Scelta e dimensionamento dei sistemi di protezione contro le sovrapressioni negli impianti chimici e di processo (I) Dr. Ing. Francesco Maestri Politecnico.

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1 Scelta e dimensionamento dei sistemi di protezione contro le sovrapressioni negli impianti chimici e di processo (I) Dr. Ing. Francesco Maestri Politecnico di Milano - Dip. CMIC “G. Natta”

2 Problema evitare che la pressione in una sezione di impianto oltrepassi un dato valore controllo del processo analisi di sicurezza le escursioni oltre un dato valore devono essere rare

3 Sistemi di scarico di emergenza
dispositivo di scarico linea per il convogliamento del fluido scaricato (“blowdown”)

4 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.

5 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).

6 Funzione del dispositivo di scarico
Bilanciare la velocità di produzione VOLUMETRICA associata all’evento incidentale 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).

7 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.

8 Tipologie di sistemi di scarico
La scelta dipende da: condizioni di processo; natura del fluido scaricato. dischi di rottura valvole di sicurezza

9 Dimensionamento Procedura: definizione dello scenario; calcolo della portata da scaricare e della tipologia di efflusso (mono o bifase); calcolo dell’area di scarico.

10 Valvole di sicurezza (PSV): parti costitutive

11 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.

12 Valvole di sicurezza (PSV): funzionamento

13 Valvole di sicurezza (PSV): caratteristiche
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.

14 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.

15 Valvole di sicurezza (PSV): dimensionamento
Salto critico: differenza fra la pressione di ingresso alla valvola e la pressione critica Si ha salto critico se la contropressione p2 è minore o uguale a pc. Se il valore di k è sconosciuto, pc=0.5p1.

16 Valvole di sicurezza (PSV): dimensionamento
In condizioni di salto critico: 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).

17 Valvole di sicurezza (PSV): dimensionamento
In condizioni di salto non critico: FS essendo un fattore di sicurezza dichiarato dal costruttore della valvola.

18 Valvole di sicurezza (PSV): dimensionamento
Portata scaricata: è la massima portata associata alle potenziali cause di sovrapressione nel “vessel”, identificate fra: anomalie di esercizio; incendio esterno.

19 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

20 Incendio esterno Problema: calcolare la potenza termica trasferita: q: 93kW/m2 (medio), 103kW/m2 (massimo) AE: area bagnata a contatto con le fiamme; E: fattore di esposizione (=01); AW: area bagnata.

21 Incendio esterno Fattore di esposizione (significato fisico): probabilità che tutta l’area bagnata sia esposta alle fiamme (funzione decrescente delle dimensioni)  eq 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).

22 Incendio esterno Fattore di protezione, F (=01): si applica a recipienti equipaggiati per ridurre la potenza termica entrante (coibentazione, …) F dipende dal tipo di protezione in base alla normativa (Racc. E – ISPESL: F=0.31, in dipendenza dal rapporto U fra k dell’isolante (in W/m°C) e spessore s dell’isolante (in m): 0.3 per U11, 0.5 per 11<U22, 1 per U>22).

23 Valvole di sicurezza (PSV): dimensionamento
Per recipienti contenenti liquidi in equilibrio col loro vapore soggetti a irraggiamento termico da incendio: q: portata scaricata (kg/h); F: fattore di protezione; S: superficie esposta al fuoco (m2); L: calore latente del fluido (kJ/kg).

24 Valvole di sicurezza (PSV): dimensionamento
Coefficiente di efflusso: Valvole qualificate (determinato sperimentalmente); Valvole ad alzata controllata: hD/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.

25 Valvole di sicurezza (PSV): dimensionamento
Coefficiente di espansione: N.B. Se il coefficiente isoentropico k è sconosciuto, si assume k=1, Z1=1 e quindi C=0.607.

26 Dischi di rottura (RD): parti costitutive

27 Dischi di rottura (RD) Dispositivo che si rompe (pur con una tolleranza ammessa) a una data pressione detta pressione nominale di frattura Un 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.

