simulación en hysys de los procesos productivos de enap magallanes
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UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIER€A DEPARTAMENTO DE QU€MICA •SIMULACI‚N EN HYSYSƒ DE LOS PROCESOS PRODUCTIVOS DE ENAP MAGALLANES„ LUIS EMILIO VILLEGAS VIVAR 2007 UNIVERSIDAD DE MAGALLANES FACULTAD DE INGENIER€A DEPARTAMENTO DE QU€MICA •SIMULACI‚N EN HYSYSƒ DE LOS PROCESOS PRODUCTIVOS DE ENAP MAGALLANES„ Trabajo de titulaciÄn presentado en conformidad a los requisitos para obtener el tÅtulo de Ingeniero Civil QuÅmico Profesor GuÅa: Sr. Lorenzo Lazaneo Cerda Supervisor ENAP: Sr. Nelson MenÇndez DÅaz LUIS EMILIO VILLEGAS VIVAR 2007 i RESUMEN En el presente trabajo de titulaci€n, denominado •Simulaci€n en HYSYS‚ de los procesos productivos de ENAP Magallanesƒ, se han caracterizado los procesos t„picos llevados a cabo en las instalaciones de ENAP Magallanes, mediante simulaciones computacionales realizadas en el software Aspen HYSYS‚. El proceso de creaci€n de estas simulaciones se encuentra explicado completamente en el •Manual para simular procesos productivos de ENAP Magallanes en HYSYSƒ, que se adjunta. Dicho manual constituye adem…s una gu„a gradual de ense†anza, que mediante ejemplos, casos guiados y consejos pr…cticos, permite obtener las habilidades necesarias para recrear, en el software ya mencionado, diferentes situaciones relacionadas con los equipos t„picos que utiliza ENAP Magallanes en su proceso productivo. Se ha realizado, entre otras, la simulaci€n completa de Planta Cullen y Planta Posesi€n, generando programas que permiten estimar el comportamiento de las variables de proceso frente a cambios en las condiciones de operaci€n de las plantas. Adem…s se han comparado los valores normales de operaci€n de cada planta con el resultado que entrega HYSYS, y se ha concluido que las similitudes son adecuadas dentro del rango de precisi€n requerido, y por lo tanto es importante que el personal de ENAP Magallanes pueda tener acceso a las simulaciones realizadas, y conozca la forma de desarrollar ‡stas para realizar los cambios en valores de variables o estructura del modelo. Esto se lograr… mediante la difusi€n del •Manual para simular procesos productivos de ENAP Magallanes en HYSYSƒ en las diferentes instalaciones de la empresa. Debido a la imposibilidad de activar el modo din…mico en HYSYS, por limitaciones de la licencia usada en la empresa, las simulaciones se han limitado exclusivamente a casos estacionarios. ii €NDICE RESUMEN................................................................................................................................................ I ÄNDICE.................................................................................................................................................... II ILUSTRACIONES Y TABLAS .....................................................................................................................IV INTRODUCCIÅN ....................................................................................................................................VI I - ANTECEDENTES GENERALES ............................................................................................................... 1 1.1 ENAP MAGALLANES........................................................................................................................1 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA..................................................................................................3 1.3 OBJETIVOS ......................................................................................................................................5 1.3.1 OBJETIVO GENERAL ..................................................................................................................5 1.3.2 OBJETIVOS ESPECÄFICOS............................................................................................................5 II - ANTECEDENTES TEÅRICOS ................................................................................................................ 7 2.1 USO DE SIMULADORES EN LA INDUSTRIA QUˆMICA.......................................................................7 2.2 ETAPAS GENERALES DE UNA SIMULACI‰N...................................................................................10 2.3 EL SIMULADOR HYSYS .................................................................................................................12 2.4 CONSIDERACIONES TE‰RICAS UTILIZADAS POR HYSYS................................................................15 ‚ 2.4.1 COMPRESORES RECÄPROCOS ..................................................................................................16 2.4.2 INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBO Y CARCASA...........................................................19 2.4.3 REACCIONES QUÄMICAS Y REACTORES EN HYSYS...................................................................24 2.4.4 COLUMNAS DE DESTILACIÅN..................................................................................................27 2.4.5 AJUSTADORES .........................................................................................................................33 2.4.6 RECICLOS.................................................................................................................................35 III - PARTE EXPERIMENTAL Y RESULTADOS........................................................................................... 38 3.1 ESQUEMA DE DESARROLLO..........................................................................................................38 3.2 SIMULACIONES REALIZADAS PARA ENAP MAGALLANES..............................................................41 3.3 CONSIDERACIONES ESPECˆFICAS DE CADA SIMULACI‰N.............................................................43 3.3.1 COMPRESOR HRA-5 DE PLANTA CULLEN................................................................................43 3.3.2 COMPRESOR HRA-2 DE ESTACIÅN COMPRESORA CALAFATE ................................................44 iii 3.3.3 COMPRESOR TLA-3 DE PLANTA POSESIÅN.............................................................................44 3.3.4 COMPRESOR TC-10 DE PLANTA CULLEN.................................................................................46 3.3.5 TURBINA DEL TREN SULZER ....................................................................................................46 3.3.6 ESQUEMA DE PRODUCCIÅN DE PLANTAS POSESIÅN Y CABO NEGRO ...................................48 3.3.7 ELEMPLO DE CARACTERIZACIÅN DE PETRÅLEOS EN HYSYS...................................................49 3.3.8 EJEMPLO DE LOOP DE GASODUCTOS .....................................................................................49 3.3.9 PLANTA CULLEN ......................................................................................................................49 3.3.10 PLANTA POSESIÅN ................................................................................................................52 3.4 DATOS Y RESULTADOS..................................................................................................................56 3.4.1 COMPRESOR HRA-5 DE PLANTA CULLEN................................................................................58 3.4.2 COMPRESOR HRA-5 DE ESTACIÅN COMPRESORA CALAFATE ................................................59 3.4.3 COMPRESOR TLA-3 DE PLANTA POSESIÅN.............................................................................60 3.4.4 COMPRESOR TC-10 DE PLANTA CULLEN.................................................................................61 3.4.5 TURBINA DEL TREN SULZER ....................................................................................................62 3.4.6 PLANTA CULLEN ......................................................................................................................63 3.4.7 PLANTA POSESIÅN ..................................................................................................................64 3.5 VALIDACI‰N DE LAS SIMULACIONES OBTENIDAS ........................................................................66 3.5.1 VALIDACIÅN DE PLANTA CULLEN ...........................................................................................67 3.5.2 VALIDACIÅN DE PLANTA POSESIÅN........................................................................................71 3.6 ANŠLISIS Y DISCUSI‰N DE RESULTADOS.......................................................................................76 IV - CONCLUSIONES.............................................................................................................................. 80 V - BIBLIOGRAFÄA ................................................................................................................................. 83 5.1 FUENTES CONSULTADAS ..............................................................................................................83 5.2 INTERNET ‹ SITIOS CONSULTADOS...............................................................................................83 ANEXOS ............................................................................................................................................... 84 ASPECTO GRÇFICO DE LAS SIMULACIONES........................................................................................... 85 INFORMACIÅN DE COMPRESORES ....................................................................................................... 93 iv ILUSTRACIONES Y TABLAS ILUSTRACI‰N 1.- ASPECTO GENERAL DE PLANTA POSESI‰N ...........................................................................................................2 ILUSTRACI‰N 2.- ASPECTO GENERAL DE PLANTA CULLEN ..............................................................................................................2 ILUSTRACI‰N 3.- SIMULATION BASIS MANAGER DE HYSYS ........................................................................................................13 ILUSTRACI‰N 4.- VENTANA DE PROPIEDADES PARA UN INTERCAMBIADOR DE TUBO Y CARCASA ..........................................................13 ILUSTRACI‰N 5.- ASPECTO DE UNA SIMULACI‰N TˆPICA EN HYSYS...............................................................................................14 ILUSTRACI‰N 6.- ESQUEMA DEL CILINDRO DE UN COMPRESOR RECˆPROCO .....................................................................................16 ILUSTRACI‰N 7.- ESPECIFICACI‰N EN MODO WEIGHTED.............................................................................................................22 ILUSTRACI‰N 8.- INGRESO DE PARŠMETROS FˆSICOS DEL INTERCAMBIADOR ...................................................................................22 ILUSTRACI‰N 9.- ALGUNAS REACCIONES PREDEFINIDAS EN HYSYS...............................................................................................24 ILUSTRACI‰N 10.- TIPOS DE REACTORES GENERALES ..................................................................................................................26 ILUSTRACI‰N 11.- ASPECTO DE UNA COLUMNA DE DESTILACI‰N EN HYSYS...................................................................................28 ILUSTRACI‰N 12.- ESQUEMA DE UN PROCESO DE SEPARACI‰N POR ETAPAS DE EQUILIBRIO ...............................................................29 ILUSTRACI‰N 13.- ESQUEMA TE‰RICO DE UNA COLUMNA DE DESTILACI‰N ....................................................................................31 ILUSTRACI‰N 14.- ASPECTO DEL AJUSTADOR EN HYSYS.............................................................................................................35 ILUSTRACI‰N 15.- ASPECTO DEL M‰DULO DE RECICLO EN HYSYS................................................................................................36 ILUSTRACI‰N 16.- MODELO INICIAL PARA EL COMPRESOR DE DOS ETAPAS .....................................................................................45 ILUSTRACI‰N 17.- MODELO AJUSTADO PARA CUMPLIR EL BALANCE DE MASA .................................................................................45 ILUSTRACI‰N 18.- ESQUEMA DE LA UNIDAD REGENERADORA DE GLICOL DE PLANTA CULLEN ...........................................................51 ILUSTRACI‰N 19.- ASPECTO DE LA UNIDAD REGENERADORA DE GLICOL SIMULADA EN HYSYS..........................................................52 ILUSTRACI‰N 20.- ESQUEMA DE UN REHERVIDOR TIPO TERMOSIF‰N ............................................................................................53 TABLA 1.- MŒTODOS DE RESOLUCI‰N DE COLUMNAS DE DESTILACI‰N EN HYSYS ...........................................................................33 TABLA 2.- COMPOSICIONES INGRESADAS PARA LAS SIMULACIONES DE COMPRESORES ......................................................................57 TABLA 3.- COMPOSICIONES INGRESADAS A LAS SIMULACIONES DE TREN SULZER, CULLEN Y POSESI‰N ..............................................57 TABLA 4.- DEFINICIONES DE CORRIENTES EN LA SIMULACI‰N DEL COMPRESOR HRA-5.....................................................................58 TABLA 5.- DATOS DEL COMPRESOR HRA-5 .............................................................................................................................58 TABLA 6.- RESULTADOS OBTENIDOS HRA-5 ............................................................................................................................58 TABLA 7.- DEFINICIONES DE CORRIENTES EN LA SIMULACI‰N DEL COMPRESOR HRA-2.....................................................................59 TABLA 8.- DATOS DEL COMPRESOR HRA-2 DIVIDIDO EN DOS COMPRESORES TE‰RICOS ...................................................................59 TABLA 9.- RESULTADOS OBTENIDOS PARA EL COMPRESOR HRA-2 ...............................................................................................59 v TABLA 10.- DEFINICIONES DE CORRIENTES EN LA SIMULACI‰N DEL COMPRESOR TLA-3....................................................................60 TABLA 11.- DATOS DEL COMPRESOR TLA-3 DIVIDIDO EN DOS ETAPAS. .........................................................................................60 TABLA 12.- RESULTADOS OBTENIDOS TLA-3 PARA PRESI‰N INTERETAPA DE 1,100 PSIG..................................................................60 TABLA 13.- ESPECIFICACIONES REALIZADAS AL COMPRESOR TC-10 ..............................................................................................61 TABLA 14.- RESULTADOS OBTENIDOS AL SIMULAR EL COMPRESOR TC-10 .....................................................................................61 TABLA 15.- DATOS INGRESADOS A LA SIMULACI‰N DE LA TURBINA DEL TREN SULZER.....................................................................62 TABLA 16.- RESULTADOS OBTENIDOS PARA EL TREN SULZER .....................................................................................................62 TABLA 17.- COMPOSICIONES DEL GAS DE ENTRADA A TURBINA MEDIANTE LOS DOS MŒTODOS ...........................................................62 TABLA 18.- DATOS INGRESADOS PARA LA SIMULACI‰N DE PLANTA CULLEN ...................................................................................63 TABLA 19.- CROMATOGRAFˆA DEL GAS RESIDUAL OBTENIDA EN LA SIMULACI‰N .............................................................................63 TABLA 20.- RESULTADOS DE LA SIMULACI‰N DE PLANTA CULLEN .................................................................................................63 TABLA 21.- LISTADO DE ESPECIFICACIONES UTILIZADAS PARA SIMULAR PLANTA POSESI‰N ................................................................64 TABLA 22.-TEMPERATURAS Y PRESIONES OBTENIDAS DE LA SIMULACI‰N DE PLANTA POSESI‰N .........................................................64 TABLA 23.