903-HM120-P09-GUD-046 (Especificacion final de alivios y veteos).pdf

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO FECHA

MAR. 10

ELABORÓ Iniciales

OBJETO

Actualización Sección 11.14, Incorporación Secciones 13.4;13.6.1;13.6.2 y Anexo 9

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RA

REVISÓ Iniciales

APROBÓ Iniciales/Cargo

ABA/GP

SN/VPO

MJP/GP

MS/VPO

INEDON

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Índice Página 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 10.1. 10.2. 10.3. 11. 11.1. 11.2. 11.3. 11.3.1. 11.3.2. 11.4. 11.5. 11.6. 11.7. 11.8. 11.9. 11.10. 11.11. 11.12. 11.13. 11.14. 11.15. 12. 12.1. 12.2. 12.3. 13.

INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 9 OBJETIVOS............................................................................................................ 9 USO DE LOS CRITERIOS Y LA NORMATIVA ...................................................... 9 INEDON RELACIONADOS .................................................................................. 10 ACRÓNIMOS Y SIGLAS ...................................................................................... 11 MEMORIA DE CÁLCULO ..................................................................................... 12 LECCIONES APRENDIDAS ................................................................................. 12 DEFINICIONES GENERALES ............................................................................. 13 FLUJOGRAMA BÁSICO DE DIMENSIONAMIENTO Y ESPECIFICACIÓN ......... 19 EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO ........................................................ 22 Mechurrios (Teas, Antorchas, Quemadores de Desfogue)................................... 22 Venteos ................................................................................................................ 23 Diseño .................................................................................................................. 23 CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO ............................................................ 24 Quema (Operación) Sin Humo ............................................................................. 24 Gas de Purga........................................................................................................ 28 Sellos para la Conservación del Gas de Purga .................................................... 32 Sello de Líquido .................................................................................................... 33 Sellos Mecánicos .................................................................................................. 34 Tipos de Mechurrio ............................................................................................... 35 Estructuras para Mechurrios/Venteos Elevados ................................................... 40 Otros Sistemas para Mechurrios .......................................................................... 42 Sistema de Ignición .............................................................................................. 43 Ruido .................................................................................................................... 47 Presión de Operación en la Entrada del Mechurrio .............................................. 48 Estimación de la Pérdida de Presión .................................................................... 48 Presión y Temperatura de Diseño ........................................................................ 49 Velocidad del Viento ............................................................................................. 50 Programas para Apoyo al Diseño ......................................................................... 50 Información de los Vendedores ............................................................................ 51 Instalaciones Cercanas y Diferencia en las Cotas de Nivel .................................. 53 DEFINICIONES BÁSICAS DEL DISEÑO POR RADIACIÓN Y DISPERSIÓN ..... 55 Propiedades de la Corriente de Gas..................................................................... 56 Diámetro de la Punta de Salida ............................................................................ 56 Velocidad de Punta de Salida ............................................................................... 57 DISEÑO POR RADIACIÓN .................................................................................. 57

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO 13.1. 13.2. 13.3. 13.4. 13.5. 13.6. 13.6.1. 13.6.2. 13.7. 13.8. 13.9. 13.10. 13.11. 13.12. 13.13. 13.14. 13.15. 14. 14.1. 14.2. 14.3. 14.4. 14.5. 14.6. 14.7. 14.8. 14.9. 14.10. 14.11. 15. 15.1. 15.2. 15.3. 16. 17. 17.1. 17.2. 17.3. 18. 19. 19.1.1.

Modelos de Cálculo .............................................................................................. 57 Efecto de las Condiciones Meteorológicas en el Diseño ...................................... 58 Fracción de Calor Transmitido .............................................................................. 59 Fracción de Calor Radiado ................................................................................... 60 Radiación Total de Diseño .................................................................................... 63 Máxima Radiación Permitida ................................................................................ 63 Efectos de la Radiación en las Personas ............................................................. 64 Efectos de la Radiación en los Equipos................................................................ 68 Radiación Aportada por el Mechurrio en el Punto de Interés ............................... 75 Flujo de Calor Generado por la Llama .................................................................. 75 Distancia Radial por Radiación ............................................................................. 75 Relación de Distorsión de la Llama ...................................................................... 75 Esquema de Mechurrios ....................................................................................... 76 Ubicación del Centro de la Llama Según el Modelo de Aproximación Simple ...... 76 Ubicación del Centro de la Llama Según el Modelo de Brzustowski-Sommer ..... 79 Altura Total del Mechurrio o Mínimo Radio de Seguridad .................................... 82 Consideraciones para el Plano de Planta ............................................................. 82 DISEÑO POR DISPERSIÓN ................................................................................ 83 Modelos de Cálculo .............................................................................................. 83 Modelos Gauseanos ............................................................................................. 84 Estabilidad Térmica .............................................................................................. 84 Efecto de las Condiciones Meteorológicas Sobre la Forma de la Pluma.............. 87 Velocidad del Viento a la Altura del Venteo .......................................................... 89 Parámetro de Estabilidad ..................................................................................... 90 Parámetro de Flujo por Flotabilidad y por Momento ............................................. 90 Modelo de la EPA (SCREEN 3) ............................................................................ 90 Modelo de PDVSA ................................................................................................ 99 Concentraciones Ambientales Permisibles en Lugares de Trabajo .................... 104 Calidad del Aire y Control de la Contaminación Atmosférica.............................. 104 PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO..................................................................... 105 Diseño por Radiación ......................................................................................... 105 Evaluación por Radiación ................................................................................... 106 Diseño y Evaluación por Dispersión ................................................................... 107 LIMITACIONES DE LOS MODELOS ................................................................. 108 HOJAS DE DATOS ............................................................................................ 108 Hoja de Datos para Mechurrios .......................................................................... 110 Hoja de Datos para Venteos............................................................................... 137 Elaboración de las Hojas de Datos ..................................................................... 158 RECOMENDACIONES PARA LAS PROPUESTAS TÉCNICAS ........................ 158 EVALUACIÓN DE LOS EQUIPOS EXISTENTES .............................................. 159 Información Requerida ....................................................................................... 159

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO 19.1.2. 19.1.3. 20. 21.

Desarrollo de la Evaluación ................................................................................ 160 Consideraciones ................................................................................................. 160 INFORMACIÓN SOBRE LA GARANTÍA DE DESEMPEÑO .............................. 162 REFERENCIAS .................................................................................................. 164 ANEXO 1 – INFORMACIÓN ADICIONAL SOBRE MECHURRIOS PARA SERVICIO DE HIDRÓGENO ............................................................................. 167 ANEXO 2 – CONSTANTES EN LAS ECUACIONES PARA DISEÑO POR RADIACIÓN Y DISPERSIÓN ............................................................................. 168 ANEXO 3 – INFORMACIÓN ADICIONAL SOBRE LA FRACCIÓN DE CALOR RADIADO ........................................................................................................... 179 ANEXO 4 – MAPA DE RADIACIÓN SOLAR EN ARGENTINA .......................... 183 ANEXO 5 – MAPA DE RADIACIÓN SOLAR EN COLOMBIA ............................ 185 ANEXO 6 – FIGURAS BASADAS EN LAS FÓRMULAS DE TURNER .............. 187 ANEXO 7 – FORMATO DE HOJA DE DATOS PARA UN SISTEMA DE MECHURRIOS ................................................................................................... 190 ANEXO 8 – FORMATO DE HOJA DE DATOS PARA UN VENTEO .................. 191 ANEXO 9 – COMPARACIÓN DE LOS MODELOS DEL API STD 521 CON MODELOS DE LLAMA SÓLIDA PARA CÁLCULOS DE RADIACIÓN ............... 192

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO LISTA DE SÍMBOLOS Símbolo

Definición

Unidad

CL

Límite inferior de inflamabilidad

%vol. en aire

CL

Factor de inflamabilidad

[-]

CP

Calor específico a presión constante

J/(kg·K)

d

Diámetro interno de la punta de salida del equipo final de alivio o venteo

m

dR

Perturbación del viento

m

D

Distancia radial desde el centro de la llama hasta el punto de radiación total de diseño

m

f

Parámetro de Coriolis (= 9,374·10–5 a 40º de latitud)

s–1

F

Fracción de calor radiado

[-]

Fb

Parámetro de flujo por flotabilidad

m4/s3

Fi

Factor de importancia

[-]

Fm

Parámetro de flujo por momento

m4/s2

Flujo

Flujo volumétrico actual de la corriente de gas

m3/s

g

Aceleración de gravedad (= 9,8)

m/s2

H

Altura del equipo final de alivio o venteo

m

He

Altura efectiva de la pluma

m

HREF

Altura de referencia

m

I

Radiación total de diseño en el punto de interés aportada por el equipo final de alivio o venteo

W/m2

I0

Radiación solar

W/m2

k

Relación de calores específicos

[-]

K

Máxima radiación permitida (según las normativas locales)

W/m2

L

Longitud de la llama

m

LHV

Calor neto (o bajo) de combustión de la mezcla

J/kg

Mach

Número de Mach

[-]

MWCONT

Peso molecular del contaminante

g/gmol

MWG

Peso molecular de la corriente de gas

g/gmol

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO LISTA DE SÍMBOLOS Símbolo

Definición

Unidad

MW∞

Peso molecular del aire

g/gmol

P

Presión absoluta

Pa

Ppsuedo

Pseudo fracción de sólido en el gas

[-]

Q

Flujo de calor generado

W

rDIS

Relación de distorsión de la llama

[-]

R

Distancia desde el centro del equipo final de alivio o venteo m hasta el punto de radiación total

R0

Constante universal de los gases ideales (= 8,3145)

J/(mol·K)

S

Parámetro de estabilidad

s–2

t

Tiempo de observación

min

TG

Temperatura de la corriente de gas

K

T∞

Temperatura ambiental

K

T0

Temperatura de la superficie

K

U

Velocidad del viento

m/s

UREF

Velocidad del viento a HREF

m/s

U10

Velocidad del viento a 10 m de altura

m/s

U*

Velocidad de fricción

m/s

V

Velocidad de la corriente de gas

m/s

VSON

Velocidad del sónica

m/s

W

Flujo másico de la corriente de gas

kg/h

WCONT

Flujo másico del contaminante

kg/h

X

Distancia horizontal

m

Xb

Mínima distancia horizontal antes de la elevación final del eje central de la pluma, dominada por flotabilidad

m

Xc

Distancia horizontal desde la punta de salida hasta el centro de la llama según el modelo de Brzustowski & Sommer

m

XCL

Distancia horizontal desde la punta de salida hasta el centro de la llama

m

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO LISTA DE SÍMBOLOS Símbolo

Definición

Unidad

Xf

Distancia para la elevación final de la pluma

m

Xfb

Distancia para la elevación final de la pluma dominada por flotabilidad

m

Xfm

Distancia para la elevación final de la pluma dominada por momento

m

Xint; Xint,1; Xint,2

Valores del eje X usados para la interpolación lineal de la Figura 30 y la Figura 31

[-]

Xm

Mínima distancia horizontal antes de la elevación final del eje central de la pluma, dominada por flotabilidad

m

Y

Fracción molar

[-]

Yint; Yint,1; Yint,2

Valores del eje Y usados para la interpolación lineal de la Figura 30 y la Figura 31

[-]

Yc

Distancia vertical desde la punta de salida hasta el centro de la llama según el modelo de Brzustowski & Sommer

m

YCL

Distancia vertical desde la punta de salida hasta el centro de la llama

m

Z

Coeficiente de compresibilidad de la mezcla

[-]

Zi

Altura del mezclado

m

Zr

Altura del receptor

m

LISTADO DE SÍMBOLOS GRIEGOS Símbolo

Definición

Unidad

βj

Coeficiente de arrastre por efecto del chorro de la corriente [ - ] de gas

∂T/∂Z

Variación de la temperatura atmosférica con la altura

K/m

∆H

Variación del eje central de la pluma

m

∆Hb

Elevación del eje central de la pluma dominada por flotabilidad

m

∆Hf

Elevación final del eje central de la pluma

m

∆Hm

Elevación del eje central de la pluma dominada por momento

m

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO LISTADO DE SÍMBOLOS GRIEGOS Símbolo

Definición

Unidad

∆Hp

Elevación del eje central de la pluma dependiente de la distancia

m

∆Hpb

Elevación del eje central de la pluma dependiente de la distancia dominada por flotabilidad

m

∆Hpm

Elevación del eje central de la pluma dependiente de la distancia dominada por momento

m

∆T

Diferencia de temperaturas

K

∆Tc

Diferencia crítica de temperaturas

K

φ

Humedad atmosférica

[-]

σY

Parámetro de dispersión horizontal

m

σ Ye

Parámetro de dispersión horizontal efectiva

m

σZ

Parámetro de dispersión vertical

m

σ Ze

Parámetro de dispersión vertical efectiva

m

∑

∆X L

Relación de la distorsión aproximada de la llama debida al viento lateral en la dirección horizontal

[-]

∑

∆Y

Relación de la distorsión aproximada de la llama debida al viento lateral en la dirección vertical

[-]

τ

Fracción de calor transmitido

[-]

χ

Concentración de contaminante o hidrocarburo en la atmósfera (metros cúbicos de aire)

µg/m3

χppm

Concentración molar de contaminante o hidrocarburo en la atmósfera

ppm

χppm, t

Concentración molar de contaminante o hidrocarburo en la atmósfera para el tiempo t diferente al tiempo de promedio de observación

ppm

χt

Concentración molar de contaminante o hidrocarburo en la atmósfera en un tiempo distinto al de referencia

ppm

L

LISTADO DE SUBÍNDICES i

Propiedad del componente i

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO 1.

INTRODUCCIÓN La Disciplina de Procesos tiene como responsabilidad el diseño o evaluación de los equipos finales de alivio y venteo de las instalaciones durante las diferentes fases de un Proyecto o en una Propuesta. Estos equipos son parte integral del sistema de alivio de presión. El personal de la Disciplina de Procesos, involucrado en el dimensionamiento o la evaluación de los equipos finales de alivio y venteo, requiere estar familiarizado con los criterios usados en inelectra. El INEDON “Guía de Diseño para los Sistemas de Alivio de Presión”, N° 903HM120-P09-GUD-041, es complemento de este INEDON para el diseño de los sistemas de alivio de presión.

2.

OBJETIVOS Los objetivos principales de este INEDON son suministrar la información necesaria sobre el tema:

3.

•

Las definiciones aplicadas a los equipos finales de alivio y venteo.

•

Los criterios de diseño de Procesos.

•

Las consideraciones para el diseño de los mechurrios, antorchas, teas o quemadores de desfogue y venteos.

•

Los modelos de cálculo para radiación y dispersión, véase la Figura 1.

•

Los procedimientos de cálculo para radiación y dispersión.

USO DE LOS CRITERIOS Y LA NORMATIVA I.

Los criterios especificados por el Cliente tienen prioridad sobre los indicados en este INEDON. Si las especificaciones del Cliente carecen de algún criterio, el Líder de Procesos en el Proyecto solicita la aprobación del Cliente para usar los criterios mostrados aquí.

II.

El usuario de este INEDON tiene la obligación de utilizar la revisión más actualizada de la normativa (normas, códigos, estándares, especificaciones, Leyes, etc.) nacional e internacional usada en el Proyecto; así como, solicitar al Cliente o ente gubernamental

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO correspondiente, la normativa local usada en el país donde se construye la instalación. Aproximación Simple (API STD 521) Radiación Brzustowski & Sommer (API STD 521)

Modelos de cálculo

SCREEN 3 (EPA) Dispersión PDVSA

Figura 1. Modelos descritos en este INEDON para cálculos de radiación y dispersión. 4.

INEDON RELACIONADOS Procedimientos e instrucciones de trabajo relacionados con este INEDON: Ingeniería (HM010) 903-P3000-A20-ADM-917

Procedimiento para la Identificación, Registro y Aplicación de Lecciones Aprendidas

903-HM010-A90-GUD-009

Instructivo para la Elaboración de Propuestas de Ingeniería

903-HM010-A90-TEC-003

Equivalencia de Términos entre Centros de Ejecución

Gestión de la Calidad (HM060) 903-HM060-G09-ADM-901 Elaboración y Actualización de INEDONES

Procesos (HM120) 903-HM120-P09-GUD-013

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Bases y Criterios de Diseño

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO 903-HM120-P09-GUD-023

Guía para la Elaboración de los Diagramas Básicos de Procesos

903-HM120-P09-GUD-025

Guía para la Elaboración de los Diagramas de Tuberías e Instrumentación

903-HM120-P09-GUD-041

Guía de Diseño para los Sistemas de Alivio de Presión

903-HM120-P09-GUD-049

Guía para los Cálculos de “Gas Blow-By”

903-HM120-P09-GUD-050

Guía sobre Compresibles

903-HM120-P09-GUD-051

Guía sobre Datos de Procesos para Clasificación de Áreas

903-HM120-P09-GUD-052

Guía para la Elaboración de la Memoria de Cálculo

903-HM120-P09-REF-053

Manual del Usuario – Programa de Radiación y Dispersión

903-HM120-P09-GUD-054

Guía para la Selección de los Materiales de Construcción

Flujo

Crítico

para

Fluidos

Los Procedimientos y las Instrucciones de Trabajo están relacionados de manera directa: el INEDON es citado en este documento, o indirecta: el INEDON contiene información adicional para el usuario; pero no es citado en este documento. 5.

ACRÓNIMOS Y SIGLAS Español

Inglés

API

American Petroleum Institute

(API) RP

Recommended Practice

(API) STD

Standard

BME

Balance de Materia y Energía

COVENIN

Comisión Venezolana de Normas Industriales

DBP

Diagrama Básico de Procesos

DTI

Diagrama de Tuberías (Cañerías) e Instrumentación

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Material and Heat Balance

PID: Piping and Instrumentation Diagram)

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Español

6.

Inglés

EPA

U. S. Environmental Protection Agency

EUA

Estados Unidos de América

FFG

Generador de Frente de Llama

Flame Front Generator

HdD

Hoja de Datos

Data Sheet

INEDON

inelectra Documento Normalizado

IPC

Ingeniería, Procura y Construcción

EPC: Engineering, Procurement & Construction

LEL

Límite Inferior de Explosividad

Lower Explosive Limit

LHV

Calor Neto de Combustión

Low Heating Value

N/A

No Aplica

No Applicable

NAP

Niveles de Aprobación (de un Proyecto)

PDVSA

Petróleos de Venezuela, S. A.

