Qual a Importância do Projeto de Compressores, Equipamentos e Sistemas em Processos Industriais?

Os sistemas de compressor desempenham um papel fundamental nos processos industriais, especialmente em setores como o de petróleo e gás, onde a segurança e a eficiência operacional são primordiais. A correta definição de pressões de projeto e as considerações de segurança são aspectos cruciais para garantir a integridade do sistema e a proteção dos operadores.

Nos compressores de deslocamento positivo, a pressão de projeto da seção de saída precisa ser alta o suficiente para evitar que a válvula de segurança seja acionada com frequência devido a flutuações na pressão de operação. O ponto de ajuste da válvula de segurança da seção de saída pode ser baseado em tabelas de recomendação, como a Tabela 2.2, que fornece uma visão geral dos pontos de ajuste para diferentes pressões de saída.

Além disso, os trocadores de calor do tipo casco e tubos devem ser projetados considerando as combinações extremas de temperatura e pressão, sendo que o projeto da pressão do trocador deve estar alinhado com as normas de vasos de pressão. Quando o tubo de calor sofre ruptura, de acordo com o princípio 10/13 do padrão API, se a pressão de projeto do lado de baixa pressão for pelo menos 10/13 da pressão do lado de alta pressão, não é necessário instalar um dispositivo de alívio de pressão no lado de baixa pressão.

Para os tanques de armazenamento atmosférico e de baixa pressão, que possuem uma pressão de projeto superior a 1,03 bar, eles são tratados como vasos de pressão e seguem as especificações da ASME. Tanques como os API 650 e API 620, que são usados para armazenar líquidos sob pressão ou em situações de alto risco, têm padrões de design específicos para garantir a segurança do conteúdo armazenado. Os tanques API 650, por exemplo, têm uma pressão interna máxima de 0,172 bar, enquanto os tanques API 620 são usados em situações de alta pressão, não ultrapassando 1,03 bar de pressão interna máxima.

Em relação aos sistemas de flare, a prática recomendada é que o sistema de flare inclua um tambor de flare, um manifold de flare e um tambor de knockout, com uma pressão mínima de projeto de 3,5 bar. A pressão de projeto do sistema de flare normalmente varia entre 3,5 e 15 bar, dependendo da pressão máxima de trabalho ou do contrapressão máxima do sistema.

Quando se trata de sistemas de vácuo, é importante garantir que os equipamentos sujeitos a condições de vácuo sejam projetados para vácuo completo. Isso implica que a pressão de projeto do equipamento deve suportar pelo menos 3,5 bar de pressão. O vácuo pode ocorrer em várias situações, como durante o arranque, a parada e a regeneração de ventos, ou quando equipamentos isolados e resfriados apresentam condições de vácuo devido ao preenchimento com líquidos ou gases condensáveis.

Além disso, é necessário considerar que a temperatura de projeto não deve ser inferior à temperatura de radiação solar no ambiente, nem deve considerar condições de incêndio. Em equipamentos como tanques de esgoto subterrâneos, por exemplo, a temperatura de projeto deve ser inferior a 100 °C para atender aos requisitos de tensão. A temperatura mínima de projeto normalmente considera o valor mais baixo entre a temperatura mínima operacional, a temperatura mínima ambiente e a temperatura gerada por despressurização.

A segurança é sempre uma prioridade no design de sistemas industriais, e os sistemas de desligamento de emergência (ESD) têm o objetivo de proteger tanto o pessoal quanto os equipamentos. O sistema ESD pode ser ativado automaticamente ou por operadores para garantir a segurança em caso de anomalias processuais ou eventos externos. Esses sistemas podem ser configurados para prevenir danos a equipamentos e minimizar o risco para as pessoas.

Em projetos industriais, não se pode negligenciar o impacto da integridade dos sistemas em termos de pressões, temperaturas e segurança. Esses parâmetros devem ser meticulosamente analisados e aplicados com base em normas técnicas e exigências operacionais específicas, garantindo a estabilidade, segurança e eficiência do sistema como um todo.

Quais são os Métodos de Análise de Segurança de Processos e Como Eles Impactam a Gestão de Riscos?

