Curso 1

 

Ing. Grover Mercado Condori EL AL ALTO TO - BO BOLI LIVI VIA A JUNIO – 2017

 

Simulación de Procesos Petroquímicos

INTERF FAZ GRÁFICA DEL USUARIO USUARIO INTER  A contin continuación uación se muestra la versión Aspen HYSYS, la cual se explicara en el transcu transcurso rso del curso taller:

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DESCRIPCIÓN DE LA PALETA DE OBJETOS Para comenzar con la simulación debemos primeramente acceder a la paleta de procesos haciendo clic en el siguiente icono. Seguidamente se nos mostrara la paleta de procesos, la cual está organizada de manera descendente de la siguiente manera: - Corrientes - Vessels (tanques y separadores) - Equipos de transferencia de calor  - Equipos rotatorios (Bombas, compresores, expansores) - Equipos de tuberías - Equipos para manejo de sólidos - Reactores - Columnas - Shortcut de columnas - Subflowsheets - Operaciones lógicas

Common: Contiene las herramientas y equipos más comunes dentro los procesos.

Patela de Objetos

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Separador (flash)

Separador trifásico

Tanque

Enfriador de corriente

Calentador de corriente

Intercambiador LNG

Intercambiador 

Enfriador de aire

Horno

Bomba

Expansor 

Compresor 

Tubería de gas

Segmento de tubería

Válvula

Válvula de alivio  

Mezclador de corrientes

 

Reactor mezcla completa  Adjust

Separador de corrientes

Reactor flujo pistón

 

Set

Recycle

 

Soreadsheet

Balance

 

Blank Sub Flosheet

Equation Oriented Sub Flowsheet Cyclone

 

Simple Solid Separator  Hydrocyclone

 

Rotary Vacuum Filter 

Baghouse Filter  Neutalizer 

Liq./Liq.Hydrocyclone

Precipitador 

 

 

Crytallize

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Column umnss : Contiene equipos correspondientes a columnas de destilación y reactores Col especiales. Torre de destilación (método riguroso)

Torre de absorción con condensador 

Separador de componentes

Columna de absorción

Torre de absorción con rehervidor 

Torre de destilación (shortcut)

Columna trifásica

Torre de extracción liquido/liquido

Gibbs Reactor 

Equilibriun Reactor 

Conversion Reactor 

Yield Shift Reactor 

Blank Column Sub-Flosheet

Dynamics :  Contiene las herramientas útiles para simulación dinámica.  

SplitRange Controller  PID Controller 

 

Ratio Controller  MPC Controller 

DMCplus Controller 

 

Selector Block

Dgital Control Point

 

Transfer Funtion Block

Boolean Not Gate

Boolean And Gate

Boolean Or Gate

Boolean XOr Gate

Boolean OffDly Gate

Boolean OnDly Gate

Boolean Latch Gate

Boolean CountUp Gate

Boolean CountDow Gate

Cause And Effect Matrix

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Upstrean: Contiene las herramientas útiles para procesos comunes para corriente arriba en petróleo y gas.

Lumper 

Delumper 

Black oil translator 

 Aspen Hydraulic

PipeSim Net Unit Operation

PipeSim Link Unit Operation

Olga 2000 Unit Operation

Petroleum Experts GAP

Refining: Contiene las herramientas útiles para procesos de refinería. Petroleum Feeder   Assay Manipulator  Fluidized Catalytic Cracking

Petroleum Distillation Column

Product Blender  Petroleum Shift Reactor 

Petroleum FeederCatalytic Reformer 

Hydrocracker 

Isomerization

Hydro processor Bed

Delayed Coker 

Visbreaker 

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OPERACIONES UNIT UNITARIAS ARIAS  Aspen Hysys® posee una integración gráfica que permite modelar más de 40 diferentes operaciones unitarias, para esto Aspen Hysys® define una serie de subrutinas, algunas de estas serán mencionadas en la Tabla 4-1. Tabla 4-1. Operaciones Unitarias Aspen Hysys.

