Unidad 6 Chemcad

TECNOLOGICO DE ESTUDIOS SUPERIORES DE SAN FELIPE DEL PROGRESO

CARRERA: INGENIERIA QUIMICA

DOCENTE: M. en C. Federico Núñez Piña

MATERIA: Simulación de procesos químicos

UNIDAD 6 MANUAL DE CHEMCAD

PRESENTA: José Eduardo Vara González

No. Control. 2012310357

Grupo: 801

Contenido

6. SISTEMAS DE BOMBEO........................ BOMBEO.................................................. ................................................... ............................. .... 4 6.1 ACERCA DEL SIMULADOR DE TUBERÍA ........................ ................................................. ......................... 4 6.2 CAUDALES COMO UNA FUNCIÓN FUNCIÓN DE LA PRESIÓN PARA EL FLUJO DE FLUIDO ......................... ................................................... .................................................... .................................................... ................................. ....... 5 6.3 ACERCA DEL MODELAMIENTO DE SISTEMAS DE TUBERÍA ................ 5 6.4 UnitOps PARA REDES DE TUBERÍA ...................... ................................................ .................................. ........ 6 6.4.1 NODO PRESION ................................................... ............................................................................. .................................. ........ 6 6.5 OPCIONES DE CAUDAL EN UN NODO ....................................... .................................................... ............. 8 6.6 NODO COMO DIVISOR ....................... ................................................. .................................................... ............................ 10 6.7 VENTANA DE DIALOGO DE PRESION EN EL NODO ...................... ............................ ...... 11 6.8 SIMULADOR DE TUBERIA...................... ................................................ ................................................. ....................... 13 6.8.1 BOMBA ......................................... ................................................................... ................................................... ............................... ...... 14 6.8.2 VALVULAS ...................... ................................................ .................................................... ............................................. ................... 14 6.8.3 VÁLVULA DE CONTROL ...................... ................................................ ................................................. ....................... 14 6.8.4 COMPRESOR ...................... ................................................ ................................................... ........................................ ............... 15 6.8.5 NODO COMO MEZCLADOR ........................ ................................................. ........................................ ............... 15 6.8.6 UNITOPS AL ESTADO ESTACIONARIO ESTACIONARIO ........................................ .............................................. ...... 15 6.9 DIMENSIONAMIENTO DE VALVULAS DE CONTROL ...................... ............................ ...... 15 6.10 CAUDAL COMO FUNCIÓN DE PRESIÓN PRESIÓN .................................. ............................................. ........... 29 6.11 SIMULACIÓN DE DE SISTEMAS DE BOMBEO ...................... ......................................... ................... 35 USO DE CONTROLADORES ......................... ................................................... ................................................. ....................... 46 DIMENSIONAMIENTO DE TUBERÍA Y USO DE VÁLVULA DE CONTROL ... 49 INGRESO DE CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LA BOMBA ....................... ....................... 55

Contenido

6. SISTEMAS DE BOMBEO........................ BOMBEO.................................................. ................................................... ............................. .... 4 6.1 ACERCA DEL SIMULADOR DE TUBERÍA ........................ ................................................. ......................... 4 6.2 CAUDALES COMO UNA FUNCIÓN FUNCIÓN DE LA PRESIÓN PARA EL FLUJO DE FLUIDO ......................... ................................................... .................................................... .................................................... ................................. ....... 5 6.3 ACERCA DEL MODELAMIENTO DE SISTEMAS DE TUBERÍA ................ 5 6.4 UnitOps PARA REDES DE TUBERÍA ...................... ................................................ .................................. ........ 6 6.4.1 NODO PRESION ................................................... ............................................................................. .................................. ........ 6 6.5 OPCIONES DE CAUDAL EN UN NODO ....................................... .................................................... ............. 8 6.6 NODO COMO DIVISOR ....................... ................................................. .................................................... ............................ 10 6.7 VENTANA DE DIALOGO DE PRESION EN EL NODO ...................... ............................ ...... 11 6.8 SIMULADOR DE TUBERIA...................... ................................................ ................................................. ....................... 13 6.8.1 BOMBA ......................................... ................................................................... ................................................... ............................... ...... 14 6.8.2 VALVULAS ...................... ................................................ .................................................... ............................................. ................... 14 6.8.3 VÁLVULA DE CONTROL ...................... ................................................ ................................................. ....................... 14 6.8.4 COMPRESOR ...................... ................................................ ................................................... ........................................ ............... 15 6.8.5 NODO COMO MEZCLADOR ........................ ................................................. ........................................ ............... 15 6.8.6 UNITOPS AL ESTADO ESTACIONARIO ESTACIONARIO ........................................ .............................................. ...... 15 6.9 DIMENSIONAMIENTO DE VALVULAS DE CONTROL ...................... ............................ ...... 15 6.10 CAUDAL COMO FUNCIÓN DE PRESIÓN PRESIÓN .................................. ............................................. ........... 29 6.11 SIMULACIÓN DE DE SISTEMAS DE BOMBEO ...................... ......................................... ................... 35 USO DE CONTROLADORES ......................... ................................................... ................................................. ....................... 46 DIMENSIONAMIENTO DE TUBERÍA Y USO DE VÁLVULA DE CONTROL ... 49 INGRESO DE CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LA BOMBA ....................... ....................... 55

EJEMPLO 4: FLUJO SIMPLE CON VÁLVULA DE CONTROL Y ORIFICIO.... 57 EJEMPLO 5....................... ................................................. .................................................... .................................................... ............................ 72 6.12

Columna de Succión Positiva Neta Disponible (NPSHA) ...................... 74

6.13

FLUJO BIFURCADO ........................ .................................................. ................................................... ........................... .. 75

Ejemplo 6 ............................................... ......................................................................... .................................................... ............................... ..... 88 6.15 BOMBEO DE GASES .............................................. ....................................................................... ............................... ...... 96 Predicción de la formación de hidratos .......................................................... .......................................................... 106

6. SISTEMAS DE BOMBEO 6.1 ACERCA DEL SIMULADOR DE TUBERÍA Un simulador de tubería representa el flujo de fluidos a través de varias piezas de equipo. Si suficientes variables (flujos y presiones) son especificadas en el simulador, pueden ser calculadas las variables desconocidas. Para flujo de fluidos a través de equipo, el flujo puede ser calculado como una función de la presión de entrada y salida. Si el usuario puede especificar dos de las tres variables, la tercera es dependiente. La especificación de la presión en diferentes puntos sobre un diagrama de simulación de tubería permite describir al sistema co mo un sistema de ecuaciones dependientes. Los modelos de simulación de tubería en CHEMCAD permiten la solución simultánea de tal sistema. Si son especificadas suficientes restricciones, el modelo será resuelto simultáneamente para converger en las presiones/flujos no conocidas en el modelo. Una representación simple de un sistema de flujo e s representada en la Fig. 6.1.

Figura 1. Simple Sistema de Tubería.

Para dimensionar la válvula, debe ser calculada la presión de salida de la válvula. Las variables conocidas son la geometría de la tubería, pre sión de salida de la tubería, y flujo a través de la tubería. Puede ser usada una simple ecuación para resolver para la presión entrando a la tubería como una función de las variables conocidas.

6.2 CAUDALES COMO UNA FUNCIÓN DE LA PRESIÓN PARA EL FLUJO DE FLUIDO La mecánica de fluidos permite el cálculo de caudal de fluido a través de una tubería o una boquilla como una función de presiones de la entrada y de salida. El uso de curvas de desempeño permite el cálculo de flujo a tr avés de un compresor o bomba como una función de presiones de la entrada y de salida.La Fig. 6-2 muestra UnitOps que pueden calcular caudales como una función de presiones. Estos UnitOps son referidos como a los que se aplicó flujo de escalamiento en la corriente de proceso.

Figura 2. UnitOps que calculan flujos como función de la presión.

6.3 ACERCA DEL MODELAMIENTO DE SISTEMAS DE TUBERÍA Los sistemas de cálculo de tuberías son usados para calcular flujos y/o presiones alrededor de una red de tubería conectada al equipo. Típicamente el usuario tiene un flowsheet de equipo, conexiones y varias restricciones (flujos de salida limitaciones de presión en el equipo, etc.) pero no tiene todos los flujos o presiones para el sistema. Usted puede calcular una red de tubería en un diagrama CHEMCAD. Nuevos modelos en CHEMCAD permites a usted especificar las variables conocidas y resolver para las variables desconocidas en un flowsheet.

