TEAS - CONCEPTOS BASICOS Y PARAMETROS DE SELECCIÓN
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TEA
S
LA SOLUCIÓN A SU MEDIDA EQUIPOS SISTEMAS Y SERVICIOS PARA MANEJO Y CONTROL DE FLUIDOS 1
1. OBJETIVOS
2. CONCEPTOS BÁSICOS
3. TIPOS DE TEAS
3.1 Teas elevadas
3.2 Teas a nivel de piso
4. SISTEMAS DE IGNICIÓN
4.1 Sistema de ignición FFG
4.2 Sistema de ignición HEI
4.3 Pilotos
5. ACCESORIOS
5.1 Sello de velocidad
5.2 Sello molecular
5.3 Sello líquido
6. PARAMETROS DE SELECCIÓN
TEA
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Mencionar la importancia y función de los sistemas de teas .
Describir los principales tipos de teas.
Especificar los principales sistemas de control de ignición.
Determinar los principales factores de diseño de un sistema de tea.
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AIRE ESTEQUIOMETRICO: Relación químicamente correcta entre combustible y aire, que por ejemplo, en una mezcla es capaz de una combustión perfecta en la que no se tiene aire o combustible sin usar.
ANTORCHA ó TEA: Sistema o dispositivo usado para disponer de forma segura de gases de alivio de un proceso, en una forma amigable con el medio ambiente, a través del uso de la combustión.
CAPACIDAD DE HUMO: Máximo flujo de un sistema de tea que puede ser
quemado sin humo. Normalmente expresado en kg/h (lb/h) para una composición especifica de gas, temperatura y presión.
EFICIENCIA DE DESTRUCCIÓN: Porcentaje en peso del vapor de un fluido que puede ser oxidado que es por lo menos parcialmente oxidado. En el caso de hidrocarburos, es el porcentaje en peso de carbono en el vapor del fluido que se oxida a CO ó CO2
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EXCESO DE AIRE: Aire provisto a la llama en exceso del requerimiento estequiométrico.
GAS DE PURGA: Gas combustible o no condensable inerte inyectado en el cabezal de la tea para mitigar el ingreso de aire, y evitar la generación de retrollama (flashback).
INTENSIDAD DE RADIACIÓN: Rata de transferencia de calor local desde la llama de la tea. Usualmente considerada como una escala y expresada en kilovatios por metro cuadrado (BTU por pie cuadrado).
KNOCK OUT DRUM: Recipiente instalado cerca de la base de la tea, sirve para recuperar hidrocarburos líquidos, prevenir flujos de líquido y remover partículas liquidas de las corrientes de gas liberadas del sistema de alivio.
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NUMERO DE RINGELMANN: Escala usada para definir los niveles de blanco, gris o negro, donde blanco es cero, negro 5 y del 1 al 4 incrementa el nivel de gris. Usado frecuentemente para describir la intensidad del humo.
NUMERO DE MACH: Relación entre la velocidad del fluido (medido con relación a algún obstáculo o figura geométrica) dividida por la velocidad a la cual las ondas de sonido se propagan el fluido.
PILOTO: Quemador pequeño de funcionamiento continúo que provee la energía de ignición para encender los gases a quemar.
PUNTA DE LA TEA: Parte de la tea donde el aire y combustible son mezclados a velocidades, turbulencia y concentraciones requeridas para establecer y mantener la apropiado ignición y la combustión estable.
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API-521/537 – Norma industrial: Sistema o dispositivo usado para disponer de forma segura de gases
de alivio de un proceso, en una forma amigable con el medio ambiente, a través del uso de la combustión.
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AMERICAN PETROLEUM INSTITUTE (API) • API RP 520 Sizing, Selection, and
Installation of Pressure-relieving devices in Refineries.
• API STD 521 Pressure-relieving and Depressuring Systems.
• API STD 537 Flare Details for General Refinery and Petrochemical Service.
• API STD 673 Centrifugal Fans for Petroleum, Chemical and Gas for Industry Services.
• API RP 500 Recommended Practice for Classification of Locations for Electrical Installations at Petroleum Facilities Classified as Class I, Division I and Division 2.
• API RP 540 Electrical Installations in Petroleum Processing Plants.
AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS (ASME) • ASME Boiler and Pressure Vessel Code • Section II Material specification • Section V Non-destructive examination • Section VIII, Division 1 Rules for
construction of pressure vessels • Section VIII, Division 1 Rules for
construction of pressure vessels • Section IX Welding and brazing
qualifications
TIP
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TIP
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Por estructura:
Autosoportadas
Soportadas por cables
Soportadas por
estructura (derrick)
Por tipo de punta:
No asistidas
Sónicas
Asistidas por aire
Asistidas con vapor
TIP
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Altura hasta 300 ft (92 m)
Costo medio de capital
Costo moderado de instalación
Requerimiento de espacio reducido
No tiene limites de temperatura de proceso
TIP
OS
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Altura hasta 600 ft (183 m)
Bajo costo de capital
Bajo costo de instalación
Alto requerimiento de espacio
Limites con respecto a temperatura de proceso
Requerimientos de mantenimiento
TIP
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Alturas hasta 655 ft (200 m)
Puede ser tipo desmontable
Alto costo de capital
Alto costo de instalacion
Requerimientos de espacio reducido
No hay limites de temperatura de proceso
Posibilidad de usar multiples chimeneas
TIP
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TIP
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Bajo costo de capital
Tamáños desde 2” hasta 120”
No posee partes moviles
310SS en zonas de alto calor
Mínimo consumo de servicios a tea
Alta estabilidad de llama / Confiabilidad desde la velocidad de purga hasta la sónica
Gases de alta o baja presion
Gases de bajo BTU
MINIMO 98.5% eficiencia de destrucción de hidrocarburos
TIP
OS
DE
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Inyección de aire para control de humo
Varios diseños de puntas disponibles para lograr requerimientos de quema sin humo.
Varios tipos de sopladores disponibles para lograr requerimientos de quema sin humo
Diferentes configuracion de sopladores y sistemas de control.
TIP
OS
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Costos de operacion mas bajos Diametros desde 2 inch hasta 120 inch No tiene partes moviles 310SS en zonas de alto calor Alta estabilidad de llama / Confiabilidad
desde la velocidad del gas de purga hasta la sonica
Gases de alta o baja presión Eficiencia de destrucción de
hidrocarburos mínimo 98.5% Alto rango de quema libre sin humo Combustión libre de humo de una
amplia variedad de gases Se usa en ambientes articos donde el
vapor podria congelarse Se usa en ambientes deserticos donde
el agua es escasa
TIP
OS
DE
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El gas fluye por el tubo de subida interno
Aire fluye por el tubo de subida externo
Mezclado en la salida de la punta
Llama mas corta en comparación con la producida en puntas convencionales
Vida util de punta de tea mas larga debido al enfriamiento ocasionado por el flujo forzado de aire
Sopladores de velocidad variable pueden ser usados
Se us an donde se requiere quema libre de humo y no hay disponibilidad de vapor o gas de asistencia
Radiación mas baja debido a una llama mas aireada
Ruido mas bajo
TIP
OS
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Inyección de vapor para control de humo
Dos tipos de puntas de boquilla simple & Un tipo de punta para boquilla multiple
Diferentes niveles de generación de ruido
Diferentes eficiencias de inyección de vapor
TIP
OS
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Costo de capital mas bajo comparado con otros sistemas de asistencia
Tamaños de 2” hasta 120 “ No hay partes moviles 310SS en zonas de alto calor Alta estabilidad de llama /
Confiable desde la velocidad de purga hasta la de emergencia
Gases de baja o alta presión Eficiencia de destrucción de
hidrocarburos mínima es de 98,5% Alto rango de eficiencia libre de
humo Combustion libre de humo de una
amplia variedad de gases de residuo
TIP
OS
DE
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Boquillas tipo Jet patentadas
Acción tipo jet arrastra aire para
combustión libre de humo
Presiones recomendadas >14
PSIG
Alta capacidad
TIP
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Inyección de gas a alta presion
para control de humo
Dos tipos de puntas de boquilla
sencilla y otro multi-boquilla
disponibles
TIP
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TIP
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Consiste en hileras de multiples quemadores
Amplios rangos de presión
Baja radiación
Alta rangeabilidad
Amplia variedad de gases
Puede ser usada en conjunto con teas elevadas
Alta eficiencia de destrucción
Alta confiabilidad
TIP
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Amplio rango de presiones
Radiación termica muy baja
Alta rangeabilidad
Amplia variedad de gases sin llama visible
Bajo ruido
Alta eficiencia de destrucción
Alta confiabilidad
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Eliminación de flujo bifásico, gases y líquidos, o solo líquidos.
El líquido se recolecta dentro de un foso
Son sistemas smokeless normalmente
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SIST
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Flame Front Generator (FFG)
High-Energy Electronic Spark (HEI)
Continuous / Sparks Every Time (SETZ)
Piezo-Eléctricos
Capacidad de cumplir con todas las áreas de clasificación.