- RESULTADOS OBTENIDOS AL SIMULAR LA COLUMNA V-5 ............................................................................................65 TABLA 24.- COMPOSICI‰N DE LAS CORRIENTES OBTENIDAS EN LA SIMULACI‰N ...............................................................................65 TABLA 25.- VALORES NORMALES DE OPERACI‰N PLANTA CULLEN Y PLANTA POSESI‰N....................................................................66 TABLA 26.- COMPOSICIONES DEL GAS DE ENTRADA PARA LAS SITUACIONES ANALIZADAS ..................................................................68 TABLA 27.- SIMULACI‰N DE PLANTA CULLEN DEL DˆA 24/07/07................................................................................................68 TABLA 28.- SIMULACI‰N DE PLANTA CULLEN DEL DˆA 25/07/07................................................................................................69 TABLA 29.- SIMULACI‰N DE PLANTA CULLEN DEL DˆA 26/07/07................................................................................................69 TABLA 30.- SIMULACI‰N DE PLANTA CULLEN DEL DˆA 27/07/07................................................................................................70 TABLA 31.- SIMULACI‰N DE PLANTA CULLEN DEL DˆA 28/07/07................................................................................................70 TABLA 32.- VALORES ESTABLES DE OPERACI‰N DE PLANTA POSESI‰N ...........................................................................................71 TABLA 33.- INFORMACI‰N DE LABORATORIO PARA LA SIMULACI‰N DE PLANTA POSESI‰N ................................................................71 TABLA 34.- SIMULACI‰N DE PLANTA POSESI‰N DˆA 31/07/07 ..................................................................................................72 TABLA 35.- CROMATOGRAFˆA OBTENIDA PARA LA SIMULACI‰N DE PLANTA POSESI‰N DˆA 31/07/07................................................72 TABLA 36.- SIMULACI‰N DE PLANTA POSESI‰N DˆA 01/08/07 ..................................................................................................73 TABLA 37.- CROMATOGRAFˆA OBTENIDA PARA LA SIMULACI‰N DE PLANTA POSESI‰N DˆA 01/08/07................................................73 TABLA 38.- SIMULACI‰N DE PLANTA POSESI‰N DˆA 04/08/07 ..................................................................................................74 TABLA 39.- CROMATOGRAFˆA OBTENIDA PARA LA SIMULACI‰N DE PLANTA POSESI‰N DˆA 04/08/07................................................74 TABLA 40.- SIMULACI‰N DE PLANTA POSESI‰N DˆA 05/08/07 ..................................................................................................75 TABLA 41.- CROMATOGRAFˆA OBTENIDA PARA LA SIMULACI‰N DE PLANTA POSESI‰N DˆA 05/08/07................................................75 vi INTRODUCCI‚N Las simulaciones computacionales de procesos productivos en la industria qu„mica constituyen una herramienta muy •til para el desarrollo de los procesos de ENAP Magallanes, pues aprovechan la rapidez de c…lculo de un ordenador para entregar resultados de forma instant…nea. En una industria en constante cambio, como lo es la industria de los combustibles, la habilidad para predecir r…pidamente qu‡ pasar… si se modifican una o m…s variables de proceso es fundamental a la hora de controlar adecuadamente los procesos. Para lograr esto, ENAP Magallanes posee una licencia para utilizar el software Aspen HYSYS.Plant‚ (com•nmente llamado HYSYS). Dicho software permite recrear los equipos e instalaciones que llevan a cabo los procesos productivos, asignar condiciones de trabajo y obtener resultados estimativos de variables de operaci€n. El trabajo que a continuaci€n se presenta entrega los resultados obtenidos al realizar simulaciones, en el software ya mencionado, de los procesos relacionados con la producci€n de gas natural y petr€leo que desarrolla ENAP Magallanes en la actualidad. La investigaci€n se ha realizado dividiendo el proceso productivo de ENAP Magallanes en unidades b…sicas representativas de las operaciones diarias (compresores, expansores, gasoductos, separadores, intercambiadores de calor, etc.), se han desarrollado aplicaciones simples para ejemplificar el uso de estas unidades b…sicas y a continuaci€n se han integrado en simulaciones m…s complejas que son capaces de representar sectores m…s amplios de la red de sistema productivo. Desarrollar simulaciones computacionales de procesos de petr€leo o gas implica conocer a fondo el sistema que se desea simular, tanto en el rango permitido de operaci€n de ciertos equipos como en valores t„picos de variables de proceso (presi€n, temperatura, flujos o composiciones, etc.). vii Una vez realizada la simulaci€n, que se basa en el flowsheet de planta, se debe comparar con los resultados medidos en terreno, y para esto se ha utilizado diversa informaci€n; informes de laboratorio, hojas de dise†o entregadas por los fabricantes, informes de mantenimiento predictivo y, principalmente, mediante medici€n y observaci€n directa de las variables o procesos de inter‡s. Se han reunido todas las simulaciones en el •Manual para simular procesos productivos de ENAP Magallanes en HYSYSƒ, documento que sirve como manual de uso del software, y que desarrolla desde los aspectos m…s b…sicos necesarios para entender las simulaciones, hasta situaciones de car…cter avanzado que requieren un conocimiento global de lo detallado en el manual. Este manual servir… como instrumento de ense†anza y apoyo para los ingenieros de procesos de ENAP Magallanes y operadores de terreno, pues de una forma met€dica y detallada entrega todos los conocimientos necesarios para poder simular las situaciones t„picas de los procesos productivos llevados a cabo en ENAP Magallanes. Todas las simulaciones analizadas en este trabajo se encuentran en un disco compacto, que se adjunta al manual. Adem…s, mediante el desarrollo de los ejemplos y ejercicios detallados en el manual, una vez finalizado el desarrollo se lograr… un conocimiento completo de las opciones que HYSYS ofrece a los profesionales vinculados con los procesos de ENAP Magallanes. CAP€TULO I ANTECEDENTES GENERALES 1 I - ANTECEDENTES GENERALES 1.1 ENAP MAGALLANES La Empresa Nacional del Petr€leo ENAP, mediante sus instalaciones en la regi€n de Magallanes, se desarrolla en el negocio de explotaci€n de combustibles f€siles. Con sus plantas de Posesi€n, Cabo Negro, Gregorio y Cullen, desarrolla m•ltiples procesos productivos, como por ejemplo: € Transporte de gas de productores ubicados en Argentina, para abastecer la planta productora de metanol Methanex Chile Ltd. € Separaci€n y comercializaci€n del propano, butano y gasolinas a partir del gas obtenido de yacimientos ubicados en Tierra del Fuego y en continente. € Producci€n de combustibles mediante refinaci€n del petr€leo proveniente de estos mismos yacimientos y de contratos de compra con diferentes productores. ENAP es la principal empresa de este …mbito en la regi€n. Los procesos llevados a cabo por ENAP engloban una amplia red de gasoductos, poliductos, estaciones compresoras, plantas deshidratadoras, pozos de producci€n, etc. Para lo que a este trabajo se refiere, se consideraron dos de sus plantas: € Planta Posesi€n: Ubicada en el continente, a aproximadamente 220 km. De Punta Arenas, realiza separaci€n de propano y m…s pesados a partir del gas que ingresa a planta. Genera por lo tanto dos productos, Raw Product y Gas Residual. 2 € Planta Cullen: En la actualidad Planta Cullen sirve como planta deshidratadora del gas que proviene de yacimientos de la isla de Tierra del Fuego. Separa adem…s los condensables para obtener una corriente de Gasolinas y un Gas Residual. Este •ltimo tiene varias finalidades, gas de reinyecci€n, suministro de gas combustible para los equipos asociados, suministro de gas para las plantas de Methanex Chile Ltd., etc. Ilustraci€n 1.- Aspecto general de Planta Posesi€n Ilustraci€n 2.- Aspecto general de Planta Cullen 3 1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ENAP Magallanes est… interesado en desarrollar un proyecto que permita capturar, a trav‡s de un trabajo de documentaci€n y an…lisis, el conocimiento adquirido por sus ingenieros al simular en el software Aspen HYSYS los procesos relacionados con la producci€n de gas natural y petr€leo. La utilizaci€n de este simulador por parte de los ingenieros de proceso ha resultado satisfactoria y precisa, para determinar condiciones de operaci€n, posibles mejoras en el sistema investigado y respuestas de operaci€n frente a cambios en la materia prima. Se desea desarrollar simulaciones en HYSYS, para los casos m…s t„picos de procesos reales que actualmente est…n en operaci€n en el sistema de producci€n de ENAP Magallanes. El trabajo se realizar… dividiendo el proceso productivo de ENAP Magallanes en unidades b…sicas representativas de las operaciones diarias (compresores, expansores, gasoductos, oleoductos, unidades deshidratadoras, etc) para posteriormente integrarlas en simulaciones m…s complejas que sean capaces de representar sectores m…s amplios de la red de sistema productivo. El objetivo de una simulaci€n no es siempre recrear la planta en su totalidad, para ENAP es m…s •til poder analizar casos peque†os y espec„ficos (un compresor, una turbina, etc.), pero para dar mayor alcance al trabajo, se simular…n las plantas de Posesi€n y Cullen en su totalidad. Basado en estas premisas, se debe desarrollar el •Manual para simular procesos productivos de ENAP Magallanes en HYSYSƒ, que explique paso a paso c€mo simular los procesos de ENAP Magallanes para, llegado el caso, adelantar una posible soluci€n frente a un problema determinado. 4 El usuario que desarrolle por completo el manual, habr… adquirido los conocimientos necesarios para crear simulaciones de cualquier situaci€n que se presenta en ENAP; redes de gasoductos, tren de intercambio de calor, torres de destilaci€n, procesos de expansi€n y compresi€n, separaci€n l„quido-vapor, etc. Todos estos casos est…n explicados paso a paso en el manual que se adjunta como anexo a este trabajo. La exactitud de las simulaciones desarrolladas ser… cotejada con datos obtenidos directamente en planta, informes de control de calidad de los laboratorios de ENAP Magallanes e Informes de Mantenimiento Predictivo asociado a los diferentes equipos simulados. 5 1.3 OBJETIVOS 1.3.1 OBJETIVO GENERAL Implementar simulaciones, desarrolladas en el simulador Aspen HYSYS‚, de los procesos diarios t„picos de ENAP Magallanes, debidamente calibrados con los datos de terreno. 1.3.2 OBJETIVOS ESPEC€FICOS € Simular en Aspen HYSYS‚ las unidades b…sicas de los procesos productivos de ENAP Magallanes. € Realizar sensibilizaci€n de las simulaciones a diferentes condiciones de operaci€n contrastando los resultados de Aspen HYSYS‚ con los datos reales de operaci€n. € Recopilar la informaci€n y experiencia adquirida para crear un •Manual para simular procesos productivos de ENAP Magallanes en HYSYSƒ, destinado a los ingenieros de procesos y operadores de ENAP Magallanes y a los alumnos de Ingenier„a Qu„mica de la Universidad de Magallanes. CAP€TULO II ANTECEDENTES TE‚RICOS 7 II - ANTECEDENTES TE‚RICOS 2.1 USO DE SIMULADORES EN LA INDUSTRIA QU€MICA Todos los profesionales relacionados al desarrollo diario de una planta qu„mica tienen la responsabilidad de decidir qu‡ hacer frente a diferentes situaciones de operaci€n. Si el flujo de entrada a planta aumenta, Žse debe a†adir m…s glicol de deshidrataci€n? ŽCu…nto? Si la temperatura del separador ha bajado, Žqu‡ v…lvula se debe abrir? Casos como estos, y quiz… m…s complicados, se presentan a diario, y es importante que la persona a cargo sepa qu‡ acci€n resulta ser la m…s adecuada para solucionar la problem…tica presente. Lamentablemente las condiciones de trabajo en la industria no permiten el proceso de •prueba y errorƒ, pues implementar una decisi€n equivocada puede llegar a tener consecuencias indeseadas en las condiciones de especificaci€n del producto. Para obtener una referencia del efecto que produce cierta acci€n sobre un sistema, se recurre a un modelo. Un modelo es una representaci€n simplificada del sistema estudiado, basado en los esquemas te€ricos subyacentes en el sistema real. Al proceso de experimentar con el modelo, esto es, cambiar par…metros, modificar esquemas, etc., se le denomina simular. Un dispositivo que permita simular se denomina simulador. Un simulador no es un recurso exclusivo de la industria qu„mica. Por ejemplo, para la construcci€n de un puente a menudo se recurre a maquetas a escala, en lo que se podr„a denominar •simuladorƒ de un puente. En primera instancia, para validar los resultados de un esquema espec„fico de producci€n, se recurre a una planta piloto, una representaci€n a escala del proceso. Pero cuando los cambios son tan r…pidos que no se puede •armarƒ una planta a escala, o econ€micamente no es conveniente, se puede utilizar un simulador computacional, para recrear 8 el sistema real e implementar y comprobar en ‡ste los cambios que el operador considera adecuados y los efectos que tendr„a dicho cambio en la instalaci€n. Sin embargo utilizar un simulador no es siempre la •nica o mejor alternativa. Una buena forma de decidir si un simulador es adecuado, es considerar las siguientes situaciones: € Cuando no existe una formulaci€n matem…tica. € Cuando existe la formulaci€n matem…tica pero es dif„cil obtener una soluci€n anal„tica: La resoluci€n de muchos esquemas te€ricos resulta ser tan extensa que a menudo se recurre a simplificaciones que merman la exactitud del modelo. € Si no existe el sistema real € Si es imposible experimentar directamente con el sistema real: Debido a que en planta se debe mantener un estricto control de calidad, no se puede intervenir el sistema las veces que sea necesario hasta encontrar la soluci€n €ptima. € El sistema evoluciona muy lentamente, o muy r…pidamente: La posibilidad que ofrecen los simuladores actuales de modificar el tiempo virtual de la simulaci€n, es un recurso invaluable para estudiar problemas de este estilo. Si por ejemplo se debe esperar una hora para observar el cambio deseado, en el simulador se puede obtener el resultado en unos pocos segundos. Como desventajas se pueden citar: € El desarrollo del modelo puede ser costoso, laborioso y lento. Es preciso un amplio conocimiento del sistema a modelar, incluyendo consideraciones espec„ficas tomadas de plantas o dise†os similares. € Existe la posibilidad de cometer errores. Nunca se debe olvidar que la simulaci€n se lleva a cabo sobre un modelo, y no sobre la situaci€n real; entonces, si el modelo est… mal formulado, o se comenten errores en su manejo, los resultados ser…n incorrectos € No se puede conocer el grado de imprecisi€n de los resultados. Por lo general, el modelo se utiliza para experimentar situaciones nunca planteadas en el sistema 9 real, por lo que no existe informaci€n previa para estimar el grado de correspondencia entre la respuesta del modelo y la del sistema real. Generalizando, las conveniencias de utilizar el simulador computacional son, entre otras, que evita complicados c…lculos y entrega resultados r…pidamente, si hay cambios que requieren de un tiempo considerable para observar los resultados en terreno, en el simulador se pueden obtener de inmediato. Y fundamentalmente, al trabajar con sistemas abstractos, no existe el riesgo de inutilizar un equipo ni la necesidad de detener la producci€n por decisiones equivocadas. 