martes, 28 de febrero de 2012

6.    SISTEMAS DE BOMBEO
6.1  ACERCA DEL SIMULADOR DE TUBERÍA
Un simulador de tubería representa el flujo de fluidos a través de varias piezas de equipo. Si suficientes variables (flujos y presiones) son especificadas en el simulador, pueden ser calculadas las variables desconocidas. Para flujo de fluidos a través de equipo, el flujo puede ser calculado como una función de la presión de entrada y salida. Si el usuario puede especificar dos de las tres variables, la tercera es dependiente. La especificación de la presión en diferentes puntos sobre un diagrama de simulación de tubería permite describir al sistema como un sistema de ecuaciones dependientes. Los modelos de simulación de tubería en  CHEMCAD permite la solución simultánea de tal sistema. Si son especificadas suficientes restricciones, el modelo será resuelto simultáneamente  para converger en las presiones/flujos no conocidas en el modelo.
Una representación simple de un sistema de flujo es representada en la Fig. 6.1.
Una ecuación    F3 = f(P2, P3)
Una incógnita   P2 = x
Fig. 6.1 Simple sistema de tubería
Para dimensionar la válvula, debe ser calculada la presión de salida de la válvula. Las variables conocidas son la geometría de la tubería, presión de salida de la tubería, y flujo a través de la tubería. Puede ser usada una simple ecuación para resolver para la presión entrando a la tubería como una función de las variables conocidas.

6.2  CAUDALES COMO UNA FUNCIÓN DE LA PRESIÓN PARA EL FLUJO DE FLUIDO
La mecánica de fluidos permite el cálculo de caudal de fluido a través de una tubería o una boquilla como una función de presiones de la entrada y  de salida. El uso de curvas de desempeño permite el cálculo de flujo a través de un compresor o bomba como una función de presiones de la entrada y  de salida. La Fig. 6-2 muestra UnitOps que pueden calcular caudales como una función de presiones. Estos UnitOps son referidas como a los que  se aplicó  flujo de escalamiento en la corriente de proceso.
Fig 6.2  UnitOps que calculan flujos como función de la presión

6.3  ACERCA DEL MODELAMIENTO DE SISTEMAS DE TUBERÍA
       Los sistemas de cálculo de tuberías son usados para calcular flujos y/o presiones alrededor de una red de tubería conectada al equipo. Típicamente el usuario tiene un flowsheet de equipo, conexiones y varias restricciones (flujos de salida limitaciones de presión en el equipo, etc.) pero no tiene todos los flujos o presiones para el sistema. Usted puede calcular una red de tubería en un diagrama CHEMCAD. Nuevos modelos en CHEMCAD permites a usted especificar las variables conocidas y resolver para las variables desconocidas en un flowsheet.
       La UnitOp NODO, permite a usted especificar la presión en cada lado de una UnitOp y calcular el caudal como una función de la presión. Como una opción, As an option, you may specify one pressure and the flowrate. Cálculos interactivos resolverán para las presiones no conocidas basado en una presión específica y un caudal. Una serie de  UnitOps pueden ser conectadas usando varios nodos. El caudal  a través de la cadena puede ser especificado como un punto simple, o calculado basándose en una presión especificada alrededor de una UnitOp. No es necesario conocer la presión alrededor de todas las UnitOps en la serie.
       La Fig. 6-3 muestra una red simple. Existen varias variables de presión y caudal. Tres de las variables pueden ser especificadas.
Fig. 6.3 Ecuaciones y Variables

