Prosessilaitteiden purkujärjestelmien suunnittelu ja mitoitus edellyttävät tarkkaa virtaus- ja painehäviölaskentaa, jotta varmistetaan laitteiston turvallisuus ja toimivuus äärimmäisissäkin venttiilitilanteissa. Ensimmäinen vaihe on määrittää liekinpoistokanavien ja niiden erottelusäiliöiden mitoitus siten, että ne pystyvät vastaanottamaan maksimaalisen nestepurkauksen. Tämä on oleellista, jotta liekin ja säiliön sijoittelu voidaan optimoida siten, että lämpösäteilyn vaikutus prosessilaitteisiin ja henkilökuntaan pysyy hallinnassa.

Painehäviölaskennassa on tärkeää huomioida putkiliitosten aiheuttamat vastukset. Esimerkiksi Aspen Flare System Analyzer -ohjelmassa suositellaan Miller Tees -menetelmää Gardelin ekstrapolaatiolla, koska muut menetelmät ylittävät usein painehäviön varsinkin matalilla virtausnopeuksilla. Joissain erityistapauksissa, kuten rakennetuissa laitteissa, tarkempaa putkistoanalyysiä varten käytetään kehittyneempiä ohjelmistoja, kuten Korf Hydraulics, joka tarjoaa kattavamman tietokannan ja joustavamman laskentatavan kuin Aspen.

Kun liekinpoistokanavaan kohdistuu venttiilien arvioitua suurempi kuorma, esimerkiksi eri venttiilivirtausten yhtäaikaisessa purkutilanteessa, on tehtävä lisäpainehäviölaskelmia. Näissä tilanteissa vaikka kokonaiskuorma olisikin pienempi, haarakuorma voi kasvaa merkittävästi, mikä asettaa erityisvaatimuksia haaraputkien mitoitukselle. Laskelmat voidaan aloittaa liekinpään kohdalta tai yksinkertaistaa tarkistamalla upstream-putkisto suuremmalla virtaamalla. Näin varmistetaan, ettei takapaine ylitä painemittarin sallittua rajaa.

Myös painetta purkavien haaraputkien painehäviö on mitoitettava samalla tavalla. Turvaventtiilien nimellisvirtaamat otetaan huomioon, ja jos useampi venttiili purkaa samaan haaraputkeen, käytetään näiden yhteenlaskettua virtaamaa. Laajempien häiriötilanteiden analysoinnissa voidaan hyödyntää vaiheittaista purkua kuormituksen pienentämiseksi, mikä vastaa ISO 23251 ja API Std 521 -standardien ohjeistuksia.

Purkuputkiston koko ja venttiililinjojen rakenne mitoitetaan siten, että missään järjestelmän kohdassa syntyvä takapaine ei heikennä venttiilin purkuvirtaamaa alle kriittisen määrän, jolla estetään säiliöiden ylipaineistus. Tämä edellyttää huolellista takapaineiden kertymisen ja venttiilien yhteispelin analysointia, sillä useiden venttiilien samanaikainen avautuminen voi aiheuttaa suuria reaktiovoimia putkistossa. Erityisesti, jos putkistossa esiintyy nestettä, iskuvoimat voivat olla merkittäviä, mikä on otettava huomioon putkistojen kiinnityksessä ja tuennassa.

Putkiston mitoituksen pohjana käytetään virtausmittausta ja virtaustietoja, ja haaraputkien koko lasketaan yksittäisen laitteen purkuvirtaaman mukaan. Yleiset putkistot ja haaramoduulit mitoitetaan pahimman skenaarion mukaisesti, oletuksena kaikkien venttiilien yhtäaikainen purku suurimmalla virtaamalla. Tämä perustuu aiempiin laskentamenetelmiin, kuten API Std 520 ja 521 standardeihin.

Virtaustilanteiden analysoinnissa käytetään usein isoteerisiä prosesseja ottaen huomioon kineettisen energian vaikutus tai tarkempia likimääräisiä adiabattisia ratkaisuja. Painehäviöihin vaikuttavat hydraulinen kitkakerroin, putken pituus, sisähalkaisija, virtauksen Mach-luku ja muiden virtausparametrien vaihtelut. Kitkakerroin voidaan määrittää Reynolds-luvun ja putken karheuden perusteella. Virtausnopeuden ja tiheyden nopea vaihtelu erityisesti kaasuvirroissa vaatii purkutoiminnalta tarkkaa analyysiä, koska kaasu käyttäytyy purkausvaiheessa puristuvana virtana.

