Estudio de la deposición de barros en un recipiente de oxo-alcoholes mediante CFD

RAMAJO DAMIAN ENRIQUE; NORBERTO NIGRO; STORTI MARIO

2008-08-01

2009-04-01

Energia-Hidrocarburos

Objetivo El objetivo del estudio propuesto es analizar la deposición de barros que ingresan con la carga a un recipiente agitado. Este equipo funciona en la refinería del complejo petroquímico Ensenada. La agitación se logra mediante un dispositivo mecánico y como parte del proceso se agrega amoníaco a los fines de evitar el envenenamiento de la carga. Se estimarán los niveles de deposición en función de la distribución espacio-temporal de las concentraciones de barros y de los esfuerzos de corte que se originen en el recipiente. De esta forma, evitando la acumulación excesiva de estos barros, se prolonga el tiempo de funcionamiento entre paradas del equipo evitando la obstrucción de los inyectores de amoníaco. Mediante este análisis se prevé poder proponer modificaciones operativas y/o constructivas tendientes a lograr mejoras del proceso. Alcances del estudio propuesto El estudio detallado a continuación se concentra en analizar el comportamiento de la mezcla bifásica (líquido + barros) desde el ingreso al recipiente a través de la entrada IA, el ingreso del gas amoníaco por medio de la entrada IB, el posterior mezclado de las fases y la extracción de la carga trifásica por la salida OA. Se pretende conocer los patrones del flujo para cada fase, es decir el campo de velocidades, esfuerzos de corte en las paredes y la concentración de cada fase, a fin de visualizar el problema actual de deposición de barros. Luego se hará una propuesta de mejora, buscando eliminar o al menos minimizar la deposición mediante cambios geométricos y/o operativos sobre el recipiente,  como por ejemplo, cambio en la forma o tamaño del agitador, modificación de la velocidad de agitación, modificación de la posición del anillo de inyección o  modificación del conducto de ingreso de la carga, por nombrar algunas de las posibilidades. Metodología de trabajo El estudio explicado a continuación será llevado a cabo utilizando mecánica de fluidos computacional (en adelante CFD). El mismo será abordado utilizando un software específico para resolver problemas de mecánica de los fluidos en forma tridimensional. La potencia de cálculo requerida para resolver los modelos computacionales será proporcionada por un Cluster tipo Beowulf de 80 nodos (cada un con tecnología INTEL Pentium IV con 2 Gb de RAM) para la resolución mediante cálculo distribuido. Los modelos computacionales serán planteados aplicando las ecuaciones de Navier-Stokes y considerando una formulación multifásica al aplicar el modelo de dos fluidos. Dado que no existen reacciones químicas que liberen o consuman energía, el problema será resuelto como isotérmico considerando las propiedades de las distintas fases para la temperatura de operación normal del equipo. La turbulencia será modelada mediante los modelos k-e o LES según sea más conveniente. En todas las simulaciones se resolverá un periodo determinado de tiempo hasta que el equipo entre en régimen permanente (verificándose el balance global de masa entre las entradas y salidas al mismo) y posteriormente se continuará con la simulación hasta obtener resultados dentro de una ventana temporal apropiada. Luego los resultados serán promediados temporalmente a fin de extraer conclusiones representativas del funcionamiento del equipo. Cabe destacar que por tratarse de un recipiente cuya geometría no guarda simetría respecto de su eje longitudinal, se deberá resolver la totalidad de su volumen no pudiéndose utilizar condiciones de simetría o axisimetría para construir los modelos computacionales. Esto redundará en un mayor costo computacional. Por otro lado, la presencia del agitador mecánico introduce mayor complejidad. En cuanto a esto último se estudiaran dos alternativas para abordar el movimiento del agitador; Ø      Introducir modelos con varios dominios y mallas móviles Ø      Introducir la presencia del agitador como un cambio local de las condiciones del fluido mediante una permeabilidad “ficticia”, considerando al agitador mecánico como un medio poroso. Dado que la propiedad de permeabilidad puede asignarse en forma local en todo el dominio y en forma variable en el tiempo, al aplicar una muy baja permeabilidad en algunos de los elementos de la malla computacional es posible reconstruir virtualmente la forma del agitador mecánico e imponerle movimiento sin necesidad de mover los nodos de la malla.    El estudio propuesto puede dividirse en tres etapas, las cuales se detallan a continuación. Primera etapa En una primera etapa se llevará a cabo un estudio preliminar sobre un reactor experimental con agitación mecánica, similar al recipiente de gasificación. Este reactor experimental está construido en vidrio por lo cual posee acceso óptico. Dado que resulta posible llevar a cabo la medición de la trayectoria de partículas dentro del reactor experimental (técnicas por isótopos radioactivos), el Dr. Gabriel Horowitz (CTA, Repsol-YPF) realizará dichas mediciones y aportara los datos necesarios para calibrar y validar los modelos computacionales de CFD, al contrastarlos con dichas mediciones. Una vez obtenidos resultados numéricos aceptables para la simulación del reactor experimental se procederá a estudiar el recipiente gasificador. Segunda etapa En la segunda etapa se abordará el estudio del recipiente gasificador utilizando las propiedades reológicas aportadas por el personal del CTA y los datos operativos de planta. Se estudiará el comportamiento fluido dinámico de la carga para los caudales y presiones y temperaturas de interés y se determinará si existen zonas en el interior del reactor, donde ya sea por una insuficiente agitación o por las características del flujo, se produce la decantación de la fase sólida (barros).  Tercera etapa Una vez diagnosticada la causa de la decantación de barros en el recipiente, se procederá a estudiar distintas modificaciones constructivas y/o operacionales, algunas de las cuales fueron mencionadas anteriormente. Se establecerá si dichas modificaciones introducen mejoras significativas en el comportamiento fluido dinámico del equipo y se establecerá junto con el personal de Repsol-YPF si las mismas resultan viables desde el punto de vista tecnológico o del proceso. Cronograma de tareas Las tres tareas anteriormente mencionadas serán concretadas en un plazo máximo de 9 (nueve) meses a partir del momento en que sea entregada la totalidad de la información requerida para cumplimentar las mismas (planos conforme a obra, flujos másicos para cada una de las fases y reología de las fases). Cabe aclarar que tanto para la primera como para la segunda etapa (análisis del reactor experimental) se prevén estudiar solo dos condiciones operativas, entendiéndose por condiciones operativas al conjunto de datos que definen el sistema en estudio (caudales, temperatura, presión, reología de las fases, velocidad de agitación, etc.). A continuación se detalla un cronograma tentativo para cumplimentar el estudio propuesto. Resultados a obtener A partir del estudio propuesto se espera obtener el patrón de velocidades para las tres fases (sólido, líquido y gas), el campo de presión y la fracción de volumen de cada una de ellas. El campo de velocidades junto con las fracciones de volumen permitirá extraer conclusiones acerca de la distribución de la fase sólida y por ende de las posibles causas de su decantación en la parte inferior del recipiente. Esto permitirá dar propuestas para resolver o minimizar este problema. El estudio también será útil para determinar el grado de homogeneidad en la distribución del amoníaco inyectado a la carga.