabras Clave: Cabezal principal, contrapresin, alivio, mechurr io,
cromatografa.
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Romero Hidalgo, Ignacio Ramn.
Designing a security system for
equipment subject
to
pressure
in
the hydrocarbon industry
. (2009)
Trabajo de Ascenso. Universidad del Zulia. Facultad de Ingeniera.
Maracaibo, Venezuela. Tutor: Prof. Marcas Martnez.
ABSTRACT
The purpose of this job was to estmate the size grade of a system of relief
and venting of tanks of propane, n-butane and iso-butane using
the
Panhandle A equation to estmate
the
dimensions of a vertical burner. To
ach ieve thi s information
was
availabie workers supplied by
a
fractionation
process in
the
east of
the
country, such as chromatography products, vent
pressures, among others.
Key
words:
Main
head, back pressure, relief, burner, chromatography.
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DEDICATOR IA
A
Dios
y a m familia
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AGRADECIMIENTOS
A Dios todopoderoso por
ser
mi fuerza espiritual para llegar a feliz trmino
en
el
desarrollo de este trabajo.
A todas aquellas personas, empresas e instituciones
que
facilitaron la
informacin y sus conocimientos para llevar a cabo esta labor.
A mi familia por comprender y creer en la realizacin de este trabajo como
parte del bienestar familiar.
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LISTA DE
CONTENIDO
Pgina
RESUMEN
3
ABSTRACT 4
DEDICATORIA 5
AGRADECIMIENTO
6
TABLA DE CONTENIDO
7
LISTA DE FIGURAS
8
CAPTULOS
I INTRODUCCIN 9
II EL PROBLEMA... 10
III MARCO TERICO 13
IV MARCO METODOLGICO 52
V ANLISIS DE LOS RESULTADOS 55
CONCLUSIONES 65
RECOMENDACIONES 66
REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
67
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LISTA DE
FIGURAS
Figura Pgina
1 Esquema de clculos
generados
59
2
Comportamiento del
MCp en la corriente final
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CAPITULO
I
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La industria de los hidrocarburos
procesa
los fluidos provenientes de los
yacimientos
y
que
los
pozos
con
las
lneas de flujo
conducen hasta las
estaciones de
flujo. En
estas
instalaciones recolectoras se dividen las
corrientes
en
gas, petrleo y agua o lquido
en
general.
El
gas sigue un
recorrido
siguiendo
en
un
gasoducto hasta
la
planta
compresora, desde
donde
se distribuye para levantamiento artificial por
gas,
para extraccin de
lquidos y
para
los
diferentes sitios donde se
le
dar
utilidad, esto es,
petroqumica,
uso
domestico, deshidratacin, endulzamiento,
entre
otros
procesos.
El
petrleo sigue el recorrido del patio
de
tanques, refinera y
puerto de
embarque
para exportacin.
Las
plantas de fraccionamiento
procesan los lquidos del gas natural extrados previamente. En una planta
de fraccionamiento
se
dispone de
torres
despropanizadoras,
desbutanizadoras,
des-isobutanizadoras, entre otras.
En
las
plantas
de
fraccionamiento
se
dispone adems, de arreglos de intercambiadores de
calor que provocan el enfriamiento necesario
para
luego ser enviados a los
tanques
de
almacenamiento,
donde,
alcanzan las condiciones de presin y
temperaturas adecuadas.
La
generacin
de
vapores acumulados
en el tope
de
los tanques de
almacenamiento
a mayor
temperatura
son recuperados med iante
sistemas
de
compresin.
Cuando
las
cantidades sobrepasan la capacidad de
diseo de
compresin estos
son
desviados hasta el mechurrio. El sistema de
seguridad
deber estar
formado por
un cabezal
que permita
el
manejo de
los
gases
generados
por alta presin
en
los tanques de almacenamiento. Estos
vapores
son
dirigidos al
cabezal
por
medio
de
las vlvulas
de
control
de
10
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presin. La corriente de gas recolectada
en
el cabezal principal ser llevada a
un recipiente de venteo llamado KOD, el cual permite
extraer
los lquidos que
se puedan formar. Posteriormente, estos
gases
se envan hacia un
mechurr io .
Los
s is temas de seguridad
instalados en los s is temas de
almacenamiento de
productos fraccionados
de
los lquidos del
gas
natural, requieren
de
un
diseo y una evaluacin ya que estas plantas se someten a distintas
variaciones en sus condiciones de
operacin.
Actualmente existe
una
gran
variedad de
aplicaciones computacionales
que
modelan
sistemas
de seguridad
en
equipos
sometidos
a presurizacin, sin
embargo, deben existir programas con mayor accesibilidad hacia los
estudiantes de la Escuela de Ingeniera de Petrleo y otras instituciones, tal
que se
puedan
usar
las
ecuaciones de
flujo
en los diferentes desarrollos
matemticos
para el diseo.
FORMULACIN
DEL
PROBLEMA
Se podr desarrollar un diseo de un
sistema
de seguridad
en equipos
sometidos
a presin para instalaciones
de
la industria
de los hidrocarburos
gaseosos?
OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIN
General
Disear un sistema
de
seguridad
en
equipos sometidos a presin en la
industria de los hidrocarburos.
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Especficos
> Describir las
caractersticas
de
los
fluidos
manejados
en el
proceso.
> Determinar las cargas
de
alivio generadas en el proceso tomando
en consideracin un proceso de la
industria
de los
hidrocarburos.
>
Dimensionar
las
lneas de
alivio, el cabezal principal y el
mechurr io
a utilizar.
JUSTIFICACIN
El
desarrollo
de elementos propios de
una operacin
unitaria que conlleve a
asegurar su operatividad en el tiempo sin que este conlleve a prdida de
vidas humanas
y materiales, hace
necesaria
el
planteamiento de
una
metodologa
para
el
diseo oportuno
de sistemas de
seguridad en plantas,
estaciones
e
instalaciones en general
en la
industria de los hidrocarburos.
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CAPITULO
I I I
FUNDAMENTOS
TERICOS
Anteceden tes
Carrillo
(2009),
en
su
publicacin
titulada
Estimacin de
vapores
de
venteo para tanques de
almacenamiento
en estaciones
de
flujo ,
seala
el desarrollo
de
una metodologa para el clculo de la cantidad de
vapores venteados
en tanques
de
las estaciones
de flujo y plantea
una
metodologa para el
dimensionamiento de
cabezales
de
alivio. Las
soluciones
obtenidas se compararon
con
soluciones disponibles,
obtenindose resultados
satisfactorios.
Los dispositivos de alivio
de
presin
son
elementos utilizados en
cualquier recipiente
que contenga gases
o lquidos a presiones
mayores
a la
atmosfrica que evitan
que el
recipiente sufra roturas ante
elevaciones excesivas
de
presin.
Estos elementos de seguridad son comnmente usados en cualquier
recipiente a presin,
pueden
ser encontradas en equipos
de
la industria
qumica,
de
alimentos, de
gas,
petrleo, energa, etc. o en elementos de
uso domstico, como por ejemplo los
calefactores
de agua elctricos.
Su
funcin
es
proteger
a los
distintos
equipos
(recipientes,
intercambiadores
de calor, bombas,
compresores,
etc.) ante
un elevado
aumento de presin, generalmente
debido
a una falla
en
el proceso.
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Actan liberando el fluido (lquido o gas)
que
circula o se
almacena
en el
equipo protegido, ya sea a la atmsfera o a un
cao
o recipiente
colector
especialmente
diseado para ta l funcin.
Se
pueden hallar varios tipos
de
dispositivos: vlvulas
de
seguridad
(en
ingls:
pressure safety
valve, o PSV), vlvulas rompevaco, discos de
ruptura (o RD, del ingls
rupture
disk).
Como regla general el dispositivo
debe
actuar, o sea, permitir la salida
del fluido del
recipiente,
a una
presin
inferior a la de falla
del
recipiente. Tambin
deben
permitir
el pasa je de un caudal
de
fluido
ta l
que asegure el descenso inmediato de la presin en el recipiente en
cualquier condicin de funcionamiento del sistema de que se trate.
Por ejemplo, en un tanque que recibe aire de un compresor, la vlvula
de
seguridad
debe
abrir
a
una presin
inferior a la de rotura del tanque
y
debe
permitir la
salida
de
un caudal
igual o superior al
caudal que
es
capaz
de entregar el compresor.
Cuando
se instalan discos de ruptura
debajo
de PSV's, el cdigo
ASME
requiere
que
en el espacio entre el
disco de ruptura y la PSV se instale un manmetro, vlvula de aguja,
venteo libre o
un indicador de
aximetro. Si se
usa
un inter ruptor
de
presin para activar
una
alarma, el
ajuste
no deber
exceder
el 5%
de
la presin de estallido especificada para el disco de
ruptura.
