Curso Básico de Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006b

Aspen HYSYS

Tutorials and Applications

CURSO BÁSICO DE SIMULACIÓN DE PROCESOS CON ASPEN HYSYS 2006 CONTENIDO: Modelos Termodinámicos, Componentes y Propiedades Paquete Fluido Corrientes y Mezclas Propiedades de Mezclas Simulación de Unidades de Proceso Corrientes: División, Mezcla y Fraccionamiento Ciclo de Refrigeración Separación de Fases Separador de Tres Fases Simulación de Procesos con Corrientes de Recirculación Procesos con Reciclo Compresión en tres etapas Ajuste de Variables Simulación de Reactores Reactor de Conversión Relación no lineal entre variables Reactor de Mezcla Completa Reactor Flujo Pistón Reactor Catalítico Heterogéneo Balances de Materia y Calor Balance de Materia Balances de Calor Balances de Materia y Energía Balance General Planta de Producción de Gas de Síntesis Planta de Enfriamiento de un Gas Simulación de Columnas de Destilación y Absorción Columna de Destilación Simplificada Columna Despojadora de Agua Acida Columna de Destilación Desbutanizadora Separación de una Mezcla Propileno-Propano Planta de Gas Natural Licuado Planta de Producción de Etanol

_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 SIMULACION 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 ventanas correspondientes a las anteriores pestañas se agregan los componentes, las

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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

Figura 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 2.

Figura 2. Ventana para la creación o instalación del paquete fluido

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 Esta ventana contiene los grupos “Current Fluid Packages” y “Flowsheet-Fluid Pkg Associations”. Se pueden usar varios paquetes fluidos dentro de una simulación, 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 3. Por defecto, se despliega activa la pestaña “Set Up”

Figura 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 4. 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 5.

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Figura 4. Ecuación y nombre del paquete fluido

Figura 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 6. 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

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Figura 6. Ventana para la creación de un 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 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 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 Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 8.

Figura 8. Estimación de Propiedades desconocidas del componente hipotético

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 9.

Figura 9. Inclusión del componente hipotético dentro de la lista de componentes

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 10.

Figura 10. Coeficientes binarios entre los componentes del paquete fluido

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 11

Figura 11. Selección del sistema de unidades Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 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

Figura 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: Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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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 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 Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 3. CASO DE ESTUDIO A continuación, despliegue la ventana “Component List View”, haga clic en la opción “Components” del grupo “Add Component”, seleccione los componentes nheptano y n-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. Tabla 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 Y MEZCLAS

1. OBJETIVOS 1.1. Especificar corrientes de materia y energía para desarrollar una simulación de un proceso químico en HYSYS 1.2. Manejar algunas herramientas incluidas en el simulador que posibilitan la determinación de propiedades de mezclas 2. INTRODUCCION 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 mas 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

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=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: 1. 2. 3. 4.

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 2. INSTALACION 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 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 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

Figura 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 3.

Figura 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? 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

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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

3. INSTALACION DE UNA CORRIENTE DE ENERGIA 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 4.

Figura 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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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 3. PROPIEDADES DE CORRIENTES DE MATERIA

1. OBJETIVOS 1.1. Construir diagramas de propiedades de estado de una mezcla 1.2. Determinar las propiedades críticas de una mezcla 1.3. Estimar propiedades físicas, termodinámicas y de transporte de una mezcla 2. INTRODUCCION 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, PresiónEntropía, 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 1. 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 2 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. 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” 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 4. Compare los valores máximos y críticos de temperatura y presión de la Figura 3 con los determinados en el gráfico PT

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Figura 1. Composición de la corriente de materia “Gas”

Figura 2. Facilidades disponibles para 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 5, en el cuadro “Table Type” que los datos que aparecen tabulados corresponden a la sección del 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”

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Figura 3. Valores Máximos y Críticos de temperatura y presión de la corriente “Gas”

Figura 4. Diagrama Presión-Temperatura 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. 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 6 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 6.

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 13. Observe los gráficos presión – volumen, presión – entropía, temperatura – volumen, temperatura – entalpía y temperatura – entropía disponibles en el grupo “Envelope Type”

Figura 5. Datos numéricos de Punto de burbuja de la corriente “Gas”

Figura 6. Diagrama Presión – Entalpía de la corriente “Gas”

4. PROPIEDADES CRITICAS 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 7 y que despliega las propiedades críticas y seudocríticas de la corriente “Gas”

Figura 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 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 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 numero 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 Figura 9

Figura 8. Ventana para la construcción de una Tabla de Propiedades

Figura 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 13. Haga clic en la pestaña “Performance” para desplegar la ventana, Figura 10, donde se pueden seleccionar los datos calculados para visualizarlos tabulados numéricamente o gráficamente.

Figura 10. Tabla de propiedades

14. Haga clic sobre la página “Table” para desplegar los datos calculados en forma numérica y tabular. Observe Figura 11

Figura 11. Densidad y Conductividad térmica de la corriente “Gas”

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 12.

Figura 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 13. 6. DIMENSIONAMIENTO DE 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 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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”

Figura 13. Conductividad Térmica versus Presión para la corriente “Gas”

Figura 14. Dimensionamiento de una tubería

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 15

Figura 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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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 4. DIVISORES, MEZCLADORES Y FRACCIONADORES

1. OBJETIVOS 1.1. Determinar las variables de diseño de un divisor, un mezclador y un fraccionador de corrientes 1.2. Simular el desempeño de un mezclador, un fraccionador y un divisor de corrientes 1.3. Comparar las especificaciones requeridas en la simulaciones de divisores, mezcladores y fraccionadores con las variables de diseño estimadas en 1.1 2. INTRODUCCION Divisor de corrientes Un divisor de corrientes simula el fraccionamiento del flujo de una corriente que fluye a través de una tubería en varias corrientes. Un diagrama para un divisor de corrientes en dos corrientes se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Divisor de Corrientes

Siendo z, las composiciones en la corriente de alimento, y X’s las composiciones en las corrientes de salida, el balance de materia para cada uno de los C componentes es

Fzi = F1 X 1i + F2 X 2i

(4.1)

F, es el flujo de la corriente de entrada y F1 y F2, son los flujos de las corrientes de salida, i, es el número relativo a cada uno de los C componentes. El balance de energía es dado por

Fh + Q = F1 h1 + F 2 h 2

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(4.2)

_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 Para una corriente de entrada y dos corrientes de salida, el sistema consta de las siguientes variables y ecuaciones Variables

Cantidad

Corrientes de entrada y salida Corriente de energía Total Variables Ecuaciones o Restricciones

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

Balances de materia Balance de energía Igualdades entre las concentraciones de F y F1 Igualdad de temperaturas Igualdad de presiones Total Ecuaciones

C 1 C–1 1 1 2C + 2

Total de variables de diseño

C+5

Al disminuir las C + 2 especificaciones de la corriente de entrada, resulta un faltante de tres especificaciones. El divisor de HYSYS es considerado adiabático, es decir, Q = 0 y, además, le asigna la presión de la corriente de entrada. Por lo tanto, requiere de la especificación de la relación entre los flujos de una corriente de salida con respecto al flujo de la corriente de entrada. Para “n” corrientes de salida, se requieren “n – 1” relaciones de flujo Mezclador de corrientes Los mezcladores de corrientes representan la operación de suma de corrientes cuyos fluidos pueden tener distintas composiciones, temperaturas y estados de agregación. Un diagrama de un mezclador de corriente se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Mezclador de corrientes

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 Siendo X, fracción molar, i, el primer número del subíndice relativo al componente y el segundo número relativo a la corriente, el balance de materia para cada uno de los C componentes es

F1 X 1i + F2 X 2i = FX i

(4.3)

El balance de energía en el proceso de mezclado simplificado es

F1 h1 + F 2 h 2 + Q = Fh

(4.4)

Siendo h, las entalpías específicas correspondientes a cada una de las corrientes.

