¿Cómo se previene el sobrecalentamiento en equipos de proceso y qué dispositivos de seguridad son esenciales?

El sobrecalentamiento en equipos industriales, especialmente aquellos que manejan hidrocarburos y otros fluidos combustibles, representa un riesgo crítico que puede desencadenar incidentes graves, incluyendo incendios y explosiones. Por ello, es fundamental implementar sistemas de protección y dispositivos de seguridad específicos que garanticen la operación segura y controlada de estos equipos.

En el caso de las unidades de compresores, que son responsables del transporte de hidrocarburos gaseosos dentro del sistema de producción y hacia la tubería de exportación, se requiere una protección rigurosa. Esto incluye sensores de seguridad como PSH (presión alta), PSL (presión baja) y PSV (válvula de alivio de presión). Estos dispositivos se instalan en las líneas de succión y descarga para monitorear y controlar la presión, evitando condiciones que puedan causar sobrepresión o vacío que afecten la integridad del compresor.

Además, para prevenir el reflujo y proteger la dirección del flujo de los gases o líquidos, se usan válvulas de retención (FSV) en las líneas de descarga finales. Cuando el compresor está instalado en espacios con ventilación limitada o dentro de paredes, la instalación de detectores de gas (ASH) es indispensable. Estos detectores permiten cortar las líneas de proceso y suministro de gas, además de ventilar el equipo para evitar acumulaciones peligrosas.

Los equipos de calentamiento y elementos de combustión, tanto con ventilación natural como forzada, presentan riesgos adicionales relacionados con el control de temperatura y la correcta mezcla y suministro de aire y combustible. En estos casos, los sensores de temperatura (TSH), sensores de presión de aire y combustible (PSL y PSH), así como sensores de llama (BSL) y flujos bajos (FSL), son imprescindibles para detectar condiciones anormales y prevenir incendios o explosiones. La falla en alguno de estos parámetros puede originar desde sobrecalentamiento hasta la extinción de la llama, con riesgo inmediato de acumulación de vapor combustible y posterior ignición.

Es vital entender que la protección contra el sobrecalentamiento no es un único mecanismo aislado, sino un conjunto integral de dispositivos que monitorean múltiples parámetros y condiciones operativas. La redundancia y la diversidad en estos sistemas permiten detectar fallos a tiempo y actuar para mitigar riesgos antes de que se conviertan en accidentes graves.

Finalmente, la comprensión del contexto operativo, las características específicas de cada equipo y la interacción entre ellos es esencial para un análisis de seguridad eficaz. El sobrecalentamiento puede tener causas múltiples y a menudo simultáneas, como fallos en el control de temperatura, obstrucción del flujo, fugas internas o problemas en el suministro de aire o combustible. Por tanto, la vigilancia constante y un enfoque preventivo basado en análisis de riesgo son la base para mantener la seguridad y eficiencia en procesos industriales complejos.

¿Cómo se diseña y calcula correctamente la tubería y los dispositivos de seguridad para válvulas de alivio?

En el diseño de la tubería de entrada y salida de válvulas de seguridad, es fundamental considerar que la contrapresión de la válvula de alivio es generalmente muy baja, lo que provoca una alta velocidad del gas en el conducto posterior, desde la salida de la válvula hasta el colector principal o ramal. Para evitar que esta velocidad alcance niveles críticos, se recomienda instalar un reductor en la brida de salida de la válvula, ajustando el diámetro del conducto posterior según el número de Mach y la contrapresión. El número de Mach en esta sección no debe superar 0,7, ya que velocidades mayores podrían generar problemas de resonancia o daños en la válvula.

Además, la tubería de salida debe evitar configuraciones en forma de "U" que puedan generar acumulaciones o bloqueos, y debe tener una pendiente mínima de 1:500 orientada hacia el colector de antorchas para facilitar el flujo y evitar estancamientos. La válvula de aislamiento que se instale debe ser de diámetro completo, equipada con un bloqueo de posición o sello de plomo para garantizar la seguridad operativa y prevenir manipulaciones accidentales.

