Pipephase-exercise tutorial (spanish)

UNIVERSIDAD DE ORIENTE

NUCLEO ANZOATEGUI

ESCUELA DE INGENIERIA Y CIENCIAS APLICADAS

POSTGRADO ESPECIALIZACION EN INGENIERIA DE GAS

COHORTE XI – 2012

SIMULACION DE PROCESOS

ESTUDIO DE FLUJO DE FLUIDOS EN ESTADO TRANSITORIO UTILIZANDO EL PROGRAMA DE SIMULACION PIPEPHASE CON EL

MODULO “TACITE” Tutorial

REALIZADO POR:

-Ing. Mónica Zabala C.I. 15.401.226Prof. Jose Rengel, Msc, PhD

PUERTO LA CRUZ, 22 DE ENERO DE 2013

Fuente

Flujo composicional

P (estimada) = 1000 kPa

T= 350 K

Flujo másico (fijo) = 18000 kg/h

L1 = 500 m

D1= 146 mm

Rugosidad absoluta= 0.01

Coeficiente U= 5.6783 W/m2.°C

Entrega

P (fija) = 1000 kPa

T= 350 K

Flujo másico (estimado) = 10000 kg/h

Componente fracción molar

C1 0.45

C2 0.25

C3 0.02

iC4 0.02

nC4 0.02

iC5 0.02

nC5 0.02

nC8 0.20

L2 = 500 m

D2= 146 mm

Rugosidad absoluta= 0.01

Coeficiente U= 5.6783 W/m2.°C

Datos de la válvula:

Di entrada (real)= 80 mm

Di salida (real)= 80 mm

K = 1

Se solicita:

Realizar la corrida de simulación con PIPEPHASE en transiente,

considerando la perturbación del sistema de las siguientes

variables:

1. Variación en el porcentaje de apertura de la válvula.

2. Variación en el flujo másico de la fuente

EL PROBLEMA

1. Se crea un nuevo archivo. Se le coloca nombre al mismo, tomando en cuenta que debe ser pequeño para minimizar

errores posteriores dentro de la simulación.

SOLUCION PASO A PASO

2. Al crear un nuevo archivo, automáticamente inicia un

tutorial de inicio. Se hace clic en “siguiente”

3. Luego se selecciona el tipo

de simulación. En este caso,

modelo de red.

SOLUCION PASO A PASO (continuación)

4. Se selecciona el tipo de

fluido, composicional.

5. Luego se selecciona el

comportamiento de fases,

riguroso multifásico.


5. Se selecciona el sistema de unidades a

utilizar en la simulación. Esta selección la

modificaremos más adelante.

6. En esta pantalla se indica el

resumen de las selecciones realizadas

previamente. Se hace clic en

“finalizar”.


7. El programa luego muestra la ventana que nos

permitirá agregar los componentes que forman

parte de la corriente a simular. Se hace clic en “add”.

8. Se ubican los componentes indicados en el

problema, se seleccionan y posteriormente se hace

clic en ¨add components para agregarlos.


9. Ahora se agrega a la simulación la fuente, la entrega y posteriormente se interconectan.

Fuente Entrega


10. Haciendo clic en ¨General � Input

units of measurement”, es posible

modificar el sistema de unidades indicado

al inicio, pues todas las unidades dadas

en el problema corresponden al sistema

internacional.


11. Una vez realizados los cambios en el sistema

de unidades, se hace doble clic en la fuente para

introducir los datos del problema.

Para introducir la composición, se hace clic primero en el tipo de composición de la que se dispone (molar, en

este caso), y luego en ¨define composition¨).


12. Al hacer clic en ¨define composition¨, aparecerá una

pantalla con los componentes agregados inicialmente.

Se ingresa aquí la composición de cada uno (en

porcentajes en este caso).


13. Ahora introducimos los datos de la entrega.


14. Ahora, se especifican los datos

de las tuberías y válvula. Primero

los datos correspondientes al

primer tramo de tubería.