La UnitOp NODO, permite a usted especificar la presión en cada lado de una UnitOp y calc ular el caudal como una función de la presión. Como una opción, As anoption, youmayspecifyonepressure and theflowrate. Cálculos interactivos resolverán para las presiones no conocidas basado en una presión específica y un caudal. Una serie de UnitOps pueden ser conectadas usando varios nodos. El caudal a través de la cadena puede ser especificado como un punto simple, o calculado basándose en una presión especificada alrededor de una UnitOp. No es necesario conocer la presión alrededor de todas las UnitOps en la serie.

La Fig. 6-3 muestra una red simple. Existen varias variables de presión y caudal. Tres de las variables pueden ser especificadas.

Figura 3. Ecuaciones y variables.

6.4 UnitOps PARA REDES DE TUBERÍA 6.4.1 NODO PRESION Los cálculos para redes de tubería re suelven para la presión en los nodos y luego calculan los caudales iterativamente a través de las r edes como funciones de la presión.Una UnitOp NODO representa un punto en la red de tubería donde un cambio en la presión o curre debido a cambio de elevación, flujo a través de la tubería, o flujo a través del equipo que varía la presión (bomba,

válvula, etc.). Un flowsheet CHEMCAD para una red de tubería usa la UnitOp de tubería para efectos de la tubería y UnitOps tales como bomba, compresor y válvula de control. Para diseño de una red de tubería es necesario para determinar la presión entre todas las UnitOps para calcular la presión como una función del caudal. La UnitOp NODE fija la presión en un lado de una UnitOp para calcular la presión en función del flujo.La presión en un nodo puede ser especificada por el usuario o calculada por CHEMCAD. Los flujos entrando y saliendo de un NODO pueden ser especificados o calculados. Los flujos hacia la UnitOp NODO pueden ser especificados o calculados como dependiente de las UnitOps adyacentes.La UnitOp NODO establece un valor fijo en el flowsheet. Para calculos de redes de tubería, hay puntos en el flowsheet donde ya sea la presión o el flujo es conocido. La UnitOp NODO permite la especificación de la variable conocida y calcular la variable desconocidaPara entender los conceptos para especificar un nodo, ve r un sistema de dos nodos rodeando una UnitOp. Esto es mostrado en la Fig 6-4

Figura 4. Ecuaciones y variables.

Para el sistema de la Fig 6.4 la presión de entrada (P1), presión de salida (P2) y caudal (F) a través de la tubería, son las variables. Una simple ecuación define al sistema. La especificación de dos variables cualquiera permite a CHEMCAD resolver para la t ercera variable.Si la presión es especificada en el primer nodo y en cualquier nodo se especifica el caudal, la presión en e l segundo nodo es variable. CHEMCAD variará la presión del segundo nodo hasta que el caudal como una función de la presión alrededor de la tubería se iguale al caudal especificado. La presión puede variar a cualquier nodo. La presión de una cor riente de alimentación o producto de un caudal conocido puede ser ajustada por nodos adyacentes.En la Fig. 6.4, espec ificando P1 como una presión fija especifica la presión de la cor riente 1 como P=P1. Si la presión de ambos nodos es especificada, el caudal a través de la UnitOp es una variable dependiente. La variable caudal puede ser ya sea la corriente de entrada o la corriente de producto. En la UnitOp NODO especificar la ubicación donde el caudal es una variable. Use el modo libre salida o libre entrada para especificar si la entrada o el flujo de la conexión de salida se calcula.

El modelo tratará en cascada este caudal corriente arriba y corriente debajo de la UnitOp.La presión de corrientes adjuntas a una UnitOp NODO será determinada para la presión del nodo. Los caudales a través de una red toda estarán colocados para el caudal calculado a través de un nodo. Usted puede especificar a N-1 caudales en un flowsheet, donde la N es el total de corrientes de alimentaciones y producto en el flowsheet. El caudal calculado será hecho pasar por nodos que usan el caudal dependiente.Usted recibe un mensaje de error Usted recibirá un mensaje de error si usted trata de especificar o calcular dos caudales conflictivos a través de un sistema con dos nodos separados.

6.5 OPCIONES DE CAUDAL EN UN NODO El caudal para una corriente de entrada o una corriente de de salida puede ser manipulado por un nodo. El nodo actúa manipulando el caudal de la UnitOpadyacente.Los trasfondos de presión para los nodos de cada lado de la UnitOp adyacente contribuyen a la manipulación del caudal.



Caudales Fijos En Nodo

Usar un caudal fijo de entrada para un nodo especifica el caudal hasta el final de la c orriente arriba de la UnitOp. La presión a un lado (del nodo) de la UnitOp debe ser variable. Una excepción es cuando un nodo actúa como un mezclador o divisor para N corrientes y la única corriente es variable. En esta situación la presión puede ser fija o variable para ambos nodos. Fijando el caudal de salida para un nodo especifica e l caudal de la corriente hasta el final después de la UnitOp. Este trasfondo es similar a fijar la e ntrada. El caudal en contracorriente establecido para una e ntrada es similar a fijar la entrada. El caudal de la corriente usa el caudal que actualmente almacenó para la corriente de entrada antes que un valor especificado en el nodo. 

Caudal Variable en el Nodo

Usar la entrada libre para un nodo especifica que el caudal de corriente de entrada es una variable calculada. El nodo manipulará corriente arriba el caudal alimentad para solucionar el sistema. La especificación libre de la entrada trabaja mejor en un nodo conectado a una cor riente de alimentación pero este puede ser colocado en otro sitio en el flowsheet.Si el flujo de salida es especificado, entonces la especificación libre de la alimentación permite calcular la alimentación para mantener el balance de masa.Solamente una especificación libre de entrada es permitida por corriente de alimentación.

La corriente libre de la salida para un nodo es similar a la entrada libre establecida.Usando salida libre especifica que el caudal de la corriente de producto es una variable calculada. El nodo manipulará el caudal de la corriente de producto para resolver el sistema. La especificación libre de salida trabaja mejor en un nodo conectado a una corriente de producto pero este puede ser colocado en otro sitio en el flowsheet .Si el flujo de la entrada para un sistema es especificado, entonces la especificación libre de la conexión de salida permite calcular el producto para mantener balance de masa. Solamente una especificación libre es permitida para la corr iente de producto. Si usted trata de especificar demasiadas salidas libres corrientes de entrada libres,entonces CHEMCAD emitirá un mensaje de advertencia y volverá a arrancar la lista de requisitos adicional para establecer el flujo para la UnitOp.El flujo establecido por UnitOp indica que el caudal se controla por la UnitOp adyacente. La UnitOp puede calcular caudal como una función de presión. La UnitOp puede usar el caudal calculado por otra UnitOp. 

Limitaciones de Balance de Masa para Cálculos de caudal

Solamente una UnitOp en una rama de la red puede calcular caudal. Si los nodos adyacentes para una UnitOp ambos usan, flow set byUnitOp y Fixedpressure, el caudal calculado puede ser utilizado como el caudal en un free inletor free outletnode. Si los nodos son adyacente a una UnitOp usar flow set byUnitOp, pero no ambos con fijar presión, entonces el caudal a través del UnitOp está calculado a otro sitio en e l flowsheet. El comportamiento de Flow set byUnitOp depende de las especificaciones del caudal de otros nodos en la rama. Para ilustrar, consideramos un sistema de la Fig. 6.5 La entrada para el SEGUNDO NODO es Flow set byUnitOp. El nodo usará el caudal de la tubería. Si la corriente del alimentación es fijada en la entrada, entonces éste es el caudal para la tubería. Si la corriente del alimentación es libre en la entrada y las corrientes del producto son caudales fijados, entonces el caudal libre de la alimentación de la entrada es establecida por el balance de masa. La entrada libre es el flujo a través de la tubería. Si la corriente de la alimentación es entrada libre, entonces una corriente del producto es de salida libre, y ambos nodos tienen presión fija, la entrada libre y la salida libre son establecidas por el caudal de la tubería. El caudal de la tubería es establecido por e l caudal crítico para la tubería dada con las pre siones de la entrada y salida especificadas.

El trabajo de ejemplo demuestra comportamientos diversos de trasfondos de flujo para nodos. Fig 6.5 muestra el flowsheet para este trabajo.

Figura 5. Flowsheet.

