Golpe de Ariete

MANUAL DE INGENIERÍA DE PROCESOS

GOLPE DE ARIETE

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Notas a la revisión:

MANUAL DE INGENIERIA DE PROCESOS

ESTUDIOS DE GOLPE DE ARIETE

1 INTRODUCCIÓN..........................................................................................................2DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO.........................................................................2

2 OBTENCIÓN DE LOS DATOS DE PROCESOS........................................................43 CARGA DE DATOS EN IMPULSE...........................................................................13

Realizó: Reviso AprobóRevisión A Fecha: 18/03/08 Página 2 de 16



1 INTRODUCCIÓN

DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO.

El golpe de ariete, ó water hammer, es un fenómeno intensamente estudiado tanto en hidráulica, como en los distintos procesos. El mismo se presenta en cañerías y equipos, cuando la velocidad del fluido cambia súbitamente, por ejemplo al cerrarse una válvula, o bien por el arranque o paro de una bomba ó compresor. Este fenómeno, viene frecuentemente acompañado por un ruido desagradable, pero el principal resultado de un cambio repentino de velocidad, es una elevación rápida de presión en el sistema. Si esa elevación de presión es excesiva, puede dañar cañerías, bombas, etc. ó bien sobrepasar la presión de seteo de las válvulas de seguridad colocadas en el sistema. Por otro lado, este cambio repentino de velocidad, es función directa del tiempo en que se produce la perturbación, y por ende, la elevación de presión alcanzada, será también función de este tiempo.

También, el golpe de ariete, es función directa de las propiedades del fluido, y de la geometría del sistema de equipos y cañerías.

Si la perturbación producida en el sistema, es por el cierre de una válvula, el cambio repentino de velocidad es función directa del tiempo en que de dicha válvula tarda en cerrar.

El tiempo crítico de cerrado de la válvula , se define como el tiempo que tarda la onda de presión en recorrer ida y vuelta la longitud de la cañería:

Donde:: tiempo crítico, [sec]L: longitud de la cañería considerada, [ft]a: velocidad de propagación de la onda de presión, [ft/sec]

La velocidad de propagación de la onda en el fluido, como se mencionó, es función del fluido y la cañería, se determina con la siguiente expresión (sistema inglés):

Donde:a: velocidad de propagación de la onda de presión en el fluido, [ft/sec]Gs: gravedad específica del fluido, adimensionalMb: módulo elástico del fluido, [psi]D: diámetro de la cañería, [in]E: modulo elástico de la cañería, [psi]W: espesor de la cañería, [in]

La presión de la onda es función de la velocidad de la onda en el sistema, de las características del fluido y del caudal del mismo, se obtiene a partir de la siguiente expresión (sistema inglés):

Donde:Pw: presión en la onda, o incremento de presión máximo, [psi]




a: velocidad de la onda, [ft/sec]Qv: caudal volumétrico normal, [cuft/hr]Gs: gravedad específica del fluido

El tiempo de cerrado en el cual se alcanza la máxima presión de trabajo en la cañería se obtiene a partir de la siguiente ecuación (sistema inglés):

Donde:a: tiempo de cerrado en el cual se alcanza la máxima presión de trabajo, [sec]Pw: presión de la onda máxima, [psi]: tiempo crítico de cerrado, [sec]PMAWP: presión máxima admisible del sistema de cañerías, o presión de seteo de válvulas de alivio, [psi]Pop: presión de operación normal en el sistema de cañerías, [psi]

La presión que se alcanza en la cañería correspondiente al tiempo de cerrado de la válvula se obtiene de acuerdo a la siguiente ecuación (sistema ingles):

Donde:Psel: presión para el tiempo de cierre seleccionado o propuesto, [psi]Pw: presión de la onda, [psi]: tiempo crítico de cerrado, [sec]sel: tiempo de cerrado seleccionado o seteado, [sec]Pop: presión de operación normal en el sistema de cañerías, [psi]

Esta presión corresponde a cuanto se incremente la presión en la línea cuando se cierra la válvula

En función de lo expuesto, se deberá probar que:

Psel < PMAWPEs decir que deberá verificarse que para el tiempo seleccionado de cierre, la presión de la onda que se produzca, sea menor que la máxima presión admisible de trabajo (presión de diseño, que puede se la de seteo de PSV).

