Scelta e dimensionamento dei sistemi di protezione contro le sovrapressioni negli impianti chimici e...

Scelta e dimensionamento dei sistemi di protezione

contro le sovrapressioni negli impianti chimici e di processo (I)

Dr. Ing. Francesco MaestriPolitecnico di Milano - Dip. CMIC “G. Natta”

evitare che la pressione in una evitare che la pressione in una sezione di impianto oltrepassi un sezione di impianto oltrepassi un

dato valoredato valore

Problema

controllo del processocontrollo del processo

analisi di sicurezzaanalisi di sicurezza

le escursioni oltre un dato valore le escursioni oltre un dato valore devono essere raredevono essere rare

Sistemi di scarico di emergenza

dispositivo di scaricodispositivo di scarico

linea per il convogliamento linea per il convogliamento del fluido scaricato del fluido scaricato (“blowdown”)(“blowdown”)

Procedura di scelta e dimensionamento

• posizionamento del sistema di protezione;

• scelta del tipo di sistema di protezione;

• definizione dello scenario incidentale;

• acquisizione dati di processo (prove calorimetriche);

• dimensionamento per efflusso monofase e bifase;

• scelta dello scenario più gravoso;

• dimensionamento del sistema di scarico.

Scenari incidentali

Cause della sovrapressione:

• cause operative (rottura, avaria, errore umano);

• incendio esterno (espansione termica, evaporazione, innesco reazioni chimiche esotermiche);

• reazioni chimiche (sviluppo di calore, sviluppo di gas).

Funzione del dispositivo di scarico

Bilanciare la velocità di Bilanciare la velocità di produzione produzione VOLUMETRICAVOLUMETRICA

associata all’evento associata all’evento incidentaleincidentale

.1

vol

A GW

• A: area di scarico (m2);

• G: flusso massivo scaricato (kg/m2s);

• 1: densità del fluido scaricato (kg/m3);

• Wvol.: portata volumetrica generata dall’evento (m3/s).

Analisi di sicurezza

• avaria del sistema di scambio termico e dell’agitazione;

• errori di carico dei reagenti o dei catalizzatori;

• errori degli operatori;

• apertura/chiusura anomale di una valvola ON/OFF;

• rottura di un tubo in un recipiente/scambiatore;

• incendio esterno;

• perdita di controllo della reazione (“runaway”);

• deflagazione di gas/polveri.

Tipologie di sistemi di scarico

La scelta dipende da:

• condizioni di processo;

• natura del fluido scaricato.

dischi di rotturadischi di rottura

valvole di sicurezzavalvole di sicurezza

Dimensionamento

Procedura:

• definizione dello scenario;

• calcolo della portata da scaricare e della tipologia di efflusso (mono o bifase);

• calcolo dell’area di scarico.

Valvole di sicurezza (PSV): parti costitutive

Valvole di sicurezza (PSV): tipologie

PSV a carico diretto: automaticamente si apre per la spinta del fluido in pressione sull’otturatore vincendo una forza antagonista (molla);

PSV a dispositivo pilota:

automaticamente si apre per intervento di un dispositivo sensibile alla pressione.

Valvole di sicurezza (PSV): funzionamento

Una valvola di sicurezza è identificata da:

• materiale di costruzione;

• diametro nominale delle connessioni di IN/OUT;

• area di passaggio;

• alzata e coefficiente di efflusso;

• campo di regolazione della pressione di taratura;

• sovrapressione;

• scarto di chiusura.

Valvole di sicurezza (PSV): caratteristiche

Valvole di sicurezza (PSV): criteri di installazione

• inamovibilità degli organi di regolazione della taratura (bloccaggio meccanico);

• installazione a contatto con gas/vapori;

• breve connessione “vessel” - valvola di sicurezza (perdita di carico non superiore al 3% della pressione di taratura alla massima portata);

•sezione di passaggio del tubo di connessione non inferiore a quella della valvola stessa.

Valvole di sicurezza (PSV): dimensionamento

Salto critico: differenza fra la pressione di ingresso alla valvola e la pressione critica

1

1

2

1

k

k

cp pk

Si ha salto critico se la contropressione p2 è minore o uguale a pc.

Se il valore di k è sconosciuto, pc=0.5p1.


