Enfrentados a un derrame crítico de cavitación se pueden hacer dos cosas fundamentalmente: 1. Resistir y/o controlar el fenómeno eligiendo materiales más duros fundamentalmente
en el trim: aceros inoxidables estellitados ó aceros tratados térmicamente como el tipo 410-416-420, etc. También se puede tratar de controlarlo con diseños de trim adecuados, para que la implosión de las burbujas y microjects no impacten en zonas vitales del trim. Esto sería posible hasta unos valores moderados de delta-p, entre 20-30 bar según materiales, diseños y tamaños.
Estas acciones pueden ser válidas hasta moderadas presiones diferenciales, pero no es la ∆p el único parámetro definitorio. El autor R Michael Bell- Stone & Webstor Eng. dice que la cavitación no produce daños si la P1 está por debajo de 50 psi. (3,5 bar).
2. Evitarlo
Una válvula es más anticavitante cuanto más alto sea su valor de Fl y mejor sea XFZ , con la ayuda de Sigma si es posible. También se puede:
-
Repartir el salto de presión entre la válvula y una restricción aguas abajo ó poniendo dos válvulas. Deben tener el mismo tamaño, Cv y Fl. El Fl total =Fl
de cada válvula. La distancia mínima debe ser de 6 diámetros aprox.- Lo deseable, en la mayoría de los casos será seleccionar una válvula que tenga un diseño de internos de muy baja recuperación, alto Fl, a fin de evitar que la vena contracta baje por debajo de la Pv, controlando la velocidad en el trim. Esto se consigue con diseños multietapa ó multijaula de diversas configuraciones, según fabricantes.
P<Pv
P>Pv
En este contexto predominan dos criterios de diseño:
• Derrame axial en el que el fluido recorre todo el trim reduciendo proporcionalmente la velocidad. Estos diseños aportan un mejor comportamiento frente a la presencia de partículas a veces inevitables.
• Derrame radial, con multijaulas ó stacks de diferente configuración.
En las figura siguiente se ven algunas de las muchas soluciones disponibles en el mercado. También las válvulas rotativas han evolucionado en este sentido a pesar de trabajar normalmente a medias bajas presiones. Las condiciones de mayor agresividad cavitante se dan en el sector de la energía (presiones de 150-200 bar.) y en algunas unidades de proceso químico y petroquímico.
- Vaporización (Flash)
La vaporización se produce cuando, después de la estrangulación, la presión de salida queda por debajo de la presión de vapor del líquido a la temperatura de entrada.
La vaporización tiene lugar después de la vena contracta, en la zona de expansión a la salida de la válvula. Por tanto, la agresividad de este derrame afecta principalmente al semi cuerpo de salida y no tanto a los órganos internos.
Para evitar el desgaste de la zona de tapa y cuerpo de válvula se pondrán cuerpos aleados al Cr. Mo., A217 WC6 ó WC9, ó bien inoxidable.
Podemos distinguir dos niveles de flashing, ligero y severo, este último cuando la presión de salida está muy por debajo de la presión de vapor y con altas delta-p´s
No todo el líquido se vaporiza. En todo proceso de flash es interesante calcular el % de vaporización.
Asumiendo que el proceso sea isoentálpico:
Hl1 = x Hg2 + (1 – x ) Hg 2 x(%) = Hl1 - Hl 2 / Hg2 - Hl2
Siendo: Hl1 Entalpía del líquido a la Tª de entrada. Hl2 Entalpía del líquido a la P de salida Hg2 Entalpía del vapor a la P de salida.
A partir de este dato se podrá calcular la velocidad de salida que depende de las condiciones termodinámicas del fluido (líquido + su vapor) en la salida de la válvula. Esto puede ser particularmente complejo cuando se trate de una mezcla de fluidos a la entrada de la válvula ó no tengamos todos los datos termodinámicos necesarios
Para valores de presión diferencial alta se debe usar las válvulas, preferentemente angulares, con fluido tiende a cerrar, y de forma que descargue directamente en el tanque receptor, sin tramo de tubería intermedio.
Con cuerpos de acero carbono la velocidad recomendada es de unos 60 m/s. (F. Volpe) aunque este es un valor conservador a veces difícil de respetar. Lo normal es admitir 80-100 m/s, depende de material cuerpo e internos.
Para valores medios de presión diferencial con derrame en flash es recomendable el diseño de válvulas rotativas de asiento, rotary plug, con fluido tiende a cerrar
En flash muy severo se dispondrán cuerpos angulares con camisa de protección en la salida que sea fácilmente sustituible. También es recomendable- en algunos casos- poner fluido cierra en los cuerpos de globo simple asiento pero verificando la capacidad del actuador para trabajar en esta situación. FT Close siempre en válvulas de globo rotativas.