El análisis para los grados de libertad es el siguiente: Variables Corrientes de entrada y salida Corriente de energía Total Variables Ecuaciones o Restricciónes

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

Balances de materia Balance de energia Total Ecuaciones

C 1 C+1

Total de variables de diseño

2C + 6

Al disminuir las 2C + 4 especificaciones de las dos corrientes de entrada, resulta un faltante de dos especificaciones. El mezclador de HYSYS es considerado adiabático, es decir, Q = 0 y, por lo tanto, requiere de una especificación adicional para completar los grados de libertad. La variable que usualmente se fija en el diseño de un mezclador es la presión de la corriente de salida. Se sugiere asignar, a la corriente de salida, la menor presión entre las de las corrientes de entrada

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 Fraccionador de corrientes HYSYS dispone de un fraccionador de corrientes 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, ademas de otros cuatro parámetros. Un esquema de este fraccionador se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Fraccionador de corrientes 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

Fzi = F1 yi + F2 xi

(4.5)

Para C componentes, i = 1,…,C y, por lo tanto, se plantean C ecuaciones de balance de materia de componentes Un balance de energía se expresa mediante la ecuación

Fh F + Q = F1 h1 + F2 h2

(4.6)

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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 Variables

Cantidad

Corrientes de salida Flujo calórico Total Variables

3(C +2) 1 3C + 7

Ecuaciones

Cantidad

Balances de materia Balances de energía Total Ecuaciones

C 1 C+1

Total de variables de diseño

2C + 6

Al disminuir las C + 2 variables de la corriente de entrada, 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. SIMULACION DE UN FRACCIONADOR DE CORRIENTES 1. Abra un nuevo caso, y defina el siguiente paquete fluido a. Ecuación: b. Componentes: n-pentano y n-hexano c. Sistema de unidades:

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

2. Instale una corriente con las siguientes especificaciones: a. b. c. d. e.

Nombre: Uno Temperatura: 200 °F Presión: 500 psia Flujo molar: 1000 lbmol/h Composición (Fracción Molar) i. Etano 0.2 ii. Propano 0.6 iii. i-Butano 0.1 iv. n-Butano 0.1 v. 3. Instale otra corriente con las siguientes especificaciones: a. b. c. d. e.

Nombre: Dos Temperatura: 200 °F Presión: 500 psia Flujo molar: 800 lbmol/h Composición (Fracción Molar)

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 i. ii. iii. iv.

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: a. Nombre: b. Entradas: c. 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 4

Figura 4. Conexiones de un “Splitter”

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 5. 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 6 que HYSYS calcula las fracciones correspondientes a la corriente “Pro 2”

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006

Figura 5. Especificaciones de presiones y fracciones de vapor en el “Splitter”

Figura 6. 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 7y8 10. Instale un divisor de corrientes (Tee) y en la página “Connections” de la pestaña “Design” de su ventana de propiedades introduzca los siguiente: a. Nombre: b. Entrada: c. Salida:

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D-100 Pro 2 Tres, Cuatro

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006

Figura 7. Condiciones de las corrientes del “Splitter”

Figura 8. 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”. 12. Observe las especificaciones de las corrientes en el divisor

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 5. 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. INTRODUCCION 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 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 1. Ciclo de refrigeración

Válvula de Joule-Thompson En este tipo de válvula, los grados de libertad son de un total de C + 4. Si se fija la temperatura, la fracción de vapor y la composición de la corriente “1” HYSYS hace un cálculo de evaporación espontánea T-Vf y especifica completamente dicha corriente. En una válvula de Joule-Thompson como la que muestra la Figura 1 la expansión es isoentálpica, los flujos y las composiciones de las corrientes “1” y “2” también son iguales y, por lo tanto, hay un grado de libertad. Si se fija la caída de presión permisible en la

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 válvula, HYSYS calcula la presión de la corriente “2” y completa su especificación mediante un cálculo de evaporación espontánea P-H Evaporador En el calentador que muestra la Figura 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. Un balance de energía en el evaporador es el siguiente.

F2 h2 + Q = F3 h3

(5.1)

Siendo F’s y h’s , los flujos de las corrientes y las entalpías de las corrientes y Q el flujo calórico cedido a la corriente “2” El análisis entre variables, ecuaciones y especificaciones nos muestra que en un vaporizador hay C + 4 grados de libertad. Especificada la corriente de entrada, si se fija la caída de presión en el intercambiador, su especificación completa es posible alcanzarla de dos maneras a saber: 1. Fijando el valor de “Q”, la ecuación (1) permite el cálculo de la entalpía de la corriente “3” y HYSYS realiza un cálculo de evaporación espontánea P-H para su especificación completa 2. Fijando el valor de la temperatura de la corriente “3”, HYSYS realiza un cálculo de evaporación espontánea T-P y, por lo tanto, de su entalpía. Con la ecuación (1) se calcula, entonces, el flujo calórico requerido en el evaporador Compresor El compresor que muestra la Figura 1 opera isoentrópicamente. Las corrientes “3” y “4” son de flujos y composiciones iguales pero se requiere un trabajo de compresión que se calcula con la siguiente ecuación

⎡ ⎛P k − Ws = P3V3 ⎢⎜⎜ 4 ⎢⎝ P3 k −1 ⎣⎢

⎞ ⎟⎟ ⎠

k −1 k

⎤ − 1⎥ ⎥ ⎦⎥

(5.2)

Siendo k = Cp/Cv,, P’s las presiones de las corrientes de entrada y salida y V3, el volumen específico de la corriente de entrada

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 Pero el trabajo real se calcula fijando una eficiencia isoentrópica para el compresor o mediante el cambio de entalpía entre las corrientes de salida y entrada en el compresor, es decir

− Ws ,real =

− Ws

η isoentrópica

= H 4,real − H 3

(5.3)

En este tipo de compresor el número de grados de libertad es C + 4. Si se especifica completamente la corriente de entrada, el número de variables de diseño requeridas es dos Si se fija la presión de la corriente de salida (o el ∆P en el compresor) y la eficiencia del compresor, se calcula su trabajo isoentrópico con la ecuación (5.2) y su trabajo real con la primera igualdad de la ecuación. La entalpía de la corriente “4” se calcula con la segunda igualdad de la ecuación (5.3). HYSYS realiza un cálculo de evaporación espontánea P-H para la especificación completa de la corriente “4”. Condensador El análisis de los grados de libertad el condensador del ciclo de refrigeración de la Figura 1 es el mismo del evaporador, es decir, C + 4. 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? 3. SIMULACION DEL CICLO DE REFRIGERACION 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)

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1 0.0 120 °F 100 lbmol/h 1.0

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 2.