Lopulta purkuputkiston ja venttiiliverkoston suunnittelussa on otettava huomioon paitsi hydrauliset painehäviöt ja virtausominaisuudet, myös materiaalien kestävyys äärilämpötiloissa, mekaaniset kuormitukset sekä turvallisuusnäkökohdat, kuten onnettomuustilanteiden hallinta ja henkilökunnan suojaaminen. Venttiilijärjestelmän tehokkuus ja turvallisuus syntyvät monimutkaisesta tekniikasta, jossa yhdistyvät hydrauliikka, termodynamiikka ja prosessiturvallisuus.

Endtext

Miten venttiilijärjestelmien putkistot tulisi suunnitella turvallisuuden ja toiminnan varmistamiseksi?

Paineenalennus- ja purkujärjestelmien suunnittelu vaatii erityistä huomiota, sillä näiden järjestelmien toimintaympäristöt voivat vaihdella äärimmäisesti lämpötilan, paineen ja virtausolosuhteiden suhteen. Virtaus voidaan laskea isotermisin tai adiabattisin yhtälöin, mutta todellinen virtaustila sijoittuu useimmiten näiden väliin. Suositeltavaa on käyttää konservatiivisempaa isotermistä lähestymistapaa, mutta tietyissä olosuhteissa, kuten erittäin matalissa lämpötiloissa, adiabattinen malli voi olla soveltuvampi.

Verkoston simulaatiossa ohjelmistot, kuten Flarenet, Visual Flow ja Inplant, ovat keskeisiä työkaluja. Flarenet mahdollistaa yksittäisten tai useiden liekkijärjestelmien tasapainotilan suunnittelun ja pullonkaulojen poistamisen. Se voi säätää koko järjestelmän painetta ja melutasoa sekä paljastaa piileviä riskejä logistiikka- tai suunnitteluvaiheessa. Ohjelmiston visuaalinen käyttöliittymä esittää koko järjestelmän venttiileineen, liitoksineen, erottimineen ja flare-päineen.

Visual Flow tarjoaa tarkan staattisen simulaation tehdasturvallisuuden ja paineenalennusjärjestelmien osalta. Se käyttää teollisuusstandardeja kuten Beggs and Brill -menetelmää ja Lockhart–Martinelli-menetelmää monifaasivirtausten painehäviölaskennassa. Kriittisen virtausnopeuden tapauksissa tarkkuus varmistetaan erityisesti parannetuilla laskentamalleilla.

Inplant puolestaan on erityisesti suunniteltu tehdasputkistojärjestelmien hydrodynaamiseen analyysiin ja mitoitukseen. Se tukee uusien verkostojen suunnittelua ja olemassa olevien järjestelmien muutostyötä. Ohjelmisto hyödyntää samaa tietokantaa kuin PRO/II ja tarjoaa intuitiivisen käyttöliittymän, joka kattaa yksivaiheiset nesteet ja kaasut, höyryt ja seokset.

Paineenalennusjärjestelmän mekaanisen suunnittelun tulee olla yhtä huolellisesti tehty kuin prosessiputkistonkin. Ongelmia ilmenee usein enemmän kuin prosessijärjestelmissä, sillä purkuputkistot joutuvat kestämään vaihtelevia lämpötiloja, paineita sekä äkillisiä iskuja. Putkistot altistuvat lämpölaajenemiselle tai kutistumiselle, joka aiheutuu kuuman tai kylmän aineen virtaamisesta järjestelmään. Näiden aiheuttamat rasitukset sekä virtausiskut vaativat erityistä huomiota putkiston joustavuuden suunnittelussa. Ohjaimet, kiinnittimet ja sopivat putkistokonfiguraatiot voivat auttaa hallitsemaan lämpölaajenemista ja pysymään sallituissa rasitusrajoissa.

Putkiston asennuksessa on huomioitava useita käytännön näkökohtia. Putket tulee asentaa ilmaan, ja jokaisen purkulaitteen haaraputken tulisi liittyä kokoojaputkeen sen yläpuolelta, mikä estää nesteen takaisinvirtauksen. Uusissa projekteissa luonnollinen lämpölaajenemiskompensaatio on suositeltavaa, ja kompensaattorit tulee asentaa vaakasuoraan.