Cuando
se
instalen discos de ruptura, los portadiscos
se debern
proporcionar e
instalar
con
seguros para
prevenir instalar
los
discos
de
forma
inversa.
Los discos
de
ruptura se Instalaran solo en
portadiscos
aprobados
especficamente por el disco a
ser
utilizado. En general , el portadisco
sera de la misma
marca
del
disco
a utilzarse. Los portadiscos de
otra
marca debern
utilizarse solo con aprobacin
del ingeniero
de planta.
Se
deber
advertir a los
usuarios
que el
disco
de ruptura
no estallara
a
su
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presin de diseo si se genera una contrapresin entre el disco y la
vlvula
de
seguridad o la vlvula
de
relevo de seguridad lo que resultara
en fugas generadas en el disco de ruptura debido a la corrosin o a otra
causa.
Debern colocarse
en
campo
procedimientos
de
monitoreo
adecuados
para detectar cualquier contrapresin
antes de que
esta
se
convierta en un
problema.
Algunas instalaciones de discos
de
ruptura
requerirn del
uso
de
empaques para sellar
ambos
lados del disco. Los
empaques estndares
para tuberas pueden no
ser
tiles para las
instalaciones de discos de ruptura.
El
material de empaque debe
seleccionarse
de tal forma que proporcione sello entre metal y metal del
disco y del portadisco sin que muestre deslizamiento.
Se debe
consultar
al fabricante del disco y al grupo de la planta para asegurar que se est
utilizando el
empaque
adecuado. En
procesos en
los que varios discos
de rutura
tienen
su venteo
a
un
sistema
colector, se
deber
tener
instrumentacin que indique que disco
de
ruptura
est
abierto. Esto es
particularmente importante en procesos bach en donde despus de
algn perodo la evidencia muestra por un medidor de aximetro
puede
no
estar presente (por
ejemplo,
todas
las presiones tienden a
igualarse
despus de que
el
sistema
tiene un disparo
de
paro). Pueden
requerirse
sensores de
presin y
elementos de temperatura
conectados
a algn registrador o alarma para capturar el evento cuando
esto
ocurre. Si existe una posibilidad de congelamiento del PRD,
se
deber
proveer
proteccin ya sea de traceo y / o aislamiento. Esto
puede
ser
especialmente crtico
en
PRD's
operados
por piloto.
Sistema de alivio de
presin
Un
sistema de
alivio de presin
se usa
tpicamente como ltimo recurso
para evitar que un equipo presurizado exceda su lmite en lo que a
presin
se
refiere, previniendo as de posibles situaciones peligrosas que
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pueden
ocasionar daos materiales y
humanos.
La proteccin
contra
sobrepresin
se
aplica en instalaciones industriales
para
asegurar que se
cumplen
los
niveles
de
seguridad
exigidos,
y
adems
aseguran
que sus
inversiones
estn
protegidas contra
los
efectos
de
niveles
de
presin
inaceptables.
La
instalacin
de s is temas
de
alivio
de presin
es muy
importante, pero
tambin lo
es
elegir el sistema
oportuno
para
cada
situacin. De hecho
cada
da
se producen en
la
industria problemas en estos sistemas
durante la
operacin normal,
debidos a una
seleccin incorrecta
del
sistema,
una
instalacin incorrecta,
falta
de
mantenimiento
o
un diseo
incorrecto o incompleto.
Consiste en un arreglo
de
un dispositivo
de
alivio
de
presin, tubera y
medios de
disposicin concebidos
para
la recoleccin, transporte y
disposicin segura
de
alivios. Tal sistema,
puede
estar formado por un
simple
dispositivo de alivio
de pres in con
o sin
tubera de
descarga
ubicada
en
un
recipiente
o
lnea;
sistemas ms
complejos
incluyen
varios dispositivos de
alivio
de presin que descargan
a un
cabezal
comn y terminan en un equipo de disposicin. En trminos generales,
este permite garantizar la disposicin
segura de
gases aliviados y
lquidos, los
cuales se recogen en una
lnea principal y
son
llevados
has t a
un
mechur r io .
El
sis tema debe
disearse
principalmente
para:
1. Reducir las
concent rac iones
a
nivel del
suelo de
materiales
peligrosos.
2. Proveer la disposicin segura de los gases y/o lquidos inflamables.
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3. Reducir
las emisiones
del compuesto
orgnico
(VOC) e
hidrocarburos .
Uno de los pasos ms crticos para establecer la funcin y configuracin
correcta de cada uno de los s is temas es realizar
una
evaluacin
de los
riesgos
presentes
en una instalacin especfica, considerando
todos
los
escenarios
posibles.
Para
ello,
se
debe identif icar nicialmente los
peligros potenciales durante la operacin de la forma ms razonable
posible.
Entre
los
distintos
escenarios
de
peligro
que
pueden
presentarse, estn:
Errores
en
las
condiciones
de
operacin,
errores
humanos,
sobrellenado, falta
de
mantenimiento, caractersticas fsicas y
qumicas del fluido (polimerizacin, cristalizacin, reacciones
exotrmicas,
corrosin,
toxicidad,
estabilidad...),
condiciones
especficas
atmosfricas (vibraciones, erosin,
fuego
externo), entre otros.
Todas
estas
situaciones
pueden
provocar
que la presin exceda los lmites de
diseo
de un
equipo.
Luego,
con
base en los resultados obtenidos, se
disea y selecciona el
s is tema de
seguridad ms efectivo para un equipo
en concre to. Tambin se debe considerar la existencia
de
contrapresiones, que sin
duda
pueden afectar
las caractersticas
de
funcionamiento y la
capacidad
de alivio de un sistema de alivio de
presin.
Por
ot ra parte , cuando se disea
un equipo
se debe:
Eliminar o reducir
los riesgos identificados, incorporar
sistemas de
proteccin si los riesgos
no
pueden
ser eliminados, informar
al
usuario
de
posibles
riesgos
residuales, indicar
las
medidas de proteccin apropiadas,
prevenir
el uso
incorrecto de
los
sistemas de
seguridad,
siempre dando preferencia
a
las
soluciones intrnsecamente seguras. Por consiguiente, es inevitable el
uso
de sistemas de
seguridad, como por ejemplo el
uso
de sistemas
de
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alivio de
presin,
en el diseo de los
equipos
presurizados.
Estos se
disean para poder trabajar independientemente
de
otras funciones,
y
debern ser fiables en cualquiera de las condiciones
determinadas
en
la
evaluacin
de
riesgos
(puestas en marcha, paradas,
mantenimientos).
Existen
varios
elementos
para
l imitar la
presin
y
proteger
los
equipos
presurizados:
1.
Dispositivos
de
apertura
y cierre.
2. Dispositivos solo de apertura.
3. Combinacin de ambos .
Los dispositivos
pueden
ser clasificados
como
de aplicacin primaria
(donde existir un nico
sistema
de alivio de presin) y
como
aplicacin
secundaria. Sin embargo, para seleccionar una de estas opciones se
requiere
considerar distintos
parmetros,
ya sean
tcnicos
y/o
econmicos .
Fike Ibrica.
(2008)
menciona
que
el uso
de
dispositivos
de
slo
apertura ofrece mayormente soluciones ms econmicas , pero una
vez
accionados
requieren que el proceso pare o sea desviado para
que
el
sistema pueda ser reemplazado. Por
tanto,
este tipo
de
dispositivo
puede
ser
empleado
exclusivamente
como sistema primario de alivio de
presin
en aquellos
casos donde
la
mermas
de fluido y
las
paradas de
produccin
sean
aceptables.
El
uso
de
estos
sistemas
como
alivio
de
presin
secundario
est
muy
extendido en la industr ia . Por otro lado, el
uso de dispositivos de apertura
y
cierre permiten poder
seguir
trabajando aun incluso cuando se hayan accionado.
Por
lo que,
este
tipo
de dispositivos son los preferidos para aplicaciones de alivio de presin
primario en equipos donde no se puede permitir que el
sistema
18
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permanezca abierto
durante mucho
tiempo.
Sin embargo, el riesgo
de
fugas, de
suciedad,
de obturacin, de hielo, de corrosin, etc., pueden
tornar
estos
sistemas ineficientes. Los
dispositivos
de apertura y
cierre
son generalmente
vlvulas
de
seguridad.
Mientras
que,
los
dispositivos
de
slo apertura ms
conocidos
son los
discos
de
ruptura.
