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PDVSA N° TITULO

REV. FECHA DESCRIPCION PAG. REV. APROB. APROB.

APROB. FECHAAPROB.FECHA

SEGURIDAD EN EL DISEÑO DE PLANTAS

� PDVSA, 1983

MDP–08–SA–04 PROCEDIMIENTOS PARA ESPECIFICAR YDIMENSIONAR VALVULAS DE ALIVIO DE PRESION

APROBADO

AGO.95 AGO.95

SISTEMAS DE ALIVIO DE PRESION

AGO.95

AGO.97 O.R.

J.P

1

0

Sinceración con el MID/MIR 33

39

L.R

F.R.

MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO

ESPECIALISTAS

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SEGURIDAD EN EL DISEÑO DE PLANTASPROCEDIMIENTOS PARA ESPECIFICAR Y

DIMENSIONAR VALVULAS DE ALIVIO DE PRES.AGO.971

PDVSA MDP–08–SA–04

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.Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma

Indice1 OBJETIVO 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 ALCANCE 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 REFERENCIAS 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 DEFINICIONES 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 PROCEDIMIENTOS PARA ESPECIFICAR Y DIMENSIONARVALVULAS DE ALIVIO DE PRESION 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Dimensionamiento para servicio de vapor 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Dimensionamiento para servicio de líquido 10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Dimensionamiento para servicio de fases mixtas de vapores y líquidos 125.4 Dimensionamiento de válvulas de alivio de presión operadas por piloto 125.5 Preparación de especificaciones de diseño para válvulas de alivio de

presión 13. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6 NOMENCLATURA 17. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 APENDICES 19. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabla 1. Propiedades termodinámicas de varias substancias a condiciones

estándar 20. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabla 2. Tamaño normalizado de las válvulas de alivio, en función del tamaño del

orificio 21Tabla 3. Valores de la constante “C” para calculos con la formula de flujo 22. Tabla 4. Factores de corrección para sobrecalentamiento para válvulas de

seguridad en servicio para vapor de agua 24. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 1. Presión de flujo crítico para hidrocarburos 25. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2. Factor de dimensionamiento para contrapresión constante o

variable (Kb) para válvulas de alivio de seguridad de fuellebalanceado balanceado (vapores y gases) 26. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figura 3. Area requerida del orificio de la válvula de seguridad para alivio devapores de hidrocarburos 27. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figura 4. Valores de F31 para flujo subcrítico 28. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5. Factores de corrección de capacidad por defecto de sobrepresión

para válvulas de alivio y válvulas de alivio de seguridad en servicios conlíquidos 29. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figura 6a. Viscosidad a temperaturas de operación – segundos Sayboltuniversal (SSU) 30. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figura 6b. Corrección de viscosidad: procesamiento alterno según estándarAPI–RP–520 31. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figura 7. Factor de dimensionamiento (Kw) a contrapresión variableo constante para válvulas de alivio de seguridad de fuellebalanceado (líquidos solamente) 32. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Figura 8. Especificaciones de diseño para válvulas de alivio de presión 33. . .

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1 OBJETIVOEntregar suficiente información para especificar y dimensionar válvulas de alivio.

El tema “Sistemas de alivio de presión”, dentro del área de “Seguridad en el diseñode plantas”, en el Manual de Diseño de Procesos (MDP), está cubierto por lossiguientes documentos:

PDVSA–MDP– Descripción de Documento

08–SA–01 Sistemas de alivio de presión: Principios Básicos.

08–SA–02 Sistemas de alivio de presión: Consideraciones de contingenciay determinación de los flujos de alivio.

08–SA–03 Sistemas de alivio de presión: Dispositivos de alivio de presión.

08–SA–04 Sistemas de alivio de presión: Procedimientos para especificar ydimensionar válvulas de alivio de presión (Este documento).

08–SA–05 Sistemas de alivio de presión: Instalación de válvulas de alivio depresión.

Este documento, junto con los demás que cubren el tema de “Sistemas de aliviode presión”, dentro del Manual de Diseño de Procesos (MDP) de PDVSA, son unaactualización de la Práctica de Diseño “Seguridad en el diseño de plantas,Subsección 15C: Sistemas de alivio de presión”, presentada en la versión de Juniode 1986 del MDP.

2 ALCANCECubre los requerimientos para la especificación y dimensionamiento de válvulasde alivio de presión para servicios de vapor, líquido y fases mixtas.

3 REFERENCIAS

Manual de Diseño de Proceso (versión 1986)

� Vol I, Sección 3 “Torres de Fraccionamiento”� Vol VIII, Sección 14 “Flujo de Fluidos”� Vol IX, Subsección 15D “Mechurrios”� Vol IX, Subsección 15C: “Sistemas de Alivio de Presión”

Manual de Diseño de Proceso

� PDVSA–MDP–03–S–01 “Tambores Separadores: Principios Básicos”.

Otras Referencias

� ASME–Section I, “Power Boilers”, 1992

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� ASME–Section VIII, “Pressure Vessels”, 1992� API–RP520, “Sizing, Selection and Installation of Pressure–Relieving Devices

in Refineries”, Part I, 6th edition, Marzo 1993� CRANE Technical Paper No. 410M, “Flow of fluids through valves, fittings and

pipes”, 1986

4 DEFINICIONESVéase PDVSA–MDP–08–SA–01.

5 PROCEDIMIENTOS PARA ESPECIFICAR Y DIMENSIONARVALVULAS DE ALIVIO DE PRESION

El flujo de alivio requerido para una válvula de alivio de presión se determinaconsiderando las contingencias que pueden causar una sobrepresión como sedescribió en el volumen PDVSA–MDP–08–SA–02. En lo que sigue, sedescriben los procedimientos de cálculo para determinar el tamaño de la válvulade alivio de presión requerido para dejar pasar el flujo de alivio de diseño.

