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Analisi CFD 1D di un sistema di raffreddamento di un impianto chimico

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Figura 1. Modello Flowmaster della porzione dell'impianto dove sono presenti
le tre pompe.

This article presents the fluid-dynamic study of the cooling system of a melanine production plant.
The technicians from Eurotecnica, a leading company involved in petrochemical engineering, and EnginSoft worked together to balance the cooling network and to evaluate the phenomena that arises when a sudden standby of the pumps occurs. In such a case, it is important to carefully analyse the likelihood of water hammer or cavitation phenomena.
Flowmaster, a one-dimensial code for fluid dynamic analysis, was used to simulate the dynamic behavior of the cooling system. Two simulations were performed: the first was a steady state analysis aimed at the evaluation of the optimal openings of the butterfly valves; the second focused on the analysis of the transient phase that follows the pumps standby.

The one-dimensional analysis carried out with Flowmaster detailed the performances of the cooling system. In particular, it clarified that no cavitation phenomena arises after the pumps' standby. It also showed that at certain critical points of the cooling network the pressure could decrease to values lower than 1 bar. In conclusion, we can note that Flowmaster demonstrated to be a fast and efficient tool for the verification of the system's performances during the design phase.

Eurotecnica è un’importante società internazionale di ingegneria attiva nel settore petrolchimico; ad oggi ha realizzato più di 130 progetti in tutto il mondo. L’estrema affidabilità aziendale, la pluriennale esperienza nel settore e le grandi competenze tecniche hanno reso Eurotecnica uno dei leader mondiali riconosciuti nel campo delle tecnologie per la produzione di melamina. Nel presente lavoro viene presentato lo studio fluidodinamico monodimensionale del circuito di raffreddamento di un impianto per la produzione di melamina.


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Figura 2. Modello Flowmaster della porzione dell'impianto dove sono presenti i primi quatto scambiatori di calore.

L’impianto
L’impianto è caratterizzato dalla presenza di tre pompe (di cui una di riserva) che lavorano in parallelo; a valle di ciascuna pompa è presente una valvola di non ritorno a piattello. Nell’impianto sono presenti 34 diramazioni che servono altrettanti scambiatori di calore. A monte e a valle di ciascuno scambiatore sono presenti valvole di controllo a farfalla. I diametri dei tubi vanno dai 41 pollici per i tubi dei collettori di aspirazione e di mandata agli 8 pollici dei rami delle utenze più piccole.

L’impianto ha uno sviluppo verticale che arriva fino ad una quota di 26.2 m dove è presente un serbatoio a pelo libero che mette in pressione tutto l’impianto. Proprio la presenza di un importante sviluppo verticale dell’impianto potrebbe portare a fenomeni di cavitazione. Lo studio effettuato dai tecnici di Eurotecnica in collaborazione con EnginSoft si prefiggeva due obiettivi: da una parte bilanciare la rete al fine di garantire una portata ottimale in tutti i rami dell’impianto, dall’altra studiare i fenomeni che avvengono all’interno dell’impianto a seguito di un improvviso spegnimento delle pompe. In questo caso, particolare attenzione è stata posta all’instaurarsi di fenomeni di colpo d’ariete e di cavitazione, soprattutto nei punti più elevati dell’impianto.

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Figura 3. Transitorio di spegnimento di una pompa (Pump A) e della chiusura della valvola di non ritorno. Blu: velocità di rotazione della pompa. Verde: apertura della valvola (posizione angolare del piattello). Rosso: portata volumetrica.
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Figura 4. Pressione nei nodi a monte (blu) e a valle (rosso) di una pompa (Pump A).
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Figura 5. Pressione nei 6 nodi critici della rete

Le simulazioni
Lo studio dell’impianto è stato effettuato utilizzando il codice di simulazione fluidodinamica monodimensionale Flowmaster. L’impianto è stato modellato con una rete composta da 1218 componenti e 1236 nodi. In figura 1 è presentata la porzione di rete in prossimità delle tre pompe. Oltre alla presenza delle tre pompe è possibile notare la presenza di tubi, curve, giunzioni a T e valvole.

