1. Aspen Hysys - Simulacion Estacionaria

PROCESOS QUÍMICOS Análisis y Simulación en Estado Estacionario

Melanio A. Coronado H. I.Q. 2013

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Contenido Prólogo

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SECCIÓN I. ESTIMACIÓN DE PROPIEDADES

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1. Administrador básico de la simulación 2. Corrientes y de procesos 3. Propiedades de corrientes

9 19 25

SECCIÓN II. UNIDADES DE PROCESOS SENCILLAS

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4. 5. 6. 7. 8.

37 45 51 57 65

Ciclo de refrigeración Separación instantánea de dos fases Separador instantánea de tres fases Procesos con reciclo Compresión de un gas en tres etapas

SECCIÓN III. OPERACIONES LÓGICAS 9. Ajuste de variables 10. Hoja de cálculo 11. Balances de materia 12. Balances de calor 13. Balances de materia y energía 14. Balance General 15. Planta de enfriamiento de un gas

71 73 77 81 87 91 94 101

SECCIÓN IV. REACTORES QUÍMICOS

113

16. Reactor de conversión 17. Planta de producción de gas de síntesis 18. Reactor CSTR 19. Reactor PFR 20. Reacción catalítica heterogénea

115 123 139 147 155

SECCIÓN V. SEPARADORES DE MEZCLAS

161

21. Recuperador de componentes 22. Columna despojadora de agua ácida 23. Columna de destilación desbutanizadora 24. Separación de una mezcla propileno - propano 25. Columna de destilación – Método corto

163 169 177 185 191

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SECCIÓN VI. PROCESOS DE SEPARACIÓN

197

26. Planta de gas natural licuado 27. Planta de producción de etanol 28. Planta de deshidratación de etanol

199 209 217

SECCIÓN VII. PROCESOS QUÍMICOS

227

29. Reactor tubular con reciclo líquido 30. Proceso de alquilación 31. Proceso de producción de Etilbenceno 32. Reactor tubular con reciclo gaseoso 33. Proceso de producción de benceno 34. Proceso de producción de acetona

229 235 243 249 255 265

SECCIÓN VIII. APÉNDICES

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Apéndice A. Variables de diseño Apéndice B. Variables de diseño en etapas de equilibrio Apéndice C. Variables de diseño – Columnas de absorción Apéndice D. Variables de diseño – Columnas de destilación

275 279 285 293

Bibliografía

301

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Prólogo Los cursos de Diseño de Plantas que se imparten a nivel de pre-grado en los Programas de Ingeniería Química han experimentado, en los últimos años, considerables cambios en sus objetivos y metodologías de enseñanza. Los avances de la ciencia, la tecnología y la informática han proporcionado herramientas de trabajo como las bases de datos y redes bibliográficas, plantas pilotos y simuladores que sintetizan, analizan y diseñan procesos químicos y que además incluyen otras opciones como la estimación de propiedades y costos de equipos o procesos, análisis energético, etc. Bases de datos y redes bibliográficas especializadas proporcionan, con la actualización que exige la rigurosidad de la ciencia, una información de alta calidad que resuelve los problemas de escasez de antaño y permiten el conocimiento del estado del arte en el ámbito de la Ingeniería Química en general. Unidades modulares o integradas como plantas pilotos permiten el desarrollo de la experimentación en síntesis y análisis de procesos químicos a pequeña y mediana escala y, de esta manera, resuelven interrogantes o requerimientos para la completa especificación de un trabajo de diseño Los simuladores de procesos químicos facilitan su evaluación sin necesidad de experimentar sobre ellos mismos y contribuyen a la formulación de principios empíricos, importantes herramientas que pueden utilizarse para la verificación de la validez de las decisiones tomadas por los encargados de diseñar procesos Los programas computarizados especializados que definen el paquete de propiedades del sistema de componentes químicos que participan en un proceso, proporcionan especificaciones que en épocas pasadas resultaban difíciles de predecir y contribuyen al modelamiento y simulación completa de un proceso. Los paquetes que ayudan a la estimación del tamaño y a la selección de equipos de procesos, muchos de ellos ofrecidos por los proveedores de tecnología procesos químicos, agilizan un trabajo que manualmente implicaba un gran gasto de tiempo y dinero por la complejidad y extensión de algunos procedimientos de cálculo El Programa de Ingeniería Química de la Universidad del Atlántico se propone, como uno de sus objetivos, que sus egresados adquieran una sólida formación en la simulación, el análisis y la síntesis de procesos químicos, mediante la aplicación de los principios establecidos para ello y a través del uso de herramientas computacionales. Se conjugan la lógica conceptual y la destreza de cálculo, y con la ayuda computacional se aprovecha de la facilidad, agilidad y posibilidad comparativa que permite un simulador. De esta manera, la enseñanza que se imparte de la Ingeniería Química se está haciendo en sintonía con las tendencias actuales mundiales y con un recurso valioso como es el simulador HYSYS, que modela propiedades de componentes y mezclas y simula, analiza y

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sintetiza procesos químicos, además de dimensionar equipos y facilitar otros recursos útiles. Para un buen manejo del simulador, se requiere de conocimientos sólidos de toda la Ingeniería Química; desde las áreas básicas como las matemáticas, la física y la química, las áreas básicas de ingeniería como la fisicoquímica, la termodinámica, los balances de materia y energía y la economía de los procesos hasta sus áreas aplicadas como las operaciones unitarias y el diseño de reactores Este manual es una recopilación, que incluye ejercicios incluidos en los distintos tutoriales facilitados con la compra del simulador, simulaciones construidas por el autor con el aporte valioso de sus estudiantes de pre-grado. Contiene un conjunto prácticas que desarrolladas en forma secuencial buscan conseguir como objetivo general que el estudiante de Diseño de Plantas simule, analice y sintetice procesos químicos en estado estacionario, mediante la asistencia del simulador HYSYS y, por supuesto, compare los resultados con los encontrados, cuando sea posible, con la aplicación de los principios de la Ingeniería Química . El manual está dirigido a principiantes en el manejo de HYSYS y en la aplicación de la Ingeniería básica al diseño de los procesos químicos. Junto con la adquisición de un conocimiento del manejo de las herramientas disponibles en el simulador, la distribución secuencial de las prácticas se orienta por un ordenamiento metodológico de las etapas procedimentales recomendadas para el diseño de un proceso en estado estacionario. El manual está dividido en 8 secciones organizadas teniendo en cuenta un orden metodológico que comience con el uso del simulador para la estimación de las propiedades físicas y termodinámicas del sistema de sustancias que participan en un proceso y termine con simulaciones de algunos procesos químicos con la estructura genérica que los caracteriza como son especialmente un sistema de reactores y un sistema de separadores. En cada lección se incluye una breve introducción que describe algún fundamento asociado con el proceso y un análisis de variables de diseño para las unidades de proceso encontradas en las simulaciones. En medio de los propósitos anteriores, se incluyen una sección que contiene un conjunto de lecciones que explican el uso de recursos lógicos disponibles en el simulador que permiten realizar operaciones como ajustar, controlar o relacionar variables, hacer cálculos de balances de materia y energía o los cálculos iterativos que implica la inclusión de una corriente de recirculación dentro de un proceso, la construcción de columnas de separación o sub-diagramas de flujo por el mismo usuario o la optimización de un proceso, entre otros. Subdivido en varios apéndices se incluye un tratado sobre análisis de variables de diseño en columnas de separación como un conocimiento importante que es necesario dominar para un manejo claro de las especificaciones posibles que permiten obtener simulaciones exitosas en procesos de separación

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SECCIÓN I ESTIMACIÓN DE PROPIEDADES

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1. ADMINISTRADOR BÁSICO DE LA SIMULACIÓN 1. OBJETIVOS 1.1. Seleccionar los elementos básicos requeridos para desarrollar la simulación de un proceso químico en HYSYS 1.2. Manejar algunas herramientas incluidas en el simulador que posibilitan la determinación de propiedades de componentes

2. BASES PARA UNA SIMULACIÓN Paquete Fluido HYSYS utiliza el concepto de paquete fluido o “Fluid Package” como el contenido de toda la información necesaria para desarrollar cálculos de propiedades físicas y evaporaciones espontáneas de corrientes. El paquete fluido permite definir toda la información (propiedades, componentes, componentes hipotéticos, parámetros de interacción, reacciones, datos tabulados, etc) dentro de un archivo muy sencillo. Son tres las ventajas de esto, a saber: 1. Toda la información asociada se define en una sola localidad, lo que permite la fácil creación y modificación de la información 2. Los paquetes fluidos pueden almacenarse como un archivo completo para usarlos en cualquier simulación 3. Pueden usarse varios paquetes fluidos en una misma simulación. Sin embargo, todos los paquetes definidos se encuentran dentro del administrador básico de la simulación Administrador del Paquete Básico de la Simulación El “Administrador Básico de la Simulación” o “Simulation Basis Manager” es una ventana que permite crear y manipular cada paquete fluido en la simulación. Para desplegar esta ventana, abra un nuevo caso, haciendo clic en el botón “New Case” de la barra estándar de HYSYS. Observe en la Figura 1 que, por defecto, el “Administrador Básico de la Simulación” se despliega con la pestaña “Components” activa. En el “Administrador Básico de la Simulación”, el grupo “Component Lists” contiene los botones “View”, “Add”, “Delete”, “Copy”, “Import”, “Export” y “Refresh” con los cuales se observan, añaden, borran, copian, importan, exportan y refrescan los componentes incluidos en el paquete fluido. Acerque el puntero del Mouse a cada uno de estos botones y observe la anotación que aparece en la barra de estado. Debajo se observan las pestañas “Components”, “Fluid Pkgs”, “Hypotheticals”, “Oil Manager”, “Reactions”, “Component Maps” y “UserProperty”. En cada una de las

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ventanas correspondientes a las anteriores pestañas se agregan los componentes, las ecuaciones y las reacciones químicas que intervienen en el proceso químico a simular con el paquete fluido construido. Definición del Paquete Básico de la Simulación 1. Abra un nuevo caso seleccionando el botón “New Case” localizado en el extremo izquierdo de la barra estándar. Se desplegará la ventana “Simulation Basis Manager” como se observa en la Figura 1.1.

Figura 1.1. Administrador del Paquete Básico de la Simulación 2. Haga clic sobre la pestaña “Fluid Pkgs” para desplegar la ventana que permite la creación o instalación del paquete fluido a utilizar en la simulación y que se observa en la Figura 1.2.

Figura 1.2. Ventana para la creación o instalación del paquete fluido Esta ventana contiene los grupos “Current Fluid Packages” y “Flowsheet-Fluid Pkg Associations”. Se pueden usar varios paquetes fluidos dentro de una simulación,

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asignándolos a diferentes diagramas de flujo y enlazándolos. El botón “Import” permite la importación de un paquete fluido predefinido y que haya sido almacenado en el disco duro del computador. Los paquetes fluidos tienen la extensión .fpk 3. Haga clic sobre el botón “Add” para crear un nuevo paquete fluido en la ventana desplegada con el nombre de “Fluid Package: Basis-1” y que se observa en la Figura 1.3. Por defecto, se despliega activa la pestaña “Set Up”

Figura 1.3. Ventana para la definición del paquete fluido

4. Seleccione la ecuación de Peng-Robinson ya sea buscándola directamente en el grupo “Property Package Selection” o haciendo previamente un clic sobre el radio botón que permite la selección de solo ecuaciones de estado o “EOSs” que se encuentra en el grupo filtro o “Property Package Filter” 5. En el cuadro localizado en la parte inferior con el título “Name” Cambie el nombre por defecto “Basis-1” e introduzca “Planta de Gas”. Observe la Figura 1.4.

Figura 1.4. Ecuación y nombre del paquete fluido 11

6. Haga clic sobre el botón “View” para añadir los componentes incluidos en el paque fluido 7. Seleccione los componentes de la librería N2, H2S, CO2, C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5, C6 y H2O. La selección se puede hacer ya sea digitando los nombres sobre el cuadro “Match”, resaltando el compuesto de la lista o haciendo uso del filtro y a continuación la adición al grupo “Selected Components” se hace ya sea presionando la tecla “Enter” o el botón “Add Pure” o haciendo doble clic sobre el componente a seleccionar. Observe la selección de los componentes en la ventana “Component List View” de la Figura 1.5.

Figura 1.5. Selección de los componentes que aparecen en la librería de HYSYS 8. En el árbol que aparece con el título de “Add Component” seleccione la opción “Hypothetical” para añadir un componente hipotético al paquete fluido en la ventana desplegada como se observa en la Figura 1.6.

Figura 1.6. Ventana para la creación de un componente hipotético

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Un componente hipotético puede usarse para modelar componentes que no se encuentran en la librería, mezclas definidas, mezclas indefinidas o sólidos. Utilizaremos un componente hipotético para modelar los componentes mas pesados que el hexano en la mezcla gaseosa. Para crear este componente hipotético, seleccione el botón “Quick Create A Hypo Component” y se desplegará una ventana de título Hypo2000* donde se introducirán las especificaciones del componente hipotético 9. Sobre la pestaña ID de la ventana de propiedades del componente hipotético introduzca C7+ como nombre de este en el cuadro “Component Name”. Observe Figura 1.7. En este caso, no se conoce la estructura del componente hipotético y se modela una mezcla de tal manera que no se usará la opción “Structure Builder”

Figura 1.7. Nombre de un compuesto hipotético 10. Haga clic en la pestaña “Critical” de la ventana de propiedades del compuesto hipotético. Solo se conoce el punto de ebullición normal del C7+, es decir, “Normal Boiling Pt”. Introduzca un valor de 110°C (230°F). Presione el botón “Estimate Unknown Props” para estimar todas las propiedades del componente hipotético y definirlo completamente, como se observan en la Figura 1.8.

Figura 1.8. Estimación de Propiedades desconocidas del componente hipotético

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11. Cuando haya sido definido el componente hipotético, cierre la ventana y regrese a la ventana “Component List View”. Seleccione el componente hipotético C7+ que aparece en el grupo “Available Hypo Components” y haga clic sobre el botón “Add Hypo” para añadirlo a la lista de componentes agrupados en “Selected Components”, como se observa en la Figura 1.9.

Figura 1.9. Inclusión del componente hipotético dentro de la lista de componentes Cada hipocomponente que se cree es parte de un “Hypo Group”. Por defecto, este hipocomponente es colocado en el “HypoGroup1”. Se pueden añadir grupos adicionales y mover hipocomponentes entre grupos. Ya se ha completado la instalación de un paquete fluido. Se pueden ver los coeficientes binarios de PengRobinson para los componentes, haciendo clic en la pestaña “Binary Coeffs” de la ventana titulada “Fluid Package: Planta de Gas”, como se observan en la Figura 1.10.

Figura 1.10. Coeficientes binarios entre los componentes del paquete fluido

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Selección de un sistema de unidades En HYSYS, es posible cambiar el sistema de unidades utilizado para desplegar en las diferentes variables. 1. Despliegue el menú “Tools” y seleccione la opción “Preferences” 2. Haga clic sobre la pestaña “Variables”, haga clic en “Units” que aparece en el grupo “Variables” y seleccione el sistema SI. Observe la Figura 1.11

Figura 1.11. Selección del sistema de unidades

3. Cierre esta ventana para regresar a la simulación

Exportación de paquetes fluidos HYSYS permite exportar paquetes fluidos para usarlos en otras simulaciones. Esta funcionalidad permite crear un paquete fluido sencillo y común que puede utilizarse en múltiples casos. 1. Sobre la pestaña “Fluid Pkgs” de la ventana “Simulation Basis Manager” resalte el paquete fluido “Planta de Gas” que aparece en el grupo “Current Fluid Packages”. Observe Figura 1.12 2. Presione el botón “Export” y se desplegará una ventana que le permitirá guardar el paquete fluido 3. Introduzca el nombre “Planta de Gas” para el paquete fluido y presione el botón “Guardar”. Observe la extensión .fpk al nombre del paquete

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Figura 1.12. Exportación de un paquete fluido

Al definir completamente el paquete fluido, se tiene todo listo para comenzar la simulación. Para ingresar a la ventana donde construir el diagrama de flujo de proceso o PFD a simular, presione el botón “Enter Simulation Environment” que se encuentra en la parte inferior derecha del Administrador Básico de la Simulación o haga clic sobre el icono que se encuentra dentro de la barra estándar con el mismo nombre.

3. PROPIEDADES DE LOS COMPONENTES Algunas propiedades de los componentes seleccionados que han sido calculadas por HYSYS de acuerdo a la ecuación seleccionada se pueden visualizar en la ventana correspondiente a cada uno de ellos. Para ello: 1. Haga clic en la pestaña “Set Up” de la ventana “Fluid Package: Planta de Gas” y haga clic en el botón “View” que permite desplegar la lista de componentes seleccionados en el cuadro “Component List Selection” con el nombre de “Component List-1”. Observe que la ventana desplegada se titula “Component List View” y que, además, se encuentran activos los botones “Add Group”, “Add Hypo”, “Remove”, “Sort List” y “View Component”. Mediante la opción “Sort List” se ordenan los componentes según lo desee el usuario. 2. Seleccione el componente C7+ y haga clic sobre el botón “View Component” para que se despliegue la ventana de propiedades. 3. Haga clic en la pestaña “Critical” y se observará nuevamente la Figura 7, que muestra algunas propiedades básicas en el grupo “Base Propierties” y algunas propiedades críticas en el grupo “Critical Properties”. 4. Haga clic en la pestaña “Point” y observe las propiedades físicas, termodinámicas y moleculares del componente seleccionado

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5. Haga clic en la pestaña “TDep” y observe las tres ecuaciones propuestas por HYSYS para el cálculo, respectivo, de la entalpía del vapor, la presión de vapor y la energía libre de Gibbs del componente seleccionado.

Tabulación de propiedades físicas y termodinámicas de los componentes HYSYS facilita en la pestaña “Tabular” de la ventana “Fluid Package: Planta de Gas”, correlaciones matemáticas para calcular algunas propiedades físicas y termodinámicas como densidad, viscosidad, conductividad térmica, entalpía, entropía y otras 1. Haga clic en la pestaña “Tabular” Se desplegará una ventana que contiene un grupo con el título de “Tabular Package” y que muestra un árbol de opciones. 2. Haga clic sobre el cuadro con un signo más a la izquierda de “Options”. Se desplegarán todas las propiedades físicas y termodinámicas disponibles en HYSYS para correlacionarlas con otras variables físicas. 3. Haga clic en el botón “Edit Properties” que se encuentra en la esquina inferior derecho y detalle las propiedades físicas y termodinámicas para cada uno de los componentes del sistema. 4. Cierre la ventana anterior, seleccione la propiedad “Latent Heat” que aparece en el cuadro derecho de la ventana “Tabular Package”. 5. Haga clic sobre el cuadro con un signo más a la izquierda de “Information” y seleccione la opción “Latent Heat”. 6. Seleccione en el cuadro “Equation Shape” la opción polimérica o “Poly1”. Observe su escritura en el cuadro de abajo. 7. Haga clic en el botón “Cmp Plots”. Se desplegará una ventana con el título “LatentHeat” que muestra las curvas de calor latente en función de la temperatura para cada uno de los componentes de la lista. 8. Cierre la ventana anterior y haga clic sobre el botón “Cmp. Prop. Detail” para conocer mas detales sobre la propiedad. Se desplegará una ventana con el título “PropCurve: LatentHeat_Nitrogen” y con las pestañas “Variables”, “Coeff”, “Table”, “Plots” y “Notes”. Haga clic sobre cada una de ellas y detalle la información suministrada en cada una de ellas

4. CASO DE ESTUDIO A continuación, despliegue la ventana “Component List View”, haga clic en la opción “Components” del grupo “Add Component”, seleccione los componentes n-heptano y n-

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octano y agréguelos a la lista de componentes seleccionados. Compare las propiedades del componente hipotético C7+ con las del n-C7 y n-C8 llenando la Tabla 1.1. Tabla 1.1 Propiedades del n-Heptano, n-Octano y el compuesto hipotético C7+

PROPIEDAD

C7+

C7

C8

Normal Boiling Point

Ideal Liquid Density Molecular Weight

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2. CORRIENTES DE PROCESOS 1. OBJETIVOS 1. Especificar corrientes de materia y energía para desarrollar una simulación de un proceso químico en HYSYS 2. Manejar algunas herramientas incluidas en el simulador que posibilitan la determinación de propiedades de mezclas

2. INTRODUCCIÓN Clases de corrientes en HYSYS HYSYS utiliza el concepto de corrientes de materia y corrientes de energía. Las corrientes de materia requieren, para su completa definición, de la especificación del flujo y de aquellas variables que permitan la estimación de todas sus propiedades físicas y termodinámicas. Las corrientes de energía se utilizan para representar los requerimientos energéticos en unidades como intercambiadores de calor, bombas, etc. y se especifican, completamente, con solo la cantidad de energía intercambiada o transferida en dichas unidades. En HYSYS, la corriente de materia se observa, por defecto, de color azul, mientras que la corriente de energía es de color rojo.

Corrientes de materia El elemento más simple que un diseñador de proceso debe especificar es una simple corriente homogénea. Las variables que definen a una corriente que contiene C componentes son: Variables

Cantidad

Concentraciones Temperatura Presión Flujo

C 1 1 1

Total de Variables

C+3

Expresando las concentraciones en fracciones molares, Xi, se cumple una restricción de suma entre ellas, es decir que:

N

X i 1

i

1

(2.1)

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Por lo tanto, el número de variables de diseño N ie que se requieren para especificar completamente una corriente de materia es la diferencia entre el número de variables y el número de restricciones, es decir: N ie  C  2

(2.2)

De acuerdo a la ecuación (2.2), se define el estado termodinámico de una corriente de materia al conocerse la composición de una corriente de materia y otras dos propiedades, (fracción de vapor, temperatura, presión, entalpía o entropía) una de las cuales debe ser o la temperatura o la presión.

Evaporación espontánea de una corriente de materia Cuando se especifica una corriente de materia con la información suficiente, HYSYS hace los cálculos apropiados de la evaporación espontánea. Es decir, si se especifican, por ejemplo, temperatura y presión calcula si la corriente es de una fase (líquida o vapor) o de dos fases líquido y vapor, etc. Dependiendo de las dos propiedades conocidas de la corriente de materia, HYSYS desarrolla uno de los siguientes cálculos de evaporación espontánea: Isotérmica: T-P Isoentálpica: T-H o P-H Isoentrópica: T-S o P-S Fracción de vaporización conocida: T-VF o P-VF En la evaporación espontánea a una fracción de vaporización conocida entre 0.0 y 1.0, HYSYS calcula la presión o la temperatura dependiendo de la que sea especificada como variable independiente. Si se despliega un error, en este tipo de cálculo, significa que la fracción de vapor especificada no existe a las condiciones de presión o temperatura especificadas. Es decir, la presión especificada es mayor que la presión cricondenbárica o la temperatura especificada es de un valor a la derecha de la temperatura cricondentérmica sobre la envolvente estándar de presión – temperatura

Punto de rocío de una corriente de materia Si, además de la composición de una corriente de materia, se especifica una fracción de vapor de 1.0 y su temperatura HYSYS calculará la presión del punto de rocío. En forma similar, si en vez de especificar la temperatura se especifica la presión HYSYS calculará la temperatura del punto de rocío de la mezcla. Los puntos de rocío retrógrados se pueden calcular especificando una fracción de vapor de -1.0.

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Punto de burbuja de una corriente de materia / Presión de vapor Una especificación de una fracción de vapor de 0.0 para una corriente define un cálculo de punto de burbuja. Si además se especifica o la temperatura o la presión, HYSYS calculará la variable desconocida presión o temperatura. Al fijar una temperatura de 100 °F la presión correspondiente al punto de burbuja es la presión de vapor a 100 °F

3. INSTALACIÓN DE UNA CORRIENTE DE MATERIA EN HYSYS Para la instalación de corrientes de materia en HYSYS realice las siguientes instrucciones: 1. Abra un nuevo caso e importe el paquete fluido “Planta de Gas” construido y almacenado en la Práctica 1. 2. Haga clic en el botón “Enter Simulation Environment”. HYSYS por defecto despliega la ventana titulada “PFD – Case (Main)” y la denominada “Paleta de objetos. En la primera se construye el diagrama de flujo del proceso a simular y en la segunda se incluyen las unidades u operaciones a seleccionar para instalarlas en el proceso a simular 3. Haga doble clic sobre el icono de la corriente de materia (flecha de color azul). Se despliega, sobre el PFD, una flecha de color azul claro, numerada con “1” y, además, la ventana de especificación de propiedades de dicha corriente, con la pestaña “Worksheet” activa, por defecto, como lo muestra la Figura 2.1. La instalación de corrientes puede hacerse de varias formas como presionando la tecla clave o seleccionando la opción “Add Stream” del menú “Flowsheet”

Figura 2.1. Ventana de propiedades de una corriente de materia

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4. En la celda “Stream Name” de la página “Conditions” asigne como nombre a la corriente la palabra “Gas”. 5. Para desplegar la ventana donde se introducen las composiciones, haga clic en “Composition” o doble clic en una de las celdas correspondientes a especificaciones de flujos de la corriente. En este caso, haga doble clic en la celda “Mass Flow” y se desplegará una ventana como la que muestra la Figura 2.2

Figura 2.2. Ventana para especificar la composición de la corriente “Gas” 6. Haga clic en el radio botón “Mole Fractions” en el grupo “Composition Basis” para cambiar la base de la fracción en masa a fracción en moles 7. Introduzca las siguientes composiciones que aparecen en la Figura 2.3.

Figura 2.3. Composición de la corriente “Gas”

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8. Presione el botón OK cuando se hayan introducido todas las fracciones molares Evaporación espontánea isotérmica, T-P, de la corriente “Gas” 9. Asigne una presión de 7500 kPa y una temperatura de 10 °C. ¿Cuánto es la fracción vaporizada? ¿Por qué la corriente “Gas” no está completamente especificada? 10. Asigne un flujo molar de 100 kgmol/h y observe el “OK” que aparece en la banda verde que significa que la corriente “Gas” se encuentra completamente especificada”. Evaporación isoentálpica, T-H o P-H, de la corriente “Gas” 11. Borre la temperatura y mantenga la presión asignada en el punto 9. Especifique una entalpía molar de -15000 kJ/kgmole. ¿Cuánto es la temperatura, la fracción de vapor, y la entropía molar de la corriente? 12. Borre la presión asignada en el punto 9 y mantenga la entalpía molar. Especifique una temperatura de de 980 °C. ¿Cuánto es la presión, la fración de vapor y la entropía molar de la corriente 13. Borre la temperatura anterior y asigne un valor de 2000 °C. ¿Cómo se explica el error que reporta HYSYS? Punto de rocío de la corriente “Gas” 14. Asigne una fracción de vapor de 1.0 y una presión de 7500 kPa. ¿Cuánto es la temperatura de rocío de la corriente “Gas” a la presión de 7500 kPa? 15. Borre la presión asignada y mantenga la fracción de vapor. Asigne una temperatura de 100 °C. ¿Cuánto es la presión de rocío a la temperatura de 100 °C? 16. Asigne una fracción de vapor de -1.0 y una presión de 5000 kPa. ¿Cuánto y qué significado tiene la temperatura calculada? Punto de burbuja de la corriente “Gas” 17. Asigne una fracción de vapor de 0.0 y una presión de 7500 kPa. ¿Cuánto es la temperatura de burbuja de la corriente “Gas” a la presión de 7500 kPa? 18. Borre la presión asignada y mantenga la fracción de vapor. Asigne una temperatura de -30 °C. ¿Cuánto es la presión de vapor de la corriente “Gas” a una temperatura de -30 °C? 23

19. Cambie la temperatura asignada en el punto 18 y asigne el valor de 100 °C. ¿Cómo se explica el error reportado por el simulador? GUARDAR LA CORRIENTE “GAS” Se puede utilizar uno de varios métodos diferentes para guardar un caso en HYSYS 1. Despliegue el menú “File” y seleccione la opción “Save As” para guardar el caso en una cierta localización y con el nombre “Gas” 2. Despliegue el menú “File” y seleccione la opción “Save” para guardar el caso con el mismo nombre y en la misma localización 3. Presione el botón “Save” en la barra estándar para guardar el caso con el mismo nombre

4. INSTALACIÓN DE UNA CORRIENTE DE ENERGÍA EN HYSYS Una corriente de energía se instala mediante el mismo procedimiento que una corriente de materia y solo necesita de una especificación que es el flujo calórico correspondiente 1. Si la paleta de objetos no está abierta sobre el escritorio, presione la tecla clave para abrirla 2. Haga doble clic sobre el botón “Energy Stream” para desplegar la corriente de nombre “Q-100” y su ventana de propiedades, como se observa en la Figura 2.4.

Figura 2.4. Ventana de propiedades de una corriente de energía 3. En el cuadro “Stream Name” cambie el nombre de la corriente a “QHeat” e introduzca el valor de -10000 kJ/h en el cuadro “Heat Flow (kJ/h)” . Observe la banda verde que indica que la corriente está completamente especificada

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3. PROPIEDADES DE CORRIENTES 1. OBJETIVOS 1.1. 1.2. 1.3.

Construir diagramas de propiedades de estado de una mezcla Determinar las propiedades críticas de una mezcla Estimar propiedades físicas, termodinámicas y de transporte de una mezcla

2. INTRODUCCIÓN HYSYS dispone de la opción “Utilities”, que es un conjunto de herramientas que interactúan con una corriente de materia suministrando información adicional para su análisis, como los diagramas presión-volumen-temperatura y otros. Después de instalada, la información anexada se convierte en parte del diagrama de flujo de tal manera que cuando cambian las condiciones de la corriente, automáticamente calcula los otros cambios en las condiciones afectadas. Los diagramas líquido-vapor disponibles para una corriente de composición desconocida son: Presión-Temperatura, Presión-Volumen, Presión-Entalpía, Presión-Entropía, Temperatura-Volumen, Temperatura-Entalpía y Temperatura-Entropía. Algunas otras facilidades incluidas dentro de la opción “Utilities” son las propiedades críticas, el diámetro o caída de presión en tuberías, tablas de propiedades, etc.

3. DIAGRAMAS DE PROPIEDADES DE UNA CORRIENTE Para anexar un diagrama de propiedades a una corriente: 1. Instale un nuevo caso importando el paquete fluido “Planta de Gas” definido en la Práctica 1 2. Instale una corriente de materia con el nombre de “Gas”, 10 °C, 7500 kPa, 100 kgmol/h y composición especificada como lo muestra la Figura 3.1.

Figura 3.1. Composición de la corriente de materia “Gas” 25

3. Haga clic sobre la pestaña “Attachments” y luego haga clic sobre la página “Utilities” 4. Dentro de la ventana desplegada, presione el botón “Create” para acceder a la ventana “Available Utilities” que se observa en la Figura 3.2.

Figura 3.2. Facilidades disponibles para la corriente “Gas” 5. Seleccione la opción “Envelope” y entonces presione el botón “Add Utility”. Se desplegarará la ventana de título “Envelope: Envelope Utility-1” que se observa en la Figura 3.3. La página “Connections” de la pestaña del mismo nombre, muestra los valores máximos (Cricondenbárico y Cricondentérmico) y críticos de presión y temperatura para la envolvente de la corriente “Gas”

Figura 3.3. Valores Máximos y Críticos de temperatura y presión de la corriente “Gas” 6. Haga clic en la pestaña “Performance” y luego clic en la página “Plots” para observar el diagrama presión-temperatura que aparece por defecto, como se observa en la Figura 3.4. Compare los valores máximos y críticos de temperatura y presión de la Figura 3.3 con los determinados en el gráfico PT 26

Figura 3.4. Diagrama Presión-Temperatura de la corriente “Gas” 7. Para incluir la curva de calidad 0.4, digite este valor en el cuadro “Quality 1” del grupo “Curves” que se encuentra en la parte superior derecha. 8. Para observar los datos numéricos de presión-temperatura, haga clic sobre la página “Table”. Observe en la Figura 3.5, en el cuadro “Table Type” que los datos que aparecen tabulados corresponden a la sección del punto de burbuja de la corriente “Gas.

Figura 3.5. Datos numéricos de Punto de burbuja de la corriente “Gas” 9. Despliegue el cuadro “Table Type” y seleccione las opciones que le permitan observar los datos numéricos de presión y temperatura para el punto de burbuja y la gráfica de calidad constante de la corriente “Gas” 10. Seleccione nuevamente la opción “Plots” y en el grupo “Envelope Type” seleccione el radio botón P-H para desplegar el diagrama presión-entalpía de la corriente.

27

11. En el cuadro “Isotherm 1” del grupo “Curves” digite el valor -14 °C para incluir una línea isoterma de dicha temperatura, como se observa en la Figura 3.6.

Figura 3.6. Diagrama Presión – Entalpía de la corriente “Gas”

12. Para editar el gráfico, presione el botón derecho del Mouse y seleccione la opción “Graph Control” del menú contextual desplegado. Se desplegará la ventana que le permite hacer cambios que modifiquen la presentación del gráfico como los observados en la Figura 3.6. 13. Observe los gráficos presión – volumen, presión – entropía, temperatura – volumen, temperatura – entalpía y temperatura – entropía disponibles en el grupo “Envelope Type”

4. PROPIEDADES CRÍTICAS DE UNA CORRIENTE Las propiedades críticas y seudocríticas de una mezcla son estimadas por HYSYS de acuerdo a la ecuación elegida en el paquete fluido. La opción “Critical Property” de la herramienta “Utilities” facilita dicha información para la corriente seleccionada 1. Haga doble clic sobre la corriente “Gas” que aparece en el PFD para desplegar su ventana de propiedades 2. Repita los pasos 3 y 4 del inciso anterior (3) 3. En la ventana “Available Utilities”, seleccione la opción “Critical Property” y presione el botón “Add Utility”. Se desplegará la ventana que aparece en la Figura 3.7 y que despliega las propiedades críticas y seudocríticas de la corriente “Gas”

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Figura 3.7. Propiedades críticas de la corriente “Gas”

5. TABLA DE PROPIEDADES DE UNA CORRIENTE La herramienta “Property Table” permite examinar las tendencias de una propiedad, dentro de un intervalo de condiciones, tanto en forma tabular como gráfica. Esta facilidad calcula variables dependientes para un intervalo o conjunto de valores de variable independiente especificada. Una Tabla de Propiedades se añadirá a la corriente “Gas” desde el menú “Tools” con el siguiente procedimiento: 1. Utilice la tecla clave para abrir la ventana Available Utilities 2. Seleccione la opción “Property Table” y presione el botón “Add Utility”. Se desplegará una ventana como la que muestra la Figura 3.8. El botón “Select Stream” permite seleccionar la corriente a la que se le va a anexar la tabla de propiedades. En nuestro caso se omite, porque solo se tiene una corriente que aparece seleccionada

Figura 3.8. Ventana para la construcción de una Tabla de Propiedades

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3. Seleccione la Temperatura como la primera Variable independiente. 4. Cambie el límite inferior y superior a 0 y 100 ° C respectivamente. En el cuadro “# of increments” digite el número 4. 5. Seleccione la Presión como la segunda Variable independiente. 6. Cambie al modo “State”. 7. En la matriz “State Values” introduzca los valores 2500, 5000, 7500 y 9000 kPa. 8. Haga clic en la página “Dep. Prop” de la pestaña “Design”. Es posible escoger varias propiedades dependientes. Además, pueden ser propiedades globales o propiedades de fases diferentes 9. Presione el botón “Add” para desplegar la ventana “Variable Navigator”. Observe la Figura 3.9

Figura 3.9. Navegador de variables 10. Seleccione la opción “Mass Density” a partir de la lista del grupo “Variable” y presione el botón “OK”. 11. Seleccione la opción “Thermal Conductivity” y presione el botón “OK”. 12. Presione el botón “Calculate” para calcular las propiedades densidad másica y conductividad térmica a presiones de 2500, 5000, 7500 y 9000 kPa manateniendo temperaturas constantes de 0, 25, 50, 75 y 100 °C. 13. Haga clic en la pestaña “Performance” para desplegar la ventana, Figura 3.10, donde se pueden seleccionar los datos calculados para visualizarlos tabulados numéricamente o gráficamente.

30

Figura 3.10. Tabla de propiedades 14. Haga clic sobre la página “Table” para desplegar los datos calculados en forma numérica y tabular. Observe Figura 3.11

Figura 3.11. Densidad y Conductividad térmica de la corriente “Gas” 15. Haga clic en la página “Plots”, seleccione la propiedad “Mass Density” y presione el botón “View Plot” que se encuentra a la derecha. Las gráficas de los cálculos realizados se observan en la Figura 3.12.

31

Figura 3.12. Gráficas de densidad versus Presión para la corriente “Gas” 16. Cierre la gráfica anterior, seleccione la propiedad “Thermal Conductivity” y presione el botón “View Plot”. Las gráficas de los cálculos realizados se observan en la Figura 3.13.

Figura 3.13. Conductividad Térmica versus Presión para la corriente “Gas” 32

6. DIMENSIONAMIENTO DE UNA TUBERIA DE CORRIENTE Dentro de la herramienta “Utilities” se encuentra una opción denominada “Pipe Sizing” que estima el Régimen de Flujo de una corriente a las condiciones especificadas. Se calcula el diámetro máximo conociendo la caída de presión por unidad de longitud y viceversa y, adicionalmente, propiedades de flujo como velocidad, factor de fricción, viscosidad, etc. 1. Utilice la tecla clave para abrir la ventana Available Utilities. 2. Seleccione la opción “Pipe Sizing” y presione el botón “Add Utility”. Se desplegará una ventana como la que muestra la Figura 3.14. El botón “Select Stream” permite seleccionar la corriente a la que se le va a anexar la tabla de propiedades. En nuestro caso se omite, porque solo se tiene una corriente que aparece seleccionada

Figura 3.14. Dimensionamiento de una tubería 3. En el cuadro “Pressure Drop (kPa/m)” digite el valor 10. Observe que HYSYS ha calculado el diámetro máximo catálogo 40, seleccionados en los cuadros “Calculation Type” y “Schedule” 4. Haga clic en la pestaña “Performance” y observe el cálculo del Régimen de Flujo (Estratificado) de la corriente “Gas” a las condiciones especificadas que incluye propiedades de transporte (fases, viscosidad, densidad, flujo y densidad) y parámetros adicionales del régimen de flujo (Número de Reynolds y factor de fricción). Observe la Figura 3.15

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Figura 3.15. Régimen de Flujo de la corriente “Gas”

7. CASOS DE ESTUDIO Utilizando el simulador HYSYS 1. Determine las propiedades críticas del benceno. 2. Construya el diagrama P-T y P-H del amoníaco. 3. Construya gráficos de densidad de una mezcla equimolar de metano y etano a presiones entre 2000 kPa y 9000 kPa a temperaturas de 30, 50 y 100 °C. 4. Determine el régimen de flujo de una mezcla equimolar de acetona y agua a 40 °C, 110 kPa y un flujo de 100 kmol/h.

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SECCIÓN II UNIDADES DE PROCESOS SENCILLAS

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36

4. CICLO DE REFRIGERACIÓN 1. OBJETIVOS 1.1. Determinar los grados de libertad en los elementos de un ciclo de refrigeración 1.2. Simular un ciclo de refrigeración 1.3. Determinar los requerimientos energéticos en un ciclo de refrigeración

2. INTRODUCCIÓN Los elementos de un ciclo de refrigeración simple son un condensador, una válvula de Joule-Thompson, un evaporador y un compresor, además del medio refrigerante. En el ciclo de refrigeración mostrado en la Figura 4.1, la corriente “1” contiene propano líquido saturado a una temperatura de 122 °F y se expande isoentalpicamente en la válvula. La mezcla líquido-vapor en la corriente “2” es vaporizada completamente a una temperatura de 0 °F y, a su vez, dicho vapor es comprimido y condensado para regenerar la corriente “1” en estado de líquido saturado

Figura 4.1. Ciclo de refrigeración

Evaporador o Calentador (Heater) En el calentador que muestra la Figura 4.1, el propósito es vaporizar completamente la corriente 2. Las corrientes 2 y 3 son de flujos y composiciones iguales, pero el calor suministrado a través del intercambiador de calor hace que sus temperaturas y presiones sean diferentes. Las ecuaciones que modelan el transporte de materia y energía a través de un calentador son: 37

Balances de materia para cada uno de los C componentes: F2i  F3i

Balance de energía:

F2 h2  Q  F3h3

Siendo F2 , F3 , h2 , h3 los flujos y las entalpías de las corrientes y Q el flujo calórico cedido a la corriente 2. El análisis de grados de libertad es el siguiente: Variables

Cantidad

Corriente Salida Corriente Calor

C+2 1

Total Variables

C+3

Ecuaciones y Restricciones

Cantidad

Balances de materia Balance de energía

C 1

Total Ecuaciones y Restricciones

C+1

Total grados de libertad

2

Las dos variables de diseño requeridas se pueden completar con varias opciones entre las cuales podemos analizar las siguientes:  Temperatura y presión de la corriente de salida: se tienen las especificaciones requeridas para hacer unos cálculos de vaporización isotérmica que estimen la fracción de corriente vaporizada y las correspondientes concentraciones de las fases líquido y vapor en equilibrio en la corriente de salida. El modelo calcula la caída de presión en el intercambiador y el flujo calórico correspondiente a la corriente de energía.  Temperatura de la corriente de salida y la caída de presión en el calentador: Es una opción equivalente a la anterior porque con la caída de presión en el

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intercambiador se calcula la presión en la corriente de salida y, por lo tanto, en este caso se desarrollan cálculos de vaporización isotérmica para calcular el estado de la corriente de salida Las anteriores no son las únicas opciones; entre otras adicionales, se encuentran la caída de presión y el flujo calórico en el intercambiador, el flujo calórico en el intercambiador y la presión en la corriente de salida.

Condensador o Enfriador (Cooler) En el condensador que muestra la Figura 4.1, el propósito es enfriar la corriente 4 haciendo que transfiera una cantidad de su contenido calórico. Las corrientes 4 y 1 son de flujos y composiciones iguales, pero el calor absorbido a través del intercambiador de calor hace que sus temperaturas y presiones sean diferentes. El análisis de los grados de libertad en un condensador (cooler) es el mismo del evaporador. Es decir son 2 grados de libertad y las especificaciones posibles son las mismas descritas en el apartado anterior. En este caso, se especifica la caída de presión y el ciclo converge satisfactoriamente. ¿Por qué converge con solo una especificación si se requieren dos adicionales a las C + 2 de la corriente de entrada?

Válvula de Joule-Thompson Un caso de expansión isoentálpica de una corriente es el que se lleva a cabo en una válvula de Joule – Thompson. El paso de una corriente a través de este tipo de válvula ocasiona una disminución de la presión manteniéndose la entalpía constante. Las ecuaciones que modelan la expansión isoentálpica de una corriente de alimento a una válvula de Joule – Thompson se plantean con los balances de materia para cada componente, el balance calórico entre las corrientes de entrada y salida con la corriente de energía y la restricción de la igualdad de las entalpías totales de las corrientes de entrada y salida, de la siguiente manera

Balances de componentes: Balance de energía: Igualdad de entalpías:

F1i  F2i

F1h1  Q  F2 h2

F1h1  F2 h2

Se observa, a partir del balance de energía y la igualdad de entalpías que el flujo calórico, es igual a cero, es decir, que la válvula de Joule – Thompson opera en condiciones

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adiabáticas, razón por lo cual en los diagramas de flujo se muestran dichas válvulas sin la corriente calórica resaltada en color rojo en la figura. El análisis de grados de libertad es el siguiente: Variables

Cantidad

Corriente Salida Corriente Calor

C+2 1

Total Variables

C+3

Ecuaciones y Restricciones

Cantidad

Balances de materia Balance de energía Igualdad de Entalpias

C 1 1

Total Ecuaciones y Restricciones

C+2

Total grados de libertad

1

La variable de diseño que usualmente se especifica es la caída de presión en la válvula o la presión en la corriente de salida. Por lo tanto, para determinar el estado de la corriente de salida se requiere del desarrollo de un cálculo de vaporización isoentálpica que estime los flujos de la fracción líquida y de la fracción vapor junto con sus respectivas composiciones.

Compresor El compresor que muestra la Figura 4.1 se encarga de aumentar la presión de la corriente gaseosa 3 mediante el suministro de una cantidad de energía en forma de trabajo. Las corrientes 3 y 4 son de flujos y composiciones iguales pero se requiere un trabajo de compresión que se calcula con teniendo en cuenta las consideraciones de operación, es decir en forma isoentrópica o no isoentrópica Las ecuaciones que modelan el aumento de presión de una corriente gaseosa en un compresor se plantean con los balances de materia para cada componente y el balance entre el contenido energético de las corrientes de entrada y salida y la corriente de energía, de la siguiente manera:

Balances de componentes: Balance de energía:

F1i  F2i

i = 1,….,C

F1h1  Ws ,i  F2 h2

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El análisis de grados de libertad es el siguiente:

Variables Corriente Descarga Corriente Energía Total Variables Ecuaciones y Restricciones

Cantidad C+2 1 C+3 Cantidad

Balances de materia Balance de energía

C 1

Total Ecuaciones y Restricciones

C+1

Total grados de libertad

2

Si se fija la presión de la corriente de salida (o el P en el compresor) y la eficiencia del compresor se puede calcular la entalpía de la corriente 4 con lo cual se completan las C + 2 especificaciones requeridas para su total determinación HYSYS realiza un cálculo de evaporación espontánea P-H para la especificación completa de la corriente “4”.

1. SIMULACIÓN DEL CICLO DE REFRIGERACIÓN 1. Abra un nuevo caso y añada el siguiente paquete fluido a. Ecuación: Peng Robinson b. Componente: Propano c. Unidades Field 2. Haga clic sobre el botón “Enter Simulation Environment” cuando esté listo para empezar a construir la simulación 3. Presione la tecla clave F11 instalar una corriente y desplegar su vista de propiedades 4. Introduzca las siguientes especificaciones a. Nombre b. Fracción de vapor c. Temperatura d. Flujo molar e. Composición (Fracción molar)

1 0.0 120 °F 100 lbmol/h 1.0

41

5. Instale una válvula de Joule-Thompson seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre “Valve” y conéctela como se observa en la Figura 4.2.

Figura 4.2. Conexiones de la válvula en el ciclo de refrigeración

6. Instale un evaporador seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre “Heater” y conéctelo como se observa en la Figura 4.3. ¿Cuántas variables se necesitan introducir para que el conjunto Válvula-Evaporador quede completamente especificado?

Figura 4.3. Conexiones del evaporador en el ciclo de refrigeración

42

7. Haga clic sobre la página “Parameters” e introduzca una caída de presión de 1 psi en el cuadro “Delta P”. 8. Haga clic en la pestaña “Worksheet” y en la columna de la corriente “3” introduzca una fracción de vapor de 1.0 y una temperatura de 0 °F ¿Cuánto es el calor requerido en el evaporador? 9. Instale un compresor seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre “Compressor” y conéctelo como se observa en la Figura 4.4. ¿Cuántas variables se requieren para especificar completamente el compresor?. Si usted introduce una presión de 200 psia a la corriente “4” ¿Por qué converge la simulación del compresor?

Figura 4.4. Conexiones del compresor en el ciclo de refrigeración 10. Borre la presión de 200 psia introducida en la corriente “4” e instale un condensador seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre “Cooler” y conéctelo como se observa en la Figura 4.5. ¿Cuántas variables se requieren especificar para que converja el conjunto Compresor-Condensador?

