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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
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Contenido
6. SISTEMAS DE BOMBEO............................................................................... 4
6.1 ACERCA DEL SIMULADOR DE TUBERÍA ................................................. 4
6.2 CAUDALES COMO UNA 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 .............................................. 15
6.9 DIMENSIONAMIENTO DE VALVULAS DE CONTROL ............................ 15
6.10 CAUDAL COMO FUNCIÓN DE PRESIÓN ............................................. 29
6.11 SIMULACIÓN 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
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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
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6. SISTEMAS DE BOMBEO
6.1 ACERCA DEL SIMULADOR DE TUBERÍAUn 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 como 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 es 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, presión 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.
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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 unaboquilla como una función de presiones de la entrada y de salida. El uso de curvas de desempeño
permite el cálculo de flujo a través 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 TUBERÍALos 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.
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La UnitOp NODO, permite a usted especificar la presión en cada lado de una UnitOp y calcular 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 serconectadas 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 PRESIONLos cálculos para redes de tubería resuelven para la presión en los nodos y luego calculan los
caudales iterativamente a través de las redes como funciones de la presión.Una UnitOp NODO
representa un punto en la red de tubería donde un cambio en la presión ocurre debido a cambio
de elevación, flujo a través de la tubería, o flujo a través del equipo que varía la presión (bomba,
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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 UnitOpspara 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, ver 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 tercera variable.Si la presión es
especificada en el primer nodo y en cualquier nodo se especifica el caudal, la presión en el
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 corriente de alimentación o producto de un
caudal conocido puede ser ajustada por nodos adyacentes.En la Fig. 6.4, especificando P1 como
una presión fija especifica la presión de la corriente 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.
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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 decorrientes 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 NODOEl 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 corriente
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 el caudal de la corriente hasta el final despuésde la UnitOp. Este trasfondo es similar a fijar la entrada.
El caudal en contracorriente establecido para una entrada 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 corriente 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.
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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 sercolocado 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 corriente
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 el 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 el caudal crítico para la tubería dada con las presiones de la
entrada y salida especificadas.
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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 DIVISORUn nodo puede ser utilizado como un 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 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 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.
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Figura 6. Nodo con divisor.
Si ambos caudales de la conexión de salida son especificados, 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 en el nodo y permitir que el flujo sea
variable. Seleccionar Variable Pressure para salir presión variable en el nodo.
Presión sobre el Nodo
Especifique la 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 resultado calculado.
Presión Mínima
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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 cero. 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 variable 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 variable dependiente. El caudal de la corriente será calculado por
la UnitOp adyacente (corriente posterior) para satisfacer los requerimientos de presión.
Free InletStream
Especifica que la corriente de entrada 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. Usar Free inletStream para especificar una corriente de
alimentación variable.
Use CurrentStreamRate
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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 entrada 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 elnodo.
El uso de SizingOption 5 para una UnitOp de tubería conectada 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 con Flow set by pipe para las
corrientes de la UnitOp tubería, el caudal 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 especificado en
cualquier otro lugar en el flowsheet.
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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 característica especifica una incógnita en la red de tubería. La
incógnita puede ser el caudal a través de la tubería o la presión en cualquier lado de la bomba. Elnodo 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 presión variable. La
UnitOp válvula es usada para cambiar la presión de la corriente 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 manual.
Modos de Control de Válvula para Red de Tubería
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Modo Fixvalve position and adjustflowrate es usado para calcular el caudal como una función de
Cv, posición de la válvula, presión de entrada, y presión 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 Performance 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 MEZCLADORUn nodo puede ser usado como un mezclador. Las corrientes de entrada al nodo todas tendrán lamisma presión igual a la del nodo. Solamente un caudal de corriente de entrada puede ser free
inlet.
6.8.6 UNITOPS AL ESTADO ESTACIONARIOUnitOps 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 caudal. Un cambiador de calor y una tubería
pueden estar en medio dos nodos, como el cambiador de calor no calcula caudal como una
función de presión. Una caída de presión constante puede ser especificada 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 calor 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
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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 conlas 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
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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 mostrado antes, las corrientes 1, 2 y 3 están a las condiciónes 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
Para hacer el dimensionamiento inicial, efectuar la simulación del divisor de corriente, para
calcular la información 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.
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Figura 9. Menú Sizing.
Seleccionamos la corriente 2
Figura 10. Selección de ID.
Aparece el siguiente cuadro de diálogo:
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Figura 11. Cuadro de dialogo.