La
combinacin
de
los dos dispositivos,
un
disco
de ruptura delante de
la
vlvula de seguridad,
es una
solucin
comn,
ya que ofrece lo mejor de
cada s is tema individualmente,
de
esta forma
el disco
de
ruptura acta
de sello
entre
el proceso y la vlvula
de seguridad,
reduciendo los costos
de operacin
y
mantenimiento
(corrosin,
reparaciones,
entre
otros.).
Adems, aumenta
la
seguridad
del sistema
ya que elimina
los
riesgos de
polimerizacin y
obstruccin de
la vlvula.
El uso del disco
de
ruptura
en combinacin con
una
vlvula
debe
considerarse en aquellos casos en los que la corrosin o la suciedad
de
los
elementos internos de
la vlvula
pueda
ocasionar un problema
(en
este caso
el disco
se
instalara delante de la vlvula) en aquellos casos
en
los que la contrapresin aguas debajo de la vlvula de seguridad
pueda ocasionar cambios en su presin de ajuste (en este caso
el disco
se
instalara detrs
de la
vlvula).
En todos los casos donde exista la
combinacin de estos dispositivos
se
deben tomar
medidas
para evit ar
la
acumulacin de presin entre
los dos elementos. Un
incremento
de
presin en este espacio (debido
a
cambios de temperatura,
fugas
menores, etc.)
puede
provocar cambios incontrolables
en
la presin de
apertura del sistema. En ciertos casos, debido a razones ambientales o
de seguridad, el alivio de
presin
no
puede
aplicarse.
Por
tanto,
ninguno
de
los dispositivos descritos
puede ser
empleado,
por
lo que el
equipo
debe fabricarse
para
poder
soportar
el mximo posible
de
presin,
es
decir , un
diseo
ntrnsicamente seguro.
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Para el caso
de
los tanques
de almacenaje de productos fraccionados de
LGN,
los sistemas
de
alivio
de
baja
presin
deben
disearse para
manejar venteos de emergencia hacia los quemadores a fin de proteger
el
sistema en caso
de
sobrepresin.
As
como,
incluir vlvulas
de gas
con interruptor
de vaco para el
envo
de
gas
a los
tanques
y de
esta
forma compensar cualquier
baja
de presin. En
caso
de sobre-presin
en el sistema de alivio, se instalar una vlvula de control
automtico
(Vlvula Reguladora
de
Presin) para liberar el exceso
de
presin del
gas hacia el
quemador
y as controlar
esta
condicin anormal de
operacin. Finalmente, como
ltimo equipo
de
seguridad, se conectarn
en ios tanques de LGN vlvulas de alivio para
presin
y vaco que
descarguen directamente
a la
atmsfera para manejar cambios de alta
y
baja presin. (NFPA 59A, 2001)
Dentro del sistema, tambin
es
importante el diseo y configuracin de
las
tuberas de
descarga. Estas tienen
que
ser
lo
ms
cortas y
rectas
posibles
y debern
disearse de forma que
la
velocidad de descarga sea
subsnica .
Entre los elementos
y
condiciones
asociadas a
un
sistema
de
alivio se
encuen t r a n :
Dispositivos de alivio de presin
Estos sistemas funcionan por la presin esttica interna y estn
diseados
para
abrir
durante
una situacin anormal o emergencia,
de
manera
tal
de
prevenir un aumento excesivo
de
la presin
de
fluido
interno, por encima de un valor especfico. El dispositivo tambin
puede
estar diseado para prevenir
un vaco
excesivo. Entre
estos dispositivos
se encuentran las vlvulas de
alivio de
presin,
los
dispositivos
de alivio
de presin
de
solo apertura y las vlvulas
de
alivio
de
vaco.
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Vlvulas de seguridad o alivio
Estn
diseadas
para liberar fluido cuando la presin interna supera el
umbral
establecido. Su misin es evitar una explosin, la falla
de
un
equipo o tubera
por
un
exceso
de
presin. Permanecen
cerradas en
funcionamiento
normal y solo
se
abren si el fluido sobrepasa la presin
requerida, liberando el exceso. Existen
tambin
las vlvulas de alivio
que liberan el fluido
cuando
la
temperatura supera
un lmite establecido.
Estas
vlvulas son
llamadas
vlvulas de alivio de
presin
y temperatura.
Estas vlvulas
afectan el
tamao
de la lnea y
las
condiciones de alivio.
La forma ms fcil y econmica de disponer del efluente, durante una
situacin que requiere alivio, sera descargarlo a la
atmsfera,
lo cual
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
a ire como
para
estar por debajo del
lmite inferior de explosividad, an tes de alcanzar una fuente de ignicin.
Esto 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 per tinentes sobre
control
de
contaminacin, ruido y seguridad del personal. Por consiguiente, la
alternativa es un
sistema
de alivio que conduzca los vapores lejos de la
planta, hasta un mechurrio
o un
punto seguro de descarga.
Hay
tres
t ipos bsicos: convencional, fuelles equilibrados, y accionada
por piloto.
Vlvulas de alivio y seguridad convencionales: En una vlvula de alivio y
seguridad convencional, la presin de entrada acta contra un resorte
que cierra la vlvula, y la contrapresin en la salida de la vlvula
cambiar la presin a la cual se abrira la vlvula.
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Para servicios
de
gas: No pueden ser
empleadas
para contrapresiones
acumuladas superiores al
10 de
la presin de
ajuste,
ya
que
esto
ocasiona
que
la vlvula
se
cierre (para sobrepresin del
10 ).
Para servicios de lquido: Al igual que el servicio de gas, no puede ser
usada para contrapresiones acumuladas mayores al 10% de la presin
de alivio, ya
que
la acumulacin de contrapresin disminuye la
capacidad y eventualmente el flujo se detiene, sin cambio de presin de
ajuste.
Vlvulas de seguridad y alivio equilibradas: En una vlvula con fuelles
equilibrados, el rea efectiva de los fuelles
es
la misma que el rea del
asiento de la boquilla y
se
evita la accin de la contrapresin sobre la
parte superior del disco; as la vlvula
se
abre a la misma presin de
entrada an cuando la contrapresin puede variar.
Para
servicios de gas:
La
capacidad mxima
se
mantiene hasta
contrapresiones de un 30-50 de la presin de ajuste, reduciendo su
capacidad a contrapresiones ms altas. Sin embargo, se debe tomar en
cuenta
los
catlogos
del fabricante.
Para
servicios de lquido -
La
acumulacin de contrapresin reduce el
flujo,
pero menos que en el caso de vlvulas convencionales. Tambin,
es
recomendable
consultar los catlogos del fabricante.
Vlvulas de seguridad y alivio accionadas por piloto: Una vlvula de
alivio y seguridad accionada por piloto
es
un dispositivo
que
consiste de
dos partes principales, una vlvula principal y un piloto. La presin de
entrada acta sobre el tope del pistn de la vlvula principal, con mayor
rea expuesta a
la
presin sobre el tope del pistn que sobre el
fondo;
la presin, no un resorte, sostiene cerrada la vlvula principal. A la
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presin de ajuste, el piloto se abre, reduciendo la presin sobre el tope
del pistn y la vlvula se abre por
completo.
Estas
se
utilizan
preferentemente
para altas presiones,
estn
compuestas por dos elementos separables: Un cuerpo principal que
contienen
la tobera y el obturador, y una vlvula auxiliar que
torna
la
presin del sistema y controla la apertura del obturador principal.
En caso de presiones de
ajuste extremadamente
bajas
existen
vlvulas
de alivio y
seguridad
accionadas por piloto con
diafragmas
livianos sin
friccin,
en
lugar
de
los
pistones
pesados.
Para
servicios de gas: Tiene el mismo efecto que una vlvula
convencional con contrapresin
constante.
No
presentan
reduccin
en
la
capacidad hasta contrapresiones iguales a 55 de la presin de ajuste;
luego la reduccin en capacidad
es
gradual.
Para servicios de lquido: Exis te una reduccin gradual debido a que hay
cada reducida
de
presin disponible.
Tambin,
es
recomendable
consultar los
catlogos
del fabricante.
En
general,
se
necesitan inspecciones y pruebas peridicas para
asegurar
que
cualquier sistema de alivio y seguridad sea confiable,
especialmente el sistema con vlvulas con fuelles. An cuando estas son
altamente
recomendadas
en
la mayora de las aplicaciones,
se
emplean
como
uso
ms
frecuente
las
vlvulas
de
seguridad
y alivio
convencionales. Mientras
que
las vlvulas actuadas por piloto
pueden
ser ventajosas en algunos procesos, ya que es ms pequea que una
vlvula de resorte, sin
embargo
no
se
recomiendan cuando
pueden
formarse hidratos en la vlvula del piloto o cuando
otro
material
extrao
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pueda acumularse
y
hacer
inoperativo al piloto. Para
ms
seguridad
puede
usarse filtros
en
la lnea
de
suministro al piloto.
