CÁLCULO DE ANTORCHA (FLARE)/ CHIMENEA (STACK), Según API 521- 4 edición

1) DETERMINACIÓN DEL DIÁMETRO:

Antorcha (Flare)

El primer paso para determinar el diámetro de la antorcha consiste en seleccionar un número de Mach de 0,2 para flujocontinuo máximo o igual a 0,5 para flujos en términos de emergencia cortos.Se aplica la ecuación 24 para el cálculo del diámetro de la antorcha.

Ecuación 24 (Pág. 58)

Donde:Di = Diámetro interno de la antorcha, mW = Flujo másico, kg/hP = Presión, kPa (a)Ma = Número de MachZ = Factor de compresibilidadT = Temperatura, KK = Relación de calores específicosMr = Peso molecular, kg/kmol

Chimenea (Stack)

Se calcula el área de la chimenea, utilizando la ecuación 57. Se debe considerar una velocidad de vapor de

Ecuación 57 (Pág. 72)

W = Flujo másico, kg/hV = Velocidad de vapor, m/sAT = Área de la chimenea, m2

Finalmente se obtiene el diámetro interno de la chimenea:

Di = Diámetro interno de la chimenea, m

2) EFECTO DE LA RADIACIÓN:

Para considerar dicho efecto se deberá calcular la longitud de llama, empleando la siguiente ecuación o bien la figura 9 de lapágina 43.

L = Longitud de llama, mQ = Calor liberado por combustión, kWatt

Ahora sí se calcula la distancia del centro de llama al suelo, se emplea la ecuación 20 de página 41:

152 m/s para lograr una excelente dispersión.

L=0.3048∗0 .0115∗( Q1.055 )

0.4442

Di=( 3 .23∗10−5∗WP∗Ma )0 .5∗( Z∗TK∗Mr )

0 .25

AT=W

3600∗V∗ρ

Di=√ 4∗ATπ

Ecuación 20 (Pág. 41)

D = Distancia del centro de llama al suelo, mF = Fracción de calor irrradiado, (de tabla 9 página 42)

τ = Fracción de intensidad de calor transmitida

El paso siguiente consiste en determinar la distorsión de la llama causada por la velocidad del viento, como la relación entrela velocidad del viento y la velocidad en la punta de la chimenea.

Siendo:Uj = Velocidad en la punta de la chimenea, m/s

Una vez obtenida la relación mencionada anteriormente, se ingresa con dicho valor al gráfico de la figura 10 y se determina

planilla.

De esta manera se logra determinar los valores de distorsión de llama: ∑Δy y ∑Δx

Finalmente se logra obtener la altura de la chimenea:

H = Altura de la chimenea, mR = 45,7 m (Radio de distancia desde la base de la chimenea, propuesto por la norma.)

3) VELOCIADAD DE PURGA: ( SOLO PARA ANTORCHAS)

Para comenzar el cálculo de la velocidad de purga del gas, primero se selecciona el tipo de sello mecánico, pueden ser del siguiente tipo:Difusión, reduce la velocidad de purga del gas a 0,00305 m/s.Velocidad, reduce la velocidad de purga del gas entre 0,00610- 0,012 m/s.Ninguno, se calcula mediante el procedimiento descripto en 5.4.3.2.2.

4) RUIDO:

Se calculará el nivel de ruido que se produce durante la descarga a la atmósfera, este valor no debe superar el admisibleestablecido por ley.

El primer paso se basa en la aplicación de la ecuación 60, para el cálculo de la velocidad del sonido.

