Avaliação de sistemas de alívio de pressão utilizando modelos de simulação estacionário e dinâmico

Abstract

Pressure relief systems are the last layer of protection for equipment in the industry. Its installation is governed by international and national standards, such as API and NR-13. For industrial design, the incorrect sizing of such systems leads to risks for installations when undersized, as well as risks to the integrity of relief systems when oversized. In addition to the risks to people and installations, it results in additional costs for industrial units due to the maintenance of systems exposed to destructive effects (chatter, cycling and flutter phenomena) or for installing systems with overcapacity. The calculation of the relief flow of each equipment is the main information used for sizing pressure relief devices and effluent systems. There are different methods for calculating this flow that include static and dynamic simulation of equipment and processes in conditions of operational deviation. The dynamic simulation considers the time and a greater detail of the studied equipment, allowing the evaluation of the influence of these factors taking into account the effects over time in the relief flow. The method was applied to distillation columns that have different configurations for the condensation loss scenario, and presented as an advantage over traditional methods the identification of flow contributions not identified by the other methods. For relief devices and systems, the standardization and orifices of relief devices have a great influence on their design, leading to unexpected effects on the design, such as flow differences calculated by different methods of up to 42.9%, with similar design of devices and of the network, while in other cases differences of flow of 2.5% resulted in differences of at least one size of orifice and nominal diameter of pipe in the sizing of the relief system. Dynamic simulation for relief flow calculation is recommended since it has demonstrated a reduction in uncertainties in the design of relief systems.

Os sistemas de alívio de pressão são a última camada de proteção a equipamentos na indústria. Sua instalação é regida por normas internacionais e nacionais, como API e NR-13. Em projetos industriais o dimensionamento incorreto destes sistemas leva tanto a riscos às instalações quando subdimensionados, quanto a riscos às integridades dos sistemas de alívio quando superdimensionados. Além dos riscos às pessoas e instalações, também acarreta em custos adicionais às unidades industriais devido manutenção de sistemas que estão sujeitos a efeitos destrutivos (como os fenômenos de chatter, flutter ou cycling) e por instalação de sistemas superdimensionados. A determinação da vazão de alívio de cada equipamento é a principal informação utilizada para o dimensionamento de dispositivos de alívio de pressão e rede de alívio. Há diferentes métodos para determinação dessa vazão contemplando simulação estática e dinâmica de equipamentos e processos em condições de distúrbios operacionais. A simulação dinâmica possibilita a avaliação dos desvios em função do tempo e considera detalhamento adicional frente aos demais métodos como a consideração de níveis e inventários ao longo do tempo, possibilitando a avaliação da influência desses fatores na vazão de alívio. O método foi aplicado a colunas de destilação que possuem configurações diferentes para o cenário de perda de condensação, e apresentou como vantagem frente aos métodos tradicionais a identificação de contribuições para vazão não identificadas pelos demais métodos. Para os dispositivos e sistemas de alívio, a padronização e orifícios de dispositivos de alívio tem grande influência em seu dimensionamento, levando a diferenças de vazão calculadas por métodos diferentes de até 42,9% apresentarem dimensionamentos similares de dispositivos e da rede, enquanto em outros casos diferenças de vazão de 2,5% resultaram em diferenças de ao menos um tamanho de orifício e diâmetro nominal de tubulação no dimensionamento do sistema de alívio. A simulação dinâmica é recomendada onde puder ser aplicada pois demonstrou redução de incertezas no dimensionamento de sistemas de alívio.