4JASP – 4as Jornadas Argentinas de Seguridad de Procesos
DETERMINACIÓN DE REQUERIMIENTOS DE ALIVIO
CONSIDERANDO TIEMPO, COSTO Y ALCANCE EN
PROYECTOS DE INGENIERÍA
Patricio Higgins, Luis Baikauskas y Federico Parkkulainen
Hytech Ingeniería
Suipacha 1111 – Piso 5° (C1008AAW) - Ciudad Autónoma de Buenos Aires
phiggins@hytech.com.ar
Resumen. Un aspecto fundamental de la seguridad de los procesos en el desarrollo de
ingenierías conceptuales y básicas es el análisis del génesis y evolución de escenarios de
sobrepresión. Forma parte de las incumbencias del ingeniero de procesos predecir estos
eventos, determinar los requerimientos de alivio asociados, dimensionar y verificar los
dispositivos de alivio de presión a partir de los anteriores y, finalmente, generar la
documentación técnica concerniente a dichos dispositivos. Cabe destacar que en el sinfín de
normativas existente la determinación de los requerimientos de alivio es el ítem de los
mencionados anteriormente menos estandarizado y, por ende, su práctica se encuentra
ligada esencialmente, salvo excepciones particulares, al know-how de cada una de las
empresas de ingeniería.
En la industria actualmente existen dos enfoques principales en lo que a determinación de
requerimientos de alivio se refiere: Métodos Convencionales y Simulaciones Dinámicas.
Nosotros encontramos, en lo que a determinación de requerimientos de alivio se refiere, que
tanto la aplicación de los métodos convencionales o tradicionales como de los modelos
dinámicos puede resultar poco conveniente. Esto se debe a que al aplicar los primeros,
típicamente conservadores, si bien se logran resultados rápidos se obtienen generalmente
sistemas de alivios y venteos sobredimensionados que devienen en ingenierías que
requieren grandes inversiones económicas. Por otro lado, al aplicar los segundos los
tiempos de ingeniería relacionados con la seguridad de procesos crecen exponencialmente.
Con el objetivo de afrontar estos desafíos, a lo largo de los años y con el correr de los
proyectos nuestra empresa desarrolló y mejoró en forma continua procedimientos para
dichos cálculos acordes a cada etapa y tipo de ingeniería en pos de llevar a la práctica
nuestra experiencia y conocimientos en los plazos y en los entornos mencionados.
Como ejemplo concreto de aplicación de dichos procedimientos se presenta el cálculo de
los requerimientos de alivio de la contingencia normalmente dimensionante de los
dispositivos de alivio de presión de torres fraccionadoras. Los resultados se cotejan con los
de los métodos convencionales y con los de una simulación dinámica.
Palabras clave: Requerimientos de Alivio, Dispositivos de Alivio de Presión, Ingenierías
Conceptuales, Ingenierías Básicas
1. Introducción
En proyectos de ingeniería la seguridad de los procesos se encuentra orientada principalmente a prever
y reducir probabilidades de ocurrencia de incendios, explosiones y fugas accidentales de materiales
peligrosos que pueden llegar a dañar a las personas, a generar pérdidas económicas y a tener efectos
catastróficos a nivel medioambiental.
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Un aspecto fundamental de la seguridad de los procesos en el desarrollo de ingenierías conceptuales y
básicas es el análisis del génesis y evolución de escenarios de sobrepresión. Este análisis permite al
ingeniero de procesos obtener información suficiente para identificar los escenarios de sobrepresión
críticos y determinar sus requerimientos de alivio asociados (i.e. caudal de alivio y condiciones de alivio).
Estos últimos se traducen, luego de una serie de cálculos, en un área requerida de alivio que permite
seleccionar los dispositivos de alivio de presión adecuados para poder salvaguardar al sistema en estudio.
El objetivo principal del presente trabajo es presentar un enfoque distinto para la determinación de
requerimientos de alivio desarrollado por Hytech a lo largo de los años, utilizando los enfoques actuales
(métodos convencionales y simulaciones dinámicas) para contextualizar el mismo. Se hace uso de un
ejemplo para presentar la metodología propuesta y se compara los resultados con los que se obtiene
mediante los restantes enfoques.
2. Estudio de Contingencias en el marco de Ingenierías Conceptuales y Básicas
En lo que a seguridad de los procesos respecta, el estudio de contingencias consiste en analizar los
escenarios de sobrepresión, es decir, los desbalances o interrupciones de caudales normales de materia y/o
energía que originan escenarios de sobrepresión dentro de una unidad y proponer soluciones para
minimizar sus efectos. Se estudia la secuencia lógica de eventos originados en cada contingencia con el
mayor entendimiento posible de la operación y asumiendo que su sistema de control y seguridad responde
conservadoramente en lo que a requerimientos de alivio respecta. Estas consideraciones permiten
dimensionar los distintos dispositivos de alivio de presión de forma tal que respondan satisfactoriamente
ante cualquier contingencia para cualquier condición inicial.
En lo que a ingenierías básicas respecta, las tareas principales encuadradas en el estudio de
contingencias son las siguientes:
• Evaluación de las posibles contingencias: Se analizan las contingencias que puedan generar
acumulación de materia y/o energía con una magnitud tal que puedan desencadenar escenarios de
sobrepresión significativos. En esta etapa se estudia la secuencia lógica de eventos mencionada
anteriormente. Cabe mencionar que existe la posibilidad de efectuar, en ciertos casos,
modificaciones al sistema en estudio con el objetivo atenuar los efectos de la contingencia o,
directamente, eliminarla.
• Determinación de los requerimientos de alivio: Para las contingencias más demandantes que
surjan del análisis realizado en la etapa anterior se evalúa la manera más práctica de protección del
sistema, la ubicación de los dispositivos de alivio de presión y se determinan los requerimientos de
alivio.
• Dimensionamiento y verificación del área requerida para el alivio: A partir de los requerimientos
calculados se dimensiona el dispositivo de alivio de presión para que pueda proteger al sistema en
estudio ante la contingencia dimensionante.
