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La protección de los equipos en una planta de procesamiento de producción es fundamental para garantizar la seguridad operativa y evitar daños materiales o personales. Entre los equipos clave que requieren protección se encuentran el separador de producción y el intercambiador de calor, cuyos sistemas de seguridad deben ser configurados con precisión para responder a diversos tipos de fallos, como sobrepresión, desbordamiento, fuga o sobrecalentamiento.
Para el separador de producción, es esencial disponer de un sistema que corte el flujo de entrada de fluido cuando se produzca un desbordamiento. Este sistema se basa en un sensor LSH (nivel de líquido alto), que debe instalarse a una distancia suficiente por encima del nivel de líquido operativo más alto para evitar un apagado accidental. De igual manera, el sensor LSL (nivel de líquido bajo) se coloca por debajo del nivel más bajo de operación para prevenir una interrupción no deseada, pero debe estar lo suficientemente alejado del punto de salida del fluido para evitar un avance de gas antes de que se active la función de apagado. En instalaciones con elementos de calefacción sumergidos, el sensor LSL debe ser capaz de cortar el suministro de combustible si se presenta un riesgo de sobrecalentamiento.
El sensor LSH y LSL deben instalarse fuera del recipiente para facilitar las pruebas sin interrumpir el sistema de proceso. Esto ofrece una ventaja significativa en términos de mantenimiento y prueba sin comprometer la operación continua del equipo. Además, en ciertos casos, puede no ser necesario instalar estos sensores si, por ejemplo, el equipo downstream no tiene un sistema de antorcha o ventilación que maneje el máximo posible de fluido arrastrado, o si el equipo no requiere el manejo de la fase líquida separada.
La protección contra sobrecalentamiento también es crucial. En el caso de que el separador de producción necesite calefacción, debe instalarse un sensor TSH (temperatura de sobrecalentamiento) que corte el suministro de calor si el fluido del proceso alcanza temperaturas peligrosas. Sin embargo, si la fuente de calor no es capaz de provocar un sobrecalentamiento, la instalación de este sensor no es requerida.
En cuanto a la protección contra el retroceso de fluido, se debe instalar una válvula de retención (FSV) en cada salida de gas y de líquido para prevenir el regreso de grandes volúmenes de fluido desde los equipos downstream. Sin embargo, en algunas situaciones, la instalación de la válvula de retención no es necesaria, por ejemplo, cuando el volumen de sustancias hidrocarburadas que podría retroceder es insignificante o cuando el dispositivo de control en la tubería puede manejar eficazmente el retroceso.
El intercambiador de calor, especialmente el de tipo tubo-casco, es un componente esencial en muchas instalaciones de producción, ya que permite el intercambio de calor entre dos fluidos aislados. Este tipo de intercambiador se utiliza frecuentemente para transferir calor del aceite caliente que ha sido procesado al aceite frío que entra en la estación. Los riesgos más comunes asociados con los intercambiadores de calor son la sobrepresión y las fugas. La protección contra sobrepresión debe incluir un sensor PSH (presión alta de entrada) que corte el flujo de fluido de entrada cuando se detecte una presión excesiva. Además, si una parte del intercambiador de calor está expuesta a sobrepresión debido a la ruptura o fuga de otra sección, debe instalarse una válvula de seguridad PSV para mitigar el riesgo.
Es fundamental que cada parte del intercambiador que contiene hidrocarburos esté equipada con un sensor PSL (sensor de fuga de líquido) que corte el flujo de entrada en caso de fuga significativa. Los sensores PSH, PSL y PSV deben instalarse en posiciones estratégicas para detectar y aliviar la presión de cada parte del intercambiador de calor, asegurando que la presión no exceda los límites de seguridad durante el funcionamiento. En algunos casos, como cuando el intercambiador de calor no recibe una fuente de presión mayor a la presión máxima de trabajo, puede no ser necesario instalar los sensores PSH o PSL.
El intercambiador de calor también debe estar protegido contra el sobrecalentamiento, aunque en muchos diseños de intercambiadores de calor de tipo tubo-casco, no es necesario un sensor TSH, ya que ambos partes del intercambiador están diseñadas para soportar la temperatura más alta del medio térmico.
Es importante señalar que la seguridad de los sistemas de separación y los intercambiadores de calor no solo depende de la correcta instalación de sensores y válvulas, sino también de una planificación adecuada, un monitoreo constante de las condiciones operativas y una revisión periódica de los dispositivos de seguridad. Esto asegurará que los equipos sigan funcionando de manera eficiente y segura, minimizando los riesgos de fallos o accidentes.