A primeira abordagem, a metodologia "What if" (E se…), consiste em uma série de perguntas que visam identificar perigos associados ao processo. Este método é particularmente eficaz para sistemas de processos relativamente simples. A técnica segue uma ordem natural do processo, desde a matéria-prima até o produto final, analisando falhas nos equipamentos e erros operacionais. A principal vantagem desse método é sua simplicidade e rapidez na identificação de riscos, o que o torna adequado para análises preliminares.

Outro método amplamente utilizado é o de listas de verificação de segurança. Esse método é qualitativo e se baseia na experiência acumulada e nas lições aprendidas com acidentes passados. Através de uma lista de verificação previamente preparada, o processo ou sistema operacional é examinado item por item, assegurando que todos os itens do sistema de segurança sejam atendidos de acordo com as normas e regulamentos pertinentes. Este é um dos métodos mais tradicionais e simples em engenharia de segurança, utilizado em qualquer fase do ciclo de vida de um projeto ou sistema.

O método "What if" pode ser combinado com a lista de verificação de segurança para uma análise mais abrangente. Essa combinação ajuda a superar as limitações de cada método quando usados isoladamente, proporcionando uma abordagem mais robusta para a identificação e mitigação de riscos.

A Análise de Modos de Falha e Efeitos (FMEA) é outra abordagem eficaz, que divide o sistema em subsistemas e componentes, analisando possíveis falhas e seus impactos. Essa técnica permite que se identifique e classifique os modos de falha com base em sua probabilidade e gravidade, facilitando a priorização de ações corretivas.

A Análise de Árvore de Eventos (ETA) é outra técnica valiosa que começa com um evento inicial e analisa, passo a passo, os possíveis desdobramentos desse evento até sua conclusão, seja por sucesso ou falha. Essa abordagem ajuda a mapear os cenários de risco e a prever as consequências de eventos inesperados, considerando todas as possibilidades de evolução do acidente.

Além dos métodos já mencionados, existem outras abordagens equivalentes que podem ser utilizadas dependendo das circunstâncias e das necessidades da análise de segurança. Em qualquer caso, a análise de segurança de processos deve cobrir uma série de elementos fundamentais, como a identificação dos perigos do sistema, a revisão de eventos passados com consequências graves, as medidas de controle de engenharia e gestão, a avaliação das instalações no local e a consideração dos fatores humanos. A análise também deve avaliar o impacto potencial sobre a segurança e saúde do pessoal caso haja uma perda de controle no sistema.

Em relação à identificação de perigos, é necessário considerar dois fatores principais: o risco associado aos materiais envolvidos e o perigo introduzido pelo próprio processo de tratamento (tecnologia e equipamentos de processo). A identificação de perigos não se limita apenas à natureza dos materiais, mas também envolve uma análise das condições de produção. Por exemplo, a água em si não apresenta risco de explosão, mas, quando sujeita a altas temperaturas e pressões acima do ponto de ebulição, pode causar uma explosão de vapor. Portanto, a análise do processo de produção e das condições operacionais permite que se excluam substâncias de uma análise mais profunda, quando sua participação no risco for considerada insignificante.

Ao realizar a análise de segurança de processos, a definição clara dos símbolos e abreviações para os dispositivos de segurança, como os padrões da American Instrument Society (ISA-S5.1), também desempenha um papel crucial para a uniformidade e precisão na comunicação dos requisitos de segurança. Cada dispositivo de segurança deve ser descrito de maneira padronizada para evitar erros e mal-entendidos, especialmente quando se lida com sistemas complexos de engenharia de segurança.

Como Garantir a Segurança no Sistema de Medição e Manifold

A análise de segurança dos manifolds e separadores de medição é fundamental para garantir a integridade e a eficiência de estações de medição em instalações de engenharia de superfície de campos petrolíferos. Vários fatores críticos devem ser considerados para mitigar os riscos de sobrepressão, vazamento, falhas e outros problemas operacionais que podem comprometer tanto a segurança quanto a performance dos equipamentos. Neste contexto, dispositivos de proteção, como sensores de pressão e válvulas de segurança, desempenham um papel essencial.

