ManualAspenET&PPQ

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE MÉXICO FACULTAD DE QUÍMICA

INGENIERÍA QUÍMICA

MANUAL DE APLICACIONES EN ASPEN PLUS PARA LA UNIDAD DE APRENDIZAJE DE: “PRINCIPIOS DE LOS PROCESOS QUÍMICOS Y EQUILIBRIOS TERMODINÁMICOS”

Autor: M en C. Julián Cruz Olivares ([email protected]) Coautor: Dr. Armando Ramírez Serrano ([email protected])) ([email protected]

Revisor: M en C. Juan Antonio Arzate Salgado.

Agosto, 2010 1

CONTENIDO Presentación

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Introducción a Aspen Plus

4

Accesando Aspen Plus

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Ventana principal de Aspen Plus

6

Ejemplo y Ejercicios: Diagramas termodinámicos

16

Balance de materia y energía en un proceso de mezclado

18

Balance de materia y energía en un intercambiador de calor

23

Balance de materia y energía en un generador de vapor

28

Balance de materia y energía en un proceso de separación Flash

34

Bibliografía

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CONTENIDO Presentación

3

Introducción a Aspen Plus

4

Accesando Aspen Plus

5

Ventana principal de Aspen Plus

6

Ejemplo y Ejercicios: Diagramas termodinámicos

16

Balance de materia y energía en un proceso de mezclado

18

Balance de materia y energía en un intercambiador de calor

23

Balance de materia y energía en un generador de vapor

28

Balance de materia y energía en un proceso de separación Flash

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Bibliografía

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Presentación

Las dos funciones principales del Ingeniero Químico son: Desarrollar y diseñar procesos que conviertan materias primas y fuentes básicas de energía en productos terminados o formas superiores de energía, así como mejorar y operar procesos existentes, de manera que lleguen a ser tan seguros, confiables, eficientes y económicos como sea posible. Para ello se requiere en primer lugar representar adecuadamente el proceso en un diagrama de flujo, donde se identifica claramente la secuencia lógica y ordenada de las operaciones unitarias y procesos unitarios que interviene, para después poder llevar a cabo los balances de materia y de energía en cada operación y en todo el proceso. Desde los cursos básicos de la carrera de Ingeniería Química, los alumnos se preparan para realizar adecuadamente dichos balances de materia y de energía en equipos, en procesos y en plantas industriales, comienzan con balances balances simples en Introducción a la Ingeniería Química, pero es en la unidad de aprendizaje de Principios de los Procesos Químicos, donde el alumno realmente aprende a realizar los cálculos formales de balances de materia y energía en las operaciones y procesos unitarios propios de la Ingeniería Química.

Dichos cálculos se pueden hacer tradicionalmente de forma manual, y de hecho conviene que se hagan de esa manera, hasta que no se hayan comprendido cada uno de las operaciones y procesos, pero superada esta etapa, se recomienda recomienda utilizar un software especializado especializado que facilite el cálculo matemático y proporcione rapidez en la obtención de los resultados.

Para este tipo de cálculos Aspen Plus es el mejor software que existe a nivel educativo.

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Introducción a Aspen Plus

Aspen Plus facilita la construcción y ejecución de un modelo de simulación de proceso. La simulación de procesos permite predecir el comportamiento de un proceso, usando las relaciones básicas de la Ingeniería Ingeniería Química, como los balances balances de materia y energía energía y los equilibrios termodinámicos. Dados los datos termodinámicos confiables, confiables, las condiciones de operación operación reales, y los modelos de equipo rigurosos, se puede simular el comportamiento actual de una planta química. La simulación de procesos permite ejecutar muchos casos, como los análisis de conducta sensibilidad de desempeño desempeño y la optimización optimización del proceso. “que pasa si ”, estudios de sensibilidad Con la simulación se puede diseñar plantas nuevas y aumentar la rentabilidad de las ya existentes. Un proceso consiste de componentes químicos como son: mezclado, separación, calentamiento, enfriamiento, etc., llamadas operaciones unitarias, que se representan por medio de símbolos apropiados. Estos componentes se transfieren de una unidad a otra por medio de corrientes de proceso. Cualquier proceso que involucre operaciones unitarias, se puede traducir en un modelo de simulación de proceso de Aspen Plus. A continuación se presentan algunos ejemplos.

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ACCESANDO ASPEN PLUS

Damos un clic en el botón inicio, damos otro clic en donde dice Todos los programas.

Se desprenderá una lista de los programas que contiene la computadora, se busca la carpeta que dice Aspen Tech damos un clic, se despliega otra lista donde damos clic en Aspen Engineering Suite , se despliega otra lista damos clic en Aspen Plus ejem.  y aquí damos clic en Aspen Plus User Interface .

Se abre Aspen Plus y una ventana que dice Aspen Plus Startup  la cual indica si queremos abrir una hoja de trabajo en blanco o si queremos abrir un archivo guardado.

