CICLO DE CONFERENCIAS TÉCNICAS

UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO

Conferencia Diseño, Simulación y Optimización de Procesos Químicos.

Proyecto de desarrollo Científico – Técnico en Universidades Públicas

GINEBRA, SETIEMBRE 2011

Objetivo.

- El objetivo de la conferencia es una descripción general de la aplicación de Simuladores de Procesos en el Diseño de Plantas y proyectos industriales. Desarrollo de Simulaciones Dinámicas y optimización de los Procesos planteados.

- Finalmente se expondrá la propuesta de desarrollo Científico Tecnológico del grupo de profesionales peruanos formados en Europa, USA y Asia para las Universidades Públicas del Perú.

1º. Casos prácticos y aplicaciones de Simuladores de Procesos en Ingeniería de Diseño. (1/2 hora)

- Exposición de caso práctico (planta de tratamiento de gas natural con sistemas de manejo de líquidos)- Diseño de equipos mecánicos mediante la utilización de los simuladores HTFS (intercambiadores de calor), ACOOL (Aerorefrigerantes), Metal (Especificación de materiales de tuberías y equipos).- Diseño de sistema de colección de gases de planta, antorcha y/o venteo mediante la utilización del Simulador Flarenet.- Integración del Proceso y desarrollo de Diagrama de Procesos (PFD) mediante la utilización de Hysys y/o Aspen Plus.

2º. Situación de la Simulación de Procesos en el desarrollo de la Ingeniería Básica y de Detalle. (1/2 hora)

- Práctica en emisión de documentación de ingeniería para equipos diseñados en el punto 1º tales como hojas de datos, balance de materia y energía, lista de líneas, especificación de materiales.- Casos prácticos de situaciones cotidianas en Ingeniería de Detalle que suponga la aplicación de Simulaciones de Procesos.

3º. Introducción a la Simulación Dinámica y Optimización de Procesos (HYSYS). (2 horas)

- Ejemplos concretos de Simulaciones Dinámicas de Procesos básicos en Ingeniería Química tales como:* Despresurizaciones controladas de sistemas a alta presión.* Sistemas de Bombeo en serie y paralelo.* Sistemas de Compresión en serie y paralelo.* Sistemas de Refrigeración mediante aeros.* Sistemas de calefacción / enfriamiento mediante cambiadores de carcasa y tubos.*Separadores líquido-gas.* Desarrollo de lazo de control de procesos.

* Sintonización de controladores (acción proporcional – acción integral – acción derivativa)* Control de rango partido.*Simulación de puesta en marcha de instalaciones* Simulación de parada de instalaciones.

- Optimización de procesos en simulaciones dinámicas mediante la manipulación de las principales variables de proceso.

4º) Propuesta de planes de colaboración con profesionales peruanos en el extranjero para el desarrollo científico tecnológico de las Universidades Públicas del Perú. (15 minutos a ½ hora)

* En este punto se expondrán las principales actividades que desarrollamos en el Perú para el inicio de transferencia de tecnología entre los profesionales técnicos formados en las mejores universidades del mundo y la comunidad académica peruana. El Perú solo puede salir del subdesarrollo mediante educación e innovación.

CASO PRÁCTICO:

DESARROLLO DE LA INGENIERÍA BÁSICA E INTRODUCCIÓN A LA INGENIERÍA DE DETALLE DE UN SISTEMA DE INYECCIÓN DE GAS NATURAL DESDE UNA FUENTE A 50barg Y 25ºC MEDIANTE SISTEMAS DE COMPRESIÓN EN SERIE Y ENFRIAMIENTO CON AEROREFRIGERANTES Y CAMBIADORES DE CARCASA Y TUBOS.

DISEÑO ESPECÍFICO DE EQUIPOS Y PREPARACIÓN DE DIAGRAMA DE FLUJOS, DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN Y PROCESOS, HOJA DE DATOS DE EQUIPOS.

IMPUTS:

En la primera etapa instalamos 2 tanques de separación con los siguientes imputs:

Instalamos válvulas aguas abajo y aguas arriba y una válvula de descarga de condensados con altos cv’s.

Instalamos un compresor con una presión de descarga de 100barg y simulamos el conjunto especificándole una eficiencia adiabática del 75% y una velocidad de turbina de 600rpm. El compresor será tipo reciprocante de desplazamiento positivo.

Una vez incializado el sistema seleccionamos la opción usar curva característica, especificamos una potencia de turbinas de 5612kW e introduciomos punto a punto la curva del compresor en función de cada velocidad de giro.

Instalar válvulas on/off antes del sistema de enfriamiento y definir la presión de descarga en 100barg. Observar la evolución del punto de operación en la curva del compresor.

Instalamos el sistema de refrigeración con aeros hasta conseguir unos 45ºC de salida. La presión debe mantenerse en 100barg simulando la pérdida de carga del equipo. Lo imputs son los siguientes:

Posteriormente instalamos pulsadores de apagado manual de los ventiladores, esto implica simular el intercambio convectivo debido a la circulación del aire en el sistema. Para ello instalamos coolers asociados a hojas de cálculo en HYSYS simulando la energía que es capaz de enfriar el aire a su paso por los tubos del aero.

