DISEÑO DE UNA VÁLVULA DE ALIVIO PARA TORRE DE DESTILACIÓN MULTICOMPONENTE Magda Manuela Hincapié Álvarez, Lic Amiris Perea Cuesta, Andrés Walterio Rosero, Laura Isabel Tabares Agudelo. Resumen Debido a los problemas que puede presentar la sobrepresión en los equipos de proceso, para la torre de destilación diseñada anteriormente se diseña una válvula de alivio de presión con el fin disminuir los riesgos. Se selecciona una válvula de alivio de presión accionada por resorte. Para el diseño de esta se usó el código ASME y estándares API. Palabras claves: Válvula de alivio de presión, sobrepresión, válvula accionada por resorte. Abstract Due to the problems that the overpressure can present in the process equipment, for the previously designed distillation tower a pressure relief valve is designed in order to reduce the risks. A spring-loaded pressure relief valve is selected. For the design of this, the ASME code and API standards were used. Keywords: Pressure relief valve, overpressure, spring-operated valve. Torre de destilación La torre de destilación multicomponente se diseñó con el fin de separar el benceno de una mezcla que contiene: nitrobenceno, tolueno, benceno, agua, dióxido de carbono y monóxido de carbono. Dado que la sobrepresión puede causar problemas en la torre, es necesario usar un sistema de alivio de presión. Tabla 1. Propiedades en el tope de la columna Flujo gaseoso en tope (kg/h) TTope (°C) PTope (bar) Diámetro (m) Tnominal (in) Tcorrosión (in) S (MPa) 20040,4 122,4580 3,4103 1,5299 1/2 0,3 158 Válvula de alivio Dado que se requiere diseñar una válvula de alivio para el flujo gaseoso que sale por tope, esta estará ubicada en la tapa superior de la torre. Se tiene entonces que el espesor que soportará la presión está dada por la ecuación 1. 𝑡 = 𝑡𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝑡𝑐𝑜𝑟𝑟𝑜𝑠𝑖𝑜𝑛 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 1 𝑡 = 0,2 𝑖𝑛 Figura 1. Esquema de una columna de destilación A continuación, en la tabla 1 se pueden observar las corrientes de la columna de destilación diseñada. Ahora mediante el código (ASME, 2010) división VIII División I UG-32, para tapas elipsoidales sometidas a presión se establecen la ecuación 2 para determinar el valor de MAWP, donde t es el espesor encontrado anteriormente, D es el 1 diámetro de la torre en pulgadas y E la eficiencia de la junta igual a 1. 𝑃𝑀𝐴𝑊𝑃 2𝑆𝐸𝑡 = 𝐷 + 0,2𝑡 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 2 𝑃𝑀𝐴𝑊𝑃 = 152,0832 𝑝𝑠𝑖𝑔 Para el dimensionamiento de la válvula se definen las siguientes variables, del (API, 2000) 𝑃1 = 181,9915 𝑝𝑠𝑖𝑎 Es necesario clasificar el fluido en crítico o subcrítico según el parámetro presión de flujo crítico (API, 2000), donde se establece que: 𝑃𝐷𝑜𝑤𝑛𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚 ≤ 𝑃𝑐𝑓 → 𝐹𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑜 (1) 𝑃𝐷𝑜𝑤𝑛𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚 > 𝑃𝑐𝑓 → 𝐹𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑢𝑏𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑜 (2) Pcf está dado por la ecuación 5. Se tiene que la presión acumulada se limita a 110% de PMAWP. Entonces 𝑃𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 = 1,1𝑃𝑀𝐴𝑊𝑃 = 167,2915 𝑝𝑠𝑖𝑔 𝑘 𝑃𝑐𝑓 2 𝑘−1 = 𝑃1 ∗ ( ) 𝑘+1 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 5 La presión de ajuste no debe exceder la máxima presión de trabajo permisible (MAWP), esta será la presión a la cual la válvula de alivio se abre. La presión de diseño es a la cual el recipiente comienza a fallar, por lo tanto, esta es la presión para determinar la presión de ajuste. Dado que no se quiere que la torre alcance la presión de diseño, se establece la presión de ajuste como: Usando el software Aspen plus V8.8 se obtuvo el valor k, teniendo en cuenta las condiciones en el tope de la torre. Esto se muestra en la figura 1. 