Figura 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 3. ¿Cuántas variables se necesitan introducir para que el conjunto Válvula-Evaporador quede completamente especificado?

Figura 3. Conexiones del evaporador en el ciclo de refrigeración

7. Haga clic sobre la página “Parameters” e introduzca una caída de presión de 1 psi en el cuadro “Delta P”.

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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. ¿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. 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 5. ¿Cuántas variables se requieren especificar para que converja el conjunto Compresor-Condensador? 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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?

Figura 5. Conexiones del condensador en el ciclo de refrigeración

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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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 6. SEPARACION DE FASES INSTANTANEO

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. INTRODUCCION 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 cuya caída de presión en forma adiabática provoca una vaporización parcial, debido a lo cual en un tanque posterior puede lograrse la separación en las fases líquido y vapor, respectivamente. Observe la Figura 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 1. Separador de fases instantáneo

Las ecuaciones de un modelo, en estado estacionario, para un separador instantáneo son Balances de materia para cada uno de los C componentes (C ecuaciones)

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Fzi = Vyi + Lxi

(6.1)

Fh F + Q = Vh V + Lh L

(6.2)

Balance de energía

Relaciones de equilibrio (N ecuaciones)

yi = K i xi

(6.3)

Restricciones

PV = PL = P

TV = TL = T

(6.4) (6.5)

El análisis de grados de libertad es el siguiente: Variables

Cantidad

Corriente Vapor Corriente Líquido Corriente Calor Total Variables Ecuaciones y Restricciones

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

Balances de materia Relaciones de equilibrio Balance de energía Restricciones Total Ecuaciones y Restricciones

C C 1 2 2C + 3

Total grados de libertad

2

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 (6) propuesta por Rachford y Rice (1952) que permite calcular la fracción de alimento vaporizado, V/F, suponiendo que las constantes de equilibrio son independientes de las concentraciones y solo dependen de la temperatura y la presión.

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006

( K i − 1) z i =0 ∑ i =1 1 + (V / F )( K i − 1) N

(6.6)

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 , V / F ) = 1 − (V / F )

hV h − (1 − (V / F )) L hF hF

(6.7)

Para la solución simultánea de las ecuaciones (6.6) y (6.7) se puede proceder de la siguiente manera 1. Se supone una temperatura 2. Se calcula la fracción de vaporización con la ecuación (6.6) y 3. Se verifican dichos resultados con la ecuación (6.7) definiendo un error para la función g(T, V/F)

3. SIMULACION DE UN SEPARADOR DE FASES INSTANTANEO 1. Abra un nuevo caso y añada el siguiente paquete fluido a. Ecuación: Peng Robinson b. Componentes: Etano, Propano, n-Butano, n-Pentano, n-Hexano c. Unidades: 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 2.

Figura 2. Corrientes de materia y energía conectadas al separador

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 3 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 4

Figura 3. Carga calórica asignada al separador

Figura 4. Dimensionamiento del tanque separador

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 (6.7) 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 tempertura de 150 °F y una fracción de vaporización de 0.6. Analice los resultados

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 7.

SEPARADOR 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. INTRODUCCION Una corriente que contiene hidrocarburos y agua puede presentarse en varias fases, dependiendo de sus condiciones de estado. Los cálculos para determinar sus puntos de rocío y burbuja se describen en libros como “Design of Equilibrium Stage Processes” de Smith Buford D., McGraw-Hill (1963) y son de un relativo interés académico. HYSYS dispone de una unidad para separar, en forma instantánea, una carga que se alimente con tres fases, vapor, líquida y acuosa 3. SEPARACION DE UNA MEZCLA DE HIDROCARBUROS - AGUA 1. 2. 3. 4. 5.

6. 7. 8.

9.

Abra un nuevo caso y defina el siguiente paquete fluido Ecuación: Peng Robinson Componentes: C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5, H2O Unidades: SI Entre al ambiente de simulación e instale una corriente con el nombre de “Alimento” y las siguientes especificaciones a. Temperatura: 20 °C b. Presión: 200 kPa c. Flujo: 100 kgmol/h d. Composición (Fracción Molar) i. Metano 0.10 ii. Etano 0.03 iii. Propano 0.04 iv. i-Butano 0.08 v. n-Butano 0.10 vi. i-Pentano 0.12 vii. n-Pentano 0.13 0.40 viii. Agua Maximice la ventana de propiedades de la corriente “Alimento” y observe las condiciones de las tres fases que la componen en la Figura 1 Haga clic en la página “Composition” y observe las composiciones correspondientes a dicha corriente en la Figura 2. 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. Seleccione el separador de 3 fases haciendo doble clic sobre el icono correspondiente en la paleta de objetos.

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Figura 1. Especificaciones de la corriente “Alimento”

Figura 2. Composición de las tres fases de la corriente “Alimento”

10. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca los nombres de las corrientes de entrada y salida como se observan en la Figura 3. 11. 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. 12. 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 13. 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 4.

Figura 3. Corrientes de entrada y salida al Separador de tres fases

Figura 4. Dimensionamiento del tanque Separador de Tres Fases

14. Haga clic sobre la pestaña “Worksheet” y observe las condiciones de las corrientes de salida del Separador de Tres fases, Figura 5. Compárelas con las especificaciones de las tres fases de la corriente “Alimento”.

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 15. Haga clic sobre la página “Composition” y observe las concentraciones de las corrientes de salida del Separador de Tres Fases, Figura 6. Compárelas con las especificaciones de las tres fases de la corriente “Alimento”

Figura 5. Condiciones de las corrientes de salida del Separador de Tres Fases

Figura 6. Composición de las corrientes de salida del Separador de Tres Fases

3. CASOS DE ESTUDIO 3.1. Determine el punto de rocío de la corriente “Alimento” a 200 kPa? ¿Cuántas fases se observan? Explique por qué la fase vapor contiene agua 3.2. 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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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 8. 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. INTRODUCCION 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 material corriente abajo que debe ser de las mismas especificaciones que un material 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 3. PROCESO ESTUDIADO En el siguiente ejemplo, una corriente bifásica, F1, es mezclada con una corriente de recirculación, RC, y alimentada al separador V-100. El vapor del V-100 es alimentado al expansor E-100 y vaporizado nuevamente en el separador V-101. La mitad del líquido que sale de este separador es alimentado a la bomba P-100 y recirculada y mezclada con el alimento fresco. 4. SIMULACION 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

0.0069 0.0138 0.4827 0.1379 0.0690 0.0621

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

0.0552 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

Página Connections

Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet

F1 V L

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 Pestaña Design

Página Parameters

Pressure Drop

0 psi

4. Instale un expansor con el nombre de “E-100” y las siguientes especificaciones Pestaña Design

Página Connections

Inlet Outlet Energy

V V1 Qe

Pestaña Worksheet

Página Conditions

Corriente V1

300 psi

5. Instale un separador con el nombre de “V-101” y las siguientes especificaciones Pestaña Design

Página Connections

Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet

V1 V2 L2

Pestaña Design

Página Parameters

Pressure Drop

1.45 psi

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

Página Connections

Inlet Outlets

L2 P, L3

Pestaña Design

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

P Rc Qp

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 Pestaña Design

Página Parameters

Efficiency

75%

Pestaña Worksheet

Páagina 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 1 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 1. Especificaciones asumidas para la corriente Ra

