En las instalaciones de almacenamiento de H2, o en las de producción del mismo, existen depósitos a presión utilizados, o bien para almacenar la producción final de H2, o bien como equipos de producción en los que el tiempo de residencia del mismo no es elevado, pero podría quedar retenido durante un tiempo lo suficientemente elevado en caso de paro de alguna válvula reguladora del trasiego, como para que se vieran afectadas las condiciones de operación de forma peligrosa y obligara a activar el protocolo de actuación de seguridad para llevar la instalación a su estado seguro.
Una correcta simulación dinámica de la transferencia térmica entre el contenido de estos equipos y el ambiente exterior es importante para predecir la variación de las variables de almacenamiento del H2, Presión y Temperatura, y su afectación a la resistencia final de los equipos y la seguridad de la instalación.
En lo que sigue supondremos que los equipos no se han fabricado con doble carcasa y capa intermedia de vacío, lo cual reduciría considerablemente los efectos de la transmisión térmica estudiados en este documento.
TEORIA BASICA
El simulador de procesos Aspen Hysys V14 contiene la formulación necesaria, basada en la Teoría de Holman, para realizar dicha simulación de modo preciso, mediante la teoría de transferencia de calor por conducción y convección a través de las resistencias térmicas formadas por el propio fluido almacenado, la pared del equipo, el aislamiento térmico si lo hubiera y el aire exterior. La siguiente ilustración nos servirá para explicar esta transferencia.
Llegados a este punto, debemos detenernos en el significado de los coeficientes hxy convectivos y las variables de las que dependen.
h34 es el coeficiente de transmisión térmica convectiva entre la pared del depósito (o aislamiento si lo hubiera) y el aire exterior, y depende de los siguientes parámetros:
h12, es el coeficiente de transmisión térmica convectiva entre la pared del depósito y el interior del mismo, por tanto, dependiendo de las fases en que se encuentre el interior del mismo, el h12 puede variar desde la zona inferior del depósito, donde el fluido se encontraría en fase líquida, y la zona superior donde se encontraría en fase vapor. Debido a esta circunstancia, en líquidos almacenados a Tª y presión de equilibrio, existirá también una transmisión térmica convectiva a través de la superficie de contacto de las fases ya que las Tª de la fase vapor y líquida diferirán en pequeñas magnitudes. Del mismo modo, la Tª de la pared del depósito en la fase líquida diferirá de la del depósito en la fase vapor.
Por tanto, se diferencian 2 zonas de transmisión de calor para las que Hysys aplica las ecuaciones descritas debajo: área mojada líquida y área en contacto con el vapor, cuyos coeficientes de transmisión térmica convectivos entre la pared en contacto con la fase vapor o líquida se calculan mediante la siguiente fórmula, siendo Nuf el Nº de Nusselt calculado según la teoría de Holman con las curvas representadas debajo.
La transmisión de calor convectiva producida en la superficie de contacto entre la fase líquida y la de vapor se calcula utilizando la fórmula (5) indicada debajo, en combinación con la (3) descrita arriba para valores de C = 0.16 y m = 1/3.
EFECTO DE LA RADIACION.
Existe una transferencia de calor que Hysys no calcula, sin embargo, su efecto puede ser simulado fácilmente. Se trata de la transmisión térmica por radiación externa, la cual puede ser consultada con datos estadísticos históricos o normativa de aplicación, en función del lugar donde esté instalado el depósito, el color final de la pintura del mismo que determina el grado de absorción térmico de la pared, y el ángulo de incidencia de los rayos del sol dependiendo de la estación del año en que nos encontremos. Con estos datos, deberíamos establecer una potencia térmica absorbida por unidad de superficie del depósito.
Una vez establecida la potencia térmica por unidad de superficie transmitida al equipo por el efecto radiación, Hysys tiene una herramienta para la aplicación de este Duty, a través de la adición de un fluido térmico al equipo, al cual le asignaremos el valor previamente calculado.
Para simular la transmisión térmica total con el exterior del equipo, procederemos de la siguiente manera:
-Haciendo doble clic en el depósito, seleccionamos la pestaña “Rating”, seleccionamos “Heat Loss”, en el cuadro “Heat loss model” seleccionamos “Detailed” y se nos mostrarán las opciones para rellenar los datos relativos a la transmisión por conducción y convección del equipo.
