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UTN – Facultad Regional Rosario – Departamento de Ing. Química Cátedra: Integración IV – Año 2008

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA NACIONAL - FACULTAD REGIONAL ROSARIO Departamento de Ingeniería Química INTEGRACIÓN IV

Introducción al diseño de columnas de destilación mediante el uso del simulador HYSYS Se presenta a continuación una guía paso a paso para realizar el diseño básico y de detalle de una torre de destilación, con objeto de introducir al alumno en el ambiente del simulador de  procesos HYSYS. HYSYS es una herramienta que proporciona una simulación de un sistema del cual se conocen los parámetros parámetros que lo describen. Por lo tanto es importante destacar que que si bien se lo utiliza como herramienta de diseño, probando varias configuraciones del sistema para optimizarlo, es el ingeniero quien efectúa el diseño, al comparar los resultados de cada simulación. simulación. Por otro lado, los resultados de una simulación no son siempre fiables y estos se deben analizar críticamente, ya que los mismos dependen de l a calidad de los datos de entrada, que las correlaciones de las propiedades termodinámicas utilizadas sean las apropiadas, y de la adecuada elección de los niveles de complejidad o hipótesis adoptadas al seleccionar cada equipo/modulo en el diagrama de flujo de información (módulo en el simulador) versus la planta real.

 Arquitectura Básica de HYSYS 

a) Conceptos básicos en HYSYS 1.- Arquitectura Multi-Flowsheet: El concepto de Fowsheets y Sub-Flosheets. HYSYS proporciona un método flexible e intuitivo que permite: ¾

Descomponer un proceso complejo en procesos menores con componentes más concisos.

¾

Simular cada unidad del proceso en forma independiente del proceso completo, pero ligado a él, construyendo un sub-flowsheet con sus corrientes y operaciones unitarias accesorias.

¾

Usar paquetes termodinámicos independientes para cada flowsheet.

2.- El concepto de Medio Ambiente (Environment).  HYSYS Environments permite acceder e ingresar información en una cierta y determinada área o

“medio ambiente” del programa, mientras que las otras áreas están en modo hold  (“esperando”) hasta que se finalice la tarea en el área de interés. Hay 5 Environments: Sandra Godoy, Paola Biscotti, Néstor Rodríguez y Nicolás S cenna

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¾

 Basis (se crean, definen y modifican los Paquetes de Fluidos a ser utilizados –incluyen,

como mínimo, el paquete de propiedades y los componentes-) ¾

Oil Characterization (se caracterizan cortes de petróleo)

¾

 Main Flowsheet (se define mayoritariamente la topología del flowsheet principal)

¾

 Sub-Flowsheet (se define la topología del sub-flowsheet)

¾

Column (se define la topología de una particular Columna Sub-Flowsheet)

b) Herramientas ¾

Cálculos interactivos y acceso instantáneo de la información.

¾

Inteligencia incorporada al programa que le permite conocer cuando la información disponible es deficiente parra efectuar un cálculo y corregir los cálculos flash en forma automática.

¾

Operación modular: Todas las operaciones unitarias y/o corrientes pueden realizar todos los cálculos siempre que se especifique la información mínima necesaria en cada caso o la misma se transmita a través de las corrientes ligadas. La información, completa o parcial, se transmite en forma bi-direccional.

¾

Algoritmos de solución No Secuenciales: Ellos operan en forma independiente del orden en que se construye el flowsheet.

c) Elementos de Interfase Primarios Formas alternativas para acceder e ingresar información del proceso a HYSYS. ¾

El Diagrama de Flujo de Proceso (The Process Flow Diagram -PFD-)

¾

Workbook.

¾

Property View.

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Caso en estudio: Diseño de columna de destilación Se requiere que la columna a diseñar obtenga los componentes con un 99% de pureza, adoptando platos perforados. Se pretende que opere a una presión de 1 atmósfera. Se utilizará un condensador total, con una relación de reflujo de 1,45 veces la relación de reflujo mínima. Además se especifica la corriente de alimentación según:

Flujo másico

10000 kg/h

Presión

1 atm

Temperatura

25 ºC

Composición molar 

40% benceno 60% tolueno

Tareas propuestas: 1- Utilizar la herramienta “Short cut” para obtener: i. La relación de reflujo mínima ii.  Número de etapas mínima iii. Asumiendo una relación de reflujo de 1,45 de la mínima, determinar el número de etapas correspondientes y el plato apropiado para ingreso de la alimentación.