ICONO

TIPO DE OPERACIONES

NOMBRE

DESCRIPCION - Mezcla de corrientes. - División de corrientes.

Mezcladores y divisiones

- Mixer  - Tee

Separadores flash

- Alimentación múltiple, una - Separator  - 3-Phase Separator  corriente vapor y una líquida como producto. - Tank - Alimentación múltiple, una corriente vapor y dos líquida como producto. - Alimentación múltiple, una corrien cor riente te líq líquid uida a com como o pro produc ducto. to.

Destilación (método abreviado)

- Shortcut Column

- Diseño Diseño con con el mét método odo Fen Fenske ske-Underwood

Separación multietapa - Column (simulación basada en datos de equilibrio)

- S e pa pa r a ci c i ó n m u l ti t i f á si si c a genérica, incluyen incluyendo do absorción, absorción, d e so s o r ci c i ó n, n , d e st s t i la l a c i ón ón y extracción líquido-líquido. Es posible añadir secciones de columna colu mna y recirc recirculac ulacione iones s adicionales. Todos los modelos (aplica (apl icacion ciones es en refi refino no de petróleo) soportan dos o tres fases fase s así com como o reac reaccio ciones nes químicas.

Intercambio de calor 

- Calentamiento o refrigeración. - Intercambio de calor entre dos corrientes de proceso. - Intercambio de calor entre varias corrientes.

- Cooler/Heater  - Heat Exchanger  - Lng

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Reactores

- Reactor de Conversión - Reactor de Equilibrium - Gibbs Reactor  - CSTR - PFR

Bombas, compresores, - Pump - Compressor  valvulas y turbinas - Expander  - Valve

Tuberías

- Se especifica la conversión. - Reacción de equilibrio. - Equilibrio químico multifásico (no se requiere la estequiometría). - CSTR. - PFR.

- Bomb Bomba a o turbin turbina a hidrá hidráulica ulica - Compresor  - Turbina - Válvula adiabática

- Pipe Segment - Tubería con flujo monofásico o multifásico con transmisión de calor 

Fuente: Simulación y optimización avanzadas en la industria química de procesos: Hysys, Susana Luque Rodríguez, Aurelio B Vega Granda, 2005. Pág. 280.

NGRESO DE UNA CORRIENTE DE MATERIA EN ASPEN HYSYS Para la instalaci ón

de la corriente de materia, se ingresa desde el simulación dando cli, es la pantalla principal del simulador donde realizaremos las simulaciones.

Cree un Set Nuevo de la Unidad  ASPEN HHYS  ASPEN HHYSYS YS tiene var varios ios set sets s predet predetermi erminado nados s dife diferent rentes es de la unidad que no pued pueden en ser editados. Si usted quiere editar las unidades al iniciar un caso, usted puede hacer  una copia copia clónic clónica a de uno de los set sets s y le puede asig asignar nar el set del que se hizo una cop copia ia clónica a la simulación. Para este ejemplo, usted hará una unidad nueva set basado en el ASPEN HYSYS  que Field  colocó,  colocó, cuál usted luego hará a la medida. Crear la unidad nueva colocada:

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Cambio de Unidades

Ingreso de Componentes  Aspen Hysys 9 contiene una gran variedad de base de datosde componentes quimicos, se iniciara iniciara el prog programa rama Asp Aspen en Hysy Hysys s V@, "File "File", ", "N "New ew", ", "c "cas ase" e" y obtendremos obtendremos la sigu siguiente iente ventana.