Ecuación 60 (Pág. 73)

K = Radiación máxima permitida, kWatt/m2, (de tabla 8 página 41) a este valor se le debe restar la radioactividad del sol

M = Caudal de vapor, m3/s

el valor de ∑Δy/L y el valor de ∑Δx/L. Para comprender aún mejor observar la figura A que se encuentra en la presente

D=√ τ∗F∗Q4∗π∗K

U j=M∗4

(π∗Dint2 )

H '=√D2−R '2

H=H '−0 .5∗ΣΔ y

R '=R−0 .5∗ΣΔ x

C=91 .2∗( K∗TMr )

0.5

Siendo:C = Velocidad del sonido, m/sK = Relación de calores específicos

El siguiente paso consiste en obtener de la figura 23 (Pág. 73 ), la intensidad de ruido (N' ) a una distancia de 30 m de lachimenea.Finalmente se utiliza la ecuación 58 para obtener el nivel de ruido producido (N ), este valor debe ser inferior al permitidopermitido por la ley.

Ecuación 58 (Pág. 72)

Uso de las planillas de cálculo:

Se deben ingresar los valores que figuran en color azul.

Antorcha (Flare):

Tiene en cuenta el número de Mach, éste puede ser 0,2 o 0,5.La norma propone 45,7 m como radio mínimo de distancia desde la base de la chimenea o en su defecto ingresar el valorrequerido.La planilla cálcula la altura y diámetro de la antorcha.

Chimenea (Stack):

La norma propone 45,7 m como radio mínimo de distancia desde la base de la chimenea o en su defecto ingresar el valorrequerido.La planilla cálcula la altura y diámetro de la antorcha.

Dispersión:

Para emplear la planilla se debe conocer la altura y el diámetro de la antorcha o chimenea.Se obtiene gráficamente la dispersión de la llama para distintos ángulos.

Si el ángulo es igual a 0º Valor máximo de R'

Si el ángulo es igual a 90º Valor medio de R'

Si el ángulo es igual a 180º Valor mínimo de R'

Según Especificación General de TOTAL GS-ECP 103:

Las chimeneas se prefieren sónicas y está prohibida su instalación en paralelo.El proveedor de la chimenea , es quien debe proveer el coeficiente de emisión que se emplea para el cálculo de la radiación.El número de Mach máximo para los colectores de venteo es de 0,7, aunque un número de Mach igual a 0,8 se podría aceptar para una cañería larga y derecha, sin codos y conexiones.

C=91 .2∗( K∗TMr )

0.5

N=N '+10 log10 (0 .5∗M∗C2)

CÁLCULO DE ANTORCHA (FLARE) Última Actualización:17/09/2008

Según API 521- 4 edición

PROPIEDADES DEL GAS

Flujo másico = 148023 kg/h

Peso molecular = 20.96 kg/kmol

Temperatura de venteo = 358 K

Factor de compresibilidad = 1

Calor de combustión = 41500 kJ/kg Usar el ''Low Heating Value''

Relación de calores específicos = 1.23

Presión a la salida de la antorcha = 101.3 kPa(a)

10 m/s

Caudal de gas = 57.624

DIÁMETRO

Número de Mach = 0.5 Ma=0,5 para flujos en términos cortos de emergencia.

d (diámetro interno de la antorcha) = 23.350 in Ma=0,2 para flujo continuo máximo.

Espesor = 0.25 in

Schedule = 10

Diámetro externo mínimo = 23.850 in

d (diámetro nominal seleccionado) = 24 in

EFECTO DE LA RADIACIÓN

Calor liberado = 1.71E+06 kWatt

L (longitud de llama) = 76.275 m Verificar al emplear la figura 9 (página 43)

Fracción de calor irradiado = 0.190 Emplear tabla 9 (página 42)

K ( radiación máxima permitida) = 6.300 Emplear tabla 8 (página 41)

R = 45.700 m Radio de distancia desde la base de la antorcha

D (distancia) = 64.010 m Distancia del centro de llama al nivel del suelo. Ecuación 20

Uj (velocidad en la punta de la antorcha) = 208.685 m/s Depende del Número de Mach que se haya seleccionado

0.048

0.57 Se obtiene de figura 10 (página 43)

0.60 Se obtiene de figura 10 (página 43)

43.477 m

∑Δx = 45.765 m

R' = 22.818 m

H' = 59.805 m

H (altura de la antorcha) = 38.067 m

VELOCIDAD DE PURGA

Tipo de sello mecánico = None

Velocidad calculada = 0.199 m/s

Velocidad adoptada = 0.305 m/s

Altitud = 575 mm

Temperatura del ambiente = 20 ºC

Purga = 278

Sello Mecánico: Se emplean para reducir la purga de gas, y de esta manera prevenir la filtración de aire dentro de la antorcha.