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SIST
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Requiere suministro continuo de gas
Requiere suministro de gas y aire durante la secuencia de ignición
Puede ser ofrecido con modo manual, automático o combinado (Auto/Manual)
Puede cumplir cualquier clasificación de area peligrosa
SIST
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Requiere suministro continuo de gas
Está compuesto por el modulo HEI y sensor de ignición en el piloto
Confiable / Ignición directa a prueba de fallos
Puede cumplir cualquier clasificación de area peligrosa
PIL
OTO
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HSLF (High-stability, Low Fuel Consumption) Series
CFP Series Pilotos retráctiles
PIL
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65,000 BTU/hr
Alta estabilidad con gases de alto MW o gases de alto % de H2
Flame Front Generator y / o Electric
Ignition
1 o 2 Termopares
Termopar retractil
PIL
OTO
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250,000 BTU/hr
Alta estabilidad con gases de alto MW o gases de alto % de H2
Flame Front Generator y / o Electric
Ignition
1 o 2 Termopares
Termopar retractil
PIL
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PAR
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Parte integral ubicada dentro de la
punta de la tea
NO requiere una linea de drenaje
dedicada
Niveles de O2 no alcanzan mas de 6-
8% por debajo del sello de velocidad
AC
CES
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Pieza separada de equipo ubicada por debajo de la punta de la tea
Requiere linea de drenaje dedicada
Asegura que nivel de O2 no llega al 0% por debajo del sello de gas
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Se usan para aumentar la retropresión aguas abajo del sistema de tea en el cabezal.
Pueden recolectar líquidos arrastrados en la corriente de gas
Actuan como una barrera de protección contra la retrollama que se presenta entre la tea y el cabezal.
Pueden ser separados / independientes (Horizontal o Vertical) orIntegral en la base de la tea (Vertical)
Podrian ser diseñados como tipo sello profundo o para uso con sistema de recuperacion.
AC
CES
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Se emplean para recolectar cualquier líquido en la corriente de entrada hacia la tea
Si se dimensionan mal podrian llevar a la presencia de líquido en la punta de la tea
Tipos:
• Separado / independiente (horizontal)
• Vertical) o integral en la base de la chimenea (vertical)
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AC
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Tipo retractil
Requiere un pequeño cabrestante para extender / retraer el pescante
Construcción en acero al carbono con escudo de calor en acero inoxidable
Permite bajar / elevar la punta de la tea desde la base de la chimenea
Se requiere un cabrestante montado en la base de la tea.
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AC
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PAR
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DE
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CAUDAL DEL GAS
COMPOSICION DEL GAS
TEMPERATURA DEL GAS
PRESION DEL GAS DISPONIBLE
COSTO Y DISPONIBILIDAD DE SERVICIOS INDUSTRIALES
REQUERIMIENTOS AMBIENTALES
REQUERIMIENTOS DE SEGURIDAD
REQUERIMIENTOS SOCIALES
CONSIDERACIONES DE DISEÑO
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Normalmente el diseñador del sistema de tea emplea el dato del caudal
suministrado por la ingeniería de proceso. Si el dato es sobrestimado el sistema de
tea será mas costoso y puede conducir a vida de servicio mas corta. Si se
subestima puede conducir a sistemas no seguros.
Afecta directamente el tamaño mecánico de la tea
A mayor flujo la radiación térmica se incrementa, lo cual tiene impacto directo
sobre la altura y localización del sistema de tea.
La velocidad de gas debe estar alrededor de 150 – 300 ft/seg
API RP 521 recomienda Mach entre 0.2 y 0.5
Numero de Mach = Vgas en el tubo / V sonido en gas
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Los productos de la combustión dependen de la composición del gas de entrada,
conociendo dicha composición se puede predecir las características y composición
del gas de chimenea.
La compañía de diseño puede predecir mediante la relación de carbón a hidrogeno
la tendencia de generación de humo del gas.
Gases como el H2S requieren metalurgia especial.
PAR
AM
ETR
OS
DE
SELE
CC
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LA SOLUCIÓN A SU MEDIDA EQUIPOS SISTEMAS Y SERVICIOS PARA MANEJO Y CONTROL DE FLUIDOS 54
Tiene impacto directo sobre la expansión térmica, volumen del gas y
requerimientos de materiales de tubería y recipientes.
Otro factor es la tendencia a condensarse de los gases, la condensación de flujo
bifásico ocasiona una mayor tendencia a formación de humo y la posibilidad de
lluvia de fuego. Esto puede evitarse con la adición del KO DRUM en el diseño.