5.1 Dimensionamiento para servicio de vapor

Flujo crítico y sub–crítico

El flujo máximo de vapores a través de una restricción, tal como una boquilla uorificio de una válvula de alivio de presión, tiene lugar cuando las condiciones sontales que la velocidad a través del área de la sección transversal es igual a lavelocidad del sonido en esos vapores. A esta condición se la refiere como el flujocrítico o flujo restringido (Esto no debe confundirse con velocidad crítica que estárelacionada con el arrastre al cual se hace referencia enPDVSA–MDP–(Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 3) “Torres deFraccionamiento”, PDVSA–MDP–03–S–01 “Tambores” y PDVSA–MDP–(Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 15E) “Mechurrios”.Referirse al documento PDVSA–MDP–(Pendiente) (Consultar MDP versión 1986,Sección 14C) “Flujo de Fluidos”, flujo de gas de una sola fase, para unapresentación de esos tópicos). La ecuación simplificada para la velocidad sónicao crítica es:

Vc � F1kPxρx

� Ec. (1)

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http://www.intevep.pdv.com/~citonline/espanol/cat_normas_int_es.html

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donde:ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Enunidades

SI

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Enunidadesinglesas

ÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁVc ÁÁÁÁÁÁ

=ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Velocidad crítica ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

m/s ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

pie/sÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

k ÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

=ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Relación de los calores específicos apresión constante y a volumen constante,Cp y Cv, respectivamente(Cp /Cv)

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

adim ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

adim


PxÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Presión en la restricción cuando ocurre elflujo crítico (presión de flujo crítico)


kPa ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

psia


ρx ÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Densidad a la temperatura y presión delflujo crítico


kg/m3 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

lb/pie3

ÁÁÁÁÁÁÁÁ

F1 ÁÁÁÁÁÁ


Factor cuyo valor depende de la unidadesusadas


31.5 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

68.1

La caída de presión que corresponde al flujo crítico se denomina “caída de presióncrítica”, o sea es P1–Px, donde P1 es la presión absoluta aguas arriba.

Si la presión P2 (superimpuesta + acumulada) aguas abajo de la restricción esmenor que la “presión del flujo crítico”, entonces el flujo máximo que puedeobtenerse y que ocurre a la velocidad crítica es una función de P1 y de Px, perono es afectado por P2. Sin embargo, si la presión P2 es mayor que Px, entoncesel flujo se denomina “subcrítico” y la velocidad de flujo es una función de P1 y P2.Existen entonces dos ecuaciones para dimensionar las válvulas de alivio depresión en servicio para vapores, dependiendo de si el flujo es crítico o subcrítico.

En el diseño de válvulas de alivio de presión, es deseable seleccionar el lugar dela descarga de la válvula de alivio a una presión lo suficientemente baja parapermitir diseñar para condiciones de flujo crítico, de modo que el flujo de alivio seaindependiente de pequeñas fluctuaciones de la contrapresión.

5.1.1 Determinación de la presión del flujo críticoEl primer paso para dimensionar una válvula de alivio de presión para el flujo devapores es determinar la presión del flujo crítico Px, mediante la siguienteecuación:

Px

P1� � 2

k � 1�

kk – 1 Ec. (2)

Para vapores de hidrocarburos, el valor de Px/P1 puede leerse directamente enla Figura 1., la cual es lo suficientemente exacta bajo todas las condicionesrelacionadas con el cálculo de válvula de alivio de presión. La relación de caloresespecíficos, k, para una substancia en particular, varía con la presión ytemperatura, pero para los cálculos de válvula de alivio de presión, pueden usarselos valores publicados de k a 15°C (60°F) y a una atmósfera (14.7 psia).

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En la Tabla 1 se presenta un listado de los valores de k para un rango de gasescomunes con los valores correspondientes de Px/P1.

Cuando la presión y temperatura reducidas se acercan a 1.0, la relación Px/P1 seacerca al valor límite de 0.606.

5.1.2 Dimensionamiento para vapores – flujo crítico

Para condiciones de flujo crítico (o sea, cuando la presión superimpuesta total másla contrapresión acumulada, es igual o menor que la presión de flujo crítico) lasiguiente ecuación se usa para calcular el área del orificio requerido:

W � F23 C . Kd . Kb . A . P1M

z . T1� Ec. (3a)

donde:

C � 520 k � 2k � 1

�k � 1k – 1� Ec. (3b)

Combinando las ecuaciones (3a) y (3b), se obtiene:

W � F2 Kd . Kb . A . P1M

z . T1k � 2

k � 1�k � 1k – 1� Ec. (4)

donde:

En unidadesSI

En unidadesinglesas

W = Cantidad de flujo a aliviar kg/s lb/h

Kd = Coeficiente de descarga del orificio según lorecomienda el fabricante. Generalmente, seusa un coeficiente de 0.975 para el tipo comúnde válvula de alivio de presión. (Sinembargo, algunos diseños de válvula másrecientes y válvulas fabricadas fuera de losEUA pueden tener un coeficiente ligeramentediferente. Para la selección final de la válvula,debe consultarse la literatura del fabricante).