Liekkikaasu eroaa muista kaasuista siinä, että verkostossa kertyvä neste vaikuttaa suoraan turvallisuuteen. Putkiston tulee viettää erotinta tai vesitiivistettä kohti, ja kaltevuuden tulee olla vähintään 0,2 %. Mikäli putkistossa on matalakohtia, niihin on asennettava erotin tai nestesäiliö. Jos viettovaatimusta ei voida täyttää ja syntyy alimpia pisteitä, tulee sinne asentaa kondenssiveden keräys- ja siirtolaitteisto, kuten tyhjennyskanava tai tiputusputki. Koska erillisiä operoijia näille laitteille ei yleensä ole, kannattaa harkita automaattista ohjausjärjestelmää, joka sisältää myös korkeapinnan hälytyksen, jonka signaali ohjataan valvomoon tai vastaavaan.

Jokaisen tuotantoyksikön liekkikaasun haaraputki tulee liittää pääputkeen yläpuolelta ja 45° kulmassa, mikä vähentää painehäviötä ja reaktiovoimaa. Huolto- ja turvallisuussyistä putkistoverkosto kannattaa jakaa alueisiin venttiileillä, jotka voidaan lukita tai sinetöidä. Mikäli venttiilin asentaminen ei ole mahdollista, on harkittava sokkolevyjen käyttöä. Venttiilit on merkittävä asennon mukaan (auki, kiinni, auki-aste).

Mikäli eri kokoojaputket on valmistettu eri materiaaleista, ja takaisinvirtaus on mahdollista, on laadukkaampi materiaali asennettava vähintään 10 metrin matkalle prosessiolosuhteiden muutosta edeltävästi. Jos tehdasverkosto kattaa useita alueita, ja kullakin alueella on useita yksiköitä, tarvitaan rajausventtiilejä. Kaikki venttiilit on varustettava selkeillä asennon osoittimilla.

Ennen verkoston käyttöönottoa on suoritettava ilmanpoisto puhdistuskaasulla. Myös käytöstä poistoa ja huoltoa ennen järjestelmä on puhdistettava niin, että liekkikaasu palaa loppuun asti. Vasta kun tämä on toteutettu asianmukaisesti, voidaan tehdä kuumia töitä.

On tärkeää, että lukija ymmärtää, kuinka purkuputkiston toiminta ei ole pelkkää mekaanista toteutusta, vaan järjestelmän jokainen osa vaikuttaa kokonaisuuden dynaamiseen vakauteen. Kaasujen kondensoituminen, virtausdynamiikka kriittisissä pisteissä ja materiaalien yhteensopivuus ovat tekijöitä, jotka määrittävät paitsi järjestelmän kestävyyden myös sen turvallisuustason. Ohjelmistotyökalujen käyttö on tehokas tapa hallita näitä monimutkaisia vuorovaikutuksia, mutta niiden tarjoama tarkkuus ei korvaa järjestelmällistä insinööritietoa ja käytännön suunnitteluosaamista.

Mikä vaikuttaa liekin palatessa turbiinijärjestelmään ja sen turvallisuuteen?

Palaminen ja liekin takaisinvirtaus voivat aiheuttaa vakavia vaaroja ja tuhoisia räjähdyksiä, jos liekin palatessa tapahtuu ei-toivottuja olosuhteita. Sellaisten järjestelmien, kuten liekinpolttimien, jotka eivät ole asianmukaisesti suojattuja, on oltava tarkasti valvottuja ja suojattuja, jotta liekinpalautus ja räjähdykset voidaan estää.

Liekin takaisinvirtauksen nopeus voi olla merkittävästi suurempi kuin liekin työntönopeus, mikä voi johtaa räjähdykseen. Jos liekin työntönopeus ja takaisinvirtausnopeus lähestyvät toisiaan, voi tornihyllyn sisällä syntyä suhteellisen vakaa palaminen. Tämä taas voi johtaa ylikuumenemiseen ja mekaanisiin vaurioihin. Palamisen jatkuminen pitkiä aikoja voi riittää lämmittämään tornin runkoa, jos ilmaa pääsee liikaa sisään eikä riittävää suojakaasua käytetä. Useat tekijät voivat aiheuttaa palavan seoksen muodostumista: tyhjiöjärjestelmän liittäminen liekkiin, kevyempiä kaasuja, kuten vetyä, pääsee liekkiin, tiivistyminen tai nopea jäähdytys, paineenrajoittimen poisto ja niin edelleen. Kaikki nämä voivat aiheuttaa vaaran, jos liekkiin pääsee ilmaa tai happea ja syttyy.