Difusión, reduce la velocidad de purga del gas a 0,00305 m/s.

Velocidad, reduce la velocidad de purga del gas entre 0,00610- 0,012 m/s.

Ninguno, se calcula mediante el procedimiento descripto en 5.4.3.2.2.

RUIDO

X = 50 m 50 m es la distancia mínima establecida por la ley 13660

Relación de presión = 1.2

K=CP/CV

U∞ (velocidad del viento) =

m3/s

kWatt/m2

U∞/Uj =

∑Δy/L =

∑Δx/L =

∑Δy =

Sm3/h

L (Nivel de ruido) = 81 dB 85 dB es el máximo admisible por ley

REFERENCIA DE LAS DIMENSIONES

FIGURA 9 (PÁGINA 43)

FIGURA 10 (PÁGINA 43)

FIGURA 23 (PÁGINA 73)

TABLA 8 (PÁGINA 41)

TABLA 9 (PÁGINA 42)

CÁLCULO DE CHIMENEA (STACK) Última Actualización:17/09/2008

Según API 521- 4 edición

PROPIEDADES DEL GAS

Flujo másico = 148023 kg/h

Peso molecular = 20.96 kg/kmol

Temperatura de venteo = 358 K

Factor de compresibilidad = 1

Calor de combustión = 41500 kJ/kg Usar el ''Low Heating Value''

Relación de calores específicos = 1.23

Presión a la salida de la chimenea = 101.3 kPa(a)

10 m/s

Caudal de gas = 57.624

DIÁMETRO

Número de Mach = 0.5 Ma=0,5 para flujos en términos cortos de emergencia.

d (diámetro interno de la chimenea) = 23.350 in Ma=0,2 para flujo continuo máximo.

Espesor = 0.25 in

Schedule = 10

Diámetro externo mínimo = 23.850 in

d (diámetro nominal seleccionado) = 24 in

EFECTO DE LA RADIACIÓN

Calor liberado = 1.71E+06 kWatt

L (longitud de llama) = 76.275 m Verificar al emplear la figura 9 (página 43)

Fracción de calor irradiado = 0.190 Emplear tabla 9 (página 42)

K ( radiación máxima permitida) = 6.300 Emplear tabla 8 (página 41)

R = 45.700 m Radio de distancia desde la base de la chimenea

D (distancia) = 64.010 m Distancia del centro de llama al nivel del suelo. Ecuación 20

Uj (velocidad en la punta de la chimenea) = 208.685 m/s Depende del Número de Mach que se haya seleccionado

0.048

0.57 Se obtiene de figura 10 (página 43)

0.6 Se obtiene de figura 10 (página 43)

43.477 m

∑Δx = 45.765 m

R' = 22.818 m

H' = 59.805 m

H (altura de la chimenea) = 38.067 m

RUIDO

X = 50 m 50 m es la distancia mínima establecida por la ley 13660

Relación de presión = 1.2

L (Nivel de ruido) = 81 dB 85 dB es el máximo admisible por ley

K=CP/CV

U∞ (velocidad del viento) =

m3/s

kWatt/m2

U∞/Uj =

∑Δy/L =

∑Δx/L =

∑Δy =

REFERENCIA DE LAS DIMENSIONES

FIGURA 9 (PÁGINA 43)

FIGURA 10 (PÁGINA 43)

FIGURA 23 (PÁGINA 73)

TABLA 8 (PÁGINA 41)

TABLA 9 (PÁGINA 42)

VERTICAL FLARE/VENT STACK Última Actualización:17/09/2008Según API 521- 4 edición

PROPERTIES

Gas Site ConditionsFlow [kg/h] 148023 Temp 20Temp [°C] 85.0 HR 100PM [kg/kmol] 20.96 Altitud [m] 575

