Proyecto pipesys

Grupo 9: Laura Sofía Sánchez Landazábal María Mónica Torres Estrada

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Manejadores de flujo en Hysys INTRODUCCIÓN El montaje de un proceso químico no considera únicamente equipos y corrientes inherentes a dicho proceso. El desplazamiento de los fluidos que se caracterizan en cada corriente y entran en cada etapa también debe ser considerado y está definido por los manejadores de flujo instalados. La dinámica de los fluidos en este ámbito se da principalmente por diferencias de presión presentes. Los manejadores de flujo, los cuales se encargan del transporte de los fluidos, incluyen principalmente tuberías, compresores y bombas. Dentro del simulador de Aspen Hysys se encuentra una extensión adicional para simular las condiciones de transporte de fluidos utilizando estos manejadores denominado Pipesys. A continuación se muestra la parte teórica que encierra la extensión de Pipesys y en la que se basa para hacer las simulaciones relativas a este tema; las bases fundamentales de la extensión y un ejemplo relacionado con el contenido para orientar al que desee indagar más sobre esta parte del simulador.

MARCO TEÓRICO Un fluido es un material que se deforma continuamente cuando se ve sometido a un esfuerzo cortante; bajo esta denominación se encuentran los líquidos y los gases. Los flujos pueden clasificarse en viscosos y no viscosos. Los más representativos son los viscosos y se hará énfasis en ellos. Estos, a su vez, se clasifican así: Flujo viscoso

Laminar

Compresible

Incompresible

Turbulento

Interno

Externo

En el flujo viscoso se considera relevante las fuerzas asociadas la viscosidad del fluido, pues se ve reflejada esta incidencia de forma cuantitativa. Se clasifica en laminar y turbulento. El flujo laminar considera que el fluido se mueve en capas una sobre la otra sin interacción entre ellas (NRe < 2000), mientras que el flujo turbulento presenta cambios en la velocidad del fluido en todas las direcciones y por ello hay interacción y no hay presencia de capas (NRe > 4000). Los flujos compresibles e incompresibles se relacionan con el cambio en la densidad del fluido a través del flujo. Los flujos incompresibles, por lo general asociados a los líquidos, no presentan variación significativa en la densidad, mientras que los flujos compresibles, asociados a los gases, sí lo hacen, con algunas excepciones. Finalmente, los flujos externos e internos dependen del entorno en el que se están moviendo. Internos, se refiere a flujos encerrados en paredes, como por ejemplo, tuberías, y los externos, aquellos que se presentan en fluidos sobre sólidos sumergidos en ellos. Para el caso, se trabaja con flujos viscosos internos, turbulento o laminar y compresibles e incompresibles. TUBERÍAS Existen experimentos que han probado la existencia de gradientes hidráulicos generados en tuberías. Dicho gradiente hidráulico también ocasiona cambios de temperatura, además de otros factores que contribuyen a las pérdidas de calor en el sistema. El comportamiento y la simulación de flujos en tuberías dependen principalmente de si el flujo es turbulento o laminar. Para el flujo laminar es posible establecer modelos matemáticos únicamente a partir de recursos analíticos, mientras que para el flujo turbulento, que es mucho más complejo, es necesario recurrir a modelos empíricos. Flujo laminar en tubería Para flujo laminar de un fluido newtoniano se tiene: -

Ecuación del flujo de Poiseuille Permite obtener el perfil de velocidad en cualquier sección de la tubería (r) considerando que en la pared de la tubería (r = R) la velocidad de flujo es cero. Para el caso, el cambio en la presión en la dirección del flujo (x) es uniforme y no depende del radio. [

-

]

Ecuación de Hagen-Poiseuille Se emplea para determinar el flujo volumétrico de una tubería de diámetro (D) a una longitud (L) y un gradiente hidráulico dado.