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Si se selecciona Blank Simulation se abrirá una ventana Connect Engine esta ventana es solo para seleccionar el servidor aquí le damos OK ya que automáticamente marca uno por defaul. Después se abrirá la parte donde se trabajará.

VENTANA PRINCIPAL DE ASPEN PLUS Esta va a ser nuestra hoja en la que vamos a trabajar, la zona en blanco es el área donde colocaremos el equipo que vamos a simular.

Para seleccionar el equipo que necesitamos, damos un clic en las pestañas localizadas en la parte inferior de nuestra hoja de trabajo.

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Cada pestaña nos mostrará una lista de los equipos que contiene, después de encontrar el equipo lo seleccionamos (ejem. Damos clic en Columns y seleccionamos Radfrac ) y damos un clic en la zona blanca.

Después lo que se necesita es colocar las corrientes de entrada y salida para esto tenemos la herramienta Material Streams que se encuentra a un lado de los equipos.

Al dar un clic en Material Streams se va a habilitar esta función donde nuestro equipo marcara flechas azules y rojas (las flechas rojas tienen que llenarse todas, las flechas azules son opcionales).

Ubicamos el cursor en una de las flechas rojas, damos un clic y dejamos presionado y arrastramos nuestra flecha. 7

Otra herramienta que se usará continuamente es la función NEXT esta función la localizamos en un icono que encontraremos en la parte superior de nuestra hoja de trabajo.

Después de colocar las corrientes de entrada y salida damos un clic en Next y el programa muestra la ventana Flowsheet complete, la cual indica que nuestro equipo se encuentra correctamente conectado, de lo contrario indicará el error en las corrientes conectadas, posteriormente damos un clic se abrirá una ventana con el nombre de Data Browser esta ventana muestra las carpetas de lo que estamos utilizando y que se tienen que llenar. Comienza con la carpeta Setup al seleccionarla abrirá otra sección con 4 pestañas; Global, Description, Accounting y Diagnostics , es necesario llenar la pestaña de Global que solo es colocar un título a nuestra simulación, también en esta sección tenemos la opción Units of measurement la cual contiene Input Data y Output Results en donde podemos indicar en qué unidades queremos trabajar y en que unidades nos mostrará los resultados. Se llena la pestaña de Accounting ya que si no se llenan estas dos pestañas la simulación no correrá, (es solo necesario llenar User name).

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Después de llenar la parte de Setup damos clic en Next el cual también está localizado dentro de la ventana de Data Browser. Nos abrirá la carpeta de Components  que llenaremos con los componentes que estemos trabajando, después damos un clic en Next, se abrirá la carpeta de Properties en esta carpeta lo fundamental es seleccionar el método por el cual se harán los cálculos de nuestro equipo, se llena y se da clic en Next, se abrirá la carpeta de Streams en esta parte se indicará por lo común las entradas, tanto de materia como de energía ya que las salidas son las que calculará Aspen, se llenan y se da un clic en Next, se abrirá la carpeta Blocks esta carpeta nos enviará a cada uno de nuestros equipo, en éstos seleccionaremos las condiciones a las que queremos que trabajen, se llena y se da clic en Next. En los ejemplos siguientes se mostrará con más especificación el llenado del Data Browser.

EJEMPLOS Y EJERCICIOS Diagramas termodinámicos

Ejemplo 1. Del sistema Benceno/Acetronitrilo: a) Calcule los coeficientes de interacción binarios para el modelo de coeficiente de actividad de WILSON b) Grafique los datos en diagrams P,xy  y x-y  c) ¿Cuáles son los valores para  x-P azeotrópicos?

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Comenzamos abriendo Aspen Pus , no se va utilizar ningún equipo, pero aun así usaremos el data browser para indicar nuestros componentes y nuestro método a utilizar, una forma para acceder al data browser es mediante un icono (lentes) que se localiza en nuestra hoja de trabajo.

Damos clic en el icono Data Browser Se va a abrir la ventana del Data Browser y a continuación llenamos nuestro Setup, se deberán llenar las opciones Global donde solo anotaremos el título de la simulación, después se llenará la opción Accounting (llenamos el campo User Name ponemos cualquier palabra de identificación).

Después de llenar el Setup damos clic en el icono Next, nos enviará a Components abriendo la opción Selection la cual es donde seleccionaremos todos los componentes que vamos a utilizar.

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Para buscarlos damos un clic en Find y nos abrirá una ventana en donde podemos escribir el nombre o fórmula de nuestros compuestos.

Como el programa esta en inglés los nombres deben de ir en inglés, escribimos Benzene  nos aparecerá una lista de los compuestos que contienen benceno seleccionamos el que necesitamos y le damos un clic en Add o doble clic, se hace lo mismo para el acetonitrilo anotamos el nombre Acetonitrile  y damos doble clic, al terminar de buscar nuestros componentes damos un clic en Close y regresamos a la opción Selection donde observamos que se llenaron los campos de Define components, damos clic en next. Se abrirá la carpeta Properties  en la opción Global  en esta parte seleccionaremos el método a utilizar, en Property Methods & Model  hay una opción Base Method aquí desplazamos la lista y seleccionamos el método WILSON. Nota: El método se elige de acuerdo con la polaridad de los componentes y las condiciones del presión y temperatura del sistema.