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Ingreso de componentes

Filtro para seleccionar  componentes

Vista de ingreso de componentes puros

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Paquete de fluido  Aspen Hysys utiliza el conce  Aspen concepto pto del paquete de fluido (Fluid Package) como el contenido de toda la información necesaria para desarrollar cálculos de propiedades físicas y evaporaciones espontaneas de corrientes corrientes.. El paquete fluido permite definir toda la inform información ación de:

- Propiedades - Com Compon ponent entes es hip hipoté otético ticoss - Parámetros de interacción

- Reacciones - Dat Datos os tab tabula ulados dos,, etc

Dentro de un archivo muy sencillo, son tres las vetajas a saber: - Toda información asociada se define en una sola loclidad, loclidad, lo que permite la fácil creación y modificación de la información. - Los paquete paquetes s fluido fluidos s puede pueden n almac almacenars enarse e como un archiv archivo o comp completo leto para usarl usarlos os en cualquier simulación. - Pueden usarse varios paquetes fluidos en una misma simulacion, sin embargo todos los paquetes definidos se encuentran dentro del administrador básico de simulación.

Administardor del paquete básico de la simulación Este paso es muy importante y nose se debe tomar a la ligera, ya que definir la base de la simulación, si tenemos una nueva base tendremos una buena simulación, pero si introducimos un error desde el principio, este se complicara el desarrollo del proceso simulacion.

Vista de definición de un paquete de fluido

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INGRESO DE UNA CORRIENTE DE MATERIA Para la instalación de corrientes de materia, se ingresa desde el  "Simulation"  dando clic, es la pantalla principal del simulador donde realizaremos las simulaciones en este medio se hace muy visual y fácil de llevar.

Problema N: 1 Ingresar una corriente de gas que contiene la siguientes variables operaciones y la composición del  flujo 1:

Nombre de flujo Temperature [C] Pressure [bar] Molar Flow [kgmole/h]

Gas 10,0 0,75 100,0

1)  Craer nuevo caso. 2)  Ingresar Componente(s)

C1 C2 C3

     

0.7250 0.0815 0.0455

i-C4

 

0.0150

n-C4 i-C5

   

0.0180 0.0120

n-C5

 

0.0130

n-C6

 

0.0090

H2S

0.0405

H2O

0.0252

CO2

 

0.0153

3)  Selección del Modelo Termodinámico  (P-R).

4)  Clic en 5) Agregar la corriente de alimentación 6)  Ingresar condiciones de la alimentación y composición En este punto se hará la adición de 3 variables operacionales y la cromatografía del flujo, caso se agregue mayores datos, el programa presentara error.

Definición de condiciones de operación de una corriente - "Gas"

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Definición de componente de materia

INGRESO DE UNA CORRIENTE DEENERGÍA Una corriente de energía se insta instala la mediante el mismo proced procedimien imiento to que una riente de materia, donde solo necesita una especificación que es flujo de energía correspondiente. Ingrese el valor de -10000 Kj/h en el cuadro "Heat Flow (Kj/h)". Observ Observe e que la corrie corriente nte este complementa mente especificada. especificada. También estos datos pueden ser ingresado desde el  WORBOOK.

Definición de corriente de energía

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Propiedades de corrientes de materia a) Instale un nuevo caso importando componentes y el paquete fluido  "Planta de Gas". b) Instale una corriente de materia con el nombre de Gas, 25 oC, 9500 KPa, 100kgmol/h y la composición especificada a continuación. c) Haga Clic sobre la pestaña  "Attachments"  y luego haga clic sobre  "Analisis",

"Create", "Envelope". 1)  Craer nuevo caso. 2)  Ingresar Componente(s) 3)  Selección del Modelo Termodinámico (Acid Gas - Chemical Solcents).

4)  Clic en 5)  Agregar la corriente de alimentación

H2S H2O

0,0032 0,0203

CO2

 

0,0123

C1 C2

   

0,8416 0,0535

C3

 

0,0303

i-C4 n-C4

   

0,0100 0,0080

i-C5

 

0,0076

n-C5 n-C

   

0.0060 0.0036

 

0.0032

6

n-C7

MDEAmi MDE Amine ne 0.0 0.0004 004

6)  Ingresar condiciones de la alimentación y composición molar. Nota: Ingreso de composición y condiciones de operación mediante  Worbook.

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d) Ingreso de flujo de energia  (Q-100).

e) Graficar la evolvente de la corriente GAS.