adim adim

Kb = Factor de corrección para la contrapresión. Nota:Para válvulas de alivio de seguridadconvencionales puede usarse un valor de 1.0 paralas condiciones de flujo crítico.

adim adim

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En unidadesinglesas

En unidadesSI

Para válvulas del tipo fuelle balanceado debenconsultarse las curvas del fabricante para elfactor de contrapresión recomendado (Kb).Este factor (Kb) puede ser significativo, o seapuede ser menor de 1.0 a contrapresionesmenores que la presión de flujo crítico. LaFigura 2. representa un promedio de losvalores de (Kb) recomendados por variosfabricantes de válvulas de alivio de presión ypueden usarse cuando se desconoce la marcade la válvula de fuelle balanceado. Sinembargo, ese gráfico no es confiable parapresiones de ajuste menores 345 kPag (50psig) y debe hacerse referencia al catálogo delfabricante de la válvula de alivio de presión.

A = Area efectiva del orificio mm2 pulg2

P1 = Presión de entrada a la brida a las condiciones dealivio (incluyendo la acumulación)

kPa abs. psia

M = Peso molecular de los vapores kg/kmol lb/lbmol

z = Factor de compresibilidad a las condiciones deentrada.

adim adim

T1 = Temperatura de entrada a las condiciones de alivio °K °R

k = Relación de calores específicos (Cp/Cv) a lascondiciones de entrada, que se dan paraalgunas sustancias en la Tabla 1. Nota:pueden usarse valores publicados de (k) a15°C (60°F) y una atmósfera. Si (k) esdesconocido puede usarse un valor“conservador” de k = 1.10 o un valor máscomún de k = 1.30. Si se desea corregir paragases no ideales, puede usarse el Apéndice Ede la especificación API 520 “AmericanPetroleum Institute” (API).

adim adim

C = Constante para vapores del Código ASME“Recipientes de Presión no Sometidos aCombustión”; como se mencionóanteriormente, “C” es función de la relación decalores específicos (k). La Ec.(3b) paradeterminar “C” se presenta tabulada en laTabla 3.

adim adim

F2 = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas 1.1x10–5 520

F23 = Factor cuyo valor depende de las unidades usada 2.11x10–8 1

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El procedimiento de cálculo es como sigue:

1. Para vapores de hidrocarburos, la Ec.(4) puede ser resuelta directamentemediante la Figura 3.

2. Para vapor de agua, ver “Dimensionamiento para el Flujo de Vapor de Agua”más adelante.

3. Para mezclas de vapores de hidrocarburos, más hidrógeno más vapor deagua, ver “Dimensionamiento para Mezclas de Vapores deHidrocarburos/Hidrocarburos/Vapor de Agua” más adelante.

4. Para vapores distintos de los anteriores deben aplicarse las Ecs. (3a) y (3b)anteriores.

El procedimiento anterior aplica a válvulas convencionales y de fuelle balanceadode alivio de seguridad, con tal que se use el factor apropiado de contrapresión, Kb.

5.1.3 Dimensionamiento para vapores–flujo subcrítico

Para los casos excepcionales de flujo subcrítico (por ejemplo, cuando se diseñauna válvula de alivio de presión para una baja presión de ajuste y la presiónsuperimpuesta más contrapresión acumulada total excede la presión del flujocrítico) pueden usarse las siguientes ecuaciones:

W � F3 Kd . A � P1V

1

�� kk–1��

�1 – P2

P1

k–1k ��

��P2

P1�

2k� Ec. (5)

W � F30 F31 Kd AMP1

P1– P2

zT�

Ec. (6)

ó

donde: En unidadesSI

En unidadesinglesas

P2 = Contrapresión total (superimpuesta másacumulada) kPa abs psia

V1 = Volumen específico a la condiciones deentrada m3/kg pie3/lb

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F3 = Factor cuyo valor depende de lasunidades usadas 4.47 x 10–5 2404

F30 = Factor cuyo valor depende de lasunidades usadas

1.55 x 10–5 735

F31 � kk–1 P2

P12 K

��

�1– P2 P1

(k–1) k

1 – P2 P1 ��

��

(Para valores véase Figura 4.)

El resto de la nomenclatura es como se definió después de la Ec.(4) anterior.

Las ecuaciones anteriores son aplicables solo a válvulas del tipo convencional yválvulas de alivio de presión operadas por pilotos. Las válvulas de fuellebalanceado se pueden calcular aplicando la Ec. (4).

5.1.4 Dimensionamiento para flujo de vapor de agua

Para el flujo de vapor de agua bajo condiciones de flujo crítico, la siguienteecuación se obtiene sustituyendo las constantes apropiadas en la Ec. (4):

W � F4 . Kd . Kn . Ksh . A . P1 Ec. (7)


En unidadesinglesas

Ksh = Factor de corrección para vaporsobrecalentado, determinado según la Tabla 4(ksh = 1.0 para vapor saturado) a cualquierpresión.

F4 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas.

1.46 x 10–6 51.5

Kn = Factor de corrección para la ecuación de Napier

Valores de Kn

Para P1 � 10445 kPa abs 1515 psia

Kn = 1

Para P1 > 10445 kPa abs 1515 psia

y P1 � 22170 kPa abs 3215 psia

Kn �(AP1 – 1000)(BP1 – 1061)

A 0.02764 0.1906

B 0.03324 0.2292

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Para flujo de vapor de agua bajo condiciones de flujo subcrítico, puede usarse lasiguiente ecuación, derivada de la Ec.(5).