• Diseño de la instalación: En esta etapa se dimensionan las líneas de entrada y salida del
dispositivo de alivio de presión.
• Documentación de Contingencias: La especificación de diseño debe incluir las contingencias más
severas consideradas junto con sus respectivos requerimientos de alivio y otra información
relevante calculada durante el estudio.
Todas estas tareas forman parte normalmente de las incumbencias del ingeniero de procesos, lo cual no
implica que algunas de las mismas puedan ser realizas en forma conjunta con otras especialidades.
Generalmente, el trabajo del ingeniero de procesos se encuentra dificultado y a veces limitado por
factores entre los cuales destaca el momento cuando se realiza el análisis mencionado, la cantidad y la
calidad de información disponible, y el tipo de proyecto que se realice.
Por un lado, el ingeniero de procesos asignado al estudio mencionado realiza dichas tareas
generalmente en paralelo con el diseño de procesos, lo que implica que la información que va a tener
disponible es de carácter preliminar, es decir, que puede verse alterada ante un cambio realizado durante
el diseño del proceso. Este entorno de información cambiante no solo dificulta la tarea a realizar sino que
también atrasa la misma. Debido a esto existe una preferencia de realizar el análisis lo más tarde posible,
es decir, en un momento donde los documentos de ingeniería que son necesarios para el estudio de
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contingencias se encuentran potencialmente inalterables. Cabe mencionar que es usual, durante las etapas
de diseño del proceso, realizar análisis de seguridad más modestos para previsualizar cambios que, en
etapas tardías de la ingeniería, podrían resultar en cambios sustanciales del diseño y en impactos
negativos en el proyecto.
El tipo de proyecto impacta también fuertemente en el desarrollo de estas tareas. En el caso de plantas
nuevas el número de grados de libertad es elevado, por lo cual los cambios visualizados en dicho estudio
son fácilmente aplicables ya que la planta se encuentra en una etapa no constructiva. Esto no es así en el
caso de plantas existentes, ya que en dichos proyectos se busca normalmente aumentar la capacidad y
minimizar los cambios a realizar.
3. Determinación de Requerimientos de Alivio
Dentro de todas las incumbencias del ingeniero químico anteriormente mencionadas, la determinación
de los requerimientos de alivio es la tarea menos estandarizada de todas, y, por ende, su práctica se
encuentra ligada esencialmente, salvo excepciones particulares, al know-how de cada una de las empresas
de ingeniería.
En la industria actualmente existen dos enfoques principales en lo que a determinación de
requerimientos de alivio se refiere: Métodos Convencionales y Simulaciones Dinámicas. Ambos se
encuentran brevemente descriptos con el objetivo de presentar y justificar las bases principales sobre las
cuales se sostiene el enfoque utilizado por Hytech para la determinación de los requerimientos de alivio.
3.1. Métodos Convencionales
Con el correr de los años del siglo XX se fueron desarrollando distintos métodos de cálculo con el
objetivo de poder determinar los requerimientos de alivio para cada una de las contingencias. Mediante
los mismos, se llevó a cabo durante mucho tiempo el dimensionamiento de todos los dispositivos de
alivio de presión que pueden instalarse en una planta. Estos métodos, por establecerse en virtud de
precedentes o costumbres, se los suele conocer con el nombre de Métodos Convencionales.
Los métodos convencionales están diseñados para poder determinar los requerimientos previamente
mencionados a partir de poca cantidad de información y en un tiempo relativamente bajo. La dificultad de
aplicarlos se encuentra atada a la complejidad de cada sistema pero, pese a esto, hasta en el caso más
complejo no se requieren tiempos de cálculo elevados ni mano de obra altamente capacitada. La
metodología está pensada para la capacidad de cálculo que se disponía hace años, en donde estudiar la
dinámica del sistema era algo sumamente costoso y restringido para pocos casos.
Estos métodos utilizan información relacionada con el proceso, balances de masa y energía
fundamentalmente, y con características principales del sistema, entre las cuales destacan las condiciones
de diseño, las dimensiones y las capacidades de los equipos involucrados. En ningún momento
contemplan parámetros que puedan proporcionar una idea de la respuesta dinámica del sistema una vez
ocurrido el evento desencadenante de la contingencia, tal como es el caso de parámetros y valores de set
de los controladores asociados al sistema, modelos dinámicos de los equipos involucrados, características
de válvulas de control, entre otros. En el mejor de los casos suponen la peor respuesta posible en lo que a
lazos de control y a dinámica de equipos se refiere que puede derivar en el mayor requerimiento de alivio
para una determinada contingencia.
Como consecuencia de esto último, los Métodos Convencionales no pueden interpretar lo que sucede
durante la evolución de la contingencia ni estimar los tiempos que dura la misma. En algunos casos esto
último es crucial ya que se puede estar considerando para el diseño del colector de venteos que dos alivios
originados por el mismo evento desencadenante son simultáneos cuando en realidad se encuentran
desfasados en tiempo. Análogamente podría ocurrir que se tome una contingencia como dimensionante
cuando, por su elevado tiempo de desarrollo, podría ser potencialmente desestimada asumiendo, tal como
recomienda API, que en dicho intervalo prolongado de tiempo un operador de la planta capacitado podrá
tomar acción y mitigar consecuentemente la contingencia en forma previa al alivio.
Una característica importante de estos métodos es que son generalmente conservadores debido a
suposiciones y asunciones que realizan. Normalmente la utilización de los mismos deriva en ingenierías
más caras debido al gran tamaño de los dispositivos de alivio de presión a instalar y del colector de
venteos asociado. Estos dispositivos también pueden presentar problemas operativos relacionados con el
funcionamiento de los mismos durante la operación normal y durante los alivios causados
fundamentalmente por el sobredimensionamiento, como por ejemplo el chattering. Cabe mencionar que
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existen determinados casos en los cuales los métodos convencionales pueden llegar a subdimensionar los
dispositivos de alivio de presión.