Se hace clic en

¨pressure drop

method¨ y luego

seleccionamos la

correlación de flujo

correspondiente a

estado transiente

¨TACITE¨.


15. Ahora agregamos la válvula para introducir

sus datos.

Finalmente, duplicamos la tubería cargada

previamente pues posee los mismos datos.


16. Una vez incluidos todos los dispositivos del link (tuberías y válvula), se procede a cargar la data de estado transiente.

Para esto, se hace clic en el botón “TACITE” ubicado en el cuadro de edición del link indicado en el paso anterior. Una vez

presionado el botón se desplegará un cuadro tal como se muestra en la figura. Debe hacerse clic en “activate and/or edit

TACITE data para activar la función.


17. Se introduce el tiempo de estabilización (tiempo que se tarda el sistema en alcanzar el estado estacionario), la

duración del estado transiente que queremos simular y le indicamos al simulador cómo va a tomar el perfil de

temperatura del análisis. Para este caso, se seleccionó como tiempo de estabilización 0 seg y como duración del estado

transiente 8000 seg. Para el perfil de temperatura, se utilizará el mismo perfil que el obtenido para estado estacionario.


18. Se procede ahora a definir los escenarios bajo los cuales el programa realizará las variaciones de los parámetros. Se

hace clic en “scenario” y en la ventana que se despliega se hace clic en “add”. Si ya se dispone de un escenario y se

requiere modificar, se selecciona y se hace clic en el botón “edit”.


19. Se agrega el primer

escenario, en este caso al hacer

clic\ en el botón “add” aparece

el recuadro indicado a

continuación. Haciendo clic en

el único link indicado en la

simulación, se selecciona el tipo

de dispositivo la válvula, a su

vez que se especifica el nombre

de la misma. Posteriormente se

define el parámetro que se

estará variando en función del

tiempo. Para el caso del

problema, será el % de apertura

de la válvula.

20. Se indica ahora cómo variará el porcentaje de apertura de la válvula en función del tiempo. Si es necesario, se hace clic en

“more data: para agregar datos en caso que las filias mostradas no sean suficientes.


21. Una vez completado el primer escenario, se procede a agregar el segundo escenario. Para este problema el segundo

escenario se refiere a la variación del flujo másico en la fuente. Primero se selecciona el tipo de nodo (fuente),

seguidamente su respectivo nombre. Asimismo, se define el parámetro a variar y cómo lo hará en función del tiempo.


22. Fijados ambos escenarios, se

hace clic en “ok” para introducir el

resto de la información requerida

para la simulación transiente.

23. Hacer clic en “device data”.

Aparecerá un recuadro en el que

es posible introducir datos de

segmentación de líneas,

dependiendo de cómo se

prefieran segmentar los tramos de

tubería para los cálculos. Para este

caso, se segmentó cada tramo de

500 m en 10 segmentos cada uno.


24. Haciendo clic ahora en el botón “

source data”, se indican los datos de

la fuente para la simulación

transitoria. En este caso, se utiliza la

metodología “component clustering”,

en el cual se indica el numero de

pseudocomponentes en el que se

quiere que se agrupen los

componentes que conforman el fluido

de la fuente para realizar la corrida de

simulación en estado transitorio. Para

el problema dado, se le indica a el

simulador que agrupe los

componentes (8) en 5

pseudocomponentes. Este numero

nunca podrá ser mayor que el numero

de componentes presentes en el

fluido.


25. Haciendo clic ahora en “

other data”, se agrega

información complementaria de

la simulación transiente. En este

caso, únicamente se incluyen

intervalos de tiempo para el

cálculo de 10 segs. También es

posible ingresar la frecuencia y

la tolerancia, pero para este

caso se dejan en blanco.



