SIMULACION DE SISTEMA DE TUBERIAS EN PARALELO SITUACIÓN PROBLEMA Se desea transportar 1000 Kg/h de ácido sulfúrico de alta pureza a 25°C y 101.3 KPa, de una planta a otra. Inicialmente el producto se encuentra contenido en un tanque de almacenamiento en planta 1. Para el transporte se utiliza una red de tuberías que se encuentran en paralelo, a través de las cuales se transporta el 30% del flujo másico en el primer tramo y el restante, va por el segundo tramo. Como se trabaja el sistema de bombeo en paralelo, se debe tener en cuenta las siguientes especificaciones:
Para el primer y segundo tramo de tubería antes de las respectivas bombas, el diámetro es de 2 in y el material utilizado es hierro galvanizado. Cada tramo de tubería, cuenta con un codo de 90° estándar galvanizada y con un diámetro de 2 in. Cada tramo de tubería trabaja con una longitud
de 1.5 m. Para el primer y segundo tramo después de las bombas, el diámetro es de 3 in y son tuberías galvanizadas. Cuenta cada tramo con un codo estándar de 90° galvanizado. Cada tramo de
tubería trabaja con una longitud de 3 m. Las bomba 1 y la bomba 2, son idénticas y trabajan con una caída de presión de 200 KPa.
Figura 4. Esquema situación problema
1. Objetivos 1.1.
Objetivo General Realizar una simulación de diseño de un sistema de bombeo en paralelo.
1.2.
Objetivos específicos
Seleccionar los elementos básicos requeridos para desarrollar la simulación de un sistema de bombeo en paralelo en Aspen HYSYS.
Determinar el punto y curva de operación de las bombas utilizadas
Conocer las propiedades de un sistema de bombeo en paralelo.
2. Definición del Paquete de Fluido En este caso de estudio se trabaja con ácido sulfúrico de alta pureza y que se encuentra diluido con agua, por ello consideraremos que la fracción másica de ácido sulfúrico es del 98% y la fracción restante es de agua. La ecuación de estado será de NRTL en la ecuación termodinámica del proceso.
3. Corriente de Materia a. Para crear la corriente de materia, seleccionamos de la paleta de objeto “Material Stream” y especificamos las siguientes propiedades como se muestran en las siguientes imágenes: Nombre de la corriente: Entrada Temperatura: 25ºC Presión: 101,3 Kpa Composición Másica: Diluida (98% de ácido sulfúrico y 2% de Agua) Flujo Másico: 1000 Kg/h
Figura 5. Especificación de la Temperatura, Presión y Flujo Másico de la Corriente “Entrada T1”
Figura 6. Especificación de la Composición Másica en la Corriente “Entrada T1”
b. Hasta este punto, la simulación debió haber convergido satisfactoriamente. Seleccione en la paleta de objetos la opción “Pipe Segment” como se muestra en la siguiente imagen:
Figura 7. Selección de “Pipe Segment” de la paleta de Objetos
4. Selección del dispositivo TEE a. Se agrega de la paleta de objetos el dispositivo TEE, en cual se dividirá la corriente de materia de la entrada en dos corrientes iguales, para lo que debe seleccionar en la opción Oulets, dos tramos: Tramo_1 y Tramo_2, como se muestra en la figura.
Figura 8. Selección de “TEE” de la paleta de Objetos
b. En el mismo menú “Tee:TEE-100”, en la pestaña Design, opción “Parameters”, Especificar la relación de flujo en la que se desea separar la corriente, en este caso, el 30% del flujo irá al tramo 1 mientras que el 70% del flujo irá por el tramo 2, como se muestra en la figura.
Figura 9. Selección Porcentaje de flujo para la división
c. Seleccione la pestaña “Worksheet”, en la que usted puede observar la separación del flujo de entrada indicado en el paso anterior. Se observa que en el tramo 1 de la tubería el flujo es de 300Kg/h (30% del alimentado) y que el resto de flujo, 700Kg/h, se van por el tramo de tubería 2.
