DISEÑO DE UNA VÁLVULA DE ALIVIO PARA TORRE DE DESTILACIÓN
MULTICOMPONENTE
Magda Manuela Hincapié Álvarez, Lic Amiris Perea Cuesta, Andrés Walterio Rosero,
Laura Isabel Tabares Agudelo.
Resumen
Debido a los problemas que puede presentar la sobrepresión en los equipos de proceso, para la torre de
destilación diseñada anteriormente se diseña una válvula de alivio de presión con el fin disminuir los
riesgos. Se selecciona una válvula de alivio de presión accionada por resorte. Para el diseño de esta se usó
el código ASME y estándares API.
Palabras claves: Válvula de alivio de presión, sobrepresión, válvula accionada por resorte.
Abstract
Due to the problems that the overpressure can present in the process equipment, for the previously designed
distillation tower a pressure relief valve is designed in order to reduce the risks. A spring-loaded pressure
relief valve is selected. For the design of this, the ASME code and API standards were used.
Keywords: Pressure relief valve, overpressure, spring-operated valve.
Torre de destilación
La torre de destilación multicomponente se
diseñó con el fin de separar el benceno de una
mezcla que contiene: nitrobenceno, tolueno,
benceno, agua, dióxido de carbono y monóxido de
carbono.
Dado que la sobrepresión puede causar problemas
en la torre, es necesario usar un sistema de alivio
de presión.
Tabla 1. Propiedades en el tope de la columna
Flujo gaseoso en tope (kg/h)
TTope (°C)
PTope (bar)
Diámetro (m)
Tnominal (in)
Tcorrosión (in)
S (MPa)
20040,4
122,4580
3,4103
1,5299
1/2
0,3
158
Válvula de alivio
Dado que se requiere diseñar una válvula de alivio
para el flujo gaseoso que sale por tope, esta estará
ubicada en la tapa superior de la torre.
Se tiene entonces que el espesor que soportará la
presión está dada por la ecuación 1.
𝑡 = 𝑡𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 − 𝑡𝑐𝑜𝑟𝑟𝑜𝑠𝑖𝑜𝑛
𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 1
𝑡 = 0,2 𝑖𝑛
Figura 1. Esquema de una columna de destilación
A continuación, en la tabla 1 se pueden observar
las corrientes de la columna de destilación
diseñada.
Ahora mediante el código (ASME, 2010) división
VIII División I UG-32, para tapas elipsoidales
sometidas a presión se establecen la ecuación 2
para determinar el valor de MAWP, donde t es el
espesor encontrado anteriormente, D es el
1
diámetro de la torre en pulgadas y E la eficiencia
de la junta igual a 1.
𝑃𝑀𝐴𝑊𝑃
2𝑆𝐸𝑡
=
𝐷 + 0,2𝑡
𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 2
𝑃𝑀𝐴𝑊𝑃 = 152,0832 𝑝𝑠𝑖𝑔
Para el dimensionamiento de la válvula se definen
las siguientes variables, del (API, 2000)
𝑃1 = 181,9915 𝑝𝑠𝑖𝑎
Es necesario clasificar el fluido en crítico o
subcrítico según el parámetro presión de flujo
crítico (API, 2000), donde se establece que:
𝑃𝐷𝑜𝑤𝑛𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚 ≤ 𝑃𝑐𝑓 → 𝐹𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑐𝑟í𝑡𝑖𝑐𝑜
(1)
𝑃𝐷𝑜𝑤𝑛𝑠𝑡𝑟𝑒𝑎𝑚 > 𝑃𝑐𝑓 → 𝐹𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑢𝑏𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐𝑜
(2)
Pcf está dado por la ecuación 5.
Se tiene que la presión acumulada se limita a
110% de PMAWP. Entonces
𝑃𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 = 1,1𝑃𝑀𝐴𝑊𝑃 = 167,2915 𝑝𝑠𝑖𝑔
𝑘
𝑃𝑐𝑓
2 𝑘−1
= 𝑃1 ∗ (
)
𝑘+1
𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 5
La presión de ajuste no debe exceder la máxima
presión de trabajo permisible (MAWP), esta será
la presión a la cual la válvula de alivio se abre. La
presión de diseño es a la cual el recipiente
comienza a fallar, por lo tanto, esta es la presión
para determinar la presión de ajuste. Dado que no
se quiere que la torre alcance la presión de diseño,
se establece la presión de ajuste como:
Usando el software Aspen plus V8.8 se obtuvo el
valor k, teniendo en cuenta las condiciones en el
tope de la torre. Esto se muestra en la figura 1.
