903 HM120 P09 GUD 071 (Despresurizacion)

PROCESOS

Rev.

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FE DE ERRATA

Título N° Fecha Revisión

GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE DESPRESURIZACIÓN 903-HM120-P09-GUD-071 ABR. 08 0

ERRATA: Anexo 1 “Hoja de Cálculo para Determinar el Área Mojada y el Calor Absorbido” La ecuación para cálculo de calor absorbido (en la hoja de cálculo) tenía un error para las unidades USC. Ejemplo para un recipiente vertical:

El factor 1000 es usado para las unidades métricas y convertir de W a kW; pero dicho factor no es requerido para las unidades USC. La hoja de cálculo disponible actualmente en la intranet tiene la ecuación corregida:

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE DESPRESURIZACIÓN FECHA

ABR. 08

OBJETO

Emisión Original

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ELABORÓ Iniciales

REVISÓ Iniciales

APROBÓ Iniciales/Cargo

AA

RAP

ABA/GDP

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE DESPRESURIZACIÓN Índice Página 1.  2.  3.  4.  5.  6.  7.  8.  9.  10.  10.1.  10.2.  10.3.  10.4.  10.5.  10.6.  10.7.  10.8.  10.9.  10.10.  10.11.  10.12.  10.13.  11.  11.1.  11.2.  11.3.  11.4.  11.5.  11.6.  12.  13.  14.  14.1.  14.2.  14.3. 

INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 4  OBJETIVOS ........................................................................................................... 4  USO DE LOS CRITERIOS Y LA NORMATIVA ...................................................... 4  PROCEDIMIENTOS DE INELECTRA .................................................................... 5  INSTRUCCIONES DE TRABAJO DE INELECTRA................................................ 5  ACRÓNIMOS Y SIGLAS ........................................................................................ 6  MEMORIA DE CÁLCULO ....................................................................................... 6  LECCIONES APRENDIDAS ................................................................................... 6  DEFINICIONES GENERALES ............................................................................... 7  SISTEMAS DE DESPRESURIZACIÓN ................................................................ 11  Definición y Usos .................................................................................................. 11  Despresurización de Emergencia ......................................................................... 12  Despresurización de Líquido ................................................................................ 12  Condiciones Requeridas para la Despresurización .............................................. 13  Condiciones Iníciales ............................................................................................ 13  Condiciones Finales ............................................................................................. 14  Válvula de Despresurización y Orificio de Restricción .......................................... 14  Bloque de Despresurización ................................................................................. 15  Volumen del Bloque de Despresurización ............................................................ 16  Zonas de Despresurización .................................................................................. 16  Sistema de Recolección ....................................................................................... 17  Cálculo del Calor Absorbido ................................................................................. 18  Efecto de las Variables sobre el Flujo de Despresurización ................................. 18  PROGRAMAS COMERCIALES DE SIMULACIÓN .............................................. 19  Datos del Caso de Ejemplo .................................................................................. 20  PRO/II® ................................................................................................................ 21  Aspen HYSYS® .................................................................................................... 33  Comparación de los Programas Comerciales ...................................................... 49  Resumen de los Modelos ..................................................................................... 52  Consideraciones para los Programas ................................................................... 53  DESPRESURIZACIÓN SIN FUENTE DE CALOR EXTERNO ............................. 58  DIMENSIONAMIENTO DEL ORIFICIO DE RESTRICCIÓN Y DE LAS LÍNEAS .. 60  CONSIDERACIONES ESPECIALES ................................................................... 61  Despresurización Hasta la Presión Atmosférica ................................................... 61  Riesgo de Formación de Hidratos ........................................................................ 62  Recomendaciones para la Selección de los Materiales para Baja Temperatura .. 63 

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE DESPRESURIZACIÓN 14.3.1.  Severidad de la Exposición del Metal ................................................................... 64  14.3.2.  Servicios con Líquido Frío .................................................................................... 64  14.3.3.  Servicios con Gas Frío ......................................................................................... 64  14.3.4.  Transferencia de Calor entre el Fluido y el Metal ................................................. 65  14.3.5.  Servicios a Baja Presión ....................................................................................... 65  14.4.  Despresurización de las Líneas de Transporte .................................................... 66  15.  REFERENCIAS .................................................................................................... 66  ANEXO 1 – HOJA DE CÁLCULO PARA DETERMINAR EL ÁREA MOJADA Y EL CALOR ABSORBIDO ...................................................................................... 68  ANEXO 2 – TÉRMINO DE CONTRIBUCIÓN DE TRABJO P·V EN ASPEN HYSYS® ............................................................................................................... 69 

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1.

INTRODUCCIÓN La Disciplina de Procesos tiene la responsabilidad de establecer los requerimientos de despresurización en las instalaciones evaluadas, para esto es necesario conocer los requisitos básicos en la industria y el uso de los simuladores comerciales para los cálculos de despresurización. Este INEDON es considerado un complemento del INEDON “Guía de Diseño para los Sistemas de Alivio de Presión”, No. 903-HM120-P09-GUD-041, el cual no contiene información para los cálculos de despresurización.

2.

OBJETIVOS Los objetivos principales de este INEDON son:

3.

•

Establecer las definiciones básicas sobre la despresurización.

•

Indicar los criterios usados en la industria petrolera y petroquímica.

•

Mostrar el uso de las unidades de despresurización (UdD) en los simuladores comerciales con licencia para la Disciplina de Procesos.

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 que aplica al Proyecto. Así como, solicitar al Cliente o ente gubernamental correspondiente, la normativa local que aplica al país donde se construye la planta.

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4.

PROCEDIMIENTOS DE INELECTRA Procedimientos para la gestión de la calidad relacionados con este INEDON: Ingeniería (HM010) 903-P3000-A20-ADM-917

Procedimiento para la Identificación, Registro y Aplicación de Lecciones Aprendidas

Gestión de la Calidad (HM060) 903-P9010-G09-ADM-914

5.

Elaboración y Actualización de Instrucciones de Trabajo

INSTRUCCIONES DE TRABAJO DE INELECTRA Instrucciones de trabajo relacionadas con este INEDON: Procesos (HM120) 903-P3100-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 Guía sobre los Contaminantes en el Gas Natural Guía sobre Flujo Crítico para Fluidos Compresibles Guía para la Elaboración de la Memoria de Cálculo Guía para la Selección de los Materiales de Construcción Lineamientos para la Evaluación de los Hidratos de Gas Dimensionamiento de Líneas de Trasporte con Flujo Multifásico Guía para los Cálculos de Pérdida de Presión

903-P3100-P09-GUD-048 903-P3100-P09-GUD-050 903-P3100-P09-GUD-052 903-P3100-P09-GUD-054 903-P3100-P09-GUD-063 903-P3100-P09-GUD-067 903-P3100-P09-GUD-069

Automatización y Control (HM160) 903-HM160-I01-GUD-100

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Guía para la Elaboración de Matrices CausaEfecto 5 de 70

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE DESPRESURIZACIÓN 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. 6.

7.

ACRÓNIMOS Y SIGLAS API

American Petroleum Institute

(API) STD

Standard

ASME

American Society of Mechanical Engineers

BDV

Blowdown (Depressurization) Despresurización

MPOP

Máxima Presión de Operación Permisible

PSV

Pressure Safety Valve: Válvula de Seguridad (Alivio) de Presión

RO

Restriction Orifice: Orificio de Restricción

SDV

Shutdown Valve: Válvula del Sistema de Parada

TMDM

Temperatura Mínima de Diseño del Metal

UdD

Unidad de Despresurización (en un simulador comercial)

USC

United States Customary (Units): Unidades de Medición Habituales en los EUA

Valve:

Válvula

de

MEMORIA DE CÁLCULO La memoria de cálculo es realizada según el INEDON “Guía para la Elaboración de la Memoria de Cálculo”, N° 903-P3100-P09-GUD-052.

8.

LECCIONES APRENDIDAS El elaborador de una memoria de cálculo sobre despresurización tiene la obligación de revisar las Lecciones Aprendidas, 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”, No. 903-P3000-A20-ADM-917, establece los pasos a seguir para la identificación, captura, registro en el sistema, etc. de las Lecciones Aprendidas.

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE DESPRESURIZACIÓN El INEDON “Procedimiento para la Identificación, Registro y Aplicación de Lecciones Aprendidas”, No. 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. 9.

DEFINICIONES GENERALES Casquete, Cabezal (Head) Tapa final de un recipiente cilíndrico (Figura 1). La forma más común en la industria es la elipsoidal con una relación de 2:1, la cual es más económica, debido a que la altura del casquete es un cuarto del diámetro. Los casquetes esféricos son usados en recipientes con líquidos volátiles o gases licuados a presión, dichos recipientes son llamados “balas” (bullets). Casquete (cabezal) Línea de tangente, TL Línea de costura (soldadura) Figura 1. Casquete de un recipiente cilíndrico. Chorro de Fuego (Jet Fire) Chorro o escape de gas presurizado, el cual se ha incendiado. Condiciones Actuales (Actual Conditions) Presión y temperatura del fluido a las condiciones de operación (@ P y T). El término aplica a variables volumétricas como el flujo y la densidad. La designación “A” es de uso común en la industria, ej. ACF (Aft3): pie cúbico actual, Am3: metro cúbico actual. Este INEDON usa el término de “condición actual” por ser común y para evitar confusión; aunque la traducción correcta del inglés “actual condition” es “condición real”.

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Condiciones Estándar y Normales (Standard & Normal Conditions) Presión y temperatura base para la especificación del volumen de gas y líquido, los valores típicos son:

Condición Estándar Normal

Presión absoluta

1 atmósfera estándar

Temperatura

[bar]

[psi]

1,01325

14,6959

[°C]

[°F]

15,56

60,00

0,00

32,00

Las designaciones “S” para estándar y “N” para normal son de uso común en la industria, ej. SCF (Sft3): pie cúbico estándar, Nm3: metro cúbico normal. Las condiciones estándar o normales están definidas en las Bases de Diseño del Proyecto. Derrame Incendiado (Pool Fire) Líquido derramado en un área específica, el cual se ha incendiado. Despresurización (Depressurization, Blowdown) Disminución de la presión en una instalación o parte de esa instalación, manual o automática. El término “blowdown” es de uso común en inglés y equivalente con el de “depressurization” o “depressuring”. Falla (Failure) Terminación de la habilidad de un dispositivo o equipo para realizar una función requerida. Línea, Tubería, Cañería, Caño o Ducto (Line, Pipe) Conducto, generalmente circular, para el transporte de fluidos en estado gaseoso, líquido o una mezcla de ambos.