Figura 10. Flujos tramos tubería
d. Cierre la ventana Tee, y el PFD de la simulación quedará de la siguiente manera.
Figura 11. PFD TEE
5. Selección Tuberías de succión Seleccione de la paleta de objetos, dos segmentos de tuberías “Pipe Segment” y nómbrelos como se muestra a continuación:
Figura 12. PFD Tramos de tubería
5.1.
Especificación Tramo_1_Pa
a. Seleccione el “Tramo_1_Pa” para especificarlo. Ubíquese en la pestaña “Design” y en la opción “Connections” y especifique las corrientes de entrada y salida de materia y energía, como se muestra en la figura.
Figura 13. Especificaciones de las corrientes en “Pipe Segment: Tramo_1_Pa”
b. Verifique en la opción “Parameters” si la correlación de los flujos en las tuberías horizontales, verticales e inclinados se encuentra especificada con la correlación de Beggs and Brill (1979); si no se encuentra especificada, colóquela.
Figura 14. Verificación de la correlación de Beggs and Brill (1979) en “Pipe Segment: Tramo_1_Pa”
c. Seleccione en la pestaña “Rating” y la opción “Sizing” para especificar la cantidad de accesorios y conocer la longitud del tramo que se va a trabajar. Para ello, presione el botón “Append Segment”.
Figura 15. Selección de “Append Segment” para especificar la red de tubería.
d. Haga doble click en “Outer Diameter” e inmediatamente se abre una nueva ventana llamada “Pipe Info” donde puede especificar el tipo de tubería, Schedulle, diámetros exteriores e interiores de la tubería. En este caso, se especifica el Schedulle de tubería 40, el material a utilizar en esta simulación será plástico y el diámetro nominal de este tramo de tubería es de 50,8 mm (2 in) para especificar el segmento de tubería que se va a trabajar. Al especificar las propiedades anteriormente detalladas, Aspen Hysys muestra la rugosidad y la conductividad en la pared de la tubería, como se muestra a continuación
Figura 16. Especificación del Nº de cédula, diámetro nominal y tipo de tubería.
e. Cierre el recuadro anterior, y en la ventana “Pipe Segment: Tramo_1_Pa” especifique los accesorios que indica la situación problema en la tubería: un codo estándar de 90°. El material de la tubería de hierro galvanizado. En Hysys aparece este material como “Galvanized Iron”. Especifique los accesorios como se muestran a continuación.
Figura 17. Especificación accesorios tubería “Tramo_1_Pa”
f. Ubiquese en la opción “Heat transfer” en la misma pestaña “Rating” para indicar que el calor perdido en el segmento de tubería es 0 KJ/h.
Figura 18. Calor perdido en el segmento de tubería “Tramo_1_Pa”.
g. Se observa que hasta este punto la simulación no ha convergido satisfactoriamente, esto se debe a que el sistema se encuentra sub-especificado, es decir, le falta una especificación para su convergencia. En este caso, se debe especificar la longitud total de la tubería, pues debe tener en cuenta que Aspen Hysys no calcula longitud equivalente si la tubería contiene algún accesorio. Indique la longitud de 1,5 m como se muestra en la siguiente figura:
Figura 19. Convergencia “Tramo_1_Pa”.
5.2.
Especificación Tramo_2_Pa
a. Seleccione el “Tramo_2_Pa” para especificarlo. Ubíquese en la pestaña “Design” y en la opción “Connections” y especifique las corrientes de entrada y salida de materia y energía, como se muestra en la figura.
Figura 20. Especificaciones de las corrientes en “Pipe Segment: Tramo_2_Pa”
b. Verifique en la opción “Parameters” si la correlación de los flujos en las tuberías horizontales, verticales e inclinados se encuentra especificada con la correlación de Beggs and Brill (1979); si no se encuentra especificada, colóquela.