0.67 1.120.013 10

k [Cp/Cv] 1.23LHV [kJ/kg] ###

SIZING

Size Purge RateHeight [m] 48 Seal Type NoneDiam [in] 24 vel calc [m/s] 0.199Sch 10 v adopt [m/s] 0.305ID [mm] 596.9 Purge [Sm3/h] 281Aflow [m2] 0.2798L/D 80.4 Noise

0.045 < 0,1 x [m] 50Pressure Ratio 1.2L @ d [dB] 82.0

ATHMOSFERIC DISCHARGE (DISPERSION EFFECT) - API 521 4.3

Relevant Parameters Downwind Dispersionvj [m/s] 220.6 ~ 150 m/s 0.460Re 6746689 > Re min x [m] 19.3 fig 6Ma 0.5278 y [m] 24.7 fig 5vj 1/4 [m/s] 55.2 > 30 m/s s lean [m] 34.4 fig 7Re 1/4 1686672 > Re min s rich [m] 14.4 fig 7Re min 9141

FLARING DISCHARGE (RADIATION EFFECT) - API 521 4.4

Downwind Radiation Smokless RatesQ [kJ/h] 6.1429E+09 Smokless [%] 20L [m] 76.27 fig 8 Rate [kg/kg] 0.20

0.601 fig 10 Steam [kg/h] 5921 ###0.574 fig 10 Press Air [kg/ 7105

F 0.19 236836B&S0.75

Ksun [BTU/hft2] 250

r [kg/m3] r [kg/m3]m [kg/m3] v¥ [m/s]

v¥ / vj

di*(rg/ra)^0,5

SDx/LSDy/L

Fix tt max

K (angle)Downwind Maximum ~Critical x 0 180

K [BTU/hft2] 1506 500 666 [m] [BTU/hft2]Distance [m] 22.9 159.0 120 -10 5865 1463

0 1380 138010 1463 127120 1504 115330 1493 103740 1433 93150 1338 83860 1223 75770 1104 69080 992 63290 891 584

100 803 544110 728 509120 665 480130 611 455140 567 434150 529 416160 497 400170 469 386180 446 374190 426 364200 409 354

Radiation [BTU/hft2]D [m] 152.8 109.2 89.7 78.1 70.1 59.5 52.7x [m] 22.9 22.9 22.9 22.9 22.9 22.9 22.9d [m] 135.9 83.9 56.3 34.8 5.1 ### ###

Angle 500 750 1000 1250 1500 2000 25000 159 107 79 58 28 ### ###

15 158 106 78 56 ### ### ###30 155 103 75 53 ### ### ###45 151 99 70 47 ### ### ###60 146 93 64 40 ### ### ###75 140 87 58 33 ### ### ###90 134 81 51 26 ### ### ###

105 128 75 46 21 ### ### ###120 123 70 41 17 ### ### ###135 119 66 38 15 ### ### ###150 116 63 35 13 ### ### ###165 114 62 34 12 ### ### ###180 113 61 33 12 18 ### ###195 114 62 34 12 ### ### ###210 116 63 35 13 ### ### ###225 119 66 38 15 ### ### ###240 123 70 41 17 ### ### ###255 128 75 46 21 ### ### ###270 134 81 51 26 ### ### ###285 140 87 58 33 ### ### ###300 146 93 64 40 ### ### ###315 151 99 70 47 ### ### ###330 155 103 75 53 ### ### ###345 158 106 78 56 ### ### ###

~DK(0.5%/m)

0 15

30

45

60

75

90

105

120

135

150

165180195

210

225

240

255

270

285

300

315

330

345

0

25

50

75

100

125

150

175

200

RadiationAngular

Distribution

2500

2000

1500

1250

1000

750

500

0 25 50 75 100 125 150 175 200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

Downwind Radiation

0

180

Distance from flare [m]

Ra

dia

tion

[B

TU

/hft

2]

Angle from Downwind