2- Con los datos obtenidos en el short cut instalar una columna con rehervidor y condensador  total y lograr su convergencia. i. Presentar en forma tabular las corrientes de salida especificando sus  principales parámetros. ii. Graficar el perfil de temperaturas, composiciones y flujos a lo largo de la columna. iii. Comparar las temperaturas y cargas del condensador y reboiler calculadas en la torre con las del short cut.

3- Utilizando la herramienta “Tray Sizing” dimensionar la torre y detallar, i. Diámetro de la torre. ii. Altura total de la torre. Sandra Godoy, Paola Biscotti, Néstor Rodríguez y Nicolás S cenna

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iii. Verificar que no existan advertencias de mal funcionamiento de la torre.

4- El condensador se alimenta con agua, proveniente de una torre de enfriamiento, la cual acondiciona su temperatura a 27 ºC. No hay caída de presión en este equipo. i. Determinar el caudal necesario de agua de enfriamiento si se asume una variación de temperatura del agua de 20ºC. ii. Obtener el (UA) necesario para este intercambio.

5- Si el rehervidor se alimenta con vapor saturado, cuya temperatura es 20 ºC mayor a la salida del tolueno y no hay caída de presión en este equipo: i. Determinar la presión del servicio de vapor. ii. Calcular el flujo de vapor necesario para cumplir con los requerimientos energéticos del rehervidor. iii. Obtener el (UA) necesario para este intercambio.

¿Cómo se crea un nuevo caso en HYSYS? Para comenzar a crear un caso de HYSYS se debe presionar el botón (

) “New Case”, a

continuación aparece la ventana “Simulation Basis Manager” en donde se deben seleccionar los componentes, paquetes de propiedades, reacciones químicas y demás características del caso a simular.

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1- Ingreso de componentes Para seleccionar los componentes, en la pestaña “Components” se debe presionar  “Add”, luego de lo cual aparece una nueva ventana que permite buscar componentes dentro de una librería de compuestos ya almacenados (“Tradicional”, ya contenidos en HYSYS, “Hipothetical”, creados y definidos por el usuario y “Other”.

Criterio de  búsqueda

Selec. de filtros

 Nombre de la lista que se esta generando

Dentro de la opción “Tradicional” se puede observar, desplegada en la parte derecha de la  pantalla, la tabla “Components Available in the Component Library ” que contiene un listado de los compuestos que posee almacenado HYSYS en su base de datos. La búsqueda de los compuestos se puede realizar según varios criterios (por ejemplo nombre o fórmula) colocando parte de la expresión en la casilla “Match”. Luego deben ser agregados al listado de componentes presionando el botón “Add Pure” o realizando doble clic sobre el compuesto. Si se desea reducir el espectro sobre el cual se realiza la búsqueda, se puede utilizar el botón “View Filtres”, el cual permite seleccionar una familia de compuestos (función química) o seleccionar elementos que sean compatibles con la utilización de cierto paquete de propiedades. En la parte inferior de la ventana aparece la casilla “Name”, la cual permite el ingreso de un nuevo nombre a la serie de componentes seleccionados. Por defecto ya posee un nombre asignado.

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 En este caso se deben seleccionar: benceno, tolueno y agua. Una vez que se hayan seleccionado todos los componentes cerrar la ventana para regresar a la ventana original  del “Simulation Basis Manager”   NOTA: La base de datos de compuestos incorporada en HYSYS es muy grande, pero como es un simulador muy orientado a la industria petroquímica, es difícil encontrar componentes de otro tipo de industrias, como por ejemplo los sulfatos, óxidos y demás componentes inorgánicos en solución. Las últimas versiones de HYSYS incluyen el paquete de electrolitos, lo que permite incluir tales sustancias y por lo tanto, variar las propiedades coligativas de la mezcla. También es posible incluir componentes que no estén en la base de datos, ingresando algunos de sus parámetros característicos.