Suojakaasun tai inertin kaasun käyttö voi estää liekin paluuta, mutta tätä lähestymistapaa on käytettävä huolellisesti. Inertin kaasun käyttämisen etu on liekin palatessa estäminen, mutta haittana on, että kaasun vähäinen poltettavuus voi estää liekin kunnollisen syttymisen tai sammuttaa sen kokonaan. Tässä tilanteessa on tärkeää, että käytettävän inertin kaasun lämpöarvo on riittävä liekin ylläpitämiseksi. Inertin kaasun käyttö saattaa olla kallista, eikä sen jatkuva saatavuus ole aina taattua, mikä tekee tästä lähestymistavasta haasteellisen tietyissä ympäristöissä.

Puhdistuskaasun käyttö on keskeistä liekkiin pääsevän ilman estämisessä. Tämä voi olla esimerkiksi typpeä, maakaasua tai metaanipitoista polttoainetta, mutta höyryä ei suositella, koska se voi tiivistyä ja aiheuttaa ilmatilavuuden vähenemisen, jolloin ilmaa pääsee järjestelmään. Puhdistuskaasu on välttämätöntä säilyttämään oikea paine ja estämään palavan kaasun seoksen muodostumista, joka voi johtaa räjähdyksiin tai palamisongelmiin.

Lisäksi, jos palaminen tapahtuu useissa eri liekeissä, on oltava huolellinen, että paine-ero eri liekkiputkien välillä ei aiheuta ongelmia. Jos vesi tiivistyy ja järjestelmässä on negatiivista painetta, tämä voi aiheuttaa ilman pääsyn järjestelmään, mikä taas johtaa mahdollisiin vaaratilanteisiin, kuten liekin leviämiseen väärään paikkaan ja räjähdykseen. Veden tiivistysosat, kuten vedenestotankit, täytyy suunnitella niin, etteivät ne vaurioidu räjähdysten aikana, sillä räjähdyksen paine voi olla jopa 7–8 kertaa suurempi kuin kaasun normaali paine.

On tärkeää muistaa, että liekinpalatuksen riski ja räjähdysvaarat ovat todellisia, erityisesti silloin, kun palamisnopeus ja liekin ejection-nopeus ovat lähellä toisiaan. Kaikki toimenpiteet, kuten suojakaasun käyttö, inertin kaasun lisääminen ja vedenestotankkien asianmukainen suunnittelu, ovat elintärkeitä turvallisuuden varmistamiseksi ja liekkiin liittyvien ongelmien ehkäisemiseksi.

Miten ennustetaan alhaisin lämpötila purkautumisprosessissa ja sen vaikutus materiaalivalintaan?

Alhaisen lämpötilan arviointi purkautumisprosessissa on kriittinen osa suunnitteluprosessia, erityisesti silloin, kun kyseessä on kaasu- ja öljyteollisuuden putkistot ja laitteistot. Yksinkertaistettu lämpötilan laskenta antaa vain karkean arvion minimiarvosta, mutta tämä voi olla riittävä, jos alhaisen lämpötilan ei odoteta laskevan niin alas, että erityisiä materiaaleja tarvitaan. Mikäli alhaiset lämpötilat voivat olla lähellä materiaalirajojen rajaa (esimerkiksi hiiliteräkselle ja ruostumattomalle teräkselle), suositellaan tarkempaa laskentamenetelmää. Tässä yhteydessä prosessisimulaatio-ohjelmistoja voidaan käyttää arvioimaan tarkempia lämpötiloja, erityisesti kun otetaan huomioon ympäristön lämmönsiirto säiliön seinämään. Tämä tarkoittaa, että suunnittelulämpötila ei ole sama kuin nesteen minimilämpötila.

Lämpötilalaskelmien tarkentamiseksi voidaan käyttää ei-lineaarisia termodynamiikan aikaperusteisia analyysimenetelmiä, jotka ottavat huomioon kaikki tekijät, jotka voivat vaikuttaa jäähdytysvaikutukseen. Tällaiset tarkat laskelmat voivat tuottaa tilapäisiä lämpötilakäyriä purkautuvan tilavuuden ja vastaavien nesteen lämpötilakäyrien kanssa, jolloin saadaan realistisempi kuva prosessista.

Yksi keskeinen tekijä, joka tulee ottaa huomioon, on se, kuinka ympäristön lämpötilan muutokset vaikuttavat kaasun lämpötilan laskentaan purkautumisprosessissa. Kuvassa 10.3 esitetään isentropisen laajentumisen ja todellisen prosessin välinen ero. Isentropinen laajentumislinja kuvaa kaasun laajentumista prosessissa, jossa ei oteta huomioon ulkoisia tekijöitä, kuten ympäristön lämmönsiirtoa. Todellinen prosessi sen sijaan huomioi sen, että kaasu ei saavuta "isentropista lämpötilaa", koska putkistojen ja laitteiden lämmönsiirto ympäristöön estää tämän.