El análisis de las fuerzas de reacción y vibraciones generadas durante la descarga es crucial para evitar daños estructurales. El fabricante o el profesional de tuberías debe proporcionar datos precisos sobre estas fuerzas para permitir el diseño adecuado de soportes y fijaciones. La resonancia es un fenómeno peligroso que ocurre cuando la pérdida de presión en la tubería de entrada provoca que la frecuencia natural del sistema se acerque a la frecuencia mecánica de los componentes móviles de la válvula, especialmente con altas presiones de ajuste y aperturas amplias, pudiendo causar daños severos.

Las fuerzas de reacción en sistemas abiertos de descarga, donde gases y vapores se liberan a la atmósfera, incluyen tanto efectos dinámicos de impacto como presiones estáticas, y varían según el estado del fluido, ya sea monofásico o bifásico. En sistemas cerrados, aunque generalmente las fuerzas son menores bajo flujo estable, pueden surgir esfuerzos significativos en puntos de expansión súbita, requiriendo análisis complejos del comportamiento dinámico del sistema.

En situaciones donde no es apropiada la instalación directa de válvulas de seguridad, o cuando se requiere un doble nivel de protección, se emplean discos de ruptura. Estos dispositivos, diseñados para actuar rápidamente ante sobrepresiones, se calibran para romperse o desprenderse al alcanzar una presión específica, liberando el medio y previniendo daños en el sistema. Existen múltiples tipos de discos de ruptura, incluyendo formas de arco positivo y negativo, con diferentes configuraciones para adaptarse a las características del fluido y las condiciones operativas.

El uso de discos de ruptura es prioritario en condiciones donde la presión puede aumentar rápidamente, o cuando el fluido contiene partículas, es corrosivo, altamente viscoso o valioso, o en procesos que no toleran fugas. También se recomienda cuando las condiciones de presión y temperatura dificultan la fabricación o funcionamiento eficiente de válvulas de seguridad convencionales. La calibración y el dimensionamiento del disco deben ser compatibles con los parámetros de la válvula de seguridad con la que se asocian, asegurando un área de descarga suficiente y que los fragmentos no obstruyan la operación de la válvula.

Cuando la descarga ocurre en ambientes corrosivos, es aconsejable instalar el disco de ruptura en la salida de la válvula para protegerla, siempre que el medio interno esté libre de sustancias adhesivas que puedan bloquear el sistema. El diseño del disco debe limitar la presión máxima de ruptura a no más del 10% por encima de la presión de ajuste de la válvula, y el diámetro nominal del disco debe ser igual al diámetro de salida de la válvula para asegurar la compatibilidad y la seguridad.

Además de lo señalado, es importante comprender que el mantenimiento y la inspección periódica de estos sistemas son indispensables para garantizar su fiabilidad. La selección correcta de materiales y la adecuación a las condiciones de proceso y ambientales previenen fallos prematuros. La interacción entre los componentes de seguridad y el sistema de tuberías no solo debe analizarse en condiciones normales, sino también bajo escenarios de emergencia, considerando posibles impactos de fluctuaciones rápidas de presión, corrosión, erosión y acumulación de residuos. Este enfoque integral asegura que las válvulas de seguridad y los dispositivos asociados cumplan su función crítica sin comprometer la integridad del sistema o la seguridad del personal y las instalaciones.

¿Cómo calcular el sistema de ventilación y alivio en procesos industriales?

El diseño y cálculo de los sistemas de ventilación y alivio de presión en unidades de proceso son fundamentales para asegurar la seguridad operativa y la integridad de las instalaciones. El cálculo del sistema de alivio incluye la determinación de los diámetros de las tuberías, la selección de las válvulas de alivio de presión adecuadas y la correcta disposición de las mismas dentro del sistema. A continuación se expone una explicación detallada de los elementos clave que se deben considerar en estos cálculos, de manera que se logre una correcta operación del sistema bajo condiciones extremas de presión y flujo.

