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”

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

Sistemi di scarico di emergenza dispositivo di scarico linea per il convogliamento del fluido scaricato (“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 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).

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 rottura valvole 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

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.

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 Si ha salto critico se la contropressione p2 è minore o uguale a pc. Se il valore di k è sconosciuto, pc=0.5p1.

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).

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

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.

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: q: 93kW/m2 (medio), 103kW/m2 (massimo) AE: area bagnata a contatto con le fiamme; E: fattore di esposizione (=01); AW: area bagnata.

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).

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).

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).

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.

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.

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 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.

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).

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.

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 Maestri Politecnico di Milano - Dip. CMIC “G. Natta”

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)

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).

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” della precedente procedura può compromettere la sicurezza del processo

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 eccessiva: riconsiderare la base di sicurezza del processo; disporre mezzi affidabili che rendano lo scenario non più credibile.

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.

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).

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

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.

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.

Modalità di generazione della pressione

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

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

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.

Regime fluidodinamico nel “vessel”

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

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).

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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”.

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.

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.

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.

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

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

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.

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”.

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).

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.

Calcolo della capacità del sistema di scarico Metodo di Tangren:

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.

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”).

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:

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.

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.

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

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

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

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

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

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

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.

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.