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Damos un clic en next para que busque los parámetros de nuestro método y después podemos cerrar nuestra ventana del Data Browser. Para obtener el inciso (a) y el inciso (b) damos clic en Tools- Analysis-Property-Binary…

Al dar clic en Binary… nos aparecerá un recuadro al cual de damos OK  y nos abrirá la ventana Binary Analysis , en la opción Analysis type  seleccionamos Pxy que es una de las gráficas que queremos y en la opción Temperature anotamos la temperatura de 45°C damos clic en Go.

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Al dar clic en Go  nos mostrará la gráfica Pxy   y una tabla de los coeficientes de iteración y las composiciones molares del vapor y del líquido de cada componente.

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Para obtener la gráfica  xy damos clic en Plot Wizard de la tabla que muestra los coeficientes de interacción, se abrirá una ventana que dice Plot Wizard step 1 damos clic en el botón Next de esta ventana y nos llevará a una ventana Plot Wizard step 2   donde nos muestra una variedad de gráficas donde aparece la que necesitamos, que es la de  xy   la seleccionamos damos clic en el botón Next y nos enviara a la ventana Plot Wizard step 3  aquí seleccionamos el componente que se va a graficar y las unidades de la presión que vamos a manejar seleccionamos el benceno y KPa que son las unidades de presión que requerimos, al terminar damos clic en el botón Next y nos abrirá la ventana Plot Wizard step 4 en esta ventana podemos escribir el título de nuestra gráfica, así como los nombres que queremos darle a nuestro ejes, damos clic en Finish  y aparecerá la gráfica del diagrama xy .

Para el inciso (c) vamos a dar clic en Tools-Aspen Split-Azeotrope search …

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Al hacer clic aparecerá la ventana Azeotrope Analysis  en esta ventana seleccionaremos los dos componentes y damos clic en Azetropes.

Aparecerá una ventana la cual nos mostrará nuestro punto en el que se forma nuestro azeótropo tanto en la composición del Benceno como la del Acetronitrilo.

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Ejercicio 1. Para practicar lo anterior obtenga la gráfica de los diagramas Pxy  y xy   utilizando el método de NRTL y UNIQUAC. Resultados NRTL Gráficas de los diagramas Pxy  y xy 

Tabla de coeficientes de interacción y composiciones.

Punto azeotrópico

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Resultados UNIQUAC Gráficas de los diagramas Pxy  y xy 

Tabla de coeficientes de interacción y composiciones.

Punto azeotrópico

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Balances de materia y de energía en procesos de mezclado

Ejemplo 2. Una mezcla de vapor de amoniaco y agua a 250 psia que contiene 80% en peso de amoniaco, se pasa a través de un condensador a una velocidad de 10000 lb/hr. El calor es removido de la mezcla a una velocidad de 5800000 Btu/hr. La mezcla pasa entonces a través de una válvula, donde se expande adiabáticamente hasta una presión de 100 psia. La mezcla pasa después a un separador vapor-líquido. a) ¿Cuál es la temperatura a la salida de la válvula de expansión? b) ¿Cuál es la fracción molar de vapor de la corriente en este punto? c) ¿Cuál es la composición del líquido saliendo del separador? Abrimos aspen plus nos ubicamos en la barra de nuestros equipos seleccionamos en Heat exchanger el equipo Heater que es nuestro condensador damos un clic en nuestra hoja de trabajo y se marcará nuestro condensador, luego buscamos en Pressure Changers  nuestra válvula en donde dice Valve desplegamos la lista y seleccionamos VALVE3 damos un clic en la hoja de trabajo y aparecerá el siguiente equipo, que es un separador, vamos donde dice Separators y seleccionamos el flash 2 damos un clic en la hoja de trabajo para que aparezca y para terminar el esquema hay que marcar las corrientes de entrada y salida, para esto dirigimos el cursor a nuestra herramienta Material STREAMS damos un clic y vemos que los equipos nos indican flechas rojas y azules llenaremos las flecha rojas que son las corrientes de entrada y salida de los equipos, dirigimos el cursor a la primera flecha roja ubicada en el condensador, damos un clic y le damos la longitud que queramos y volvemos a dar clic, para la segunda corriente es la de salida del condensador damos un clic en ésta y luego un clic en la flecha de entrada de la válvula y así se continua con el flash, la alimentación de éste será la salida de la válvula y se marcarán las salidas del flash.

Al terminar nuestro diagrama damos clic en el icono de Data Browser, al estar en éste, llenamos nuestro Setup, en la opción Global, en Title ponemos ejercicio 2.