2- Selección del paquete de propiedades para los fluidos A continuación en la pestaña “ Fluid Pkgs”, presionar  “Add” para que se despliegue una nueva ventana, la cual permitirá seleccionar un paquete de propiedades de los fluidos acorde a las características del sistema formado por los componentes anteriormente seleccionados. Este paso es muy importante, ya que definirá la base de la simulación. Si se tiene una buena  base, se tendrá una buena simulación, pero si se introduce un error desde el principio, éste se agravará con el desarrollo de la simulación.

 En este ejemplo seleccionamos “Antoine”. Luego cerrar esta ventana

Permite filtrar por tipo de paquetes de  propiedades Si existen reacciones químicas se deben especificar aquí

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Este caso al ser muy sencillo (mezcla con comportamiento ideal) no requiere la definición de ningún otro parámetro en esta etapa, por lo cuál, presionando el botón “Enter Simulation  Environment” se ingresa a una interfase que permite crear el diagrama de flujo del proceso ( Process  Flow Diagram, “PFD”) y comenzar con la simulación. En otros casos puede ser necesario definir los coeficientes binarios de los pares de los diversos componentes, parámetros para las reacciones químicas, etc., antes de cerrar la ventana “ Fluid Pakage”. Cabe destacar que en ésta etapa deben definirse los modelos para el cálculo de las entalpías y demás propiedades.

3- El ambiente de simulación

Paleta con operaciones unitarias

La función “F4” permite visualizar u ocultar la paleta de operaciones unitarias La paleta se puede dividir en cuatro secciones: ¾

Corrientes: Materia (

) y Energía (

).

¾

Equipos de separación de fases, presión, transferencia de calor y reactores, Sandra Godoy, Paola Biscotti, Néstor Rodríguez y Nicolás S cenna

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Equipos de transferencia de masa (destilación, absorción…)

¾

Operaciones lógicas

4- Selección de un Sistema de Unidades El sistema de unidades predeterminado en HYSYS es el SI, pero es posible cambiar el sistema de unidades usado para exteriorizar las diferentes variables. Para esto del menú “Tools”, seleccione “ Preferentes”. Luego cambie a la pestaña “variables”, y a continuación vaya a la opción dentro de “Variables” que se llama “Units”; aquí se  puede seleccionar el sistema deseado.

Una alternativa es crear uno nuevo con el conjunto de unidades adecuadas para mostrar las variables. Para ello seleccionar la pestaña “Simulation”, luego presionar  “Tool Tips” y a continuación seleccionar  “User Defined Unit Set”.

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Pasar a la pestaña “Variables”, y al seleccionar “Units” aparecen los sistemas de unidades (Por ejemplo, la unidad por defecto para la presión es kPa. Y se desea cambiar a atm.). Para crear el nuevo conjunto presionar el botón “Clone”. “NewUser” aparecerá resaltado en azul en “Unit Set   Name” (este es el nombre que asigna por defecto HYSYS al nuevo set de unidades); para cambiarlo se debe ingresar el nombre a asignar al set de unidades en esta casilla y al hacer Enter se actualiza el nombre en el campo “Available Unit Sets”. A continuación se pueden modificar las unidades asignadas a cada variable. Por ejemplo al seleccionar la celda “Pressure” y al hacer click en kPa se abre una lista desplegable de las unidades disponibles, de la cual se selecciona atm, haciendo clic. Una vez definido el nuevo conjunto de unidades se debe presionar el botón “Close” y se regresa al entorno de simulación. Para guardar el sistema de unidades definido presionar “Save Preference Set”. Para cargar este sistema en un trabajo cualquiera “Load Unit Set”.

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Luego cierre esta ventana haciendo clic en

para volver a la simulación.

5- Definición de las corrientes Para comenzar con al creación del diagrama de flujo, se inserta una corriente ( “Material  Stream”). Para realizar esto, de la paleta de operaciones unitarias, se selecciona la flecha azul y luego se hace clic con el mouse en el lugar en donde se quiere colocar dicha corriente. Realizando doble clic sobre la corriente se ingresa a una tabla en donde se pueden definir  sus propiedades.