Nos manifolds, por exemplo, a instalação de dispositivos como PSH (dispositivo de segurança contra sobrepressão) e PSL (sensor de nível de pressão) é uma prática comum e recomendada para proteger a integridade do sistema. Esses dispositivos devem ser capazes de monitorar a pressão do manifold e desativar as fontes de entrada caso a pressão atinja níveis perigosos. Se a pressão de cada seção do manifold for diferente, é imperativo que cada seção tenha um dispositivo de proteção individual. Para sistemas que utilizam sensores PSH e PSL, os sinais desses sensores devem ser configurados para desligar todas as fontes de entrada ao manifold, garantindo uma abordagem coordenada para a segurança.

No entanto, em certos casos, a instalação de PSH, PSL ou PSV (válvula de segurança de pressão) pode não ser necessária. Por exemplo, se cada fonte de entrada já for protegida por PSH e os dispositivos estiverem configurados com uma pressão de ajuste inferior à pressão máxima de trabalho do manifold, a instalação adicional de PSH no manifold não será obrigatória. Da mesma forma, em cenários onde o manifold está protegido por PSH ou PSL downstream, a instalação de dispositivos de proteção adicionais pode ser desnecessária, desde que esses dispositivos downstream não possam ser isolados do manifold.

O mesmo princípio se aplica aos separadores de medição. Esses equipamentos são vitais para o processo de medição e estão sujeitos a riscos como sobrepressão, vácuo, transbordamento, rompimento de gás, vazamento e superaquecimento. A proteção do separador contra esses riscos pode envolver a instalação de sensores PSH e PSL, além de válvulas PSV. Caso o separador esteja operando a pressões atmosféricas ou em condições onde o sistema downstream já oferece proteção adequada, a instalação desses dispositivos pode ser descartada.

A proteção contra sobrepressão em separadores de medição, por exemplo, é comumente realizada por sensores PSH que monitoram a pressão do fluido proveniente do cabeçote do poço. Caso a pressão atinja um limite perigoso, o sensor PSH deve interromper automaticamente o fornecimento de fluido ao separador. Em situações em que o separador apresente uma perda de pressão significativa devido a vazamento, o sensor PSL entra em ação, cortando o fornecimento para evitar danos ao equipamento. Se a pressão do separador se tornar negativa, é necessário instalar um sistema de suplementação de gás para restaurar a pressão adequada.

Além disso, a proteção contra transbordamento e vazamentos no separador de medição é realizada através de sensores LSH (sensor de nível de segurança alto) e LSL (sensor de nível de segurança baixo). Esses dispositivos são projetados para cortar o fornecimento ou fechar a saída líquida quando os níveis de fluido atingem limites críticos, evitando o transbordamento ou o rompimento de gás. A posição dos sensores LSH e LSL deve ser cuidadosamente planejada: o sensor LSH deve estar instalado acima do nível máximo de operação do líquido, enquanto o sensor LSL deve estar abaixo do nível mínimo de operação do líquido.

A instalação de dispositivos de proteção como PSH, PSL, PSV, LSH e LSL deve seguir rigorosos critérios de projeto, com o objetivo de garantir que esses sistemas não apenas atendam aos requisitos operacionais, mas também possibilitem a manutenção e testes periódicos sem interromper o processo. A prática de realizar a instalação desses dispositivos em locais de fácil acesso e com mecanismos de isolamento eficientes é fundamental para garantir que, em situações de emergência, a proteção seja rápida e eficaz.

Além disso, o processo de segurança deve ser constantemente revisado e atualizado, levando em consideração a evolução das tecnologias de sensores e válvulas de segurança, bem como os avanços em normas e regulamentações que regem a operação e segurança desses sistemas. O monitoramento contínuo e a manutenção preventiva são fundamentais para garantir que os sistemas de proteção estejam sempre operando de maneira eficiente, minimizando os riscos de falhas catastróficas.