Un par de diseños para el flash.
Tanto en derrame de cavitación como con flash, hay que valorar que el comportamiento de los fluidos es diferente. En el caso del agua+su vapor la agresividad es mucho mayor que en otros fluidos como por ejemplo los derivados del petróleo, particularmente los hidrocarburos y sus mezclas; la presencia de gases durante el proceso de implosión y colapso de las burbujas, minimizan notablemente los efectos de la cavitación a igualdad de régimen de presión, con respecto al agua. (*)
Esto es debido quizá porque su densidad y tensión superficial son menores, en consecuencia las partes de líquido vaporizado son más ligeras, y menos destructoras.
Los ruidos de fluidos en flash no suelen ser de consideración. Pruebas en laboratorio y experiencias en plantas han demostrado que el nivel de ruido se sitúa casi siempre por debajo de 90 dB A. (*) Hammitt, F.G. “Cavitation and Multiphase flow phenomena”
- Régimen bifásico a la entrada Pueden darse dos casos :
1. Líquido + su propio vapor. A la salida podríamos tener mayor proporción de fase gaseosa. 2. Líquido + gas (no condensable). La salida será bifásica con posible aumento de fase
gaseosa si vaporiza algo del líquido.
Las fórmulas IEC / ISA tienen en cuenta la posible vaporización del líquido. No siempre es correcto, en estos casos, calcular separadamente el Cv para líquidos y sumarlo al Cv de la fase gaseosa. La experiencia del procesista se tendrá en cuenta en estos casos. Desde el punto de vista de los materiales y criterios de selección se usarán los mismos que se han indicado para el flash.
Hay otra aplicación crítica con régimen bifásico que se da el Outgassing, dentro de unidades de Hydrocracking. Precisa de un adecuado dimensionamiento del trim y preveer un cuerpo con salida de mayor tamaño a la entrada, tipo angular FTClose; si la presión diferencial es alta, mejor trim multietapa de area expansiva.
3 - DERRAME EN GASES (Gases y Vapor)
La diferencia sustancial entre el derrame de líquidos y el de los gases es la comprensibilidad, típica característica de los gases. Cuando aumenta la presión, el volumen de un gas decrece. Al igual que en líquidos, se puede dibujar una curva que relaciona el caudal con la presión, pero aquí lo haremos en relación a
x
en lugar de∆p
ya que en los fluidos comprensibles el caudal no es tan proporcional a la∆
P como en los líquidos. La expansión de los gases está más en relación con este ratio∆p
/ P1 que llamamos “x”- “pressure drop ratio”. El término∆
P es remplazado porx
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√ X = √Δp/p1
Subcritico
IEC normal flow IEC chocked flow
R
Critico ∆p = Fk . XT.P1 X = FK . XT
Y
La figura anterior describe gráficamente lo que le ocurre al caudal cuando “x” aumenta. Para estudiar esto se utiliza un circuito de prueba similar al usado para líquidos siguiendo el standard IEC 534 / ISA.S 75.
En la expansión el caudal es casi proporcional a
X
hasta que empieza a desviarse. A partir de un punto, esta desviación causada por la expansión del gas es debida también a la variación de la densidad del fluido. Cuando un fluido comprensible se expansiona, al aumentar la velocidad en la vena contracta, el peso específico disminuye. Esto produce una mayor velocidad - en la estrangulación- que si fuera líquido.El caudal puede aumentar un poco como consecuencia del alargamiento de la restricción (VC) en la válvula, sin embargo llegaremos a un punto de máxima velocidad donde el caudal no aumenta significativamente.
Si un 10% de variación de
∆p
sólo produce un 0,5% de incremento de caudal, entonces decimos que se ha alcanzado el “Choked Flow”.A este valor límite de “x”, para una válvula determinada se le identifica con el término xT (T-indica Terminal), y es llamado “Pressure drop ratio factor”.
El coeficiente XT es función de la geometría de la válvula. Se determina experimentalmente para cada válvula y trim y debe ser facilitada por los fabricantes. Es el mayor valor de “x” que puede ser usado en las ecuaciones de cálculo del Cv. La presión diferencial crítica donde se alcanza el “choked flow” es calculable con este factor.
Se alcanza el régimen de caudal crítico cuando:
1
P
p
∆
= > xT ;∆p
crítica = xT . P1Aquí conviene introducir un factor que tenga en cuenta las propiedades de cada fluido.