SPL

Nivel de la Presión de Ruido

Sound Pressure Level

UEL

Límite Superior de Explosividad

Upper Explosive Limit

MEMORIA DE CÁLCULO La memoria de cálculo para el dimensionamiento de los equipos finales de alivio y venteo es elaborada según el INEDON “Guía para la Elaboración de la Memoria de Cálculo”, N° 903-HM120-P09-GUD-052.

7.

LECCIONES APRENDIDAS Las Lecciones Aprendidas están disponibles a través de la página de intranet de Ingeniería. El sistema de Lecciones Aprendidas puede contener información adicional para el tema de este INEDON. El INEDON “Procedimiento para la Identificación, Registro y Aplicación de Lecciones Aprendidas”, N° 903-P3000-A20-ADM-917, indica lo siguiente “cuando no se encuentre evidencia del uso del Sistema de Lecciones Aprendidas, se levantará una No Conformidad” durante una revisión técnica.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO 8.

DEFINICIONES GENERALES Bases de Diseño (Basis of Design) Documento elaborado conjuntamente entre el Cliente e inelectra. El documento establece la información básica del lugar del Proyecto, premisas y criterios de diseño especiales o particulares, requerimientos de operación, constructibilidad y mantenimiento, normativa para el Proyecto, y toda la información adicional en la cual se fundamenta la ejecución del Proyecto. Dependiendo del alcance del Proyecto y del documento, los usuarios pueden ser solo Procesos, varias o todas las Disciplinas. Consulte los INEDON “Bases de Diseño”, N° 903-P3100-P09-ADM-901, y “Bases y Criterios de Diseño”, N° 903-HM120-P09-GUD-013. Calor Total de Combustión o Poder Calorífico Total (Higher [Gross] Heating Value, HHV) Es el calor total obtenido de la combustión de un carburante a 15,56 °C (60 °F). El valor incluye el calor latente de vaporización del agua formada por la combustión del hidrógeno en el carburante. El HHV puede ser expresado en kJ/kg (BTU/lb) o en kJ/m3 (BTU/ft3), las unidades de volumen de gas son a condiciones estándar. Calor Neto de Combustión o Poder Calorífico Neto (Lower [Net] Heating Value, LHV) Es el calor neto obtenido del calor total de combustión menos el calor latente de vaporización del agua formada por la combustión del hidrógeno en el carburante. El LHV puede ser expresado en kJ/kg (BTU/lb) o en kJ/m3 (BTU/ft3), las unidades de volumen de gas son a condiciones estándar. Clasificación de Presión-Temperatura (Pressure-Temperature Rating) Las clasificaciones de presión-temperatura son las máximas presiones manométricas permitidas de operación para el material y la designación de la clase para un rango de temperaturas definidas [4]. Las clasificaciones más comunes son 150, 300, 600, 900, 1500, 2500.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Combustión Inversa (Flashback) Fenómeno que ocurre en una mezcla inflamable de aire y gas combustible, cuando la velocidad local de la mezcla es menor que la velocidad de combustión de la llama, esto origina que la llama se mueva en la dirección de la mezcla, es decir en dirección opuesta al flujo. Condiciones Reales, Actuales (Actual Conditions) Presión y temperatura del fluido a las condiciones de operación (@ P y T). El término es usado para las variables volumétricas como el flujo y la densidad. La designación “A” es de uso común en la industria. Ejemplos: ACF (Aft3), pie cúbico real (actual); Am3, metro cúbico real (actual). Condiciones Base (Base Conditions) Valores de presión y temperatura (Cuadro 1) para la especificación del volumen de gas y líquido. En la Ingeniería de Procesos existen dos bases principales: A)

Las condiciones estándar, usadas principalmente en los EUA y los países con influencia estadounidense en sus unidades de medición o en su normativa. La designación “S” es de uso común; pero algunos países o Clientes usan la “E” como traducción. Ejemplos: SCF (Sft3) o PCE, pie cúbico estándar.

B)

Las condiciones normales, usadas principalmente en Europa y los países con influencia europea en sus unidades de medición o en su normativa. Ejemplo: Nm3, metro cúbico normal. Las condiciones base están definidas en las Bases de Diseño del Proyecto. Cuadro 1. Condiciones base. Presión absoluta

Base Estándar Normal

1 atmósfera estándar

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Temperatura

[bar]

[psi]

1,01325

14,6959

14 de 198

[°C]

[°F]

15,56

60,00

0,00

32,00

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Designaciones para el Espesor de Pared y No. de Cédula (Schedule, SCH) A)

Acero al carbono (carbon steel: CS), ASME B36.10M [5]: Las designaciones para el espesor de pared STD (estándar), XS (extra fuerte) y XXS (doble extra fuerte) han sido comercializadas por años [5]. Los números de cédula fueron añadidos luego. El No. de cédula 40 y STD son idénticos hasta un NPS de 10, inclusive. El No. de cédula y XS son iguales hasta un NPS de 8, inclusive. También existen otros espesores de pared que ASME B36.19 adoptó del API 5L [2].

B)

Acero inoxidable (stainless steel: SS), ASME B36.19M [6]: Las designaciones son 5S, 10S, 40S y 80S.

Diagrama Básico de Procesos (Basic Process Diagram) Término que incluye los Diagramas de Flujo de Procesos, los Diagramas de Flujo de Servicio y los Diagramas de los Materiales de Construcción. Consulte el INEDON “Guía para la Elaboración de los Diagramas Básicos de Procesos”, N° 903-HM120-P09-GUD-023. Diagrama de Tuberías (Cañerías) e Instrumentación, Diagramas Mecánicos de Flujo (Piping and Instrumentation Diagram, Mechanical Flow Diagram) Diagrama que describe la secuencia del proceso, su automatización y control, indicando todos los equipos, las líneas, la instrumentación, las lógicas de control y accesorios que los conforman. Consulte el INEDON “Guía para la Elaboración de los Diagramas de Tuberías e Instrumentación”, N° 903-HM120P09-GUD-025. Estaca (Stack) Sección del equipo final de alivio y venteo (Figura 2), generalmente de forma circular que sirve para elevar y soportar la punta.

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Punta (tip), Quemador (burner)

Estaca (Stack)

Figura 2. Secciones principales equipo final de alivio y venteo. Humedad Relativa (Relative Humidity) Relación entre la presión parcial del vapor de agua en el aire y la presión de saturación del agua a una temperatura definida. Algunos modelos para cálculo de radiación consideran la humedad relativa para disminuir la radiación solar para largas distancias. Adicionalmente, la humedad relativa puede afectar el desempeño de la quema sin humo. Mechurrio, Tea, Antorcha o Quemador de Desfogue (Flare) Equipo para la disposición segura de los gases de desecho por medio de una combustión. En un mechurrio elevado, la combustión tiene lugar en la punta (tip) de una línea o estaca. Un mechurrio de piso o de suelo es similar, pero la combustión ocurre a un nivel cercano al suelo. Una fosa de quemado es usada para quema de líquidos. La palabra “mechurrio” (Venezuela) es usada en los INEDON de Procesos, para designar a la “antorcha” (Argentina), la “tea” (Colombia) o el “quemador de desfogue” (México). Quema Interna (Burnback) Quema interna de la punta del equipo final de alivio y venteo. Puede ser el resultado de la succión de aire hacia dentro de la punta debido a un flujo bajo de gas de purga o gas de alivio. 903-HM120-P09-GUD-046/24/03/2010/RA/pa

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Piloto (Pilot) Pequeño quemador de uso continuo que provee energía de ignición para encender los gases venteados. Presión de Ruido (Sound Pressure) Desviación de la presión local de la presión ambiental originada por una onda de ruido. La unidad típica de medición es decibel (dB). Producto Planos, diagramas y documentos técnicos (especificaciones, requisiciones, cálculos, informes, entre otros), órdenes de compra y formatos, elaborados y/o implementados por cada Grupo de Trabajo en un Proyecto específico. Punta, Quemador (Tip, Burner) Sección del equipo final de alivio y venteo (Figura 2), ubicado en su extremo y donde se realiza la mezcla de aire y combustible para mantener una combustión estable. Sistema de Alivio (Relevo) de Presión (Pressure-Relieving System) Instalación de un dispositivo de alivio de presión, líneas y medios para transporte y disposición de los fluidos de alivio en fase gaseosa, líquida o ambas. Un sistema de alivio de presión puede consistir en una sola válvula de alivio o disco de ruptura, con la línea de salida, en un recipiente o línea. Un sistema más complejo puede contar con varios dispositivos de alivio conectados a un sistema de recolección y los equipos finales de disposición: KO Drum, mechurrio o venteo (Figura 3).

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Válvula de alivio de presión Línea de salida

Equipo final de alivio y venteo

Colector (cabezal) principal Línea de salida del KO Drum

Línea de entrada Equipo o sistema para protección

KO Drum

Figura 3. Componentes del sistema de alivio de presión. Tambor Separador de Líquidos de Alivio (Relevo) (Knockout Drum) Recipiente para la separación de los fluidos de alivio: gas y líquido. El gas puede ser enviado a un mechurrio o a un venteo para la disposición final. Los líquidos pueden ser enviados a fosas de quema, tanques para almacenamiento, retornados al proceso, etc. (Figura 3). Para fines de este INEDON, se designa KO Drum al separador de alivio. Termocupla, Termopar (Thermocouple) Dispositivo para medición de la temperatura, usado para detectar el calor producido por la llama de un mechurrio o del piloto. Vendedor (Vendor) Compañía o persona que vende y garantiza el correcto funcionamiento del equipo final de alivio y venteo. Un vendedor puede ser un fabricante o alguien que suministra los ítems de varios fabricantes. Venteo (Vent) Terminación final, elevada y vertical de un sistema de disposición de gases a la atmósfera, sin combustión o conversión del fluido de alivio.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Venteo Frío (Cold Vent) Gases de venteo con una temperatura por debajo de la mínima temperatura del aire. 9.

FLUJOGRAMA BÁSICO DE DIMENSIONAMIENTO Y ESPECIFICACIÓN La Figura 4 es el flujograma básico de cualquier dimensionamiento y especificación, realizado por la Disciplina de Procesos para los equipos e instrumentos. La adaptación para este INEDON es la siguiente: 1a

Conocimiento del alcance del Proyecto: Saber qué se requiere de la Disciplina de Procesos en un Proyecto está establecido en el alcance. La información necesaria puede estar en los términos de referencia de la Propuesta original para el Proyecto, en la minuta o acta de la reunión de arranque (kickoff meeting), en los cambios de alcance, etc. El alcance varía con el Cliente, la etapa del Proyecto (Ing. Conceptual, Básica, de Detalle, Proyecto IPC, etc.), si la instalación es nueva o se realiza una adecuación para una instalación existente. El conocimiento del alcance del Proyecto es un requerimiento para el personal de la Disciplina de Procesos, el cual incluye al Líder de la Disciplina, los Ingenieros y Especialistas de Procesos.

1b

Obtención de la documentación necesaria: •

Bases de Diseño del Proyecto: el documento se puede complementar con información de este INEDON y específica del Proyecto.

•

Normativa usada para el Proyecto: las normas, los códigos, estándares, las especificaciones, leyes, etc. varían en los Proyectos y se requiere obtener la versión más actualizada. Es posible que el documento Bases de Diseño solo nombre la normativa; pero es función de la Disciplina de Procesos, la obtención de la información detallada.

•

BME: ayuda a conocer las características de los fluidos del proceso.

•

DBP: complementa a los dos documentos anteriores.

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DTI: el documento representativo de la Disciplina de Procesos, es el que también muestra más información sobre el equipo del alivio y venteo. Debido a que el mechurrio o el venteo es subcontratado a un vendedor, Procesos, elabora un DTI donde se muestra el límite del vendedor y se hace referencia al DTI elaborado por el vendedor. Consulte el INEDON “Guía para la Elaboración de los Diagramas de Tuberías e Instrumentación”, N° 903-HM120-P09-GUD-025.

•

Hoja de Datos o Especificación del Equipo: contiene información detallada sobre del equipo (dimensiones, condiciones de diseño, etc.). Según la etapa y alcance del Proyecto, se pueden obtener del fabricante, de la Disciplina de Ingeniería Mecánica o de Procesos.

•

Planos de Ubicación de los Equipos (plot plans): saber dónde está el equipo final de alivio y venteo y los otros equipos, límites con terceros, oficinas, etc. es importante para los análisis de radiación y dispersión. La Disciplina de Diseño Mecánico es responsable de la emisión de estos planos.

•

Simulación del Proceso: si bien, en muchos Proyectos esto no es un documento, es considerado de suma importancia para determinar las propiedades del fluido a las condiciones en el equipo final de alivio y venteo.

•

Análisis del Sistema de Alivio de Presión: la información sobre flujo (o los flujos) para el dimensionamiento del equipo final de alivio y venteo proviene de ese análisis. Consulte INEDON “Guía de Diseño para los Sistemas de Alivio de Presión”, N° 903-HM120-P09-GUD041, para más información.

•

Hojas de Datos del Vendedor (en la emisión “como construido” o “conforme a obra”): esta información es indispensable para la evaluación de instalaciones existentes. Las hojas de datos del fabricante son la fuente más confiable para conocer la especificación del equipo final de alivio y venteo. En el caso de la evaluación de una instalación existente, cualquier documento o información relevante para el análisis es solicitada al Cliente, comenzado en la Propuesta técnica y durante la ejecución del Proyecto. En algunos Proyectos, es alcance de inelectra el levantamiento (relevamiento) de la información existente.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO La falta de información origina que la Disciplina de Procesos tenga que realizar consideraciones y suposiciones, estas son incluidas en la Memoria de Cálculo. Adicionalmente, se añaden recomendaciones para obtener información más confiable y disminuir la incertidumbre. 2

Conocimiento de las bases, premisas y los criterios: El documento de Bases de Diseño del Proyecto contiene de manera resumida la información para el dimensionamiento o la especificación de los equipos e instrumentos; pero en algunas ocasiones, la Disciplina de Procesos establece premisas en base a la información de otros Productos propios u de las otras Disciplinas. Por ejemplo, el valor de la fracción de calor radiado en los cálculos de radiación, Sección 13.4.

3a

Dimensionamiento y especificación del equipo final de alivio y venteo: En el caso de los equipos finales de alivio y venteo, la Disciplina de Procesos realiza un dimensionamiento preliminar en función de los criterios mencionados en este INEDON; pero el vendedor del equipo valida las dimensiones de Procesos o las mejora basado en su mejor conocimiento del desempeño del equipo.

3b

Elaboración de la Memoria de Cálculo: El dimensionamiento del equipo final de alivio y venteo es soportado por la Memoria de Cálculo, véase la Sección 6.

4a

Elaboración de la HdD o Suministro de datos a otra Disciplina: La elaboración de la HdD consiste en especificar la información requerida por otras Disciplinas y luego por el vendedor para el dimensionamiento definitivo del equipo de alivio y venteo, y la especificación de los componentes asociados el equipo. Véase la Sección 17. Adicionalmente, se suministra información para el plano de planta, bien sea con los radios de seguridad (Sección 13.15) o evaluando con otras Disciplinas la ubicación del equipo final de alivio y venteo o de los otros equipos en la instalación.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO 4b

Actualización de otros Productos: Los otros Productos son actualizados con los resultados del dimensionamiento del equipo final de alivio y venteo. Por ejemplo, la altura total en el DBP y DTI. 1a

Conocimiento del alcance del Proyecto 2

Obtención de la documentación necesaria

Conocimiento de las bases, premisas y los criterios

3a Dimensionamiento y/o especificación del equipo o instrumento

4a

1b

Elaboración de la Hoja de Datos o Suministro de datos a otra Disciplina

3b

4b

Elaboración de la Memoria de Cálculo

Actualización de otros Productos

Figura 4. Flujograma básico de dimensionamiento y especificaciones de Procesos. 10.

EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO

10.1.

Mechurrios (Teas, Antorchas, Quemadores de Desfogue) Los mechurrios pueden ser clasificados como [10]: •

Mechurrios de tubo: Líneas horizontales o verticales con sistema de ignición de pilotos externo.

•

Mechurrios sin humo: Quemadores verticales, simples o múltiples, diseñados para garantizar una mezcla apropiada de oxígeno (aire) con los vapores de alivio para una combustión completa. El medio usado para generar la mezcla del aire con el gas puede ser vapor de agua, gas combustible a alta presión, rocío de agua, inyección de aire por medio de un soplador, o un diseño que origine alta velocidad por medio de la acción de un vórtice.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO • 10.2.

Mechurrios endotérmicos: Incineradores elevados para corrientes de bajo poder calorífico (menos de 115 BTU/SCF).

Venteos Los venteos son tubos elevados que liberan corrientes de gases y vapores que no necesitan ser quemadas. La distribución de las concentraciones en el espacio cercano a los venteos es el principal estudio que se necesita con este dispositivo, la cual depende de las condiciones del proceso, de la corriente de gas, de las condiciones ambientales y de las regulaciones legales, de manera que el gas liberado se disperse efectivamente en la atmósfera y no represente peligro alguno. Para conseguir una dispersión satisfactoria de los productos gaseosos de desecho en la atmósfera, se requiere la evaluación de los siguientes factores locales:

10.3.

•

Las especificaciones sobre concentraciones máximas permisibles de contaminantes y altura mínima del venteo previstas en la normativa.

•

Las condiciones meteorológicas históricas.

•

La topografía en la localidad del venteo.

Diseño El diseño de un mechurrio o de un venteo está definido en base a: A)

La radiación originada por la llama del mechurrio. En el caso de un venteo, el gas emanado puede encenderse debido a descargas eléctricas, electricidad estática o cuando la temperatura de venteo excede la temperatura de autoignición del gas. El diseño por radiación está basado en la máxima radiación permisible, la cual puede ser en la base del mechurrio o una distancia definida por limitaciones de espacio.

B)

Dispersión de contaminantes presentes en el gas como H2S, SO2, etc. En el caso de un mechurrio se evalúa la posibilidad de que la llama se apague.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO El diseño por dispersión se basa en la máxima concentración de un contaminante para un período de tiempo de observación según regulaciones locales o del Cliente. La radiación y dispersión son evaluadas para un mechurrio o un venteo, con el fin de definir cuál parámetro domina el diseño del equipo. En el caso del mechurrio, se evalúa la dispersión en caso que la llama se apague; para un venteo, se evalúa la radiación en caso que se enciendan los gases. 11.

CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO

11.1.

Quema (Operación) Sin Humo La quema sin humo es un requerimiento para la operación de un mechurrio (Figura 5). Con el fin de promover una buena distribución del aire en la llama, se emplean diferentes medios de asistencia (fluidos de servicio) para generar una turbulencia y mejorar la mezcla de combustión aire/gas. La especificación de una quema sin humo aplica sólo para la quema continua del mechurrio; en el caso de una quema de emergencia, tal especificación no es requerida. La medición del humo generado es realizada por las cartas de Ringelmann; la quema de un mechurrio se considera sin humo, si no es más oscura que la carta No. 1 de Ringelmann (Figura 7). Consulte las Bases de Diseño del Proyecto o las regulaciones locales para establecer el requerimiento de quema sin humo. Existe la posibilidad que se requiera un flujo mayor al de operación normal. La tendencia a generar humo es una función del poder calorífico del gas y de la estructura de enlace de los hidrocarburos [3]. Los hidrocarburos parafínicos tienen la tendencia más baja a generar humo, mientras que las olefinas, diolefinas e hidrocarburos aromáticos tienen una tendencia mayor.

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Figura 5. Quema sin humo.

Figura 6. Quema con humo durante condiciones de emergencia.

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9 mm

Carta No. 0 0 % de negro

6,3 mm

3,7 mm

Carta No. 3 60 % de negro

1 mm

Carta No. 1 20 % de negro

4,5 mm

7 mm

2,3 mm

Carta No. 2 40 % de negro

5,5 mm

Carta No. 4 80 % de negro

Carta No. 5 100 % de negro

Figura 7. Cartas de Ringelmann. A continuación, se indican valores típicos de medios de asistencia, para garantizar una mezcla eficiente gas/aire [10]: A)

Vapor de agua: El vapor de agua puede ser inyectado a través de boquillas con una línea ubicada en el centro de la llama o ubicado en la periferia de la punta del mechurrio.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO El Cuadro 2 muestra valores sugeridos de inyección de vapor de agua para varios hidrocarburos y generar una quema sin humo. Cuadro 2. Valores sugeridos de inyección de vapor de agua (resumen) [1]. Gas quemado

Vapor requerido kg (lb) de vapor por kg (lb) de hidrocarburo gaseoso Parafinas

Etano

de 0,10 a 0,15

Propano

de 0,25 a 0,30

Butano

de 0,30 a 0,35

Pentano+

de 0,40 a 0,45 Olefinas

Etileno

de 0,40 a 0,50

Propileno

de 0,50 a 0,60

Buteno

de 0,60 a 0,70 Diolefinas

Propadieno

de 0,70 a 0,80

Butadieno

de 0,90 a 1,00

Pentadieno

de 1,10 a 1,20 Aromáticos

Benzeno

de 0,80 a 0,90

Tolueno

de 0,85 a 0,95

Xileno

de 0,90 a 1,00

Otra manera de predecir el flujo requerido de vapor de agua, basado en el peso molecular de un hidrocarburo, es por medio de la siguiente ecuación:   10,8   Wvapor = WHC ⋅ 0,68 −   MWG  

(1)

La primera opción es el Cuadro 2, si este no tiene el compuesto quemado, se recomienda usar la ecuación de arriba. 903-HM120-P09-GUD-046/24/03/2010/RA/pa

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO B)

Agua: El sistema de inyección de agua es por medio de aspersores ubicados en una línea en la periferia de la punta del mechurrio. Este sistema es poco común. Para mechurrios con rocío de agua, el valor típico es de 1 kg (lb) a 5 kg (lb) de agua por kilogramo (libra) de hidrocarburo. El diseño de la punta del mechurrio se realiza para bajas velocidades. Estos flujos son altamente dependientes del método de inyección de agua y del grado de atomización de la corriente de agua. El viento también tiene un efecto significativo en este tipo de mechurrios y puede reducir enormemente su eficiencia.

C)

Aire: La inyección de aire por medio de un soplador (centrífugo, de vena axial, o con aspas ajustables [3]), es una alternativa frecuente cuando no se dispone de vapor de agua. Usualmente, el aire a una presión de 0,5 kPa a 1,5 kPa (2 in H2O a 6 in H2O) fluye a través de un tubo coaxial al tubo de gas; en la punta del mechurrio se mezclan los dos fluidos. El flujo de aire inyectado por un soplador puede ser de 3 kg (lb) a 7 kg (lb) de aire por kilogramo (libra) de hidrocarburo. La velocidad usada comúnmente para el diseño de la punta es menor de Mach 0,5.

El uso de algún servicio (vapor, aire, agua) para asistir a una quema sin humo, depende de la disponibilidad y de un balance de costos operativos y de instalación. Ejemplo: el suministro de aire por medio de un soplador puede ser preferido cuando no existen líneas de vapor ni de agua en las inmediaciones del mechurrio. Los mechurrios de alta presión no requieren aire ni vapor para generar una quema sin humo [1]. 11.2.

Gas de Purga El gas de purga (o de barrido) es gas combustible o un gas inerte no condensable que es añadido para mitigar el ingreso de aire al sistema de alivio y la quema de la punta del equipo (burnback) [3]. El riesgo del aire está en que contiene oxígeno y puede originar una mezcla explosiva. La entrada de aire a la estaca puede originarse por:

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO A)

Difusión del aire dentro de la estaca.

B)

Acción del viento horizontal para bajos flujos de gas en la estaca, lo cual puede causar una presión diferencial en la punta de la estaca.

C)

Gas de alivio con una densidad menor que el aire.

D)

Condensación y disminución de volumen del fluido en el sistema de alivio, lo cual puede originar un vacío y efecto de succión.

E)

Durante las paradas de planta, en las cuales existen varias conexiones abiertas y el sistema de purga está fuera de operación.

A continuación, se describe como estimar el flujo de gas de purga para evitar la infiltración de aire en la punta [1]: A)

El gas de purga es más ligero que el aire seco, es decir el gas tiene un peso molecular menor de 28,96 kg/kg-mol.

B)

El oxigeno es limitado a 6 % para una distancia de 7,62 m (25 ft) dentro de la estaca o del sistema de alivio.

Consulte el API STD 521 [1] para otras consideraciones. Unidades métricas y condiciones normales: n  3 , 46  VP = 31,25 ⋅ DTIP ⋅  ∑ Ci0,65 ⋅ K i    i

(2)

Unidades USC y condiciones estándar: n  3 , 46  VP = 0,003 528 3 ⋅ DTIP ⋅  ∑ Ci0,65 ⋅ K i    i

(3)

Donde, VP

es el flujo de gas de purga en Nm3/h (SCFH); Conversiones (para un gas con el mismo peso molecular): • 1 Nm3/h ≈ 37,34 SCFH.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO • 1 Nm3/h ≈ 1,055 Sm3/h. DTIP

es el diámetro interno de la punta del equipo en m (in);

Ci

es la fracción volumétrica del componente i en porcentaje;

Ki

es la constante del componente i. Véase el Cuadro 3. Cuadro 3. Valores de K [1]. Componente Observaciones K (a) Hidrógeno

+5,783

Helio

+5,078

Metano

+2,328

Nitrógeno

+1,067

Sin viento.

+1,707

Con una velocidad del viento ca. 7 m/s (15 mph).

Etano

−1,067

Propano

−2,651

CO2

−2,651

C4+

−6,586

(a)

Los valores de K mayor de cero corresponden a componentes con un peso molecular menor que el aire y viceversa.

Ejemplo de cálculo: •

Composición del gas de purga: Contenido volumétrico [%]

K

95

+2,328

Etano

3

−1,067

Propano

1

−2,651

C4+

1

−6,586

Componente Metano

•

DTIP

= 0,4 m (16 in).

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n

∑ Ci0,65 ⋅ Ki

=

i

950,65 · 2,328 + 30,65 · (−1,067) + 10,65 · (−2,651) + 10,65 · (−6,586) = 33,51 •

Unidades métricas y condiciones normales: VP = 31,25 ⋅ 0,43, 46 ⋅ 33,51

VP = 43,97 Nm3/h •

Unidades USC y condiciones estándar: VP = 0,003 528 3 ⋅ 163, 46 ⋅ 33,51

VP = 1733,8 SCFH Los flujos calculados por las ecuaciones anteriores pueden ser mayores para: •

El arranque inicial del equipo.

•

Las condiciones transitorias que generen vacío, por ejemplo el enfriamiento debido a cambios en la temperatura ambiental.

•

Prevenir la quema interna de la punta, en este caso es conveniente consultar con el vendedor cuál es la vida útil de la punta para un flujo bajo de gas de purga. Si la vida útil es muy baja, se puede aumentar el flujo de gas de purga y evitar la quema interna.

Consideraciones: •

El flujo definitivo del gas purga es suministrado por el vendedor en función del tipo de sello y uso de aire o vapor para una quema sin humo.

•

Use el valor calculado para dimensionar la línea de suministro de gas combustible y el estimado del consumo.

Adicionalmente al flujo de gas calculado anteriormente, puede existir el requerimiento de gas para evitar la formación de vacío en el sistema de alivio de presión debido al enfriamiento del gas de alivio. Consulte el INEDON “Guía de

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Diseño para los Sistemas de Alivio de Presión”, N° 903-HM120-P09-GUD-041, para más información. 11.3.

Sellos para la Conservación del Gas de Purga Los sellos de gas son empleados, en conjunto con el gas de purga, para evitar el ingreso de oxígeno a través del equipo. La Figura 8 muestra los principales tipos de sellos, los cuales el lleno de líquido y los sellos mecánicos Sellos Mecánicos

Sello de Líquido

Sello molecular, de difusión o de flotabilidad

Sello de velocidad, fluídico o venturi

Figura 8. Tipos de sellos para equipos finales de alivio y venteos. El efecto de la pérdida de presión del sello, en la presión de operación de la base del mechurrio, es considerada en la Sección 11.9. Los sellos mecánicos no proveen protección contra un retorno de llama sin la ayuda del gas de purga. Esa clase de sellos son diseñados como dispositivos de conservación de energía para reducir el flujo de gas de purga, el cual es requerido para evitar el retorno de llama y reducir la infiltración de aire hacia el equipo. El sello de líquido puede prevenir el ingreso de aire al sistema de alivio de presión, pero si está ubicado, en la base del equipo, no puede prevenir el ingreso de aire en la estaca sin la ayuda de gas de purga.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO 11.3.1. Sello de Líquido Este tipo de sello direcciona el flujo del gas de alivio a través de un líquido (generalmente agua) antes de llegar a la punta del equipo (Figura 8). Sus principales características son: •

Provee una protección positiva contra el retorno de la llama; por tal motivo esta clase de sellos es recomendada para gases como acetileno, óxido de etileno e hidrógeno.

•

El diseño de los internos es muy importante, debido a que el gas tiene que burbujear de tal manera que el líquido detenga el retorno de la llama.

•

Requiere de conexiones para reposición del fluido de sello, visores y/o transmisores de nivel y de drenaje.

•

Permite mantener una presión positiva en el sistema de alivio. En el caso de una fuga, el gas sale hacia la atmósfera en vez de entrar hacia el sistema de alivio.

•

La pérdida mínima de presión es la correspondiente a la diferencia de presión requerida para vencer la columna de líquido; tal diferencia de presión también determina la mínima contrapresión en el sistema de alivio. La altura típica de líquido es de 0,61 m (2 ft), pero se confirma con el vendedor.

•

Es provisto con una línea tipo sifón para el drenaje de la cámara de líquido en caso de rebose (Figura 9).

•

Puede ser instalado en lejos de la estaca, en su base o en la sección superior cerca de la punta.

•

El uso de agua como fluido de sello eso solo permitido cuando no existe el riesgo de congelamiento debido a la temperatura del gas. Por ejemplo, en una instalación criogénica, se recomienda el uso de una mezcla agua/glicol.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO 11.3.2. Sellos Mecánicos Los tipos de sellos mecánicos son: A)

Sello molecular, de difusión o de flotabilidad (buoyancy seal 1). El gas de purga cambia dos veces de dirección en 180º (Figura 8), lo cual crea el sello por medio de la diferencia de densidad entre el gas de purga (o el flujo de alivio) y el aire. Sus principales características son:

B)

•

Disminuye el flujo requerido de gas de purga.

•

Está ubicado directamente debajo de la punta del mechurrio.

•

La mayoría son verticales, pero también hay disponibles en posición horizontal.

•

Tiene generalmente un diámetro mayor que la línea del mechurrio con el fin de minimizar las pérdidas de presión debido al paso del flujo gas.

•

Por medio del volumen de gases contenido entre el sello, el sello molecular es capaz de proveer protección por algún período de tiempo aun cuando se interrumpa el flujo de gas de purga. El tiempo que el sello permanece efectivo depende de la velocidad del viento y el flujo de difusión entre el gas y el aire.

•

Son provistos de un drenaje, debido a la acumulación de agua de lluvia.

•

La pérdida de presión depende del diseño y es suministrada por el vendedor.

Sello de velocidad, fluídico o venturi: Es una obstrucción cónica con uno o varios deflectores, los cuales fuerzan al aire contra las paredes internas de la punta y es enviado hacia fuera cuando choca con el chorro de gas de purga (Figura 8). Sus principales características son:

1

En inglés no es conveniente usar el término “molecular seal”, porque este es un nombre registrado de John Zink Company, LLC.

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Es más pequeño que el sello molecular para el mismo tipo de servicio, y es fabricado como parte integral de la punta del mechurrio.

•

El flujo de gas de purga es mayor para un sello de velocidad que para uno molecular; pero son más económicos y no requieren la conexión de drenaje.

•

La pérdida de presión depende del diseño y es suministrada por el vendedor. Nivel de líquido

Venteo para romper el vacío

h = 1,75 × presión máx. de operación en m (ft)

Hacia el sistema de drenaje

Figura 9. Línea tipo sifón para un sello de líquido. El uso de cómo mínimo el sello de velocidad es recomendado si no existe especificación del Cliente. 11.4.

Tipos de Mechurrio Los diferentes tipos de mechurrios pueden ser clasificados en función de su altura y el modo de operación (Figura 10).

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Elevados Altura y modo de operación

Quema en tierra Plataformas mar a dentro Quema en fosa

TIPOS DE MECHURRIOS

Presión de operación

Baja presión Alta presión (sónico) Auto-soportados

Estructura de soporte

Con tensores Estructura tipo cabria

Figura 10. Tipos de mechurrios descritos en este INEDON. A)

Mechurrios elevados: El mechurrio elevado (Figura 14) es el más utilizado; su altura es definida por medio de los requerimientos de radiación y dispersión. Como regla general, la elevación mínima es de 15 m (50 ft). Sin embargo, la presencia de estructuras cercanas (edificios, casas, instalaciones eléctricas, etc.) puede originar tenga que ser mayor.

B)

Mechurrio de quema en tierra: Los mechurrios de quema en tierra pueden ser usados cuando existen requerimientos especiales de radiación, ruido y luminosidad. Las principales ventajas: •

No se requiere de estructuras de soporte.

•

Son de fácil mantenimiento.

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Generan bajos costos de operación.

•

Su construcción es relativamente sencilla y requiere pocas partes.

•

La combustión es más controlada.

Existen dos tipos de mechurrio de quema en tierra: a)

La llama está completamente encerrada dentro de un casco de acero inoxidable forrado con material refractario, de modo que no hay signos visibles de ignición (Figura 11). Recubrimiento refractario

Pilotos de gas

Quemadores de gas

Pared exterior

Protección contra el viento

Figura 11. Mechurrio encerrado de quema en tierra [3]. b)

El quemador se encuentra a un nivel muy cercano el suelo; en este caso no se requiere vapor para controlar el humo, sino que se aprovecha la presión (de 0,3 barg a 1 barg [4,4 psig a 14,5 psig]) del gas que está quemando y provee una operación totalmente fumífuga. Usualmente se usan varios pequeños quemadores (Figura 12). Este tipo de sistema no requiere forro interno de material refractario, dado que las boquillas de quemado salen de cabezales de líneas cerca del suelo; así la llama tiene un perfil bajo.

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Quemadores

Figura 12. Quemadores a nivel del suelo [3]. C)

Mechurrios para plataformas mar adentro: Hay varios tipos de sistemas de quema usados en plataformas ubicadas mar adentro: a)

Una chimenea montada verticalmente sobre la plataforma, con un tanque separador en la base para evitar el paso de líquidos, y con la altura total del mechurrio basada en las consideraciones de radiación.

b)

Un mechurrio montado sobre una viga a un ángulo fuera de la plataforma, de modo que si hay cualquier cantidad de líquido, el mismo no caiga sobre la plataforma; la longitud de la viga y mechurrio está determinada por los cálculos de radiación.

c)

Un mechurrio montado sobre un soporte separado de la plataforma. La longitud final del cabezal y la boquilla del mechurrio puede ser vertical o esquinada. El cabezal puede estar soportado por encima del agua sobre un soporte en puente o puede ser un cabezal sumergido. Un problema con el sistema de cabezal sumergido es que puede haber acumulación de condensado. Este condensado debe sacarse del cabezal para evitar restricciones al flujo de gas hacia el mechurrio. Otro problema relacionado con el sistema de cabezal sumergido es que las líneas de ignición también están sumergidas y sujetas a condensación; por lo tanto, la ignición de los pilotos no es confiable.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Los sistemas de mechurrios de plataformas comúnmente tienen separados los cabezales de alta y baja presión, y las boquillas. Las boquillas se pueden colocar tan juntas una de otra, como sea físicamente posible, para obtener vida máxima de servicio. Una ventaja más de esto es que las dos boquillas pueden compartir un piloto común. Otro equipo común de quema en una plataforma, es un mechurrio para prueba de pozo. Como su nombre lo sugiere, este mechurrio se usa normalmente para disponer del petróleo crudo durante las pruebas de pozo; sin embargo, también puede usarse para quemar condensados de hidrocarburos. Este mechurrio para prueba de pozo generalmente usa aire o gas para atomizar el líquido, a fin de mejorar la combustión y un múltiple para rociar agua de mar a fin de formar un escudo contra la radiación. D)

Mechurrio para quema en fosa: Las quemas en fosa son generalmente sistemas de quema baratos, situados a una distancia segura de las instalaciones de la planta, donde los hidrocarburos líquidos y/o gases pueden ser desechados con seguridad. Estos sistemas son ampliamente usados para la prueba de pozos.

