Diseño de un Equipo de Recuperación de Líquidos de Gas Natural Empleando CFD

Abstract

En el proceso convencional para el tratamiento de gas natural se emplean tres etapas: endulzamiento, deshidratación y control de punto de rocío (HDP: Hydrocarbon Dew Point). Este proceso permite llevar el gas natural a especificaciones según las entidades de regulación locales [11]. Desarrollos recientes muestran que es posible implementar un solo equipo capaz de realizar la deshidratación y el control de Dew Point en una misma unidad de proceso, disminuyendo así la cantidad de equipos requeridos y el consumo energético asociado a la operación. La compañía holandesa Twister Bv [20] ha desarrollado equipos supersónicos compactos de tratamiento de gas natural pero se desconoce toda la información relacionada con la geometría de sus internos. Con el fin de diseñar uno de estos equipos y mejorar su rendimiento, en este trabajo y en asocio con la compañía colombiana HNA ingeniería Ltda, se empleó la Dinámica Computacional de Fluidos (CFD) para diseñar un equipo de Recuperación de Líquidos de Gas Natural (LGN) y en especial determinar la geometría de los internos. Se empleó la información disponible para definir la geometría del equipo, a pesar de que esta es muy limitada. Se evaluaron varias geometrías posibles para este equipo considerando todos los detalles de sus internos, los resultados fueron comparados con la información experimental disponible correspondiente al perfil de presión del equipo [20]. La modelación CFD se desarrolló en estado transitorio, incluyó el comportamiento multifásico de los fluidos, la turbulencia, y la termodinámica. Para el desarrollo de estas simulaciones se utilizó un computador con 128 Gb de RAM y 2 procesadores Intel Xeon 16 core 2.0 GHz. Uno de los fenómenos más complejos de modelar en CFD es la turbulencia. La literatura recomienda emplear el modelo de turbulencia RSM para simular la turbulencia en este tipo de flujos. Pero este modelo demanda grandes recursos computacionales. Una alternativa es emplear el modelo k-ԑ RNG modificado, sin embargo este modelo no ha sido probado. Los resultados de este trabajo indican que el modelo k-ԑ RNG modificado produce prácticamente los mismos resultados que el modelo RSM pero con una reducción de hasta un 25% en el tiempo de computo. Adicionalmente, se determinó el valor adecuado del Factor de giro (Swirl Factor) con el cual se obtienen resultados más precisos con el modelo k-ԑ RNG modificado. Se plantearon geometrías adicionales con el fin de mejorar la eficiencia del equipo en términos de la separación de LGN. El diseño final es un equipo para la recuperación de LGN con una eficiencia de remoción de líquidos de gas natural de 75%, la cual es un 11% más alta que la reportada por Twister BV [17] Una de las mayores preocupaciones cuando se trabaja con este tipo de equipos en los cuales las velocidades de los fluidos son muy altas, es la pérdida de material debida a la erosión. Por tanto, en este trabajo también se evaluaron las regiones de mayor daño al equipo por erosión, se estimó la pérdida de material media debida a este fenómeno natural de la operación. Finalmente, se concluye que es posible diseñar y mejorar el desempeño de este tipo de equipos empleando la tecnología CFD. Esto abre las puertas a procesos más eficientes, y por lo tanto ambientalmente más amigables, a la vez que representa oportunidades de desarrollo como temas de investigaciones futuras en áreas como procesos, mecánica, materiales y recubrimientos y control y automatización de procesos. La implementación de este tipo de procesos permitirá obtener ventajas competitivas frente a otras tecnologías de tratamiento de gas natural.

Abstract. The conventional natural gas treatment process has three stages: sweetening, dehydration and dew point control. This process allows the natural gas to meet specifications according with the local regulation entities [11]. Recent developments show that is possible to design an equipment able to dehydrate and adjust the natural gas dew point in one single process unit, reducing the equipment and energy consumption. The company Twister BV [20] has developed supersonic compact equipment designs but the geometrical details are unknown. Aiming to design one of these devices and improve their performance in this project and with the collaboration of the colombian company HNA Engineering, CFD was implemented for the NGL recovery process modeling and in special aiming to determine the internals geometry of the equipment. Available information was used to define the possible geometries. Possible equipment geometries were evaluated considering all the internal details, the results were compared with the experimental information available about the hydraulic profile in the equipment [20]. The CFD modeling was developed in transient state and the multiphase behavior of the fluids, the turbulence and thermodynamics were included. For the development of these simulations high computation capacity was used: 128 Gb RAM and 2 Intel Xeon 16 core 2.0 GHz processors. One of the most complex phenomena to model using CFD is the turbulence. The literature [17] recommends the use of RSM to simulate the turbulence in this kind of flows. But this model requires a big computational capacity. One alternative is to implement the turbulence model k-ԑ RNG modified for swirl Flow, however this model have not been probed. The results obtained in this work indicate that the model model k-ԑ RNG modified allows obtaining the almost the same results than RSM but with a computational time reduction of about 25%. Furthermore, the suitable value of swirl factor was determined to obtain more accurate results with the model k-ԑ RNG modified for swirl flow. Further geometries were developed aiming to improve the performance of the equipment relating the separation efficiency of NGL, an efficiency of 75% was obtained, 11% higher than the value reported by Twister Bv [17]. One of the main concerns about the operation of this kind of high velocity flow equipment is the surface damage due to the erosion. For that reason in this document is presented an evaluation of the regions with more possibilities to be damaged considering the erosion effect, and was also evaluated the mean losses of material due to this phenomena of the operation of the equipment simulation. Finally is concluded that is possible design and improve the performance of this kind of process equipment using CFD technology. This opens the doors to more efficient and environmentally friendly processes, at the same time it represents opportunities for future researches to be developed in fields as processes, mechanics, materials and coatings, automation and control of processes. The implementation of this kind of processes allows getting competitive advantages in comparison with other technologies for gas treatment.