Figura 4.5. Conexiones del condensador en el ciclo de refrigeración 43

11. Haga clic sobre la página “Parameters” e introduzca una caída de presión de 6.5 psi en el cuadro “Delta P” ¿Por qué converge el conjunto Compresor-Condensador con solo especificar la caída de presión en el condensador? 12. Haga clic en la pestaña “Performance” para que observe el comportamiento entre algunas variables a través del intercambiador. En la página perfiles o “Profiles” se observan los estados de temperatura, presión, fracción de vapor y entalpía molar de la corriente enfriada. En la página Gráficos o “Plots” se observa, por defecto, la variación de la entalpía con la temperatura y se dispone de otras opciones de análisis entre variables. En la página Tablas o “Tables” se observa información similar 13. Despliegue la ventana de propiedades de la Válvula y verifique si su operación es isoentálpica 14. Despliegue la ventana de propiedades del compresor y verifique si su operación es isoentrópica. Si no es isoentrópica, entonces, ¿Qué tipo de operación se realizó en el compresor?

4. CASO DE ESTUDIO El distribuidor local propone a su planta la venta de una mezcla propano/etano de 95/5 (% molar). ¿Qué efecto, si lo hay, provoca esta nueva composición en el ciclo de refrigeración? Utilice el caso base para comparación y llene la siguiente tabla:

Propiedad

Caso Base: 100 % C3

Caso Nuevo: 5% C2, 95% C3

Flujo, kgmol/h

_________________

________________________

Condensador, kJ/h

_________________

________________________

Evaporador, kJ/h

_________________

________________________

Compresor, hp

_________________

________________________

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5. SEPARACIÓN INSTANTÁNEA DE DOS FASES 1. OBJETIVOS 1.1. Determinar el número de grados de libertad en un separador de fases instantáneo 1.2. Simular un separador de fases isotérmico adiabático y no adiabático 1.3. Verificar las ecuaciones del modelo matemático estacionario de un separador de fases isotérmico

2. INTRODUCCIÓN Un separador de fases instantáneo simula la evaporación súbita de una (o varias corrientes). El caso típico es el flujo a través de una restricción (por ejemplo, una válvula) cuya caída de presión en forma adiabática provoca una vaporización parcial y en un tanque posterior puede lograrse la separación en las fases líquido y vapor, respectivamente. Observe la Figura 5.1 con la válvula como restricción y el tanque V-100. En el modelamiento de un separador de fases se asume que: 1. El líquido y el vapor tienen el tiempo de contacto suficiente para lograr el equilibrio 2. La presión de líquido y vapor son las del tanque separador, es decir, que no hay caída de presión 3. Existe solo una fase líquida y vapor y 4. No existen reacciones químicas

Figura 5.1. Separador de fases instantáneo

Las ecuaciones de un modelo, en estado estacionario, para un separador instantáneo son: 45

Balances de materia para cada uno de los C componentes (C ecuaciones)

Fz i  Vy i  Lxi

(5.1)

FhF  Q  VhV  LhL

(5.2)

Balance de energía

Relaciones de equilibrio (C ecuaciones)

y i  K i xi

(5.3)

Restricciones: La temperatura y la presión de la fase líquida son iguales a la temperatura y la presión de la fase vapor. Lo anterior expresa las siguientes dos restricciones:

PV  PL  P

(5.4)

TV  TL  T

(5.5)

El análisis de grados de libertad es el siguiente: Variables Corriente Vapor Corriente Líquido Corriente Calor Total Variables Ecuaciones y Restricciones

Cantidad C+2 C+2 1 2C + 5 Cantidad

Balances de materia Relaciones de equilibrio Balance de energía Restricciones

C C 1 2

Total Ecuaciones y Restricciones

2C + 3

Total grados de libertad

2 46

Una especificación común es la que corresponde a una separación isotérmica. En este caso, se especifican la presión y la temperatura del separador.

Separación instantánea isotérmica El cálculo de las corrientes de vapor y líquido para este tipo de separación suelen realizarse utilizando la ecuación propuesta por Rachford y Rice (1952) que permite calcular la V fracción de alimento vaporizado   , suponiendo que las constantes de equilibrio son F independientes de las concentraciones y solo dependen de la temperatura y la presión.

N

( Ki  1) zi 0 i  1)

 1   (K i 1

(5.6)

Separación instantánea adiabática Una especificación muy común es la que corresponde a una separación instantánea adiabática (Q = 0). En este caso, fijado Q, solo queda por asignar una variable, por ejemplo, la presión de operación del sistema. De esta manera, quedan por calcularse la temperatura y demás propiedades de las corrientes de salida. Dado que se desconoce la temperatura, el balance de energía queda acoplado y debe resolverse simultáneamente con la ecuación (6.6). Para ello, la ecuación (6.2) se expresa como una función de temperatura y fracción vaporizada de la siguiente manera:

g (T ,  )  1  

hV h  (1   ) L hF hF

(5.7)

Para la solución simultánea de las ecuaciones (5.6) y (5.7) se puede proceder de la siguiente manera 1. Se supone una temperatura 2. Se calcula la fracción de vaporización con la ecuación (5.6) y 3. Se verifican dichos resultados con la ecuación (6.7) definiendo un error para la función g(T, V/F)

3. SIMULACIÓN DE UN SEPARADOR DE FASES INSTANTÁNEO 1. Abra un nuevo caso y añada el siguiente paquete fluido 47

a. Ecuación: b. Componentes: c. Unidades:

Peng Robinson Etano, Propano, n-Butano, n-Pentano, n-Hexano Field

2. Haga clic sobre el botón “Enter Simulation Environment” para desplegar la ventana PFD de HYSYS 3. Presione con el botón derecho del Mouse el icono de la corriente de materia y en forma sostenida arrastre el Mouse hasta la ventana del PFD 4. Introduzca las siguientes especificaciones a. b. c. d.

Nombre: F Temperatura: 150 °F Presión: 50 psia Composición (Fracción molar) i. Etano 0.05 ii. Propano 0.15 iii. n-Butano 0.25 iv. n-Pentano 0.2 v. n-Hexano 0.35

5. Instale una válvula de Joule-Thompson, asígnele como nombre “VLV-100” y conéctela con corriente de entrada “F” y corriente de salida “F1” 6. Haga clic en la página “Parameters” de su ventana de propiedades e introduzca una caída de presión de 1 psi en el cuadro “Delta P” 7. Instale un separador de fases seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre “Separator”, asígnele como nombre “V-100” y conéctelo como indica la Figura 5.2.

Figura 5.2. Corrientes de materia y energía conectadas al separador

48

8. Haga clic en la página “Parameters” e introduzca una carga calórica de cero en el cuadro de nombre “Duty” y seleccione el radio botón “Heating”, como se observa en la Figura 5.3

Figura 5.3. Carga calórica asignada al separador 9. Haga clic en la pestaña “Rating” para observar la ventana que permite definir algunos aspectos geométricos corto del tanque separador. Observe que en el grupo “Geometry” se elige la forma del tanque (Cilíndrica o Esférica), la orientación (Vertical u Horizontal) y un dimensionamiento de volumen, altura y diámetro 10. Haga clic sobre el botón “Quick Size” y observará que HYSYS propone unas medidas para el diámetro y la altura y calcula el correspondiente volumen. El usuario puede modificar estas dimensiones especificando dos de ellas con las cuales HYSYS calcula la tercera. Observe la relación altura/ diámetro definida para el dimensionamiento en la Figura 5.4.

Figura 5.4. Dimensionamiento del tanque separador

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11. Haga clic en la pestaña “Worksheet” y observe los flujos y las entalpías de las corrientes de producto del separador. Verifique el cumplimiento de la ecuación (5.7) 12. Cambie la carga calórica al separador por un valor de 5e+5. ¿Qué cambios con respecto a la operación adiabática se observan en los resultados de la simulación?. Verifique dichos resultados con las ecuaciones

4. CASOS DE ESTUDIO 1. Borre la temperatura especificada para la corriente “F” e introduzca un valor de 65000 Btu/lbmole en el cuadro “Molar Enthalpy”. ¿Explique lo realizado y los cambios observados en los resultados de la simulación? 2. Borre la presión especificada para la corriente “F” e introduzca un valor de 150 °F para la temperatura manteniendo la entalpía molar introducida anteriormente. ¿Explique lo realizado y los cambios observados en la simulación? 3. Simule la separación para una presión de 50 psia y una fracción de vaporización de 0.4. Analice los resultados 4. Simule la separación para una temperatura de 150 °F y una fracción de vaporización de 0.6. Analice los resultados

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6. SEPARACIÓN INSTANTÁNEA DE TRES FASES 1. OBJETIVOS 1.1. Separar en forma instantánea una corriente con un contenido de hidrocarburos y agua 1.2. Determinar los puntos de rocío y burbuja para una mezcla de hidrocarburos – agua

2. INTRODUCCIÓN Una mezcla líquida formada por componentes completamente inmiscibles, como hidrocarburos y agua, muestra dos fases líquidas. Esta mezcla establecerá un equilibrio con un vapor que se formará según que la suma de las presiones de vapor de las dos fases líquidas sea mayor que la presión a la que se encuentra la mezcla. La separación de las tres fases se puede llevar a cabo en un recipiente que permita la decantación de las dos fases líquidas en un esquema como el que se muestra en la Figura 6.1

Figura 6.1. Separador de tres fases

Las ecuaciones de un modelo, en estado estacionario, para un separador instantáneo de tres fases son:

Balances de materia para cada uno de los componentes (C ecuaciones): Fz i  Vy i  L1 x1i  L2 x2i

i = 1,…., C

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Balance de energía: FhF  Q  VhV  L1hL1  L2 hL 2

Las relaciones de equilibrio entre la fase vapor y las dos fases líquidas son (2C ecuaciones: y i  K1i x1i y i  K 2i x2i

i = 1,…., C i = 1,…., C

Restricciones: La temperatura y la presión de la fase vapor, la fase líquida liviana y la fase líquida pesada son iguales. Lo anterior expresa las siguientes dos restricciones:

TV  TL1  TL2 PV  PL1  PL2

El análisis de grados de libertad es el siguiente:

Variables Corriente Vapor Corrientes Líquidas Corriente Calor Total Variables Ecuaciones y Restricciones

Cantidad C+2 2(C + 2) 1 3C + 7 Cantidad

Balances de materia Relaciones de equilibrio Balance de energía Restricciones

C 2C 1 4

Total Ecuaciones y Restricciones

3C + 5

Total grados de libertad

2

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Las variables que generalmente se especifican para completar la especificación de la unidad son la magnitud del flujo calórico y la caída de presión en el separador o la presión de una de las corrientes de salida. 3. SEPARACIÓN DE UNA MEZCLA DE HIDROCARBUROS - AGUA 1. Abra un nuevo caso y defina el siguiente paquete fluido Ecuación: Componentes: Unidades:

Peng Robinson C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5, H2O SI

2. Entre al ambiente de simulación e instale una corriente con el nombre de “Alimento” y las siguientes especificaciones a. b. c. d.

Temperatura: 20 °C Presión: 200 kPa Flujo: 100 kgmol/h Composición (Fracción Molar) i. ii. iii. iv. v. vi. vii. viii.

Metano Etano Propano i-Butano n-Butano i-Pentano n-Pentano Agua

0.10 0.03 0.04 0.08 0.10 0.12 0.13 0.40

3. Maximice la ventana de propiedades de la corriente “Alimento” y observe las condiciones de las tres fases que la componen en la Figura 6.2.

Figura 6.2. Especificaciones de la corriente “Alimento”

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4. Haga clic en la página “Composition” y observe correspondientes a dicha corriente en la Figura 6.3.

las

composiciones

Figura 6.3. Composición de las tres fases de la corriente “Alimento” 5. Presione el icono de nombre “3-Phase Separator” que se encuentra en la paleta de objetos y en forma sostenida desplace con el clic derecho del Mouse arrástrelo hasta la ventana del PFD de HYSYS. 6. Seleccione el separador de 3 fases haciendo doble clic sobre el icono correspondiente en la paleta de objetos. 7. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca los nombres de las corrientes de entrada y salida como se observan en la Figura 6.4.

Figura 6.4. Corrientes de entrada y salida al Separador de tres fases

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8. Haga clic en la página “Parameters” y observe que, por defecto, la caída de presión es cero. Introduzca una caída de presión de 10 kPa y observe la diferencia en los resultados. 9. Haga clic en la pestaña “Rating” y presione el botón “Quick Size” para dimensionar, por defecto, el tanque cilíndrico horizontal correspondiente al separador de tres fases 10. Observe la verificación de la opción para seleccionar el anexo de una bota. Al presionar el botón “Quick Size”, inmediatamente HYSYS también sugiere unas dimensiones para la bota como se observan en la Figura 6.5.

Figura 6.5. Dimensionamiento del tanque Separador de Tres Fases 11. Haga clic sobre la pestaña “Worksheet” y observe las condiciones de las corrientes de salida del Separador de Tres fases, Figura 6.6. Compárelas con las especificaciones de las tres fases de la corriente “Alimento”.

Figura 6.6. Condiciones de las corrientes de salida del Separador de Tres Fases

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12. Haga clic sobre la página “Composition” y observe las concentraciones de las corrientes de salida del Separador de Tres Fases, Figura 6.7. Compárelas con las especificaciones de las tres fases de la corriente “Alimento”

Figura 6.7. Composición de las corrientes de salida del Separador de Tres Fases

4. CASOS DE ESTUDIO 4.1 Determine el punto de rocío de la corriente “Alimento” a 200 kPa? ¿Cuántas fases se observan? Explique por qué la fase vapor contiene agua 4.2 Determine el punto de burbuja de la corriente “Alimento” a 200 kPa. ¿Cuántas fases se observan? Explique por qué la fase líquida no contiene agua

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7. PROCESOS CON RECICLO 1. OBJETIVOS 1.1. Especificar una corriente a partir de las especificaciones de otra corriente 1.2. Utilizar el botón Reciclo para estimar las propiedades de una corriente de recirculación dentro de un proceso químico 2. INTRODUCCIÓN Los simuladores de proceso pueden clasificarse en modulares y orientados a ecuaciones. En el segundo modo de simulación, las ecuaciones de las unidades, corrientes y modelos termodinámicos se ensamblan y se resuelven simultáneamente. En el modo modular, los modelos termodinámicos y las ecuaciones de las unidades se almacenan como subprogramas o procedimientos que son llamados o requeridos en el orden de la conectividad de las corrientes para converger secuencialmente de acuerdo a la topología del diagrama de flujo. Este cálculo secuencial requiere de un procedimiento iterativo cuando existe una corriente de reciclo, dentro del proceso, que se asume como una materia corriente abajo que debe ser de las mismas especificaciones que una materia corriente arriba, conformándose lo que se denomina un lazo de reciclo o de recirculación. En HYSYS, un simulador modular secuencial, este procedimiento iterativo se realiza mediante la introducción de un bloque lógico denominado “Reciclo”, que se alimenta de la corriente abajo o “Corriente de Recirculación Calculada” y descarga la corriente arriba o “Corriente de Recirculación Asumida”. Los siguientes pasos se llevan a cabo durante el proceso de convergencia de un lazo de recirculación: 1. HYSYS utiliza las condiciones de la corriente asumida y resuelve el diagrama de flujo hacia delante hasta la corriente calculada 2. HYSYS, entonces, compara los valores de la corriente calculada con los de la corriente asumida 3. Basado en la diferencia entre los valores, HYSYS modifica los valores en la corriente calculada y traslada los valores modificados a la corriente asumida 4. El proceso de cálculo se repite hasta que los valores en la corriente calculada se diferencien de los de la corriente asumida dentro de las tolerancias especificadas Para instalar la operación Reciclo en un proceso químico, seleccione el botón “Recycle” en la paleta de objetos, o haga clic sobre la opción Add Operation del menú Flowsheet y seleccione la opción Recycle

3. PROCESO ESTUDIADO En el siguiente ejemplo, una corriente bifásica, F, es mezclada con una corriente de recirculación, Ra, y alimentada al separador V-100. El vapor del V-100 es alimentado a una

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turbina E-100 y cargado nuevamente en el separador V-101. La mitad del líquido que sale de este separador es alimentado a la bomba P-100 y la descarga recirculada y mezclada con el alimento fresco en el separador V-100. Observe la Figura 7.1

Figura 7.1. Diagrama de flujo final del proceso

Bombas, compresores y turbinas Las bombas y compresores se simulan como unidades que aumentan la presión a corrientes líquidas y gaseosas, respectivamente, mediante la adición de una cantidad de energía, lo que requiere que realicen un trabajo sobre dichas corrientes. En las turbinas se simula la recuperación de la energía que se libera cuando una corriente disminuye de presión. Se puede considerar que las funciones de un compresor y una turbina son opuestas. En condiciones ideales, las funciones realizadas por las bombas, compresores y turbinas se tratan como cambios iso entrópicos y mediante la definición de un concepto de eficiencia se corrigen para los estimativos reales En cada uno de estos elementos, se tienen dos corrientes de materia, una de entrada y otra de salida, y una corriente de energía (Trabajo), como se muestra en las Figuras 7.2 (a), (b) y (c).

(a)

(b)

(c)

Figura 7.2. (a) Bomba, (b) Compresor, (c) Turbina

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Las ecuaciones que modelan el cambio isoentrópico (Eficiencia del 100 %) de una corriente se plantean con los balances de materia para cada componente y el balance entre el contenido energético de las corrientes de entrada y salida y la corriente de energía, de la siguiente manera

Balances de componentes: Balance de energía: Igualdad de entropías:

F1i  F2i

i = 1,….,C

F1h1  Ws ,i  F2 h2

F1s1  F2 s2

El análisis de grados de libertad es el siguiente:

Variables Corriente Descarga Corriente Calor Total Variables Ecuaciones y Restricciones

Cantidad C+2 1 C+3 Cantidad

Balances de materia Balance de energía Restricciones (Igualdad de entropías)

C 1 1

Total Ecuaciones y Restricciones

C+2

Total grados de libertad

1

La variable de diseño que usualmente se especifica es el cambio de presión en la unidad (bomba, compresor o turbina) o la presión en la corriente de salida. Un análisis de variables en esta corriente muestra que especificada cualquiera de ella, se conocen las C + 2 variables requeridas como son el flujo total (Suma de los flujos de componentes) y con ello sus composiciones además de la entropía y su presión. Por lo tanto, para determinar el estado de la corriente de salida se requiere del desarrollo de un cálculo de vaporización isoentrópica que estime los flujos de la fracción líquida y de la fracción vapor junto con sus respectivas composiciones. Al considerar un cambio no isoentrópico, el número de variables de diseño es Nie  2 , porque ya no se cumple la restricción sobre la igualdad de entropías. En este caso, además de la especificación de la corriente de salida o del cambio de presión en la unidad se puede especificar la corriente de energía o la eficiencia de la unidad

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Divisor de una corriente Un divisor de una corriente, como el que muestra la Figura 7.3, fracciona el flujo de dicha corriente en “n” corrientes de producto.

Figura 7.3. Divisor de una corriente

Las ecuaciones que modelan la división de una corriente en varias otras se plantean con los balances de materia para cada componente y el balance entre el contenido energético entre la corriente de entrada y las de salida y la corriente de energía, de la siguiente manera:

Balances de componentes:

F i  F1i  F2i  F3i  ...  Fni

Balance de energía:

Fh  F1h1  F2 h2  F3h3  ...  Fn hn  Q

C ecuaciones

Siendo que las corrientes de salida presentan las mismas composiciones, temperatura y presión de la corriente de entrada se cumplen las siguientes restricciones:

Fni F i F1i F2i F3i     ...  Igualdad de concentraciones: F F1 F2 F3 Fn T1  T2  ...  Tn Igualdad de temperaturas:

Igualdad de presiones:

P1  P2  ...  Pn

(n – 1)(C – 1) ecuaciones (n - 1) (n - 1)

El análisis de grados de libertad es el siguiente: Variables

Cantidad

Corrientes de salida Corriente Calor

n(C + 2) 1

Total Variables

n(C + 2) + 1

60

Ecuaciones y Restricciones

Cantidad

Balances de materia Balance de energía Igualdad de concentraciones Igualdad de temperaturas Igualdad de presiones

C 1 (n - 1)(C - 1) (n - 1) (n - 1)

Total Ecuaciones y Restricciones

nC + n

Total grados de libertad

n+1

Las variables que se especifican son el flujo calórico (usualmente considerado adiabático), la presión en el divisor y un total de n – 1 fracciones del flujo total de la corriente de entrada correspondientes a cada una de las corrientes de salida. 4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Abra un nuevo caso, seleccione el siguiente paquete fluido A. Ecuación: Peng Robinson B. Componentes: Nitrógeno, bióxido de carbono, metano, etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano, n-pentano, n-hexano, n-heptano y noctano C. Unidades: Field 2. Instale una corriente de materia con nombre “F” y las siguientes especificaciones Pestaña Worksheet

Página Conditions

Temperature Pressure Molar Flow

60°F 600 psi 1 MMSCFH

Pestaña Worksheet

Página Compositions

Nitrogen Mole Frac CO2 Mole Frac Methane Mole Frac Ethane Mole Frac Propane Mole Frac i-Butane Mole Frac n-Butane Mole Frac

0.0069 0.0138 0.4827 0.1379 0.0690 0.0621 0.0552

61

i-Pentane Mole Frac n-Pentane Mole Frac n-Hexane Mole Frac n-Heptane Mole Frac n-Octane Mole Frac

0.0483 0.0414 0.0345 0.0276 0.0206

3. Instale un separador de fases con el nombre de “V-100” y las siguientes especificaciones Pestaña Design Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet Pestaña Design Pressure Drop

Página Connections F1 V L Página Parameters 0 psi

4. Instale un expansor con el nombre de “E-100” y las siguientes especificaciones Pestaña Design Inlet Outlet Energy Pestaña Worksheet Corriente V1

Página Connections V V1 Qe Página Conditions 300 psi

5. Instale un separador con el nombre de “V-101” y las siguientes especificaciones Pestaña Design Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet Pestaña Design Pressure Drop

Página Connections V1 V2 L2 Página Parameters 1.45 psi

6. Instale una Tee con el nombre de “TE-100” y las siguientes especificaciones Pestaña Design Inlet

Página Connections L2 62

Outlets Pestaña Design

P, L3 Página Parameters

Flow Ratio

0.5

7. Instale una bomba con el nombre de “P-100” y las siguientes especificaciones Pestaña Design

Página Connections

Inlet Outlet Energy Pestaña Design Efficiency

P Rc Qp Página Parameters 75%

Pestaña Worksheet

Página Conditions

Corriente Rc

600 psi

8. Instale una corriente de nombre “Ra” asumiendo las mismas especificaciones de la corriente calculada o “Rc”. Para ello despliegue la ventana de propiedades de la corriente “Ra” y presione el botón que se encuentra en la parte inferior con el título de “Define from other Stream” y seleccione la corriente “Rc” en el cuadro titulado “Available Streams” que se encuentra en la ventana titulada “Spec Stream As”. Presione el botón OK. Conecte la corriente como una entrada al separador V-100. En la Figura 7.4 se pueden ver las condiciones para la corriente calculada “Rc” y cuyos valores se toman para asumirlas como las especificaciones de la corriente “Ra”, antes de introducir el botón de Reciclo.

Figura 7.4. Especificaciones asumidas para la corriente Ra

63

9. Instale un botón de reciclo seleccionando el icono de nombre “Recycle” que se encuentra en la paleta de objetos 10. Despliegue su ventana de propiedades y en la pestaña “Connections” introduzca en el cuadro “Inlet” la corriente calculada o “Rc” y en el cuadro “Outlet” la corriente asumida o “Ra”. El botón reciclo se encargará de hacer los cálculos iterativos hasta igualar las especificaciones entre las dos corrientes y alcanzar la convergencia de todo el proceso. La Figura 7.1 muestra el diagrama de flujo final del proceso 11. Despliegue la ventana de propiedades del botón de Reciclo y haga clic sobre la pestaña “Worksheet” y observe en la Figuras 7.5 y 7.6 que las condiciones y composiciones finales de la corriente calculada “Rc” y la corriente asumida “Ra” son iguales. Compare estos datos con los observados en la Figura 7.4

Figura 7.5. Condiciones finales de las corrientes asumida y calculada

Figura 7.6. Composiciones finales de las corrientes asumida y calculada

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8. COMPRESIÓN DE UN GAS EN TRES ETAPAS 1. OBJETIVOS 1.1 Especificar una corriente a partir de las especificaciones de otra corriente 1.2 Utilizar el botón Reciclo para calcular una corriente de recirculación dentro de un proceso químico 1.3 Simular, en estado estacionario, un proceso de compresión de un gas en varias etapas

2. PROCESO ESTUDIADO La corriente gaseosa de entrada y de nombre “Alimento” se encuentra a 50°F y 80 psia y se comprime hasta 1000 psia en tres etapas. En cada una de las etapas de compresión el líquido que resulta después de un enfriamiento y separación de fases es recirculado a la entrada de la etapa de compresión que le antecede. Las condiciones de temperatura y presión son 120°F y 200 psia después de la primera etapa de compresión, 120°F y 500 psia después de la segunda etapa y 120°F y 1000 psia después de la tercera etapa.

Mezclador de corrientes La mezcla de varias corrientes tiene un contenido másico que es la suma de los contenidos de cada una de las corrientes mezcladas y las propiedades de temperatura y presión dependen de la composición de cada una de las corrientes mezcladas. La Figura 8.1 muestra el esquema de un mezclador que se alimenta de “n” corrientes de entrada y su producto tiene la composición de la mezcla resultante

Figura 8.1. Mezclador de corrientes

. Las ecuaciones que modelan el mezclado de “n” corrientes se plantean con los balances de materia para cada componente y el balance entre el contenido energético de las corrientes de entrada y salida y la corriente de energía, de la siguiente manera Balances de componentes:

F1i  F2i  ...  Fni  F

C ecuaciones

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F1h1  F2 h2  ...  Fn hn  Q  Fh

Balance de energía:

El análisis de grados de libertad es el siguiente: Variables

Cantidad

Corriente de salida Corriente Calor Total Variables

C+2 1 C+3

Ecuaciones y Restricciones

Cantidad

Balances de materia Balance de energía

C 1

Total Ecuaciones y Restricciones

C+1

Total grados de libertad

2

Las variables que generalmente se especifican para completar la especificación de la unidad son la magnitud del flujo calórico y la presión del mezclador. 3. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes:

Reacciones: Sistema de unidades:

Peng-Robinson Nitrógeno, Dióxido de carbono, Metano, Etano, Propano, iButano, n-Butano, i-Pentano, n-Pentano, n-Hexano, nHeptano y n-Octano. No hay Field

4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Corriente de alimentación: Instale la corriente “Alimento” con las siguientes especificaciones en la página “Conditions” de la pestaña “Worksheet” Temperatura Presión Flujo molar

50 °F 80 psia 250 lbmole/h

En la página “Composition” de la pestaña “Worksheet” especifique las siguientes concentraciones para el alimento en fracciones molares: 66

Nitrogen Mole Frac CO2 Mole Frac Methane Mole Frac Ethane Mole Frac Propane Mole Frac i-Butane Mole Frac n-Butane Mole Frac i-Pentane Mole Frac n-Pentane Mole Frac n-Hexane Mole Frac n-Heptane Mole Frac n-Octane Mole Frac

0.0069 0.0138 0.4827 0.1379 0.0690 0.0621 0.0552 0.0483 0.0414 0.0345 0.0276 0.0206

Para construir este diagrama de flujo, un conjunto de separadores, compresores, enfriadores y mezcladores tienen que instalarse con las especificaciones que aparecen a continuación. Las corrientes de recirculación se añadirán después que las operaciones se hayan instalado. Instale las operaciones con las especificaciones descritas a continuación

Mezclador MIX-100:

Pestaña Design Inlet Outlet

Página Connections Alimento EntradaV-100

Pestaña Design Página Parameters Automatic Pressure Assignment Set Outlet to Lowest Inlet

La corriente de recirculación RC-100 se instalará a este mezclador después que hayan sido instaladas todas las operaciones

Separador V-100:

Pestaña Design Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet

Página Connections EntradaV-100 VaporV-100 LiquidoV-100

Compresor K-100:

Pestaña Design Inlet Outlet Energy

Página Connections VaporV-100 EntradaE-100 QK-100

Enfriador E-100 (Cooler):

Pestaña Design Feed Stream Product Stream

Página Connections EntradaE-100 SalidaE-100 67

Energy Stream Pestaña Design Pressure Drop

QE-100 Página Parameters) 5 psi

Especifique la temperatura y la presión de la corriente SE-100 con valores de 120°F y 200 psia respectivamente

Mezclador MIX-101:

Pestaña Design Inlet Outlet Pestaña Design Automatic Pressure Assignment

Página Connections SalidaE-100 EntradaV-101 Página Parameters Set Outlet to Lowest Inlet

La corriente de recirculacion RC-101 se instalará a este mezclador después que todas las operaciones hayan sido instaladas

Separador V-101:

Pestaña Design Feed Vapour Outlet Liquid Outlet

Compresor K-101:

Pestaña Design Inlet Outlet Energy

Enfriador E-101 (Cooler):

Página Connections EntradaV-101 VaporV-101 LiquidoV-101

Página Connections VaporV-101 EntradaE-101 QK-101

Pestaña Design Feed Stream Product Stream Energy Stream

Página Connections EntradaE-101 SalidaE-101 QE-101

Pestaña Design Pressure Drop

Página Parameters 5 psi

Especifique la temperatura y presión de la corriente SalidaE-101 como 120°F y 500 psia respectivamente.

Mezclador MIX-102:

Pestaña Design Inlet

Página Connections SalidaE-101 68

Outlet Pestaña Design Automatic Pressure Assignment

EntradaV-102 Página Parameters Set Outlet to Lowest Inlet

La corriente de recirculación RC-102 se añadirá al mezclador después que todas las operaciones hayan sido instaladas

Separador V-102:

Pestaña Design Feed Vapour Outlet Liquid Outlet

Página Connections EntradaV-102 VaporV-102 LiquidoV-102

Compresor K-102:

Pestaña Design Inlet Outlet Energy

Página Connections VaporV-102 EntradaE-102 QK-102

Enfriador E-102:

Pestaña Design Feed Stream Product Stream Energy Stream

Página Connections EntradaE-102 SalidaE-102 QE-102

Pestaña Design Pressure Drop

Página Parameters 5 psi

Especifique la temperatura y presión de la corriente SalidaE-102 con valores de 120°F y 1000 psia, respectivamente

Separador V-103:

Pestaña Design Feed Vapour Outlet Liquid Outlet

Página Connections SalidaE-102 VaporV-103 LiquidoV-103

Añada, ahora, las corrientes de recirculación, presione el botón “Define from other Stream” que se encuentra en el fondo de la ventana de propiedades de dichas corriente y utilice la ventana “Spec Stream As” para definirlas utilizando otras propiedades de las corrientes

69

Corrientes de recirculación 1. Especifique la corriente de recirculación RC-100 como la corriente LiquidoV-101 y conéctela como un alimento al mezclador MIX-100 2. Especifique la corriente de recirculación RC-101 como la corriente LiquidoV-102 y conéctela como un alimento al mezclador MIX-101 3. Especifique la corriente de recirculación RC-102 como la corriente LiquidoV-103 y conéctela como un alimento al mezclador MIX-102 Las propiedades de las corrientes LiquidoV-101, LiquidoV-102 y LiquidoV-103 sirven como los estimativos iniciales para las corrientes de recirculación. Antes de instalar las operaciones Recycle, se sugiere colocar el resolvedor del diagrama de flujo en “Modo Holding” Operaciones de recirculación  RCY-1 – Feed: LiquidoV-101; Product: RC-100  RCY-2 – Feed: LiquidoV-102; Product: RC-101  RCY-3 – Feed: LiquidoV-103; Product: RC-102 Coloque el revolvedor del diagrama de flujo en el “Modo Activo” haciendo clic en el icono “Solver Active” y la simulación convergerá satisfactoriamente. El diagrama de flujo final del proceso de compresión se muestra en la Figura 8.2

Figura 8.2. Proceso de compresión de un gas en tres etapas

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SECCIÓN III OPERACIONES LÓGICAS

71

72

9. AJUSTE DE VARIABLES 1. OBJETIVOS 1.1 Simular, en estado estacionario, un separador de fases isotérmico con ajuste de una variable 1.2 Ajustar el valor de una variable para especificar el valor de otra variable mediante el botón “Ajuste”

2. INTRODUCCIÓN Separador de fases isotérmico Un separador de fases isotérmico separa a una mezcla que contiene una fase líquida y otra de vapor de acuerdo a las condiciones de equilibrio definidas por la temperatura y la presión del alimento al separador y sin un requerimiento calórico externo.

Operación AJUSTE La operación lógica “Adjust” varía el valor de una variable de una corriente (variable independiente) hasta encontrar la especificación o valor requerido (variable dependiente) en otra corriente u operación. En un diagrama de flujo, una cierta combinación de especificaciones puede requerirse y no puede resolverse directamente. Problemas de estos tipos deben resolverse por medio de procedimientos de ensayo y error. La operación “Adjust” puede usarse para desarrollar automáticamente las iteraciones de ensayo y error que se requieren resolver rápidamente en un diagrama de flujo. La operación “Adjust” es extremadamente flexible. Le permite vincular variables de corriente en el diagrama de flujo en direcciones que no son posibles usando las operaciones unitarias ordinarias. Puede usarse para resolver para el valor deseado de una sola variable dependiente o se pueden instarlar múltiples Adjust para resolver para los valores deseados de varias variables simultáneamente. La operación “Adjust” puede desempeñar las siguientes funciones: 1. Ajustar la variable independiente hasta que la variable dependiente encuentr el valor deseado 2. Ajustar la variable independiente hasta que la variable dependiente se iguale al valor de la misma variable en otro objeto mas un valor adicional Para instalar el botón “Adjust”, seleccione el botón “Adjust” en la paleta de objetos. De otra manera, seleccione la opción “Add Operation” del menú “Flowsheet” y seleccione la opción “Adjust”.

73

3.

PROCESO ESTUDIADO

Una corriente de hidrocarburos saturados a -60 °F y 600 psia es alimentada a un separador de fases isotérmico con un flujo de 144 lbmol/h. Se requiere ajustar la temperatura del alimento para que el flujo del líquido que sale del separador sea de 100 lbmol/h

4.

PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Reacción: Unidades:

5.

Peng Robinson Metano, Etano, Propano, i-Butano, n-Butano, i-Pentano n-Pentano, n-Hexano, n-Heptano, n-Octano No hay Field

SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO

Corriente de alimentación: Instale una corriente de nombre “Alimento” e introduzca las siguientes especificaciones Pestaña Worksheet

Página Conditions

Temperatura Presión Flujo Molar

- 60°F 600 psi 144 lbmole/hr

Pestaña Worksheet

Página Composition

Methane Fracción Mol Ethane Fracción Mol Propane Fracción Mol i-Butane Fracción Mole n-Butane Fracción Mol i-Pentane Fracción Mole n-Pentane Fracción Mole n-Hexane Fracción Mole n-Heptane Fracción Mole n-Octane Fracción Mole

0.4861 0.1389 0.0694 0.0625 0.0556 0.0486 0.0417 0.0486 0.0278 0.0208

Separador de fases. Instale un separador de fases con nombre “V-100”, y especifique lo de la siguiente manera Pestaña Design Inlets Vapour Outlet

Página Connections Alimento Vapor 74

Liquid Outlet

Líquido

OPERACIÓN AJUSTE Para ajustar la temperatura del alimento para que el flujo de la corriente “Líquido” sea de 100 lbmol/h, HYSYS dispone del botón “Adjust”. Ahora, instale la operación ajuste haciendo clic en el menú “Flowsheet” y a continuación seleccionando la opción “Adjust”. De otra manera, seleccione el botón “Adjust” que se encuentra en la paleta de objetos Las especificaciones introducidas en la página “Connections” nos muestran a la Temperatura del alimento como la variable independiente o la variable a ajustar p “Adjusted Variable” para un valor de la variable dependiente o variable objetivo o “Target Variable” de 100 lbmole/hr o “Specified Target Value”. El objeto y su variable se seleccionan simultáneamente usando el navegador de variables o “Variable Navigator” desplegado al presionar el botón “Select Var”. La ventana “Variable Navigator” consiste de 4 secciones de listados que ayudan al proceso de selección de la variable actuando como un filtro. Los listados trabajan secuencialmente de tal manera que un listado se puede manipular si se ha hecho la selección correspondiente en el listado anterior. Observe la Figura 9.1.

Figura 9.1. Conexiones para el botón de ajuste de variables En la pestaña “Parameters” se definen los criterios de convergencia para el método solución escogido. Obsérvese que los valores máximo y mínimo para la variable independiente no se ajustaron. Al presionar el botón “Start”, HYSYS inmediatamente comienza el procedimiento de convergencia. En la pestaña “Monitor” se desplegarán los valores para las variables independiente y dependiente estimados en cada una de las iteraciones

75

El Adjust converge al flujo requerido en sisete iteraciones. Las nuevas condiciones de la corriente de alimento se muestran en la ventana de sus propiedades, Figura 9.2

Figura 9.2. Propiedades de la corriente de alimentación después del ajuste Observe que la temperatura de la corriente Feed muestra el valor de –15.760 °F en forma resaltada, es decir, como si fuera un valor especificado. Aunque el valor que originalmente se especificó fue de - 60°F, la operación ajuste hace que la solución para la variable independiente al terminar el proceso de convergencia se convierta en el valor especificado. Si se borra el botón ADJ-1, los nuevos valores se mantienen en el diagrama de flujo que se muestra en la Figura 9.3.

Figura 9.3. Separador de fases con el botón de ajuste de variables incluido

76

10. HOJA DE CÁLCULO 1. OBJETIVOS 1.1. Simular un separador de fases P-Vf con una relación no lineal entre el flujo de líquido y la altura del nivel de líquido en el tanque 1.2. Establecer relaciones no lineales entre variables de proceso mediante la importación y exportación a través de la hoja de cálculo de HYSYS

2. INTRODUCCIÓN El botón “Set” de HYSYS permite el establecimiento, solamente, de relaciones lineales entre variables. Las relaciones no lineales son posibles introducirlas en una simulación, mediante la importación, cálculos y exportación de variables a la hoja de cálculo que se encuentra incluida en la paleta de objetos. Mediante la hoja de cálculo se pueden hacer algunas operaciones matemáticas como suma, potenciación o radicación; manejo de relaciones lógicas como condicionales o conjunciones y permite el manejo de ciertas funciones matemáticas como las trigonométricas. El procedimiento consiste en importar las variables requeridas para el establecimiento de las relaciones, realizar los cálculos para estimar los valores de otras variables que se exportarán para asignarlas a algún objeto, ya sea unidad de proceso o corriente.

3. PROCESO ESTUDIADO Una corriente de agua pura a 50 psia y fracción de vapor de 0.6 se alimenta a un separador de fases con un flujo desconocido. Se ajusta el flujo de líquido de tal manera que se relacione con el nivel de líquido en el tanque mediante la siguiente relación no lineal L  20 h

(10.1)

Siendo “L”, el flujo molar de la corriente “Líquido” y “h”, el nivel de líquido en el tanque. Si se fija el nivel de líquido en el tanque, la ecuación (10.1) permite el cálculo del flujo de líquido y con ello se completa la especificación faltante para que la separación de fases converja satisfactoriamente.

4. PAQUETE FLUIDO Ecuación:

Peng Robinson

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Componente: Unidades:

Agua Field

5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Instale una corriente de materia con el nombre de “Alimentación” e introduzca las siguientes especificaciones: a. Fracción de vapor 0.6 b. Presión: 50 psia c. Composición: 1 (Fracción mol) 2. Instale un separador de fases con el nombre de “V-100” y en la página “Connections” de la página “Design” introduzca las siguientes conexiones a. Inlets b. Vapor Outlet c. Liquid Outlet

Alimento Vapor Liquido

3. En la página “Parameters” introduzca el valor de 0.0 en el cuadro “Delta P” y 60 % en el cuadro “Liquid Level” 4. Haga clic en la pestaña “Rating” e introduzca una especificación de 3 pies para el diámetro interior del tanque y 10 pies para su altura. Observe que HYSYS calcula el volumen del tanque

Relación no lineal entre el flujo de líquido y el nivel de líquido en el tanque 5. Seleccione el icono que se encuentra en la paleta de objetos con el nombre de “Spreadsheet” para instalar la hoja de cálculo. Asígnele como nombre “Hoja de Cálculo” 6. Haga doble clic para desplegar su ventana de propiedades y presione el botón “”Add Import” para importar la variable Altura del tanque V-100, a la hoja de cálculo 7. En la ventana desplegada seleccione V-100 en el cuadro “Object” y a la derecha, en el cuadro “Variable”, seleccione “Vessel Length o Height”, presione OK. En la ventana de la pestaña “Connections” despliegue el cuadro que se encuentra debajo del encabezamiento titulado “Cell” y seleccione la celda B1 para colocar el valor de la variable seleccionada 8. Haga clic en la pestaña “Spreadsheet” y observe en la celda B1 el valor de la variable importada. En la celda A1, escriba la leyenda “Altura Tanque”. Note que al seleccionar la celda B1 se activa el cuadro “Imported From” y muestra el objeto y la variable importada a dicha celda 78

9. En la celda B2, importe el valor de la variable del nivel de líquido en porcentaje o “Liquid Percent Level” en el objeto V-100. En la celda A2, escriba la leyenda “Nivel de Líquido, %”. La Figura 10.1 muestra la ventana de la pestaña “Connections” con las variables importadas en las celdas señaladas en la hoja de cálculo. La Figura 2 muestra la hoja de cálculo con las leyendas digitadas y los valores de las variables importadas

Figura 10.1. Importación de variables a la hoja de cálculo

Figura 10.2. Hoja de cálculo con dos variables importadas 10. En la celda A3 digite la leyenda “Altura de Líquido” y en la celda B3 introduzca la fórmula +B1*B2/100 para calcular la altura del nivel de líquido en el tanque. 11. Seleccione la celda B3 y en el cuadro “Current Cell” que se encuentra en la parte de arriba, despliegue el cuadro titulado “Variable Type” y seleccione la opción “Length” para asignar unidades de longitud a la variable calculada en dicha celda 79

12. En la celda A4 digite la leyenda “Flujo de Líquido” y en la celda B4 introduzca la fórmula +20*@SQRT(B3) correspondiente a la ecuación (10.1), es decir, la relación no lineal entre el flujo de la corriente “Liquido” y el nivel de líquido en el tanque. La hoja de cálculo debe observarse como se muestra en la Figura 10.3

Figura 10.3. Hoja de cálculo con variables importadas y cálculos 13. Haga clic sobre la pestaña “Connections” y presione el botón “Add Export”. En la ventana desplegada y en el cuadro “Object” seleccione la corriente “Liquido” y en el cuadro “Variable” seleccione la opción “Molar Flow”. Presione OK 14. Tenga presente de seleccionar en la columna titulada “Cell” seleccionar la celda B4 que es donde se encuentra el valor que se quiere exportar para asignarlo al flujo de la corriente “Liquido”. La simulación converge satisfactoriamente y en la hoja de cálculo se puede observar que el valor calculado en la celda B4 incluye unidades de flujo molar 15. Haga clic en la pestaña “Parameters” y observe el listado de parámetros en relación con el número de columnas y filas en la hoja de cálculo y las variables exportables. 16. Haga clic en la pestaña “Formulas” y observe un resumen de ellas, las celdas de su colocación y los resultados actuales de su solución

80

11. BALANCES DE MATERIA 1. OBJETIVOS 1.1. Hacer un balance global de materia entre dos corrientes manteniendo constante el flujo de materia 1.2. Analizar las especificaciones de las corrientes balanceadas y su influencia en sus condiciones 1.3. Verificar algunos cálculos de flujos desarrollados por HYSYS

2. INTRODUCCIÓN HYSYS dispone de una operación lógica para hacer cálculos de balance de materia y energía entre corrientes de un proceso químico. La operación Balance de Masa y la operación Balance de moles desarrollan balances globales de materia donde solamente se conserva el flujo másico o molar entre las corrientes. Operación Balance de masa o “Mass Balance” Esta operación desarrolla un balance global donde solamente se conserva el flujo másico. Una aplicación es el modelamiento de reactores con estequiometría desconocida y disponiendo de los análisis de todos los alimentos y productos. Si se especifican las composiciones de todas las corrientes y el flujo para todas excepto una de las corrientes conectadas, la operación “Mass Balance” determinará el flujo de la corriente desconocida. Esto es una aplicación muy común en unidades de alquilación, hidrotratadores y otros reactores no estequiométricos. 1. Deben especificarse las composiciones para todas las corrientes 2. El flujo debe especificarse para todas las corrientes excepto una de ellas. HYSYS determinará el flujo de dicha corriente mediante un balance de masa 3. La operación Mass Balance determina las masas equivalentes de los componentes que se han definido para las corrientes de entrada y salida de la operación. 4. Esta operación no traslada presión ni temperatura Operación Mole Balance Esta operación desarrolla un balance global de moles sobre unas corrientes seleccionadas sin hacer balance de energía. Puede usarse para establecer balances de materia en secciones del diagrama de flujo o para transferir el flujo y composición de una corriente de proceso en una segunda corriente. 1. La composición no necesita especificarse en todas las corrientes

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2. No tiene consecuencias la dirección del flujo de la corriente desconocida. HYSYS calculará el flujo molar del alimento a la operación basado en lo especificado para los productos o viceversa 3. Esta operación no traslada presión ni temperatura

3. CASOS DE ESTUDIO 3.1. BALANCE DE MASA En el siguiente ejemplo todos los componentes de una corriente gaseosa “Alimento” se convierten a propano puro en la corriente de salida “Producto. Seleccione a la ecuación Peng Robinson y los siguientes componentes: metano, etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano, n-pentano, n-hexano, n-heptano y n-octano. Especifique la corriente “Alimento” de la siguiente manera: Pestaña Worksheet - Página Conditions Nombre Fracción de vapor Temperatura Presión Flujo Molar

Alimento 1.0 60°C 4000 kPa 100 kgmole/hr

Pestaña Worksheet - Página Composition (Fracción Mol) Metano Etano Propano i-Butano n-Butano i-Pentano n-Pentano n-Hexano n-Heptano n-Octano

0.9271 0.0516 0.0148 0.0026 0.0020 0.0010 0.0006 0.0001 0.0001 0.0001

Especifique la composición de la corriente “Producto” como 100 % en Propano. Inserte una operación de balance de masa o “Mass Balance”. En la pestaña “Connections” de la ventana de propiedades de la operación Balance, introduzca la corriente “Alimento” como corriente de entrada o “Inlet Stream” y como corriente de salida o “Outlet Stream” la corriente “Producto”. Observe la ventana de propiedades del botón “BAL-1“ de la Figura 11.1. Haga clic en la pestaña “Parameters” y seleccione la opción Masa o “Mass” como el tipo de balance o “Balance Type”.