Los datos de procesos se generan a partir de las curvas ASTM D86, generando los componentes hipotéticos en hysys, para obtener los datos de densidad, viscosidad, tensión de vapor y módulo elástico del fluido (B ó Mb), los cuales se cargan en Impulse 3.0 para generar el fluido.

El problema es generar Mb:




Donde:Mb: modulo elástico del fluidoP: presión aplicadaDV/V: esfuerzo

Básicamente, el esfuerzo es el cambio en el volumen de un fluido debido a la aplicación de una determinada fuerza dividido por el volumen original del elemento de fluido, por ende se trata de una relación sin dimensiones. Por lo tanto, Mb tiene unidades de presión.

Los datos de rho, mu, Pv y Mb se cargan en impulse, en database\fluid database\add new fluid.

2 OBTENCIÓN DE LOS DATOS DE PROCESOS

Como se mencionó, los datos se generan (para fluidos como naftas, gas oil crudos, etc) as partir de la curva ASTM D86 ó equivalente, introduciendo 5 puntos en Oil manager de hysys. Previamente debe seleccionarse el paquete termodinámico en Fluid package.

1.- hacer clic en enter oil environment




2.- En Assay, clic en el boton Add…

3.- En Assay definition, bulk properties, seleccionar used. En assay data type, seleccionar los datos que se disponga. En input data, seleccionar bulk properties y cargar los datos que se dispongan (densidad, PM, visc, etc) de un ensayo. En distillation hacer clic Edit Assay y cargar los datos correspondientes.




Una vez cargados estos datos, hacer clic en calculate para determinar el resto de los datos. Cerrar la ventana

4.- en cut/blend, seleccionar add…:




Seleccionar el assay-1 (en este ejemplo), hacer clic en add para incluirlo en la ventana oil flow information. En cut ranges, seleccionar de cut option selection el




item user point, en number of cuts seleccionar 15, estas selecciones son las óptimas dado que reflejaran mas fielmente las propiedades de transporte del fluido, con menor uso de recursos de la PC.

5.-

En install oil, incluir el nombre de la corriente verificar que estén chequeadas las casillas ready e install. Volver a basis environment, y hacer clic en return simulation environment.

6.- En la corriente que aparecerá en el PFD, colocar los datos de P, T y caudal, esto completara todos los grados de libertad requeridos para definir la corriente.




En attachments, utilities, hacer clic en create.




Seleccionar Property Table y hacer clic en create utility:




7.- En independent variables, seleccionar temperature como variable1 y en mode seleccionar incremental. Esto permite generar un rango de temperaturas entre la temperatura de operación de la línea. Las propiedades de transporte varían marcadamente con la temperatura.Como variable2 seleccionar pressure y en mode seleccionar state.







Copiar los datos desde table/results y pegarlos en el archivo Excel xxxxxxx para determinar el Mb, dato fundamental para determinar el modulo elástico del fluido.

3 CARGA DE DATOS EN IMPULSE

1.- Además de Mb, Impulse tambien requiere de los valores de densidad, viscosidad y presión de vapor. Dichos datos se cargan en Impulse 3.0:

Haciendo clic en add new fluid, se accede a la carga de dichas propiedades de transporte.




Una vez generadas las curvas de propiedades en función de la temperatura, se procede a la construcción del modelo.

4 BIBLIOGRAFÍA DE REFERENCIA

Robert H. Perry, Don W. Green; Chemical Engineering Handbook; 1999 Mc. Graw Hill. Pag. 6-44,6-45.

Ernest E. Ludwing; Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants; 1999 Butterworth-Heinemann. Pag 98 y 99.

J. G. Sun, X. Q. Wang; 1995 ASME/JSME Pressure Vessels and Piping Conference. July 27-27, 1995, Honolulu, Hawaii.

Mohinder L. Nayyar, Piping Handbook, 7th edition, Mc. Graw Hill, páginas varias

The M. W. Kellogg Company, Design of Piping Systems, Revised Second Edition, John Wiley & Sons.




Crane, Flujo de fluidos en válvulas, accesorios y tuberías, (Crane Paper 410M) Mc. Graw Hill


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