10 2.2 ETAPAS GENERALES DE UNA SIMULACI•N FormulaciÉn del problema: En este paso debe quedar perfectamente establecido el objetivo de la simulaci€n. Se deben especificar lo m…s detalladamente posible los siguientes factores: los resultados que se esperan del simulador, el plan de experimentaci€n, el tiempo disponible, las variables de inter‡s, el tipo de perturbaciones a estudiar, el tratamiento estad„stico de los resultados, la complejidad de la interfaz del simulador, etc. Se debe establecer si el simulador ser… operado por el usuario o si el usuario s€lo recibir… los resultados. DefiniciÉn del sistema: El sistema a simular debe estar perfectamente definido, tanto en variables a definir como en los resultados que se espera obtener. FormulaciÉn del modelo: Se comienza con un modelo simple que captura los aspectos relevantes del sistema real. Este modelo se ir… enriqueciendo como resultado de varias consideraciones adicionales que aportar…n precisi€n. ColecciÉn de datos: La naturaleza y cantidad de datos necesarios se determinan directamente por la formulaci€n del problema y del modelo. Se puede considerar como fuente de datos tanto registros hist€ricos y mediciones de laboratorio como observaciones realizadas en el sistema real. Estos datos deber…n ser procesados adecuadamente para darles el formato exigido en el modelo. ImplementaciÉn del modelo en el ordenador: Para el caso del simulador HYSYS, el mismo programa cuenta con modelos predeterminados que sirven de base para realizar las modificaciones necesarias. VerificaciÉn: En esta etapa se comprueba que no se haya cometido errores durante la implementaci€n del modelo. Se debe revisar cada c…lculo, estructura de programaci€n o m‡todo utilizado. 11 ValidaciÉn: En esta etapa se comprueba la exactitud del modelo desarrollado. Esto se lleva a cabo comparando las predicciones del modelo con mediciones realizadas en el sistema real, datos hist€ricos o datos de sistemas similares. Como resultado de esta etapa puede surgir la necesidad de modificar el modelo o recolectar datos adicionales. DiseÑo de experimentos: En esta etapa se deciden las caracter„sticas de los experimentos a realizar; el tiempo de arranque, el tiempo de simulaci€n y el n•mero de simulaciones necesarias. ExperimentaciÉn: Se realizan las simulaciones de acuerdo con el dise†o previo. Los resultados son debidamente recolectados y procesados. InterpretaciÉn: Se analiza la sensibilidad del modelo con respecto a los par…metros que tienen asociados una mayor incertidumbre. El modelo ser… sensible a determinados par…metros si ante peque†os cambios en los valores de los mismos, las respuestas var„an notablemente. ImplementaciÉn: Se difunde la simulaci€n y el modelo obtenidos. El responsable de la simulaci€n debe guiar en esta etapa, para evitar que los resultados se utilicen m…s all… del rango de aplicaci€n considerado en el estudio. DocumentaciÉn: Elaborar la documentaci€n t‡cnica, con una descripci€n detallada del modelo y de los datos, y manuales de uso con las consideraciones particulares de cada sistema. 12 2.3 EL SIMULADOR HYSYS‚ HYSYS‚ es un software desarrollado por la empresa AspenTech, del cual tanto ENAP Magallanes como el Departamento de Qu„mica de la Universidad de Magallanes poseen licencia de uso para su versi€n 3.2, en estado estacionario. HYSYS se ha mantenido durante 20 a†os como la alternativa l„der en simulaciones relacionadas con la industria petroqu„mica, y en ENAP se utilizan a diario simulaciones creadas por los ingenieros de procesos, para estimar soluciones y planificar futuros proyectos. HYSYS es un programa de simulaci€n de procesos qu„micos orientado a objetos. Posee un aspecto visual caracter„stico y trabaja sobre sistemas operativos Windows. Permite modelar sistemas complejos mediante una avanzada interfaz gr…fica, que ofrece al usuario la posibilidad de •armarƒ el flowsheet de planta en una ventana llamada PFD, Process Flowsheet Diagram. Posteriormente ingresando los datos necesarios (presiones, temperaturas, composiciones, flujos y especificaciones t‡cnicas de equipos, b…sicamente), se puede simular el sistema real y obtener los resultados o estimaciones adecuadas. Todas las consideraciones de manejo y creaci€n de programas se encuentran totalmente detalladas en el •Manual para simular procesos productivos de ENAP Magallanes en HYSYSƒ, que se adjunta. Raz€n por la cual s€lo se esbozar… brevemente los aspectos b…sicos de uso de HYSYS. El primer paso necesario es definir los componentes que est…n presentes en la simulaci€n, y el paquete termodin…mico asociado. Esto se realiza en una secci€n llamada Simulation Basis Manager. HYSYS provee de informaci€n detallada para bastantes modelos termodin…micos, e inclusive avisa al usuario cuando se escogen componentes que no pueden ser satisfactoriamente modelados mediante el sistema termodin…mico seleccionado. Adem…s, si se desea cambiar de termodin…mica para ciertos equipos o secciones de la simulaci€n, se da la posibilidad de elegir diversos paquetes termodin…micos y asociarlos a diferentes listados de componentes. 13 Ilustraci€n 3.- Simulation Basis Manager de HYSYS Posteriormente se ingresa al Simulation Enviroment, que conjuga las particularidades de tres tipos de ventanas (PFD, Workbook y ventanas de propiedades de cada objeto) y en las que es posible ingresar informaci€n de la manera que m…s acomode al usuario. Una vez seleccionado el modelo asociado con el sistema real, el posterior paso es crearlo en el PFD, tal como si se dise†ara un plano, asignando nombres a equipos y corrientes de proceso, creando las conexiones y asignando los datos que se han recopilado a las respectivas casillas que HYSYS presenta para tal fin. Ilustraci€n 4.- Ventana de propiedades para un intercambiador de tubo y carcasa 14 Una vez definidas todas las corrientes de proceso y caracterizadas todas las condiciones y variables relativas a los diferentes equipos que toman parte en la simulaci€n, se pueden observar directamente los resultados, ya que HYSYS posee un sistema de resoluci€n que por defecto se encuentra siempre activado, lo que significa que el programa calcula todas las propiedades y resultados factibles de calcular en todo momento, y una vez definida por completo la simulaci€n, en el instante en que el usuario defina la •ltima variable, el sistema autom…ticamente calcular… y entregar… los resultados. Obviamente esta •respuesta autom…ticaƒ se podr„a eventualmente desactivar, pero dada la actual velocidad de los ordenadores, se vuelve innecesario. Cuando el sistema est… completamente definido, se debe asignar nuevos valores a las variables especificadas, y conociendo las respuestas reales del sistema ante dichos cambios, se puede monitorear el grado de similitud que presentan ambos sistemas, el real con el simulado. Si la similitud obtenida es satisfactoria, se puede concluir que la simulaci€n HYSYS sirve para estimar condiciones futuras de proceso, y entregar… estimaciones adecuadas para analizar c€mo se comportar… el sistema real ante los cambios ingresados. Ilustraci€n 5.- Aspecto de una simulaci€n t„pica en HYSYS 15 2.4 CONSIDERACIONES TE•RICAS UTILIZADAS POR HYSYS Considerando la totalidad de simulaciones realizadas en este trabajo de titulaci€n, se hace uso de muchos equipos y propiedades disponibles en HYSYS. Algunos de los objetos utilizados simulan equipos efectivamente instalados en terreno, como compresores o intercambiadores de calor, sin embargo otras propiedades son de uso exclusivo del simulador, como ajustadores, planillas de c…lculo o reciclos. En la imposibilidad de detallar en el presente informe cada uno de los equipos utilizados, y las respectivas consideraciones te€ricas subyacentes, se han elegido tres operaciones que son representativas de c€mo HYSYS interpreta los modelos te€ricos disponibles y los adapta a su propio lenguaje de simulaci€n. Las operaciones corresponden a: € Compresores rec„procos. € Intercambiadores de calor de tubo y carcasa. € Columnas de destilaci€n. Y como par…metros propios de HYSYS, se desarrollar…n los aspectos te€ricos de dos herramientas fundamentales a la hora de armar simulaciones: € Adjust. € Recycle. Se debe considerar adem…s que HYSYS es un producto comercial cuyo c€digo fuente es confidencial, raz€n por la cual no se pueden detallar en profundidad las consideraciones te€ricas o algoritmos num‡ricos de soluci€n que utiliza el programa. Como •nica fuente de informaci€n se ha considerado la presentada en los manuales que acompa†an al programa. 16 2.4.1 COMPRESORES REC€PROCOS Un compresor rec„proco es un equipo que mediante la adici€n de energ„a, normalmente cedida por un motor acoplado, eleva la presi€n del fluido que ingresa a ‡ste. El compresor consta de un cilindro por el cual avanza un pist€n, que comprime el fluido. Si en el movimiento de retroceso el pist€n adem…s comprime el fluido que ingresa por la parte trasera (c…rter), entonces se le denomina pist€n de doble efecto. Este tipo de compresores es el m…s utilizado en las instalaciones de ENAP Magallanes. Ilustraci€n 6.- Esquema del cilindro de un compresor rec„proco Las variables que son de inter‡s para estimar el comportamiento de un compresor rec„proco son: Ef adiab (%) • Potencia adiabÄtica requerida Ä100% Potencia real requerida [Ec. 1] La potencia adiab…tica requerida corresponde al trabajo mec…nicamente reversible W: P2 W • ‚ VdP P1 [Ec. 2] 17 Para este caso HYSYS calcula el resultado utilizando directamente las ecuaciones del paquete termodin…mico que se haya seleccionado. La potencia real requerida corresponde a la diferencia de entalp„as que, si se denomina como H, significa: Potencia real requerida • H Salida ƒ H Entrada [Ec. 3] En el caso en que se conozcan las presiones de entrada y salida, la temperatura de entrada y la eficiencia, la potencia real requerida se calcula como la divisi€n entre la potencia adiab…tica calculada y la eficiencia especificada. Posteriormente, utilizando el m‡todo termodin…mico seleccionado por el usuario, se calcula la temperatura de salida que satisface la ecuaci€n [Ec. 3]. Para el c…lculo de la eficiencia politr€pica, ‡sta se obtiene de la siguiente ecuaci€n: Ef pol . Donde n • „ n … Š ‹ † ‡ n ƒ1 „ … P Œ sal ˆ ‰ ƒ 1•ÄŠ„ n …Ä„ k ƒ 1 … ‹ Œ† Pent ‡ • ŽŒˆ† n ƒ 1 ‰‡ ˆ† k ‰‡ •• ˆ ‰ Œ •• •Ž Ä Ef adiab. „ k ƒ1 … Š ‹ † ‡ k Œ„ Psal …ˆ ‰ ƒ 1• † ‡ Œ P • ŒŽˆ ent ‰ •• [Ec. 4] log( Psal / Pent ) log( Psal / Pent ) yk• actual ideal log( € sal / €ent ) log( € sal / € ent ) Las ecuaciones ya presentadas son comunes a cualquier compresor, ya sea centr„fugo o rec„proco. Adicionalmente HYSYS, para el c…lculo de un compresor rec„proco, eval•a tres par…metros m…s: Volumen desplazado por cada cilindro (PD), Clearance de los cilindros (Cl) y eficiencia volum‡trica (VE). 18 Cl • • Cl cada cilindro PD [Ec. 5] PD se calcula como el producto entre el …rea transversal neta de compresi€n del cilindro y la longitud o carrera (Stroke) que se desplaza el pist€n. Š Š Z Œ VE • Œ‘1 ƒ L ’ ƒ C Œ s Œ Zd ŒŽ ŒŽ 1 ‹‹ „ Pd … k • • † ‡ ƒ 1• • ˆ Ps ‰ • •• [Ec. 6] Pd • PresiÅn de descarga Ps • PresiÅn de succiÅn L • Efectos de friccion, pÇrdidas de carga en vÉlvulas, filtraciones k • Cp / Cv Zd • factor de compresibilidad entrada Zs • factor de compresibilidad salida C • Volumen de clearance El flujo comprimido (F) es funci€n directa de la velocidad de rotaci€n del compresor, se calcula como flujo molar y est… definido por: 1 Š Š ‹ ‹ Š N ÄPDÄ€ ‹ k • „ … Z P L „ … Œ s d • • Œ 60 F • ŒŒ†1 ƒ • ‡ ƒ C Œ † ‡ ƒ 1• •ÄŒ Z d ˆ Ps ‰ PM • ˆ 100 ‰ Œ ŒŽ • ŽŒ •• Ž • [Ec. 7] N • Velocidad de rotaciÅn (rpm) € =Densidad del gas PM = Peso molecular del gas 19 En el caso espec„fico en que la velocidad de rotaci€n del compresor es exactamente cero, el flujo a trav‡s del compresor se calcula mediante una f€rmula de presi€n-flujo, donde especificando la resistencia a velocidad cero, kvel.cero, se calcula como: F • kvel .cero Ä € Ä“PfricciÅn [Ec. 8] “PfricciÅn • PÇrdida de carga por efectos de fricciÅn La presi€n m…xima de descarga que se puede obtener en un compresor rec„proco es: k mÄx d P Š Z ‹ • Ps ÄŒ d Ä(1 ƒ L ƒ VE ” C ) • Ž Z s ÄC • [Ec. 9] En general HYSYS resuelve presi€n y flujo de forma independiente. Considerando la corriente de entrada completamente definida, si se especifica la presi€n de descarga y la eficiencia, se obtiene la energ„a necesaria, temperatura de descarga y la velocidad de rotaci€n. Si se especifica la velocidad de rotaci€n y la energ„a ingresada, se calcula la presi€n y temperatura de descarga y el flujo. Pero no se puede especificar el flujo y la velocidad, ambos a la vez. 2.4.2 INTERCAMBIADORES DE CALOR DE TUBO Y CARCASA Entre todos los tipos de intercambiadores de calor posibles de utilizar en HYSYS, el m…s utilizado para las simulaciones de ENAP Magallanes es el de tubo y carcasa. Este tipo de intercambiador de calor realiza balances de materia y energ„a para ambas corrientes simult…neamente. Como ya se ha especificado, el trabajo se desarroll€ 20 exclusivamente en estado estacionario (Steady-State), por lo cual las ecuaciones que siguen tratar…n exclusivamente dicho aspecto. El balance general aplicado por HYSYS al intercambiador corresponde a: Š M Ä H ƒ H ent ’ ƒ Q filtrado ‹ ƒ Š M caliente Ä‘ H ent ƒ H sal ’ ƒ Q perdido •‹ • Balanceerror frÇo caliente Ž frÇo ‘ sal • Ž [Ec. 10] M • Flujo mÉsico del fluido H • EntalpÑa El par…metro Balanceerror es una especificaci€n directa a HYSYS, que tiene unidades de flujo de calor (energ„a por tiempo) y por lo general se asume igual a cero, pero se est… en libertad de especificar un valor diferente. El calor total transferido entre los tubos y la carcasa, se puede definir en t‡rminos del coeficiente global de transferencia de calor, el …rea de transferencia y la temperatura media logar„tmica de acuerdo a la siguiente ecuaci€n: Q • U Ä AÄ“TLM ÄFt [Ec. 11] U • Coeficiente global de transferencia de calor A • Örea total de transferencia “TLM • Diferencia de temperaturas media logarÑtmica (LMTD) Ft • Factor de correciÅn de LMTD La LMTD se calcula como: “TLM • “T1 ƒ “T2 ln(“T1 / “T2 ) [Ec. 12] 21 Donde salida entrada “T1 • Tcaliente ƒ T frÇo entrada salida “T2 • Tcaliente ƒ T frÇo Se puede elegir si calcular el factor Ft al especificar la configuraci€n espec„fica del intercambiador, o asumirlo igual a 1. Se suele agrupar los factores U y A y definir directamente el valor para UA en conjunto. La p‡rdida de carga se puede calcular de tres maneras: € Especificaci€n directa. € C…lculo autom…tico de HYSYS de acuerdo a la configuraci€n y geometr„a del intercambiador. € Definiendo una relaci€n presi€n-flujo y especificando un factor k. Para la •ltima opci€n, la f€rmula es exactamente la [Ec. 8]. Los m‡todos de resoluci€n, y una breve descripci€n de ‡stos, son: € End-Point: Realiza el balance considerando s€lo puntos de entrada y salida. Considera un factor UA y valores de Cp constantes para todo el intercambiador. Para esta opci€n, HYSYS puede calcular el factor Ft en funci€n de los par…metros f„sicos del intercambiador (n•mero de pasos por los tubos, contracorriente o paralelo, etc.). € Weighted: Divide el intercambiador en intervalos peque†os, en cada intervalo se calculan los diferentes par…metros de la ecuaci€n [Ec. 11] (LMTD, UA, etc). Sumamente •til para intercambiadores con alto rango de temperaturas, condensaci€n, etc. S€lo calcula el factor Ft para intercambiadores en contracorriente. € Steady-State Rating: Para ser usado en estado estacionario. Realiza las mismas consideraciones que el modo End Point, pero adem…s permite estudiar el dise†o del equipo (modo Rating). 22 € Dynamic: Estudia el comportamiento din…mico del intercambiador. No considerado en este trabajo. Ilustraci€n 7.- Especificaci€n en modo Weighted Se puede decir que en general, para los objetivos que se desarrollan en este trabajo, no ha sido necesario modificar el modo que por defecto entrega HYSYS (End-Point), ya que los intercambiadores no juegan un papel clave en los procesos investigados, y las diferencias en los valores de temperatura obtenidos pr…cticamente no son decisivas. Ilustraci€n 8.