𝑃𝑠𝑒𝑡 = 𝑃𝐷𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 − 1,5 𝑝𝑠𝑖 = 82,3954 𝑝𝑠𝑖𝑔 𝑃𝑐𝑓 = 106,1464 𝑝𝑠𝑖𝑎 Lo siguiente es encontrar la sobrepresión, esta se define como el aumento en la presión de ajuste, esta es equivalente a la acumulación cuando la presión establecida está en el MAWP. Se define según la ecuación 3 A continuación se precede a calcular el área efectiva de descarga de la válvula (API, 2000). Para un flujo crítico esta se calcula según la ecuación 6. 𝑃𝑜 = 𝑃𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 − 𝑃𝑠𝑒𝑡 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 3 𝑃𝑜 = 84,896174 𝑝𝑠𝑖𝑔 La contrapresión se define como la presión en la salida del dispositivo de alivio durante el proceso de alivio debido a la presión en el sistema de descarga. Dado que el vapor contiene la sustancia de interés en su mayoría, y además sustancias tóxicas y peligrosas para el medio ambiente se decide descargar la corriente aguas abajo de la válvula de alivio en un tanque que opera a presión atmosférica. Por lo tanto 𝑃𝐵 = 14,7 𝑝𝑠𝑖𝑎 Seguidamente se tiene que la presión de alivio está dada por la ecuación 4. 𝑃1 = 𝑃𝑆𝑒𝑡 + 𝑃𝑜 + 14,7 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 4 Figura 1. Valor de k obtenido del software Aspen Plus. Entonces: 𝐴= 𝑊 𝑇𝑍 √ 𝐶𝐾𝑑 𝑃1 𝐾𝑏 𝐾𝑐 𝑀 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 6 Donde: 𝑊:Flujo másico (lb/h) 𝑘+1 2 𝑘−1 𝐶 = 520√𝐾 ( ) 𝑘+1 𝐾𝑑 : 0,95 (Para alivios con o sin discos de ruptura) 𝑃1 : Presión de alivio (psia) 𝐾𝑏 : Factor de corrección de PB 𝐾𝑐 : Factor de corrección de combinación con disco de ruptura (1 para no instalado). T: Temperatura en el tope (°R) Z: Factor de compresibilidad M: Peso molecular de la mezcla Entonces: 𝐴 = 2,3381 𝑖𝑛2 2 Se usará una válvula de alivio de presión balanceada accionada por resorte, la válvula de alivio de presión balanceada es una válvula de alivio de presión con resorte que incorpora un fuelle u otros medios para equilibrar el disco de la válvula para minimizar los efectos de la contrapresión en las características de rendimiento de la válvula. Se escoge esta debido a que el flujo de salida en la válvula, como se mencionó anteriormente se llevará a un tanque de almacenamiento. Y es recomendada para esta aplicación. (Crowl & Tipler, 2013) Además esta válvula incluye una protección al resorte para fluidos que son muy corrosivos lo cual minimiza los efectos por la presión a la salida. Esta válvula también se utiliza cuando la PB supera en 10% PSet (VALVEXPORT, 2013) 𝑃𝐵 = 17,84% 𝑃𝑆 Por lo que cumple con lo requerido. Esta válvula se muestra en la figura 2. La válvula irá soportada por bridas de cuello soldable de 150 lb, estas se especificaron según (ASME B16.5) tomando, para la parte inferior la presión de alivio, y para la parte superior la contrapresión a la temperatura del tope, usando como material Hastelloy C-276 (61% Ni, 16% Mo, 16% Cr). Especificación de válvula comercial Ahora, conociendo el área efectiva de descarga de la válvula se debe conocer el flujo real que saldrá por el orificio. Entonces, mediante la ecuación 7 empleando el área efectiva arrojada por API 526, la cual tiene un valor de 2.853 in2 𝑊= 𝐴 𝐶 𝐾𝑑 𝐾𝑏 𝐾𝑐 𝑃1 √(𝑇𝑍) 𝑀 