Figura 21. Verificación de la correlación de Beggs and Brill (1979) en “Pipe Segment: Tramo_2_Pa” c.
Seleccione en la pestaña “Rating” y la opción “Sizing” para especificar longitud equivalente y la cantidad de accesorios. En la el primer segmento que es una tubería, haga doble click en “Outer Diameter” e inmediatamente se abre una nueva ventana
llamada “Pipe Info” donde puede especificar el tipo de tubería, Schedulle, diámetros exteriores e interiores de la tubería. En este caso, se especifica el Schedule de tubería 40, el material a utilizar en esta simulación será plástico y el diámetro nominal de este tramo de tubería es de 50,8 mm (2In) para especificar el segmento de tubería que se va a trabajar. Al especificar las propiedades anteriormente detalladas, Aspen Hysys muestra la rugosidad y la conductividad en la pared de la tubería, como se muestra a continuación.
Figura 22. Especificación del Nº de cédula, diámetro nominal y tipo de tubería.
d. Cierre el recuadro anterior, y en la ventana “Pipe Segment: Tramo_2_Pa” especifique los accesorios que indica la situación problema en la tubería: un codo estándar de 90°. El material de la tubería de hierro galvanizado. En Hysys aparece este material como “Galvanized Iron”. Indique la longitud de la tubería de 1,5m como indica el enunciado. Especifique como se muestran a continuación.
Figura 23. Especificación accesorios tubería “Tramo_2_Pa”
e. Ubiquese en la opción “Heat transfer” en la misma pestaña “Rating” para indicar que el calor perdido en el segmento de tubería es 0 KJ/h.
Figura 24. Calor perdido en el segmento de tubería “Tramo_2_Pa”.
f. Se observa que hasta este punto la simulación converge satisfactoriamente y el PFD queda de la siguiente manera.
Figura 25. PFD Tubería de succión.
6. Bombas en paralelo Seleccione de la paleta de objetos, dos bombas “Pumps” y nómbrelas como se muestra a continuación:
Figura 26. Bombas en paralelo.
6.1.
Especificación Bomba_1
a. Seleccione la “Bomba_1” para especificarla. Ubíquese en la pestaña “Design” y en la opción “Connections” y especifique las corrientes de entrada y salida de materia y energía, como se muestra en la figura.
Figura 27. Especificaciones de Flujo Bomba_1
b. En el mismo menú seleccione la opción “Parameters” y especifique la caída de presión de la bomba, que según el enunciado de la situación problema, es de 200kPa y deje la eficiencia que trae por defecto la bomba en Aspen Hysys (75%). La bomba converge satisfactoriamente y muestra la potencia requerida para transportar el fluido.
Figura 28. Caída de presión Bomba_1
c.
A continuación se muestra
en
resumen,
las
corrientes
de
entrada y salida de la bomba, con sus respectivas especificaciones de flujo y condiciones de presión y temperatura.
Figura 29. Worksheet Bomba_1
6.2.
Especificación Bomba_2 a. Seleccione la “Bomba_2” para especificarla. Ubíquese en la pestaña “Design” y en la opción “Connections” y especifique las corrientes de entrada y salida de materia y energía, como se muestra en la figura.
Figura 30. Especificaciones de Flujo Bomba_2
b. En el mismo menú seleccione la opción “Parameters” y especifique la caída de presión de la bomba, que según el enunciado de la situación problema, es de 200kPa (es una bomba idéntica a la primera) y deje la eficiencia que trae por defecto la bomba en Aspen Hysys (75%). La bomba converge satisfactoriamente y muestra la potencia requerida para transportar el fluido.
Figura 31. Caída de presión Bomba_2
c. A continuación se muestra en resumen, las corrientes de entrada y salida de la bomba, con sus respectivas especificaciones de flujo y condiciones de presión y temperatura.
Figura 32. Worksheet Bomba_2
d. A continuación se muestra el Diagrama PFD, Con las bombas dispuestas en paralelo.
