Kategori: patlama diski uygulamaları

Konuk Yazar, Başar Özar – Senior Consultant – JENSEN HUGHES

Temel Dizayn Prensipleri

Depolama sistemlerinde, kimyasal ürünlerin oluşturulduğu reaktörler vb. proses ekipmanlarında çeşitli nedenlerden ötürü istenmeyen yüksek basınç olayları oluşabilir. Oluşacak tehlikeli yüksek basıncın sistem ekipmanlarında tahribat ve patlamaya sebep vermeden önce tahliye edilmesi gerekmektedir. Bunun için de emniyet basınç tahliye sistemleri kullanılmaktadır. Bu sistemler, en tehlikeli senaryo için dizayn edilmelidir. Ayrıca bu sistemlerin ölçülerinin de uygun şekilde seçilmesi gerekmektedir. Bunun yanı sıra, mekanik tesisatın ağırlık, ısıl genleşme ve akışkandan dolayı oluşan tepki kuvvetlerine dayanabilecek mukavemette olması lazımdır. Son olarak da, kimyasalların atmosfere salınması halinde çevreye toksik ve yanıcı tehlike oluşturmamaları gerekmektedir. Bütün bu unsurlar göz önüne alınarak Şekil 1’de özetlenen proses şeması (Ref. [1]) basınç tahliye sistemlerinin dizaynında kullanılmaktadır. Bu şemadaki maddeler aşağıda daha detaylı olarak açıklanmaktadır.

Proses Güvenlik Analizi (Process Hazard Analysis, PHA)

Basınç emniyet tahliye sistemlerinin dizaynında öncelikle proses esnasında olabilecek en tehlikeli senaryonun belirlenmesi gerekmektedir. Bu da proses güvenlik analizi ile oluşturulmaktadır. Bu analiz öncelikle prosesin ve proseste kullanılan ekipmanların incelenmesi ile başlar. Bu analiz esnasında, tehlike yaratacak çeşitli senaryolara ve olasılıklarına bakılır. Analiz sonucunda da oluşabilme ihtimali yüksek olan en tehlikeli senaryolar belirlenir. Genellikle en yaygın olan senaryo, tesiste ortaya çıkabilecek yangına bağlı olarak kimyasalın kaynamaya başlaması ve/veya dekompoze olması sonucunda ortaya çıkabilecek buhar ve gazların neden olduğu basınç artışıdır. Bunun dışında, ısı yayan (ekzotermik) reaksiyonların bulunduğu kimyasalların üretildiği reaktörlerde soğutma sistemi kayıpları da sıkça rastlanabilecek senaryolar arasındadır.

Kimyasalların Karakteristik Özelliklerinin Belirlenmesi ve Basınç Tahliye Sistemi Ölçülendirilmesi

Reaksiyona girmeyen kimyasallar için basınç emniyet sistemi ölçülerinin belirlenmesi nispeten kolaydır. Bu işlem için American Society of Mechanical Engineers (ASME), National Fire Protection Association (NFPA), American Petroleum Insititute (API) vb. kuruluşlar tarafından geliştirilmiş standart hesap yöntemleri mevcuttur. Bunun yanı sıra reaksiyona girebilen kimyasalların tahliyesi ile ilgili hesap yöntemleri daha karmaşık olmaktadır. Bu konuyla ilgili takip edilen genel yöntemler Design Insititute of Emergency Relief Systems (DIERS) (Ref. [2]) ve International Standards Organization (ISO) (Ref. [3]) tarafından geliştirilmiştir. Bu hesap yöntemlerinin uygulanabilmesi için öncelikle kimyasalların reaksiyon özelliklerinin belirlenmesi gerekmektedir. Bununla ilgili çeşitli deneysel metotlar yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.

Reaksiyon özelliklerinin belirlenmesi ilk olarak “ön tarama” (initial screening) testleri ile baslar. Bu işlem için en çok kullanılan ekipman C-80 ve Advanced Reactivity Systems Screening Tool’dur (ARSST). Bu ekipmanlarla kimyasalın özellikleri hakkında ön tarama yapıldıktan sonra, daha detaylı inceleme yapılması gerekip gerekmediğine karar verilir. Bu karar aşaması ön tarama sonucunda kimyasalın reaktif olup olmadığına, eğer reaktif ise reaksiyon başlangıcının basınç tahliyesi için seçilen ayar basıncının altında veya üstünde reaksiyona girmesine bağlı olarak değişir. Daha detaylı olarak reaksiyonun karakterizasyonu gerektiğinde adyabatik kalorimetre denilen düzenekte testlerin uygulanması gerekmektedir. Bu tip testler için de Automated Pressure tracking Adibatic Calorimeter (APTAC), Vent Sizing Package 2 (VSP2) ve PHI-TEC en yaygın olarak kullanılan cihazlardır.