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Matriz de Causa y Efecto (Cause and Effect Matrix) Representación tabular de las estrategias seguridad, protección y/o parada, establecidas en torno a un equipo, unidad, área o planta de proceso, las cuales han sido diseñadas para llevar el proceso a una condición segura, bien sea de operación limitada, inactividad parcial o total, según los requerimientos. Vea el INEDON “Guía para la Elaboración de Matrices Causa-Efecto, No. 903-HM160-I01-GUD-100. Máxima Presión de Operación Permisible, MPOP (Maximum Allowable Working Pressure, MAWP) Es la máxima presión manométrica permisible en el tope de un recipiente (en su posición normal de operación) a la temperatura de diseño correspondiente a esa presión. La presión corresponde al menor valor determinado para la presión externa o interna según las reglas de diseño del recipiente para cada uno de sus elementos, para esto se usa el espesor nominal, excluyendo el espesor adicional del metal para la corrosión permitida y otras cargas diferentes a la presión. La MPOP es la base para la presión de ajuste de los dispositivos de alivio de presión que protegen al recipiente. La MPOP es generalmente mayor a la presión de diseño; pero tiene que ser igual a la presión de diseño cuando las reglas de diseño son usadas únicamente para calcular el espesor mínimo de pared para cada elemento y si los cálculos no son realizados para determinar el valor de la MPOP. Presión de Diseño Es la presión usada, junto con la temperatura de diseño, como base para determinar el espesor mínimo de pared del equipo o tubería. La presión de diseño puede ser menor o igual a la Máxima Presión de Operación Permisible, y puede ser usada como MPOP si esta última no ha sido determinada. Presión de Flujo Crítico (Critical Flow Pressure) Aplica para gas y vapor, corresponde a la presión que se alcanza en la garganta o vena contracta de una restricción de flujo. Depende de la presión absoluta aguas arriba de la restricción y de la relación de las capacidades caloríficas del fluido (k). Para los hidrocarburos gaseosos, oscila entre el 50 % y 58 % de la presión absoluta de entrada. Vea el INEDON “Guía sobre Flujo Crítico para Fluidos Compresibles”, No. 903-P3100-P09-GUD-050. 903-HM120-P09-GUD-071/17/04/2008/AA/

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Presión de Operación (Operating Pressure) Es la presión a la cual el equipo está normalmente en servicio. Prueba de Impacto (Impact Test) La prueba de impacto Charpy es una prueba dinámica en la cual una muestra del metal, provista de una muesca, es golpeada y quebrada por un único golpe de un péndulo en caída libre. La temperatura de prueba del metal es la especificada por el comprador. El resultado de la prueba, exitoso o no, depende de la especificación de prueba para cada metal [4]. Unidades de Medición de Presión El Sistema Internacional (SI) de medición establece que las unidades de presión no llevan la letra “a” para valores absolutos ni “g” para valores manométricos. Actualmente, los estándares estadounidenses también están comenzando a usar el SI, especialmente cuando son estándares idénticos para la Organización Internacional de Estandarización (ISO, por sus siglas en inglés). El SI indica que la palabra “presión” es calificada apropiadamente, ej. presión absoluta de 10 kPa. Sin embargo, este INEDON aun emplea las unidades barg, bara, psia, psig, etc. hasta que el uso del SI esté más generalizado. Unidad de Despresurización (Depressuring Unit / Utility) Unidad operativa usada para cálculos de despresurización. La unidad está disponible en los simuladores comerciales. Sistema de Alivio (Relevo) de Presión (Pressure Relieving System) Arreglo 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 o sin la tubería de salida, en un recipiente o tubería. Un sistema más complejo puede contar con varios dispositivos de alivio conectados a un sistema de recolección y los equipos finales de disposición. Sistema de Despresurización (Depressurization /Blowdown System) Vea la Sección 10 de este INEDON.

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Sistema de Parada (Shutdown System) Sistema que controla las acciones de parada de los equipos o de los procesos en respuesta a una condición de peligro. El INEDON “Guía para la Elaboración de Matrices Causa-Efecto”, No. 903-HM160-I01-GUD-100, describe los siguientes sistemas de parada: 1)

Parada de Emergencia (ESD, por las siglas en inglés de Emergency Shutdown).

2)

Parada de Proceso (PSD, por las siglas en inglés de Process Shutdown).

3)

Parada de Unidad (USD, por las siglas en inglés de Unit Shutdown).

Temperatura Mínima de Diseño del Metal (Minimum Design Metal Temperature, MDMT) Mínima temperatura esperada en servicio para el metal [3], excepto cuando se permiten temperaturas más bajas según la ASME Sec VIII Div 1. La TMDM marcada en la placa de identificación corresponde a una presión coincidente con la MPOP. Basado en lo anterior, la MDMT es la temperatura límite que el material de un recipiente o línea puede soportar a la presión de diseño sin requerir una prueba de impacto. Válvula de Despresurización (Depressurization / Blowdown Valve) Válvula automática, generalmente de cierre y apertura (on/off), actuada por un comando desde el Sistema de Parada para permitir la despresurización de un bloque. Válvula del Sistema de Parada (Shut-down Valve) Válvula automática, generalmente de cierre y apertura (on/off), actuada por un comando desde Sistema de Parada. 10.

SISTEMAS DE DESPRESURIZACIÓN

10.1.

Definición y Usos Los sistemas de despresurización controlada de un recipiente (o sistema de líneas) reducen la presión interna y el esfuerzo en las paredes del recipiente [1]. Los principales usos son:

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10.2.

•

Disminuir la posibilidad de ruptura de un recipiente cuando es sometido a una fuente de calor externa (ej. incendio, chorro de fuego) o una reacción exotérmica sin control.

•

Evitar la adición de combustible a un incendio, si existiese la ruptura del recipiente.

•

Despresurizar una fuente de fuga, lo cual también reduce la duración de un incendio.

•

Permitir la evacuación de un material combustible según el requerimiento del operador.

Despresurización de Emergencia El concepto de despresurización de emergencia, usado en este INEDON, considera los siguientes criterios:

10.3.

A)

Despresurización para proteger un equipo y/o líneas contra un incendio.

B)

Despresurización de un sistema de compresión cuando se origina una parada por falla de los sellos.

C)

Despresurización de materiales inflamables en estado gaseoso o la presencia de gas y líquido.

D)

Despresurización de gases licuados de petróleo (GLP), líquidos de gas natural (LGN) o gas natural licuado (GNL), refrigerados o presurizados. Vea el INEDON “Guía sobre los Contaminantes en el Gas Natural”, No. 903-P3100-P09-GUD-048, para información adicional sobre los gases licuados.

E)

Despresurización de un fluido que puede reaccionar o generar un peligro (ej. gases tóxicos) debido a la pérdida de contenido en el recipiente y originada por una sobrepresión.

Despresurización de Líquido La despresurización de hidrocarburo líquido (crudo o condensado estabilizado) no es, generalmente, requerida por los Clientes, bajo la premisa que el vapor generado por un hidrocarburo líquido durante un incendio, puede ser evacuado por una válvula de alivio de presión. Adicionalmente, la despresurización

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE DESPRESURIZACIÓN reduce la masa del fluido en el recipiente, la cual absorbe parte del calor, esto incrementa la posibilidad de una ruptura del material. 10.4.

Condiciones Requeridas para la Despresurización Las principales condiciones requeridas para una despresurización de emergencia son: A)

El sistema puede ser bloqueado automática o manualmente y puede ser sometido al calor externo de un incendio. Esto considera recipientes y/o líneas, cuyo 10 % de la superficie externa puede estar expuesto a un derrame incendiado o un chorro de fuego.

B)

La presión de operación del sistema es mayor de 17 barg (≈ 250 psig) [1].

Las condiciones requeridas están limitadas a las dos anteriores porque son usadas frecuentemente en la industria; pero existen Clientes que consideran el producto Presión·Volumen de gas para contenido de gas (o gas-líqudio) o una masa específica para contenido de gases licuados, con el objetivo de definir el requerimiento de una despresurización de emergencia. 10.5.

Condiciones Iníciales Las condiciones iníciales de presión y temperatura están segregadas para recipientes y/o líneas y para compresores según el Cuadro 1. Cuadro 1. Condiciones iníciales. Sistema

Presión inicial

Temperatura inicial

Recipientes y/o líneas

Presión de diseño o de ajuste de la válvula de alivio de presión.

Temperatura mínima de operación.

Compresión

Presión de equilibrio.

Temperatura de equilibrio.

Las condiciones para los recipientes dan como resultado la mayor masa inicial posible en el sistema. La presión de equilibrio de un sistema de compresión está descrita en el INEDON “Guía de Diseño para los Sistemas de Alivio de Presión”, No. 903-HM120-P09-GUD-041. El flujo de despresurización para sistemas de compresión es determinado sin calor externo. 903-HM120-P09-GUD-071/17/04/2008/AA/

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10.6.

Condiciones Finales Las condiciones finales para el cálculo de despresurización son: A)

Presión:

El API STD 521 [1] muestra las siguientes opciones para la presión final: a) 50 % de la presión de diseño en 15 min. Este criterio está basado en la relación de la temperatura de pared del recipiente versus el esfuerzo y aplica generalmente para acero al carbono con un espesor de 25,4 mm (1 in) o más. Recipientes con paredes menos gruesas pueden requerir una despresurización más rápida. b) 6,9 barg (100 psig) en 15 min para reducir consecuencias de una fuga en el sistema.

las

El criterio que genere el menor flujo de despresurización es el recomendado [2], esto disminuye el requerimiento para el diseño del sistema de despresurización. B) 10.7.

Temperatura: resultado del cálculo de despresurización.