6.6 NODO COMO DIVISOR Un nodo puede ser utilizado como un divisor. divisor. Las corrientes de la de salida del nodo quedarán a la presión del nodo. Las corrientes de salida todas tendrán la misma temperatura y la composición pero los caudales puede diferir. Los caudales pueden ser especificados ya sea determinados por tubería /válvula o caudales fijos. Solamente un caudal de corriente de salida puede ser de salida salida libre. Un Nodo especificado como un divisor es mostrado en la Fig. 6-6. El segundo nodo actúa como un divisor (dos corrientes de producto). Para N corrientes de entrada entrada y salida hay que especificar N-1 valores. Para el segundo nodo en la Fig. 6 -6, especificar los caudales de dos de las tres corrientes conectadas. Permite a la tercera corriente a ser libre por requerimientos de balance de masa.

Figura 6. Nodo con divisor.

Si ambos caudales de la conexión de salida son espec ificados, entonces la corriente de entrada debe ser calculada como entrada libre al nodo 1 para mantener el balance de masa. Si una conexión de salida está calculada como conexión de salida libre por el nodo, entonces la corriente de la entrada puede ser flujo determinado por la tubería si ambos nodos están a presión fija.

6.7 VENTANA DE DIALOGO DE PRESION EN EL NODO 

Modo

Seleccionar Fixedpressure para establecer la presión presión en el nodo nodo y permitir que el flujo sea variable. Seleccionar Variable Pressure para salir presión variable variable en el nodo. 

Presión sobre el Nodo

Especifique la presión presión para el modo FixedPressure . Para el modo Variable Pressure la presión calculada es desplegada. Opcionalmente usted puede especificar un estimado para el modo Variable Pressure. La estimación será reemplazada con r esultado calculado.



Presión Mínima

Especifique superior con respecto a la presión en el nodo para el modo Variable Pressure. Especificar presión mínima y máxima acelerará cálculos. 

Presión Máxima

Especificar una presión más baja para la presión en el nodo para el modo Variable Pressure. Especificar presión mínima y máxima acelerará cálculos. 

Elevación

Especificar la elevación en el nodo. La elevación adicionará una contribución de presión basada en la altura. Especificaciones son absolutas. Le elevación por defecto es ce ro. Son permitidas elevaciones positivas y negativas. 

Opciones de caudal (Entrada)



Número de Corriente

CHEMCAD despliega el número para la corriente de entrada 

Opción de Caudal

Seleccione la especificación para la corriente 

Fixed Mole Rate/FixedMassRate/FixedVolumeRate

El caudal de la corriente es una var iable conocida. El caudal de la corriente es puesto como un valor especificado durante los cálculos. 

Flow set by Pipe/Valve/Pump

El caudal de la corriente es una var iable dependiente. El caudal de la corriente será calculado por la UnitOp adyacente (corriente posterior) para satisfacer los r equerimientos de presión. 

Free InletStream

Especifica que la corriente de entr ada al nodo es una variable dependiente. El caudal de la corriente de entrada será calculado mediante un balance de masa en el nodo. Solamente una entrada al nodo puede ser Free inlet. Especificación de Free inlet no son permitidas para corrientes que vienen de otro nodo. nodo. Usar Free inletStream para especificar una corriente de alimentación variable. 

Use CurrentStreamRate

El caudal es una variable conocida. El caudal se fija como el caudal actual de la corriente 

Valor

Especifique un caudal fijo para Fixed mole rate, fixedmassrate, orfixedvolumerate. Fixedvolumerate especifica la Tasa total Actual de Volumen de la corriente. Las unidades de ingeniería para el flujo son desplegadas; las unidades del flowsheet de tasa molar, tasa de masa, y el caudal de líquido son usadas.

6.8 SIMULADOR DE TUBERIA 

Descripción

La UnitOp simulador de tubería en CHEMCAD es usada para modelar caída de presión de un fluido a través de una tubería. 

Modos de Tubería del Simulador de Tubería

SizingOption 5 (GivenSize Pin and Poutcalculateflowrate) de la UnitOp de tubería permite cálculos de caudal a través de la tubería como función de la geometría, presión de entr ada y salida. La presión de salida de una tubería conocida es una función de la presión de entrada y del caudal. Cualquiera de estas dos variables es variable independiente. Un UnitOp NODO puede usar (o calcular) el caudal desde una tubería adyacente como el caudal para una corriente conectada al nodo. Use la opción de corriente Flow set by pipe/valve para el nodo. El uso de SizingOption 5 para una UnitOp de tubería conect ada a un nodo crea una variable en la red de tubería. La variable puede ser el caudal a través de la tubería o la presión a cualquier extremo de la tubería. Si el nodo es fixedpressure, la presión del nodo será usada por la presión de la tubería adyacente. Si los nodos en cualquier lado de la tubería son fixedpressure co n Flow set by pipe para las corrientes de la UnitOp tubería, el c audal a través de la tubería es calculado en base a las presiones de entrada y salida. Si uno de los nodos en cualquier lado de la tubería es variable pressure, la presión variable es calculada en base a la presión fijada (desde el otro nodo) y caudal. El caudal puede ser un valor fijo dado por cualquier nodo, o este puede ser e specificado en cualquier otro lugar en el flowsheet.

6.8.1 BOMBA 

Descripción

La UnitOp Bomba tiene un modo de ecuación característica que calcula la presión de salida como como una función de la presión de entrada y el caudal. 

Modos de UnitOp Bomba en Red de tubería

Una UnitOp NODO puede usar (o calcular) el caudal desde una bomba adyacente así como el caudal para una corriente conectada al nodo. Use la opción de corriente Flow set by pipe/valve para el nodo. El uso del modo de la ecuación car acterística especifica una incógnita en la red de tubería. La incógnita puede ser el caudal a tr avés de la tubería o la presión en cualquier lado de la bomba. El nodo conectado a la bomba actúa como restricción para la incógnita.

6.8.2 VALVULAS 

Descripción

Existen dos UnitOps que pueden ser usadas para representar válvulas en la simulación de una red de tubería. La UnitOp válvula (VALV) permite un cambio arbitrario de presión adiabática entre nodos. Modos de UNITOP Válvula en Red de Tubería Use una UnitOp válvula cuando una válvula cambia hacia o desde un nodo de pr esión variable. La UnitOp válvula es usada para cambiar la presión de la corr iente para alcanzar la presión calculada por el nodo de presión. La válvula no ajusta caudal a menos que este cerrada. No especifique una presión de salida para la válvula.

6.8.3 VÁLVULA DE CONTROL 

Descripción

La válvula de control PID puede ser usada en un modo de control manual en una red de tubería. El coeficiente de flujo de la válvula (Cv) debe ser especificado. La UnitOp de Válvula de Control (CVAL) tiene tres modos para control m anual. 

Modos de Control de Válvula para Red de Tubería

Modo Fixvalve position and adjustflowrate es usado para calcular el caudal como una función de Cv, posición de la válvula, presión de entrada, y pre sión de salida. La corriente después del nodo es fixed P y free inlet corriente, o variable P y free outlet corriente con entrada flow set byUnitOp.

6.8.4 COMPRESOR 

Modos de Compresor en Red de Tubería

La UnitOp compresor en modo 5 Specify Pe rformance Curves calcula la presión de salida como una función del caudal volumétrico, eficiencia, y columna de gas. El caudal volumétrico y la columna para el compresor son funciones del caudal de masa y la presión de entrada del compresor.

6.8.5 NODO COMO MEZCLADOR Un nodo puede ser usado como un mez clador. Las corrientes de entrada al nodo todas te ndrán la misma presión igual a la del nodo. Solamente un caudal de corriente de entrada puede ser free inlet.

6.8.6 UNITOPS AL ESTADO ESTACIONARIO UnitOps al estado estacionario estable pueden ser usadas en un diagrama de red de tubería. Una caída de presión constante puede ser introducida para una (no escalar) UnitOp al estado estacionario. Los nodos adyacentes reconocerán especificaciones de caída de presión en la UnitOp. Entre dos nodos debe haber un escalador de c audal. Un cambiador de calor y una tubería pueden estar en medio dos nodos, como el c ambiador de calor no calcula caudal como una función de presión. Una caída de presión constante puede ser e specificada para el cambiador de calor y eso afectará la caída de presión entre los dos nodos. Un cambiador de calor no puede ser la única UnitOp entre dos nodos, ya el cambiador de c alor no tiene efecto sobre presión.