Uno de los pasos iniciales es verificar el tamaño del tanque separador de la antorcha para asegurarse de que puede manejar la máxima descarga líquida esperada. Además, se debe revisar la distancia y disposición de la antorcha y el tanque separador, con el fin de garantizar la seguridad frente a la radiación térmica tanto para el equipo de proceso como para el personal. Este análisis preliminar también puede ayudar a determinar la contrapresión en cada válvula de alivio y a verificar si excede los límites de contrapresión y velocidad recomendados.

El cálculo de la caída de presión debe tener en cuenta la pérdida de presión en las conexiones de las tuberías. En herramientas como el Aspen Flare System Analyzer, se recomienda utilizar tees de Miller con extrapolación de Gardel, ya que otros métodos tienden a sobrestimar la pérdida de presión en conexiones de tuberías con flujo bajo o sin flujo. En algunos casos, especialmente en sistemas de antorcha en instalaciones clave, se emplean software de análisis más detallados, como Korf Hydraulics, que ofrece datos más completos sobre la caída de presión en accesorios de tubería, resultando ser más flexible que otros sistemas de análisis.

Si se prevé que el sistema de antorchas o las ramificaciones de las tuberías soporten una carga mayor a la estimada en el análisis preliminar, se deben realizar cálculos adicionales de caída de presión. Esto es crucial cuando se considera el alivio de presión individual, como cuando se utiliza el flujo total de una válvula de alivio de presión o cuando varias fuentes de alivio se descargan simultáneamente. Aunque el sistema de antorchas en general pueda tener una carga menor, las cargas en las ramificaciones pueden ser mayores, y es esencial tener en cuenta estas diferencias para dimensionar adecuadamente las tuberías.

El sistema de tuberías de descarga debe diseñarse de manera que la presión de retroceso generada no sea tan alta como para reducir el volumen de liberación de las válvulas de alivio de presión. El análisis de la caída de presión, que toma en cuenta la fricción en las tuberías, debe utilizarse en este caso para asegurar que la presión en cada punto del sistema no interfiera con la operación de las válvulas. En este sentido, es importante aplicar los cálculos adecuados utilizando las normas API Std 520, que establecen directrices precisas sobre la selección, dimensionamiento e instalación de dispositivos de alivio de presión.

Cuando se dimensionan las tuberías para sistemas múltiples, como cuando varias válvulas de alivio de presión descargan hacia la misma ramificación de descarga, se deben utilizar los flujos nominales combinados de todas las válvulas que puedan abrirse al mismo tiempo. Para el análisis de fallos en planta, es recomendable realizar un análisis escalonado del sistema de ventilación, tal como se especifica en la norma ISO 23251 para industrias petroleras y petroquímicas.

En cuanto al cálculo hidráulico de la red de ventilación, es fundamental tomar en cuenta la fricción en las tuberías y las condiciones específicas del fluido. Se pueden utilizar diferentes métodos para calcular la caída de presión, desde el enfoque isotérmico con márgenes adecuados para el efecto de la energía cinética, hasta soluciones más precisas para flujos cercanos a adiabáticos. Estos cálculos requieren conocer las características del fluido, como la temperatura, el índice adiabático y la masa molecular promedio. Además, se deben considerar los efectos de la fricción hidráulica en las tuberías, calculados mediante la fórmula de fricción hidráulica.

La correcta determinación del tamaño de las tuberías y la disposición de los sistemas de alivio no solo se basa en los flujos nominales de las válvulas, sino también en un análisis exhaustivo de las condiciones operativas bajo carga máxima y los posibles escenarios de fallo. La selección de materiales y la correcta instalación de las válvulas de alivio y las tuberías deben garantizar que, incluso en los peores casos de sobrepresión, el sistema sea capaz de manejar la carga sin comprometer la seguridad de las instalaciones.

¿Cómo se deben diseñar las instalaciones de antorchas elevadas en petroquímicas para cumplir con los requisitos de seguridad y eficiencia?