W � F5 Kd . Kn . Ksh . A � P1V1�� P2

P1�1. 54

��

�1 – P2

P10.23

��

�� Ec. (8)


En unidadesinglesas

F5 = Factor cuyo valor depende de las unidadesusadas. 9.33 x 10–5 5020

Nótese que para calderas por combustión, en que las instalaciones de válvulas deseguridad deben cumplir con el Código ASME para Calderas de Potencia (ASMESección I: “Power Boilers”), en vez del Código para Recipientes a Presión noSometidos a Combustión (ASME Sección VIII), la acumulación permitida es desólo 6% en vez de 10%. Debe hacerse también referencia a las definiciones de (Kd)y (A) anteriores.

5.1.5 Dimensionamiento para mezclas de vapores de hidrocarburos, hidrógeno yvapor de agua

El dimensionamiento de una válvula de alivio de presión para mezclas de vaporesde hidrocarburos, hidrógeno y vapor de agua a condiciones de flujo críticas puede(en la mayoría de los casos) basarse en el peso molecular promedio y el uso dela Figura 1. para la determinación de la presión de flujo crítico, seguido del uso dela Figura 3. para la determinación del área del orificio requerida. El procedimientoes lo suficientemente exacto para propósitos de dimensionamiento de válvulas dealivio de presión. Sin embargo, la Figura 1. no puede usarse para pesosmoleculares promedio menores de 10, y en tales casos debe usarse la Ec. (2) paracalcular Px, usando un valor promedio de “k” para la mezcla. también se requiereun valor promedio de “k” si la Ec. (5) aplica.

Cuando se requiere un valor promedio de “k” para una mezcla de vapores dehidrocarburos/hidrógeno/vapor de agua el procedimiento para determinar esevalor de “k” es como sigue:

1. Combinar los calores específicos a presión constante en base a peso.

2. Combinar los calores específicos a volumen constante de la misma manera.

3. El valor promedio de “k” es entonces la relación de los calores específicospromedio combinados.

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5.2 Dimensionamiento para servicio de líquido

5.2.1 Dimensionamiento para líquidos de no–evaporación instantánea

No hay una presión de flujo crítico que limite el flujo de líquido a través del orificiode una válvula de alivio de presión, en oposición a caso de flujo de vapores. El flujode descarga es una función de la caída de presión a través de la válvula, como loindica la Ec. (9):

L � F6 A . Kd . Ku . Kw

Pd

S� Ec. (9)

(Para válvulas de alivio que requieren certificación de capacidad de líquidos)

L � F6 A . Kp . Kd . Ku . Kw1.25P – Pb

S� Ec. (10)

(Para válvulas de alivio que no requieren certificación)

donde:

En unidadesSI

En unidadesinglesas

L = Flujo volumétrico de líquido a aliviar dm3/s gpm


Kp = Factor de corrección por sobrepresión que seobtiene de la Figura 5. para sobrepresionesmenores del 25% de la presión de ajuste. Estefactor es necesario puesto que las válvulas dealivio de presión en servicio líquidogeneralmente requieren un 25% desobrepresión para un levantamiento total y lafórmula para dimensionamiento está basadaen un levantamiento total. Sin embargo,cuando la presión de ajuste es igual a lapresión de diseño, la sobrepresión máximaestá limitada, bajo el Código ASME, a 10% dela presión de ajuste (16% con válvulasmúltiples) para contingencias por fallasoperacionales. El factor Kp representa lacapacidad reducida que resulta de unlevantamiento reducido, sobrepresiónreducida y por el cambio del coeficiente dedescarga del orificio.

adim adim

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En unidadesinglesas

En unidadesSI

Ku = Factor de corrección para líquidos viscosos,determinado según la Figura 6. (a) y (b).Nótese que es necesaria una selección deltamaño del orificio por tanteo, en ladeterminación del factor “Ku”.

adim adim

Kw = Factor de corrección para contrapresión. Estefactor no necesita ser aplicado a válvulasconvencionales (o sea Kw = 1.0). Una válvuladel tipo fuelle balanceado, sin embargo, tieneun resorte más fuerte que una válvulaconvencional para el mismo servicio decontrapresión y el factor Kw da cuenta por lareducción de capacidad asociada. El factor Kwse determina con los gráficos de losfabricantes a la contrapresión total(superimpuesta más acumulada). Existenvariaciones significativas entre valores de Kwde diferentes fabricantes. La Figura 7.representa un promedio de los valores parasuplidores en EUA, los cuales pueden usarsepara propósitos de diseño cuando no se sabequien es el fabricante de la válvula.

adim adim

P = Presión de Ajuste de la válvula kPa man psig

Pb = Contrapresión total kPa man psig

Pd = Caída de presión a través de la válvula, o sea lapresión de alivio (ajuste mas sobrepresiónpermitida) menos la contrapresión total(superimpuesta más acumulada). Nótese queaunque el flujo real es proporcional a la raízcuadrada de la caída de presión a las condicionesde alivio, esta fórmula está basada en la caída depresión medida respecto a la presión de ajuste

kPa psi

S = Gravedad específica del líquido a las condicionesde entrada, referida al agua a 15°C (60°F)

adim adim

F6 = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas 1.67 x 10–3 38

Dimensionamiento para líquidos de evaporación instantánea

Las válvulas de alivio de presión que manejan fluidos que son líquidos a lascondiciones de entrada pero que se vaporizan total o parcialmente a lascondiciones de descarga, deben dimensionarse como sigue:

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1. Por un procedimiento de tanteo, determinar la cantidad de líquido que sevaporiza por una expansión isentálpica (entalpía constante) a la presión delflujo crítico (o a la presión real, si ésta es mayor que la crítica) para losvapores generados.