Estos métodos utilizan información que se encuentra normalmente disponible en todas las etapas del
diseño del proceso. Ante cambios en la misma, debido a su simplicidad, la actualización de los resultados
no requiere un tiempo adicional significativo. Teniendo en cuenta la cantidad de información que
requieren, la simpleza de los cálculos a realizar, la facilidad con la que puede actualizarse la información,
el bajo tiempo que insumen y la no necesidad de mano de obra altamente capacitada, la aplicación de
estos métodos, de acuerdo a nuestra experiencia, suele ser muy atractiva durante ingenierías conceptuales
o etapas tempranas de ingenierías básicas.
Estos métodos se encuentran fundamentalmente condensados en la bibliografía relacionada con el tema
y, en algunos casos, en prácticas o especificaciones de diseño de los distintos clientes, normas y/o
estándares asociados.
4.2. Simulaciones Dinámicas
Para fines del siglo XX y principios del actual, en forma conjunta con el avance de la capacidad de
cálculo de las computadoras, empezó el auge de las simulaciones dinámicas. Estas nacen de la necesidad
de estudiar la respuesta temporal de los sistemas ante las distintas perturbaciones. Esta información útil
permite, entre muchas otras cosas, vislumbrar formas de operar una planta de manera segura y rentable,
diseñar adecuadamente el sistema de control, optimizar el proceso productivo, facilitar la capacitación del
operador, solucionar problemas operativos y realizar análisis de despresurización. Adicionalmente, las
simulaciones dinámicas, en contraposición a los Métodos Convencionales anteriormente descriptos,
comenzaron a utilizarse también para la determinación de los requerimientos de alivio.
Las simulaciones dinámicas se confeccionan a partir de información relacionada con proceso,
características generales del sistema, y esencialmente, parámetros relacionados con la respuesta dinámica
del proceso, tal como lo son las características de los lazos de control, los modelos dinámicos de equipos,
entre otros. Al poder contemplar y, al mismo tiempo, procesar toda la información mencionada, no se
requiere realizar suposiciones y asunciones conservadoras para simplificar el sistema. Consecuentemente,
es posible, dependiendo de la calidad de la información suministrada, obtener de forma bastante certera la
variación temporal de los requerimientos de alivio para cada uno de los dispositivos de alivio de presión
involucrados en la contingencia. Esto evita claramente el problema de sobredimensionamiento no solo de
estos dispositivos, sino también del colector de venteos.
Normalmente la información necesaria para la elaboración de las simulaciones dinámicas rara vez se
encuentra disponible en su totalidad durante las etapas de ingeniería conceptual y básica. Esto hace que
para aplicarlas sea necesario caer en consideraciones varias. Es fundamentalmente necesario que, ante la
ausencia de información, las consideraciones realizadas sean de carácter conservador para asegurarse que
los requerimientos de alivio obtenidos sean confiables.
Otro aspecto importante que hay que resaltar en la confección de este tipo de simulaciones es la
necesidad de personal altamente capacitado en la materia y el número de horas-hombre elevado que se
requiere. Esto no solo encarece y alarga los tiempos de las ingenierías, sino que hace prohibitivo su
aplicación durante etapas de ingeniería tempranas. Teniendo en cuenta el entorno de información
cambiante anteriormente mencionado, en el cual está inmerso el ingeniero de procesos, recién resulta
factible la utilización de las simulaciones dinámicas para ese fin una vez se encuentren definidas y
congeladas las variables principales del sistema.
En nuestra experiencia, la aplicación de simulaciones dinámicas durante ingenierías básicas queda
supeditada a la necesidad de estudiar un sistema altamente complejo o los requerimientos específicos de
un estudio. No se justifica su aplicación en etapas conceptuales debido a las pocas definiciones que hay
relativas sistema y al consecuente gran número de consideraciones que se deberían realizar que
terminarían invalidando la confiabilidad de los resultados.
4.3. Enfoque usado por Hytech
Tanto los métodos convencionales como las simulaciones dinámicas presentan características tales que
los hacen más o menos adecuados para su implementación, en lo que a cálculos de requerimientos de
alivio respecta, durante los distintos tipos y etapas de ingeniería. Tal como se mencionó anteriormente, la
aplicación de los primeros se encuentra, en nuestra experiencia, más centrada a ingenierías conceptuales o
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etapas tempranas de ingenierías básicas, mientras que los segundos se utilizan en casos más puntuales por
necesidad o solicitud explícita de un trabajo durante las ingenierías básicas o etapas posteriores.
Con el objetivo de encontrar un enfoque intermedio entre los mencionados, a lo largo de los años y con
el correr de los proyectos nuestra empresa desarrolló y mejoró en forma continua distintos procedimientos
para determinar los requerimientos de alivio acordes a cada etapa y tipo de ingeniería en pos de llevar a la
práctica nuestra experiencia y conocimientos en los plazos y en los entornos mencionados. Los
procedimientos realizados se basan en modelos simplificados que no solamente contemplan el estado
estacionario inicial, previo a la presurización, y final, sino que también tienen en cuenta la secuencia de
los distintos estados intermedios por los que pasa el sistema durante la presurización. De esta forma se
intenta emular, mediante una sucesión de estados estacionarios, los estados intermedios que podrían
fácilmente visualizarse con una simulación dinámica. Estos procedimientos incluyen, además de uno o
varios modelos para poder determinar los requerimientos, una serie de verificaciones que deben evaluarse
con el fin de corroborar que los pasos intermedios sobre los cuales se basan los modelos son factibles.
Estos métodos se posicionan en forma intermedia entre los métodos convencionales y simulaciones
dinámicas. Tienden a parecerse más a los convencionales ya que requieren el mismo nivel de información
relativa al proceso y no necesitan parámetros relacionados con la respuesta dinámica del proceso, y
precisan prácticamente el mismo nivel de mano de obra. En lo que respecta a tiempos y capacidad de
cálculo computacional, los requerimientos son un poco mayores a los de los métodos convencionales,
pero siempre menores a los que se requerirían con una simulación dinámica.
