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GERENCIA DE SISTEMAS AVANZADOS DE CAPACITACIÓN Y SIMULACIÓN DIVISIÓN DE TECNOLOGÍAS HABILITADORAS Reforma 113, Cuernavaca, México, 62490 www.iie.org.mx Prueba de modelos multifásicos CFD para simulación de flujo de crudo pesado con inyección de hidrógeno Iván F. Galindo G., Ana K. Vázquez B. y Miguel Rossano R. [email protected] , [email protected] , [email protected]
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GERENCIA DE SISTEMAS AVANZADOS DE CAPACITACIÓN
Y SIMULACIÓN
DIVISIÓN DE TECNOLOGÍAS HABILITADORAS Reforma 113, Cuernavaca, México, 62490
www.iie.org.mx
Prueba de modelos multifásicos CFD para simulación de flujo de crudo pesado con
inyección de hidrógeno Iván F. Galindo G., Ana K. Vázquez B. y Miguel Rossano R.
Contenido:
1. Resumen2. Introducción3. Metodología4. Resultados5. Conclusiones/beneficios
1.Resumenq Se prueban los modelos multifásicos CFD, Volumen de Fluido y Euler para
reproducir los complejos y múltiples patrones de flujo de crudo con inyección de hidrógeno en una tubería vertical.
q Las simulaciones CFD obtenidas proporcionan información detallada de los
campos de variables de fracción volumen de aceite e hidrógeno, las velocidades y densidades de la mezcla a las condiciones de operación.
q Las simulaciones ayudan a determinar el valor cuantitativo de la densidad
resultante de la mezcla crudo e hidrógeno e indican el patrón de flujo predominante.
q El modelo CFD se realizó con el software Ansys-Fluent en base a la geometría
de una tubería vertical de un pozo que se pretende perforar. q Dentro de las suposiciones y simplificaciones del modelo se tiene que no se
simulan reacciones químicas, por lo que se representa al crudo pesado con el compuesto n-octano (C8H18) líquido, con las propiedades de densidad y viscosidad de diseño.
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q Se considera el gas hidrógeno como flujo incompresible por el bajo número de Mach, siendo los efectos de compresibilidad despreciables.
q Se utilizó un modelo 3D en estado estacionario para flujo incompresible y el
modelo de turbulencia k-omega, SST aplicable para modelar la transición de flujo laminar del crudo al turbulento del gas hidrógeno.
q Los modelos multifásicos CFD usados, muestran que el tamaño y distribución
del gas cambia rápidamente debido a los mecanismos de coalescencia y arrastre.
1.Resumen
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2.Introducciónq Actualmente uno de los retos tecnológicos y
económicos que enfrenta la industria petrolera es la transportación del crudo pesado.
q Debido a su alta viscosidad, densidad y
contenido de sólidos disueltos provoca grandes caídas de presión en tuberías, formación de emulsiones, estratificaciones, tapones, entre otros problemas.
q Entre los métodos para mejorar el transporte de crudos se encuentra diluir con agua o hidrógeno, adicionar un polímero, etc. El modelado multifásico resultante es muy complejo, se han definido 30 diferentes patrones de flujo.
FLUJO ESTRATIFICADO
FLUJO TAPÓN
FLUJO EMULSIONADO
FLUJO DEL NÚCLEO
Fig. 1 Ejemplos de algunos patrones de flujo aceite-agua-gas (Trevisan y Bannwart 2006), viscosidad 5040 cP.
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q La simulación CFD proporciona una herramienta potencialmente eficaz, precisa y económica que puede ayudar a determinar uno de tantos patrones de flujo que presenta el flujo de crudo e hidrógeno al interior de una tubería de un pozo, con las condiciones de operación que se pretende operar en las pruebas de campo, aún sin efectuarse, debido a la complejidad y peligrosidad que resulta la inyección del gas hidrógeno.
q Por lo anterior, la importancia de conocer mediante simulaciones CFD el comportamiento del flujo de crudo e hidrógeno.
q Para calcular el campo de flujo multifásico CFD se prueban dos modelos:
Volumen de Fluído (VOF) y Euler, el primero predice las fracciones volumen en la interfaz entre dos fases inmiscibles y el segundo predice las fracciones de cada fase, usado principalmente para flujos dispersos.