2. Calcular individualmente el área del orificio requerida para dejar pasar elcomponente de vapor generado usando las Ecs. (3a), (3b), (4), (5) ó (6)según sea la apropiada y de acuerdo con el servicio, tipo de válvula y si lacontrapresión es mayor o menor que la presión de flujo crítico.

3. Calcular individualmente el área del orificio requerida para dejar pasar elcomponente líquido no vaporizado, usando la Ec. (8). El término querepresenta la caída de presión, Pd, debe igualarse a la presión de ajustemenos la contrapresión total desarrollada por la porción de vapores a lapresión de flujo crítico, excepto cuando la presión de flujo crítico es menorque la contrapresión total calculada (superimpuesta más acumulada),considerando el flujo combinado de líquido y vapores. En el último caso, Pddebe igualarse a la presión de ajuste menos la contrapresión total calculada.

4. Sumar las áreas calculadas para los componentes de vapores y de líquidopara obtener el área total de orificio requerida. Esto puede ser algoconservativo, ya que la evaporación instantánea no tiene lugarinstantáneamente a través de un orificio de válvula de alivio de presión.

5.3 Dimensionamiento para servicio de fases mixtas de vapores ylíquidos

El dimensionamiento de una válvula de alivio de presión para el caso de unamezcla de vapores y líquido a las condiciones de entrada, puede calcularseusando el método de sumar las áreas de orificio requeridas para cada faseindividualmente, de la misma manera que fue anteriormente descrito para serviciode líquido con vaporización instantánea.

5.4 Dimensionamiento de válvulas de alivio de presión operadas porpiloto

Los métodos de dimensionamiento para válvulas de alivio de presión operadas porpiloto son acordes con las fórmulas aceptadas, descritas anteriormente, utilizandolos coeficientes de descarga apropiados y las áreas de orificio efectivas segúnrecomendación de los fabricantes de válvulas. Deben tomarse en cuenta lassiguientes indicaciones:

� Los coeficientes de descarga típicos de válvulas operadas por piloto están enel rango de 0.84 a 0.92. Si no se conoce el valor exacto usar el coeficiente másbajo.

� Si la válvula piloto descarga a la atmósfera, una válvula operada por pilotopuede ser considerada como una válvula balanceada.

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� Las válvulas operadas por piloto tienen limitaciones en el servicio para líquidosy debe contactarse el fabricante para recomendaciones acerca de losprocedimientos para su dimensionamiento.

5.5 Preparación de especificaciones de diseño para válvulas de alivio depresión

La Figura 8 muestra una hoja típica de especificación para una válvula de aliviode presión. Las siguientes notas indican la base para lo que se requiere en laEspecificación de Diseño.

Número de válvulas requeridas

Normalmente se especifica una válvula de alivio de presión estándar disponiblede los fabricantes con un área de orificio igual o mayor que el requerimientocalculado. En algunos casos, por ejemplo, de grandes velocidades de alivio o paraevitar el golpeteo, son necesarias dos o más válvulas. así mismo, si hay unadiferencia apreciable entre el tamaño del orificio calculado y el tamaño disponible,es deseable usar válvulas de alivio de presión múltiples para igualar másexactamente el área disponible al área de orificio requerida. La determinación delas presiones de ajuste y las acumulaciones permisibles para estas instalacionesde válvulas múltiples se describe en el documento PDVSA–MDP–08–SA–03.

La columna para Repuestos indica el requerimiento, si lo hay, para la instalaciónde válvulas de alivio de presión de repuesto en los equipos. Normalmente, estosólo aplica en el caso de preferencia de la refinería o regulaciones locales, peroes requerido en muchos países europeos.

Temperatura

La temperatura operacional que ocurre en una emergencia es la temperatura deentrada del fluido bajo condiciones de alivio. Esta temperatura se usa paradimensionar el orificio en servicio para vapores. La temperatura de emergencia nose especifica para servicios líquidos, puesto que la temperatura no entradirectamente en el cálculo de dimensionamiento.

La temperatura de diseño se especifica igual a la temperatura de diseño delrecipiente sobre el cual está localizada la válvula y esta temperatura se usa parala selección de la válvula de las tablas de temperatura y presión de trabajo de losfabricantes. La condición de alta temperatura se considera como un esfuerzo decorta duración y por tanto generalmente no se toma en cuenta. La temperatura dedescarga debe, sin embargo, incluirse en el análisis del sistema colector,particularmente en los efectos de la expansión térmica. Nótese que en algunoscasos la temperatura de emergencia puede exceder la temperatura de diseño,pero esta última es aún así la usada como base para la selección de la válvula dealivio de presión.

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Un ejemplo de tal caso es una válvula de alivio de presión dimensionada paraincendio montada sobre un recipiente que contienen un hidrocarburo de alto puntode ebullición. La temperatura de emergencia es el punto medio de ebullición a lapresión de alivio y ésta puede ser considerablemente mayor que la temperaturade diseño del recipiente y de la válvula de alivio de presión. La base para esteacercamiento es que la protección de equipos contra exposición a un incendiorequiere no sólo instalaciones para el alivio de presión para la descarga devapores generados por líquidos contenidos, sino también instalaciones para elcombate de incendios a fin de enfriar los equipos y evitar fallas porsobrecalentamiento.