In condizioni di salto critico:

1 1

10.9 394.9

Z TqA

K C p M

• A: area di scarico (cm2);

• p1: pressione (in bar a) corrispondente alla massima portata scaricata q (in kg/h). Può eccedere al più del 10% la pressione di progetto (per valvole qualificate);

• T1: temperatura all’ingresso della valvola (in K);

• Z1: fattore di comprimibilità del fluido a T1, p1;

• M: peso molecolare del fluido (kg/kmol).


In condizioni di salto non critico:

1 1

10.9 394.9Sq F Z T

AK C p M

FS essendo un fattore di sicurezza dichiarato dal costruttore della valvola.


Portata scaricata:

è la massima portata associata alle potenziali cause di sovrapressione nel “vessel”, identificate fra:

• anomalie di esercizio;

• incendio esterno.

Incendio esterno

Il recipiente soggetto a irraggiamento da incendio può contenere:• gas;• liquido;• liquido/vapore.

La potenza termica entra attraverso la superficie bagnata e fornisce il calore latente per l’evaporazione del liquido

Incendio esterno

Problema:

calcolare la potenza termica trasferita:

E WQ q A q E A

• q: 93kW/m2 (medio), 103kW/m2 (massimo)

• AE: area bagnata a contatto con le fiamme;

• E: fattore di esposizione (=01);

• AW: area bagnata.

Incendio esterno

Fattore di esposizione (significato fisico):

probabilità che tutta l’area bagnata sia esposta alle fiamme (funzione decrescente delle dimensioni)

1W W

W

aE Q q a A q A

A

• eq dipendono da AW in base alla normativa (Racc. E – ISPESL: =0.82,q=43.1kW/m2);

• AW varia nel tempo e se ne considera un valore efficace in base alla normativa (Racc. E – ISPESL: area fino a H=8m per recipienti orizzontali e verticali, o area al massimo diametro, se maggiore, per recipienti sferici).

Incendio esterno

Fattore di protezione, F (=01):

si applica a recipienti equipaggiati per ridurre la potenza termica entrante (coibentazione, …)

WQ q F A

F dipende dal tipo di protezione in base alla normativa (Racc. E – ISPESL: F=0.31, in dipendenza dal rapporto U fra k dell’isolante (in W/m°C) e spessore s dell’isolante (in m): 0.3 per U11, 0.5 per 11<U22, 1 per U>22).

Per recipienti contenenti liquidi in equilibrio col loro vapore soggetti a irraggiamento termico da incendio:

0.82

155000F S

qL


• q: portata scaricata (kg/h);

• F: fattore di protezione;

• S: superficie esposta al fuoco (m2);

• L: calore latente del fluido (kJ/kg).


Coefficiente di efflusso:

• Valvole ad alzata controllata:

hD/4 K=0.43

D/4>h D/12 K=0.21

D/12>h D/16 K=0.16

D/16>h D/24 K=0.1

• Valvole ordinarie: K=0.05.

• Valvole qualificate (determinato sperimentalmente);


Coefficiente di espansione:

1

12

1

k

kC k

k

N.B. Se il coefficiente isoentropico k è sconosciuto, si assume k=1, Z1=1 e quindi C=0.607.

Dischi di rottura (RD): parti costitutive

Dischi di rottura (RD)

Dispositivo che si rompe (pur con una tolleranza ammessa) a una data pressione detta pressione nominale di fratturaUn dispositivo a frattura prestabilita è identificato da:

• diametro nominale;

• pressioni nominali di frattura a temperatura ambiente e alla temperatura di esercizio;

• tolleranze sulle pressioni nominali.

In condizioni di salto critico:

1 1

10.62 394.9

Z TqA

C p M

Dischi di rottura (RD): dimensionamento

• A: area di scarico (cm2);

• p1: pressione (in bar a) corrispondente alla massima portata scaricata q (in kg/h). p1 non può superare Pdes e 1.1pdes con la tolleranza;

• T1: temperatura all’ingresso del dispositivo (in K);

• Z1: fattore di comprimibilità del fluido a T1, p1;

• M: peso molecolare del fluido (kg/kmol).

In condizioni di salto non critico:

1 1

10.62 394.9Sq F Z T

AC p M

Dischi di rottura (RD): dimensionamento

FS essendo un fattore di sicurezza dichiarato dal costruttore del dispositivo a frattura prestabilita.