Figura 13. Mechurrio horizontal para quema en fosa [3]. Generalmente no hay preocupación por prevención contra el humo. La boquilla comúnmente usada es la boquilla tipo no fumífuga o de servicio. El mechurrio ayudado por aire a baja presión es el segundo en popularidad, aún cuando es fumífugo. Sin embargo, no está diseñado para manejar líquidos.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO La fosa puede estar rodeada de un muro de tierra, paredes o cilindros con material refractario. Las fosas de quemado no son usadas para quema de gases ácidos ni tóxicos. Otra clasificación de los mechurrios es en base a la presión de operación del:

11.5.

A)

Sistema de alivio, consulte el INEDON “Guía de Diseño para los Sistemas de Alivio de Presión”, N° 903-HM120-P09-GUD-041.

B)

Mechurrio; bajo esta definición existen los siguientes subtipos: a)

Mechurrios de baja presión, diseñados para Mach menor a 0,8.

b)

Mechurrios de alta presión o sónicos, diseñados para Mach entre 0,8 y 1. El uso de este tipo de mechurrios permite un menor diámetro del equipo y una mayor velocidad final (mejora la dispersión de gases no quemados); pero las desventajas pueden ser la alta contrapresión en las válvulas de alivio y la falta de estabilidad de la llama cuando se usan fluidos para la quema sin humo (esto último es consultado con el vendedor).

Estructuras para Mechurrios/Venteos Elevados El tipo de mechurrio o de venteo más comúnmente empleado es el elevado; en estos caso la punta se encuentra montada en un tubo o estaca. La altura lograda reduce la cantidad de radiación a nivel del suelo o mejora el perfil de dispersión de un contaminante en la atmósfera. Los tres tipos más comunes de estructuras son: A)

Auto-soportados. Los equipos auto-soportados son normalmente los más deseados. Sin embargo, pueden resultar costosas si se requiere mucho material (diámetro de la línea) para garantizar integridad estructural; las limitaciones (económicas vs. otras alternativas) son para alturas de 60 m (200 ft) a 90 m (300 ft).

B)

Soportados con tensores (guayas o vientos). Estas estructuras son las menos costosas, pero necesitan mayor área debido al radio requerido para la instalación de los tensores. El valor típico para el radio de instalación es 1,5 veces la altura total del mechurrio o venteo. La altura usual oscila entre 183 m (600 ft) y 244 m (800 ft).

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO C)

Soportados con estructuras del tipo cabria (derrick). Usadas sólo cuando equipos de mucha altura no pueden ser auto-soportados o no existe suficiente espacio para la instalación de los tensores. Algunas estructuras tipo cabria permiten bajar el equipo y/o la punta a nivel de suelo para mantenimiento por medio de un sistema de grúas. En lugares donde no existe espacio disponible, también se pueden usar varios mechurrios montados en una misma estructura tipo cabria.

Estructura auto-soportada

Estructura soportada con tensores

Estructura tipo cabria

Figura 14. Tipos comunes para estructuras de mechurrios o venteos elevados [1].

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO 11.6.

Otros Sistemas para Mechurrios A)

Mechurrio de Hidrógeno: Se considera como criterio para clasificar un mechurrio de hidrogeno cuando la composición del gas de quema contiene hidrógeno y otros compuestos sin aporte calorífico (inertes). Para estos equipos los criterios de diseño cambian, ya que dependiendo de la concentración de hidrógeno que se maneje, cambia la velocidad del gas de quema y por ende, los diámetros de las boquillas. Para mayor información acerca de los criterios de mechurrios de hidrogeno, véase el Anexo 1. Para los casos en que el gas de quema comprenda una alta cantidad de hidrogeno en presencia de hidrocarburos, se recomienda verificar los criterios de velocidad para mechurrios de hidrógenos y asegurar la confiabilidad de los cálculos.

B)

Mechurrio Sónico: Estos equipos mantienen una velocidad de los gases de quema a Mach = 1. Las principales ventajas son: un mayor tiempo de vida sin tener que realizar mantenimiento; la llama de estos equipos tiende a ser más vertical que los demás, por lo que la radiación emitida es menor. En consecuencia de la estabilidad y verticalidad de la llama, estos equipos pueden ser instalados a alturas más bajas o en zonas donde el área está limitada. Los mechurrios sónicos son instalados, por lo general, en plataformas de costa afuera. Para alcanzar la velocidad del sonido se suministra una gran cantidad de aire, algunos vendedores usan inyectores instalados a la salida de las boquillas para administrar el aire. Debido a la gran cantidad de aire inyectado, se garantiza una combustión completa, por lo que la llama está libre de humo. Por otro lado, estos equipos por lo general disponen de dispositivos de acústica para disminuir el ruido emitido a causa de la combustión y de la alta velocidad; estudios realizados demuestran que los niveles de ruido y de radiación en estos tipos de mechurrios, pueden ser disminuidos en un alto porcentaje al inyectarle agua al gas de quema.

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200 Mechurrio sónico (JZ®) Modelo de mechurrio convencional simulado por John Zink

Distancia

150

Predicción según API RP 521

100

50

0

0

50

100 150 Distancia

200

250

Figura 15. Comparación del tamaño de la llama de mechurrios. Adaptado de [13]. 11.7.

Sistema de Ignición El diseño del sistema de ignición es del alcance del vendedor del mechurrio, por consiguiente es éste quien especifica todos los instrumentos asociados al panel para garantizar la ignición de los pilotos. A)

Sistema de ignición con frente de llama (Figura 16): El sistema de ignición más comúnmente usado es el denominado “generador de frente de llama” (flame front generator, FFG), el cual es muy confiable. En un panel de ignición se mezclan el aire y el gas, la mezcla se enciende por una chispa para generar una bola de fuego o frente de llama que viaja a través de la tuberia de ignición hasta el piloto. Como el panel de ignición se utiliza sólo para encender los pilotos, la demanda de servicios es pequeña.

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Panel de ignición

Figura 16. Esquema típico del FFG, con los pilotos acoplados a la punta del mechurrio y los límites del alcance el vendedor. Este sistema de ignición requiere 1 barg (15 psig) de aire comprimido (con calidad de aire para instrumentos) y 1 barg (15 psig) de gas combustible, para ser provistos en un panel de ignición. La principal desventaja del generador de frente de llama es la formación de húmedad en las líneas hacia el piloto. La húmedad puede ocasionar corrosión y acumulación de agua, la cual si no es drenada antes de usar el equipo de ignición, puede apagar el frente de llama [3].

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO B)

Ubicación del panel: La ubicación del panel de ignición es flexible, ya que varios proveedores han demostrado la capacidad de encender el piloto con un sistema de ignición situado a más de 1 km de distancia; sin embargo, para distancias mayores de 610 m (2000 ft), el vendedor del equipo es consultado. No se recomienda situar el panel de ignición en la base de la chimenea, debido a niveles más altos de radiación y al peligro de arrastre de líquidos. La norma de PDVSA “Sistemas de Mechurrios” [21] indica que los controles de los pilotos y el encendedor están situados a una distancia del mechurrio, donde la intensidad máxima de radición no excede 3,2 kW/m2 (1000 BTU/h∙ft2); este valor puede ser usado como referencia, aunque en algunos casos puede dar como resultado una distancia muy lejana del mechurrio para los casos de alivio de emergencia. El valor de máxima radiación para la instalación del panel de ignición, está basado en la previsión de que el personal de operaciones pueda efectuar algún trabajo en el panel mientras el mechurrio se encuentre encendido; la limitación no es debida a la temperatura que puedan soportar los instrumentos o piezas del panel. Una ubicación más cercana al mechurrio, y por consiguiente, con mayor radiación se evalúa como buen criterio de operabilidad y mantenimiento del panel. Si la opción de 3,2 kW/m2 (1000 BTU/h∙ft2) es muy lejana, se aconseja evaluar la ubicación en las inmediaciones del KO Drum. La ubicación final es aprobada por el Cliente, quien es informado sobre el valor de radiación máxima resultante en tal ubicación.

C)

Cantidad de pilotos: La cantidad de pilotos, por lo general es una función de la velocidad del viento y del diámetro de la punta del mechurrio. Para una punta de diámetro hasta 400 mm (16 in), se provee al menos dos pilotos; para diámetros mayores que 400 mm (16 in) se proveen tres pilotos ubicados a 120° uno del otro.

D)

Líneas de ignición: El diamétro de las líneas de ignición puede ser de hasta un mínimo de 1 pulgada; pero el diámetro definitivo está basado en las especificaciones de la Disciplina de Diseño Mecánico (usualmente 2”). El material puede ser acero al carbono. Las líneas no tienen bosillos y la pendiente es en dirección hacia el paquete de ignición [3] con un drenaje lo más cercano

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO posible al panel para la remoción del posible condensado. El FFG puede estar conectado a un múltiple de líneas con válvulas, individuales para cada piloto. La variante de una línea de frente de llama, para encender todos los pilotos simultaneamente, puede tener la desventaja de que el pulso del frente de llama falle para el encendido de todos los pilotos [3]. Sin embargo, esta variante es más económica; pero tiene que ser aprobada por el Cliente. El diseño mecánico (isométricos) de las líneas de ignición tiene que ser aprobado por el vendedor del mechurrio, si el diseño no es de su alcance. E)

Calidad del gas combustible: La calidad del gas combustible para los pilotos es tal que, los puntos de rocío de agua y de hidrocarburo no generan un riesgo de formación de agua libre o condensados (de hidrocarburo) bajo ningún modo de operación. La composición del gas es constante; si ésta varía se podría afectar la estabilidad de la llama.

F)

Termocuplas: Las termocuplas (o termopares) pueden ser montadas sobre los pilotos y pueden estar conectadas a interruptores de temperatura montados sobre el panel de ignición, a fin de proveer el control del piloto y una alarma en caso de pérdida de la llama del piloto. Este sistema puede ser expandido para proveer ignición automática y encender el piloto que se haya apagado.

G)

Orificios de flujo: Orificios de flujo existen en la línea de aire y gas del sistema de ignición y en el mezclador del piloto. Generalmente, hay un juego estándar de orificios para usar con el gas natural y un juego estándar de orificios para el propano, de modo que es importante especificar el gas que se usa para el gas del piloto y para el gas de ignición.

H)

Consumo de servicios: El consumo de servicios para el panel de ignición es típicamente 42,5 Sm3/h (1500 SCFH) de aire comprimido y 4,25 Sm3/h (150 SCFH) de gas natural; o el equivalente en poder calorifico de algún otro gas combustible tal como 1,84 Sm3/h (65 SCFH) de propano. Este consumo

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO de servicios se requiere sólo durante la ignición de los pilotos y no es una demanda contínua. Es muy importante que el suministro de gas combustible a los pilotos y encendedores sea limpio y confiable. El consumo de servicios para un diseño de piloto es 10 Sm3/h (350 SCFH) de gas natural por piloto, a 1 barg (15 psig). Debido al interés por conservar energía en los últimos años, el consumo de servicios ha caido a 5,67 Sm3/h (200 SCFH) de gas natural por piloto estándar y 2,55 Sm3/h (90 SCFH) de propano, y tan bajo como 2,84 Sm3/h (100 SCFH) de gas natural por piloto especial. El consumo de servicios de gas del piloto es una demanda continua. I)

11.8.

Otros sistemas de ignición: a)

En el mercado hay sistemas de ignición que usan cristales piezoeléctricos para generar el voltaje o sistemas energizados por batería, para cubrir casos de fallas eléctricas.

b)

Los sistemas de ignición por aspiración de aire existen para casos donde el aire comprimido no es conveniente y el uso de un compresor de aire portátil, soplador o botellas de aire comprimido no es deseable. Este tipo de sistema es un desarrollo reciente, y hay criterios de diseño especial y limitaciones a considerar.

Ruido En la Hoja de Datos se solicita al vendedor del mechurrio o venteo los niveles de ruido en la base del equipo. Adicionalmente, el nivel de ruido generado por un mechurrio o un venteo puede ser calculado según las ecuaciones mostradas en la API STD 521 [1]. Los límites de nivel de ruido no son presentados ni en la API STD 521 ni en la norma de PDVSA “Sistemas de Mechurrios” [21]. El Ing. de Procesos tiene que conocer si existen especificaciones del Cliente sobre el límite de nivel de ruido. Si es requerido establecer un límite para el nivel de ruido, el Ing. de Procesos puede usar los siguientes valores en función de la condición de flujo: A)

Condiciones de emergencia: El nivel de ruido en la base del equipo no excede 115 dB (A). Si el equipo está soportado con una estructura de cabria (derrick), y tal estructura tiene una plataforma, el límite de ruido aplica para la plataforma.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO B)

Condiciones de operación normal (incluye arranque y parada): El nivel de ruido en el área restringida (o estéril) no excede 85 dB (A) para el máximo flujo continuo.

11.9.

Presión de Operación en la Entrada del Mechurrio La presión de operación en la entrada del mechurrio (la brida de conexión) se establece de la siguiente manera: A)

Mechurrio de baja presión: La presión en la base es 0,34 barg (5 psig).

B)

Mechurrio de alta presión (sónico): La presión en la base depende del diseño total del sistema de alivio de presión; esto incluye el diámetro de las líneas y las contrapresiones de las válvulas de alivio, lo cual afecta el tipo de válvula a seleccionar (convencional, balanceada o piloto). El rango permitido es de 1,38 barg (20 psig) a 3,45 barg (50 psig).

C)

Sello: Los valores de presión en la base incluyen 0,14 bar (2 psi) de presión diferencial para todos los tipos de sello. El valor exacto es suministrado por el vendedor.

11.10. Estimación de la Pérdida de Presión Los valores de presión de operación mostrados en la Sección 11.9 permiten establecer las pérdidas de presión: A)

Mechurrio de baja presión: ΔP = 0,48 bar (7 psi)  0,34 bar (5 psi) + 0,14 bar (2 psi) del sello

B)

Mechurrio de alta presión (sónico): ΔP = de 1,52 bar (22 psi) a 3,59 bar (52 psi)  de 1,38 bar (20 psi) a 3,45 bar (50 psi) + 0,14 bar (2 psi) del sello.

Si es requerido conocer el diámetro aproximado de la estaca, se pueden usar los valores anteriores para realizar un cálculo de pérdida presión, el cual 903-HM120-P09-GUD-046/24/03/2010/RA/pa

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO consiste en seleccionar un diámetro nominal que origine esa pérdida de presión (o un valor similar) con la altura total determinada por radiación o dispersión. 11.11. Presión y Temperatura de Diseño Los criterios para establecer la presión y temperatura de diseño están basados en el INEDON “Bases y Criterios de Diseño”, N° 903-HM120-P09-GUD-013 y son los mismos aplicados a los recipientes a presión: Cuadro 4. Temperatura de diseño de mechurrios y venteos. Temperatura de operación del fluido

Temperatura de Diseño

Desde

Hasta

(diferenciales de temperatura)

Ambiente

315 °C (600 °F)

Máxima temperatura de operación más 30 °C (50 °F)

> 315 °C (600 °F)

Máxima temperatura de operación más 30 °C (50 °F) Mínima temp.

Máxima temp.

−20 °C (0 °F)

Ambiente

−10 °C (20 °F)

85 °C (150 °F)

−35 °C (−30 °F)

−20 °C (0 °F)

−30 °C (50 °F)

85 °C (150 °F)

−75 °C (−100 °F)

−35 °C (−30 °F)

−65 °C (120 °F)

85 °C (150 °F)

< −75 °C (−100 °F)

−85 °C (150 °F)

85 °C (150 °F)

Nota: los valores de temperatura en grados Celsius están redondeados a múltiplos de 5 °C.

Cuadro 5. Presión de diseño de mechurrios y venteos. Presión máxima de operación

Presión de Diseño

Desde

Hasta

Vacío

0 barg (0 psig)

Externa: 1,03 barg (15 psig) Interna: 3,45 barg (50 psig)

0 barg (0 psig)

1,75 barg (25 psig)

3,45 barg (50 psig)

1,76 (26 psig)

17,24 barg (250 psig)

Máxima presión de operación + 1,75 barg (25 psig)

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO 11.12. Velocidad del Viento El efecto de la velocidad del viento en los cálculos de radiación y dispersión es detallado a lo largo de este INEDON; pero el personal de la Disciplina de Procesos tiene que considerar que las Bases de Diseño del Proyecto pueden tener el valor para diseño estructural, el cual es muy alto para los cálculos de radiación y dispersión. Ejemplo: •

Velocidad promedio: 5 m/s (16 ft/s). Este es el valor usado para los cálculos de radiación y dispersión.

•

Velocidad máxima: 36 m/s ≈ 130 km/h (118 ft/s ≈ 81 mph). Aun cuando exista un valor máximo, no es recomendable su uso para los cálculos por las razones siguientes: 1) el valor es muy conservador; y 2) la probabilidad es muy baja.

•

Ráfagas de viento (wind gust): 145 km/h (90 mph). Este valor no es usado para los cálculos de radiación y dispersión.

Si el Cliente solo suministra el valor para diseño estructural, se recomienda solicitar información sobre el valor promedio. En caso contrario, se añade una nota en la HdD para indicar que se usa la misma velocidad de diseño estructural y para los cálculos de radiación y dispersión por falta de información sobre la velocidad promedio. 11.13. Programas para Apoyo al Diseño Procesos tiene el programa de “Radiación y Dispersión” para el diseño de mechurrios y venteos por medio de cálculos de radiación y dispersión descritos en este INEDON. El INEDON “Manual del Usuario – Programa de Radiación y Dispersión”, N° 903-HM120-P09-REF-053, contiene información adicional sobre el uso del programa. También se dispone de una licencia comercial del programa SuperChems™ de la ioMosaic Corporation. Este programa permite el diseño y la evaluación de válvulas de alivio, líneas de alivio, mechurrios, análisis de emisiones de vapor debido a derrames de líquido, impacto de explosiones, etc. El uso SuperChems™ en los Proyectos se considera: •

Indispensable en las Ingenierías de Detalle; Ingeniería, Construcción (IPC), y la evaluación de facilidades existentes.