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El balance resuelto corresponde a la siguiente ecuación:

m A lim ento  X p,Pr oducto * FPr oducto * PM Pr opano Siendo

m A lim ento X p ,Pr oducto

el flujo másico de la corriente “Alimento”, 3856 lb/h la fracción molar de propano en el producto, uno

FPr oducto PM Pr opano

el flujo molar de producto desconocido el peso mol del propano o 44.10 lb/lbmol

Figura 11.1. Conexiones al botón de balance de masa

La Figura 11.2 muestra al botón BAL-1 mediante el cual se calculó el flujo molar de la corriente “Producto” para el mismo flujo másico de la corriente “Alimento”

Figura 11.2. Balance global de masa entre dos corrientes

83

En el balance global de masa, el flujo másico de la corriente “Alimento” es igual, es decir, trasladado a la corriente “Producto” como se observa en la Figura 11.3. El flujo molar y el flujo volumétrico de líquido son calculados teniendo en cuenta la composición especificada de la corriente “Producto” (Fracción mol de propano uno)

Figura 11.3. Resultados del Balance de masa La corriente “Producto” se encuentra subespecificada. ¿Por qué? Calcule y compruebe el flujo volumétrico. Agregue algunas condiciones para una especificación completa de la corriente “Producto”.

3.2 BALANCE DE MOLES En el siguiente ejemplo, el balance en moles se usará para crear una corriente que tiene la misma composición molar y el mismo flujo de otra corriente pero a una diferente presión y temperatura Abra un nuevo caso seleccionando los componentes metano, etano, propano, i-butano, nbutano, i-pentano, n-pentano, n-hexano y elija a la Ecuación de Peng Robinson para el cálculo de las propiedades. Instale una corriente de nombre “Gas” e introduzca las siguientes especificaciones Pestaña Worksheet - Página Conditions Nombre Temperatura Presión Flujo Molar

Gas. 10 °C 3930 kPa 30 kgmole/h

84

Pestaña Worksheet - Página Compositions (Fracción Mol) Metano Etano Propano i-Butano n-Butano i-Pentano n-Pentano n-Hexano

0.8237 0.1304 0.0272 0.0101 0.0059 0.0016 0.0009 0.0002

Seguidamente, instale una corriente de material de nombre “Rocio” sin especificar ninguna información para ella en este punto. Ahora instale una operación Balance y en la pestaña “Connections” anexe las corrientes como se muestra en la Figura 11.4.

Figura 11.4. Conexiones para la Operación balance de moles Haga clic en la pestaña “Parameters” y seleccione la opción “Mole” en la sección donde se selecciona el tipo de balance o “Balance Type” Haga clic en la pestaña “Worksheet” y observe en la Figura 11.5, que el Botón BAL-2 ha trasladado los datos correspondientes a los flujos de la corriente “Gas” a la corriente “Rocio” y si se despliega la página “Composition” se observa que también ha trasladado la información sobre las concentraciones. La corriente no muestra información de temperatura, presión o fracción de vapor requerida para completar su especificación.

85

Figura 11.5. Balance de moles entre las corrientes “Gas” y “Rocio” Ahora se puede estimar la temperatura de rocío de la corriente “Rocio”, a una presión especificada (14.7 psia), introduciendo el valor correspondiente para la fracción de vapor (0.00) como se observa en la Figura 11.6.

Figura 11.6. Determinación de la temperatura de rocío a 14.7 psia

Cambie las especificaciones que se requieran para determinar la temperatura de burbuja de la corriente “Rocio” a una determinada presión. ¿Por qué no son, siempre iguales a la de la corriente “Gas”?

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12. BALANCES DE CALOR 1. OBJETIVOS 1.1. Calcular el flujo global de calor de varias corrientes de un proceso químico, mediante la opción HEAT del botón BALANCE 1.2. Verificar el resultado del cálculo hecho por el simulador HYSYS

2. INTRODUCCION HYSYS dispone de una operación lógica para hacer cálculos de balance de materia y energía entre corrientes de un proceso químico. La operación Balance de Calor desarrolla balances globales de calor donde solamente se conserva el flujo másico o molar entre las corrientes

Operación Heat Balance Esta operación desarrolla un balance global de calor sobre unas corrientes. Puede usarse para establecer balances de calor en secciones del diagrama de flujo o para transferir la entalpía de una corriente de proceso en una segunda corriente. 1. Deben especificarse los flujos de materia y las composiciones para todas las corrientes de materia. El flujo de calor no será trasladado a corrientes que no tengan especificadas las composiciones y el flujo, aun cuando haya solo un flujo de calor desconocido 2. No tiene consecuencias la dirección del flujo de la corriente desconocida. HYSYS calculará el flujo de calor del alimento a la operación basado en lo especificado para los productos o viceversa 3. Esta operación no traslada presión ni temperatura 4. No se puede balancear el calor en una corriente material

3. CASO DE ESTUDIO Abra un nuevo caso, seleccione la Ecuación de Peng Robinson y los componentes metano, etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano y n-pentano. Considere que dos corrientes calientes y dos corrientes frías intercambian calor y se necesita determinar el flujo total de calor al sistema. Instale las corrientes calientes y frías con las siguientes especificaciones

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Corriente Caliente: “Cal-1” Pestaña Design

Página Conditions

Temperatura Presión Flujo Molar

30 °C 5000 kPa 50 kgmol/h

Pestaña Design

Página Composition (Fracción Mol)

Metano Etano

0.95 0.05

Corriente Caliente: “Cal-2” Pestaña Design

Página Conditions

Temperatura Presión Flujo Molar

20 °C 5000 kPa 100 kgmol/h

Pestaña Design Metano Etano Propano i-Butano

Página Composition (Fracción Mol) 0.5386 0.1538 0.0769 0.0692

n-Butano i-Pentano n-Pentano

0.0615 0.0538 0.0462

Corriente Fría: “Frio-1” Pestaña Design Fracción de vapor Presión Flujo Molar Pestaña Design Metano Etano

Página Conditions 1.0 2000 kPa 75 kgmol/h Página Composition (Fracción Mol) 0.95 0.05

Corriente Fría: “Frio-2” Pestaña Design Fracción de vapor Presión

Página Conditions 0.0 250 kPa 88

Flujo Molar Pestaña Design Metano Etano

100 kgmol/h Página Composition (Fracción Mol) 0.02 0.98

Ahora instale el botón “Balance”, haga clic en la pestaña “Connections” y anexe las corrientes calientes y frías en la sección de las corrientes de entrada o “Inlet Streams” y en la sección de las corrientes de salida o “Outlet Streams” introduzca la corriente de nombre “QTotal”, como se observa en la Figura 12.1.

Figura 12.1. Conexiones al botón Balance Haga clic en la pestaña “Parameters” y en la sección sobre el tipo de balance o “Balance Type” seleccione la opción calor o “Heat” como aparece en la Figura 12.2

Figura 12.2. Selección del tipo de Balance 89

HYSYS hace los cálculos de balance de calor valiéndose de las propiedades estimadas y haciendo la sumatoria de los flujos calóricos de cada una de las corrientes, es decir mediante la ecuación

4

QTotal   Fi H i i 1

Siendo Fi el flujo molar de cada una de las cuatro corrientes y i la entalpía molar de cada una de ellas. Haga uso de las propiedades estimadas por HYSYS y verifique el resultado reportado como el QTotal de -3.034e+07 kJ/h

90

13. BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA 1. OBJETIVOS 1.1. Calcular el flujo molar de una corriente de proceso enfriada en dos intercambiadores en serie 1.2. Calcular la temperatura de la corriente entre los dos intercambiadores 1.3. Verificar los resultados anteriores con los obtenidos con la operación BALANCE de HYSYS

2. INTRODUCCION Operación Balance La operación Balance es una facilidad de propósito general para desarrollar balances de materia y calor. Solamente requiere los nombres de las corrientes que entran y salen a una operación. Para el Balance General pueden especificarse, también, las relaciones entre los componentes. La operación Balance puede usarse en paralelo con otras unidades para desarrollar balances de materia y energía globales debido a que HYSYS permite que corrientes entren y salgan a más de una operación. La operación Balance resolverá tanto en direcciones hacia delante como hacia atrás

3. CASO DE ESTUDIO ENFRIADORES EN SERIE Una corriente “Alimento” que contiene hidrocarburos saturados, nitrógeno y dióxido de carbono a 60 °F y 600 psia y de flujo desconocido se quiere enfriar hasta -60 °F mediante dos enfriadores en serie, E-100 y E-101. Las cargas calóricas y las caídas de presión en cada uno de los intercambiadores de calor son 1.2x106 Btu/h y 5 psi en el E-100 y 5x106 Btu/h y 5 psi en el E-101. Se requiere determinar el flujo molar a traves de los enfriadores y la temperatura de la corriente “EntradaE-101”. La carga calórica en el intercambiador E-100 cumple la ecuación

Q100  FA lim ento * C p, A lim ento (TA lim ento  TEntradaE101)

(13.1)

La carga calórica en el intercambiador E-101 cumple con la ecuación

91

Q101  FEntradaE101 * C p, A lim ento (TEntradaE101  TPr oducto)

(13.2)

El flujo molar a través de los enfriadores es constante y desconocido, y el calor específico se puede asumir que también es constante pero es calculado por HYSYS, mediante la ecuación utilizada en el paquete fluido. Por lo tanto, se tiene un par de ecuaciones con dos incógnitas, a saber, el flujo y la temperatura de la corriente “EntradaE-101”. HYSYS resuelve este tipo de problema con la opción “Mole and Heat Balance” Abra un nuevo caso, seleccione a los componentes nitrógeno, anhídrido carbónico, metano, etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano, n-pentano, n-hexano, n-heptano y n-octano y a la Ecuación de Peng Robinson como el paquete de propiedades.

CORRIENTE DE ALIMENTACIÓN: Instale una corriente de nombre “Alimento” con las siguientes especificaciones Pestaña Worksheet

Página Conditions

Temperatura Presión

60°F 600 psi

Pestaña Worksheet Nitrógeno Metano Etano Propano i-Butano n-Butano

Página Composition (Fracción Mol) 0.0149 0.9122 0.0496 0.0148 0.0026 0.0020

CO2 i-Pentano n-Pentano n-Hexano n-Heptano n-Octano

0.0020 0.0010 0.0006 0.0001 0.0001 0.0001

ENFRIADOR E-100: Instale un enfriador de nombre E-100 e introduzca las siguientes especificaciones en la ventana de propiedades. Pestaña Design Inlet Outlet Energy

Página Conections Alimento EntradaE-101 QE-100

Pestaña Design Caída de presión Carga Calórica

Página Parameters 5 psi 1.2e+06 Btu/hr

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ENFRIADOR E-101 Instale un enfriador de nombre E-101 e introduzca las siguientes especificaciones en su ventana de propiedades Pestaña Design Inlet Outlet Energy

Página Conections EntradaE-101 Producto QE-101

Pestaña Design Caída de presión Carga calórica

Página Parameters 5 psi 2.5e+06 Btu/hr

CORRIENTE ENFRIADA En la ventana de propiedades de la corriente “Producto” introduzca el valor de -60 °F para su temperatura en la pestaña “Worksheet” de su página “Conditions”. Se observa que hay insuficiente información para completar los balances de materia y energía. El balance de calor puede completarse, solamente, si se conoce el flujo a través de las corrientes. Sin embargo, esto puede calcularse mediante un balance de materia y calor a través de todo el diagrama de flujo incluyendo las corrientes “Alimento”, “Producto”, QE100 y QE-101.

OPERACIÓN MOLE AND HEAT BALANCE Instale una operación “Balance “y complete las conexiones y parámetros como se muestra en las Figura 13.1.

Figura 13.1. Conexiones al botón de Balance de moles y calor 93

Haga clic en la pestaña “Parameters” y en la sección Tipo de Balance o “Balance Type” seleccione la opción “Mole and Heat” como se observa en la Figura 13.2. HYSYS inmediatamente ejecutará un balance global de materia y calor. Los resultados obtenidos son los siguientes

Figura 13.2. Selección del tipo de balance

Observe que la mayoría de las operaciones unitarias en HYSYS desarrollan el equivalente de un balance de materia y calor, además de sus otros cálculos mas especializados. Si este ejemplo se resolviera sin el Balance de mol y calor, habría la necesidad de especificar el flujo. Cuando se instaló el Balance de mol y calor, se utilizó un grado de libertad y se calcularon los flujos de las corrientes. Verifique estos cálculos El diagrama de flujo final de los dos enfriadores en serie incluido el botón BAL-1 se muestra en la Figura 13.3.

Figura 13.3. Balance de mol y calor en dos enfriadores en serie

94

14. BALANCE GENERAL 1. OBJETIVOS 1.4. Calcular, mediante HYSYS, los flujos y las composiciones desconocidas en un mezclado entre dos corrientes. 1.5. Verificar los resultados reportados por HYSYS en cálculos de balances de materia entre corrientes mezcladas 1.6. Calcular, mediante HYSYS, los flujos globales entre corrientes en las que se conserva el flujo global de materia 1.7. Verificar los resultados reportados por HYSYS en cálculos globales de balances de materia entre corrientes especificadas en composición y flujos

2. INTRODUCCIÓN Operación Balance La operación Balance es una facilidad de propósito general para desarrollar balances de materia y calor. Solamente requiere los nombres de las corrientes que entran y salen a una operación. Para el Balance General pueden especificarse, también, las relaciones entre los componentes. La operación Balance puede usarse en paralelo con otras unidades para desarrollar balances de materia y energía globales debido a que HYSYS permite que corrientes entren y salgan a más de una operación. La operación Balance resolverá tanto en direcciones hacia delante como hacia atrás

Operación Balance General La opción “General Balance” es capaz de resolver problemas de mayor envergadura. Resolverá un conjunto de “n” ecuaciones con “n” incógnitas desarrolladas a partir de las corrientes conectadas a la operación. Esta operación, a causa del método de solución, es considerablemente potente para los tipos de problemas que puede resolver. No solo puede resolver flujos y composiciones desconocidas en las corrientes conectadas, sino también relaciones que pueden establecerse entre los componentes en las corrientes. Cuando la operación determina la solución, la relación preestablecida entre los componentes se mantendrá. 1. La operación “General Balance” resolverá balances de materia y energía independientemente. Es aceptable una corriente de energía como entrada o salida. 2. La operación resolverá flujos y composiciones desconocidos y puede tener relaciones especificadas entre componentes en una de las corrientes. 3. Las relaciones pueden especificarse en base molar, másica o volumen de líquido.

95

3. CASOS DE ESTUDIO 3.1. REFORMADOR DE GAS DE SÍNTESIS Considere un reformador de gas de síntesis cuyo alimento requiere una relación fija entre los componentes metano y agua. La corriente “Metano” contiene, principalmente, metano y trazas de otros componentes. La corriente “Agua” contiene agua pura. Las corrientes “Metano” y “Agua” se combinan para crear la corriente llamada “Alimento”. Abra un nuevo caso, seleccione la ecuación Peng Robinson y los componentes metano, monóxido de carbono, dióxido de carbono y agua. Las especificaciones de las corrientes mencionadas anteriormente son: Corriente “Metano”: 40 °C, 7000 kPa. 10000 kgmol/h, 95 % mol de metano, 0.5 % mol de monóxido de carbono, 4 % mol de dióxido de carbono y 0.5 % mol de agua. Corriente “Agua”: 200 °C, 7000 kPa. 100 % agua Corriente “Alimento”: 7000 kPa Operación Balance General: Instale la operación “Balance”, haga clic en la pestaña “Connections” e introduzca las especificaciones como aparecen en la Figura 14.1.

Figura 14.1. Corrientes conectadas a la operación Balance General Haga clic en la pestaña “Parameters” y seleccione la opción “General”. Haga clic en el botón “Add Ratio” para desplegar la ventana de título “Ratio-1” y modifíquela introduciendo los datos que aparecen en la Figura 14.2.

96

Figura 14.2. Relación entre el contenido de agua y metano en la corriente “Alimento”

HYSYS realizará los cálculos correspondientes y completará la operación. Las especificaciones resultantes de las corrientes aparecen resumidas en la Figura 14.3.

Figura 14.3. Resultados de los cálculos de balances generales reportados por HYSYS Observe que las fracciones molares de metano y agua en la corriente “Alimento” son ambos iguales a 0.4884, satisfaciendo así la especificación sobre la relación entre ellos El diagrama final de la operación “Balance General” realizada entre las corrientes consideradas se muestra en la Figura 14.4.

Ejercicios A continuación se observan las ecuaciones que expresan los balances de materia y energía, además de la restricción entre las concentraciones de metano y agua en la corriente “Alimento”. Haga un análisis de grados de libertad y verifique que el sistema se encuentra

97

completamente especificado, lo cual explica el por qué HYSYS desarrolla los cálculos. Compare los resultados obtenido entre sus cálculos y los obtenidos por HYSYS

Figura 14.4. Balance General entre las corrientes “Agua”, “Metano” y “Alimento”

Balances de materia y energía y restricciones Balance de agua:

Agua Agua FAgua  X Me tan o FMe tan o  X A lim ento FA lim ento

(14.1)

Balance de metano:

Me tan o Me tan o X Me tan o FMe tan o  X Me tan o FA lim ento

(14.2)

Balance de monóxido de carbono:

CO CO X Me tan o FMe tan o  X A lim ento FA lim ento

(14.3)

Balance de dióxido de carbono:

CO2 CO2 X Me tan o FMe tan o  X A lim ento FA lim ento

(14.4)

Balance de energía:

FAguahAgua  FMe tan o hMe tan o  FA lim entohA lim ento

Relación entre agua y metano en la corriente “Alimento”

X AAgua lim ento 1 Me tan o X A lim ento

(14.5)

(14.6)

3.2 COLUMNA DE DESTILACIÓN AZEOTRÓPICA Una mezcla de benceno y ciclohexano es separada en una columna que utiliza acetona como agente de arrastre. Benceno casi puro es producido en el fondo, mientras que una mezcla azeotrópica de acetona y ciclohexano se produce en el tope de la columna. Se quiere determinar la cantidad necesaria de acetona para separar lo suficientemente la mezcla benceno – ciclohexano. El cálculo del flujo de acetona requerido, en base a un alimento fijo de benceno y ciclohexano, implica la solución de un conjunto de ecuaciones lineales, lo que significa que puede usarse la opción “General Balance”. Utilice la ecuación UNIQUAC como modelo de actividad e introduzca las siguientes corrientes

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Corriente “Alimento”: El flujo másico y las composiciones especificadas de la mezcla “Alimento” son 85 kg/h, 51.8 % en masa de benceno y 48.2 % en masa de ciclohexano. Corriente “Acetona”: La acetona utilizada es pura y solo se especifica su composición. Corriente “Azeótropo”: El producto de cabeza de la columna se especifica como una mezcla azeotrópica que contiene 68.76 % en masa de acetona y 31.24 % en masa de ciclohexano Corriente “Benceno”: La corriente de fondo de la columna es benceno puro y se especifica solamente su composición. Operación Balance General La operación “General Balance” desarrollará balances de componentes individualmente, mientras que las operaciones “Mole o Mass Balances” solamente desarrollan balances de flujo globales y no pueden resolver este problema Instale la operación General Balance con “Alimento” y “Acetona” como corrientes de entrada o “Inlet Streams” y “Azeótropo” y “Benceno” como corrientes de salida o “Outlet Streams”. Esta operación no realizará una solución completa pero calcula los flujos másicos de “Acetona”, “Azeótropo” y “Benceno” como se puede observar en el libro de trabajo El flujo másico de acetona requerido es de 90.18 kg/h. Plantee los balances de materia y verifique los flujos de las corrientes “Acetona”, “Azeótropo” y “Benceno” que aparecen calculados en el libro de trabajo. Observe que se si se está usando la opción General Balance de esta forma, se debe borrarla antes de correr la columna. El diagrama de las corrientes balanceadas junto con la operación “General Balance” se muestra en la Figura 14.5.

Figura 14.5. Balance general para calcular flujos globales de corrientes

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Por qué las corrientes no están completamente especificadas?. ¿Qué se puede hacer para especificarlas completamente?

Ejercicios 1. Escriba las ecuaciones de balances y restricciones, si las hay, y verifique los flujos y las composiciones de las corrientes obtenidos por HYSYS 2. Agregue algunas especificaciones requeridas para especificar completamente las cuatro corrientes

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15. PLANTA DE ENFRIAMIENTO DE UN GAS 1. OBJETIVOS 1.1. Simular, en estado estacionario, una versión simplificada de una planta de enfriamiento de un mezcla de hidrocarburos gaseosa 1.2. Ajustar la temperatura la corriente de alimento a un separador de fases al valor del punto de rocío de otra corriente a una determinada presión 1.3. Especificar un intercambiador de calor de carcasa y tubos para completar sus grados de libertad 1.4. Analizar relaciones entre variables del proceso mediante la opción Databook del HYSYS

2. INTRODUCCIÓN En este ejercicio se modelará una versión simplificada de una planta de gas refrigerada. Una mezcla gaseosa que contiene hidrocarburos, agua, sulfuro de hidrógeno, nitrógeno y dióxido de carbono a 15 °C y 6200 kPa se enfría hasta conseguir condensarlo completamente a una temperatura de 15.18 °C. Se utiliza como medio enfriante una fracción fría del mismo alimento que es recirculada para extraer calor del vapor en un intercambiador de calor de carcasa y tubo. Después de un segundo enfriamiento, dicho vapor se condensa parcialmente, la mezcla de dos fases se separa, se recoge el líquido como el producto enfriado y se aprovecha el vapor para el primer enfriamiento.

Intercambiador de carcasa y tubo Los simuladores contienen módulos que simulan las corrientes de materia entre las cuales ocurre la transferencia de calor y además consideran la ecuación de diseño de un intercambiador de calor de tal manera que la solución final incluya algunas especificaciones sobre su dimensionamiento, especialmente su área de transferencia de calor. La Figura 15.1 muestra el esquema de un intercambiador con sus cuatro corrientes de materia y completamente aislado de tal manera que no hay intercambio de calor con los alrededores.

Figura 15.1. Intercambiador de carcasa y tubo

101

Las ecuaciones que modelan el diseño de un intercambiador de carcasa y tubo se plantean con los balances de materia para cada componente, el balance calórico entre las corrientes de entrada y salida con la corriente de energía y la ecuación de diseño del intercambiador de la siguiente manera: Balances de componentes:

Fcei  Ffei  Fcoi  Ffoi

Balance de energía:

Fce hce  Ffei h fe  Fcoi  Ffoi  Q

C ecuaciones

Siendo que el módulo incluye el dimensionamiento del intercambiador y a sabiendas que las corrientes de materia se mueven por compartimentos separados, se cumplen las siguientes restricciones Ecuación de diseño del intercambiador: Igualdad de flujos en una corriente:

Q  UA(LMTD)

Fcei  Fcoi

C ecuaciones

Siendo, LMTD, la diferencia de temperatura media logarítmica entre las temperaturas de cada una de las cuatro corrientes de materia. El análisis de grados de libertad es el siguiente: Variables

Cantidad

Corrientes de salida Coeficiente global de transferencia de calor Área de transferencia de calor Total Variables

2(C + 2) 1 1 2C + 6

Ecuaciones y Restricciones

Cantidad

Balances de materia Balance de energía Ecuación de diseño del intercambiador Igualdades entre los flujos de componentes Total Ecuaciones y Restricciones Total grados de libertad

C 1 1 C 2C + 2 4

Las especificaciones más usuales son: Las temperaturas y las presiones en las corrientes de salida, con las cuales se calcularán las respectivas fracciones de vaporización y las caídas de presión en el intercambiador. Con la ecuación de diseño se calcula como parámetro de dimensionamiento el producto, UA, del coeficiente por el área de transferencia de calor

102

Las caídas de presión de las corrientes que circulan por los tubos y por la carcasa y la temperatura de la corriente que se quiere calentar o enfriar, según el objetivo del intercambiador. Este caso es equivalente al anterior

3. PROCESO ESTUDIADO La corriente “Alimento” a 15 °C y 6200 kPa, se somete a una separación de fases, en el recipiente V-100, incluido para eliminar la posible formación de condensado. El vapor “VaporV-100” se enfría en dos intercambiadores en serie, E-100 y E-101, condensando una fracción de dicho vapor. La mezcla líquido-vapor, “LiquidoVapor”, a una temperatura de 15.18 y 6130 kPa °C se separa en el recipiente V-101, recogiéndose el líquido como el producto enfriado y el vapor se recircula como medio enfriante en el intercambiador E-100. El intercambiador E-101 es un enfriador de especificaciones simplificadas disponible en HYSYS. Un objetivo de la simulación es ajustar la temperatura de la corriente, “LiquidoVapor”, que alimenta al separador V-101 a la temperatura de rocíode la corriente “Vapor”. El punto de rocío de la corriente gaseosa producto “Vapor” no debe exceder de – 15°C a 6000 kPa. Una operación Balance se utilizará para evaluar el punto de rocio del producto gaseoso “Vapor” a 6000 kPa.

4. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes:

Peng-Robinson Nitrógeno, Sulfuro de Hidrógeno, Dióxido de carbono, Metano, Etano, Propano, i-Butano, n-Butano, i-Pentano, n-Pentano, n-Hexano, Agua y C7+ (Hipotético, Temperatura de ebullición Normal 110 °C, (230 °F)) Reacciones: No hay Sistema de unidades: SI

5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Corriente de alimentación: Instale la corriente de nombre “Alimento” e introduzca en su ventana de propiedades las siguientes especificaciones: Nombre: Temperatura: Presión: Flujo Molar:

Alimento 15°C (60°F) 6200 kPa (900 psia) 1440 kgmole/hr (3175 lbmole/hr)

Composición (Fracción Molar: N2 H2 S CO2 C1

0.0066 0.0003 0.0003 0.7575 103

C2 C3 i-C4 n-C4 i-C5 n-C5 C6 C7+ H2 O

0.1709 0.0413 0.0068 0.0101 0.0028 0.0027 0.0006 0.0001 0

Separador de fases V-100: Instale un separador de fases seleccionándolo de la paleta de objetos, colóquele nombre “V-100”, e introduzca la siguiente información en la ventana de la página “Connections” de su pestaña “Design” Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet

Alimento VaporV-100 Residuo

Enfriador E-100: Instale un intercambiador de calor de carcasa y tubo haciendo un doble clic en el icono “Heat Exchanger” que se encuentra en la paleta de objetos, colóquele nombre “E-100” e introduzca la información que aparece en las páginas “Connections”, (Figura 15.2) y “Parameters” (Figura 15.3) de la pestaña “Design” de su ventana de propiedades. El modelo para el cálculo del intercambiador de calor es el ponderado o “Weighted” porque es el disponible solo para intercambiadores en contracorriente. El modelo de cálculo se selecciona en el cuadro “Heat Exchanger Model” de la página “Parameters”. ¿Cuántas especificaciones se requieren para que el intercambiador converja satisfactoriamente?

Figura 15.2. Corrientes en el intercambiador E-100

104

Figura 15.3. Parámetros especificados en el intercambiador E-100

Especificaciones adicionales en el enfriador E-100: Se introducirá como especificación adicional que la aproximación mínima global entre las temperaturas en el intercambiador E100 sea de 5°C. Para ello despliegue la página para completar las especificaciones del intercambiador o “Specs” y se desplegará la ventana que aparece en la Figura 15.4. Es necesario que se desactive la especificación UA haciendo clic en la caja de verificación “Active” para dicha especificación. El simulador por defecto especifica un “Heat Balance = 0” que es necesario asegurar para el cumplimiento de los balances de calor y, por lo tanto, no se necesita suministrarla. Presione el botón “Add” para añadir las especificaciones necesarias para completar los grados de libertad y el simulador pueda resolver al intercambiador de calor. La ventana de especificación del intercambiador se desplegará y por defecto aparece para añadir una especificación de diferencia de temperaturas entre dos corrientes. En el cuadro desplegable “Type” seleccione la opción “MinApproach” e introduzca la especificación como aparece en la Figura 15.5. Observe en la Figura 15.4 que la especificación añadida se ha fijado como activa verificando el cuadro en la columna “Active”. Observe el flujo del gas enfriado que sale del intercambiador E-100

Figura 15.4. Ventana para agregar las especificaciones en el intercambiador E-100 105

Figura 15.5. Especificación de la mínima aproximación de temperatura entre las corrientes en el intercambiador E-100

Enfriador GG-2: Instale un intercambiador de calor de especificaciones simplificadas haciendo un doble clic en el icono “Cooler” que se encuentra en la paleta de objetos, colóquele nombre “E-101” e introduzca la información que aparece a continuación Pestaña Design:

Página Connections

Nombre Inlet Outlet Energy

E-101 SalidaE-100 LiquidoVapor Q2

Pestaña Design:

Página Parameters

Delta P

35 kPa (5 psia)

Separador de fases V-101: Instale un separador de fases, asígnele como nombre “V-101” e introduzca la siguiente información en su ventana de propiedades Pestaña Design:

Página Connections

Nombre Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet

V-101 LiquidoVapor VaporV-101 Liquido

La temperatura del alimento al separador de fases V-101, se variará utilizando la operación Ajuste para hallar una temperatura en la cual se cumpla la restricción de que se encuentre en su punto de rocío. Por el momento, especifique que la temperatura de la corriente “LiquidoVapor” es de – 20°C (- 4°F), ¿Por qué converge satisfactoriamente la planta de refrigeración?

106

¿Cuál es la presión y la temperatura de la corriente producto gaseoso “Vapor”? _______________________ y _____________________________

ESTIMACIÓN DE LA TEMPERATURA DE ROCÍO DE LA CORRIENTE “VAPOR” Se quiere estimar el punto de rocío de la corriente “Vapor” a una presión de 6000 kPa (875 psia). Para ello se introduce un botón Balance que conecte a dicha corriente con otra de nombre “VaporRocio” y que se especifica de la siguiente manera: Página Connections:

Pestaña Connections

Inlet Streams Outlet Streams

Vapor VaporRocio

Página Parameters:

Pestaña Parameters

Balance Type

Mole

En la página “Conditions” de la pestaña “Worksheet” especifique una presión de 6000 kPa (875 psia) a la corriente “VaporRocio” y asigne el valor de la fracción de vapor correspondiente a temperatura de punto de rocío, es decir uno (1.0) ¿Cuánto es la temperatura de rocio de la corriente “Vapor”? _____________________ La temperatura de rocío requerida es de – 15°C. El obtenido a 6000 kPa es mayor o menor? ______________________________________________________________________ Asumiendo que se fija la presión, ¿Qué otro parámetro afecta a la temperatura de rocío? ¿Cómo se puede cambiar la temperatura de rocío en la simulación?

AJUSTE DE LA TEMPERATURA DE LA CORRIENTE “LIQUIDOVAPOR” QUE ALIMENTA AL SEPARADOR V-101 Un objetivo de la simulación es alimentar al separador de fases V-101 a una temperatura correspondiente al punto de rocío de la corriente “Vapor” a 6000 kPa, es decir, -19.48 °C. Para ello se introduce un botón de ajuste y se despliega su ventana de propiedades para la introducción de sus especificaciones

107

En la página “Connections” de la pestaña del mismo nombre, seleccione la variable a ajustar presionando el botón “Select Var...” en el grupo “Adjusted Variable” para abrir el navegador de variables o “Variable Navigator”. De la lista de objetos u “Object” seleccione la corriente “LiquidoVapor”. De la lista de variables o “Variable” que está ahora visible seleccione la temperatura y presione OK para aceptar la variable y regresar a la vista de propiedades del botón de ajuste. Para seleccionar la variable objetivo presione ahora, el botón “Select Var...” en el grupo “Target Variable” para desplegar la ventana “Select Target Variable for ADJ-1”, seleccione “VaporRocio” en la lista de objetos u “Object” y Temperatura en la lista de variable o “Variable” y presione OK para aceptar la variable y regresar a la vista de propiedades del botón de ajuste. Escribe el valor de – 19.48 °C en el cuadro “Specified Target Value”. Abra la página “Parameters”, mantenga los parámetros que aparecen por defecto y presione el botón “Start” para empezar los cálculos. Para observar el progreso de la operación ajuste abra la pestaña “Monitor”. La Figura 15.6 muestra las especificaciones introducidas para la operación de ajuste

Figura 15.6. Ventana de especificaciones del botón de ajuste

¿Cuánto es la temperatura de la corriente de salida del E-100 para alcanzar la especificación del punto de rocío?

El diagrama de flujo final de la planta de gas refrigerada incluyendo las operaciones Balance y Adjust se muestra en la Figura 15.7.

108

Dimensionamiento y desempeño del intercambiador E-100 HYSYS estima un dimensionamiento y configuración para este tipo de intercambiador de carcasa y tubo 1. Despliegue la ventana de propiedades del intercambiador y haga clic en la pestaña “Rating” y observe el dimensionamiento global en cuanto a configuración de la unidad y la información calculada sobre la geometría y el coeficiente global de transferencia que HYSYS está proponiendo

Figura 15.7. Diagrama de flujo de una planta de enfriamiento de gas 2. Haga clic sobre el radio botón “Shell” y observe la información sugerida por HYSYS sobre el banco de tubos, la carcasa y los bafles. 3. Haga clic sobre el radio botón “Tube” y observe la información sugerida por HYSYS sobre las dimensiones y las propiedades de los tubos. 4. Haga clic sobre la pestaña “Performance” y observe en la página “Details” información global y detallada sobre el desempeño del intercambiador. 5. Haga clic sobre la página “Plots” y observe el gráfico de Flujo calórico versus Temperatura de las corrientes que intercambian calor a través del intercambiador. 6. Despliegue el cuadro “Plot Type” y observe los diferentes gráficos que muestran el desempeño del intercambiador. 7. Haga clic sobre la página “Tables” y observe la información numérica correspondiente al perfil de las corrientes por carcasa y tubo. 109

8. Haga clic en la pestaña “Worksheet” y observe las condiciones de las corrientes de entrada y salida y verifique que se cumplen las especificaciones introducidas para la simulación de la operación del intercambiador

HERRAMIENTA Databook: Análisis relacional entre variables La herramienta “Case Study” de HYSYS permite monitorear la respuesta en estado estacionario de variables de proceso claves ante cambios en otras variables en el proceso. Se seleccionan las variables independientes a cambiar y las variables dependientes a monitorear. HYSYS varia las variables independientes al mismo tiempo y con cada cambio calcula los valores de las variables dependientes. En vez de utilizar la operación Ajuste para hallar la temperatura de la corriente “LiquidoVapor” requerida para alcanzar el punto de rocío del producto gaseoso “Vapor” se puede utilizar la herramienta “Case Study” para examinar un intervalo de valores de temperaturas de la corriente “LiquidoVapor” y de temperaturas de punto de rocío. Antes de instalar el “Case Study”, el botón Ajuste tiene que desactivarse de tal manera que no cause conflictos con el Case Study. Para ello abra la ventana de propiedades del botón Ajuste, señale el cuadro de verificación correspondiente a la opción “Ignored” y cierre la ventana Variación de la temperatura de la corriente “VaporRocío” debida a cambios en la temperatura de la corriente “LiquidoVapor” Del menú “Tools” seleccione la opción “Databook”, para abrir su ventana de especificaciones. En la página “Variables” presione el botón “Insert” para abrir la ventana “Variable Navigator”. Seleccione “LiquidoVapor” de la lista de objetos u “Object” y Temperatura de la lista de variables y presione OK para completar la selección de la primera variable. Repita la operación anterior para seleccionar la temperatura de la corriente “VaporRocio” como la segunda variable. Observe la Figura 15.8 En la ventana “Databook”, haga clic en la página “Case Studies” y presione el botón “Add” para añadir un nuevo caso de estudio. Seleccione la Temperatura de “LiquidoVapor” como la variable independiente y la temperatura de “VaporRocio” como la variable dependiente. Observe la Figura 15.9. Presione el botón “View...” para completar la información para el caso de estudio. Ingrese los valores para el límite inferior (Low Bound), límite superior (High Bound) y tamaño del paso (Step Size) de – 25°C (- 20°F), 5°C (10°F) y 5°C (10°F) respectivamente. Presione el botón Start para empezar los cálculos. Observe la Figura 15.10.

110

Figura 15.8. Selección de variables para el caso de estudio

Figura 15.9. Selección de las variables independiente y dependiente

Figura 15.10. Especificaciones del intervalo de valores a analizar

111

Para observar los resultados en forma gráfica o numérica, presione el botón “Results” y escoja la opción “Graph o Table”. Observe los resultados gráficos en la Figura 15.11.

Figura 15.11. Resultados gráficos del caso de estudio

Habiendo terminado el estudio de caso, active la operación Adjust eliminando la verificación en la opción “Ignored” en la página “Parameters” de la operación

112

SECCIÓN IV REACTORES QUÍMICOS

113

114

16. REACTOR DE CONVERSIÓN 1. OBJETIVOS 1. 2. 3. 4.

Simular, en estado estacionario un reactor de conversión Relacionar dos variables mediante la opción “Set” de HYSYS Verificar los resultados obtenidos por HYSYS con los calculados teóricamente Utilizar la facilidad que permite la operación “Set” para simular una separación instantánea P-Vf

2. INTRODUCCIÓN Reactor de conversión Un Reactor de Conversión es un recipiente en el cual se realiza, solamente, un conjunto de reacciones de conversión. Cada reacción procederá hasta que se alcance la conversión especificada o hasta que se agote el reactivo límite. La Figura 16.1 muestra un esquema que representa a un reactor de conversión:

Figura 16.1. Reactor de Conversión

En un reactor donde se realizan un sistema de N reacciones de conversión en paralelo, los flujos de salida de cada uno de los componentes en el sistema se pueden calcular mediante un balance de materia, asignando una conversión, X r ,a cada una de las reacciones y considerando sus coeficientes estequiométricos (  ri ) positivos para los productos y negativos para los reaccionantes y escribiendo las reacciones con coeficiente estequiométrico de uno para cada reactivo límite (l). Si hay un componente inerte su coeficiente estequiométrico es cero. El balance de materia para cada componente se puede escribir, por lo tanto, de la siguiente manera:

n

N ip  N oi  ri X r N ol ( r )

(16.1)

r 1

El subíndice “p” se refiere a la corriente producto; “o” a la corriente de entrada; “i” a cada uno de los componentes y “l(r”) el componente límite en la reacción “r” y “N” los flujos 115

molares. La ecuación (16.1) expresa que el flujo en la corriente producto de un componente es igual a su flujo de entrada más la sumatoria de lo producido en cada reacción menos lo consumido en cada reacción El balance calórico se puede escribir de la siguiente forma, estableciendo el balance de entalpía entre las corrientes de entrada y salida al reactor:

C

N i 1

C

i o

hoi  Q   N ip h ip

(16.2)

i 1

Siendo hoi , h ip , las entalpías molares del componente “i” en la entrada y salida, respectivamente y “Q”, el calor absorbido o liberado en la reacción

El análisis de grados de libertad es el siguiente: Variables

Cantidad

Corriente de salida Corriente de calor Total Variables

C+2 1 C+3

Ecuaciones y Restricciones

Cantidad

Balances de materia Balance de energía Total Ecuaciones y Restricciones Total grados de libertad

C 1 C+1 2

Las variables que generalmente se especifican para completar la especificación del reactor de conversión son: la magnitud del flujo calórico y la caída de presión en el reactor o la presión de la corriente de salida. HYSYS permite la simulación de procesos químicos con reacciones de conversión donde se especifica, además de su estequiometría, el componente base, la fase en que se realiza la reacción y una ecuación polinómica para calcular la conversión en función de la temperatura de la reacción. Si la conversión es independiente de la temperatura se especifica la conversión con solo el término constante del polinomio función de temperatura

116

Operación “Set” La operación “Set” se utiliza para establecer el valor de una variable de proceso específica mediante una relación lineal con otra variable de proceso. La relación es entre las mismas variables de proceso en dos objetos similares; por ejemplo, la temperatura en dos corrientes o el UA en dos intercambiadores de calor. La operación puede emplearse tanto en simulación estacionario como dinámica La variable dependiente o variable objetivo se define en términos de la variable independiente o fuente de acuerdo a la siguiente relación lineal

Y = MX + B

Siendo

(16.3)

Y = variable dependiente u objetivo X = variable independiente o fuente M = multiplicador o pendiente B = ajuste o intercepto

Para instalar la operación “Set”, seleccione el botón “Set” en la paleta de objetos ó seleccione “Add Operation” del menú “Flowsheet” y seleccione la opción “Set”

3. PROCESO ESTUDIADO Dos corrientes, una de monóxido de carbono puro a 550 °C, 1000 kPa y 100 kgmol/h y otra de hidrógeno puro a las mismas condiciones de temperatura y presión se alimentan a un separador de fases que servirá como reactor para la conversión de dichos reactivos en metano y agua. Se establece que el flujo molar de la corriente de hidrógeno sea tres veces el flujo molar de la corriente de monóxido

4. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Unidades:

Peng-Robinson Monóxido de carbono, Hidrógeno, Agua y Metano Sistema SI

Reacción de conversión La reacción para la formación del metano a partir de monóxido de carbono e hidrógeno es:

CO + 3 H2

CH4 + H2O 117

Para añadir una reacción de conversión, haga clic en la pestaña “Reactions” y en la ventana “Simulation Basis Manager” añada los componentes de la reacción haciendo clic en el botón “Add Comps…” y seleccionándolos de la librería. Haga clic en el botón “Add Rxn…” y en la pestaña “Stoichiometry” de la ventana “Conversión Reaction: Rxn-1” añada los componentes en el siguiente orden: monóxido de carbono, hidrógeno, metano y agua. Complete la página estequiometría introduciendo con signos negativos los coeficientes estequiométricos de los reaccionantes y con signos positivos los de los productos, como se muestra en la Figura 16.2.

Figura 16.2. Estequiometría de la reacción de conversión En la pestaña “Basis” establezca el monóxido de carbono como el componente base para la conversión, la fase de la reacción es la global u “Overall” y especifique una conversión constante del 80 % en el cuadro “Co”. Observe la Figura 16.3.

Figura 16.3. Datos básicos para la reacción de conversión

Cuando la reacción es especificada completamente, en forma automática es añadida al conjunto de reacciones “Global Rxn Set”. Añada el “Global Rxn Set” al paquete fluido

118

presionando el botón “Add to FP”. Hecho esto salga del ambiente básico. Se pueden crear otros conjuntos de reacciones donde incluir las reacciones que se desee, cuando sea necesario.

5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Corrientes de alimentación: Monóxido: Instale la corriente “Monóxido” con las siguientes especificaciones en la página “Conditions” de la pestaña “Worksheet” Temperatura Presión Flujo molar

550 °C 1000 kPa 1000 kgmol/h

En la página “Composition” de la pestaña “Worksheet” especifique que la fracción molar de monóxido de carbono es uno y cero las correspondientes a los otros componentes. Hidrógeno: Instale la corriente “Hidrógeno” con las siguientes especificaciones en la página “Conditions” de la pestaña “Worksheet” Temperatura Presión

550 °C 1000 kPa

En la página “Composition” de la pestaña “Worksheet” especifique que la fracción molar de hidrógeno es uno y cero las correspondientes a los otros componentes.

Reactor de Conversión: Instale un Separador de fases con las siguientes especificaciones Pestaña Design Name Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet

Página Connections R-100 Monóxido, Hidrógeno Vapor Líquido

Pestaña Design Delta P

Página Parameters 0 kPa

En la pestaña “Reactions” de la ventana de propiedades del Separador de fases que opera como el reactor “R-100”, añada en el cuadro “Reaction Set” el conjunto de reacciones “Global Rxn Set” que contiene la reacción de conversión definida anteriormente 119

Operación Set Instale, ahora, la operación Set que establezca el flujo molar de hidrógeno FH2 en proporción estequiométrica al flujo de monóxido de carbono FCO, es decir que:

FH2 = 3*FCO + 0 Al hacer doble clic en el icono de la operación “SET-1”, seleccione el flujo molar de la corriente “Hidrógeno” como la variable objetivo o dependiente, haciendo clic en el botón “Select Var” de la sección “Target Variable”. Seleccione a la corriente “Monóxido” como objeto variable independiente en la sección “Source”. Observe la Figura 16.4.

Figura 16.4. Conexiones del botón SET-1 Haga clic sobre la pestaña “Parameters” introduzca la relación lineal entre los flujos de las corrientes “Monóxido” e “Hidrógeno”. Especifique el valor de 3.0 como el factor del flujo de la corriente “Monóxido” en el cuadro “Multiplier” y el valor 0.0 como el ajuste de la relación lineal en el cuadro “Offset”. Observe la Figura 16.5.

Figura 16.5. Relación lineal entre los flujos

120

El diagrama de flujo final del reactor de conversión incluyendo el botón de ajuste se observa en la Figura 16.6. Observe que HYSYS hace un cálculo se separación de fases de la corriente de producto.

Figura 16.6. Reactor de conversión de monóxido de carbono en metano

Despliegue el libro de trabajo (Figura 16.7) y observe las especificaciones de las corrientes conectadas al reactor. Haga cambios en el flujo de la corriente “Monóxido” y observe cómo la operación “SET-1” hace que el flujo de la corriente “Hidrógeno” sea el triple del flujo especificado.

Figura 16.7. Reactor de conversión de monóxido de carbono en metano

Aunque este ejemplo es trivial, este tipo de aplicación puede ser útil cuando sea aplicado a problemas más grandes. Por ejemplo, en diagramas de flujo donde los alimentos al reactor son recirculados, la operación “Set” puede asegurar que sus flujos relativos están siempre en proporción estequiométrica. 121

6. CASOS DE ESTUDIO 1. Escriba las ecuaciones de balance de materia de cada uno de los componentes de la reacción simulada 2. Con las ecuaciones planteadas, verifique los resultados de los flujos de cada uno de los componentes con los obtenidos por HYSYS vistos en el libro de trabajo 3. Utilice el botón “Set” para simular una separación instantánea P-Vf de una mezcla que contiene 20 % mol de benceno, 50 % mol de tolueno y 30 % mol de o-Xileno a una presión de 14.5 psia y una fracción de vaporización de 0.8 4. Realice los cálculos de separación instantánea y compárelos con los obtenidos por HYSYS

122

17. PLANTA DE PRODUCCIÓN DE GAS DE SÍNTESIS 1. OBJETIVOS 1.1. Especificar una reacción de equilibrio 1.2. Construir conjuntos de reacciones y anexarlos a un paquete fluido 1.3. Simular una planta para producir una mezcla de gases para obtener amoníaco

2. INTRODUCCIÓN Los modelos de reactores de equilibrio suministran una mejor descripción que los reactores de conversión en muchos procesos industriales y, además, permiten la realización de cálculos termodinámicos compatibles con las bases de datos de simulación de procesos.

Para una reacción sencilla del tipo

aA  bB  cC  dD

(17.1)

La conversión de equilibrio puede determinarse directamente a partir de la ecuación para calcular la constante de equilibrio así: ( fC )c ( f D )d  Grxn (T )   K  exp    a b RT  ( fA) ( fB ) 

(17.2)

Siendo fi la fugacidad del componente i y donde para la anterior reacción (17.1), el cambio de energía libre de Gibbs Grxn se calcula por la ecuación que expresa la diferencia entre las energías libres de formación de los productos y las energías libres de formación de los reaccionantes así: Grxn  (cG f ,C  dG f , D )  (aG f , A  bG f , B )

(17.3)

Para reacciones en fase gaseosa a baja presión, la fugacidad puede reemplazarse por las presiones parciales, lo que a su vez permite calcular la constante de equilibrio en términos de la presión total P y de la composición “y” de los componentes de la mezcla reaccionante en equilibrio, de acuerdo a la siguiente ecuación:

K

( yC ) c ( y D ) d ( y A ) a ( y B ) b P ( a b c  d )

(17.4)

123

Reactor de Equilibrio Un Reactor de Equilibrio es un recipiente donde se modelan reacciones reversibles en estado de equilibrio, en serie o en paralelo. El análisis o simulación requiere que se hayan especificado completamente las reacciones para el cálculo de sus conversiones de equilibrio. En la Figura 17.1 se representa un reactor de equilibrio, en el que la corriente de salida del reactor Np presenta las concentraciones correspondientes a cada uno de los componentes de la reacción en el estado de equilibrio químico.