En la parte superior derecha de la pestaña “Rating”, seleccionamos las siguientes opciones: “Apply duty stream to outside wall” y también “Include Head Area”. Seleccionando estas opciones estaremos diciendo al simulador que el Duty externo debido a la radiación se transmita a través de la superficie del equipo y que la pérdida de calor también se producirá a través de los 2 fondos del equipo.
Existen 2 formas de asignar el efecto del Duty externo debido a la radiación sobre la pared del equipo en función del nº de fases existentes en el interior del depósito:
- Interior en equilibrio con presencia de fase líquida y vapor.
En este caso, en la pestaña “Dynamics” del equipo, seleccionamos “Heat Exchanger”, seleccionamos el botón “Duty” y en el recuadro “Heater Type” elegimos “Liquid Heater” con lo que se abrirá una opción lateral con la altura, en % de volumen, sobre la que actúa la fuente de calor, es decir, la extensión de la chapa exterior del equipo sobre la que actúa la radiación, mediante la especificación de dos valores:
Top of de Heater:
Bottom of de Heater:
Por ejemplo, si creemos que la radiación incidiría sólo sobre la parte superior del equipo, por ejemplo sobre el 10% en volumen en la parte superior, lo indicaríamos así:
Top of de Heater: 100%
Bottom of de Heater: 90%.
Estaríamos indicando que la radiación se aplicaría solamente al 10% del volumen superior del equipo, con lo cual, en caso de que el nivel del líquido no superara el 90%, el calentamiento por efecto de la radiación sería muy pequeño ya que la parte superior del equipo está llena de vapor con un coef. De transmisión convectiva pequeño.
- Interior del equipo con gas.
En este caso, en la pestaña “Dynamics” del equipo, seleccionamos “Heat Exchanger”, seleccionamos el botón “Duty” y en el recuadro “Heater Type” elegimos “Vessel Heater”. En este caso, todo el calor distribuido a través de la chapa por el efecto radiación será transmitido sobre el total de la superficie del equipo.
EJEMPLO.
Supongamos un depósito de H2 de 6 mts de largo x 2 mts de diámetro fabricado en chapa de a. inox. De 10 mm de espesor sin aislamiento, que forma parte de la planta de producción del mismo y por el que se encuentra trasegando continuamente un caudal de H2 a 300 barg y 25ºC.
Se ha estimado una absorción de energía de radiación, según el modelo Ashrae, de 447.72 kcal/h-m2, lo que produce una potencia térmica total añadida al equipo, si suponemos que actúa sobre toda su superficie, de 19.700 kcal/h.
Si por cualquier circunstancia se bloqueara la válvula de corte o control aguas abajo del depósito y el H2 tuviera que permanecer durante 8 horas a una Tª exterior de 40ºC en un día soleado, se producirá una transmisión de calor del exterior por los 3 mecanismos descritos anteriormente, produciendo los siguientes cambios en las Presiones y Tª del depósito al cabo de 8 horas:
Sin tener en cuenta la Radiación. Tª = 38.87 ºC P = 314.1 barg.
Teniendo en cuenta la Radiación. Tª = 77.61 ºC P = 355.3 barg.
CONCLUSIONES.
La principal conclusión que podemos extraer de esta simulación es que los datos obtenidos en ella servirán para la elaboración de un estudio Hazop en el que el estudio de la desviación del parámetro de presión se haga con una mayor precisión y nos permita establecer las medidas de prevención o mitigación del peligro por sobrepresión de la instalación. Entre estas medidas podrían encontrarse las siguientes:
- Paro del compresor por sobrepresión en equipo.
- Disparo de PSV con un SP igual o inferior a la MAWP del equipo, establecida esta teniendo en cuenta la circunstancia descrita en este artículo. El disparo debería conducirse a lugar seguro.
- Apertura de autorreguladora de presión del equipo, con envío a lugar previsto en protocolo de actuación.
- Apertura de válvula de anillo de agua de refrigeración del equipo.
En cualquier circunstancia, la simulación en dinámico es fundamental ya que nos permite analizar la variación de las variables de operación en un intervalo de tiempo aceptable.