Pulsadores:

Cooler:

Hoja de cálculo: SPREADSHEET

Las celdas A2 y A3 indican si el ventilador esta conectado (1) o apagado (0), en la celda B6 se exporta en función de las condiciones del ventilador la cantidad de calor calculada en la celda D5. La lógica es la siguiente: =@if(a2=0)then(@if(a3=0)then(d5)else(0))else(0)

Sabiendo que: Q= W*cp*(T-Tref)/PM.

Convirtiendo de kcal/h a kW se calcula la cantidad de calor a enfriar por el cooler:

=(a7*a4*(a5-45)*0.2/a8)*0.001163

De la primera etapa de compersión de gas simulamos un gasoducto marino de 30km hasta una 2º etapa de compresión. Es importante simular la pérdida de carga del gasoducto y aislar el sistema de compresión de 1º etapa. Seguir la siguiente secuencia de simulación:

- Simular la pérdida de carga mediante una válvula con CV = 900USGPM:

Observar que esta válvula genera una pérdida de 219.2 kPa = 2.19 bar.

- Instalar el gasoducto como un tanque horizontal ingresando los siguientes imputs:

Instalar la válvula que aisle la 1º etapa de compresión y una válvula circunstancial, la primera deberá estar abierta al 100% y con un CV muy alto. La segunda deberá estar completamente cerrada. El sistema deberá quedar de la siguiente forma:

Fijamos la presión de salida de la 1º etapa de compresión en 99.5 barg.

Procedemos a simular la 2º etapa de compresión instanado en primer lugar 3 trenes de tanques separadores de succión de compresores. Estos tanques deberán tener los siguientes imputs:

Instalar una válvula manual completamente abierta y de alto CV aguas arriba del tanque de separación para cada tren. Instalar la válvula de control de nivel LVC 3 y una válvula de aislamiento del equipo SDV12.

A la salida de los tanques, instalar los compresores de 2º etapa definiendo como presión de descarga 202barg.

Especificar los siguientes imputs en los compresores:

Definir las curvas de los compresores para distintas velocidades de giro de las turbinas según los siguientes puntos:

Es importante que nosotros definamos la potencia de suministro al compresor para obtener la presión de descarga buscada (como la definimos debemos comprobar que operamos dentro de la curva). Esto se ajustará posteriormente con un control de caudal variable. Observar que a la descarga del compresor la temperatura aumenta con lo cual

es necesario enfriar el gas. Para ello se simulará en este caso un cambiador de carcasa y tubos en donde el fluido refrigerante será el agua proveniente de un sistema de bombeo.

Para cada cambiador de calor definir:

- Agua de refrigeración:

Definimos la presión de entrada del agua a 12barg y 26.32ºC.

El agua perderá 0.4 bar a su paso por el cambiador y la corriente de salida tendrá las siguientes propiedades:

Instalamos la válvula de control de temperatura previo al diseño del controlador de lazo cerrado:

- Los imputs del ca,biador:

Definimos la presión a la cual deseamos suministrar el gas.

Para instalar el sistema de bombeo mediante un siubflowsheet definimos colectores de suministro y recepción:

Instalamos el subflowsheet para el sistema de bombeo de agua:

Bomeamos agua desde la presión atmosférica a 26ºC:

- A partir de la curva característica de la bomba introducimos los puntos de la misma:

En la pestaña de diseño dinámico de la bomba marcamos la velocidad de giro de la curva y que el programa use dicha curva.

Instalamos la válvula de suministro completamente abierta y con CV alto.

Finalmente instalamos los siguientes controladores:

1º Control de nivel en tanques 1º etapa.

2º Control de presión en compresores de 1º etapa:

Realizar el mismo control de presión para compresores de 2º etapa:

Finalmente instalamos el control de temperatura a la salida de los cambiadores con un set de 45ºC y lo asociamos a la válvula de control instalada.

IMPORTANTE: DEFINIR TIEMPOS Y ACELERACIÓN DE SIMULACIÓN HACIENDO CTRL+I:

LA ESTRUCTURA FINAL DE LA SIMULACIÓN SE MUESTRA A CONTINUACIÓN:

DISEÑO DE EQUIPOS Y EMISIÓN DE HOJA DE DATOS

1º DISEÑO DE AEROREFRIGERANTE MEDIANTE PROGRAMA ACOL+

Seleccionar modo de cálculo: Dimensionamiento y chequeo, seleccionar el Sistema Internacional de medidas, gas sin cambio de fase y aire húmedo como fluido refrigerante:

Especificar condiciones en lado tubos:

Fluido = Gas natural

Flujo = 130968 kg/h

Temperatura de entrada = 106.09ºC

Temperatura de salida = 45ºC

Presión de operación = 102.5133 bara

Caida de presión estimada lado tubos = 0.7 bar

Factor de ensuciamiento = 0.00023 m2*h*ºC/kcal

Especificar condiciones de fluido refrigerante:

Temperatura entrada de Aire = 32ºC

Temperatura salida de aire = 57ºC

Altura sobre el nivel del mar = 108

Presión relativa de entrada = 0.001 bar

Caida de presión admisible = 0.07 bar

Considerar humedad relativa del aire con ratio 0.