Válvula de Despresurización y Orificio de Restricción La Figura 2 muestra el arreglo de una despresurización automática, la cual incluye la BDV y un orificio de restricción (RO). El arreglo es mostrado en el INEDON “Guía para la Elaboración de los Diagramas de Tuberías e Instrumentación”, No. 903-P3100-P09-GUD-025. La BDV está siempre cerrada y es activada (abierta) por medio de una señal desde el sistema de parada de emergencia. El RO es el dispositivo que regula el flujo inicial de despresurización, dicho flujo es calculado por medio de la UdD en un programa comercial de simulación. El uso de únicamente la BDV (sin el RO) es evitado. El RO es calculado para garantizar el flujo de despresurización a las condiciones determinadas. Sin embargo, es difícil conseguir una válvula comercial que cumpla con las características deseadas. Si la especificación del Cliente no muestra el requerimiento del RO, el Líder de Procesos realiza la solicitud para la aprobación del Cliente.

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE DESPRESURIZACIÓN FB FULL BORE FO FAIL OPEN TSO TIGHT SHUT-OFF

RO

BDV

Y” x X”

Y”

MIN 600 mm

LO FB

X” FB FO TSO

BAJA TEMP. (SI ES REQUERIDO)

MIN

ALTA PRESIÓN BAJA PRESIÓN

CAMBIO DE ESP. DE ALTA A BAJA PRESIÓN O DE ALTA PRESIÓN Y BAJA TEMP. (SI ES REQUERIDO) A BAJA PRESIÓN

CAMBIO DE ESP. A BAJA TEMP. (SI ES REQUERIDO)

Figura 2. Arreglo de una despresurización automática. 10.8.

Bloque de Despresurización El bloque de despresurización es una sección de la instalación que puede ser sometida a una despresurización. La sección puede estar constituida de equipos y líneas o solo de líneas, y está delimitada por las válvulas del sistema de parada (Figura 3).

BDV 1001

SDV 1001

SDV 1002

SDV 1003

Figura 3. Ejemplo de un bloque de despresurización. 903-HM120-P09-GUD-071/17/04/2008/AA/

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10.9.

Volumen del Bloque de Despresurización El volumen del bloque de despresurización es obtenido de las siguientes referencias: A)

Recipientes, separadores, intercambiadores, etc.: •

Planos mecánicos del fabricante o de la Disciplina de Ing. Mecánica

•

Hojas de datos emitidas por la Disciplina de Ing. Mecánica.

•

Hojas de datos emitidas por la Disciplina de Procesos. El requerimiento de despresurización de columnas o torres es revisado con detenimiento, debido al gran volumen que contienen estos equipos y por ende el flujo de despresurización que puede ser generado.

B)

Líneas: •

Isométricos.

•

Planos de planta. La longitud de las líneas sigue los mismos criterios de margen de seguridad mostrados en el INEDON “Guía para los Cálculos de Pérdida de Presión”, No. 903-P3100-P09-GUD-069.

La disponibilidad y el detalle de las referencias dependen del tipo y avance del Proyecto. 10.10. Zonas de Despresurización Las zonas de despresurización son áreas dentro de una instalación donde los equipos son agrupados por tipo y/o su nivel de riesgo (Figura 4). El uso de las zonas despresurización permite separar diferentes áreas de una instalación, para que las zonas entre sí, no tengan impacto debido a una fuga de gas, una explosión o un incendio. Las zonas pueden contener uno o más bloques de despresurización. Una instalación puede tener una o más zonas de despresurización.

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BDV 1001

BDV 1002

SDV 1002

SDV 1001

Zona 1

SDV 1003

Zona 2

BDV 1003

BDV 1004

SDV 1004

SDV 1005

SDV 1006

Zona 3

Figura 4. Ejemplo de las zonas de despresurización. 10.11. Sistema de Recolección El sistema para la recolección de los flujos de despresurización puede ser independiente o estar conectado al sistema de alivio de presión. El diseño de un sistema común (alivio y despresurización) no considera que las válvulas de alivio (PSV) y las BDV abran al mismo tiempo; por requerimientos de seguridad, las BDV abren primero que las PSV. La activación de las BDV puede ser generada por la detección de fuego, gas u otra condición de riesgo establecida en la Matriz de Causa y Efecto. Consulte a la Disciplina de Automatización y Control y el INEDON “Guía para la Elaboración de Matrices Causa-Efecto”, No. 903-HM120-I01-GUD-100. El diseño del sistema considera si las BDV son activadas:

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A)

Todas al mismo tiempo: flujo total de despresurización.

B)

Desfasadamente (ej. con temporizadores): es importante considerar el tiempo de activación entre las BDV y la permanencia del fluido en el sistema de despresurización. Algunas especificaciones de Clientes no permiten la despresurización con retraso de minutos.

C)

Individualmente o por zonas: flujo parcial de despresurización.

10.12. Cálculo del Calor Absorbido El cálculo de calor absorbido considera: A)

El API STD 521 [1] contiene las ecuaciones necesarias para calcular el calor absorbido por un líquido en un recipiente expuesto a un fuego abierto. Las ecuaciones están incluidas en las UdD de los simuladores comerciales evaluados en este INEDON, vea la Sección 11.

B)

El límite de altura de 7,6 m (25 ft) es considerado para la despresurización de emergencia hasta el nivel normal de operación.

C)

El uso de los elementos pasivos para protección de incendio es considerado, sí: a) El material del aislante funciona efectivamente cuando, por fuego, esté expuesto a temperaturas entre 538 °C (1000 °F) y 1093 °C (2000 °F) en un período de 20 minutos a 1 hora. b) La instalación final asegura que el material aislante no es removido cuando se somete al agua contra incendio.

D)

El cálculo del factor del entorno (F), en la ecuación de calor absorbido, es realizado con la ecuación de la sección 5.15.5.4 del API STD 521 [1]. El uso de los valores en el cuadro de la sección 5.15.2.2.1 está limitado a las características indicadas en las notas de dicho cuadro.

10.13. Efecto de las Variables sobre el Flujo de Despresurización El Cuadro 2 muestra cómo el flujo de despresurización es afectado por las principales variables, con la premisa que las otras variables permanecen iguales.

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Cuadro 2. Efecto de las variables sobre el flujo de despresurización. Flujo de Variable despresurización Tiempo, Presión final Volumen total, Presión inicial, Temperatura inicial Leyenda: Ï Aumento

11.

Ï Ð Ï Ð

Ð Ï Ï Ð

Ð Disminución

PROGRAMAS COMERCIALES DE SIMULACIÓN Los programas comerciales de simulación evaluados en este INEDON son: •

PRO/II® 8.0 de Invensys Systems, Inc.

•

Aspen HYSYS® 2006 de Aspen Technology, Inc.

La recomendación general es utilizar la UdD del simulador con el cual fueron realizadas las simulaciones del proceso; esto permite mantener el mismo sistema de cálculo de propiedades. La información contenida en esta sección es considerada una “breve guía”; no es el objetivo de este INEDON abarcar todos los conocimientos necesarios para el uso de los programas de simulación. El usuario es exhortado a la revisión de los manuales de cada programa, consultar al personal con más experiencia y hacer uso del soporte técnico del licenciatario del programa. Este INEDON no tiene como objetivo demostrar que un programa de simulación es mejor que otro. La única manera de determinar la exactitud de los modelos matemáticos empleados en los programas, es por medio de la comparación de datos medidos en campo versus los resultados obtenidos de los programas. La Figura 5 muestra los datos requeridos y obtenidos de la UdD.

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Dimensiones del recipiente

Presión y temperatura iniciales

Composición del fluido

Presión final en el tiempo requerido de despresurización

Unidad de despresurización

Temperaturas de despresurización

Flujo inicial

Figura 5. Datos requeridos y obtenidos de la UdD. El uso de PRO/II® o Aspen HYSYS® requiere de varias consideraciones especiales, las cuales están en la Sección 11.6. Es necesario conocer el uso de los programas para comprender las consideraciones. Algunas limitaciones mostradas en esta revisión del INEDON, pueden desaparecer en futuras versiones de los programas. Verifique si la limitación aun existe. 11.1.

Datos del Caso de Ejemplo El uso de las UdD en PRO/II® y Aspen HYSYS® es explicado con un ejemplo para un separador bifásico, el cual está ubicado en la entrada de una planta de extracción de líquidos de gas natural. •

Dimensiones del recipiente:

Diámetro (D) = 1,5 m Altura TL/TL (H) = 4 m

•

Tipo de casquetes (cabezales):

Elípticos 2:1

•

Orientación:

Vertical

•

Nivel normal de operación:

1,5 m (desde la línea tangencial inferior)

•

Presión de diseño:

80 barg

•

Mínima temperatura de operación:

−1 °C

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•

Sistema de cálculo de propiedades:

•

Composición de la corriente de entrada: Componente Nitrógeno Dióxido de carbono Metano Etano Propano i-Butano

11.2.

% molar 0,212 4,943 73,988 10,720 5,988 1,034

Peng-Robinson

Componente n-Butano i-Pentano n-Pentano n-Hexano n-Heptano Sulfuro de hidrógeno

% molar 1,907 0,477 0,393 0,291 0,046 0,001

PRO/II® 1)

La UdD en PRO/II® es añadida a través de la paleta con las unidades operativas (Figura 6).

Figura 6. Paleta con la UdD: “Depressure”.

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2)

Ventana inicial (Figura 7):

1

El nombre la UdD puede ser editado por el usuario.

2

Las condiciones iniciales de la despresurización pueden ser el tiempo o la presión. Si se usa el tiempo, el valor es cero y la presión inicial es la misma de la corriente.

3

El usuario coloca el tiempo total de despresurización (0,25 h = 15 min) para obtener la presión final.

1

2

3

Figura 7. Ventana inicial. 3)

1

Ventana “Calculation Options” (Figura 8):

1

Los valores por defecto pueden quedar iguales para el intervalo de tiempo de la tolerancia del volumen. El máximo número de intervalos de tiempo puede ser aumentado para ayudar a la convergencia.

2

Información de la “Ayuda” de PRO/II® “La eficiencia isentrópica es usada en los cálculos de despresurización. Usted puede seleccionar entre el valor por defecto o añadir un valor. Para todos los modelos con suministro de calor (excepto para la despresurización 1 ), el valor por defecto de la

Se considera que la “Ayuda” de PRO/II® se refiere a una despresurización sin calor externo.