 Para este ejemplo se deben establecer nombre, flujo másico, temperatura, presión y composición molar. Una vez que la corriente está adecuadamente definida, la barra de estado Sandra Godoy, Paola Biscotti, Néstor Rodríguez y Nicolás S cenna

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(coloreada originalmente de amarillo), que se encuentra en la parte inferior de la tabla, se vuelve color verde y con al leyenda “OK”. Todas las operaciones que presentan barra de estado obedecen al mismo criterio.

Los valores que se encuentran en azul son los que fueron ingresados por el usuario y se  pueden modificar. Los valores en negro son calculados por HYSYS y no pueden ser modificados. Las casillas con texto en rojo son de uso optativo por el usuario (poseen un valor calculado por  defecto). Todos los componentes deben ser especificados en todas las corrientes (aun en el caso de no estar presentes algunos de ellos se les debe asignar el valor cero a su composición). Para realizar  esto presionar en la leyenda “Composition”, luego de lo cual aparece una nueva ventana la cual contiene un listado de todos los componentes disponibles para esta simulación. En HYSYS se puede seleccionar la base para definir las composiciones haciendo clic en la opción “Basis”, apareciendo la siguiente ventana con opciones:

 En este caso Fractions” 

se

debe

seleccionar

“Mole

Si se desea definir una corriente exactamente igual a otra ya definida, se utiliza el botón “Define from Other Stream” el cual despliega una nueva ventana en donde se selecciona la corriente creada anteriormente del listado de todas las disponibles. Luego de este paso la nueva corriente queda totalmente definida. Sandra Godoy, Paola Biscotti, Néstor Rodríguez y Nicolás S cenna

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Se puede observar que las corrientes una vez definidas convierten su color de celeste a azul.

6- Diseño básico de la torre de destilación Antes de insertar la operación “Destillation Column” en el diagrama de flujos del proceso, se deben conocer ciertos parámetros de la misma. Para ello se utiliza la operación “Short Cut   Destillation” como herramienta auxiliar. Por tal razón, a continuación vamos a insertar una

nueva corriente definida a partir de la creada en el paso 5, para que sea exactamente igual . Para ello se utiliza el botón “Define from Other Stream” el cual despliega una nueva ventana en donde se selecciona la corriente creada anteriormente del listado de todas las disponibles. Luego de este paso la nueva corriente queda totalmente definida. Seguidamente se inserta la operación “Short Cut Destillation”

. Al hacer doble clic sobre

esta operación se despliega una ventana en la cual hay que definir todas las corrientes que intervendrán. Estas corrientes no forman parte del proceso en si, sino que son auxiliares para lograr  el diseño de la torre. La siguiente figura se puede tomar de guía para completar este paso.

Una vez completado el cuadro de conexiones, se habrán creado nuevas corrientes de materia y energía (esta es otra forma de definir nuevas corrientes). Dentro de “Parameters” se definen los componentes claves liviano y pesado, especificando los límites correspondientes a cada uno.

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 Para este ejemplo la presión de trabajo del condensador y reboiler es la atmosférica y la relación de reflujo actual “External Reflux Ratio” se define como 1,45 veces la relación mínima (“Minimum Reflux Ratio”) calculada por HYSYS. En la pestaña “Performance” aparecen todos los parámetros calculados por HYSYS, los cuales a continuación se utilizarán para definir la torre de destilación que formara parte del diagrama de flujo y poder realizar así un diseño más detallado.

7- ¿Cómo se inserta una torre de destilación en el diagrama de flujo?

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Para esto se debe recurrir a insertar en el “PFD” la operación “Destillation Column”

, la

cual tendrá por alimentación la corriente generada en un principio (en este ejemplo lleva el nombre alimentación). Al realizar doble clic sobre la torre se puede comenzar con las especificaciones: ¾

de las corrientes que van a formar parte de la operación,

¾

el número de platos que ha de constituir la torre

¾

la ubicación del plato de alimentación y

¾

las características del condensador (para este ejemplo se utilizará un condensador  total).

Todos estos datos se extraen del diseño básico realizado anteriormente con la herramienta “Short Cut”.

Cuando queda habilitado para ser presionado el botón “Next”, se está en condiciones de continuar con el siguiente paso, en donde se especifican las presiones de trabajo del condensador y reboiler (para este ejemplo ambas 1 atm). El siguiente paso es de llenado opcional (se pueden especificar las temperaturas de salida del condensador y del reboiler) En el último paso se ha de ingresar la relación de reflujo y luego hacer clic en el botón “Done”.