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Recomendado para las Ingenierías Básicas y Conceptuales. El uso y costo de SuperChems™ (u otro programa especial de simulación) son incluidos en las Propuestas técnicas y económicas. Si esto no fuese realizado, el uso durante un Proyecto es aprobado por el Cliente y, si es requerido, se solicita un cambio de alcance.

La sección de Programas de la intranet de Procesos contiene más información sobre SuperChems™. 11.14. Información de los Vendedores Los vendedores de los mechurrios poseen modelos propios para calcular los niveles de radiación de sus equipos. Si bien estos modelos suelen estar basados en los modelos del API 521, presentan mejoras basadas en sus experiencias principalmente en la manera de determinar la forma de la llama, el cálculo de la fracción de calor radiado (F), el uso de aire o vapor para garantizar una quema sin humo, la geometría de la punta entre otros. Por esta razón, en muchos casos, los resultados del programa “Radiación y Dispersión” o de SuperChems™ son diferentes a los suministrados por los vendedores. En el caso del programa “Radiación y Dispersión”, este usa los métodos descritos en el API STD 521 [1], los cuales consideran el centro de la llama como un punto; pero los modelos de los vendedores y de SuperChems™ dividen la llama en varios segmentos, por esta razón son conocidos como métodos multipuntos o de llama sólida. La Figura 17 muestra un ejemplo de comparación para el perfil de radiación según el API STD 521 [1] y SuperChems™: •

La forma de la llama es considerada como un punto para determinar los perfiles de radiación en el API STD 521, los cuales son circulares. SuperChems™ tiene una forma más precisa y ajusta los perfiles a los niveles de radiación de la llama.

•

Las distancias para los perfiles de radiación son mayores con el API STD 521 que con SuperChems™.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO La Figura 15 muestra un ejemplo de comparación de la forma de la llama entre el API STD 521 [1] y un vendedor, cuya llama es más vertical y por tal motivo la radiación está más alejada del suelo. 2

Perfil para 3,15 kW/m 2 (1000 BTU/(h·ft )) según el API STD 521

Elevación [m]

2

Perfil para 1,98 kW/m 2 (630 BTU/(h·ft )) según el API STD 521

2

120

3,15 kW/m 2 (1000 BTU/(h·ft ))

Perfiles de radiación de SuperChems™

90 2

2

1,98 kW/m (630 BTU/(h·ft )) 60

Forma de la llama de SuperChems™ Centro de la llama según el API STD 521

30

0 −70

30

10

50

Distancia en la dirección del viento [m]

90 Diferencia de distancias

Figura 17. Comparación del API STD 521 [1] vs SuperChems™ para el cálculo de los perfiles de radiación. La tendencia mostrada en esta figura con respecto a los perfiles de radiación es un ejemplo, mas no debe considerarse como una tendencia general. En muchos casos las distancias para los perfiles de radiación son mayores con el API STD 521 [1] que con SuperChems™, sin embargo esto puede variar según las condiciones de alivio. Véase Anexo 9 para más detalles. El Líder de Procesos en una Propuesta o Proyecto puede solicitar apoyo de la Unidad de Procesos, si los resultados del vendedor son muy diferentes a los obtenidos con el programa “Radiación y Dispersión”; en este caso, Procesos compara los resultados con SuperChems™. Véase también la Sección 17 para información sobre la Hoja de Datos. 903-HM120-P09-GUD-046/24/03/2010/RA/pa

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO SuperChems™ no siempre logrará reproducir los resultados entregados por el vendedor, pero puede ayudar a determinar si los perfiles de radiación ofrecidos por este son o no conservadores, y a cuantificar los riesgos en cuanto a niveles de intensidad de radiación que pueden alcanzarse en especial en el campo cercano al mechurrio donde los resultados de SuperChems™ podrían ser más conservadores. Para más detalles véase el Anexo 9. A pesar de que no sea una materia sencilla la obtención de los parámetros de diseño, la disciplina debe procurar obtener la mayor cantidad de información desde el principio del Proyecto de parte del vendedor, el Cliente o socios para así poder revisar los cálculos de los niveles de radiación. Considerando que esto no siempre es posible, la obtención de una garantía por escrito y firmada por parte del vendedor, ayuda a brindar confianza en cuanto a trabajo realizado por el vendedor y lo compromete con el diseño propuesto. Los niveles de radiación suscritos por los vendedores desde la etapa de la oferta, deberán ser garantizados por escrito. El líder de procesos debe de velar por el cumplimiento de este hecho. Se debe recordar que Inelectra tiene la responsabilidad ante el Cliente cuando es ésta quien subcontrata a un vendedor para suministrar el equipo 11.15. Instalaciones Cercanas y Diferencia en las Cotas de Nivel El efecto de la radiación y la dispersión es considerado tanto al nivel del suelo, como a otras alturas, especialmente para las instalaciones cercanas. La Figura 18 muestra como el perfil de radiación afecta a estructuras con una altura significativa por encima del nivel del suelo. Las diferentes cotas del nivel de suelo en una instalación, puede ocasionar un resultado similar al anterior. Ejemplos: a) b)

En la cercanía del equipo final de alivio y venteo se encuentra otro equipo a una cota de suelo más alta (Figura 19). (1)

Si el cálculo no considera la diferencia de altura, se reporta el radio de radiación referido al nivel del suelo donde está el mechurrio, lo que no es correcto.

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El perfil de radiación afecta al equipo y la plataforma

Perfil de radiación al nivel del suelo

Figura 18. Instalaciones cercanas al equipo final de alivio y venteo.

Perfil de radiación

Perfil de radiación

10 m (33 ft)

−10 m (33 ft)

2

1

Figura 19. Equipo en una cota mayor del nivel del suelo que el equipo final de alivio y venteo. (2)

c)

Para conocer la proyección del radio de radiación a una cota mayor del suelo, es necesario “simular” que el mechurrio tiene 10 m (33 ft) menos.

El otro caso es que el equipo esté en una cota menor de suelo que el mechurrio (Figura 20).

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO (1)

Si el cálculo no considera la diferencia de altura, se reporta el radio de radiación referido al nivel del suelo donde está el mechurrio, lo que no es correcto.

Perfil de radiación

Perfil de radiación

1 +10 m (33 ft)

10 m (33 ft)

2

Figura 20. Equipo en una cota menor del nivel del suelo que el equipo final de alivio y venteo. (2)

De similar manera que en el caso anterior, para proyectar el radio de radiación, es necesario cambiar la altura del mechurrio; pero en vez de disminuirla, se aumenta 10 m (33 ft).

Los ejemplos donde se disminuye o aumenta la altura del equipo en una distancia igual a la diferencia de altura entre las cotas, son solo validos si no cambian las condiciones meteorológicas (temperatura del aire, velocidad del viento, etc.) con la altura del equipo. Dichos ejemplos tienen que ser usados en el programa “Radiación y Dispersión”, el cual no tiene la opción de solicitar los radios de radiación a una altura diferente que la base del equipo final de alivio y venteo. 12.

DEFINICIONES BÁSICAS DEL DISEÑO POR RADIACIÓN Y DISPERSIÓN La siguiente sección muestra las definiciones básicas para el diseño de mechurrios y venteos.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO 12.1.

Propiedades de la Corriente de Gas Las propiedades de mezcla de la corriente de gas se calculan con las siguientes reglas de mezclado: n

MWG = ∑ (Yi ⋅ MWi ) i =1

(4)

n

LHV =

∑ (Yi ⋅ LHVi ⋅ MWi ) i =1

MWG

 n  Y  C L = ∑  i   i =1  C L1 

12.2.

(5)

−1

(6)

Diámetro de la Punta de Salida El diámetro de la punta de salida del mechurrio o venteo es determinado por la velocidad requerida en esa sección del equipo. La velocidad es usualmente definida por medio del Número de Mach, comúnmente establecido entre valores de 0,2 a 0,5, aunque según sea el caso puede alcanzar la unidad. En la evaluación de equipos existentes se permite un Número de Mach igual a 0,7. Es calculado a partir de la siguiente ecuación:

Mach = 3,225 ⋅ 10 − 2 ⋅

Z ⋅ TG W ⋅ 2 k ⋅ MWG P⋅d

(7)

Después de ajustar la ecuación (7), se obtiene:

d = 3,225 ⋅ 10 −2 ⋅

W Z ⋅ TG ⋅ P ⋅ Mach k ⋅ MWG

(8)

En el caso de la punta de salida de un mechurrio o venteo, el usuario coloca la presión barométrica promedio medida en sitio; este valor está disponible en las Bases de Diseño del Proyecto. En caso de no disponer de tal valor, se puede usar la presión atmosférica estándar de 101325 Pa, valor por defecto en el programa de Radiación y Dispersión.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO La versión más reciente del API STD 521 [1] omite la relación de calores específicos k en el cálculo del número de Mach, bajo la premisa que el flujo es isotérmico (k = 1). El modelo de cálculo del API STD 521 está basado en ecuaciones de pérdidas de presión que suponen el fluido en condiciones isotérmicas. Sin embargo, en esta misma referencia se explica que el comportamiento del fluido en los sistemas de alivio puede ser bien adiabático o isotérmico, considerándose ligeramente más conservador suponer este último. En este INEDON, se considera que la aproximación más real es la de flujo adiabático, razón por la que se recomienda incluir la variable k en los cálculos. 12.3.

Velocidad de Punta de Salida La velocidad de la corriente de gas, en la salida de la punta, se calcula según uno de los siguientes procedimientos en base a los datos disponibles: A) A partir del flujo másico y el diámetro interno de la punta de salida:

Flujo =

22,4 ⋅ 101325 W ⋅ Z ⋅ TG ⋅ P ⋅ MWG 3600 ⋅ 273 V =

B)

4 ⋅ Flujo π ⋅d2

(10)

A partir de la velocidad sónica para gases reales y el Mach:

VSON = 91,1839 ⋅

k ⋅ TG ⋅ Z MWG

V = VSON ⋅ Mach 13.

(9)

(11) (12)

DISEÑO POR RADIACIÓN Esta sección describe los modelos de cálculo, las ecuaciones y consideraciones usadas en el programa “Radiación y Dispersión” para el diseño y evaluación por radiación de mechurrios o venteos encendidos.

13.1.

Modelos de Cálculo Los dos modelos, más empleados para el cálculo del fenómeno de radiación y para el diseño de los mechurrios y venteos encendidos, son:

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO •

Aproximación Simple.

•

Brzustowski & Sommer.

Ambos modelos están descritos en la API STD 521 [1]; pero son considerados “conservadores” en la actualidad. Sin embargo, la API STD 521 es una de las pocas referencias técnicas de amplio uso en la industria. Los modelos antes mencionados, consideran el centro de la llama simple puntual y se diferencian entre si, en el cálculo de las coordenadas del mismo. Los parámetros utilizados para el diseño, pueden originar que un modelo sea más conservador que el otro; por lo que se realiza una comparación entre los resultados de ambos modelos, con el fin obtener resultados que permitan establecer una relación adecuada entre los criterios conservadores y económicos del diseño. Los valores de las constantes de las diferentes ecuaciones de la sección de Diseño por Radiación se encuentran en el Anexo 2. La aseveración según la cual los modelos del API STD 521 [1] son “conservadores” debe ser tomada con precaución. En general, los niveles de radiación en el campo lejano del mechurrio obtenidos con los modelos del API STD 521 suelen ser conservadores con respecto a los obtenidos con los métodos de llama sólida como el empleado por SuperChemsTM. Sin embargo, la tendencia contraria puede ocurrir en el campo cercano al mechurrio, donde los modelos de llama sólida pueden predecir mayores niveles de radiación. Para más detalles véase el Anexo 9 13.2.

Efecto de las Condiciones Meteorológicas en el Diseño Las condiciones meteorológicas influyen sobre el diseño de un mechurrio de la siguiente manera: •

La atmósfera cercana al mechurrio es capaz de absorber una fracción del calor generado por el mismo, y su magnitud es dependiente de la humedad relativa local. Al aumentar la humedad relativa aumenta la cantidad de calor absorbida por la atmósfera y así, la cantidad de calor neta que alcanza el punto de interés es menor. Esto se traduce en que al aumentar la humedad relativa, la altura del mechurrio disminuye a fin de mantener constante la radiación total de diseño en el punto de interés.

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13.3.

•

La presencia del viento afecta la forma de la llama, inclinándola, de manera que su centro se desplaza, acercándose al suelo y alejándose del centro del equipo. Por ende, la velocidad del viento (U) determina el grado de la inclinación de la llama y a su vez la radiación que se consigue en el punto de interés. De esta manera, al aumentar la velocidad del viento la radiación producto del mechurrio es mayor, lo cual trae como consecuencia el aumento de la altura del equipo para contrarrestar este efecto.

•

El aumento de la altura del equipo puede ser atenuado por el aumento del radio de seguridad necesario para garantizar que el nivel de radiación en esta zona sea menor al nivel máximo de radiación permitido, y viceversa.

Fracción de Calor Transmitido La fracción de calor transmitido (τ) es definida como:  100   τ = 0,79 ⋅   φ 

1/ 16

 30,5  ⋅   D 

1/ 16

(13)

La ecuación anterior considera que la atmósfera, entre la llama de un mechurrio y el punto de interés, absorbe parte del calor radiado; tal absorción de calor es debido a la humedad del aire (φ). La ecuación puede dar como resultado un valor de τ que numéricamente es superior a 1, esto no se considera válido dado que equivale a que la humedad del aire añade calor de radiación, en vez de reducir la radiación; por tal motivo, el programa “Radiación y Dispersión” iguala a 1 el resultado mayor a la unidad. Si el criterio de diseño no considera la mitigación de radiación debido a la humedad del aire, el usuario del programa “Radiación y Dispersión” puede dejar la casilla de humedad relativa en blanco o colocar un valor igual a 0 %. El valor de humedad relativa es suministrado en las Bases de Diseño del Proyecto. Sin embargo, muchas veces se suministra un solo valor, generalmente la humedad relativa máxima (absorción máxima de la radiación); pero pueden existir valores mínimos y por ende la atmosfera absorbe menos radiación.

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Intensidad de Radiación [W/m2]

8000

φ = 40 %  τ = 0,82 φ = 90 %  τ = 0,78

6000

4000

2000

0 0

50

100

150

200

Distancia al punto de interés [m] Figura 21. Ejemplo del efecto de la humedad relativa (φ) en la intensidad de radiación. La Figura 21 muestra un ejemplo del efecto de la humedad relativa en la intensidad de radiación, con otras variables definidas. El cambio más significativo se puede observar en la sección de las curvas donde la intensidad de radiación es mayor. 13.4.

Fracción de Calor Radiado La fracción de calor radiado (F) es una característica general de la llama en la que se considera el efecto de las siguientes variables: composición, flujo y velocidad del gas, tipo y temperatura de llama, estado de la mezcla airecombustible, formación carbón-humo y el diseño del quemador. Consideraciones importantes: A)

Si el Proyecto tiene como normativa el API STD 521 [1], este dispone de un cuadro con valores de F en función de varios componentes y el diámetro de la punta; las limitaciones del cuadro también son indicadas.

B)

La Hoja de Datos del equipo final de alivio incluye el valor de F para información del Cliente y del vendedor.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO C)

Cuando se emplee SuperChemsTM para el diseño de los mechurrios (lo cual es lo más recomendable cuando el Cliente no tiene ninguna exigencia particular), el valor de F es determinado por el programa en base a una correlación que toma en cuenta la composición del gas y la velocidad de salida del gas entre otros factores. Se recomienda no cambiar la fracción de calor radiada estimada por el programa.

D)

Debe solicitarse al vendedor de los equipos finales de alivio y venteo que declare el valor de F que está empleando para los cálculos de radiación. Sin este valor, es muy difícil para el ingeniero de Procesos proceder a la verificación del diseño propuesto por el vendedor. Como se menciona en el ítem F más abajo, algunos vendedores se niegan a suministrar este valor, por la naturaleza propietaria de las correlaciones empleadas para este cálculo. En este caso, el Líder de Procesos debe explicar a la gerencia del Proyecto los riesgos de aceptar un equipo para el cuál no se podrá verificar adecuadamente el diseño propuesto por el vendedor, quedando en instancias superiores al líder de disciplina la aceptación de este equipo, teniendo como único sustento una garantía firmada de los niveles de radiación a nivel de piso por parte del vendedor, y que debe ser aceptada por esta instancia.

E)

Si el Cliente y/o Socio tiene experiencia en el diseño de sistemas de alivio similares al que se esté planteando para las nuevas instalaciones, el Líder de Procesos debe solicitar al Cliente y/o Socio que recomiende el valor de F para el diseño del nuevo mechurrio e incluirlo en la Hoja de Datos para que sea empleado por el vendedor en el diseño. Si el Cliente y/o Socio no suministra esta información durante la etapa de la oferta o durante las etapas tempranas del proyecto, antes de proceder a la colocación de la orden de compras, el Cliente y/o Socio debe verificar el valor de F provisto por el vendedor y proceder a su aprobación u objeción según corresponda. Si surge alguna objeción por parte del Cliente y/o Socio, el vendedor deberá ajustar el valor de F según se solicite. El vendedor debe garantizar por escrito los niveles de radiación que calcule a partir de este F.

F)

En el caso de evaluación de equipos existentes, el valor de F se obtiene de la Hoja de Datos del equipo. Si el Cliente no dispone de la hoja de datos, se solicita la información al vendedor Cuando el vendedor no suministre el valor de F, existe la posibilidad de ajustar dicho hasta reproducir los datos del vendedor; sin embargo, el

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO valor obtenido de F puede diferir del establecido en este INEDON, principalmente, porque los vendedores usan modelos propios para los cálculos de radiación, los cuales afectan a F y otras variables. En todo caso el valor de F obtenido por este procedimiento y los consecuentes resultados deben ser interpretados y usados con cautela, pues el método empleado para la deducción de este valor parte de los parámetros suministrados usando correlaciones que no necesariamente se ajustan a las usadas por el vendedor. La Figura 22 muestra un ejemplo del efecto de la fracción de calor radiado en la intensidad de radiación, con otras variables definidas. Mientras mayor es el valor de F, mayor es la intensidad de radiación. 10000

Intensidad de Radiación [W/m2]

F = 0,3 8000

F = 0,2 6000

F = 0,1

4000

2000

0

0

50

100

150

200

Distancia al punto de interés [m]

Figura 23. Ejemplo del efecto de la fracción de calor radiado (F) en la intensidad de radiación.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO 13.5.