Para flujo turbulento de un fluido newtoniano se tiene: -

Velocidad promedio en un tramo de tubería: ̅

-

Balance de energía mecánico: Pérdidas de carga por fricción de superficie: que depende principalmente del coeficiente de fricción (fD), en el cual está incluido el efecto del número de Reynolds sobre la fricción de superficie en flujo turbulento y la rugosidad relativa de la tubería (e). ̅

Existe una gran cantidad de expresiones empíricas con las que puede calcularse ese coeficiente de fricción del tipo: (

)

En donde el número de Reynolds se calcula por: ̅

COMPRESORES Los compresores son unos de los manejadores de fluidos más utilizados en los procesos químicos. La función básica de éstos es aumentar la presión del fluido compresible (gas, vapor) mediante un intercambio energético, lo cual genera a su vez un desplazamiento del mismo. Una de sus aplicaciones principales es en sistemas de refrigeración industrial. A diferencia de otros manejadores como las bombas, los compresores son máquinas térmicas que generan cambios en las ciertas propiedades de los fluidos como la densidad y la temperatura. Esto hace que para el análisis de estos equipos se deban tener consideraciones especiales, por ejemplo la ecuación de Bernoulli utilizada para describir el balance mecánico de un fluido no puede ser aplicada en estos casos debido a la presencia del alto cambio de presión. El análisis de un compresor se basa en la primera y segunda ley de la termodinámica, de lo que resulta una ecuación general para la descripción del trabajo realizada por el manejador en términos del cambio de entalpía:

Otro aspecto importante a tener en cuenta de un compresor es su potencia:

Con: -

P: Potencia (kW, HP) m: flujo másico W: Trabajo del compresor

Dentro de los compresores se destacan dos clases principales: los compresores isoentrópicos y los politrópicos. Cada uno de ellos es descrito por un modelo termodinámico específico. Compresor Isoentrópico Estos compresores son descritos por la siguiente ecuación:

Siendo k el coeficiente isoentrópico ⁄ Compresor Politrópico En esta clase de compresores, el coeficiente utilizado cambia (coeficiente politrópico), dando como resultado:

El coeficiente puede ser determinado considerando la siguiente relación de temperaturas y presión: ( )

BOMBAS Las bombas hidráulicas son equipos que transforman la energía mecánica en energía necesaria para transportar un fluido incompresible. Usualmente se utilizan para incrementar la presión del fluido logrando así moverlo de una zona de menor presión o altura a una de mayor. Existen diferentes clases de bombas según el principio de funcionamiento: bombas de émbolo y bombas volumétricas rotativas. A pesar de sus diferencias, básicamente todas las bombas pueden ser descritas por el mismo modelo matemático de balance de energía mecánica: Ecuación de Bernoulli. Energía de presión + energía potencial + energía cinética +

energía de bomba + energía por fricción = 0

Esta ecuación puede ser aplicada cuando se dan pequeños cambios de presión. Junto con la ecuación de Bernoulli, se debe tener en cuenta la potencia de la bomba y las pérdidas por fricción, para describir completamente una bomba dada y su funcionamiento. 

Potencia de la bomba:

Con - : Altura manométrica - : eficiencia = Pfluido/Pfreno 

Pérdidas por fricción (

∑ )

PIPESYS Tuberías en PIPESYS Dentro de la extensión de HYSYS para manejadores de flujo, PIPESYS, se encuentra como primera unidad las tuberías. Agregar una tubería en PIPESYS es lo equivalente a una rama de tubos con características físicas como dimensiones, rugosidad y revestimiento iguales. Además, también es posible adecuar y simular el entorno en el que se instala la tubería para considerar transferencia de calor en el sistema. La adición de una tubería dentro de la extensión de PIPESYS se realiza en la pestaña de Elevation Profile, dentro de la cual, como se muestra a continuación, es posible asignar una elevación, un ángulo y una longitud de tubería específica. Esto se hace desplegando la flecha de opciones que se encuentra bajo la columna de Pipeline Unit y seleccionando la opción de Pipe.

Fig 1. Montaje tuberías en la pestaña de perfil de elevación

Al hacer doble click sobre alguna de las tuberías ya montadas, se muestra la siguiente ventana que es donde se procede a asignar los parámetros geométricos correspondientes a cada tubería.

Fig 2. Ventana de tubería en pestaña de conexiones y dimensiones

En la pestaña de Dimensions se especifica el diámetro de la tubería y el espesor de la pared, además del material, con el cual se asigna la rugosidad inherente a éste. También es posible asignar, en la pestaña de Heat Transfer, el entorno de transferencia de calor y, finalmente, en Pipe Coatings, los recubrimientos que se deseen (si se desean) para la tubería y el material del mismo.

