Post on 16-Oct-2018
transcript
Estudio de la Combustión y distribución de flujo en una unidad de flare mediante técnicas de CFD Mathieu Ichard (mathieu.ichard@ypf.com) Clarisa Mocciaro Agustín Marticorena Y-TEC (YPF Tecnología)
PRESENTACIÓN DE LA COMPAÑÍA
Y-TEC es una compañía de desarrollos
tecnológicos orientados a contribuir con
el crecimiento sostenido de la industria
energética nacional. Fue creada por YPF
en sociedad con el CONICET.
Su misión es investigar, desarrollar,
producir y comercializar tecnologías,
conocimientos, bienes y servicios en el
área de petróleo, gas y energías
alternativas.
DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
• ¿Qué es una antorcha?
– Es un sistema de seguridad que permite
evacuar gases ante una emergencia,
mediante la combustión de los mismos.
• ¿Qué hace una antorcha?
– Se utiliza como sumidero de los gases
de la/s planta/s.
– Debe ser extremadamente confiable.
– Ocasionalmente puede ser operada en
condiciones fuera de diseño.
DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
• Objetivo del estudio:
– Estudiar el flujo y formación de la
llama para diferentes condiciones de
proceso.
– Analizar el efecto de la geometría
interna en la distribución del flujo.
– Estudiar el efecto de la inyección de
vapor central.
– Identificar condiciones de proceso
adversas.
METODOLOGÍA
• Dominio y condiciones de contorno:
Inlet: Velocidad del viento, 100% Aire, Temperatura ambiente
Pressure Outlet
Symmetry
Inlet: Caudal, 100% carga, Temperatura de carga
Terminos Fuentes: inyección de vapor exterior
Inlet: Caudal, 100% vapor, Temperatura de vapor
Antorcha
METODOLOGÍA
• Modelo de combustión:
– Se simuló la combustión usando el modelo EDM de Fluent de
interacción cinética química-turbulencia para reacciones con altos
números de Damköhler.
– Número de Damköhler: Da = 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑐𝑐𝑐. 𝑇𝑇𝑚. 𝑡𝑡𝑐𝑡.𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇𝑇 𝑐𝑐𝑐. 𝑐𝑇𝑐𝑐. 𝑞𝑡𝑇𝑇.
• Modelo de turbulencia:
– k-ω SST default.
• Flujo compresible.
• No se modeló la radiación.
METODOLOGÍA
• Propiedades de la carga. Componente Gas Composición
(mole %) Methane 19,12
Ethane 5,61
Propane 11,91
I-Butane 3
N-Butane 10,2
I-Pentane 3,2
N-Pentane 6,21
Hexane 8,41
Ethylene 1
Propylene 1
Butylene 1,6
T2 Butene 1,2
I Butene 1
C2 Butene 1
Hydrogen 23,72
Carbon Dioxide 0,2
Nitrogen 0,7
Oxygen 0,5
H2S 0,4
La carga tiene propiedades similares a las del etano. Se usa
la mezcla “etano-aire” de la librería de Fluent, modificando
algunas propiedades para el etano :
• PM = 36.2 g/mol • Cp = Cp carga (Hysys)
• µ = µ carga (Hysys) • k = k carga (Hysys)
METODOLOGÍA
• Solver:
– Pressure based.
– Simulación estacionaria.
– Métodos de discretización de segundo orden.
– Algoritmo coupled pseudo-transient.
– Inicialización estándar con patch.
– ANSYS-Fluent v15.
RESULTADOS
• Efecto del caudal de carga combustible.
• => Se podría tener combustión en el interior de la antorcha en
condiciones de “bajo” caudal de carga. • ¿Cuanto es “bajo” caudal?
Alto caudal – Condición de diseño Bajo caudal
RESULTADOS
• Matriz de las simulaciones para identificar condiciones de proceso críticas.
�̇�f/�̇�f _max Tfuel [ºC] �̇�𝐯𝐯𝐯𝐯 /�̇�𝐯𝐯𝐯𝐯 _max �̇�𝐯𝐯𝐯𝐯 /�̇�𝐯𝐯𝐯𝐯_max Tvap [ºC] Vviento [m/s]
Simulación 1 0.075 32 1 0.1 280 9
Simulación 2 0.075 32 0.5 0.1 280 9
Simulación 3 0.037 32 1 0.1 280 9
Simulación 4 0.037 32 0.5 0.1 280 9
Simulación 5 0.0185 32 1 0.1 280 9
Simulación 6 0.0185 32 0.5 0.1 280 9
Simulación 7 0.333 32 0.5 0.1 280 9
Simulación 8 0.333 32 1 0.1 280 9
Simulación 9 1 32 1 0.1 280 9
Simulación 10 0.075 32 1 0.1 280 18
Simulación 11 0.075 32 1 0.1 280 3
RESULTADOS
Efecto de la inyección de vapor central:
• Contornos de temperatura en el plano x=0m.
• El vapor central ayuda a despegar la llama del tip.
• => Efecto positivo.
Simulación 1: Mf/Mf_max=0.075; MvapC/MvapC_max=1 Simulación 2: Mf/Mf_max=0.075; MvapC/MvapC_max=0.5
RESULTADOS
Efecto de la inyección de vapor central:
• Contornos de temperatura en el plano x=0m.
• A alto caudal el vapor central restringe la salida de la carga. La
combustión se produce en el interior de la antorcha.
• => Efecto negativo.
Simulación 5: Mf/Mf_max=0.0185; MvapC/MvapC_max=1
Simulación 6: Mf/Mf_max=0.0185; MvapC/MvapC_max=0.5
RESULTADOS
• Efecto negativo de la inyección de vapor central
• A caudales de vapor altos se producen recirculaciones grandes y potentes en el interior de la antorcha.
Simulación 5: Mf/Mf_max=0.0185; MvapC/MvapC_max=1
Simulación 6: Mf/Mf_max=0.0185; MvapC/MvapC_max=0.5
RESULTADOS
• Existencia de condiciones de proceso criticas.
020406080100120140160180200
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
T pro
-Tf [
K]
T ret
ro/T
amb
[(ρf*Uf)/(ρvap*Uvap)]/[(ρf*Uf)/(ρvap*Uvap)]max
Temperatura de retroceso Temperatura promedia en antorcha
Combustión en la
antorcha Combustión a fuera de la
antorcha
Termocuplas de retroceso
RESULTADOS
Efecto de la velocidad del viento: • Contornos de temperatura en el plano x=0m.
Condición más desfavorable
Vviento = 9 m/s
Vviento = 3 m/s
Vviento = 18 m/s
CONCLUSIONES Y PRÓXIMOS PASOS
• Se simuló la combustión de una antorcha con Fluent empleando el
modelo Eddy-Dissipation.
• Para altos caudales de carga la distribución de flujo cumple las
especificaciones de diseño.
• Se analizó el impacto de la relación de caudales entre la carga y el
vapor central. Se detectó una condición critica a partir de la cual se
produce combustión en el interior de la antorcha.
• Próximos pasos:
– Simulaciones no estacionarias.
– Analizar modelos de combustión disponibles en Fluent.
– Evaluar el impacto de la radiación.