28 Dischi di rottura (RD): dimensionamento
In condizioni di salto critico: 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).

29 Dischi di rottura (RD): dimensionamento
In condizioni di salto non critico: FS essendo un fattore di sicurezza dichiarato dal costruttore del dispositivo a frattura prestabilita.

30 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.

31 Scelta e dimensionamento dei sistemi di protezione contro le sovrapressioni negli impianti chimici e di processo (II) Dr. Ing. Francesco Maestri Politecnico di Milano - Dip. CMIC “G. Natta”

32 Problema dimensionamento di sistemi di scarico di emergenza contro reazioni fuggitive in reattori contenenti una fase liquida metodi di calcolo a mano “softwares” di simulazione (es. DIERS)

33 Problema Mezzi per rendere l’esercizio di un reattore sicuro: scelta a monte di condizioni operative intrinsecamente sicure (es. “boundary” e “temperature diagrams”); dispositivi di protezione passiva (PSV e RD).

34 Scelta di condizioni operative sicure (SBRs)

35 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.

36 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”.

37 Dispositivi di protezione passiva (PSV e RD)
un errore in un qualsiasi “step” della precedente procedura può compromettere la sicurezza del processo

38 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.

39 Individuazione dello scenario peggiorativo
Se l’area di sfogo calcolata è eccessiva: riconsiderare la base di sicurezza del processo; disporre mezzi affidabili che rendano lo scenario non più credibile.

40 Individuazione dello scenario peggiorativo
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.

41 Classificazione dei dispositivi di scarico
Ai fini del dimensionamento, 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).

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

43 Modalità di generazione della pressione
Sistemi “vapour”: la pressione generata durante il “runaway” è dovuta alla tensione di vapore della massa reagente che aumenta con la temperatura; Sistemi “gassy”: la pressione generata durante il “runaway” è dovuta ai gas incoercibili generati dalla reazione durante il “runaway”; Sistemi “hybrid”: la pressione generata durante il “runaway” è dovuta ad entrambi i precedenti contributi.

44 Modalità di generazione della pressione
Sistemi “vapour”: il dispositivo di sfogo delle sovrapressioni agisce sulla velocità di reazione moderando la pressione, legata univocamente alla temperatura (“tempering”). Sistemi “gassy”: il dispositivo di sfogo delle sovrapressioni non ha alcun effetto sulla velocità di reazione.

45 Modalità di generazione della pressione

46 Modalità di generazione della pressione
lo scenario peggiorativo è quello che comporta la massima velocità di aumento della temperatura o della pressione, a seconda che il sistema sia temperato o no

47 Regime fluidodinamico nel “vessel”
è fondamentale stabilire se il dispositivo scarica una miscela monofase o bifase (“level swell”), dato che nel secondo caso l’area di scarico è molto maggiore

48 Regime fluidodinamico nel “vessel”
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.

49 Regime fluidodinamico nel “vessel”

50 Viscosità del sistema se la viscosità è elevata (es. reazioni di polimerizzazione), l’efflusso può essere laminare e richiedere aree di scarico maggiori

51 Relazione generale per il dimensionamento
A: area di scarico (m2); W: portata massiva da scaricare (kg/s); G: capacità del sistema di scarico (kg/m2s).

52 Calcolo della portata da scaricare: sistemi “vapour”
per sistemi “vapour” è fondamentale mantenere una bassa pressione di scarico (“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.

53 Calcolo della portata da scaricare: sistemi “vapour”
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.

54 Calcolo della portata da scaricare: sistemi “vapour”
Metodo di Leung ipotesi valide a basse sovrapressioni assolute: A sovrapressioni assolute maggiori del 50%: rischio di sovradimensionamento; alta sensitività del metodo.

55 Calcolo della portata da scaricare: sistemi “vapour”
Contributo entalpico di reazione: N.B. da prove di calorimetria adiabatica (es. ARC, Phi-TEC II).

