Dispositivos de proteção contra surto de pressão são exigidos por normas de segurança em determinados equipamentos. No entanto, os cálculos necessários para o dimensionamento podem ser trabalhosos e suscetíveis a interpretações divergentes, comprometendo a operação.
O uso de CFD (Computational Fluid Dynamics) permite analisar o comportamento do surto de pressão em tanques pressurizados, avaliando a evolução temporal da onda de pressão e auxiliando na seleção e no dimensionamento dos dispositivos de proteção mais adequados.
O Problema: selecionar, de forma econômica, rápida e segura, o tipo e o número de dispositivos de proteção contra surto de pressão
No projeto de trocadores de calor para aquecimento de gás natural, a norma API 521 exige o dimensionamento do sistema de proteção para cenários de falha, como o rompimento do tubo de gás no interior do casco. Esse processo envolve diversas variáveis, o que gera uma série de dúvidas:
- O casco do trocador está devidamente dimensionado para suportar o surto de pressão?
- Qual tipo de dispositivo de proteção utilizar, válvulas de segurança (PSV) ou discos de ruptura?
- Quantos dispositivos são necessários e em quais posições?
Embora a lógica inicial sugira que mais dispositivos significam maior segurança, na prática, o excesso de dispositivos pode não ser eficaz. A análise precisa considerar múltiplos fatores simultâneos, como:
- Compressibilidade do gás e do líquido: o comportamento do fluxo muda de acordo com a relação de pressões;
- Evolução da trinca no tubo: do surgimento da trinca até o rompimento completo, a curva de vazão muda significativamente;
- Atraso na abertura dos dispositivos de proteção: o tempo de resposta é crucial para a eficiência do sistema;
- Elementos de linha (válvulas, curvas e tanques): todos afetam a propagação da onda de pressão.
A complexidade do problema e a importância da aplicação exigem análises precisas e sofisticadas, especialmente em cenários onde a escolha de dispositivos inadequados pode resultar em soluções caras e ineficazes.
Etapas da Análise
- Modelagem da ruptura do tubo
A primeira etapa foi a modelagem da evolução da trinca no tubo, considerando o processo de nucleação e a falha completa. A Figener utilizou publicações científicas de referência para determinar a curva de vazão mais crítica possível para o estudo. - Cálculos teóricos de compressibilidade do gás e do líquido
Aqui, foi avaliada a compressibilidade de ambos os meios (gás e líquido) no cenário de falha. Dependendo da relação de pressões entre os meios, o escoamento de gás no tubo estará “blocado”, termo usado para descrever um tipo de escoamento compressível, alterando a forma de cálculo de vazão. No caso do meio líquido, os parâmetros críticos de compressibilidade também foram modelados e verificados. - Construção do modelo CFD
Devido à complexidade do problema, o modelo CFD precisou considerar fenômenos simultâneos, como:
- A evolução da trinca no tubo;
- A abertura do dispositivo de segurança;
- O comportamento compressível dos fluidos.
Para isso, foi necessário customizar o software OpenFOAM, o que permitiu à equipe da Figener implementar ajustes específicos para o estudo. Essa personalização foi essencial para tornar a simulação viável e robusta.
- Testes de diferentes dispositivos de segurança
Os dois principais dispositivos de proteção avaliados foram:
- PSVs (válvulas de segurança de pressão)
- Discos de ruptura
Foram simuladas diferentes condições de gatilho, atraso de ativação e capacidade de vazão de cada tipo de dispositivo. Além disso, a Figener testou o impacto da posição e quantidade de dispositivos, identificando a configuração mais eficaz.
- Análise da curva de pressão máxima e comparação com o limite do casco
Com o modelo CFD completo, foi possível determinar a curva de evolução de pressão no interior do casco. A pressão máxima foi comparada com o limite permitido pelo fabricante. Se a pressão ultrapassasse o limite, ajustes precisariam ser feitos, seja alterando o número de dispositivos, sua posição ou até mesmo propondo modificações no projeto do trocador de calor.
Figura 1 – Pressão máxima dentro do vaso durante o transiente, para diferentes cenários
Figura 2 – Evolução da pressão dentro do trocador de calor
Solução Otimizada para Atender à Norma
O uso de CFD permitiu que diversas alternativas fossem testadas, trazendo uma análise precisa e visual do comportamento do sistema. Isso viabilizou o dimensionamento correto e eficiente dos dispositivos de proteção, com impacto positivo na segurança e na economia do projeto. Sem o uso de CFD, o cenário economicamente mais viável dificilmente seria identificado.
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