Compresores en PIPESYS En la extensión de HYSYS para manejadores de flujos, PIPESYS, existe la posibilidad de agregar compresores en las redes de ductos. A diferencia de la teoría o las aplicaciones conocidas, en el programa los compresores aceptan corrientes con fase líquida. PIPESYS acepta la corriente pues separa la fase líquida en el momento de hacer los cálculos de compresión y después asume una mezcla de las dos fases para tener nuevamente una sola corriente.

Para agregar el compresor se debe adicionar una extensión de PIPESYS y una vez realizado esto, agregar una unidad de compresor en la pestaña de Elevation Profile, al igual que se hizo para agregar una tubería.

Fig 3. Montaje compresor en pestaña de perfil de elevación

Al ya tener el compresor el programa requiere de cierta información sobre el equipo para realizar la simulación. Lo primero que se debe especificar es la ubicación del compresor dentro de la línea, en la pestaña de conexiones. Se debe definir entonces la distancia (posición horizontal a la que se ubica considerando el origen de la tubería como punto de referencia), la elevación (posición vertical) y la unidad de desplazamiento (longitud verdadera del recorrido realizado por el fluido desde el origen de la tubería hasta el compresor). En la pestaña de parámetros (Figura 4) se deben definir las características básicas del compresor. Inicialmente se debe definir la clase de compresor con el que se trabajará. PIPESYS considera las siguientes clases de compresores: 1. Isentropic (H/S Diagram): Compresión adiabática definida por diagramas de entalpía. 2. Polytropic (Internal Curve): Comportamiento definidos por curvas de potencia y flujo dadas por PIPESYS. 3. Polytropic (User Curve): Igual al anterior, sin embargo las curvas son generadas por datos de usuario. 4. Isentropic (GPSA): sigue ciclo adiabático, PVk=cte 5. Polytropic (GPSA): sigue compresión politrópica, PVn=cte

Fig 4. Pestaña de parámetros de compresor

Tras haber especificado la clase de compresor se deben determinar parámetros como la potencia (Brake Power, especified), la temperatura de descarga (Max discharge Temp) y la temperatura entre las etapas (para compresores con más de una etapa, por lo cual también se debe especificar el número de etapas). Igualmente se determina la eficiencia (sea dada por el usuario o el valor dado por default por el programa) y el cambio de presión (interstage delta P). Las siguientes pestañas que se encuentran en la vista del compresor no requieren de valores obligatorios, solamente deben llenarse en casos específicos en los que se utilice el tipo de compresor Polytropic (User Curve) (razón por la que se necesitarían los valores con los que se calcularía la curva de análisis) o que se tengan requerimiento específicos del combustible a utilizar (Fuel Requierements). Bombas en PIPESYS PIPESYS también tiene la opción de modelar redes de tuberías que contengan bombas hidráulicas. Para realizar estar simulación la extensión cuenta con dos métodos de cálculo: 1. Por medio de correlaciones matemáticas de presión de descarga, potencia y flujo volumétrico. 2. Por medio de datos de usuario tabulados que muestren la eficiencia en función del flujo volumétrico. Es importante resaltar que como se da en los casos reales, en el simulador la bomba solo puede ser adicionada en sistemas líquidos en su totalidad. Al igual que con las tuberías y los compresores, cierta información debe ser dada. Lo primero es la información sobre la ubicación de la bomba, repitiéndose la nomenclatura que se daba en los compresores (distancia, elevación y unidad de desplazamiento). En seguida se llena la pestaña de parámetros (Figura 5), siempre y cuando se elija el primer método de cálculo mencionado, de lo contrario se llena la pestaña de curva. En parámetros, se debe agregar ciertos valores como:

-

Brake Power: Potencia de la bomba Fluid Power: La verdadera potencia entregada al fluido. Esta se puede calcular teniendo en cuenta la definición de eficiencia dada en la parte teórica. Efficiency Specified discharge pressure: puede ser omitida si se tiene el valor de la potencia de la bomba, de lo contrario es obligatorio. Suction Temperature: Temperatura del fluido a la entrada de la bomba

Fig 5. Pestaña de parámetros bomba

EJEMPLO Para aplicar ciertas funcionalidades de PIPESYS, se implementará un sistema de tuberías para el transporte de gas. El modelo del terreno y las distancias de recorrido se muestran a continuación:

Fig 6. Mapa de elevación terreno ramas de transporte del gas

Los pasos son los siguientes: 1. Para empezar, se definen las corrientes del sistema. El paquete termodinámico a trabajar es la ecuación de estado de Peng-Robinson y los componentes del sistema corresponden a los de un gas con contenido de metano, etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano, npentano, n-hexano, C7, nitrógeno, dióxido de carbono y sulfuro de hidrógeno. 2. Se trabaja con 5 ramas de tubería, tres provenientes de 3 diferentes pozos cuyo diámetro de tubería corresponde a 3”, una en donde se unen dos de las tres ramas anteriores, con un diámetro de 4” y una última en donde se une la tercera rama, con un diámetro de 6”. 3. Para crear estas ramas, es necesario jalar la extensión de PIPESYS en HYSYS de la siguiente manera: En la barra superior se va a Flowsheet y se selecciona la opción de Add Operation (o F12), y se selecciona la opción de Extensions, en donde aparece la siguiente ventana:

Fig 7. Adición de extensión de PIPESYS en HYSYS

Se selecciona la opción que dice PIPESYS Extension y se da click en el botón de Add. 4. Aparece entonces un ícono de una tubería y al hacer doble click sobre el mismo aparece la pestaña de Connections abierta.

Fig 8. Vista de extensión de PIPESYS en pestaña de conexiones

Allín se hacen las conexiones de las corrientes respectivas. La unidad de PIPESYS tiene también una corriente de energía para especificar la transferencia de calor en el montaje. 5. Dependiendo del sistema, se selecciona una opción en donde dice procedimientos recomendados. PIPESYS tiene la capacidad de trabajar con corrientes que contengan una dos o tres fases, por lo que es necesario especificar si se trata de una corriente líquida con presencia de gas o de una corriente de gas con una cantidad más pequeña de líquido. Esto se selecciona en la pestaña de Methods y para el caso, el sistema corresponde a la opción de Basado en gas con líquido.

Fig 9. Selección de Método y especificaciones del tipo de fase a modelar

6. La pestaña de Elevation Profile se abre para introducir las unidades de transporte del fluido. En esta rama se utilizarán tres tuberías con las mismas dimensiones geométricas, pero con elevación y distancia diferentes como se muestra en la siguiente ventana:

Fig 10. Pestaña de perfil de elevación para tres tuberías del ejemplo

7. Dentro de la opción de tubería, en la pestaña de Dimensions se selecciona un diámetro nominal de 3” y un grosor de pared estándar de 40.

Fig 11. Especificación dimensiones tuberías rama A

8. En la pestaña de Heat transfer se selecciona la opción de Buried (enterrado). 9. Manipulando los botones de copiar y pegar es posible crear de manera más sencilla las otras dos tuberías para esta rama. 10. A la última de las ramas, después de hacer un análisis de las presiones de entrada de las corrientes provenientes de los pozos, se le instala un compresor. Para esto se tiene entonces que en la pestaña de Elevation Profile se adiciona, en vez de una tubería, un compresor. A éste se le especifica el tipo de compresor (Isentrópico Diagrama H/S) y la potencia.

Fig 12. Especificación selección del compresor y potencia

11. Mediante el uso de un ajustador se ajustaron las presiones de salida con el uso del compresor y se aumentó la eficiencia, aumentando la magnitud de los flujos de salida mediante iteraciones de las presiones y los flujos para las condiciones dadas para cada rama de gas que se montó.

CONCLUSIONES -

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La extensión de PIPESYS de HYSYS tiene herramientas muy útiles para la simulación del montaje de tuberías en exteriores o con diferentes elevaciones y distancias. Los manejadores de flujo son importantes dentro de la construcción de una tubería para modificar las caídas de presión que pueden darse y que no sean aceptadas por el sistema, además de mejorar la eficiencia de un proceso mismo. Optimizaciones en el ámbito de tuberías y manejadores de flujo pueden darse siempre y cuando se tenga conocimiento de las características del fluido a transportar, de las tuberías a utilizar y de las funcionalidades de los demás manejadores de flujo como compresores, bombas, intercambiadores, válvulas, entre otros.

REFERENCIAS -

PIPESYSTM User Guide. Aspen Technology, Inc. PIPESYSTM Tutorials. Aspen Technology, Inc. Flujos internos de fluidos newtonianos incompresibles. Jorge E. Spinel. Universidad Nacional de Colombia. Diseño de Equipos e Instalaciones, Tema 5: Bombas y Compresores, En línea en: http://web.usal.es/~tonidm/DEI_05_Bombas_compresores.pdf, consultado: 06/2012