6.4   UnitOps PARA REDES DE TUBERÍA
6.4.1  NODO PRESION
Los cálculos para redes de tubería resuelven para la presión en los nodos y luego calculan los caudales iterativamente a través de las redes como funciones de la presión.
Una UnitOp NODO representa un punto en la red de tubería donde un cambio en la presión ocurre debido a cambio de elevación, flujo a través de la tubería, o flujo a través del equipo que varía la presión (bomba, válvula, etc.). Un flowsheet CHEMCAD para una red de tubería usa la UnitOp de tubería para efectos de la tubería y UnitOps tales como bomba, compresor y válvula de control.
Para diseño de una red de tubería es necesario para determinar la presión entre todas las UnitOps para calcular la presión como una función del caudal. La UnitOp NODE  fija la presión en un lado de una UnitOp para calcular la presión en función del flujo.
La presión en un nodo puede ser especificada por el usuario o calculada por CHEMCAD. Los flujos entrando y saliendo de un NODO pueden ser especificados o calculados. Los flujos hacia la UnitOp NODO pueden ser especificados o calculados como dependiente de las UnitOps adyacentes.
La UnitOp NODO establece un valor fijo en el flowsheet. Para calculos de redes de tubería, hay puntos en el flowsheet donde ya sea la presión o el flujo es conocido. La UnitOp NODO permite la especificación  de la variable conocida y calcular la variable desconocida
Para entender los conceptos para especificar un nodo, ver un sistema de dos nodos rodeando una UnitOp. Esto es mostrado en la Fig 6-4

Fig 6.4
Para el sistema de la Fig 6.4 la presión de entrada (P1), presión de salida (P2) y caudal (F) a través de la tubería, son las variables. Una simple ecuación define al sistema. La especificación de dos variables cualquiera permite a CHEMCAD resolver para la tercera variable.
Si la presión es especificada en el primer nodo y en cualquier nodo se especifica el caudal, la presión en el segundo nodo es variable. CHEMCAD variará la presión del segundo nodo hasta que el caudal  como una función de la presión alrededor de la tubería se iguale al caudal especificado. La presión puede variar a cualquier nodo. La presión de una corriente de alimentación o producto de un caudal conocido puede ser ajustada por nodos adyacentes.
En la Fig. 6.4, especificando P1 como una presión fija especifica la presión de la corriente 1 como P=P1. Si la presión de ambos nodos es especificada, el caudal a través de la UnitOp es una variable dependiente. La variable caudal puede ser ya sea la corriente de entrada o la corriente de producto. En la UnitOp NODO especificar la ubicación donde el caudal es una variable. Use el modo libre salida o libre  entrada para   especificar si la entrada o el flujo de la conexión de salida se calcula. 
El modelo tratará en cascada este caudal corriente arriba y corriente debajo de la UnitOp.
La presión de corrientes adjuntas a una  UnitOp NODO será determinada para la presión del nodo. Los caudales a través de una red toda estarán colocados para el caudal calculado a través de un nodo. Usted puede especificar a N-1 caudales en un flowsheet, donde la N es el total de corrientes de alimentaciones y producto en el flowsheet. El caudal calculado será hecho pasar por nodos que usan el caudal dependiente.
Usted recibe un mensaje de error Usted recibirá un mensaje de error si usted trata de especificar o calcular dos caudales conflictivos a través de un sistema con dos nodos separados.