PAR
AM
ETR
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DE
SELE
CC
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LA SOLUCIÓN A SU MEDIDA EQUIPOS SISTEMAS Y SERVICIOS PARA MANEJO Y CONTROL DE FLUIDOS 55
Se determina mediante el análisis hidráulico de todo el sistema de alivio desde los
equipos de alivio de presión (válvulas de seguridad, discos de ruptura, venteos,
etc.)
Es un criterio de diseño para la quema sin humo de la tea, algunos diseñadores
han encontrado que se puede incrementar la quema “smokeless” al usar la presión
disponible a la entrada.
A mayor caída de presión a través de la tea se reduce el volumen de gas, lo que
conduce a un cabezal de tea mas pequeño y reducciones en el consumo del gas de
purga.
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ÁM
ETR
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DE
SELE
CC
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LA SOLUCIÓN A SU MEDIDA EQUIPOS SISTEMAS Y SERVICIOS PARA MANEJO Y CONTROL DE FLUIDOS 56
Para alcanzar quema sin humo, es necesario usar un gas de asistencia para
incrementar la turbulencia en el punto de quema.
Se puede usar aire, vapor o gas. Aire con blowers (35% del aire estequiometrico).
Vapor en relación de 0.2 lb por lb de gas. Gas en presiones superiores a los 25 psig.
Otros servicios son el gas de piloto y el gas de purga. La cantidad requerida
depende del tamaño del sistema de tea. La cantidad del gas de purga depende de
la composición de este gas.
El gas de piloto esta afectado por las características de combustión de los gases a
usar: gas natural (15 psig) o LPG (10 psig). Por lo general se pueden usar gases
residuales siempre que su LHV sea superior a 300 BTU/FT3.
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DE
SLEC
CIÓ
N
LA SOLUCIÓN A SU MEDIDA EQUIPOS SISTEMAS Y SERVICIOS PARA MANEJO Y CONTROL DE FLUIDOS 57
El requerimiento ambiental básico es que exista quema sin humo para proteger el
ambiente de la polución.
Usualmente se emplea el número de Ringlemann como escala para determinar si el
nivel de emisiones de humos esta dentro de los limites permitidos.
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SELE
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LA SOLUCIÓN A SU MEDIDA EQUIPOS SISTEMAS Y SERVICIOS PARA MANEJO Y CONTROL DE FLUIDOS 58
Al usar teas asistidas se aumenta el nivel de ruido, máximo nivel de ruido no debe superar 85 dB
Instalación de tea, preferiblemente y cuando sea técnicamente viable en altura para la quema del gas. Si las condiciones lo permiten, la línea debe estar provista de facilidades para separación de líquidos, los cuales se retornarán por tubería a tanques.
Utilización, cuando sea técnicamente recomendable (P.e. crudos livianos) y económicamente factible, de tanques de almacenamiento con techo o membrana flotante. En caso contrario, se tratará de que los venteos de tanques se conecten a la línea de teas.
La generación de calor y su contribución al deterioro de la calidad del aire ambiente se relaciona especialmente con las quemas de gas, Las medidas de manejo son en este caso de prevención, teniendo como alternativas la selección de la localización considerando carga máxima del sistema o condiciones extremas.
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CC
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LA SOLUCIÓN A SU MEDIDA EQUIPOS SISTEMAS Y SERVICIOS PARA MANEJO Y CONTROL DE FLUIDOS 59
El principal requerimiento de
seguridad esta relacionado con
problemas de radiación térmica.
Prever zonas de aislamiento
alrededor de las teas para evitar los
efectos de la radiación. Estas serán
establecidas en función de la energía
radiante emitida y de los receptores
sensibles presentes en la zona de
exposición, tal como lo estipulan las
normas de seguridad.
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LA SOLUCIÓN A SU MEDIDA EQUIPOS SISTEMAS Y SERVICIOS PARA MANEJO Y CONTROL DE FLUIDOS 60
Aunque la tea cumpla con requerimientos ambientales, puede no cumplir con las
expectativas de los vecinos de la planta. Pueden surgir reclamaciones por luz o
ruido.
La tea será instalada a 200 metros del borde de la propiedad del vecino o del
recipiente con hidrocarburo mas cercano (EXXON ).
Presencia de comunidades indígenas en la zona
Presencia de animales o cultivos en la zona
Presencia de aeropuertos o puertos en la zona
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LA SOLUCIÓN A SU MEDIDA EQUIPOS SISTEMAS Y SERVICIOS PARA MANEJO Y CONTROL DE FLUIDOS 61
La velocidad del viento normal y máxima en la zona define el tipo de soporte a
utilizar y la estabilidad de la llama.
El factor de importancia define el tipo de estructura según la norma ASCE 7-05.
Disponibilidad de área
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