Radiación Total de Diseño El nivel de radiación en el punto de interés aportado por el mechurrio es la radiación total de diseño ( I ). El valor usado depende de las normativas de seguridad locales y la especificación de radiación solar para la máxima radiación permitida (K); éste último valor incluye o no la radiación solar. Para determinar la radiación total de diseño aportada por el mechurrio, se sigue, A)

Si el valor de máxima radiación permitida incluye la radiación solar:

I = K − I0 B)

(14)

Si el valor de máxima radiación permitida excluye la radiación solar: I =K

(15)

El valor típico de radiación solar para Venezuela es 907,91 W/m2 (288 BTU/h∙ft2). Los Anexos 4 y 5 muestran los mapas de radiación solar para Argentina y Colombia, respectivamente. Las Figura 23 y Figura 24 muestran ejemplos de cómo la definición de la máxima radiación permitida influye en los valores de radiación para el diseño del mechurrio. El manual del usuario del programa “Radiación y Dispersión” contiene, en sus anexos, ejemplos sobre el efecto en la definición de la radiación solar. La Sección 13.6 muestra valores para la máxima radiación permitida. 13.6.

Máxima Radiación Permitida La máxima radiación permitida (K) es uno de los parámetros fundamentales para el diseño de mechurrios y venteos encendidos. Ese valor indica la radiación que es generada por el mechurrio para una distancia definida desde la base al nivel del suelo, un equipo o una plataforma cercana. El valor de máxima radiación permitida puede aumentar la altura cuando se tiene definida un área restringida para la instalación del equipo, o puede aumentar el área restringida si la altura del equipo no puede ser modificada.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Radiación Solar, I0 = 0,91 kW/m2 (288 BTU/(h·ft2)) Radiación Total de Diseño, I = 3,82 kW/m2 (1212 BTU/(h·ft2))

Radiación Total = 4,73 kW/m2 (1500 BTU/(h·ft2)) Figura 24. Ejemplo de los diferentes valores de radiación que consideran que la máxima radiación permisible (4,73 kW/m2 [1500 BTU/h∙ft2]) incluye la radiación solar. El valor resultante para la radiación total en el punto de interés es 4,73 kW/m2 (1500 BTU/h∙ft2). 13.6.1. Efectos de la Radiación en las Personas El factor más importante en la definición del área restringida, es la seguridad del personal que eventualmente puede encontrarse en las zonas cercanas al mechurrio y que puede quedar expuesto a niveles elevados de radiación, comprometiendo su integridad física. La determinación de cuál es el nivel de radiación “seguro” al que puede exponerse una persona es función del tiempo que dure la exposición. Un ejemplo de cuánto tiempo es necesario para alcanzar el umbral de dolor, en función de la intensidad de radiación es mostrado en el Cuadro 6.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Radiación Solar, I0 = 0,91 kW/m2 (288 BTU/(h·ft2)) Radiación Total de Diseño, I = 4,73 kW/m2 (1500 BTU/(h·ft2))

Radiación Total = 5,64 kW/m2 (1788 BTU/(h·ft2)) Figura 25. Ejemplo de los diferentes valores de radiación que consideran que la máxima radiación permisible (4,73 kW/m2 [1500 BTU/h∙ft2]) excluye la radiación solar. El valor resultante para la radiación total en el punto de interés es 5,64 kW/m2 (1788 BTU/h∙ft2). Cuadro 6. Tiempos de exposición necesarios para alcanzar el umbral del dolor [1]. Intensidad de radiación

Tiempo hasta el umbral del dolor

kW/m2

BTU/(h·ft2)

1,74

550

60

2,33

740

40

2,90

920

30

4,73

1500

16

6,94

2200

9

9,46

3000

6

11,67

3700

4

19,87

6300

2

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[s]

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO En la definición de máxima radiación permitida se toma en cuenta la radiación solar. Las opciones son: A)

El valor de máxima radiación permitida incluye la radiación solar.

B)

El valor de máxima radiación permitida excluye la radiación solar.

El efecto, de la definición de la máxima radiación permitida sobre la radiación total de diseño, es descrito en la sección 13.5. Los valores del Cuadro 7 son informativos y fueron extraídos del API STD 521 [1], el cual indica que el propietario del equipo final de alivio y venteo o el operador tiene que determinar si se incluye la radiación solar. En el caso de valores altos de radiación permisible, la adición de la radiación solar no afecta significativamente el costo del equipo; pero sí para radiaciones bajas (1,58 kW/m2 (500 BTU/(h·ft2)). Los valores establecidos por Procesos para la máxima radiación permisible están listados en el Cuadro 8. Los valores expuestos en este cuadro deben emplearse para definir el radio de seguridad alrededor del equipo final de alivio (mechurrio), en el cual debe evitarse la presencia de personal y de equipos o instrumentos que requieran la asistencia de personal para su operación y/o mantenimiento. El radio de seguridad alrededor del equipo final de alivio (mechurrio) debe estar identificado con señales de alerta para evitar la presencia de personal en áreas donde los niveles de radiación que pueden alcanzarse superen los recomendados en el Cuadro 7 y Cuadro 8 respectivamente. Para evitar el paso de personal se recomienda la colocación de cercas o cadenas que limiten el acceso a la zona.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Cuadro 7. Máxima radiación permitida total [1]. Valor de máxima radiación permisible kW/m 9,46

2

Condiciones

2

BTU/(h·ft ) 3000

Intensidad máxima de radiación en cualquier sitio donde se requieren acciones de emergencia del personal. Cuando el personal entra o trabaja en un área con una intensidad de radiación mayor de 6,31 kW/m2 (2000 BTU/(h·ft2)), se considera el uso de protección especial (por ejemplo, equipo de protección contra fuego). IMPORTANTE: Personal con vestimenta apropiada(a) no puede soportar una radiación mayor de 6,31 kW/m2 (2000 BTU/(h·ft2)) por más de pocos segundos.

(a)

6,31

2000

Intensidad máxima de radiación en áreas donde se prevén acciones de emergencia de hasta 30 s para personal sin protección pero con ropa apropiada.

4,73

1500

Intensidad máxima de radiación en áreas donde las acciones de emergencia pueden durar de 2 min a 3 min para personal sin protección pero con ropa apropiada.

1,58

500

Intensidad máxima de radiación en cualquier sitio donde el personal está expuesto continuamente con ropa apropiada.

Vestimenta apropiada consiste en un casco duro, camisas con mangas largas y puños de las caminas abrochados, guantes, pantalones largos y calzado de trabajo. La vestimenta apropiada minimiza la exposición de la piel a la radiación térmica.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Cuadro 8. Valores para la máxima radiación permitida en función a los usuarios (incluye la radiación solar). Referencia

Quema de emergencia kW/m2

BTU/(h·ft2)

Estructuras de vigas

15,8

5000

Línea del mechurrio

9,5

3000

6,3

2000

KO Drum Vegetación Equipos de procesos Personal permanente Fauna

4,7

1500

Quema continua kW/m2

BTU/(h·ft2)

9,5

3000

4,7

1500

3,2

1000

2,0

630

2,4

750

2,0

630

Equipos para perforación Tanques atmosféricos Talleres y almacenes Helipuerto

3,2

1000

Zonas de evacuación, escape y rescate Recipientes de almacenamiento a presión

2,0

630

1,6

500

Área prohibida

9,5

3000

---

---

Área restringida

4,7

1500

3,2

1000

Área impactada

2,0

630

1,6

500

Oficinas Áreas especificas

13.6.2. Efectos de la Radiación en los Equipos Las consecuencias de la radiación en los equipos normalmente no son considerados en la determinación de la altura de los equipos finales de alivio debido a que los efectos en el personal son más graves. Sin embargo, esta generalización puede llevar en ocasiones a ignorar estos efectos hasta que se convierten en un problema durante la operación de los equipos finales de alivio. En especial para equipos que operan remotamente a altas tasas de alivio. Los 903-HM120-P09-GUD-046/24/03/2010/RA/pa

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO cables eléctricos y los de instrumentación que pueden absorber rápidamente buena parte del calor radiado por el equipo final de alivio, así como grama, o árboles que puedan crecer alrededor del mechurrio y materiales con bajo punto de fusión como el aluminio, podrían resultar con severos daños si son expuestos a niveles de radiación excesivos. De este hecho radica la importancia de verificar la temperatura que pueden alcanzar las superficies que rodean el mechurrio durante la operación de este, y que por ende pueden resultar vulnerables a sobrecalentamiento. La determinación de los efectos de la radiación térmica en los equipos y elementos circundantes a los mechurrios, se reduce a un cálculo de la temperatura resultante sobre la superficie, para lo que realiza un balance térmico, en el cual se considera la radiación recibida por la superficie, el calor que es radiado a su vez por esta superficie y el efecto de enfriamiento por convección. Los cálculos de temperatura de equilibrio sobre equipos y otros elementos circundantes al mechurrio deben ser desarrollados particularmente cuando se tengan dudas y/o divergencias importantes en el cálculo de radiación propuesto por el vendedor y los cálculos realizados por la disciplina o el Cliente. A continuación, se resumen las ecuaciones más importantes involucradas en este cálculo [24]:

Q1 = I ⋅ Es ⋅ sen(θ ) ⋅ Fv

(16)

Donde Q1 (W/m2) es el calor absorbido por el equipo, θ es el ángulo de la superficie con la normal del cuerpo radiante, Es es la emisividad del cuerpo y Fv el factor de forma o fracción del área del equipo expuesta. Por otra parte, hay que considerar en este balance el calor radiado por el equipo:

[

Q2 = 5,692 ⋅10 −8 ⋅ Es ⋅ (T0 ) − (T∞ ) Q3 = 4 ,4058 ⋅ [T0 − T∞ ]

1.266

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4

4

 2  ⋅   T0 + T∞ 

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]

(17)

0.181

(18)

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Q4 = 5 ,6747 ⋅ [1 + (0 ,7382 ⋅ U )] ⋅ [T0 − T∞ ]

(19)

Donde Q2 (W/m2) es el calor radiado por el equipo; Q3 (W/m2) es el calor por convección natural (W/m2) y Q4 es el calor por convección forzada (W/m2). En el equilibrio:

Q1 = [Q2 + Q3 ]

(20)

Q1 = [Q2 + Q4 ]

(21)

Estas ecuaciones conllevan a un estimado grueso de la temperatura de equilibrio. Un cálculo más refinado implicaría conocer en más detalle la naturaleza de la llama, el grado de exposición de la superficie del equipo así como su característica para tener un mejor estimado del enfriamiento de esta superficie. Sin embargo este procedimiento de cálculo si bien está simplificado, es conservador al realizar las siguientes suposiciones: •

La superficie es normal a la fuente radiante: ángulo de vista θ = 90°.

•

Emisividad de la superficie = 1 = 100%.

•

Exposición sólo por un lado de la superficie del equipo = Factor de vista = 0,5.

•

El enfriamiento convectivo será sólo por convección natural.

La temperatura de equilibrio que alcanza un equipo o una superficie cualquiera sometida a radiación es función del tiempo de exposición. Por simplicidad, para materiales orgánicos con baja conductividad térmica como la grama, el papel, recubrimientos de cables eléctricos, etc., se despreciará el tiempo en el que estos alcanzan el equilibrio térmico. Resulta de mayor interés el considerar el período de calentamiento para las estructuras metálicas como el caso de los equipos y de las tuberías. Para un estimado rápido de las tasas posibles de calentamiento, se puede emplear la siguiente ecuación logarítmica [24]:

T = {(T0 − T∞ ) ⋅ [1 − exp(− kt )]} + T∞

(22)

Donde, T es la temperatura intermedia (°K), t es el tiempo de exposición (h), y k es una constante de tiempo definida como: 903-HM120-P09-GUD-046/24/03/2010/RA/pa

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1 m = 6 ,9394 ⋅ 10 −7 ⋅ t k Q1

(23)

Donde mt representa la masa térmica del equipo por unidad de área, y se estima como mt = ρ·co; ρ es la densidad del material por unidad de superficie (kg/m2); co es el calor específico del material (J/kg·K) y Q1 es el calor absorbido por el equipo según la ecuación). En la Figura 25 se muestra las temperaturas instantáneas de equilibrio en función de la radiación. En esta misma figura se muestran las temperaturas de autoignición y fusión de algunos elementos que podrían encontrarse cerca del equipo final de alivio (mechurrio). Las temperaturas de equilibrio se estimaron considerando convección forzada y convección natural, y en cuanto a la exposición de la superficie se consideraron dos casos toda la superficie expuesta, o sólo la mitad de ésta.

1600 Punto Fusión Acero al Carbono

Temperatura de Equilibrio [°C]

1400

Convección Forzada. Superficie Expuesta 50% Convección Forzada. Superficie Expuesta 100%

1200

Convección Natural. Superficie Expuesta 50%

1000

Convección Natural. Superficie Expuesta 100%

800

Punto Fusión Aluminio

600

Series5 Series6

Autoignición Gas Natural

Autoignición Autoignición Autoignición Madera Grama Gasóleo Autoignición Papel Resistencia Cables Eléctricos

400 200 0 0

10

20

30

40

50

Series7 Series8 Series9 Series10

Radiación [kW/m 2 ]

Figura 26. Temperatura de equilibrio instantánea en función de la radiación.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Los intervalos de temperatura de autoignición y fusión son referenciales, y el objeto de mostrarlos en esta gráfica es que sean comparados con las posibles temperaturas de equilibrio que pueden alcanzar estos elementos en función de los niveles de radiación emitidos por el mechurrio durante una situación de emergencia. La verificación de las temperaturas de equilibrio permitirá concluir si los elementos que se encuentren cercanos al mechurrio pueden resistir sin daños, la exposición a los máximos niveles de radiación estimados teóricamente por cualquiera de los métodos disponibles para este fin en el departamento (Método Simple, Brzustowski & Summer, o Superchems). Los valores mostrados para los cables eléctricos se refieren a cables normales usados para las acometidas como por ejemplo de las bombas asociadas a los KO Drums. Estos cables suelen ir enterrados, sin embargo, hay pequeños tramos que pueden quedar descubiertos cerca de la conexión a los equipos. Para el caso de KO Drums y de sus bombas asociadas que se encuentren ubicados cerca de la base del mechurrio y por ende puedan quedar expuestos a altos niveles de radiación se recomienda realizar la estimación de la temperatura máxima de equilibrio a nivel de piso e informar al especialista de la disciplina de electricidad para que considere este valor en la selección de los cables. Un procedimiento similar debe seguirse con los cables de instrumentación. Si bien estos normalmente son seleccionados para soportar temperaturas muy elevadas en el área cercana al mechurrio, debe consultarse con el especialista de esta disciplina si se han hecho las consideraciones adecuadas para la selección de los mismos. La Figura 26 es una representación típica de la temperatura de equilibrio en función del tiempo para diferentes niveles de intensidad de radiación, provista por Tan [24]: El Cuadro 9 muestra algunos niveles máximos de radiación extraídos de la literatura a los que podrían someterse los equipos y otros elementos circundantes al equipo final de alivio [16] y [22]. Esta información es sólo referencial, la recomendación de este INEDON es realizar el cálculo de la temperatura de equilibrio como se ha explicado previamente.

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Temperatura Potencial [°C]

350 300 250 200

3.2 kW/m2

150

6.3 kW/m2

100

9.5 kW/m2 15.8 kW/m2

50 0 0

20

40

60

80

Tiempo de Exposición Continua [min]

Figura 27. Efecto del tiempo de exposición en la temperatura de los equipos (adaptado de [24]) Algunas recomendaciones finales con respecto a los elementos circundantes a los equipos finales de alivio y que deben tenerse presente cuando se están diseñando sistemas nuevos se enumeran a continuación [24]: a.

Cualquier equipo localizado en la sección superior del mechurrio debe ser diseñado para resistir los intervalos de temperaturas ya señalados. Elementos sensibles como cables eléctricos o componentes electrónicos puede que no sea conveniente encerrarlos en elementos como las cajas de conexiones (junction boxes) debido a que estos contenedores no tienen ventilación y absorberán uniformemente el calor radiado. Por ende, estas cajas de conexión no deben ubicarse en las plataformas del equipo final de alivio (mechurrio), o al menos deben ser provistas con un revestimiento que las proteja de los efectos de la radiación en todas las direcciones, proveyendo sombra y al mismo tiempo permitiendo la circulación del aire. La experiencia indica que las cajas de conexiones y los conduits instalados en las plataformas son particularmente susceptibles a daños por el calor radiado.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Cuadro 9. Niveles de radiación críticos para algunos materiales. Nivel de Radiación

Efecto

[kW/m2]

[BTU/h ft2]

30

9512

Ignición espontanea de la madera

20

6341

Ignición de Aceite Lubricante No. 2 en 40 segundos

10

3171

Ignición de Aceite Lubricante No. 2 en 120 segundos

18 a 20

5707a 6341

12

3805

9 a 37.5

2854 a11890

Daño de equipos

10 a 12

3170 a 3804

Ignición de la vegetación

12

3805

Recubrimiento delgado de acero puede fallar

23

7292

El acero sin aislamiento puede fallar estructuralmente

33.5

10622

Ignición del algodón después de 7 segundos de exposición (telas)

b.

Degradación del aislamiento de cables Fundición del plástico

La presencia de grama y cualquier otro elemento orgánico como por ejemplo árboles debe evitarse en la zona cercana al equipo final de alivio. Si bien es poco probable que estos elementos puedan incendiarse por efecto del calor radiado por el equipo final de alivio durante una contingencia de emergencia, una probabilidad real es que se inicie un incendio por una descarga accidental de hidrocarburo líquido incandescente. La presencia de hidrocarburo líquido puede resultar del arrastre de hidrocarburo acumulado por largo tiempo en el sello líquido durante un alivio súbito. Otro elemento que puede generar incendios, es la descarga de carbón caliente, lo cual puede ocurrir cuando el equipo final de alivio entre en operación luego de un largo período de inactividad y se arrastren los

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO depósitos de carbón que se podría haber quedado acumulados en la punta de estos equipos. 13.7.

Radiación Aportada por el Mechurrio en el Punto de Interés La radiación aportada por el equipo en el punto de interés se determina a partir del siguiente despeje de la ecuación de Hajek y Ludwig,

I= 13.8.