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Diagrama de presión - Temperatura de corriente de Gas

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EJEMPLO N: 5 Cree el PFD de la gráfica de abajo y cargue los datos de las corrientes y equipos, trabaje con el paquete de fluido  Peng Robinson  y las unidades en Field.

Flujo de GAS Temperatura 80 °F Presión 650 psia 100 MMSCFD

N2 CO2

 

C1 C2

   

0.8800 0.0400

C3

 

0.0300

i-C4 C4 i-C5 n-C5 n-C6

 

 

0.0000 0.0150

 

0.0240 0.0085 0.0012

   

0.0010 0.0003

 

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EJEMPLO N: 6 Simulación de una planta de compresión 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 recirculando 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.  La Figura 1  muestra el diagrama de flujo del proceso de compresión multietapa

Corriente Corr iente de ALIMENTO: ALIMENTO: Temperatura 50 °F Presión 80 psia Flujo molar 250 lbmole/h

N2

 

n-C4

 

0.0552

i-C5

 

0.0483

n-C5 n-C6

   

0.0414 0.0345

CO2 C1 C2

   

0.0138 0.4827 0.1379

C3

 

0.0690

n-C7

 

0.0276

0.0621

n-C8

 

0.0206

i-C4

 

0.0069

 

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PROBLEMA N: 2 Se desea comprimir una corriente de GAS de 100 Psia a 1000 Psia en dos etapas de compresión, de las siguientes características:

Corriente Alimentación ión 77 Temperatura (ºCorr F) iente de Alimentac Presión (Psia) 100 Flujo Molar (lbmol/hr) 150 Composiciones (Fracción Molar) Methane Ethane Propane n-Butane n-Pentane n-Hexane

0,8000 0,1000 0,0500 0,0300 0,0100 0,0100

Separador (V-100) Las mismas condiciones de la corriente alimento

Compresor (K-100) SALK-100 (Psia)

455

Enfriador (E-100) Delta P (Psi) Temp. de descarga (ºF)

5 90

Separador (V-101) Las mismas condiciones de la corriente de entrada

Compresor (K-101) Presión de descarga (Psia)

1005

Enfriador (E-101) Delta P (Psia) Temp. de descarga (ºF)

5 90

Separador (V-102)

Las mismas condiciones de la corriente de entrada

Válvula (VLV-100) Diferencial de presión (Psi)

350

Válvula (VLV-101) Diferencial de presión (Psia)

900

La corriente de fondo del separador V-101 y V-102 se hace recircular al primer Separador  V-100, a través de la opción recicle, como se muestra en la siguiente figura.

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PROBLEMA N: 3 El objetivo de la siguiente problem problema a es que el estudiant estudiante, e, pued pueda a famili familiarizars arizarse e con los equipos básicos de proceso, con el fin de entender los grados de libertad que gobierna cada uno. Introducir los siguientes datos para dar inicio a la simulación

Flujo 1 (GAS NATURAL). Temperatura:  100  o F Presión: 1200 Psia Caudal: 135 MMSCFD

Flujo 2 (AGUA). Temperatura:  77   oF Presión: 14.7 Psia Caudal: 20 m3/h

(Composición de fluido % volumétrico).

(Composición de fluido % volumétrico).

Methane Ethane Propane

0.93624 0.03026 0.01093

Methane Ethane Propane

0.00000 0.00000 0.00000

i-Butane n-Butane i-Pentane n-Pentane n-Hexane n-Heptane n-Octane CO2 Nitrogen Oxygen Water

0.00180 0.00316 0.00119 0.00082 0.00107 0.00082 0.00067 0.00391 0.00094 0.00000 0.00820

i-Butane n-Butane i-Pentane n-Pentane n-Hexane n-Heptane n-Octane CO2 Nitrogen Oxygen Water

0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 1.00000

1. Crear su set de unidad. 2. Hallar las curva de envolvente de los flujos de entradas y salidas. 3. Hallar el reporte de datos de la simulación.

NOTA:  Asumir la caída de presión de las válvulas iigual gual a 0.

