Los simuladores de procesos más potentes del mercado no cuentan con una unidad de operación para eyectores de vacío, lo cual es una limitación cuando el proceso lo reclama para mejorar la eficiencia del mismo o el ahorro de costes de la instalación de elementos alternativos.
Un ejemplo típico de esta necesidad se da cuando es necesario el drenaje de varios equipos de una planta, en una parada de la misma por ejemplo, hacía un equipo de recogida común y se da la circunstancia de que buena parte de ellos se encuentran a presión atmosférica y al mismo nivel que el equipo de recogida, con lo que la única solución posible sería drenarlos mediante gravedad hacía el equipo de recogida e instalando este en un foso a un nivel inferior a las tubuladuras de drenaje de los equipos drenados.
En el supuesto de que la solución del equipo de recogida fuera muy costosa, debido a las dificultades asociadas de llevar las líneas de drenaje a nivel del suelo o enterradas, o al Capex-Opex asociado a la instalación del equipo de recogida y sus equipos e instrumentos asociados: Bombas de envío desde el equipo de recogida hacia destino final, instrumentación de control y enclavamientos del equipo, posible bomba de evacuación del cubeto, excavación y fabricación de cubeto enterrado, etc.., otra solución sería la del drenado de los equipos mediante presurizaciones sucesivas de las líneas de drenaje con N2, lo cual implica un mayor tiempo de vaciado de los equipos con los inconvenientes asociados al mismo en una parada de la planta.
En esta circunstancia, la utilización de eyectores de vacío se presenta como una solución óptima para enviar los drenajes de los equipos a su destino final directamente, siempre que la planta cuente con una distribución adecuada de estaciones de servicios auxiliares desde las que se pueda conectar el fluido motor que generará el efecto venturi en el eyector.
La presente propuesta trata de integrar estos elementos dentro de la simulación de un proceso en modo dinámico, realizada con el simulador UNISIM de Honeywell, cuando el fluido motor usado es un gas y el drenado es un líquido.
EXPLICACIÓN DEL PROCESO
Básicamente un eyector de vacío bifásico utiliza parte de la energía de expansión dada por un fluido motor gas, en nuestro caso N2, provocada por una disminución brusca de la presión cuando el gas pasa a través de una tobera de diámetro suficientemente pequeño para producir dicha expansión. Al disminuir la presión bruscamente al final del orificio, la velocidad de entrada en la cámara de expansión del eyector aumenta sustancialmente, pudiendo llegar a nº match entre 2 y 4 justo en la salida del orificio, provocando dos efectos característicos de estos equipos, debido a los cuales se provoca el vacío en la cámara de expansión:
- Disminución de la presión provocada por la expansión adiabática del gas. Este efecto se modelará en el simulador mediante un Pipe con una tobera final de 2 mm de diámetro, lo cual provocará la expansión del N2 al entrar en la cámara de expansión modelada mediante un separador.
- Arrastre del fluido aguas abajo de la cámara de expansión o difusor, lo que provoca una succión adicional a la expansión y una presurización intermedia al final del difusor debido al aumento del diámetro del mismo, junto a las pérdidas producidas por la onda de choque producida entre el gas y el líquido al mezclarse. Este efecto será modelado mediante un compresor en el lado gas y una bomba en el lado líquido del separador, lo cual provocará la succión de los fluidos aguas arriba de estos equipos y su posterior compresión. Las energías utilizadas para estas dos compresiones simultáneas serán las descritas en el apartado de hipótesis de la simulación a continuación.
HIPOTESIS DE LA SIMULACION
Para entender mejor la propuesta utilizaremos un ejemplo. Imaginemos que necesitamos evacuar un caudal mínimo de 5.000 kg/h de agua contaminada de un equipo que tiene la tubuladura de drenaje prácticamente a nivel del suelo y queremos conducir este drenaje hasta un equipo de recogidas que tiene la tubuladura de entrada a 5 mts del nivel del suelo (PIPE-100).
En la siguiente imagen podemos ver el PFD del modelo creado con UNISIM.
La tubería de salida del equipo drenado (PIPE-101) ha de subir y bajar 2.5 mts antes de llegar a la entrada del eyector.
La simulación inicial de partida tiene las siguientes variables fijadas:
- Presión y Tª de drenaje del depósito drenado = 0 kg/cm2g (al final del vaciado) y 25ºC (corriente LIQ1).