26. Una vez introducidos todos los

datos, se tienen listas las

condiciones de los escenarios para

el estado transiente. Finalmente, se

revisan las propiedades

termodinámicas que no se han

revisado aun, para verificar que el

modelo termodinámico sea el

adecuado para la simulación a

realizar. Para ubicar el menú,

hacemos clic en “general” en la

parte superior, y posteriormente

“PVT data”. Aparecerá una ventana

con el grupo de propiedades 1. Se

hace clic en “edit” para editar las

mismas. Se revisa el sistema

termodinámico y se selecciona el

sistema Tacite que es el adecuado

para la simulación a realizar.

27. Una vez modificado el sistema termodinámico, se dispone de la simulación lista para iniciar la corrida. Se hace clic en

el icono que corresponde a iniciar la simulación, y aparecerá una pantalla como la que sigue a continuación:

28. En la configuración de la simulación, se selecciona

primeramente la opción “ component clustering”. De esta

manera realizaremos el agrupamiento de los componentes en

pseudocomponentes antes de correr la simulación. Una vez

seleccionada esta opción, se hace clic en “run”.


29. Una vez realizada la corrida, confirmamos que se ha creado el agrupamiento de componentes previa simulación

transiente. El reporte indica que efectivamente se completo la generación de pseudocomponentes.


30. Habiendo creado el agrupamiento en pseudocomponentes, se selecciona nuevamente el tipo de simulación a

realizar (para este caso TACITE transient, y posteriormente se hace clic en “run”


31. Al correr la simulación, el cuadro mostrado abajo indica el momento que culmina y si no hubo errores en la misma.

Para este caso, la simulación fue resuelta y los resultados de la misma pueden visualizarse haciendo clic en “TRAS”.


En la parte lateral izquierda pueden observarse los diversos parámetros que pueden ser revisados y analizados en función de su

variación al ocurrir alguno de los escenarios planteados. Asimismo, es posible que las graficas de cada parámetro sean agrupadas por

tendencia (en función del tiempo) o por perfil (se generan curvas individuales para cada tiempo en función de la longitud de la

tubería). Para este caso en particular se muestran únicamente las tendencias en función del tiempo.

DISCUSION DE RESULTADOS OBTENIDOS

Para el primer intervalo de tiempo (donde ocurre el escenario 1 – variación en la apertura de la válvula),

puede visualizarse que para cualquier punto de la tubería desde t= 0 seg hasta t= 100seg la presión se

mantiene estable, siendo la presión mas alta la que corresponde a la fuente (x=0m). Al llegar a t=100 seg

puede visualizarse un incremento en la presión , específicamente aguas arriba de la válvula. Es posible

notar que la presión varia muy poco aguas abajo de la válvula, y prácticamente se mantiene estable. Los

efectos de variar la apertura de la válvula no afectan la presión aguas debajo de la válvula. Aguas arriba

de la válvula, se visualiza un incremento de presión hasta t=300 seg; entre t=300seg y t=400 seg se

visualiza una ligera estabilización de la presión y a partir de 400 seg la presión comienza a disminuir. Esto

es perfectamente lógico pues se comienza a disminuir la restricción de flujo al abrir la válvula hasta el

80%. Posterior a los 600 seg, las presiones en cualquier punto de la tubería se mantienen estables aunque

con valores superiores a los que tuvieran si la válvula quedara 100% abierta.

DISCUSION DE RESULTADOS OBTENIDOS (continuación)


Para el segundo intervalo de tiempo (donde ocurre el escenario 2 – variación en el flujo másico de la fuente)

puede visualizarse que a medida que aumenta el flujo másico desde t=1000 seg hasta t=4000 seg se

incrementa la presión, presurizándose la tubería aguas arriba de la válvula. A partir de t=4000 seg hasta

t=5000 seg la presión se mantiene estable dada la estabilidad del flujo másico de la fuente . A partir de t-

5000 seg comienza a visualizarse una disminución de la presión a medida que va cayendo el flujo hasta

t=6500, cuando el flujo se estabiliza y por ende la presión del tubo. Para este caso, no se observa ningún

cambio en términos de presión para el punto de entrega, mientras que los puntos que se van acercando a la

válvula muestran variaciones considerables en sus picos de presión.