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EJEMPLO N: 7 En este ejemplo, se presentan cálculos de una torre con  148  148 ban bandej dejaa reales reales.. El modelo de destilación SCDS (Método de corrección simultánea) se usa para acomodar un número grande de bandejas, y dar explicación sobre bandejas reales. El equilibrio liquido-vapor Propane/propylene y ethane/ethylene es afectado por  interacciones entre los componentes. Se usan los parámetros especiales de interacción binaria para para la Ecuación de Estado de Peng-Robinson para reflejar reflejar estas no idealid idealidades. ades. La composición de la alimentación es:

Flujos

lbmol/h

Ethane Propylene Propane N-Butane

0.3000 550.0000 200.0000 5.0000

La alimentación alimentación se hace como líquido a 240 psia.

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El proceso exige obtener un destilado en el cual la fracción molar de propano  no sea mayor a  0.04

1)  Craer nuevo caso. 2) Ingresar Componente(s) 3)  Selección del Modelo Termodinámico (P-R).

4) Agregar la corriente de alimentación. 5)  Definir sus propiedades de la corriente de alimentación.

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6)  Ir a la paleta de unida unidades des de equip equipo, o, seleccion seleccionar ar Columna de desti destilació lación n

7)   Hac Hacer er dobl doble e clic en la col columna umna y ap apare arecerá cerá el Distillation Column  Input Expert a fin de guiar en el llenado de los datos que definen a este sistema (4 páginas en forma sucesiva). En la página 1 de 4 ingresar los siguientes datos: - Número de etapas :  150 - Plato de alimentación:  110 - Nombre de la alimentación:  Alimentación - Tipo de condensador :  Total -  Nombres de las corrientes de materia y energía según se muestra en la Fig.

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Simulación de Procesos Petroquímicos Completada la página 1 se habilitará el botón  Next. Presionando este pasaremos a la página siguiente. En la página 3 de 5 se define el perfil de presión dentro de la columna. Los valores son: 󰂷 Presión en el condensador: 220 psia 󰂷 Presión Presión en el el rehervido rehervidor: r: 250 psia psia 󰂷 Caída de presión en el condensador: 0 psia

En la página siguiente 4 de 5 se pueden ingresar estimaciones. Estos valores son opcionales opcio nales y no se consi consideran deran en este ejemplo. En la página siguiente 5 de 5 ingresamos:

Cantidad de destilado liquido:  550 lbmol/hr (el equivalente a todo el propileno) Razón de reflujo:  20

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- Al terminar presionamos DONE.

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Presionando el boton  ADD  aparece una ventana con todas las posibles variables que pueden ser especificadas. En este caso nos interesa la pureza del destilado, la cual debe tener como máximo propan Column mn Comp Compone onent nt ano o de 0. 0.04 04, por lo que seleccionamos Colu una fraccion molar de prop aparece ce una vent ventana ana donde ingres ingresamos amos la informa información. ción. Fracction y luego Add Specs, apare

Cerramos la la ventan ventana a y hacemos clic en Run Durante la simulacion puede aparecer algun mensaje de advertencia el cual podemos omitir.

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Los resultados del caso principal pueden verse en el  WORKBOOK   desplegando la información detallada según se observa en la Figura.

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SIMULACIÓN DE PROCESO DE ENDULZAMIENTO DE GN Para esta Para esta simu simula laci ción ón vamo vamos s em empl plea earr 1 list listas as de co comp mpon onen ente tes s y 1 pa paqu quet etes es te term rmod odin inám ámic icos os,, esto es para poder validar ciertos procesos inmersos en un solo sistema.

1)  Craer nuevo caso.

Componentes

H2O CO2 H2S TEAmine 3)  Ingresar Componente(s) Hydrogen Oxygen 4) Crear el PFD del proceso. CO Nitrogen En este punto se creara el PDF del proceso de endulzamiento, Methane con una excepción donde no se conectara el sistema de reciclo Ethane (RECYCLE) del proceso. Propane 5)  Verificar la generación de las reacciones que intervienen en el sistema.