Discos de ruptura:
Podemos
definir
a
los discos de rupturas
como
un
dispositivo de alivio
de presin
de
slo
apertura, que,
como su nombre
lo indica,
se
rompen al alcanzar su presin de calibracin, permitiendo la
descarga
a travs de la seccin de desalojo, debiendo
reemplazarse
cuando
el
sistema se encuentre totalmente despresurado.
Vlvula
reguladora de presin
Se
utilizan
cuando
es
necesario
reducir la presin,
mantenindola
en
valores
prefijados,
al
margen
de
la
cantidad de
fluido
que pasa
a
travs
de
ella.
Estas vlvulas autorreguladoras
presentan
como componentes
principales,
una
vlvula
de control
de presin
(50) y una
unidad
de
ajuste
de presin (58, 72) para
fijar un rango de
presin.
Factor
contrapresin
en sistemas de alivio de
presin
Fike Ibrica.
(2008)
Expone
que
el
diseo
de
los
sistemas de
seguridad
y la seleccin del sistema
de
alivio
de
presin
debe
realizarse
considerando
todas
las condiciones
de
operacin que pueden
presentarse
durante la vida del equipo presurizado. Tambin describe
que
uno de los problemas
que a menudo
se menosprecia
y
que puede
inducir fallos
inesperados
de
un sistema de seguridad
es
el efecto
de
la
contrapresin
en
los
sistemas
de
alivio
de
presin. Por lo
que,
varios
ensayos en
laboratorios se han realizado a diferentes vlvulas de
seguridad comerciales para comprobar su
funcionamiento
bajo los
efectos de la
contrapresin, demostrando
la diferencia que puede haber
entre el tarado
(presin
de ajuste
predeterminada)
indicado por el
fabricante
y el
real . Esta di ferencia
puede
ser tan
grande
que resulten
casos en
los
que
el equipo presurizado trabaje
por
encima
de
su presin
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de diseo. La instalacin de un fuelle en la vlvula puede
ayudar,
pero
no solucionar el problema. El uso
de
discos
de
ruptura
aguas abajo
de
una vlvula de
seguridad
ofrecer una mayor fiabilidad del sistema por
un
costo
bajo,
evitando
los
efectos indeseados
de
la
contrapresin.
Por
otro
lado, los tramos de tubera de entrada a los sistemas de alivio
de presin deben se r tan
cortos
y rectos como sea posible, y en el
caso
de
las vlvulas de
seguridad
la prdida de carga no
debe
exceder el tres
por ciento (3%) de la presin de tarado (predeterminada) de la vlvula.
La
prdida de carga
total
se
calcula
usando
la
capacidad
real de la
vlvula, y
debe
tener
en
cuenta
cualquier efecto de la combinacin con
un disco de ruptura u otro componente.
La determinacin del
tamao
de la vlvula de
alivio
est descrita
en
los
catlogos de los fabricantes y en el libro de datos de ingeniera GPSA
(1998). Hay
dos casos
bsicos
de
diseo: lquido y vapor. Estos
deben
ser distinguidos principalmente porque
para
aliviar 100% de flujo de
lquido
se
requiere
25%
de sobrepresin, mientras
que
para alivio
de
vapor slo se requiere
10%.
La mayora de los sistemas
de
alivio y
seguridad
de
lquidos de proceso
se ajustan normalmente
a
10% de
sobrepresin, lo
que
significa
que
las vlvulas para lquidos funcionan a
60% de su carrera (la carrera total
ocurre
a 25% de
sobrepresin).
Parece razonable que slo se requerir 10%
de
sobrepresin para
obtener el flujo total, en caso de alivio de dos fases (gas-lquido). (Gua
PDVSA 90616.1.022, 1990)
La contrapresin es la presin
existente
en el cabezal
de descarga
al
cual alivia un dispositivo
de alivio de presin. Dicho de otra manera, es
la
suma
de
las
contrapresiones
superimpuesta
y acumulada.
Al
tratarse de lneas de alivio, definimos tres
tipos
de
contrapresin:
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Contrapresin acumulada:
Incremento
en la presin en el cabezal de
descarga, la cual
se genera despus que
un dispositivo de alivio de
presin abre. Es decir, es la contrapresin
variable
desarrollada como
resultado
del flujo
en
la
lnea
de
alivio.
Contrapresin superimpuesta:
Presin esttica
existente
a la
salida de
un disposi tivo
de
alivio
de presin
al
momento de su
apertura. Esta
contrapresin proviene de otras fuentes y
puede
ser constante o
variable. Es decir,
es
la
contrapresin
inicial
antes
de
abrirse
la vlvula,
causada
por
la descarga
de otra s vlvulas
al mismo cabezal.
Contrapresin constante: Es una contrapresin no variable
creada
por la
succin
de
un compresor o equipo similar.
Existen otros trminos tcnicos
empleados
durante el
diseo
de
sistemas de alivios que son
importantes mencionar:
Acumulacin: Aumento de presin sobre la
mxima
presin de trabajo
permisible
(MAWP)
de
un
recipiente
durante
la
descarga
a
travs de
un
dispositivo de alivio de
presin
y se expresa
en
unidades de
presin
o
como porcentaje
de
presin.
Las
acumulaciones
mximas permisibles,
se
establecen
por los cdigos de
diseo
aplicables a contingencias
operacionales y de
fuego.
Contingencia:
Evento anormal que causa una condicin de emergencia.
Contingencia
doble:
Ocurrencia
simultnea
de dos
o
ms
contingencias
sencillas que no estn
relacionadas
entre si.
Evento: Suceso que envuelve
el
comportamiento
de
un equipo, una
accin
humana o un
agente
o
elemento
externo al sistema y
que
causa
desviacin de
su
comportamiento normal.
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Mxima presin de operacin: Mxima presin esperada durante la
operacin
de un sistema.
Mxima presin
de
trabajo permisible (MAWP): Mxima presin
manomtrica permisible en
el tope de un recipiente a
una
temperatura
especificada. La MAWP
se
calcula
usando
el espesor nominal de
cada
elemento
del
recipiente
sin
considerar el
espesor
adicional por corrosin
ni otras cargas de presiones. Es la base para fijar la presin de un
dispositivo de alivio de presin.
Presin
de
abertura: Valor de
presin esttica,
corriente
arriba
de la
vlvula, a la cual
existe
un levantamiento apreciable del disco y empieza
a
observarse
un flujo de venteo continuo.
Presin
de
ajuste: Presin manomtrica a la cual es ajustada
una
vlvula de alivio de
presin para abrir bajo
condiciones de servicio.
Presin de cierre: Valor de la presin esttica, aguas
arriba
de la
vlvula,
a la
cual
el
disco
de
la
vlvula
hace
contacto
nuevamente
con
su as iento
o
cuando el l evantamiento
alcanza
el valor de cero.
Presin de
diseo manomtrica:
Condicin de presin ms
severa,
coincidente con
la
temperatura ms severa
que
se espera
durante la
operacin. Esta presin puede ser usada en lugar de la MAWP, si esta
ltima no ha sido establecida. La presin
de
diseo
es igual o menor
que
la
MAWP.
Sobrepresin: Contrapresin de un fluido por encima de la presin de
ajuste del
dispositivo de alivio de
presin
y
se
expresa en
unidades
de
presin
o
como porcentaje
de presin. La sobrepresin coincide
con
la
acumulacin
cuando
el dispositivo de alivio de presin esta ajustado a la
MAWP
del recipiente.
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Presin
de
Vapor Reid: Presin ejercida por la porcin de un lquido
evaporado
dentro de un recipiente a una temperatura dada.
Venteo normal: Se produce debido
a
requerimientos
operativos o
cambios a tmosf r icos.
Venteo de emergencia: Requerido
cuando
una condicin anormal
existe
al interior o
exterior
de
un
tanque, tal como la ruptura
de un
serpentn
para calentamiento
interno
o la presencia de fuego en el exterior.
Mechurrio
Componente clave de los sistemas de desechos
cerrados
dado que
provee de un medio de disposicin seguro de las corrientes provenientes
de las vlvulas
de
alivio, purgas de
vapores, desvos
de corrientes de
proceso, drenajes
de equipos, etc., quemndolos
bajo condiciones
controladas
de modo
que los
equipos
adyacentes o el personal
no
estn
expuestos
a
peligro,
al
mismo tiempo que
se
satisfacen
los
requerimientos de control de
contaminacin
ambiental . Tambin se
puede
definir como el
conjunto de equipos
aguas abajo en los procesos
de
una planta que permiten aliviar las corrientes
de
gases a la
atmsfera
de forma
segura,
econmica y amigable al
ambiente.
