Guía Aspen de Hysys v 2006.5 3v

SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA

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AUX.: RUBEN ALDO CHAVEZ FLORES

CURSO TEÓRICO Y PRÁCTICO DE SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON

ASPEN HYSYS® VERSIÓN 2006.5

“NIVEL BÁSICO”

CAPACITADOR: RUBEN ALDO CHAVEZ FLORES

AUXILIAR DE CÁTEDRA EN MATEMÁTICAS Y OPERACIONES UNITARIAS

U.A.G.R.M. –E.M.I. – U.E.B.

INGENIERÍA QUÍMICA - ELECTRÓNICA

Santa Cruz de la Sierra Bolivia – Agosto 2015


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1. OBJETIVO GENERAL

Que el estudiante realice la simulación de cualquier proceso de ingeniería,

interpretando y estableciendo criterios para la optimización del mismo.

2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

Al finalizar el curso el estudiante será capaz de:

conocer el entorno básico de simulación

seleccionar paquetes termodinámicos de acuerdo a criterios ingenieriles

realizar simulaciones en estado estacionario y/o dinámico

establecer criterios y análisis a los resultados de las simulaciones

crear gráficos que representen los diferentes procesos

resolver problemas de termodinámica

resolver problemas de operaciones unitarias

crear reportes de corrientes de materiales, energía, equipos, etc.


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3. DISEÑO DE PROCESOS QUÍMICOS

Los ingenieros deben producir documentos que definan y describan el sistema a

diseñar.

El diseño de plantas químicas se lleva a cabo en varias etapas:

Ingeniería BÁSICA

Ingeniería DETALLADA

3.1. INGENIERÍA BÁSICA

Realizada principalmente por ingenieros químicos.

Define los aspectos centrales de la planta.

Genera los siguientes documentos:

a. Descripción del proceso

b. Diagrama entrada salida

c. Diagrama de bloques genéricos

d. BFD

e. PFD

f. Hojas de datos.

Descripción del proceso: documentos que describen la secuencia de

operaciones que conforman el proceso.

Diagrama entrada salida: incluye estequiometria de la reacción, materias

primas y productos principales.

Diagrama de bloques genéricos (GBD): basado en el anterior incluye

nuevos bloques que representan que representan las áreas de la planta

(reacción, separación…).

Diagrama de bloques (BFD): Incluye condiciones principales de operación,

información importante (rendimientos, conversiones…), balances de materia y

energía preliminares.


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Diagrama de flujo de proceso (PFD): incluye los lazos de control

principales, balances de materia y energía definitivos y especificación de

equipos.

Este tipo de diagramas de flujo se lleva realiza en HYSYS.

Hoja de datos (Datasheet): especifica los equipos durante la ingeniería

básica.


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3.2. INGENIERÍA DETALLADA

Características:

Se lleva a cabo por un grupo interdisciplinario de ingenieros.

Se genera toda la documentación para la construcción física de la planta:

Diagrama de Tuberías e Instrumentación (PID O P&ID): se basa en el PFD y especifica

además diámetro y longitud de tuberías, servicios industriales, drenajes, espesores,

materiales, instrumentos de control, hojas de datos, especificaciones técnicas de los

equipos.

4. MODELACIÓN Y SIMULACIÓN

4.1. MODELACIÓN

Es la representación matemática de fenómenos físicos. Un modelo es un conjunto de

ecuaciones que relacionan variables del proceso. Evalúa un proceso sin tenerlo

físicamente.

4.2. SIMULACIÓN

Consiste en evaluar numéricamente el modelo para condiciones específicas. El

simulador de procesos resuelve las variables desconocidas a partir de las conocidas o

parámetros de diseños deseados.


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4.2.1. SIMULACIÓN DE PROCESOS

Usa las relaciones físicas fundamentales:

Balances de masa y energía

Relaciones de equilibrio

Correlaciones de velocidad (Reacción y transferencia de masa y calor)

Predice

Flujos, composiciones y propiedades de las corrientes

Condiciones de operación

tamaño de equipo

Algunas aplicaciones

Diseño y optimización de procesos

Entrenamiento operativo de operarios

Para llevar a cabo control de procesos (estrategias de control predictivo FF)

4.2.2. VENTAJAS DE LA SIMULACIÓN

Reduce el tiempo de diseño de una planta

Permite al diseñador examinar rápidamente varias configuraciones de planta.

Ayuda a mejorar procesos actuales

Responde a las interrogantes en el proceso

Determina condiciones óptimas del proceso dentro de las restricciones dadas

Se debe tener en cuenta que los resultados de una simulación no son siempre fiables

y estos se deben analizar críticamente.

Hay que tener en cuenta que los resultados dependen de:

La calidad de los datos de entrada

De que las correlaciones empleadas sean las apropiadas (escoger bien el

paquete termodinámico)

Elección adecuada el proceso.

5. SIMULADORES DE PROCESOS QUÍMICOS

Entre 1970 y 1990 comenzaron a surgir simuladores de procesos comerciales.

Son herramientas básicas en los programas universitarios de ingeniería.