Diseño del Sistema de Ventilación y Quemado: Consideraciones Críticas y Aspectos Clave en la Seguridad Industrial
El diseño de un sistema de ventilación y quemado en instalaciones industriales requiere un análisis exhaustivo de diversas variables para garantizar su eficiencia y seguridad operativa. Desde la determinación del tamaño de los componentes principales hasta la selección adecuada de materiales, cada paso en el diseño debe considerar condiciones específicas y posibles escenarios de emergencia. Entre los aspectos esenciales se encuentran la gestión de las presiones de retorno, las vibraciones generadas por los flujos supersónicos, y la compatibilidad de los materiales con las temperaturas extremas.
El primer paso fundamental en el diseño de un sistema de ventilación es determinar el tamaño adecuado del encabezado principal y las ramas del sistema de ventilación. Este proceso se ve influenciado por varios factores, tales como las vibraciones causadas por la velocidad supersónica, las vibraciones por flujo, la presión de retorno permisible de una única fuente de ventilación, y la presión de diseño del sistema. Es esencial que estos elementos estén equilibrados para evitar fallos estructurales y asegurar un desempeño óptimo del sistema.
En paralelo, la selección del material para las tuberías y equipos relacionados también juega un rol crucial. La temperatura más alta de la fuente de ventilación y la temperatura interna del encabezado deben ser consideradas, así como los efectos corrosivos de los medios involucrados. La resistencia de los materiales a estas condiciones extremas garantiza la durabilidad y fiabilidad del sistema a largo plazo.
Además, un diseño adecuado del sistema de ventilación debe contemplar la integración con el Sistema de Apagado de Emergencia (ESD, por sus siglas en inglés). El ESD, que suele implementarse en sistemas de cuatro o cinco niveles de apagado, es una medida crítica en situaciones de emergencia para garantizar que el sistema pueda gestionar las condiciones anómalas sin comprometer la seguridad de la planta. En este contexto, es fundamental entender las interacciones entre el ESD y el sistema de ventilación para que, en caso de una sobrepresurización, el sistema sea capaz de aliviar la presión de manera efectiva sin interrumpir la producción innecesariamente.
Por otro lado, los sistemas de ventilación deben diseñarse teniendo en cuenta la posibilidad de incendios y explosiones. Las instalaciones de procesamiento de petróleo y gas están particularmente expuestas a incendios de diversa magnitud, desde pequeños incendios eléctricos hasta grandes siniestros de procesos. La evaluación de los riesgos de incendio, explosión y la difusión de gases tóxicos se realiza mediante el análisis de los peligros más críticos, identificando las fuentes de riesgo y los posibles escenarios de impacto. En este análisis, el diseño de las zonas de incendio es una prioridad, ya que estas zonas determinan cómo se mitigan las consecuencias de un siniestro y aseguran la integridad de las instalaciones.
La definición de las zonas de incendio debe realizarse teniendo en cuenta factores como la naturaleza del uso de los espacios, la importancia de los equipos, los peligros inherentes a los materiales procesados y las capacidades de extinción de incendios disponibles. La creación de zonas de incendio no solo busca limitar los daños, sino también garantizar la seguridad de los trabajadores y la continuidad de las operaciones. La división de estas zonas debe ser precisa, con una cobertura adecuada en función de las dimensiones del área protegida y las especificaciones del equipo de extinción.
Por último, la segregación del flujo de materiales también es crucial en el diseño. Los gases y líquidos que se descargan deben ser manejados de manera separada, ya que ciertos combinados de gas caliente, frío y agua pueden causar bloqueos, congelaciones o incluso reacciones peligrosas. Las mezclas de gases a diferentes temperaturas pueden provocar explosiones si no se gestionan adecuadamente, por lo que se deben tomar precauciones para evitar la mezcla de gases calientes con aquellos que contienen agua o que son altamente volátiles.
Aparte de los puntos técnicos mencionados, hay otros elementos que también deben considerarse. La protección y el aislamiento de los equipos clave frente a las condiciones extremas, como las altas temperaturas o la presión elevada, son cruciales para evitar daños estructurales. Además, la coordinación entre las distintas secciones del sistema, desde la válvula de seguridad hasta los dispositivos de extinción, asegura que el diseño global del sistema de ventilación y quemado sea efectivo en situaciones de emergencia. Un buen diseño no solo se basa en el cumplimiento de normativas, sino en la capacidad de adaptarse a las características específicas de la planta y las particularidades de los procesos industriales que allí se llevan a cabo.
¿Cómo influye el diseño de las tuberías de descarga en la seguridad y funcionamiento de las válvulas de alivio de presión?