- Ingreso de par…metros f„sicos del intercambiador 23 Los par…metros f„sicos posibles de ingresar cubren la totalidad de variables utilizadas en los c…lculos acostumbrados de intercambiadores de calor, como configuraci€n de los tubos, n•mero de pasos por la carcasa, pitch, espaciado de los baffles, etc. En modo Steady-State Rating, adem…s, se calculan los coeficientes locales de transferencia de calor, para el fluido de los tubos y carcasa, de acuerdo a la correlaci€n: 0.8 1/3 0.027km „ Di Gi … „ Cpi •i … „ •i … hi • † ‡ † ‡ † ‡ Di ˆ •i ‰ ˆ km ‰ ˆ •iw ‰ 0.14 [Ec. 13] Gi • Velocidad mÉsica del fluido en los tubos (velocidadÄdensidad) •i • Viscosidad del fluido de los tubos •iw • Viscosidad del fluido en las paredes del tubo Cpi • Capacidad calorÑfica del fluido en los tubos Y la relaci€n que utiliza HYSYS entre estos coeficientes locales y el factor U es: 1 U• h0 ” ro ” rw ” Do „ 1… † ri ” ‡ Di ˆ hi ‰ [Ec. 14] h0 • Coeficiente local de transf. de calor por la carcasa ro • Factor de ensuciamiento por la carcasa rw • Resistencia de las paredes de los tubos Do • DiÉmetro exterior de los tubos Di • DiÉmetro interior de los tubos ri • Factor de ensuciamiento por dentro de los tubos hi • Coeficiente de transf. de calor por dentro de los tubos Existen muchas m…s opciones para especificar un intercambiador de tubo y carcasa, y AspenTech ofrece m•ltiples programas espec„ficos para intercambiadores, que pueden ser a†adidos a HYSYS para dar mayor exactitud a la simulaci€n, y ser„a poco pr…ctico seguir 24 detallando cada uno de los botones o par…metros. Por otra parte, los resultados obtenidos en modo End-Point presentan diferencias poco apreciables con respecto a utilizar todas las alternativas de especificaci€n que se puedan ingresar en Steady-State Rating, y no justifican, para los objetivos que ENAP Magallanes requiere, el gasto de tiempo y esfuerzo necesario. 2.4.3 REACCIONES QU€MICAS Y REACTORES EN HYSYS Si bien en las instalaciones de ENAP Magallanes no se llevan a cabo reacciones qu„micas como parte de los procesos productivos, una de las simulaciones desarrolladas corresponde a la turbina del tren SULZER, en la que se ha simulado la combusti€n del gas natural que genera la mezcla que ingresa a turbina mediante dos opciones; definiendo las reacciones de combusti€n y utilizando un reactor predefinido de HYSYS denominado Gibbs Reactor. A continuaci€n se especifican ambos m‡todos. En general, para definir reacciones qu„micas, HYSYS ofrece un m€dulo espec„fico, con algunas reacciones predefinidas, t„picas de la industria qu„mica, como puede observar a continuaci€n: Ilustraci€n 9.- Algunas reacciones predefinidas en HYSYS HYSYS divide las reacciones en cinco grupos: Conversion, Equilibrium, Heterogeneous Catalytic, Kinetic y Simple Rate. Una breve descripci€n es: 25 € Conversion: Requiere la estequiometr„a de las reacciones y la conversi€n en funci€n de un componente de la reacci€n. € Equilibrium: Requiere la estequiometr„a y orden de las reacciones, y presenta diferentes formas de calcular o especificar la constante de equilibrio ln(K). € Heterogeneous Catalytic: Requiere estequiometr„a y par…metros cin‡ticos de la reacci€n, como la Energ„a de Activaci€n, Factor de Frecuencia etc. € Kinetic: Requiere los par…metros cin‡ticos de la ecuaci€n de Arrhenius y la estequiometr„a. Se puede definir el orden de cada reacci€n. Al definir los coeficientes estequiom‡tricos, HYSYS calcula el balance de moles e indica en el caso que los coeficientes ingresados est‡n mal balanceados. Las reacciones de combusti€n de gas natural que se consideraron son: CH 4 ” 2O2 • 2 H 2O ” CO2 2C2 H 6 ” 7O2 • 6 H 2O ” 4CO2 C3 H 8 ” 5O2 • 4 H 2O ” 3CO2 2C4 H10 ” 13O2 • 10 H 2O ” 8CO2 [Ec. 15] Se han considerado metano, etano, propano y butano, puesto que el gas que se quema en la turbina corresponde al gas residual de Planta Posesi€n, y de hecho la reacci€n de los butanos no se lleva a cabo pues es casi seguro que nunca habr… butano en el gas residual. La forma de definir estas reacciones se encuentra completamente explicada en el manual que se adjunta. Los tipos de reactores que se pueden definir en HYSYS corresponden a: € CSTR: Continuous Stirred Tank Reactor, reactor totalmente agitado de flujo continuo. € PFR: Plug Flow Reactor, reactor de flujo pist€n. 26 € Conversion Reactor: Reactor de conversi€n. € Equilibrium Reactor: Reactor de equilibrio. € Gibbs Reactor: Reactor de Gibbs. Para el caso que concierne a este trabajo, se utilizaron dos tipos de reactores; de conversi€n y de Gibbs. Ilustraci€n 10.- Tipos de reactores generales El reactor de conversi€n desarrolla la transformaci€n de reactantes en productos de acuerdo a la informaci€n estequiom‡trica ingresada, considerando el reactivo limitante y la f€rmula de conversi€n en funci€n de la temperatura del reactor, de acuerdo a: % conv • Co ” C1 ÄT ” C2 ÄT 2 [Ec. 16] Si se desea una conversi€n de 100% simplemente se asigna 100 a la variable Co. Para modelos m…s detallados se debe tener informaci€n del porcentaje de conversi€n a determinadas temperaturas y ajustar los datos experimentales a una correlaci€n polinomial cuadr…tica para obtener los par…metros C0, C1 y C2. El reactor de Gibbs, por su parte, no necesita informaci€n de reacciones ni coeficientes estequiom‡tricos, ya que los resultados se obtienen al especificar que la corriente de salida debe poseer la m„nima cantidad posible de energ„a libre de Gibbs, cuyo valor se calcula mediante el modelo termodin…mico elegido. 27 Ambos tipos de reactores entregan la opci€n de funcionar como un separador l„quido vapor, pero adem…s, el reactor de Gibbs sirve como un reactor de equilibrio si se especifica un set de reacciones de equilibrio. Al funcionar en estado estacionario, las dimensiones f„sicas que se pueden especificar para el reactor (altura, di…metro, nivel de l„quido, etc.) no tienen importancia. 2.4.4 COLUMNAS DE DESTILACI•N Sin lugar a dudas esta operaci€n unitaria es para la que HYSYS entrega la mayor cantidad de opciones, pues es un equipo fundamental en los procesos de la industria del petr€leo y gas natural. HYSYS incluye un ambiente espec„fico, un sub-flowsheet independiente de la simulaci€n global, en el que se puede modificar la columna de destilaci€n ingresada. EL sub-flowsheet de la columna contiene los equipos y corrientes asociados, e intercambia informaci€n con el flowsheet global, mediante las conexiones de corrientes de entrada y salida. Desde el punto de vista de la simulaci€n global, la columna se muestra como una operaci€n con m•ltiples entradas y salidas, corrientes energ‡ticas, etc. Haciendo doble clic en dicho „cono, se puede ingresar al sub-flowsheet espec„fico de la columna, y al hacer dicho cambio la simulaci€n global entra a modo Holding, o sea, pausa el motor de c…lculo hasta que se hayan realizado las modificaciones internas de la columna. Normalmente, si la columna consta de un condensador de tope, una torre de platos y un rehervidor de fondo, no es imperativo ingresar al sub-flowsheet de la columna, y se puede especificar desde la simulaci€n global. Pero si el sistema representado incluye extraciones laterales, recirculaciones, rectificadores, etc., es necesario ingresar a la columna y especificarlos en la misma metodolog„a que la simulaci€n global; mediante „conos que representan equipos y corrientes, y l„neas de conexi€n. 28 Entre las principales ventajas de considerar un flowsheet espec„fico para las columnas se puede citar: € Independizar el m‡todo de resoluci€n € Uso opcional de una termodin…mica diferente a la global € Construcci€n de columnas est…ndar (Templates) para ser ocupadas en otras simulaciones, como •caja negraƒ. € Se pueden resolver m•ltiples columnas simult…neamente. La principal diferencia entre el flowsheet global y el de la columna se puede notar a continuaci€n, para la misma columna el aspecto es: Ilustraci€n 11.- Aspecto de una columna de destilaci€n en HYSYS Entre las unidades m…s complejas que HYSYS puede simular se encuentran torres de fraccionamiento, destilaci€n en vac„o, columnas deetanizadoras, absorbedores y destilaci€n extractiva. Todos estos equipos consideran una serie de etapas de equilibrio entre una corriente de vapor que asciende y un l„quido que desciende, adem…s de considerar m•ltiples extracciones, alimentaciones, recirculaciones, etc. 29 Ilustraci€n 12.- Esquema de un proceso de separaci€n por etapas de equilibrio 2.4.4.1 ECUACIONES DE UNA COLUMNA DE DESTILACI•N HYSYS aplica balances de masa y energ„a a cada plato de la columna en cuesti€n. Considerando la nomenclatura de la Ilustraci€n 12, las ecuaciones son: Balance de masa: Global: Fj ” L j ƒ1 ” V j ”1 • L j ” V j ” R j ” VSD j ” LSD j [Ec. 17] Componente: Fj Äz j ” L j ƒ1 Äx j ƒ1 ” V j ”1 Ä y j ”1 • ( L j ” LSD j )Äx j ” (V j ” VSD j )Ä y j ” R j Äz j [Ec. 18] Balance de energ„a, con H entalp„a del vapor y h entalp„a del l„quido: Fj ÄH Fj ” L j ƒ1 Äh j ƒ1 ” V j ”1 ÄH j ”1 ” Q j • ( L j ” LSD j )Äh j ” (V j ” VSD j )ÄH j ” R j ÄH j [Ec. 19] Y la forma en que se relacionan las composiciones del l„quido y del vapor que salen de cada plato est… dada por la siguiente ecuaci€n de equilibrio: 30 yi • ki Ä xi Para cada componente " i " [Ec. 20] En donde el par…metro ki se calcula mediante el paquete termodin…mico seleccionado. Estas ecuaciones explican el comportamiento de los fluidos en cada plato de la columna. Si bien se pueden especificar las condiciones espec„ficas de un plato determinado, en HYSYS interesa m…s definir las variables globales (flujos de salida, recirculaciones, composiciones de productos, etc). Las ecuaciones globales se aplican a la columna vista •por fueraƒ y de acuerdo a la Ilustraci€n 13, se pueden deducir las siguientes expresiones: Balance de masa aplicado a toda la columna: F • D ” W [Ec. 21] Global: Componente: F ÄZ F • DÄZ D ” W Ä X W [Ec. 22] Balance de energ„a, omitiendo los valores de p‡rdida QLn y QLm: F ÄH F ” QW • QC ” DÄH F ” W ÄHW [Ec. 23] Se define la raz€n de reflujo (RRatio) en el tope como el cociente entre el reflujo de tope y el flujo de destilado: RRatio • L0 D [Ec. 24] 31 Ilustraci€n 13.- Esquema te€rico de una columna de destilaci€n No se debe confundir la raz€n de reflujo (Reflux Ratio en HYSYS) con el flujo de recirculaci€n (Reflux Rate, en HYSYS). El segundo corresponde al flujo (m…sico, molar o volum‡trico) de la corriente L0. 32 2.4.4.2 ESPECIFICACIONES DE UNA COLUMNA DE DESTILACI•N EN HYSYS Al a†adir una columna de destilaci€n en HYSYS, luego de definir las corrientes energ‡ticas y materiales asociadas, de no realizar modificaciones internas, las variables que se pueden especificar por defecto son: € Overhead Vapour Flowrate: Corresponde al flujo de vapores de tope del condensador parcial. € Distillate Flowrate: Flujo de destilado que se desea obtener. € Bottoms Flowrate: Flujo de producto de fondo. € Reflux Ratio: Raz€n de reflujo de tope. € Reflux Rate: Flujo (molar, m…sico o volum‡trico) del reflujo de tope. Sin embargo se pueden omitir estas especificaciones y agregar las que el usuario estime conveniente, ya sea temperatura en un plato espec„fico, fracci€n molar de un componente en un plato o corriente, flujo de calor en el rehervidor o condensador, etc. HYSYS indica los grados de libertad que posee el sistema dise†ado, y se deben especificar tantas variables como grados de libertad, para poder empezar el proceso iterativo que da lugar a la soluci€n. Es importante escoger el m‡todo iterativo que ocupar… HYSYS en la resoluci€n de la columna. Se puede escoger entre seis m‡todos, los cuales se detallan a continuaci€n: 33 MÖtodo DescripciÉn HYSIM Inside-Out M‡todo general, •til para la mayor„a de los problemas. Es el que viene activado por defecto al agregar una columna de destilaci€n. Modified HYSIM M‡todo general, que permite agregar mezcladores, divisores, intercambiadores Inside-Out de calor o separadores al sub-flowsheet de la columna. Newton Raphson Permite definir reacciones cin‡ticas en la fase l„quida. Inside-Out Sparse Continuation Soporta dos fases l„quidas en la columna, se utiliza principalmente para resolver Solver sistemas qu„micos altamente no ideales, y destilaci€n reactiva. Simultaneous Similar al m‡todo Sparse, pero no permite la adici€n de rectificadores laterales o Correction pump around. OLI Solver Se debe usar solamente para c…lculos en sistemas electrol„ticos. Tabla 1.- M‡todos de resoluci€n de columnas de destilaci€n en HYSYS Para los casos que se estudiar…n, sirve el primer m‡todo, y si se deben realizar modificaciones en el esquema que entrega HYSYS inicialmente, se debe escoger Modified HYSIM Inside-Out. Lamentablemente, al ser HYSYS un software comercial cuyo c€digo fuente se mantiene en estricto secreto, no se tiene acceso al algoritmo resolutivo espec„fico de cada m‡todo; la •nica informaci€n que se ha podido obtener es la Tabla 1, por otra parte en la p…gina web del producto se indica que el m‡todo HYSIM Inside-Out es el especificado por Russell (Ver bibliograf„a). Pero las modificaciones que Aspen Tech realiz€ sobre este m‡todo, para obtener los restantes, no est…n disponibles al p•blico. 2.4.5 AJUSTADORES Un ajustador en HYSYS es una operaci€n que ajusta el valor de una variable espec„fica (variable independiente) a fin de obtener un valor espec„fico en otra variable o operaci€n (variable dependiente). Es una herramienta fundamental ya que automatiza el proceso de prueba y error para obtener cierto valor requerido. B…sicamente el ajustador puede cumplir dos funciones: 34 € Ajustar la variable independiente hasta lograr que la variable dependiente llegue a un valor especificado. € Ajustar la variable independiente hasta que la variable dependiente se iguale al valor de otro objeto determinado. Aparte de definir las variables independiente y dependiente, y el valor objetivo, se deben especificar ciertos par…metros que son fundamentales a la hora de realizar el procedimiento automatizado de prueba y error, y son: € Method: Se ofrecen dos m‡todos de resoluci€n; Secant (no tan r…pido comparativamente, pero seguro) y Broyden (r…pido pero no tan estable) € Tolerance: La tolerancia indica qu‡ error se puede aceptar en la variable objetivo. Este error se calcula como absoluto, no es relativo o porcentual. La expresi€n es: Error • Valor obtenido ƒ Valor objetivo € Step Size: Corresponde a la m…xima diferencia que la variable independiente podr„a variar entre un intento y otro. Este valor se utiliza hasta que la soluci€n haya sido identificada en un rango, y entonces se ocupa un algoritmo de convergencia especificado. Un valor positivo inicialmente incrementa el valor inicial de la variable independiente, mientras que un valor negativo la disminuye. Si el valor se aleja del rango de soluci€n, la direcci€n de las iteraciones se revierte autom…ticamente. € MÜximum/Minimum: Se puede acotar la variable independiente a un rango, si se sabe que el resultado debe estar en tal rango, con lo que se acelera el proceso de convergencia. Con esto tambi‡n se puede evitar que el ajustador entregue respuestas incoherentes, como flujos negativos. € Maximum Iterations: Por defecto el ajustador realiza 10 iteraciones, pero se puede especificar cualquier valor. 35 Ilustraci€n 14.- Aspecto del ajustador en HYSYS Tambi‡n se ofrece la opci€n de utilizar m•ltiples ajustadores y resolver simult…neamente el sistema, y en tal caso se desactiva la opci€n Method, y se utiliza solamente el algoritmo de Levenberg y Marquardt, modificado por los fabricantes del programa. 2.4.6 RECICLOS La capacidad de cualquier simulador de procesos qu„micos de representar sistemas con reciclos resulta de un valor fundamental. HYSYS presenta un esquema espec„fico para resolver reciclos que est… evaluado como uno de los mejores del …mbito. Utilizar un reciclo implica instalar un m€dulo te€rico entre las corrientes de proceso, que realizar… un procedimiento iterativo espec„fico. La gran versatilidad de dicho m€dulo radica en que las condiciones de proceso pueden ser transferidas hacia atr…s o hacia delante (en el sentido del flujo) entre la entrada y salida del reciclo. En t‡rminos de la soluci€n que se busca, hay valores estimados y valores calculados, para cada una de las variables en las corrientes de entrada y salida. Dependiendo de la direcci€n en la que se transfieren los datos, los valores estimados pueden existir tanto en la entrada como en la salida. Por ejemplo, si el usuario escoge como direcci€n de transferencia Backwards (hacia atr…s) para la temperatura, el valor estimado 36 es la temperatura de la corriente de entrada, y el calculado es la temperatura de la corriente de salida. Durante el proceso de convergencia se suceden las siguientes etapas de c…lculo, aproximadamente: € HYSYS utiliza los valores estimados y resuelve el flowsheet. € Luego HYSYS compara los valores estimados con los que se obtienen por resoluci€n del flowsheet en la otra corriente relacionada en el reciclo € Bas…ndose en la diferencia entre los valores calculados y estimados, HYSYS genera nuevos valores que se toman como nuevas estimaciones. € El proceso se repite hasta que los valores obtenidos en las dos corrientes relacionadas en el reciclo difieren en un valor especificado lo suficientemente bajo para asegurar la convergencia. Ilustraci€n 15.