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE DESPRESURIZACIÓN eficiencia isentrópica de expansión es cero. El valor por defecto de la eficiencia isentrópica de expansión para una despresurización es 1,0”. 3

El valor calculado por defecto puede permanecer como está. Consulte la “Ayuda” del programa para más información.

4

Por defecto, la simulación se detiene si la presión supera la presión de alivio en un factor de 1,5 o si la presión del recipiente comienza a incrementarse luego de haber caído.

1

2

3 4

Figura 8. Ventana “Calculation Options”. 4)

Ventana “Valve Data” (Figura 9):

1

El modelo recomendado para la válvula (en nuestro caso, el orificio de restricción) es “User Model”.

2

La ecuación del “User Model” incorpora un factor adimensional para revisar la existencia de flujo crítico. La Ec. 1 muestra en detalle la ecuación obtenida del Manual de Referencia de PRO/II® [10].

3

El primer estimado de la contrapresión puede ser 1 atm. Vea también la Sección 11.6 A).

4

El valor del coeficiente de la “válvula de control” es un valor estimado por el usuario, más adelante se describe el uso de un “Controller” para evitar una iteración manual.

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1 2 3 4

Figura 9. Ventana “Valve Data”. W = A ⋅ C f ⋅ Cv ⋅ Y f ⋅ P1 ⋅ ρV

Ec. 1

Donde: W A

flujo a través del orificio [lb/h] constante con las unidades de (peso·volumen/ presión·tiempo2)·1/2. El Cuadro 3 contiene los valores. Cuadro 3. Valores de la constante A en la Ec. 1 [10].

Cf Cv Yf P1 ρ1

Unidades dimensión

Valor de A

USC

38,84

SI

1,6752

Métricas

16,601

factor de flujo crítico [ - ] coeficiente de la “válvula de control” [ - ] factor adimensional para revisar la existencia de flujo crítico [ - ] presión aguas arriba del orificio [psia] densidad del vapor a las condiciones aguas arriba del orificio [lb/ft3]

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Y f = Y − 0,148 ⋅ Y 3

1,63 Y=

Pb 5)

P1 − Pb P1 Cf

Ec. 2

Ec. 3

contrapresión [psia]

Ventana “Print Options” (Figura 10):

1

El usuario puede seleccionar entre obtener los resultados en una unidad de peso o molar (por defecto).

2

Se recomienda activar las opciones para las gráficas de las variables en función del tiempo.

6)

Ventana “Vessel Data” (Figura 11):

1

El usuario define el tipo de geometría del recipiente.

2

Si se usa la altura de líquido, es importante considerar que la misma es medida desde el fondo del casquete. La altura b del casquete (Ec. 4) es sumada a la altura de líquido dentro del límite de 7,6 m (25 ft). Con esta opción, la UdD calcula directamente el área mojada; pero el usuario puede introducir el área mojada en la ventana “Heat Input” (Figura 13). b=

1 D 4 (para casquetes elípticos 2:1)

Ec. 4

3

Los datos del peso del recipiente y el calor específico del metal son usados para cálculos detallados de transferencia de calor con el medio ambiente.

4

El factor de corrección de volumen es usado para aumentar el volumen e incluir las líneas, accesorios, etc., sin afectar el área mojada.

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1

2

Figura 10. Ventana “Print Options”.

1

2

3 2 4

Figura 11. Ventana “Vessel Data”. 7)

Ventana “Makeup” (Figura 12): La opción de “Use Makeup Stream” es utilizada cuando una corriente externa suministra masa en la UdD, lo cual no es requerido en los cálculos de despresurización descritos en este INEDON.

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Figura 12. Ventana “Makeup”. 8) 1

Ventana “Heat Input” (Figura 13): El modelo de flujo de calor es especificado como “API RP 520 Method with Scaling”. Aunque, la designación correcta del American Petroleum Institute es: API STD 521. El modelo “API RP 520 Method with Scaling” varía el volumen de líquido y el calor absorbido en función del tiempo, lo cual es más cercano a la realidad, vea la Ec. 5 [10]. Si se usa el modelo “API RP 520”, el calor absorbido se mantiene constante durante la despresurización.

2

La constante 21000 [1] está basada en un área mojada (CWAREA) en pie cuadrado (ft2) y un calor absorbido (Q) en BTU/h, aunque la ventana muestre otras unidades para la ecuación.

3

El usuario coloca el área mojada para que la UdD calcule el calor absorbido. Q = 21000 ⋅ (CWAREA) 0,82 ⋅

VS Vi

Ec. 5

Donde: Q CWAREA VS Vi

calor absorbido [BTU/h] área mojada [ft2] volumen de despresurización [ft3] en el tiempo = t volumen de despresurización a las condiciones iniciales [ft3]

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1 2 2

3

Figura 13. Ventana “Heat Input”. 9)

Uso del “Controller” (Figura 14 y Figura 15):

Figura 14. Paleta con el “Controller”. 903-HM120-P09-GUD-071/17/04/2008/AA/

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Un “Feedback Controller” es especificado para obtener la presión final por medio de la variación del coeficiente de la “válvula de control”. Esto evita que el usuario itere manualmente. 1

En la sección despresurización.

“Specification”

se

coloca

la

presión

final

de

2

La tolerancia puede ser modificada para obtener un valor de presión final calculado más cercano al deseado; pero si la tolerancia es muy pequeña, puede haber problemas de convergencia.

3

La “Variable” es el coeficiente de la “válvula de control”. Si se usa otra ecuación para calcular el flujo, se coloca la variable correspondiente. El valor definido por el usuario para el coeficiente de la “válvula de control” no es actualizado por el programa en la Ventana “Valve Data”. Después de obtener el resultado (ej. Figura 16), el usuario actualiza el valor requerido.

4

El máximo número de iteraciones puede ser aumentado para lograr el cálculo.

2 1 3 4

Figura 15. Ventana del “Controller”.

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10) Resultados: La Figura 16 es una “Unit Property Table” creada para mostrar los resultados obtenidos de la UdD. Los valores de “Depressure RateCalc” y de “Depressure DutyCalc” corresponden al final de la despresurización. Los valores del volumen total (VessVolumeCalc) y del volumen de líquido (VessHoldupCalc) son muy similares a los obtenidos “a mano”. La variable “Depressure ValveCVCalc” tiene el valor calculado para lograr la presión final especificada. Los resultados en función del tiempo son exportados a MS Excel (Figura 17) a través del comando “Generate Excel Output” en la barra de menú. Sin embargo, las gráficas en función del tiempo aparecen únicamente en el reporte de texto (Figura 18). Es recomendable usar un gráfico editado en una hoja de cálculo (Figura 19) para la memoria de cálculo y que los valores de flujo estén en un eje diferente que los valores de presión y temperatura.

Figura 16. Resultados de la “Unit Property Table”.

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Solution History SIMULATION SCIENCES INC. R PAGE H-1 PROJECT PRO/II VERSION 8.0 ELEC V6.6 PROBLEM CALCULATION HISTORY 01/31/08 =============================================== *** PROBLEM SOLUTION BEGINS FEED FLASH COMPLETE *** DEPRESSURING SUMMARY TIME PRES TEMP ---- VENT RATE ----HR BAR(GA) C KG/HR M3/HR -------- --------- -------- --------- --------0.000 80.000 -1.0 15168.061 123.138 ** MESSAGE ** UNIT 1, 'DP1' - Depressuring begins immediately. Relief pressure calculations are not needed because the specified relief pressure is equal to or less than the feed pressure. 6.3E-03 76.307 -1.6 14722.636 123.972 1.3E-02 72.570 -2.3 13843.667 125.656 1.9E-02 68.708 -3.0 12979.494 127.274 2.5E-02 64.748 -3.7 12121.895 128.840 3.2E-02 60.733 -4.5 11276.896 130.342 3.9E-02 56.687 -5.3 10449.845 131.764 4.6E-02 52.637 -6.1 9644.096 133.096 5.4E-02 48.611 -6.9 8862.882 134.325 6.2E-02 44.633 -7.7 8108.898 135.436 7.0E-02 40.729 -8.5 7384.691 136.414 7.9E-02 36.916 -9.2 6691.881 137.244 8.9E-02 33.221 -9.9 6032.123 137.905 9.9E-02 29.664 -10.5 5407.407 138.377 0.109 26.266 -11.0 4819.114 138.634 0.121 23.049 -11.4 4268.718 138.647 0.134 20.034 -11.7 3757.702 138.384 0.148 17.241 -11.9 3287.542 137.809 0.163 14.690 -11.8 2859.659 136.887 0.180 12.398 -11.6 2475.327 135.587 0.199 10.381 -11.1 2135.717 133.890 0.221 8.644 -10.3 1841.251 131.798 0.245 7.186 -9.2 1591.385 129.349 0.250 6.900 -8.9 1455.236 127.635 UNIT 1 SOLVED - 'DP1 ' CONTROLLER AT ITERATION 1 SPECIFICATION MET ... VARIABLE NOT CHANGED SPECIFICATION VALUE = 6.90000E+00, CALC = 6.89988E+00 UNIT 2 SOLVED - 'CN1 ' *** PROBLEM SOLUTION REACHED *** THIS RUN USED 35.20 PRO/II SIMULATION UNITS *** RUN STATISTICS STARTED 06:21:45 01/31/08 NO ERRORS FINISHED 06:21:46 01/31/08 NO WARNINGS RUN TIMES 1 MESSAGE INTERACTIVE 0 MIN, 0.00 SEC CALCULATIONS 0 MIN, 0.18 SEC TOTAL 0 MIN, 0.18 SEC

Figura 17. Reporte en MS Excel generado por PRO/II®. 903-HM120-P09-GUD-071/17/04/2008/AA/

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Figura 18. Reporte en formato de texto con las curvas de presión y temperatura en función del tiempo. 903-HM120-P09-GUD-071/17/04/2008/AA/

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16000

80

15000 70

14000

Flujo a través del orificio

60

12000 Presión aguas arriba del RO

11000

50

10000

40

9000 8000

30

7000 20

6000 5000

10 Temperatura del vapor aguas arriba del RO

4000 3000

0

2000

Presión [barg] / Temperatura [ C]

Flujo a través del orificio [kg/h]

13000

‐10

1000 ‐20

0 0

200

400 Tiempo [s]

600

800

Figura 19. Datos históricos editados en una hoja de cálculo. 11.3.