Ingresar 15 psig para Downstreampressure y presione el botón OK. Sobre la pantalla aparece el
siguiente reporte:
Figura 12. Resultados.
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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.
Figura 13. Resultados.
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:
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Figura 14. Flowsheet.
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.
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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:
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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 cual 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:
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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.
Figura 20. Mensaje de advertencia.
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Efectuar la simulación yendo al menú Run y seleccionando Run All. Apareciendo los dos mensajes
de advertencia anteriores los cuales lo podemos ignorar.
Figura 21. Mensaje de advertencia.
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 22. Resultados.
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Figura 23. Referencias.
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Figura 24. Resultados.
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Figura 25. Resultados.
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6.10 CAUDAL COMO FUNCIÓN DE PRESIÓNEn simulaciones típicas en CHEMCAD la información fluye en una dirección: en sentido de lacorriente. 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 cambie 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?
Figura 26. Flowsheet.
Este ejemplo esta localizado en la carpeta Simuladores de Procesos\ Tutorial
CHEMCAD\Ejemplos\ Tubería\Ejemplo1.
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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 en las presiones fijadas. Los nodos son
colocados en el diagrama antes de las válvulas de control. Para nuestro sistema, el flowsheet esmodificado y mostrado a continuación:
Figura 27. Flowsheet.
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:
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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.
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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 FreeOutletStream.
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 caudal.
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Figura 31. Especificaciones de la valvula.
Figura 32. Especificaciones de la valvula.
Y para la válvula 3:
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Figura 33. Especificaciones de la valvula.
Figura 34. Especificaciones de la válvula.
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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:
Figura 35. Especificaciones de la válvula.
6.11 SIMULACIÓN DE SISTEMAS DE BOMBEOEjemplo 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 absorción. 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 estándar y una válvula de
compuerta ("gate") abierta.
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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.
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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
Editar corriente 1:
Temperatura: 68 F
Presión: 14.7 psia
Water: 20000 kg/h
1. 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
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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 selecciona 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 el fluido va hacia abajo.
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Figura 38. Pipe sizing.
Figura 39. Pipe sizing.
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Figura 40. 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
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(En caso contrario especificar corriente 2)
Simulador de tubería 2
Figura 42. PIpesizing.
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Figura 43. Pipe sizing.
Bomba1
La presión de salida de la bomba debe ser mayor que la presión de salida del sistema paracompensar 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 %.
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Figura 44. Especificaciones de la bomba.
Simulamos todo el sistema y verificamos la presión en la corriente 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.
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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.
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Figura 46. Especificaciones de la bomba.
Figura 47. Resultados.
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USO DE CONTROLADORESAhora 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
Figura 48. Flowsheet.
2. Especificamos la bomba dejando en blanco el espacio para la presión.
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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:
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Figura 50. Especificaciones del controlador.
Luego correr el programa y ver los resultados.
Figura 51. Resultados.
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Figura 52. Resultados.
DIMENSIONAMIENTO DE TUBERÍA Y USO DE VÁLVULA DE CONTROL1. Agregamos la válvula de control a la corriente en el lado de la descarga.
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Figura 53. Flowsheet.
2. Determinamos el tamaño de tubería 1: Zizing/Pipes.
Figura 54. Especificaciones de la tubería.
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Figura 55. Resultados.
2. Dimensionamos el medidor de orificio: Zizing/Orifice.
Seleccionamos Corriente: 4
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Figura 56. Medidor de orificio.
Figura 57. Resultados.
3. Válvula de control: Damos una caída de presión de 10 psia.
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Figura 58. Válvula de control.
Figura 59. Resultados.
4. Especificamos la válvula de control: colocamos 50 % abierta.
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Figura 60. Válvula de control.
5. Volvemos a especificar el controlador.
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Figura 61. Especificaciones del controlador.
Efectuar la simulación y comparar la potencia requerida sin Válvula y la necesaria con Válvula de
control.
INGRESO DE CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LA BOMBAVolvemos a la Figura 1:
Figura 62.Flowsheet.
Ingresamos la curva característica de la bomba:
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ΔP = a - b*Q2: psi
a = 75 Psi
Q = 0.0016 psi/(gpm)2
Figura 63. Especificaciones de la bomba.
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.
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Figura 64. Resultados.
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 descarga 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
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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 dediseño 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:
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Figura 66. Flowsheet.
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.
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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.