Figura 33. Bombas dispuestas en paralelo
7. Selección Tuberías de descarga Seleccione de la paleta de objetos, dos segmentos de tuberías “Pipe Segment” y nómbrelos como se muestra a continuación:
Figura 34. PFD Tramos de tubería de descarga
7.1.
Especificación Tramo_1_Pb
a. Seleccione el “Tramo_1_Pb” para especificarlo. Ubíquese en la pestaña “Design” y en la opción “Connections” y especifique las corrientes de entrada y salida de materia y energía, como se muestra en la figura.
Figura 35. Especificaciones de las corrientes en “Pipe Segment: Tramo_1_Pb”
b. Verifique en la opción “Parameters” si la correlación de los flujos en las tuberías horizontales, verticales e inclinados se encuentra especificada con la correlación de Beggs and Brill (1979); si no se encuentra especificada, colóquela.
Figura 36. Verificación de la correlación de Beggs and Brill (1979) en “Pipe Segment: Tramo_1_Pb”
c. Seleccione en la pestaña “Rating” y la opción “Sizing” para especificar la cantidad de accesorios y conocer la longitud del tramo que se va a trabajar. Para ello, presione el botón “Append Segment”.
Figura 37. Selección de “Append Segment” para especificar la red de tubería- Tramo_1_Pb.
d. Haga doble click en “Outer Diameter” e inmediatamente se abre una nueva ventana llamada “Pipe Info” donde puede especificar el tipo de tubería, Schedulle, diámetros exteriores e interiores de la tubería. En este caso, se especifica el Schedulle de tubería 40, el material a utilizar en esta simulación será plástico y el diámetro nominal de este tramo de tubería es de 76,2 mm (3In) para especificar el segmento de tubería que se va a trabajar. Al especificar las propiedades anteriormente detalladas, Aspen Hysys muestra la rugosidad y la conductividad en la pared de la tubería, como se muestra a continuación.
Figura 38. Especificación del Nº de cédula, diámetro nominal y tipo de tubería- Tramo_1_Pb.
e. Cierre el recuadro anterior, y en la ventana “Pipe Segment: Tramo_1_Pb” especifique los accesorios que indica la situación problema en la tubería: un codo estándar de 90°. El material de la tubería de hierro galvanizado. En Hysys aparece este
material como
“Galvanized Iron”. Especifique los accesorios como se muestran a continuación.
Figura 39. Especificación accesorios tubería “Tramo_1_Pb”
f. Ubiquese en la opción “Heat transfer” en la misma pestaña “Rating” para indicar que el calor perdido en el segmento de tubería es 0 KJ/h.
Figura 40. Calor perdido en el segmento de tubería “Tramo_1_Pb”.
g. Se observa que hasta este punto la simulación no ha convergido satisfactoriamente, esto se debe a que el sistema se encuentra sub-especificado, es decir, le falta una especificación para su convergencia. En este caso, se debe especificar la longitud total de la tubería, pues debe tener en cuenta que Aspen Hysys no calcula longitud equivalente si la tubería contiene algún accesorio. Indique la longitud de 3 m como se muestra en la siguiente figura:
Figura 41. Convergencia “Tramo_1_Pb”.
h. A continuación se muestra el resumen de las corrientes de entrada y salida del “Tramo_1_Pb”:
Figura 42. Worksheet “Tramo_1_Pb”.
7.2.
Especificación Tramo_2_Pb
a. Seleccione el “Tramo_2_Pb” para especificarlo. Ubíquese en la pestaña “Design” y en la opción “Connections” y especifique las corrientes de entrada y salida de materia y energía, como se muestra en la figura.
Figura 43. Especificaciones de las corrientes en “Pipe Segment: Tramo_2_Pb”
b. Verifique en la opción “Parameters” si la correlación de los flujos en las tuberías horizontales, verticales e inclinados se encuentra especificada con la correlación de Beggs and Brill (1979); si no se encuentra especificada, colóquela.