En el área lateral izquierda se selecciona ahora el flujo másico de liquido, en todo el intervalo de

tiempo. Nótese que para la zona donde ocurre el escenario 1 se visualiza una disminución del

flujo másico y un aumento brusco posteriormente (se explicará en la siguiente lámina).

Asimismo, se visualiza el incremento del flujo másico toda vez que se incremente el flujo de la

fuente, se estabilice y luego disminuya (ver explicación por escenario en las próximas laminas).


Primero revisamos el intervalo donde ocurre el escenario 1, para el flujo másico de liquido. En este caso,

puede visualizarse que a t=100 seg comienza una disminución brusca de flujo másico producto de la

restricción de flujo provocada por la válvula. Sin embargo, aún cuando entre 200 y 400 seg se mantiene la

válvula en 40% de apertura, puede observarse un incremento del flujo hasta t=400 seg. Esto ocurre debido a

que la restricción de flujo no sólo produce disminución de flujo sino un aumento en la presión aguas arriba

de ,la válvula (tal como se evidencia en las laminas anteriores). Como la presión comienza a elevarse

gradualmente en la línea hasta la fuente, el diferencial de presión entonces es mucho mas grande y el

efecto se traduce en un aumento de flujo másico, esto es por que para este caso el efecto de esta caída de

presión en la válvula es mucho mas grande que el que produce la propia restricción de la válvula. Efecto

contrario se produce entre t=400 y t=600 seg, pues a pesar que se está aumentando el porcentaje de

apertura de la válvula en t=500 seg se observa una disminución del flujo hasta t=600 seg. Esta disminución

de flujo se produce por la disminución en la caída de presión en la válvula lo cual ejerce un efecto de

disminución de flujo hasta estabilizarse presión y flujo a t=600 seg.


Al revisar el segundo intervalo (t=-1000 seg a t= 8000 seg) para el flujo másico de liquido, se visualiza

el efecto lógico de aumento de flujo con el aumento de flujo en la fuente. Desde 5000 hasta 6500

seg visualizamos la disminución del flujo, y a partir de 6500 observamos que el flujo se estabiliza

hasta 8000 seg, mostrando un ligero aumento a partir de 375 m (aguas arriba de la válvula) hasta

estabilizarse.



En esta gráfica se observa la variación del flujo másico de gas durante todo el tiempo de duración del

estudio transiente a diferentes puntos de la tubería, mostrando el efecto de ambos escenarios de estudio.


Para este primer intervalo (donde se observa la ocurrencia del escenario 1) el comportamiento

del flujo másico de gas es similar que para el flujo de liquido: se visualiza una disminución del

flujo de gas durante la restricción otorgada por el cierre parcial de la válvula a t=100 seg hasta

t=200 seg; luego un aumento brusco a partir de este punto hasta t=300 seg y luego gradual

hasta t=500seg (por el efecto que genera el aumento de la caída de presión), a partir d aquí una

disminución hasta t= 600seg donde se estabiliza (por la disminución d la caída de presión, lo

cual hace que su efecto sobre el flujo sea de disminución). Nótese que las variaciones de flujo

se muestran de forma más evidente a distintos puntos a lo largo de la tubería, no así en la

fuente ( a x= 0 m) donde se visualiza una ligera disminución entre t=100 seg y t=600seg, para

luego estabilizarse nuevamente a partir de t=600 seg hasta 1000 seg.


Para el flujo másico de gas en el segundo intervalo (donde se visualiza el escenario 2), se

observa el mismo comportamiento que el obtenido para el flujo másico de liquido: aumento

desde t=1000 seg hasta t=4000seg, estabilización hasta t=5000 seg, disminución hasta

t=6500seg y estabilización hasta la finalización del estudio transiente. En este caso, las

variaciones realizadas a la fuente se evidencian a lo largo del tiempo en todos los puntos de la

tubería.


