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Simulación de Separadores Reales M.Sc. Hermes Peña Velásquez

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Simulación de Separadores Reales

M.Sc. Hermes Peña Velásquez

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Simulación de Separadores Reales

Introducción La unidad estándar de separación de HYSYS asume normalmente separación perfecta de fases y solo puede ser configurada para modelar separaciones imperfectas mediante las capacidades de HYSYS para separadores reales.

El separador real ofrece las siguientes ventajas con respecto al modelo ideal:

• Incluye el carryover de manera que su modelo puede reproducir su balance de masa del proceso ó las especificaciones de diseño.

• Predice el efecto de los aparatos de salida (Mist extractors) en la mitigación del carryover.

Este Taller presenta los conceptos necesarios para usar las características del separador real.

Taller El taller se centrará en el uso de las capacidades de HYSYS para la simulación de separación imperfecta en un separador trifásico (gas-agua-aceite).

Se incluye además un ejercicio en el cual se adiciona un demister como un aparato de separación secundaria cuyo objetivo es el de reducir el arrastre de líquido (carryover) en el gas.

Objetivos de Aprendizaje Luego de completar esta sección, usted podrá:

• Tener en cuenta el arrastre de líquido (carryover) en los problemas de diseño de separadores

• Calcular el carryover con base en la geometría del recipiente y las condiciones de entrada, a partir del uso de diferentes correlaciones básicas.

• Simular un aparato de salida para reducir el carryover en el vapor de salida.

Prerrequisitos Antes de iniciar este modulo usted necesita saber como adicionar Unidades de Proceso, Corrientes, Utilidades y Casos de Estudio.

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Simulación de Separadores

Consideraciones del Mundo Real En el mundo real de los separadores, la separación no es perfecta y los gotas de líquido pueden quedar atrapadas en la fase vapor, así mismo algo de gas puede quedar atrapado en la fase líquida.

En los años recientes se ha incrementado el uso de internos en los recipientes de separación (mesh pads, vane pads, weirs, etc) para reducir el arrastre de los líquidos o gases atrapados en la fase producto.

Separadores Reales en HYSYS

Opción de Arrastre de Líquidos

Al igual que con muchas otras unidades de proceso, HYSYS le permite incrementar el fidelidad de su modelo de separación al tener en cuenta ciertos efectos no ideales. HYSYS 3.2 introduce capacidades del Separador Real como la opción del carryover. Esta opción puede ser empleada para modelar separación no ideal tanto en estado estable como en estado dinámico. El carryover de gas o líquido puede ser especificado o calculado (tres correlaciones diferentes están disponibles para este fin).

Internos del Recipiente

Los internos empleados para reducir el carryover pueden ser incluidos en su modelo de separación con algunas de las correlaciones de carryover suministradas. Los internos empleados para reducir el carryover en el gas de salida son denominados aparatos de salida. Los Weirs son usados para mejorar la separación de líquidos pesados – líquidos ligeros en recipientes horizontales.

Limitaciones de la opción de Carryover:

Cálculos de Boquillas Dado que la distribución de gotas no es una propiedad de la corriente, esta información no se transfiere a las corrientes producto. Mientras que esto suceda, las corrientes de salida con carryover contendrán múltiples fases con las tasas de flujo de las fases iguales a aquellas predichas mediante los cálculos de carryover.

Incluidos en las correlaciones de carryover, son métodos de cálculo para la caída de presión en las boquillas de entrada y salida. El usuario puede también especificar la caída de presión si las opciones de carryover no están en uso.

Especificando el Carryover

Los separadores de HYSYS le permitirán definir directamente que fracción de cada fase queda atrapada en las otras. Especificaciones basadas en los productos también son permitidas. Esto le brinda un método simple para reproducir su balance de masa.