6.9 DIMENSIONAMIENTO DE VALVULAS DE CONTROL Tópicos Cubiertos 

Dimensionamiento de Válvulas de Control



Válvula de Control



Uso de Nodos



Establecimiento del Problema

Ejemplo 1

El ejemplo es para dimensionar una válvula de control para manipular un flujo de 113,000 lb/hr de Amoniaco Líquido en cada línea proveniente del tanque D-1. Nosotros debemos seleccionar el tamaño apropiado de las válvulas y luego determinar el porcentaje de abertura para cada válvula

al servicio dado. Figura 7. Arreglo de válvula de control.

Este ejemplo esta localizado en la carpeta Simuladores de Procesos\ Tutorial CHEMCAD\Ejemplos\ Tubería\Ejemplo1. Para dimensionar las válvulas usando CHEMCAD, debemos convertir el problema en una simulación. Permitiendo que CHEMCAD calcule las propiedades por nosotros, y luego hacer que CHEMCAD calcule los requerimientos de la válvula.

La Simulación Para hacer el dimensionamiento inicial, todo lo que nosotros necesitamos son las corrientes con las propiedades correctas. Esto no es necesario para modelar los tanques:

a) Nuevo trabajo b) Sistema de unidades: SISTEMA INGLES, (diámetro y espesor en pulgadas) c) Componenentes y PFD

Figura 8. Arreglo de válvula de control.

d) Corriente de entrada -9 ºF, 225 psig y 226000 lb/hr e) Especificar el divisor (mitad para cada corriente de salida) y correr esta unidad En el flowsheet flowsheet mostrado antes, las corrientes 1, 2 y 3 están a las condiciónes de de entrada de -9 grados F, 225 psig. El divisor divide el flujo de 226,000 lb/hr en dos flujos iguales de 113,000 lb/hr de amoniaco.

Dimensionamiento de la Válvula de Control C ontrol Para hacer el dimensionamiento inicial, efectuar la simulación del divisor de corriente, para calcular la información de de flujo para las corrientes 2 y 3. Ambas corrientes deben estar a -9 grados F, 225 psig y 113,000 lb/hr de amoniaco. Seguidamente ir al Menú Sizing, y seleccionar Control valve.

Figura 9. Menú Sizing.

Seleccionamos la corriente 2

Figura 10. Selección de ID. Aparece el siguiente cuadro de diálogo:

Figura 11. Cuadro de dialogo.

Ingresar 15 psig para Downstreampressure y pre sione el botón OK. Sobre la pantalla aparece e l siguiente reporte:

Figura 12. Resultados.

CHEMCAD reporta las propiedades de la corriente y los parámetros calculados para la válvula. Repetimos el procedimiento para la corriente 3. En este caso la presión es 0.2 psig.


Evaluando un Caso Nuestra siguiente tarea es evaluar estas válvulas en una simulación. Queremos saber cuál es el por ciento de abertura para estas válvulas en este servicio a 113,000 lb/hr. Desde Que esta tarea modela el comportamiento de las válvulas de control necesitaremos un flowsheet ligeramente mayor:


El divisor es fijado a 113,000 lb/hr y los tanques flash son determinados por el modo 2 (specify T and P) La UnitOp # 4 es colocada a -1 grado F, 15 psig.

Figura 15. Parámetros del reactor.

Y la unidad Flash UnitOp # 5 es fijada a -28 grados F, 0 .2 psig.

Figura 16. Parámetros de la columna.

Especificación de Válvulas de Control Válvula de control 1 UnitOp# 2 haciendo doble clic en ella. La pantalla de la válvula de control es mostrada debajo:

Figura 17. Especificación de la válvula de control.

Ingrese 

Valveflowcoefficient de 36,



Downstreampressure a 15 psig,



Flow Manual Control Fixflowrate, adjustvalve position.

Presione OK y aparecerá el siguiente mensaje de advertencia, el c ual podemos ignorarlo.

Figura 18. Mensaje de advertencia.

Válvula de control 2 UnitOp# 3 haciendo doble clic en ella. La pantalla de la válvula de control es mostrada debajo:



Valveflowcoefficient de 45.



Downstreampressure de 0.2 psig.



Flow Manual Control fixflowrate, adjustvalve position.

Figura 19. Especificaciones válvula de control.

De igual manera que en el caso anterior aparece un mensaje de advertencia que podemos ignorarlo.


Efectuar la simulación yendo al menú Run y seleccionando Run All. Apareciendo los dos mensajes de advertencia anteriores los cuales lo podemos ignorar.


Para visualizar sus resultados, ir a al menú Results, y seleccionar las UnitOp’s. Usted deberá ver

este diálogo preguntando por cual UnitOps quiere ver:


Figura 23. Referencias.



6.10 CAUDAL COMO FUNCIÓN DE PRESIÓN En simulaciones típicas en CHEMCAD la información fluye en una dirección: en sentido de la corriente. Condiciones arriba de la corriente determinan las condiciones de la corriente. En la mayoría de las simulaciones simplemente establezca las condiciones de las corrientes de alimentación. Las caída de presión son calculadas ya sea en base al flujo o especificadas en las UnitOps. Las presiones corrientes abajo, presiones, etc., son calculados cuando se efectúa la simulación. Para simulaciones de tubería, el flujo y la presión son dependientes uno del otro. La contrapresión sobre válvulas, tubería y otras UnitOps afectan al caudal a través de la válvula. De otro modo, el caudal a través de una válvula (o tubería o bomba) determina la presión corriente abajo. En los modelos de flujo la válvula de control se clasifica según el tamaño modelo, algunas veces es útil para permitir que el caudal c ambie como una función de la presión.

Ejemplo 2 Por ejemplo, asuma que una perturbación de proceso causada por la presión en el tanque D-2 para elevarse de 15 psig a 30 psig. ¿Asumiendo que la posición de la válvula no se altera, cual es el nuevo caudal desde D-1?


Este ejemplo esta localizado en la carpeta Simuladores de Procesos\ Tutorial CHEMCAD\Ejemplos\ Tubería\Ejemplo1.

En orden a responder esta pregunta, necesitamos introducir a UnitOp especial llamada nodo. Un nodo es un punto en la simulación que tiene una presión, flujo entra y sale. La unidad nodo crea una red, resolviendo para caudales a cada punto basado e n las presiones fijadas. Los nodos son colocados en el diagrama antes de las válvulas de control. Para nuestro sistema, el flowsheet es modificado y mostrado a continuación:


La función del divisor (para dividir el flujo de entrada) es ahora manipulada por el NODO #1. El nodo balanceará los flujos de tal manera que todas las corrientes entrando y saliendo del nodo están a la misma presión. Los nodos son también colocados entre los tanques flash y las válvulas de control. En los nodos podemos fijar las presiones, y hacer que los caudales varíen como una función de la posición de la válvula y la diferencia de presión. Abriendo el NODO #1 haciendo doble clic en el:

Figura 28. Especificaciones NODO.

Estamos asumiendo que la presión en este nodo es fijada a 225 psig. El flujo de entrada es puesto a Free inletstream y las dos corrientes de salida son dadas como Flow set by pipe/valve. El flujo entrando a cada Válvula de Control será determinado por la válvula de control Cv posición de abertura de la válvula, y la diferencia de presión a través de la válvula. Las otras dos UnitOps NODE son dadas de igual manera.

Figura 29. Especificaciones NODO.

La presión se fija en 30 psig para el NODE #6, 0.2 psig para el NODE #7. El flujo entrando al nodo es controlado por la válvula de control (Flow set by Pipe/valve), el flujo saliendo es un Free OutletStream.

Figura 30. Presión en el NODO.

Las válvulas de control necesitan ser cambiadas para fijar la posición de la válvula; y calcular el caudal. Para válvula 2 (Borramos la DownstreamPressure). Necesitamos dar el Valvemode para cada válvula como Fixvalve position, adjustflowrate en orden a cambiar el c audal.

Figura 31. Especificaciones de la valvula.


Y para la válvula 3:


Figura 34. Especificaciones de la válvula.

Ahora podemos efectuar la simulación. Ir al menú Run, seleccionar Run All. Podemos ver las corrientes alrededor del NODE #1 haciendo clic-derecho sobre el nodo y seleccionando View streamcompositions del menú. Aparece el siguiente reporte:


6.11 SIMULACIÓN DE SISTEMAS DE BOMBEO Ejemplo 3 a) Enunciado del problema De un tanque cerrado provisto de un respiradero a la atmósfera se desea bombear agua a 20 °C (68 °F), hacia una torre de absorc ión. El nivel de liquido en el tanque se encuentra a 7,0 m (19,7 pies) sobre el eje de la bomba, el caudal es de 20,0 m3/h (88 gpm). La conexión de entrada del agua en el tope de la torre se halla a 20,0 m (65,6 pies) sobre el nivel del eje de la bomba. La línea de succión consiste de tubería de acero estándar de 2" (5,08 cm) de diámetro nominal, No. de cédula 40S y 40,0 m (131,2 pies) de longitud, posee 4 codos e stándar y una válvula de compuerta ("gate") abierta.