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Al hacer clic en OK aparece los valores calculados:
Figura 70. Resultados.
El programa Recomienda un Tamaño de 3.0 pulgadas de Diámetro Nominal
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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.
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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:
Figura 74. Resultados.
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En el reporte para el dimensionamiento del medidor de orificio se da el valor del coeficiente de
descarga y podemos usar este valor en 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.
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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.
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7) Asuma una caída de presión en el intercambiador 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 el 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
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Figura 79. Especificaciones de la tubería.
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Figura 80. Especificaciones de la tubería.
Figura 81. Especificaciones de la tubería.
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Pipe #2 (before control valve)
14 feetpiping
14 footelevationchange
2 ballvalves
1 swing checkvalve, clearaway
2 tee, flowthrough run
1 orificeplate (as determinedabove)
Figura 82. Especificaciones de la tubería.
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Figura 83.Especificaciones de la tubería.
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Figura 84. Especificaciones de la tubería.
Además
Pipe #3 (after control valve)
24 feetpiping
2 footelevationchange
2 ballvalve
2 tee, flowthrough run
3 Stdelbow 90 degree
1 exitfrom pipe
Pipe #4 (after E-1515)
157 feetpiping
5 foot net elevationchange
1 Ballvalve
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4 stdelbow 90 degree
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.
Figura 85. Especificaciones de la bomba.
Podemos ver que con una presión de descarga de la bomba de 61.5 psi, la presión de salida del
sistema es 20.32 psi (cercano al valor especificado).
EJEMPLO 5USO 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 proceso 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.
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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.
Figura 86. Flowsheet.
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:
Figura 87. Especificaciones del controlador.
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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.
Figura 88. Especificaciones de la 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 del 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.
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Figura 89. Resultados.
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 BIFURCADOEjemplo 5: Flujo Bifurcado
Tópicos Cubiertos
UnitOp Nodo
Red de Tuberias
Criterio de selección de la Bomba
Curvas de Operación de la UnitOp Bomba
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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.
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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.
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Figura 93. Resultados.
4. Válvula de control como se ha visto en los ejemplos anteriores: Tomando
datos de corriente 1.
Figura 94. Válvula de control.
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Figura 95. Resultados.
Luego dimensionando la válvula a 50 % abierta.
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Figura 96. Válvula de control.
5. Asuma una caída de presión a través de cada intercambiador de 2 psi. Con
esto la especificación de los intercambiadores será:
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Figura 97. Especificaciones intercambiador de calor.
6. Tabular las válvulas, accesorios, longitudes de tubería y cambios deelevación 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
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Figura 98. Especificaciones de la tubería.
Además los datos de longitud y accesorios para cada UnitOp tubería
5.1 Tubería: UnitOP 1
1 entrance, wellrounded
2 ballvalve
4 stdelbow 90 degree
1 tee, flowthroughbranch
35 feetpiping
5.2 Tubería: UnitOp 4 (Antes de la válvula de Control)
1 swing checkvalve, clearaway
2 ballvalves
2 tee, flowthrough run
1 orificeplate (as determinedabove)
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14 feetpiping
14 footelevationchange
5.3 Tubería: UnitOp 8 (Después de la válvula de control:)
1 ballvalve
1 tee, flowthrough run
2 Stdelbow 90 degree
10 feetpiping
5.4 Tubería: UnitOp 10 (Al intercambiador superior)
1 tee, flowthroughbranch
1 ballvalve
1 exitfrom pipe
3 stdelbow 90 degree
24 feetpiping
5.5 Tubería: UnitOp 13 (Después del intercambiador superior)
1 ballvalve
1 wellroundedentrance
3 stdelbow 90 degree
1 tee, flowthroughbranch
30 feetpiping
4.6 Tubería: UnitOp 14 (Al intercambiador inferior)
1 ballvalve
1 exitfrom pipe
1 teeflowthrough run
1 stdelbow 90 degree
14 feetpiping
5.7 Tubería: UnitOp 17 (Después del intercambiador inferior)
-
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1 stdelbow 90 degree
1 ballvalve
1 wellroundedentrance 1 teeflowthrough run
10 feetpiping
5.8 Tubería: UnitOp 19 (Salida del sistema)
3 stdelbow 90 degree
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.
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Figura 99. Especificaciones de la bomba.