Es importante resaltar que, pese a no tener como input parámetros dinámicos del sistema y no poder
dar una respuesta dinámica del mismo, estos modelos intentan representar los distintos estadios por los
que pasa el sistema. Esto hace que no se requieran consideraciones sumamente conservadoras y que los
requerimientos de alivio calculados sean más cercanos a los que se obtendrían en la simulación dinámica.
5. Caso de Estudio
Se presenta a continuación un caso de estudio con el objetivo de exteriorizar el enfoque utilizado por
Hytech para la determinación de requerimientos de alivio.
5.1. Descripción del Caso
El caso de estudio comprende una columna de destilación que permite la separación de una mezcla de
n-Pentano e i-Octano. Esta columna dispone de un número de platos y un caudal de reflujo adecuados que
conceden a la misma la capacidad de obtener concentraciones elevadas de n-Pentano e i-Octano en el tope
y en el fondo, respectivamente.
Los vapores que abandonan la columna (10850 kg/h) son direccionados hacia el Acumulador de
Reflujo de la misma previo paso por el condensador. Este último condensa en forma total los vapores de
cabeza. En el Acumulador mencionado se realiza el control de presión de la cabeza de la torre. La misma
se mantiene en 2.1 kg/cm²(g) mediante un sistema de blanketing que opera con nitrógeno proveniente de
un colector. La presión de diseño mecánico de la columna es 3.5 kg/cm²(g). El nivel del Acumulador se
encuentra controlado a partir de la corriente de destilado, mientras que el caudal de reflujo se regula
mediante una válvula de control accionada por un controlador de caudal.
En la parte inferior de la columna se encuentra integrado un reboiler (Stab-in) que vaporiza
parcialmente la corriente proveniente del último plato de la columna. El fluido calefactor del reboiler, en
este caso aceite térmico, se regula a partir de un controlador de caudal. El nivel de fondo se mantiene
modificando el caudal de fondo que abandona la columna.
La alimentación se realiza mediante un control de caudal que, teniendo en cuenta la diferencia reducida
que hay entre la presión operativa y la presión de diseño de la columna, puede seguir funcionado
correctamente hasta incluso durante el escenario de sobrepresión.
5.2. Requerimientos de Alivio de dispositivos asociados a Columnas de Destilación
La operación unitaria de destilación presenta a la hora de analizar evoluciones transitorias una
dificultad superior a muchas otras operaciones debido a la presencia de un número muy elevado de
variables, tanto variables de estado como composiciones, que describen completamente a cada uno de los
sub-sistemas que conforma la columna de destilación, y de transferencia de cantidad de movimiento,
energía y materia entre esos sistemas. En consecuencia, el análisis de las distintas perturbaciones sobre la
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columna de destilación requiere no solo realizar balances de materia y energía para estados transitorios
sobre los sub-sistemas mencionados sino que también es necesario estudiar la acción de los lazos de
control que están incluidos dentro del sistema.
La contingencia normalmente dimensionante de las válvulas de seguridad asociadas a columnas de
destilación es la “pérdida de condensación”. Esta contingencia se refiere al escenario de sobrepresión
originado por la imposibilidad de condensar parcial o totalmente los vapores provenientes de la cabeza de
una columna de destilación. Ante esta contingencia, los vapores no condensados comienzan a acumularse
en todo el sistema y provocan, consecuentemente, un aumento de presión que puede alcanzar rápidamente
la presión de diseño de la columna de destilación. Una vez alcanzado dicho valor, se requiere que la
válvula de seguridad alivie el caudal suficiente para evitar que la presión supere la presión acumulada
permitida según el código de diseño.
En esta contingencia las corrientes de alimentación y de salida de la columna de destilación, así como
también todos los caudales internos de la misma se ven modificados por el aumento de presión. En lo que
al reboiler se refiere, el aumento de presión mencionado genera un incremento de la temperatura de
equilibrio líq-vap del fluido y una disminución de la fuerza impulsora de la transferencia de calor que
tiende a mitigar el caudal de vapores generado o Boilup. Cabe destacar que, de acuerdo a qué esquema de
control automático tenga el reboiler, ante esta contingencia el caudal de fluido calefactor puede aumentar.
Este efecto puede amortiguar la disminución del caudal de vapores anteriormente mencionada. A la hora
del cálculo de los requerimientos de alivio debe contemplarse el efecto del lazo de control asociado al
reboiler ya que puede tener un efecto sustancial en los resultados obtenidos.
Por otro lado, en lo que a la alimentación de la columna se refiere, el aumento de presión mencionado
puede, de acuerdo a las características del sistema y los lazos de control asociados a dicha corriente,
modificar la velocidad de alimentación a la columna. Existen determinados casos en los cuales el
aumento de presión no es significativo y la fuente de presión que permite impulsar la alimentación puede
continuar llevando a cabo su cometido (normalmente casos con diferencia reducida entre la presión
operativa y la de diseño). Análogamente, existen otros casos en los cuales el aumento de presión en la
columna supera ampliamente la presión de la fuente anteriormente mencionada, dejando a la columna en
estudio sin alimentación (normalmente casos con diferencia significativa entre la presión operativa y la de
diseño). En el análisis relativo a la alimentación es fundamental predecir la acción de los lazos de control
y establecer si se toma crédito o débito por la acción o no acción de los mismos en función de los efectos
que provoquen.
Adicionalmente, el cambio de presión sumado a la variación de estos caudales principales y los
internos pueden provocar un aumento o disminución del holdup de los platos de la columna, así como
también de los niveles en el Acumulador de Reflujo o en el fondo de la columna que pueden modificar,
dependiendo de los lazos de control instalados, los caudales que abandonan la columna.
5.3. Requerimientos de Alivio de dispositivos asociados a Columnas de Destilación
Para la contingencia de Pérdida de Condensación, el volumen de control a evaluar debe contemplar la
columna de destilación propiamente dicha junto con los equipos asociados principales.