τ ⋅ F ⋅Q 4 ⋅ π ⋅ D2

(24)

Flujo de Calor Generado por la Llama El calor generado por la llama es calculado utilizando el calor neto (bajo) de combustión de la corriente de gas (LHV) según:

Q= 13.9.

W ⋅ LHV 3600

(25)

Distancia Radial por Radiación La distancia radial desde el centro de la llama hasta el punto de radiación total, en caso de diseño, es calculada por medio de la ecuación de Hajek y Ludwig,

D=

τ ⋅ F ⋅Q 4 ⋅π ⋅ I

(26)

En caso de evaluación, se utiliza la siguiente ecuación (Figura 27), D=

(R − X CL )2 + (H + YCL )2

(27)

13.10. Relación de Distorsión de la Llama La relación de distorsión de la llama (rDIS) es definida como:

rDIS =

U V

(28)

Este factor es una medida del efecto del viento sobre la llama generada por el mechurrio. 903-HM120-P09-GUD-046/24/03/2010/RA/pa

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO 13.11. Esquema de Mechurrios Para facilitar al lector el entendimiento de cada una de las dimensiones previamente calculadas en la sección de consideraciones básicas de diseño por radiación, a continuación se muestra un esquema del equipo (Figura 27).

YCL

Centro de la llama XCL

D H

Punto de radiación total d

R

Figura 28. Diagrama de un mechurrio o venteo encendido. 13.12. Ubicación del Centro de la Llama Según el Modelo de Aproximación Simple El modelo de Aproximación Simple define las coordenadas del centro de llama a partir de los parámetros de longitud de llama y de relación de distorsión horizontal y vertical de la llama. A)

Longitud de llama: La longitud de llama se obtiene por medio de la Figura 28.

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3

10

Longitud de la llama [ft]

*x 2

10

*

1

10

7

8

10

9

10

10

10

10

11

10

Flujo de calor generado [BTU/h]

Figura 29. Longitud de llama versus calor liberado. También se puede hacer uso de la siguiente ecuación, la cual fue obtenida al correlacionar los puntos de la curva presente en la Figura 28.

L = 0,31 ⋅ 0,0086 ⋅ (3,41 ⋅ Q )

0,46

B)

(29)

Relación de la distorsión horizontal y vertical de llama en función de la distorsión de la llama rDIS:

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1,0

Relación ∑(Δy)/L o ∑(Δx)/L

0,9

∑(Δx)/L

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

∑(Δy)/L

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

rDIS

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

Figura 30. Distorsión aproximada de la llama debido al viento lateral sobre la velocidad de salida del gas. También se puede hacer uso de las siguientes ecuaciones, las cuales fueron obtenidas al correlacionar puntos de las curvas presentes en la Figura 29. Para el cálculo de la distorsión vertical de la llama [1]:

∑

0,921754 + 263,361 ⋅ rDIS ∆Y = 2 L 1 + 362,9716 ⋅ rDIS + 2462,227 ⋅ rDIS

(30)

Para el cálculo de la distorsión horizontal de la llama [1]: Si rDIS ≤ 0,005

∑ 903-HM120-P09-GUD-046/24/03/2010/RA/pa

∆X L

=0 78 de 198

(31) INEDON

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Si 0,005 < rDIS ≤ 0,055

∑

∆X L

= 0,948266 ⋅ [ 0,757348 − exp(− 60,65045 ⋅ rDIS )]

(32)

Si 0,055 < rDIS ≤ 0,32

∑

∆X L

2 3 4 = 0,57525 + 2,63 ⋅ rDIS − 6,846529 ⋅ rDIS + 7,927411 ⋅ rDIS − 3,415031 ⋅ rDIS

(33)

Si 0,32 > rDIS

∑

∆X 2 3 4 = 0,890443 + 0,297696 ⋅ rDIS − 0,50519 ⋅ rDIS + 0,398922 ⋅ rDIS − 0,11505 ⋅ rDIS L C)

Distancia vertical desde la punta de salida hasta el centro de la llama:

YCL = D)

(34)

1 ∆Y ⋅∑ ⋅L 2 L

(35)

Distancia horizontal desde la punta de salida hasta el centro de la llama:

X CL =

1 ∆Y ⋅∑ ⋅L 2 L

(36)

13.13. Ubicación del Centro de la Llama Según el Modelo de Brzustowski-Sommer El modelo de Brzustowski & Sommer define las coordenadas del centro de llama a partir del factor de inflamabilidad y la perturbación del viento. A)

Factor de inflamabilidad:

CL =

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CL  1 ⋅ 100  rDIS

  MWG   ⋅     MW∞ 

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(37)

INEDON

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO B)

Perturbación del viento:

dR = C)

 1 d ⋅  0,3048  rDIS

 T∞ ⋅ MWG  ⋅ TG 

(38)

Distancia vertical desde la punta de salida hasta el centro de la llama:

Figura 31. Centro de llama para mechurrios y venteos encendidos: distancia vertical YC. También se puede hacer uso de la siguiente ecuación, la cual fue obtenida al correlacionar puntos de la curva presente en la Figura 30. YC = 0,3048 ⋅ a ⋅ C L

b

(39)

Luego,

YCL = YC 903-HM120-P09-GUD-046/24/03/2010/RA/pa

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO D)

Distancia horizontal desde la punta de salida hasta el centro de la llama:

Figura 32. Centro de llama para mechurrios y venteos encendidos: distancia horizontal XC. También se puede hacer uso de la siguiente ecuación, la cual fue obtenida al correlacionar puntos de la curva presente en la Figura 31. X C = 0,3048 ⋅ a'⋅C L

b'

(41)

Luego,

X CL = X C E)

(42)

Interpolación de valores: Al realizar cálculos según el modelo de Brzustowski & Sommer, constantemente surge la necesidad de interpolar entre las curvas de la Figura 30 y la Figura 31. Es estos casos se hace uso de la interpolación lineal, representada en la siguiente ecuación:

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO

 Y − YINt,2   ⋅ ( X INT ,1 − X INT ) YINT = YINT ,1 −  INT ,1  X X − INt ,2   INT ,1

(43)

13.14. Altura Total del Mechurrio o Mínimo Radio de Seguridad La altura total del mechurrio, definida por radiación, se determina según: H = D 2 − (R − X CL ) − YCL 2

(44)

Después de ajustar la ecuación (44), se puede calcular la distancia requerida del radio de seguridad. La ecuación resultante es: R = D 2 − (H + YCL ) + X CL 2

(45)

13.15. Consideraciones para el Plano de Planta El plano de planta de una instalación muestra todos los equipos, incluso el mechurrio (o venteo); pero adicionalmente se muestra el radio de seguridad para la máxima radiación usada en el diseño del mechurrio, este radio limita el área restringida o estéril (Figura 32). En caso que el valor de máxima radiación no alcance el nivel de suelo, por ejemplo para un mechurrio con altura definida, se recomienda colocar una nota que indique cuál es la radiación resultante a nivel de suelo; la nota tiene como objetivo aclarar que el radio de seguridad no fue omitido por error.

ÁREA 50 m (164 4,73 kW/m2 (1500 2

FL-

Figura 33. Ejemplo de la indicación en un plano de planta del radio de seguridad para el área restringida. El círculo de radiación en el plano de planta considera que la dirección del viento predominante pueda cambiar. La Figura 33 muestra un ejemplo con el 903-HM120-P09-GUD-046/24/03/2010/RA/pa

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO círculo de radiación en dirección del viento predominante, y el círculo completo proyectado en 360°. Viento predominante Círculo completo de radiación proyectado en el suelo Centro de la llama proyectada en el suelo

FL-9001

Círculo de radiación proyectado en el suelo

Figura 34. Proyección completa del círculo de radiación en base al círculo determinado con el viento predominante. 14.

DISEÑO POR DISPERSIÓN Esta sección describe los modelos de cálculo, las ecuaciones y consideraciones usadas en por el programa “Radiación y Dispersión” para el diseño y evaluación por dispersión de venteos o mechurrios apagados. Los valores de las constantes de las diferentes ecuaciones de la sección de Diseño por Dispersión se encuentran en el Anexo 2.

14.1.

Modelos de Cálculo Tradicionalmente en inelectra ha empleado el programa SCREEN 3 para el diseño de venteos. Este programa es recomendado por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos de América (EPA, por sus siglas en inglés), la cual cuenta con toda la información de referencia [26], [27], [28], [29], necesaria para poder aplicar el modelo de dispersión gauseana. Otro modelo disponible para modelar este fenómeno es el presente en la norma PDVSA “Cálculos de Dispersión” 90616.1.020 [20].

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Los modelos de cálculo de dispersión, antes mencionados, consideran únicamente escapes continuos y están basados en datos estadísticos que dependen tanto del tiempo de observación como de la distancia de exposición (desde la fuente hasta el receptor). Los modelos difieren en algunos de los procedimientos empleados y en los rangos de aplicabilidad de cada uno de ellos. El modelo del SCREEN 3 está basado en tiempos de observación promedio de 60 min y en un rango de distancias de 0 m a más de 60 km. Por su parte, el modelo que describe la norma PDVSA 90616.1.020 [20] está basado en tiempos de observación promedios de 10 min y para distancias mayores a 100 m. Los resultados obtenidos por los dos modelos no se pueden comparar entre sí, debido a que usan diferentes bases para los parámetros de dispersión. 14.2.

Modelos Gauseanos Si bien las concentraciones instantáneas de las plumas de dispersión son bastante irregulares, con suficiente tiempo de observación (ej. una hora) se pueden obtener, en mucho de los casos, distribuciones de concentración con forma de campana, las cuales pueden ser aproximadas por una distribución gauseana en el plano horizontal (en menor grado) y en el vertical. El concepto descrito anteriormente es mostrado en la Figura 34.

14.3.

Estabilidad Térmica El fenómeno de dispersión de sustancias en la atmósfera se ve determinado por muchos factores ambientales, los cuales son obtenidos en la localidad donde se desea situar el venteo. Dado que no siempre es posible disponer de la información necesaria, en un intento por establecer o estandarizar las condiciones atmosféricas más comunes y extremas, se han dispuesto cuadros que indican los casos de estudio más importantes.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO y

y

x0

FUENTE

y

x

VIENTO

Instantáneo con x = x0

(a)

(b)

x

Promedio de 1 hora con x = x0

x

(c)

Figura 35. (a) Vista instantánea superior de la pluma; (b) perfil horizontal instantáneo de la pluma de concentración en dirección transversal para alguna distancia en dirección del viento desde la fuente; (c) perfil de una hora de tiempo de observación promedio para la misma distancia en dirección del viento. La información más ampliamente utilizada es la de Pasquill [27], la cual establece 6 casos de estudio (estabilidades térmicas A, B, C, D, E y F), que están definidas de acuerdo a: •

velocidad del viento medida a 10 m sobre el nivel del suelo,

•

radiación solar presente durante el día,

•

porcentaje de cielo nublado durante la noche,

y cuyas características se observan en el Cuadro 10.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Cuadro 10. Estabilidades de Pasquill de acuerdo a las condiciones meteorológicas [29]. Estabilidad

Condiciones

Descripción

Velocidad del viento [m/s]

A

Tiempo diurno

Extremadamente inestable

30,00

44,053

0,51179

C

D

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Cuadro 2- 3. Constantes a y b para el cálculo de la desviación estándar en la dirección vertical para una localidad rural para el modelo de la EPA, Ecuación (78). Estabilidad

E

F

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Rango de distancias

a

b

< 0,10

24,260

0,83660

0,10 – 0,30

23,331

0,81956

0,31 – 1,00

21,628

0,75660

1,01 – 2,00

21,628

0,63077

2,01 – 4,00

22,534

0,57154

4,01 – 10,00

24,703

0,50527

10,01 – 20,00

26,970

0,46713

20,01 – 40,00

35,420

0,37615

> 40,00

47,618

0,29592

< 0,20

15,209

0,81558

0,21 – 0,70

14,457

0,78407

0,71 – 1,00

13,953

0,68465

1,01 – 2,00

13,953

0,63227

2,01 – 3,00

14,823

0,54503

3,01 – 7,00

16,187

0,46490

7,01 – 15,00

17,836

0,41507

15,01 – 30,00

22,651

0,32681

30,01 – 60,00

27,074

0,27436

> 60,00

34,219

0,21716

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Cuadro 2- 4. Constante a para el cálculo de la desviación estándar en la dirección lateral para una localidad urbana para el modelo de la EPA, Ecuación (79). Estabilidad

a

A

0,32

B

0,32

C

0,22

D

0,16

E

0,11

F

0,11

Cuadro 2- 5. Constantes a, b y c para el cálculo de la desviación estándar en la dirección vertical para una localidad urbana para el modelo de la EPA, Ecuación (80). Estabilidad

a

b

c

A

0,24

0,0010

0,5

B

0,24

0,0010

0,5

C

0,20

0,0010

0

D

0,14

0,0003

-0,5

E

0,08

0,0015

-0,5

F

0,08

0,0015

-0,5

Cuadro 2- 6. Constante a para el cálculo de la concentración de contaminante basado en un tiempo de observación distinto a 1 h para el modelo de la EPA, Ecuación (85). Tiempo promedio de observación (h)

a

3

0,9

8

0,7

24

0,4

Anual

0,08

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Cuadro 2- 7. Constantes a y b para el cálculo de la desviación estándar en la dirección lateral para el modelo de PDVSA, Ecuación (98). Estabilidad

a

b

X < 10000

X ≥ 10000

X < 10000

X ≥ 10000

A

0,4950

0,6060

0,8730

0,8510

B

0,3100

0,5230

0,8970

0,8400

C

0,1970

0,2850

0,9080

0,8670

D

0,1220

0,1930

0,9160

0,8650

E

0,0934

0,1410

0,9120

0,8680

F

0,0625

0,0800

0,9110

0,8840

Cuadro 2- 8. Constante a para el cálculo de la desviación estándar en la dirección vertical para el modelo de PDVSA, Ecuación (99). Estabilidad

a’ 100 < X ≤ 500

500 < X < 5000

X ≥ 5000

A

0,038300

0,000254

0,000254

B

0,139300

0,049400

0,049400

C

0,112000

0,101400

0,115000

D

0,085600

0,259100

0,737000

E

0,109400

0,245200

0,920400

F

0,056450

0,193000

0,505000

Cuadro 2- 9. Constante b para el cálculo de la desviación estándar en la dirección vertical para el modelo de PDVSA, Ecuación (99). Estabilidad

b’ 100 < X ≤ 500 500 < X < 5000

X ≥ 5000

A

1,2810

2,0890

2,0890

B

0,9467

1,1140

1,1140

C

0,9100

0,9260

0,9110

D

0,8650

0,6870

0,5640

E

0,7657

0,6370

0,4810

F

0,8050

0,6072

0,3660

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Cuadro 2- 10. Constante R1 para el cálculo de la concentración de contaminante basado en un tiempo de observación distinto a 10 min para el modelo de PDVSA, Ecuación (104). Estabilidad

R1

A

0,675

B

0,550

C

0,425

D

0,300

E

0,175

F

0,175

Cuadro 2- 11. Constantes a y b para el cálculo de la distancia vertical desde la punta de salida hasta el centro de la llama para el modelo de Brzustowski & Sommer, Ecuación (39). djR

Límite inferior de CL

Límite superior de CL

a

b

10

0,001

10,000

3,0545

-0,3382

15

0,001

0,035

5,7241

-0,2874

15

0,035

10,000

5,3236

-0,3090

20

0,001

0,040

8,4401

-0,2680

20

0,040

10,000

6,6088

-0,3440

30

0,001

0,040

13,7350

-0,2427

30

0,040

0,150

11,1760

-0,3068

30

0,150

10,000

9,5115

-0,3918

40

0,001

0,050

15,0900

-0,2808

40

0,050

0,200

15,4870

-0,2722

40

0,200

0,600

13,2510

-0,3691

40

0,600

10,000

12,4240

-0,4952

50

0,001

0,080

19,9240

-0,2759

50

0,080

0,400

16,7840

-0,3438

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Cuadro 2- 11. Constantes a y b para el cálculo de la distancia vertical desde la punta de salida hasta el centro de la llama para el modelo de Brzustowski & Sommer, Ecuación (39). djR

Límite inferior de CL

Límite superior de CL

a

b

50

0,400

1,000

16,0000

-0,3961

50

1,000

10,000

16,0000

-0,5643

100

0,001

0,070

33,8850

-0,3230

100

0,070

0,500

31,3280

-0,3525

100

0,500

2,500

30,9200

-0,3715

100

2,500

10,000

37,3340

-0,5772

150

0,001

0,100

57,6190

-0,2808

150

0,100

0,400

48,2790

-0,3576

150

0,400

1,800

45,1100

-0,4317

150

1,800

3,500

47,1230

-0,5060

150

3,500

10,000

49,9380

-0,5523

200

0,001

0,060

80,7100

-0,2851

200

0,060

0,350

59,5730

-0,3930

200

0,350

2,000

60,0730

-0,3851

200

2,000

6,000

67,5830

-0,5550

200

6,000

10,000

79,1330

-0,6431

300

0,001

0,040

117,0200

-0,2925

300

0,040

0,250

99,4490

-0,3430

300

0,250

1,500

88,1080

-0,4304

300

1,500

4,000

88,5000

-0,4413

300

4,000

10,000

102,8800

-0,5499

400

0,001

0,064

157,5500

-0,2904

400

0,064

0,400

129,0800

-0,3629

400

0,400

2,500

118,4900

-0,4563

400

2,500

6,200

122,1600

-0,4896

400

6,200

10,000

157,7900

-0,6299

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Cuadro 2- 11. Constantes a y b para el cálculo de la distancia vertical desde la punta de salida hasta el centro de la llama para el modelo de Brzustowski & Sommer, Ecuación (39). djR