Şekil 2’de örnek olarak, polimer esaslı malzeme ile çözücü olarak kullanılan başka bir kimyasal karışımına kazara katalist eklendiğinde ortaya çıkacak reaksiyonun VSP2 ile ölçülen adyabatik kalorimetre test sonuçları verilmiştir. Bu sonuçlarda kullanılan karışım 90°C sıcaklığa kadar VSP2’nin içindeki ısıtıcı ile ısıtılmış, sonrasında da kendi haline bırakılmıştır. Deney sonuçları kendiliğinden ısı yayan bir reaksiyon olduğunu ve reaksiyon hızının başta yavaş fakat karışımın sıcaklığının 180°C’ye yaklaştığında ise daha çok hızlandığını göstermektedir. Ayrıca deney sonuçları basınç artışının karışımdaki çözücü maddenin buharlaşması nedeniyle olduğunu göstermiştir. Bu hususlar göz önüne alınarak, çözücü maddenin buharlaşmasından dolayı olacak basınç artışını önleyecek şekilde emniyet basınç sisteminin DIERS veya ISO yöntemleri ile dizayn edilmesi gerekmektedir.

Akışkandan Dolayı Oluşan Tepki Kuvvetlerinin Bulunması

Basınç emniyet tahliye sistemlerinde, basınç tahliyesi için basınç emniyet vanaları, patlama diskleri veya bu ikisinin birlikte kullanıldığı durumlar da mevcuttur. Emniyet vanası ve/veya patlama diskleri önceden belirli bir basınçta açılıp sistemin tahliyesini oluşturacak şekilde dizayn edilmişlerdir. Basınç emniyet sistemlerini oluşturan boru tesisatları (genellikle reaktör ve yakalama tankı arasında kalan) emniyet vanası kapalı iken içleri boş durumdadır. Emniyet vanası veya patlama diski açıldıktan sonra tanktan veya reaktörden gelen kimyasal boru tesisatının içine hızlıca ivmelenerek, tesisatı hızlıca doldurur. Akışkanın ivmelenmesi ve boru tesisatını doldurmasından ötürü, borular üzerinde tepki kuvvetleri oluşur. Bu kuvvetler tesisatın boru çapına ve akışkanın debisine bağlı olarak rahatlıkla ton mertebesinde olup, sistemin mekanik tesisatının değerlendirilmesi için hesaplanması gerekmektedir.

Birçok durumda kimyasal akışkanın detaylı termofiziksel özellikleri mevcut değildir. Bu da akışın boru içindeki hesabını zorlaştırmaktadır. Ancak Ref. [4] ve Ref. [5] kimyasalların sıvı-buhar karışımı özellikleri ile su-buhar özellikleri arasında benzeşim prensibini oluşturmuştur. Ref. [6]  bu benzeşim prensibinin bazı senaryolar için uygulanmasını göstermektedir. Dolayısıyla kimyasal akışkanın termofiziksel özelliklerini su-buhar karışımı ile simüle etmek mümkündür.

Bu tip simülasyonlar için su, su buharı ve çeşitli gazların özelliklerinin kullanıldığı RELAP5 adlı bilgisayar programını kullanmak mümkündür. Bu program aslında United States Nuclear Regulatory Commission (US NRC) tarafından nükleer santrallerin tek boyutlu ısı transferi ve akışkanlar mekaniği hesapları için geliştirilmiş olmakla beraber, standart endüstriyel tesislerin akışkanlar mekaniği problemleri için de kullanılabilmektedir. Ayrıca akışkan tepki kuvvetlerinin hesabı için kullanılabileceği çeşitli çalışmalar sonucunda da belgelenmiştir (Ref. [7]).

Örnek olarak 20 m uzunluğunda DN80 çapında bir basınç emniyet sistemini ele alalım. Örnek problemde patlama diskinin 5. saniyede açıldığını göz önüne alalım. RELAP5 ile yapılan sonuçları inceleyelim. Şekil 3’te sistemdeki kütle akış miktarının zamana bağlı değişimi verilmektedir. Benzer olarak Şekil 4’te sistemdeki basınç dağılımı gösterilmektedir. Son olarak da boru hattı üzerindeki tepki kuvvetleri hesaplanarak şekil 5’te olduğu gibi gösterilebilir.

Basınç Emniyet Tahliye Sisteminin Mukavemet Hesabı

Basınç emniyet tahliye sisteminin basınç, ısıl genleşme, mekanik tesisatın ağırlığı, akışkanın ağırlığı ve akışkanın ivmelenmesinden dolayı oluşan tepki kuvvetlerine karşı dayanıklı olarak tasarlanması gerekmektedir. Bu tip mekanik tasarımlarda proses işlemlerinde kullanılan boru sistemleri için geliştirilmiş standartlar kullanılır. Başlıca standartlar Avrupa genelinde kullanılan EN 13480-3 ile Amerika kıtası genelinde kullanılan ASME B31.3’dur. Bu standartlar gereği yukarıda bahsedilen yükler teker teker ve bileşenleri göz önüne alınır. Bu hesapları yapmak için geliştirilen Pipestress ve CAESAR II programları kullanılabilir. Şekil 6’da örnek olarak Pipestress programı ile yapılan bir hesap gösterilmektedir. Bu örnekte bileşke yüklerin (basınç, ağırlık, ısıl genleşme ve akışkan tepki kuvvetleri) mekanik tesisat üzerinde oluşturduğu gerilmeler gösterilmiştir. Sonuçlar hesaplanan gerilme değerlerinin tesisatın dayanabileceği mukavemet değerine oranı (stress ratio) olarak verilmiştir.