𝑃𝑠𝑒𝑡 = 𝑃𝐷𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 − 1,5 𝑝𝑠𝑖 = 82,3954 𝑝𝑠𝑖𝑔
𝑃𝑐𝑓 = 106,1464 𝑝𝑠𝑖𝑎
Lo siguiente es encontrar la sobrepresión, esta se
define como el aumento en la presión de ajuste,
esta es equivalente a la acumulación cuando la
presión establecida está en el MAWP. Se define
según la ecuación 3
A continuación se precede a calcular el área
efectiva de descarga de la válvula (API, 2000).
Para un flujo crítico esta se calcula según la
ecuación 6.
𝑃𝑜 = 𝑃𝐴𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑎 − 𝑃𝑠𝑒𝑡
𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 3
𝑃𝑜 = 84,896174 𝑝𝑠𝑖𝑔
La contrapresión se define como la presión en la
salida del dispositivo de alivio durante el proceso
de alivio debido a la presión en el sistema de
descarga. Dado que el vapor contiene la sustancia
de interés en su mayoría, y además sustancias
tóxicas y peligrosas para el medio ambiente se
decide descargar la corriente aguas abajo de la
válvula de alivio en un tanque que opera a presión
atmosférica. Por lo tanto
𝑃𝐵 = 14,7 𝑝𝑠𝑖𝑎
Seguidamente se tiene que la presión de alivio
está dada por la ecuación 4.
𝑃1 = 𝑃𝑆𝑒𝑡 + 𝑃𝑜 + 14,7
𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 4
Figura 1. Valor de k obtenido del software Aspen
Plus.
Entonces:
𝐴=
𝑊
𝑇𝑍
√
𝐶𝐾𝑑 𝑃1 𝐾𝑏 𝐾𝑐 𝑀
𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 6
Donde:
𝑊:Flujo másico (lb/h)
𝑘+1
2 𝑘−1
𝐶 = 520√𝐾 (
)
𝑘+1
𝐾𝑑 : 0,95 (Para alivios con o sin discos de ruptura)
𝑃1 : Presión de alivio (psia)
𝐾𝑏 : Factor de corrección de PB
𝐾𝑐 : Factor de corrección de combinación con
disco de ruptura (1 para no instalado).
T: Temperatura en el tope (°R)
Z: Factor de compresibilidad
M: Peso molecular de la mezcla
Entonces: 𝐴 = 2,3381 𝑖𝑛2
2
Se usará una válvula de alivio de presión
balanceada accionada por resorte, la válvula de
alivio de presión balanceada es una válvula de
alivio de presión con resorte que incorpora un
fuelle u otros medios para equilibrar el disco de la
válvula para minimizar los efectos de la
contrapresión en las características de
rendimiento de la válvula.
Se escoge esta debido a que el flujo de salida en
la válvula, como se mencionó anteriormente se
llevará a un tanque de almacenamiento. Y es
recomendada para esta aplicación. (Crowl &
Tipler, 2013)
Además esta válvula incluye una protección al
resorte para fluidos que son muy corrosivos lo
cual minimiza los efectos por la presión a la
salida.
Esta válvula también se utiliza cuando la PB
supera en 10% PSet (VALVEXPORT, 2013)
𝑃𝐵
= 17,84%
𝑃𝑆
Por lo que cumple con lo requerido. Esta válvula
se muestra en la figura 2.
La válvula irá soportada por bridas de cuello
soldable de 150 lb, estas se especificaron según
(ASME B16.5) tomando, para la parte inferior la
presión de alivio, y para la parte superior la
contrapresión a la temperatura del tope, usando
como material Hastelloy C-276 (61% Ni, 16%
Mo, 16% Cr).