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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 convergencia de todo el proceso. La Figura 2 muestra el diagrama de flujo final del proceso

Figura 2. 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 2 y 3 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 1

Figura 2. Condiciones finales de las corrientes asumida y calculada

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006

Figura 3. Composiciones finales de las corrientes asumida y calculada

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 9. COMPRESION 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. La Figura 1 muestra el diagrama de flujo del proceso de compresión multietapa 3. PAQUETE FLUIDO COMPONENTES: Nitrógeno, Dióxido de carbono, Metano, Etano, Propano, iButano, n-Butano, i-Pentano, n-Pentano, n-Hexano, n-Heptano y n-Octano. ECUACION: Peng-Robinson REACCIONES: No hay SISTEMA DE UNIDADES: Field 4. SIMULACION 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: Nitrogen Mole Frac CO2 Mole Frac Methane Mole Frac Ethane Mole Frac Propane Mole Frac i-Butane Mole Frac

0.0069 0.0138 0.4827 0.1379 0.0690 0.0621

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

0.0552 0.0483 0.0414 0.0345 0.0276 0.0206

_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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

Página Connections

Inlet Outlet

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

Página Connections

Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet

EntradaV-100 VaporV-100 LiquidoV-100

Compresor K-100 Pestaña Design

Página Connections

Inlet Outlet Energy

VaporV-100 EntradaE-100 QK-100

Enfriador E-100 (Cooler) Pestaña Design

Página Connections

Feed Stream Product Stream Energy Stream

EntradaE-100 SalidaE-100 QE-100

Pestaña Design

Página Parameters)

Pressure Drop

5 psi

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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

Página Connections

Inlet Outlet

SalidaE-100 EntradaV-101

Pestaña Design

Página Parameters

Automatic Pressure Assignment 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

Página Connections

Feed Vapour Outlet Liquid Outlet

EntradaV-101 VaporV-101 LiquidoV-101

Compresor K-101 Pestaña Design

Página Connections

Inlet Outlet Energy

VaporV-101 EntradaE-101 QK-101

Enfriador E-101 (Cooler) Pestaña Design

Página Connections

Feed Stream Product Stream Energy Stream

EntradaE-101 SalidaE-101 QE-101

Pestaña Design

Página Parameters

Pressure Drop

5 psi

Especifique la temperatura y presión de la corriente SalidaE-101 como 120°F y 500 psia respectivamente Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 Mezclador MIX-102 Pestaña Design

Página Connections

Inlet Outlet

SalidaE-101 EntradaV-102

Pestaña Design

Página Parameters

Automatic Pressure Assignment 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

Página Connections

Feed Vapour Outlet Liquid Outlet

EntradaV-102 VaporV-102 LiquidoV-102

Compresor K-102 Pestaña Design

Página Connections

Inlet Outlet Energy

VaporV-102 EntradaE-102 QK-102

Enfriador E-102 Pestaña Design

Página Connections

Feed Stream Product Stream Energy Stream

EntradaE-102 SalidaE-102 QE-102

Pestaña Design

Página Parameters

Pressure Drop

5 psi

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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 Separador V-103 Pestaña Design

Página Connections

Feed Vapour Outlet Liquid Outlet

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 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 ¾ RCY-1 – Feed: LiquidoV-101; Product: RC-100 ¾ RCY-2 – Feed: LiquidoV-102; Product: RC-101 ¾ 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.

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006

Figura 1. Proceso de compresión de un gas en tres etapas

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 10. 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. INTRODUCCION 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”.

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 COMPONENTES: Metano, Etano, Propano, i-Butano, n-Butano, i-Pentano n-Pentano, n-Hexano, n-Heptano, n-Octano ECUACION: Peng Robinson REACCION: No hay UNIDADES: Field 5. SIMULACION 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

0.4861 0.1389 0.0694 0.0625 0.0556

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

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

Página Connections

Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet

Alimento Vapor Liquido

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 Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 1.

Figura 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 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 2 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 Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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. El diagrama de flujo se observa en la Figura 3.

Figura 2. Propiedades de la corriente de alimentación después del ajuste

Figura 3. Separador de fases con el botón de ajuste de variables incluido

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 11. REACTOR DE CONVERSION 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 cálculados teóricamente Utilizar la facilidad que permite la operación “Set” para simular una separación instantánea P-Vf

2. INTRODUCCION Reacción de conversión HYSYS permite la simulación de procesos químicos con reacciones de varios tipos. En la reacción de conversión 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 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 (η) para cada una de las reacciones y considerando sus coeficientes estequiométricos (γ) positivos para los productos y negativos para los reaccionantes 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

F = Fi + ∑ γ r , kη Fi l ( r ) k p

k

r =1

(11.1)

Siendo p, el símbolo correspondiente a la corriente producto, i, el de la corriente de entrada, k, el que representa a cada uno de los componentes y l(r) el componente límite en la reacción r La ecuación (11.1) expresa que el flujo en la corriente producto de un componente es igual a su flujo de entrada mas la sumatoria de lo producido en cada reacción menos lo consumido en cada reacción

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 u objetivo se define en términos de la variable independiente o fuente de acuerdo a la siguiente relación lineal

Y = MX + B

Siendo

(11.2)

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 COMPONENTES: ECUACION: UNIDADES:

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

REACCION DE CONVERSIÓN:

CO + 3 H2

CH4 + H2O

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 Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 “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 1.

Figura 1. 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 2. Cuando la reación es especificada completamente, en forma automática es añadida al conjunto de reacciones “Global Rxn Set”. Añada el “Global Rxn Set” al paquete fluido 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. SIMULACION 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006

Figura 2. Datos básicos para la reacción de conversión

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

Página Connections

Name Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet

R-100 Monóxido, Hidrógeno Vapor Líquido

Pestaña Design

Página Parameters

Delta P

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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 reacciones “Global Rxn Set” que contiene la reacción de conversión definida anteriormente Operación Set Instale, ahora, la operación Set que establezca el flujo molar de FH2 en proporción estequiométrica a 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 3. 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 4. Despliegue el libro de trabajo 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 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

Figura 3. Conexiones del botón SET-1 Ing. Román Alexander Fernández Rocha

Figura 4. Relación lineal entre los flujos 71

_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006

El diagrama de flujo final del reactor de conversión incluyendo el botón de ajuste se observa en la Figura 5

Figura 5. Reactor de conversión de monóxido de carbono en metano

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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 12. RELACION NO LINEAL ENTRE VARIABLES 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. INTRODUCCION 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

(12.1)

Siendo “L”, el flujo molar de la corriente “Liquido” y “h”, el nivel de líquido en el tanque. Si se fija el nivel de líquido en el tanque, la ecuación (12.1) 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 Componente: Ecuación: Unidades:

Agua Peng Robinson Field

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 5. SIMULACION 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 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 1 muestra la ventana de la pestaña “Connections” con las variables importadas en las celdas señaladas en la hoja de cálculo. La Figura Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 2 muestra la hoja de cálculo con las leyendas digitadas y los valores de las variables importadas

Figura 1. Importación de variables a la hoja de cálculo

Figura 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

Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 (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 3

Figura 4. 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 13. 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. INTRODUCCION 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 ecuación de diseño de un reactor de mezcla completa es:

X τ V = = A FAo C Ao − rA

(13.1)

