Modelado y simulación numérica de un horno para desintegración térmica de petróleo y predicción de la formación de coque

Abstract

En este trabajo, se presenta un enfoque novedoso para predecir el crecimiento de la capa de ensuciamiento en la superficie interna de un tubo mediante un modelo transitorio de dinámica de fluidos computacional (CFD). El modelo transitorio de dinámica de fluidos computacional toma en cuenta la complejidad de los fenómenos químicos y físicos junto con la malla dinámica. El método de malla dinámica está programado por las funciones definidas por el usuario (User-Defined Functions, UDFs) para permitir que crezca el ensuciamiento en la superficie interna del tubo. El estudio se realiza a través de la dinámica de fluidos computacional en un dominio computacional 2D que contempla los efectos radiales, tales como: perfiles radiales de temperatura, velocidad, y consumo y producción de especies por reacciones químicas. Este enfoque se aplica a los depósitos de ensuciamiento en la superficie interna de un tubo de un calentador petroquímico a fuego directo, debido al proceso de desintegración térmica del petróleo. Se obtuvieron resultados del campo de distribución de la temperatura, la velocidad del petróleo, la concentración del destilado y coque. Además, se predice el crecimiento de la capa de ensuciamiento debido al depósito y la acumulación a lo largo del tiempo y se calcula la temperatura de metal del tubo (TMT) para identificar los "puntos calientes". Según los resultados, la capa de ensuciamiento reduce el diámetro del tubo hasta un 24% en la salida en comparación con el tubo limpio, por lo que el flujo de fluido del petróleo aumenta su velocidad debido a la reducción de la sección transversal, en consecuencia la temperatura de película del petróleo y la velocidad de ensuciamiento disminuyen, esto conduce a un breve incremento en el tiempo de operación, sin embargo, aparecen “puntos calientes” debido a un alto incremento de la temperatura de metal del tubo a la salida. Los “puntos calientes” aparecen cuando se alcanza el tiempo de operación de 16.8 meses, esto se debe a que se ha superado la temperatura de metal del tubo (950 K). Finalmente, es obtenida una mejor predicción del ensuciamiento en el desempeño de los intercambiadores de calor con este nuevo enfoque, que considera: la malla dinámica a través de la dinámica de fluidos computacional, el espesor de la capa ensuciamiento con los efectos de la temperatura de metal del tubo, la hidrodinámica del flujo, reacciones químicas y transferencia de masa.