Con el objetivo de determinar los requerimientos de alivio para esta contingencia, se realizan las
siguientes consideraciones generales.
• Se considera para todas las variantes posibles a analizar que el condensador pierde su capacidad
completa de condensación.
• No se toma crédito por el caudal venteado o purgado mediante la acción de un lazo de control por
la línea asociada a la corriente de purga.
• Las condiciones de suministro de fluido calefactor se ven inalteradas. El reboiler continúa
generando vapores en el fondo de la columna.
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5.4. Requerimientos de Alivio de dispositivos asociados a Columnas de Destilación
De acuerdo al modelo que se plantea para esta contingencia, se considera la pérdida de la condensación
total en la cabeza de la columna de destilación en forma simultánea con la pérdida completa del reflujo.
La alimentación puede permanecer estable o verse reducida por efecto del aumento de presión de la
columna o de los lazos de control.
La pérdida conjunta de condensación y reflujo es un resultado natural en la mayoría de estos sistemas.
Por ejemplo, debido a un bloqueo sobre la línea de salida de incondensables los mismos se acumulan en
el condensador y anulan la función de este último, lo que a su vez termina anulando el reflujo líquido
hacia la columna. Muchas otras posibles causas disparadoras terminan en el mismo estado final.
Adicionalmente, se considera que el reboiler continúa operativo y que la línea de fondo puede o no
continuar con caudal en función de la dinámica del transitorio.
El aumento de presión debido a la imposibilidad de condensar los vapores que continúa generando el
reboiler provoca la apertura de la válvula de seguridad. Se considera que durante el alivio el sistema se
mantiene a la presión acumulada.
Se representa a continuación un esquema que representa todo lo mencionado.
Fig. 1: Esquema de la modelización de la columna. Se representa las corrientes que intervienen en la misma en el
momento de inicio de la contingencia (estado transitorio) y una vez alcanzado el nuevo estado estacionario.
5.4.1. Verificaciones Previas
En forma previa a la determinación de los requerimientos de alivio es necesario verificar ciertos puntos
fundamentales para establecer que la probabilidad de ocurrencia del alivio sea lo suficientemente alta
como para considerarlo para el dimensionamiento del dispositivo de alivio de presión.
•
Tiempo de presurización
El tiempo de presurización se define como tiempo que transcurre desde el preciso momento en el cual
se origina el evento desencadenante de la contingencia hasta que se alcanza la presión de diseño del
recipiente a proteger o de set de la válvula de seguridad. En algunos casos se acepta que para tiempos
mayores a 30 minutos el operador tiene tiempo suficiente, presumiendo que se encuentra adecuadamente
entrenado, para tomar medidas y mitigar la contingencia. Para poder considerar esto es necesario que el
mismo tenga aviso temprano de la situación anormal (alarmas).
Este criterio es acorde a lo establecido en el estándar API 521. Dicha norma indica que el rango de
tiempo comúnmente aceptado de respuesta del operador es entre 10 y 30 minutos, dependiendo de la
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complejidad de la planta. La efectividad de la respuesta depende de la dinámica del proceso.
Adicionalmente, para considerar la intervención del operador, el diseñador debe asegurar determinados
ítems relativos principalmente a alarmas y entrenamiento del operador.
El tiempo de presurización se puede estimar en forma aproximada y conservadora mediante la siguiente
ecuación.
donde:
tp: Tiempo de presurización
Ρ2: Densidad promedio del gas en condiciones de alivio
ρ1: Densidad promedio del gas en condiciones operativas
VT: Volumen total del recipiente (o sistema)
ṁBU: Caudal de Boilup en condiciones operativas normales
La densidad del gas en condiciones operativas normales (ρ1) puede asumirse igual a la correspondiente
al Vapor de Cabeza (V) de la columna. En forma aproximada puede determinarse la densidad del gas en
condiciones de alivio (ρ2) evaluando, a partir del simulador de procesos, una corriente con la composición
de los Vapores de Cabeza como vapor saturado a la presión acumulada de la válvula de seguridad.
Este método simplificado asume que la columna de destilación se presuriza a razón del caudal de
Boilup operativo. El tiempo de presurización se calcula como el cociente entre la masa de vapor necesaria
para presurizar la columna y el caudal normal de boilup (ṁBU). La masa necesaria para presurizar no es
más que la resta entre la masa final contenida en la columna una vez que se alcanza la presión acumulada
(VT ρ2) y la masa inicial que dispone la columna en condiciones operativas (VT ρ1). Este método
generalmente resulta en tiempos de presurización conservadoramente cortos. Esto se debe a que la
columna real genera menor cantidad de vapores a causa de varios fenómenos, siendo el fundamental la
reducción de caudal de Boilup originada principalmente por aumento progresivo de la temperatura de
equilibrio en el reboiler.
Se debe verificar que el tiempo de presurización no sea mayor a 30 minutos. Si el tiempo de
presurización resultante es menor a 30 minutos, puede concluirse que el operador no tiene tiempo
suficiente para actuar mitigando la contingencia. En caso de ser mayor a 30 minutos y disponerse de aviso
previo queda a juicio del procesista definir si esta contingencia debe ser evaluada.
•
Inventario durante la contingencia que justifique que la alimentación se mantiene
El sistema aguas arriba de la columna en estudio, así como también los lazos de control asociados
juegan un papel fundamental en el desarrollo de la contingencia. Por tal motivo, se debe verificar que el
inventario aguas arriba de la columna sea el suficiente para mantener el caudal operativo de alimentación
o uno menor durante el tiempo de presurización previamente calculado.
•
Determinar si el caudal de fluido calefactor se mantiene ante la contingencia analizada
Los eventos de sobrepresión son resultado de desbalances de materia y energía que por acumulación
y/o excesiva entrega de calor presurizan al sistema. La contingencia en cuestión no puede desarrollarse si
el evento desencadenante también provoca la pérdida del fluido calefactor y, consecuentemente, la
disminución del vapor generado en el reboiler.