Límite inferior de CL

Límite superior de CL

a

b

500

0,001

0,090

196,9900

-0,2889

500

0,090

0,540

158,2600

-0,3798

500

0,540

2,500

150,7400

-0,4589

500

2,500

6,000

167,2100

-0,5720

500

6,000

10,000

164,5800

-0,5632

700

0,001

0,120

297,4800

-0,2449

700

0,120

0,250

272,0200

-0,2871

700

0,250

0,800

222,4800

-0,4321

700

0,800

3,500

219,9400

-0,4836

700

3,500

10,000

249,4100

-0,5840

1000

0,001

0,500

334,2100

-0,3636

1000

0,500

1,600

311,2500

-0,4663

1000

1,600

5,000

317,5500

-0,5089

1000

5,000

10,000

434,0300

-0,7030

1500

0,001

2,000

467,4700

-0,4175

1500

2,000

5,600

510,1300

-0,5435

1500

5,600

10,000

577,1300

-0,6151

2000

0,001

3,500

657,6900

-0,5035

2000

3,500

10,000

725,5600

-0,5819

3000

0,001

10,000

1180,1000

-0,6569

4000

0,001

10,000

1732,8000

-0,6590

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Cuadro 2- 12. Constantes a y b para el cálculo de la distancia horizontal desde la punta de salida hasta el centro de la llama para el modelo de Brzustowski & Sommer, Ecuación (41). djR

Límite inferior de CL

Límite superior de CL

a’

b’

1

0,010

10,000

0,2298

-0,9894

1,5

0,010

10,000

0,2687

-1,0457

2

0,010

10,000

0,3236

-1,0679

3

0,010

10,000

0,4992

-1,0700

4

0,010

10,000

0,7231

-1,0399

5

0,010

10,000

0,9335

-1,0296

7

0,010

10,000

1,2125

-1,0485

10

0,010

10,000

1,6661

-1,0645

15

0,010

10,000

2,3094

-1,0913

20

0,010

0,080

3,3487

-1,0704

20

0,080

10,000

2,3978

-1,2026

30

0,010

0,080

4,8782

-1,0684

30

0,080

10,000

3,6507

-1,1825

40

0,010

0,090

4,9906

-1,1522

40

0,090

10,000

4,6113

-1,1850

50

0,010

0,100

6,4119

-1,1521

50

0,100

10,000

5,0444

-1,2562

70

0,010

0,090

10,7160

-1,0959

70

0,090

0,250

7,0538

-1,2696

70

0,250

10,000

6,2941

-1,3518

100

0,010

0,100

14,7610

-1,1096

100

0,100

0,250

10,4900

-1,2580

100

0,250

10,000

10,4170

-1,2630

150

0,010

0,135

18,9220

-1,1775

150

0,135

0,300

13,8670

-1,3327

150

0,300

10,000

12,9580

-1,3891

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Cuadro 2- 12. Constantes a y b para el cálculo de la distancia horizontal desde la punta de salida hasta el centro de la llama para el modelo de Brzustowski & Sommer, Ecuación (41). djR

Límite inferior de CL

Límite superior de CL

a’

b’

200

0,010

0,220

27,3110

-1,1250

200

0,220

0,600

16,6830

-1,4505

200

0,600

10,000

16,2110

-1,5067

300

0,010

0,290

30,5590

-1,2853

300

0,290

0,700

24,2540

-1,4719

300

0,700

10,000

23,6730

-1,5399

400

0,010

0,300

45,3420

-1,2327

400

0,300

0,800

34,6930

-1,4550

400

0,800

10,000

33,9600

-1,5506

500

0,010

0,600

44,5810

-1,3752

500

0,600

10,000

40,9900

-1,5396

700

0,010

0,900

59,9880

-1,4650

700

0,900

10,000

58,7490

-1,6631

1000

0,010

0,900

84,3810

-1,4201

1000

0,900

10,000

82,3930

-1,6464

1500

0,010

1,600

125,4400

-1,5691

1500

1,600

10,000

140,6400

-1,8124

2000

0,010

0,900

169,7100

-1,5589

2000

0,900

2,150

169,1200

-1,5919

2000

2,150

10,000

201,7300

-1,8223

3000

0,010

2,000

252,4000

-1,6397

3000

2,000

10,000

291,7900

-1,8489

4000

0,010

2,500

350,0000

-1,6958

4000

2,500

10,000

401,0300

-1,8444

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ANEXO 3 – INFORMACIÓN ADICIONAL SOBRE RADIADO

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LA

FRACCIÓN

DE

CALOR

INEDON

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Este anexo contiene información suplementaria, y solo como ejemplo, sobre el concepto de la fracción de calor radiado. El criterio de Procesos está establecido en la Sección 13.4. Varios autores han propuesto ecuaciones que intentan generar un estimado del valor de F en función de propiedades del gas y del equipo, tales como: peso molecular, calor neto de combustión, velocidad de punta de salida y diámetro de punta. A)

Ecuación de Kent, 1964. [11] F = 0,2 ⋅

(1,133667 ⋅ 10

−6

)

⋅ MW G ⋅

LHV 900

(107)

Donde, para mezclas de hidrocarburos de calor de combustión desconocidos, n

LHV = ∑ Yi ⋅ (50 ⋅ MWi + 100 ) i =1

B)

Ecuación de Tan, 1967. [11] F = 0,048 ⋅ MWG

C)

(109)

Ecuación de Chamberlain, 1987. [11]

F = 0,21 ⋅ exp(− 0,00323 ⋅ V ) + 0,11 D)

(108)

(110)

Ecuación discutida por Straitz et al., 1977. [24]

 −1 V  F = 0,075 ⋅ Fi ⋅ exp SON ⋅ Ppseudo  ⋅ exp   V   d

(111)

Donde, Ppseudo =

(12 ⋅ C ) + (24 ⋅ S ) − (3 ⋅ O ) + (3 ⋅ OH )

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MWG

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(112)

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO El resultado no es independiente de la ecuación seleccionada por lo que se emplea un criterio que permita elegir el valor más conveniente para cada situación. Usualmente se emplean valores obtenidos empíricamente que dependen únicamente de los componentes presentes en la corriente de gas. Cuadro 3- 1. Valores de fracción de calor radiado recomendadas en [21]. Componente

F

Hidrógeno

0,15

Metano

0,20

Etano plus

0,30

Los valores de F mostrados en el Cuadro 3- 1 son “los valores máximos de radiación térmica esperada con condiciones de combustión cercanas a lo ideal”. Como una combustión eficiente sería esperada con muy poca frecuencia para flujos de quema de emergencia, el uso de valores de F aproximadamente dos tercios de los citados aquí son sugeridos como representación de un enfoque más práctico [21]. En los modelos de cálculo para la determinación de la radiación generada por la llama en mechurrios o venteos encendidos, la única diferencia existente está en los valores tabulados de la fracción de calor radiado y/o las ecuaciones que utilizan para su cálculo. Los resultados arrojados por las distintas ecuaciones para el cálculo de la fracción de calor radiado se muestran en el cuadro siguiente:

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Cuadro 3- 2. Fracción de calor radiado calculado a partir de las ecuaciones mostradas en este Anexo. F

Compuesto

Kent

Tan

Chamberlain

Straitz et al.

H2

0,118

0,068

0,262

0,021

CO2

0,147

0,318

0,262

0,022

H2S

0,000

0,280

0,262

0,026

CH4

0,208

0,192

0,262

0,024

C2H6

0,276

0,263

0,262

0,023

C2H4

0,262

0,254

0,262

0,024

C3H8

0,329

0,319

0,262

0,023

C3H6

0,317

0,311

0,262

0,023

C4H10

0,376

0,366

0,262

0,022

Al comparar los valores mostrados en el Cuadro 3- 2 entre sí, y a su vez con los valores tabulados de emisividades sugeridos mostrados en el Cuadro 3- 1, se deduce que los valores tabulados y las ecuaciones reportadas corresponden a los criterios conservadores y de seguridad de cada una de las fuentes bibliográficas, por lo que no es posible establecer ninguna ecuación para el cálculo de la fracción de calor radiado.

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ANEXO 4 – MAPA

903-HM120-P09-GUD-046/24/03/2010/RA/pa

DE

RADIACIÓN SOLAR

183 de 198

EN

ARGENTINA

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Mapa de Radiación Solar en Argentina (valores para verano)

Fuente: Scollo, L. Energía Solar: aprovechamiento mediante concentrador y ciclo Stirling para producir electricidad. Facultad de Ingenería, Universidad Nacional de Cuyo.

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ANEXO 5 – MAPA

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DE

RADIACIÓN SOLAR

185 de 198

EN

COLOMBIA

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO Mapa de Radiación Solar en Colombia

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ANEXO 6 – FIGURAS BASADAS

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EN LAS

FÓRMULAS

DE

TURNER

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO La siguiente figura muestra el gráfico con las fórmulas de Turner, las cuales son utilizadas en el modelo de PDVSA para obtener los valores del coeficiente de dispersión horizontal (lateral) en función de la distancia del receptor y las estabilidades térmicas [9].

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO La siguiente figura muestra el gráfico con las fórmulas de Turner, las cuales son utilizadas en el modelo de PDVSA para obtener los valores del coeficiente de dispersión vertical en función de la distancia del receptor y las estabilidades térmicas [9].

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ANEXO 7 – FORMATO

DE

HOJA DE DATOS MECHURRIOS

PARA UN

SISTEMA

DE

(903-HM120-P09-GUD-046-7.xls)

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ANEXO 8 – FORMATO

DE

HOJA

DE

DATOS

PARA UN

VENTEO

(903-HM120-P09-GUD-046-8.xls)

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ANEXO 9 – COMPARACIÓN DE LOS MODELOS DEL API STD 521 CON MODELOS DE LLAMA SÓLIDA PARA CÁLCULOS DE RADIACIÓN

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO En la Sección 13 se muestran las ecuaciones básicas que fundamentan los cálculos de radiación para equipos finales de alivio y venteo de acuerdo al API STD 521. Este método es una de las aproximaciones más sencillas para el desarrollo de este tipo de cálculos y han recibido la denominación de métodos de un solo punto, debido a que suponen que la llama puede ser tratada como una fuente que irradia calor en todas direcciones desde un solo punto localizado en el centro de esta. Diferentes autores han intentado establecer la precisión de este tipo de métodos en la predicción de los niveles de radiación en función de la distancia, a través de mediciones experimentales en facilidades donde las variables involucradas en la determinación de la radiación pueden ser controladas. Algunas de estas investigaciones han concluido que los métodos de un solo punto suelen subestimar los niveles de radiación en el campo cercano al mechurrio. En este sentido, McMurray [17] al comparar datos experimentales con los resultados provistos por las correlacione del API STD 521, señala lo siguiente: “un ajuste razonable se obtiene en el campo lejano (D >> L) pero las predicciones en el campo cercano (D < L) son totalmente inapropiadas. Los métodos descritos en el API STD 521 deben restringirse para la predicción de los niveles de radiación y determinación del área estéril requerida sólo cuando D >> L”. Para mayor información ver referencias [17] y [7]. Por su parte, los métodos denominados de llama sólida se entiende que ofrecen un mejor modelaje de la llama y por ende conducen a resultados más fidedignos. En estos modelos la llama se representa como una o más formas geométricas sólidas de las cuales la radiación es emitida desde la superficie. La sumatoria de la radiación emitida por cada uno de estas superficies conlleva al valor de la radiación en el punto de interés. Algunos de los modelos empleados por los vendedores (ejemplo, Flare Industries Inc.), así como la metodología usada en el programa SuperChemsTM son métodos multipuntos o de llama sólida. En vista de las aparentes discrepancias reconocidas por diversos autores en los resultados de radiación ofrecidos por los métodos de sólo punto y los de llama solida, se decidió llevar a cabo una comparación de los resultados que brindan los métodos de un solo punto descritos en el API STD 521, los que da el programa SuperChemsTM , y los niveles de radiación reportados por algunos de los vendedores que han provisto equipos finales de alivio para proyectos en los que ha participado inelectra.

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO La primera dificultad que se encontró al momento de realizar esta evaluación fue que los modelos empleados no sólo difieren en la metodología empleada para el cálculo de la radiación, sino también en las correlaciones involucradas en la determinación de la fracción de calor radiado F, las cuales en todos los casos evaluados eran diferentes. Para evitar introducir parámetros adicionales que dificulten la interpretación de los resultados, se decidió emplear el mismo valor de F para construir los perfiles de radiación que se reportan a continuación. Cuando se disponía del F suministrado por el vendedor, este fue el valor usado para realizar los cálculos, de no disponerse se empleó el valor de F reportado por SuperChemsTM. El resto de las variables involucradas en el los cálculos se consideraron iguales para los modelos evaluados, incluyendo entre ellos la velocidad del viento, humedad, temperatura ambiente, peso molecular del gas, flujo de gas a quemar, entre otros. Para los casos comparados la altura del mechurrio era la misma. El procedimiento de suministrar manualmente el F en el programa SuperChemsTM es posible, más no es recomendado por IOMosaic. En el caso de estas comparaciones se considera válido dado que ya estos son equipos finales de alivio existentes, sin embargo en el diseño de equipos nuevos el valor de F provisto por el programa no debe ser ajustado ni modificado.

Proyecto 1 Radiación [BTU/h.ft2]

1400

API STD 521 (AS)

1200

API STD 521 (B&S)

1000

SuperChems(TM) Vendedor

800 600 400 200 0 0

500

1000

1500

Distancia desde el equipo en dirección del viento [ft]

Figura 9- 1. Perfiles de radiación por diversos métodos. F del vendedor = 0,14, MWgas = 62,55

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Proyecto 2 Radiación [BTU/h.ft2]

700

API STD 521 (AS)

600

SuperChems(TM)

500

Vendedor

400 300 200 100 0 0

50

100

150

Distancia desde el equipo en dirección del viento [ft]

Figura 9- 2. Perfiles de radiación por diversos métodos. F del vendedor desconocido, FSuperchems = 0,15, MWgas = 26,49

Proyeto 3 Radiación [BTU/h.ft2]

3000

API STD 521 (AS) API STD 521 (B&S)

2500

SuperChems(TM)

2000

Vendedor

1500 1000 500 0 0

250

500

750

1000

Distancia desde el equipo en dirección del viento [ft]

Figura 9- 3. Perfiles de radiación por diversos métodos. F del vendedor = 0,08, MW gas = 10,29

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Proyecto 4 Radiación [BTU/h ft2]

4000 3500 3000 2500 Vendor

2000

API STD 521(AS)

1500

API STD 521(B&S) Superchems (TM)

1000 500 0 0

200

400

600

Distancia desde el equipo en dirección del viento [ft] Figura 9- 4 Perfiles de radiación por diversos métodos. F del vendedor = 0,23; MW gas = 21,5 Al observar las figuras, se nota que los modelos no logran converger a una tendencia única y repetible para ningún caso. Sin embargo, en tres de los cuatro casos evaluados SuperChemsTM muestra niveles de radiación en el campo cercano mucho más altos que los reportados por el vendedor, mientras que en campo lejano este programa tiende a ofrecer resultados menos conservadores que el API STD 521, e incluso que algunos de los vendedores. Este resultado es importante considerarlo durante la evaluación y diseño de un equipo final de alivio. En muchas ocasiones el criterio que se emplea para definir la altura de estos equipos es en función de la radiación en un punto alejado de este (como por ejemplo el KO Drum) o en función del área estéril necesaria para un nivel de radiación determinado normalmente entre 6,3 kW/m2 y 4,7 kW/m2 (2000 y 1500 BTU/hr ft2). En un caso así, es posible que el resultado que ofrezca SuperChemsTM sea menos conservador que el API 521 y por ende conlleve a la selección de un mechurrio de menos altura y en consecuencia más económico. Sin embargo, no deben despreciarse ni descuidarse los resultados en el campo cercano, pues los niveles de radiación en esos puntos podrían poner en riesgo a los elementos circundantes al equipo final de alivio. Incluso y aún más peligroso, al personal que eventualmente pudiera encontrarse en el área si el 903-HM120-P09-GUD-046/24/03/2010/RA/pa

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO equipo posee elementos que no sean de operación remota (ejemplo la presencia de un sello de agua en el fondo o un ventilador para combustión sin humo). Los resultados que se muestran en el Cuadro 9- 1 son un ejemplo de este caso. El criterio exigido por el cliente era cumplir con un nivel de radiación de 4,7 kW/m2 (1500 BTU/hr ft2) a 55,5 m (182 ft) de la base del equipo final de alivo. En este caso, SuperChemsTM al brindar resultados menos conservadores en el campo lejano, permitiría a simple vista seleccionar un mechurrio de menor altura que incluso el ofertado por el vendedor. Sin embargo, al revisar el perfil de radiación en toda la dirección del viento se nota que SuperChemsTM muestra un pico de radiación de 14,2 kW/m2 (4500 BTU/hr ft2) en la base del mechurrio. Un valor de radiación tan elevado en esa área podría resultar extremadamente peligroso y de hecho inaceptable para la exposición de personal si el equipo no puede ser operado de manera remota. Esto permite concluir que la aparente optimización de la altura que en primera instancia podría inferirse de los resultados de SuperChemsTM no es tal, y que sólo un análisis del perfil completo de radiación es el que nos permitirá decidir sobre la altura del equipo. Cuadro 9- 1. Comparación alturas resultantes para mechurrios por diferente métodos de cálculo. Proyecto 3 Altura

Comparaciones [ft]

[m]

Vendedor

98,43

30,00

API STD 521 AS

121,75

37,11

API STD 521 B&S

82,79

25,23

Superchems™

82,02

24,99

Ante estas divergencias notables en los resultados, se recomienda durante la evaluación de las propuestas de los vendedores, emplear el programa de SuperChemsTM para evaluar el comportamiento del equipo final de alivio en el campo cercano y descartar posibles niveles de radiación excesivos en esta área. Si las divergencias son muy grandes el vendedor debe ser consultado sobre su metodología del cálculo, y los integrantes de la disciplina de procesos deben de determinar las posibles consecuencias de altos niveles de radiación en la base 903-HM120-P09-GUD-046/24/03/2010/RA/pa

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GUÍA PARA LA ESPECIFICACIÓN DE LOS EQUIPOS FINALES DE ALIVIO Y VENTEO del mechurrio en términos de la temperatura de equilibrio resultante en las superficies circundantes de acuerdo al procedimiento explicado en la Sección 13.6.2. El Líder de la Disciplina Procesos debe comunicar al Gerente del Proyecto de estas divergencias y de los riesgos asociados a la selección de un equipo final de alivio que podría ser más bajo y económico, pero que podría poner en riesgo la seguridad del personal y de la planta, con las consecuencias que eso podría acarrear a inelectra como responsable de la aceptación del diseño propuesto por el vendedor. Por su parte, se recomienda que el Gerente del Proyecto considere la información provista por la Disciplina de Procesos y notifique a instancias superiores sobre el hecho, para que en conjunto decidan y aprueben o no el equipo propuesto.

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