Siendo V, el volumen del reactor, FAo, el flujo molar del reactivo límite, τ, el tiempo espacial, CAo, la concentración del reaccionante A en la corriente de entrada, XA, la conversión de A y rA, la velocidad de reacción de A La velocidad de una reacción no catalítica depende de la concentración de reaccionante. Con respecto al reaccionante A, la ecuación de velocidad de reacción se expresa de la siguiente manera

− rA = kCAn

(13.2)

Siendo k, la constante específica de velocidad de reación, n, el orden cinético de la reacción y CA, la concentración de reaccionante 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 ⎠

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(13.3)

_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 Siendo A, el factor pre-exponencial, E, la energía de activación, T, la temperatura en escala absoluta y R, la constante universal de los gases 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 seis. Las variables que usualmente, se especifican son el flujo calórico en la corriente de energía, la caída de presión en el tanque y el volumen del reactor, además de 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 estequiometría es C 3 H 6 O + H 2 O → C 3 H 8 O2

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

(13.4)

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 ⎠ ⎝

(13.5)

Siendo T, la temperatura en Kelvin 4. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Reacción Tipo:

Uniquac - Ideal Oxido de propileno, agua, propilenglicol y nitrógeno Cinético

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 Estequiometría: Base:

Oxido de propileno + Agua Æ Propilenglicol

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 ºK para la temperatura. Parámetros Cinéticos La reacción es irreversible. La ecuación cinética es la (13.4) es decir de orden uno con respecto al óxido de propileno y de la ecuación (13.5) se tiene que el factor preexponencial es 1.7x1013 h-1 y la energía de activación es 32444 kJ/kgmol 5. SIMULACION 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 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.

Figura 1. Estequiometría de la reacción química

Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 1 7. Haga clic sobre la pestaña Basis y complétela como se observa en la Figura 2.

Figura 2. Bases para la cinética de la reacción

Figura 3. Ecuación de Arrhenius Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 3. Observe la banda verde con la leyenda “Ready”. 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 Alimento Temperatura, °C 25 Presión, kPa 130 Flujo molar, kgmol/h 350 Composición (Fracción mol) Oxido de propileno 0.2 Agua 0.8 Propilenglicol 0.0 Nitrógeno 0.0

Inerte 60 130 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 Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 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 4.

Figura 4. Reactor de mezcla completa

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 14. REACTOR PFR

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 PFR de tipo cinético 1.3. Simular, en estado estacionario, un reactor PFR, con una reacción de tipo cinético 2. INTRODUCCION Un reactor PFR es básicamente un tubo donde se realiza una reacción con cambios axiales en la concentración, la presión y la temperatura. La ecuación de diseño de un reactor tubular es: X A dX τ V A = =∫ 0 FAo C Ao − rA

(14.1)

Siendo V, el volumen del reactor, FAo, el flujo molar del reactivo límite, τ, el tiempo espacial, CAo, la concentración del reaccionante A en la corriente de entrada, XA, la conversión de A y rA, la velocidad de reacción de A 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 mas grandes 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

CH3 − CO − CH3 → CH 2CO + 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. Ing. Román Alexander Fernández Rocha

_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 La reacción es de primer orden con respecto a la concentración de acetona, CAcetona, con una cinética de la forma

r = KC Acetona

(14.2)

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 ⎠ ⎝

(14.3)

Siendo T, la temperatura en Kelvin y K, en segundos-1 4. PAQUETE FLUIDO Ecuación: PRSV (Peng-Robinson Stryjek-Vera) Componentes: Acetona, keteno y metano Reacción Tipo: Cinético Estequiometría: Acetona Æ 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/m3 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 (14.2), es decir de orden uno con respecto al óxido de propileno y de la ecuación (14.3) se tiene que el factor pre-exponencial es 8.2x1014 s-1 y la energía de activación es 2.8x105 kJ/kgmol 5. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Abra un nuevo caso y seleccione la ecuación PRSV y los componentes acetona, keteno y metano 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

Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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.

Figura 1. Estequiometría de la reacción química

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 1 7. Haga clic sobre la pestaña Basis y complétela como se observa en la Figura 2. 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 3. Observe la banda verde con la leyenda “Ready”. 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

Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 11. Presione el botón “Return to Simulation Environment” para ingresar al ambiente de simulación

Figura 2. Bases para la cinética de la reacción

Figura 3. Ecuación de Arrhenius

Corrientes de materia y energía 12. Instale una corriente especificaciones

con el nombre de “Acetona” con las siguientes

Temperatura, °C Presión, kPa Ing. Román Alexander Fernández Rocha

761.85 162 86

_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 Flujo molar, kgmol/h Fracción mol Acetona

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 4.

Figura 4. Dimensiones y empacado de los tubos Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 21. En la página “Composition” de la pestaña “Worksheet” se observan la concentración de acetona en las corrientes 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, comos se muestra en la Figura 5. Seleccione otros perfiles sobre la página “Conditions” y de las otras páginas

Figura 5. Perfil de temperatura en el reactor tubular

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 15. REACCION CATALITICA HETEROGENEA 1. OBJETIVOS 1.1. Especificar la cinética de una reacción catalítica heterogénea 1.2. Simular, en estado estacionario, un reactor PFR, con una reacción catalítica heterogénea 1.3. Analizar el desempeño de un reactor tubular catalítico 2. INTRODUCCION 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 heterogenea con la siguiente forma

kf −r =

Re ac

Pr od

i =1

j =1

∏ C iα i − k r ∏ C j

M M ⎡ ⎧⎪ γ kg ⎨1 + ∑ ⎢ K k ∏ C g ⎪⎩ i =1 ⎣ g =1

βj

⎤ ⎫⎪ ⎥⎬ ⎦ ⎪⎭

n

(15.1)

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 → C 6 H 6 + H 2 Ing. Román Alexander Fernández Rocha

_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 + 1.038 PT

(15.2)

Siendo P, presión parcial de cada uno de los componentes hidrógeno, tolueno y benceno, k, una constante de velocidad de reacción y K’s, constantes de velocidad de adsorción. 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 1 muestra el diagrama de flujo final del reactor tubular

Figura 1. Reactor tubular

4. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Reacción Tipo: Estequiometría: Base:

Peng-Robinson Tolueno, hidrógeno, benceno, metano y nitrógeno Cinético Tolueno + Hidrógeno Æ 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/h-m3 para la velocidad de reacción, y ºK para la temperatura. Parámetros Cinéticos La reacción es irreversible. La ecuación cinética es la (2). Al introducir las constantes en HYSYS, los factores pre-exponenciales serán las constantes que aparecen en dicha ecuación y para cada una de ellas se asume una energía de activación de cero

Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 5. SIMULACION 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.

Figura 2. Estequiometría de la reacción química

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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 hidrógeno obsérvelos en la columna “Forward Order”. La ventana se debe observar como lo muestra la Figura 4

Figura 3. Bases para la cinética de la reacción

Figura 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 5.

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006

Figura 5. Denominador de la ecuación cinética

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 especificaciones

con el nombre de “Alimento” con las siguientes

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”

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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. 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 6.

Figura 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 16. 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. 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 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 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 Ing. Román Alexander Fernández Rocha

_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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, nbutano, 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 1. Haga clic en la pestaña “Parameters” y seleccione la opción Masa o “Mass” como el tipo de balance o “Balance Type”. El balance resuelto corresponde a la siguiente ecuación:

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m& A limento = X p,Pr oducto * FPr oducto * PMPr 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 1. Conexiones al botón de balance de masa

La Figura 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” 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 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) 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”.