Componentes principales mechurrio
a
baja presin
La lista de
componentes
tpicos cubre
como
mnimo los siguientes
renglones: Boquilla, pilotos, control
de
ignicin de pilotos,
estacas
y
estructuras del mechurrio, purga
de gases,
sellos lquidos,
separadores
Knockout Drum (KOD) y controles
auxil iares (control del
vapor,
sopladores, controles para pilotos y gas de purga, discos de ruptura).
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Las boquillas del
mechurrio se
usan para manejar
con
seguridad, el
exceso
de
gases
de
desecho
por
medio
de
la
combustin.
Esta
determina la tecnologa de combustin a emplear
en
el sistema de
alivio.
Existen diferentes tipos
de
tecnologa para la boquilla,
entre
las cuales
estn:
1. Boquillas
no
asistidas (con humo): Utilidad y Fosas de quema.
2. Boquillas
asistidas
por Aire
(sin
humo)
3. Boquillas asistidas por
Vapor (sin humo)
4. Boquillas asistidas por Presin(sin humo): Coanda, Multi-punto y
KLC
La Boquillas sin humo (fumfuga) esta
compuesta
de uno o varios pilotos
de encendido continuo, tubera
de
ignicin, tubera del piloto (gas
combustible)
y conexin bridada, y
opcionalmente
un guardabrisa y un
aro
de
retencin
de
llama. Los pilotos
deben ser de
un diseo probado,
capaces
de
permanecer encendidos y poder ser encendidos durante
condiciones
de viento huracanado
y
de
lluvia. Estos
estn diseados
para producir una llama muy
estable
y confiable
que
pueda asegurar la
ignicin
de
los
gases
aliviados.
En el control
de
ignicin del piloto puede realizarse por
medio de
dos
sistemas: Tablero
Generador
de Frentes de
Llama
(FFG) o Sistema de
Encendido Electrnico.
El Generador de Frente de Llamas, esta compuesto por una vlvula
manual y un indicador de presin para gas combustible, una vlvula
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manual y un indicador de presin para aire comprimido,
una
cmara
de
ignicin
completa
con dispositivo
de
encendido y una boca de
inspeccin, y un transformador
de
ignicin
completo
con un
conmutador.
Este
sistema
requiere
de
aire
comprimido, puede
ser
operado remotamente,
bien sea,
en forma automtica o
manual,
y la
lnea de encendido
debe estar
seca. Por otro
lado,
el sistema
electrnico
de encendido no requiere de
aire
comprimido,
puede
ser
operado
remotamente, bien
sea,
en forma automtica o manual, no requiere de
una
lnea
de
ignicin
entre
el panel
de
control y el mechurrio, pero si
de
un
cable
de
ignicin y el encendido
posee
un
monitoreo continuo.
La altura
de
la
chimenea
del mechurrio (estaca o estructuras) esta
relacionada con la radiacin trmica a nivel del suelo. Sin
embargo,
independientemente del nivel de radiacin, para mechurrio
que
operan a
baja presin, se recomienda que la
intensidad de
radiacin a nivel del
suelo este por debajo
de 2000
BTU/hr*pies2 y en el lmite de propiedad
menor o igual a 500 Btu/hr*pies2. As
mismo,
el nivel
de
ruido en la
lnea lmite de propiedad debe
ser
como mnimo
menor
de 85 dBA. Es
importante considerar
la
instalacin de
facilidades para
mantenimiento
a
modo de
bajar
toda
la estaca, o solamente la boquilla
del
mechurrio.
(Gua PDVSA CB-201-P, 1990)
La mayora
de
los diseos estn orientados a operar como estacas
elevadas y tambin
en
arreglos
angulares
tpicos en las
plataformas
cos ta
afuera .
Existen
t res
diseos bsicos
de
estacas
e levadas:
1. Estacas
auto
soportadas
2.
Estacas soportadas
por
Guayas
3.
Estacas soportadas
por
Derrlck.
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Como dispositivo
para
prevencin de retroceso de la llama puede usarse
un tanque de sello de agua o un sello seco; ste ltimo se usa
en
conjunto con un suministro
continuo
de
gas
de
purga.
En los
casos
donde
la boquilla
es completamente abierta
a la
atmsfera, es
requerido
una
purga
continua
(fuel gas o
nitrgeno)
para
prevenir
la entrada de
aire
al mechurrio el cabezal de alivio, evitando
retroceso
de llama
detonaciones internas. Con la intencin de
reducir este
gas de
purga
son
usados
los siguientes dispositivos.
1. Sello Molecular
(
Laberntico )
2. Sello Dinmicos
(o
velocidad)
3. Sellos
de
Lquido
( tanque de
sello hidrulico)
El
sello molecular cambia
la direccin de los
gases
de purga y quema, a
t ravs de dos
codos
de 180, para crear un sello usando el diferencial de
densidad entre la mezcla
de gas
de purga de
quema
y
el aire.
El sello
molecular requiere
una
pequea purga de
gas. (PDVSA 90616.1.021,
1990)
El sello
de gas de purga, emplea un
flujo
continuo
de gas
de purga
hacia
el
mechurrio
a una velocidad
de 0,3
a 1 m/seg. (1 a 3 pies/seg.). En
vista
del
alto costo
de
la energa, un sistema
de gas de purga
sencillo,
sin un
sello
complementario, no es econmico.
(PDVSA 90616.1.021,
1990)
El sello interno, es
un
sello estacionario que
requiere una pequea purga
de gas, la
cual
mantiene el aire
fuera
del
mechurrio.
Como la
tasa de
gas de
purga
es pequea,
ste
no es suficiente para igualar la presin
del cabezal despus de
una
descarga. Estos dispositivos
deben usa rse
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junto
con
un sistema
de control para aumentar
la
tasa de gas de
purga
a
medida que se
enfra
el
cabezal.
(PDVSA 90616.1.021,
1990)
El sello
de velocidad tiene
el
mismo propsito,
evitar que el
aire
atmosfrico ent re
a
la chimenea del mechur ri o. E s te
sello es
mucho ms
pequeo, que un sello molecular para el mismo
servicio
y a menudo es
fabricado
como parte
integral de
la boquilla. Sin
embargo requiere
un
volumen de gas
de
purga mayor, por lo
que
de
haber
interrupcin del
gas de
purga, la
efectividad del sello de velocidad
se
pierde
inmedia tamente .
El
tanque
de sello hidrulico posee dos finalidades: Sirve
como
otro
elemento de prevencin en la retencin de llama y como barrera en el
desvo
de
alivios de
baja
presin. Consiste en un recipiente (anexo al
mechurrio incorporado en la base
de
la
estaca) , en
el cual se
sumerge
en una piscina de lquidos (usualmente agua) el cabezal de descarga de
los gases
de
alivio.
Otro dispositivo empleado para
evitar
el
retroceso
de llama es el
parallamas
tipo
reji llas, el cual puede
usarse para mezclas
de la mayora
de los gases con
aire
u oxgeno; sin embargo,
para
algunos gases tales
como acetileno, xido de etileno
e
hidrgeno,
no es
suficiente.
Por
tanto , debe emplearse un sello lquido. Otra desventaja del parallamas
tipo rejilla, es que est sujeto a taponamiento debido a los muchos
pequeos
pasajes que
posee; por
lo
t an to , debe
hacerse todo
esfuerzo
para
mantener el flujo de gas a travs del
contrafuego
tan
seco
y limpio
como
sea
posible. De
ah que,
debe
ser
instalado
corriente abajo
del
tanque separador
a fin
de minimizar
el lquido que fluye a travs del
parallamas. (PDVSA
90616.1 .021, 1990)
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Por otra parte, los sistemas de alivio estn diseados generalmente para
la
quema de
hidrocarburos gaseosos pero con frecuencia permiten el
paso de fases lquidas mezcladas con los vapores. De llegar estas fases
lquidas hasta la boquilla la consecuencia sera la generacin de Lluvia
flameada . Por tanto, es practica
obligatoria
instalar un tambor de
venteo en el cabezal de alivio antes del mechurrio a fin de recoger
cualquier lquido
que
llegue al cabezal. Los Knockout Drum (KOD)
estn
diseados para
condensar
los
vapores pesados
con la intencin de
eliminar disminuir la entrada de fases lquidas a las boquillas de los
mechurrios,
estos lquidos son recolectados y
bombeados
a una fosa
de
lquidos o reinyectados al proceso. Algunos diseos
KOD
emplean
boquillas tangenciales las cuales crean fuerzas centrifugas para
remover
el lquido. Estos separadores
deben
disearse
en base
a la mxima
cantidad
de
vapor a
manejar.