- Presión de equipo de recogidas = 0 kg/cm2g (corriente MEZCLA3)
- Presión y Tª de la línea de N2 = 6 kg/cm2g y 25ºC (corriente GAS1)
- Presión generada a la salida del eyector para presión de N2 de 6 kg/cm2g = 0.02 kg/cm2g. Sacada de las tablas del suministrador o de la simulación en CFD (corriente MEZCLA2). La ecuación de variación de esta presión en función de la presión del N2 está en B18 de la spreadsheet ENERGIA y la variable exportada en B15.
- Rendimiento inicial estimado global del eyector = 0.22 en B4. Sacado de una consulta inicial en IA sobre rendimientos típicos de eyectores de vacío bifásicos donde se estima en un rango de 0.15-0.35. Establece la fracción de la energía total dada por el incremento de entalpía del gas, usada para la compresión. El resto de energía se perdería en ondas de choque y fricción.
- SP del PIC-100 para 6 kg/cm2g presión de nitrógeno = -0.65 kg/cm2g. Sacada de gráfica de presión de vacío-presión de N2 a la entrada del eyector (algo menor a la presión del colector) de un suministrador o la simulación en CFD. Kc y Ti adecuados al proceso. La ecuación de variación de esta presión en función de la presión del N2 está en B16 de la spreadsheet ENERGIA y la variable exportada en B11.
- SP del FIC-100 para 6 kg/cm2g presión de nitrógeno = 6.253 kg/h. Sacada de gráfica de presión de vacío-caudal de succión a la entrada del eyector (ligeramente menor a la presión del colector) de un suministrador o la simulación en CFD. Kc y Ti adecuados al proceso. La ecuación de variación de este caudal en función de la presión del N2 está en B17 de la spreadsheet ENERGIA y la variable exportada en D11.
- SP del LIC-101 = 50%. Kc y Ti adecuados a la dimensión de la cámara de expansión establecida, el Cv de la VLV-101 y los caudales de succión y gas.
- Fracción estimada de energía de expansión (B12 en spreadsheet), dedicada a la compresión de la fase gas (B2). Este es un dato auxiliar necesario para fijar la variable indicada a continuación. La fórmula para la estimación es =@IF(b8*0.8/(b8+b9)>0.7,B8*0.8/(B8+B9),0.7).
- Fracción estimada de energía de expansión (B12 en spreadsheet), dedicada a la compresión de la fase liquida (B3). La fórmula para la estimación inicial es =1-B2.
- QGAS, es la energía usada en la compresión del gas (B5 en spreadsheet). La fórmula usada es =D12, variable importada del heat flow del K-101 equivalente a la energía necesaria aplicar al compresor para mantener la presión de succión igual a PIC-100 SP (B11).
- QLIQ, es la energía usada en la compresión del líquido (B6 en spreadsheet). La fórmula usada es =B5*B3*B4/(B2*B4), dado que B5/(B2*B4) es la variación de entalpía teórica generada por la expansión del gas, que ha de ser menor a la variación de entalpía real dada en B12=B13-B14.
- D15, D16 y D17 son las estimaciones iniciales para B11, D11 y B15 en el caso de no disponer de gráficas de proveedor del eyector o simulación CFD alternativa. Se trata de fijar las variables iniciales que cumplen con los requerimientos para caudal succionado y caudal de N2 usado con las que generar la información necesaria para la simulación en CFD o consultar a proveedor. Una vez obtenidos las variables reales del proveedor o de la simulación, se pueden poner directamente en estas casillas o introducir las gráficas (generalmente rectas para intervalos cortos de presión de gas) en las celdas B16, B17 y B18. Es decir, las celdas B11, D11 y B15, unas veces serán iguales a las D15, D16 y D17 y otras veces (cuando dispongamos de datos) serán iguales a las B16, B17 y B18.
- El resto de celdas de la Spreadsheet ENERGIA son celdas auxiliares que pueden ser de utilidad como imformación al suministrador o para la simulación en CFD. En el recorte de abajo se pueden consultar las variables importadas y exportadas de la espreadsheet.
DESCRIPCION DE LAS UNIDADES DE OPERACION USADAS
PIPE-101.- Es la línea de tubería de 3” sch40 que va desde el depósito drenado hasta el eyector, con 19 mts de longitud total y 5 codos de 90 .
