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Sep 11, 2023

Consideraciones clave en la especificación de válvulas de control

1 de marzo de 2017 | Por Satyendra Kumar Singh, Simon India Ltd.

1 de marzo de 2017 | Por Satyendra Kumar Singh, Simon India Ltd.

Siga esta guía para especificar una válvula de control con precisión durante la fase de diseño

Las válvulas de control son uno de los instrumentos más comunes e importantes utilizados en las industrias de procesos químicos (CPI). Ayudan a garantizar un funcionamiento fluido y eficiente de las plantas de proceso, al lograr los parámetros operativos deseados mediante la regulación del flujo de fluido en las tuberías conectadas. La necesidad de especificar adecuadamente las válvulas de control durante la fase de diseño de una planta no se puede dejar de enfatizar.

El tamaño de una válvula de control se deriva de un parámetro llamado coeficiente de flujo (C v), que se define como la tasa de flujo volumétrico (en galones/min) de agua a través de la válvula a 60 °F cuando la caída de presión en la válvula es de 1 psi (Cv se calcula utilizando la fórmula dada en la norma ISA-75.01.01-2007). Los ingenieros de procesos deben tener en cuenta los siguientes aspectos al especificar válvulas de control, para garantizar que las válvulas fabricadas por los proveedores funcionen de acuerdo con los requisitos.

1. Controlabilidad. Al especificar una válvula de control durante la fase de diseño, el ingeniero de procesos debe asegurarse de que la capacidad de control de la válvula sea buena en todo el rango entre caudales mínimo y máximo. Esto se puede hacer estimando el C v máximo y el C v mínimo que corresponden al caudal máximo y al caudal mínimo, respectivamente. En general, la capacidad de control de una válvula de control se considera aceptable si su recorrido al caudal máximo no supera el 90 % del recorrido nominal y si el recorrido al caudal mínimo está en el rango del 10 al 20 % del recorrido nominal. Esto significa que la relación entre el C v máximo estimado y el C v mínimo estimado preferiblemente no debe ser superior a 15. Si la relación supera con creces este valor, el recorrido con el flujo mínimo puede ser inferior al 10 % del recorrido nominal, o el recorrido con el flujo máximo. el flujo puede ser superior al 90 % de la carrera nominal; ambos escenarios significan un control deficiente de la válvula. En ese caso, se debe aumentar la caída de presión a través de la válvula de control para que se pueda reducir la relación objetivo, como se muestra en la Ecuación (1). Para fluidos incompresibles, la relación entre el C v máximo y el C v mínimo viene dada por la Ecuación (1):

FIGURA 1. Aquí se muestra un circuito de válvula de control típico, que se usa de manera ilustrativa en las descripciones provistas en el texto principal.

La figura 1 muestra un circuito de válvula de control típico. Las siguientes notas añaden más explicaciones:

Con referencia a la Figura 1, si x es la caída de presión en el circuito de la válvula de control P 1 ABP 2, y y es la caída de presión en la válvula de control AB para el flujo máximo, entonces la caída de presión en la parte restante del circuito (que consta de las tuberías, accesorios, intercambiadores de calor, elementos de flujo y más, como se representa en los segmentos P 1 A y BP 2) es x–y para el flujo máximo.

Si r es la relación entre el flujo máximo y el mínimo, y z es la caída de presión en el circuito P 1 ABP 2 con el flujo mínimo, entonces, ignorando la diferencia de elevación entre P 1 y P 2, la caída de presión en la parte del circuito otra que la válvula de control (es decir, P 1 A y BP 2) al flujo mínimo es aproximadamente = (x–y)/r 2.

La caída de presión en la válvula de control AB con un flujo mínimo es de aproximadamente:

De la Ecuación (1) y la Ecuación (2), (C v) max /(C v) min es aproximadamente:

Las siguientes conclusiones se pueden sacar de la Ecuación (3):

(C v) max /(C v) min es aproximadamente = [1 + (3.84 x/ y)] 0.5, lo que implica que (C v) max /(C v) min es aproximadamente 3.5, para un valor de x/ y de 3.0. Un valor de (C v) máx/(C v) mín cercano a 3,5 corresponde a una capacidad de control razonablemente buena. Por lo tanto, se puede decir que para una buena capacidad de control, la caída de presión a través de la válvula de control debe ser aproximadamente un tercio de la caída de presión dinámica total a través del circuito con flujo máximo, si el flujo máximo y mínimo son 110 % y 50 %, respectivamente, de lo normal. fluir.