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Pasamos a la opción Accounting y en User name ponemos balance y en los otros tres campos colocamos el número 1.

Damos clic en next y se abre la carpeta de Components-Specifications, los compuestos son amoniaco y agua, damos un clic en Find  nos abre una ventana donde nos pide el nombre o fórmula de nuestros compuestos, escribimos la fórmula del amoniaco H3N   damos enter se despliega una lista y seleccionamos el amoniaco y damos clic en Add, después escribimos H2O damos enter  se despliega una lista seleccionamos el H2O y damos clic en Add, cerramos la ventana y le damos clic en next.

Nos encontramos en la carpeta de Properties-Specifications  en la opción Global en  Property methods & models, seleccionamos el método que vamos a requerir que en nuestro caso es PENGROB. Este lo seleccionamos en Base method donde se despliega una lista y lo seleccionamos, damos clic en next.

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Damos otra ves clic en next, nos aparece una ventana que dice Requiered Propiertes Input Complete damos clic en OK y nos envía a la carpeta Streams-Input de la corriente 1, en la opción Specifications, en el campo  State variables como tenemos que entra un vapor, desplegamos la lista que se encuentra donde dice temperatura y seleccionamos vapor fraction  y abajo de este ponemos 1, colocamos el valor de la presión con la que entra el vapor que es de 250 psia, si las unidades de presión que hay por defaul   no son las que queremos se puede desplegar una lista donde están las unidades y se buscan la que queremos, después introducimos el flujo en donde dice Total flow, como tenemos un flujo que está en unidades de masa tenemos que buscarlas en donde dice mole, desplegamos la lista y seleccionamos mass y escribimos el flujo que es 10000 lb/hr, el campo que dice composition es donde denotamos cual es la composición de la mezcla de vapor e igual se muestra una composición donde maneja masa por lo que desplegamos la lista en donde dice Mole-flow  y seleccionamos Mass-Frac  y en AMMON-01  le damos el valor de 0.8 y water 0.2 que son las composiciones que nos indican, damos clic en next.

Nos va abrir la carpeta de Blocks-B1-input que es nuestro primer equipo que es el condensador en la opción Specifications se llena la presión con 250 psia y donde dice temperatura desplegamos la lista y seleccionamos Heat duty, el cual es para señalar que el calor va a ser removido y anotamos -5800000Btu/hr, damos clic en next.

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Nos abre la carpeta B2-Input que es nuestra válvula, en la opción Operation en Calculation type manejamos la primera opción que es Adiabatic Flash y en Pressure specification  seleccionamos Outlet pressure y anotamos 100 psia que es la presión a la salida, damos clic en next.

Nos envía a la carpeta B3-Input  que es nuestra cámara de separación, que es un flash y lo consideramos adiabático por lo que desplegamos la lista en donde dice temperatura y seleccionamos Heat duty y colocamos 0 y manejamos una presión de 100 psia, damos clic en next.

Nos aparece una ventana Requires Input Complete,   le damos aceptar y se genera la corrida, aparece una ventana que es Control Panel que nos indica si la corrida no tuvo errores, la cerramos y vemos que en nuestro Data Browser nos aparece una carpeta Results Summary  la cual contiene

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los resultados de las corrientes del sistema, la abrimos y damos clic en Streams  y aparece una tabla donde se indican varias características de las diferentes corrientes.

a) La temperatura a la que sale la corriente 3 que es la salida de la válvula es de 83.09852°F b) La fracción mol de vapor en la salida de la válvula es de 0.3686978 c) La fracción mol de amoniaco en la corriente líquida es de 0.69

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Balances de materia y energía en un intercambiador de calor

Ejemplo 3 Determine la cantidad de vapor requerida para calentar 1000 lb/min de agua desde 60°F hasta 200°F en un intercambiador de calor. El vapor entra al sistema a 15 psia y con una calidad de 0.9 y sale como líquido saturado. Abrimos aspen plus y en la hoja de trabajo colocamos un intercambiador de calor, este lo seleccionamos de la nuestra barra de equipos, nos ubicamos en Heat Exchangers y seleccionamos HeatX  que es nuestro intercambiador de calor después damos un clic en la parte blanca y aparecerá nuestro intercambiador.

A continuación llenaremos nuestra corrientes de entrada y de salida, damos clic en Material STREAMS y vemos que aparecen 4 flechas rojas, las líneas rojas horizontales son las corrientes del líquido y las líneas rojas verticales son las líneas de vapor que entran al intercambiador, damos un clic en la entrada de líquido que entra al intercambiador que es la flecha roja horizontal le damos la longitud que queramos y volvemos a dar clic, hacemos lo mismo para la flecha roja horizontal que marca la salida de líquido del intercambiador y para la entrada de vapor y la salida de éste, después damos clic en el icono Data Browser.

