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

• Geometría 3D.

Inyección de vapor central Inyección de

vapor exterior

METODOLOGÍA

• Malla:

– No estructurada – Tetraédrica

– 6.5 106 elementos

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.

PREGUNTAS

Gracias por su atención.