Tipologie di installazione

I dischi di rottura possono essere installati a monte delle valvole di sicurezza per:

• proteggere la PSV da un ambiente corrosivo;

• isolare l’ambiente esterno da possibili trafilamenti della PSV;

• proteggere la PSV da sporcamenti;

• in tali casi viene installato fra i due dispositivi un manometro volto a segnalare l’eventuale presenza di pressione.

Scelta e dimensionamento dei sistemi di protezione

contro le sovrapressioni negli impianti chimici e di processo (II)

Dr. Ing. Francesco MaestriPolitecnico di Milano - Dip. CMIC “G. Natta”

dimensionamento di sistemi di dimensionamento di sistemi di scarico di emergenza contro scarico di emergenza contro reazioni fuggitive in reattori reazioni fuggitive in reattori contenenti una fase liquidacontenenti una fase liquida

Problema

metodi di calcolo a manometodi di calcolo a mano

““softwares” di simulazione softwares” di simulazione (es. DIERS)(es. DIERS)

Problema

Mezzi per rendere l’esercizio di un Mezzi per rendere l’esercizio di un reattore sicuro:reattore sicuro:

• scelta a monte di condizioni operative intrinsecamente sicure (es. “boundary” e “temperature diagrams”);

• dispositivi di protezione passiva (PSV e RD).

Scelta di condizioni operative sicure (SBRs)

Dispositivi di protezione passiva (PSV e RD)

Vantaggi:

• sono indipendenti dal sistema di controllo;

• offrono una protezione passiva;

• anche quando gli altri sistemi falliscono, offrono una adeguata protezione contro le sovrapressioni.

Dispositivi di protezione passiva (PSV e RD)Problema di scelta e

dimensionamento:

• individuazione dello scenario incidentale peggiorativo fra quelli credibili;

• conoscenza della cinetica della/e reazione/i nelle condizioni di “runaway” (calorimetria adiabatica);

• conoscenza della modalità di generazione della pressione;

• regimi di flusso nel “vessel” e nel dispositivo di scarico durante lo sfogo della sovrapressione;

• caratteristiche del sistema di scarico e di “blowdown”.

Dispositivi di protezione passiva (PSV e RD)

un errore in un qualsiasi “step” un errore in un qualsiasi “step” della precedente procedura può della precedente procedura può compromettere la sicurezza del compromettere la sicurezza del

processoprocesso

Individuazione dello scenario peggiorativo“Worst case” scenario:

è la credibile combinazione di malfunzionamenti di impianto ed errori operativi che dà luogo alla massima area di sfogo della sovrapressione.

• base di sicurezza ottimale;

• malfunzionamenti causa di “runaway”;

• modalità di generazione della pressione;

• individuazione dello scenario peggiorativo e dimensionamento del sistema di scarico.

Individuazione dello scenario peggiorativo

Se l’area di sfogo calcolata è Se l’area di sfogo calcolata è eccessiva:eccessiva:

• riconsiderare la base di sicurezza del processo;

• disporre mezzi affidabili che rendano lo scenario non più credibile.

Individuazione dello scenario peggiorativo

Malfunzionamenti tipici:Malfunzionamenti tipici:• errori di carico (reagenti,

catalizzatori, …);• avaria del sistema di raffreddamento;• avaria del sistema di agitazione e sua

ripartenza;• contaminazioni reagenti;• eccessiva velocità di aggiunta

reagenti;• temperatura iniziale scarsa o

eccessiva.

Classificazione dei dispositivi di scarico

Ai fini del dimensionamento, Ai fini del dimensionamento, caratterizzare:caratterizzare:

• modalità di generazione della pressione (sistemi “vapour”, “gassy” o “hybrid”);

• fluidodinamica nel “vessel” (efflusso monofase o bifase);

• viscosità del sistema (efflusso laminare o turbolento).

Apparati sperimentali

Calorimetro Phi-TEC IICalorimetro Phi-TEC II: bassa inerzia termica e sistema di compensazione della pressione.