La seleccin
entre
un tanque horizontal o
uno vertical, estar basada en consideraciones
econmicas,
tomando en
cuenta la inclinacin requerida del cabezal del mechurrio. El volumen
de
lquido
en
el
tanque entre
el nivel
mximo
y el
mnimo
debe
disearse
para
contener
la cantidad
mxima
de lquido descargado
durante
15
minu to s .
En general, los lquidos
debern
ser descargados preferiblemente al
mismo sistema de lneas de la planta, siempre y
cuando
las
vlvulas
de
alivio del sistema receptor
puedan
manejar la carga adicional. Si esto no
es
posible, los lquidos debern
ser
descargados
en
el
sistema
principal
de alivio
en
un
s is tema de
alivio
separado
con un recipiente recolector,
que
tenga un
venteo apropiado. Nunca se podr
enviar
lquidos a un
mechurrio
elevado,
slo podrn quemarse en fosas apropiadas. No se
permiten partes
mviles
dentro del
cabezal
del mechurrio, de modo
que
no
se permite ningn tipo
de
vlvula
de
retencin para sellar.
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Componentes auxiliares: Algunos equ ipos son provistos con frecuencia
en
casos
particulares
dentro
de los sistemas
de
alivio,
como
son:
Controles para el flujo
de
vapor, sopladores
con
sus
motores, controles
para el flujo
de
gas
de
purga y
gas
para pilotos,
sistemas de
presurizacin
con C02
para los paneles, entre otros.
Mtodos de quemado sin
humo
Para
obtener
una
quema de sin humo se puede usar
uno
de
los
siguientes mtodos:
Inyeccin de vapor, inyeccin
de
agua, inyeccin de
gas
de alta presin o
ayuda
de aire de baja presin.
El mtodo
de inyeccin de vapor de agua es el ms
comnmente
usado
en
la prevencin del
humo.
Consiste
en
inyectar vapor
de
agua a alta
presin (100 psig)
en
la corriente de gases a quemar para lograr cuatro
efectos
principales
sobre
el
mecanismo de
combustin: 1) Actuar como
un catalizador para promover la completacin
de
las reacciones de
combustin, 2) Absorber el calor para evitar que la alta
temperatura
f raccione los hidrocarburos no
saturados,
o
los
hidrocarburos
saturados
de mayor peso molecular y ocasione la formacin
de
carbn libre
(humo),
3)
Proveer turbulenc ia y
promover
la mezcla con el
hidrocarburo y el aire para
mejorar
la
combustin
y 4) Inspirar aire
hacia la zona de combust in.
El mtodo
de inyeccin de agua puede
ser efectivo en
el control del
humo,
pero
puede ser
aplicada slo para
quema en
tierra.
Consiste en
la
inyeccin de
agua dentro
de los gases a quemar para el control del
humo, med iante los efectos
en
el mecanismo de combustin descritos
para la inyeccin de vapor. Sin embargo, existen varias desventajas
para el uso de agua: 1) El problema potencial de congelamiento limita
esencialmente la aplicacin a los lugares donde no ocurrirn
34
-
7/21/2019 Romero Hidalgo Ignacio Ramon 1
34/63
temperaturas de congelacin, 2) A bajas
tasas
de flujo
de
gas a quemar
puede ser
difcil inyectar suficiente agua para controlar el humo sin
extinguir la
llama,
3) Debido a que las
gotas
de agua son
retenidas
en
las llamas slo por
una
fraccin
de segundo,
es
difcil vaporizar el agua
por completo y evitar el problema
de
la cada de agua o lluvia y
4) El
viento
hace difcil mantener la llama
dentro
del rea rociada por las
boquillas de agua. Esto tiende a limitar la capacidad fumfuga
mxima
de la boquilla con inyeccin de agua, a un valor relativamente bajo.
La inyeccin
de gas
a alta presin en los
gases
quemados
puede
tambin usarse
para controlar el
humo.
Este
mtodo,
al igual
que
los
anteriores,
provee
turbulencia,
promueve
la
mezcla
e
inspira aire dentro
de
la zona de combustin, con lo cual mejora la combustin.
El
aire a alta presin sera el
gas
ms
efectivo
para inyectar, pero
tiene
la
desventaja de ser
costoso; los gases,
tales como
el
gas natural
y el
gas
combustible
a alta presin,
han
tenido
xito
al inyectarlos en gases
encendidos
para
controlar
el
humo,
pero
tambin son
costosos.
Existen otros
gases que
pueden
ser
empleados,
tales como
nitrgeno y
dixido de carbono, los cuales
an
se estn investigando y probando.
Otra forma
de evitar la quema con
humo en
el d iseo de mechurrios ha
sido el desarrollo del mechurrio
ayudado
por aire. Los gases
que
se
queman y aire a baja presin, fluyen coaxialmente hacia la boquilla
donde
se
mezclan
a
medida que
son
encendidos.
La
mezcla
excelente de
este aire primario
(slo una
fraccin
de
los
requerimientos del
aire
estequiomtrico) con los
gases
encendidos provee una operacin sin
humo.
El
aire a baja presin (a
unas
pulgadas
de agua) viene de un
soplador (generalmente un soplador axial) montado
en
el fondo o al
lado
del
mechurrio. La cantidad de
aire
que provee el soplador
en
un
35
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7/21/2019 Romero Hidalgo Ignacio Ramon 1
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sistema
asistido por aire es
generalmente un
30 % del aire
estequiomtrico requerido para gases de hidrocarburos saturados.
A diferencia del
resto,
este tipo de mechurrio
contiene
una boquilla
diseada
especialmente,
la cual usa el
efecto
coanda, a fin
de quemar
sin humo
un
gas a baja presin (tal
como
vapores
de
tanques)
usando
unas tres veces el gas de alta presin (tal como el de los separadores de
gas-petrleo).
El soplador
se
acciona con un
motor
de dos velocidades. Bajo
condiciones de
bajo
flujo, la velocidad ms baja del motor ser
suficiente para
proveer
operacin de quema sin humo con un ahorro de
energa significativo. Un transmisor de presin o flujo, puede usarse en
el cabezal del mechurrio para disparar el
motor
a una velocidad alta,
cuando el flujo
de gas de quema
alcance
cierta tasa.
En general, cualquiera
de
estos
mtodos
permite cumplir con lo
sealado
en
las leyes nacionales, tal como se indica
en
el Decreto N
638: NORMAS SOBRE CALIDAD
DEL
AIRE Y CONTROL DE LA
CONTAMINACIN ATMOSFRICA ,
el
cual
establece normas
para
el
mejoramiento de la calidad del
aire
y la prevencin y
control de
la
contaminacin atmosfrica producida por fuentes fijas y mviles capaces
de generar
emisiones
gaseosas
y partculas. Especficamente, para las
fuentes fijas
como
los mechurrios ubicados
en
reas de tanques de
almacenamiento
de
LGN
se
indica lo
siguiente:
36
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Ac t i v i dad
Unidade s
Escala d e
Ringelmann
Obse r v ac i on e s
Refineras
de
petrleo
1
Excepto
en perodos de 3
min/h
y
con
una t ol er an c ia
del 2 % del
tiempo
durante el ao
De
acuerdo con lo anterior, la opacidad medida en la escala
de
Ringelmann debe ser una unidad
como
va lor mximo (equivalente a
20% de
opacidad),
excepto
en
perodos
de
3
min/h
(1,20
h/da),
y
con
una
tolerancia
del 2% del tiempo durante el ao
(175,2
h/ao).
La
interpretacin de
la norma permite definir
que
los venteos rutinarios,
originados por cadas de
compresores,
operaciones de arranque o
paradas
de
planta,
purga
de
ciertos equipos y fugas
de
vlvulas,
pueden
ser quemados con
Ringelmann
1, mientras que los venteos generados
por
contingencias
como
falla
elctrica,
prdida de reflujo,
etc ., pueden
ser
quemados
por encima de
Ringelmann 1 durante
1,2
horas al da y
has ta 160
horas
al ao (en
base
a
8000 horas de operacin).
Variables que
originan
cargas de vapor
El proceso de
almacenaje
de los
productos
de LGN esta influenciado
por
mltiples variables,
cada
una
de peso
especifico diferente en el manejo
global.
Las
variables
que
afectan
el
proceso
de
almacenamiento
son
de
diversas
ndoles:
1.
Geomtr icos
2. Ambien ta l es
3 . Te rmod inmi co s
37
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4. Operacionales
Por
otro lado, las cargas
de vapor
en
los
tanques
de
almacenamiento de
LGN
se
originan principalmente
por:
1. Vaporizacin de la
corriente
de
alimentacin
2.
Transferencia de calor del medio
ambiente
(boile
off)
3. Vaporizacin debido al calor transferido por el
fondo.
4. Vaporizacin de la
corriente
de enfriamiento de los
ntercambiadores de los
tanques
de
butanos.