Se debe verificar que ante el evento desencadenante a estudiar el fluido calefactor se mantenga o al
menos no se anule.
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.
•
Temperatura de saturación del fluido que ingresa al reboiler menor temperatura del fluido calefactor
Tal como se mencionó anteriormente, el aumento de presión en todo el sistema tiende a incrementar la
temperatura de equilibrio a lo largo de toda la torre. Podría suceder que la temperatura del fluido
calefactor se vea superada por la temperatura de equilibrio en el fondo del reboiler reduciéndose
lentamente el caudal de vapor generado a medida que se presuriza la torre hasta alcanzarse un caudal de
vapor muy reducido o nulo.
Se debe verificar que la temperatura de equilibrio no supere la temperatura de entrada del fluido
calefactor. Para ello se propone comparar conservadoramente la temperatura de ingreso del fluido
calefactor con la temperatura de burbuja a la presión acumulada de una corriente con la composición de
alimentación a la columna. En caso de ser mayor la temperatura de equilibrio que la temperatura del
fluido calefactor se concluye que la columna no se presurizará hasta la presión de alivio.
5.4.2. Descripción del método y esquemas de simulación
Esta contingencia se origina con un evento desencadenante que, según lo establecido anteriormente,
impide simultáneamente el suministro de reflujo a la columna de destilación y la condensación en la
cabeza de la misma.
Este evento provoca cambios sustanciales a lo largo de toda la columna y en los equipos asociados a la
misma. En primer lugar, la pérdida de condensación genera fundamentalmente una acumulación
indeseada de vapores a lo largo de la columna que tiende a aumentar su presión promedio. Se espera que
este aumento no sea instantáneo ya que en dicho proceso participan fenómenos simultáneos de transporte
de energía (Ej. aumento de las temperaturas de equilibrio, condensación en platos, etc.) que tienden a
reducir la producción de vapores en la torre. Adicionalmente, la pérdida de condensación provoca, pese a
la merma coincidente de reflujo previamente mencionada, una disminución del nivel en el Acumulador de
Reflujo hasta un determinado nivel o el vaciado completo del mismo dependiendo del lazo de control
asociado. Igualmente, más allá de la filosofía de control que se disponga en la cabeza de la columna, en
general puede desestimarse el gas blowby de vapor por el Acumulador de Reflujo durante la
contingencia.
Al mismo tiempo, la pérdida del reflujo lleva a una rápida disminución de los caudales líquidos
internos de la columna. Contemplando que el holdup de los platos de la columna es proporcional a estos
caudales, se espera que ante esta contingencia el nivel de los mismos tienda a contraerse. En lo que a los
platos de la sección de enriquecimiento o platos superiores respecta, la pérdida de reflujo y la
imposibilidad de condensar llevan a caudales internos nulos. Por lo tanto, se espera que los platos de esta
sección pierdan holdup hasta llegar a secarse por lo que esta sección pasa a comportarse como un caño de
gran diámetro con una pérdida de carga de plato seco para el caudal de alivio.
Por otro lado, la caída de la alimentación por los platos de la sección de agotamiento ayuda a los
mismos a mantener un holdup estable pero menor al del estado inicial. Se espera, consecuentemente, que
durante el alivio los platos asociados a esta sección interactúen con el vapor generado por el reboiler. La
reducción significativa de caudales líquidos que se da en esta sección puede afectar la eficiencia de los
platos.
A lo largo de toda la evolución de la contingencia se espera que el caudal de la corriente de boilup
disminuya significativamente en relación a su condición operativa normal. Esta disminución se debe en
principio a tres grandes fenómenos que pueden darse en forma conjunta. En primer lugar, la merma total
del reflujo impacta en el caudal de alimentación al reboiler provocando, por un lado, una disminución
significativa del coeficiente de transferencia global del reboiler. Por otro lado, la disminución de caudal
mencionada genera un aumento de la fracción de vaporización del equipo que, al tratarse de una mezcla
multicomponentes, origina un aumento de la temperatura de equilibrio con un consecuente decremento de
la diferencia media logarítmica en el reboiler. Además, la diferencia media logarítmica también se ve
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afectada durante la presurización debido al aumento de las temperaturas de equilibrio. Adicionalmente, en
determinados equipos, un caudal muy bajo de alimentación puede generar una disminución del nivel
operativo del equipo con una consecuente disminución del área de intercambio.
Cabe mencionar que la disminución del caudal de alimentación al reboiler puede no ser instantánea
debido a que en los primeros instantes todavía se dispone de inventario en los platos para continuar
alimentando al reboiler a una velocidad similar a la operativa o posiblemente mayor (Ej. El líquido de los
platos cae a mucha velocidad). En lo que respecta al caudal de fluido calefactor del Reboiler, en función
de la filosofía de control asociada al duty del reboiler, puede suceder que el caudal aumente por encima
del caudal operativo. No se contempla la pérdida del mismo.
Una vez establecido el caudal de alivio, el sistema tiende hacia un nuevo estado estacionario
caracterizado por una corriente de alimentación con un caudal igual o menor al operativo, la entrada de
reflujo completamente anulada y un caudal de boilup menor al operativo. La columna en este nuevo
estado estacionario opera a la presión acumulada y presenta la sección de enriquecimiento completamente
seca y la sección de agotamiento operativa con un caudal de líquido suministrado por la alimentación y un
caudal de vapor generado por el reboiler. El caudal y la composición de alimentación al reboiler queda
íntimamente relacionada con la transferencia de materia que sufre la alimentación a medida que baja por
los platos. Los vapores que abandonan la sección de agotamiento son aliviados por la válvula de
seguridad ubicada en la cabeza de la columna.
El caudal de alivio en este nuevo estado estacionario mencionado puede calcularse utilizando el
siguiente esquema de simulación.
Fig. 2: Esquema de Simulación correspondiente al estado estacionario alcanzado en forma posterior a la pérdida de
condensación y reflujo simultánea. Esquema a utilizar para reboilers Stab-In o Kettle.