Aunque la Ecuación (3) es cierta para fluidos incompresibles, los resultados anteriores en general también son razonablemente ciertos para fluidos compresibles.

2. Cavitación. Cuando el fluido fluye a través de una válvula de control, la presión mínima ocurre en la vena contracta y luego la presión aumenta a lo largo de la trayectoria del flujo hasta que el fluido llega a la salida de la válvula de control. La vena contracta es el punto en la trayectoria del flujo donde el área de flujo es mínima, la velocidad es máxima y, por lo tanto, la presión es mínima [1]. Para líquidos, si la presión en la vena contracta es menor que la presión de vapor del líquido, se formarán burbujas de vapor. Aguas abajo de la vena contracta, se recupera la presión, lo que da como resultado una presión más alta en la salida de la válvula que en la vena contracta. Si la presión en la salida de la válvula de control excede la presión de vapor, el vapor se condensa y las burbujas colapsan. A medida que las burbujas colapsan, provocan un impacto en el cuerpo de la válvula y generan ruido. Este fenómeno se llama cavitación.

La cavitación total ocurre cuando la caída de presión a través de la válvula de control es mayor o igual a cierta caída de presión mínima (o caída de presión crítica) y la presión en la salida de la válvula de control es mayor que la presión de vapor del líquido. Por lo tanto, la cavitación total ocurre si se cumplen las siguientes condiciones [2]:

Dónde:

P 1 = Presión absoluta a la entrada de la válvula de control

P 2 = Presión absoluta a la salida de la válvula de control

FL = Factor de recuperación de la presión del líquido, definido por:

P vc = Presión absoluta en la vena contracta

FF = Factor de relación de presión crítica del líquido

FF = 0,96–0,28 (P v / P c) 0,5

P c = Presión crítica termodinámica absoluta del líquido

P v = Presión de vapor absoluta del líquido a la temperatura de entrada

El valor exacto de FL para una válvula en particular solo puede estar disponible en la hoja de especificaciones del proveedor de la válvula, pero se puede obtener un valor indicativo del catálogo del proveedor, de ISA-75.01.01-2007 o de otra literatura de válvulas de control durante el diseño. fase.

Los ingenieros de procesos deben tratar de minimizar la posibilidad de cavitación al especificar válvulas de control. Esto se puede hacer de las siguientes maneras:

Es absolutamente necesario especificar la presión crítica termodinámica y la presión de vapor del líquido en la hoja de datos del proceso de una válvula de control que maneja un líquido, para que se pueda evaluar la ocurrencia de la cavitación. La cavitación completa da como resultado un flujo obstruido y ocurre si ∆ P ≥ FL 2 ( P 1 – FFP v). Sin embargo, la cavitación parcial puede ocurrir sin causar flujo obstruido, si la caída de presión es menor que la caída de presión crítica pero mayor que ∆ P cavitación incipiente [ 2], donde:

∆ P cavitación incipiente =

Dónde:

Kc = El coeficiente de cavitación incipiente, que es menor que FL [2].

3. Múltiples casos operativos. Mientras que una válvula de control generalmente se especifica para tres casos (caudales mínimo, normal y máximo, con la caída de presión correspondiente), puede haber más de tres casos operativos. En tales situaciones, el caudal normal y la caída de presión correspondiente deben especificarse de acuerdo con el caso de operación normal, mientras que otros casos de operación (si hay más de dos) deben reducirse a dos casos. Al reducir los casos operativos, se debe estimar C v para cada caso. Luego, los caudales mínimo y máximo (y las caídas de presión correspondientes) deben especificarse de tal manera que correspondan al mínimo y máximo C v de la válvula de control, y el C v correspondiente a todos los demás casos debe estar entre el mínimo C v y C v máximo. Como el C v real no está disponible cuando se especifica una válvula de control, se debe usar el C v estimado.

4. Selección del tipo de válvula. Las válvulas de mariposa, que son compactas y generalmente tienen un costo relativamente bajo, suelen ser la primera opción. Sin embargo, las restricciones pueden dictar lo contrario. Por ejemplo, si se requiere una caída de presión alta en la válvula, una válvula de globo puede ser la mejor opción. Debido a que la resistencia de una válvula de globo es mayor que la de una válvula de mariposa, se puede obtener una mayor caída de presión en una válvula de globo con un tamaño razonable.