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Figura 2. Balance global de masa entre dos corrientes

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, n-butano, 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

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 4. Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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Figura 3. Resultados del Balance de masa

Figura 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 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 Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 información de temperatura, presión o fracción de vapor requerida para completar su especificación.

Figura 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 6.

Figura 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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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 17. 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, aún 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 Corriente Caliente: “Cal-1” Pestaña Design

Página Conditions

Temperatura Presión

30 °C 5000 kPa

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 Flujo Molar

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

Página Composition (Fracción Mol)

Metano Etano Propano i-Butano

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

Página Conditions

Fracción de vapor Presión Flujo Molar

1.0 2000 kPa 75 kgmol/h

Pestaña Design

Página Composition (Fracción Mol)

Metano Etano

0.95 0.05

Corriente Fría: “Frio-2” Pestaña Design

Página Conditions

Fracción de vapor Presión Flujo Molar

0.0 250 kPa 100 kgmol/h

Pestaña Design

Página Composition (Fracción Mol)

Metano Etano

0.02 0.98

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 1.

Figura 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 2

Figura 2. Selección del tipo de Balance

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 Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006

QTotal =

4

∑ F ∆H i =1

i

i

Siendo Fi el flujo molar de cada una de las cuatro corrientes y ∆Ηi 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 18. BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA 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 mas 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 = FAlimento *Cp,Alimento(TAlimento −TEntradaE−101)

(18.1)

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

Q101 = FEntradaE−101 * C p , A lim ento (TEntradaE−101 − TPr oducto )

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(18.2)

_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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

Página Composition (Fracción Mol)

Nitrógeno Metano Etano Propano i-Butano n-Butano

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

0.0149 0.9122 0.0496 0.0148 0.0026 0.0020

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

Página Conections

Inlet Outlet Energy

Alimento EntradaE-101 QE-100

Pestaña Design

Página Parameters

Caída de presión Carga Calórica

5 psi 1.2e+06 Btu/hr

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 ENFRIADOR E-101 Instale un enfriador de nombre E-101 e introduzca las siguientes especificaciones en su ventana de propiedades Pestaña Design

Página Conections

Inlet Outlet Energy

EntradaE-101 Producto QE-101

Pestaña Design

Página Parameters

Caída de presión Carga calórica

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”, QE-100 y QE-101. OPERACIÓN MOLE AND HEAT BALANCE Instale una operación “Balance “y complete las conexiones y parámetros como se muestra en las Figura 1

Figura 1. Conexiones al botón de Balance de moles y calor

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 2. HYSYS inmediatamente ejecutará un balance global de materia y calor. Los resultados obtenidos son los siguientes

Figura 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 3.

Figura 3. Balance de mol y calor en dos enfriadores en serie

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 19. BALANCE GENERAL 1. OBJETIVOS 1.1. Calcular, mediante HYSYS, los flujos y las composiciones desconocidas en un mezclado entre dos corrientes. 1.2. Verificar los resultados reportados por HYSYS en cálculos de balances de materia entre corrientes mezcladas 1.3. Calcular, mediante HYSYS, los flujos globales entre corrientes en las que se conserva el flujo global de materia 1.4. Verificar los resultados reportados por HYSYS en cálculos globales de balances de materia entre corrientes especificadas en composición y flujos 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 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 1.

Figura 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 2. HYSYS realizará los cálculos correspondientes y completará la operación. Las

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 especificaciones resultantes de las corrientes aparecen resumidas en la Figura 3.

Figura 2. Relación entre el contenido de agua y metano en la corriente “Alimento”

Figura 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 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 se encuentra 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 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

(19.1)

Balance de metano: Me tan o Me tan o X Me tan o FMe tan o = X Me tan o FA lim ento

(19.2)

Balance de monóxido de carbono: CO CO X Me F = X tan o Me tan o A lim ento FA lim ento

(19.3)

Balance de dióxido de carbono: CO 2 CO 2 X Me tan o FMe tan o = X A lim ento FA lim ento

(19.4)

Balance de energía:

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006

FAgua hAgua + FMe tan o hMe tan o = FA lim ento hA lim ento

(19.5)

Relación entre agua y metano en la corriente “Alimento”

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

(19.6)

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 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 5.

Figura 5. Balance general para calcular flujos globales de corrientes

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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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 20. 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. INTRODUCCION 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

(20.1)

La conversión de equilibrio puede determinarse directamente a partir de la ecuación

( fC )c ( f D )d ⎛ ∆Grxn (T ) ⎞ exp = = K ⎜− ⎟ RT ⎠ ( f A ) a ( f B )b ⎝

(20.2)

Siendo fi, la fugacidad del componente i y, donde para la anterior reacción (1), el cambio de energía libre de Gibbs, ∆Grxn , se calcula por la ecuación

∆Grxn = (c∆G f ,C + d∆G f ,D ) − (a∆G f , A + b∆G f ,B )

(20.3)

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

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KP

(a +b−c −d )

( yC ) c ( y D ) d = ( y A )a ( yB )b

(20.4)

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 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 estequiometría es la siguiente:

Rxn − 1 : CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 Rxn − 2 : CH 4 + 2 H 2 O → CO2 + 4 H 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 + 2 H 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 hidrógeno - nitrógeno. La Figura 1 muestra el diagrama de flujo final del proceso simulado en este ejercicio

Figura 1. Diagrama de flujo de una plante de producción de gas de síntesis

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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” 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 estequiometría 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 2 9. Haga clic en la pestaña “Basis” y complete la información como aparece en la Figura 3. Observe que la reacción es de una conversión del 40 % 10. Introduzca la estequiometría de la reacción de reformado del gas natural, de tipo conversión, CH 4 + 2 H 2 O → CO2 + 4 H 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 estequiometría de la reacción de combustión para el reformado del gas natural, de tipo conversión, CH 4 + 2O2 → CO2 + 2 H 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 %.

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Figura 2. Estequiometría de la reacción Rxn-1 del Global Rxn Set 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?

Figura 3. Fase y conversión de la reacción Rxn-1 del conjunto Global Rxn Set

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”

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 4. 17. El conjunto “Combustor Rxn Set” conformado por las reacciones Rxn-1, Rxn-2 y Rxn-3 se construye como se observa en la Figura 5 18. El conjunto “Equilibrio Rxn Set” conformado por la reacción Rxn-4 se construye como se observa en la Figura 6 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” 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. SIMULACION 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 %.

