presentación de marco antonio calle m
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ANÁLISIS CRÍTICO Y VALIDACIÓN DE
RESULTADOS DE LA SIMULACIÓN DE PROCESOS EN LA INDUSTRIA DE LOS
HIDROCARBUROS
Presentado por:
MARCO ANTONIO CALLE MARTÍNEZ
1. INTRODUCCIÓN
Estudio de
diseños Simulación Complementación y
seguridad en el análisis y diseño de
sistemas multidisciplinarios de
complejidad.
Software de
Simulación
- Dar soporte al diseñador durante el
diseño, análisis y diagnóstico de
sistemas ingenieriles.
- Viabiliza la valoración final antes de
construir el sistema
FU
NC
IÓN
TIPOS DE SIMULACIÓN
SIMULACIÓN ANALÓGICA- Primeros simuladores analógicos
1. Modelar un sistema en términos de ecuaciones diferenciales ordinarias.
2. Hacer un dispositivo físico que obedezca a las
ecuaciones.
Método de funcionamiento:
Se desarrollaron analizadores diferenciales mecánicos para
simular sistemas dinámicos , los cuales fueron reemplazados por
sistemas electrónicos
Limitaciones físicas
SIMULACIÓN NUMÉRICASolución numérica
de la ecuación diferencial
- Reemplazar las Ecuaciones diferenciales por una
ecuación de diferencia - Puede utilizar: método de
Euler, de Runge- Kutta y de múltiples pasos
Método de funcionamiento:
Se desarrolló el algoritmo mejorado, donde se separan los algoritmos y
el error de control.
Limitaciones del cálculo manual
Ingrediente esencial Simulación
numérica
SIMULACIÓN ANALÓGICA DIGITALSelfridge
- CSSL estándar unificó los conceptos y estructuras disponibles de los
programas de simulación.- ACSL, basado en el anterior con
mejoras.- SIMMON, desarrollado en la
Universidad de Lund.- BDSP, Block Diagram Simulation
Program .- SIMULLINK, para diagramas de
bloques.- MATLAB para análisis dinámico, muy
útil en control automático
Aparición de numerosos lenguajes de
programación:
El desarrollo de estos programas fue
posible gracias a la aparición de PC con gráficas de tramas
Demostró Como una computadora digital puede emular
un analizador diferencial
SIMULADORES ESPECÍFICOS
Creados para simular modelos
en cierto entorno
- Sistema SPICE, para el modelo analógico de un
circuito electrico.- DADS, para la simulación de
sistemas mecánicos.- HYSYS, para la modelación
de procesos de la empresa petrolera.
Ejm. Simuladores específicos:
Cada programa solo abarca una rama de
la ingeniería
Limitan el dominio del modelo, por lo
que son más específicos en su
aplicación
SIMULADORES ESPECÍFICOS
Simulación de plantas de
hidrocarburos
- Plantas de tratamiento- Plantas de procesamiento- Plantas de extracción de
líquidos- Plantas petroquímicas
- Transporte de gas- Propiedades físicas y
termodinámicas
Ejemplos:
Hysys: Cada programa solo abarca una
rama de la ingeniería
Todas las áreas
SIMULADORES MULTIDISCIPLINARES
Muchos diseños requieren programas de simulación que permitan la colaboración con
otros programas
Ejm: Programa ITI- SIM; Dresden
Alemania
Se requiere
Simuladores multidisciplinares
Todas las muestras fueron creadas
con este programa
SIMULACIÓN FÍSICA
Simulación de sistemas físicos que se pueden subdividir en subsistemas =>
enfoque reduccionista
1. Dividir un sistema en subsistemas
2. Explicar el comportamiento en los nodos de conexión
3. El sistema completo se obtiene agrupando los
subsistemas
Metodología de funcionamiento:
Dos condiciones a cumplir para que los modelos sean acoplables: Puertos de conexión definidos como pares de variables (ejm.
Presión y caudal) Los submodelos deben tener relaciones causales y no
procedimentales
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS SIMULADORES (50 Artículos científicos)
1. Experimentación de bajo costo y riesgo en comparación a las pruebas de campo.
2. Extrapolación de niveles de los parámetros y sus resultados.
3. Estudio de conmutabilidad y otros planes de actuación
4. Análisis de sensibilidad de parámetros y repetición ilimitada de pruebas
5. Estudios de estabilidad del sistema o proceso
VENTAJAS
1. Ningún modelo matemático reproduce al 100% la física, química y termodinámica de los materiales, por este motivo existe
mayor o menor grado de exactitud.2. Presenta limitaciones de diverso tipo que
en algún grado son críticas.3. Hay que tener precaución con el uso de los
resultados.4. No sustituye las pruebas de campo o de
laboratorio.
