Title

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

Author

JUAN NICOLAS FLORES BALDERAS

Contributor

JORGE ARTURO ALFARO AYALA (Director)

ALBERTO FLORENTINO AGUILERA ALVARADO (Director)

AGUSTIN RAMON URIBE RAMIREZ (Director)

JOSE DE JESUS RAMIREZ MINGUELA (Director)

Access level

Open Access

Summary or description

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.

In this work, a novel approach to predict the fouling layer growth on the internal surface of a tube by means of a transient computational fluid dynamics (CFD) model is presented. The transient computational fluid dynamics model takes into account the complexity of the chemical and physical phenomena coupled with dynamic mesh. The dynamic mesh method

is programmed by the User-Defined Functions (UDFs) for allowing to grow the fouling on the internal surface of the tube. The study is carried out through the computational fluid dynamics in a 2D computational domain which contemplates the radial effects, such as: radial profiles of temperature, velocity, and the consumption and productions of species due to chemical reactions. This approach is applied for the fouling deposits on the internal surface of a tube of a petrochemical fired heater, due to the thermal cracking process of oil.

Results of the temperature, the oil velocity, the concentration of the distillate and the coke distribution fields are obtained. Moreover, the fouling layer growth due to the deposit and accumulation along the time is predicted and the tube metal temperature (TMT) is computed to identify the “hot spots”. According to the results, the fouling layer reduces the diameter of the tube until 24% at the exit in comparison with the clean tube, thus the fluid flow of the oil increases its velocity due to the reduction of the cross-sectional section, in consequence the oil film temperature and the fouling rate decrease, these lead to the apparition of the “hot spots” due to a high increment of the tube metal temperature at the exit. The “hot spots” appeared when the run-length of 16.8 months is reached, this is due to the tube metal temperature has been exceeded (950 K). Finally, a better prediction of the fouling in the performance of heat exchangers with this new approach, that considers: the dynamic mesh through computational fluid dynamics, the thickness of the fouling layer with the effects of the tube metal temperature, the hydrodynamics of the flow, chemical reactions and mass transfer, is obtained.

Publisher

Universidad de Guanajuato

Publish date

November, 2021

Publication type

Doctoral thesis

Publication version

Published Version

Format

application/pdf

Language

Spanish

Source repository

Repositorio Institucional de la Universidad de Guanajuato

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