Figura 17.1. Reactor de Equilibrio

En un reactor de equilibrio, los flujos de cada uno de los componentes en la corriente de salida son de una magnitud tal que sus respectivas concentraciones son las del estado de equilibrio a la temperatura y presión de la reacción. Por lo tanto, el balance de materia para cada componente se puede escribir de la siguiente manera: N ip  N oi   i X e N ol

(17.5)

El subíndice p se refiere a la corriente producto; el subíndice o se refiere a la corriente de entrada; i se refiere a cada uno de los componentes y l se refiere al componente límite en la reacción; N simboliza los flujos molares, X e simboliza la conversión en el estado de equilibrio del componente límite y  i simboliza el coeficiente estequiométrico correspondiente al componente i asignándole signo positivo o negativo según que se trate de un producto o un reaccionante. El balance calórico se puede escribir de la siguiente forma, estableciendo el balance de entalpía entre las corrientes de entrada y salida al reactor:

C

N i 1

C

i o

hoi  Q   N ip h ip

(17.6)

i 1

Siendo hoi y hip las entalpías molares del componente i en la entrada y salida, respectivamente y Q el calor absorbido o liberado en la reacción

124

Las restricciones adicionales incluidas en el modelo de un reactor de equilibrio son la especificación o el cálculo de la constante de equilibrio de la reacción (por ejemplo, mediante la ecuación 17.2) y la ecuación (17.4) para calcular la conversión de equilibrio del componente base que es una variable adicional teniendo en cuenta que se trata de un reactor en donde se está considerando el equilibrio de la reacción. El análisis de grados de libertad es el siguiente: Variables

Cantidad

Corriente de salida Corriente de calor Conversión de equilibrio Total Variables

C+2 1 1 C+4

Ecuaciones y Restricciones

Cantidad

Balances de materia Balance de energía Ecuación para calcular la constante de equilibrio Ecuación para calcular la conversión de equilibrio

C 1 1 1

Total Ecuaciones y Restricciones

C+3

Total grados de libertad

1

La variable que generalmente se especifica para completar la especificación de la unidad es la magnitud del flujo calórico. Si el reactor opera en forma adiabática el grado de libertad se completa con la especificación de un flujo calórico igual a cero

3. PROCESO ESTUDIADO La producción de gas de síntesis es una parte importante e interesante dentro del proceso global de la síntesis de amoníaco. La conversión del gas natural en alimento para una planta de amoníaco es modelada usando tres reacciones de conversión y una reacción de equilibrio. Para facilitar la producción de amoníaco, la relación molar de hidrógeno a nitrógeno en el gas de síntesis se controla en un valor aproximado de 3:1. Esta relación representa las cantidades estequiométricas requeridas de los reaccionantes en el proceso de síntesis de amoníaco. En un proceso de gas de síntesis típico se necesitan cuatro reactores. En el modelo que se construirá, deben usarse cinco reactores debido a que las reacciones de conversión y equilibrio no pueden colocarse en el mismo conjunto de reacciones y, por lo tanto, no se pueden colocar en el mismo reactor. La reacción de combustión se realiza en dos reactores, uno de conversión de nombre R-101 y otro de equilibrio denominado R-102 125

En esta simulación, un gas natural previamente desulfurizado se alimenta a un primer reactor reformador de tipo conversión, R-100, donde reacciona con vapor de agua, para producir el hidrógeno que se requiere en el gas de síntesis. Las reacciones de reformado del gas natural conforman un conjunto denominado “Reformador Rxn Set” y su estequiometria es la siguiente:

Rxn  1 : CH 4  H 2 O  CO  3H 2 Rxn  2 : CH 4  2H 2 O  CO2  4H 2

En la reacción Rxn-1 la conversión del metano es del 40 % mientras que en la reacción Rxn-2 es del 30 % El vapor que se produce en el reactor reformador se alimenta a un segundo reactor de tipo conversión, R-101, donde además de las dos reacciones de reformado, el metano combuste con el oxígeno de una corriente de aire que se alimenta al reactor. La reacción de combustión del metano es la siguiente:

Rxn  3 : CH 4  2O2  CO2  2H 2 O

El aire es añadido al reactor a un flujo controlado de tal manera que se alcance la relación deseada H2 / N2 en el gas de síntesis. El oxígeno del aire es consumido completamente en la reacción de combustión mientras que el nitrógeno inerte pasa a través del sistema. La reacción es de una conversión de metano del 100 %. Las reacciones Rxn-1, Rxn-2 y Rxn-3 conforman un conjunto denominado “Combustor Rxn Set” La adición de vapor sirve para el doble propósito de mantener la temperatura del reactor y asegurar que el exceso de metano contenido en la corriente de gas natural se consume. El tercer reactor es de tipo equilibrio y se incluye para considerar el equilibrio que se establece entre el monóxido de carbono y el agua como reaccionantes y el dióxido de carbono y el hidrógeno como producto, es decir la reacción

Rxn  4 : CO  H 2 O  CO2  H 2 Esta sola reacción conforma el conjunto “Equilibrio Rxn Set”, debido a que en HYSYS no es aceptable conjuntos de reacciones que incluyan del tipo conversión y del tipo equilibrio En los últimos dos reactores se lleva a cabo la reacción de equilibrio gas de síntesis-agua o Rxn-4, a temperaturas sucesivamente menores para alcanzar una mezcla satisfactoria de

126

hidrógeno - nitrógeno. La Figura 17.2 muestra el diagrama de flujo final del proceso simulado en este ejercicio

Figura 17.2. Diagrama de flujo de una plante de producción de gas de síntesis

4. PAQUETE FLUIDO 1. Abra un nuevo caso y seleccione la ecuación de Peng Robinson 2. Seleccione el sistema de unidades Field 3. Seleccione los componentes Metano, agua, monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno

Reacciones del modelo 4. Haga clic sobre la pestaña “Rxns” del Administrador Básico de la Simulación y resione el botón “Simulation Basis Mgr” para definir las reacciones del modelo 5. Presione el botón “Add Comps” para añadir los componentes seleccionados a las reacciones del modelo, si no aparecen seleccionados 6. Presione el botón “Add Rxn” para añadir reacciones a un conjunto que por defecto se denomina “Global Rxn Set” que se observa dentro del grupo “Reaction Sets”

127

7. En la ventana de título “Reactions” desplegada seleccione el tipo “Conversión” y presione el botón “Add Reaction”. HYSYS desplegará una ventana con título “Conversión Reaction” para especificar una reacción de conversión Rxn-1 8. Para la introducción de la estequiometria de la reacción de reformado del gas natural, de tipo conversión CH 4  H 2 O  CO  3H 2 especifique los coeficientes de los reaccionantes con coeficientes negativos y los productos con coeficientes positivos. La especificación correcta de la reacción se verifica en el cuadro “Balance Error” con un valor de cero, como se observa en la Figura 17.3.

Figura 17.3. Estequiometria de la reacción Rxn-1 del Global Rxn Set 9. Haga clic en la pestaña “Basis” y complete la información como aparece en la Figura 17.4. Observe que la reacción es de una conversión del 40 %

Figura 17.4. Fase y conversión de la reacción Rxn-1 del conjunto Global Rxn Set

128

10. Introduzca la estequiometria de la reacción de reformado del gas natural, de tipo conversión, CH 4  2H 2 O  CO2  4H 2 repitiendo el procedimiento descrito desde el punto 7 hasta el 9. HYSYS nombrará la reacción como Rxn-2 dentro del mismo conjunto Global Rxn Set. La reacción es en fase vapor con una conversión de metano del 30 %. 11. Introduzca la estequiometria de la reacción de combustión para el reformado del gas natural, de tipo conversión CH 4  2O2  CO2  2H 2 O repitiendo el procedimiento descrito desde el punto 7 hasta el 9. HYSYS nombrará la reacción como Rxn-3 dentro del mismo conjunto Global Rxn Set. La reacción es en fase vapor con una conversión de metano del 100 %. 12. Para introducir la reacción de equilibrio CO  H 2 O  CO2  H 2 seleccione la opción “Equilibrium” de la ventana “Reactions” y especificando su estequiometría de la misma manera que las anteriores. HYSYS nombrará la reacción como Rxn-4 dentro del mismo conjunto Global Rxn Set. Observe que al introducir los coeficientes estequiométricos, la reacción es completamente especificada ¿Por qué? 13. Haga clic sobre la pestaña “Basis” y observe en el cuadro que aparece a la derecha con el título “Keq Source” que la opción seleccionada, por defecto, es la que dice “Gibbs Free Energy” 14. Haga clic sobre la pestaña “Keq”, lea y explique por qué la reacción está completamente especificada. 15. Despliegue nuevamente la ventana de la pestaña “Basis” y seleccione las otras opciones que aparecen en el cuadro “Keq Source”. Explíquese cada una de ellas. Para la simulación elija la opción “Gibbs Free Energy”

Conjuntos de reacciones En HYSYS, cada reactor tiene anexado sólo un conjunto de reacciones. Sin embargo, una reacción puede incluirse en múltiples conjuntos de reacciones. Por lo tanto, solamente se tienen que suministrar tres conjuntos de reacciones para todos los 5 reactores que se denominarán “Reformador Rxn Set”, “Combustor Rxn Set” y “Equilibrio Rxn Set”. 16. En la ventana de la pestaña “Reactions” del Administrador Básico de la Simulaión presione el botón “Add Set” para crear el conjunto conformado activamente por las reacciones Rxn-1 y Rxn-2 y denominado “Reformador Rxn Set” Para ello llene la ventana correspondiente como se observa en la Figura 17.5. 17. El conjunto “Combustor Rxn Set” conformado por las reacciones Rxn-1, Rxn-2 y Rxn3 se construye como se observa en la Figura 17.6.

129

18. El conjunto “Equilibrio Rxn Set” conformado por la reacción Rxn-4 se construye como se observa en la Figura 17.7.

Figura 17.5. Conjunto de reacciones “Reformador Rxn Set”

Figura 17.6. Conjunto de reacciones “Combustor Rxn Set”

Figura 17.7. Conjunto de reacciones “Equilibrio Rxn Set”

Anexo de los conjuntos de reacciones al paquete fluido 19. En la ventana de la pestaña “Reactions” del Administrador Básico de la Simulación resalte el conjunto de reacciones “Reformador Rxn Set” y presione el botón “Add to FP” 130

20. En la ventana desplegada de título “Add to Fluid Package” presione el botón “Add Set to Fluid Package”. Repita el procedimiento para los otros dos conjuntos de reacciones

5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO REACTOR REFORMADOR El Reformador es un reactor de conversión, en el que la mayoría del metano reacciona con vapor para producir hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono. El gas de salida también contendrá el exceso de metano sin reaccionar y el exceso de vapor de agua. La conversión global de las dos reacciones en el Reformador es 70 %. La reacción Rxn-1, que produce monóxido de carbono e hidrógeno tiene una conversión del 40 %, mientras que la reacción Rxn-2 tiene una conversión del 30 %.

Corrientes 1. Hay dos corrientes de alimentación al primer reactor, nombradas como “Gas” y “Vapor”. La primera es metano puro y la segunda es vapor de agua puro. Introduzca para ellas las siguientes especificaciones

Nombre Temperatura, °F Presión, psia Flujo Molar, lbmol/h

Gas 700 500 200

Vapor 475 520

2. Para controlar que la presión del vapor de agua sea igual a la del gas natural, introduzca un botón lógico “Set” que establezca dicha relación llenando dicho botón como lo indica la Figura 17.8. Botón SET-1

Figura 17.8. Especificación de igualdad de presiones entre Gas y Vapor

131

Reactor de conversión 3. Haga clic sobre el icono de nombre “General Reactors” que se encuentra en la paleta de objetos para desplegar una pequeña ventana que contiene los iconos de tres tipos de reactores, adicionales, incluidos en HYSYS. Seleccione el icono de nombre “Conversión Reactor” y nómbrelo como “R-100” 4. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca las siguientes especificaciones

Inlets Energy Vapor Outlet Liquid Outlet

Gas, Vapor Qr Vr Lr

5. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y en la página “Details” seleccione en conjunto “Reformador Rxn Set” en el cuadro desplegable de título “Reaction Set”. Observe a la derecha que se pueden desplegar y ver las dos reacciones que conforman este conjunto. 6. Las dos reacciones en el Reformador son endotérmicas, de tal manera que el calor debe suministrarse al reactor para mantener su temperatura. Especifique la temperatura de la corriente “Vr” con un valor de 1700 °F para que con ella HYSYS calcule el calor requerido. 7. En la página “Parameters” de la pestaña “Design” seleccione el radio botón “Heating”

REACTOR DE COMBUSTIÓN El segundo reactor de conversión es el de Combustión que se alimenta con el producto del Reformador y las corrientes Aire y VaporC. El aire es la fuente del nitrógeno para la relación de H2 / N2 requerida para la síntesis del producto final. El oxígeno del aire es consumido en la combustión del metano. Cualquier remanente de metano se elimina mediante su reacción con el vapor que entra.

Corrientes 8. Hay tres corrientes de alimentación al segundo reactor a saber. el vapor que proviene del Reformador, vapor de agua denominado “VaporC” y el aire denominado con el mismo nombre. nombradas como “Gas” y “Vapor”. Introduzca las siguientes especificaciones para las corrientes “VaporC” y “Aire” Nombre Temperatura, °F

VaporC 475

Aire 475 132

Presión, psia Flujo Molar, lbmol/h Fracción mol Agua Fracción mol Nitrógeno Fracción mol Oxígeno

200 1.00

520 0.79 0.21

9. Para controlar que la presión de las corrientes de vapor de agua, “VaporC” y aire, “Aire”, sean iguales a la del gas natural, introduzca un botón lógico “Set” que establezca dichas relaciones llenando dichos botones en forma similar a lo realizado para la Figura 7. Botones SET-2 y SET-3 Reactor de conversión 10. Haga clic sobre el icono de nombre “General Reactors” que se encuentra en la paleta de objetos para desplegar una pequeña ventana que contiene los iconos de tres tipos de reactores, adicionales, incluidos en HYSYS. Seleccione el icono de nombre “Conversión Reactor” y nómbrelo como “R-101” 11. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca las siguientes especificaciones

Inlets Energy Vapor Outlet Liquid Outlet

VaporC, Aire, Vr Qc Vc Lc

12. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y en la página “Details” introduzca en conjunto “Combustor Rxn Set” en el cuadro desplegable de título “Reaction Set”. Observe a la derecha que se pueden desplegar y ver las tres reacciones que conforman este conjunto. HYSYS automáticamente ordena las tres reacciones en el conjunto “Combustor Rxn Set”. Como el agua es un producto en la reacción de combustión (Rxn-3) y es un reaccionante en las dos reacciones de reformado (Rxn-1 y Rxn-2), HYSYS coloca a la reacción de combustión de primero y le da una colocación igual a las reacciones de reformado. Con este ordenamiento, procede primero la reacción de combustión hasta que se haya alcanzado la conversión especificada o agotado el reactivo límite. Las reacciones de reformado proceden, entonces, de acuerdo al metano remanente. 13. En la página “Parameters” de la pestaña “Design” seleccione el radio botón “Heating”. 14. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y despliegue la página “Details”. Seleccione el radio botón “Conversión %”. En el cuadro desplegable “Reaction” seleccione “Rxn-1” y digite 35 % como la conversión de esta reacción en este reactor. De igual manera, introduzca las conversiones de 65 % para Rxn-2 y 100 % para Rxn-3 133

REACTORES DE SÍNTESIS Los tres reactores de síntesis son reactores de equilibrio dentro de los cuales ocurre la reacción entre el gas de síntesis y el agua. En el reactor de equilibrio R-102, la reacción de síntesis que se lleva a cabo es la que ocurriría con las reacciones en el reactor de combustión R-101. Debe utilizarse un reactor separado en el modelo porque las reacciones de conversión y las de equilibrio no se pueden combinar dentro de un conjunto de reacciones.

Reactor de equilibrio R-102 15. Instale un reactor de equilibrio haciendo clic en el icono “General Reactors” que se encuentra en la paleta de objetos. En la pequeña ventana desplegada, seleccione el icono “Equilibrium Reactor” y nómbrelo como R-102. 16. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca las siguientes especificaciones

Inlets Vapor Outlet Liquid Outlet

Vc Ve2 Le2

17. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y en la página “Details” seleccione en conjunto “Equilibrio Rxn Set” en el cuadro desplegable de título “Reaction Set”. Observe a la derecha que se puede desplegar y ver la reacción que conforma este conjunto.

Reactor de equilibrio R-103 18. Instale el segundo reactor de equilibrio con el nombre de R-103. 19. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca las siguientes especificaciones

Inlets Energy Vapor Outlet Liquid Outlet

Ve2 Qe3 Ve3 Le3

20. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y en la página “Details” seleccione en conjunto “Equilibrio Rxn Set” en el cuadro desplegable de título “Reaction Set”. Observe a la derecha que se puede desplegar y ver la reacción que conforma este conjunto. 134

21. Despliegue la página “Parameters” de la pestaña “Design” y seleccione el radio botón “Cooling” 22. Haga clic en la pestaña “Worksheet” y en la página “Conditions” digite 850 °F como la temperatura de la corriente “Vr3”. HYSYS resolverá el módulo y calculará el calor requerido para el enfriamiento

Reactor de equilibrio R-104 23. Instale el tercer reactor de equilibrio con el nombre de R-104. 24. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca las siguientes especificaciones

Inlets Energy Vapor Outlet Liquid Outlet

Ve3 Qe4 Gas de Síntesis Le4

25. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y en la página “Details” seleccione en conjunto “Equilibrio Rxn Set” en el cuadro desplegable de título “Reaction Set”. Observe a la derecha que se puede desplegar y ver la reacción que conforma este conjunto. 26. Despliegue la página “Parameters” de la pestaña “Design” y seleccione el radio botón “Cooling” 27. Haga clic en la pestaña “Worksheet” y en la página “Conditions” digite 750 °F como la temperatura de la corriente “Gas de Síntesis”. HYSYS resolverá el módulo y calculará el calor requerido para el enfriamiento

6. AJUSTE DE CONDICIONES DE OPERACIÓN Ajuste del Flujo de vapor Para controlar la temperatura de la reacción de combustión, se ajusta el flujo de vapor alimentado para la reacción de combustión. Como esta etapa es modelada en dos reactores separados, se decide ajustar el flujo molar de la corriente “VaporC” para alcanzar el objetivo (target) de una temperatura de 1700 °F en el primer reactor de equilibrio, R-102. 28. Instale un botón lógico de ajuste “Adjust” y llénelo como indica la Figura 17.9 29. Presione el botón “Start” y espere hasta que HYSYS encuentre la solución

135

Figura 17.9. Ajuste del flujo de “VaporC” para el control de temperatura de R-102

Ajuste del Flujo de aire Para controlar la relación molar entre el hidrógeno y el nitrógeno en el Gas de síntesis, se necesita calcular la relación en una hoja de cálculo y entonces utilizar una operación de ajuste de variables. El Gas de síntesis debería tener una relación molar de hidrógeno a nitrógeno ligeramente mayor que 3:1. Antes de entrar a la planta de amoníaco, el hidrógeno es utilizado para eliminar del gas de síntesis cualquier remanente de CO y CO2. 30. Haga clic sobre el icono “Spreadsheet” que se encuentra en la paleta de objetos y nómbrela como “Relación H2/N2” 31. Importe a la celda A1 la variable Flujo molar de hidrógeno en la corriente “Gas de Síntesis” y a la celda A2 el Flujo molar de hidrógeno en la misma corriente. La ventana desplegada por defecto de la hoja de cálculo se observará como lo muestra la Figura 17.10.

Figura 17.10. Hoja de cálculo “Relación H2/N2”

136

32. Haga clic en el botón “Spreadsheet Only”, seleccione la celda B4 y digite la fórmula +A1/A2 para calcular la relación entre los flujos molares de hidrógeno y nitrógeno 33. Haga clic en la pestaña “Parameters” y en la columna “Variable Name” digite el nombre “Relación H2/N2”. La ventana se observará como lo muestra la Figura 17.11.

Figura 17.11. Nombre de la variable introducida en la celda B4 Se hace necesario crear una corriente ficticia (“dummy stream”) para exportar la relación creada en la hoja de cálculo. Para hacer esto proceda de la siguiente manera: 34. Instale una corriente con el nombre de “Dummy Stream” 35. Haga clic en la pestaña “Connections” de la ventana de la hoja de cálculo y presione el botón “Add Export” para exportar la relación calculada en B4 como el flujo molar de la corriente ficticia “Dummy Stream”. Presione OK cuando haya seleccionado el objeto y la variable a exportar. Si es necesario, selecciona la celda B4 en la columna encabezada con el título “Cell”. Observe la Figura 17.12.

Figura 17.12. Exportación de la relación al flujo molar de la corriente ficticia 137

36. Instale un botón lógico “Adjust” para ajustar el flujo molar de la corriente “Aire” para lograr como objetivo (target) que el flujo de la corriente ficticia “Dummy Stream” sea de 3.00 lbmol/h. (Ver Figura 17.13)

Figura 17.13. Ajuste del flujo de aire para una relación de tres entre hidrógeno y nitrógeno 37. Presione el botón “Start” y espere hasta que HYSYS encuentre una solución

7. CASOS DE ESTUDIO 1. Haga algunos cambios de operación en cualquier parte del proceso para conseguir un gas de síntesis de mayor concentración en nitrógeno 2. Compruebe las conversiones fijadas en cada uno de los reactores de conversión 3. Observe las concentraciones de las corrientes de salida en los reactores de equilibrio si se encuentran en los valores correspondientes al estado de equilibrio de la reacción

138

18. REACTOR CSTR 1. OBJETIVOS 1.1. Definir paquetes fluidos que incluyan reacciones de tipo cinético 1.2. Determinar los grados de libertad requeridos para simular un reactor CSTR de tipo cinético 1.3. Simular, en estado estacionario, un reactor CSTR, con una reacción de tipo cinético

2. INTRODUCCIÓN Un reactor CSTR es un tanque en el cual la masa reaccionante es continuamente agitada de tal manera que se considera como una mezcla completa y, por lo tanto, se asume que sus propiedades son uniformes en todo el interior del reactor. La Figura 18.1 muestra un

esquema de un reactor de mezcla completa.

Vapor Fo

Fp Líquido Q

Figura 18.1. Reactor de Mezcla Completa

En un reactor de mezcla completa, los flujos de cada uno de los componentes en la corriente de salida son los de la corriente de entrada más el producido o consumido neto en la reacción, de acuerdo a la velocidad de ésta y al volumen de masa reaccionante en el reactor. El balance de materia para cada componente se puede escribir, por lo tanto, de la siguiente manera:

Fpi  Foi  Vr i

(18.1)

El subíndice p se refiere a la corriente producto; el subíndice o se refiere a la corriente de entrada; el superíndice i se refiere a cada uno de los componentes; el símbolo V se refiere 139

al volumen de masa reaccionante en el reactor y r i simboliza la velocidad de reacción neta del componente i. Esta velocidad se expresa en términos de la velocidad de reacción para el componente límite y teniendo en cuenta los coeficientes estequiométricos en cada una de las reacciones El balance calórico se puede escribir de la siguiente forma, estableciendo el balance de entalpía entre las corrientes de entrada y salida al reactor:

C

F h i 1

i i o o

C

 Q   Fpi hip  VrH reacción

(18.2)

i 1

Siendo hoi y hip , las entalpías molares del componente i en la corriente de entrada y salida, respectivamente, Q es el calor absorbido o liberado en el reactor y H reacción el calor de reacción y r la velocidad neta de reacción del componente límite La ecuación de diseño de un reactor de mezcla completa es dada por: V  X   Fo Co  r

(18.3)

Siendo V el volumen del reactor;  el tiempo espacial; Fo y Co el flujo molar y la concentración molar de reactivo límite en la corriente de entrada, respectivamente; X y r la conversión y la velocidad de reacción, respectivamente, del reactivo límite en el reactor. La velocidad de una reacción no catalítica depende de la concentración de reaccionante. Con respecto al reaccionante límite, la ecuación de velocidad de reacción se expresa de la siguiente manera  r  kCn

(18.4)

Siendo, k la constante específica de velocidad de reacción, n el orden cinético de la reacción y C la concentración del reaccionante límite en reactor. El orden de una reacción se determina experimentalmente y la constante de velocidad de reacción depende de la temperatura de la reacción y se puede calcular con la ecuación de Arrhenius, de la forma:

140

 E  k  A exp     RT 

(18.5)

Siendo A el factor pre-exponencial, E la energía de activación, T la temperatura de la reacción en escala absoluta y R la constante universal de los gases. El análisis de grados de libertad es el siguiente: Variables

Cantidad

Corriente de salida Corriente de calor Volumen del reactor Velocidad de reacción

C+2 1 1 1

Total Variables

C+5

Ecuaciones y Restricciones

Cantidad

Balances de materia Balance de energía Ecuación de diseño del reactor

C 1 1

Total Ecuaciones y Restricciones

C+2

Total grados de libertad

3

Para simular un reactor CSTR con reacción de tipo cinético cuya velocidad depende solamente de la concentración de uno de sus reaccionantes, el número de variables que se requieren para una especificación completa es de stress. Las variables que usualmente, se especifican son el flujo calórico, la caída de presión en el tanque y el volumen del reactor. Se entiende que el sistema de reacciones es de cinética conocida, es decir que se especifican la energía de activación, el factor pre-exponencial y el orden de la reacción.

3. PROCESO ESTUDIADO La reacción que estudiaremos es la de la obtención de propilenglicol a partir de óxido de propileno y agua, cuya estequiometria es

C3 H 6 O  H 2 O  C3 H 8O2

141

Se utiliza un reactor de mezcla completa que se alimenta con una solución acuosa de propileno al 20 % mol y se considera un nitrógeno puro que actúa como un inerte y con el propósito de mantener la presión de la reacción. La reacción es de primer orden con respecto a la concentración de óxido de propileno, COxido, con una cinética de la forma

r  KCOxido

(18.6)

y la constante específica de velocidad de reacción está dada por la ecuación de Arrhenius de la siguiente forma  32444  K  1.7 x1013 exp    RT  

(18.7)

Siendo T la temperatura en Kelvin

4. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes:

Uniquac – Ideal Oxido de propileno, agua, propilenglicol y nitrógeno

Reacción:

Tipo:

Cinético

Estequiometría:

Oxido de propileno + Agua  Propilenglicol

Base: La Base para la ecuación cinética es la Concentración; el Componente Base es el óxido de propileno; la fase de la reacción es Liquido combinado y las unidades bases son kgmol/m3 para la concentración, kgmol/h-m3 para la velocidad de reacción, y K para la temperatura. Parámetros Cinéticos. La reacción es irreversible. La ecuación cinética es la (18.6) es decir de orden uno con respecto al óxido de propileno y de la ecuación (18.7) se tiene que el factor preexponencial es 1.7x1013 h-1 y la energía de activación es 32444 kJ/kgmol

5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Abra un nuevo caso y seleccione la ecuación de Peng Robinson y los componentes óxido de propileno, agua, propilenglicol y nitrógeno

142

Reacción de tipo cinético 2. Para introducir la reacción, haga clic sobre la pestaña “Rxns” de la ventana “Fluid Package: Basis-1” y presione el botón “Simulation Basis Mgr” que se encuentra a la derecha. Añada los componentes si no lo ha hecho. 3. Haga clic sobre el botón “Add Rxn” y en la ventana desplegada con título “Reactions” seleccione la opción “Kinetic” y presione el botón “Add Reaction” para desplegar la ventana de título “Kinetic Reaction: Rxn-1”, que es nombre dado por HYSYS a la reacción que se va a introducir. 4. En la columna “Component” de la pestaña “Stoichiometry”, seleccione los componentes que intervienen en la reacción en el orden que aparecen en la reacción química. 5. En la columna “Stoich Coeff” introduzca los coeficientes estequiométricos de cada uno de los componentes de la reacción asignando signos negativos a los reaccionantes y positivo al producto. Observe en el cuadro “Balance Error” el valor 0.0 si la reacción ha sido introducida correctamente desde el punto de vista estequiométrico y además el calor de la reacción a 25 °C 6. Para la irreversibilidad y el orden de la reacción, en la columna “Fwd Order” escriba uno para óxido de propileno que es el orden de la reacción a la derecha y en la columna “Rev Order” escriba cero para todos los componentes porque la reacción es irreversible. La ventana de la pestaña “Stoichiometry” se debe observar como lo muestra la Figura 18.2.

Figura 18.2. Estequiometria de la reacción química

7. Haga clic sobre la pestaña Basis y complétela como se observa en la Figura 18.3.

143

Figura 18.3. Bases para la cinética de la reacción 8. Para introducir la ecuación de Arrhenius, haga clic sobre la pestaña “Parameters” e introduzca el factor pre-exponencial y la energía de activación como se muestra en la Figura 18.4. Observe la banda verde con la leyenda “Ready”.

Figura 18.4. Ecuación de Arrhenius

9. Cierre la ventana anterior y sobre la ventana del Administrador básico de la simulación presione el botón “Add to FP” que se encuentra en el lado inferior izquierdo. 10. Presione el botón “Add Set to Fluid Package”. Con ello se adiciona la reacción al paquete fluido 11. Presione el botón “Return to Simulation Environment” para ingresar al ambiente de simulación

Corrientes de materia y energía 12. Instale las corrientes “Alimento” e “Inerte” con las siguientes especificaciones

144

Propiedades

Alimento

Temperatura, °C Presión, kPa Flujo molar, kgmol/h Composición (Fracción mol) Oxido de propileno Agua Propilenglicol Nitrógeno

Inerte

25 130 350

60 130 0

0.2 0.8 0.0 0.0

0.0 0.0 0.0 1.0

13. Instale una corriente de energía con el nombre de “Enfriante”

Reactor de mezcla completa 14. Instale un reactor de mezcla completa seleccionando el icono de nombre “CSTR” que se encuentra en la paleta de objetos. Colóquele el nombre de “R-100” 15. Llene la página “Connections” de la pestaña “Design” de su ventana de propiedades de la siguiente manera Nombre Inlets Vapor Outlet Liquid Outlet Energy

R-100 Inerte, Alimento Vapor Liquido Enfriante

16. Despliegue la página “Parameters” y deje el valor de cero, por defecto, para la caída de presión y asigne un flujo calórico de cero a la corriente de energía. Observe que se han introducido dos especificaciones 17. Haga clic en la pestaña “Reactions”. Despliegue el cuadro de título “Reaction Set” y seleccione el conjunto de reacciones denominado “Global Rxn Set”. Observe en el cuadro “Reaction” que se muestra a la reacción Rxn-1 del proceso. Si es necesario revisarla se puede presionar el botón “View Reaction”. Observe que se han introducido tres especificaciones, a saber: el factor pre-exponencial, la energía de activación y el orden de la reacción. Sin embargo, la banda roja solicita la especificación del volumen con el cual se debe completar el número requerido para una convergencia en la simulación 18. Haga clic en la pestaña “Rating” y dentro de la página “Sizing” introduzca un volumen de 8 metros cúbicos. Observe que la convergencia se ha alcanzado porque se han completado las seis especificaciones requeridas. HYSYS sugiere unas medidas para la altura y el diámetro de un tanque cilíndrico

145

19. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y despliegue la página “Results”. Observe el porcentaje de conversión de óxido de propileno alcanzado en la reacción. 20. Seleccione el radio botón “Reaction Balance” y observe el balance de componentes en la reacción 21. En la página “Comnposition” de la pestaña “Worksheet” se observan las concentraciones de propilenglicol en las corrientes de producto El diagrama de flujo final del reactor de mezcla completa simulado se observa en la Figura 18.5.

Figura 18.5. Reactor de mezcla completa

146

19. REACTOR PFR 1. OBJETIVOS 5.1. Definir paquetes fluidos que incluyan reacciones de tipo cinético 5.2. Determinar los grados de libertad requeridos para simular un reactor PFR de tipo cinético 5.3. Simular, en estado estacionario, un reactor PFR, con una reacción de tipo cinético

2. INTRODUCCIÓN Un reactor PFR es básicamente un tubo donde se realiza una reacción con cambios axiales en la concentración, la presión y la temperatura. La Figura 19.1 muestra un esquema de un reactor PFR.

Fo

Fp

Q Figura 19.1. Reactor de Flujo Pistón

En un reactor PFR, al igual que en uno de mezcla completa, los flujos de cada uno de los componentes en la corriente de salida son los de la corriente de entrada más el producido o consumido neto en la reacción, de acuerdo a la velocidad de ésta y al volumen de masa reaccionante en el reactor. El balance de materia para cada componente se puede escribir, por lo tanto, de la siguiente manera:

Fpi  Foi  Vr i

(19.1)

El subíndice p se refiere a la corriente producto; el subíndice o se refiere a la corriente de entrada; el superíndice i se refiere a cada uno de los componentes; el símbolo V se refiere al volumen de masa reaccionante en el reactor y r i simboliza la velocidad de reacción neta del componente i. Esta velocidad se expresa en términos de la velocidad de reacción para el componente límite y teniendo en cuenta los coeficientes estequiométricos en cada una de las reacciones

147

El balance calórico se puede escribir de la siguiente forma, estableciendo el balance de entalpía entre las corrientes de entrada y salida al reactor:

C

C

i 1

i 1

 Foi hoi  Q   Fpi hip  VrH reacción

(19.2)

Siendo hoi y hip , las entalpías molares del componente i en la corriente de entrada y salida, respectivamente, Q es el calor absorbido o liberado en el reactor y H reacción el calor de reacción y r la velocidad neta de reacción del componente límite La ecuación de diseño de un reactor tubular es dada por: X dX V    0 Fo Co r

(19.3)

Siendo V, el volumen del reactor, Fo, el flujo molar del reactivo límite, , el tiempo espacial, Co, la concentración del reaccionante límite en la corriente de entrada, X, la conversión del reaccionante límite y r la velocidad de reacción del reactivo límite. La velocidad de una reacción no catalítica depende de la concentración de reaccionante. Con respecto al reaccionante límite, la ecuación de velocidad de reacción se expresa de la siguiente manera  r  kCn

(19.4)

Siendo, k la constante específica de velocidad de reacción, n el orden cinético de la reacción y C la concentración del reaccionante límite en reactor. El orden de una reacción se determina experimentalmente y la constante de velocidad de reacción depende de la temperatura de la reacción y se puede calcular con la ecuación de Arrhenius, de la forma:  E  k  A exp     RT 

(19.5)

148

Siendo A el factor pre-exponencial, E la energía de activación, T la temperatura de la reacción en escala absoluta y R la constante universal de los gases. El análisis de grados de libertad es el siguiente: Variables

Cantidad

Corriente de salida Corriente de calor Volumen del reactor Velocidad de reacción

C+2 1 1 1

Total Variables

C+5

Ecuaciones y Restricciones

Cantidad

Balances de materia Balance de energía Ecuación de diseño del reactor

C 1 1

Total Ecuaciones y Restricciones

C+2

Total grados de libertad

3

Las variables que generalmente se especifican para completar la especificación del reactor flujo pistón son la magnitud del flujo calórico, la caída de presión en el reactor o la presión de la corriente de salida y el volumen del reactor. Los reactores PFR, a menudo, se construyen de muchos tubos de pequeños diámetros y de grandes longitudes y se emplean con fluidos a grandes velocidades y pequeños tiempos espaciales. Esto minimiza el mezclado axial del fluido, limita los perfiles radiales de temperatura y provee el área de transferencia de calor necesaria. Los tubos se arreglan en un banco como en los intercambiadores de calor. Si no se desea intercambio calórico en la zona de reacción, puede utilizarse uno o una serie de lechos empacados de diámetros más grandes. El volumen de un tubo se calcula como un cilindro y tratándose de un reactor con flujo pistón a través de un lecho poroso se requiere de la especificación de la porosidad para la determinación del volumen real de reacción. Si el volumen total requerido se construye con varios tubos se requiere la fijación del número de ellos.

3. PROCESO ESTUDIADO La reacción que estudiaremos es el craqueo adiabático en fase vapor de la acetona para transformarla en metano y keteno en un reactor PFR.. La estequiometría de la reacción es

149

CH 3  CO  CH 3  CH 2 CO  CH 4

Se utiliza un reactor tubular que se alimenta con acetona pura en estado gaseoso. El keteno que se produce es un compuesto completamente inestable cuya transformación no se incluye en esta simulación. La reacción es de primer orden con respecto a la concentración de acetona, CAcetona, con una cinética de la forma

r  KC Acetona

(19.6)

y la constante específica de velocidad de reacción está dada por una ecuación de la forma de Arrhenius y propuesta por Jeffreys así  34222  K  8.2 x1014 exp    T  

(19.7)

Siendo T la temperatura en Kelvin y K, en segundos-1

4. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Reacción:

PRSV (Peng-Robinson Stryjek-Vera) Acetona, keteno y metano

Tipo:

Cinético

Estequiometría:

Acetona  Keteno + Metano

Base: La Base para la ecuación cinética es la Concentración Molar; el Componente Base es la acetona; la fase de la reacción es Vapor y las unidades bases son kgmol/m 3 para la concentración, kgmol/s-m3 para la velocidad de reacción, y ºK para la temperatura. Parámetros Cinéticos: La reacción es irreversible. La ecuación cinética es la (19.6), es decir de orden uno con respecto al óxido de propileno y de la ecuación (19.7) se tiene que el factor pre-exponencial es 8.2x1014 s-1 y la energía de activación es 2.8x105 kJ/kgmol

5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Abra un nuevo caso y seleccione la ecuación PRSV y los componentes acetona, keteno y metano

150

Reacción de tipo cinético 2. Para introducir la reacción, haga clic sobre la pestaña “Rxns” de la ventana “Fluid Package: Basis-1” y presione el botón “Simulation Basis Mgr” que se encuentra a la derecha. Añada los componentes si no lo ha hecho 3. Haga clic sobre el botón “Add Rxn” y en la ventana desplegada con título “Reactions” seleccione la opción “Kinetic” y presione el botón “Add Reaction” para desplegar la ventana de título “Kinetic Reaction: Rxn-1”, que es nombre dado por HYSYS a la reacción que se va a introducir. 4. En la columna “Component” de la pestaña “Stoichiometry”, seleccione los componentes que intervienen en la reacción en el orden que aparecen en la reacción química. 5. En la columna “Stoich Coeff” introduzca los coeficientes estequiométricos de cada uno de los componentes de la reacción asignando signos negativos a los reaccionantes y positivo al producto. Observe en el cuadro “Balance Error” el valor 0.0 si la reacción ha sido introducida correctamente desde el punto de vista estequiométrico y además el calor de la reacción a 25 °C. 6. Para la irreversibilidad y el orden de la reacción, en la columna “Fwd Order” escriba uno para acetona que es el orden de la reacción a la derecha y en la columna “Rev Order” escriba cero para todos los componentes porque la reacción es irreversible. La ventana de la pestaña “Stoichiometry” se debe observar como lo muestra la Figura 19.2

Figura 19.2. Estequiometria de la reacción química

7. Haga clic sobre la pestaña Basis y complétela como se observa en la Figura 19.3.

151

Figura 19.3. Bases para la cinética de la reacción 8. Para introducir la ecuación de Arrhenius, haga clic sobre la pestaña “Parameters” e introduzca el factor pre-exponencial y la energía de activación como se muestra en la Figura 19.4. Observe la banda verde con la leyenda “Ready”.

Figura 19.4. Ecuación de Arrhenius

9. Cierre la ventana anterior y sobre la ventana del Administrador básico de la simulación presione el botón “Add to FP” que se encuentra en el lado inferior izquierdo. 10. Presione el botón “Add Set to Fluid Package”. Con ello se adiciona la reacción al paquete fluido. 11. Presione el botón “Return to Simulation Environment” para ingresar al ambiente de simulación

152

Corrientes de materia y energía 12. Instale una corriente con el nombre de “Acetona” con las siguientes especificaciones Temperatura, °C Presión, kPa Flujo molar, kgmol/h Fracción mol Acetona

761.85 162 137.9 1.0

Reactor de flujo pistón 13. Instale un reactor tubular seleccionando el icono de nombre “Plug Flow Reactor” que se encuentra en la paleta de objetos. Colóquele el nombre de “R-100” 14. Llene la página “Connections” de la pestaña “Design” de su ventana de propiedades de la siguiente manera Nombre Inlets Outlet

R-100 Acetona Producto

15. Despliegue la página “Parameters” y deje el valor de cero, por defecto, para la caída de presión y asigne un flujo calórico de cero a la corriente de energía, es decir, considere que la operación es adiabática. Observe que se han introducido dos especificaciones. 16. Haga clic en la pestaña “Reactions”. Despliegue el cuadro de título “Reaction Set” y seleccione el conjunto de reacciones denominado “Global Rxn Set”. Observe que se han introducido tres especificaciones, a saber: el factor pre-exponencial, la energía de activación y el orden de la reacción. Observe en la banda roja que HYSYS requiere del dimensionamiento del reactor. 17. Haga clic en la página “Details” de la pestaña “Reactions” y observe la reacción escogida, el balance calórico de cero y la información sobre el calor de reacción positivo, es decir, que es endotérmica. 18. Haga clic en la pestaña “Rating” y abra la página “Sizing” para completar las especificaciones del volumen del tubo, la longitud del mismo, el número de tubos, el espesor de pared y la porosidad, como se observa en la Figura 19.5. 19. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y despliegue la página “Results”. Observe el porcentaje de conversión de acetona alcanzado en la reacción. 20. Seleccione el radio botón “Reaction Balance” y observe el balance de componentes en la reacción

153

21. En la página “Composition” de la pestaña “Worksheet” se observan la concentración de acetona en las corrientes de producto

Figura 19.5. Dimensiones y empacado de los tubos 22. Haga clic en la pestaña “Performance” y presione el botón “Plot” que se encuentra en la esquina inferior derecha. Por defecto se observa el perfil de la temperatura a lo largo del reactor tubular, comos se muestra en la Figura 19.6. Seleccione otros perfiles sobre la página “Conditions” y de las otras páginas

Figura 19.6. Perfil de temperatura en el reactor tubular

154

20. REACCIÓN CATALÍTICA HETEROGÉNEA 1. OBJETIVOS a. Especificar la cinética de una reacción catalítica heterogénea b. Simular, en estado estacionario, un reactor PFR, con una reacción catalítica heterogénea c. Analizar el desempeño de un reactor tubular catalítico

2. INTRODUCCIÓN Las reacciones catalíticas heterogéneas incluyen reacciones en la superficie junto con adsorción (o deserción) de reaccionantes y productos. Esto hace que la ecuación de velocidad de estas reacciones dependa considerablemente del mecanismo de reacción. HYSYS incluye una expresión general para la ecuación de velocidad de una reacción catalítica heterogénea con la siguiente forma

Re ac

kf r 

Pr od

 Cii  k r  C j j i 1



j 1

     kg   1    K k  C g    i 1  g 1    M

M

(20.1)

n

kf y kr son las constantes de velocidad de reacción directa e inversa, K es la constante de velocidad de adsorción y M es el número de reaccionantes y productos adsorbidos incluyendo los inertes. Las constantes de velocidad se introducen en HYSYS en la forma de la ecuación de Arrhenius. Se requiere, por lo tanto, el factor pre-exponencial y la energía de activación para cada una de las constantes La reacción catalítica heterogénea puede utilizarse tanto en reactores de mezcla completa como en reactores tubulares.

3. PROCESO ESTUDIADO La reacción catalítica irreversible que utilizaremos en esta simulación es la deshidrogenación del tolueno para producir benceno y metano, es decir:

C7 H 8  H 2  C6 H 6  H 2

155

su mecanismo de reacción es tal que se puede expresar su cinética de acuerdo al Modelo de Langmuir - Hinshelwood cuya forma matemática es

r 

8.7 x10 4 PH 2 PT 1  1.39 PB  1.038PT

(20.2)

Siendo PH , PT y PB la presión parcial del hidrógeno, tolueno y benceno, respectivamente. 2

La reacción se lleva a cabo en un reactor tubular. El tolueno se alimenta al reactor con un flujo de 50 mol/min, 640 °C, 4053 kPa y una composición de 30 % mol de tolueno, 45 % mol de hidrógeno y 25 % mol de nitrógeno. El hidrógeno se alimenta en exceso para prevenir la coquización. La caída de presión a través del reactor es de 69 kPa. La Figura 20.1 muestra el diagrama de flujo final del reactor tubular

Figura 20.1. Reactor tubular

4. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes:

Peng-Robinson Tolueno, hidrógeno, benceno, metano y nitrógeno

Reacción: Tipo: Estequiometria: Base:

Cinético Tolueno + Hidrógeno  Benceno + Metano La Base para la ecuación cinética es la Presión Parcial; el Componente Base es el tolueno; la fase de la reacción es Vapor y las unidades bases son kPa para la presión, kgmol/hm3 para la velocidad de reacción, y ºK para la temperatura.

Parámetros Cinéticos:

La reacción es irreversible. La ecuación cinética es la (20.2). Al introducir las constantes en HYSYS, los factores preexponenciales serán las constantes que aparecen en dicha ecuación y para cada una de ellas se asume una energía de activación de cero

156

5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Abra un nuevo caso y seleccione la ecuación de Peng Robinson y los componentes tolueno, hidrógeno, benceno, metano y nitrógeno

Reacción de tipo cinético 2. Para introducir la reacción, haga clic sobre la pestaña “Rxns” de la ventana “Fluid Package: Basis-1” y presione el botón “Simulation Basis Mgr” que se encuentra a la derecha. Añada los componentes si no lo ha hecho 3. Haga clic sobre el botón “Add Rxn” y en la ventana desplegada con título “Reactions” seleccione la opción “Kinetic” y presione el botón “Add Reaction” para desplegar la ventana de título “Heterogeneous Catalytic Reaction: Rxn-1”, que es nombre dado por HYSYS a la reacción que se va a introducir. 4. En la columna “Component” de la pestaña “Stoichiometry”, seleccione los componentes que intervienen en la reacción en el orden que aparecen en la reacción química. 5. En la columna “Stoich Coeff” introduzca los coeficientes estequiométricos de cada uno de los componentes de la reacción asignando signos negativos a los reaccionantes y positivo al producto, comos se muestra en la Figura 20.2. Observe en el cuadro “Balance Error” el valor 0.0 si la reacción ha sido introducida correctamente desde el punto de vista estequiométrico y además el calor de la reacción a 25 °C

Figura 20.2. Estequiometría de la reacción química

6. Haga clic sobre la pestaña Basis y complétela como se observa en la Figura 20.3. 7. Para la introducción del numerador de la ecuación cinética, haga clic sobre la pestaña “Numerator” e introduzca la constante de velocidad de reacción como se observa en el cuadro “Forward Reaction” y los órdenes relativos a tolueno e hidrógeno obsérvelos en

157

la columna “Forward Order”. La ventana se debe observar como lo muestra la Figura 20.4

Figura 20.3. Bases para la cinética de la reacción

Figura 20.4. Numerador de la ecuación de velocidad de reación

8. Para la introducción del denominador de la ecuación cinética, haga clic sobre la pestaña “Denominator” e introduzca los factores pre-exponenciales, las energías de activación y los ordenes de cada uno de los términos del denominador como lo muestra la Figura 20.5.