Modalità di generazione della pressione

• Sistemi “vapour”:Sistemi “vapour”: la pressione generata durante il “runaway” è dovuta alla tensione di vapore della massa reagente che aumenta con la temperatura;

• Sistemi “gassy”:Sistemi “gassy”: la pressione generata durante il “runaway” è dovuta ai gas incoercibili generati dalla reazione durante il “runaway”;

• Sistemi “hybrid”:Sistemi “hybrid”: la pressione generata durante il “runaway” è dovuta ad entrambi i precedenti contributi.


Sistemi “vapour”:Sistemi “vapour”:

il dispositivo di sfogo delle sovrapressioni agisce sulla velocità di reazione moderando la pressione, legata univocamente alla temperatura (“tempering”).

Sistemi “gassy”:Sistemi “gassy”:

il dispositivo di sfogo delle sovrapressioni non ha alcun effetto sulla velocità di reazione.


lo scenario peggiorativo è quello lo scenario peggiorativo è quello che comporta la massima velocità che comporta la massima velocità di aumento della temperatura o di aumento della temperatura o della pressione, a seconda che il della pressione, a seconda che il

sistema sia temperato o nosistema sia temperato o no

Regime fluidodinamico nel “vessel”

è fondamentale stabilire se il è fondamentale stabilire se il dispositivo scarica una miscela dispositivo scarica una miscela

monofase o bifase (monofase o bifase (“level swell”), “level swell”), dato che nel secondo caso l’area di dato che nel secondo caso l’area di

scarico è molto maggiorescarico è molto maggiore


Tipologie di sistemi:Tipologie di sistemi:• sistemi omogenei (i titoli di vapore

all’ingresso del sistema di scarico e nel “vessel” sono uguali);

• sistemi “bubbly”;• sistemi “churn turbulent”.N.B. All’aumentare della viscosità si tende a passare da sistemi “churn turbulent” a sistemi omogenei. I sistemi intrinsecamente schiumosi danno sempre efflusso omogeneo.

Viscosità del sistema

se la viscosità è elevata (es. se la viscosità è elevata (es. reazioni di polimerizzazione), reazioni di polimerizzazione),

l’efflusso può essere laminare e l’efflusso può essere laminare e richiedere aree di scarico maggioririchiedere aree di scarico maggiori

Relazione generale per il dimensionamento

WA

G

• A: area di scarico (m2);

• W: portata massiva da scaricare (kg/s);

• G: capacità del sistema di scarico (kg/m2s).

Calcolo della portata da scaricare: sistemi “vapour”

per sistemi “vapour” è per sistemi “vapour” è fondamentale mantenere una fondamentale mantenere una

bassa pressione di scarico bassa pressione di scarico ((“relief pressure”)“relief pressure”)

una bassa pressione di scarico limita la temperatura e con essa la velocità di reazione e la portata da scaricare. L’area di efflusso necessaria risulta pertanto minore;una bassa portata da scaricare e quindi una bassa area di scarico limita lo scarico della massa reagente.


Metodo di Leung:Metodo di Leung:• massa di vapore nel “vessel”

trascurabile;• proprietà chimico fisiche medie fra Pm e

PR;• sistema temperato con velocità

dipendente solo da T;• contributo entalpico di reazione medio

fra Pm e PR;• capacità del sistema di scarico media fra

Pm e PR;• sistema omogeneo (titolo di vapore allo

scarico uguale a quello nel “vessel”);• assenza di contributi di potenza termica

di IN/OUT;• l’unico flusso di IN/OUT è lo scarico di

emergenza;• equilibrio liquido-vapore;• incomprimibilità della fase liquida.


Metodo di LeungMetodo di Leungipotesi valide a basse sovrapressioni

assolute: % 100m R

R

P PAbsolute overpressure

P

A sovrapressioni assolute maggiori del 50%:

• rischio di sovradimensionamento;

• alta sensitività del metodo.


Contributo entalpico di reazione:

1

2 fR m

dT dTq C

dt dt

N.B. da prove di calorimetria adiabatica (es. ARC, Phi-TEC II).


Portata da scaricare:

20.5

0.5

R

fgf

R fg

m qW

hVC T

m v

• mR: massa contenuta nel “vessel”;

• V: volume del “vessel”;

• hfg: calore di evaporazione;

• vfg: differenza fra vg e vf;

• T: differenza di temperatura a Pm e PR.