Como Calcular e Dimensionar Válvulas de Segurança em Situações Críticas

No cálculo de válvulas de segurança para sistemas pressurizados, é crucial levar em consideração diferentes condições de descarga, como a liberação de líquidos e gases ou ainda o impacto de incêndios. A maneira tradicional de calcular a descarga líquida utiliza a fórmula (6.17), a qual estabelece que o coeficiente de descarga $K_d = 0,62$ e uma sobrepressão de 25% são aplicados. Para sobrepressões superiores a 25%, um fator adicional $K_p$ pode ser obtido na API Std 520, que trata do dimensionamento, seleção e instalação de dispositivos de alívio de pressão. A equação para o cálculo da área de passagem da válvula é dada por:

Onde:

• $p_s$ é a pressão de ajuste (pressão de manômetro) em kPa.

• $K_p$ é o fator de correção da sobrepressão, que é igual a 1 quando a sobrepressão é de 25%, e pode ser calculado para pressões mais altas na API Std 520.

Quando se trata de situações de descarga que envolvem tanto gás quanto líquido, os seguintes passos devem ser seguidos para garantir um dimensionamento correto da válvula de segurança: determinar a taxa de fluxo do gás e do líquido descarregados, calcular a área necessária para a descarga de cada um dos componentes e, por fim, somar essas áreas para obter o total necessário.

É importante observar que, em condições de incêndio, a liberação de uma válvula de segurança segue outro conjunto de diretrizes, conforme descrito pela API Std 521. Para o cálculo da descarga durante um incêndio, apenas uma das condições - expansão do gás ou evaporação do líquido - é selecionada para o cálculo. A fórmula utilizada para calcular a absorção de calor, necessária para determinar a capacidade da válvula em situações de incêndio, é dada por:

Onde:

• $Q$ é a absorção de calor em watts.

• $C_1$ é um valor que depende da presença ou não de instalações de combate a incêndio e da capacidade de descarga adequada, variando entre 43.200 e 70.900.

• $F$ é o fator ambiental, que pode ser encontrado na tabela 6.5.

• $A_{ws}$ é a área da superfície molhada, em metros quadrados.

Além disso, a fórmula (6.19) permite calcular o diâmetro do orifício de descarga da válvula para fluidos supercríticos expostos ao fogo:

Onde:

• $A'$ é a área do recipiente exposta ao fogo.

• $F'$ é um fator calculado pelas equações (6.20) e (6.21).

• $p_1$ é a pressão de liberação da válvula (pressão absoluta), que é composta pela pressão de ajuste, a sobrepressão permitida e a pressão atmosférica.

É necessário também calcular a quantidade de liberação de vapor, levando em consideração não apenas a taxa de absorção de calor, mas também a composição dos fluidos dentro do recipiente, que muda com o tempo devido às condições de incêndio. A equação (6.22) é usada para calcular a quantidade de liberação $q_{m,relief}$:

Quando se lida com cenários dinâmicos de incêndio, é fundamental que o modelo de simulação leve em conta não apenas as mudanças térmicas, mas também as alterações nas propriedades do fluido, como a sua composição e comportamento de fase.

Além disso, em situações críticas como incêndios, é necessário realizar cálculos dinâmicos para estimar com precisão a quantidade máxima de liberação de vapor. A simulação dinâmica em ambientes como o HYSYS permite observar as mudanças na pressão interna do recipiente, no nível do líquido e nas características do fluido liberado ao longo do tempo. Essas simulações são essenciais para otimizar a segurança dos sistemas e proteger tanto as instalações quanto as pessoas envolvidas.

Ao projetar um sistema de válvulas de segurança, especialmente para separadores trifásicos, deve-se garantir que a válvula de segurança esteja dimensionada para lidar com diversos cenários de sobrepressão simultaneamente, como bloqueios nas válvulas de controle ou situações de incêndio. Através do ambiente de análise de segurança do HYSYS, é possível definir e simular essas condições, inserindo os parâmetros de temperatura e pressão necessários para o dimensionamento adequado da válvula.

Ao realizar o dimensionamento da válvula, é fundamental que as condições de pressão e temperatura do dispositivo protegido não excedam as limitações máximas operacionais do equipamento. A configuração do ponto de ajuste da válvula (pressão de alívio) deve ser feita com base nas especificações do dispositivo protegido, garantindo que a válvula de segurança seja capaz de atuar de forma eficaz em situações extremas.