Para este esquema de simulación debe fijarse una la corriente de alimentación idéntica a la corriente de
alimentación a la torre en condiciones de alivio. El caudal de vapor de la alimentación se direcciona hacia
el alivio, mientras que el caudal líquido se pone en contacto con el boilup generado por el reboiler en una
torre que representa los platos inferiores de la columna estudiada. Por lo tanto, el caudal a aliviar por el
dispositivo de alivio de presión resulta de la suma entre el vapor que ingresa por la alimentación en
condiciones de alivio (corriente 3) y el que abandona la sección de agotamiento de la columna (corriente
5).
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Cabe resaltar que el intercambiador de calor debe ser simulado contemplando la transferencia de calor
asociada a la geometría del mismo y que, tal como está planteado el esquema, es posible dejar asentado el
margen que se utiliza en el caudal de fluido calefactor para determinar los requerimientos de alivio.
El Esquema de simulación presentado considera que la sección de agotamiento de la columna, sin
importar que caudales internos tenga, opera adecuadamente con una eficiencia de plato igual a la que se
tenía durante la condición operativa. Consecuentemente, se espera que durante este nuevo estado
estacionario la sección de agotamiento condense una parte de los vapores generados en el reboiler. De
acuerdo a la mayoría de los casos estudiados, se observa que el caudal de vapor en el fondo puede llegar a
ser hasta un orden de magnitud mayor al caudal de alivio. Esta gran diferencia lleva a pensar que una
fluctuación en el caudal del fluido calefactor o en el caudal de alimentación podría hacer que se requiera
aliviar un caudal mucho mayor.
En forma previa a alcanzar el estado estacionario mencionado el sistema pasa por muchas
particularidades que podrían llegar a generar, dependiendo de las características del sistema y del evento
desencadenante, requerimientos de alivios mayores al calculado, dejando sin efecto el esquema anterior.
Teniendo en cuenta que sin un análisis más detallado no se puede asegurar que la sección de
agotamiento de la columna pueda operar mitigando el caudal de vapores del reboiler, se opta por otro
esquema de simulación que no incluya la misma.
Fig. 3: Esquema de Simulación para la determinación del caudal de vapor generado por el reboiler con una composición
de alimentación. Esquema a utilizar para reboilers Stab-In o Kettle.
La corriente que ingresa a la columna de destilación en estudio se utiliza, en este caso como corriente
de alimentación (corriente 1). Esta misma se lleva al punto de burbuja. A la corriente en dicha condición
se le fija un caudal másico equivalente al que circula por el reboiler en condiciones operativas.
Finalmente, la corriente a parir de la cual se determinan los requerimientos de alivio es la corriente 7.
Al igual que en el esquema anterior, se debe contemplar la geometría del reboiler y dejar asentado el
margen que se utiliza en el fluido calefactor para determinar los requerimientos de alivio.
Cabe mencionar que este esquema de simulación debe ser implementado cuando la alimentación
presenta fracciones de vaporización reducidas. En caso de tener alimentaciones con fracciones de
vaporización elevadas, se deben incorporar modificaciones al esquema planteado.
5.5. Descripción del método y esquemas de simulación
Existe un número de métodos convencionales que pueden llegar a utilizarse para determinar los
requerimientos de alivio para esta contingencia. Se selecciona el método comúnmente conocido como
“Caudal de Vapor de Cabeza Bruto”.
Este método asume que ante la contingencia evaluada el caudal que requerirá aliviarse será equivalente
al caudal de vapor que abandona la columna de destilación durante la operación normal a la presión
acumulada.
Para la estimación de los requerimientos de alivio mediante este método puede implementarse el
siguiente esquema de simulación.
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Fig. 4: Esquema de Simulación para la determinación del caudal de alivio de acuerdo al método convencional “Caudal de
Vapor de Cabeza Bruto”
La corriente de alimentación a esta simulación debe ser idéntica a la corriente de tope de la columna de
destilación a estudiar. Dicha corriente se lleva hasta la presión acumulada. La corriente resultante debe
separarse para obtener por el tope y por el fondo una corriente de vapor y líquido saturados,
respectivamente.
Teniendo en cuenta que el caudal de vapor que abandona el separador bifásico es menor al caudal de
cabeza debido a la pérdida masa en forma de líquido, se requiere incrementar el caudal de vapor hasta
dicho caudal. Finalmente, los requerimientos de alivio de la válvula de seguridad pueden obtenerse a
partir de la corriente 5.
5.6. Resultados y comparación con simulación dinámica
Se presentan a continuación en forma gráfica los caudales de alivio obtenidos a partir del método
convencional, de los dos esquemas de simulación propuestos de acuerdo al enfoque Hytech y de la
simulación dinámica del sistema en cuestión.
Fig. 5: Representación gráfica de la funcionalidad temporal del caudal másico de alivio obtenido a partir de la simulación
dinámica desarrollada, sendos esquemas de simulación presentados, y el método convencional seleccionado.
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Es importante resaltar que en este gráfico el valor temporal nulo se corresponde con el instante en el
que comienza el alivio y no con el tiempo donde se presenta el evento desencadenante de la contingencia.
El gráfico muestra una ventana temporal de aproximadamente 4 minutos. Para valores por encima de éste,
el caudal de alivio y los restantes parámetros de la simulación se mantienen estables. Los caudales de
alivio correspondientes al Esquema de Simulación 1, Esquema de Simulación 2 y al método convencional
se encuentran representados, a diferencia del correspondiente a la simulación dinámica, a lo largo del
tiempo como una constante. Esto se debe fundamentalmente a que estos métodos son de carácter
estacionario y, por ende, proporcionan un valor fijo a partir de distintos balances de masa y energía. Los
mismos, tal como se mencionó en su descripción, no disponen de herramientas para predecir variaciones
de los distintos parámetros en función del tiempo.