Isentropinen laajentuminen on ideaalinen prosessi, jossa entropia pysyy vakiona, ja se kuvastaa tilannetta, jossa ei tapahdu lämpösiirtoa. Toisaalta isenthalpinen laajentuminen on irreversiibeli prosessi, jossa entalpia pysyy vakiona. Tämän prosessin aikana kaasun lämpötila laskee, mutta prosessi on epälineaarinen, eikä se ole täysin palautuva, kuten isentropinen laajentuminen.

Lämpötilan laskenta on erityisen tärkeää silloin, kun kaasun paine laskee purkautumisventtiilin tai virtauksenrajoituslevyn läpi. Tässä vaiheessa tapahtuvaa lämpötilan laskua kutsutaan Joule-Thomsonin ilmiöksi, jossa kaasun lämpötila laskee paineen vähenemisen myötä. Tämä sääntö pätee useimpiin kaasuihin, joita käytetään öljy- ja kaasuteollisuudessa, mutta vety ja helium käyttäytyvät poikkeavasti ja voivat jopa lämmetä paineen alentuessa.

Gaasujen koostumuksen vaikutus alhaisten lämpötilojen syntymiseen tulee myös ottaa huomioon. Esimerkiksi metaanin ja etaanin isentropisessa ja isenthalpisessa laajentumisessa lämpötilan muutokset eroavat toisistaan. Metaanin isentropinen laajentuminen tuottaa suuremman jäähdytyslämmön, kun taas etaanin isenthalpinen laajentuminen aiheuttaa voimakkaamman jäähdytyksen. Tämän vuoksi suunnittelijoiden on tärkeää huomioida kaasuseosten koostumuksen vaikutus lämpötilan laskentaan. Erilaiset komponentit voivat tuottaa eritasoisia lämpötiloja putkistossa tai purkautumisventtiilin kohdalla, mikä vaikuttaa materiaalien valintaan ja putkistojen kestävyyteen.

Kineettisen energian vaikutus kaasun lämpötilaan on myös otettava huomioon erityisesti silloin, kun kaasun virtausnopeus on korkea, kuten paineenpoistoventtiilin tai virtauksenrajoitusorificelevyn alapuolella. Virtausnopeuden kasvu johtaa energian osittaiselle muuntumiselle kineettiseksi energiaksi, mikä aiheuttaa putkiston ja nesteen lämpötilan laskua. Korkea virtausnopeus voi alentaa kaasun lämpötilaa jopa yli 30 °C, mikä korostaa sen merkitystä suunnittelussa. Tämä energiaero voidaan mallintaa termodynamiikan yhtälöillä, ja on tärkeää huomioida se paineenpurkauksessa.

Metallin lämpötilan huomioiminen tässä yhteydessä auttaa ennustamaan tarkemmin putkien ja laitteistojen lämpötilarajoja. Putkistojen kaasu saattaa saavuttaa alhaisimmat lämpötilat erityisesti venttiilissä tai virtauksenrajoituslevyssä, missä virtausnopeus on suurimmillaan. Tällöin kaasu voi jäähtyä nopeasti ja aiheuttaa materiaalien haurauden. Kuitenkin, kuten grafiikoista 10.4 ja 10.5 käy ilmi, kineettisellä energialla ei ole merkittävää vaikutusta metallin lämpötilaan, erityisesti jos virtausreitti on suurempi. Tällöin on mahdollista ennustaa metallin lämpötila pelkän kaasun lämpötilan perusteella.

Alhaisten lämpötilojen ja purkautumisprosessien analyysi on monivaiheinen ja vaatii huolellista laskentaa. Kaasujen koostumus, virtausnopeus, ympäristön lämpötila ja kineettisen energian vaikutus ovat kaikki tekijöitä, jotka voivat muuttaa ennustettuja lämpötiloja ja vaikuttaa materiaalien valintaan. Erityisesti putkistojen ja laitteistojen suojaaminen jäähtymisvaikutuksilta vaatii tarkempia simulaatioita ja ennusteita, joiden avulla voidaan varmistaa turvallinen ja kestävä käyttöolosuhteiden hallinta.

Miten valmistetaan ravitsevia ja maukkaita kasvisruokia viikonlopun brunssille?
Miten maailma ja ihminen voivat jälleen nousta raunioistaan?
Miksi juuri viivapiirros on paras tapa oppia piirtämään kasveja?
Presidentin valta, skandaalit ja harhautukset: Nixonin ja Watergaten vaikutus