El diseño de las instalaciones de antorchas elevadas es un aspecto crucial para las industrias petroquímicas, ya que tienen la función de eliminar los gases de emergencia de manera segura y eficiente. Este proceso, que implica la combustión controlada de gases derivados de los sistemas de alivio de presión, requiere un diseño meticuloso que minimice el impacto ambiental y proteja tanto a los trabajadores como a las instalaciones. El diseño adecuado de la antorcha debe garantizar una combustión completa, sin generación de humo negro, sin extinción y sin riesgo de lluvia de fuego.

El tiempo de exposición es un factor importante al evaluar la intensidad de la radiación térmica. Se recomienda que el tiempo de exposición total para los operadores sea de entre 8 y 10 segundos. Esto se debe a que, en áreas donde la radiación supera los 6.31 kW/m², los operadores no tendrían suficiente tiempo para escapar, por lo que es imprescindible la instalación de refugios seguros cercanos a estas áreas de alto riesgo, como habitaciones de control o cobertizos especializados para proteger a los trabajadores de la radiación térmica.

El diseño de la cabeza de la antorcha es otro aspecto esencial. Esta debe ser capaz de quemar el gas de la antorcha de manera eficiente, sin generar emisiones contaminantes o ruidos molestos. Para lograrlo, la cabeza de la antorcha debe cumplir con requisitos básicos como la capacidad de quemar gases de diversas condiciones y composiciones, la minimización del consumo de energía y la garantía de una vida útil prolongada y un mantenimiento sencillo. Además, se debe prestar atención a la reducción de la contaminación acústica y luminosa generada por la combustión. La estructura debe ser sencilla y ligera, con materiales adecuados que garanticen su durabilidad.

La instalación de la cabeza de la antorcha debe ser realizada en la parte superior de una torre elevadora. Esto ayuda a reducir la radiación térmica hacia el entorno y minimiza la difusión de sustancias tóxicas. Además, se deben considerar dispositivos adicionales para estabilizar la llama, como deflectores de llama, que mejoran la estabilidad durante emisiones de alta velocidad. En cuanto a los materiales, el segmento superior de la cabeza de la antorcha, que es el más expuesto a altas temperaturas, debe ser fabricado con materiales resistentes como el ANSI 310SS, mientras que las partes inferiores pueden ser de materiales menos costosos y resistentes como el 304.

La torre de soporte también tiene requisitos específicos. Por ejemplo, debe contar con plataformas de acceso para los trabajadores de mantenimiento, así como instalaciones para izar la cabeza de la antorcha y facilitar su mantenimiento. Además, los conductos de los sistemas de termodinámica deben estar diseñados con medidas de compensación térmica adecuadas para evitar daños por expansión térmica, especialmente en los conductos de vapor, agua y gases inflamables.

Es importante tener en cuenta que el diseño y la instalación de las instalaciones de antorchas elevadas no solo se enfocan en la seguridad térmica y estructural, sino que también deben cumplir con regulaciones medioambientales estrictas. Las emisiones deben ser controladas para evitar la contaminación del aire y el entorno circundante. Esto implica que la combustión debe ser lo más limpia posible, eliminando cualquier riesgo de producción de humo negro o de un incendio incontrolado.

¿Cómo garantizar la seguridad en los sistemas de protección en equipos de proceso?

Los dispositivos de protección primaria proporcionan el nivel más alto de seguridad, mientras que los dispositivos secundarios ofrecen un nivel de protección inferior, pero igualmente esencial. La correcta implementación de ambos tipos de dispositivos es fundamental para la integridad de los equipos y la seguridad del proceso. Sin embargo, debido a que las consecuencias de una falla pueden variar en grado y orden, un único dispositivo de seguridad podría no ser suficiente para garantizar una protección completa, por lo que a menudo es necesario emplear una combinación de dispositivos o sistemas para cubrir todas las posibles amenazas.

Por ejemplo, un sensor de presión y un Válvula de Seguridad de Fluido (FSV, por sus siglas en inglés) pueden trabajar juntos para evitar que el fluido fluya hacia una fuga, proporcionando así una protección primaria. La interacción de múltiples dispositivos permite alcanzar el nivel de seguridad requerido en el proceso. Además, los dispositivos de protección determinados en el Análisis de Seguridad (SAT, por sus siglas en inglés) pueden conectarse con válvulas de cierre (SDV) u otros dispositivos de control final, para proteger cualquier equipo dentro de un proceso determinado.