PIPE-102.- Es la línea de tubería de 1” sch80 que va desde el colector de N2 hasta el eyector, con 15 mts de longitud total, reducción final a ½” y y 5 codos de 90.
PIPE-100.- Es la línea de tubería de 4” sch40 de 250 mts de longitud, +5 mts de cambio de elevación y 9 codos de 90º que va desde el eyector hasta el equipo de recogida de drenajes. Se ha modelado separadamente de la salida del eyector, con la corriente PRUEBA de entrada igual a la corriente MEZCLA2 de salida del eyector ya que esta tiene fijada la presión de salida igual a la presión indicada en gráficas de proveedor o simulación en CFD. De esta manera, fijando el caudal en PRUEBA y la presión en MEZCLA3 con la presión del equipo de recogida de drenajes, podemos ver la presión que sería necesaria en MEZCLA2 a la salida del eyector para poder vencer las pérdidas de carga, y por consiguiente, aumentar el diámetro de la línea hasta que la presión en PRUEBA fuera <= a la de MEZCLA2. En nuestro caso, aumentando el diámetro de PIPE-100 a 6” sería suficiente.
ENT.SUCC.- Se trata de una válvula de control ficticia que simula la pérdida de carga producida en el eyector entre la entrada al mismo y la cámara de vacío. Forma lazo de control para conseguir el caudal proporcionado en tablas de suministrador o en simulación con CFD.
ENTRADA EYECTOR.- Se trata de un Pipe con las dimensiones internas de la entrada del N2 en el eyector. La expansión del N2 se consigue en este eyector mediante una reducción con salida a cámara de expansión de 2 mm de diámetro.
CÁMARA EXP..- Se trata del espacio donde expande el gas a velocidad supersónica. Se ha modelado como un separador debido a la necesidad de comprimir separadamente el gas y el líquido de la mezcla. El volumen de dicha cámara es similar al que tiene el eyector aunque no se trata de un dato determinante ya que su función es permitir la compresión separada y las pérdidas reales generadas en dicha cámara se modelan mediante los datos recogidos en las gráficas de proveedores o mediante CFD. Recordemos que el objetivo es poder modelar los efectos que produce un eyector de vacío real en simulación, por lo cual, los datos reales de gráficas de presiones y caudales deben ser proporcionados por un suministrador o simulados previamente en un CFD. En función de este volumen y los caudales de entrada de gas y líquido se escogerán el Kc y el Ti del LIC-101 y el Cv de la VLV-101 que permitan mantener un nivel en la cámara del 50% del volumen.
K-101.- Compresor centrífugo para modelar el efecto de arrastre y compresión del gas.
P-100.- Bomba centrífuga para modelar el efecto de compresión del líquido.
DIFUSOR.- PIPE que contiene la geometría interna del eyector, proporcionada por proveedor o simulación en CFD, que introduce las pérdidas por fricción en el mismo.
PASOS A SEGUIR
Los pasos a seguir para la simulación de los efectos del eyector en la simulación serían los siguientes:
- Establecer las condiciones de contorno requeridas para el proceso: Presión de N2 en colector, distancias y elevaciones de líneas de tubería de entrada y salida del eyector, presión en el equipo de recogidas de drenajes.
- Estudio de los eyectores adecuados en el mercado y de sus gráficas de presión y caudales.
- Introducción de las 3 gráficas, rectas entre tramos cortos de presión, del proveedor elegido o de la simulación en CFD, de Presión de N2-Caudal de succión (B17), Presión de N2-Presión de vacío (B16) y Presión de N2-Presión a la salida del eyector (B18).
- Clonado de MEZCLA2 en PRUEBA (usando “Define From Other Stream”).
- Fijación del caudal como variable dinámica en PRUEBA.
- Damos al Run y vemos que la presión es mayor a la que proporciona el eyector a la salida, por lo que debemos variar el diámetro del PIPE-100 hasta que esta se sitúe por debajo de dicha presión. En nuestro caso bastaría con subir a 6″ el diámetro del PIPE-100.
Como sugerencia final, si el eyector formara parte de una simulación compleja o hubiera un número elevado de estos equipos, una manera de reducir espacio en la simulación para facilitar su lectura sería metiéndolo dentro de un subflowsheet propio, llamado EYECTOR por ejemplo, de esta manera, tendríamos una cajita que podríamos manipular dejando fuera del subflowsheet las corrientes de entrada y salida del eyector, además de la spreadsheet.