Estudio de la Combustión y distribución de flujo en una unidad de flare mediante técnicas de CFD

Transcripción

1 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)

2 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.

3 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.

4 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.

5 METODOLOGÍA Geometría 3D. Inyección de vapor exterior Inyección de vapor central

6 METODOLOGÍA Malla: No estructurada Tetraédrica elementos

7 METODOLOGÍA Dominio y condiciones de contorno: Antorcha 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

8 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. mmm. tttt. TTTTTT ccc. rrrr. qqqq. Modelo de turbulencia: k-ω SST default. Flujo compresible. No se modeló la radiación.

9 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 C p = C p carga (Hysys) µ = µ carga (Hysys) k = k carga (Hysys)

10 METODOLOGÍA Solver: Pressure based. Simulación estacionaria. Métodos de discretización de segundo orden. Algoritmo coupled pseudo-transient. Inicialización estándar con patch. ANSYS-Fluent v15.

11 RESULTADOS Efecto del caudal de carga combustible. Alto caudal Condición de diseño Bajo caudal => Se podría tener combustión en el interior de la antorcha en condiciones de bajo caudal de carga. Cuanto es bajo caudal?

12 RESULTADOS Matriz de las simulaciones para identificar condiciones de proceso críticas. M f/m f _max T fuel [ºC] M vvvv /M vvvv _max M vvvv /M vvvv_max T vap [ºC] Simulación Simulación Simulación Simulación Simulación Simulación Simulación Simulación Simulación Simulación Simulación V viento [m/s]

13 RESULTADOS Efecto de la inyección de vapor central: Contornos de temperatura en el plano x=0m. Simulación 1: M f /M f_max =0.075; M vapc /M vapc_max =1 Simulación 2: M f /M f_max =0.075; M vapc /M vapc_max =0.5 El vapor central ayuda a despegar la llama del tip. => Efecto positivo.

14 RESULTADOS Efecto de la inyección de vapor central: Contornos de temperatura en el plano x=0m. Simulación 5: M f /M f_max =0.0185; M vapc /M vapc_max =1 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 6: M f /M f_max =0.0185; M vapc /M vapc_max =0.5

15 RESULTADOS Efecto negativo de la inyección de vapor central Simulación 5: M f /M f_max =0.0185; M vapc /M vapc_max =1 Simulación 6: M f /M f_max =0.0185; M vapc /M vapc_max =0.5 A caudales de vapor altos se producen recirculaciones grandes y potentes en el interior de la antorcha.

16 RESULTADOS Existencia de condiciones de proceso criticas. Temperatura de retroceso Temperatura promedia en antorcha T retro /T amb Combustión en la antorcha Combustión a fuera de la antorcha T pro -T f [K] Termocuplas de retroceso [(ρ f *U f )/(ρ vap *U vap )]/[(ρ f *U f )/(ρ vap *U vap )] max

17 RESULTADOS Efecto de la velocidad del viento: Contornos de temperatura en el plano x=0m. V viento = 9 m/s V viento = 18 m/s Condición más desfavorable V viento = 3 m/s

18 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.

19 PREGUNTAS Gracias por su atención.