In particolare è possibile notare la presenza di una valvola di non ritorno a valle di ciascuna pompa. In figura 2 è presentata la porzione di rete dove sono presenti i primi quattro scambiatori che sono modellati come perdite di carico concentrate in quanto, in questa simulazione, non si è interessati ai fenomeni termici. È possibile notare la presenza di curve, diffusori e valvole di controllo a farfalla. È possibile inoltre notare che le valvole a monte degli scambiatori sono controllate da un sistema di controllo.

Ciascun componente è stato caratterizzato utilizzando i dati forniti dai costruttori; particolare attenzione è stata posta alla caratterizzazione delle pompe e delle valvole di non ritorno al fine di poter modellare nel modo più accurato possibile il transitorio di spegnimento delle pompe e di chiusura delle valvole tenendo conto delle inerzie meccaniche e fluidodinamiche. La prima simulazione stazionaria effettuata ha permesso di calcolare l’apertura delle valvole di controllo a farfalla che garantisse il bilanciamento della rete, cioè la presenza di una portata stabilita all’interno di ciascuna diramazione. Per fare questo, tutte le valvole a monte degli scambiatori di calore sono state controllate con un controllore Proporzionale Integrale Derivativo (PID).

Una volta calcolate le aperture delle valvole che garantissero le portate stabilite, il sistema di controllo è stato rimosso ed è stata effettuata una simulazione transitoria nella quale una pompa (Pump C) rimane sempre spenta mentre le altre due pompe (Pump A e Pump B) si spengono dopo un secondo. L’obiettivo di questa simulazione è quello di studiare il transitorio di spegnimento delle pompe e della chiusura delle valvole di non ritorno e di studiare il conseguente fenomeno di colpo d’ariete.

Il transitorio di spegnimento di una delle due pompe (Pump A) e della chiusura della valvola di non ritorno a valle di questo sono presentati in figura 3. Nello stesso grafico è presenta la variazione della portata volumetrica nel tempo. È possibile notare delle oscillazioni del piattello della valvola di non ritorno a causa delle oscillazioni di pressione a monte e valle di questa, come mostrato in figura 4. I risultati in corrispondenza della Pump B sono analoghi a quelli presentati. L’analisi fluidodinamica monodimensionale ha messo in luce che non ci sono problemi di cavitazione ma che ci sono 6 punti della rete critici nei quali la pressione scende sotto un bar. Questi punti sono posti in una diramazione da 23 pollici a quote che variano da 22 a 25 metri. In figura 5 è presentata la variazione di pressione nel tempo per questi 6 punti critici.

Conclusioni
Le simulazioni fluidodinamiche monodimensionali eseguite con Flowmaster hanno permesso di studiare l’impianto in modo dettagliato in fase di progetto verificandone la sicurezza e il raggiungimento dei target prefissati. In particolare è stato possibile verificare che lo spegnimento improvviso delle pompe non provoca fenomeni di cavitazione.

La simulazione ha tuttavia messo in luce la presenza di una zona critica nella quale la pressione può scendere sotto la soglia di un bar. Infine la simulazione stazionaria con l’utilizzo di valvole controllate da controllori PID ha permesso di bilanciare la rete calcolando l’apertura di ciascuna valvola in modo tale che in ciascun ramo passi una portata stabilita. Le analisi fluidodinamiche monodimensionali effettuate con Flowmaster quindi si sono rivelate uno strumento valido, veloce ed efficace per verificare la qualità dell’impianto in fase di progetto.

 

Articolo pubblicato sulla Newsletter EnginSoft Anno 7 n°2

Alberto Deponti
EnginSoft

Francesco Castelletta
Eurotecnica

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