Aspen HYSYS® 1)

La UdD en Aspen HYSYS® es añadida abriendo primero la ventana de “Utilities” a través del menú “Tools” (Figura 20). La “Depressuring – Dynamics” es la UdD. La licencia convencional para simulaciones en estado estacionario permite el uso del módulo dinámico de la UdD.

2)

Pestaña “Design/Connections” (Figura 21):

1

El nombre de la UdD puede ser editado por el usuario.

2

La UdD permite añadir una o más corrientes para usar su composición. La corriente tiene como presión y temperatura, la presión y temperatura iniciales de despresurización.

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3

Indique la orientación del recipiente. En el caso de un sistema de líneas, se puede colocar “Horizontal”. La orientación solo afecta el cálculo del área mojada en función del volumen de líquido.

4

Las dimensiones del recipiente se pueden añadir por separado. Si coloca la altura y el diámetro, el programa calcula el volumen cilíndrico sin los casquetes (Flat End Vessel Volume). Es importante que coloque el volumen total de líquido.

5

El programa calcula el área de transferencia de calor para la sección cilíndrica y las áreas circulares para las tapas del cilindro (Top Head Area y Bottom Head Area). El usuario puede colocar el área real de los casquetes para cálculos detallados de transferencia de calor; pero esas áreas no son usadas por la UdD para determinar el área mojada.

6

Los factores de corrección, del metal en contacto con las fases, son usados en cálculos detallados de transferencia de calor.

Figura 20. Menú “Tools/Utilities” y ventana “Utilities”.

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1 2 3 4

5

6

Figura 21. Pestaña “Design/Connections”. 3)

Pestaña “Design/Config(uration) Strip Charts” (Figura 22):

1

El programa crea por defecto un gráfico con todas las variables activadas.

2

El intervalo de tiempo, para el reporte de las variables, es el mismo al usado para el cálculo.

3

El usuario tiene la opción de crear un gráfico, en el cual puede seleccionar una cantidad reducida de variables y especificar el intervalo de tiempo. Esta opción es usada para minimizar la cantidad de información que es luego enviada a una hoja de cálculo. Las variables más importantes son:

2

•

Vapour @TPL1 2 – Temperature: Temperatura del vapor aguas arriba del RO.

•

Vapour @TPL1 – Pressure: Presión del vapor aguas arriba del RO.

TPL (template) es la designación por defecto para las “sub-flowsheets”.

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•

Vapour @TPL1 – Actual Gas Flow: Flujo volumétrico actual de gas aguas arriba del RO. Esta variable es añadida por el usuario a través del botón “Add Variable…” (Figura 23).

•

Vapour @TPL1 – Actual Liquid Flow: Flujo volumétrico actual de líquido aguas arriba del RO. Esta variable es añadida por el usuario a través del botón “Add Variable…” (Figura 23).

•

VapourOut @TPL1 – Temperature: Temperatura del vapor aguas abajo del RO.

•

VapourOut @TPL1 – Mass Flow: Flujo de despresurización.

•

VapourOut @TPL1 – Actual Gas Flow: Flujo volumétrico actual de gas aguas abajo del RO. Esta variable es añadida por el usuario a través del botón “Add Variable…” (Figura 23).

•

VapourOut @TPL1 – Actual Liquid Flow: Flujo volumétrico actual de líquido aguas abajo del RO. Esta variable es añadida por el usuario a través del botón “Add Variable…” (Figura 23).

•

Vessel @TPL1 – Tank Wetted Area: Área mojada del recipiente. Esta variable es añadida por el usuario a través del botón “Add Variable…” (Figura 23).

•

Duty @TPL1 – B12: Calor absorbido calculado con el área mojada. El cálculo se realiza en la celda B12 de la “Spreadsheet” dentro la “SubFlowsheet” de la UdD (Figura 24).

Análisis más detallados requieren variables adicionales.

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1

2

3

Figura 22. Pestaña “Design/Config. Strip Charts”.

Figura 23. Ventana para la selección de las variables adicionales en un gráfico añadido por el usuario.

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Figura 24. “Sub-Flowsheet” de la UdD. La “Spreadsheet” “Duty” contiene el cálculo de calor absorbido. 4)

Pestaña “Design/Heat Flux” (Figura 25):

1

El “Operating Mode” es seleccionado como “Fire API521”

2

La UdD contiene por defecto el valor de 21000 para la constante C1, el valor es usado en la ecuación de calor absorbido en unidades inglesas; 0,82 para la constante C2.

3

La celda “Initial Wetted Area” está deshabilitada desde la versión 2004 para permitir la compatibilidad con versiones anteriores [11]. El área mojada es calculada con el área ocupada por el líquido, la cual es a su vez es calculada en el “Vessel” de la “Sub-Flowsheet” [5] de la UdD (Figura 24). Aspen HYSYS® no considera los casquetes en el cálculo del área mojada. El ANEXO 1 contiene el enlace a una hoja de cálculo para determinar el área mojada, el calor absorbido y la corrección necesaria (constante C3) para recipientes verticales y horizontales.

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El valor calculado del área mojada puede ser verificado con la variable “Vessel @TPL1 – Tank Wetted Area” (Figura 26). Los valores del diámetro y de la altura no son modificados para aumentar el área mojada, porque modifican el volumen de gas. La corrección del calor absorbido es realizada con la constante C3 (Figura 27). La Figura 28 muestra el calor absorbido corregido (en kW) con un valor de C3 = 1,155. Vea el ANEXO 1. 4

Los cálculos (generalmente) no consideran la pérdida ni ganancia de calor con el medio ambiente. Antes de realizar la verificación del área mojada y del calor absorbido, se completan los siguientes pasos para obtener los valores iniciales.

1 2 3 4

Figura 25. Pestaña “Design/Heat Flux”.

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Figura 26. Datos históricos de la “Strip Chart”, donde se observa los valores iniciales del área mojada y del calor absorbido, con la constante C3 = 1.

Figura 27. C3 = 1,155 para corrección del calor absorbido.

Figura 28. Datos históricos de la “Strip Chart”, donde se observan el valor corregido para el calor absorbido con la constante C3 = 1,155. 5) 1

Pestaña “Design/Valve Parameters” (Figura 29): El valor de 1 atm origina la menor temperatura posible aguas abajo del RO, esto origina un cálculo conservador. El valor especificado de contrapresión no puede ser mayor que la presión final necesaria del fluido, cuando la opción de cálculo es que el programa

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE DESPRESURIZACIÓN determine el área requerida para el orificio con una presión final definida (Figura 32). Si se selecciona la opción que el programa calcule la presión final con un área definida, la presión resultante es igual a la contrapresión (si el tiempo es lo suficientemente largo). 2

La ecuación “General” es la recomendada para una despresurización con un orificio de restricción. Por medio del botón “Valve Equation Help…” se abre una ventana con información de la ecuación (Figura 30), la cual es mostrada en la Ec. 6, incluyendo la constante dimensional. La segunda parte de la Ec. 6 proviene del Perry’s [9] y es usada en la especificación de algunos Clientes.

3

El coeficiente de descarga es una función de la geometría del orificio y el No. de Reynolds (principalmente). Para un diseño nuevo, se recomienda un rango de 0,75 a 0,84 para flujo crítico [9]. En la evaluación de un orificio existente, el valor del coeficiente de descarga es suministrado en la hoja de datos del fabricante. Para el área interna de la válvula (en nuestro caso un orificio de restricción), se coloca un estimado.

4

La UdD no considera salida de líquido simultáneamente con la despresurización del gas, por tal motivo se indica “No Flow” en la ecuación del líquido. k +1

k +1

⎛ P ⎞ ⎛ 2 ⎞ k −1 ⎛ 2 ⎞ 2(k −1) ⋅ P1 ⋅ ρ1 ⋅ k ⋅ g C = C D ⋅ A ⋅ g C ⋅ k ⋅ ⎜⎜ 1 ⎟⎟ ⋅ ⎜ W = CD ⋅ A ⋅ ⎜ ⎟ ⎟ ⎝ k + 1⎠ ⎝ v1 ⎠ ⎝ k + 1⎠

Ec. 6

Donde: W CD A k P1 ρ1 gC v1

flujo a través del orificio [kg/s] coeficiente de descarga [ - ] área del orificio [m2] relación de los calores específicos (= CP/CV) [ - ] presión aguas arriba del orificio [Pa] densidad del fluido a las condiciones aguas arriba del orificio [kg/m3] constante dimensional: 1,0 (kg·m)/(N·s2) volumen específico [m3/kg]

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2 4

Figura 29. Pestaña “Design/Valve Parameters”.

Figura 30. Ventana “Depressuring Valve Equation Help”. 903-HM120-P09-GUD-071/17/04/2008/AA/

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6)

Pestaña “Design/Options” (Figura 31): El valor del término de contribución de trabajo P·V es dejado en 0 % (valor por defecto). El rango de valor indicado en la pestaña es usado para “ajustar” los resultados de la UdD con valores medidos. Vea el ANEXO 2 para más información.

Figura 31. Pestaña “Design/Options”. 7)

Pestaña “Design/Operating Conditions” (Figura 32):

1

La presión de operación de esta pestaña corresponde a la presión inicial de la despresurización, el valor ya está incluido en la corriente que alimenta la UdD.

2

El tamaño de los intervalos de tiempo es lo más pequeño posible. Si existe un problema de convergencia, es recomendable aumentar el tamaño (ej. 5 s) y luego disminuir gradualmente hasta el mínimo valor que permite la convergencia.

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3

El tiempo de despresurización está reportado en horas:minutos:segundos. Verifique la unidad si el cambia el valor por defecto de 15 min.

4

La opción de calcular el área del orificio permite que el usuario coloque un valor inicial estimado del área, el valor deseado de presión final, para que el programa itere con el área hasta lograr la presión final deseada. Si el valor inicial del área es muy diferente al requerido, puede presentarse un problema de convergencia; en este caso, use valores menores o mayores para ayudar al programa.

5

La opción de calcular la presión final usa un valor fijo de área. Esta opción es usada para la evaluación de orificios de restricción existentes.