Se va a abrir el Data Browser en la carpeta Setup-Specifications, aquí hay que llenar la opcion Global, donde dice title anotaremos intercambiador, y en accounting llenamos la parte que dice User name con intercalor y las otras 3 opciones colocamos el número 1, damos clic en next.

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Se abre la carpeta Components damos clic en el botón Find,  este nos abrirá una ventana Find donde nos pide el nombre o la fórmula de nuestro compuesto, escribimos H2O nos despliega un lista donde seleccionamos H2O y damos clic en Add, como es nuestro único compuesto que utilizaremos damos clic en close para cerrar la ventana y damos clic en next.

Se abre la carpeta Properties  donde seleccionaremos el método por el cual vamos a realizar nuestra corrida, este lo seleccionamos en la opción Global en Property methods & models en Base method en la cual hay una lista que desplegamos y seleccionamos el método ideal damos clic en next.

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Se abre la carpeta Streams-carpeta 1, que es la corriente de entrada de líquido, en State variables llenamos la temperatura con 60 °F y la presión 1 atm si las unidades de presión que aparecen no son las que queremos desplegamos la lista y seleccionamos las que necesitamos, en Total flow anotamos 1000 y para las unidades tenemos unidades masa por lo que desplegamos la lista donde dice Mole y seleccionamos Mass y abajo desplegamos la lista y buscamos Lb/min, en el campo de Composition  desplegamos la lista y seleccionamos Mole-Frac  y en WATER le damos el valor 1, damos clic en next.

Se abre la carpeta 3 que es la alimentación de la corriente de vapor en State variables donde dice temperatura desplegamos la lista y seleccionamos Vapor fraction  y le damos el valor de 1, se seleccionó esta opción debido a que la corriente es vapor puro, en la presión anotamos 15 psia si las unidades que se muestran no son las que queremos desplegamos la lista y seleccionamos las que requerimos, en Total flow  anotamos 1500, en donde aparece Mole  desplegamos la lista y seleccionamos Mass y las unidades seleccionamos Llb/mol, se anotó 1500 para buscar una aproximación para que esta corriente aumente la temperatura de la corriente de salida del líquido a 200 °F, en el campo de Composition desplegamos la lista y seleccionamos Mole-Frac  y en WATER le damos el valor 1, al poner Mole-Frac y darle el valor 1 es solo para indicar que la fracción molar de la corriente es 1, que quiere decir que es solo agua , damos clic en next.

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Se abre la carpeta Blocks-Setup en la opción Specifications en el campo Calculation se selecciona Shortcut y en el campo Flow arrangement en flow direction seleccionamos countercurrent, en el campo Exchanger specification en specification seleccionamos hot stream outlet fraction   y en value anotamos 0.9, damos clic en next.

Nos aparece una ventana  Required Input complete  le damos aceptar, nos aparece la ventana Control Panel, desde aquí podemos ir a los resultados dando clic en la carpeta azul que aparece en la ventana.

Al dar clic en la carpeta aparecerán los resultados, damos clic en Streams y observamos una tabla donde se encuentran los resultados de las corrientes, checamos la corriente 2 que es la salida de nuestro líquido y la cual la queremos a 200°F vemos que tenemos 208.89°F nos pasamos, lo que se puede hacer es disminuir el flujo de vapor en la corriente 3, ya que ésta es la que calienta a nuestra corriente líquida de entrada. 26

Regresamos al data browser y en la carpeta Streams modificamos el flujo de vapor en la corriente 3 colocamos 1410 lb/min, le damos clic en next, en nuestra ventana de control panel seleccionamos la carpeta results y damos clic en Streams y en la tabla observamos que nuestra temperatura de la corriente 2 es de 200°F. Perfecto!

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Balances de materia y de energía en un generador de potencia

Ejercicio 2 Se manejan 22000 lb/h de agua en un ciclo tipo Rankine formado por una caldera, una turbina, un enfriador y una bomba. a) A la salida de la turbina se tiene vapor saturado a una presión de 30 psia. Este vapor entra al intercambiador de calor, en el cual el vapor se condensa y sale agua líquida a 200°F. Si el agua de enfriamiento usada en el condensador entra a 70°F y sale a 100°F, calcule el flujo de agua necesario. b) A la salida de la caldera se tiene vapor sobrecalentado, a una presión de 500 psia y 200 °F de sobrecalentamiento. Calcule la potencia de la turbina en H.P. c) A la entrada de la caldera se tiene agua líquida a 200°F. Calcule la cantidad de calor que se requiere añadir a la caldera. Comenzamos con el inciso (a) abrimos Aspen plus, en los equipos buscamos la pestaña de Heat Exchange nos aparecen varios equipos desprendemos la lista donde aparece HeatX  ya que aquí podemos encontrar los intercambiadores de calor, el HeatX sirve para calentar una corriente con vapor o agua caliente pero como nosotros queremos enfriar una corriente buscamos el equipo SIMP-HT lo seleccionamos y damos un clic en la hoja de trabajo.