- Aspecto del m€dulo de reciclo en HYSYS De todas las opciones, b…sicamente num‡ricas, la que m…s interesa es el modelo de resoluci€n, que puede elegirse entre Nested y Simultaneous. Como su nombre lo indica, en caso que la simulaci€n presente diferentes reciclos interconectados o relacionados de alguna manera, es necesario utilizar la opci€n Simultaneous. Para simulaciones con un solo reciclo, o varios reciclos cuyos resultados son independientes, se puede utilizar la opci€n Nested. Nuevamente, el desarrollo interno de estos algoritmos es informaci€n que se mantiene en estricto secreto, raz€n por la cual no se puede dar una mayor exposici€n de c€mo HYSYS realiza c…lculos de reciclos. CAP€TULO III PARTE EXPERIMENTAL Y RESULTADOS 38 III - PARTE EXPERIMENTAL Y RESULTADOS En el presente cap„tulo se desarrollan las consideraciones y metodolog„a utilizada en el desarrollo de las simulaciones HYSYS de los procesos productivos seleccionados como m…s caracter„sticos dentro de la actividad de ENAP Magallanes, se enumeran y explican las simulaciones creadas, se analizan los resultados obtenidos y se contrastan (en los casos posibles) con la situaci€n real. 3.1 ESQUEMA DE DESARROLLO El trabajo se ha desarrollado partiendo de la premisa que todos los pasos necesarios para crear las simulaciones puedan ser recreados por los operadores e ingenieros de procesos de ENAP Magallanes, por lo tanto en el •Manual para simular procesos productivos de ENAP Magallanes en HYSYSƒ se deben agregar desde los conocimientos b…sicos de uso de HYSYS, completamente detallados, hasta las simulaciones m…s extensas, de planta Posesi€n y Cullen. Por lo tanto se ha dividido el trabajo en las siguientes etapas de desarrollo: € Dar a conocer los aspectos b…sicos y generalidades de las simulaciones de HYSYS. € Desarrollar aplicaciones r…pidas y generales que utilicen las unidades b…sicas de proceso de ENAP Magallanes. € Profundizar en las herramientas esenciales de HYSYS que no tienen equivalencia con los equipos instalados en terreno (ajustadores, planillas de c…lculo, etc.) € Desarrollar casos reales de ENAP Magallanes. € Analizar y ajustar las simulaciones para lograr coherencia entre el modelo y la situaci€n real. Se ha denominado unidades b…sicas de proceso a todos los equipos que sirven para llevar a cabo los procesos de ENAP Magallanes, que est…n presentes en todas las instalaciones productivas de la empresa y que en conjunto conforman lo que se denomina •plantaƒ. Son 39 operaciones unitarias que realizan una acci€n determinada y por lo general consideran una corriente de entrada, una corriente de salida y la energ„a asociada. En HYSYS estas unidades b…sicas corresponden a los objetos que se deben a†adir a las simulaciones, para con las interconexiones adecuadas, obtenidas del flowsheet de planta obtener la simulaci€n final del proceso investigado. Las diferentes unidades b…sicas de proceso que se han considerado como necesarias para el desarrollo de las diferentes simulaciones son: € Separadores de l„quido y vapor. € Intercambiadores de calor: o Coolers y Heaters. o Intercambiadores de tubo y carcasa. € Mezcladores y divisores de flujo. € V…lvulas. € Bombas. € Compresores. o Compresores centr„fugos. o Compresores rec„procos. Estas unidades en HYSYS presentan diferentes opciones de especificaci€n; en primera instancia se han desarrollado aplicaciones que s€lo necesitan una definici€n r…pida y aproximada, para posteriormente desarrollar simulaciones de casos reales cuyo principal objetivo es representar de la forma m…s exacta posible estas unidades b…sicas, y esto necesariamente implica utilizar las opciones avanzadas de las unidades investigadas. En una segunda etapa se desarrollan ejemplos para lograr un domino de las herramientas espec„ficas de HYSYS, y para esto se utilizan las siguientes aplicaciones: 40 € Ajustadores: Se desarrolla la simulaci€n de la unidad regeneradora de etilenglicol de Planta Cullen. € Set: Se desarrolla un esquema de expansor y compresor acoplados, simulando el sistema utilizado en Planta Posesi€n € Planilla de cÜlculo: Se desarrolla el proceso de flasheo de gasolinas de Planta Cullen y mediante el Spreadsheet (planilla de c…lculo) se cuantifica la ganancia obtenida por venta de Raw Product. 41 3.2 SIMULACIONES REALIZADAS PARA ENAP MAGALLANES Las simulaciones de casos espec„ficos de ENAP Magallanes que se han realizado durante el presente trabajo de titulaci€n son: € Compresor rec„proco HRA-5, de Planta Cullen. € Compresor rec„proco HRA-2, de Estaci€n Compresora Calafate. € Compresor rec„proco TLA-3, de Planta Posesi€n. € Compresor centr„fugo TC-10, de Planta Cullen. € Simulaci€n completa de Planta Cullen, que consta de: o Circuito de refrigeraci€n por propano. o Sistema de acondicionamiento y deshidrataci€n de gas. o Flasheo de gasolinas. o Unidad regeneradora de etilenglicol. € Turbina del tren SULZER, de Planta Posesi€n. € Esquema de producci€n de Plantas Posesi€n y Cabo Negro. € Ejemplo de caracterizaci€n de petr€leos en HYSYS. € Ejemplo de loop de gasoductos. € Simulaci€n completa de Planta Posesi€n. Adem…s se han desarrollado dos simulaciones basadas en materiales de entrenamiento que Aspen ofrece a los usuarios registrados, en la secci€n de •Advanced Process Modeling Using Aspen HYSYSƒ de su p…gina web, las cuales son: € Gas Gathering; representaci€n de una red de gasoductos. € Modeling Real Separators in Aspen HYSYS; esquema de un separador l„quido vapor que permite simular el efecto de arrastre de l„quido en la salida de vapor. Tambi‡n es del inter‡s de la empresa explicar el funcionamiento de un software adicional asociado a HYSYS, llamado HYSYS Browser, disponible para su descarga desde el sitio web del software, para usuarios registrados. 42 HYSYS Browser es un complemento a Microsoft Excel, y permite la intercomunicaci€n entre Microsoft Excel y HYSYS. Esto significa que los datos y especificaciones que se desee ingresar a HYSYS pueden provenir de una planilla de c…lculo de Microsoft Excel, y viceversa, que los resultados obtenidos en la simulaci€n de HYSYS se puedan exportar a Microsoft Excel; con lo cual, relacionando adecuadamente estos dos programas mediante el uso de las opciones que entrega HYSYS Browser, eventualmente se lograr„a trabajar con HYSYS manejando cualquier aspecto en el ambiente gr…fico de Microsoft Excel. Se ha desarrollado un ejemplo que muestra todas las posibilidades que ofrece HYSYS Browser, basado en un caso ficticio de un compresor de dos etapas. Todas estas simulaciones se pueden recrear por completo al desarrollar el •Manual para simular procesos productivos de ENAP Magallanes en HYSYSƒ, que se anexa a este trabajo. 43 3.3 CONSIDERACIONES ESPEC€FICAS DE CADA SIMULACI•N Es importante recordar que una simulaci€n de HYSYS no representa el cien por ciento de los equipos, conexiones o corrientes que en planta se pueden observar. Debido a esto, se deben realizar ciertas simplificaciones, que conllevan a trabajar con un flowsheet aproximado al esquema real, pero que dependiendo del criterio de quien dise†e las simulaciones podr… ser tan exacto como se desee. Para identificar la informaci€n disponible relativa al caso estudiado, y poder juzgar adecuadamente el modelo dise†ado, se presenta a continuaci€n una breve descripci€n de las simulaciones, las limitaciones intr„nsecas al trabajo de modelar un proceso y los datos que se han considerado para la posterior validaci€n: 3.3.1 COMPRESOR HRA-5 DE PLANTA CULLEN El compresor HRA-5 est… instalado en la sala de compresores de Planta Cullen. Es un compresor rec„proco con 4 cilindros compresores, todos de igual di…metro de pist€n y v…stago. La simulaci€n se ha realizado ingresando los par…metros f„sicos entregados por el Informe de Mantenimiento Predictivo. S€lo se han especificado las variables necesarias para resolver el sistema, y los resultados han sido contrastados con el resto de informaci€n proveniente del Informe de Mantenimiento. Se ha considerado que es necesario esquematizar el separador de l„quido y vapor a la entrada del compresor, pues aunque al ingresar las propiedades de la corriente de entrada se ha observado que dicho flujo no presenta l„quidos (fracci€n de vapor igual a 1), a†adir el separador es un proceso r…pido, y da mayor amplitud de estudio al sistema, preparando la simulaci€n para un eventual caso en que la corriente de entrada contenga l„quidos. Se han ingresado adem…s los par…metros f„sicos de cada cilindro (di…metro de pistones, carrera, clearances, etc.), lo cual da mayor similitud al modelo. 44 3.3.2 COMPRESOR HRA-2 DE ESTACI•N COMPRESORA CALAFATE Este compresor es similar al HRA-5 ya mencionado, con la •nica salvedad que presenta diferentes caracter„sticas para los cuatro cilindros compresores, y dichas diferencias se deben representar en la simulaci€n como dos compresores individuales, cada cual con caracter„sticas definidas. Para simular este sistema se debe agregar un divisor, y HYSYS calcular… autom…ticamente los porcentajes de divisi€n debido a que el flujo que pasa por cada compresor es funci€n de la velocidad de rotaci€n del motor asociado al compresor, y dicha variable es una especificaci€n. Posteriormente las dos corrientes se juntan mediante un mixer, para conformar la corriente de salida. Los datos y resultados se han contrastado con el Informe de Mantenimiento Predictivo correspondiente. 3.3.3 COMPRESOR TLA-3 DE PLANTA POSESI•N Este compresor ha sido configurado para trabajar en dos etapas de compresi€n, y la forma de simular esta situaci€n en HYSYS corresponde a definir cada etapa como un compresor independiente, en el cual la salida de la primera etapa se enfr„a y pasa a la entrada de la segunda etapa. Sin embargo hay que considerar un factor bastante importante, el hecho que cada compresor calcula el flujo de acuerdo a las condiciones de entrada y salida de manera independiente para cada etapa, y puede suceder que los flujos requeridos por cada compresor sean diferentes. Considerando la alternativa inicialmente esbozada (una sola l„nea de corrientes), de un simple balance de masa se obtiene que el flujo es constante a lo largo de las dos etapas del compresor, y este esquema conllevar„a a un error de especificaciones por parte 45 de HYSYS. Para subsanar este efecto se debe dividir la corriente que sale de la primera etapa en dos flujos diferentes; una corriente que contin•e hacia la segunda etapa y otra corriente denominada •antorchaƒ, que se agrega para asumir el exceso o falta de flujo que requiere la segunda etapa, y as„ cumplir con el balance de masas. Este cambio en el modelo se puede observar en las siguientes ilustraciones: Ilustraci€n 16.- Modelo inicial para el compresor de dos etapas Ilustraci€n 17.- Modelo ajustado para cumplir el balance de masa Y en una posterior etapa se puede buscar la presi€n €ptima de descarga de la primera etapa, que minimiza el flujo de la corriente •Antorchaƒ evitando p‡rdidas o recirculaciones. Los datos, nuevamente, se han obtenido del Informe de Mantenimiento Predictivo respectivo. 46 3.3.4 COMPRESOR TC-10 DE PLANTA CULLEN Este compresor es centr„fugo, y trabaja en dos etapas de compresi€n, por lo cual el esquema a modelar es exactamente el mismo al desarrolllado para el compresor TLA-3. La diferencia m…s importante radica en el uso de curvas de dise†o para especificar el compresor. Se debe aclarar que, durante el desarrollo del presente trabajo de titulaci€n, el equipo en cuesti€n estaba en proceso de instalaci€n en Planta Cullen, raz€n por la cual no se tienen datos reales de funcionamiento del compresor TC-10. Como en el proceso de adquisici€n de dicho compresor ENAP Magallanes envi€ al fabricante las especificaciones del gas a comprimir (cromatograf„a promedio, variables de proceso, etc.) y los requerimientos de salida, y el fabricante entreg€ una hoja con resultados, se ha optado por contrastar dichos valores con los que garantiza el fabricante. Por estas razones, los datos para la simulaci€n corresponden a las especificaciones enviadas por ENAP Magallanes y los resultados entregados por el fabricante. 3.3.5 TURBINA DEL TREN SULZER HYSYS no posee un m€dulo espec„fico para definir turbinas, pero se pueden estimar las propiedades globales de funcionamiento de la turbina utilizando un expansor. En la p…gina web del programa se recomienda un modelo para simular el proceso de combusti€n del gas residual con que se alimenta a la turbina, y se ha utilizado dicho modelo conceptual para simular la turbina del tren SULZER de Planta Posesi€n. Se ha investigado adem…s las diferencias para los siguientes esquemas de modelaci€n del proceso de combusti€n: 47 € Definiendo las reacciones de combusti€n del gas natural [Ec. 15] y utilizando un reactor del tipo Conversion. € Omitiendo las reacciones de combusti€n y utilizando un reactor de tipo Gibbs. Se a†ade adem…s el c…lculo de ciertos par…metros que son de inter‡s a la hora de evaluar el correcto funcionamiento del sistema: € Potencia disponible total: Considerando que la energ„a involucrada en la compresi€n del aire se obtiene de la misma turbina, la potencia disponible para comprimir el gas residual y para alimentar al generador se puede obtener de acuerdo a: HPTOTAL • HPAire ” HPDisponible [Ec. 25] € Uso de la potencia disponible total: Se puede calcular qu‡ porcentaje se ocupa tanto en el generador como en el compresor C-3, asumiendo que la potencia consumida en el generador (HPGenerador) es de 3,200 HP. %Generador • %C ƒ 3 • HPGenerador HPDisponible [Ec. 26] HPDisponible ƒ HPGenerador HPDisponible [Ec. 27] € Eficiencia de uso de gas combustible: De la energ„a total que tiene el gas de entrada a turbina, se calcula el porcentaje que entrega la turbina. % EfGC • HPTOTAL Turbina He [Ec. 28] 48 € Eficiencia de la turbina: Se compara la energ„a de salida de los gases con el valor te€rico calculado si los gases salieran a 0 •C. Si se denota He como la entalp„a del gas de entrada y Hs entalp„a del gas de salida, se obtiene: H Real • ‘ HsT Ü Actual ƒ He ’ H Ideal • ‘ Hs0Ü C ƒ He ’ EfTurbina • 3.3.6 H Re al H Ideal [Ec. 29] ESQUEMA DE PRODUCCI•N DE PLANTAS POSESI•N Y CABO NEGRO En esta simulaci€n el objetivo es realizar un modelo r…pido e intuitivo del proceso de fraccionamiento del gas que proviene de los yacimientos y que ingresa a Planta Posesi€n para generar Gas Residual y Raw Product. En Cabo Negro el Raw Product se separa en sus componentes comerciales propano, butano y gasolinas. Este esquema de separaci€n, cuando no se requiere el grado de exactitud entregado por la simulaci€n espec„fica de Planta Posesi€n, se desarrolla utilizando la herramienta Splitter de HYSYS, que permite separar una corriente de acuerdo a porcentajes de separaci€n. El ‡nfasis se hace en poder obtener una estimaci€n de las ganancias econ€micas generadas por la separaci€n del Raw Product del Gas Rico, y una vez obtenida la simulaci€n se puede compara esta situaci€n con la eventualidad de no realizar procesos de separaci€n y vender todo el flujo de Gas Rico a precio de Gas Residual. Tambi‡n se puede investigar qu‡ sucede al variar la especificaci€n de calidad del Raw Product (permitiendo m…s o menos etano) o los efectos que un alza en el precio de venta del gas residual tiene en las ganancias econ€micas. 