56 Calcolo della portata da scaricare: sistemi “vapour”
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.

57 Calcolo della portata da scaricare: sistemi “gassy”
sono sistemi non temperati per i quali il sistema di scarico non ha effetti moderanti (temperanti) sulla velocità di reazione 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” occorre provvedere all’evacuazione del reattore prima che si raggiunga la velocità di reazione di picco.

58 Calcolo della portata da scaricare: sistemi “gassy”
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.

59 Calcolo della portata da scaricare: sistemi “gassy”
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.

60 Calcolo della portata da scaricare: sistemi “gassy”
QG,max: massima velocità di produzione di gas; m: massa contenuta nel “vessel”; V: volume del “vessel”; “e” (pedice): relativo alla prova calorimetrica.

61 Calcolo della portata da scaricare: sistemi “hybrid”
possono essere sistemi temperati o non temperati per i quali il sistema di scarico non ha effetti moderanti (temperanti) sulla velocità di reazione 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.

62 Calcolo della portata da scaricare: sistemi “hybrid”
Per sistemi 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”.

63 Calcolo della portata da scaricare: sistemi “hybrid”
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.

64 Calcolo della portata da scaricare: sistemi “hybrid”
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.

65 Calcolo della portata da scaricare: sistemi “hybrid”
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.

66 Calcolo della portata da scaricare: sistemi “hybrid”
Portata da scaricare (sistemi non temperati): Qv,max: massima velocità di produzione di vapore.

67 Calcolo della capacità del sistema di scarico
la capacità del sistema di sfogo delle sovrapressioni dipende dalle caratteristiche del dispositivo di sicurezza e dal “layout” della linea di “blowdown”, che deve essere la più corta e meno tortuosa possibile

68 Calcolo della capacità del sistema di scarico
Assunzioni alla base dei criteri di 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.

69 Calcolo della capacità del sistema di scarico
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”.

70 Calcolo della capacità del sistema di scarico
Metodo ERM: applicabile per efflusso bifase con “flashing” (sistemi “vapour”); miscelazione uniforme delle fasi nel “blowdown”; “phase slip” assente; parziale non equilibrio liquido-vapore. N.B. espressione dipendente dalle sole condizioni di ristagno (note).

71 Calcolo della capacità del sistema di scarico
Metodo di Tangren: applicabile per efflusso bifase senza “flashing” (sistemi “gassy”); miscelazione uniforme delle fasi nel “blowdown”; “phase slip” assente.

72 Calcolo della capacità del sistema di scarico
Metodo di Tangren:

73 Calcolo della capacità del sistema di scarico
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.

74 Calcolo della capacità del sistema di scarico
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”).

75 Calcolo della capacità del sistema di scarico
Metodo OMEGA  è il parametro di correlazione di una EOS semplificata che correla volume specifico e pressione nell’efflusso bifase attraverso il sistema di scarco:

76 Calcolo della capacità del sistema di scarico
Metodo OMEGA 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.

77 Calcolo della capacità del sistema di scarico
Metodo OMEGA 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.

78 Calcolo della capacità del sistema di scarico
Metodo OMEGA Espressioni approssimate per il calcolo di : che, per sistemi “gassy”, si semplifica come segue:

79 Calcolo della capacità del sistema di scarico
Metodo OMEGA Calcolo di G per ugello ideale innescato:

80 Calcolo della capacità del sistema di scarico
Metodo OMEGA Correlazione grafica per il calcolo di Gc*:

81 Calcolo della capacità del sistema di scarico
Metodo OMEGA Fattore di correzione per le perdite di carico nel “blowdown” (linee orizzontali):

82 Calcolo della capacità del sistema di scarico
Metodo OMEGA Fattore di correzione per efflusso non innescato:

83 Calcolo della capacità del sistema di scarico
Metodo OMEGA Calcolo di G:

84 Calcolo della capacità del sistema di scarico
Metodo OMEGA Calcolo di G per sistemi “hybrid” (“mixing rule”): 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.

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