6

Cuando el programa completa el cálculo, el área inicial estimada pasa a ser el área interna requerida en el orificio de restricción. Este valor es solo un preliminar, el valor real es calculado por el fabricante del orificio o la Disciplina de Automatización y Control.

7

El máximo tamaño del intervalo del área (en %) es usado para la iteración. El valor por defecto de 5 % es aceptable. Mientras menor es el valor, más tiempo tarda la UdD en obtener la presión final deseada.

8

La tolerancia de presión es la diferencia permitida entre la presión final colocada por el usuario y la calculada. Mientras mayor es el valor, mayor es la diferencia; pero con valores más bajos, la UdD requiere más tiempo en lograr el resultado. El valor de 1·10−2 es recomendado.

9

Aumente el número de iteraciones para permitir que el programa tenga más tiempo de cálculo.

10

La presión final es definida por el usuario.

11

Al oprimir el botón “Run”, comienza el cálculo.

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1 2 3

4

5 6 7 9

8 10

11

Figura 32. Pestaña “Design/Operating Conditions. 8)

Pestaña “Worksheet”: Esa pestaña no es descrita en este INEDON.

9)

Pestaña “Performance/Summary” (Figura 33):

1

Las temperaturas del vapor “en el recipiente” corresponden a los valores aguas arriba del RO. Dependiendo de las condiciones de la despresurización, la mínima temperatura puede estar entre el comienzo y el final.

2

Las temperaturas en la salida de la válvula corresponden a los valores aguas abajo del RO.

3

La UdD reporta la masa inicial y final del vapor y del líquido. Si las condiciones de la despresurización originan que la masa llegue a cero, es probable que exista un problema de convergencia.

4

El flujo “pico” corresponde al flujo inicial de despresurización; es decir, cuando se abre la BDV. La UdD reporta el valor en la “Strip Chart” para el

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE DESPRESURIZACIÓN primer intervalo de tiempo según lo especificado por el usuario, no para el instante cero.

1

2

3 4

Figura 33. Pestaña “Performance/Summary”. 10) Pestaña “Performance/ Strip Charts” (Figura 34): 1

La creación de una gráfica permite definir los intervalos de tiempo para el reporte de los valores. En este ejemplo, son reportados cada 5 s. Si usa la gráfica por defecto, el intervalo de tiempo es el mismo usado en el cálculo; si el valor es de 0,5 s, se obtienen muchos valores, esto dificulta la edición en una hoja de cálculo.

2

La UdD puede mostrar los resultados gráficos en función del tiempo (Figura 35); pero la ventana no es recomendada para uso en una memoria de cálculo debido a la dificultad para ver los valores.

3

Las columnas de los datos históricos (Figura 36) pueden ser seleccionadas desde el encabezado y copiadas a una hoja de cálculo para su edición e incorporación en una memoria de cálculo (Figura 37). Es recomendable que los valores de flujo estén en un eje diferente que los valores de presión y temperatura.

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1

2 3

Figura 34. Pestaña “Performance/Strip Charts”.

Figura 35. “Strip Chart” con los resultados en función del tiempo. 903-HM120-P09-GUD-071/17/04/2008/AA/

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Figura 36. Datos históricos (sección). 13000

160

12000

140 120 Flujo a través del RO

100

10000

80

9000 Presión aguas arriba del RO

8000

60 40

7000

20 6000

0

5000

‐20

4000 Temperatura del vapor aguas arriba del RO

3000 2000

‐40 ‐60 ‐80

Temperatura del vapor aguas abajo del RO

1000

Presión [barg] / Temperatura [ C]

Flujo a través del orificio [kg/h]

11000

°

‐100

0

‐120 0

200

400 Tiempo [s]

600

800

Figura 37. Datos históricos editados en una hoja de cálculo. 903-HM120-P09-GUD-071/17/04/2008/AA/

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11) Resultados: Un resumen impreso de los resultados se obtiene con la “DataSheet” de la UdD (Figura 38 y Figura 39).

Figura 38. “Print DataSheet” seleccionado con “Performance/Results”.

Figura 39. Sección “Performance/Results” del reporte de la UdD. 11.4.

Comparación de los Programas Comerciales El Cuadro 4 muestra una comparación de resultados para las variables más significativas. El flujo inicial de PRO/II® es 20 % mayor que en Aspen HYSYS®. La diferencia puede ser mayor o menor para un sistema con diferente fluido, geometría, condiciones iniciales, etc.

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La diferencia en los resultados puede ser debida a: A)

Los métodos termodinámicos. Aunque ambos programas fueron especificados con Peng-Robinson, estos contienen correcciones realizadas por los licenciatarios.

B)

El cálculo del volumen total, de líquido, etc.

C)

Las ecuaciones usadas en el cálculo del flujo de despresurización.

La recomendación general sigue siendo: el uso de la unidad de despresurización en el programa donde está desarrollada la simulación del proceso. Cuadro 4. Comparación de los resultados. Variable

PRO/II®

Aspen HYSYS®

[kg/h]

15168

12584

Temperatura inicial del vapor

[°C]

−1,0

−1,00

Temperatura final del vapor

[°C]

−8,9

−11,44

Mínima temperatura del vapor

[°C]

−11,9

−12,03

Temperatura inicial del vapor

[°C]

(*)

−72,52

Temperatura final del vapor

[°C]

(*)

−19,39

Mínima temperatura del vapor

[°C]

(*)

−72,52

Flujo inicial de despresurización Aguas arriba del RO

Aguas abajo del RO

Nota: (*) PRO/II® no reporta las condiciones aguas abajo.

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE DESPRESURIZACIÓN 16000 15000 14000

Flujo a través del orificio [kg/h]

13000 12000

PRO/II®

11000 10000 9000

AspenHYSYS®

8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

800

900

Tiempo [s]

Figura 40. Comparación del flujo de despresurización. 85 80 75

Presión aguas arriba del orificio [barg]

70 65 60 55 50 45 40

AspenHYSYS®

35 30 25

PRO/II®

20 15 10 5 0 0

100

200

300

400

500

600

700

Tiempo [s]

Figura 41. Comparación de la presión aguas arriba del RO. 903-HM120-P09-GUD-071/17/04/2008/AA/

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Temperatura aguas arriba del orificio [ C]

0

°

‐1 ‐2 ‐3 ‐4 ‐5 ‐6 ‐7 ‐8

AspenHYSYS®

‐9 ‐10 ‐11

PRO/II®

‐12 ‐13 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Tiempo [s]

Figura 42. Comparación de la temperatura aguas arriba del RO. 11.5.

Resumen de los Modelos El Cuadro 5 muestra un resumen de los modelos de cálculo recomendados para las UdD de PRO/II® y Aspen HYSYS® sin consideración de la transferencia de calor con el medio ambiente. Cuadro 5. Modelos de cálculo. Programa

Con calor externo

Sin calor externo

Ecuación para el flujo de despresurización

PRO/II®

API RP 520 Method with Scaling

Isothermal

User Model

Aspen HYSYS®

Fire API521

Adiabatic

General

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE DESPRESURIZACIÓN 11.6.

Consideraciones para los Programas Los siguientes aspectos son considerados por el usuario para la utilización de los programas. En las Secciones 11.2 y 11.3 se explica en detalle el uso de las UdD. A)

Contrapresión: La UdD no permite una variación de la contrapresión en función del tiempo. El primer estimado de la contrapresión puede ser 1 atm. Luego de obtener el flujo inicial de despresurización, se puede ajustar la contrapresión según los resultados de un cálculo de pérdida de presión, esto es importante si el flujo es subcrítico. El valor de 1 atm origina la menor temperatura posible aguas abajo del RO, algunos Clientes solicitan esto en sus especificaciones, lo que significa un cálculo conservador. El valor especificado de contrapresión no puede ser mayor que la presión final aguas arriba del RO.

B)

Volumen de líquido vs. área mojada: Ambos programas tienen la siguiente deficiencia: si se define un volumen de líquido, el área mojada es calculada con el correspondiente nivel de líquido, el cual puede estar por debajo del límite de 7,6 m (25 ft) para un fuego externo [1]. En cuanto a PRO/II®, el usuario puede colocar el valor del área mojada, pero el programa calcula el volumen de líquido. La Figura 43 muestra la diferencia cuando el límite de 7,6 m (25 ft) está encima o debajo del nivel de líquido: a)

El nivel de líquido corresponde al nivel debajo de 7,6 m (25 ft). Todo el volumen y por ende la masa de líquido es considerada en el cálculo de despresurización.

b)

El nivel de líquido está encima de 7,6 m (25 ft). Si se usa el valor de N25 para calcular el volumen de líquido, una fracción de este no estaría en el cálculo de despresurización. La masa de líquido afecta tanto el flujo de despresurización como la temperatura del fluido.

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En este caso es necesario realizar correcciones para el cálculo del calor absorbido; pero manteniendo el volumen total de líquido. El Cuadro 6 muestras las correcciones recomendadas en el área mojada. Las dimensiones del recipiente (diámetro, altura o longitud) no son modificadas para reproducir el área mojada, porque cambia el volumen de gas en la UdD.

N25

7,6 m (25 ft)

N25 7,6 m (25 ft)

a)

b)

Figura 43. Niveles de líquido para el cálculo del área mojada vs. volumen total de líquido. Cuadro 6. Corrección recomendada del área mojada. Programa

Ventana en la UdD

Variable

Figura en este INEDON

PRO/II®

Heat Input

Area Scaling Factor

Figura 13

Design/Heat Flux

Heat Flux Parameters: C3

Figura 25

Aspen HYSYS®

C)

Constante en la ecuación para cálculo del calor absorbido: Ambos programas tienen por defecto el valor de 21000 (unidades USC) para la constante en la ecuación de calor absorbido. El API STD 521 [1] indica que ese valor es usado cuando existe un sistema apropiado de

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE DESPRESURIZACIÓN drenaje en las instalaciones. La constante es 34500 (unidades USC) cuando no existe drenaje apropiado ni equipo de combate de incendio. En este caso, el usuario selecciona un modelo de cálculo que permite colocar el valor de la constante o corregir el cálculo del calor absorbido. D)

Problemas de convergencia: El uso de la UdD de PRO/II® (Figura 44) y Aspen HYSYS® (Figura 45) puede tener problemas de convergencia.