Ahora lo que sigue es colocar las corrientes de entradas y salidas, seleccionamos la herramienta Material STREAMS nos aparecen flechas rojas horizontales y verticales, la flecha roja horizontal que entra al enfriador es el vapor que deseamos condensar damos un clic en la flecha y arrastramos la línea lo que queramos y damos clic, esta va a ser la nuestra corriente 1, luego marcamos la corriente de salida de nuestro enfriador la cual es el condensado de igual forma damos un clic en la flecha roja horizontal de salida arrastramos y damos clic, esta va a ser la corriente 2, la flecha roja vertical que entra va a ser la corriente de agua que se va a utilizar para enfriar nuestro vapor, damos un clic arrastramos y damos otro clic, esta va a ser la corriente 3, la última flecha es la salida del agua de enfriamiento damos un clic arrastramos y damos clic, esta va a ser la corriente 4.

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Damos un clic en next, aparece una ventana Flowsheet Complete le damos aceptar y nos envía al data browser en la carpeta Setup-Specification  en la opción Global  llenamos Title,  ponemos enfriador y en Accounting llenamos el campo User name con enfri  y damos clic en next.

Se abre la carpeta Componets-Specifications como solo utilizaremos agua colocamos H2O en Component ID y damos enter, el nuestro componente damos clic en next.

Se abre la carpeta Properties-Specification en la opción global, en Property methods &model  en la opción Base method seleccionamos el método IDEAL  y damos clic en next.

Se abre una ventana Required Properties Input Complete  damos clic en OK y se abre la carpeta Streams, la carpeta 1 que es la corriente 1 en la cual entra vapor, para indicar esto desplegamos la 29

lista donde aparece la temperatura y seleccionamos Vapor fraction  y abajo ponemos 1, en pressure anotamos 30 psia, si no aparecen las unidades que queremos desplegamos la lista donde aparecen las unidades de presión; buscamos las que necesitamos, en total flow anotamos 22000 pero seleccionamos unidades masa en donde aparece Mole, desplegamos la lista y seleccionamos Mass y en la unidades checamos si aparece Lb/h, pasamos al campo composition desplegamos la lista y seleccionamos Mole-Frac y en component aparece H2O y en value anotamos 1, esto es solo para indicar que la composición de la corriente es agua pura, damos clic next.

Se abre la carpeta 3 que es la corriente del agua de enfriamiento, llenamos nuestras State variables  en temperatura anotamos 70°F y en presión 1 atm, si las unidades de presión que necesitamos no son las que aparecen desplegamos la lista y seleccionamos las que necesitamos que son atm, en total flow anotamos 760000 unidades de masa donde dice Mole seleccionamos Mass  y en las unidades checamos que estén Lb/h  y pasamos al campo Composition, seleccionamos Mole-frac y valuamos con 1 nuestro componente H2O, damos clic en next.

Se abre la carpeta Blocks en la opción Calculation seleccionamos  Shotcut, en flow arrangement en flow direction seleccionamos countercurrent  y en Exchanger specification en Specification seleccionamos Hot stream outlet temperatura y en value anotamos 200°F esto es para indicar que queremos que la corriente de salida del condensado salga a 200°F, damos clic en next.

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Aparece una ventana Required Input Complete le damos aceptar, aparece la ventana Control panel la cual indica si se tuvieron errores, en esta ventana aparece un icono que es una carpeta azul con una paloma azul damos un clic en este icono el cual nos llevará a los resultados de nuestra corrida.

Observamos en la corriente 4 que la temperatura de salida de nuestra agua de enfriamiento es de 100°F y nuestro condensado sale a 200°F que es la corriente 2. Por lo tanto se necesita 770000 lb/h de agua para condensar 22000lb/h de vapor donde el condesado sale con una temperatura de 200°F. Para el inciso (c) abrimos otra hoja nueva de trabajo (o en la misma pero sin interferir lo anterior) para representar la caldera, buscamos en las pestañas de los equipos la que diga Heat Exchangers y damos clic donde aparece Heater, este equipo va a ser nuestra caldera, damos clic en la hoja de trabajo y aparecerá nuestra caldera.

Ahora colocaremos las corrientes de entrada y de salida, seleccionamos la herramienta Material SREAMS, aparecen dos flechas rojas, en la flecha de entrada va el líquido, damos clic en la flecha arrastramos y damos otro clic, esta va a ser la corriente 1, después damos clic en la flecha de salida arrastramos y damos clic, esta va a ser la corriente 2, damos clic en next.

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Se abre el data browser, en la carpeta Setup-Specification en la opción global llenamos Title con caldera, y en Accounting en User name anotamos CAL, damos clic en next.

Se abre la carpeta Componets-Specifications, como solo utilizaremos agua colocamos H2O en Component ID y damos enter, aparece el componente damos clic en next.

Se abre la carpeta Properties-Specification en la opción global, en Property methods &model en la opción Base method seleccionamos el método IDEAL  y damos clic en next.