Especificación de válvula comercial
Ahora, conociendo el área efectiva de descarga de
la válvula se debe conocer el flujo real que saldrá
por el orificio. Entonces, mediante la ecuación 7
empleando el área efectiva arrojada por API 526,
la cual tiene un valor de 2.853 in2
𝑊=
𝐴 𝐶 𝐾𝑑 𝐾𝑏 𝐾𝑐 𝑃1
√(𝑇𝑍)
𝑀
𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖ó𝑛 7
Donde los factores de la ecuación son los mismos
especificados para la ecuación 6
Entonces el flujo que sale por el orificio de la
válvula es:
𝑊 = 53911,0324
𝐿𝑏
ℎ
Este resultado muestra que, al requerir un flujo
mayor que el flujo en tope, la válvula tendrá que
estar abierta por un menor tiempo para darle
alivio al sistema.
Después de calcular el valor del área efectiva del
orificio necesaria para la norma API 526 para
válvulas de alivio de presión (API, 2002), en la
sección de válvulas con resorte balanceado, se
selecciona el valor de mayor área al calculado (L),
de esta norma se extraen los valores reportados en
la tabla 2.
Figura 2. Válvula de alivio de presión accionada por
resorte
Para
especificar
la
válvula
comercial
correctamente, se hace uso de la norma (API,
1991), con el fin de analizar algún requerimiento
extra en el ajuste del asiento de la válvula por la
naturaleza de las sustancias que componen el
flujo, debido a que esta norma es específica para
algunas sustancias, entre las cuales se encuentra
el agua, se debe aplicar el test de presión, el cual
se encuentra configurado que para presiones
3
Tabla 2. Especificación de la Válvula de alivio tipo L según API 526
Válvula alivio de presión de resorte (L)
Área efectiva (in2)
2.853
Material (Cuerpo)
Aleación de Nickel
Rango de Temperatura (°F)
20 a 600
Tamaño Válvula (In by orifice by out)
3L4
Clase de brida ANSI (In/Out)
150/150
Material Resorte
Aleación de Cromo
Rango de Temperatura (°F)
101 a 450
Máxima presión del Resorte (psig)
140
Presión Limite de salida (psig)
100
Distancia Centro a cara (in/out) (in)
6 1/8 - 6 1/2
mayores a 50 psi, se debe determinar el ajuste del
asiento con el 90% de la presión máxima
permisible, además se debe realizar el test de fuga
con un flujo constante de agua durante 1 minuto a
la presión de prueba (presión máxima permisible).
Para la selección de una válvula comercial que
cumpla con la descripción según API 526,
mediante el catálogo de válvulas de alivio y de
seguridad de CONBRACO industries (apollo,
n.d.), se selecciona una válvula SERIE119 las
cuales son empleadas por su alta capacidad,
bridas y servicio exigente en servicios de
protección y seguridad de recipientes a presión;
con una presión de ajuste hasta de 250 Psig a una
temperatura máxima de operación de 450°F,
tamaños de brida de 1-1/2 in a 6 in ANSI 250 lb y
tamaño de entradas roscada de 2 in a 3 in FNTP.
Se selecciona una válvula con referencia 119
LKC L MAA 0150. En la figura 3 pueden
observarse la especificación del modelo de
válvula seleccionada. La empresa tiene la opción
de fabricar el tipo de válvula requerida bajo los
materiales que el usuario necesite.
Figura 3. Dimensiones de la válvula de resorte seleccionada.
Referencias
API. (1991). Seat Tightness of Pressure Relief
Valves (Thith).
API. (2000). Sizing, Selection, and Installation of
Pressure-Relieving Devices in Refineries:
Part I - Sizing and Selection, 85.
API. (2002). Flanged Steel Pressure Relief Valves
(Fifth).
apollo. (n.d.). Safety Relief Valve Catalog.
https://doi.org/2018
ASME. (2010). ASME Boiler and Pressure
Vessel Code, Secc. VII, Division 1. Asme,
798.
Crowl, D. A., & Tipler, S. A. (2013). Sizing
pressure-Relief devices. Aiche. Retrieved
from
https://www.aiche.org/sites/default/files/ce
p/20131068_r.pdf
VALVEXPORT. (2013). Válvulas de Seguridad
y Seguridad-Alivio con Normas. Retrieved
from
http://www.valvexport.com/uploads/6/5/3/6
/6536844/seminario-valvula-seguridadcon-normas.pdf
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