Estudio de la aireación del standpipe de una planta de cracking catalítico (FCC) mediante Dinámica de Fluidos Computacional - CFD

RAMAJO DAMIAN ENRIQUE; NIGRO NORBERTO MARCELO; STORTI MARIO

2006-05-30/2007-08-03

1-48

Simulación computacional Fluidodinámica

Energia-Hidrocarburos

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 de la aireación del standpipe de una planta de cracking catalítico (FCC) mediante CFD y proponer 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 de la merma de productividad 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 mejorar la productividad del FCC. A continuación se incluye una descripción detallada de las tareas a realizar en PROYECTO #1. 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 #1: Análisis mediante CFD (Computational Fluid Dynamics) del flujo en el sistema standpipe con el fin de determinar la influencia del caudal de aireación y la localización de los puntos de inyección de aire, sobre la diferencia de presión alcanzada entre los extremos superior e inferior del standpipe. El estudio se llevará a cabo usando, ·          la geometría del sistema standpipe provista por la empresa a través de sus planos, ·         las propiedades físicas del catalizador y del gas en el regenerador provistas por la empresa, ·         los datos de caudal de aire actualmente inyectado y la ubicación de los inyectores provistas por la empresa, ·         mediciones actuales de la diferencia de presión a lo largo del standpipe y del caudal de catalizador que pasa del regenerador al riser, ·         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 de Ansys 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 gradiente de presiones entre los extremos superior e inferior del standpipe mediante la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes en 3D en régimen turbulento para un sistema de dos fases. 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. Las dos fases son el catalizador en fase sólida y el aire en fase gaseosa. El gas proveniente del regenerador puede ser despreciado por su baja fracción de volumen informado por la empresa. Los primeros análisis se harán sobre la geometría actual y posteriormente, de ser necesario, se incluirán cambios en el sistema de aireación, tanto en caudal como en ubicación de las inyecciones. Por otro lado del estudio también surgirá el campo de velocidades y la distribución de la fracción volumétrica de la fase sólida en el standpipe de forma de poder inferir las causas de la eventual baja en la diferencia de presiones observadas en la condición actual de funcionamiento. 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 dos fases en planos de corte ·         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 (catalizador sólido y aire) para la geometría actual en las condiciones de operación actuales. 4.      Análisis de resultados y ajuste frente a mediciones realizadas. 5.      Repetir pasos 3 y 4 hasta la coincidencia entre estimaciones numéricas y valores observados de la diferencia de presión en el sistema standpipe. 6.      Simulación del sistema de dos fases (catalizador sólido y aire) para una geometría modificada conforme a las conclusiones de la etapa 5 7.      Análisis de resultados y discusión con la empresa sobre el conocimiento adquirido del problema y posible cambios a realizar 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 optimización del sistema de aireación en el standpipe.