En esta gráfica se observa la fracción de slug que se forma en la tubería durante los diferentes escenarios,

en función del tiempo y de la distancia. Nótese que el pico más alto de slug se observa en el momento en

que se mantiene la restricción de flujo por la válvula, y justamente a 575 m (justo a la salida de la válvula).

Se observa que una vez inicia la apertura de la válvula hasta 80 % ocurre una disminución del slug hasta

que, luego de oscilar un poco entre subir y bajar se estabiliza hasta t=1000 seg. A partir de acá la fracción

de slug comienza a disminuir producto del aumento en el flujo másico de la fuente, esto se explica debido a

que a mayor flujo mayor presión y por ende menos probabilidad de formarse acumulaciones de liquido

dentro del tubo (se visualiza una especie de arrastre de liquido). Entre t=4000 seg y t= 5000seg ocurre una

ligera estabilización, y una vez que el flujo comienza a disminuir hasta t=6500 seg la acumulación de líquido

en la tubería es mayor, pues la disminución del flujo másico se traduce en una reducción de la velocidad y

por ende mayor tendencia del liquido a acumularse en la tubería. Finalmente, luego de t=6500seg la

fracción de slug se mantiene estable.


En esta gráfica se es posible visualizar la cantidad de liquido que se acumula en la tubería (hold up) durante

todo el estudio transiente. Para este problema, visualizamos un pico de acumulación de liquido en el

tiempo donde ocurre el primer escenario y otro pico en el segundo escenario. En las siguientes láminas se

puede ver con mayor detalle.


Para el tiempo donde ocurre el primer escenario, puede visualizarse que a partir de t=100 seg comienza a

aumentar la cantidad de líquido en la tubería hasta t=300seg, donde ligeramente se mantiene hasta t =400seg,

tiempo en el cual la cantidad de liquido comienza a disminuir producto del arrastre ocurrido debido a la

apertura de la válvula hasta 80% en t=600seg, tiempo en el cual la cantidad de liquido acumulado en la tubería

comienza a estabilizarse hasta t=100seg.


Para el tiempo donde ocurre el segundo escenario, puede observarse una disminución gradual de la

cantidad de líquido acumulado en la tubería desde t=100 seg hasta t=4000 seg; esto producto del aumento

en el flujo másico desde la fuente que hace que el liquido sea arrastrado de la tubería y no se acumule. La

estabilización en la cantidad de liquido desde t=4000 seg hasta t= 5000seg coincide con el flujo másico

constante de la fuente para este intervalo de tiempo. Del mismo modo, entre t=5000 seg y t=6500 seg se

observa un aumento en la cantidad de liquido producto de la disminución del flujo másico en la fuente.

ALGUNAS CONCLUSIONES DERIVADAS DE ESTE EJERCICIO

- Es posible verificar el comportamiento de un gran número de variables, creando escenarios

que permitan evaluar el efecto de la variación de diversos parametros en intervalos de

tiempo dados para un sistema o proceso específico.

- La presión aguas arriba de la válvula aumenta a medida que se disminuye el porcentaje de

apertura de la válvula. Asimismo, la presión aumenta a medida que el flujo másico aumenta.

- Pudo visualizarse en el primer escenario que, aunque el porcentaje de apertura de la válvula

disminuyera y el resultado lógico de esto fuese una disminución del flujo másico, el efecto

que produjo esta acción en la caida de presión hizo que el flujo aumentara por el aumento

en dicha caida de presión.

- La cantidad de líquido acumulado en la tubería aumenta a medida que disminuye el flujo

másico, sea cual sea el origen de la disminución (por disminución del flujo desde la fuente ó

por restricción del flujo debido a la disminución del porcentaje de apertura de la válvula).

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