La línea de descarga también es de acero estándar de 2" (5,08 cm) de diámetro nominal, No. de cédula 40S y 60,0 m (198,6 pies) de longitud, tiene 2 codos estándar, 2 T usadas como codo y una válvula de control, la presión manométrica en la torre de absorción es de 137,9 kPa (20 psig).

b) Confección del diagrama de flujo

1. Abrir CHEMCAD 2. Seleccionar Nuevo trabajo 3. Hacer el diagrama de flujo y guardarlo con el nombre de SISBOMBEO 4. Seleccionar Pipe Simulator

Figura 36. Selección de equipo.

5. Colocar la alimentación, el producto y las líneas de corriente, con lo cual se tiene:

Figura 37.Flowsheet.

Este ejemplo esta localizado en la carpeta Simuladores de Procesos\ Tutorial CHEMCAD\Ejemplos\ Bombas1\Bombas1

c) Definir Componentes 

62

Water

d) Unidades de Ingeniería

Format – EngineeringUnits : ENGLISH y cambiar





Mass/Mole : Kg



Temperatura: F



Presión

: psia

e) Opciones Termodinámicas

Thermophysical:



K-Values: SRK

f) Opciones para Balance de Energía Thermophysical:

Entalphy: No entalphy (no hacemos balance de energía)

g) Editar las Corrientes

1.



Editar corriente 1:



Temperatura: 68 F



Presión: 14.7 psia



Water: 20000 kg/h

Editar Otras corrientes: En este caso no editamos ninguna otra corriente y nos limitaremos a

simular el sistema para que se cumpla las condiciones de salida 

Temperatura: 68 F



Presión: 20 psig + 14.7 = 34.7 psia (sin usar válvula de control)



Water: 20000 kg/h

h) Especificaciones del Simulador de tubería 1



Pipe Sizing and Rating (PIPE)



Method (fluid flow):

4. Water (Hazen-Williams)

SizingOption





Rating (default). El usuario debe ingresar el tamaño de la tubería

Design Single phaseflow. El programa selecciona el tamaño de la tubería C factor: Factor usado en le Ec. de Hazen-William. El valor por defecto es 120. El usuario puede especificar este valor para el Method 4: Hazen-Williams. Pipe diameter: Diámetro nominal de la tubería (Cuando se se lecciona la SizingOptión 0). Ingresamos 2 “

DP/100 ft. (forsizing): Si se usa opción (SizeOption 2) ingresar la caída de presión por 100 ft a ser usada Pipe length: Longitud de la tubería (no incluye accesorios) Pipe schedule: Opcional Roughness: El valor por defecto es 0.00015 feet. El usuario puede sobrescribir este valor si desea. ElevationChange: Carga de elevación (Columna estática) Valor positivo (+) indica que el fluido está yendo hacia arriba y Valor negativo (-) indica que e l fluido va hacia abajo.

Figura 38. Pipe sizing.



Recomendable correr esta unidad para tener una idea de la caída de presión y verificar la corriente 2.

Figura 41. Verificación de la corriente 2.

Vemos que la presión con la que llega a la Bomba es de 5.28 psia

(En caso contrario especificar corriente 2) Simulador de tubería 2

Figura 42. PIpesizing.


Bomba1 La presión de salida de la bomba debe ser mayor que la presión de salida del sistema para compensar las pérdidas de presión en el lado de la succión. Especificamos una Presión de salida de 90 psia como un primer intento, una eficiencia de 70 %.

Figura 44. Especificaciones de la bomba.

Simulamos todo el sistema y verificamos la presión en la corr iente 4 (salida del sistema de tubería de la descarga) Vemos que la presión de salida es: 41.15 psia, lo cual quiere decir que hay una caída de presión de: 90 – 41.15 = 48.85 psia Por lo tanto debemos especificar una presión de salida de la bomba de: 34.7 + 48.85 = 83 .55 psia Simulamos todo el sistema y verificamos la Presión de salida en la corriente 4.

Figura 45. Verificación de la caída de presión.

Se ha conseguido la presión deseada y se tienen los datos de consumo de potencia y otros para la bomba.



USO DE CONTROLADORES Ahora usamos un controlador para ajustar la presión en la bomba hasta obtener la presión de salida deseada

1. Modificamos el diagrama de flujo agregándole un controlador


2. Especificamos la bomba dejando en blanco el espacio para la presión.

Figura 49. Especificaciones para la bomba.

Al hacer OK hay un mensaje de advertencia que podemos ignorar

3. Especificamos el controlador: Especificar el Controllermode como un feedbackcontroller. Ajustar la presión de salida de la bomba hasta que la presión de la corriente 4 sea igual a un valor constante de 34.7 psia. Cuando usted finalice, la pantalla del controlador mostrará lo siguiente:

Figura 50. Especificaciones del controlador.

Luego correr el programa y ver los resultados.



DIMENSIONAMIENTO DE TUBERÍA Y USO DE VÁLVULA DE CONTROL 1. Agregamos la válvula de control a la corriente en el lado de la descarga.


2. Determinamos el tamaño de tubería 1: Zizing/Pipes.

Figura 54. Especificaciones de la tubería.


2. Dimensionamos el medidor de orificio: Zizing/Orifice. Seleccionamos Corriente: 4

Figura 56. Medidor de orificio.


3. Válvula de control: Damos una caída de presión de 10 psia.

Figura 58. Válvula de control.


4. Especificamos la válvula de control: colocamos 50 % abierta.


5. Volvemos a especificar el controlador.


Efectuar la simulación y comparar la potencia requerida sin Válvula y la necesaria con Válvula de control.

INGRESO DE CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LA BOMBA Volvemos a la Figura 1:

Figura 62.Flowsheet.

Ingresamos la curva característica de la bomba:



 

ΔP = a - b*Q2: psi

a = 75 Psi Q = 0.0016 psi/(gpm) 2


Efectuamos la simulación. Con esta bomba solamente podemos alcanzar una presión en la salida de 18.98 psia. Debemos de probar con una bomba más grande.


Reemplazando el diámetro correcto de 3 pulg en los simuladores de tubería y efectuando a simulación, se tiene que con la bomba propuesta se puede alcanzar 49.52 paia en la descarg a y un consumo de 4.6021 Hp Cambiemos la eficiencia de la bomba a 50 % ¿Qué efecto tiene este cambio?

EJEMPLO 4: FLUJO SIMPLE CON VÁLVULA DE CONTROL Y ORIFICIO 

Tópicos Cubiertos



Dimensionamiento de Valvulas de Control



Controladores Feedback

NPSH



OrificeSizing/Rating





Pipe Sizing/Rating



Pipe UnitOp

Enunciado del Problema El sistema de tubería mostrado debe ser diseñado para transportar 120 gpm de ácido acético glacial entre 70 y 140 ºF. La presión de entrada es dada como 20 psia, la de salida debe ser no menor que 20 psia. El sistema de tubería y sus elementos individuales deben ser dimensionados para condiciones de diseño y luego evaluadas a condiciones de operación. Nuestra meta es determinar la NPSHa y los requerimientos de columna para selección futura de la bomba.

Figura 65. Sistemas de tuberías.

Este ejemplo está en Simuladores de Procesos\Tutorial\CHEMCAD\Ejemplos\ Bombas2.

CREANDO LA SIMULACION

1) Convertir la tubería isométrica

aun flowsheet CHEMCAD. UnitOps de

tubería son usadas para representar secciones enteras de tubería incluyendo accesorios:


Fijar unidades, (SISTEMA INGLES, Tiempo en Minutos) establecer el flujo total en gpm. Fijar la lista de componentes y las condiciones de la corriente 1:

Figura 67. Condiciones de la corriente 1.

Tamaño de tubería: Usando las herramientas CHEMCAD’s para dimensionar tubería

(SizingMenu>Pipes) dimensionar la tubería en la red para el caudal de diseño de 120 gpm, a 70 F.

Figura 68. Menú sizing. Seleccionar Corriente 1 Use tubería estándar de cédula 40. Como el fluido en este sistema está como liquido subenfriado y todos los flujos son constantes, esto requiere hacer solamente un cálculo para el lado de la descarga. Como un método corto, use 1 tamaño mayor de tubería en el lado de la succión de la bomba.