Calcolo della portata da scaricare: sistemi “gassy”

sono sistemi non temperati per i sono sistemi non temperati per i quali il sistema di scarico non ha quali il sistema di scarico non ha

effetti moderanti (temperanti) effetti moderanti (temperanti) sulla velocità di reazionesulla velocità di reazione

per sistemi “gassy” occorre provvedere all’evacuazione del reattore prima che si raggiunga la velocità di reazione di picco.

una bassa temperatura alla pressione di scarico limita la velocità di reazione e la portata da scaricare. L’area di efflusso necessaria risulta pertanto minore;


Per sistemi “gassy”, pertanto:Per sistemi “gassy”, pertanto:• va considerata la possibilità di “bottom

venting” e la sua interfenza col “top venting”;

• meglio scegliere RD che PSV;• meglio evitare qualsiasi “vent” che

possa ritardare la salita della pressione.


Metodo di dimensionamento:Metodo di dimensionamento:• scarico dal cielo del reattore (“top

venting”);• velocità di reazione di picco;• tutta la massa reagente permane nel

reattore fino al raggiungimento delle condizioni di picco;

• raggiunte tali condizioni, si ha efflusso omogeneo;

• pressione costante durante lo scarico;• assenza di contributi di potenza termica

di IN/OUT;• l’unico flusso di IN/OUT è lo scarico di

emergenza.


Portata da scaricare:

,maxR

G

e eG

c ee

mW Q

V

V TdP V dT mQ

P dt T dt T m

• QG,max: massima velocità di produzione di gas;

• m: massa contenuta nel “vessel”;

• V: volume del “vessel”;

• “e” (pedice): relativo alla prova calorimetrica.

Calcolo della portata da scaricare: sistemi “hybrid”

possono essere sistemi temperati o possono essere sistemi temperati o non temperati per i quali il sistema non temperati per i quali il sistema di scarico non ha effetti moderanti di scarico non ha effetti moderanti

(temperanti) sulla velocità di (temperanti) sulla velocità di reazionereazione

sia per i sistemi temperati che non una bassa temperatura alla pressione di scarico limita la velocità di reazione e la portata da scaricare. L’area di efflusso necessaria risulta pertanto minore.


Per sistemi ibridi temperati e nonsistemi ibridi temperati e non una bassa pressione di scarico:

• modera (“tempering”) la velocità di reazione;

• offre un margine maggiore fra PR e Pm e quindi un tempo maggiore per evacuare il “vessel”.


Per sistemi “hybrid”, pertanto:Per sistemi “hybrid”, pertanto:• va considerata la possibilità di “bottom

venting” e la sua interfenza col “top venting”;

• meglio scegliere RD che PSV;• meglio evitare qualsiasi “vent” che

possa ritardare la salita della pressione.


Metodo di Leung (sistemi temperati).Metodo di Leung (sistemi temperati).In aggiunta alle ipotesi valide per sistemi

“vapour”:• rapporto molare costante fra gas e

vapore prodotto;• si ammette un incremento di

temperatura durante lo scarico pari a quello corrispondente alla salita da PR a Pm in un “test” a cella chiusa.


Portata da scaricare (sistemi temperati):

• Pv: tensione di vapore della massa reagente;

• TH: incremento di temperatura durante lo scarico pari a quello corrispondente alla salita da PR a Pm in un “test” a cella chiusa.

20.5

0.5

R

fg vf H

R fg

m qW

h PVC T

m v P


Portata da scaricare (sistemi non temperati):

,max ,max

,maxmaxˆ

RG v

eG

c ee

R fv

fg v

mW Q Q

V

TV dP V dT mQ

P dt T dt T m

m C dTQ

h dt

• Qv,max: massima velocità di produzione di vapore.

Calcolo della capacità del sistema di scarico

la capacità del sistema di sfogo delle la capacità del sistema di sfogo delle sovrapressioni dipende dalle sovrapressioni dipende dalle

caratteristiche del dispositivo di caratteristiche del dispositivo di sicurezza e dal “layout” della linea di sicurezza e dal “layout” della linea di “blowdown”, che deve essere la più “blowdown”, che deve essere la più

corta e meno tortuosa possibilecorta e meno tortuosa possibile


Assunzioni alla base dei criteri di Assunzioni alla base dei criteri di calcolo di G:calcolo di G:

• “flashing/non flashing flow”;• fase liquida continua/fase liquida

dispersa;• “phase slip”;• equilibrio liquido-vapore;• flusso laminare/turbolento.N.B. La maggior parte dei metodi di calcolo di G assumono che l’efflusso abbia luogo in condizioni soniche (“chocked flow”). G è calcolata per “frictionless flow” e poi corretta.