5. Vapores de
retorno
al
tanque provenientes de ios
sistemas
de compresores.
6. Vapores provenientes
de
la recirculacin
de
cada tanque.
7. Contingencia de
fuego,
fallas del sistema elctrico, del
compresor, del
sistema
de refrigeracin
y enfriamiento de
lneas de
despacho,
entre otros.
Generacin de
carga
de alivio
A partir del
API-RP-521
GUIDE FOR PRESSURE RELIEVING AND
DEPRESSURING SYSTEMS y de la experiencia
del
personal de
operaciones de las
instalaciones
de fraccionamiento de
gas,
se
identifican
algunas
contingencias
de
alivio
aplicables
a
este
tipo
de
instalacin,
las
cuales se describen a continuacin:
1. Cargas
de
alivio
trmicas
no
balanceadas,
originadas
por
el
aumento
de presin interna
dentro
del equipo debido
a fallas
de otros
elementos del
proceso.
38
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2. Cargas
de
alivio obstruidas, originadas por el cierre
inadvertido de la salida de una unidad
que
est siendo
alimentada calentada, generar frecuentemente una carga
de
alivio.
3. Salida bloqueada, causada por el
cierre inadvertido
de
una
vlvula de bloqueo a la salida de un recipiente a presin.
4. Falla
total
de servicio elctrico ( Black out ) , consiste en la
falla total del suministro elctrico a todos los equipos
que
requieren el
servicio
en la
unidad
de procesos.
5. Falla parcial
de
servicio elctrico, consiste
en
la falla parcial
de servicio elctrico
que
puede ocurrir cuando
existen
generadores
de
electricidad
que se
encuentran operando en
paralelo y t ienen fuentes de energa diferentes.
6. Falla elctrica o mecnica,
reside en
la falla elctrica o
mecnica
de
equipos
que
proveen enfriamiento o
condensacin.
7. Prdida de
ventiladores,
consiste en la prdida de
ventiladores de
torres
de enfriamiento o
intercambadores de
calor
por
aire
que llegan a quedar
fuera
de servicio
por
la
prdida
de
energa
o
una
falla
mecnica.
8. Falla de reflujo,
reside
en la
prdida
del reflujo debido a falla
de
bombas
o
ins t rumentos .
9. Falla
de
tubo
de
intercambiador, originada por choques
trmicos, corrosin
y/o
vibracin, lo cual
puede
ocasionar que
la corriente de mayor
presin
sobrepresione el
equipo
en el
lado de menor
presin.
39
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10. Carga por fuego (incendio
en
planta), se define
como
la
cantidad de
vapor
que puede ser generada por un fuego
directamente debajo del
recipiente.
Los clculos
estn
basados
en
la
geometra
y
aislamiento
de
la
unidad.
No
se
puede suponer que
el aislamiento reduzca las cargas por
fuego a menos
que
pueda soportar el choque directo de la
llama y no pueda ser destruido por chorros de agua contra
incendio
a
alta presin.
La
ocurrencia de este evento
es
similar a la
falla
elctrica general, con la diferencia de que
solo
se
considera
que
el
evento puede
ocurrir
en
un
tanque
a
la
vez. El
contenido lquido
de
recipientes
que estn
expuestos
a
fuego
genera vapores
que
sobrepresionan el
equipo.
11. Cargas por expansin trmica,
causada cuando
las lneas o
equipos
que
pueden
estar llenos de lquido bajo condiciones
de ausencia de flujo y que a su vez pueden calentarse
mientras
estn totalmente
bloqueados.
12. Cargas por alto contenido
de etano en
la alimentacin,
ocasionada
cuando
existe un contenido de etano por
encima
del
mximo
valor permitido. Esto
disminuye
la eficiencia
hidrulica y causa sobrepresin en la torre de
fraccionamiento.
13. Enfriamiento de la lnea durante el proceso de carga de
buques,
antes de comenzar el proceso de carga a
buques,
a
travs
de las
bombas de despacho, desde
alguno de los
tanques
de almacenamiento de: propano, n-butano, i-butano
y pentano, las lneas
se encuentran
vacas y a
temperatura
atmosfrica, por lo
que
para minimizar o eliminar la
40
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vaporizacin, se enfra la lnea con el fluido que se vaya a
despachar, recirculndolo al tanque respect ivo durante un
perodo
de tiempo
determinado.
El
tiempo
de
recirculacin
esta
en
funcin del caudal
empleado
para el
enfriamiento,
a
mayor
caudal
de
recirculacin
menor
ser el
tiempo
requerido para
alcanzar
la
temperatura deseada
en la lnea.
Ecuaciones
para
dimensionar el cabezal
de
alivio
Para
determinar
el
tamao
del cabezal principal y lneas secundarias, los
clculos
de
cada de presin
deben hacerse desde
la boquilla del
mechurrio hacia
atrs.
El cabezal debe tener un tamao tal, que la
contrapresin acumulada en ste,
sea
menor
que
la contrapresin ms
baja permisible
de
cada vlvula de seguridad conectada al cabezal.
En los ltimos aos
se
han logrado mejoras importantes
en
el diseo
de
mechurrios. Antes,
el caudal de flujo
mximo
de
gas hasta
el mechurrio
estaba
limitado a
60 m/seg. (200 pies/segundo) aproximadamente
para
la mayora
de
los
gases.
A velocidades
ms
altas, el
gas combustible
no
era
mezclado suficientemente
con el oxgeno cerca
de
la boquilla y la
llama podra levantarse o peor an apagarse. Dada esta limitacin, se
requeran mechurrios muy grandes para las cargas de gas de bajo
peso
molecular. Los adelantos en el diseo de la
boquilla permiten
ahora una
buena
mezcla
y
combustin
estable
a
velocidades
mayores.
Sin
embargo,
es
importante notar
que
la cada de presin en la boquilla
puede estar limitada por
razones
de contrapresin. Los
proveedores de
mechurrios
pueden suministrar informacin adicional sobre la cada
de
presin y velocidades mximas. (Gua PDVSA 90616.1.022, 1990)
41
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El
calculo del dimetro de las lneas de alivio, se realiza en forma tal que
permita una tasa de flujo
mxima
a
travs
de la lnea principal, con la
presin disponible a la salida de la vlvula de alivio. Es decir, que
garantice
la
operacin
simultnea de
todas
las
vlvulas
de
alivio
conectadas a estas lneas a las capacidades de diseo, cuando
descarguen en
el
s ist ema. Adems,
el final
de
la lnea
debe estar
a
presin atmosfrica
ms
la mayor presin
entre
la prdida de presin de
salida la presin de flujo crtico. (Gua PDVSA 90616.1.022, 1990)
A menos que consideraciones especiales
indiquen
otra cosa, las
vlvulas
de
alivio
se
dimensionan
normalmente
para
una
presin
de
salida o
contrapresin menor
que
la presin de flujo crtico (el factor limitante
en
el flujo a
travs de
orificios boquillas). Esto asegura tasas de alivio
constantes
para las vlvulas
de
alivio sin importar la presin de salida,
mientras
la contrapresin no exceda la presin crtica. (Gua PDVSA
90616.1.022, 1990)
Segn,
GPSA Seccin 5
Sistemas de
Alivio, la
siguiente
formula
relaciona la presin de flujo crtico Pcf, con la presin de
entrada
Pi,
para un flujo a travs
de
un orificio o boquilla:
Pe
f _
P i
2
\
ifc
+ 1
p p
g =
38.77 ---
r
-
-^- ^
0. 5
-
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La Ecuacin
Weymouth,
publicada
en 1912,
evalu el coeficiente de
friccin
como
una funcin del
dimetro en
la zona
completamente
turbulento, ya que l
asumi
que
la rugosidad y velocidad absoluta son
contantes
en
toda
la
tubera.
(GPSA,
1998)
/ / =
=11.18
/ /
0.008
(4)
(5)
Reemplazando
el factor
de
friccin en la ecuacin de energa general:
0 = 433.5
T ^
P2-P2
0.5
,2.667
(6)
Esta ecuacin es prctica pero
muy
conservadora, ya que
exagera
la
cada de presin en
presencia
de grandes caudales de gas. Esto
se
debe
a
que fue desarrollada
para
trabajar en
un
punto
muy
alto
del diagrama
de
Moody,
es
decir, para
tuberas de dimetros pequeos.
Por
tanto,
esta
ecuacin puede ser empleada
principalmente
para gases pobres
con
flujos
completamente
turbulento.
Por otra parte, la Ecuacin
de
Panhandle A
fue desarrollada
a
mediados
de
1940 y
puede
ser uti lizada para gases ricos
con
flujos parcialmente
turbulento.