DESVENTAJAS
METODOLOGÍA DE VALIDACIÓN DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES DE
PROCESOS
METODOLOGÍA DE VALIDACIÓN DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES DE PROCESOS HIDROCARBURÍFEROS
1
5
4
3
2
Nuevo enfoque propuesto para la minimización de errores:
Se plantea la metodología anterior en base a la comprobación de los resultados específicos en la industria petrolera y del gas natural, con recursos adicionales y bases de datos.
METODOLOGÍA DE VALIDACIÓN DE RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES DE
PROCESOS
- Discernir resultado correctos de los errores causados por el modelo mismo, y por el programador.
- Minimizar la posibilidad de errores en procesos muy importantes y de elevado costo, donde se deben validar todos los resultados para garantizar los mismos.
Objetivo del método:
Se debe contar con bases de datos de plantas tipo y de parámetros operativos con sus excepciones y
particularidades más frecuentes
UTILIZANDO LA METODOLOGÍA DE VALIDACIÓN DE RESULTADOS
EJEMPLOS
EJEMPLO 1:
SIMULACIÓN DE UNA TORRE CONTACTORA DE DESHIDRATACIÓN CON TRIETILEN GLICOL EN CAMPO CARRASCO –
BOLIVIA
Datos de la simulación:
Contactora con 3 platos teóricos de burbujeoSolvente: Trietilen glicol Composición de gas: campo Carrasco –Bolivia (Agua a saturación)Caudal de alimentación: 30 MMPCNDPresión de la torre: 1160 PsiGTemperatura promedio: 100 oF
Comprobación del comportamiento del proceso mediante cálculos manuales:
Los resultados del cálculo manual según la metodología del GPSA (Gas Processors Suppliers Association) son los siguientes:
Caudal de circulación del TEG: 2,19 gpmConcentración del TEG: 98,7 % en peso de TEGContenido de agua de salida del proceso: 7 lb/MMPCN
1
SIMULACIÓN DE UNA TORRE CONTACTORA DE DESHIDRATACIÓN CON TRIETILEN
GLICOL
Verificación de las limitaciones físicas y químicas del proceso
Los niveles de las variables no ingresan en regiones críticas o supercríticas y los componentes usados no
presentan reactivad elevada entre sí, según la bibliografía, los catálogos de fabricantes y las hojas de seguridad de los componentes. No se extrapolan condiciones de cambio a
fase sólida o plasma en las condiciones del proceso.
SIMULACIÓN DE UNA TORRE CONTACTORA DE DESHIDRATACIÓN CON TRIETILEN
GLICOL
Obtención del resultado de la simulación mediante el simulador HYSYS:
Caudal de circulación del TEG: 2,19 GPMConcentración del TEG: 98,7 % en peso de TEG
Contenido de agua de salida del proceso: 7,1 Lb/MMPCN
2
3
Comparación con casos similares reales:
Se tomaron datos de campo con previo tratamiento estadístico y los valores medios de las variables
representativas son las siguientes:Caudal de circulación del TEG: 2,20 gpm
Concentración del TEG: Nominal 98,5% (Fluctúa entre 96-99%)
Contenido de agua de salida del proceso: 6,8 Lb/MMPCN (Fluctúa entre 7 – 4,5 Lb/MMPCN)
SIMULACIÓN DE UNA TORRE CONTACTORA DE DESHIDRATACIÓN CON TRIETILEN
GLICOL
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Comparación de los resultados con otros simuladoresEn ese momento no se tenía otro simulador a disposición
en campo. 5
Conclusiones
Una vez aplicada la metodología se puede determinar un buen nivel de congruencia entre
los resultados calculados, simulados y datos reales. Se verificaron las limitaciones físicas y
químicas del proceso, no se realizó la comprobación de los resultados con otros
programas de simulación.Se concluye que los resultados de la simulación
son válidos.
SIMULACIÓN DE UNA TORRE CONTACTORA DE DESHIDRATACIÓN CON TRIETILEN
GLICOL
EJEMPLO 2:
SIMULACIÓN DEL BOMBEO DE AGUA A UN TANQUE EN
CONDICIONES PARTICULARES
Datos de la simulación:
Tipo de bomba: CentrífugaPresión de succión de la bomba: 14 PsiaPresión de descarga de la bomba: 28 PsiaFluido de bombeo: AguaTemperatura promedio del fluido en la succión: 0 o FCaudal: 10000 L/h
SIMULACIÓN DEL BOMBEO DE AGUA A UN TANQUE
Comprobación del comportamiento del proceso mediante cálculos manuales:
El cálculo manual se realiza por medio del catalogo de fabricante, pero los datos de propiedades físicas del agua en la entrada no presentan valores para la fase líquida para la temperatura de ingreso de 0 OF. De tal forma que no se realizó el cálculo manual.