6.5  OPCIONES DE CAUDAL EN UN NODO
El caudal para una corriente de  entrada o una corriente de de salida puede ser manipulado por un nodo. El nodo actúa manipulando el caudal de la UnitOp adyacente. Los trasfondos de presión para los nodos de cada lado de la UnitOp adyacente contribuyen a la manipulación del caudal.
Caudales  Fijos En Nodo
Usar un caudal fijo de entrada para un nodo especifica el caudal hasta el final de la corriente  arriba  de la UnitOp. La presión a un lado (del nodo) de la UnitOp debe ser variable. Una excepción es cuando un nodo actúa como un mezclador o divisor para N corrientes  y la única corriente es variable. En esta situación la presión puede ser fija o variable para ambos nodos.
Fijando el caudal de salida para un nodo especifica el caudal de la corriente hasta el final después de la  UnitOp. Este trasfondo es similar a fijar la entrada.
El caudal en contracorriente establecido para una entrada es similar a fijar la entrada. El caudal de la corriente usa el caudal que actualmente almacenó para la corriente de entrada antes que un valor especificado en el nodo.
Caudal Variable en el Nodo
Usar la entrada libre para un nodo especifica que el caudal de corriente de entrada es una variable calculada. El nodo manipulará corriente arriba el caudal alimentad para solucionar el sistema. La especificación libre de la entrada trabaja mejor en un nodo conectado a una corriente de alimentación  pero este puede ser colocado en otro sitio en el flowsheet.
Si el flujo de salida es especificado, entonces la especificación libre de la alimentación permite calcular la alimentación para mantener el balance de masa. Solamente una especificación libre de entrada es permitida por corriente de alimentación.
La corriente libre de la salida para un nodo es similar a la entrada libre establecida. Usando salida libre especifica que el caudal de  la corriente de producto es una variable calculada. El nodo manipulará el caudal de la corriente de producto para resolver el sistema.  La especificación libre de salida trabaja mejor en un nodo conectado a una corriente de producto   pero este puede ser colocado en otro sitio en el flowsheet.
Si el flujo de la entrada para un sistema es especificado, entonces la especificación libre de la conexión de salida permite calcular el producto para mantener balance de masa. Solamente una especificación libre es permitida para la corriente de producto.
Si usted trata de especificar demasiadas salidas libres  corrientes de entrada libres, entonces CHEMCAD emitirá un mensaje de advertencia y volverá a arrancar la lista de requisitos adicional para establecer el flujo para la UnitOp.
El flujo establecido por UnitOp indica que el caudal se controla por la UnitOp adyacente. La UnitOp puede calcular caudal como una función de presión. La UnitOp puede usar el caudal calculado por otra UnitOp.
Limitaciones de Balance de Masa para Calculos de caudal
Solamente una UnitOp en una rama de la red puede calcular caudal. Si los nodos adyacentes para una UnitOp ambos usan, flow set by UnitOp y Fixed pressure, el caudal calculado puede ser utilizado como el caudal en un free inlet or free outlet node. Si los nodos son adyacente a una  UnitOp usar flow set by UnitOp,  pero no ambos con fijar presión, entonces el caudal a través del UnitOp está calculado a otro sitio en el flowsheet.
El comportamiento de Flow set by UnitOp depende de las especificaciones del caudal de otros nodos en la rama.
Para ilustrar, consideramos un sistema de la Fig. 6.5
La entrada para el SEGUNDO NODO es Flow set by UnitOp.
El nodo usará el caudal de la tubería.
Si la corriente del alimentación es fijada en la entrada, entonces éste es el caudal para la tubería.
Si la corriente del alimentación es libre en la entrada y las corrientes del producto son caudales fijados, entonces el caudal libre de la alimentación de la entrada es establecida por el balance de masa. La entrada libre es el flujo a través de la tubería. Si la corriente de la alimentación es entrada libre, entonces una corriente del producto es de salida libre, y ambos nodos tienen presión fija, la entrada libre y la  salida libre son establecidos por el caudal de la tubería. El caudal de la tubería es establecido por el caudal crítico para la tubería dada con las presiones de la entrada y salida especificadas.
El trabajo de ejemplo demuestra comportamientos diversos de trasfondos de flujo para nodos. Fig 6.5 muestra el flowsheet para este trabajo.

6.6  NODO COMO DIVISOR
Un nodo puede ser utilizado como un divisor. Las corrientes de la  de salida del nodo quedarán a la presión del nodo.
Las corrientes de salida  todas tendrán la misma temperatura y la composición pero los caudales puede diferir.
Los caudales pueden ser especificados ya sea determinados por tubería /válvula o caudales fijos. Solamente un caudal de corriente de  salida puede ser de salida libre.
Un Nodo especificado como un divisor es mostrado  en la Fig. 6-6. El segundo nodo actúa como un divisor (dos corrientes de producto). Para  N corrientes de entrada y salida hay que especificar  N-1 valores.
Para el segundo nodo en la Fig. 6-6, especificar los caudales de dos de las tres corrientes conectadas. Permite a la tercera corriente a ser libre por requerimientos de balance de masa.
Fig. 6-6
Si ambos caudales de la conexión de salida son especificados, entonces la corriente de entrada debe ser calculada como entrada libre al nodo 1 para mantener el balance de masa. Si una conexión de salida está calculada como conexión de salida libre por el nodo, entonces la corriente de la entrada puede ser flujo determinado por  la tubería si ambos nodos están a presión fija.