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
-
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Mode: Variable pressure
Inletstreams. 6 stream: flow set by pipe/valve
OutletStreams. 7 stream: flow set by pipe/valve Elevation = 34 feet
Node 7
Mode: Variable pressure
Inletstreams. 8 stream: flow set by pipe/valv
OutletStreams. 22 stream: flow set by pipe/valve
Elevation = 34 feet
Node 9
Mode: Variable pressure
Inletstreams. 21 stream: flow set by pipe/valve
OutletStreams. 16 stream: flow set by pipe/valve
9 stream: flow set by pipe/valve
Elevation = 34 feet
Node 12
Mode: Variable pressure
Inletstreams. 18 stream: flow set by pipe/valve
OutletStreams. 19 stream: flow set by pipe/valve
Elevation = 50 feet.
Node 16
Mode: Variable pressure
Inletstreams. 11 stream: flow set by pipe/valve
OutletStreams. 15 stream: flow set by pipe/valve
Elevation = 38 feet.
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Node 18
Mode: Variable pressure
Inletstreams. 3 stream: flow set by pipe/valve
20 stream: flow set by pipe/valve
OutletStreams. 12 stream: flow set by pipe/valve
Elevation = 42 feet.
Node 20 (Último nodo)
Mode: Fixedpressure
Pressure at node: 20 psia
Inletstreams. 13 stream: flow set by pipe/valve
OutletStreams. 14 stream: Free outletstream
Elevation = 43 feet.
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 correr nuevamente. La
simulación puede ser sensible a estimados iniciales y ajustes min/max en los nodos. Laconvergencia 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:
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Figura 100. Resultados.
Luego de efectuada la simulación, verificar el incremento de presión 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 6Enunciado del problema:
Este ejemplo está en Simuladores de Procesos\Tutorial\CHEMCAD\Ejemplos\ Bombas4.
Figura 101. Fowsheet.
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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 continuación:
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 elevaciones 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.
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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.
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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.
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Figura 106. Especificaciones de la bomba.
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
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Pipe Diameter: Convertir el diámetro dado para la Tubería usando F6 y luego ingrese este valor 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.
Figura 107. Especificaciones de la bomba.
De manera similar, completar el paso 5 para tuberías B y C.
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Figura 108. Especificaciones de la tubería.
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Figura 109. Especificaciones de la tubería.
Paso 6: Especificaciones para Nodos
Hay cinco nodos en nuestro flowsheet, las especificaciones 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 en blanco.
Primer nodo (UnitOp 1 en el flowsheet):
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Figura 109. Especificaciones para el NODO.
6.15 BOMBEO DE GASESEstaciones 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 estación 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 sistema 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
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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 gas de la descarga del compresor podría ser enfriado hasta 28
ºF antes de reingresar a la línea de tubería (gasoducto).
Figura 110. Flowsheet.
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
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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 paracondensarlo 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 refrigerante 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 refrigerante (“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 exterior 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 en
este estudio se basan en una temperatura 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 este 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 sercomprimido hasta aproximadamente 189 psia en orden a que el refrigerante sea condensado a 90
ºF.
El sistema de refrigeración operará mas eficientemente 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 correspondientemente una menor presión que durante el
verano. La presión de operación en el lado del refrigerante en el enfriador, sin embargo no
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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 esencialmente 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 tendría 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 refrigerante 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 ºF. 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 generación 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.
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Cálculos hidráulicos de la línea de tubería
El modelo propuesto consiste de un segmento de tubería, una válvula, y un compresor de gas. Las
condiciones del gas a la entrada de la línea se han establecido en 28 ºF 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.
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Figura 112. Flowsheet,
3. Especificamos las características del segmento de tubería
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Figura 113. Especificaciones de la tubería.
Longitud del segmento: 150 Millas
1 milla 5280 pies
4. Mediante un análisis de sensibilidad determinamos el flujo de gas necesario para obtener 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.
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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 tubería. 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.
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Figura 115. Especificaciones de la válvula.
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 (modeladoseparadamente).
Una eficiencia promedio del compresor de 77.5 por ciento (adiabatica) fue usada para los cálculos
de compresión del gas.
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Figura 116. Especificaciones del compresor.
Simulamos el proceso y tenemos las propiedades de las corrientes.
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Figura 117. Resultados.
Y las características de compresor.
Figura 118. Resultados.
Predicción de la formación de hidratosEjemplo: Petrotech – Gas
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Figura 119. Menú Hydrates.
Figura 120. Selección de UnitOp ID.
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Figura 121. Flowsheet.
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Figura 122. Hydrateoptions.