Es crucial que los usuarios comprendan la lógica detrás del SAT y cómo se establece este análisis, ya que es el fundamento para determinar la disposición y la conexión de los dispositivos de seguridad en el sistema. La ubicación de las válvulas de cierre y otros dispositivos de control final debe decidirse después de estudiar a fondo el diagrama de flujo del proceso y los parámetros operativos. Cuando se detecta un accidente o una anomalía en el proceso, el dispositivo debe ser capaz de aislar el equipo de entrada, desconectando los fluidos de proceso, calor o combustible, para evitar una propagación del incidente.

Es importante que cada dispositivo de seguridad sea considerado y configurado de acuerdo con su rol, a menos que existan situaciones en las que no sea necesario o su función pueda ser asumida por otro dispositivo de seguridad. La Hoja de Verificación del Análisis de Seguridad (SAC, por sus siglas en inglés) lista métodos de protección equivalentes, lo que puede permitir la omisión de algunos dispositivos si así se determina.

Cuando se detectan condiciones de operación anormales, es fundamental llevar a cabo una acción de apagado adecuada para evitar que se propague el riesgo a otros dispositivos del sistema. Si se decide apagar el proceso, lo ideal es cortar la fuente de energía lo antes posible. Sin embargo, el diseño debe evitar que el apagado de la entrada de un dispositivo de proceso genere un estado anómalo en el dispositivo anterior, lo que podría causar un efecto dominó y llevar al apagado de todos los dispositivos en cadena. Esto puede generar una carga adicional en los dispositivos de seguridad y ponerlos bajo un estrés excesivo.

En algunos casos especiales, los sistemas de interbloqueo pueden necesitar ajustes específicos. Por ejemplo, cuando la entrada de un separador cambia frecuentemente debido a la conexión de pozos de petróleo, la lógica del sistema de seguridad debe ajustarse en consecuencia. En estos casos, es preferible cerrar la entrada del separador y permitir que la alta presión de la tubería cierre el pozo de petróleo mediante un sensor de presión.

Una de las medidas más eficaces para prevenir la ignición es asegurar una ventilación adecuada en las áreas de procesamiento de hidrocarburos. La mezcla de gases combustibles con aire debe mantenerse por debajo del Límite Inferior de Explosividad (L.E.L.), evitando la acumulación de mezclas combustibles. Las áreas cerradas que contienen equipos de procesamiento o de combustión deben estar equipadas con un sistema de ventilación adecuado para dispersar los gases o vapores antes de que puedan alcanzar una concentración peligrosa.

Además, es fundamental adherirse a los códigos eléctricos pertinentes y las prácticas recomendadas para garantizar que los equipos eléctricos no sean una fuente de ignición. La instalación, operación y mantenimiento de los sistemas eléctricos deben seguir las directrices establecidas en prácticas recomendadas como la API RP 14F, que regula el diseño, instalación y mantenimiento de sistemas eléctricos en instalaciones petroleras offshore. Esto garantiza que el equipo eléctrico sea adecuado para áreas clasificadas como peligrosas, minimizando así el riesgo de ignición.

Por último, la clasificación adecuada de las ubicaciones de las instalaciones eléctricas en función de las normas API RP 500 es esencial para evitar accidentes. Esto incluye la identificación de las áreas peligrosas donde se pueden producir concentraciones de gases inflamables y la aplicación de las medidas de protección correspondientes.

Es crucial entender que cada medida de protección en un sistema de seguridad no es independiente, sino que forma parte de un conjunto de acciones que, en su conjunto, aseguran el correcto funcionamiento y la integridad del proceso. La colaboración de los diferentes dispositivos de protección, desde los sensores hasta las válvulas y los sistemas de apagado, proporciona una red de seguridad efectiva que minimiza los riesgos asociados con el manejo de materiales peligrosos y la operación de equipos industriales.