6.7  VENTANA DE DIALOGO DE PRESION EN EL NODO
Modo
Seleccionar  Fixed pressure  para establecer la presión en el nodo y permitir que el flujo sea variable. Seleccionar Variable Pressure  para salir  presión variable en el nodo.
Presión sobre el Nodo
Especifique la presión para el modo Fixed Pressure .  Para el modo Variable Pressure  la presión calculada es desplegada. Opcionalmente usted puede especificar un estimado para el modo Variable Pressure. La estimación será reemplazada con resultado calculado.
Presión Mínima
Especifique superior con respecto a la presión en el nodo para el modo  Variable Pressure. Especificar presión mínima y máxima acelerará cálculos.
Presión Máxima
Especificar una presión más baja para la presión en el nodo para el modo Variable Pressure. Especificar presión mínima y máxima acelerará cálculos.
Elevación
Especificar la elevación en el nodo. La elevación adicionará una contribución de presión basada en la altura. Especificaciones son absolutas. Le elevación por defecto es cero. Son permitidas elevaciones positivas y negativas.
Opciones de caudal (Entrada)
Número de Corriente
CHEMCAD despliega el número para la corriente de entrada
Opción de Caudal
Seleccione la especificación para la corriente
       Fixed Mole Rate/Fixed Mass Rate/Fixed Volume Rate
 El caudal de la corriente es una variable conocida. El caudal de la corriente es puesto como un valor especificado durante los cálculos.
       Flow set by Pipe/Valve/Pump
 El caudal de la corriente es una variable dependiente. El caudal de la corriente será calculado por la UnitOp adyacente (corriente posterior) para satisfacer los requerimientos de presión.
      Free Inlet Stream
Especifica que la corriente de entrada al nodo es una variable dependiente. El caudal de la corriente de entrada será calculado mediante un balance de masa en el nodo. Solamente una entrada al nodo puede ser Free inlet. Especificación de Free inlet no son permitidas para corrientes que vienen de otro nodo. Usar Free inlet Stream  para especificar una corriente de alimentación variable.
      Use Current Stream Rate
El caudal es una variable conocida. El caudal se fija como el caudal actual de la corriente
Valor
Especifique un caudal fijo para Fixed mole rate, fixed mass rate, or fixed volume rate.  Fixed volume rate especifica la Tasa total Actual de Volumen de la corriente. Las unidades de ingeniería para el flujo son desplegadas; las unidades del  flowsheet  de tasa molar, tasa de masa, y el caudal de líquido son usadas.