El flujo de fase líquida en tuberías de descarga es un fenómeno crucial en el diseño de sistemas de alivio de presión en industrias como la petroquímica y la energética. Este tipo de flujo, en el que se mezcla líquido y gas en una tubería, presenta desafíos únicos en términos de resistencia mecánica, estrés térmico y la correcta disposición de los dispositivos de protección, como las válvulas de alivio de presión.
Las tuberías de descarga deben ser analizadas cuidadosamente, especialmente cuando están conectadas directamente a las válvulas de alivio de presión. Si la tubería de descarga no está debidamente soportada y solo recibe soporte desde la salida de la válvula de alivio, esto genera esfuerzos adicionales en la válvula y su tubería de entrada. Las deformaciones que pueden surgir a causa de este diseño son, a menudo, suficientes para causar fallos en los mecanismos o incluso fugas en la válvula. Las tensiones generadas por la alineación forzada de la tubería también pueden tener un impacto negativo, incrementando el riesgo de fallos en el sistema. A medida que la velocidad del flujo en estas tuberías aumenta, el estrés térmico y mecánico puede provocar daños aún más graves. La corrección de la alineación de las tuberías debe ser realizada con sumo cuidado, y siempre siguiendo los estándares y regulaciones específicas.
El comportamiento de los flujos de dos fases, como los presentes en las tuberías de descarga, también debe ser considerado. En situaciones en las que se producen impactos dentro de la tubería, como cuando un fluido compresible se introduce bruscamente en un sistema, las cargas de impacto pueden causar un estrés significativo. Este fenómeno se ve amplificado cuando hay cambios de dirección en el sistema, ya que en cada giro o curva se genera una fuerza de reacción que, si no se controla adecuadamente, podría comprometer la integridad de la estructura del sistema. Para mitigar estos riesgos, el diseño de las redes de venting debe ser minucioso, asegurando una adecuada fijación, orientación y soporte de las tuberías.
El diseño de las tuberías debe contemplar una amplia gama de factores, incluyendo la expansión térmica, la contracción, los flujos bifásicos, los tapones líquidos, la fatiga por vibración generada por el flujo a alta velocidad, la posibilidad de congelamiento de medios fríos o la auto-refrigeración, así como la protección contra incendios. Es fundamental no caer en el error de sobre-dimensionar las tuberías basándose únicamente en las condiciones extremas de presión y temperatura, sino realizar una evaluación práctica y contextualizada de las situaciones reales de liberación.
El análisis de estos factores permite diseñar un sistema de tuberías de descarga que minimice los riesgos y maximice la eficiencia del proceso. Al integrar tanto los aspectos mecánicos como los térmicos y operativos, se puede asegurar un flujo adecuado y seguro en todo el sistema.
En cuanto a los sistemas de separación de líquidos, tales como los "knockout drums", es esencial comprender su función dentro de un sistema de flare o venting. Estos dispositivos son fundamentales para separar las gotas líquidas o la fase líquida que puede formarse en un flujo bifásico. El diseño de estos tambores de separación debe considerar diversas configuraciones, como el tipo de flujo del gas, el volumen de almacenamiento necesario y las especificaciones del sistema de gas. En este sentido, es crucial que la instalación de los tambores de separación se haga lo más cerca posible de la fuente del gas, y que se cumpla con los requisitos de presión, corrosión y capacidad de almacenamiento de líquidos. La capacidad de los tambores debe ser suficiente para manejar el flujo máximo de líquido y permitir tiempos de residencia adecuados para la separación efectiva.
Además, las consideraciones sobre la corrosión y la integridad estructural de los tambores deben ser tomadas en cuenta, ya que la capacidad de separación de líquidos puede verse comprometida si no se considera adecuadamente la protección contra la corrosión. Las normativas internacionales, como la ISO 23251 y la API Std 521, ofrecen las pautas necesarias para diseñar estos sistemas de manera eficiente y segura.
Es importante tener en cuenta que las condiciones de operación pueden variar, y los sistemas de venting deben estar preparados para manejar tanto los escenarios normales como los más extremos. Un diseño adecuado no solo debe ser eficiente en la separación de líquidos, sino también ser capaz de adaptarse a los cambios de presión y flujo, minimizando así cualquier riesgo asociado a fallos o bloqueos en el sistema. La planificación y el cálculo de estos sistemas deben basarse en un enfoque que integre tanto las características físicas de los materiales como las condiciones operativas reales.
¿Cómo se determina el diseño y la altura de una antorcha industrial?