Definir la composición del fluido a refrigerar (ver figura) y bases termodinámicas:

Paquete termodinámico = Peng Robinson

Paquete termodinámico agua = Steam – TA

Solubilidad = 0

Simular condiciones flash L-V

Estimar las propiedades del gas natural que circula por lado tubos:

Seleccionar opción Get Properties y el programa estimará todas las propiedades quimico-físicas. Es importante validar el paquete termodinámico con estos resultados y la bibliografía.

Definimos la geometría del aerorefrigerante:

Bahías por cada aero = 3

Paquetes de filas por cada bahía = 2

Aleta por bahía = 2

Diámetro de Paleta = 2438 mm

Número de tubos por fila = 138

Número de filas = 6

Número de pasos del gas por tubo = 3

Diámetro externo de tubo = 25.4 mm

Espesor de tubo = 2.77 mm

Longitud de tubo = 7 m

Diámetro de aleta = 57 mm

Espesor promedio de aleta = 0.4 mm

Dimensión transversal = 66.6 mm

IMPORTANTE: GRADO DE INCLINACIÓN DE ALETAS ES DETERMINANTE EN EL GRADO DE ENFRIAMIENTO DE LOS AEROS.

Definimos las características mecánicas de las boquillas del aero:

Diámetro exterior entrada boquillas = 6.625 in

Diámetro exterior salida boquillas = 6.625 in

Diámetro interior entrada boquillas = 5.503 in

Diámetro interior salida boquillas = 5.503 in

Rating de las bridas de las boquillas = 900 ANSI

Tipo de brida = Weld Neck (soldada)

Definimos la velocidad de las aletas = 370 rpm

Definimos las condiciones de diseño:

Presión de diseño = 110 bar

Temperatura de diseño = 165ºC

RESULTADOS:

HOJA DE DATOS:

RESUMEN DE CÁLCULO

TEMPERATURA EN TUBOS:

PLANO DE EQUIPO:

DISTRIBUCIÓN DE TUBOS:

COSTOS:

2º DISEÑO DE CAMBIADOR DE CARCASA Y TUBOS CON HTFS+

Diseñaremos un cambiador de carcasa y tubos para calentar con agua caliente (110ºC), 7000kg/h de gas natural a 10ºC hasta los 83.15ºC. El agua debe enfriarse hasta los 90ºC.El agua entra a 5.099 kgf/cm2, el gas entra a 73.122 kgf/cm2.Considerar una caída de presión de 0.51 kgf/cm2 en el lado carcasa y una caída de 0.51 kgf en el lado tubos. El factor de ensuciamiento es de 0.0002

Definimos las opciones de diseño:

Definimos las condiciones de Proceso:

Lado carcasa:Temperatura entrada = 110ºCTemperatur salida = 90ºCPresión operación entrada = 5.099 kgf/cm2Caída de presión estimada = 0.51 kgf/cm2Factor de ensuciamiento = 0.0002 m2*h*ºC/kcal

Lado tubo:Caudal total = 7000 kg/hTemperatura de entrada =10ºCTemperatura de salida = 83.15ºCPresión operación entrada = 73.122 kgf/cm2Caída de presión estimada = 0.51 kgf/cm2Caída de presión admisible en ambos lados = 0.71 kgf/cm2Factor de ensuciamiento = 0.0004 m2*h*ºC/kcal

Para el lado caliente, definimos la composición:

Para el lado frío definir la composición del gas (ver figura) y bases termodinámicas:

Paquete termodinámico = Peng Robinson

Paquete termodinámico agua = Steam – TA

Solubilidad = 0

Simular condiciones flash L-V

Estimar las propiedades del gas natural que circula por lado tubos:

Definimos la geometría del cambiador de calor.

Especificación TEMA: AEUEspesor de tubo = 2mmSeparación radial tubos = 0.98 in

No usamos la opción diseño específico de boquillas en lado carcasa.

No usamos la opción diseño específico de boquillas en lado tubos.

Definimos las especificaciones de diseño:

Presión de diseño carcasa lado caliente = 12.237 kgf/cm2Tº de diseño carcasa lado caliente = 130ºCTº de diseño tubos lado frío = 80ºC

En métodos de correlaciones no no usamos de trasnferencia de calor de líquido subenfriado:

RESULTADOS:

HOJA DE DATOS TEMA:

PLANO MECÁNICO DEL EQUIPO:

COSTOS DEL EQUIPO:

PARA MÁS INFORMACIÓN CONTACTAR AL SIGUIENTE CORREO:

hector.suarez@cambiaperu.orgwww.cambiaperu.org

GRACIAS POR SU ATENCIÓN Y QUE VIVA EL PERÚ.