Esta
ecuacin evalu el coeficiente
de
friccin en funcin del
dimetro
y el
nmero
de
Reynolds,
el cual
se
asume
en base
a
experiencias registradas entre 5 y 11 millones. (GPSA, 1998)
Re = 1.934
QS
0.07305
7.21l^l
\d
.07305
= 6.872 te
(7)
(8)
45
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Reemplazando el factor de transmisin en la ecuacin de energa
general:
Q =
435.87
r V0788
J
P?-P}
nO.5392
o0.853 J V 7
^m1avg^avg
,2.6182
(9)
Por otra
parte,
para estJmar la
altura
del mechurrio
se
requiere calcular
la intensidad de radiacin
en
posiciones di ferentes. Por
tanto,
es
necesario determinar primero la longitud
de
la llama y el dimetro de la
boquilla.
La
ecuacin de intensidad de radiacin esfrica
viene
dada por:
(10)
4;r?
Donde,
/: Intensidad de radiacin a
un
punto X,
Btu/(hr
ft2)
wf: Tasa de flujo de gas en el mechurrio, Ib/hr.
NHV:
Calor
neto
del gas
en
el Mechurrio, Btu/lb
s: Fraccin de
calor
irradiado.
R: Distancia
desde
el
centro de
la llama
hasta
el punto X, ft.
Algunos tiempos de exposicin requeridos para alcanzar el umbral del
dolor,
segn
la API-RP-521 8 (1997), incluyendo la radiacin solar, la
cual
puede
estar en
un
rango
de 250-330
BTU/hr*pies2, son:
Intensidad de Radiacin,
Btu/hr./pie2
440
550
Tiempo al Umbral del Dolor,
(segundos)
Infinito
60
46
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Intensidad de
Radiacin,
Tiempo ai Umbral del Dolor,
Btu/hr./pie2
(segundos)
740
40
920
30
1 .500
16
2.200
9
3 .000
6
3.700
4
6.300
2
Para estimar la longitud de la llama Lf podemos
emplear
las siguientes
expresiones:
Segn
algunos
proveedores de mechurrios,
L, =5;
Donde,
U
(12)
Lf: Longitud de la llama, pies.
d:
Dimetro
de
la boquilla del mechurrio, pulgadas,
APW:
Cada de presin
en
la boquilla del mechurrio, pulgadas de agua.
Qr: Calor
liberado, Btu/lb
Por otra parte, la cada
de
presin total estimada para mechurrios
convencionales
es 1 .5 la velocidad del
cabezal
basado en el
dimetro
nominal
de
la boquilla del mechurrio.
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Cadas de presin tan altas como 2 psi (14
KPa)
han sido usadas en la
boquilla. Dependiendo de la relacin de volumen del flujo de quema
mximo concebible, el tiempo probable, frecuencia y duracin de esos
flujos y de los criterios de diseo establecidos para el proyecto para
estabilizar la quema,
puede ser
conveniente
permitir
una velocidad de
hasta 0,5
Mach
para un flujo pico, de corta duracin, infrecuente,
manteniendo 0,2
Mach para las condiciones
ms
normales y
posiblemente ms frecuentes.
Para determinar la altura del mechurrio, se
asume
que el centro de la
llama
esta
ubicado a un tercio
(1/3)
de
la longitud de la llama,
medida
desde
la boquilla del mechurrio. Adems, el ngulo de la
misma
se
obtiene de una relacin vectorial
entre
la velocidad del viento y la
velocidad del gas de salida, la cual se
puede
calcular utilizando las
siguientes ecuaciones:
Kx M 16
~ (17)
4
^ = tan-1
Vw
\V.J
(18)
V: Velocidad de salida de la boquilla del mechurrios, ft/sec.
Vw:
Velocidad del
viento,
f t/sec. (=
1.47
MPH)
V
~: Distorsin de la
llama
causa por la velocidad
del
viento.
*
v Flujo
volumtrico a condiciones de operacin, ft3/s
Las coordenadas de l
centro
de la llama con respecto a la boquilla son:
49
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*c
=
7 =
I \
zL
UJ
v 3 /
Y la distancia desde algn punto
hasta
el centro de la llama:
(19)
(20)
(21)
Entonces,
para
determinar la altura del mechurrio es el resultado de
considerar la posicin vertical
ms
crtica
debajo
del
centro
de
la llama
para una condicin dada de
quema
de
flujo de
gas
y la velocidad del
viento, tal como se observa
en
las siguientes ecuaciones:
R2 = es+YcZ
H R
l
V3J
*OS0~
(22)
(23)
(24)
(25)
Otro
mtodo
para calcular la altura del mechurrio sera
suponer que
el
punto
medio
es el punto mximo
de
concentracin
de
radiacin
de
la
l lama.
R =R + l 2*ZAx
LY = R2+H
(26)
(27)
(28)
50
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X = l /2Ax
F = l/2ZAy
(29)
(30)
51
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CAPITULO IV
ANLISIS
DE
LOS RESULTADOS
Una vez recopilada la informacin y organizada segn los objetivos
de esta
investigacin,
se
analizan los
resultados obtenidos.
Se presenta la solucin
de
un caso
asociado a
un rea
de
la industria
de los
hidrocarburos.
Se
consider la intensidad
de
radiacin permisible para reas con acceso
normal de personal en 2.130 Btu/hr- ft2. Para determinar la altura del
mechurrio
se
procedi
a
determinar
el
radio
para
el nivel
de
radiacin
seguro, con
el
que se
obtiene el
calor liberado
y la
distancia
desde la
base
del mechero .
La radiacin solar se estim en
300
Btu/h pie2, con el fin de adicionarla a los
clculos
de radiacin.
Considerando un calor de combustin de 19.756,1
Btu/lb. El nivel de
intensidad de radiacin
para el diseo
de
la
altura
del
mechurrio
es
fijado
en
2.000
Btu/hr/pie2,
excluyendo
la
cantidad
tpica
de
radiacin
solar de 300
Btu/hr./pie2,
esto suministra
un
tiempo de escape, as
como perm ite
que
el personal
realice
actividades
de emergencia por
un
tiempo
sin
proteccin.
La cantidad de
energa
radiante,
producto
de la
combustin
de gases,
depende de la distancia a la
cual
se
encuentra
de
la
llama
y de la cantidad de
gas .
Es
inevitable
la
formacin de gases
durante el
almacenamiento, estos se
acumulan en
el
tope
a una temperatura
mayor.
55
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53/63
Con la informacin anterior
se puede disear
el cabezal de alivio de
cada
tanque con base en
el mximo caudal de l
tramo. Realizando
la
suma se
considera el mximo caudal para el cabezal comn que se direcciona al
KOD
y al mechurrio, es decir, con
8,5
MMpcnd.
Determinacin de
las propiedades
fsicas
de las
corrientes
con
base en la
cromatografa suministrada:
Componentes
PROPANO
N-BUTANO
I SO-BUTANO
etano
1 35
p ropano
97,12
0,50
9,00
i s o -bu tano
1,41
2,50
87,00
n -bu tano
0,12
95,99
4,00
iso-pentano
0,96
n-pen tano
0,05
Variables
de
operacin
y
Propiedades
(Apoyo
con
simulador
Pipesim)
P
TH20)
15
13 14
P (psi)
0,525
0,455
0,490
P (psia)
15,221
15,151
15,186
T(F)
-40,00 33,00 13,94
T(R)
419,67 493,00
473,94
M
(Ib/lbmol)
44,12 58,19 56,86
Yl (Adim.)
1,524
2,009
1,963
Q (MMpcnd)
4
2,2
2,3
m
(lb/h)*
19372,2
14052,9
14355,0
(*) Flujo msico = (Q*106/379,6)*(M/24)
57
-
7/21/2019 Romero Hidalgo Ignacio Ramon 1
54/63
El
tanque
de
propano dispone
de una
vlvula
de
control
de 27.400
lb/h de
capacidad y dos vlvulas de alivio 19.300 lb/h de capacidad. El tanque de n-
butano dispone de una vlvula de control de 14.500 lb/h de capacidad y dos
vlvulas de
alivio
13,700 lb/h de capacidad.
El
tanque de iso-butano dispone
de una vlvula de control de 14.500 lb/h de capacidad y dos vlvulas de
alivio
6259
lb/h de capacidad.
Para
dimensionar las lneas de alivio y el cabezal principal
se
considera una
presin
de 6 WH20 en la base del mechurrio. Se
determinan
los
dimetros
asumiendo el mximo caudal manejado de 8,5 MMpcn
![Poesías de D. Ignacio Rodríguez Galván [microform]](https://static.fdocuments.nl/doc/165x107/619129b2825380039f22b3cf/poesas-de-d-ignacio-rodrguez-galvn-microform.jpg)