El diseño de una antorcha, especialmente en el contexto de sistemas industriales que manejan compuestos hidrocarburados o gases ácidos, debe cumplir con varios criterios técnicos fundamentales para garantizar la seguridad y el rendimiento. Los aspectos que afectan su construcción y operación incluyen la instalación de componentes fijos, el diseño de las tuberías y la correcta disposición de los sistemas de emisión, lo que implica una serie de consideraciones relacionadas con la termodinámica, la dinámica de fluidos y las normativas internacionales.
Uno de los puntos clave es la disposición de las tuberías de termodinámica que deben ser instaladas en torres de acero o cuerpos de antorchas. Estas deben evitar puntos de acumulación de líquidos. Además, las tuberías de gas combustible y de ignición situadas en la parte inferior de la antorcha deben conectarse a tuberías horizontales mediante derivaciones. Al final de las tuberías verticales deben colocarse bridas y cubiertas de bridas para asegurar una correcta terminación del sistema.
En cuanto a las distancias, el diseño de la antorcha debe asegurar que el punto de salida de gases en la antorcha que se utilizan para la quema de compuestos hidrocarburados esté situado a una altura no inferior a 7 metros sobre la torre de acero. Para gases con bajo poder calorífico como los ácidos o el hidrógeno puro, esta distancia no debe ser menor a 5 metros. Es crucial que en la base de la antorcha haya espacio suficiente para la acumulación de agua de lluvia, condensados o incluso óxido, y que se dispongan de las salidas correspondientes, como la boca de inspección, la salida de aguas residuales, la salida de condensados y un medidor de nivel.
Además, la capacidad de diseño de una antorcha se basa en cálculos específicos como el diámetro de la misma, que se determina con la ecuación de Mach número (fórmula 9.1). Para ello se deben tener en cuenta variables como la tasa de flujo másico, la presión de salida de la antorcha, la temperatura de los gases, el factor de compresión y el ratio de calor específico del gas. El diámetro calculado a partir de estas fórmulas representa el área efectiva de salida de la antorcha, aunque la zona real también debe considerar otros componentes internos, lo cual es ajustado por el proveedor de la antorcha. El diámetro final se ajustará según la caída de presión permitida, teniendo en cuenta que las tuberías de emisión de diferentes presiones deben estar correctamente integradas en el mismo sistema para evitar bloqueos en los flujos de presión más baja.
Otro aspecto determinante es la altura de la antorcha, que se calcula no solo por su capacidad de irradiación térmica, sino también por la intensidad del ruido generado durante la operación. Las emisiones de gases inflamables y tóxicos que se liberan a la atmósfera también son una consideración clave en el cálculo de la altura. Las normativas internacionales y nacionales sobre las emisiones de contaminantes atmosféricos guían este diseño, y su cumplimiento es esencial para la protección ambiental y la seguridad en las instalaciones industriales.
El cálculo de la altura de la antorcha debe garantizar que la radiación térmica no supere los límites permitidos en áreas circundantes. Para ello, se emplea la fórmula derivada por Hajek y Ludwig, que considera la intensidad de la radiación del calor y la distancia mínima que debe haber entre el centro de la antorcha y cualquier objetivo expuesto. La fórmula (9.2) establece esta relación mediante el coeficiente de conducción de calor, el coeficiente de radiación térmica y la cantidad de calor liberado.
Para determinar la ubicación precisa del centro de la llama, existen diferentes métodos, todos ellos basados en teorías de difusión de chorro y el comportamiento de las llamas en diversas condiciones atmosféricas. El método más común es el de la API 521, que usa gráficos empíricos para calcular la longitud de la llama según el valor calorífico del gas y el viento lateral que afecta a la salida de la antorcha. Sin embargo, este método tiene limitaciones, especialmente en emisiones de gran volumen o cuando los gases contienen compuestos difíciles de modelar. Otros métodos, como los de Brzustowski y Sommer, y el de G. R. Kent (GPSA), ofrecen soluciones alternativas basadas en datos experimentales y teorías de mezcla de gases, y pueden proporcionar una aproximación más precisa en situaciones específicas.
Es fundamental que el diseño de la antorcha considere tanto las características de los gases a emitir como las condiciones ambientales. Modelos más complejos, que incluyen el análisis de velocidad del viento y la forma de la llama, resultan apropiados para sistemas de emisión a gran escala. Además, herramientas como el software FLARESI proponen métodos avanzados, como el "Point Source" que extiende el método simple de API 521 y considera el impacto de múltiples puntos de emisión.
En resumen, el diseño de una antorcha industrial no solo depende de los cálculos precisos del diámetro y la altura basados en la física de gases, sino también de un entendimiento integral de los impactos térmicos, acústicos y ambientales. Los ingenieros deben trabajar con una variedad de métodos de cálculo y simulación para optimizar el funcionamiento y cumplir con las normativas de seguridad y medioambientales.