Kimyasalların Atmosfere Salınması ve Yayılım Hesapları

Basınç emniyet vanaları ve/veya patlama diskleri açıldığında, tank veya reaktörün içerisindeki kimyasal akışkan genellikle bir yakalama tankına tahliye edilir. Bu tankın atmosfere açık büyük bir bacası bulunmaktadır. Bu tank genellikle kimyasalın büyük bir kısmını tutmakla beraber, gaz veya buhar bileşenleri tankın bacasından atmosfere salınmaktadır. Salınan gazlar veya buhar, yanıcı veya toksik olabilir. Bu gazlar atmosferle karışıp hava içerisindeki konsantrasyonları azalacaktır. Bu takdirde de genellikle zemin seviyesindeki konsantrasyonlarının hesaplanması ve yanıcı veya toksik konsantrasyonlarda olup olmadıklarının tespit edilmesi gerekmektedir.

Bu tip hesaplar için kullanılan iki yöntem vardır. Birincisi atmosferin çeşitli hava şartlarına göre ampirik olarak belirlenmiş katsayıların kullanıldığı statik hesaplardır. Bu tip hesaplar için ABD’de Environmental Protection Agency’nin (EPA) geliştirdiği ALOHA programı veya Avrupa’da geliştirilen AUSTAL kullanılabilir. Şekil 7’de ALOHA programı ile yapılan örnek hesap gösterilmiştir. Kimyasalın üç farklı kritik konsantrasyon değerlerinin sınırları harita üzerinde gösterilmiştir.

Bunun dışında karmaşık geometrilerin olduğu durumlarda veya deniz üstü petrol platformu gibi dar alanlarda daha detaylı hesaplar yapılması gerektiği de olmaktadır. O zaman computational fluid dynamics (CFD) yöntemlerine başvurmak gerekmektedir. FLACS adlı program bu tip durumlarda detaylı CFD hesapları için yaygın olarak kullanılmaktadır. Şekil 8’de FLACS ile yapılan örnek simülasyon sonuçları verilmiştir.

Özet

Basınç emniyet tahliye sistemleri tank, reaktör ve benzer ekipmanları yangın, soğutma kaybı, istenmeyen madde karıştırılması vb. durumlarda ortaya çıkabilecek istenmeyen basınç artışından korumak için kullanılır. Tesislerde istenmeyen olaylar, can ve mal güvenliği açısından çok önemli bir unsurdur. Proses ve prosesin parçası olan madde (kimyasal) göz önüne alınarak aşağıdaki aşamalar dizayn edilir:

• Proses güvenlik analizi
• Proseste kullanılan maddenin/kimyasalın karakterizasyonu ve basınç emniyet tahliye sisteminin ölçülendirilmesi
• Akışkandan dolayı oluşan tepki kuvvetlerinin hesaplanması
• Basınç emniyet sisteminin mukavemet hesabı
• Kimyasalların atmosfere salınması ve yayılım hesabı

Bu aşamalar uygun şekilde gerçekleştirildiği takdirde kaza anında basınç tahliyesinin sorunsuz bir şekilde sağlanabileceği bir sistem dizayn etmek mümkündür.

Kaynakça

1. Conzen, J., Wood. R.G., “Modeling and Computation of Reaction Forces on Relief Piping During Depressurization”, AIChE 11^th Global Congress of Process Safety, 2015.
2. Fisher, H.G., Forrest, H.S., Grossel, S.S., Huff, J.E., Muller, A.R., Noronha, J.A., Shaw, D.A., Tilley, B.J., (1992), “Emergency Relief System Design Using DIERS Technology,” DIERS/AIChe.
3. ISO 4126-10:2010, (2010), “Safety devices for protection against excessive pressure – Part 10: Sizing of safety valves for gas/liquid two-phase flow,” First edition, International Standard.
4. Grolmes, M.A., Leung, J.C. (1984), “Scaling Considerations for Two-phase Critical Flow,” Multi-phase Flow Heat Transfer III, Part A: Fundamentals, T.N. Veziroglu and A.E. Bergles, eds., 549, Elsevier, Amsterdam.
5. Leung, J.C., Grolmes, M.A. (1987), “The Discharge of Two-phase Flashing Flow in a Horizontal Duct,” American Institute of Chemical Engineers Journal, Vol. (33), p. 524.
6. Miller, J.S., Ramsden, K.B. (2005), ICONE13-50297 “Validation of a Thermal Hydraulic Computer Code to Perform Two-Phase Multi-Component Force Calculations for Structural Evaluations”, Proceedings of 13th International Conference on Nuclear Engineering, page 1-8.
7. Ozar, B., (2018), “Analysis of Chemical Effluent Discharge through the Emergency Relief System using Stream-Water Properties,” DIERS Fall Meeting, 15-17 Ekim 2018, Houston, USA.Dr. Müh. Başar ÖzarJENSEN HUGHESbozar@jensenhughes.com600 W Fulton St. Suite 500Chicago, IL 60601 USA