2)  Selección del Modelo Termodinámico  (CHAO SEA).

En este punto agregaremos agregaremos 3 set de reaccio reacciones nes químic químicas, as, reaccio reacciones nes que por  defecto ocurren en el sistema, el cual son más 53 de reacciones.

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6) Agregar la composición molar de los flujo de alimentación.

7)  Agregar la especificación de la  columna Regenerador. COLUMN Columna Ab Absorbedor   Tipo de condensador Numero de platos Presión en el Condensador Presión en el Reboiler

Full Reflux 10 50 bar   50 bar  

Opcional Temperatura en el Tope Temperatura en el Fondo

66.85  o C 82.85oC

8)  Agregar la especificacion del intercambiador de calor  L-R  L-R Exchanger.

9)  Especificación de la temperatura del flujo de salida  Rich Amine to Regen  a  99  o C. 10)  Agregar la especificación de la  columna Regenerador. Regenerador. COLUMN

Columna Regenerador  

Tipo de condensador Numero de platos Presión en el Condensador Presión en el Reboiler

Full Reflux 10 1.5 bar   1.5 bar  

Opcional Temperatura en el Tope Temperatura en el Fondo Ing. Grover Mercado Condori

62.84oC 124  o C

33

 

Simulación de Procesos Petroquímicos

11) Especificación de la columna recuperacion de  Columna Regenerador  Para este proceso vamos a ingresar 2 especificaciones.

:

Duty

Reflux Ratio

Q-101 @COL2

Condenser 

9,0e+007 Btu/hr 

:

Molar  1.902

Ovhd Vap Rate

10 @COL2

:

Molar  3066 kgmo molle/h

12)  Especificar el equipo  Amine Makeup Block. Este equipo cuenta con el proceso de auto cálculo. Quiere decir que no necesitamos colocar datos en el flujo  TEA Makeup. Para este caso se agrega la concentración de  TEAmine de 50,  y agregar el  flujo total de salida  100 m3/h.

13) Insertar la herramienta de  RECICLO (RCY-1). El flujo Coole  Cooled d Lean Amine Amine se insertara como un flujo de recirculación al  Absorbedor.

14) Verificar el flujo Sweet Gas. 15) Realizar la dimensión de  Separador Flash

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16)  Seleccion del Separador Flash.

17) Activar dimencionamiento de equipo Separador Flash.

18)  Realizar la dimensión de la  columna columna Absorbedo Absorbedorr.

Definimos el número niveles de platos a dimensionar. También se puede dimensionar platos específicos.

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20)  Realizar la dimensión de la  columna Regenerador.

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1)  Agregar la especificación de la  columna DESTILADOR1. COLUMN Columna Desmetanizador   Tipo de condensador Numero de platos Presión en el Condensador Presión en el Reboiler

Total 18 1 bar   1.2 bar  

Opcional

78  o C 90  o C

Temperatura en el Condensador Temperatura en el Reboiler

Conexiones de Platos Tow ower er Fe Feed ed

18 18__ __Ma Main in Tow ower  er 

2) Especificación de la  columna. Para este proceso necesitamos ingresar 2 especificaciones.

Ovhd Vap Rate Reflux Ratio Condenser  Molar  4

:

5@COLI1

Molar  219.6 lkgmole/h

:

3) Agregar la especificación de la  columna DESTILADOR2. COLUMN Columna Desmetanizador   Tipo de condensador Numero de platos Presión en el Condensador Presión en el Reboiler

Total 10 1 bar   1.2 bar  

Opcional Temperatura en el Condensador

78  o C

Temperatura en el Reboiler

90  o  oC C

Conexiones de Platos Tow ower er Fe Feed ed

5_ 5__M _Mai ain n Tow ower  er 

4)  Especificación de la  columna DESTILADOR2. Para este proceso necesitamos ingresar 2 especificaciones.

Reflux Ratio

Condenser  :

Molar  4

:

Temperature Condenser  77.98  o C

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