INFORME I: : Estudio del flujo trifásico de líquido, gas y sólido catalizador en un reactor de polibuteno utilizando Dinámica de los Fluidos Computacional - CFD

RAMAJO DAMIAN ENRIQUE; NIGRO NORBERTO MARCELO; STORTI MARIO

2006-05-30/2006-10-05

1-35

Simulación Computacional de procesos químicos

Qca.,Petroqca.y Carboqca.-Petroquimica

OBJETO DEL PROYECTO E INCENTIVOS DE SU REALIZACIÓN El objeto de este Proyecto, que tendrá vigencia desde 30 de Mayo del año 2006 hasta el 31 de Diciembre de 2006, con ejecución en el INTEC (CONICET-UNL) a solicitud de la Empresa YPF S.A. a través del Centro de Tecnología  Argentina (CTA) dependiente de la Dirección de Tecnología, es el Estudio del flujo trifásico de liquido, gas y sólido catalizador en un reactor de polibuteno utilizando Dinámica de los Fluidos Computacional ­-  CFD,  y la propuesta de posibles mejoras de productividad. El INTEC confeccionará el modelo computacional y simulará la situación actual a fin de poder calibrar el modelo y poner a disposición de personal técnico de YPF las posibles causas del ensuciamiento actual del equipo. A posteriori y mediante discusiones entre las partes se simularán nuevas configuraciones tanto en el diseño como en la operación a fin de evitar este inconveniente que provoca un aumento en la frecuencia de paradas del equipo PIB. A continuación se incluye una descripción detallada de las tareas a realizar en PROYECTO #2. Por su parte, el CTA proveerá la asistencia técnica para el normal desarrollo de cada una de estas tareas, así como la definición de todos los datos y mediciones necesarias para poder cumplir el objetivo del proyecto. Descripción técnica del PROYECTO #2: Análisis mediante CFD (Computational Fluid Dynamics) del flujo en el reactor de polibutenos con el fin de determinar a priori si el patrón fluidodinámico pudiera ser el responsable de la excesiva deposición de sólidos en las paredes del mismo trabajando en operación normal. El estudio se llevará a cabo usando ·          la geometría del reactor provista por la empresa a través de sus planos ·         las propiedades físicas del catalizador, del material líquido y del gas formado por la reacción química provistas por la empresa ·         la tasa de formación de burbujas y el tamaño de las mismas provistas por la empresa ·         un generador de mallas provisto por CIMEC (posiblemente ICEM de Ansys o Mesh-Suite de CIMEC) ·         un programa de CFD provisto por CIMEC (probablemente CFX o en caso de ser necesario PetscFem de CIMEC) corriendo en paralelo en un clúster Beowulf de 16 PCs. ·         un programa de postproceso de resultados provisto por CIMEC (posiblemente CFX de Ansys o DX de IBM) Aproximaciones al problema: El problema a resolver es determinar el campo de velocidades, presiones y fracciones de volúmenes de cada una de las tres fases presentes en el problema, el polímero en fase líquida, el catalizador en fase sólida y el gas, mediante la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes en 3D en régimen turbulento. Para la turbulencia se usará un modelo k-epsilon o en su defecto un modelo tipo LES (Large Eddy Simulation) estimando que para este problema el primero de ellos brindará resultados razonables. En una primera instancia se prescindirá del gas para verificar si  el burbujeo afecta o no la formación de depósitos sólidos en las paredes. En una instancia posterior se incluirá la generación del gas. Los primeros análisis se harán sobre la geometría actual y posteriormente, de ser necesario, se incluirán cambios geométricos. Tanto para las simulaciones sin gas y con gas, como para aquellas sobre la geometría actual como alguna con modificaciones se usarán las condiciones de operación normal del equipo. Resultados a entregar : Los resultados serán entregados con un informe detallado donde se incluirán: ·         el modelo matemático y numérico empleado ·         la totalidad de los datos usados ·         campos de velocidades en forma escalar y vectorial, en ciertos planos de corte ·         líneas de corriente ·         campos de presiones en planos de corte ·         distribución volumétrica de las tres fases en planos de corte ·         distribución espacial de la vorticidad y de la intensidad de turbulencia ·         tensiones de corte cerca de las paredes ·         conclusiones sobre lo que muestra la simulación y la influencia de los cambios realizados. Cronograma de tareas: 1.    Relevamiento de la geometría y de los datos físicos 2.    Generación de la malla de elementos finitos 3.    Simulación del sistema de dos fases (polímero líquido y catalizador sólido) para la geometría actual 4.    Análisis de resultados 5.    Simulación del sistema de tres fases (polímero líquido, catalizador sólido y gas producto de la reacción) para la geometría actual 6.    Análisis de resultados y discusión con la empresa sobre el conocimiento adquirido del problema y posibles cambios a realizar 7.    Simulación del sistema de tres fases (polímero líquido, catalizador sólido y gas producto de la reacción) para la geometría modificada 8.    Repetir 6 y 7 hasta dar conformidad a los requerimientos de la empresa Metodología a emplear: ·         Reunión en la planta con personal de la empresa para conocer en detalle el equipamiento que se simulará y acordar con el personal sobre los datos necesarios para lograr éxito en la simulación ·         El trabajo de simulación se llevará a cabo en CIMEC quedando abierta la invitación al personal de la empresa cuando esta lo requiera para participar de la confección del modelo y de su análisis ·         Reunión con personal de la empresa para discutir resultados y pensar modificaciones tendientes a solucionar el problema de la deposición de material sólido sobre las paredes del reactor