Figura 20.5. Denominador de la ecuación cinética

158

9. Cierre la ventana anterior y sobre la ventana del Administrador básico de la simulación presione el botón “Add to FP” que se encuentra en el lado inferior izquierdo. 10. Presione el botón “Add Set to Fluid Package”. Con ello se adiciona la reacción al paquete fluido 11. Presione el botón “Return to Simulation Environment” para ingresar al ambiente de simulación

Corrientes de materia y energía 12. Instale una corriente con el nombre de “Alimento” con las siguientes especificaciones Temperatura, °C Presión, kPa Flujo molar, kgmol/h Fracción mol Tolueno Fracción mol Hidrógeno Fracción mol Nitrógeno

640 4053 3 0.30 0.45 0.25

Reactor de flujo pistón 13. Instale un reactor tubular seleccionando el icono de nombre “Plug Flow Reactor” que se encuentra en la paleta de objetos. Colóquele el nombre de “R-100” 14. Llene la página “Connections” de la pestaña “Design” de su ventana de propiedades introduciendo la corriente “Alimento” en el cuadro “Inlets” y el nombre “Producto” en el cuadro “Outlet” 15. Despliegue la página “Parameters” e introduzca un valor de 69 kPa, para la caída de presión y asigne un flujo calórico de cero a la corriente de energía, es decir, considere que la operación es adiabática. Observe que se han introducido dos especificaciones 16. Haga clic en la pestaña “Reactions”. Despliegue el cuadro de título “Reaction Set” y seleccione el conjunto de reacciones denominado “Global Rxn Set”. Observe que se han introducido tres especificaciones, a saber: el factor pre-exponencial, la energía de activación y el orden de la reacción. Observe en la banda roja que HYSYS requiere del dimensionamiento del reactor 17. Haga clic en la página “Details” de la pestaña “Reactions” y observe la reacción escogida, el balance calórico de cero y la información sobre el calor de reacción positivo, es decir, que es endotérmica 18. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y despliegue la página “Results”. Observe el porcentaje de conversión de tolueno alcanzado en la reacción. 159

19. Seleccione el radio botón “Reaction Balance” y observe el balance de componentes en la reacción 20. Haga clic en la pestaña “Rating” y abra la página “Sizing” para completar las especificaciones del volumen del tubo, la longitud del mismo, el número de tubos, el espesor de pared y la porosidad, como se observa en la Figura 20.6.

Figura 20.6. Dimensiones y empacado de los tubos 21. En la página “Composition” de la pestaña “Worksheet” se puede observar la concentración de la corriente de producto 22. Haga clic en la pestaña “Performance” y presione el botón “Plot” que se encuentra en la esquina inferior derecha. Por defecto se observa el perfil de la temperatura a lo largo del reactor tubular. Seleccione otros perfiles sobre la página “Conditions” y de las otras páginas

160

SECCIÓN V SEPARADORES DE MEZCLAS

161

162

21. RECUPERADOR DE COMPONENTES 1. OBJETIVOS 1. Determinar las variables de diseño en un recuperador de componentes en corrientes 2. Simular el desempeño de un recuperador de componentes corrientes

2. INTRODUCCIÓN Recuperador de componentes en corrientes HYSYS dispone de un recuperador de componentes o “Splitter” cuya simulación representa la separación de una corriente en dos corrientes que requieren de la especificación de las fracciones de recuperación de cada componente en una de ellas, además de otros cuatro parámetros. Un esquema de esta unidad de recuperación se muestra en la Figura 21.1.

Figura 21.1. Recuperador de componentes o “Splitter” Siendo F’s los flujos de las corrientes, z, y e x las fracciones molares de los componentes en cada una de las corrientes y Q el calor requerido Un balance de materia de componente “i” se expresa mediante la ecuación

Fz i  F1 yi  F2 xi

(21.1)

Para C componentes, i = 1,…, C y, por lo tanto, se plantean C ecuaciones de balance de materia de componentes 163

Un balance de energía se expresa mediante la ecuación

FhF  Q  F1h1  F2 h2

(21.2)

El análisis de variables de diseño en un fraccionador de corrientes es el siguiente:

Variables

Cantidad

Corrientes de salida Flujo calórico

2(C +2) 1

Total Variables

2C + 5

Ecuaciones

Cantidad

Balances de materia Balances de energía

C 1

Total Ecuaciones

C+1

Total de variables de diseño

C+4

Las variables que usualmente se fijan son: C fracciones de recuperación de componentes en una corriente (por ejemplo, F1) y cuatro parámetros adicionales como las presiones o las temperaturas o las fracciones de vapor, Vf, de las corrientes de salida.

3. SIMULACIÓN DE UN RECUPERADOR DE COMPONENTES 1. Abra un nuevo caso, y defina el siguiente paquete fluido Ecuación: Componentes: Sistema de unidades:

Peng Robinson Etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano, n-pentano y n-hexano Field

2. Instale una corriente con las siguientes especificaciones: Nombre: Temperatura: Presión:

Uno 200 °F 500 psia

164

Flujo molar: 1000 lbmol/h Composición (Fracción Molar) Etano Propano i-Butano n-Butano

0.2 0.6 0.1 0.1

3. Instale otra corriente con las siguientes especificaciones: Nombre: Dos Temperatura: 200 °F Presión: 500 psia Flujo molar: 800 lbmol/h Composición (Fracción Molar) n-Butano i-Pentano n-Pentano n-Hexano

0.8 0.1 0.05 0.05

4. Instale un mezclador de corrientes (Mixer) y en la página “Connections” de la pestaña “Design” de su ventana de propiedades introduzca los siguiente: Nombre: Entradas: Salida:

M-100 Uno, Dos Alimento

5. Haga clic en la página “Parameters” y observe que HYSYS, por defecto, sugiere que asigne a la corriente de salida la menor presión entre las de las corrientes de entrada 6. Instale un “Splitter” con el nombre de “X-100” y conéctelo como muestra la Figura 21.2

Figura 21.2. Conexiones de un “Splitter” 165

7. Haga clic en la página “Parameters” y especifique las fracciones de vapor y las presiones en las corrientes de producto como se observan en la Figura 21.3. 8. Haga clic en la página “Splits” para especificar las fracciones de recuperación cada uno de los componentes en la corriente “Pro 1”. Observe en la Figura 21.4 que HYSYS calcula las fracciones correspondientes a la corriente “Pro 2”

Figura 21.3. Especificaciones de presiones y fracciones de vapor en el “Splitter”

Figura 21.4. Fracciones de recuperación de cada uno de los componentes 9. Haga clic en la pestaña “Worksheet” y observe las condiciones y las composiciones de las corrientes productos del fraccionador. Observe las Figuras 21.5 y 21.6

166

10. Instale un divisor de corrientes (Tee) y en la página “Connections” de la pestaña “Design” de su ventana de propiedades introduzca los siguiente: Nombre: Entrada: Salida:

D-100 Pro 2 Tres, Cuatro

Figura 21.5. Condiciones de las corrientes del “Splitter”

Figura 21.6. Concentraciones de las corrientes del “Splitter” 11. Haga clic en la página “Parameters” y especifique con un valor de 0.5, la fracción de la corriente de entrada que saldrá como la corriente “Tres”.

167

12. Observe las especificaciones de las corrientes en el divisor

El diagrama de bloques final del proceso descrito anteriormente se observa en la Figura 21.7.

Figura 21.7. Diagrama de flujo del proceso de recuperación de componentes

168

22. COLUMNA DESPOJADORA DE AGUA ÁCIDA 1. OBJETIVOS 1.1. Simular, en estado estacionario, una columna de destilación rigurosa 1.2. Especificar una columna de destilación rigurosa para completar sus grados de libertad 1.3. Analizar relaciones entre variables del proceso mediante la opción Databook del HYSYS

2. INTRODUCCIÓN Una columna de destilación requiere, además de su alimentación, de la instalación de un rehervidor y un condensador. En el rehervidor se suministre el calor requerido para producir el vapor que sube a lo largo de la columna y en el condensador se extrae el calor necesario para que el vapor que emerge por el tope sea condensado. HYSYS dispone de tres columnas de destilación rigurosa con rehervidor parcial que se diferencian en el tipo de condensador. En una columna de destilación con condensador total, el vapor de tope se transforma completamente en líquido en su punto de burbuja y este, a su vez, se divide en dos fracciones de reflujo y destilado parte de este es recirculado a la columna y la otra parte es recogida como el destilado. En una columna de destilación con condensador parcial, el vapor de tope se condensa parcialmente en dos fases líquido-vapor en equilibrio. La fracción condensada, a su vez es dividida en reflujo y destilado. Si el condensador es parcial con reflujo total todo el condensado es recirculado a la columna Para C componentes y N etapas de equilibrio, un análisis de variables de diseño para cualquiera de estos tres tipos de columnas da un total de grados de libertad, G, de

Nie  C  2 N  11

(22.1)

Si se especifica completamente la corriente de alimentación, los grados de libertad disminuyen en C + 2 y, por lo tanto, son de

Nie  2 N  9

(22.2)

HYSYS asigna o sugiere, en la simulación de columnas de destilación, 2N variables como, por ejemplo, las presiones y las temperaturas en cada una de las etapas y, por lo tanto, los grados de libertad se reduce a nueve. Las especificaciones que, usualmente, se emplean o que se requieren en una simulación en HYSYS son la condición de un reflujo total de

169

condensado o “Full Reflux”, el número de etapas, el número de la etapa de alimentación, la presión y la caída de presión en el condensador y en el rehervidor y dos adicionales asignadas por el diseñador.

3. PROCESO ESTUDIADO Una corriente de agua que contiene ácido sulfhídrico y amoníaco se precalienta mediante el calor transferido por una corriente que proviene de los fondos de una columna de destilación. La corriente de agua ácida caliente se destila a unas condiciones tales que el producto de fondo es agua del 99.99 % mol pura y es recogida como el producto del tratamiento después de su utilización como fluido caliente en el pre-calentador. El vapor que emerge de la columna de destilación es una mezcla de vapor de agua concentrado en los otros dos componentes que deberá determinarse si se sigue tratando o se aprovecha, pero en esta simulación se deja como el otro efluente del proceso. El diagrama de flujo descrito y observado en la Figura 22.1 es un ejemplo de la integración energética posible en un proceso, que permita la minimización de servicios energéticos externos y, por lo tanto, de los costos operativos aprovechando el contenido calórico de los fondos de la columna de destilación.

Figura 22.1. Diagrama de flujo de la columna despojadora

4. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Unidades:

Sour Peng-Robinson H2S, NH3 y agua. Field

5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Instale una corriente con el nombre “Alimento” y las siguientes especificaciones: 170

Temperatura Presión Flujo volumétrico líquido

100°F 40 psia 50000 barrel/day

Composición (Fracción Másica):

H2S NH3 H2O

0.0070 0.0050 0.9880

2. Instale un intercambiador de carcasa y tubo con el nombre “E-100” y las siguientes especificaciones Pestaña Design

Página Connections

Tube Side Inlet Tube Side Outlet Shell Side Inlet Shell Side Outlet

Alimento Entradacolumna Fondos Producto

Pestaña Design

Página Parameters

Tube Side Pressure Drop Shell Side Pressure Drop Model

10 psi 10 psi Weighted (Ponderado)

3. Haga doble clic sobre la corriente “EntradaColumna” para desplegar su ventana de propiedades y especifíquela con una temperatura de 200 °F. ¿Cuántos grados de libertad se requieren agregar para especificar completamente el intercambiador?. Observe la página “Specs” de la pestaña “Design” 4. Antes de instalar la columna de destilación, seleccione la opción “Preferentes” en el menú “Tools”. En la página “Options” de la pestaña “Simulation” asegúrese de que esté verificada la opción “Use Input Experts”, es decir, el asistente para introducir las especificaciones de una columna de destilación. 5. Instale una columna de destilación rigurosa haciendo doble clic sobre el icono “Distillation Column” que se encuentra en la paleta de objetos. Esta columna tendrá tanto un rehervidor en el fondo como un condensador en el tope. 6. La configuración de la columna, introducida a través del asistente, es la siguiente: 6.1 Conexiones (Página 1 de 4) a. b. c. d.

Name No. of Stages Inlet Streams Inlet Stage

T-100 8 EntradaColumna 3 171

e. f. g. h. i.

Condenser Ovhd Vapor Outlets Bottoms Liquid Outlet Reboiler Energy Stream Condenser Energy Stream

Full Reflux Vapor Fondos Qr Qc

6.2 Perfil de Presiones (Página 2 de 4) 1. Condenser Pressure 2. Reboiler Pressure

28.7 psia 32.7 psia

6.3 Página 4 Presione el botón “Done” para desplegar la ventana de propiedades de la columna T-100 y su banda roja indica que no se ha especificado completamente y, por lo tanto, la simulación no ha convergido. Observe la Figura 22.2.

Figura 22.2. Especificaciones de una columna de destilación ¿Cuántos grados de libertad se requieren agregar para especificar completamente la columna de destilación?. Observe la página “Specs” de la pestaña “Design” 6.4 Especificaciones adicionales: En la página “Specs” de la pestaña “Design”, presione el botón “Add” para añadir otras especificaciones con las cuales completar los grados de libertad faltantes y hacer que la simulación converja. En la ventana desplegada para la adición de especificaciones titulada “Add Specs” seleccione la opción “Column Component Fraction” para especificar una concentración de amoniaco en el

172

fondo líquido. Presione el botón “Add Spec(s)” y llene la ventana como se observa en la Figura 22.3.

Figura 22.3. Especificación de la concentración de amoníaco en el rehervidor

Cierre la ventana y repita el procedimiento anterior para agregar una especificación para la relación de reflujo. Si la opción “Reflux Ratio” se encuentra disponible en el cuadro “Column Specifications” de la página “Specs” selecciónela y presione el botón “View” y llene la ventana desplegada como se observa en la Figura 22.4.

Figura 22.4. Especificación de la relación de reflujo en el condensador

173

6.5 Parámetros y activación de las especificaciones añadidas: En la pestaña “Parameters” de la ventana de propiedades de la columna seleccione la página Solver e introduzca un valor de 0.4 para el factor de amortiguamiento o “Fixed Damping Factor” con el objeto de acelerar la convergencia de la columna y reducir los efectos de algunas oscilaciones en los cálculos (el valor por defecto es 1.0). Regrese a la pestaña “Design” y seleccione la página “Monitor”. En la columna encabezada como “Active” del cuadro “Specifications” desactive la especificación “Ovhd Vap Rate” y active las especificaciones “Comp Fraction” y “Reflux Ratio” verificando los cuadros respectivos. Con esto, se completan los grados de libertad y la columna debe converger muy rápidamente, como se observa en la banda verde de la Figura 22.5

Figura 22.5. Página Monitor de la columna de destilación

6.6 Libro de trabajo del proceso Despliegue el libro de trabajo, Figura 22.6, del proceso haciendo clic sobre el icono de nombre “Workbook” que se encuentra en la barra estándar. Observe las condiciones y las composiciones de las corrientes, y note que el producto es agua pura y la integración energética

6.7 Estimativos, dimensionamiento y desempeño de la columna i.

Haga clic en la pestaña “Parameters” de la ventana de propiedades de la columna y observe en la ventana desplegada sus perfiles de temperatura,

174

presión y flujos; los estimativos de las composiciones y las eficiencias asumidas en cada plato. ii.

Haga clic sobre la pestaña “Rating” de la ventana de propiedades de la columna y observe en la ventana desplegada el dimensionamiento de los platos, de los equipos de transferencia de calor y un perfil de las caídas de presión plato a plato

iii.

Haga clic sobre la pestaña “Performance” de la ventana de propiedades de la columna y observe en la ventana desplegada detalles sobre su desempeño y note el perfil, tanto gráfico como numérico, de algunas propiedades plato a plato

Figura 22.6. Libro de trabajo

Estudio de casos: Herramienta DATABOOK (Case Study) La simulación puede correrse para un intervalo de temperaturas para la corriente “Alimento” (entre 90°F y 110°F en incrementos de 5°F) cambiando la temperatura especificada para la corriente “Alimento” en la hoja de trabajo. Se pueden automatizar estos cambios utilizando la herramienta “Case Study” en la opción “Databook” del menú “Tools” e introduciendo las variables mostradas en la pestaña “Variables” Case Object

Variables

Variable Description

Qc Qr Alimento

Heat Flow Heat Flow Temperature

Cooling Water Steam Temperature

175

T-100 Main TS Main TS Main TS Main TS

Stage Liq Net Mass Flow (2_Main TS) Stage Liq Net Mass Flow (7_Main TS) Stage Vap Net Mass Flow (2_Main TS) Stage Vap Net Mass Flow (7_Main TS)

Liq MF Tray 2 Liq MF Tray 7 Vap MF Tray 2 Vap MF Tray 7

Haga clic sobre la pestaña “Case Studies”, presione el botón “Add” que está en el grupo “Available Case Studies” para crear el caso de estudio 1 (Case Study 1), verifique la temperatura de “Alimento” como la variable independiente y las restantes variables como dependientes. Para automatizar el estudio despliegue la pestaña “Case Studies” y presione el botón “View” y en la página “Independent Variables Setup” introduzca los valores 90°F (Low Bound), 110°F (High Bound) y 5°F (Step Size) para la variable independiente. Para empezar el estudio, presione el botón “Start”. Presione el botón “Results” para observar los resultados de las variables. Si los resultados aparecen en forma gráfica, se debe seleccionar el radio botón “Table” en la ventana de “Case Studies” para observar los resultados tabulados en forma numérica

176

23. COLUMNA DE DESTILACIÓN DESBUTANIZADORA 1. OBJETIVOS 1.1. Determinar los grados de libertad requeridos para especificar una columna de destilación con dos alimentos 1.2. Simular, en estado estacionario, una columna de destilación desbutanizadora de una mezcla de hidrocarburos 1.3. Determinar las especificaciones que maximicen las ganancias en la operación de la columna

2. INTRODUCCIÓN En este ejemplo se simulará una columna de destilación con condensador parcial, que se carga con dos alimentos y que se propone desbutanizar una mezcla de hidrocarburos alifáticos. Para C componentes y N etapas de equilibrio, el número de grados de libertad en este tipo de columna es de

N ie  2C  2 N  14

(23.1)

Si se especifican las dos corrientes de alimentación, el número de especificaciones requeridas para el diseño de la columna es de

N ie  2 N  10

(23.2)

HYSYS asigna o sugiere, en la simulación de este tipo de columnas, 2N variables y, por lo tanto, los grados de libertad se reducen a diez. El asistente de HYSYS requiere de las especificaciones del número de etapas de equilibrio, el número de las dos etapas de alimentación, las dos presiones y las dos caídas de presión en condensador y rehervidor. Introducidas las anteriores especificaciones, es necesario agregar las tres faltantes a elección del usuario o diseñador. Se utilizará el Optimizador de HYSYS para determinar las especificaciones que maximicen una función objetivo planteado para estimar las ganancias en la operación de la columna, teniendo en cuenta los ingresos por la venta del producto y los costos de los servicios. Las variables y las ecuaciones incluidas en este estimativo se importan o construyen en la hoja de cálculo o “Spreadsheet” disponible en HYSYS la cual tiene un manejo como cualquier hoja de cálculo.

177

3. PROCESO ESTUDIADO La Figura 23.1 muestra el diagrama de flujo final de la simulación de la columna de destilación desbutanizadora, observándose adicionalmente, la hoja de cálculo utilizada para los cálculos de optimización de las ganancias en la operación. La columna tiene 15 platos y se carga con dos alimentos.

Figura 23.1. Columna desbutanizadora de una mezcla de hidrocarburos alifáticos

Las especificaciones de los alimentos se observan en la Figura 23.2 y muestran un contenido de hidrocarburos alifáticos.

Figura 23.2. Especificaciones de los alimentos a la columna desbutanizadora

178

La corriente “AlimentoUno” se carga por el plato 8 y la corriente “AlimentoDos se carga por el plato 4. La presión en el tope de la columna es de 205 psia y en el fondo es de 215 psia. El condensador es parcial y especifíquelo sin caída de presión. El contenido de pentanos en fase líquida en el condensador debe ser de una fracción molar de 0.05 y la recuperación de butanos en la corriente líquida de tope debe ser del 95 %

4. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Reacciones:

Peng Robinson Propano, i-Butano, n-Butano, i-Buteno, i-Pentano, n-Pentano, n-Hexano, n-Heptano, n-Octano No hay

5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Introduzca una columna de destilación dentro del PFD y complete sus especificaciones como aparece a continuación: Connections No. of Stages Feed Streams (Stage)

15 AlimentoDos (4) AlimentoUno (8) Parcial Venteo Butanos Fondos Qr Qc

Condenser Type Ovhd Vapour Ovhd Liquid Bottoms Liquid Reboiler Duty Condenser Duty Pressure Condenser Pressure Cond Delta Reboiler Pressure

205 psi 0 psi 215 psi

Sobre la página “Specs” de la pestaña “Design”, introduzca las siguientes especificaciones Ovhd Vap Rate:

0

C5’s in Top:

0.05 Fracción mol de i-C5 y n-C5 en el líquido del condensador 179

Butane Recovery:

0.95 Recuperación de i-C4, n-C4 e i-C4= en la corriente de productos Butanes

Antes de correr la columna, abra la página “Solver” sobre la pestaña “Parameters” y cambie el “Heat/Spec Error Tolerante” al valor 0.0001 (en reemplazo del valor por defecto 0.0005) Haga correr la columna y una vez se obtenga su solución, examine la página “Summary” sobre la pestaña “Performance” para observar la Razón de Reflujo y las cargas calóricas en el Rehervidor y Condensador. Regrese a la página “Specs” y aproxime las purezas haciendo los siguientes cambios: 1. Cambie el C5’s in Top a 0.0075 2. Cambie la Recuperación de Butane a 0.99

La razón de reflujo para estas nuevas especificaciones es ahora aproximadamente 49. En vez de proceder por ensayo y error para determinar las especificaciones de operación más rentables, se utilizará el Optimizador. Antes de instalar el Optimizador cambie los valores de las especificaciones a los valores originales, es decir: 1. C5’s in Top = 0.05 2. Butane Recovery = 0.95

Función objetivo La función objetivo calcula la ganancia en la operación de la columna en base a los costos de los servicios y el precio de venta del producto Butanos. La ecuación para la función objetivo es:

G  CB FB  Cc Qc  Cr Qr

(23.1)

Siendo G, las ganancias, Qc y Qr, las cargas calóricas en condensador y rehervidor, FB, el flujo de butano y CB, Cc y Cr, el precio de venta unitario de la corriente de Butanos y los costos unitarios de enfriamiento y calentamiento, respectivamente. Para este ejemplo, los costos en dólares son: 1. Costo de enfriamiento, Cc

$0.0015 / Btu (Celda B2)

180

2. Costo de calentamiento, Cr 3. Precio de venta de Butanos, CB

$0.00075 / Btu (Celda B6) $10 / lb (Celda D2)

Para el cálculo de los ingresos netos por las ventas de Butanos, se incluye un descuento en el precio de venta que tiene en cuenta la concentración de pentanos en el tope. El precio de venta neto de butanos se calcula con la siguiente ecuación

Pr ecio de venta neto de Butanos  1 - x  C B 5

(23.2)

Siendo x, el contenido de pentanos en el tope

Instalación del Optimizador 1. Presione la tecla clave para abrir el optimizador y sobre la pestaña “Variables” haga clic sobre el botón “Add” para introducir las variables implicadas en el estudio 2. Seleccione los valores especificados como se muestra en la Figura 3. Con ellas el optimizador tiene dos variables primarias que manipulará para maximizar la función objetivo

Figura 23.3. Especificación de las variables en la ventana del optimizador Presione el botón “SpreadSheet...” en la ventana del Optimizador para desplegar su hoja de cálculo. Sobre la pestaña “Connections” presione el botón “Add Import...” para introducir las variables de proceso necesarias en las celdas asignadas en la hoja de cálculo como se muestra en la Figura 23.4. 181

Figura 23.4. Importación de variables a la hoja de cálculo del optimizador

Introduzca las fórmulas que aparecen en la Figura 23.5, en la hoja de cálculo del optimizador, de acuerdo a la asignación de celdas observadas en la columna “Cell” de la pestaña “Formulas” de dicha hoja de cálculo

Figura 23.5. Fórmulas para calculas los costos, los ingresos y las ganancias

La fórmula introducida en la celda D3 es un descuento aplicado al precio de venta del producto Butanos que tiene en cuenta la pureza de éste. En este caso, el valor para B3 tiene unidades incorrectas porque no son unidades asociadas con costo sino con Btu/h porque el valor introducido en la celda B2 no tiene unidades. Para

182

solventar este impase se cambiarán las unidades de B3 de tal manera que sea adimensional. Para ello, se selecciona la celda B3 y a continuación sobre el cuadro “Variable Type” se selecciona la opción “Unitless”. De igual manera se procede con las celdas B7, B9 y D7. La Figura 23.6 muestra la hoja de cálculo con los datos y las fórmulas introducidas.

Figura 23.6. Hoja de cálculo de costos, ingresos y ganancias Haga clic sobre el menú “Simulation” y seleccione la opción “Optimizar” para desplegar su correspondiente ventana. Haga clic sobre la pestaña “Functions” donde la Función Objetivo y algunas restricciones definidas en la hoja de cálculo son introducidas. En este caso, la función objetivo es “Operating Profit” o celda D9 para que sea maximizada. La Figura 7 muestra la ventana del optimizador

Figura 23.7. Ventana del optimizador para especificar la función a maximizar 183

La pestaña “Parameters” de la ventana del Optimizador se dejará en sus valores por defecto. Abra la ventana “Monitor” donde se registrarán las iteraciones calculadas por el optimizador. Presione el botón “Start” para que el Optimizador comience sus cálculos. Los cálculos son sensibles a los valores iniciales de cálculo, por lo tanto es mejor correr el optimizador varias veces para asegurarse que se ha llegado al valor óptimo y uno a un máximo local. Presione la pestaña Monitor y observe la hoja de cálculo final después de las corridas.

184

24. SEPARACIÓN DE UNA MEZCLA PROPILENO-PROPANO 1. OBJETIVOS 1.1. Simular, en estado estacionario, una columna de destilación de una mezcla propileno propano construida mediante el botón “Custom Column” de HYSYS 1.2. Determinar algunas variables manipulables para lograr mayores concentraciones de los productos de la destilación

2. INTRODUCCIÓN Un separador propileno-propano es una columna fácil de simular. Sin embargo, un factor crítico al producirlos es la predicción de las volatilidades relativas de los dos componentes claves. Se dará una consideración especial a estos componentes, al desarrollar los coeficientes de interacción binarios para la ecuación de Soave Redlich Kwong (SRK) para asegurar que este método modela correctamente este sistema. Estos separadores tienen varias etapas y se construyen, a menudo, como dos columnas separadas.

3. PROCESO ESTUDIADO Esta simulación consta de dos columnas, una de agotamiento y otra de rectificación. La columna de agotamiento se opera como un absorbedor con rehervidor, contiene 94 etapas teóricas y se carga con dos corrientes, una es la corriente “Alimentación” que contiene 40 % molar de propano y 60 % molar de propeno, en fase vapor a 300 psia y un flujo de 1322.76 lbmol/h, y la otra corriente es la que emerge como fondos de la columna rectificadora. La columna rectificadora es un absorbedor con reflujo que contiene 89 etapas teóricas.. El propano es recuperado de los fondos de la columna de agotamiento (95 %) y el propileno es el producto de cabeza de la columna rectificadora (99 %)

4. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Reacciones: Sistema de unidades:

Soave Redlich Kwong (SRK) Propano y Propeno o Propileno No hay Field

5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Instale una corriente de materia con el nombre de “Alimento” y especifíquela con una fracción de vaporde 1.0, 300 psia, 1322.76 lbmol/h, 40 % mol de propano y 60 % mol de propileno.

185

Instalación de las columnas El siguiente paso es instalar la columna. Presione el botón “Custom Column” que se encuentra en la paleta de objetos para desplegar la ventana que se observa en la Figura 24.1. Se utilizará la opción “Custom Column” para construir ambas columnas en un solo ambiente

Figura 24.1. Opción para configurar el diagrama de flujo de una columna Presione el botón “Start with a Blank Flowsheet”. Se colocará en la ventana “Column Runner” en el ambiente principal. Haga clic sobre la pestaña “Flowsheet” y abra la página “Setup”. Introduzca la corriente Alimento como una corriente de alimentación externa, haciendo que esta corriente sea accesible al ambiente templado. Observe la Figura 24.2

Figura 24.2. Corrientes externas alimentadas a la columna

Para este ejemplo, se necesitará un condensador, un rehervidor y dos secciones de platos. Una sección de platos y un condensador se usarán como un absorbedor con reflujo o Columna Rectificadora; un rehervidor y otra sección de platos se usarán para el absorbedor con rehervidor o Columna de Agotamiento. El producto de cabeza de la Columna de 186

Agotamiento servirá como alimento a la Columna Rectificadora y el producto de fondo de la Columna Rectificadora suministra un segundo alimento a la Columna de Agotamiento que entra en la etapa 1.

COLUMNA DE AGOTAMIENTO Haga clic sobre el botón “Column Environment…” para instalar primero la Columna de Agotamiento como un absorbedor con rehervidor. Esta columna tiene 94 etapas ideales y un rehervidor que se instalan seleccionándolos de la paleta de objetos de la columna que se observa en la ventana desplegada

Instalación de la Sección de platos Para esta columna una nueva sección de platos se instalará. Seleccione el botón “Tray Section” en la paleta de objetos. Despliegue la ventana de propiedades del botón Tray Section e introduzca la siguiente información en las páginas “Connections y Pressures” de la pestaña “Design” Pestaña Design

Página Parameters

Number of Theoretical Trays

94

Pestaña Design

Página Connections

Liquid Inlet Vapour Inlet Vapour Outlet Liquid Outlet

LiquidoRectificadora ReflujoAgotamiento VaporAgotamiento LiquidoAgotamiento

Optional Feeds Stream Tray Number

Alimento 47

Pestaña Design

Página Pressures

Tray 1 Tray 94

290 psia 300 psia

Instalación del rehervidor El rehervidor del absorbedor debe instalarse con la Columna Agotamiento. Seleccione el botón “Reboiler” e introduzca las siguientes especificaciones sobre la página “Connections” de la ventana de propiedades del rehervidor.

187

Pestaña Design

Página Connections

Boilup Inlets Bottoms Outlet Energy

ReflujoAgotamiento LiquidoAgotamiento Propano QrAgotamiento

COLUMNA RECTIFICADORA Esta columna tiene 89 etapas ideales y un condensador parcial

Instalación de la Sección de platos Nuevamente, seleccione el botón Tray Section en la paleta de objetos, despliegue su ventana de propiedades e introduzca los siguientes parámetros Pestaña Design

Página Connections

Liquid Inlet Vapour Inlet Vapour Outlet Liquid Outlet

ReflujoRectificadora VaporAgotamiento VaporRectificadora LiquidoRectificadora

Pestaña Design

Página Parameters

Number of Theoretical Trays

89

Pestaña Design

Página Pressures

Tray 1, psia Tray 89, psia

280 290

Instalación del Condensador Total Se requiere un condensador total para la columna. Seleccione el botón “Total Condenser” en la paleta de objetos e introduzca los siguientes parámetros Pestaña Design

Página Connections

Inlets Distillate Reflux Energy

VaporRectificadora Propileno ReflujoRectificadora QcRectificadora

188

Especificaciones adicionales Se requieren dos especificaciones adicionales para la columna, T-100. Haga clic sobre el icono de forma de flecha vertical verde de nombre “Enter Parent Simulation Environment” que se encuentra sobre la barra estándar para entrar al ambiente de simulación de la columna padre o T-100:

1. El flujo de la corriente propileno en la columna Rectificadora es de 774.14 lbmole/h 2. La razón de reflujo en el tope de la columna Rectificadora es 16.4

Observe la Figura 24.3 donde se observan las ventanas donde se introdujeron las anteriores dos especificaciones

Figura 24.3. Especificaciones para la columna T-100 A continuación haga clic sobre el botón “Run” de la ventana de propiedades de la columna T-100 para completar la simulación satisfactoriamente. Haga clic sobre la pestaña “Design” y en la página “Connections” y asigne los nombres de las corrientes de productos y de energía de la columna T-100 como se observan en la Figura 24.4. La configuración de la columna T-100 construida mediante la opción “Custom Column” se observa en la Figura 24.5. Despliegue el libro de trabajo y observe las especificaciones de las corrientes de productos y los requerimientos energéticos en el condensador y rehervidor de la columna T-100

189

Figura 24.4. Columna de separación de una mezcla de Propano - Propileno

Figura 24.5. Configuración interna de la columna T-100

190

25. COLUMNA DE DESTILACIÓN – MÉTODO CORTO 1. OBJETIVOS 1.1. Especificar una columna de destilación simulada con el método corto 1.2. Estimar un tamaño y desempeño simplificado de una columna de destilación mediante el procedimiento de Fenske-Underwood-Gililand

2. INTRODUCCIÓN Uno de los procedimientos mas usualmente utilizados para obtener estimativos simplificados de número de etapas teóricas requeridas en una separación por destilación es el propuesto por Fenske, Underwood y Gililand. Correlación de Gililand Gililand (1950) desarrolló una correlación empírica para estimar el número de etapas teóricas requeridas en una destilación, en función del número mínimo de etapas a reflujo total, Nm, la relación de reflujo mínimo, Rm, y la relación de reflujo de operación, R. Posteriormente, H. E. Eduljee, desarrolló una ecuación ajustada a la correlación gráfica de Gililand que fue publicada en la revista “Hydrocarbon Processing” de Septiembre de 1975 y que tiene la siguiente forma:   R  Rm  0.5688 N  Nm  0.751     N 1   R  1  

(25.1)

Ecuación de Fenske para calcular el número mínimo de platos Para sistemas de volatilidad relativa constante, , Fenske demostró una ecuación para el número mínimo de etapas a reflujo total en una columna de destilación. Para una mezcla multicomponente, la ecuación de Fenske se expresa en términos de las concentraciones en el destilado, D, y en los fondos, W, de los componentes escogidos como clave liviano, LK y clave pesado, HK, y, además, de la volatilidad relativa del componente clave liviano con respecto a la del clave pesado. La ecuación de Fenske es







Nm

 X D , LK  X W , HK  ln    X D , HK  X W , LK  ln  LK / HK

    







191

Escogiendo los componentes claves, especificando sus concentraciones o fracciones de recuperación en el destilado y eligiendo una presión en el tope de la columna para el cálculo de la volatilidad relativa del componente clave liviano con respecto al clave pesado se puede calcular el número mínimo de etapas con la ecuación (25.2). Conocido éste se pueden calcular las concentraciones o recuperaciones para los otros componentes con sus respectivas volatilidades con respecto al clave pesado con la misma ecuación Ecuaciones de Underwood para calcular la relación de reflujo mínimo Para mezclas multicomponentes con volatilidad relativa constante, la relación de reflujo mínimo en una columna de destilación puede calcularse mediante dos ecuaciones demostradas por Underwood Para el caso de separaciones puntuales, la primera ecuación (25.3) se utiliza para calcular la variable y se toma como solución el valor que se encuentre entre las volatilidades relativas del componente clave liviano y el componente clave pesado

 i X i,F  1 q i 1 i  n



(25.3)

Siendo n, el número de componentes en la mezcla y q, es la condición o calidad del alimento La segunda ecuación de Underwood (25.4) utiliza el valor de , calculado con la ecuación (3) para estimar la relación de reflujo mínimo.

 i X i ,D  1  Rm i 1 i  n



(25.4)

Una solución exacta de este par de ecuaciones requiere de un procedimiento de ensayo y error Relación de reflujo de operación Hay una relación de reflujo óptimo para una separación deseada, porque cuando es mayor que la mínima disminuye el número de etapas requeridas y, por lo tanto, el costo de la columna pero se aumenta el flujo de la fase vapor a través de la columna, lo que aumenta los costos del condensador, rehervidor, agua de enfriamiento y vapor de calentador La experiencia ha demostrado que el valor óptimo de la relación de reflujo se encuentra en un intervalo dado por

192

1.03  R / Rm  1.3

(25.5)

Una regla de diseño sugiere que se asigne, para una separación deseada, una relación de reflujo de 1.2 veces la mínima El análisis de una columna de destilación mediante la Correlación de Fenske – Underwood y Gililand agrega las relaciones de restricción correspondientes a cada una de las ecuaciones del método, es decir, cuatro en total. Al deducir estas ecuaciones del número de variables de diseño, el nuevo total es Niu  C  2 N  11  4 . El diseñador podría utilizar estos (C + 2N + 7) grados de libertad de la siguiente manera, Especificaciones

N iu

Presión en cada etapa de equilibrio Flujo calórico en cada etapa de equilibrio Corriente de alimentación Concentración de componente clave pesado en destilado Concentración de componente clave liviano en producto de fondo Presión en el condensador Presión en el rehervidor Razón de reflujo

N N C+2 1 1 1 1

Total

1

3. DESEMPEÑO SIMPLIFICADO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN HYSYS dispone de una columna de destilación simple con reflujo denominada “Short Cut Distillation” que es calculada con el procedimiento corto de Fenske-Underwood-Gililand. Con la ecuación de Fenske se calcula el número mínimo de platos para una separación deseada expresada en términos de las fracciones de recuperación de los componentes claves y de las presiones en el tope y en fondo de la columna y con la ecuación de Underwood se calcula el reflujo mínimo conociendo la especificación completa del alimento. Especificando una razón de reflujo para la operación de la columna se calculan los flujos de vapor y líquido en las secciones de rectificación y agotamiento, las cargas calóricas en condensador y rehervidor, el número de platos ideales y la localización óptima del plato de alimentación. “Short Cut Distillation” es solamente un estimativo del comportamiento de la columna y está restringida a columnas simples con reflujo. Para resultados más reales debe usarse la operación “Distillation Column” rigurosa. Esta operación puede suministrar estimativos iniciales para la mayoría de las columnas simples.

193

Simulación de una columna depropanizadora de una mezcla de hidrocarburos 1. Abra un nuevo caso y defina el siguiente paquete fluido a. Ecuación: Peng Robinson b. Componentes: C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5 y n-C6 c. Unidades: Field 2. Instale una corriente con el nombre “Alimento” con las siguientes especificaciones a. Temperatura: 200 °F b. Presión: 100 psia c. Flujo: 1300 lbmole/h d. Composición (Fracción Molar) i. Etano 0.0148 ii. Propano 0.7315 iii. i-Butano 0.0681 iv. n-Butano 0.1462 v. i-Pentano 0.0173 vi. n-Pentano 0.0150 vii. n-Hexano 0.0071 3. Haga clic sobre el icono de nombre “Shortcut Column” que se encuentra en la paleta de objetos y observe que la cruz verde en su parte superior se ha activado. Haga clic sobre ella y se instalará la columna de destilación simplificada y se desplegará su ventana de propiedades 4. En la página “Connections” de su pestaña “Design” conecte las corrientes de entrada y salida y las corrientes de energía como lo indica la Figura 25.1.

Figura 25.1. Corrientes de materia y energía conectadas a la columna 5. Haga clic para desplegar la página “Parameters” seleccione al propano como el componente clave liviano y al i-butano como el componente clave pesado, introduczca

194

las especificaciones requeridas en los grupos “Components” y “Pressures”. Observe, Figura 25.2, que HYSYS inmediatamente calcula la relación de reflujo mínimo mediante la ecuación de Underwood.

Figura 25.2. Estimación de la Relación de Reflujo Mínima 6. Haga clic, sobre la pestaña “Peformance” para que observe, Figura 25.3, que HYSYS ha calculado el número mínimo de etapas, mediante la ecuación de Fenske, y las correspondientes temperaturas de rocío, en el condensador, y de burbuja, en el rehervidor.

Figura 25.3. Número mínimo de etapas y temperaturas de rocío y burbuja 7. Introduzca un valor de 1.5 en el cuadro “External Reflux Ratio” del grupo “Reflux Ratios” de la página “Parameters”. Observe, Figura 25.4, que con esta especificación HYSYS completa los cálculos de algunos parámetros que expresan el desempeño de la columna como el número de etapas y los flujos materiales y calóricos requeridos en la operación de la columna

195

Figura 25.4. Cálculo simplificado de la operación de una columna de destilación 8. Haga clic sobre la pestaña “Worksheet” y observe las especificaciones de las corrientes “Destilado” y “Fondos”. ¿Se cumplen las especificaciones introducidas con respecto a las concentraciones de los componentes claves? El diagrama de flujo final de la columna de destilación es el que se observa en la Figura 25.5.

Figura 25.5. Diagrama de flujo de la columna de destilación

4. CASOS DE ESTUDIO 4.1. Estime las concentraciones de destilado y fondos y compare sus resultados con los reportados por HYSYS 4.2. Utilice la ecuación de Fenske para verificar el cálculo del número de etapas mínimo requerido en la operación de la columna 4.3. Utilice la ecuación de Underwood para verificar la relación de reflujo mínima requerida en la operación de la columna 4.4. Utilice la correlaión de Eduljee para verificar el cálculo del número de etapas reales requeridos en la operación de la columna 196

SECCIÓN VI PROCESOS DE SEPARACIÓN

197

198

26. PLANTA DE GAS NATURAL LICUADO 1. OBJETIVOS 1.1. Determinar los grados de libertad requeridos para especificar una columna de absorción o destilación y una bomba 1.2. Simular columnas de destilación o de absorción 1.3. Simular una planta que transforma dos corrientes de gas natural en varios productos hidrocarbonados enriquecidos en alguno de ellos

2. PROCESO ESTUDIADO En el proceso a simular a continuación se utiliza un tren de tres columnas separadoras que utilizan como materia prima dos corrientes con un cierto contenido de hidrocarburos saturados. En la primera se obtiene un gas natural de alto contenido en metano; en la segunda se obtienen dos productos en forma de vapor y líquido enriquecidos en etano y en la tercera se obtienen dos productos líquidos concentrados, el uno en propano y el otro en los hidrocarburos mas pesados. La primera columna es un absorbedor con rehervidor, la segunda es una columna de destilación con condensador parcial y la tercera es una columna con condensador total. La Figura 26.1 muestra el diagrama de flujo final de la planta descrita

Figura 26.1. Planta de gas natural licuado La primera columna o desmetanizadora es un absorbedor con rehervidor, dos alimentos y una carga calórica. El vapor producido es rico en metano y los fondos son bombeados a una segunda columna. Para C componentes y N etapas de equilibrio, los grados de libertad requeridos para una completa especificación en esta columna son

Nie  2C  2 N  10

(26.1)

199

Si se especifican, completamente, la dos corrientes de alimentación los grados de libertad requeridos para el diseño están dados por

Nie  2 N  6

(26.2)

Por lo tanto, se requieren seis especificaciones si el simulador asigna 2N especificaciones por defecto. La bomba utilizada para impulsar los fondos, requiere de C + 4 especificaciones. Si se conocen las condiciones de la corriente de entrada, queda en definitiva un faltante de dos especificaciones. La segunda columna o desetanizadora y la tercera columna o despropanizadora requieren de nueve especificaciones, de acuerdo a un análisis de grados de libertad. La recuperación de líquidos del gas natural es muy común en el procesamiento de este. Tiene como propósito, usualmente: 1. Producir gas transportable ( libre de hidrocarburos pesados que puedan condensar en la tubería) 2. Producir un gas con especificaciones comerciales 3. Maximizar la recuperación de líquido (cuando los productos líquidos son mas valiosos que el gas)

3. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Abra un nuevo caso y defina el siguiente paquete fluido a. Ecuación: Peng Robinson b. Componentes: N2, CO2, C1 – C8 c. Unidades: Field 2. Instale las siguientes dos corrientes materiales Nombre: Temperatura: Presión: Flujo molar: Composición (Fracción Mol) Nitrógeno: Dióxido de carbono: Metano: Etano: Propano: i-Butano: n-Butano: i-Pentano:

F1 - 139 °F 330 psia 3575 lbmol/h

F2 - 120 °F 332 psia 475 lbmol/h

0.0025 0.0048 0.7041 0.1921 0.0706 0.0112 0.0085 0.0036

0.0057 0.0029 0.7227 0.1176 0.0750 0.0204 0.0197 0.0147

200

n-Pentano: n-Hexano: n-Heptano: n-Octano:

0.0020 0.0003 0.0002 0.0001

0.0102 0.0037 0.0047 0.0027

3. Instale la columna Desmetanizadora con el nombre “T-100” seleccionando el icono de nombre “Reboiled Absorber” que aparece en la paleta de objetos, y por medio del asistente, conecte las corrientes como lo muestra la Figura 26.2. La corriente “Qe” conectada al plato cuatro es una corriente de energía con un flujo calórico de 2.0e +06 Btu/h

Figura 26.2. Corrientes conectadas a la columna desmetanizadora 4. Presione el botón “Next” para abrir la página (2 de 4) siguiente e introduzca la siguiente información Top Stage Pressure Reboiler Pressure

330 psia 335 psia

5. Presione el botón “Next” para abrir la siguiente página (3 de 4) e introducir los siguientes estimativos opcionales de temperatura Optional Top Stage Temperature Estimate Optional Reboiler Temperature Estimate

- 126.4 °F 80.60 °F

6. Presione el botón “Next” para continuar. Para este caso, no se suministra información sobre la última página del asistente y, por lo tanto, presione el botón “Done”. HYSYS abrirá, entonces, la ventana de propiedades de la columna que se observará como lo muestra la Figura 26.3. ¿Cuántas especificaciones se han introducido hasta ahora?

201

Figura 26.3. Ventana de propiedades de la columna desmetanizadora 7. Haga clic sobre la página “Monitor” de la pestaña “Design” y observará por la banda roja, como se muestra en la Figura 26.4, que la columna no ha convergido. En el cuadro “Degrees of Freedom” se nota que hay cero grado de libertad porque la especificación Flujo del Producto de Tope o “Ovhd Prod Rate” se encuentra verificada como activa, pero no se le ha asignado un valor numérico

Figura 26.4. Especificaciones de la columna desmetanizadora 8. En la especificación “Ovhd Prod Rate” introduzca un valor de 2950 lbmol/h, señalándola como especificación activa y desactivando las otras, si lo están

202

9. Presione el botón “Run”, si es necesario, para que la simulación alcance su convergencia como se observa en la banda verde. Observe los perfiles de temperatura, presión y flujos a través de la columna. ¿Cuánto es la fracción mol del metano en la corriente “V”? Aunque la columna convergió, no es práctico especificar flujos porque pueden resultar columnas que no pueden converger o que producen corrientes de productos con propiedades indeseables si cambian las condiciones del alimento. Una alternativa es especificar o concentraciones o recuperaciones de componentes para las corrientes de producto de la columna 10. Haga clic sobre la página “Specs” de la pestaña “Design” de la ventana de propiedades de la columna 11. Presione el botón “Add” en el grupo “Column Specifications” para crear una nueva especificación 12. Seleccione la opción “Column Component Fractions” que aparece dentro del grupo “Column Specification Types” en la ventana desplegada y presione el botón “Add Specs” que aparece en la parte inferior 13. Para introducir una especificación de 0.96 como fracción mol en la corriente de vapor que sale de la primera etapa de la columna, llene la ventana desplegada como lo muestra la Figura 26.5.