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Figura 4. Conjunto de reacciones “Reformador Rxn Set”

Figura 5. Conjunto de reacciones “Combustor Rxn Set”

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

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Gas 700 500 200

Vapor 475 520

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Figura 6. Conjunto de reacciones “Equilibrio Rxn Set”

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 7. Botón SET-1

Figura 7. Especificación de igualdad de presiones entre Gas y Vapor

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” Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 Presión, psia Flujo Molar, lbmol/h Fracción mol Agua Fracción mol Nitrógeno Fracción mol Oxígeno

Ing. Román Alexander Fernández Rocha

VaporC 475

Aire 475

200 1.00

520 0.79 0.21

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 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 Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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. 21. Despliegue la página “Parameters” de la pestaña “Design” y seleccione el radio botón “Cooling”

Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 OPERACION 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 8 29. Presione el botón “Start” y espere hasta que HYSYS encuentre la solución 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 Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 9

Figura 8. Ajuste del flujo de “VaporC” para el control de temperatura de R-102

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 10 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”

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006

Figura 9. Hoja de cálculo “Relación H2/N2”

Figura 10. Nombre de la variable introducida en la celda B4

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 11. Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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. 37. Presione el botón “Start” y espere hasta que HYSYS encuentre una solución

Figura 11. Exportación de la relación al flujo molar de la corriente ficticia

Figura 12. Ajuste del flujo de aire para una relación de tres entre hidrógeno y nitrógeno Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 21. 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. INTRODUCCION 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. 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. Grados de libertad de un intercambiador de calor incluyendo su configuración Las variables del sistema son las 4(C + 2) de las cuatro corrientes de materia, el flujo calórico intercambiado entre ellas y las dos variables de dimensionamiento del intercambiador (coeficiente global y área de transferencia de calor), es decir, 4C + 11. Las ecuaciones del sistema son C balances de materia, C igualdades en concentraciones en ambas corrientes intercambiando calor, un balance de energía y una ecuación de diseño, es decir, 2C +2. Las variables de diseño son, por lo tanto, 2C + 9 Si se especifican las dos corrientes de entrada, se reducen a cinco los grados de libertad requeridos para especificar completamente al intercambiador. HYSYS, en su ventana de propiedades, asiste para la introducción de estas cinco especificaciones faltantes. 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 Ing. Román Alexander Fernández Rocha

_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 4.1.1. COMPONENTES: 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)) 4.1.2. ECUACION: Peng-Robinson 4.1.3. REACCIONES: No hay 4.1.4. SISTEMA DE UNIDADES: SI 5. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO Corriente de alimentación: Instale la corriente de nombre “Alimento” e introduzca en su ventana de propiedades las siguientes especificaciones: Nombre: Alimento Temperatura: 15°C (60°F) Presión: 6200 kPa (900 psia) Flujo Molar: 1440 kgmole/hr (3175 lbmole/hr) Composición (Fracción Molar: 0.0066 N2 H2S 0.0003 CO2 0.0003 C1 0.7575 0.1709 C2 C3 0.0413 0.0068 i-C4 n-C4 0.0101 0.0028 i-C5 n-C5 0.0027 C6 0.0006 C7+ 0.0001 H2O 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 1, y “Parameters”, Figura 2, 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 1. Corrientes 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 3. 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 4. Observe en la Figura 3 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006

Figura 2. Parámetros especificados en el intercambiador E-100

Figura 3. Ventana para agregar las especificaciones 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

E-101 SalidaE-100

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 Outlet Energy

LiquidoVapor Q2

Pestaña Design:

Página Parameters

Delta P

35 kPa (5 psia)

Figura 4. Especificación de la mínima aproximación de temperatura entre las corrientes en el intercambiador E-100

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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 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.

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 5 muestran las especificaciones introducidas para la operación 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 6.

Figura 5. Ventana de especificaciones del botón de ajuste

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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006

Figura 6. 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 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 CASO DE ESTUDIO: Variación de la temperatura de la corriente “VaporRocío” debida a cambios en la temperatura de la corriente “LiquidoVapor” 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 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 7 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 8

Figura 7. Selección de variables para el caso de estudio

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 9. 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 10

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 Habiendo terminado el estudio de caso, active la operación Adjust eliminando la verificación en la opción Ignored en la página Parameters de la operación

Figura 8. Selección de las variables independiente y dependiente

Figura 9. Especificaciones del intervalo de valores a analizar

Figura 10. Resultados gráficos del caso de estudio Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 22. COLUMNA DE DESTILACION SIMPLIFICADA

1. OBJETIVOS 1.1. Especificar en forma simplificada una columna de destilación 1.2. Estimar un tamaño y desempeño simplificado de una columna de destilación mediante el procedimiento de Fenske-Underwood-Gililand 2. INTRODUCCION 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 − R m ⎞ 0.5688 ⎤ N − Nm = 0 .75 ⎢1 − ⎜ ⎟ ⎥ N +1 ⎣⎢ ⎝ R + 1 ⎠ ⎦⎥

(22.1)

Ecuación de Fenske para calcular el número mínimo de platos Para sistemas de volatilidad relativa constante, α, 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 α LK / HK

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⎞⎤ ⎟⎥ ⎟ ⎠ ⎥⎦

(22.2)

_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006

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 (22.2). 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 (22.3) se utiliza para calcular la variable θ, y se toma como solución el valor que se encuentre entre las volatilidades relativas del componente clave liviano y el componente clave pesado

α i X i,F = 1− q − θ i =1 i n

∑α

(22.3)

Siendo n, el número de componentes en la mezcla y q, es la condición o calidad del alimento La segunda ecuación de Underwood (22.4) utiliza el valor de θ, calculado con la ecuación (3) para estimar la relación de reflujo mínimo.

α i X i ,D = 1 + Rm i =1 i −θ n

∑α

(22.4)

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 Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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1.03< R / Rm < 1.3

(22.5)

Una regla de diseño sugiere que se asigne, para una separación deseada, una relación de reflujo de 1.2 veces la mínima 3. DESEMPEÑO SIMPLIFICADO DE UNA COLUMNA DE DESTILACION

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. Simulación de una columna depropanizadora de una mezcla de hidrocarburos

1. Abra un nuevo caso y defina el siguiente paquete fluido Peng Robinson a. Ecuación: C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5 y n-C6 b. Componentes: Field c. Unidades: 2. Instale una corriente con el nombre “Alimento”con las siguientes especificaciones 200 °F a. Temperatura: 100 psia b. Presión: 1300 lbmole/h c. Flujo: d. Composición (Fracción Molar) 0.0148 i. Etano 0.7315 ii. Propano 0.0681 iii. i-Butano 0.1462 iv. n-Butano 0.0173 v. i-Pentano 0.0150 vi. n-Pentano 0.0071 vii. n-Hexano

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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 1.

Figura 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 las especificaciones requeridas en los grupos “Components” y “Pressures”. Observe, Figura 2, que HYSYS inmediatamente calcula la relación de reflujo mínimo mediante la ecuación de Underwood. 6. Haga clic, sobre la pestaña “Peformance” para que observe, Figura 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. 7. Introduzca un valor de 1.5 en el cuadro “External Reflux Ratio” del grupo “Reflux Ratios” de la página “Parameters”. Observe, Figura 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

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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?

Figura 2. Estimación de la Relación de Reflujo Mínima

Figura 3. Número mínimo de etapas y temperaturas de rocío y burbuja

El diagrama de flujo final de la columna de destilación es el que se observa en la Figura 5. 4. CASOS DE ESTUDIO

4.1. Estime las concentraciones de destilado y fondos y compare sus resultados con los reportados por HYSYS

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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

Figura 4. Cálculo simplificado de la operación de una columna de destilación

Figura 5. Diagrama de flujo de la columna de destilación

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 23. COLUMNA DESPOJADORA DE AGUA ACIDA

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. INTRODUCCION 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 + 2N + 11

(23.1)

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

Nie = 2N + 9

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(23.2)

_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 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 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 1. Diagrama de flujo de la columna despojadora

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 4. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Unidades:

Sour Peng-Robinson H2S, NH3 y agua. Field

5. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Instale una corriente con el nombre “Alimento” y las siguientes especificaciones: Temperatura 100°F Presión 40 psia Flujo volumétrico líquido 50000 barrel/day Composición (Fracción Másica) H2S 0.0070 0.0050 NH3 H2O 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.