Tal como puede observarse en el gráfico presentado, la simulación dinámica predice un caudal de
alivio creciente que se satura rápidamente aproximándose al valor de caudal calculado mediante el
Esquema de Simulación 1. Además, para tiempos mayores a 150 seg, se observó que los restantes
parámetros que definen los requerimientos de alivio (temperatura, masa molar, factor de compresibilidad,
etc.) obtenidos mediante la simulación dinámica y el esquema mencionado coinciden. De cierta forma
estas similitudes permiten verificar, para este caso, que el comportamiento estático simulado con el
Esquema Simulación 1 representa el nuevo estado estacionario una vez estabilizada la simulación
dinámica.
Por otro lado, en este caso y de acuerdo a nuestra experiencia con otros sistemas, tanto el Método
Convencional como el Esquema de Simulación 2 predicen un caudal másico de alivio conservador, mayor
al calculado por la simulación dinámica.
En el gráfico puede observarse que los caudales de alivio resultantes del Método Convencional y el
Esquema de Simulación 2 son muy similares. Si a partir de estos caudales, junto con las condiciones de
alivio (temperatura, masa molar, etc.), se calculan las áreas requeridas del dispositivo de alivio de presión
se obtienen los siguientes resultados.
2500
Área de Alivio Requerida [mm2]
2000
1500
1000
ORIFICIO M
2323 mm2
ORIFICIO L
1841 mm2
ORIFICIO K
1186 mm2
SIMULACIÓN
DINÁMICA
1554 mm2
500
ESQUEMA DE
SIMULACIÓN
1
1541 mm2
ESQUEMA DE
SIMULACIÓN
2
1802 mm2
MÉTODO
CONVENCIONAL
1847 mm2
0
Fig. 6: Gráfico con el área requerida calculada con la simulación dinámica desarrollada, sendos esquemas de simulación
presentados, y el método convencional seleccionado.
Para el método convencional, pese a presentar un caudal similar al Esquema de Simulación 2, se
requiere un área de alivio mayor debido a las diferentes características de la corriente de alivio.
Es importante resaltar que éste es un caso puntual y no representa absolutamente todos los casos de
pérdida de condensación. De hecho, Hytech ha experimentado que el uso de los métodos convencionales,
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sin un análisis más profundo del sistema, puede llevar a distintos resultados. En ciertos sistemas, como en
este caso, se llega a resultados conservadores mientras que existen otros en los cuales se puede terminar
subdimensionando los dispositivos de alivio de presión.
6. Conclusiones
A lo largo del trabajo se presentó el enfoque de análisis normalmente utilizado por nuestra empresa
para la determinación de requerimientos de alivio de una cierta contingencia seleccionada. Con el
objetivo de comparar, dicho enfoque se presentó en forma conjunta los dos enfoques utilizados en la
actualidad para determinar los requerimientos de alivio. Estos son los Métodos Convencionales y las
Simulación Dinámica.
Los métodos convencionales fueron y siguen siendo métodos muy utilizados para la determinación de
los requerimientos de alivio. Sus características principales lo hacen un enfoque óptimo para ser
aplicados, según nuestra experiencia, en ingenierías conceptuales o etapas tempranas de ingenierías
básicas. En el otro extremo, las simulaciones dinámicas representan una herramienta muy útil en lo que al
estudio de la dinámica de los sistemas se refiere. Estas proveen información muy valiosa que permite
llevar a cabo distintos análisis o cálculos, entre los cuales aparece la determinación de los requerimientos
de alivio. Teniendo en cuenta los tiempos que insume, la mano de obra altamente especializada que
requiere y el nivel de información que utiliza como input, en nuestra experiencia su utilización queda
restringida a casos puntuales donde el sistema sea extremadamente complejo o por solicitud explícita del
proyecto.
El enfoque propuesto en este trabajo fue desarrollado por Hytech a lo largo de los años debido a la
necesidad de lograr determinar los requerimientos de alivio en entornos de información cambiante
durante plazos temporales típicos de proyectos de ingeniería básica. Estos enfoques se basan en
procedimientos, métodos y verificaciones que fueron cuidadosamente concebidos para lograr un alcance y
calidad apropiados para la etapa de ingeniería mencionada y, sobre todo, obtener resultados confiables
que no comprometan la seguridad de la planta y su personal.
Este enfoque permite visualizar y considerar en forma práctica, mediante métodos y verificaciones
asociadas, parte de la dinámica del sistema sin incurrir en simulaciones dinámicas complejas.
Se presenta a continuación un cuadro comparativo para visualizar los puntos importantes de los
distintos enfoques tratados en este trabajo.
Método
Convencional
Tiempos de Cálculo
Requeridos
Enfoque
Hytech
Simulación
Dinámica
Muy bajos
Bajos-Moderados
Altos
Capacidad de Calculo
Computacional Requerida
Baja
Media
Alta
Requiere Mano de Obra
Altamente Capacitada
No
No
Si
Cantidad de Información
Requerida del Sistema
Baja
Media
Alta
Permite visualizar el
desarrollo de la contingencia
No, sólo estima
requerimientos de
alivio
No, pero permite
determinar requerimientos
de alivio en estadios
intermedios
Si
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Resultado Conservador
No Siempre
Siempre
Apto para la determinación de
requerimientos de alivio en
Ingenierías Conceptuales
Si
Si
Solamente para
Apto para la determinación de
realizar una estimación
requerimientos de alivio en
en etapas tempranas de
Ingenierías Básicas
la ingeniería básica.
Si
Depende de la
cantidad y calidad de
la información
utilizada y de las
consideraciones
realizadas
No
Sólo para sistemas
muy complejos o
solicitud explícita del
proyecto
Referencias
API 520-I. Sizing, Selection and Installation of Pressure-relieving Devices. Part I – Sizing and Selection.
API Standard 520, 9th Edition, July 2014. American Petroleum Institute. Washington, DC.
API 521. Pressure-relieving and Depressuring Systems. API Standard 521, 6th Edition, January 2014.
American Petroleum Institute. Washington, DC.
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