Figura 26.5. Especificación de la fracción mol de metano en el vapor “V” 14. Elimine la ventana anterior. La página “Specs” muestra un valor de cero para los grados de libertad aunque se ha añadido otra especificación. Esto se debe a que la especificación se añadió como un estimativo y no como una especificación activa

203

15. Abra la página “Monitor” y desactive la especificación “Ovhd Prod Rate” y active la especificación “Component Fraction” creada. La columna debe converger observándose la página “Monitor” como se muestra en la Figura 26.6. ¿Cuánto es el flujo del vapor de tope de la columna desmetanizadora?

. Figura 26.6. Monitor de las especificaciones de la columna desmetanizadora

16. Observe el comportamiento y desempeño de la columna desplegando las ventanas de las pestañas “Parameters”, “Performance” y “Worksheet” 17. Instale una bomba para impulsar los fondos de la columna desmetanizadora como alimento a la columna desetanizadora y especifíquela de la siguiente manera:

a. Pestaña Design Página Connections i. Name. P-100 ii. Inlet F3 iii. Outlet F4 iv. Energy W1 b. Pestaña Worksheet Página Conditions i. Corriente F4 1. Pressure 405 psia 18. Instale la columna desetanizadora, haciendo doble clic sobre el icono “Distillation Column” que se encuentra en la paleta de objetos. Esta columna opera a 2760 kPa, contiene 14 etapas de equilibrio y su objetivo es producir un producto de fondo que

204

contenga etano en una relación de 0.01 con respecto al propano. Introduzca la siguiente información Connections

Página 1 de 4

Name No. of Stages Feed Stream / Stage Condenser Type Overhead Outlets Bottoms Liquid Outlet Reboiler Energy Stream Condenser Energy Stream

T-101 14 F4 / 6 Partial V1, D1 F5 Qr1 Qc1

Pressure Profile

Página 2 de 4

Condenser Pressure Condenser Pressure Drop Reboiler Pressure

395 psia 5 psi 405 psia

Optional Estimates

Página 3 de 4

Optional Condenser Temperature Estimate Optional Reboiler Temperature Estimate

25 °F 200 °F

19. Presione el botón “Done” en la página 4 y haga clic sobre la página “Monitor” de la ventana de propiedades de la columna e introduzca las siguientes especificaciones verificadas como activas.

Overhead Vapour Rate Distillate Rate Reflux Ratio

700 lbmole / hr 0 kgmole / hr 2.5 (Molar)

20. Presione el botón “Run” para correr la columna. ¿Cuánto es el flujo de etano y propano en la corriente de fondos de la columna desetanizadora? ¿Cuánto es la relación de dichos flujos? ¿Se cumple la relación deseada? 21. Abra la página “Specs” y presione el botón “Add” para crear una nueva especificación 22. Seleccione la opción “Column Component Ratio” como el tipo de especificación e introduzca la información que aparece en la Figura 26.7

205

Figura 26.7. Relación entre etano y propano en los fondos de la desetanizadora 23. En la página “Monitor” desactive la especificación “Ovhd Vap Rate” y active la especificación “C2 / C3” creada. La simulación debe converger porque se ha especificado completamente. ¿Cuánto es la concentración de etano y propano en la corriente de fondos de la desetanizadora? ¿Cuánto es la relación entre sus flujos en dicha corriente? ¿Se cumple la relación especificada 24. Observe el desempeño de la columna de destilación 25. Instale una válvula con el objeto de expandir la corriente de fondos de la columna desetanizadora antes de alimentarse a la columna despropanizadora. Especifique la válvula de la siguiente manera.

a. Pestaña Design i. Nombre ii. Entrada iii. Salida

Página Connections VLV-100 F5 F6

b. Pestaña Worksheet i. F6

Página Conditions 245 psia

26. Instale la columna despropanizadora, haciendo doble clic sobre el icono “Distillation Column” que se encuentra en la paleta de objetos. Esta columna opera a 1520 kPa, contiene 24 etapas de equilibrio. Se buscan dos objetivos con esta columna. El primero es producir un producto de cabeza que no contenga mas del 1.5 % molar de i-C4 y n-C4, y el segundo es que la concentración de propano en el producto de fondo debe ser menor que 2 % molar. Introduzca la siguiente información Connections

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Name No. of Stages

T-102 24 206

Feed Stream / Stage Condenser Type Overhd Liquid Outlet Bottoms Liquid Outlet Reboiler Energy Stream Condenser Energy Stream

F6 / 11 Total D2 F5 Qr2 Qc2

Pressure Profile

Página 2 de 4

Condenser Pressure Condenser Pressure Drop Reboiler Pressure

230 psia 5 psi 240 psia

27. Presione el botón “Done” y haga clic sobre la página “Monitor” de la ventana de propiedades de la columna e introduzca las siguientes especificaciones verificadas como activas. Distillate Rate Reflux Ratio

240 kgmole / hr 1.0 (Molar)

28. Presione el botón “Run” para correr la columna. ¿Cuánto es la fracción molar de propano en las corrientes de tope y fondo de la columna despropanizadora? 29. Abra la página “Specs” y presione el botón “Add” para crear dos nuevas especificaciones. 30. Para especificar la composición de los butanos en el tope de la columna, seleccione la opción “Column Component Fraction” como el tipo de especificación e introduzca la información que aparece en la Figura 26.8

Figura 26.8. Fracción molar de butanos en el condensador de la despropanizadora

207

31. Para especificar la concentración de propano en el fondo, seleccione la opción “Column Component Fraction” como el tipo de especificación e introduzca la información que aparece en la Figura 26.9.

Figura 26.9. Concentración de propano en el fondo de la despropanizadora 32. En la página “Monitor” desactive las especificaciones “Distillate Rate” y “Reflux Ratio” y active las especificaciones “i-C4 + n-C3” y “C3” creadas 33. Observe los resultados sobre el comportamiento de la columna después que la simulación haya convergido

208

27. PLANTA DE PRODUCCIÓN DE ETANOL 1. OBJETIVOS 1.1. Determinar los grados de libertad requeridos para una especificación completa de diversas columnas de absorción y destilación 1.2. Aplicar un modelo de actividad para un manejo real del comportamiento de una mezcla 1.3. Simular un tren de columnas de separación para la obtención de etanol a partir de producto de un proceso de fermentación

2. PROCESO ESTUDIADO Típicamente, un proceso de fermentación para la producción de etanol produce, principalmente, etanol mas pequeñas cantidades de otros productos como metanol, 1propanol, 2-propanol, 1-butanol, 3-metil-1-butanol, 2-pentanol, ácido acético y CO2. En este proceso se toma esta mezcla y se somete a una separación de fases isotérmica para, inicialmente, separar el bióxido de carbono del alcohol.

Columna de absorción simple (Lavadora) La corriente en fase vapor, y con un gran contenido de bióxido de carbono, arrastra algo de etanol y, por tal razón, es lavada con agua en una columna de absorción simple donde se recupera algo de etanol, que es recirculado nuevamente al fermentador y el vapor rico en bióxido de carbono se ventea. Una columna de absorción simple con N etapas de equilibrio y C componentes requiere de la especificación de un número de grados de libertad dado por

G  2C  2 N  7

(27.1)

Si se especifican las dos corrientes de entrada y se admiten las 2N especificaciones sugeridas por el simulador, el número de especificaciones requeridas para una simulación completa de este tipo de columna es de tres

Columna de absorción con producto lateral (Concentradora) La corriente en fase líquida que emerge del separador de fases contiene el etanol que se quiere recuperar mediante un tren de columnas de separación. Inicialmente, dicha corriente es alimentada a una columna de absorción con una corriente de producto lateral en la cual los dos productos superiores son concentrados en alcohol y el producto de fondo es

209

esencialmente agua. Una columna de absorción de este tipo con N etapas de equilibrio y C componentes requiere de la especificación de un número de grados de libertad dado por G  2C  2 N  9

(27.2)

Si se especifican las dos corrientes de entrada y se admiten las 2N especificaciones sugeridas por el simulador, el número de especificaciones requeridas para una simulación completa es de cinco

Columna de absorción con reflujo y condensador parcial (Purificadora) El producto en forma de vapor y mas concentrado en etanol que se obtiene en la columna anterior es alimentado a una columna de absorción con reflujo con el objeto de purificarlo separándolo de los livianos como el bióxido de carbono y el metanol, los cuales son venteados. El fondo de esta columna es una solución acuosa concentrada en etanol que se alimentará a una columna de destilación Una columna de absorción de con condensador parcial y reflujo con N etapas de equilibrio y C componentes requiere de la especificación de un número de variables dado por la expresión

G  C  2N  8

(27.3)

Si se especifica la corriente de entrada y se admiten las 2N especificaciones sugeridas por el simulador, el número de especificaciones requeridas para una simulación completa es de seis

Columna de destilación con dos alimentos y dos productos laterales (Rectificadora) La corriente de vapor lateral de la columna de absorción con producto lateral y el producto de fondo de la columna de absorción con reflujo se alimentan a una columna de destilación cuyo propósito es hacer una rectificación y obtener una solución acuosa de etanol azeotrópico con presencia en muy bajas concentraciones de otros componentes como el bióxido de carbono y el metanol. Este producto es el que se recoge a partir del plato 2 de la columna. Los otros cuatro productos son mezclas de composiciones diferentes. Un aspecto interesante, es la concentración de alcoholes pesados en el interior de estaa columna. Estos alcoholes son normalmente denominados como “Fusel Oils”, y pequeñas corrientes de líquido son acondicionadas en la columna para recuperar a estos componentes.

210

Una columna de destilación de este tipo con N etapas de equilibrio y C componentes requiere de la especificación de un número de variables dado por la expresión

G  2C  2 N  18

(27.4)

Si se especifican las dos corrientes de entrada y se admiten las 2N especificaciones sugeridas por el simulador, el número de especificaciones requeridas para una simulación completa es de catorce El diagrama de flujo final del proceso descrito para la producción de etanol a partir de un producto de una fermentación se muestra en la Figura 27.1.

Figura 27.1. Planta para producción de etanol

3. PAQUETE FLUIDO 1. Ecuación: Un modelo de actividad (a excepción del modelo de Wilson, que no puede predecir dos fases líquidas) puede utilizarse para resolver esta simulación. Seleccione el NRTL. Sobre la pestaña “Binary Coeffs” de la ventana de propiedades del paquete fluido utilice el método de estimación “UNIFAC VLE” y presione el botón “Unknowns Only” para estimar los coeficientes binarios omitidos. 2. Componentes: Etanol, agua, CO2, metanol, ácido acético, 1-propanol, 2-propanol, 1butanol, 3-metil-1-butanol, 2 pentanol y glicerol

211

4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Instale las siguientes corrientes con las especificaciones mostradas a continuación: Nombre Temperatura (C) Presión (kPa) Flujo Molar (kgmol/h) Flujo Másico (kg/h) Composición (Fracción Mol) Etanol Agua Bióxido de carbono Metanol Acido acético 1-Propanol 2-Propanol 1-Butanol 3-Metil-1-Butanol 2-Pentanol Glicerol

A 25 101.3 130

F 30 101.3 2400

S 140 101.3 11000

0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

0.026900000 0.946400000 0.026600000 0.000026930 0.000003326 0.000009077 0.000009096 0.000006587 0.000021480 0.000005426 0.000006640

0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Separador de fases 2. Instale un separador de fases, asígnele como nombre “V-100”. Aliméntelo con la corriente “F” y denomine como “V” a la corriente que emerge como vapor y como “L” a la corriente de líquido. En este separador además de separar las fases, se elimina el bióxido de carbono

Columna lavadora 3. Para el lavado de la corriente “V”, instale una columna de absorción simple y denomínela “T-100”. En esta columna se agotará el etanol arrastrado por la corriente “V” y se producirá un vapor de cabeza de bióxido de carbono esencialmente puro. El producto de fondos es recirculado al proceso de fermentación. 4. Mediante el asistente especifique a la columna “T-100” como se observa en la ventana de propiedades mostrada en la Figura 27.2. Recuerde que este tipo de columna requiere de tres especificaciones

Columna Concentradora 5. Para la operación de concentración del fondo de la corriente “L”, instale una columna de absorción simple con el nombre de “T-101” y conéctele una corriente lateral de 212

vapor con el nombre “V2”. Las temperaturas en el tope y en el fondo son 90 °C y 110 °C, respectivamente. Especifique sus conexiones y especificaciones como lo muestra la Figura 27.3. Recuerde que este tipo de columna requiere de cinco especificaciones

Figura 27.2. Columna lavadora de bióxido de carbono

Figura 27.3. Columna concentradora

6. Complete la instalación de la columna introduciendo las siguientes especificaciones 1. Comp Recovery Draw SpecValue Component

Active V2 0.95 Ethanol

213

2. Draw Rate 1 Draw Flow Basis Spec Value

Estimate V2 Mass 5000 kg / h

3. Draw Rate 2 Draw Flow Basis Spec Value

Estimate V1 Molar 1000 kgmole / h

Presione el botón “Run”, si es necesario, en la ventana de propiedades de la columna, para calcular las corrientes de productos de la columna Concentradora.

Columna Purificadora 7. Para la purificación de los vapores “V1”, instale una columna de absorción con reflujo con el nombre de “T-102” y especifíquela como se observa en la Figura 27.4. Recuerde que para este tipo de columna se requieren seis especificaciones

Figura 27.4. Columna Purificadora 8. Borre las especificaciones “Btms Prod Rate” y “Reflux Ratio” que aparecen por defecto en el grupo “Column Specification” de la página “Monitor” y agregue las siguientes especificaciones a la columna 1. Vap Prod Rate Draw Flow Basis Spec Value

Active V3 Molar 1.6 kgmole / h 214

2. Comp Fraction Stage Flow Basis Phase Spec Value Component

Active Condenser Mass Fraction Liquid 0.88 Ethanol

3. Reflux Ratio Stage Flow Basis Spec Value

Estimate Condenser Molar 5.00

4. Distillate Rate Draw Flow Basis Spec Value

Estimate P2 Molar 2.10 kgmole / h

Presione el botón “Run” en la ventana de propiedades de la columna para calcular las corrientes de productos de la columna “T-102”.

Columna Rectificadora 9. El producto principal de una planta como ésta, es una mezcla azeotrópica de etanol y agua. La columna rectificadora de nombre “T-103” se opera como una columna de destilación convencional y sirve para concentrar la mezcla etanol / agua hasta una concentración próxima a la azeotrópica. Contiene un condensador parcial y un rehervidor. Las temperaturas estimadas en el condensador y rehervidor son 79°C y 100°C, respectivamente. Instale esta columna con las especificaciones observadas en la Figura 27.5

Figura 27.5. Columna Rectificadora 215

Borre las especificaciones “Btms Prod Rate” y “Reflux Rate” que aparecen por defecto en el grupo “Column Specification” y agregue las siguientes especificaciones a la columna 1. Reflux Ratio Stage Flow Basis Spec Value

Active Condenser Molar 7100

2. Ovhd Vap Rate Draw Flow Basis Spec Value

Active V4 Molar 0.100 kgmole / h

3. Distillate Rate Draw Flow Basis Spec Value

Active D Mass 2.00 kg / h

4. Comp Frac Stage Flow Basis Phase Spec Value Component

Active 2_Main TS Mass Fraction Liquid 0.95 Ethanol

5. Fusel Draw Rate Draw Flow Basis Spec Value

Active Fusel Mass 3.00 kg / h

6. P1 Draw Rate Draw Flow Basis Spec Value

Estimate P1 Molar 68.00 kgmole / h

Damping Factor Enable

0.25

Azeotrope Check

ON

5. CASO DE ESTUDIO Encuentre una explicación a por qué la corriente “Fusel” se instaló en la etapa 20

216

28. PLANTA DE DESHIDRATACIÓN DE ETANOL 1. OBJETIVOS 1.1. Simular un proceso con dos paquetes fluidos 1.2. Utilizar el botón Sub-Flowsheet para simular una sección dentro de un proceso químico 1.3. Simular una planta para la obtención de etanol puro a partir de una solución en agua a concentración azeotrópica

2. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO El producto final de la destilación simple, a una atmósfera, del fermentado obtenido a partir de azúcar, es una mezcla azeotrópica de etanol y agua con una pureza límite del 88 % molar o 95 % en peso. Concentraciones mayores de etanol pueden obtenerse mediante la adición de un solvente o una sustancia que rompa la barrera azeotrópica, como por ejemplo un arrastrador. En esta simulación, se producirá etanol anhidro puro a partir de una mezcla azeotrópica de etanol-agua, utilizando al benceno como agente de arrastre. Un rasgo importante de este proceso es que la economía y el impacto ambiental imponen que se haga una recuperación de benceno extremadamente alta El producto de cabeza de la columna deshidratadora o “T-100” es una mezcla de etanol, agua y benceno que se divide en dos fases líquidas por enfriamiento: una liviana y otra pesada. Para modelar este equilibrio líquido-líquido, se instalará un sistema denominado “Decantador” valiéndose del botón de HYSYS que permite construir un sub-diagrama de flujo. En este sub-diagrma se utilizarán parámetros de interacción diferentes. La fase acuosa predominante denominada “Pesada” es procesada aún más en una columna de agotamiento, “T-101” cuyo producto de cabeza, “V-2” se mezcla en un recipiente “V-100” con la fase líquida liviana, “Liviana”, que sale del Decantador y, entonces, recirculada a la columna deshidratadora, sirviendo como el reflujo a dicha columna. Este caso se creará mediante sub-diagramas de flujo estándares y los resultados se transferirán al diagrama de flujo principal. HYSYS tiene la habilidad de resolver los procesos a través de varios niveles de sub-diagramas de flujo. La Figura 28.1 muestra el diagrama de flujo final de la planta de deshidratación de etanol simulada

3. PAQUETES FLUIDOS Se requieren dos paquetes fluidos en este ejemplo. Ambos paquetes fluidos usarán el modelo de actividad NRTL, y contienen los componentes etanol, agua y benceno. El primer paquete fluido nombrado como “VLE-BASIS” usará los parámetros de interacción binarios de la librería VLE que aparecen por defecto. El segundo paquete fluido

217

nombrado como “LLE-BASIS” reemplazará aquellos coeficientes de interacción con coeficientes de interacción binarios estimados con UNIFAC-LLE

Figura 28.1. Planta de deshidratación de etanol 1. Introduzca el primer paquete fluido y nómbrelo como “VLE-Basis”. Seleccione el modelo de actividad NRTL 2. Despliegue la ventana correspondiente a la pestaña “Binary Coeffs”, seleccione el radio botón “UNIFAC-VLE” y presione el botón “All Binaries” para estimar los coeficientes binarios 3. Cierre la ventana anterior y regrese a la pestaña “Fluid Pkg” de la ventana del Administrador Básico de la simulación. Seleccione el paquete de propiedades “VLEBasis” y haga clic sobre el botón “Copy” para copiar dicho paquete en un nuevo paquete fluido y nómbrelo como “LLE-BASIS” en su ventana de propiedades. 4. Despliegue la ventana correspondiente a la pesaña “Binary Coeffs”, seleccione el radio botón “UNIFAC LLE” y a continuación presione el botón “All Binaries” para estimar los coeficientes binarios VLE-BASIS se utilizará para la mayor parte de la simulación, mientras que LLE-BASIS se utilizará como el paquete fluido para el subdiagrama de flujo Decanter

Corrientes 5. Ingrese al ambiente principal de simulación e instale la corriente “Alimento” y la de recirculación asumida “Ra” con las siguientes especificaciones:

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Nombre

Alimento

Ra

Temperatura, °C Presión, kPa Flujo molar, kgmol/h Fracción mol Etanol Fracción mol Agua Fracción mol Benceno

78.10 101.33 68.84 0.8831 0.1169 0.0000

55 101.33 250 0.45 0.05 0.50

Cuando el diagrama de flujo se haya completado, “Ra” será la corriente de recirculación; sin embargo, debe hacerse un ensayo inicial para los parámetros de la corriente para resolver inicialmente el diagrama de flujo. El tope de la columna deshidratadora contendrá una mezcla de benceno, etanol y agua. Se recuperará todo el benceno y etanol mas algo del agua en las operaciones corrientes abajo de tal manera que se escoge como ensayo inicial una mezcla como la mostrada anteriormente.

Columna deshidratadora La columna deshidratadora es modelada como un absorbedor con rehervidor. Antes de instalar la columna, seleccione la opción “Preferentes” en el menú “Tools”. Sobre la página “Options” de la pestaña “Simulation” revise que se encuentra verificado el cuadro de selección “Input Experts”. Instale la columna haciendo doble clic sobre el icono Reboiled Absorber que se encuentra en la paleta de objetos 6. Instale la columna haciendo doble clic sobre el icono “Reboiled Absorber” que se encuentra en la paleta de objetos y complete la página uno del asistente de la siguiente manera Nombre # Stages Top Stage Inlet Optional Inlet Streams / Inlet Stage Ovhd Vapour Outlet Reboiler Energy Stream Bottoms Liquid Outlet

T-100 30 Ra Alimento / 7 V-1 Qd Alcohol Anhidro

7. Presione el botón “Next” para desplegar la página dos del asistente y complete las siguientes especificaciones Top Stage Pressure Reboiler Pressure

101.33 kPa 101.33 kPa

8. Presione el botón “Next” seguidamente hasta desplegar la página cuatro. Presione el botón “Done”. Se desplegará la ventana de propiedades de la columna como se observa en la Figura 28.2. 219

Figura 28.2. Ventana de propiedades de la columna deshidratadora 9. Haga clic sobre la pestaña “Parameters” y despliegue la página “Solver”. Introduzca el valor de 0.40 para el factor de amortiguamiento en el cuadro “Fixed Damping Factor” 10. Despliegue la página “Specs” de la pestaña “Design” para introducir las siguientes especificaciones: Comp Frac Stage Flow Basis Phase Spec Value Component

Active Reboiler Mass Fraction Liquid 0.00001 Benzene

Ovhd Prod Rate Stream Flow Basis Spec Value

Estimate V-1@COL1 Mass 1600 kg / h

Una vez desactivada la especificación “Ovhd Prod Rate”, la columna debe comenzar a resolverse automáticamente. Si no lo hace, presione el botón “Run” sobre la ventana de propiedades de la columna para resolver completamente la columna. El perfil de temperaturas a lo largo de la columna se puede observar en la página “Monitor” de la pestaña “Design”.

Subdiagrama de flujo para el Decantador 11. Para instalar un subdiagrama de flujo, seleccione el botón “Sub-Flowsheet” que se encuentra en la paleta de objetos. Se desplegará una ventana como la que muestra la Figura 28.3.

220

Figura 28.3. Ventana para seleccionar el origen del sub-diagrama de flujo 12. Presione el botón ”Start With a Blank Flowsheet” para iniciar la construcción de un sub-diagrama de flujo en blanco. 13. Haga doble clic sobre el icono que representa el diagrama de flujo para desplegar su ventana de propiedades. 14. En la ventana de título “Sub-Flowsheet Operation” cambie el nombre a “Decantador” y seleccione la corriente “V-1” en la columna encabezada con el nombre de “External Stream”. De esta manera, se creará la corriente “V-1” dentro del sub-diagrama y transferirá la información de la corriente. 15. Después de hacer la conexión, abra la ventana de la pestaña “Transfer Basis” y cambie la base de transferencia, seleccionando a una evaporación instantánea “VF-P Flash” en la columna encabezada con el título “Transfer Basis” del cuadro “Inlet Streams”. De esta manera, se transferirán las propiedades de la corriente “V-1”, en forma correcta, al sub-diagrama de flujo, el cual utiliza un conjunto diferente de parámetros de interacción por la presencia de un equilibrio líquido-líquido. 16. Ahora, seleccione el botón “Sub-Flowsheet Environment” para trabajar en el ambiente del sub-diagrama de flujo. 17. Antes de instalar cualquier operación, ingrese al “Basis Environment” y cambie el paquete fluido para “Decantador” de “VLE-BASIS” a “LLE-BASIS”. Asegúrese que el paquete fluido por defecto es “VLE-BASIS”. Observe la Figura 28.4. 18. Presione el botón “Return to Simulation Environment” para regresar al sub-diagrama de flujo “Decantador”. 19. Instale un enfriador dentro del su-diagrama de flujo y llámelo “E-200”. Este enfriador condensará la corriente “V-1”. Sus especificaciones son las siguientes: Pestaña Design Inlet

Página Connections V-1

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Outlet Energy Stream

M-1 Qc

Pestaña Design Pressure Drop

Página Parameters 0 kPa

Pestaña Worksheet Temperature / M-1

Página Conditions 25°C

Figura 28.4. Seleccione del paquete fluido para el decantador 20. Instale un separador de tres fases con el nombre “V-200” para separar el producto de la columna deshidratadora en una fase líquida pesada y otra liviana. Sus especificaciones son: Pestaña Design Inlets Vapour Light Liquid Heavt Liquid Pesaña Design Delta P

Página Connections M-1 Venteo Liviano Pesado Página Parameters 0.0 kPa

21. El sub-diagrama de flujo “Decantador” ha convergido completamente y se muestra en la Figura 28.5.

222

Figura 28.5. Sub-diagrama de flujo “Decantador” 22. Regrese al diagrama de flujo principal presionando el icono “Enter Parent Simulation Environment” que es una pequeña flecha verde que se encuentra en la barra estándar de HYSYS. 23. Abra la ventana de propiedades del sub-diagrama de flujo “Decantador” y despliegue la ventana de la pestaña “Connections” 24. En el grupo “Outlet Connections to Sub-Flowsheet” introduzca las palabras “Liviano” y “Pesado” como los nombres de las corrientes externas que conectarán el diagrama de flujo principal con las corrientes del mismo nombre dentro del sub-diagrama de flujo, como se muestra en la Figura 28.6.

Figura 28.6. Corrientes que conectan el diagrama de flujo con el sub-diagrama 25. Abra la ventana correspondiente a la pestaña “Transfer Basis” y cambie la base de transferencia a VF-P Flash para las corrientes “Liviano” y “Pesado”. Esto forzará a las

223

corrientes a permanecer en la misma fracción de vapor como también a mantener la misma presión para satisfacer la relación flujo-presión. Observe la Figura 28.7.

Figura 28.7. Base de transferencia para las corrientes externas

Columna de agotamiento 26. Cierre la ventana anterior e instale en el diagrama de flujo padre una columna de absorción con rehervidor 27. Complete el asistente con las especificaciones que en la ventana de propiedades definitiva se observan como lo muestra la Figura 28.8.

Figura 28.8. Conexiones y algunas especificaciones de la columna T-101 28. Haga clic sobre la pestaña “Parameters” y despliegue la página “Solver”. Introduzca el valor de 0.50 para el factor de amortiguamiento en el cuadro “Fixed Damping Factor”

224

29. Despliegue la página “Specs” de la pestaña “Design” para introducir las siguientes especificaciones: Comp Frac Stage Flow Basis Phase Spec Value Component

Active Reboiler Mole Fraction Liquid 0.9999 H2O

Ovhd Prod Rate Draw Flow Basis Spec Value

Estimate V-2@COL2 Molar 0.200 kgmole / h

30. Despliegue la página “Monitor” de la pestaña “Design” y observe el perfil de temperaturas a lo largo de la columna.

Separador de fases 31. Instale un separador de fases con el nombre de “V-100” especificaciones: Pestaña Design Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet Energy Pestaña Design Pressure Drop Duty

y con las siguientes

Página Connections V-2, Liviano V-3 Rc Qs Página Parameters 0.00 kPa 0 kJ / h (Heating)

Botón de Reciclo 32. Instale un botón de reciclo y asígnele como nombre “Reciclo”. Conecte como corriente de entrada la de recirculación calculada, es decir, “Rc” y como corriente de salida la de recirculación asumida inicialmente, es decir, “Ra”. El botón de reciclo modificará la composición de la corriente de recirculación asumida y construirá el diagrama de flujo con la corriente de recirculación incluida dentro de sus cálculos. Esto requiere de varias iteraciones. Observe en las Figuras 28.9 y 28.10 las condiciones y las composiciones finales de las corrientes de recirculación asumida y calculada 225

Figura 28.9. Condiciones de las corrientes de recirculación asumida y calculada

Figura 28.10. Composición de las corrientes de recirculación asumida y calculada

226

SECCIÓN VII PROCESOS QUÍMICOS

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228

29. REACTOR TUBULAR CON RECICLO LÍQUIDO 1. OBJETIVOS 1.1. Simular el comportamiento de un reactor tubular con reciclo de líquido purificado mediante destilación, en estado estacionario, y asistido por HYSYS 1.2. Analizar el efecto de cambios en las especificaciones de los productos en el comportamiento del proceso 1.3. Dimensionar válvulas de control y columnas de destilación mediante la asistencia de HYSYS

2. INTRODUCCIÓN En esta práctica se considerará un reactor tubular con productos y reactivos de volatilidad relativa muy similar, de modo que el proceso de separación se realiza en una columna de destilación. El reactivo que no reacciona retorna al reactor para su posterior procesamiento. La corriente de reciclo de este proceso se encuentra en fase líquida. Esto es muy conveniente porque es más fácil bombear líquidos que comprimir gases. Sin embargo, la reacción ocurre en fase gaseosa, de modo que el reciclo líquido tiene que vaporizarse antes de alimentarlo al reactor. La introducción del alimento al proceso es también diferente en este proceso. El alimento no es un reactivo puro sino una mezcla impura de un reactivo, un producto y un componente inerte. En vez de alimentar este alimento impuro al reactor, se alimenta a la columna de destilación. Con esto se logra una corriente de alimento al reactor que es mas rica en el reactivo, lo que reduce el tamaño del reactor y el flujo del reciclo.

3. PROCESO ESTUDIADO En esta práctica se estudiará el proceso de la isomerización del butano normal a isobutano. Ambos componentes están presentes en los crudos y en los productos de la ruptura catalítica o térmica de una refinería de petróleo. El isobutano es un importante producto químico intermedio. Se usa como reactivo en muchos procesos petroquímicos. Por ejemplo, en el proceso de alquilación, el isobutano y una olefina (butano) reaccionan para formar un componente importante de las mezclas de gasolina (isooctano). De modo que el isobutano es una valiosa materia prima de la petroquímica. El butano, por su parte, es muy valioso. Algo de butano se mezcla con la gasolina, pero su número de octano es bajo y la cantidad que puede mezclarse está limitada por las

229

restricciones de presión de vapor (RVP), particularmente en los meses de verano con sus altas temperaturas. Las refinerías tienen poco isobutano, pero tienen un exceso de butano. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Reacciones:

Peng Robinson Propano, i-Butano, n-Butano Tipo: Cinético

Estequiometria, Temperatura y Presión: La estequiometria de la reacción es de una química sencilla

n-C4

i-C4

Se observa en el Balance que el calor de reacción a 25 ºC es de -3600 BTU/lbmol. La reacción se efectúa en un reactor tubular adiabático a 400ºF y 320 psia Base: Para ambas reacciones la Base es concentración; el componente base es n-Butano; la fase de la reacción es Vapor y las unidades bases son lbmol/pie3 para la concentración y lbmol/pie3-h para la velocidad de reacción. Parámetros Cinéticos: Se usará la siguiente cinética hipotética que se ajusta para dar una composición de i-C4 del 73 % molar con un alimento al reactor de 30 % molar en i-C4. En unidades inglesas de ingeniería:

R1  1x10 9 * exp( 

30000 )C n C4 RT

donde las velocidades de reacción tienen unidades de lbmol/h-pie3, las concentraciones están en lbmol/pie3, la energía de activación está en BTU/lbmol y la temperatura en ºR

DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO La Figura 29.1 muestra el diagrama de flujo de este proceso terminada la simulación con el lazo de reciclo líquido.

DESCRIPCIÓN La conversión por paso es del 60 %, de modo que el n-C4 que no reacciona tiene que separarse del producto i-C4. Los puntos normales de ebullición de estos isómeros son

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bastante cercanos (10.9ºF versus 31.1ºF) y la columna de destilación que se necesita para hacer esta separación (la desisobutanizadora, DIB) tiene un número apreciable de platos (50) y utiliza una relación de reflujo bastante alta (5.6). La presión de operación en la columna se fija en 100 psia de modo que pueda usarse agua de enfriamiento en el condensador (la temperatura en el acumulador de reflujo es 125ºF).

Figura 29.1. Reactor tubular con reciclo líquido

La corriente producto de este proceso es el destilado de la cima de la columna. La especificación de la impureza del n-C4 en esta corriente es del 2 % molar. El producto de fondo de esta columna es la corriente de reciclo. Se bombea hasta una presión lo suficientemente alta para retornarlo al reactor que opera a 320 psia. El reciclo líquido tiene que vaporizarse y calentarse hasta la temperatura deseada a la entrada del reactor. En teoría, esto puede hacerse en una etapa. En la práctica, esto se hace en dos operaciones por un mecanismo complejo de transferencia de calor en dos fases. De esta manera el producto líquido del fondo se alimenta a un vaporizador (tipo marmita) donde se usa vapor de agua para hervir el líquido, produciéndose vapor saturado. Esta corriente de vapor se alimenta a un segundo calentador (horno) donde se precalienta. El efluente caliente del reactor se enfría y se alimenta por el plato 20 a la columna de destilación. Hay otro alimento que se introduce en el plato 30 y consiste en una mezcla de propano, isobutano y butano normal que vienen de la unidad de livianos de la refinería. Al alimentar esta corriente en la columna se logra que la impureza del propano no entre al reactor, porque el propano sale por la cima de la DIB. La pureza de la corriente de reciclo del fondo es una importante variable de optimización para el diseño. A mayor concentración de n-C4, le corresponde un menor tamaño del reactor y un menor flujo del reciclo, pero se necesita de mas energía en la columna. En este ejemplo se utiliza una concentración de 70 % molar del n-C4 en el producto del fondo. 231

Las válvulas de control se diseñan con caídas de presión razonables y la bomba se diseña para suministrar la presión que se necesita para que la corriente de reciclo retorne con la presión de operación a la entrada del reactor.

4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Se consigue una convergencia del proceso, comenzando por asumir unas especificaciones para la corriente de reciclo y alimentándola junto con la corriente que viene de una refinería a la columna de destilación. A continuación se construyen secuencialmente las etapas de bombeo, vaporización, reacción y condensación que constituyen el lazo de reciclo. Finalmente, se instala un botón de reciclo que simule el lazo denominado como RECIUno, que debe converger satisfactoriamente Alimentación: Instale la corriente Alimento y asígnele como especificaciones 90ºF. 200 psia, 525.9 lbmol/h, 2 % molar propano, 25 % molar de isobutano y 73 % molar de nbutano. Conécte esta corriente a la válvula V1 que descarga a la corriente Sale_V1 con una caída de presión de 96.3 psi. Instale la corriente SaleCond y asígnele las especificaciones supuestas de 124.7 ºF, 104.5 psia, 869.6 lbmol/h, 73.06 % molar de i-butano y 23.94 % molar de n-butano. Columna de destilación: Instale una columna de destilación con el nombre de DIB, y mediante la guía del asistente especifique en su primera página 50 platos y condensador total, conéctela con las corrientes de entrada a Sale_V1 y SaleCond; corrientes de salida Destilado y Fondo y corrientes de energía QCond y QReb. Las corrientes Sale_V1 y SaleCond entran por los platos 20 y 30, respectivamente. Asigne presiones de 100 psia y 108 psia en el Condensador y Rehervidor, respectivamente. La relación de reflujo es 5.6 y el flujo de Destilado es 525.7 lbmol/h. Haga clic sobre el botón Done… del asistente y luego haga clic en el botón Run de la ventana de propiedades de la columna. Sobre el cuadro de aclaración sobre la corriente Sale_V1 haga clic sobre el botón Aceptar y la columna debe converger satisfactoriamente. Instale la válvula V4 que se alimentará con la corriente Destilado y descargará con el nombre de Sale_V4, asignándole una caída de presión de 50 psi Bomba: Instale una bomba con ese nombre, que succione la corriente Fondo y descargue como Sale_Bomba. La corriente de energía nómbrela como HPBomba. Asígnele un incremento de presión de 301 psi. Instale una válvula V3 cuya entrada sea la corriente Sale_Bomba y su corriente de salida sea Sale_V3; asígnele una caída de presión de 84 psi Vaporizador: Instale un separador de fases con el nombre de Vaporizador, con entradas las corrientes Sale_V3 y QVap como corriente energética que suministre el calor para la vaporización. Introduzca como corrientes de salida de vapor Ent_Horno y salida de líquido LL. Asígnele un flujo de 825.6 lbmol/h a la corriente de vapor. El vaporizador convergerá satisfactoriamente. Instale la válvula V5 con caída de presión de 36.9 psi y conexiones LL y Sale_V5 como corrientes de entrada y salida.

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Horno: Instale un heater para simular un horno, aliméntelo con la corriente Ent_Horno, descárguelo con la corriente Sale_Horno y conéctele su corriente de energía QHorno. En la página Parámetros de la pestaña Design digite una caída de presión de 7 psi. En la página Condiciones de la pestaña Worksheet digite para la corriente Sale_Horno una temperatura de 390.4ºF. Reactor: Instale un reactor tubular alimentándolo con la corriente Sale_Horno y descargándolo con la corriente SaleReactor. En la página Parámetros de la pestaña Design digite 18.4 psia como caída de presión. En la página Overall de la pestaña Reactions introduzca el conjunto de reacciones Global Rxn Set. En la página Sizing de la pestaña Rating introduzca las dimensiones de 7 pies de diámetro y 18 pies de longitud. Instale la válvula V6 con una caída de presión de 186.4 psi y corriente de entrada SaleReator y corriente de salida Sale_V6 Condensador: Instale un cooler para simular un condensador con dicho nombre. Aliméntelo con la corriente Sale_V6 y descárguelo con la corriente SSS. Asígnele una caída de presión de 8 psi. Especifiquele a la corriente SSS una Fracción de vapor = 0.0 Botón de reciclo: Instale un botón de reciclo con nombre, RECIUno, conéctelo con SSS como corriente de entrada y SaleCond como corriente de salida. El lazo de reciclo RCIUno convergerá satisfactoriamente.

5. RESULTADOS La Figura 29.2 muestra el libro de trabajo con las especificaciones finales de todas las corrientes del diagrama de flujo

Figura 29.2. Libro de Trabajo con especificaciones de las corrientes

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6. CASOS DE ESTUDIO 6.1 ¿Qué cambios sugiere usted para obtener una corriente de destilado con 2 % molar en n-butano en vez de 2.85 %? 6.2 Haga un dimensionamiento de las válvulas para hallar sus coeficientes y compárelos para diferentes tipos de válvulas 6.3 Si elimina la carga calórica transferida al separador de fases, ¿qué cambios se observan en el proceso? 6.4 Haga los cambios necesarios para conseguir que la corriente de reciclo se concentre lo mas concentrada posible en n-butano 6.5 Como un ejercicio, desarrolle el diseño de la columna de destilación DIB, del separador de fases o VAPORIZADOR y del reactor tubular, acéptelos y transfiéralos al PFD

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30. PROCESO DE ALQUILACIÓN 1. OBJETIVOS 1.1. Simular en estado estacionario, un proceso de Alquilación asistido por HYSYS. 1.2. Analizar sistemas de reacción con sistemas de separación en serie. 1.3. Analizar el efecto de modificaciones en el comportamiento del proceso.

2. INTRODUCCIÓN En esta práctica se analiza un proceso complejo de múltiples unidades, que se caracteriza por tener varias operaciones unitarias y dos corrientes de reciclo. Hay una sección de reacción que consiste en tres reactores CSTR en serie y uno de los alimentos se divide entre los tres reactores. El otro alimento se mantiene en exceso por medio de un gran corriente de reciclo. Los tres reactores operan a bajas temperaturas y por esta razón se necesita de refrigeración para eliminar el calor exotérmico de la reacción. El enfriamiento del reactor se realiza por auto refrigeración (enfriamiento por medio de evaporación). El líquido que hierve dentro del reactor genera una corriente de vapor, y el calor latente de vaporización elimina el calor exotérmico de la reacción y enfría al reactor a la temperatura deseada. Las corrientes de alimento contienen componentes inertes y tienen que separarse de los reactivos y de los productos. La sección de separación tiene tres columnas de destilación.

3. PROCESO ESTUDIADO El proceso que estudiaremos es el proceso de alquilación del isobutano con el buteno para formar iso-octano. Este proceso es bastante usado para producir un componente de alto octanaje para las mezclas de gasolina. iC 4  C4  iC 8

El iso-octano tiene un número de octano de 100, de modo que es valiosos para producir gasolinas de alto octanaje para motores de alta compresión (elimina la preignición) El proceso de alquilación se comercializó un poco antes de la segunda guerra mundial y suministró la gasolina de alto octanaje para los aviones que participaron en este histórico conflicto. Este proceso todavía se usa extensivamente en muchas refinerías en el mundo como un medio de mejorar la calidad de los componentes livianos y para producir un material no aromático de alto valor para las mezclas de gasolina

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3.1. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Peng Robinson Componentes: Iso-Butano, Buteno, Butano, Iso-Octano, Propano y Dodecano Reacciones: Tipo: Cinético Estequiometría: Iso-Butano + Buteno  Iso-Octano Iso-Octano + Buteno  Dodecano Base: Para ambas reacciones la Base es la Concentración de los componentes que participan en las reacciones; los componentes bases Iso-Butano, Buteno e Iso-Octano (2 MHeptane); la fase de la reacción es Liquido y las unidades bases son lbmol/hr-pie3 para la velocidad de reacción, lbmol/pie3 para la concentración y ºR para la temperatura. Parámetros Cinéticos. Los parámetros cinéticos se toman del Mahajanam et al. (Ind. Eng. Chem. Res. 2001, 40, 3208). Estas reacciones son irreversibles y ocurren en fase liquida. Las expresiones cinéticas son:

R1  9.6  10 13 e R2  2.4  10 17 e

28000 RT

CiC4 CC  4

35000 RT

CiC8 CC  4

donde las velocidades de reacción están en lbmol/hr-pie3, Btu/lbmol para la Energía de Activación y Ranking [ºR] para la temperatura.

3.2. DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO La Figura 30.1 muestra el diagrama de flujo de este proceso de alquilación terminada la simulación.

3.2.1. DESCRIPCIÓN La corriente de reciclo de 495.4 lbmol/hr, con composiciones de 3.5% molar de propano, 94.7% molar de isobutano, 0.2% molar de butano y 1.6% molar de butano normal; se mezcla con una corriente BB1, que contiene 25 lbmol/hr con composiciones de 5% molar de propano, 20% molar de isobutano, 60% molar de butano y 15% molar de butano normal. Esta mezcla alimenta el primero de tres reactores tipo CSTR con un volumen de 100 pie3 y con un 80% de líquido. El líquido efluente del primer reactor pasa al segundo reactor, se mezcla con la corriente BB2, que tiene las mismas especificaciones de BB1, para alimentar el segundo reactor, cuyo efluente líquido alimenta al tercer reactor.

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Figura 30.1. Diagrama de flujo de un Proceso de Alquilación.

Las corrientes gaseosas provenientes de cada reactor, que contienen la mayor parte del propano, pasan a un separador. Con el fin de condensar la corriente gaseosa con agua de enfriamiento que sale del separador, se la lleva a un compresor, al que se le asigna una presión de salida de 100 psia, y se coloca el condensador que trabaja con el agua de enfriamiento y el tanque de separación. El líquido que sale del tanque es bombeado a una presión de 225 psia y llevado hasta la columna despropanizadora. Esta columna trabaja con 30 platos y es alimentada en el plato 21, trabaja con presiones de 203 psia en el fondo y de 200 psia en el tope y se colocan como especificaciones una razón de reflujo de 14 y un flujo de destilado de 4.4 lbmol/hr para que pueda converger. El efluente liquido de la sección de reacción se calienta en un intercambiador de calor, que calienta al efluente del reactor y enfría a la corriente de reciclo. Esto reduce los requerimientos de refrigeración y el consumo de vapor de la columna de destilación que se encuentra aguas abajo. El intercambiador de calor tiene un área de 500 pie2, con un coeficiente global de transferencia de 100 Btu/hr-pie2-ºF.

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La columna Desisobutanizadora produce en su destilado, una corriente de reciclo bastante rica en Isobutano, que luego es reciclado a la sección de reacción. La columna tiene 50 platos, opera a 80 psia en el condensador y a 85 psia en el Rehervidor, y con una razón de reflujo de 2. El efluente del reactor se alimenta a la columna en el plato 16. Hay una segunda corriente de alimento que es alimentada en el plato 25 después de pasar por una válvula , tiene una presión de 125 psia y 90ºF y sus composiciones son: 35% de butano normal, 5% de propano y 60% de isobutano. Se coloca como especificaciones la razón de reflujo y 0.005 como la fracción molar de isobutano en el fondo de la columna. De esta manera se introduce alimento en la zona de reacción y en la zona de separación. El producto de fondo de la Desisobutanizadora se alimenta a la columna Desbutanizadora, de la que sale butano normal por la cima, y como producto de fondo sale iso-octano con algo de Dodecano como impureza. Esta columna opera a 60 psia en el Condensador y a 62 psia en el Rehervidor. La columna de destilación posee 15 platos y la corriente de alimentación entra en el plato 7. Las especificaciones de esta columna son: una razón de reflujo de 0.5 y una fracción molar de 0.001 de n-butano en el fondo de la columna. De esta manera el diagrama consta de dos corrientes de reciclo, tres reactores, tres columnas y un intercambiador de calor.

4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Se consigue convergencia del proceso haciendo una simulación escalonada de cada uno de los lazos de reciclo incluidos en el proceso. Por lo tanto, después de la instalación de las corrientes de alimento se asume una corriente (HxHEnt) y se simula primero el lazo de reciclo RCY-1 y luego el lazo RCY-2. Alimentación: Instale las corrientes BB1 y BB2 y asígneles como especificaciones 90ºF, 100 psia, 25 lbmol/h, 5% molar de propano, 20% molar de isobutano, 60% molar de butano y 15% molar de butano. Conecte estas corrientes a las válvulas V1 y V2, respectivamente, con una caída de presión 69 psi, para ambas válvulas. Instale la corriente Reciclo con especificaciones 85ºF, 95 psia y 495.4 lbmol/h, y con concentraciones de 3.5% molar de propano, 94.7% molar de isobutano, 0.2% molar de butano y 1.6% molar de isobutano. Conecte esta corriente a una válvula V3, con una caída de presión de 64 psi. Alimente las corriente BB1 y Reciclo al mezclador M1 y denomine Sale_M1 a su corriente de salida, la cual debe estar completamente especificada junto con el mezclador.