6.8  SIMULADOR DE TUBERIA
Descripción
La UnitOp simulador de tubería en CHEMCAD es usada para modelar caída de presión de un fluido a través de una tubería.
Modos de Tubería del Simulador de Tubería
Sizing Option 5  (Given Size Pin and Pout calculate flowrate) de la UnitOp de tubería permite cálculos de caudal a través de la tubería como función de la geometría, presión de entrada y salida. La presión de salida de una tubería conocida es una función de la presión de entrada y del caudal. Cualquiera de estas dos variables es variable independiente.
Un UnitOp NODO puede usar (o calcular) el caudal desde una tubería adyacente como el caudal  para una corriente conectada al nodo.  Use la opción de corriente  Flow set by pipe/valve  para el nodo.
El uso de Sizing Option 5 para una UnitOp de tubería conectada a un nodo crea una variable en la red de tubería.  La variable puede ser el caudal a través de la tubería o la presión a cualquier extremo de la tubería.
Si el nodo es  fixed pressure,  la presión del nodo será usada por la presión de la tubería adyacente.
Si los nodos en cualquier lado de la tubería son fixed pressure con Flow set by pipe para las corrientes de la UnitOp tubería, el caudal a través de la tubería es calculado en base a las presiones de entrada y salida. Si uno de los nodos en cualquier lado de la tubería es variable pressure, la presión variable es calculada en base a la presión fijada (desde el otro nodo) y caudal. El caudal puede ser un valor fijo dado por cualquier nodo, o este puede ser especificado en cualquier otro lugar en el flowsheet.
6.8.1  BOMBA
Descripción
La UnitOp Bomba tiene un modo de ecuación característica que calcula  la presión de salida como como una función de la presión de entrada y el caudal.
Modos de UnitOp Bomba en Red de tubería
Una UnitOp NODO puede usar (o calcular) el caudal desde una bomba adyacente así como el caudal para una corriente conectada al nodo. Use la opción de corriente Flow set by pipe/valve para el nodo.
El uso del modo de la ecuación característica especifica una incógnita en la red de tubería. La incógnita puede ser el caudal a través de la tubería o la presión en cualquier lado de la bomba. El nodo conectado a la bomba actúa como restricción para la incógnita.
6.8.2  VALVULAS
Descripción
Existen dos UnitOps que pueden ser usadas para representar válvulas en la simulación de una red de tubería.
La UnitOp válvula (VALV) permite un cambio arbitrario de presión adiabática entre nodos.
Modos de UNITOP Válvula en Red de Tubería
Use una UnitOp válvula cuando una válvula cambia hacia o desde un nodo de presión variable. La UnitOp válvula es usada para cambiar la presión de la corriente para alcanzar la presión calculada por el nodo de presión. La válvula no ajusta caudal  a menos que este cerrada. No especifique una presión de salida para la válvula.
6.8.3  VÁLVULA DE CONTROL
Descripción
La válvula de control PID puede ser usada en un modo de control manual en una red de tubería. El coeficiente de flujo de la válvula  (Cv) debe ser especificado. La UnitOp de Válvula de Control  (CVAL) tiene tres modos para control manual.
Modos de Control de Válvula para Red de Tubería
Modo Fix valve position and adjust flow rate es usado para calcular el caudal como una función de Cv, posición de la válvula, presión de entrada, y presión de salida. La corriente después del nodo es fixed P  free inlet  corriente, o variable P y free outlet  corriente con entrada  flow set by UnitOp.
6.8.4  COMPRESOR
Modos de Compresor en Red de Tubería
La UnitOp compresor en modo 5 Specify Performance Curves calcula la presión de salida como una función del caudal volumétrico, eficiencia, y columna de gas. El caudal volumétrico y la columna para el compresor son funciones del caudal de masa y la presión de entrada del compresor.
6.8.5   NODO COMO MEZCLADOR
Un nodo puede ser usado como un mezclador. Las corrientes de entrada al nodo todas tendrán la misma presión  igual a la del nodo. Solamente un caudal de corriente de entrada puede ser free inlet.
6.8.6  UNITOPS AL ESTADO ESTACIONARIO
UnitOps al estado estacionario estable pueden ser usadas en un diagrama de red de tubería. Una caída de presión constante puede ser introducida para una (no escalar) UnitOp al estado estacionario. Los nodos adyacentes reconocerán especificaciones de caída de presión en la UnitOp. Entre dos nodos debe haber un escalador de caudal. Un cambiador de calor y una tubería pueden estar en medio dos nodos, como el cambiador de calor no calcula caudal como una función de presión. Una caída de presión constante puede ser especificada para el cambiador de calor y eso afectará la caída de presión entre los dos nodos. Un cambiador de calor no puede ser la única UnitOp entre dos nodos, ya el cambiador de calor no tiene efecto sobre presión.