En aplicaciones líquidas, la caída de alta presión podría provocar cavitación. Como el factor de recuperación de presión de las válvulas de globo tiende a ser más alto que el de otros estilos de válvulas, la cavitación a menudo se puede evitar con el uso de válvulas de globo.

En el caso de los gases, la caída de presión alta podría provocar condiciones de flujo asfixiante, lo que puede generar un ruido excesivo. El ruido se puede minimizar con una válvula de globo con el uso de internos guiados por jaula. Sin embargo, si la caída de presión disponible a través de la válvula es baja, entonces una válvula de mariposa puede ser la opción preferida.

Mientras tanto, se pueden preferir las válvulas de bola con muesca en V cuando se requiere una alta rangeabilidad. Las válvulas de bola estándar de puerto redondo se utilizan generalmente para aplicaciones de apertura y cierre. La Tabla 1 proporciona pautas para la selección de válvulas.

5. Clase de fuga. La fuga permitida en el asiento de la válvula de control se especifica en términos de la clase de fuga ANSI/FCI 70-02-2006. Esta norma reconoce seis clases de fugas permitidas en el asiento (Clase I, II, III, IV, V y VI). Clase I significa la fuga más alta permitida; Clase VI significa fuga mínima permisible [3]. Generalmente, las válvulas de control para aplicaciones CPI se especifican con fugas Clase IV. Sin embargo, en situaciones donde se requiere un cierre hermético, se debe especificar al menos la Clase V. Si una válvula de control está descargando a una antorcha, o está controlando (encendido-apagado) el flujo de combustible al quemador de un calentador u horno encendido, debe especificarse con fuga Clase VI.

6. Características de flujo. Los tipos más comunes de características de flujo inherentes son los siguientes [1]:

La característica de flujo de una válvula depende de su diseño interno. Mientras que las válvulas de bola y las válvulas de mariposa tienen características fijas, las válvulas de globo pueden tener cualquiera de las tres características, según el diseño del obturador o de la jaula.

El tipo de característica de flujo debe especificarse en la hoja de datos del proceso, considerando el parámetro a controlar o el escenario de caída de presión en el sistema. Para el control de flujo o nivel, generalmente se debe especificar la característica lineal. En general, la característica lineal también debe especificarse si la mayor parte de la caída de presión (como una proporción de la caída de presión total en el sistema) es a través de la válvula misma, de modo que la caída de presión a través de la válvula permanezca casi constante para caudales variables. La característica de igual porcentaje debe especificarse para el control de presión, o cuando una alta proporción de la caída de presión total ocurre en el sistema que no sea la válvula (es decir, en tuberías, accesorios, equipos, etc.). También debe especificarse dónde varía la caída de presión a través de la válvula con la variación del caudal. Se debe especificar una característica de apertura rápida para aplicaciones de encendido y apagado. Como en la mayoría de los sistemas comunes, la caída de presión a través de la válvula de control varía significativamente con el caudal, por lo que las características de caudal de igual porcentaje son las más comúnmente especificadas [1].

Editado por Suzanne Shelley

1. Emerson Process Management, "Manual de válvulas de control", 4.ª edición, pág. 18, págs. 101-1 33–36, pág. 46, págs. págs. 59–60. 109–110, pág. 136.

2. "Manual de Masoneilan para dimensionamiento de válvulas de control", 7.ª edición, págs. 7 y 8, pág. 10, 1987.

3. Norma Nacional Estadounidense, Fugas en el asiento de la válvula de control, ANSI/FCI 70-2-2006, Cleveland, Fluid Controls Institute, Inc., p. 2, 2006.

Satyendra Kumar Singh es el gerente general (jefe de departamento) - Proceso de Simon India Limited (Mehtab House, A-36, Ground Floor, Mohan Co-operative Industrial Estate, New Delhi-110044, India; Correo electrónico: [email protected]; [correo electrónico protegido]). Tiene más de 24 años de experiencia en consultoría de ingeniería y construcción de adquisiciones de ingeniería en los campos de refinación de petróleo, petroquímica, química, petróleo y gas y amoníaco. Singh tiene una licenciatura en tecnología (con honores) en tecnología química del Instituto Tecnológico Harcourt Butler (Kanpur, India) y una maestría en administración de empresas de la Universidad Nacional Abierta Indira Gandhi (Nueva Delhi, India). Es ingeniero colegiado (India) y miembro de la Institución de Ingenieros (India); y ha publicado numerosos artículos sobre temas de gestión e ingeniería.