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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) i. ii. iii. iv. v. vi. vii. viii. ix.

Name No. of Stages Inlet Streams Inlet Stage Condenser Ovhd Vapor Outlets Bottoms Liquid Outlet Reboiler Energy Stream Condenser Energy Stream

T-100 8 EntradaColumna 3 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 2 ¿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 fondo líquido. Presione el botón “Add Spec(s)” y llene la ventana como se observa en la Figura 3.

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Figura 2. Especificaciones de una columna de destilación

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 4.

Figura 3. Especificación de la concentración de amoníaco en el rehervidor

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Figura 4. Especificación de la relación de reflujo en el condensador

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 5 6.6 Libro de trabajo del proceso Despliegue el libro de trabajo, Figura 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, presión y flujos; los estimativos de las composiciones y las eficiencias asumidas en cada plato.

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 ii.

iii.

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 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 5. Página Monitor de la columna de destilación

Estudio de casos: Herramienta 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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

Figura 6. Libro de trabajo

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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 24. 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

(24.1)

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

(24.2)

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 planteada 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.

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 3. PROCESO ESTUDIADO La Figura 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. Las especificaciones de los alimentos se observan en la Figura 2 y muestran un contenido de hidrocarburos alifáticos. 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 %

Figura 1. Columna desbutanizadora de una mezcla de hidrocarburos alifáticos

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006

Figura 2. Especificaciones de los alimentos a la columna desbutanizadora

3.1. PAQUETE FLUIDO 3.1.1. COMPONENTES: Propano, i-Butano, n-Butano, i-Buteno, i-Pentano, n-Pentano, n-Hexano, n-Heptano, n-Octano 3.1.2. ECUACION: Peng Robinson 3.1.3. REACCIONES: No hay 4. SIMULACION 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) Condenser Type Ovhd Vapour Ovhd Liquid Bottoms Liquid Reboiler Duty Condenser Duty

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

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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 Ovhd Vap Rate:

0

C5’s in Top:

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

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 = CBFB −CcQc −CrQr

(24.3)

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.

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 Para este ejemplo, los costos en dólares son: 1. Costo de enfriamiento, Cc 2. Costo de calentamiento, Cr 3. Precio de venta de Butanos, CB

$0.0015 / Btu (Celda B2) $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

(24.4)

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 3. Especificación de las variables en la ventana del optimizador

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 4.

Figura 4. Importación de variables a la hoja de cálculo del optimizador

Introduzca las fórmulas que aparecen en la Figura 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 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 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 6 muestra la hoja de cálculo con los datos y las fórmulas introducidas Haga clic sobre el menú “Simulation” y seleccione la opción “Optimizar” para desplegar su correspondiente ventana. Haga clic sobre la pestaña “Functions” donde la

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 5. Fórmulas para calculas los costos, los ingresos y las ganancias

Figura 6. Hoja de cálculo de costos, ingresos y ganancias

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006

Figura 7. Ventana del optimizador para especificar la función a maximizar 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.

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 25. SEPARACION 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. INTRODUCCION 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 4.1.1. COMPONENTES: 4.1.2. ECUACION: 4.1.3. REACCIONES: 4.1.4. SISTEMA DE UNIDADES:

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

5. SIMULACION 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.

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 1. Se utilizará la opción “Custom Column” para construir ambas columnas en un solo ambiente

Figura 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 2

Figura 2. Corrientes externas alimentadas a la columna

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 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 Optional Feeds Stream Tray Number

LiquidoRectificadora ReflujoAgotamiento VaporAgotamiento LiquidoAgotamiento 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.

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 3 donde se observan las ventanas donde se introdujeron las anteriores dos especificaciones

Figura 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 4 La configuración de la columna T-100 construida mediante la opción “Custom Column” se observa en la Figura 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

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Figura 4. Columna de separación de una mezcla de Propano - Propileno

Figura 5. Configuración interna de la columna T-100

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 1 muestra el diagrama de flujo final de la planta descrita 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 + 2N + 10

(26.1)

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 lo planteado en la introducción de la Práctica 23. Ing. Román Alexander Fernández Rocha

_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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)

Figura 1. Planta de gas natural licuado

3. SIMULACION 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: Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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

0.0057 0.0029 0.7227 0.1176 0.0750 0.0204 170

_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 n-Butano: i-Pentano: n-Pentano: n-Hexano: n-Heptano: n-Octano:

0.0085 0.0036 0.0020 0.0003 0.0002 0.0001

0.0197 0.0147 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 2. La corriente “Qe” conectada al plato cuatro es una corriente de energía con un flujo calórico de 2.0e +06 Btu/h

Figura 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

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- 126.4 °F 80.60 °F

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 3. ¿Cuántas especificaciones se han introducido hasta ahora?

Figura 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 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 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 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

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Figura 4. Especificaciones de la columna desmetanizadora

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 5. 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 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 6. ¿Cuánto es el flujo del vapor de tope de la columna desmetanizadora?

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Figura 5. Especificación de la fracción mol de metano en el vapor “V”

. Figura 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:

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 a. Pestaña Design i. Name. ii. Inlet iii. Outlet iv. Energy

Página Connections P-100 F3 F4 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 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)

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 7

Figura 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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

Página 1 de 4

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

T-102 24 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 8 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 9.

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Figura 8. Fracción molar de butanos en el condensador de la despropanizadora

Figura 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 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

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006

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. 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 Ing. Román Alexander Fernández Rocha

(27.4)

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 1.

Figura 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, 1-butanol, 3-metil-1-butanol, 2 pentanol y glicerol 4. SIMULACION 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)

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A 25 101.3 130

F 30 101.3 2400

S 140 101.3 11000

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 Composición (Fracción Mol) Etanol Agua Bióxido de carbono Metanol Acido acético 1-Propanol 2-Propanol 1-Butanol 3-Metil-1-Butanol 2-Pentanol Glicerol

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 denomínela “T-100”. corriente “V” y se esencialmente puro. fermentación.

corriente “V”, instale una columna de absorción simple y En esta columna se agotará el etanol arrastrado por la producirá un vapor de cabeza de bióxido de carbono El producto de fondos es recirculado al proceso de

4. Mediante el asistente especifique a la columna “T-100” como se observa en la ventana de propiedades mostrada en la Figura 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 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 3. Recuerde que este tipo de columna requiere de cinco especificaciones 6. Complete la instalación de la columna introduciendo las siguientes especificaciones 1. Comp Recovery Draw SpecValue Component

Active V2 0.95 Ethanol

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006

Figura 2. Columna lavadora de bióxido de carbono

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

Figura 3. Columna concentradora

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 4. Recuerde que para este tipo de columna se requieren seis especificaciones 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

Figura 4. Columna Purificadora

2. Comp Fraction Stage Flow Basis Phase Spec Value Component

Active Condenser Mass Fraction Liquid 0.88 Ethanol

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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 5

Figura 5. Columna Rectificadora

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_____________________________________________________________________ Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006 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

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