Metodo HEM:Metodo HEM:

• indipendente dal grado di “flashing” del sistema;

• miscelazione uniforme delle fasi nel “blowdown”;

• “phase slip” assente;

• equilibrio liquido-vapore.N.B. La versione più semplice e comune di tale metodo è il metodo OMEGA. Tale metodo tende a sottostimare G: attenzione quindi a usarlo per dimensionare il sistema di “blowdown”.


Metodo ERM:Metodo ERM:

• applicabile per efflusso bifase con “flashing” (sistemi “vapour”);


• “phase slip” assente;

• parziale non equilibrio liquido-vapore.,00

0 ,0 ,0 ,0 0

fgv

f fg f

hdP TG

dT C v C T

N.B. espressione dipendente dalle sole condizioni di ristagno (note).


Metodo di Tangren:Metodo di Tangren:

• applicabile per efflusso bifase senza “flashing” (sistemi “gassy”);


• “phase slip” assente.

0.5

0

0 00

00

0

0.7140.7

00

0

00

121 ln

11

12.016

2c c atm

atmc atm

PG

v

se P P

Pse P P

P


Metodo di Tangren:Metodo di Tangren:


Procedura di correzione di G:Procedura di correzione di G:

• si calcola G per efflusso bifase innescato;

• si applica un fattore di correzione per le perdite di carico attraverso il “blowdown”;

• si verifica se l’efflusso è innescato in relazione al regime di pressioni reale e se no, si applica il corrispondente fattore di correzione.


Metodo OMEGA:Metodo OMEGA:

• calcolo di G di un ugello o linea di diametro costante nelle ipotesi del metodo HEM, di cui è un caso particolare;

• notevole semplicità di calcolo, note le sole condizioni di ristagno;

• applicabilità a tutte e tre le tipologie di sistemi (“vapour”, “gassy” e “hybrid”).


Metodo OMEGAMetodo OMEGA

è il parametro di correlazione di una EOS semplificata che correla volume specifico e pressione nell’efflusso bifase attraverso il sistema di scarco:

0

0

1 1Pv

v P



è legato al fattore di comprimibilità della miscela bifase:

• sistemi “gassy” a efflusso bifase: <1;

• sistemi “vapour” e “hybrid” a efflusso bifase: >1;

• sistemi “gassy” a efflusso solo gassoso: =1.



• si calcola il parametro ;

• si determina G per efflusso bifase innescato attraverso un ugello ideale;

• si determina il fattore di correzione per le perdite di carico della linea di “blowdown”;

• si determina l’eventuale fattore di correzione per efflusso non innescato;

• si calcola il valore di G corretto.



Espressioni approssimate per il calcolo di : 2

0 ,0 ,00

0 ,0

f v fg

fg

C T P v

k v h

che, per sistemi “gassy”, si semplifica come segue:

0

k



Calcolo di G per ugello ideale innescato:

* 0

0c c

PG G

v



Correlazione grafica per il calcolo di Gc*:



Fattore di correzione per le perdite di carico nel “blowdown” (linee orizzontali):



Fattore di correzione per efflusso non innescato:



Calcolo di G:

cc cfriction back pressure

G GG G

G G



Calcolo di G per sistemi “hybrid” (“mixing rule”):

2 2,0 ,01g G g VG y G y G

• GG: flusso massivo scaricato in assenza totale di “flashing”;

• GV: flusso massivo scaricato in presenza totale di “flashing”;

• yG,0: percentuale volumetrica di gas nella miscela gas/vapore scaricata.

Bibliografia

• A.N.C.C. (Associazione Nazionale per il Controllo della Combustione), Raccolta E, Edizione Gennaio 1979;

• Maestri, F.; Rota, R. Temperature diagrams for preventing decomposition or side reactions in liquid-liquid semibatch reactors. Chem. Eng. Sci. 2006, 61, 3068-3078;

• Etchell, J.; Wilday, J. Workbook for chemical reactor relief system sizing. Health and Safety Executive, 1998.

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