Estudio de distribución de las fases líquido y gas en la zona de entrada de un reactor de gas buteno mediante mecánica de fluidos computacional - CFD

RAMAJO DAMIAN ENRIQUE; STORTI MARIO; NIGRO NORBERTO MARCELO

2008-04-01

2008-12-31

Simulación numérica del proceso fluidodinámico

Energia-Hidrocarburos

Objetivo El objetivo del estudio propuesto es analizar los patrones de flujo de la mezcla líquido-gas que ingresa en un reactor para la producción de gas buteno operando en la refinería del complejo petroquímico Ensenada. El presente estudio está orientado a determinar la eficiencia de “mojado” del lecho fijo de catalizador que se encuentra debajo del plato distribuidor (plato de campanas). Alcances del estudio propuesto El estudio a continuación detallado se concentra exclusivamente en analizar el comportamiento de la mezcla bifásica a partir del punto de inyección de gas aguas arriba del ingreso al reactor y hasta que la mezcla toma contacto con el lecho fijo de catalizador (ver figura 1). Por lo tanto, en esta etapa de investigación no se abordará el estudio del comportamiento de la mezcla en el interior del lecho fijo. Metodología de trabajo La metodología de trabajo propuesta puede desglosarse en  cuatro etapas, algunas de las cuales pueden llevarse a cabo en forma simultánea en tanto que otras requieren de la culminación de etapas previas para su inicio. El estudio 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 1 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 y en forma isotérmica. La turbulencia será modelada mediante los modelos k-e o LES según sea más conveniente. Primera etapa El estudio fluido dinámico se llevará a cabo estudiando integralmente los componentes que afectan la distribución de la mezcla previa al lecho catalizador. Se comenzará a partir del punto de inyección de gas ubicado aguas arriba del ingreso I1 al reactor. Esto obedece a que la influencia de la inyección de gas sobre el patrón de velocidades y sobre la homogeneidad de la mezcla al llegar al distribuidor primario no puede ser a priori estimada ya que depende de las características dimensionales de los conductos, de los caudales involucrados y de la reología de los fluidos. Por tal motivo se prevé analizar en primer lugar este segmento del equipo de modo de establecer las condiciones de contorno apropiadas para abordar luego el estudio detallado en el interior del reactor. Al mismo tiempo, la posible existencia de codos o curvas en el conducto de entrada, ubicados en las inmediaciones de I1 aguas arriba del distribuidor primario, pueden de igual manera modificar el patrón de flujo al ingresar a dicho distribuidor por lo que también serán introducidos en el análisis. Segunda etapa Una vez que ha sido correctamente caracterizada la mezcla que ingresa al distribuidor primario (ver figura 2) este último será estudiado en forma aislada y detallada de modo de conocer el patrón de flujo obtenido aguas abajo del mismo. Las características del flujo aguas arriba del distribuidor primario permitirán definir la posibilidad de utilizar un modelo parcial o completo del distribuidor. Tercera etapa Esta etapa consiste en estudiar en forma aislada el comportamiento de los orificios del plato de campanas de modo de obtener una expresión simple para el caudal de paso de mezcla a través de los mismos en función de la altura de la mezcla que se encuentra sobre los mismos. Esto permitirá introducir en el modelo computacional un caudal de “goteo” por unidad de área del plato. Cuarta etapa La misma se encuentra supeditada a los resultados obtenidos en la segunda etapa. En principio se plantean dos alternativas: -   Modelo parcial del plato de campanas: si la distribución del flujo que cae aguas abajo del distribuidor primario resulta homogénea, entonces es posible abordar el estudio parcial del plato de campanas reproduciendo solo la sexta parte del modelo completo y utilizando condiciones periódicas (ver figura 5, izquierda), ya que la cantidad de campanas en el plato de campanas es reducida (siete) y que las mismas se encuentran ubicadas en forma regular (ver detalle en figura 3). -    Modelo completo del plato de campanas: si por el contrario la distribución del flujo dada por el distribuidor primario resulta no homogénea entonces no será posible abordar un estudio parcial del plato de campanas. En ese caso se reproducirá la totalidad del plato (ver figura 5, derecha) ya que aunque esto requiere un esfuerzo computacional extra, la cantidad total de campanas es reducida por lo que resulta en principio factible generar un modelo completo del sistema en estudio, introduciendo la geometría exacta de cada una de las siete campanas. En la figura 4 puede apreciarse el croquis de las campanas. Como puede observarse estas no presentan una complejidad constructiva significativa. Por otro lado, la metodología para simular el efecto de goteo de los orificios del plato de campanas será el mismo independiente de si se utilice un modelo parcial o total para el plato. Utilizando los resultados obtenidos en la tercera etapa (respuesta caudal vs. altura de la mezcla para un orificio aislado) el efecto de goteo podrá ser modelado utilizando dos alternativas; o bien modelando la superficie del plato como un medio poroso con propiedades de permeabilidad acorde al caudal requerido ó bien utilizando un término fuente de masa y cantidad de momento para el flujo en la parte inferior del plato junto con un término sumidero (análogo al término fuente) en la superficie superior del plato. Dichas fuentes podrán ser de tipo “distribuida” si la cantidad de orificios resulta excesiva o podrán ser de tipo “puntual” si el plato es simulado en forma parcial y la cantidad de orificios resulta razonable. La figura 5 muestra los dos posibles modelos computacionales planteados para resolver la cuarta etapa. Como puede observase las dimensiones de las siete campanas resultan significativas respecto de las dimensiones totales del problema por lo que estas son resueltas introduciendo su geometría dentro del modelo final. En ambos modelo se prevé introducir la mezcla mediante una entrada (no mostrada en los modelos de la figura 5) en la cual se introduzcan las características del flujo aguas abajo del distribuidor primario, las cuales serán obtenidas en la etapa 2. Cronograma de tareas Las cuatro tareas anteriormente mencionadas serán concretadas en un plazo máximo de 6 (seis) 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 se prevé la posibilidad de estudiar a lo sumo 2 diferentes condiciones operativas (caudales y/o temperaturas que modifiquen las propiedades reológicas de las fases) para este equipo. Resultados a obtener A partir del estudio propuesto se espera obtener el patrón de velocidades para ambas fases (líquido y gas), el campo de presión y la fracción de volumen de cada una de las fases. El campo de velocidades junto con las fracciones de volumen permitirá extraer conclusiones acerca de la distribución de la mezcla al tomar contacto con la superficie superior del lecho fijo de catalizador. De este modo se podrá concluir si la merma en la eficiencia del reactor es debida a una mala distribución por parte del distribuidor primario y/o el plato de campanas o si por el contrario el problema se encuentra en el interior del lecho fijo.