Figura 69. Tamaño de tubería.

Al hacer clic en OK aparece los valores calculados:


El programa Recomienda un Tamaño de 3.0 pulgadas de Diámetro Nominal

Figura 71. Recomendación del programa.

Seleccionamos tubo de 3 1/2 " cuyo Diámetro interior es: 3.548 pulg. 4) Tamaño del Medidor de Orificio (Sizingmenu>Orifice) en el lado de descarga de la bomba.

Figura 72. Menú oificesizing.

Use 120 gpm, el tamaño de tubería determinado en el paso 2 anterior, la opción D and D/2 y presión diferencial de 100 pulgadas de agua.

Figura 73. Orificesizing.

Al hacer clic en OK aparecen los valores calculados:


En el reporte para el dimensionamiento del medidor de orificio se da el valor del coeficiente de descarga y podemos usar este valor e n la caja de diálogo del simulador de tubería. 5) Dimensionamiento de la Válvula de Control (Sizingmenu>Control valve) usando: 

DownstreamPressure 15 psia



Opción: Single seat (de asiento simple)

Figura 75. Control valve.

Como la corriente #1está a 20 psia, simplemente estamos calculando una válvula de control para darnos una caída de presión de 5 psi.

Figura 76. Referencias.

6) Ingrese el coeficiente de flujo de la válvula Cv, del reporte de dimensionamiento, fijar la posición de la válvula a 50% abierta, y fijar Valvemode a Fixflow, valve position, calculatePout.

Figura 77. Control valve.

7) Asuma una caída de presión en el intercam biador de 2 psi. Fijar la temperatura de salida en 140 ºF.

Figura 78. Condiciones intercambiador de calor.

8) Tabular las válvulas, accesorios, longitudes de tubería, y cargas de elevación de cada sección de tubería. Todas las tuberías usarán el método Single phase, y e l modo deberá ser fijado en rating. Usaremos ajustes uniones bridadas. Pipe #1 

35 feetpiping



-8 footelevationchange



2 ballvalve



4 stdelbow 90 degree



1 tee, flowthroughbranch



1 entrance, wellrounded




Pipe #2 (before control valve) 

14 feetpiping



14 footelevationchange



2 ballvalves



1 swing checkvalve, clearaway



2 tee, flowthrough run



1 orificeplate (as determinedabove)


Figura 83.Especificaciones de la tubería.


Además Pipe #3 (after control valve) 

24 feetpiping






2 ballvalve






3 Stdelbow 90 degree



1 exitfrom pipe

Pipe #4 (after E-1515) 

157 feetpiping



5 foot net elevationchange



1 Ballvalve






1 tee 100% flowthrough run



1 wellroundedentrance



1 exitfrom pipe

7) Especificar la presión de salida de la bomba en algún valor arbitrario (50 psia) y hacer una corrida de prueba. Verificar la presión de salida calculada, Podemos iterar para encontrar la columna de la bomba requerida.


Podemos ver que con una presión de de scarga de la bomba de 61.5 psi, la presión de salida del sistema es 20.32 psi (cercano al valor especificado).

EJEMPLO 5 USO DE CONTROLADORES Al cambiar manualmente la presión de la conexión de salida de la bomba nos traerá donde necesitamos estar, es más fácil dejar que el programa haga el trabajo. Vamos a usar una UnitOp llamada un controlador de retroalimentación (CONT) para ajustar esta presión por nosotros. Un controlador Feedback en CHEMCAD no tiene nada que ver con válvulas de control de proc eso o ajustes PID. En un modelo CHEMCAD el modelo es de estado estable, cuando usamos el término “control de retroalimentación” hablamos de un controlador matemático. Es una herramienta de

matemáticas usada para ajustar una variable en un flowsheet hasta que un valor cumple nuestro valor especificado.

Este ejemplo está en Simuladores de Procesos\Tutorial\CHEMCAD\Ejemplos\ Bombas3. Cambie el flowsheet para incluir un controlador de retroalimentación ajusto antes de la flecha de producto.


Especificar el Controllermode como un feedbackcontroller. Ajustar la presión de salida de la bomba hasta que la presión de la corriente 8 sea igual a un valor constante de 20 psia. Cuando usted finalice, la pantalla del controlador mostrará lo siguiente:


Cuando usted efectué la simulación, el controlador variará automáticamente la presión de salida de la bomba hasta que la presión saliendo de la última unidad de tubería sea igual a 20 psia. Nosotros ahora conocemos los requerimientos de columna para nuestra bomba.


6.12 Columna de Succión Positiva Neta Disponible (NPSHA) NPSH es la Columna de Succión Positiva Neta, y se define como la presión total disponible en la succión de la bomba menos la presión de vapor de l fluido que se está bombeando. Es a menudo reportada en pies de fluido que se está bombeando o pies de agua. Cada bomba tiene un requerimiento específico de NPSH (NPSHr) a una velocidad de operación dada. Para conseguir una operación segura la NPSH disponible (NPSHa) debe ser mayor que la NPSHr. En caso contrario, se puede producir la cavitación y fallas en el servicio.


Calcular NPSHa. Para versiones 5.4 para adelante, calcular la columna de succión positiva neta en CHEMCAD es una tarea fácil. Abrir el diálogo con la bomba y colocar un checkmark donde dice Checkhere to CalculateNPSHa. Correr nuevamente la simulación, y aparecerá la NPSHa calculada. Es importante que para calcular la NPSHa debe ser correctamente especificada la tubería de entrada a la bomba. Si la tubería no es correcta, entonces la presión a la entrada de la bomba puede no ser correcta, y la NPSHa puede no ser correcta.

6.13 FLUJO BIFURCADO Ejemplo 5: Flujo Bifurcado Tópicos Cubiertos 

UnitOp Nodo



Red de Tuberias



Criterio de selección de la Bomba



Curvas de Operación de la UnitOp Bomba

Establecimiento del problema El sistema de tubería de la sección previa ha sido cambiado. Debido a la bifurcación del flujo hacia dos intercambiadores de calor, El problema no es tan simple ahora.

Figura 90. Arreglo de tuberías.

Este ejemplo esta en Simuladores de Procesos\Tutorial\CHEMCAD\Ejemplos\ Bombas4. El flujo bifurcado es un problema difícil para resolver usando nuestra aproximación de controlador. Los dos intercambiadores tienen diferente tubería, las cuales dan diferentes caudales. Lo que necesitamos es una aproximación donde dividamos y recombinemos los flujos, y hacer que la simulación calcule la presión y caudales en una manera iterativa. La UnitOp “Node”

da esta flexibilidad. Un nodo es un punto donde la presión es uniforme. Puede haber múltiples entradas y salidas. Los flujos para cada corriente serán balanceados por CHEMCAD para alcanzar una presión uniforme. La presión puede ser especificada o permitida a variar.

Creando la simulación

1. Convertir los dibujos isométricos de tubería a un diagrama de flujo CHEMCAD.

Figura 91, Flowsheet.

2. UnitOps Pipe (Tubería) son usadas para representar secciones enteras de tubería, incluyendo accesorios. UnitOps NODE son colocadas donde la presión o caudal son desconocidos. 3. Medidor de orificio: En corriente 7.

Figura 92, Medidor de orificio.


4. Válvula de control como se ha visto en los ejemplos anteriores: Tomando datos de corriente 1.



Luego dimensionando la válvula a 50 % abierta.


5. Asuma una caída de presión a través de cada intercambiador de 2 psi. Con esto la especificación de los intercambiadores será:

Figura 97. Especificaciones intercambiador de calor.