Así, la temperatura bajo condiciones de alivio no sería más severa que la deexposición a un incendio.

Presión de ajuste

La presión de ajuste (la presión a la cual la válvula de alivio de presión estádiseñada para abrir) se especifica de acuerdo con los requerimientos del Código,como se describe en la Norma PDVSA–MDP–01–(Pendiente) (Consultar MDPversión 1986, sección 2). En la mayoría de las aplicaciones en recipientes, lapresión de ajuste de por lo menos una válvula de alivio de presión es igual a lapresión de diseño. Sin embargo, esta presión de ajuste es regulada (hacia arribao hacia abajo) para compensar cualquier efecto de la presión estática y caída depresión por fricción, que puedan ocurrir cuando la válvula se instala en otra parteque no sea directamente sobre el recipiente. Por ejemplo, si una válvula de aliviode presión se instala en una línea sin flujo por encima de un recipiente lleno delíquido, la presión de ajuste de la válvula de alivio de presión se reduciría losuficiente para permitir un cabezal estático de líquido entre el recipiente y laválvula.

Contrapresión

En el caso de una válvula de alivio de presión convencional, la columna“contrapresión máxima” debe especificar la máxima contrapresión superimpuerta(en kPa man. (psig)) bajo condiciones de ausencia de flujo. Si la descarga se dirigea la atmósfera o a un cabezal de válvula de seguridad donde la presión esesencialmente atmosférica bajo condiciones de ausencia de flujo, la máximacontrapresión debe especificarse como “cero”.

Para válvulas de alivio de presión del tipo de fuelle balanceado debe especificarsela máxima contrapresión superimpuesta. (Para válvulas de fuelle balanceado quedescarga a un cabezal de válvula de seguridad que está a presión atmosféricabajo condiciones sin flujo, la máxima contrapresión es “cero”).

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Presión diferencial del resorte

Para válvulas convencionales, la presión diferencial del resorte es igual a lapresión de ajuste menos la máxima contrapresión superimpuesta bajocondiciones sin flujo.

Para válvulas balanceadas, la presión de apertura no es afectada por lacontrapresión y la presión diferencial del resorte es igual a la presión de ajuste.

Sobrepresión permitida y condición crítica

A menos que se impongan códigos locales más estrictos, la máxima acumulaciónpara recipientes no sometidos a combustión debe especificarse de acuerdo conel Código ASME, Sección VIII, o sea 21% máximo de la presión de diseño paraincendio y 10% máximo para todas la otras contingencias de falla. Para válvulasde alivio de presión con presiones de ajuste escalonadas una válvula ajustadapara abrir a 105% de la presión de diseño puede tener una sobrepresión de 16%para contingencias del proceso y 21% para condiciones de incendio cuando secumplen los requerimientos del Código ASME para acumulación, sobre todo lapresión de diseño (Ver el documento PDVSA–MDP–08–SA–03). Para lascalderas a combustión y serpentines de sobrecalentamiento de vapor de agua enhornos de proceso se permite una acumulación máxima de 6% según la SecciónI del Código ASME. (Algunos códigos locales pueden permitir solamente 3% deacumulación).

Los siguientes generadores de vapor de agua se consideran como recipientes apresión no sometidos a combustión y la acumulación máxima debe especificarsede acuerdo con el Código ASME, Sección VIII (a menos que sea prohibido porcódigos locales).

1. Evaporadores e intercambiadores de calor en los cuales se genera vapor deagua.

2. Recipientes por ejemplo calderas de recuperación de calor perdido, en losque el vapor de agua se genera incidentalmente a las operaciones delsistema de procesos, el cual involucra una serie de recipientes a presión,tales como se usan en la manufactura de productos químicos y de petróleo.(Los equipos que someten a combustión un combustible suplementariodeben considerarse como recipientes a presión sometidos a combustión.)

La “condición crítica” en la hoja de especificaciones se anota como lacontingencia que determina el tamaño de la válvula, o sea incendio o fallaoperacional.

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Tipo y tamaño de la válvula de alivio de presión

La escogencia del tipo y tamaño de la válvula de alivio, se hará usando loscatálogos de los fabricantes recomendados de la filial que estudia el caso.Dependiendo de la tradición de compra que tenga cada una de las instalacionesde cada una de las filiales de PDVSA, se tendrán suplidores preferidos.

Observaciones: A veces, al formato presentado en la Figura 8, es convenienteañadir una fila llamada “Observaciones”, donde se debe incluir factores relevantestales como:

1. La presencia (y concentración si se conoce) de materiales corrosivos,diferentes de las concentraciones típicas de compuestos de azufrepresentes en corrientes de hidrocarburos derivados del petróleo.

2. Requerimientos para características especiales de válvulas, por ejemplo,conexiones de entrada y salida, engranaje de levantamiento de la válvula,etc., que sean no estándar.