49 3.3.7 ELEMPLO DE CARACTERIZACI•N DE PETR•LEOS EN HYSYS Para esta simulaci€n se ha considerado un An…lisis de Laboratorio efectuado a la Gasolina Natural en el Terminal Gregorio, y se muestra el procedimiento necesario para representar la informaci€n de dicho An…lisis en una simulaci€n de HYSYS. Este caso no corresponde a ninguna instalaci€n o equipo de terreno, y se agrega s€lo para demostrar el procedimiento correcto de especificaci€n. 3.3.8 EJEMPLO DE LOOP DE GASODUCTOS De igual forma que para la caracterizaci€n de petr€leos, esta simulaci€n ejemplifica un loop de gasoductos gen‡rico; no tiene s„mil con situaciones reales de terreno. Representa la simulaci€n de un caso en que se tienen dos gasoductos por los cuales se ha de transportar una corriente determinada. HYSYS entrega informaci€n valiosa a la hora de decidir cu…nto porcentaje debe ir en cada gasoducto, de manera que en el punto de uni€n de ambos gasoductos se obtenga igual presi€n de llegada. Se a†ade adem…s en el punto de recepci€n la corriente de descarga de un compresor gen‡rico, y se muestra una aplicaci€n de las herramientas Adjust y Set que es fundamental para resolver la presi€n de salida del gasoducto y de descarga del compresor. 3.3.9 PLANTA CULLEN El proceso efectuado actualmente en Planta Cullen consiste en deshidratar el gas, acondicion…ndolo para su transporte hacia continente, y separar las gasolinas mediante enfriamiento. La simulaci€n que modelar… esta planta contempla las siguientes etapas de desarrollo: 50 € Circuito de refrigeraci€n por propano Corresponde a un circuito cerrado de compresi€n, condensaci€n, expansi€n y calentamiento; la etapa de calentamiento se logra en un intercambiador de tubo y carcasa en que el propano se evapora y por los tubos circula el fluido de proceso que se desea enfriar. El compresor es centr„fugo, la condensaci€n se logra mediante una serie de aeroenfriadores y la expansi€n mediante una v…lvula de Joule-Thompson. € Tren de enfriamiento del gas de entrada a planta El gas de proceso se preenfr„a en un intercambiador de tubo y carcasa por interacci€n con el gas proveniente de un separador de tres fases, para posteriormente, gracias a un circuito de propano, enfriar a•n m…s la corriente de proceso. Este esquema se simula mediante dos intercambiadores de calor de tubo y carcasa. € Flasheo de gasolinas Las gasolinas generadas por el enfriamiento del gas de proceso pasan por dos etapas de flasheo que logran disminuir la presi€n de la corriente hasta 15 kg/cm2 aproximadamente. Esto se realiza en HYSYS mediante una serie de separadores y v…lvulas € Unidad regeneradora de glicol A la corriente de entrada a planta se le a†ade una mezcla de etilenglicol y agua. En el proceso de enfriamiento se logra separar cierta cantidad de agua, que es atrapada por el etilenglicol. El resultado (una mezcla de etilenglicol y agua con mayor contenido de agua) se debe purificar para poder recircularlo al punto de entrada a planta. Para esto se dispone de una serie de intercambiadores de calor que evaporan cierta cantidad de agua hasta obtener una pureza de glicol suficiente para ser recirculada. Este esquema se ha simulado en HYSYS con la mayor similitud posible, pues para muchas variables 51 que eran necesarias para la simulaci€n (principalmente temperaturas) no hay medidores instalados. Sin embargo, como se ver… con posterioridad, los resultados obtenidos en HYSYS al simular la mezcla glicol agua no resultan satisfactorios debido a errores internos del programa. El esquema de los equipos que conforman la unidad regeneradora de glicol se presenta a continuaci€n. Ilustraci€n 18.- Esquema de la Unidad Regeneradora de Glicol de Planta Cullen Se puede notar que, por lo menos en aspecto gr…fico, presenta similitudes bastante razonables con la simulaci€n desarrollada, que se presenta a continuaci€n: 52 Ilustraci€n 19.- Aspecto de la Unidad Regeneradora de Glicol simulada en HYSYS Los datos que se han utilizado para realizar y validar la simulaci€n provienen de diversas fuentes; Informes de Rutina de Laboratorio, datos obtenidos en las Hojas de Estado Diario medidas por el operador de procesos, datos entregados por los fabricantes de los equipos simulados y principalmente, por medici€n directa de quien redacta este trabajo durante el tiempo de estad„a en planta. 3.3.10 PLANTA POSESI•N El principal objetivo de Planta Posesi€n es separar el gas de entrada a planta en dos corrientes; Raw Product, constituido de propano, componentes m…s pesados y trazas de etano, y una corriente denominada Gas Residual, que es b…sicamente metano, etano y una peque†a cantidad de propano. 53 Para efectuar este proceso de separaci€n se llevan a cabo etapas sucesivas de enfriamiento al gas que entra a planta, llegando a trabajar temperaturas de hasta -90 •C. En una primera etapa se efect•a integraci€n de calor con corrientes fr„as de otros puntos de la planta, logrando disminuir la temperatura de la corriente de entrada hasta temperaturas cercanas a -45 •C. Producto de esta ca„da de temperatura se obtiene condensaci€n, y se separa el l„quido y el vapor en un separador. El enfriamiento se ve favorecido por dos expansiones sucesivas del gas de entrada, que aproximadamente ingresa a planta a 70 kg/cm2. En el primer expansor se baja la presi€n del gas a 42 kg/cm2, y como resultado se obtiene condensaci€n de algunos componentes pesados, que pasan por un separador. En una segunda etapa se baja la presi€n a 26 kg/cm2, nuevamente hay condensaci€n y se separan los constituyentes. Todas las corrientes de l„quido que se han generado hasta el momento se unen e ingresan a una columna de destilaci€n, denominada V-5. Esta columna de destilaci€n posee un condensador total. Los vapores generados en este condensador constituyen el gas residual, que se precalienta por intercambio con otras corrientes de proceso hasta llegar a dos compresores centr„fugos acoplados a los dos expansores ya mencionados. Por el fondo de la columna V-5 el rehervidor presenta una configuraci€n de termosif€n, recirculando completamente el fluido que pasa por ‡ste. Ilustraci€n 20.- Esquema de un rehervidor tipo termosif€n 54 Considere que el rehervidor real corresponde a un horno alimentado por gas residual. Mediante una extracci€n lateral de l„quido ubicada en el plato n• 1 (la nomenclatura utilizada enumera los platos desde abajo hacia arriba) se obtiene la corriente de Raw Product, que es el principal producto de Planta Posesi€n. La columna V-5 posee 30 platos, y trabaja a una presi€n de dise†o de 30 kg/cm2 en un amplio rango de temperaturas, desde -50 •C en el tope hasta 115 •C en el fondo. Las caracter„sticas propias de este sistema, en particular el rango de temperaturas de la columna, hacen que simular este equipo en HYSYS sea un procedimiento delicado y se debe efectuar una buena elecci€n de las variables a especificar. Considerando la columna est…ndar que ofrece HYSYS, se han realizado las modificaciones necesarias para modelar de forma m…s acertada el entorno de la columna V-5, utilizando la opci€n de resoluci€n de columnas Modified HYSIM Inside-Out. La columna final posee 3 grados de libertad, y el proceso de convergencia necesario para resolver la columna considera por lo tanto la especificaci€n de 3 variables. Se han escogido las siguientes especificaciones: € Reflujo Tope: Corresponde al flujo volum‡trico (Std Ideal Vol) de recirculaci€n de tope. € Etano en Raw Product: La fracci€n molar de etano en el plato 1_Main TS. € ProducciÉn de Raw Product: El flujo volum‡trico est…ndar de Raw Product que se obtiene por la extracci€n en el plato 1_Main TS de la columna V-5. € Flujo P-3: Corresponde al flujo volum‡trico de producto de fondo que ingresa al horno H-1 y recircula completamente hacia la torre V-5. 55 Se han definido cuatro variables, debido a que en el proceso de convergencia de la columna se deben realizar sustituciones de especificaci€n escogiendo tres de ‡stas hasta obtener valores normales de operaci€n. Entre las limitaciones del modelo realizado se debe comentar la ausencia de las curvas de dise†o correspondientes a los expansores y compresores de Planta Posesi€n. Debido a la antig•edad de estos equipos no se tiene registro de esta informaci€n. Se puede comentar que, de todas las simulaciones desarrolladas, la de Planta Posesi€n es la que considera la mayor cantidad de equipos e interacci€n entre corrientes. Es necesario agregar 3 m€dulos de reciclo para lograr una adecuada simulaci€n. Los datos se han obtenido de informaci€n t‡cnica obtenida en planta, las variables de proceso y valores de cromatograf„a han sido recopilados de las Hojas de Estado Diario obtenidas por el operador de procesos, de Informes de Rutina de Laboratorio y por medici€n directa de las variables de inter‡s por parte de quien redacta el trabajo. Los resultados han sido validados en base a las mismas fuentes. 56 3.4 DATOS Y RESULTADOS En la presente secci€n se detallan los datos y resultados que se han especificado para las simulaciones realizadas para ENAP Magallanes, y se presenta el valor real medido en planta u obtenido de las diversas fuentes de informaci€n ya nombradas. Adem…s se calcula la diferencia porcentual entre el valor obtenido por HYSYS y el valor real. En el anexo se presentan las capturas de pantalla para cada simulaci€n realizada, en donde se puede comprobar el esquema utilizado. El •Manual para simular procesos productivos de ENAP Magallanes en HYSYSƒ contiene un disco compacto con los archivos de las simulaciones respectivas. Una forma r…pida de obtener la diferencia entre el modelo y el sistema real es definir el error relativo (ER) entre ambas medidas; de la siguiente forma: Š ‘ValorHYSYS ƒ ValorReal ’ ‹ ER • Abs Œ •Ä100% [Ec. 30] ValorReal Ž • Para analizar la similitud en los valores obtenidos de composici€n para determinadas corrientes, como se trabaja con magnitudes en un rango muy amplio (por ejemplo se contrastan valores de metano a 92% y valores de CO2 a 0.2%), se ha calculado el error individual para cada medici€n, pero adem…s se obtiene un error global, denominado EG, que considera la relevancia de cada compuesto en la cromatograf„a total, de la siguiente forma: EG • • xi ,Re al ÄER ,i [Ec. 31] Donde X i ,Real corresponde a la fracci€n reportada por laboratorio para cada componente i, y el error relativo para la medida de dicho componente es ER,i . 57 Con esto se logra quitar relevancia al 50% de error relativo que se obtendr„a si, por ejemplificar, el valor real de la fracci€n de nitr€geno es 0.02 y HYSYS entrega 0.03. A continuaci€n se muestra en tablas los valores de composici€n que se ha ingresado en cada simulaci€n presentada en este cap„tulo. Componente HRA-5 Cullen HRA-2 Calafate TLA-3 Posesi€n (%mol) Metano 92.12 92.12 91.50 Etano 3.83 3.83 3.92 Propano 1.20 1.20 1.53 i-Butano 0.25 0.25 0.41 n-Butano 0.30 0.30 0.47 i-Pentano 0.09 0.09 0.15 n-Pentano 0.06 0.06 0.12 n-Hexano 0.01 0.01 0.12 n-Heptano 0.00 0.00 0.02 Nitr€geno 2.04 2.04 1.69 Di€xido de carbono 0.10 0.10 0.06 Agua 0.00 0.00 0.01 Tabla 2.- Composiciones ingresadas para las simulaciones de compresores TC-10 Cullen 92.15 3.83 1.22 0.25 0.35 0.14 0.10 0.15 0.13 1.48 0.20 0.00 Componente Turbina SULZER Planta Cullen Planta Posesi€n (%mol) Metano 92.35 91.16 91.04 Etano 5.18 4.47 5.37 Propano 1.05 1.48 1.12 i-Butano 0.00 0.30 0.26 n-Butano 0.00 0.42 0.34 i-Pentano 0.00 0.14 0.13 n-Pentano 0.00 0.12 0.09 n-Hexano 0.00 0.17 0.21 Nitr€geno 1.04 1.58 1.24 Di€xido de carbono 0.38 0.16 0.20 Agua 0.00 0.00 0.00 Tabla 3.- Composiciones ingresadas a las simulaciones de Tren SULZER, Cullen y Posesi€n Para el caso de Planta Posesi€n y Planta Cullen se desglosan los resultados obtenidos de la simulaci€n desarrollada ingresando los valores normales promedio de operaci€n, para posteriormente validar el modelo al ingresar valores de informes de laboratorio correspondientes a diferentes d„as de producci€n. 58 3.4.1 COMPRESOR HRA-5 DE PLANTA CULLEN Datos ingresados a la simulaci€n: Corriente Pozos de baja (Entrada al separador) Variable Temperatura [•F] Presi€n [psig] Composici€n Presi€n [psig] Valor especificado 75 700 Ver Tabla 2 1,123 Descarga (Descarga del compresor) Tabla 4.- Definiciones de corrientes en la simulaci€n del compresor HRA-5 Equipo Variable Number of cylinders Cyl. Type Bore [in] Stroke [in] Compresor HRA-5 Piston Rod Diameter [in] Speed [RPM] Adiabatic Efficiency [%] Vol. Clearances [in3] Tabla 5.- Datos del compresor HRA-5 Equipo o corriente Variable Compresor HRA-5 Potencia [HP] Temperatura [•F] Descarga (Descarga del Flujo comprimido compresor) [MMMCSD] Tabla 6.- Resultados obtenidos HRA-5 Valor HYSYS 1,053 145.8 1,217 Valor especificado 4 Double Acting, No-Tail Rod Type 8.5 14 2.5 270 85 Ver Manual Valor real 1,045 143 1,269 Diferencia [%] 0.8 2.0 4.1 59 3.4.2 COMPRESOR HRA-5 DE ESTACI•N COMPRESORA CALAFATE Datos ingresados y resultados obtenidos en la simulaci€n: Corriente Calafate (Entrada al separador) Variable Temperatura [•F] Presi€n [psig] Composici€n Presi€n [psig] Valor especificado 82 988 Ver Tabla 2 1,259 Descarga (Descarga del compresor) Tabla 7.- Definiciones de corrientes en la simulaci€n del compresor HRA-2 Equipo Variable Valor especificado Number of cylinders 2 Cyl. Type Double Acting, No-Tail Rod Type Bore [in] 5.5 Stroke [in] 14 Cil. 1y2 Piston Rod Diameter [in] 3 Speed [RPM] 329 Adiabatic Efficiency [%] 85 Vol. Clearances [in3] Ver Manual Number of cylinders 2 Cyl. Type Double Acting, No-Tail Rod Type Bore [in] 7.25 Cil. 3y4 Stroke [in] 14 Piston Rod Diameter [in] 3 Adiabatic Efficiency [%] 85 Vol. Clearances [in3] Ver Manual Tabla 8.- Datos del compresor HRA-2 dividido en dos compresores te€ricos Equipo o corriente Compresor HRA-2 Variable Valor HYSYS Potencia [HP] 881 Temperatura [•F] 123.4 Descarga1 Flujo comprimido 0.618 (del compresor Cyl. 1y2) [MMMCSD] Temperatura [•F] 123.1 Descarga1 (Descarga del compresor Flujo comprimido 1.16 Cyl. 1y2) [MMMCSD] Temperatura [•F] 123.1 Descarga total (Suma descargas de ambos Flujo comprimido 1.78 compresores) [MMMCSD] Tabla 9.- Resultados obtenidos para el compresor HRA-2 Valor real 891 133.4 0.594 Diferencia [%] 1.1 7.5 4.0 124 1.12 0.7 3.6 128 1.68 3.8 6.0 60 3.4.3 COMPRESOR TLA-3 DE PLANTA POSESI•N Datos ingresados a la simulaci€n: Corriente Entrada (Entrada al separador) Variable Temperatura [•F] Presi€n [psig] Composici€n Temperatura [•F] Valor especificado 66 425 Ver Tabla 2 91 Entrada2 (Entrada a la segunda etapa) Presi€n [psig] 1,700 Descarga (Descarga del compresor) Tabla 10.- Definiciones de corrientes en la simulaci€n del compresor TLA-3 Equipo Variable Valor especificado Number of cylinders 2 Cyl. Type Double Acting, No-Tail Rod Type Bore [in] 9.75 Stroke [in] 19 Compresor Etapa1 Piston Rod Diameter [in] 4 Speed [RPM] 263 Adiabatic Efficiency [%] 95 Vol. Clearances [in3] Ver Manual Number of cylinders 2 Cyl. Type Double Acting, No-Tail Rod Type Bore [in] 5.625 Compresor Etapa2 Stroke [in] 19 Piston Rod Diameter [in] 4 Adiabatic Efficiency [%] 90 Vol. Clearances [in3] Ver Manual Tabla 11.- Datos del compresor TLA-3 dividido en dos etapas. Equipo o corriente Compresor Etapa1 Compresor Etapa2 Variable Valor HYSYS Valor real Potencia [HP] 1,242 1,238 Potencia [HP] 481 496.8 Temperatura [•F] 196.4 200.5 Descarga Etapa1 Flujo comprimido 0.780 0.720 [MMMCSD] Temperatura [•F] 155.5 148 Descarga Etapa2 Flujo comprimido 0.657 0.650 [MMMCSD] Tabla 12.- Resultados obtenidos TLA-3 para presi€n interetapa de 1,100 psig. Diferencia [%] 0.3 3.2 2.0 8.3 5.1 1.1 61 3.4.4 COMPRESOR TC-10 DE PLANTA CULLEN Adem…s de ingresar las curvas de dise†o para ambas etapas del compresor centr„fugo, que se presentan en el manual anexo, se han realizado las siguientes especificaciones en la simulaci€n: Corriente o equipo Entrada (Entrada al separador) Variable Temperatura [•C] Presi€n [kg/cm2] Composici€n Presi€n [kg/cm2] Temperatura [•C] Valor especificado 20 6 Ver Tabla 2 23.28 30 Descarga Etapa1 Succi€n2 (Entrada Etapa2) Solar Etapa1 Speed [RPM] 21,216 Solar Etapa2 Speed [RPM] 21,216 Tabla 13.