1
Verificación de las limitaciones físicas y químicas del proceso
Según el diagrama de fases del fluido en el proceso, en las condiciones de alimentación del proceso el
fluido se encuentra en fase sólida, por lo tanto no se pueden bombear por este equipo.
Obtención del resultado de la simulación mediante el simulador HYSYS:
La simulación de la operación tiene los siguientes resultados usando el simulador HYSYS como
herramienta de simulación:Potencia requerida a 75% de eficiencia adiabática:
0,461 HP
2
3
SIMULACIÓN DEL BOMBEO DE AGUA A UN TANQUE
Comparación con casos similares reales:En la realidad no se puede bombear agua sólida.4
Comparación de los resultados con otros simuladores
Usando el simulador PRO/II tampoco detecta la fase sólida, y el resultado es:
Potencia requerida a 75% de eficiencia adiabática: 0,478 HP
5Conclusiones
Según la metodología de validación, la simulación del proceso realizada por HYSYS presentó resultados erróneos que no pueden ser usados en la elaboración del proyecto.
SIMULACIÓN DEL BOMBEO DE AGUA A UN TANQUE
EJEMPLO 3:
DETERMINACIÓN DEL CÁLCULO DE FASES DE UN
GAS NATURAL EN CONDICIONES PARTICULARES
DIAGRAMA DE FASES DEL GAS NATURALECUACIÓN DE PENG ROBINSON
DIAGRAMA DE FASES DEL GAS NATURALECUACIÓN DE PENG ROBINSON
DIAGRAMA DE FASES DEL GAS NATURALECUACIÓN DE PENG ROBINSON
Datos de la simulación:
Composición de Gas Natural de Campo Porvenir - BoliviaPresión: 1110 Psia
Temperatura: -127, 53 oF
Comprobación del comportamiento del proceso mediante cálculos manuales:
El método que evalúa las sumatorias del producto y división entre la fracción molar y el valor de las constante K de los componentes no se puede realizar mediante el cálculo manual por que las gráficas no muestran valores en esas condiciones de temperatura y presión.
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DETERMINACIÓN DEL CÁLCULO DE FASES DE UN GAS NATURAL EN CONDICIONES
PARTICULARES
Verificación de las limitaciones físicas y químicas del proceso
Según la física del proceso estamos encima de la región crítica, en zonas inestables y cercanas a la
región del cuarto estado de la materia, el plasma. En estas zonas pequeño cambios de energía producen la
migración entre los estados.
Obtención del resultado de la simulación mediante el simulador DEFLUZ
El simulador SOAVER fue estructurado para la simulación de envolventes de fases y cálculos de fases mediante la ecuación de estado de Soave-
Redlich-Kwong y usa el método de barrido termodinámico. Los resultados son:
Fracción de vapor: 0,5Contenido de líquidos: 50 % en base molar
Contenido de vapor:50 % en base molar
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DETERMINACIÓN DEL CÁLCULO DE FASES DE UN GAS NATURAL EN CONDICIONES
PARTICULARES
Comparación con casos similares reales:No se tiene medios para realizar experimentos reales
en laboratorio.4Comparación de los resultados con otros
simuladoresUsando el simulador DEFLUZ los resultados son los
siguientes:Fracción de vapor: 0
Contenido de líquidos: 100 % en base molarContenido de vapor: 0 % en base molar
Usando el simulador HYSYS tenemos los siguientes resultados:
Fracción de vapor: 0Contenido de líquidos: 100 % en base molar
Contenido de vapor:0 % en base molar
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DETERMINACIÓN DEL CÁLCULO DE FASES DE UN GAS NATURAL EN CONDICIONES
PARTICULARES
DETERMINACIÓN DEL CÁLCULO DE FASES DE UN GAS NATURAL EN CONDICIONES
PARTICULARES
Conclusiones
El simulador DEFLUZ y HYSYS presentan valores diferentes que el simulador SOAVER. Pero en estas condiciones las ecuaciones de estado tienen fuertes limitaciones, por lo tanto se descarta la validez de los resultados de los simuladores, porque a temperaturas bajas pudieran ingresar al estado sólido.
Muchas gracias…