Sea abre una ventana Required Properties Input Complete  damos clic en OK y se abre la carpeta Streams, la carpeta 1 que es la corriente 1 donde entra el líquido, llenamos el campo State variables, en temperatura anotamos 200°F y en pressure 30 psia debido a que en la corriente de salida del enfriador sale a 30 psia, en total flow anotamos 22000 tenemos unidades masa por lo que en donde aparece Mole seleccionamos Mass y en las unidades checamos que estén Lb/h,

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pasamos a composition seleccionamos Mole-frac y en Component en value ponemos 1, que es la composición de nuestra corriente, damos clic en next.

Se abre la carpeta Blocas, en B1 que es nuestro equipo, aquí se van a llenar las condiciones a las que queremos que trabaje nuestra caldera, en pressure anotamos 500 psia si las unidades que aparecen no son la que requerimos desplegamos la lista y buscamos las que necesitamos, se anotó 500 psia por que la corriente que entra a la turbina entra a 500 psia, en donde dice temperatura seleccionamos Vapor fraction y colocamos 1, debido a que la corriente de salida va a salir como un vapor saturado, damos clic en next.

Aparece una ventana Required Input Complete,   le damos aceptar, aparece la ventana Control panel la cual indica si se tuvieron errores, en esta ventana aparece un icono que es una carpeta azul con una paloma azul damos un clic en este icono el cual nos llevará a los resultados de nuestra corrida.

Vemos que el calor que se requiere para la caldera es de 2481580 Btu/h.

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Balances de materia y de energía en un proceso de separación Flash

Ejercicio 3 Cavett propuso el siguiente problema como prueba para el diseño auxiliado por computadora. Se tienen cuatro tanques de evaporación instantánea conectados a dos mezcladores, se especifican la temperatura y la presión en cada tanque y la alimentación es la siguiente. Componente Nitrógeno Dióxido de carbono Sulfuro de hidrogeno Metano Etano Propano Isobutano n-butano Isopentano n-pentano Hexano Heptano Octano Nonano Decano Undecano

Alimentación (lbmol/h) 358.2 4965.6 339.4 2995.5 2395.5 2291 604.1 1539.9 790.4 1192.9 1764.7 2606.7 1844.5 1669 831.7 1214.5

Corriente de entrada 120°F y 49 psia El primer evaporador trabaja con 100°F y 180 psia el segundo trabaja a 120°F y 270 psia el tercero a 96°F y 49 psia el cuarto a 85°F y 13 psia. La corriente de entrada entra a un mezclador, la salida del primer mezclador entra al evaporador 2, el destilado alimenta al primer evaporador, de este sale la corriente de destilado y el fondo entra como corriente de alimentación al primer mezclador, los fondos del segundo evaporador alimenta al segundo mezclador y la salida de este alimenta al tercer evaporador el destilado de este entra como alimentación al primer mezclador y los fondos del tercer evaporador alimentan al cuarto evaporador en este el destilado entra como alimentación al mezclador y el fondo de esta torre es el producto de fondo. Obtenga los flujos de las corrientes del diagrama de flujo. Comenzamos: Abrimos aspen plus, nos vamos a los equipos y damos clic en la pestaña Mixter/Spliters  y seleccionamos Mixer  damos clic en la hoja de trabajo dos veces ya que necesitamos dos mezcladores, los colocamos de forma que uno quede debajo del otro y un poco mas adelante, después damos clic en la pestaña Separators y seleccionamos Flash2   que 34

utilizaremos como los evaporadores instantáneos o torres de destilación flash, damos clic cuatro veces en la hoja de trabajo de forma que queden uno debajo del otro.

Ahora conectamos las corrientes, seleccionamos la herramienta Material STREAMS, la corriente 1 va a ser la que entre en el mezclador , damos clic en la flecha roja que indica la entrada al mezclador 1 arrastramos y damos clic, la corriente de salida del mezclador 1 va a ser la corriente 2 damos un clic en esta flecha y arrastramos a donde aparece la flecha de entrada del evaporador 2, la flecha del destilado de este, damos clic y arrastramos hacia la flecha de alimentación del evaporador 1, esta va a ser la corriente 3, la flecha de fondos del evaporador 2 damos clic y arrastramos hacia la flecha de alimentación del mezclador 2 y damos clic, la flecha del destilado del evaporador 1 damos clic y arrastramos a la distancia que queramos y damos clic, para esta corriente damos un clic derecho donde aparece el número y damos clic en la opción rename le damos el nombre desti, para ubicarla mas rápido, la flecha de salida del mezclador 2 damos clic y arrastramos hacia la flecha de alimentación del evaporador 3, esta va a ser la corriente 7, la flecha del destilado del evaporador 3 damos clic y la arrastramos a la flecha de alimentación del mezclador 1, la flecha del fondo del evaporador 3 damos clic y arrastramos a la flecha de alimentación del evaporador 4 y damos clic, esta v a ser la corriente 9, damos clic en la flecha del destilado del evaporador 4 y arrastramos a la alimentación del mezclador damos clic, esta va a ser la corriente 10, la flecha de los fondos del evaporador 4 damos clic arrastramos la distancia que queramos y damos clic, a esta corriente damos clic derecho en el numero 11 y seleccionamos la opción rename y escribimos fondos  damos enter, damos clic en next.