- Especificaciones realizadas al compresor TC-10 Equipo o corriente Variable Valor HYSYS Potencia [HP] 2,548 Etapa1 Eficiencia [%] 69 Head [ft‘lbm/lbf] 71,000 Potencia [HP] 1,833 Etapa2 Eficiencia [%] 70 Head [ft‘lbm/lbf] 51,797 Temperatura [•C] 155.1 Flujo a condiciones 3,020 actuales Descarga Etapa1 [Actual ft3/min] Flujo comprimido 677 [Nm3/d] Temperatura [•C] 132.5 Descarga Etapa2 Flujo a condiciones 801.9 actuales [Actual ft3/min] Tabla 14.- Resultados obtenidos al simular el compresor TC-10 Valor real 2,585 69.3 70,945 1,833 70.6 51,265 154.6 3,017 Diferencia [%] 1.4 0.4 0.1 0.0 0.8 1.0 0.3 0.1 675 0.3 130.0 813.6 1.9 1.4 Se debe notar que se ha agregado a las curvas de dise†o el punto de operaci€n real, a 21,216 RPM, pues como el rango de eficiencias que presentan las curvas es estrecho, se observaban errores en la simulaci€n, y los resultados no eran satisfactorios. 62 3.4.5 TURBINA DEL TREN SULZER Los datos especificados, y resultados obtenidos de la simulaci€n del proceso de combusti€n y turbina del tren SULZER son los siguientes: Corriente o equipo Gas Combustible Aire a compresi€n Variable Temperatura [•C] Presi€n [psia] Composici€n Temperatura [•C] Presi€n [psia] Temperatura [•C] Valor especificado 12 100 Ver Tabla 3 12 14 750 Gases de entrada a la turbina Compresor de aire Eficiencia [%] 90 Turbina Eficiencia 75 Tabla 15.- Datos ingresados a la simulaci€n de la turbina del tren SULZER Equipo o corriente Compresor de aire Variable Valor HYSYS Potencia [HP] 35,093 Potencia [HP] 49,870 Temperatura de 459.3 salida de gases [•C] Eficiencia de uso de 51.93 gas combustible [%] Turbina Potencia disponible 14,778 total [HP] Porcentaje utilizado 21.65 por generador [%] Eficiencia de 38 combusti€n [%] Tabla 16.- Resultados obtenidos para el tren SULZER Composici€n obtenida Valor real 35,000 50,000 450 Diferencia [%] 0.3 0.3 2.1 No disponible - 15,000 1.5 No disponible - No disponible - Componente Reacciones de Reactor de (%mol) combusti€n Gibbs Ox„geno 16.41 16.41 Nitr€geno 77.38 77.38 Gases a turbina Agua 04.09 04.09 Di€xido de carbono 02.12 02.12 Tabla 17.- Composiciones del gas de entrada a turbina mediante los dos m‡todos Diferencia [%] 0 0 0 0 63 3.4.6 PLANTA CULLEN Datos ingresados y resultados obtenidos: Corriente o equipo Variable Temperatura [•C] Presi€n [kg/cm2] Gas de entrada Flujo est…ndar de gas [MMMCSD] Composici€n Water Dew Point [•C] Flujo [USGPM] Glicol de recirculaci€n Composici€n EGlicol [%masa] Propano de enfriamiento Flujo volum‡trico [MCSD] Tabla 18.- Datos ingresados para la simulaci€n de Planta Cullen Valor especificado 30 55 2.0 Ver Tabla 3 -14 1.575 73.1 149,300 Composici€n de gas residual obtenida Componente Valor HYSYS Valor real (%mol) Metano 91.42 91.55 Etano 4.45 4.44 Propano 1.44 1.43 i-Butano 0.28 0.28 n-Butano 0.38 0.36 Gas a compresores i-Pentano 0.11 0.10 n-Pentano 0.09 0.07 n-Hexano 0.08 0.02 Nitr€geno 1.59 1.61 Di€xido de carbono 0.16 0.16 ERROR GLOBAL RESULTANTE [%] Tabla 19.- Cromatograf„a del gas residual obtenida en la simulaci€n Corriente o equipo Glicol de separador Unidad de regeneraci€n de glicol Gas a compresores Gasolinas Variable Composici€n EGlicol [%masa] Temperatura de regeneraci€n [•F] Water Dew Point [•C] Flujo volum‡trico est…ndar [m3/d] Temperatura [•C] Diferencia [%] 0.1 0.2 0.7 0.0 5.6 10 28 300 1.2 0.0 0.28 Valor HYSYS 72.7 Valor real 70.7 Diferencia [%] 2.8 241.1 242 0.4 -25.3 36 -24 35 ‹ 45 5.4 Valor Aceptable 13 Separador de -19.3 gasolinas Tabla 20.- Resultados de la simulaci€n de Planta Cullen -17 64 3.4.7 PLANTA POSESI•N Datos ingresados y resultados obtenidos: Corriente o equipo Variable Valor especificado Temperatura [•C] 23 Presi€n [kg/cm2] 72 Gas de entrada Flujo est…ndar de gas [MMMCSD] 7.5 Composici€n Ver Tabla 3 2 Presi€n de descarga [kg/cm ] 42 Expansor 1 Flujo que pasa por v…lvula JT [%] 10 27 Presi€n de descarga [kg/cm2] Expansor 2 Flujo que pasa por v…lvula JT [%] 1 Separador V-21 Temperatura [•C] -74 Temperatura de corriente de salida -66 Intercambiador E-6 por los tubos [•C] 1,000 Reflujo de tope [m3/d] Columna V-5 Etano en Raw Product [fracci€n molar] 0.016 Flujo P-3 (A horno) [m3/d] 1,280 Tabla 21.- Listado de especificaciones utilizadas para simular Planta Posesi€n Corriente o equipo Separador V-1 Separador V-21 Variable Valor HYSYS Valor real Presi€n [kg/cm2] 65.88 69.5 Presi€n [kg/cm2] 42 41.1 Presi€n Entrada Ex-1 65.88 63.1 2 [kg/cm ] Presi€n Entrada Gas 30.6 27.0 Expansor Ex-1 2 en C-2 [kg/cm ] Presi€n Salida Gas en 37.6 30.7 C-2 [kg/cm2] Presi€n Entrada Ex-2 42 40 [kg/cm2] Presi€n Entrada Gas 26.5 23 Expansor Ex-2 en C-1 [kg/cm2] Presi€n Salida Gas en 30 26 C-1 [kg/cm2] Tabla 22.-Temperaturas y presiones obtenidas de la simulaci€n de Planta Posesi€n Diferencia [%] 5.2 2.2 4.4 13.3 22.5 5.0 15.2 15.4 Con respecto a los resultados relacionados con la columna de destilaci€n V-5 y los equipos asociados, los resultados obtenidos son: 65 Columna V-5 Variable Valor HYSYS Temperatura [•C] -45 Corriente de entrada Presi€n [kg/cm2] 32 Fondo de la torre Temperatura [•C] 106.7 Reflujo de fondo Temperatura [•C] 111 Vapores de tope Temperatura [•C] -40 Reflujo de tope Temperatura [•C] -50 Gas residual Flujo [MMMCSD] 1.28 Raw Product Flujo [m3/d] 668.5 Tabla 23.- Resultados obtenidos al simular la columna V-5 Valor real -47 30 110 120 -38 -47 1.15 750 Diferencia [%] 4.3 6.7 3.0 7.5 5.3 6.4 11.3 10 La simulaci€n entrega los siguientes valores para la cromatograf„a de los gases reportados en el Informe de Laboratorio: Composici€n Componente Valor HYSYS Valor real (%mol) Metano 78.07 81.69 Etano 21.56 17.35 Propano 0.01 0.01 Gases de V-4 Nitr€geno 0.32 0.27 Di€xido de carbono 0.05 0.69 ERROR GLOBAL RESULTANTE [%] Metano 96.29 96.29 Etano 2.05 2.30 Propano 0.04 0.08 Gases de V-3 Nitr€geno 1.47 1.04 Di€xido de carbono 0.15 0.29 ERROR GLOBAL RESULTANTE [%] Etano 1.60 1.35 Propano 50.52 50.10 i-Butano 12.07 12.62 n-Butano 15.81 16.94 Raw Product i-Pentano 6.05 5.74 n-Pentano 4.19 4.15 n-Hexano 9.77 9.11 ERROR GLOBAL RESULTANTE [%] Metano 93.00 93.28 Etano 5.49 5.34 Propano 0.03 0.06 Gas Residual Nitr€geno 1.26 0.92 Di€xido de carbono 0.20 0.40 ERROR GLOBAL RESULTANTE [%] Tabla 24.- Composici€n de las corrientes obtenidas en la simulaci€n Diferencia [%] 4.4 24.3 0.0 18.5 92.8 8.5 0.0 10.9 50.0 41.3 48.3 0.9 18.5 0.8 4.4 6.7 5.4 1.0 7.2 3.3 0.3 2.8 50.0 37.0 50.0 1.0 66 3.5 VALIDACI•N DE LAS SIMULACIONES OBTENIDAS Considerando que las simulaciones m…s importantes corresponden a las de Planta Posesi€n y Planta Cullen, se ha investigado el comportamiento de los modelos propuestos en HYSYS para estas plantas. Se ha contrastado el resultado entregado por las simulaciones creadas en HYSYS con valores reales obtenidos durante cinco d„as de operaci€n de planta (para el caso de Planta Posesi€n se han considerado cuatro d„as, debido a la estabilidad de los valores observados), ingresando la informaci€n correspondiente a los Informes de Rutina de Laboratorio y Hojas de Estado Diario registradas por el operador de procesos de planta. Las fechas corresponden a: € Planta Cullen: Entre el 24 y el 28 de Julio de 2007. € Planta Posesi€n: Entre el 31 de Julio y el 5 de Agosto de 2007. Las condiciones de presi€n, temperatura y flujo de entrada a planta se han considerado estables para el lapso de tiempo estudiado, y corresponden a: Condiciones de proceso Variable Planta Cullen Planta Posesi€n Temperatura [•C] 30 23 Presi€n [kg/cm2] 55 70 Entrada a Planta Flujo volum‡trico 2.0 7.0 est…ndar [MMMCSD] Tabla 25.- Valores normales de operaci€n Planta Cullen y Planta Posesi€n 67 3.5.1 VALIDACI•N DE PLANTA CULLEN Las variables que se deben especificar, para obtener los resultados y analizar la simulaci€n presentada de Planta Cullen son: € Cromatograf„a realizada al gas de entrada a planta: Laboratorio realiza dos medidas diarias de cromatograf„a al gas de entrada. Se ingresa a la simulaci€n el valor promedio de dichos resultados. € Porcentaje de pureza de etilenglicol de recirculaci€n; tambi‡n reportado por laboratorio. € Punto de roc„o del gas de entrada: medido por laboratorio dos veces al d„a. Se ingresa a la simulaci€n el promedio de dichos valores. La variable que es fundamental a la hora de obtener un buen resultado es la temperatura a la cual se lleva a cabo la separaci€n; que se regula mediante el flujo de propano de enfriamiento. Esta variable presenta constantes variaciones, raz€n por la cual no se puede dar un dato exacto, pero se ha observado que un valor razonable est… entre 140,000 y 160,000 MCSD. Se ajusta dicha variable en el modelo de HYSYS hasta obtener resultados satisfactorios. Bajo las mismas consideraciones, se considera aceptable un flujo de gasolinas entre 35 y 45 m3/d„a. Una vez realizadas estas modificaciones se pueden recopilar los resultados y contrastarlos con el valor reportado por Laboratorio, principalmente cromatograf„a y punto de roc„o del gas residual. Los valores reportados por Laboratorio, para cromatograf„a y punto de roc„o del gas de entrada son: 68 Fecha 24-jul 25-jul 26-jul 27-jul Metano 91.68 91.69 91.78 91.67 Etano 4.33 4.36 4.29 4.24 Propano 1.50 1.51 1.46 1.43 i-Butano 0.34 0.34 0.33 0.34 n-Butano 0.46 0.46 0.46 0.45 i-Pentano 0.16 0.16 0.16 0.16 n-Pentano 0.13 0.13 0.13 0.28 n-Hexano 0.28 0.25 0.25 0.23 Nitr€geno 1.02 1.00 1.03 1.12 CO2 0.12 0.12 0.12 0.11 Agua 0.00 0.00 0.00 0.00 Dew Point [•C] -11.00 -12.00 -12.00 -13.00 Tabla 26.- Composiciones del gas de entrada para las situaciones analizadas 28-jul 91.75 4.27 1.48 0.34 0.45 0.16 0.13 0.28 1.04 0.12 0.00 -11.00 A continuaci€n se presentan los resultados obtenidos. Se denomina URG a la Unidad Regeneradora de Glicol. Se enlistan los datos de cromatograf„a y punto de roc„o del gas residual, temperatura de regeneraci€n de glicol y porcentaje de pureza del glicol que ingresa al sistema de regeneraci€n. Para el flujo de propano necesario y la producci€n de gasolina, se especifica si el valor obtenido est… dentro del rango aceptable ya definido. 24/07/07 Valor HYSYS Valor real Metano 92.11 92.00 Etano 4.30 4.45 Propano 1.44 1.43 i-Butano 0.31 0.30 n-Butano 0.40 0.39 i-Pentano 0.12 0.11 n-Pentano 0.09 0.08 n-Hexano 0.11 0.07 Nitr€geno 1.03 1.05 CO2 0.10 0.13 ERROR GLOBAL [%] Dew Point Salida[•C] -21.24 -26.0 Temperatura URG [•F] 237.6 242 Glicol a URG[%] 69.7 68.4 Gasolinas [m3/d] 43.27 Aceptable Flujo de propano [MCSD] 148 Aceptable Tabla 27.- Simulaci€n de Planta Cullen del d„a 24/07/07 Diferencia [%] 0.1 3.4 0.7 3.3 2.6 9.1 12 57 1.9 23 0.4 18.3 1.8 1.9 69 25/07/07 Valor HYSYS Valor real Metano Etano Propano i-Butano n-Butano i-Pentano n-Pentano n-Hexano Nitr€geno CO2 92.12 91.98 4.33 4.45 1.45 1.44 0.31 0.30 0.40 0.40 0.12 0.12 0.09 0.09 0.10 0.07 1.01 1.05 0.10 0.13 ERROR GLOBAL [%] Dew Point Salida[•C] -23.1 -24.5 Temperatura URG [•F] 241.0 242 Glicol a URG[%] 72.5 68.8 Gasolinas [m3/d] 41.12 Aceptable Flujo de propano [MCSD] 149.3 Aceptable Tabla 28.- Simulaci€n de Planta Cullen del d„a 25/07/07 26/07/07 Metano Etano Propano i-Butano n-Butano i-Pentano n-Pentano n-Hexano Nitr€geno CO2 Valor HYSYS Valor real 92.17 92.12 4.26 4.39 1.40 1.38 0.30 0.29 0.40 0.38 0.12 0.10 0.09 0.07 0.10 0.06 1.04 1.09 0.12 0.13 ERROR GLOBAL [%] Dew Point Salida[•C] -22.31 -23.50 Temperatura URG [•F] 238.20 242 Glicol a URG[%] 70.4 68.90 Gasolinas [m3/d] 39.27 Aceptable Flujo de propano [MCSD] 148 Aceptable Tabla 29.- Simulaci€n de Planta Cullen del d„a 26/07/07 Diferencia [%] 0.2 2.7 0.7 3.3 0.0 0.0 0.0 43 3.8 23 0.38 1.6 0.4 4.4 Diferencia [%] 0 2.9 2.2 4.4 7.1 22 30 84 5 7.7 0.35 5.1 1.6 5 70 27/07/07 Valor HYSYS Valor real Metano Etano Propano i-Butano n-Butano i-Pentano n-Pentano n-Hexano Nitr€geno CO2 92.10 92.03 4.21 4.40 1.37 1.36 0.31 0.30 0.39 0.38 0.12 0.11 0.18 0.08 0.09 0.11 1.13 1.13 0.11 0.12 ERROR GLOBAL [%] Dew Point Salida[•C] -20.89 -27.5 Temperatura URG [•F] 239.7 242 Glicol a URG[%] 71.66 68.80 Gasolinas [m3/d] 45.27 Aceptable Flujo de propano [MCSD] 146.7 Aceptable Tabla 30.- Simulaci€n de Planta Cullen del d„a 27/07/07 28/07/07 Metano Etano Propano i-Butano n-Butano i-Pentano n-Pentano n-Hexano Nitr€geno CO2 Valor HYSYS Valor real 92.14 92.03 4.24 4.40 1.42 1.40 0.31 0.30 0.39 0.39 0.12 0.12 0.09 0.08 0.12 0.09 1.05 1.09 0.12 0.13 ERROR GLOBAL [%] Dew Point Salida[•C] -21.1 -26.0 Temperatura URG [•F] 233.2 242 Glicol a URG[%] 65.6 66.00 Gasolinas [m3/d] 40.9 Aceptable Flujo de propano [MCSD] 146.7 Aceptable Tabla 31.- Simulaci€n de Planta Cullen del d„a 28/07/07 Diferencia [%] 0.1 4.3 0.7 3.3 2.6 9.1 125 18 0.0 8.3 0.4 24 1.0 4.2 Diferencia [%] 0.1 3.6 1.4 3.3 0.0 0.0 12 33 3.7 7.7 0.4 18.8 3.6 0.6 71 3.5.2 VALIDACI•N DE PLANTA POSESI•N Durante el proceso de recolecci€n de datos las condiciones operativas de planta se mantuvieron sumamente estables, para las variables que interesan en la simulaci€n. Esto significa que las siguientes variables, para todos los casos estudiados, se especificar…n al valor que se presenta a continuaci€n: Corriente o equipo Variable Temperatura [•C] Gas de entrada Presi€n [kg/cm2] Flujo est…ndar de gas [MMMCSD] Presi€n de descarga [kg/cm2] Expansor 1 Flujo que pasa por v…lvula JT [%] Presi€n de descarga [kg/cm2] Expansor 2 Flujo que pasa por v…lvula JT [%] Separador V-21 Temperatura [•C] Reflujo de tope [m3/d] Columna V-5 Flujo P-3 (A horno) [m3/d] Tabla 32.- Valores estables de operaci€n de Planta Posesi€n Valor especificado 13 70 7.0 41.5 10 26.5 1 -73 1,000 1,280 La •nica variable que se modificar… en cada validaci€n es la cromatograf„a del gas de entrada a planta, y se ingresar… la fracci€n de etano en Raw Product reportada por Laboratorio como especificaci€n para la columna V-5. Los valores reportados por Laboratorio son: Fecha 05-sep 31-ago 01-sep 04-sep Metano 91.23 91.2 91.44 90.58 Etano 5.33 5.24 5.04 6.00 Propano 1.07 1.15 1.12 1.06 i-Butano 0.24 0.26 0.24 0.25 n-Butano 0.31 0.35 0.31 0.33 i-Pentano 0.12 0.12 0.12 0.12 n-Pentano 0.09 0.09 0.09 0.09 n-Hexano 0.20 0.22 0.17 0.18 Nitr€geno 1.21 1.16 1.25 1.20 CO2 0.20 0.21 0.22 0.19 Tabla 33.- Informaci€n de laboratorio para la simulaci€n de Planta Posesi€n Y los resultados obtenidos son: 72 Corriente o equipo Variable Valor HYSYS Presi€n [kg/cm2] 63.9 2 Presi€n Entrada [kg/cm ] 63.9 Expansor Ex-1 Presi€n Entrada C-2 [kg/cm2] 29.7 Presi€n Salida C-2 [kg/cm2] 34.1 Presi€n Entrada [kg/cm2] 41.5 Expansor Ex-2 2 Presi€n Entrada C-1 [kg/cm ] 26.0 Entrada V-5 Temperatura [•C] -55.0 Fondo de la torre Temperatura [•C] 106.9 Reflujo de fondo Temperatura [•C] 111.6 Vapores de tope Temperatura [•C] -36.9 Reflujo de tope Temperatura [•C] -48.2 Gas residual Flujo [MMMCSD] 1.0 Raw Product Flujo [m3/d] 585.8 Tabla 34.- Simulaci€n de Planta Posesi€n d„a 31/07/07 Separador V-1 Composici€n Valor real 68.7 62.5 26.7 30.3 40.0 23.4 -55.0 108.7 115.8 -42.0 -52.3 1.0 580.0 Diferencia [%] 7.0 2.2 11.3 12.6 3.8 11.1 0.0 1.7 3.6 12.1 7.9 0.0 1.0 Componente Valor HYSYS Valor real Diferencia [%] (%mol) Metano 75.91 81.28 6.6 Etano 23.30 17.82 30.8 Gases de V-4 Nitr€geno 0.29 0.23 25.1 Di€xido de carbono 0.50 0.68 27.2 ERROR GLOBAL RESULTANTE [%] 11.1 Metano 96.14 96.40 0.3 Etano 2.26 2.27 0.6 Propano 0.05 0.08 39.8 Gases de V-3 Nitr€geno 1.40 0.99 41.6 Di€xido de carbono 0.15 0.28 45.4 ERROR GLOBAL RESULTANTE [%] 0.8 Etano 1.42 1.42 0.0 Propano 51.05 49.68 2.8 i-Butano 11.86 12.48 5.0 n-Butano 15.35 16.85 8.9 Raw Product i-Pentano 5.95 6.13 3.0 n-Pentano 4.46 4.21 6.0 n-Hexano 9.91 9.23 7.4 ERROR GLOBAL RESULTANTE [%] 4.6 Metano 93.03 93.41 0.4 Etano 5.45 5.26 3.7 Propano 0.04 0.06 30.6 Gas Residual Nitr€geno 1.27 0.89 42.4 Di€xido de carbono 0.20 0.38 46.2 ERROR GLOBAL RESULTANTE [%] 1.1 Tabla 35.