6. Tabular las válvulas, accesorios, longitudes de tubería y cambios de elevación para cada sección de tubería. Usaremos uniones completamente bridadas. En todas usar: 

Method: 2 Single phaseflow



SizingOption: 5 Givensize, Pin and PoutCalcflowrate



Thermalmode: Adiabatic



Pipe diameter: 3.548 pulg



Pipe schedule: 40


Además los datos de longitud y accesorios para cada UnitOp t ubería

5.1 Tubería: UnitOP 1 

1 entrance, wellrounded



2 ballvalve









35 feetpiping

5.2 Tubería: UnitOp 4 (Antes de la válvula de Control) 

1 swing checkvalve, clearaway



2 ballvalves






1 orificeplate (as determinedabove)



14 feetpiping




5.3 Tubería: UnitOp 8 (Después de la válvula de control:) 

1 ballvalve






2 Stdelbow 90 degree



10 feetpiping

5.4 Tubería: UnitOp 10 (Al intercambiador superior) 




1 ballvalve



1 exitfrom pipe






24 feetpiping

5.5 Tubería: UnitOp 13 (Después del intercambiador superior) 

1 ballvalve












30 feetpiping

4.6 Tubería: UnitOp 14 (Al intercambiador inferior) 

1 ballvalve



1 exitfrom pipe



1 teeflowthrough run






14 feetpiping

5.7 Tubería: UnitOp 17 (Después del intercambiador inferior)






1 ballvalve






1 teeflowthrough run



10 feetpiping

5.8 Tubería: UnitOp 19 (Salida del sistema) 




1 exitfrom pipe



147 feetpiping

7. Bomba – En este momento no conocemos las especificaciones de la bomba,

de

tal

manera

que

estableceremos

para

la

bomba

“SpecifyOutletPressure” y dejaremos en blanco la especificación para la

presión. Las UnitOps NODE calculan para los incrementos de presión, y fijan la presión de salida adecuadamente.


Fijar los nodos con la información adecuada Node 3 

Mode: Variable pressure



Inletstreams. 4 stream: flow set by pipe/valve



OutletStreams. 5 stream: flow set by pipe/valve



Elevation = 20 feet

Node 5












Elevation = 34 feet

Node 7 




Inletstreams. 8 stream: flow set by pipe/valv






Elevation = 34 feet

Node 9 










9 stream: flow set by pipe/valve



Elevation = 34 feet

Node 12 










Elevation = 50 feet.

Node 16 











Node 18 







20 stream: flow set by pipe/valve







Node 20 (Último nodo) 

Mode: Fixedpressure



Pressure at node: 20 psia






OutletStreams. 14 stream: Free outletstream




Efectuando la simulación Para efectuar la simulación, presionar el Run All o ir a R en el meú Run, y seleccionar Run All. Si la simulación no converge, verificar todos los valores ingresados y c orrer nuevamente. La simulación puede ser sensible a estimados iniciales y ajustes min/max en los nodos. La convergencia es también un proceso iterativo, de esta manera usted puede necesitar incrementar el número máximo de iteraciones para un flowsheet dado. Cambiamos el número máximo de Iteraciones a 100 y Corremos el programa. Los resultados son los siguientes:


Luego de efectuada la simulación, verificar el incremento de pre sión en la UnitOp’sPump. Esto nos da los requerimientos de columna de nuestra bomba. Usando esta información y nuestro caudal de (120 gpm) podemos consultar un manual de bombas para determinar el tamaño correcto de la bomba.

Ejemplo 6 Enunciado del problema: Este ejemplo está en Simuladores de Procesos\Tutorial\CHEMCAD\Ejemplos\ Bombas4.

Figura 101. Fowsheet.

En la red de tubería anterior, Agua (water) a 77F y 14.7 psi es alimentada a 2509 lbmol/h a una bomba cuya ecuación característica es mostrada a c ontinuación:

Figura 102. Ecuación para el arreglo.

Las secciones de tubería A, B y C son hechas de acero comercial número de cédula 40, los parámetros de la línea de tubería y e levaciones son mostrados a continuación:

Figura 103. Parámetros de la línea de tubería.

Si la presión en la entrada de los dos tanques de descarga (nodos 4 y 5 en el diagrama anterior) es 14.7 psi, reportar los flujos y presiones en cada uno de los 5 nodos usando una simulación en CHEMCAD.

Procedimiento: Paso 1: Crear el flowsheet.

Figura 104. Flowsheet. Paso 2: Ingreso de componentes y unidades de ingeniería

Seleccionar de la lista de componentes: Water y adicionarlo a



Componentlist 

Mantener la opción predeterminada de unidades de ingeniería: ENGLISH

Paso 3: Ingresar la composición de la alimentación Temperature=77 F, Pressure=14.7 psi, waterflowrate=2509 lbmol/h, dado en el enunciado del problema. Clic en Flash Para obtener la entalpía de la corriente y fracción de vapor en la alimentación a condiciones de alimentación.

Figura 105. Composiciones de entrada.

Paso 4: Especificaciones de la bomba En la página de especificaciones, seleccionar Entercharacteristiceqnformode. Seleccionar psia para Pressureunits y gpm para liq. vol. rateunits. Ingresar 72 para A y 0.0042 para B. Eficiencia puede ser dejada en blanco ya que esta información no es dada en el enunciado del problema. (el valor por defecto para la eficiencia es 100%). Clic en OK para continuar.


Paso 5: Especificaciones del simulador de tubería Primer simulador (Tubería A de acuerdo al enunciado del problema y unidad de operación 4 en el flowsheet CHEMCAD).

Especificaciones: Method: Seleccione la opción 2, Single phaseflow Sizingoption: Seleccione la opción 5, Givensize, Pin and Pout, calcflowrate

Pipe Diameter: Convertir el diámetro dado para la Tubería usando F6 y luego ingrese este v alor en el campo correspondiente (0.256 ft) Pipe Schedule: Ingrese 40 Pipe Length: Ingrese 80 ft Elevationchange: Dejar en blanco, CHEMCAD calculará esto automáticamente basándose en las especificaciones dadas en los nodes. Roughness factor: Dejar en blanco Pipe Material: Seleccione commercialsteel (opción disponible en versión 5.3) Clic sobre OK para continuar.


De manera similar, completar el paso 5 para tuberías B y C.



Paso 6: Especificaciones para Nodos Hay cinco nodos en nuestro flowsheet, las e specificaciones de cada uno de los cinco son diferentes y dependientes de las dos unitops a las que está conectado. Usualmente, cuando los nodos están en medio del flowsheet, es preferido Flow set byunitop como la flowrateoptions. Cuando el nodo está al comienzo o al final de la línea de flujo, se puede seleccionar Free inletstream y Free outletstream respectivamente. Si el flujo de entrada al nodo es el mismo que el de salida de la UnitOp previa, se prefiere Use currentstreamrate. Para mayor información consultar la ayuda. Proporcionar 0.001 psi y 100 psi como los límites mínimo y máximo para la presión cuando sea aplicable. Proporcionando límites máximo y mínimo se aceleran los cálculos. Sin embargo, esta es una entrada opcional y puede dejarse e n blanco. Primer nodo (UnitOp 1 en el flowsheet):

Figura 109. Especificaciones para el NODO.

6.15 BOMBEO DE GASES Estaciones de Compresión La presión del gas fluyendo a través de líneas de tubería disminuirá en la dirección del flujo a lo largo de la tubería. El propósito de la e stación del compresión es devolver la presión del gas a la presión de operación máxima. Las descripciones de la configuración general de una estación de compresión con sistema de refrigeración de propano, acondicionamiento de combustible, consumo de potencia en una estación de compresión, y otras facilidades son contenidas en las siguientes secciones. Diseño conceptual de estaciones de compresión Dependiendo del modo de operación de la tubería, un sistem a de refrigeración puede ser requerido para enfriar el gas de descarga del compresor hasta una temperatura debajo de 32 ºF antes que el gas reingrese la tubería. La simulación Térmica-Hidráulica de la tubería es necesaria

para determinar las cargas estacionales de refrigerante desde la operación tanto de la compresión del gas y el sistema de refrigeración variará estacionalmente. La carga de refrigerante será más grande durante los períodos más calientes del año y las cargas mínimas (o sin refrigerante) durante el invierno. Un diagrama de flujo general de proceso para un sistema típico de compresión del gas con refrigeración de propano del gas de descarga es mostrado en Figure 4 .1. Las condiciones de operación contenidas en la siguiente descripción se usaron para determinar las cargas de refrigerante y los costos de capital para la los sistemas de refrigeración especificados a lo largo de este estudio. La simulación de un proceso del lazo de refrigerante se ha preparado basado en condiciones de operación hipotéticas las cuales consisten de gas llegando a la entrada de la estación a 20 ºF y 1,515 psia, y luego es comprimido hasta 2,530 psia. La presión en la entrada es consistente con la presión de operación mínima necesaria para permanecer fuera de la región de dos fases de la envolvente para el gas del escenario 3 del ejemplo anterior. El gas será comprimido hasta 2,530 psia para permitir una caída de presión de 15 psi a través del enfriador y la tubería de la estación de descarga. Se ha asumido que el g as de la descarga del compresor podría ser enfriado hasta 28 ºF antes de reingresar a la línea de tubería (gasoducto).