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A continuación aparece una ventana en donde se muestra el resumen de las especificaciones establecidas en los pasos anteriores.

En casos más complejos podrían aparecer otras corrientes de alimentación las cuales pueden ingresar en el mismo plato o en platos distintos (todo esto se especifica en “Inlet Streams”) La barra de estado en esta operación permanecerá en rojo y con al leyenda “Unconverged” hasta que se presione el botón “Run” y converja su cálculo, momento en el cual la barra de estado se vuelve color verde y con la frase “Converged”. Un error común es no haber especificado la relación de reflujo en cuyo caso la torre dará un mensaje de error. Para especificar este valor (si no se hizo anteriormente o para cambiar su valor) se debe ir a “Monitor” (en la barra a la izquierda de la pantalla). En esta ventana también se pueden observar los perfiles de temperatura, presión y flujo a lo largo de toda la torre.

8- ¿Cómo incrementar el detalle en el diseño de la torre de destilación? Para esto se utiliza la herramienta “Tray Sizing”, la cual se encuentra seleccionando de la  barra de menú “Tools”; “Utilities” y luego de la ventana desplegada que contiene todas las utilidades disponibles seleccionar “Tray Sizing” y presionar el botón “Add Utility”.

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Se comienza seleccionando la operación sobre la cual se ha de trabajar. Para esto se presiona el botón “Select TS…”, el cual despliega una ventana que permite al selección del equipo sobre el cual se va a trabajar.

Una vez seleccionado el equipo se presiona “OK”, luego de lo cual se regresa a la venta anterior. Para comenzar con el diseño de detalle presionar el botón “Auto Section” (el cual ahora esta habilitado). Al realizar esta acción se despliega una nueva ventana, la que permite la adopción del tipo de plato: Las opciones son: ¾

Platos con campanas de burbujeo (“Bubble Cap”)

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UTN – Facultad Regional Rosario – Departamento de Ing. Química Cátedra: Integración IV – Año 2008 ¾

Platos con válvulas (“Valve”)

¾

Platos perforados (“Sieve”)

¾

Relleno (“Packet”)

Al presionar “Next”, HYSYS muestra una ventana que permite la especificación de algunas de las propiedades de las campanas, platos, etc. (Se pueden modificar los valores sugeridos)

Mediante el botón “Complete AutoSection” se termina el cálculo de la torre. Para poder revisar los valores calculados se debe ingresar en la pestaña “Performance” Sandra Godoy, Paola Biscotti, Néstor Rodríguez y Nicolás S cenna

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9- Calculo de los requerimientos de servicios auxiliares

Para realizar esto se deben agregar al “PFD” un enfriador (“Cooler”) (“Heater”)

y un calentador 

.

Además se deben crear las corrientes de agua de enfriamiento, vapor y condensado según las especificaciones presentadas para el caso en estudio. A continuación se deben conectar al “Heater” la corriente de energía vinculada al condensador de la torre y las dos corrientes de agua de enfriamiento. Por otra parte, se deben vincular al “Cooler” las corrientes de vapor de agua, condensado y la de energía vinculada al reboiler de la torre de destilación. Para ambos equipos se asume una caída de presión nula, la cual debe ser especificada en la opción “Parameter”, dentro de la ventana “Desing” de cada uno de los intercambiadores.

 NOTA: Si en vez de una mezcla ideal se procesara una no ideal, por ejemplo azeotrópica (agua benceno-alcohol), deberían modificarse varios pasos de ésta guía. Además de los cambios lógicos (distintos componentes, otra columna, etc.), existen otros temas conceptuales que serían diferentes. Por ejemplo, la metodología para estimar las propiedades fisicoquímicas (K, H, etc.), serán las apropiadas para tal mezcla. Los cálculos para estimar el mínimo reflujo, plato de alimentación, mínimo número de etapas, ahora tampoco serían los adecuados, debido al error que se introduce. Podría ejercitar esto ejecutando por su cuenta un ejemplo para separar dicha mezcla en una columna, fijando una alimentación y especificando la pureza deseada por tope, y los demás  parámetros necesarios.

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