- Cromatograf„a obtenida para la simulaci€n de Planta Posesi€n d„a 31/07/07 73 Corriente o equipo Variable Valor HYSYS Presi€n [kg/cm2] 63.9 2 Presi€n Entrada [kg/cm ] 63.9 Expansor Ex-1 Presi€n Entrada C-2 [kg/cm2] 29.7 Presi€n Salida C-2 [kg/cm2] 34.1 Presi€n Entrada [kg/cm2] 41.5 Expansor Ex-2 2 Presi€n Entrada C-1 [kg/cm ] 26.0 Entrada V-5 Temperatura [•C] -53.0 Fondo de la torre Temperatura [•C] 107.0 Reflujo de fondo Temperatura [•C] 111.7 Vapores de tope Temperatura [•C] -37.2 Reflujo de tope Temperatura [•C] -48.6 Gas residual Flujo [MMMCSD] 1.0 Raw Product Flujo [m3/d] 631.4 Tabla 36.- Simulaci€n de Planta Posesi€n d„a 01/08/07 Separador V-1 Composici€n Valor real 69.9 59.0 26.9 31.3 40.0 23.3 -53.5 109.8 115.7 -38.0 -50.2 1.0 573.0 Diferencia [%] 8.6 8.3 10.5 9.0 3.8 11.5 0.9 2.5 3.4 2.1 3.2 0 10.2 Componente Valor HYSYS Valor real Diferencia [%] (%mol) Metano 79.45 79.45 79.45 Etano 19.50 19.50 19.50 Gases de V-4 Nitr€geno 0.41 0.41 0.41 Di€xido de carbono 0.65 0.65 0.65 ERROR GLOBAL RESULTANTE [%] 7.0 Metano 96.24 96.22 0.0 Etano 2.21 2.42 8.9 Propano 0.05 0.09 43.7 Gases de V-3 Nitr€geno 1.35 0.99 36.0 Di€xido de carbono 0.16 0.28 42.8 ERROR GLOBAL RESULTANTE [%] 0.7 Etano 1.30 1.30 0.0 Propano 50.94 51.24 0.6 i-Butano 11.92 12.46 4.4 n-Butano 16.08 17.22 6.6 Raw Product i-Pentano 5.52 4.41 25.1 n-Pentano 4.14 4.20 1.5 n-Hexano 10.12 9.17 10.3 ERROR GLOBAL RESULTANTE [%] 4.1 Metano 93.24 92.98 0.3 Etano 5.32 5.69 6.5 Propano 0.04 0.07 40.9 Gas Residual Nitr€geno 1.19 0.88 34.7 Di€xido de carbono 0.21 0.38 43.6 ERROR GLOBAL RESULTANTE [%] 1.1 Tabla 37.- Cromatograf„a obtenida para la simulaci€n de Planta Posesi€n d„a 01/08/07 74 Corriente o equipo Variable Valor HYSYS Presi€n [kg/cm2] 63.9 2 Presi€n Entrada [kg/cm ] 63.9 Expansor Ex-1 Presi€n Entrada C-2 [kg/cm2] 29.7 Presi€n Salida C-2 [kg/cm2] 34.0 Presi€n Entrada [kg/cm2] 41.5 Expansor Ex-2 2 Presi€n Entrada C-1 [kg/cm ] 26.0 Entrada V-5 Temperatura [•C] -48.0 Fondo de la torre Temperatura [•C] 105.1 Reflujo de fondo Temperatura [•C] 109.0 Vapores de tope Temperatura [•C] -37.3 Reflujo de tope Temperatura [•C] -49.1 Gas residual Flujo [MMMCSD] 1.0 Raw Product Flujo [m3/d] 585.3 Tabla 38.- Simulaci€n de Planta Posesi€n d„a 04/08/07 Separador V-1 Composici€n Valor real 70.2 63.7 27.0 31.0 39.9 23.9 -48.0 111.5 116.8 -37.0 -49.5 1.1 575.0 Diferencia [%] 9.0 0.3 10.1 9.6 4.0 8.7 0.0 5.7 6.7 0.8 0.9 9.1 1.8 Componente Valor HYSYS Valor real Diferencia [%] (%mol) Metano 76.59 81.65 6.2 Etano 22.56 17.25 30.8 Gases de V-4 Nitr€geno 0.29 0.25 17.9 Di€xido de carbono 0.56 0.85 34.7 ERROR GLOBAL RESULTANTE [%] 10.7 Metano 96.17 96.28 0.1 Etano 2.16 2.28 5.2 Propano 0.05 0.75 92.9 Gases de V-3 Nitr€geno 1.44 1.03 40.0 Di€xido de carbono 0.17 0.33 48.9 ERROR GLOBAL RESULTANTE [%] 1.5 Etano 1.28 1.28 0.0 Propano 52.97 52.13 1.6 i-Butano 11.78 12.15 3.1 n-Butano 15.25 16.36 6.8 Raw Product i-Pentano 5.91 5.60 5.5 n-Pentano 4.43 3.97 11.7 n-Hexano 8.37 8.51 1.6 ERROR GLOBAL RESULTANTE [%] 3.2 Metano 93.35 93.28 0.1 Etano 5.11 5.28 3.3 Propano 0.05 0.06 24.0 Gas Residual Nitr€geno 1.28 0.92 38.7 Di€xido de carbono 0.22 0.46 51.2 ERROR GLOBAL RESULTANTE [%] 0.8 Tabla 39.- Cromatograf„a obtenida para la simulaci€n de Planta Posesi€n d„a 04/08/07 75 Corriente o equipo Variable Valor HYSYS Presi€n [kg/cm2] 63.9 2 Presi€n Entrada [kg/cm ] 63.9 Expansor Ex-1 Presi€n Entrada C-2 [kg/cm2] 29.8 Presi€n Salida C-2 [kg/cm2] 33.9 Presi€n Entrada [kg/cm2] 41.5 Expansor Ex-2 2 Presi€n Entrada C-1 [kg/cm ] 26.0 Entrada V-5 Temperatura [•C] -48.0 Fondo de la torre Temperatura [•C] 108.0 Reflujo de fondo Temperatura [•C] 112.0 Vapores de tope Temperatura [•C] -37.2 Reflujo de tope Temperatura [•C] -47.2 Gas residual Flujo [MMMCSD] 1.0 Raw Product Flujo [m3/d] 581.3 Tabla 40.- Simulaci€n de Planta Posesi€n d„a 05/08/07 Separador V-1 Composici€n Valor real 69.8 63.3 27.1 31.0 39.2 24.1 -48.0 110.2 97.0 -36.2 -49.5 1.3 581.0 Diferencia [%] 8.5 0.9 9.9 9.3 5.9 7.8 0.0 2.0 15.5 2.7 4.7 30.0 0.0 Componente Valor HYSYS Valor real Diferencia [%] (%mol) Metano 75.10 83.69 10.3 Etano 24.16 15.43 56.5 Gases de V-4 Nitr€geno 0.29 0.25 16.5 Di€xido de carbono 0.45 0.65 31.0 ERROR GLOBAL RESULTANTE [%] 17 Metano 96.05 96.51 0.5 Etano 2.35 2.10 11.8 Propano 0.04 0.07 40.4 Gases de V-3 Nitr€geno 1.42 1.06 33.9 Di€xido de carbono 0.14 0.27 47.9 ERROR GLOBAL RESULTANTE [%] 1.2 Etano 0.48 0.48 0.0 Propano 51.18 50.64 1.1 i-Butano 12.44 12.69 2.0 n-Butano 16.45 17.16 4.2 Raw Product i-Pentano 5.99 5.85 2.3 n-Pentano 4.49 4.19 7.2 n-Hexano 8.98 8.99 0.1 ERROR GLOBAL RESULTANTE [%] 1.9 Metano 92.44 93.68 1.3 Etano 6.11 4.98 22.7 Propano 0.03 0.05 30.7 Gas Residual Nitr€geno 1.23 0.91 34.7 Di€xido de carbono 0.19 0.38 49.1 ERROR GLOBAL RESULTANTE [%] 2.9 Tabla 41.- Cromatograf„a obtenida para la simulaci€n de Planta Posesi€n d„a 05/08/07 76 3.6 ANƒLISIS Y DISCUSI•N DE RESULTADOS Considerando los resultados expuestos en la secci€n anterior se pueden analizar los resultados que entregan las diferentes simulaciones HYSYS realizadas para los procesos de ENAP Magallanes. Con respecto a las simulaciones referidas a los compresores rec„procos HRA-2, HRA-5 y TLA-3 se puede comprobar que los resultados entregados por las simulaciones resultan satisfactorios para la precisi€n que se requiere de una estimaci€n computacional, las diferencias en la mayor„a de las variables estudiadas no superan el 5% del valor real, lo cual se considera aceptable. Para la simulaci€n del compresor centr„fugo TC-10, se han ingresado las curvas de dise†o y para la primera etapa de compresi€n se ha a†adido el punto de operaci€n definido por las condiciones que garantiza el fabricante, debido a que durante el proceso de creaci€n de la simulaci€n se observaban oscilaciones apreciables y no se observaban los mismos resultados al variar las condiciones de entrada y volver al caso inicial, lo cual se debe al poco rango de eficiencias en que se presentan las curvas. Sin embargo la segunda etapa de compresi€n s€lo considera las curvas de dise†o, y representa eficazmente la eficiencia de operaci€n que garantiza el fabricante. Este factor, sumado a que el resto de variables consideradas no difieren del valor real en m…s de un 2%, hace concluir que la simulaci€n representa perfectamente la situaci€n garantizada, y que de instalarse dicho equipo e ingresar datos reales a la simulaci€n, se obtendr…n similitudes satisfactorias. Para la simulaci€n de Planta Cullen, considerando el proceso de validaci€n realizado para cinco d„as de operaci€n de planta, se puede concluir que el valor obtenido para las gasolinas producidas y el flujo de propano necesario para cumplir los requerimientos se encuentran dentro de los valores esperados, si bien es necesario un flujo de propano relativamente m…s bajo que el valor real. 77 El valor para el punto de roc„o es m…s alto que el reportado por laboratorio. Esto sucede debido a la imposibilidad de simular la interacci€n de glicol y agua con las termodin…micas disponibles en el software. Con respecto a la cromatograf„a del gas de salida, el error global no supera el 1%, y considerando la variabilidad de los valores reales se puede concluir que los resultados son representativos dentro del rango de precisi€n necesario. Por otra parte s€lo se realizan dos muestreos diarios, y las variaciones entre dichas medidas se equiparan a la variaci€n entre el dato real y la estimaci€n que entrega HYSYS. De haber alg•n sistema de cromatograf„a en l„nea se podr„a haber depurado m…s los resultados obtenidos en este punto, pero los valores referenciales ya presentan discrepancias y por lo tanto se considera cumplido el objetivo. Para la secci€n de regeneraci€n de etilenglicol es donde se observan las mayores discrepancias. Interfiere directamente en la predicci€n del punto de roc„o de salida, entregando un valor m…s alto del real. Esto sucede fundamentalmente ya que se utiliz€ el paquete termodin…mico de Peng-Robinson, y ser„a preferible un modelo de actividad para simular la interacci€n entre el glicol y el agua. Sin embargo la importancia de simular la condensaci€n de los hidrocarburos impide cambiar de termodin…mica, pues se ha podido comprobar que PengRobinson entrega muy buenos resultados para simular gas natural. Los fabricantes de HYSYS est…n en conocimiento de las falencias de simular glicol, agua y gas natural, y han presentado un paquete de actualizaci€n espec„fico para simular dichas situaciones. Lamentablemente dicha actualizaci€n se puede implementar en versiones HYSYS 2004 o superiores, y ya se ha dicho que ENAP posee licencia s€lo para la versi€n 3.2 en estado estacionario, que es anterior a la versi€n 2004. En la imposibilidad de mejorar este aspecto de la simulaci€n, se debe considerar esta falencia como un error propio del programa y no del modelo propuesto. Para la simulaci€n de Planta Posesi€n los resultados obtenidos en la simulaci€n son aceptables. Las discrepancias se encuentran b…sicamente en las presiones de los compresores C-1 y C-2, pero debido a que no se posee informaci€n de dise†o referente a estos compresores (son necesarias las curvas, principalmente), el •nico par…metro disponible de modificar es la eficiencia adiab…tica, pero esta variable en un compresor gen‡rico s€lo act•a sobre la 78 temperatura de descarga, y por lo tanto no se pueden ajustar m…s los valores de presi€n obtenidos. Si bien el error global al simular la corriente de tope de la columna (Gases de V-4, en las tablas) es aproximadamente un 10%, la relevancia de dicha corriente no es fundamental a la hora de juzgar el comportamiento de la simulaci€n, pues interact•a con pocos equipos. Con respecto a flujos y temperatura, en general el comportamiento es satisfactorio. Considerando que se han simulado casos en que la composici€n de etano de la corriente de Raw Product var„a entre 0.4% y 1.8%, y no se ha debido modificar las especificaciones de la columna ni la estructura del modelo para obtener resultados adecuados, se concluye que la simulaci€n de la columna V-5 y equipos asociados resulta satisfactoria. La simulaci€n general de Planta Posesi€n es coherente con lo observado en terreno, y resulta satisfactoria dentro del rango de precisi€n esperado. En resumen, las simulaciones de los procesos de ENAP Magallanes en HYSYS que se han desarrollado en el presente trabajo de titulaci€n cumplen el objetivo de dar una buena aproximaci€n a la situaci€n real, y permitir…n al operador obtener una estimaci€n del efecto que producir„a realizar alg•n cambio en las condiciones de proceso. CAP€TULO IV CONCLUSIONES 80 IV - CONCLUSIONES Considerando lo expuesto en el presente trabajo se pueden concluir las siguientes situaciones: Se ha logrado implementar simulaciones HYSYS de los procesos productivos diarios de ENAP Magallanes. Los resultados que entregan estas simulaciones se han contrastado con los valores reales de operaci€n y se ha concluido que dichas simulaciones son efectivamente representativas de las situaciones que se desea modelar, y por lo tanto servir…n para obtener una estimaci€n inicial bastante certera de los efectos que suceder„an si se modifica alg•n set point o cambian las condiciones de operaci€n de planta. En lo referido a las simulaciones de los compresores, se concluye que HYSYS provee muy buenos resultados para las variables m…s importantes en estos equipos (flujos comprimidos, velocidades de rotaci€n, temperaturas de descarga, etc.) y se puede adaptar a diversas configuraciones de compresi€n (de una o m…s etapas, rec„procos, centr„fugos, etc.), lo que permite simular diferentes situaciones mediante una misma metodolog„a. Para la simulaci€n de Planta Cullen se obtienen resultados coherentes y precisos para el proceso desarrollado. La predicci€n de cromatograf„a del gas residual es adecuada para obtener estimaciones r…pidas de la situaci€n actual. Con respecto a la imposibilidad de representar de manera m…s fiel el proceso de regeneraci€n de etilenglicol, se plantea la opci€n de actualizar el software a la versi€n HYSYS 2004, que presenta una actualizaci€n espec„fica para dichas situaciones. De todas formas, dicha parte del proceso global de Planta Cullen es sumamente estable en planta, no presenta mayores complejidades de operaci€n y se deber„a evaluar apropiadamente qu‡ beneficios reportar„a el poder simular adecuadamente dicho sistema. Para Planta Posesi€n se presenta una simulaci€n que entrega resultados confiables, y las especificaciones elegidas para la columna V-5 generan que sea estable frente a cambios en 81 las condiciones de entrada a planta. De todas formas las temperaturas que entrega la simulaci€n presentan ciertas diferencias, esto debido a que el rango de trabajo de la columna V5 es bastante amplio (entre -50 y 120 •C) y te€ricamente dif„cil de simular. Los compresores y expansores de Planta Posesi€n, debido a la ausencia de curvas de dise†o, se han simulado como equipos gen‡ricos, y esto provoca una diferencia en las presiones que entrega HYSYS de hasta un 10% comparado con el valor real. Sin embargo para los efectos que se requiere analizar (se hace ‡nfasis en la predicci€n de la corriente de Raw Product), la presi€n del gas en los compresores no es un factor relevante. Una mejor precisi€n (asociada a ingresar las curvas de operaci€n) no afectar… mayormente la simulaci€n global. En caso de querer investigar espec„ficamente la secci€n de expansores y compresores de Planta Posesi€n s„ es fundamental el ingreso de las curvas de operaci€n y, como se ha visto por la simulaci€n del compresor centr„fugo TC-10, los resultados son adecuados y sumamente certeros. En el proceso de desarrollo de este trabajo se ha confeccionado el •Manual para simular procesos productivos de ENAP Magallanes en HYSYSƒ, documento que entrega la informaci€n completa y detallada del proceso de creaci€n de las simulaciones que se han analizado en el presente informe y otras. Adem…s, de una forma clara y metodol€gica, el manual entrega los conocimientos necesarios para que el usuario pueda recrear estas simulaciones y analizar los resultados, o generar el caso espec„fico que sea de su inter‡s. Este manual permitir… difundir el uso de HYSYS entre los profesionales de ENAP Magallanes, y servir… tambi‡n de material de estudio para los cursos relacionados con simulaciones del Departamento de Qu„mica de la UMAG. Se puede concluir que se han cumplido a cabalidad los objetivos planteados en el trabajo de titulaci€n. CAP€TULO V BIBLIOGRAF€A 83 V - BIBLIOGRAF€A 5.1 FUENTES CONSULTADAS [1.] N. Clement, P. Smith, •HYSYS 3.2 USER GUIDEƒ, Hyprotech, a subsidiary of Aspen Technology Inc., 2003. [2.] R. Russell, •A FLEXIBLE AND RELIABLE METHOD SOLVES SINGLE-TOWER AND CRUDE-DISTILLATION-COLUMN PROBLEMSƒ, CHEMICAL ENGINEERING, Octubre 1983, p. 53-59. [3.] E. Tarifa, •SIMULACI‰N DE SISTEMAS QUˆMICOSƒ, Versi€n en PDF obtenido desde el sitio web http://www.modeladoeningenieria.edu.ar. [4.] R. Treyball, OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA, 2• Ed., Editorial McGraw Hill, Mexico, 1980. 5.2 INTERNET „ SITIOS CONSULTADOS [1.] http://support.aspentech.com [2.] http://www.hyprotech.com [3.] http://www.enap.cl [4.] http://www.modeladoeningenieria.edu.ar/index.htm ANEXOS 85 ASPECTO GR…FICO DE LAS SIMULACIONES En las siguientes p…ginas se presentan las capturas de pantalla de las simulaciones analizadas en el presente trabajo. Corresponden a: € Simulaci€n Compresor rec„proco HRA-5. € Simulaci€n Compresor rec„proco HRA-2. € Simulaci€n Compresor rec„proco TLA-3. € Simulaci€n Compresor centr„fugo TC-10. € Simulaci€n Turbina del tren SULZER. € Simulaci€n de Planta Cullen. € Simulaci€n de Planta Posesi€n. 86 SimulaciÉn Compresor recáproco HRA-5 87 SimulaciÉn Compresor recáproco HRA-2 88 SimulaciÉn Compresor recáproco TLA-3 89 SimulaciÉn Compresor centráfugo TC-10 90 SimulaciÉn Turbina Tren Sulzer 91 SimulaciÉn Planta Cullen 92 SimulaciÉn Planta PosesiÉn 93 INFORMACI‚N DE COMPRESORES Se presentan los informes de mantenimiento predictivo para los compresores rec„procos analizados, y las curvas de dise†o del compresor TC-10. Compresor HRA-2 94 Compresor HRA-5 95 Compresor TLA-3 96 Curvas compresor TC-10 - Etapa 1 97 Curvas compresor TC-10 - Etapa 2 98 Curvas compresor TC-10 - Potencia 99