2.Introducción
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q Los dos métodos aplican las ecuaciones de Navier-Stokes para cada fase. La
interfaz es una condición de frontera para cada ecuación de conservación, así que deben especificarse condiciones de frontera para cada ecuación de conservación en la interfaz.
q En el método VOF, se suman las ecuaciones de conservación para cada fase
y se introduce el término de la densidad de la mezcla, obteniendo la ecuación total de conservación de masa.
q En el modelo Euleriano, cada fase tiene su propia velocidad, mientras que en
VOF el campo de velocidad es compartido por todas las fases.
q En este trabajo se presentan simulaciones CFD del transporte de crudo e hidrógeno en una tubería vertical con el fin de apoyar con simulaciones preliminares a las pruebas de campo del proyecto de mejoramiento de la densidad API de crudos.
2.Introducción
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3.Metodologíaq Dentro de las suposiciones y simplificaciones del modelo se tiene que
no se simulan reacciones químicas, por lo que se representa el crudo pesado con el compuesto n-octano (C8H18) líquido, con las propiedades de densidad y viscosidad de diseño.
q Se considera el gas hidrógeno como flujo incompresible ya que el número de Mach es menor que punto uno, por lo que los efectos de compresibilidad son despreciables.
q La tubería es isotérmica por encontrarse cubierta con material aislante.
q Y para fines de prueba de modelos y ahorro computacional se considera una longitud de tubería de 10 m en lugar de 970 m que es la de diseño.
q La geometría consiste de un tubo vertical 3D, con una longitud de 10 m, un diámetro mayor de 29 mm donde se inyecta crudo, y un diámetro menor de 3 mm donde se suministra el hidrógeno.
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3.Metodología
Fig. 2 Geometría
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3.Metodologíaq El mallado del tubo consistió de 1200 elementos, en la sección inicial
de la tubería se malló con tetraedros y el resto con hexaedros, cuidando los criterios de mallado como ortogonalidad y relación de aspecto.
q Los materiales y las condiciones de operación son las siguientes: Corriente Flujo másico
(kg/hr) Densidad (kg/
m3) Viscosidad (kg/
ms)
Crudo (n-octano C8H18 líquido) 913 984 0.1287
Hidrógeno (H2, gas) 9.3 9.3 1e-5
q Se usa un modelo 3D en estado estacionario para flujo incompresible y el modelo de turbulencia k-omega, SST aplicable para modelar la transición de flujo laminar del crudo al flujo turbulento del gas hidrógeno.
q Con base en los métodos VOF y Euler, las ecuaciones de continuidad se resuelven con un esquema de segundo orden, acoplando la presión y velocidad con el algoritmo simple.
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4.Resultadosq Se realizaron simulaciones CFD de flujo multifásico de crudo e hidrógeno al
interior de una tubería vertical a las condiciones de operación que se pretende operar el pozo.
q Los resultados muestran las fracciones de crudo e hidrógeno obtenidos, la densidad de la mezcla resultante (Fig. 3 y 4) y el patrón de flujo anular predominante, presentado por ambos métodos multifásicos. En este patrón, la mezcla de crudo se adhiere a las paredes y el flujo de hidrógeno queda estratificado en la parte central de la tubería.
Fig. 3 Comparación de contornos de fracción volumen de aceite e hidrógeno con modelos VOF vs Euler
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4.Resultados
Fig. 4 Comparación de perfiles de densidad con modelos VOF vs Euler y velocidad de la mezcla
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q Como resultado de este trabajo se cuenta con un modelo CFD que simula el transporte de crudo e hidrógeno en el interior de una tubería vertical, presentando un patrón de flujo anular, es decir, el flujo de crudo pegado a las paredes y el flujo de hidrógeno estratificado en el centro de la tubería, para las condiciones de operación de diseño.
q Además como conclusión se puede decir que los resultados de los modelos multifásicos, VOF y Euler muestran que el tamaño y distribución del gas cambia rápidamente debido a mecanismos de coalescencia y arrastre.
q No se cuenta con datos experimentales para validación de resultados.
q Se espera que su uso pueda apoyar en las pruebas preliminares del proyecto de mejoramiento de la densidad API para el cual se está colaborando.
5.Conclusiones/beneficios
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Graciasporsuatención
Ins0tutodeInves0gacionesEléctricas
GerenciadeSistemasAvanzadosdeCapacitaciónySimulaciónReforma113Col.Palmira
Cuernavaca,Morelos,México
www.iie.org.mx
Ing. Ana Karenina Vázquez Barragán Desarrollo de modelos CFD
Dr. Iván Francisco Galindo García Jefe de proyecto
M.I. Miguel Rossano Román Desarrollo de modelos CFD