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 7 Donde los factores de la ecuación son los mismos especificados para la ecuación 6 Entonces el flujo que sale por el orificio de la válvula es: 𝑊 = 53911,0324 𝐿𝑏 ℎ Este resultado muestra que, al requerir un flujo mayor que el flujo en tope, la válvula tendrá que estar abierta por un menor tiempo para darle alivio al sistema. Después de calcular el valor del área efectiva del orificio necesaria para la norma API 526 para válvulas de alivio de presión (API, 2002), en la sección de válvulas con resorte balanceado, se selecciona el valor de mayor área al calculado (L), de esta norma se extraen los valores reportados en la tabla 2. Figura 2. Válvula de alivio de presión accionada por resorte Para especificar la válvula comercial correctamente, se hace uso de la norma (API, 1991), con el fin de analizar algún requerimiento extra en el ajuste del asiento de la válvula por la naturaleza de las sustancias que componen el flujo, debido a que esta norma es específica para algunas sustancias, entre las cuales se encuentra el agua, se debe aplicar el test de presión, el cual se encuentra configurado que para presiones 3 Tabla 2. Especificación de la Válvula de alivio tipo L según API 526 Válvula alivio de presión de resorte (L) Área efectiva (in2) 2.853 Material (Cuerpo) Aleación de Nickel Rango de Temperatura (°F) 20 a 600 Tamaño Válvula (In by orifice by out) 3L4 Clase de brida ANSI (In/Out) 150/150 Material Resorte Aleación de Cromo Rango de Temperatura (°F) 101 a 450 Máxima presión del Resorte (psig) 140 Presión Limite de salida (psig) 100 Distancia Centro a cara (in/out) (in) 6 1/8 - 6 1/2 mayores a 50 psi, se debe determinar el ajuste del asiento con el 90% de la presión máxima permisible, además se debe realizar el test de fuga con un flujo constante de agua durante 1 minuto a la presión de prueba (presión máxima permisible). Para la selección de una válvula comercial que cumpla con la descripción según API 526, mediante el catálogo de válvulas de alivio y de seguridad de CONBRACO industries (apollo, n.d.), se selecciona una válvula SERIE119 las cuales son empleadas por su alta capacidad, bridas y servicio exigente en servicios de protección y seguridad de recipientes a presión; con una presión de ajuste hasta de 250 Psig a una temperatura máxima de operación de 450°F, tamaños de brida de 1-1/2 in a 6 in ANSI 250 lb y tamaño de entradas roscada de 2 in a 3 in FNTP. Se selecciona una válvula con referencia 119 LKC L MAA 0150. En la figura 3 pueden observarse la especificación del modelo de válvula seleccionada. La empresa tiene la opción de fabricar el tipo de válvula requerida bajo los materiales que el usuario necesite. Figura 3. Dimensiones de la válvula de resorte seleccionada. Referencias API. (1991). Seat Tightness of Pressure Relief Valves (Thith). API. (2000). Sizing, Selection, and Installation of Pressure-Relieving Devices in Refineries: Part I - Sizing and Selection, 85. API. (2002). Flanged Steel Pressure Relief Valves (Fifth). apollo. (n.d.). Safety Relief Valve Catalog. https://doi.org/2018 ASME. (2010). ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Secc. VII, Division 1. Asme, 798. Crowl, D. A., & Tipler, S. A. (2013). Sizing pressure-Relief devices. Aiche. Retrieved from https://www.aiche.org/sites/default/files/ce p/20131068_r.pdf VALVEXPORT. (2013). Válvulas de Seguridad y Seguridad-Alivio con Normas. Retrieved from http://www.valvexport.com/uploads/6/5/3/6 /6536844/seminario-valvula-seguridadcon-normas.pdf 4