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Calculando el Carryover & las Propiedades Relacionadas

Existen en HYSYS tres diferentes conjuntos de correlaciones para calcular la dispersión de fase y el carryover. En la siguiente sección se presenta una descripción detallada de cada método. Todos los métodos siguen la misma secuencia de cálculo:

1. Calcular la dispersión inicial de fase sobre la corriente de entrada. Todos los métodos asumen que la dispersión sigue una distribución de Rossin Ramnler.

2. Calcular el carryover después de la separación primaria (debida a la gravedad) de cada fase sobre cada una de las fases restantes, específicamente:

• Líquido liviano entrampado en el Gas

• Líquido pesado entrampado en el Gas

• Gas entrampado en el Líquido liviano

• Gas entrampado en el Líquido pesado

• Líquido liviano entrampado en el Líquido pesado

• Líquido pesado entrampado en el Líquido liviano

3. Con base en la dispersión de salida calculada en el paso 2, calcular el efecto de cualquier aparato de separación secundaria (por ejemplo demisters, pad or vanes) sobre el carryover de líquido en la fase de vapor (Esto no es aplicable a las correlaciones genéricas.)

Detalle de Correlaciones

Tres modelos diferentes de correlaciones se suministran en HYSYS: Genéricas, Recipientes Horizontales y ProSeparatorTM.

Correlaciones Genéricas

Estas correlaciones deberían ser usadas cuando el único criterio disponible para la separación es el tamaño de gota crítico. La dispersión de fases en la entrada se calcula mediante métodos genéricos que desconocen la geometría del recipiente – el usuario define la división a la entrada y los parámetros de Rossin Rammler, y estos son usados para calcular la dispersión de entrada ó primaria. El Carryover se calcula asumiendo que todas las gotas más pequeñas que un tamaño de gota crítico definido por el usuario es arrastrado.

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Correlaciones para Recipientes Horizontales

Las correlaciones para recipientes horizontales fueron diseñadas para tener en cuenta los fenómenos presentes en separadores horizontales trifásicos. La dispersión primaria o de entrada se calcula usando la eficiencia del aparato de entrada (en lugar de el fraccionamiento de entrada especificado por el usuario) y los parámetros de Rossin Rammler suministrados por el usuario. La separación primaria se calcula con base en las velocidades de asentamiento en lugar del tamaño crítico de gota. Cada fase tiene un tiempo de residencia en el recipiente. Una gota será arrastrada solo si no viaja de regreso lo suficientemente rápido, en el tiempo disponible, hacia su fase original.

Correlaciones ProSeparator

Las correlaciones ProSeparator son rigurosas pero limitadas al cálculo de carryover líquido en el gas. Tanto los líquidos livianos como los pesados que sean entrampados en el gas serán calculados, de manera que estas correlaciones también se aplican a separadores trifásicos, aunque ningún cálculo de carryover se realiza para las fases líquidas. La dispersión de fases de entrada se calcula con base en las condiciones de flujo a la entrada y el diámetro de la tubería de entrada (ProSeparator calcula sus propios parámetros de Rossin Rammler con base en esta información.). La separación primaria esta basada en el tamaño crítico de las gotas, sin embargo, este parámetro no es especificado por el usuario sino calculado la velocidad del gas a través del recipiente.

Aparatos de Salida & Otros Cálculos

Las separaciones secundarias ejecutadas por los aparatos de salida (por ejemplo los demisting pad) pueden ser calculadas especificando un tamaño de gota crítico (recipientes horizontales) ó a través del uso de correlaciones para aparatos específicos (ProSeparator).

El régimen de flujo de entrada, la caída de presión en las boquillas, el dimensionamiento de los aparatos de salida pueden también ser calculados usando una de las diferentes correlaciones para los recipientes horizontales.

Parámetros de Rossin Rammler

La distribución de Rossin Rammler se define como:

F = exp(-d/dm)x)

Donde:

F = fracción de gotas más grandes que d dm está relacionado al d95 x = Índice RR d95 = 95% de las gotas son más pequeñas que este diámetro para la dispersión especificada. Índice RR = exponente usado en la ecuación RR (también conocido como el parámetro de propagación).