La temperatura del gas en la descarga del compresor (etiquetada “Descarga de Gas” en la f igura)

variará dependiendo de la eficiencia del compresor, la razón de presionesde descarga y succión, y la temperatura del gas de succión. Un enfriador el cual es un intercambiador de calor consistiendo de numerosos tubos inmersos en un baño de propano líquido como refrigerante. El gas caliente de

descarga fluye a través del lado de los tubos del enfriador (“enfriador_C3”) donde es enfriado

hasta 28 ºF mientras el refrigerante líquido se vaporiza. El refrigerante vaporizado (“C3_del enfriador”) es comprimido hasta la presión necesaria para condensarlo usando aire a la temperatura ambiente como medio de enfriamiento (“C3_salida compresor”). El refrigerante condensado saliendo del enfriador de aire (“C3_a la válvula”) pasa a

través de una válvula reductora de presión (“Válvula Reductora de Presión") y es retornado al enfriador. Una porción del refrigerante se vaporiza a medida que la presión es reducida a través de la válvula y este vapor pasa a través del enfriador a la succión del compresor de refrigerante. Las condiciones de operación del propano dentro del enfriador dependen de la temperatura especificada para el gas comprimido entrando a la línea de tubería ("Gasoducto"). Típicamente, la temperatura del refrigerante es mantenida a aproximadamente 5 ºF debajo de la temperatura especificada para el gas enfriado entrando a la línea de tubería. Por ejemplo, enfriando el gas de la línea de tubería hasta 28 ºF se requerirá que el refrigerante sea mantenido a 23 ºF. Hay una presión única a la cual el refriger ante propano hervirá a 23 ºF, por lo tanto fijando la temperatura del refrigerante también se establece la presión de operación en el lado del refrigerante en el enfriador. La presión de evaporación del refrigerante en el enfriador es aproximadamente 57 psia. El vapor desde el compresor de r efrigerante (“C3 Salida Compresor”) es condensado pasándolo a

través de numerosos tubos contenidos en un banco de tubos mientras que grandes ventiladores impulsan el aire del ambiente a través del e xterior de los tubos (“Condensador de C3”). Los condensadores de refrigerante son diseñados para permitir una diferencia de temperatura entre el refrigerante condensado y el aire del ambiente siendo usado como medio de enfriamiento. Estos condensadores son tipicamente especificados basados en una diferencia de 15 a 20 ºF, o “aproximación,” entre la temperatura del aire ambiente y el refrigerante condensado.

La presión a la cual los vapores de refrigerante deben ser comprimidos es en razón ser condensado ante incrementos de temperatura del aire ambiente. Las cargas de refrigerante e n este estudio se basan en una temperat ura ambiental de aire de 70 ºF, una aproximación de temperaturas en el condensador de 20 ºF, y por lo tanto una temperatura de condensación de refrigerante de 90 º F. Basado en la composición de refrigerante asumida en e ste estudio, el refrigerante enteramente se condensará a un líquido a 90 º F y una presión de aproximadamente 179 psia. Se había asumido que habría una caída de presión 10 psi a través del condensador de refrigerante enfriado por aire, así el vapor de refrigerante saliendo del enfriador a 57 psia debe ser comprimido hasta aproximadamente 189 psia en orden a que e l refrigerante sea condensado a 90 ºF. El sistema de refrigeración operará mas e ficientemente durante el invierno debido a que la temperatura ambiente del aire de enfriamiento permitirá que el vapor del del refrigerante condense a menor temperatura, y co rrespondientemente una menor presión que durante el verano. La presión de operación en el lado del refrigerante en el enfriador, sin embargo no

cambiará estacionalmente, a medida que que la temperatura dada del gas de descarga reentrando a la línea de tubería permanezca a 28 ºF. La presión diferencial entre la succión y la descarga del compresor de refrigerante disminuirá durante el invierno, por consiguiente reduciendo la carga en el compresor de refrigerante y el consumo de combustible. La temperatura de la tierra rodeando la tubería corriente arriba de la estación se enfriará durante el invierno resultando en una correspondiente reducción de la temperatura del gas en la succión del compresor debido a la transferencia de calor a través de la pared de la tubería. Una reducción en la temperatura de succión del compresor resultará en un gas más frío de descarga del compresor y una reducción de la carga de refrigerante. Las cargas de refrigerante serán inferiores durante la primavera y el otoño con e sencialmente ninguna carga encontrada durante el invierno debido a la combinación de temperaturas más frescas del gas de descarga y eficiencia aumentada del sistema de refrigeración. La simulación del sistema de refrigeración fue ajustada para determinar la potencia de operación (Hp) a 27 ºF de temperatura del aire del ambiente, el cual es el promedio anual de temperatura. Los resultados de simulación demuestran que el refrigerante te ndría que ser comprimido hasta aproximadamente 107 psia para ser condensado a 47 ºF (20 º F aproximado a 27 ºF). La potencia (Hp) de compresión de refrigerante requerido en las condiciones ambientales comunes es aproximadamente 42 por ciento de la potencia instalada del r efrigerante basada en la condensación del refrigerante a 90 º F. La potencia instalada para los sistemas de refrigeración en este estudio está basada en la condensación del refrigerante usando aire caliente del ambiente durante el verano y condensación del refrigerante a 90 º F. El promedio anual de consumo de combustible del sistema de refrigeración está basado en una temperatura promedio de condensación del refrigerante de 47 ºF y operación del compresor de refrigerante a 42 por ciento de la potencia instalada.

Una distribución conceptual de una estación de compresión "típica" con refrigeración es mostrada en la Figura 5.2. El propósito es mostrar la configuración general de un estación de compresión típica. 1 milla 5280 pies Requerimientos de potencia Los requerimientos de potencia en la estación de compresión consiste en la compresión del gas, compresión del refrigerante y generac ión de potencia para utilitarios. Las evaluaciones contenidas en este trabajo están basadas en el uso de equipo de quemado de gas natural como combustible extraído de la línea de gas.

Cálculos hidráulicos de la línea de tubería El modelo propuesto consiste de un segmento de t ubería, una válvula, y un compresor de gas. Las condiciones del gas a la entrada de la línea se han establecido en 28 º F y 2,515 psia (2,500 psig) para todas las corridas hidráulicas.

1. Tomamos la mezcla del Escenario 3 del ejemplo anterior: tomamos las composiciones dadas en el ejemplo anterior.

Figura 111. Composiciones.

2. Confeccionamos el diagrama de flujo mostrado en la figura2.

Figura 112. Flowsheet,

3. Especificamos las características del segmento de tubería


Longitud del segmento: 150 Millas 1 milla 5280 pies 4. Mediante un análisis de sensibilidad determinamos el flujo de gas necesario para o btener una presión de 1,515 psia en la descarga del segmento de tubería. Esto determina el máximo flujo a través de la tubería como una función de la distancia entre estaciones de compresión. 

El flujo de gas debe ser de 701 MMscfd.



Fijamos la temperatura de entrada: 28 ºF.



Presión de entrada al segmento: 2515 psia.

Figura 114. Composiciones de entrada . Otra posibilidad es para mantener un caudal dado de gas y ajustar las longitudes de los segmentos para dar una presión de aproximadamente 1,515 psia a la salida del segmento. Una presión máxima de operación (MOP) de 2,515 psia se ha seleccionado ya que provee una rigidez de la tubería esto es ampliamente considerada en la industria como favorable para resistir los efectos de movimiento diferencial de la t ubería. Una presión en la entrada de la estación de 1,515 psia se habia seleccionado para evitar el área de dos fases sobre la envolvente para la mezcla del escenario 3 del ejemplo anterior.

4. Usamos una válvula para simular una caída de presión de 5 psi a través de la tubería entre la entrada a la estación y la succión del compresor.


5. Especificación del compresor.- La descarga desde el compresor de gas fue establecida a 15 psi sobre la MOP de la línea de tubería para compensar la caída de presión

a través de los enfriadores del gas (modelado

separadamente). Una eficiencia promedio del compresor de 77.5 por ciento (adiabatica) fue usada para los cálculos de compresión del gas.

Figura 116. Especificaciones del compresor.

Simulamos el proceso y tenemos las propiedades de las corrientes.


Y las características de compresor.


Predicción de la formación de hidratos Ejemplo: Petrotech – Gas

Figura 119. Menú Hydrates.

Figura 120. Selección de UnitOp ID.


Unidad 6 Chemcad

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