SISTEMA DE REACCION: Primer reactor CSTR (ReactUno): Instale un reactor CSTR de nombre ReactUno, a este reactor se alimenta la descarga del mezclador, la corriente Sale_M1. El reactor genera dos corrientes, una liquida (LR1) y una corriente vapor (VR1). En la página Parámetros de la pestaña Design, asígnele al reactor un volumen de 100 ft3 y un nivel de líquido de 80%. Instale la válvula V12 y conecte LR1, asígnele una caída de presión de 1 psi y una corriente

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de descarga Sale_V12, haga el mismo procedimiento con la corriente VR1 y asígnele una caída de presión a la válvula V11 de 11 psi y una corriente de descarga Sale_V11. Segundo reactor CSTR (ReactDos): Instale un segundo reactor CSTR de nombre ReactDos. Aliméntelo con la corriente Sale_M2 que resulta de la mezcla de BB2 y LR1, en el mezclador M2. Este reactor al igual que ReactUno, genera dos corrientes, LR2 y VR2. Este reactor posee las mismas dimensiones y nivel del reactor ReactUno. Instale la válvula V21 y conecte LR2, asígnele una caída de presión de 1 psi y una corriente de descarga Sale_V21 haga el mismo procedimiento con la corriente VR2 y asígnele una caída de presión a la válvula V22 de 10 psi y una corriente de descarga Sale_V22. Tercer reactor (ReactTres): Instale un tercer reactor CSTR de nombre ReactTres. Aliméntelo con la corriente Sale_V21 que proviene del segundo reactor. Este reactor genera dos corrientes, LR3 y VR3. Este reactor posee las mismas dimensiones y nivel de los otros dos reactores. Instale la válvula V32 y conecte VR3, asígnele una caída de presión de 9 psi y una corriente de descarga Sale_V32. Bombeo liquido 1: Instale una bomba con el nombre de B1 y aliméntela con la corriente LR3 y en la descarga Sale_B1, además conecte su corriente de energía con el nombre de HP_B1. En la página Parámetros de la pestaña Design, asígnele una caída de presión de 71 psi. Instale una válvula V31 a la descarga de la bomba y asígnele una caída de presión de 13 psi.

DESPROPANIZADORA (Preparación del alimento a la columna): Separador de Fases: Instale un separador de fases con el nombre Separador. Conéctelo con las corrientes Sale_V12, Sale_V22 y Sale_V32 como alimento y las corrientes Vap_Sep y Liq_Sep como corrientes de salida. Compresor de Gas: Instale un compresor con dicho nombre y asigne como carga la corriente Vap_Sep y como descarga la corriente Descarga, además de la conexión de la corriente de energía HP_Comp. Asigne a la corriente de descarga una presión de 100 psi. Condensador: Instale un Cooler para simular un condensador con el nombre de Cond. Aliméntelo con la corriente Descarga y descárguelo con la corriente Sale_Cond y conéctele una corriente de energía de nombre Q_Cond. En la página Parámetros de la pestaña Design asigne una caída de presión de 5 psi y en la página Conditions de la pestaña Worksheet asigne una temperatura de 113.1 ºF a la corriente Sale_Cond. Tanque: Instale un tanque con el nombre de Tanque. Conéctelo con la corriente Sale_Cond como corriente de alimento y las corrientes VapTanq y LiqTanq como corrientes de salida. Instale una válvula V13 en la corriente VapTanq con una caída de presión de 5 psi. Bombeo liquido 3: Instale una bomba con el nombre de B3 y aliméntela con la corriente LiqTanq y en la descarga Sale_B3, además conecte su corriente de energía con el nombre de HP_B3. En la página Parámetros de la pestaña Design, asígnele una caída de presión de 239

130 psi. Instale una válvula V5 a la descarga de la bomba y asígnele una caída de presión de 20 psi. Despropanizadora: Instale una columna de destilación con el nombre de Desprop y mediante la guía de asistente especifique en su primera página 30 platos y condensador total, conéctela con la corriente Sale_V5; corrientes de salida Vent2 y Fond2 y corrientes de energía QCond2 y QReh2. La corriente Sale_V5 entra en el plato 21. Asigne las presiones de 200 psia y 203 psia en el Condensador y el Rehervidor, respectivamente, y una relación de reflujo de 14. Haga clic en el botón Done… del asistente. Seguidamente, haga clic sobre la página Specs de la pestaña Design y haga clic en el botón Add… para añadir una especificación de 4.4 lbmol/h como flujo en el destilado (Vent2). Cierre la ventana, haga clic sobre la página Monitor y deje como especificaciones activas la razón de reflujo y el flujo de destilado. La columna Desprop debe converger satisfactoriamente. Instale una válvula para cada corriente de salida de la columna, V9 para Vent2 y V8 para Fond2 y asígnele como caída de presión 50 psi y 103 psi, respectivamente.

LAZO DE RECICLO RCY-1: Corriente entrada en la coraza (HxHEnt): Instale una corriente con este nombre y asígnele las siguientes especificaciones supuestas: 121.3ºF, 100 psi, 499.4 lbmol/h, 3.5% molar de Propano, 94.7% molar de isobutano, 0.2% molar de buteno y 1.6% molar de butano. Intercambiador FEHE: Instale un intercambiador de carcasa y tubo y nómbrelo FEHE. Conecte por los tubos la corriente Sale_V31 y como corriente de salida HxCSale. Conecte por la coraza la corriente HxHEnt y como corriente de salida HxHSale. En la página Parámetros de la pestaña Design, asigne una caída de presión de 5 psi tanto para los tubos como para la coraza y digite 50000 Btu/ºF-h al Overall UA. Segunda Corriente de alimento a DesIsoBut (C4Sat): Instale la corriente de alimentación con nombre C4Sat y asígnele las siguientes especificaciones: 90ºF, 125 psi, 65 lbmol/h, 5% molar de propano, 60% molar de isobutano y 35% molar de n-butano. Desisobutanizadora: Instale una columna de destilación con el nombre de DesIsoBut y mediante la guía de asistente especifique en su primera página 50 platos y condensador total, conéctela con las corrientes Sale_V4 y HxCSale; corrientes de salida Dest1 y Fond1 y corrientes de energía QCond1 y QReh1. Las corrientes Sale_V4 y HxCSale entran en los platos 25 y 16, respectivamente. Asigne las presiones de 80 psia y 85 psia en el Condensador y el Rehervidor, respectivamente, y una relación de reflujo de 2. Haga clic en el botón Done… del asistente. Seguidamente, haga clic sobre la página Specs de la pestaña Design y haga clic en el botón Add… para añadir una especificación de 0.005 como fracción molar de isobutano en el Rehervidor. Cierre la ventana, haga clic sobre la página Monitor y deje como especificaciones activas la razón de reflujo y la fracción de isobutano en el Rehervidor. La columna DesIsoBut debe converger satisfactoriamente. Instale una válvula V7 para la corriente de salida Fond1, y asígnele como caída de presión 20 psi.

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Bombeo liquido 2: Instale una bomba con el nombre de B2 y aliméntela con la corriente Dest1 y en la descarga Sale_B2, además conecte su corriente de energía con el nombre de HP_B2. En la página Parámetros de la pestaña Design, asígnele una caída de presión de 100 psi. Mezclador: Instale un mezclador de corrientes con el nombre M3. Aliméntelo con las corrientes Sale_V8 y Sale_B2 y descárguelo con la corriente Sale_M3. Botón de Reciclo RCY-1: Instale el botón de reciclo y asigne como carga las corrientes Sale_M3 y como descarga la corriente HxHEnt. El lazo de reciclo RYC-1 convergerá satisfactoriamente. Desbutanizadora: Instale una columna de destilación con el nombre de DesBut y mediante la guía de asistente especifique en su primera página 15 platos y condensador total, conéctela con la corriente Sale_V7; corrientes de salida Dest3 y Fond3 y corrientes de energía QCond3 y QReh3. La corriente Sale_V7 entra en el plato 7. Asigne las presiones de 60 psia y 62 psia en el Condensador y el Rehervidor, respectivamente, y una relación de reflujo de 0.5. Haga clic en el botón Done… del asistente. Seguidamente, haga clic sobre la página Specs de la pestaña Design y haga clic en el botón Add… para añadir una especificación de 0.001 como fracción molar de n-butano en el Rehervidor. Cierre la ventana, haga clic sobre la página Monitor y deje como especificaciones activas la razón de reflujo y la fracción de n-butano en el Rehervidor. La columna DesBut debe converger satisfactoriamente. Instale las válvulas V14 y V15 para las corrientes de salida Fond3 y Dest3, y asígneles como caída presión 22psi y 30 psi, respectivamente.

LAZO DE RECICLO RCY-2: Botón de Reciclo RCY-2: Instale el botón de reciclo y asigne como carga las corrientes HxHSale y como descarga la corriente Reciclo. El lazo de reciclo RCY-2 convergerá satisfactoriamente. 5. RESULTADOS La Figura 30.2 muestra el libro de trabajo con las especificaciones de todas las corrientes del diagrama de flujo después de colocados los reciclos.

6. CASOS DE ESTUDIO 6.1. ¿Qué cambios sugiere usted para aumentar la calidad del iso-octano? ¿Qué pasaría si se aumentan o disminuyen las corrientes de alimento BB1, BB2 y C4Sat? 6.2. Al observar que la corriente liquida del separador de fases es cero, ¿Qué pasaría si se reemplaza este separador por un mezclador?

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Figura 30.2. Libro de trabajo con especificaciones de las corrientes.

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31. PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL ETIL BENCENO 1. OBJETIVOS 1.1. Simular, en estado estacionario, el proceso de Síntesis del Etil Benceno a partir de Benceno y Etileno, asistido por HYSYS. 1.2. Analizar el sistema de reacción con sistemas de separación en serie. 1.3. Dimensionar válvulas de control y columnas de destilación mediante la asistencia de HYSYS

2. INTRODUCCIÓN En la práctica se analiza otro proceso complejo de múltiples unidades, que se caracterizan por tener varias operaciones unitarias: dos corrientes de reciclo. Hay una sección de reacción que consiste en dos reactores CSTR en serie y dos columnas de destilación para recircular los reactivos no convertidos y los subproductos formados para favorecer formación del Etilbenceno. En el reactor se alimenta la materia prima con un gran exceso de benceno de modo que la concentración del etileno sea pequeña. Esto se realiza con el objetivo de evitar una segunda reacción que produce Dietilbenceno que resulta en una gran corriente de reciclo de benceno en el proceso. A pesar del gran exceso de benceno, se produce una cantidad apreciable de Dietil benceno en el reactor y tiene que separarse del etil benceno y reciclarse a la sección de reacción.

3. PROCESO ESTUDIADO En el proceso considerado en esta práctica se produce etil benceno a partir de benceno y etileno. El etil benceno se utiliza para la producción de estireno, ana materia prima que se utiliza ampliamente en la producción de plásticos. El proceso se caracteriza por utilizar equipos de gran capacidad. Las materias primas etileno y benceno se producen en las refinerías de petróleo por medio del “cracking” térmico y catalítico. El proceso que se estudia es una versión simplificada del proceso real para facilitar su simulación. Sin embargo, ilustra las características esenciales de una simulación dinámica de una planta global. Hay dos reactores, dos columnas de destilación y dos corrientes de reciclo.

3.1. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Reacciones: Tipo: Cinético

Peng-Robinsón Benceno, Etileno, EtilBenceno, DietilBenceno, Nitrógeno

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Estequiometría: La reacción química básica es: Reacción 1: Benceno (B) + Etileno (E)  Etilbenceno (EB) Sin embargo, hay reacciones adicionales del etileno con el etil benceno para producir componentes de mayor orden. La principal es: Reacción 2: Etilbenceno (EB) + Etileno (E)  Dietilbenceno (DEB) Seguida por: Reacción 3: Dietilbenceno (DEB) + Benceno (B)  2 Etilbenceno (EB) Base: Para las tres reacciones la Base es concentración; el componente base es etileno; la fase de la reacción es Vapor y las unidades básicas son Kgmol/s-m3 para las velocidades de reacción, Kgmol/ m3 para las concentraciones y las temperaturas en Kelvin. Parámetros Cinéticos: Las ecuaciones cinéticas usadas para estas tres reacciones se dan a continuación. Estos parámetros se seleccionaron para dar conversiones y rendimientos típicos de los reactores comerciales.

R1  1.528  10 6 C B C E e

17000 RT

R2  2.778  10 4 C E C EB e R3  0.4167C DEB e

20000 RT

15000 RT

Donde las velocidades de reacción están en Kgmol/s-m3, las concentraciones en Kgmol/ m3 y la energías de activación en Kcal/mol

3.2 DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO La Figura 31.1 muestra el diagrama de flujo de este proceso de síntesis del Etil Benceno

DESCRIPCIÓN La sección de reacción consiste de dos grades reactores CSTR en serie, los alimentos de benceno y Etileno y una corriente de Reciclo se alimentan al primer reactor (Reactor_1) que opera a 160 ºC y 9 bar. El calor exotérmico de la reacción se elimina generando vapor de agua de baja de baja presión. El Etileno experimenta una conversión casi completa en el primer reactor. El efluente del primer reactor y una corriente de reciclo de DEB se

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alimentan al segundo reactor (Reactor_2) que opera adiabáticamente. La composición del efluente del segundo reactor (LiqDos) es aproximadamente 0.433 de Benceno, 0.442 de Etil Benceno, 0.1216 de DiEtil Benceno, y el resto es Nitrógeno y Etileno que no reacciona. La figura 31.1 muestra el diagrama de flujo.

Figura 31.1. Diagrama de flujo para la Producción de Etil Benceno

El efluente del segundo reactor (Reactor_2) se alimenta, por el plato 12, a una columna de destilación (Columna_1)de 24 platos que opera a 4.5 bar en el condensador y 4.6 en el rehervidor. El reciclo de Benceno sale por la cima (DestUno) y la mezcla EB/DEB por el fondo (FondUno). Esta columna tiene una razón de reflujo de 1.2 y especificaciones de las corriente de salida de 0.1% molar de Etilbenceno en el destilado y 0.1% molar de Benceno en el fondo. El producto de fondo de la columna (Columna_1)se alimenta a una segunda columna de destilación (Columna_2) que produce un destilado con alta pureza de Etilbenceno (DestDos). El producto de fondo (FondDos) es en gran parte DEB que se recicla al segundo reactor (Reactor_2), esta columna de 30 platos opera a 2 bar en el condensador y 2.2 bar en el Rehervidor. Y tiene una razón de reflujo de 1.04 y especificaciones de las corriente de salida de 0.1% molar de Dietilbenceno en el destilado y 0.1% molar de Etilbenceno en el fondo, considere un condensador total.

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4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Alimentación: Instale una corriente de Etileno puro, y asígnele como especificaciones 50 ºC, 11 bar, 630.6 Kgmol/h, y conéctela a una válvula V1 que descarga a la corriente Sale_V1 con una caída de presión de 2 bar. Instale la corriente NitroUno y asígnele las especificaciones de 50 ºC, 12 bar, 5 Kgmol/h y composición molar de 100 % en Nitrógeno, conecte esta corriente a una válvula V11 que descarga a la corriente Sale_V11 con una caída de presión de 2 bar. Instale una corriente Benceno, que igual que las dos anteriores, es benceno puro, y asígnele especificaciones de 50 ºC, 11 bar y 642 Kgmol/h, conecte esta corriente a la válvula V2 que descarga a la corriente Sale_V2 con una caída de presión de 2 bar. Instale la corriente RecicloUno y suponga las siguientes especificaciones: 90ºC, 9 bar, 600 Kgmol/h y fracciones molares de benceno de 0.9982, etil benceno de 0.0006 y dietil 0.0012. Reactor 1: Instale un reactor CSTR con nombre Reactor_1 y coloque como corrientes de entrada Sale_V1, Sale_V11, Sale_V2 y RecicloUno, además, coloque la corriente de energía QRreactor_1 y descárguelo con las corrientes de salida VapUno y LiqDos. En la página Overall de la pestaña Reactions introduzca el conjunto de reacciones Global Rxn Set. En la página Sizing de la pestaña Rating introduzca la dimensión de 200 m3 de volumen, luego haga clic en Basis y desactive las reacciones inversas. Como el Reactor_1 trabaja a 9 bar y 160ºC, usted debe asignar estas especificaciones a las corrientes de salida del Reactor_1. Instale la válvula V12 con una caída de presión de 2 bar y corriente de entrada VapUno y de a la que descarga a la corriente Sale_V12, de igual manera instale una válvula V3 conéctela con la corriente LiqUno y descárguela con la corriente Sale_V3 con una caída de presión de 1 bar. Reactor 2: Instale primero las siguientes corrientes: RecicloDos con las especificaciones supuestas de 222 ºC, 8 bares ,172 Kgmol/h, y fracciones molares de etilbenceno de 0.001 y dietilbenceno de 0.999 y la otra con nombre NitroDos con especificaciones de 50 ºC, 10 bar y 3 Kgmol/h y composición molar de 100 % en Nitrógeno, conecte esta última corriente a una válvula denominada V21 que descarga a la corriente Sale_V21 con una caída de presión de 2 bar. Instale ahora otro reactor CSTR de nombre Reactor_2 aliméntelo con las corrientes RecicloDos, Sale_V21 y sale_V3 y como corrientes de salida VapDos y LiqDos, este reactor es adiabático y no tiene corriente de energía. En la página Overall de la pestaña Reactions introduzca el conjunto de reacciones Global Rxn Set. En la página Sizing de la pestaña Rating introduzca la dimensión de 200 m3 como volumen del reactor. Haga clic en Basis y desactive las reacciones inversas. Conecte la corriente VapDos a la válvula V22 que descarga a la corriente Sale_V22 y asígnele una caída de presión de 1 bar, de igual manera conecte la corriente LiqDos a la válvula V4 que descarga a la corriente Sale_V4 con una caída de presión de 4.7 bar. Columna de destilación Colum1: Instale una columna de destilación con el nombre de Colum1, y mediante la guía del asistente especifique en su primera página 24 platos y condensador parcial, conéctela con la corriente de entrada Sale_V4 y corrientes de salida VenteoUno, DestUno y FondUno y corrientes de energía QCondUno y QRebUno. La corriente Sale_V4 entra por el plato 12. Asigne presiones de 4.5 bar y 4.6 bar en el Condensador y Rehervidor, respectivamente, y una relación de reflujo de 1.2. Haga clic 246

sobre el botón Done… del asistente. Seguidamente, haga clic sobre la página Specs de la pestaña Design y haga clic sobre el botón Add… para añadir una especificación de 0.001 como fracción molar de Etilbenceno y fase líquida en el condensador, repita lo mismo pero para añadir una especificación de 0.001 como fracción molar de Benceno y fase vapor en el rehervidor. Debe añadir también una especificación Ovhd Vap Rate en la corriente de venteo de 10 Kgmol/h. Cierre las ventanas, haga clic sobre la página Monitor y deje como especificaciones activas el Ovhd Vap Rate en la corriente de venteo y las fracciones molares de etilbbenceno y de benceno en el condensador y en el rehervidor. La columna debe converger satisfactoriamente. Bomba de Destilado 1: Instale una bomba con nombre de Bomba1, que succione la corriente DestUno y descargue como Sale_Bomba1. La corriente de energía nómbrela como HPBomba1. Asígnele un incremento de presión de 7.5 bar. Instale una válvula V9 cuya entrada sea la corriente Sale_Bomba1 y su corriente de salida sea Sale_V9; asígnele una caída de presión de 3 bar. Botón de reciclo 1: Instale un botón de reciclo con nombre, RCY-1, conéctelo con Sale_V9 como corriente de entrada y RecicloUno como corriente de salida. El lazo de reciclo RCY-1 convergerá satisfactoriamente. Columna de destilación Colum2: Instale una columna de destilación con el nombre de Colum2, y mediante la guía del asistente especifique en su primera página 30 platos y condensador total, conéctela con la corriente de entrada FondUno; corrientes de salida DestDos y FondDosy corrientes de energía QCondDos y QRehDos. La corriente FondUno entra por el plato 21. Asigne presiones de 2 bar y 2.2 bar en el Condensador y Rehervidor, respectivamente, y una relación de reflujo de 1.04. Haga clic sobre el botón Done… del asistente. Seguidamente, haga clic sobre la página Specs de la pestaña Design y haga clic sobre el botón Add… para añadir una especificación de 0.001 como fracción molar de Dietilbenceno y fase líquida en el condensador, repita lo mismo pero para añadir una especificación de 0.001 como fracción molar de Etilbenceno y fase vapor en el rehervidor. Cierre las ventanas, haga clic sobre la página Monitor y deje como especificaciones activas las fracciones molares de dietilbenceno y de Etilbenceno en el condensador y en el rehervidor. La columna debe converger satisfactoriamente. Bomba de Destilado 2: Instale una bomba con nombre de Bomba2, que succione la corriente FondDos y descargue como Sale_Bomba2. La corriente de energía nómbrela como HPBomba2. Asígnele un incremento de presión de 7.8 bar. Instale una válvula V6 cuya entrada sea la corriente Sale_Bomba2 y su corriente de salida sea Sale_V6; asígnele una caída de presión de 2 bar. Botón de reciclo 2: Instale un botón de reciclo con nombre, RCY-2, conéctelo con Sale_V6 como corriente de entrada y Reciclo2 como corriente de salida. El lazo de reciclo RCY-2 convergerá satisfactoriamente.

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5. RESULTADOS La Figura 31.2 muestra el libro de trabajo con las especificaciones finales de todas las corrientes del diagrama de flujo.

Figura 31.2. Libro de Trabajo con especificaciones de las corrientes

6. CASOS DE ESTUDIO 6.1 ¿Qué cambios sugiere usted para obtener que la corriente DestDos alcance una concentración mayor?

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32. REACTOR TUBULAR CON RECICLO GASEOSO 1. OBJETIVOS 1.1. Simular el comportamiento de un reactor tubular con reciclo de energía, en estado estacionario, y asistido por HYSYS 1.2. Analizar el efecto de cambios en las especificaciones de los productos en el comportamiento del proceso 1.3. Dimensionar intercambiadores de calor, separadores de fases y reactores tubulares mediante la asistencia de HYSYS

2. INTRODUCCIÓN En esta práctica se estudiará un proceso con múltiples unidades y con tres corrientes de reciclo. El proceso consiste de un reactor, tres intercambiadores de calor, un compresor, una bomba y un tanque separador. El reactor opera a alta temperatura y presión y con reacciones que se realizan en la fase gaseosa. La recuperación de la energía es importante y, por esto, se incorpora en el diseño el precalentamiento del alimento por medio del efluente caliente del reactor. Esta retroalimentación de energía hace más difícil el control del proceso. La conversión por paso es solo moderada y esto ocasiona que se necesite de un gran exceso de los reactivos, lo que ocasiona una gran corriente de reciclo

3. PROCESO ESTUDIADO El ejemplo que estudiaremos es el proceso de hidrodesalquilación del tolueno (HDA) que se ha considerado en profundidad por Douglas (“Conceptual Design of Chemical Processes, McGraw-Hill, 1988). Algunos valores de los parámetros que se usarán son ligeramente diferentes a los de Douglas

3.1 PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Reacciones

Peng Robinson Tolueno, Hidrógeno, Benceno, Metano y Difenilo Tipo: Cinético Estequiometria: Tolueno + H2 Benceno + Metano 2 Benceno Difenilo + H2

Se observa en el Balance que el calor de reacción a 25 ºC es de -18000 BTU/lbmol para la primera (reacción exotérmica) y de 3500 BTU/lbmol para la segunda (reacción endotérmica)

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Base: Para ambas reacciones la Base es presión parcial; los componentes bases tolueno y benceno, respectivamente; la fase de la reacción es Vapor y las unidades bases son psia para la presión y lbmol/pie3-h para la velocidad de reacción. Parámetros Cinéticos: Los parámetros cinéticos son los de las expresiones cinéticas dadas en Luyben et al. (“Plantwide Process Control”, McGraw-Hill). Sin embargo, cuando se usan estas expresiones cinéticas se obtienen conversiones del 100% para el tolueno. Se tomó un enfoque empírico, el factor preexponencial de ambas reacciones se modificó hasta que los flujos molares de benceno y difenilo que salen del reactor fueran similares a los dados por Douglas. Las ecuaciones usadas en la simulación son:

R1  3.68 x10 6 * exp( 

R2  9.0 x10 4 * exp( 

90800 ) PT PH 2 RT

90800 2 90800 ) PB  2.553x10 5 * exp(  ) PD PH 2 RT RT

Donde las velocidades de reacción tienen unidades de lbmol/h-pie3, las concentraciones están en lbmol/pie3, la energía de activación está en BTU/lbmol y la temperatura en ºR

3.2 DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO La Figura 32.1 muestra el diagrama de flujo de este proceso terminada la simulación con los tres lazos de reciclo.

3.2.1 DESCRIPCIÓN Se introducen dos corrientes de alimento al proceso. Un alimento gaseoso de hidrógeno (Fracción de vapor = 1.0, 549.7 ºR, 591 psia, 484 lbmol/h, 98 % molar de H2 y 2 % molar de metano) y un alimento líquido de tolueno puro (Fracción de vapor = 0.0, 549.7 ºR, 591 psia, 370 lbmol/h). Estos se combinan con una gran corriente gaseosa de reciclo, que es una mezcla de hidrógeno y metano. La corriente mixta se calienta en un intercambiador de calor efluente/alimento (FEHE), por donde circula el efluente del reactor y, adicionalmente, en un horno para elevar la temperatura de entrada al reactor a 1150 ºF. La presión de entrada al reactor es de 521 psia. El reactor es tubular y adiabático sin catalizador. El recipiente tiene 9.53 pies de diámetro y 57 pies de longitud. El alimento tiene 376 lbmol/h de tolueno y 2132 lbmol/h de hidrógeno. El gran exceso de hidrógeno es necesario para prevenir la coquización dentro del reactor a estas altas temperaturas.

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Figura 32.1. Reactor tubular con reciclo de energía del proceso HDA

El efluente del reactor contiene 106 lbmol/h de tolueno, de modo que la conversión por paso es de 72 %. Se producen 4.8 lbmol/h de difenilo. La primera reacción exotérmica ocasiona que la temperatura adiabática aumente 69 ºF (la temperatura a la salida del reactor es de 1219 ºF). El efluente caliente del reactor se enfría rápidamente a 1130 ºF agregándole un líquido frío (135 lbmol/h) para impedir la coquización. Esta corriente caliente entra a un gran intercambiador de calor (área de 30000 pie2) en donde se enfría hasta 252 ºF. El coeficiente de transferencia global de calor es bajo (20 BTU/h-pie2-ºF) porque es un sistema gas-gas. Luego se utiliza un intercambiador de calor enfriado por agua para enfriar la corriente a 113 ºF. Una parte de la corriente se condensa para formar una mezcla formada en su mayor parte por benceno, tolueno y difenilo. Las fases líquida y gaseosa se separan en un tanque separador. Una parte del gas se purga (476 lbmol/h) para eliminar el metano que se forma en la reacción. La composición de esta purga es aproximadamente de 60 % molar de metano y 40 % molar de hidrógeno. El resto del gas (3990 lbmol/h) se comprime y se recicla al comienzo del proceso. La corriente líquida que constituye el producto de este proceso es una mezcla de benceno, en gran proporción, tolueno y difenilo. Esta corriente pasa a un tren de separación que no se incluye en esta simulación.

4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Se consigue una convergencia del proceso haciendo una simulación escalonada de cada uno de los lazos de reciclo incluidos en el proceso. Por lo tanto, después de la instalación de las

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corrientes de alimento se asumen algunas corrientes y se simula primero el lazo RECIUno, luego el RECIDos y finalmente el RECITres Alimentación: Instale las corrientes Tolueno e Hidrógeno con las especificaciones anotadas en 3.2, instale las válvulas V1 y V2 con caídas de presión de 50 psi para cada una. Instale la corriente ReciGas y asígnele las especificaciones supuestas de 118.20 ºF, 541 psia, 3990 lbmol/h, 60 % molar de metano y 40 % molar de hidrógeno. Alimente las tres corrientes al mezclador M1 y denomine como EntInt a su corriente de salida, la cual debe estar completamente especificada junto con el mezclador

LAZO DE RECICLO RECIUno: Corriente EntCoraza: Instale una corriente con este nombre y asígnele las siguientes especificaciones supuestas: 1103 ºF, 504 psia, 4994 lbmol/h, 10 % molar de Tolueno, 20 % molar de Hidrógeno 50 % de Benceno, 10 % de metano y 10 % de Difenilo. Intercambiador FEHE: Instale un intercambiador de carcasa y tubo y nómbrelo como FEHE. Conecte por los tubos la corriente de entrada EntInt y como corriente de salida EntHorno. Conecte por la coraza la corriente de entrada EntCoraza y como corriente de salida EntConden. En la página Parámetros de la pestaña Design, asigne una Caída de presión de 10 psi por lo tubos y 2 psi por la carcasa y seleccione como Heat Exchanger Model el Ponderado (Weighted) y digite 600000 BTU/ºF-h al Overall UA (30000 pie2*20 BTU/h-ºF-pie2). Horno: Instale un heater para simular un horno, aliméntelo con la corriente EntHorno y descárguelo con la corriente EntReactor y conéctele su corriente de energía QHorno. En la página Parámetros de la pestaña Design digite una caída de presión de 10 psi. En la página Condiciones de la pestaña Worksheet digite para la corriente EntReactor las especificaciones 1150 ºF y 521 psia. Reactor: Instale un reactor tubular alimentándolo con la corriente EntReactor y descargándolo con la corriente SaleReactor. En la página Parámetros de la pestaña Design digite 17 psia como caída de presión. En la página Overall de la pestaña Reactions introduzca el conjunto de reacciones Global Rxn Set. En la página Sizing de la pestaña Rating introduzca las dimensiones de 9.53 pie de diámetro y 57 pies de longitud Mezclador M2: Aliméntelo con las corrientes SaleReactor y Quench y descárguelo con la corriente SaleQuench. Asígnele a la corriente Quench las siguientes especificaciones: Fracción de vapor = 0.0, 113 ºF, 534 psia, 150 lbmol/h, 70 % de Benceno, 20 % de Tolueno y 10 % de difenilo. Botón de reciclo RECIUno: Instale un botón de reciclo con dicho nombre, conéctelo con SaleQuench como corriente de entrada y EntCoraza como corriente de salida. El lazo de reciclo RCIUno convergerá satisfactoriamente.

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LAZO DE RECICLO RECIDos: Condensador: Instale un cooler para simular un condensador del mismo nombre. Aliméntelo con la corriente EntConden y descárguelo con la corriente SaleConden, y conéctele una corriente de energía de nombre QConden. En la página Parámetros de la pestaña Design asigne una caída de presión de 10 psi y en la página Conditions de la pestaña Worksheet asigne una temperatura de 113 ºF a la corriente SaleConden Separador de Fases: Instale un separador de fases con el nombre Separador. Conéctelo con la corriente SaleConden como alimento y las corrientes Gas y Líquido como corrientes de salida Bombeo de líquido: Instale una bomba con el nombre de B1 y conéctela en la succión con la corriente Líquido y en la descarga Sale_B1, además conecte su corriente de energía con el nombre de HPBomba. En la página Parámetros de la pestaña Design asigne 108 psi como caída de presión Divisor de la corriente de descarga de la bomba: Instale un divisor de corriente con el nombre de T1. Aliméntelo con la corriente Sale_B1 la cual se divide en EntR2 y SaleT1. En la página Parámetros de la pestaña Design asigne el valor de 0.1 para la fracción correspondiente a EntR2. La corriente SaleT1 después de circular por la válvula V3 (Caída de presión = 50 psi) es el producto de Benceno deseado. Botón de reciclo RECIDos: Instale un botón de reciclo con dicho nombre, conéctelo con EntR2 como corriente de entrada y Quench como corriente de salida. El lazo de reciclo RECIDos convergerá satisfactoriamente.

LAZO DE RECICLO RECITres: Compresor de Gas: Instale un compresor con dicho nombre y asigne como carga la corriente Gas y como descarga la corriente denominada Descarga, además de la conexión de la corriente de energía HPComp. Asigne a la corriente Descarga una presion de 542 psia Divisor de la corriente Descarga: Instale un divisor de corriente con el nombre de T2. Aliméntelo con la corriente Descarga la cual se divide en GasReciclo y Entra_V4. En la página Parámetros de la pestaña Design asigne el valor de 0.1 para la fracción correspondiente a Entra_V4. La corriente Entra_V4 después de circular por la válvula V4 (Caída de presión = 50 psi) es la corriente de purga. Botón de reciclo RECITres: Instale un botón de reciclo con dicho nombre, conéctelo con GasReciclo como corriente de entrada y ReciGas como corriente de salida. El lazo de reciclo RECITres convergerá satisfactoriamente.

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5. RESULTADOS La Figura 32.2 muestra el libro de trabajo con las especificaciones finales de todas las corrientes del diagrama de flujo

Figura 32.2. Libro de Trabajo con especificaciones de las corrientes

6. CASOS DE ESTUDIO 6.1 ¿Qué cambios sugiere usted para aumentar esta calidad del producto del 85 % obtenido al 99 %? 6.2 ¿Qué cambios haría usted para conseguir una disminución en el flujo de la purga? 6.3 Como un ejercicio, desarrolle el diseño del intercambiador de calor FEHE, separador de fases y del reactor tubular, acéptelos y transfiéralos al PFD

del

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33. PROCESO DE PRODUCCIÓN DE BENCENO 1. OBJETIVOS 1. Simular, en estado estacionario, el proceso de hidrodesalquilación del tolueno para producir benceno. 2. Simular el comportamiento de un reactor tubular con reciclo y el de las columnas de separación 3. Dimensionar intercambiadores de calor, separadores de fases, reactores tubulares y columnas de destilación mediante la asistencia de HYSYS.

2. INTRODUCCIÓN El diseño en estado estacionario de este proceso se ha estudiado extensivamente por Douglas en varios artículos y en el libro de texto “Conceptual Designo of Chemical Processes” (McGraw-Hill), 1998). La química y la sección de reacciones se encuentran en el capitulo 13 de “Plantwide Dynamic Simulators in Chemical Processing and Control, W.L. Luyben, Dekker). En una práctica anterior se analizo el sistema de reacción. Recordemos que el reactor se opera adiabáticamente a altas temperatura y presión. La reacción ocurre en la fase gaseosa y se utiliza un gran exceso de hidrógeno para suprimir el “Cracking”. Una gran corriente de reciclo gaseoso que sale del separador se comprime y se retorna al reactor. En esta práctica se agrega la sección de separación. La Figura 1 muestra el diagrama de flujo. El líquido que sale del separador consiste en su mayor parte de benceno, tolueno, y difenilo con unas pequeñas cantidades disueltas de hidrógeno y metano. Esta corriente tiene que separarse en una corriente de producto (benceno), una corriente de subproducto (difenilo) y una corriente de reciclo de tolueno. Se utiliza una secuencia de tres columnas de destilación porque las volatilidades relativas de los varios componentes son bastantes diferentes.

3. PROCESO ESTUDIADO El ejemplo que estudiaremos es el proceso de hidrodesalquilación del tolueno (HDA) para la producción de benceno, que se ha considerado en profundidad por Douglas (“Conceptual Design of Chemical Proceses, McGraw-Hill, 1998). Algunos valores de los parámetros que se usarán son ligeramente diferentes a los de Douglas.

3.1. PAQUETE FLUIDO: Ecuación: Componentes:

Lee Kesler Pocker Tolueno, Hidrógeno, Benceno, Metano y Difenilo.

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Reacciones: Tipo: Estequiometria:

Cinético Tolueno + H2 2Benceno

Benceno + Metano Difenilo + H2

Para introducir las dos reacciones se va a la pestaña Rxns, luego se le da clic a la casilla Simulación Basis Mgr y luego en Add Comps y en add this groups of components, se cierra la ventana y se pulsa Add Rxn, se escoge el tipo de reacción y se pulsa Add Reaction, se despliega la ventana y se escogen todos los componentes, colocando los coeficientes estequiometricos de la siguiente manera productos (+) y reactivos (-). Se observa en el Balance que el calor de reacción a 25°C es de -18000 BTU/lbmol para la primera (reacción exotérmica) y de 3500 BTU/lbmol para la segunda (reacción endotérmica) Base: Para ambas reacciones la Base es presión parcial; los componentes bases tolueno y benceno, respectivamente; la fase de la reacción es Vapor y las unidades bases son psia para la presión y lbmol/pie3 h para la velocidad de reacción. Parámetros Cinéticos: Los parámetros cinéticos son los de las expresiones cinéticas dadas en Luyben et al. (“Plantwide Process Control”, McGraw-Hill). Sin embargo, cuando se usan estas expresiones cinéticas se obtienen conversiones del 100% para el tolueno. Se tomó un enfoque empírico, el factor preexponencial de ambas reacciones se modificó hasta que los flujos molares de benceno y difenilo que salen del reactor fueran similares a los dados por Douglas. Las ecuaciones usadas en la simulación son:

 90800  R1  3.68  10 6  exp   PT PH 2  RT   90800  2  90800  5 R2  9  10 4  exp   PB - 2.553  10  exp   PD PH 2  RT   RT  Donde las velocidades de reacción tienen unidades de lbmol/h-pie3 las concentraciones están en lbmol/pie3 la energía de activación está en BTU/lbmol y la temperatura en ºR. Los parámetros cinéticos se introducen de la siguiente manera: Se va a la pestaña Reaction, se añade le reacción en Add Reaction y se introduce la estequiometría, negativo para los reaccionantes y positivo para los productos, en Basis Presión Parcial y la reacción en fase líquida luego se introducen los valores de la cinética de la reacción en la pagina Parameters, y se cierra la ventana. Hay que anotar que cada reacción tiene su estequiometria, una irreversible y otra reversible, esto se ve reflejado en Foward and Reverse Reaction.

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Después de haber ingresado ambas reacciones se agregan al PFD, mediante el botón Add To FP, para luego ingresar al ambiente de simulación (Enter to Simulation Enviroment).

3.2. DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO La Figura 33.1 muestra el diagrama de flujo de este proceso terminada la simulación con los cuatro lazos de reciclo.

3.2.1. DESCRIPCIÓN Se introducen dos corrientes de alimento al proceso. Un alimento gaseoso de hidrógeno (Fracción de vapor = 1.0, 549.7 ºR, 591 psia, 484 lbmol/h, 98 % molar de H2 y 2 % molar de metano) y un alimento líquido de tolueno puro (fracción de vapor = 0.0, 549.7 ºR, 591 psia, 370 lbmol/h). El tolueno se mezcla con un reciclo de tolueno (que viene de la sección de separación), la corriente de salida de este mezclador se combina con el hidrogeno y la gran corriente gaseosa de reciclo, que es una mezcla de hidrógeno y metano (60% de metano y 40% de Hidrógeno); la corriente mixta se calienta en un intercambiador de calor efluente/alimento (FEHE) por donde circula el efluente del reactor y, adicionalmente, en un horno para elevar la temperatura de entrada al reactor a 1150 ºF. La presión de entrada al reactor es de 521 psia. El reactor es tubular y adiabático sin catalizador. El recipiente tiene 9.53 pies de diámetro y 57 pies de longitud. El alimento tiene 376 lbmol/h de tolueno y 2132 lbmol/h de hidrógeno. El gran exceso de hidrógeno es necesario para prevenir la coquización dentro del reactor a estas altas temperaturas. El efluente del reactor contiene 106 lbmol/h de tolueno, de modo que la conversión por paso es de 72 %. Se producen 4.8 lbmol/h de difenilo. La primera reacción exotérmica ocasiona que la temperatura adiabática aumente 69 ºF (La temperatura a la salida del reactor es de 1219 ºF). El efluente caliente del reactor se enfría rápidamente a 1130 ºF agregándole un líquido frío (135 lbmol/h) para impedir la coquización. Esta corriente caliente entra a un gran intercambiador de calor (área de 30000 pie2) en donde se enfría hasta 252 ºF. El coeficiente de transferencia global de calor es bajo (20 BTU/h-pie2-ºF) porque es un sistema gas-gas. Luego se utiliza un intercambiador de calor enfriado por agua para enfriar la corriente a 113 ºF. Una parte de la corriente se condensa para formar una mezcla formada en su mayor parte por benceno, tolueno y difenilo. Las fases liquida y gaseosa se separan en un tanque separador. Una parte del gas se purga (476 lbmol/h) para eliminar el metano que se forma en la reacción. La composición de esta purga es aproximadamente de 60% molar de metano y 40% molar de hidrogeno. El resto del gas (3990 lbmol/h) se comprime y se recicla al comienzo del proceso.

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Figura 33.1. Diagrama de flujo del proceso de producción de benceno

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La corriente liquida que constituye el producto de este proceso es una mezcla de benceno, en gran proporción, tolueno y difenilo. Esta corriente es la corriente de alimento que pasa a un tren de separación se usa el método de separación “directa” (el más liviano es el primero que sale).

4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Se consigue una convergencia del proceso haciendo una simulación escalonada de cada uno de los lazos de reciclo incluidos en el proceso. Por lo tanto, después de la instalación de las corrientes de alimento se asumen algunas corrientes y se simula primero el lazo ReciUno, luego el ReciDos, después ReciTres y finalmente ReciCuatro. Alimentación: Instale las corrientes Tolueno e Hidrógeno con las especificaciones anotadas en 3.2, instale las válvulas V1 y V2 con caídas de presión de 50 psi para cada una. Instale la corriente ReciGas y asígnele las especificaciones supuestas de 118.20 ºF, 541 psia, 3990 lbmol/h, 60 % molar de metano y 40 % molar de hidrógeno; además, asigne una corriente ReciTolueno con las especificaciones supuestas de 541 psia de presión, 282.22 °F, 167 lbmol/h y una composición de 0.999197 de tolueno, 0.000603 de benceno y 0.0002 de difenilo. Instale un mezclador M3 y conecte SaleV1 y ReciTolueno como corrientes de entrada y TolTotal como corriente de salida, luego conecte las corrientes ReciGas, SaleV2 y TolTotal a un mezclador M1 y denomine como EntInt a su corriente de salida, la cual debe estar completamente especificada junto con el mezclador.

LAZO DE RECICLO ReciUno: Corriente EntCoraza: Instale una corriente con este nombre y asígnele las siguientes especificaciones supuestas: 1103 ºF, 504 psia, 4994 lbmol/h, 10 % molar de Tolueno, 20 % molar de Hidrógeno 50 % de Benceno, 10 % de metano y 10 % de Difenilo. Intercambiador FEHE: Instale un intercambiador de carcasa y tubo y nómbrelo como FEHE. Conecte por los tubos la corriente de entrada EntInt y como corriente de salida EntHorno. Conecte por la coraza la corriente de entrada EntCoraza y como corriente de salida EntConden. En la página Parámetros de la pestaña Design, asigne una caída de presión de10 psi por los tubos y 2 psi por la carcaza y seleccione como Heat Exchanger Model el Ponderado (Weighted) y digite 600.000 BTU/ºF-h al Overall UA (30000 pie2 *20 BTU/h-ºF-pie2). Horno: Instale un heater para simular un horno, aliméntelo con la corriente EntHorno y descárguelo con la corriente EntReactor y conéctele su corriente de energía QHorno. En la página Parámetros de la pestaña Design digite una caída de presión de 10 psi. En la página Condiciones de la pestaña Worksheet digite para la corriente EntReactor las especificaciones 1150 ºF. Reactor: Instale un reactor tubular alimentándolo con la corriente EntReactor y descargándolo con la corriente SaleReactor. En la página Overall de la pestaña Reactions 259

introduzca el conjunto de reacciones Global Rxn Set. En la página Sizing de la pestaña Rating introduzca las dimensiones de 9.53 pie y 57 pies de longitud y una caída de presión de 17 psia. Mezclador M2: Aliméntelo con las corrientes SaleReactor y Quench y descárguelo con la corriente SaleQuench. Asígnele a la corriente Quench las siguientes especificaciones: (Fracción de vapor = 0.0, 113 ºF, 534 psia, 150 lbmol/h, 70 % molar de Benceno, 20 % de Tolueno y 10 % de difenilo. Botón de reciclo ReciUno: Instale un botón de reciclo con dicho nombre, conéctelo con SaleQuench como corriente de entrada y EntCoraza como corriente de salida. El lazo de reciclo ReciUno convergerá satisfactoriamente.

LAZO DE RECICLO ReciDos: Condensador: Instale un cooler para simular un condensador del mismo nombre. Aliméntelo con la corriente EntConden y descárguelo con la corriente SaleConden, y conéctele una corriente de energía de nombre QConden. En la página Parámetros de la pestaña Design asigne una caída de presión de 10 psi y en la página Conditions de la pestaña Worksheet asigne una temperatura de 113 ºF a la corriente SaleConden. Separador de Fases: Instale un separador de fases con el nombre Separador, Conéctelo con la corriente SaleConden como alimento y las corrientes Gas y Líquido como corrientes de salida. Bombeo de líquido: Instale una bomba con el nombre de B1 y conéctela en la succión con la corriente Líquido y en la descarga SaleB1, además, conecte su corriente de energía con el nombre de HPBomba. En la página Parámetros de la pestaña Design asigne 108 psi como caída de presión Divisor de la corriente de descarga de la bomba: Instale un divisor de corriente con el nombre de T1. Aliméntelo con la corriente SaleB1, la cual se divide en EntR2 y Sale T1 y en la página parámetros de la pestaña Desing asigne el valor de 0.1 para la fracción correspondiente a EntR2. La corriente SaleT1 después de circular por la válvula V3 con una caída de presión igual a 50 psi es el producto de Benceno deseado. Botón de reciclo ReciDos: Instale un botón de reciclo con dicho nombre, conéctelo con EntR2 como corriente de entrada y Quench como corriente de salida. El lazo de reciclo ReciDos convergerá satisfactoriamente.

LAZO DE RECICLO ReciTres: Compresor de Gas: Instale un compresor con dicho nombre y asigne como carga la corriente Gas y como descarga la corriente denominada Descarga, además de la conexión 260

de la corriente de energía HPComp. Asigne a la corriente Descarga una presión de 542 psia. Divisor de la corriente Descarga: Instale un divisor de corriente con el nombre T2 y alimentelo con la corriente Descarga la cual se divide en GasReciclo y EntraV4, en la pagina parámetros de la pestaña Desing asigne el valor de 0.1 para la fracción correspondiente a EntraV4; la corriente EntraV4 después de circular por la válvula V4 con una caída de presión igual a 50 psi que es la corriente de purga. Botón de reciclo ReciTres: Instale un botón de reciclo con dicho nombre, conéctelo con GasReciclo como corriente de entrada y ReciGas como corriente de salida, el lazo de ReciTres convergerá satisfactoriamente.

SECCIÓN DE SEPARACIÓN Para que este sistema converja es necesario que a la primera parte de la simulación (Reactor Tubular con Reciclo Gaseoso) se le hagan ciertas modificaciones, para que arrogara las concentraciones iniciales. Estas modificaciones radican al incrementar el número de paso o la fracción de vacío en el reactor. La fase líquida del separador va a una bomba y se divide en la corriente que se utiliza para el enfriamiento rápido de la corriente que sale del reactor y la corriente alimento a la primera columna, la Estabilizadora. Esta corriente tiene 0.0027 % molar de hidrógeno, 3.5048% molar de metano, 64.0428% molar de tolueno y 1.7003% molar de difenilo. Se usa el método de separación “directa” (el más liviano es el primero que sale). Columna Estabilizadora: La columna tiene 6 platos, el alimento se suministra en el plato 4, opera a 150 psia, el condensador es solo reflujo (Full Reflux), tiene 1 pie de diámetro, el volumen del acumulador de reflujo es de 7.5 pies3 y el de la base de 250 pies3, asignele los nombres a las corrientes de energía: Qconden1 al calor del condensador, Qreh1 al calor del rehervidor, a las corrientes de materia Dest1 al destilado, Bot1 al producto de fondo. En la página “Desing” vista “specs” agregue las siguientes especificaciones: Fracción molar destilado XD1= 4.2 x 10-2, Fracción molar fondo XB1= 1.0 x 10-6, flujo de destilado = 15.68 lbmol/h, razón de reflujo de 1.606, flujo de calor en el rehervidor de 4.9 x 10 6 BTU/h, temperatura de 120°F. Luego en la vista monitor deje activo XD1 y XB1. La Figura 33.2 muestra estos estimativos. Conecte a las corrientes de salida las válvulas V5 y V6, con una caída de presión de 50 psia.