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Damos un clic en next, aparece una ventana Flowsheet Complete le damos aceptar y nos envía al data browser en la carpeta Setup-Specification en la opción Global llenamos Title ponemos 4flash y en Accounting llenamos el campo User name con FLASH y damos clic en next.

Se abre la carpeta Componets-Specifications, en la función Find  damos un clic, nos aparece la ventana find donde nos pide la fórmula o nombre de nuestros componentes, comenzamos escribimos N2 que es el nitrógeno damos enter nos aparece una lista donde damos doble clic al N2, escribimos CO2 damos enter aparece una lista damos doble clic en CO2, escribimos H2SO4 damos enter aparece una lista damos doble clic en H2SO4, escribimos CH4 damos enter aparece una lista damos doble clic en CH4, escribimos C2h6 damos enter aparece una lista damos doble clic en C2H6, escribimos C3H8 damos enter aparece una lista damos doble clic en C3H8, escribimos C4H10 damos enter aparece una lista damos doble clic en isobutane, escribimos C4H10 damos enter aparece una lista damos doble clic en n-butane, escribimos C5H12 damos enter aparece una lista damos doble clic en 2-methyl-butane, escribimos C5H12 damos enter aparece una lista damos doble clic en n-pentane, escribimos C6H14 damos enter aparece una lista damos doble clic en hexane, escribimos C7H16 damos enter aparece una lista damos doble clic en heptane, escribimos C8H18 damos enter aparece una lista damos doble clic en octane, escribimos C9H20 damos enter aparece una lista damos doble clic en nonane, escribimos C10H22 damos enter aparece una lista damos doble clic en decane, escribimos C11H24 damos enter aparece una 36

lista damos doble clic en undecane, damos clic en close y checamos que tengamos todos nuestros componentes, damos clic en next.

Se abre la carpeta Properties-Specification en la opción global, en Property methods &model en la opción Base method seleccionamos el método IDEAL y damos clic en next.

Sea abre una ventana Required Properties Input Complete   damos clic en OK y se abre al a carpeta Streams, la carpeta 1 que es la alimentación a nuestro mezclador llenamos el campo State variables  en temperatura anotamos 120°F y en Pressure  anotamos 49 psia, que son las condiciones a las que entra la alimentación como nuestra alimentación esta compuesta por diversos flujos molares dejamos en blanco total flow y pasamos a composition, manejamos flujo molar seleccionamos Mole-flow y las unidades Lb/h y de la tabla que se dió anotamos todos los flujos en cada uno de nuestros componentes, damos clic en next.

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Se abre la carpeta Blocks B1 cuando se abra esta carpeta damos clic en next ya que solo va a ser un mezclador donde se van a mezclar las concentraciones tanto de destilados como de fondos, aparecerá la carpeta B2 igual damos un clic en next ya que es el otro mezclador, se abre la carpeta B3 que es el evaporador 1 las especificaciones del flash son la temperatura a 100°F y en pressure anotamos 180 psia si las unidades de la presión no son las que queremos desplegamos la lista y seleccionamos las unidades que necesitamos, damos clic en next.

Se abre la carpeta B4 que es el evaporador 2, anotamos la temperatura de 120°F y la presión de 270 psia si las unidades de la presión no son las que queremos desplegamos la lista y seleccionamos las unidades que necesitamos, damos clic en next.

Se abre la carpeta B5 que es el evaporador 3, anotamos la temperatura de 96°F y la presión de 49 psia si las unidades de la presión no son las que queremos desplegamos la lista y seleccionamos las unidades que necesitamos, damos clic en next. 38

Se abre la carpeta B6 que es el evaporador 4, anotamos la temperatura de 85°F y la presión de 13 psia si las unidades de la presión no son las que queremos desplegamos la lista y seleccionamos las unidades que necesitamos, damos clic en next.

Aparece una ventana Required Input Complete  le damos aceptar aparece la ventana Control panel la cual indica si se tuvieron errores en esta ventana aparece un icono que es una carpeta azul con una paloma azul damos un clic en este icono el cual no llevara a los resultados de nuestra corrida.

Damos clic en Streams nos aparece una tabla donde salen los resultados de nuestras corrientes en la opción Display seleccionamos Streams seleccionamos las corrientes DESTI que es la corriente 6 donde sale el destilado del evaporador 1 y seleccionamos FONDOS que es la corriente 11 y son los fondos que salen del evaporador 4.

En la tabla aparecen los flujos molares resultantes. 39

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