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Taller Descripción del Proceso En este taller, se usa un separador trifásico para separar una mezcla aceite/agua/gas. Los líquidos entrampados en el gas producto han sido identificados como un problema potencial del proceso. El separador Real de HYSYS será usado para tener en cuenta el líquido entrampado del modelo de simulación. El carryover de líquido puede ser problemático, especialmente si el gas pasará luego por una turbina o compresor donde las gotas de líquido pueden ocasionar daños mayores a los internos de las maquinas. Determinaremos si un demisting pad es apropiado para prevenir el carryover y como dimensionarlo apropiadamente. El separador considerado en este taller está basado en el separador de baja presión usado en el modulo de compresión de dos etapas previamente visto.

Usted iniciará la construcción del caso creando una copia del separador existente. Esto significa que mientras experimenta con los parámetros del separador el resto de la planta no será resuelto. Un ejercicio posterior incorporará el separador riguroso en el modelo completo.

Construyendo un Separador Ideal 1. Abra el caso de compresión de dos etapas. 2. Cree una corriente de material llamada To LP Sep Clone. 3. Haga doble clic sobre la corriente To LP Sep Clone. 4. La ventana de propiedades de la corriente aparecerá. Haga clic sobre el botón Define from Other Stream. 5. En la lista de Corrientes disponibles seleccione To LP Sep. 6. En el grupo de condiciones de la corriente a copiar seleccione todas las condiciones disponibles y haga clic en OK. 7. Cree una corriente llamada Water, y especifique su temperatura y presión igual a la de la corriente To LP Sep Clone con una tasa de flujo de 4000 kg/h. 8. Adicione un Mixer y suministre la siguiente información:

En esta celda... Ingrese...

Conexiones

Nombre MIX-100

Entradas To LP Sep Clone Water

Salidas Feed

Parámetros

Asignación Automática de Presión Set Outlet to Lowest Inlet

9. Adicione un 3-Phase Separator y especifíquelo con la siguiente información:

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En esta celda... Ingrese...

Conexiones

Nombre V-101

Entradas Feed

Vapor Vapour

Líquido ligero Lliquid

Líquido pesado HLiquid

10. Abra el separador y seleccione el Tab Worksheet:

Cual es la fracción de vapor y el flujo molar de la corriente vapor producto?

Vapor _____________________________

Líquido liviano _____________________________

Líquido pesado _____________________________

Digamos que sabemos (del balance de masa de la planta ó como un dato del diseño) que aproximadamente 800 kg/h de líquido está atrapado en la corriente de vapor. Como se especificará esto en nuestro modelo y se asegurará un balance de masa preciso? 1. Seleccione la pestaña Rating. Haga clic sobre la página C.Over Setup para mostrar los modelos para el carryover , y seleccione Product Basis como el modelo activo. 2. Ingrese los datos de entrampamiento. Seleccione Specification By: Flow y escoja Basis = Mass. Ingrese 800 kg/h para Light liquid in gas.

Figura 1

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3. Examine las Corrientes producto y la página C.Over Results, compárelos con el caso del separador ideal.

Cual es la fracción de vapor de la corriente vapor producto?_________________________

Cual es el flujo molar de la corriente vapor producto?______________________________

Using the Carryover Correlations Como una alternativa para especificar el carryover, se pueden usar correlaciones de la siguiente manera: 1. Regrese a la página C.Over Setup y cambia la selección del modelo a Correlation Based. Para los pasos 2 – 4 seleccione la opción apropiada. 2. botón Correlation Setup:

a) Seleccione Overall Correlation y escoja la correlación “ProSeparator”. b) Haga clic sobre el botón View Correlation para ingresar los parámetros de entrada y separación. En este caso, la página de parámetros Inlet puede ser dejada como esta. Las correlaciones ProSeparator calcularán la dispersión inicial sin la necesidad de información adicional.