Columna Producto T_102: la columna tiene 27 platos, el alimento se suministra en el plato 13, opera a 30 psia, el condensador es total, la columna tiene 5.7 pies de diámetro, el volumen del acumulador de reflujo es de 293 pies3 y el de la base de 316 pies3, asignele los nombres a las corrientes de energía: Qconden2 al calor del condensador, Qreh2 al calor del rehervidor, a las corrientes de materia Dest2 al destilado, Bot2 al producto de fondo. En la página “Desing” vista “specs” agregue las siguientes especificaciones: Fracción molar

261

destilado XD2= 3.0 x 10-4, Fracción molar fondo XB2= 6.0 x 10-4, flujo de destilado = 273.4 lbmol/h, razón de reflujo de 1.668 x 10-3, flujo de calor en el rehervidor de 15.77 x 106 BTU/h, temperatura de 222.7°F. Luego en la vista monitor deje activo XD2 y XB2. La Figura 33.3 muestra estos estimativos. Conecte a la corriente de salida Dest2 la válvulas V7 y a Bot2 conecte una bomba B2, con un incremento de 100 psia, luego a SaleB2 conecte una válvula V8, ambas válvulas tienen una caída de presión de 50 psia.

Figura 33.2. Especificaciones y estimativos de la columna estabilizadora

Figura 33.3. Especificaciones y estimativos de la columna T_102

Columna Reciclo T_103: la columna tiene 7 platos, el alimento se suministra en el plato 3, opera a 30 psia, el condensador es total, la columna tiene 2.5 pies de diámetro, el volumen del acumulador de reflujo es de 36 pies3 y el de la base de 46 pies3, asignele los nombres a las corrientes de energía: Qconden3 al calor del condensador, Qreh3 al calor del rehervidor, a las corrientes de materia Dest3 al destilado, Bot3 al producto de fondo. En la página 262

“Desing” vista “specs” agregue las siguientes especificaciones: Fracción molar destilado XD3= 2.0 x 10-4, Fracción molar fondo XB3= 2.6 x 10-4, flujo de destilado = 131.6 lbmol/h, razón de reflujo de 9.554 x 106, flujo de calor en el rehervidor de 2.12 x 106 BTU/h, temperatura de 278.4°F. Luego en la vista monitor deje activo XD3 y XB3. La Figura 33.4 muestra estos estimativos. Conecte a la corriente de salida Dest2 conecte una bomba B3, con un incremento de 511 psia, y a Bot3 conecte una válvula V9, con una caída de presión.

Figura 33.4. Especificaciones y estimativos de la columna T_103

Botón De Reciclo ReciCuatro: el botón de reciclo se conecta a la entrada con SaleB3 y a la salida con ReciTolueno, esta corriente ReciTolueno se asume inicialmente con una presión de 541 psia, 282.22 °F, 167 lbmol/h y una composición de 0.999197 de tolueno, 0.000603 de benceno y 0.0002 de difenilo. Con estas suposiciones, el sistema converge de manera satisfactoria.

5. RESULTADOS La Figura 33.5 muestra el libro de trabajo con las especificaciones finales de todas las corrientes del diagrama.

6. CASOS DE ESTUDIO 6.1. Si le solicitara que disminuyera el flujo de purga que se está liberando, ¿Qué cambios haría para lograr este propósito? 6.2. ¿Qué se puede hacer para obtener mayor producción de benceno al final del proceso? 263

6.3. ¿Qué cambios le haría al proceso para que exista una mejor integración tanto másica como energética?

Figura 33.5. Libro de trabajo con las especificaciones de las corrientes del proceso

264

34. PROCESO DE PRODUCCIÓN DE ACETONA 1. OBJETIVOS 1.1. Simular el proceso de la producción de acetona, en estado estacionario asistido por HYSYS. 1.2. Analizar el efecto de cambios en las especificaciones de los productos en el comportamiento del proceso.

2. INTRODUCCIÓN Acetona es normalmente producida en cantidades comerciales como sub-producto en la formación del fenol. Sin embargo, la acetona producida contiene pequeñas cantidades del reactante benceno y el producto deseado (fenol). En el pasado dichas impurezas eran consideradas entre los límites permisibles por la ley. No obstante, recientes revisiones de estos límites han generado que procesos alternativos para la producción de acetona sean más atractivos. En esta práctica se estudiará el proceso para la producción de acetona empleando alcohol isopropílico (IPA) como materia prima. Ésta es una opción comercialmente viable, la ventaja principal de este proceso es que la acetona producida se encuentra libre de compuestos aromáticos, particularmente benceno. Por ésta razón acetona producida a partir de IPA puede ser favorable para la industria farmacéutica.

3. PROCESO ESTUDIADO La producción de acetona a partir de alcohol isopropílico es un método atractivo usado en la industria farmacéutica. Este proceso estacionario es considerado por Turton (Análisis, Síntesis and Design of Chemical Processes”, Prectice Hall, 1998).

3.1. PAQUETE DE FLUIDO Ecuación: Componentes: Reacciones: Tipo: Estequiometria:

UNIQUAC Alcohol Isopropílico, Acetona, Hidrógeno, Agua. Cinético La química consiste en la siguiente reacción:

(CH3)2CHOH



(CH3)2CO

+ H2

265

La reacción para formar acetona a partir de alcohol isopropílico es endotérmica con un calor estándar de reacción de 62.9 kJ/mol. La reacción es cinéticamente controlada y ocurre sobre un catalizador. En la practica, algunas reacciones laterales pueden ocurrir produciendo Propileno, Diisopropil Eter, Acetaldehído y otros hidrocarburos y óxidos de carbono en pequeñas proporciones. Base: Para la reacción presentada la base es concentración molar; el componente base es el alcohol isopropílico; la fase de la reacción es Vapor y las unidades bases son kmol/m3 gas y kmol/m3 reactor-s para la velocidad de reacción. Parámetros Cinéticos: La ecuación usada en la simulación es:

rIPA = 3.51x105

e

 72380     RT 

CIPA

Donde la velocidad de reacción está en kmol/m3 reactor-s, la concentración en kmol/m3, la energía de activación está en kJ/kmol, y la temperatura en grados centígrados.

3.2. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO La Figura 34.1 muestra el diagrama de flujo de este proceso terminada la simulación.

Figura 34.1. Diagrama de flujo del proceso de producción de acetona

266

3.2.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Una mezcla azeotrópica de alcohol isopropílico y agua, corriente IsoPropyl Alcohol (51.96 kmol/h, 25 ºC, 1.01 bar, 34.82 kmol/h de IPA, 17.14 kmol/h de Agua) es alimentado a un mezclador donde se mezcla con la corriente ReciIPA (5.88 kmol/h, 83 ºC, 1.2 bar, 0.16 kmol de Acetona, 3.82 kmol/h de IPA, 1.9 kmol/h de agua), una mezcla de IPA sin reaccionar y agua. Este material es vaporizado antes de alimentarse al reactor hasta una temperatura de 234 ºC y 2.16 bar. El reactor opera a 2 bar y 350 ºC, la presión de entrada al reactor es 2.16 bar y la de salida es 1.91 bar. El recipiente tiene 1.85 m de diámetro y 8 m de longitud. El alimento al reactor tiene 0.16 kmol/h de acetona, 38.64 kmol/h de IPA y 19.04 kmol/h de agua. El efluente del reactor contiene 3.86 kmol/h de IPA, de modo que la conversión por paso es de 90%. Se producen 34.78 kmol/h de Hidrógeno. El efluente caliente del reactor se enfría agregándole un líquido frío en dos intercambiadores antes de alimentarse al separador (V401). El vapor que deja el separador se absorbe con agua de proceso para recuperar la acetona, y entonces este líquido se combina con el líquido que sale del separador para ser enviado a la sección de separación. Se emplean dos torres de destilación para separar el producto de acetona (98% molar) y remover el exceso de agua y el IPA sin reaccionar que se reciclan al comienzo del proceso.

4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Se consigue una convergencia del proceso después de la instalación de las corrientes de alimento, se asumen algunas corrientes y se simula el sistema de reacción, la instalación del absorbedor y luego la adición de las dos columnas de destilación para efectuar la separación. Alimentación: Instale las corrientes IsoPropyl Alcohol y ReciIPA, con las especificaciones anotadas en 3.2.1. Instale el mezclador M1 como se muestra en la Figura 34.2.

Figura 34.2 Corrientes conectadas al mezclador M1

267

Bombeo de líquido: Instale una bomba con el nombre de B1 y conéctela en la succión con la corriente To_B1 y en la descarga Sale_B1, además conecte su corriente de energía con el nombre de HP_B1. En la página Parámetros de la pestaña Design asigne 2 bar como caída de presión. Intercambiador E-401: Instale la válvula V1 con Sale_B1 como entrada y la corriente Sale_V1 como salida. Alimente Sale_V1 por los tubos al intercambiador E-401 y la corriente EntReactor como salida. Alimente por la coraza la corriente hps1in (fracción de vapor = 1, 254 ºC, 2990 kg/h) y la corriente hps1out como salida. En la página Parámetros de la pestaña Design, asigne una caída de presión de 0.14 bar por los tubos y 0.1 bar por la coraza, seleccione como Heat Exchanger Model el ponderado (Weighted). En la página Condiciones de la pestaña Worksheet digite para la corriente EntReactor la especificación de 234 ºC. Observe Figura 34.3

Figura 34.3. Corrientes conectadas al intercambiador E-401

Reactor: Instale un reactor tubular alimentándolo con la corriente EntReactor y descargándolo con la corriente SaleReactor con la corriente de energía Qreac. En la página Parámetros de la pestaña Design asígnele una caída de presión de 0.25 bar y un Duty de calentamiento de 6.19x105 kcal/h. En la página Overall de la pestaña Reactions introduzca el conjunto de reacciones Global Rxn Set. En la página Sizing de la pestaña Rating introduzca las dimensiones de 1.85 m de diámetro y 8 m de longitud. Observe Figura 34.4. Intercambiador E-402: Alimente SaleReactor por los tubos al intercambiador E-402 y la corriente to_E-403 como salida. Alimente por la coraza la corriente cw1in (fracción de vapor = 0, 30 ºC, 3 bar. 77900 kg/h) y la corriente cw1out como salida. En la página Parámetros de la pestaña Design, asigne una caída de presión de 0.14 bar por los tubos y 0.0 bar por la coraza, seleccione como Heat Exchanger Model el ponderado (Weighted). En la página Condiciones de la pestaña Worksheet digite para la corriente to_E-403 la especificación de 45 ºC. Observe la Figura 34.5.

268

Figura 34.4. Especificaciones del reactor R-401

Figura 34.5. Especificaciones del intercambiador E-402

Intercambiador E-403: Alimente to_E-403 por los tubos al intercambiador E-403 y la corriente to_V-401 como salida. Alimente por la coraza la corriente rw1in (fracción de vapor = 0, 5 ºC, 3 bar. 13500 kg/h) y la corriente rw1out como salida. En la página Parámetros de la pestaña Design, asigne una caída de presión de 0.14 bar por los tubos y 0.0 bar por la coraza, seleccione como Heat Exchanger Model el ponderado (Weighted). En la página Condiciones de la pestaña Worksheet digite para la corriente to_V-401 la especificación de 20 ºC. Separador de Fases: Instale un separador de fases con el nombre de V-401. Conéctelo con las corrientes to_V-401 como alimento y Vapor y Líquido como corrientes de salida. 269

Absorbedor: Instale la corriente Process Water (agua a 25 ºC, 2 bar, 20 kmol/h), hágala circular por la válvula V2 con 0.5 bar como caída de presión y Sale_V2 como salida. Alimente Sale_V2 al absorbedor de nombre T-401 como liquido por el tope, la corriente Vapor por el fondo, VaporAbs y LiquidoAbs como corrientes de salida, esta columna tiene 11 platos. La presión en el tope de la columna es 1.5 bar y 1.63 bar en el fondo. Observe las Figuras 34.6 y 34.7.

Figura 34.6. Conexiones de la columna T-401

Figura 34.7. Pestaña “Flowsheet” de la columna T-401

270

Mezclador: Instale un mezclador de nombre M2, aliméntelo con las corrientes Liquido y LiquidoAbs y con la corriente 9 como salida. Columna T-402: Instale una columna de destilación con el nombre de T-402, y mediante la guía del asistente especifique en su primera página 66 platos y condensador parcial, conéctela con la corriente de entrada 9, alimentada en el plato 33; corrientes de salida Destilado1 y Fondo1 y corrientes de energía QCond1 y QReh1. La columna opera a 1.5 bar por el tope y 1.4 bar por el fondo. Agregue y active las siguientes especificaciones mostradas en la Figura 34.8. La columna convergerá satisfactoriamente.

Figura 34.8. Especificaciones de la columna T-402

Columna T-403: Instale una columna de destilación con el nombre de T-403, y mediante la guía del asistente especifique en su primera página 19 platos y condensador parcial, conéctela con la corriente de entrada Fondo1, alimentada en el plato 16; corrientes de salida Destilado2 y WasteWater y corrientes de energía QCond2 y QReh2. La columna opera a 1.2 bar por el tope y 1.4 bar por el fondo. Agregue y active las siguientes especificaciones mostradas en la Figura 34.9. La columna convergerá satisfactoriamente.

Figura 34.9. Especificaciones de la columna T-403

271

5. RESULTADOS La Figura 34.10 muestra el libro de trabajo con las especificaciones finales de todas las corrientes del diagrama de flujo.

Figura 34.9. Libro de trabajo (Composiciones de corrientes) 6. CASO DE ESTUDIO Al observar la composición de la corriente Acetone ¿Qué cambios sugiere usted para lograr obtener una composición de 99.9% molar de Acetona?

272

SECCIÓN VIII APÉNDICES

273

274

APÉNDICE A VARIABLES DE DISEÑO Las variables de diseño son todas aquellas que deben especificarse para definir completamente una unidad operativa dentro de un proceso químico. Para la determinación de las variables de diseño en una unidad, se requiere el conteo de:  El número total de variables ( N v ) que influyen en la operación de la unidad. Esta cantidad es análoga al número de incógnitas en un sistema algebraico de ecuaciones simultáneas.  Las ecuaciones o relaciones o restricciones existentes en la unidad. El número de e restricciones se simbolizará como N c . Estas restricciones son análogas a las ecuaciones independientes que pueden escribirse en un sistema algebraico. e

Si el número de restricciones es igual al número total de variables, entonces el sistema está completamente definido. La anterior igualdad no existe, con frecuencia, en los problemas típicos de diseño y, en tal caso, el diseñador debe arbitrariamente especificar ciertas variables. El número de variables que puede especificar se conoce como los “Grados de Libertad” del sistema y pueden calcularse mediante la siguiente ecuación:

N ie  N ve  N ce

(A.1)

e

Los grados de libertad N i corresponden a las variables de diseño definidas anteriormente.

Tipos de variables Las variables que un diseñador de un elemento o unidad de proceso debe considerar son: 1. 2. 3. 4. 5.

Concentraciones de corrientes Temperaturas Presiones Flujos Variables de repetición, Nr

Las tres primeras variables de la lista son intensivas; es decir, son independientes de la cantidad de materia presente. Sería permisible, por lo tanto, sustituirlas por cualquiera otra propiedad intensiva como la entalpía molar, entropía molar, etc., pero esto es pocas veces conveniente

275

La cuarta variable de la lista es una propiedad extensiva, es decir, depende de la cantidad de materia presente. Otra propiedad extensiva, la entalpía total de corriente se utiliza en los cálculos, pero solo como un medio para obtener los flujos de corrientes. El término “Flujo” se utiliza para describir tanto flujo de materia como flujo de calor. Ejemplos de estos últimos son el flujo calórico de entrada a un vaporizador y el flujo calórico removido de un condensador. La quinta variable de la lista no es ni intensiva ni extensiva. Es un solo grado de libertad que el diseñador utiliza cuando especifica el número de veces que un elemento en particular se repite en una unidad. Por ejemplo, una sección de una columna de destilación está constituida de una serie de etapas de equilibrio y cuando el diseñador especifica el número de etapas que la sección contendrá utiliza un solo grado de libertad representado mediante la variable de repetición (Nr = 1.0). Si la columna de destilación contiene más de una sección (rectificación y agotamiento), el número de etapas de cada sección debe especificarse y existirán tantas variables de repetición como secciones haya en la columna; en este caso; Nr = 2.

Relaciones de restricción, NC La determinación de Nv para cualquier unidad es bastante sencilla y directa. No es difícil contar todas las concentraciones de corrientes, temperaturas, presiones y flujos que existen en un sistema y añadir a su número las variables de repetición requeridas. Desafortunadamente, las relaciones de restricción, Nc, no son fáciles de contar. Para evitar la omisión o duplicación de restricciones es necesario seguir algún procedimiento arbitrario pero consistente con el cual se reduzcan las posibilidades de error. Los tipos posibles de restricciones o relaciones o ecuaciones existentes en una unidad son del tipo

1. 2. 3. 4. 5.

Inherentes Balances de materia Balances de energía Equilibrio físico Equilibrio químico

Es arbitrario, a menudo, el considerar una cierta restricción de un tipo o de otro. Debe tenerse mucho cuidado en evitar la redundancia en tales casos.

Restricciones Inherentes Ciertas relaciones o condiciones de restricción son, a menudo, inherentes a la unidad particular en consideración. Estas restricciones toman, usualmente, la forma de identidades entre dos o más variables. Por ejemplo, el concepto de expansión isoentálpica que se realiza 276

en una válvula de Joule-Thompson incluye la restricción inherente de que las entalpías de las corrientes de entrada y salida son iguales. Para cada identidad independiente, una relación de restricción puede contarse y cada una de tales relaciones (ó su equivalente) debe restarse del número total de variables, Nv, al calcular el número de variables de diseño, Ni.

Restricciones de balances de materia Un balance de materia puede escribirse para cada uno de los “C” componentes presentes en la unidad. Esto suministra C relaciones de restricción que deben restarse de Nv al calcular el número de variables de diseño. En vez de plantear C balances de componente, es válido escribir C – 1 balances de materia de componente mas un balance global de materia. Debe tenerse el cuidado de que las restricciones de balances de materia utilizadas sean independientes de las relaciones de restricción inherentes previamente planteadas

Restricciones de balances de energía Un balance global de energía constituye otra relación de restricción. Se incluyen tanto las corrientes calóricas como las corrientes de materia. En algunos casos, el balance de energía puede no ser independiente de las identidades consideradas como restricciones inherentes.

Relaciones de equilibrio de fases En una corriente que contiene más de una fase, cada componente se distribuye entre las varias fases en una forma muy característica. La distribución de un componente entre dos fases se describe mediante el coeficiente de distribución, K. Un componente que se distribuye entre tres fases posee tres coeficientes de distribución, pero solo dos serán independientes. En general, si todos los componentes existen en todas las fases, el número de relaciones de restricción debidas al fenómeno de distribución es C(Np – 1), siendo Np, el número de fases presentes

Relaciones de equilibrio químico En sistemas químicos con reacción, los componentes se relacionan mediante las ecuaciones que definen las constantes de equilibrio de la reacción. El número de tales relaciones es igual al número mínimo de ecuaciones estequiométricas que deben escribirse para formar todas las especies que se asumen presentes a partir de los componentes independientes seleccionados. Una relación de equilibrio químico se establece entre dos o más constituyentes en la misma fase o en diferentes fases, mientras que relación de distribución describe la distribución de un componente entre dos fases. La forma de las diferentes relaciones de restricción es inmaterial en este tipo de análisis. Solamente el número de tales relaciones es importante. Por ejemplo, no hay diferencia entre 277

expresar un coeficiente de distribución en términos de fracciones molares, en peso o en volumen o cualquiera otra conocida. Es suficiente con saber que las relaciones de distribución existen o no existen.

278

APÉNDICE B VARIABLES DE DISEÑO – ETAPAS DE EQUILIBRIO Antes de desarrollar el análisis de variables de diseño en columnas de separación, se presenta el análisis de variables de las etapas de equilibrio que las conforman.

B.1 ETAPA DE EQUILIBRIO SIMPLE En una columna de separación de mezclas, una etapa de equilibrio simple es aquella que se alimenta por las corrientes de líquido y vapor de sus platos adyacentes y sus corrientes de salida se encuentran en condiciones de equilibrio físico. Requiere de una corriente calórica pero no incluye ni corriente de alimento ni corriente lateral. La Figura B.1 muestra el esquema de una etapa de equilibrio simple

L, xn+1 V, yn n

Q

L, xn

V, yn -1

Figura B.1. Etapa de equilibrio simple

Modelo matemático de una etapa de equilibrio simple Las ecuaciones que modelan la transferencia de masa entre la corriente de líquido que desciende y la corriente de vapor que asciende en una etapa de equilibrio simple se plantean con los balances de materia para cada componente y el balance calórico entre las corrientes de entrada y salida con la corriente de energía de la siguiente manera:

Balances de componentes:

Lxni 1  Vy ni 1  Lxni  Vy ni

Balance de energía:

LhL,n1  VhV ,n1  Q  LhL,n  VhV ,n

i = 1,…., C

Siendo que las fases vapor y líquido que emergen de la etapa están en estado de equilibrio se cumplen las siguientes restricciones: 279

Relaciones de equilibrio: Igualdad de temperaturas:

y ni  K ni xni TV ,n  TL,n

Igualdad de presiones:

PV ,n  PL,n

i = 1,…., C

Análisis de variables de diseño en una etapa de equilibrio simple El número de variables de diseño se obtiene de la siguiente manera: Variables

Cantidad

Corrientes de materia Corriente de calor

4(C + 2) 1

Total variables

4C + 9

Ecuaciones

Cantidad

Balances de materia Balance de energía Relaciones de equilibrio Igualdad de temperaturas Igualdad de presiones

C 1 C 1 1

Total ecuaciones

2C + 3

Total variables de diseño

2C + 6

Las variables más comúnmente especificadas por un diseñador en una etapa de equilibrio simple son las siguientes Especificaciones de la corriente de entrada de líquido Especificaciones de la corriente de entrada de vapor Presión de la etapa de equilibrio Flujo calórico

C+2 C+2 1 1

Total

2C + 6

B.2 ETAPA DE EQUILIBRIO CON ALIMENTACIÓN Esta etapa se diferencia de una de equilibrio simple en que una quinta corriente de materia de alimentación se incluye. La Figura B.2 muestra el esquema de una etapa de equilibrio con alimento.

280

En general, no existen identidades entre la corriente de alimentación y cualquiera de las otras cuatro corrientes de materia; es decir, la composición, la temperatura, la presión y el flujo de la corriente de alimentación no son idénticos con las de cualquiera de las otras corrientes.

L, xn+1 V, yn n

F, zi

Q

L, xn

V, yn -1

Figura B.2. Etapa de equilibrio con corriente de alimentación

Modelo matemático de una etapa de equilibrio con alimentación Las ecuaciones que modelan la transferencia de masa entre la corriente de líquido que desciende y la corriente de vapor que asciende en una etapa de equilibrio con alimento se plantean con los balances de materia para cada componente y el balance calórico entre las corrientes de entrada y salida con la corriente de energía de la siguiente manera:

Balances de componentes:

Lxni 1  Vy ni 1  Fz i  Lxni  Vy ni

Balance de energía:

LhL,n1  VhV ,n1  FhF  Q  LhL,n  VhV ,n

i = 1,…., C

Siendo que las fases vapor y líquido que emergen de la etapa están en estado de equilibrio se cumplen las siguientes restricciones:

Relaciones de equilibrio:

y ni  K ni xni

Igualdad de temperaturas:

TV ,n  TL,n

Igualdad de presiones:

PV ,n  PL,n

i = 1,…., C

Análisis de variables de diseño en una etapa de equilibrio con alimento El número de variables de diseño se obtiene de la siguiente manera:

281

Variables

Cantidad

Corrientes de materia Corriente de calor

5(C + 2) 1

Total variables

5C + 11

Ecuaciones

Cantidad

Balances de materia Balance de energía Relaciones de equilibrio Igualdad de temperaturas Igualdad de presiones

C 1 C 1 1

Total ecuaciones

2C + 3

Total variables de diseño

3C + 8

Este número excede en C + 2 al número de variables de diseño para una etapa de equilibrio simple, que es el número de variables que se necesitan para definir a la corriente adicional de alimentación. Es decir, que el diseñador completará las especificaciones con las de las corrientes de líquido y vapor que entran a la etapa, la corriente de alimento, el flujo calórico y la presión en la etapa

B.3 ETAPA DE EQUILIBRIO CON CORRIENTE LATERAL La Figura B.3 muestra un esquema de una etapa de equilibrio con corriente lateral.

L, xn+1 V, yn n

Q

S

L, xn

V, yn -1

Figura B.3. Etapa de equilibrio con corriente lateral

Una etapa con corriente lateral es una etapa intermedia, dentro de una serie de etapas de equilibrio simples, desde donde sale una corriente de producto. La corriente lateral debe ser de la misma composición, temperatura y presión, ya sea de la corriente de líquido o de vapor que emergen en estado de equilibrio en el interior de la etapa. La corriente lateral 282

puede recircularse a otra etapa después de enfriada o calentada, pero esto es inmaterial para el análisis de variables de diseño.

Modelo matemático de una etapa de equilibrio con corriente lateral Las ecuaciones que modelan la transferencia de masa entre la corriente de líquido que desciende y la corriente de vapor que asciende en una etapa de equilibrio con corriente lateral se plantean con los balances de materia para cada componente y el balance calórico entre las corrientes de entrada y salida con la corriente de energía de la siguiente manera:

Balances de componentes:

Lxni 1  Vy ni 1  Lxni  Vy ni  SxSi

Balance de energía:

LhL,n1  VhV ,n1  Q  LhL,n  VhV ,n  ShS

i = 1,…., C

Siendo que las fases vapor y líquido que emergen de la etapa están en estado de equilibrio se cumplen las siguientes restricciones:

Restricciones para el equilibrio de fases en el plato Relaciones de equilibrio:

y ni  K ni xni

Igualdad de temperaturas:

TV ,n  TL,n

Igualdad de presiones:

PV ,n  PL,n

i = 1,…., C

Restricciones con respecto a la corriente lateral Igualdad de concentraciones:

xSi  xni o xSi  y ni

Igualdad de temperaturas:

TS  Tn

Igualdad de presiones:

PS  Pn

i = 1,…., C – 1

Análisis de variables de diseño en una etapa de equilibrio con corriente lateral El número de variables de diseño se obtiene de la siguiente manera:

283

Variables

Cantidad

Corrientes de materia Corriente de calor

5(C + 2) 1

Total variables

5C + 11

Ecuaciones

Cantidad

Balances de materia Balance de energía Relaciones de equilibrio entre fases Igualdad de temperaturas entre fases Igualdad de presiones entre fases Igualdad de concentraciones corriente lateral Igualdad de temperaturas corriente lateral Igualdad de presiones corriente lateral

C 1 C 1 1 C–1 1 1

Total ecuaciones

3C + 4

Total variables de diseño

2C + 7

Este número excede en uno al número de variables de diseño requeridas en una etapa de equilibrio simple y, probablemente, sea el flujo de la corriente lateral el que se especifique para completar este grado de libertad adicional. La composición, temperatura y presión de la corriente lateral se fijan, generalmente, mediante las especificaciones asignadas para la etapa de equilibrio.

284

APÉNDICE C VARIABLES DE DISEÑO – COLUMNAS DE ABSORCIÓN El análisis de variables de diseño en una unidad compleja se simplifica haciéndolo para cada uno de los elementos por separado y combinando los resultados para obtener la respuesta para la unidad, de la misma manera que los elementos se combinan para formar a la unidad misma. El número total de variables intensivas y extensivas que deben considerarse en una combinación de elementos es igual a la suma de las variables independientes, N ie asociadas con cada uno de los elementos simples. Además de las variables intensivas y extensivas, se debe contar una variable de repetición para cada decisión que el diseñador debe hacer con relación al número de repeticiones de cualquier tipo particular de elemento dentro de la unidad. Lo anterior puede expresarse matemáticamente de la siguiente forma

N vu  N r   N ie

(C.1)

Donde el superíndice u se refiere a la unidad o combinación de elementos. El número de variables independientes N iu asociado con la combinación puede calcularse mediante

N iu  N vu  N cu

(C.2)

Donde N cu se refiere a las nuevas relaciones de restricción que surgen cuando los elementos se combinan. La cantidad N cu no incluye a las relaciones de restricción consideradas al calcular los N ie ' s para los diferentes elementos. Las nuevas restricciones incluidas en N cu son las identidades entre corrientes que existen en cada una de las corrientes comunes entre dos elementos. Las variables de las corrientes comunes, C + 2, se contaron en cada uno de los dos elementos cuando se calcularon sus respectivos N ie ' s . Por lo tanto, un número de C + 2 nuevas relaciones de restricción deben contarse para cada corriente común en la combinación de elementos En esta sección se analiza, inicialmente, una unidad de varias etapas de equilibrio simple que operan en serie y, posteriormente, algunos casos de columnas de absorción

285

C.1 UNIDAD DE VARIAS ETAPAS DE EQUILIBRIO SIMPLE

La Figura C.1 muestra una unidad constituida de N etapas de equilibrio simple. La corriente LN 1 es el líquido absorbedor en una columna de absorción o el solvente fresco en una columna de extracción. En una numeración de abajo a arriba, la etapa 1 no es considerada una etapa de alimentación como tampoco es considerada la etapa N como una con corriente lateral porque ellas incluyen cuatro corrientes de materia. Las corrientes energéticas en cada etapa de equilibrio no se muestran en la Figura C.1, pero si existen y deben especificarse sus magnitudes por el diseñador. La decisión de cuantas etapas incluirá la unidad es responsabilidad del diseñador y, por lo tanto, la especificación del número de etapas, N, constituye un solo grado de libertad y N r  1.0 . El número total de variables N vu a considerar es dado por

N vu  N r   N ie  1  N (2C  6) debido a que para cada etapa de equilibrio el número

de variables de diseño es de N ie  2C  6 .

VN

LN+1

N N-1 N-2

3 2 1

Vo

L1

Figura C.1. Unidad de varias etapas de equilibrio simple En la unidad existen 2(N – 1) corrientes comunes entre las etapas de equilibrio y, por lo tanto, 2(N – 1)(C + 2) nuevas identidades (no contadas previamente) hay que contabilizar cuando se combinan los elementos. La sustracción de estas restricciones del valor de N vu da el número de variables de diseño, N iu , disponibles para el diseñador.

N iu  N vu  N cu  1  N (2C  6)  2( N  1)(C  2)  2C  2 N  5 El diseñador podría utilizar estos (2C + 2N + 5) grados de libertad de la siguiente manera

286

Especificaciones

N iu

Presión en cada etapa de equilibrio Flujo calórico en cada etapa de equilibrio Corriente de vapor (absorción) o líquido (extracción) de entrada Corriente de absorbedor o solvente de entrada Cantidad de etapas de equilibrio

N N C+2 C+2 1

Total

2C + 2N + 5

C.2 COLUMNA DE ABSORCIÓN SIMPLE En una columna de absorción se asume que el líquido absorbente proviene de la etapa correspondiente al número N + 1, y que el vapor proviene de una etapa cero. Esto hace que para la determinación de sus variables de diseño se considere ese número de etapas de equilibrio con 2N corrientes comunes entre las N etapas de equilibrio que conforman la columna absorbedor. El número total de variables N vu a considerar es dado por:

N vu  N r   N ie  1  ( N  1)(2C  6)

El número de restricciones adicionales correspondientes a las 2N corrientes comunes está dado por: N c  2 N (C  2) y el número total de variables de la unidad de absorción está u

dado por N i  1  ( N  1)(2C  6)  2 N (C  2)  2C  2 N  7 u

El diseñador podría utilizar estos (2C + 2N + 7) grados de libertad de la siguiente manera,

Especificaciones

N iu

Presión en cada etapa de equilibrio Presión en las etapas uno y N + 1 Flujo calórico en cada etapa de equilibrio Corriente de vapor (absorción) o líquido (extracción) de entrada Corriente de absorbedor o solvente de entrada Cantidad de etapas de equilibrio

N 2 N C+2 C+2 1

Total

2C + 2N + 7

C.3 ABSORBEDOR CON REFLUJO Y CONDENSADOR PARCIAL Esta unidad, Figura C.2, contiene un elemento conformado por N etapas de equilibrio, un condensador parcial y un divisor de corrientes que fracciona el condensado en una corriente 287

de reflujo y otra de producto. Para los tres elementos, el número total de variables es

N vu  (2C  2 N  5)  (C  4)  (C  5)  4C  2 N  14 El número de restricciones adicionales, correspondientes a las 3 corrientes comunes, condensador – columna, condensador – divisor y divisor – columna, está dado por N cu  3(C  2)  3C  6 y el número total de variables de la unidad de absorción con u condensador parcial y reflujo está dado por: Ni  (4C  2 N  14)  (3C  6)  C  2 N  8

Condensador Parcial

V D N

Divisor de Corrientes Etapas de Equilibrio 1

Vo

L1

Figura C.2. Columna de absorción – Condensador Parcial – Reflujo

El diseñador podría utilizar estos (C + 2N + 8) grados de libertad de la siguiente manera,

Especificaciones

N iu

Presión en cada etapa de equilibrio Presión en las etapas uno y N + 1 Flujo calórico en cada etapa de equilibrio Corriente de vapor de entrada Caída de presión en el condensador Flujo calórico en el condensador Relación de reflujo Cantidad de etapas de equilibrio

N 2 N C+2 1 1 1 1

Total

C + 2N + 8

288

Columna de absorción con corriente lateral

Esta unidad, Figura C.3, contiene dos elementos conformados por M y N - M etapas de equilibrio, respectivamente, y una etapa de equilibrio con corriente lateral.

VN

LN+1 N

S M+1 M

1

Vo

L1

Figura C.3. Columna de absorción con corriente lateral

Para los tres elementos, el número total de variables es

Nvu  2C  2`(( N  1)  (M  1))  5  2C  2M  5  (2C  7)  6C  2 N  17 El número de restricciones adicionales, correspondientes a las 4 corrientes comunes, columna – etapa de equilibrio con corriente lateral, está dado por u N c  4(C  2)  4C  8 y el número total de variables de la unidad de absorción con condensador parcial y reflujo está dado por

N iu  (6C  2 N  17)  (4C  8)  2C  2 N  9 El diseñador podría utilizar estos (2C + 2N + 9) grados de libertad de la siguiente manera,

289

N iu

Especificaciones Presión en cada etapa de equilibrio Presión en las etapas uno y N + 1 Flujo calórico en cada etapa de equilibrio Corriente de vapor de entrada Corriente de entrada de absorbedor Cantidad de etapas de equilibrio Número de la etapa de corriente lateral Flujo de corriente lateral

N 2 N C+2 C+2 1 1 1

Total

2C + 2N + 9

Columna de absorción con dos alimentos y rehervidor parcial Esta unidad, Figura C.4, contiene dos elementos conformados por M y N - M etapas de equilibrio y una etapa de equilibrio con alimentación y un rehervidor parcial. Para los cuatro elementos, el número total de variables es

N vu  2C  2(( N  1)  (M  1))  5  (3C  8)  2C  2M  5  (C  4)  8C  2 N  22

El número de restricciones adicionales, correspondientes a las columna – etapa de equilibrio con corriente lateral, está dado por

6 corrientes comunes,

N cu  6(C  2)  6C  12 VN

LN+1 N

F M+1 M

1

L

Figura C.4. Columna de absorción con dos alimentos y rehervidor parcial

290

Y el número total de variables de la unidad de absorción con dos alimentos y rehervidor parcial está dado por

N iu  (8C  2 N  22)  (6C  12)  2C  2 N  10 El diseñador podría utilizar estos (2C + 2N + 10) grados de libertad de la siguiente manera:

N iu

Especificaciones Presión en cada etapa de equilibrio Presión en las etapas uno y N + 1 Flujo calórico en cada etapa de equilibrio Corriente de alimentación Corriente de entrada de absorbedor Cantidad de etapas de equilibrio Número de la etapa de alimentación Caída de presión en el rehervidor Flujo calórico en el rehervidor

N 2 N C+2 C+2 1 1 1 1

Total

2C + 2N + 10

Columnas de absorción con tres alimentos Esta unidad, Figura C.5, contiene tres conjuntos de etapas de equilibrio en cantidades de M, L – M - 1 y N – L, respectivamente, y dos etapas de equilibrio con alimentación. Para los cinco elementos, el número total de variables es Primer conjunto de etapas de equilibrio Etapa de alimentación M + 1 Segundo conjunto de etapas de equilibrio Etapa de alimentación L + 1 Tercer conjunto de etapas de equilibrio

2C + 2((N +1) – (L + 1)) +5 3C + 8 2C + 2(L – (M + 1)) + 5 3C + 8 2C + 2M + 5

Total

12C + 2N + 29

El número de restricciones adicionales, correspondientes a las 8 corrientes comunes, etapas de equilibrio – etapas de alimentación está dado por

N cu  8(C  2)  8C  16

291

Y el número total de variables de la unidad de absorción con dos alimentos y rehervidor parcial está dado por N iu  (12C  2 N  31)  (8C  16)  4C  2 N  13

VN

LN+1 N

F1 L+1 L

F2 M+1 M

1

Vo

L1

Figura C.5. Columna de absorción con tres alimentos

El diseñador podría utilizar estos (4C + 2N + 13) grados de libertad de la siguiente manera,

N iu

Especificaciones Presión en cada etapa de equilibrio Presión en las etapas uno y N + 1 Flujo calórico en cada etapa de equilibrio Corrientes de alimentación Corriente de entrada de absorbedor Cantidad de etapas de equilibrio Número de las etapas de alimentación lateral Total

N 2 N 3(C + 2) C+2 1 2 2C + 2N + 13

292

APÉNDICE D VARIABLES DE DISEÑO – COLUMNAS DE DESTILACIÓN Una columna de destilación simple es una unidad compuesta de un conjunto de etapas de equilibrio con un solo alimento y dos productos, denominados destilado y fondo. Incluye, por lo tanto, una etapa de equilibrio con alimentación que separa dos secciones de etapas de equilibrio, denominadas rectificación y agotamiento. Se requiere de un dispositivo, como un rehervidor, donde se transfiera calor al líquido que emerge de la etapa de equilibrio correspondiente al fondo de la columna para vaporizarlo parcialmente, de tal manera que la fracción vaporizada se recircula al fondo de la columna y se mantenga en un flujo ascendente a través de la columna. La fracción no vaporizada se remueve como producto de fondo. El vapor que emerge de la etapa superior de la sección de rectificación es condensado, y el líquido resultante se divide en dos fracciones. Una fracción se remueve como el producto de tope o destilado. La otra fracción líquida, denominada reflujo, se recircula al tope de la columna y se mantiene en un flujo descendente a través de ella, estableciendo el contacto requerido con la fase vapor ascendente para la transferencia de masa deseada en cada una de las etapas de equilibrio líquido - vapor. En la gran mayoría de columnas de destilación, el rehervidor es parcial pero el condensador puede ser total o parcial. Un condensador es total cuando todo el vapor del tope de la columna es completamente condensado, en el caso contrario se conoce como un condensador parcial. Si toda la fracción condensada se recircula a la columna se dice que la columna opera a reflujo total Las columnas de destilación complejas muestran una configuración diferente a las columnas simples. Por ejemplo, varias corrientes de alimento o varias corrientes de productos laterales El número de variables de diseño, tanto para columnas simple como complejas, se puede hacer mediante la determinación de la suma de las variables de los elementos que las integran y restándole a esta las nuevas relaciones de restricción que surgen cuando los elementos se combinan, es decir, aplicando la ecuación (C.2). De igual manera, las nuevas restricciones incluidas son las identidades entre corrientes que existen en cada una de las corrientes comunes entre dos elementos. Por lo tanto, un número de C + 2 nuevas relaciones de restricción deben contarse para cada corriente común en la combinación de elementos En esta sección se analizan columnas de destilación simple y compleja, con condensadores total o parcial y con reflujo parcial o total

293

D.1 ANÁLISIS DE COLUMNAS DE DESTILACIÓN TÍPICAS A continuación se analizan algunos casos de columnas de destilación con diferencias como el número de corrientes de alimento, el número de corrientes laterales y el tipo de condensador

Destilación con un alimento, condensador total y rehervidor parcial Esta unidad, Figura D.1, contiene dos elementos conformados por M y N – M - 1 etapas de equilibrio, una etapa de equilibrio con alimentación, un condensador total, un divisor de corrientes y un rehervidor parcial.

D N

F M+1 M

1

B

Figura D.1. Columna de destilación – condensador total – rehervidor parcial

El número total de variables para cada uno de los seis elementos es

Especificaciones

N iu

Condensador Total Divisor de corrientes Sección de rectificación Etapa de alimentación Sección de agotamiento Rehervidor

C +4 C+5 2C + 2(N – M – 1) +5 3C + 8 2C + 2M + 5 C+4

Total

10C + 2N + 29 294

El número de restricciones adicionales, correspondientes a las 9 corrientes comunes está dado por N cu  9(C  2)  9C  18 y el número total de variables de la columna de destilación con condensador total y rehervidor parcial está dado por

N iu  (10C  2 N  29)  (9C  18)  C  2 N  11

El diseñador podría utilizar estos (C + 2N + 11) grados de libertad de la siguiente manera,

Especificaciones

N iu

Presión en cada etapa de equilibrio Flujo calórico en cada etapa de equilibrio Corriente de alimentación Cantidad de etapas de equilibrio Número de la etapa de alimentación Presión en el fondo de la columna Caída de presión en el rehervidor Presión en el tope de la columna Caída de presión en el condensador Flujo calórico en el rehervidor Flujo calórico en el condensador Razón de reflujo

N N C+2 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Total

C + 2N + 11

Destilación con un alimento, condensador parcial y rehervidor parcial Esta unidad, Figura D.2, contiene dos elementos conformados por M y N – M - 1 etapas de equilibrio, una etapa de equilibrio con alimentación, un condensador parcial, un divisor de corrientes y un rehervidor parcial. El número total de variables, el número de restricciones adicionales y el número de variables de diseño para la unidad es el mismo del caso anterior y por lo tanto, las posibles especificaciones también son las mismas.

Destilación con un alimento, condensador parcial de reflujo total y rehervidor parcial Esta unidad, Figura D.3, contiene dos elementos conformados por M y N – M - 1 etapas de equilibrio, una etapa de equilibrio con alimentación, un condensador parcial con reflujo total de líquido, un divisor de corrientes y un rehervidor parcial.

295

V D N

F M+1 M

1

B

Figura D.2. Columna de destilación – condensador parcial – rehervidor parcial

V D=0 N

F M+1 M

1

B

Figura D.3. Destilación con condensador parcial reflujo total – rehervidor parcial

El número total de variables, el número de restricciones adicionales y el número de variables de diseño para la unidad es el mismo del caso anterior y por lo tanto, las posibles especificaciones también son las mismas. Se sabe anticipadamente que la razón de reflujo es 1, porque la columna opera a reflujo total

296

Destilación con dos alimentos, condensador parcial y rehervidor parcial Esta unidad, Figura D.4, contiene tres secciones de etapas de equilibrio en cantidades de M, L – M – 1 y N – L - 1, dos etapas de equilibrio con alimentación, un condensador parcial, un divisor de corrientes y un rehervidor parcial.

V D N

F1

L+1 L

F2

M+1 M

1

B

Figura D.4. Destilación con dos alimentos – condensador parcial – rehervidor parcial

El número total de variables para cada uno de los ocho elementos es Especificaciones

N iu

Condensador Parcial Divisor de corrientes Sección de N – L -1 etapas de equilibrio Etapa de alimentación F1 Sección de L – M – 1 etapas de equilibrio Etapa de alimentación F2 Sección de M etapas de equilibrio Rehervidor

C +4 C+5 2C + 2(N – L – 1) +5 3C + 8 2C + 2(L – M – 1) + 5 3C + 8 2C + 2M + 5 C+4

Total

15C + 2N + 40

El número de restricciones adicionales, correspondientes a las 13 corrientes comunes está u dado por N c  13(C  2)  13C  26 y el número total de variables de la columna de destilación con dos alimentos, condensador parcial y rehervidor parcial está dado por 297

N iu  (15C  2 N  40)  (13C  26)  2C  2 N  14

El diseñador podría utilizar estos (2C + 2N + 14) grados de libertad de la siguiente manera, N iu

Especificaciones Presión en cada etapa de equilibrio Flujo calórico en cada etapa de equilibrio Corriente de alimentación F1 Corriente de alimentación F2 Cantidad de etapas de equilibrio Número de la etapa de alimentación F1 Número de la etapa de alimentación F2 Presión en el fondo de la columna Caída de presión en el rehervidor Presión en el tope de la columna Caída de presión en el condensador Flujo calórico en el rehervidor Flujo calórico en el condensador Razón de reflujo

N N C+2 C+2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Total

2C + 2N + 14

Destilación con un alimento, una corriente lateral, condensador total y rehervidor parcial Esta unidad, Figura D.5, contiene tres secciones de etapas de equilibrio en cantidades de M, L – M – 1 y N – L - 1, una etapa de equilibrio con alimentación, una etapa de equilibrio con corriente lateral, un condensador total, un divisor de corrientes y un rehervidor parcial. El número total de variables para cada uno de los seis elementos es Especificaciones

N iu

Condensador Total Divisor de corrientes Sección de N – L -1 etapas de equilibrio Etapa de con corriente lateral Sección de L – M – 1 etapas de equilibrio Etapa de alimentación F2 Sección de M etapas de equilibrio Rehervidor

C +4 C+5 2C + 2(N – L – 1) +5 2C + 7 2C + 2(L – M – 1) + 5 3C + 8 2C + 2M + 5 C+4

Total

14C + 2N + 39 298

D N

S L+1 L

F

M+1 M

1

B

Figura D.5. Destilación con un alimento – corriente lateral – condensador parcial y rehervidor parcial

El número de restricciones adicionales, correspondientes a las 13 corrientes comunes está dado por N cu  13(C  2)  13C  26 y el número total de variables de la columna de destilación con dos alimentos, condensador parcial y rehervidor parcial esta dado por: N iu  (14C  2 N  39)  (13C  26)  C  2 N  13

El diseñador podría utilizar estos (2C + 2N + 13) grados de libertad de la siguiente manera,

Especificaciones Presión en cada etapa de equilibrio Flujo calórico en cada etapa de equilibrio Corriente de alimentación Flujo de corriente lateral Cantidad de etapas de equilibrio Número de la etapa de alimentación Número de la etapa con corriente lateral Presión en el fondo de la columna Caída de presión en el rehervidor Presión en el tope de la columna

N iu

N N C+2 1 1 1 1 1 1 1 299

Caída de presión en el condensador Flujo calórico en el rehervidor Flujo calórico en el condensador Razón de reflujo

1 1 1 1

Total

C + 2N + 13

300

BIBLIOGRAFÍA

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