3. Requerimientos para materiales de construcción especiales.

4. Base para especificar características no estándar o especiales.

5. Autorefrigeración, si afecta los materiales de construcción del sistemacolector.

6. Clarificaciones respecto a la presión de ajuste, si es diferente a la presión dediseño de los equipos.

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6 NOMENCLATURAÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Enunidades

SI

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Enunidadesinglesas


C = Constante para vapores del Código ASME“Recipientes de Presión no Sometidos aCombustión”.

adim adim


k ÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Relación de los calores específicos apresión constante y a volumen constante,Cp y Cv, respectivamente(Cp /Cv)


adim ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

adim

Kb = Factor de corrección para la contrapresión.Nota: Para válvulas de alivio de seguridadconvencionales puede usarse un valor de1.0 para las condiciones de flujo crítico.

adim adim

Kd = Coeficiente de descarga del orificio según lorecomienda el fabricante.

adim adim

Kn = Factor de corrección para la ecuación deNapier

adim adim

Kp = Factor de corrección que se obtiene de laFigura 5.

adim adim

Ksh = Factor de corrección para vaporsobrecalentado, determinado según la Tabla4 (Ksh = 1.0 para vapor saturado) a cualquierpresión

adim adim

Ku = Factor de corrección para líquidos viscosos. adim adimKw = Factor de corrección para contrapresión. adim adimL = Flujo volumétrico de líquido a aliviar dm3/s gpm

M = Peso molecular de los vapores kg/kgmol lb/lbmolÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁP = Presión de Ajuste de la válvula kPa abs psig

P1 = Presión de entrada a la brida a lascondiciones de alivio (incluyendo laacumulación)

kPa abs. psia

P2 = Contrapresión total (superimpuesta másacumulada)

kPa abs psia

Pb = Contrapresión total kPa man psig

Pd = Caída de presión a través de la válvula. kPa psiÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

PxÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


Presión en la restricción cuando ocurre elflujo crítico (presión de flujo crítico)


kPaÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

psia

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ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

Enunidadesinglesas


Enunidades

SI

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

ÁÁÁÁÁÁÁÁÁ


S = Gravedad específica del líquido a lascondiciones de entrada, referida al agua a15°C (60°F)

adim adim

T1 = Temperatura de entrada a las condicionesde alivio

°K °R

ÁÁÁÁÁÁÁÁ

Vc ÁÁÁÁÁÁ


Velocidad crítica ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

m/s ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

pie/sV1 = Volumen específico a la condiciones de

entradam3/kg pie3/lb

W = Cantidad de flujo a aliviar kg/s lb/h

z = Factor de compresibilidad a lascondiciones de entrada.

adim adim

ÁÁÁÁÁÁÁÁ

ρx ÁÁÁÁÁÁ


Densidad a la temperatura y presión delflujo crítico


kg/m3 ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ

lb/pie3

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7 APENDICESTabla 1. Propiedades termodinámicas de varias substancias a

condiciones estándarTabla 2. Tamaño normalizado de las válvulas de alivio, en función del

tamaño del orificioTabla 3. Valores de la constante “C” para cálculos con la fórmula de flujoTabla 4. Factores de corrección para sobrecalentamiento para válvulas de

seguridad en servicio para vapor de aguaFigura 1. Presión de flujo crítico para hidrocarburosFigura 2. Factor de dimensionamiento para contrapresión constante o

variable (Kb) para válvulas de alivio de seguridad de fuellebalanceado (vapores y gases)

Figura 3. Area requerida del orificio de la válvula de seguridad para aliviode vapores de hidrocarburos

Figura 4. Valores de F31 para flujo subcríticoFigura 5. Factores de corrección de capacidad por defecto de sobrepresión

para válvulas de alivio y válvulas de alivio de seguridad enservicios con líquidos

Figura 6a. Viscosidad a temperaturas de operación – segundos Sayboltuniversal (SSU)

Figura 6b. Corrección de viscosidad: procesamiento alterno según estándarAPI–RP–520

Figura 7. Factor de dimensionamiento (Kw) a contrapresión variable oconstante para válvulas de alivio de seguridad de fuellebalanceado (líquidos solamente)

Figura 8. Especificaciones de diseño para válvulas de alivio de presión

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TABLA 1. PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DE VARIAS SUBSTANCIASA CONDICIONES ESTÁNDAR*

RELACIÓN DE CALORESESPECÍFICOS

RELACIÓN DE PRESIÓNDE FLUJO CRÍTICO Px/P1

k = CP/CV

Gas

METANO 1.31 0.54

ETANO 1.19 0.57

PROPANO 1.13 0.58

BUTANO 1.09 0.59

AIRE 1.40 0.53

AMONIACO 1.31 0.53

BENCENO 1.12 0.58

DIOXIDO DE CARBONO 1.29 0.55

HIDROGENO 1.41 0.52

SULFURO DEHIDROGENO

1.32 0.53

FENOL 1.30* 0.54*

VAPOR DE AGUA 1.33 0.54

DIOXIDO DE AZUFRE 1.29 0.55

TOLUENO 1.09 0.59

* ESTIMADA* LAS CONDICIONES ESTANDAR SON 15°C (60°F) Y PRESION ATMOSFERICA

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TABLA 2. TAMAÑO NORMALIZADOS DE LAS VÁLVULAS DE ALIVIO, EN FUNCIÓNDEL TAMAÑO DEL ORIFICIO

Area real del orificio normalizado, plg2 Tamaño normalizado de válvula

0,110 1” x Dx 2”

0.196 1” x Ex2”

0,307 1 1/2” x F2”

0.785 2” x Hx3”

1,838 3” x Kx4”

2,853 4” x Lx6”

6,380 4” x Lx 6”