Figura 44. El color rojo indica que no se alcanzó una solución en la unidades de PRO/II®.

Figura 45. Ventana de mensaje indicando un problema de convergencia en Aspen HYSYS®. A continuación, algunas recomendaciones: •

Ante todo, verifique que los valores suministrados son correctos.

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE DESPRESURIZACIÓN •

Un coeficiente de la “válvula de control” (en PRO/II®) o área estimada inicial (en Aspen HYSYS®) muy alejada del valor requerido dificulta la convergencia. Recomendación: aumente o disminuya el valor estimado.

•

El agua, como componente de la corriente, puede dificultar el cálculo. Recomendación: 1)

Copie la corriente y elimine el agua de la composición total.

2)

Use la corriente sin agua como alimentación a la UdD y realice el cálculo para obtener un estimado del coeficiente de la “válvula de control” (en PRO/II®) o del área del orificio (en Aspen HYSYS®).

3)

Copie la composición original (con agua) a la corriente de alimentación de la UdD. No cambie la corriente de alimentación en la UdD.

4)

Con el valor estimado de área sin agua, ejecute de nuevo la UdD.

•

El ejemplo anterior con el agua, también puede ser requerido para otros componentes, por ejemplo CO2 y H2S en altas cantidades.

•

Valores iniciales muy altos de presión (ej. > 100 barg) y/o muy bajos de temperatura (ej. < 0 °C) pueden dificultar la convergencia, especialmente cuando la temperatura del fluido desciende bruscamente. Si las condiciones iniciales son las correctas, estas no se pueden evitar.

•

Si la masa del fluido (el gas o el líquido) llega a cero, puede haber un problema de convergencia.

•

Aspen HYSYS®: coloque un intervalo de tiempo de 5 s para obtener el área del orificio, luego disminuya gradualmente el valor hasta el mínimo posible para lograr la convergencia. Use el modo de cálculo de presión e itere manualmente con el coeficiente de la “válvula de control” (en PRO/II®) o el área (en Aspen HYSYS®) para obtener la presión final deseada.

•

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E)

El modelo vs la realidad: Las ecuaciones mostradas en el API STD 521 [1] son una simplificación de la realidad, aunque aceptadas en la industria. Sin embargo, el modelo de una despresurización con calor externo es mucho más complejo, esto puede ser observado en las otras opciones disponibles en los programas comerciales de simulación. Un modelo completo de despresurización con calor externo tendría que considerar los siguientes aspectos (todos al mismo tiempo) [12]: •

Métodos rigurosos multicomponentes.

•

Modelos del fuego con emisividad, absorptividad, temperatura del fuego, convección, flujo inicial, duración y tamaño.

•

Datos del recipiente y las secciones de líneas con propiedades del material, resistencia a la tracción, capacidad calorífica, conductividad y todas las propiedades dependientes de la temperatura.

•

Coeficientes de transferencia de calor para la ebullición, radiación, convección y conducción.

•

Transferencia de masa entre las fases del fluido para la ebullición y la condensación.

•

Mecánica del fluido considerando los cálculos de patrones de flujo para los cálculos de transferencia de calor y pérdida de presión.

•

Modelos del recipiente y de las secciones de líneas con la geometría detallada: volumen, áreas externas e internas de transferencia de calor, peso, espesor de pared, volúmenes de líquido y gas.

•

Aislamiento térmico con espesor y propiedades de transferencia de calor.

para

la

termodinámica

de

fluidos

De los datos requeridos anteriormente, los relacionados con el fuego son los más difíciles de obtener para un fuego especifico.

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12.

DESPRESURIZACIÓN SIN FUENTE DE CALOR EXTERNO La principal diferencia, entre una despresurización con y sin fuente de calor externo, es el modelo de cálculo empleado. Los resultados de flujo de despresurización y las temperaturas aguas arriba y aguas abajo del orificio de restricción son diferentes debido a la falta de suministro de calor. El flujo inicial con calor externo es mayor en la Figura 46 debido al aumento de temperatura del fluido. La Figura 47 muestra que la disminución de la temperatura aguas arriba del RO tiene una pendiente constante para la despresurización adiabática; mientras que en el caso con calor externo, la temperatura disminuye y aumenta, esto último debido a que hay menos masa en el sistema; pero sigue fluyendo el calor hacia éste. La temperatura aguas abajo del RO aumenta en ambos casos debido a que disminuye la presión aguas arriba, lo cual reduce el efecto de enfriamiento en la expansión isentálpica, aun cuando la temperatura aguas arriba disminuya. 14000 13000

Flujo a través del orificio [kg/h]

12000 11000 10000 Con calor externo

9000 8000 7000 6000 5000 4000

Sin calor externo

3000 2000 1000 0 0

100

200

300

400 500 Tiempo [s]

600

700

800

900

Figura 46. Comparación del flujo de despresurización con y sin fuente de calor externa. 903-HM120-P09-GUD-071/17/04/2008/AA/

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Temperatura del vapor aguas arriba del RO [ C]

0 ‐5

Con calor externo

°

‐10 ‐15 ‐20

Sin calor externo

‐25 ‐30 ‐35 ‐40 ‐45 ‐50 0

100

200

300

400 500 Tiempo [s]

600

700

800

900

Figura 47. Temperatura aguas arriba del orificio con y sin fuente de calor externa.

Temperatura del vapor aguas arriba del RO [ C]

0

°

‐10 ‐20 Con calor externo

‐30 ‐40 Sin calor externo

‐50 ‐60 ‐70 ‐80 0

100

200

300

400 500 Tiempo [s]

600

700

800

900

Figura 48. Temperatura aguas abajo del orificio con y sin fuente de calor externa. 903-HM120-P09-GUD-071/17/04/2008/AA/

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE DESPRESURIZACIÓN 13.

DIMENSIONAMIENTO DEL ORIFICIO DE RESTRICCIÓN Y DE LAS LÍNEAS Los datos del RO corresponden a las condiciones iniciales de despresurización aguas arriba: flujo, presión, temperatura y las consecuentes propiedades termodinámicas y de transporte. El dimensionamiento de las líneas requiere evaluar cómo evoluciona el flujo volumétrico actual aguas arriba y aguas abajo del RO. La Figura 49 muestra las curvas de los flujos másico total y volumétrico actual aguas arriba del RO. En la figura se observa que el flujo volumétrico actual aumenta en función del tiempo; para evitar un sub-dimensionamiento de la línea aguas arriba del RO, dicha línea es dimensionada con ese valor máximo y las correspondientes propiedades termodinámicas y de transporte.

13000 118

Flujo másico total

12000 11000

116

Flujo másico [kg/h]

10000 Flujo volumétrico actual de gas

9000

114

8000

112

7000 110

6000 5000

108

4000 106

3000 2000

104

1000 0

Flujo volumétrico a condiciones actuales [m3/h]

120

14000

102 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Tiempo [s]

Figura 49. Flujos aguas arriba del RO. La Figura 50 muestra un caso crítico para el flujo aguas abajo del RO: al comienzo solo existe líquido (en este ejemplo menor a 1 Am3/h); pero después, las condiciones de presión y temperatura originan solo gas con un flujo máximo, el cual es usado para dimensionar la línea aguas abajo del RO.

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En el caso de PRO/II®, el reporte de la Figura 17 muestra el flujo volumétrico actual aguas arriba; pero el flujo máximo aguas abajo tiene que ser determinado manualmente. Aspen HYSYS® puede reportar los flujos volumétricos actuales aguas arriba y aguas abajo, vea la Sección 11.3 3).

14000

7000

13000

6500 6000

12000 Flujo másico total

11000

5500 Flujo volumétrico actual de gas

Flujo másico [kg/h]

10000

5000

9000

4500

8000

4000

7000

3500

6000

3000

5000

2500

4000

2000

3000

1500 1000

2000 Flujo volúmetrico actual de líquido < 1 Am3/h

1000

500

Flujos volumétricos a condiciones actuales [m3/h]

El RO no es especificado con el flujo máximo volumétrico actual de gas aguas arriba; esto originaría que el orificio fuese mayor de lo requerido y por ende, un nuevo flujo máximo volumétrico. El flujo inicial con sus condiciones es el que permite la despresurización a la presión final especificada en el tiempo requerido.

0

0 0

100

200

300

400 500 Tiempo [s]

600

700

800

900

Figura 50. Flujos aguas abajo del RO. 14.

CONSIDERACIONES ESPECIALES

14.1.

Despresurización Hasta la Presión Atmosférica La despresurización hasta la presión atmosférica es solicitada por algunos Clientes para determinar la mínima temperatura posible del fluido, aguas arriba y aguas abajo del RO.

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La evaluación es realizada con la constante de la “válvula de control” (en PRO/II®) o el área (en Aspen HYSYS®) previamente dimensionada, el tiempo de la despresurización se aumenta hasta alcanzar la presión atmosférica. Es importante evitar que la presión llegue a un valor de vacío, incluso de pocas cifras decimales.

13000

160

12000

140

11000

120

10000

100

Flujo a través del orificio

80

9000

°

60

8000 Presión aguas arriba del RO

40

7000

20 6000

0

5000

‐20

4000

Temperatura del vapor aguas arriba del RO

3000

‐40 ‐60

Temperatura del vapor aguas abajo del RO

2000

‐80

1000

Presión [barg] / Temperatura [ C]

Flujo a través del orificio [kg/h]

La Figura 51 muestra las variables hasta 2700 s (45 min), tiempo requerido para alcanzar la presión atmosférica en este ejemplo.

‐100

0

‐120 0

500

1000

1500

2000

2500

Tiempo [s]

Figura 51. Resultados hasta la presión atmosférica. 14.2.

Riesgo de Formación de Hidratos La despresurización de un fluido puede originar que el recorrido de las condiciones de presión y temperatura llegue a la región de formación de hidratos (Figura 52), tanto en las condiciones aguas arriba como aguas abajo del RO.