Las visualizaciones de Setup y Results serán diferentes dependiendo de cual correlación se está usando. Dado que no se tiene un aparato de salida, se debe establecer de la siguiente

manera: Seleccione la página Vap. Exit Device; selccione Mesh Pad; ingrese espesor = 0.0.

Refiérase a la página 5 para una descripción detallada de cada correlación y de sus parámetros requeridos. Cierre la ventana de visualización de correlaciones (View Correlation).

3. Botón Dimensions Setup: Ingrese las dimensiones del recipiente como sigue: Longitud (length) 8.0 m, diámetro (diameter) 3.0 m, nivel de líquido liviano (light liquid level) 1.5 m.

Figura 2

Las dimensiones del recipiente pueden también ser ingresadas en la página Sizing de la pestaña Rating. Los datos de estas dos páginas están linkeados.

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4. Botón DP / Nozzle Setup: Ingrese los siguientes valores para la ubicación de las boquillas (nozzle, esta es la distancia horizontal ó radial desde la ubicación del alimento): Alimento 0.0 m, Vapor 6.0 m. Mantenga los valores por default para el diámetro y la altura de las boquillas (nozzle diameter and height).

Figura 3

Analice los Resultados Hay varias páginas en las cuales se presentan resultados útiles:

a) Abra la pestaña Worksheet.

Cual es la fracción de vapor de la corriente vapor producto?__________________

b) Abra la pestaña Rating y seleccione la página C.Over Results. Para visualizar los detalles del carryover, haga clic en el botón View Dispersion Results. Usted verá resultados similares a los presentados en la Figura 4:

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Figura 4

Ahora se requiere eliminar todas las gotas mayores a 50 micrones (0.05 mm. Se requiere de un aparato de salida para realizar la separación secundaria?________

Abra la pestaña Rating y seleccione la página C.Over Setup. Haga clic sobre el botón View Correlation y abra la pestaña Results.

Adicionando un Aparato de Separación Secundaria 1. Abra la pestaña Rating y seleccione la página C.Over Setup. 2. Haga clic sobre el botón View Correlation y abra la pestaña Setup. 3. Seleccione la página Vap. Exit Device; seleccione Mesh Pad e ingrese un espesor (thickness) de 150.0 mm.

Que efecto tiene esto sobre el Carryover?

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Ejercicio 1 Es de esperarse que el flujo de hidrocarburos a la entrada del separador pueda variar hasta en un 25%. Anticipándose al hecho que el separador no pueda manejar este incremento de flujo, el ingeniero decide modelar las nuevas condiciones en el separador y diseñar un demister pad para remover las gotas grandes. 1. Incremente la tasa de flujo de la corriente To LP Sep Clone en un 25%. 2. Seleccione la página C.Over Results, luego haga clic en el botón View Dispersion Results.

Cual es el Carryover total sin mesh? __________________________

Cual con 150 mm de mesh? __________________________

Cual es la eficiencia de remoción de gotas de 50 micrones __________________________

Líquido pesado _____________________________

Con base en esta dispersión predicha, el ingeniero decide instalar un mesh pad más espeso. Como podría usted sugerirle al ingeniero el uso de HYSYS para determinar el espesor correcto?

Desarrolle un análisis usted mismo, que tan espeso debe ser el mesh pad?__________________________

Ahora cual es la fracción de vapor de la corriente vapor producto?__________________________

YSYS

Ejercicio 2 Conecte el separador real en el loop de compresión de dos etapas para reemplazar el separador ideal que está actualmente en uso. Mantenga la corriente de agua conectada. Es este separador real aún capaz de evitar que las gotas de 50 micrones alcancen la succión del compresor?

SALVE SU CASO DE SIMULACIÓN

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Lecturas Recomendadas 1. Knowledge Base Solution xxxxxx

Agradecimientos Se expresa un reconocimiento especial a AspenTech, propietaria del material didáctico base para el desarrollo de este material de soporte.

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