11,040 6” x Q x8”

16,000 6” x Rx10”

26,000 8” x Tx10”

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TABLA 3. VALORES DE LA CONSTANTE “C” PARA CÁLCULOS CON LA FÓRMULADE FLUJO

k �Cp

CvC � 520 k 2

k � 1k � 1k – 1�

1.001 315

1.02 318

1.04 320

1.06 322

1.08 324

1.10 327

1.12 329

1.14 331

1.16 333

1.18 335

1.20 337

1.22 339

1.24 341

1.26 343

1.28 345

1.30 347

1.32 349

1.34 351

1.36 352

1.38 354

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TABLA 3. (CONT.)

k �Cp

CvC � 520 k 2

k � 1k � 1k – 1�

1.40 356

1.42 358

1.44 359

1.46 361

1.48 363

1.50 364

1.52 365

1.54 368

1.56 369

1.58 371

1.60 372

1.62 374

1.64 376

1.66 377

1.68 379

1.70 380

2.00 400

2.20 412

(*) Para uso en la ecuación (3a)

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TABLA 4. FACTORES DE CORRECCIÓN PARA SOBRECALENTAMIENTO PARAVÁLVULAS DE SEGURIDAD EN SERVICIO PARA VAPOR DE AGUA

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Fig 1. PRESIÓN DE FLUJO CRÍTICO PARA HIDROCARBUROS

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Fig 2. FACTOR DE DIMENSIONAMIENTO PARA CONTRAPRESIÓN CONSTANTE OVARIABLE (Kb) PARA VÁLVULAS DE ALIVIO DE SEGURIDAD DE FUELLE

BALANCEADO (VAPORES Y GASES)

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Fig 3. AREA REQUERIDA DEL ORIFICIO DE LA VÁLVULA DE SEGURIDAD PARAALIVIO DE VAPORES DE HIDROCARBUROS

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r � P2 P1

F31

Línea de flujo crítico

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Fig 4. VALORES DE F31 PARA FLUJO SUBCRÍTICO

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PORCENTAJE DE SOBREPRESION

FAC

TOR

DE

CO

RR

EC

CIO

N, K

p

NOTA: LA CURVA DE ARRIBA INDICA QUE HASTA UNA SOBREPRESION DE 25%, INCLUSIVE LA CAPACIDAD ESEFECTADA POR EL CAMBIO DE ELEVACION, EL CAMBIO EN EL COEFICIENTE DE DESCARGA DEL ORIFICIOY EL CAMBIO DE SOBREPRESION. POR ENCIMA DE 25% LA VALVULA ESTA A SU ELEVACION TOTAL YLA CAPACIDAD ES SOLAMENTE AFECTADA POR LA SOBREPRESION

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Fig 5. FACTORES DE CORRECCIÓN DE CAPACIDAD POR EFECTO DE SOBREPRESIÓN PARA VÁLVULAS DE ALIVIO Y VÁLVULAS DE ALIVIO DE

SEGURIDAD EN SERVICIOS CON LÍQUIDOS

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Fig 6.a

VISCOSIDAD A TEMPERATURAS DE OPERACIÓN–SEGUNDOS SAYBOLTUNIVERSAL (SSU)

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Para dimensionar una válvula de alivio para servicio de líquidos viscosos:

R = NUMERO DE REYNOLDS

1. Determinar el área requerida sin la corrección para la viscosidad, Ao (Ku = 1.0), con la ecuación 9.2. Seleccionar el tamaño próximo más grande de orificio estándar de la referencia del fabricante o de la Tabla 2.3. Determinar el número de Reynolds “R” con la ecuación:

R �F7 x L.S.

� A�Donde: L = Flujo

S = Gravedad especifica a la temperatura de flujo contra agua a 15°C. (60°F)

A = Area efectiva del orificio (de la referencia del fabricante)F7 = Factor cuyo valor depende de las unidades usadas

En UnidadesSI

En UnidadesInglesas

dm3/s gpmadim adim

cp(mPa.s) lb/pie.smm2 pulg2

� = Viscosidad a la temperatura de flujo

1 x 106 1.669

4. Encontrar el factor de corrección para viscosidad (Ku) del gráfico.5. El área corregida que se requiere es Ao/Ku. Si este valor excede el de A1 repetir el cálculo.6. Si el área corregida que se requiere tiene un valor solo ligeramente mayor que el tamaño del orificio estándar,

considerar el uso de válvulas múltiples más pequeñas con presiones de ajuste escalonadas a fin de minimizarla tendencia al golpeteo.

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Fig 6.b.

CORRECCIÓN DE VISCOSIDAD: PROCESAMIENTO ALTERNO SEGÚN ESTÁNDARAPI–RP–520

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Fig 7. FACTOR DE DIMENSIONAMIENTO (Kw) A CONTRAPRESIÓN VARIABLE OCONSTANTE PARA VÁLVULAS DE ALIVIO DE SEGURIDAD DE FUELLE

BALANCEADO (LÍQUIDOS SOLAMENTE)

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EJEMPLO DE FORMATO PARA ESPECIFICACIONES DE DISEÑO

Fig 8. ESPECIFICACIONES DE DISEÑO PARA VÁLVULAS DE ALIVIO DE PRESIÓN

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MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO · PDF filepdvsa n° titulo rev. fecha descripcion pag. rev. aprob. aprob. aprob. fecha aprob. fecha seguridad en el diseÑo de plantas pdvsa, 1983...

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