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Los hidratos pueden causar una obstrucción del RO, aun cuando la velocidad del fluido es muy alta en el orificio. Debido a que la BDV es activada por una señal del sistema de parada de emergencia, no es posible determinar cuándo se abrirá. Si el riesgo de formación de hidratos es extremo, se recomienda colocar conexiones para inyección de inhibidor de formación de hidratos aguas arriba de la BDV. La conexión puede ser una válvula de bloqueo de ¾” o el mínimo tamaño permitido en la especificación de materiales de la línea. El riesgo de formación de hidratos es detallado en el INEDON “Lineamientos para la Evaluación de los Hidratos de Gas”, No. 903-P3100-P09-GUD-063. 110 100 90

Presión [barg]

80 70 60

Despresurización

50 40 30 20

Hidratos

10 0 ‐25

‐20

‐15

‐10

‐5

0 5 10 Temperatura [°C]

15

20

25

30

Figura 52. Curvas P-T de despresurización y de formación de hidratos. La flecha indica el sentido de la despresurización. 14.3.

Recomendaciones para la Selección de los Materiales para Baja Temperatura La selección de los materiales para baja temperatura es crítica en muchos de los escenarios de despresurización debido a la baja temperatura que puede alcanzar el fluido.

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE DESPRESURIZACIÓN El INEDON ha estado limitado a las condiciones aguas arriba y aguas abajo del RO; pero también es importante considerar el efecto sobre el recipiente o los equipos. La principal información que la Disciplina de Procesos considera al momento de seleccionar un material, en función de los resultados de la UdD, es: La temperatura reportada en los programas de simulación es la del gas, el metal de las líneas o de un recipiente puede tener una temperatura mayor, la cual depende de la temperatura del fluido, la velocidad del fluido, el tiempo de despresurización, el material, etc. 14.3.1. Severidad de la Exposición del Metal La especificación de la temperatura mínima de diseño igual a la temperatura del fluido, durante una despresurización, puede ser muy conservadora. La severidad de la exposición del metal a un fluido con baja temperatura depende de los siguientes factores [8]: 1.

El estado del fluido dentro del recipiente y en las líneas: líquido o gas. La transferencia de calor (entre el fluido frío y el metal) es más rápida para un líquido que para un gas.

2.

La presión de fluido: mientras más alta la presión, mayor es la posibilidad de una fractura del metal.

3.

La temperatura del fluido: mientras más fría la temperatura, mayor es el riesgo de una fractura del metal.

4.

La metalurgia y el espesor del metal: mientras mayor es el espesor del metal, mayor es el riesgo de una fractura.

14.3.2. Servicios con Líquido Frío Los fluidos en estado líquido tienen mayor coeficiente de transferencia de calor, en estos casos es razonable igualar la temperatura del metal con la temperatura del líquido. Sin embargo, se puede otorgar crédito a la temperatura mínima de diseño del metal (TMDM) a bajas presiones. 14.3.3. Servicios con Gas Frío A diferencia del líquido, el coeficiente de transferencia de calor de película de un gas es muy bajo. Debido a esto, es ilógico igualar la TMDM con la 903-HM120-P09-GUD-071/17/04/2008/AA/

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE DESPRESURIZACIÓN temperatura el gas frío; a excepción cuando el recipiente está aislado y el servicio de frío es de larga duración o continúo. 14.3.4. Transferencia de Calor entre el Fluido y el Metal La transferencia de calor entre el fluido y el metal determina la temperatura real que tendrá este último durante una despresurización y la selección del material. Esta revisión del INEDON no suministra detalles ni ecuaciones sobre el tema, el usuario es exhortado a revisar la bibliografía especializada y las siguientes publicaciones que resumen el tema: 5.

Kumar, S. Material Selection for Hydrocarbon Processing, July 2004.

6.

Montgomery, G. How to Predict Temperatures during Gas Depressuring. Hydrocarbon Processing, April 1995.

Low-Temperature

Applications.

A continuación, un resumen del ejemplo mostrado en la Ref. [8]: la temperatura mínima del gas es −130 °C (−200 °F). El cálculo de transferencia de calor entre el fluido y el metal da como resultado que la mínima temperatura que puede alcanzar el metal es −57 °C (−70 °F) a un presión cercana la atmosférica. Si la temperatura de −130 °C (−200 °F) fuese usada para seleccionar el material, este sería un tipo de acero inoxidable; pero la temperatura calculada permite el uso de un acero al carbono (ej. SA 106). 14.3.5. Servicios a Baja Presión La interpretación del ASME VIII-1-89-268 indica lo siguiente: Pregunta: ¿Es permitido diseñar un recipiente para operaciones menores que la Temperatura Mínima de Diseño del Metal (TMDM) colocada en la placa de identificación, si la reducción de la TMDM para el coincidente esfuerzo de tensión de diseño resulta en una temperatura que no es más fría que la permitida en la Fig. UCS-66.1 (de la Ref. [3])? Respuesta: Sí. La interpretación indica que un recipiente puede ser operado de manera segura [6], por debajo de su TMDM, si la relación primaria de esfuerzo extensible y la coincidente temperatura permanecen entre los límites de la Fig. 21.20 (en la Ref. [3]).

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Un ejemplo práctico se obtuvo de los Proyectos para una planta separadora de propano y propileno: PROFALCA 3 . Uno de los recipientes contiene una mezcla licuada a presión de propano y propileno. Durante cálculo de despresurización, el fluido alcanzó una temperatura menor que −29 °C (−20 °F), este es el límite común para acero al carbono. El uso de una material especial para baja temperatura fue descartado, con la premisa que el recipiente fue diseñado para una presión de 50,33 barg (730 psig) a −7 °C (19 °F). El material puede soportar baja temperatura cuando la presión es disminuida durante una despresurización. Sin embargo, el recipiente puede ser presurizado solamente cuando el metal aumenta su temperatura a un valor igual o mayor de −7 °C (19 °F). La selección de un material, tomando crédito de la baja presión durante una despresurización, es revisada entre las disciplinas involucradas: Ingeniería Mecánica y/o Diseño Mecánico con Procesos. 14.4.

Despresurización de las Líneas de Transporte La despresurización de las líneas de transporte no se rige por los criterios mostrados en este INEDON, debido al volumen de fluido que pueden contener. Vea el INEDON “Dimensionamiento de Líneas de Trasporte con Flujo Multifásico”, No. 903-P3100-P09-GUD-067.

15.

REFERENCIAS Leyenda de la ubicación de las referencias:

Biblioteca de inelectra.



Directorio de Instrucciones de Trabajo en el servidor de inelectra Panamá, S. A.



Servicio de Normas Internacionales en la ineweb. Intranet de Procesos.

[1]

ANSI/API STANDARD 521 (ISO 23251). Pressure-Relieving Depressuring Systems. Fifth Edition, January 2007. 

and

3

Propileno de Falcón, C. A.: empresa mixta conformada por Petróleos de Venezuela, Koch Petroleum Corporation, Inversiones Polar S.A. y Energy America AB.

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API RECOMMENDED PRACTICE 553. Refinery Control Valves. First Edition, September 1998. 

[3]

ASME Section VIII Division 1. Rules for Construction of Pressure Vessels. 2007. 

[4]

ASTM A 370. Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products. 

[5]

Aspen HYSYS®. Operations Guide.

[6]

Rao, K. A. Companion Guide to ASME Boiler & Pressure Vessel Code. 2nd Edition. ASME Publications.

[7]

GPSA – Engineering Data Book. Volume I. 11th Edition – FPS, 1998.

[8]

Kumar, S. Material Selection for Low-Temperature Applications – Analysis shows conventional metall. Hydrocarbon Processing, July 2004.

[9]

Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. 8th Edition. McGraw-Hill. 2007.

[10] PRO/II® 8.0. Units Operations - Reference Manual. [11] Respuesta de soporte técnico de Aspen Technology sobre la celda “Inicial Wetted Area”. Código [898579]. 29 de enero de 2008.  [12] Salater, P., Overaa S., Kjensjord E. Size Depressurization and Relief Devices for Pressurized Segments Exposed to Fire. Chemical Engineering Progress, September 2002.

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ANEXO 1 – HOJA

DE

CÁLCULO

PARA DETERMINAR EL CALOR ABSORBIDO

ÁREA MOJADA

Y EL

(Abrir el archivo 903-HM120-P09-GUD-071-01.xls)

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ANEXO 2 – TÉRMINO

DE

CONTRIBUCIÓN

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DE TRABJO

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P·V

EN

ASPEN HYSYS®

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GUÍA PARA LOS CÁLCULOS DE DESPRESURIZACIÓN A continuación, la información obtenida del soporte técnico de Aspen Technology: “The PV work term (or isentropic efficiency) represents the work done on the surroundings by the expanding fluid. It is part of the dynamic energy balance (Ec. 7):

(

)

F0C P ,0 T0 − Tref + UA(Tbulk − Twall ) +

d ( PV ) d (Tbulk ) = (MC P )holdup d (t ) dt

Energy Flow Out of Vessel + Wall Effects + PV Work of Expanding Fluid = Rate of change of energy of fluid in vessel.

Ec. 7 Ec. 8

In HYSYS the d(PV)/dt term above is actually calculated as: d(PV)/dt ~ (VesselHoldupPressure@CurrentTimeStep – VesselPressure@LastTimeStep) / Density · fluidWorkFactor

Ec. 9

where: fluidWorkFactor = PV Work Term Contribution/100 This correction is included so that the user can "tune" the depressuring utility to match plant or measured data”. La definición del término de contribución del trabajo P·V aplica al trabajo realizado al expandir el fluido y es una corrección para que el usuario pueda ajustar los resultados de la UdD con valores medidos. El uso de un valor entre el rango de 87 % a 98 % (Figura 31), da como resultado temperaturas del fluido muy conservadoras. En algunos Proyectos, la diferencia en la temperatura del fluido ha sido de 30 °C (86 °F) a 40 °C (104 °C) menor que usando 0 %. Esto puede aumentar el costo de las instalaciones, si se requiere acero inoxidable para soportar las bajas temperaturas. Información adicional fue publicada por Mahgerefteh, H. y Wong, M. A. (A numerical blowdown simulation incorporating cubic equations of state ) “Aunque una expansión rápida de un gas en un recipiente pueda ser inicialmente isentrópica, la transferencia de calor a través de las paredes del recipiente, asegura que la temperatura del gas nunca alcance un valor isentrópico”. Es importante tener presente que los cálculos de despresurización son conservadores por sí mismos.

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