Figura 44. Verificación de la correlación de Beggs and Brill (1979) en “Pipe Segment: Tramo_2_Pb”
c.
Seleccione en la pestaña “Rating” y la opción “Sizing” para especificar la cantidad de accesorios. Haga doble click en “Outer Diameter” e inmediatamente se abre una nueva ventana llamada “Pipe Info” donde puede especificar el tipo de tubería, Schedulle, diámetros exteriores e interiores de la tubería. En este caso, se especifica el Schedulle de tubería 40, el material a utilizar en esta simulación será plástico y el diámetro nominal de este tramo de tubería es de 76,2 mm (3In) para especificar el segmento de tubería que se va a trabajar. Al especificar las propiedades anteriormente detalladas, Aspen Hysys muestra la rugosidad y la conductividad en la pared de la tubería, como se muestra a continuación.
Figura 45. Especificación del Nº de cédula, diámetro nominal y tipo de tubería- Tramo_2_Pb.
d. Cierre el recuadro anterior, y en la ventana “Pipe Segment: Tramo_2_Pb” especifique los accesorios que indica la situación problema en la tubería: un codo estándar de 90°. El material de la tubería de hierro galvanizado. En Hysys aparece este
material como
“Galvanized Iron”. Especifique como se muestran a continuación.
Figura 46. Especificación accesorios tubería “Tramo_2_Pb”
e. Ubiquese en la opción “Heat transfer” en la misma pestaña “Rating” para indicar que el calor perdido en el segmento de tubería es 0 KJ/h.
Figura 47. Calor perdido en el segmento de tubería “Tramo_2_Pb”.
f. Se observa que hasta este punto la simulación no ha convergido satisfactoriamente, esto se debe a que el sistema se encuentra sub-especificado, es decir, le falta una especificación para su convergencia. En este caso, se debe especificar la longitud total de la tubería, pues debe tener en cuenta que Aspen Hysys no calcula longitud equivalente si la tubería contiene algún accesorio. Indique la longitud de 3 m como se muestra en la siguiente figura:
Figura 48. Convergencia “Tramo_2_Pb”.
g. A continuación se muestra el resumen de las corrientes de entrada y salida del “Tramo_2_Pb”:
Figura 49. Worksheet “Tramo_1_Pb”.
h. Se observa que hasta este punto la simulación converge satisfactoriamente y el PFD queda de la siguiente manera.
Figura 50. PFD Tubería de descarga.
8. Selección colector común Con el objetivo de elaborar un sistema de bombeo en paralelo, las corrientes de flujo transportadas por cada una de las bombas, deben ir a un punto en común denominado colector.
El caudal en este punto viene dado por la suma de los caudales de las tuberías de descarga de ambas bombas. La ventaja de este diseño de bombeo, es que requiere menor potencia para cada una de las bombas, que si el sistema tuviera una bomba muy grande que transportara ese flujo, ya que demandaría una gran potencia, que viene traducida en costos de operación. Es por ello, que para flujos grandes, como en este caso, se recomienda colocar las bombas en paralelo.
a. Seleccione de la paleta de objetos un “Mixer”, y especifique las corrientes de entrada del mismo (corrientes de materia que salen de la tubería de descarga de cada una de las bombas), como se muestra en la figura:
Figura 51. Mixer Colector común.
9. Resumen corrientes Sistema de Bombeo en Paralelo Se le recomienda al lector, ver el resumen de todas las corrientes presentes en esta simulación, para que pueda analizar las ventajas de usar este tipo de bombeo. Esto lo puede visualizar seleccionando la opción Workbook del menú de herramientas ubicado en la parte superior de la simulación. Al hacer esto, se visualizarán todas las corrientes y propiedades de la simulación, como se muestra a continuación:
Figura 52. Resumen Sistema de Bombeo en Paralelo.