Las tres empresas que se reparten casi la totalidad del mercado de la simulación

de procesos son AspenTech, Honeywell y Simulation Sciences.

El sector del petróleo y gas ha sido uno de los preferidos por las empresas de

simulación de procesos.

Modelos forman parte del Know-how privado de la compañía.


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Existen software de simulación privados (desarrollados por empresas) y

académicos que poseen características de simulación específicas que pueden

superar muchas veces a los paquetes comerciales.

Algunos de los paquetes actuales de software para se muestran a continuación:

CHEMCAD creado en 1984

Paquete de módulos que abarca:

Cálculo y diseño de intercambiadores de calor

Simulación de destilaciones dinámicas

Simulación de reactores por lotes

Simulación de destilaciones por lotes

Simulación de redes de tuberías

SuperPro-Designer, provee:

Simulación del proceso

Evaluación económica

Análisis avanzado del rendimiento específico

Programación del proceso

Valoración del impacto ambiental

(Incluyendo cálculos rigurosos de la emisión de VOC).

Sistema Avanzado para Ingeniería de Procesos - Advanced System for Process

Engineering (ASPEN).

Desarrollado en los años 1970s por investigadores del MIT

Comercializado desde 1980 por una compañía denominada AspenTech.

AspenPlus tiene la base de datos más amplia entre los simuladores de procesos

comerciales, e incluye comportamiento de iones y de electrolitos.

Tiene muchos datos de propiedades a varias temperaturas y presiones


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Adquirido por Aspentech en 2004.

Software especializado para la industria petroquímica.

Las principales ventajas de HYSYS son:

Su facilidad de uso (interfaz amigable)

Base de datos extensa (superada solo por la de AspenPlus)

Utiliza datos experimentales para sus correlaciones. La mayoría de los

datos son experimentales, aunque algunos son estimados (la mayoría de

simuladores usa modelos predictivos como UNIFAC)

Las principales desventajas de HYSYS son:

Pocas o nulas aplicaciones de sólidos

Software de optimización limitado (el optimizer no es muy potente)

HYSYS es un software para la simulación de plantas petroquímicas y afines.

Incluye herramientas para estimar:

Propiedades físicas

Equilibrios líquido vapor,

Balances de materias y energía

Simulación de muchos equipos de ingeniería química.

Simula procesos en estado estacionario y dinámico.


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6. CONCEPTO GENERAL DE MODELADO Y SIMULACIÓN

Es la representación de un proceso o fenómeno mediante un modelo matemático que

permite analizar sus características.

A través del modelo se trata de explicar el comportamiento del sistema o proceso.

Los modelos son establecidos a través de ecuaciones que se basan en leyes

fundamentales como ser:

Balance de materia

Balance de energía

Balance de cantidad de movimiento

Ecuaciones de estado y transporte

Con la finalidad de que el modelo se aproxime más a la realidad, éste se vuelve

complejo en su formulación y difícil en su resolución, de ahí la necesidad de emplear

métodos numéricos ya sean programados por el usuario o Simuladores de Procesos

Comerciales.

Básicamente los simuladores son paquetes computacionales que resuelven los

modelos utilizando métodos numéricos.


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7. ASPEN HYSYS ® 2006.5

Es un paquete computacional que sirve para la simulación de procesos, ha sido creado

teniendo en cuenta la arquitectura del programa, diseño de la interface, capacidades

ingenieriles y operación interactiva.

El gran aporte de Aspen HYSYS® a todo profesional relacionado en el área de

procesos industriales es el ahorro de tiempo, debido a que ya no es necesario resolver

los problemas de la forma tradicional en lápiz y papel (lo que normalmente es muy

laborioso), sino que en el simulador ahora solo es necesario introducir los datos

necesarios y el software mediante su amplia base termodinámica otorga los resultados

correspondientes.

Lo más importante es saber interpretar los resultados obtenidos debido a que HYSYS

simula pero el ingeniero razona.

HYSYS permite la simulación en estado estacionario y en estado dinámico (transitorio),

su fuerte base termodinámica, sus paquetes de propiedades llevan a una simulación

más realista lo cual permiten modelar una gran amplia gama de procesos con mucha

confianza.

Aspen HYSYS® es utilizado en la industria para Investigación, desarrollo, diseño y

simulación.

Sirve como base ingenieril para modelar procesos como ser:

Exploración y producción

Plantas de Separación

Procesamiento de gases

Instalaciones criogénicas

Procesos químicos y de refinación

Petroquímica

Metalúrgica

Otros

8. INICIALIZACIÓN DE ASPEN HYSYS®

Lo primero que se debe de realizar a la hora de emprender una simulación es

familiarizarse con el entorno y configurar las preferencias de simulación.

El programa de instalación crea la siguiente ruta de acceso:


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1. Click en Inicio.

2. Seleccionar Programas/ AspenTech/ Aspen Engineering Suite /Aspen HYSYS.

El escritorio de ASPEN HYSYS se muestra de la siguiente manera:

Figura 1

9. CONFIGURACIÓN Y PERSONALIZACIÓN DEL SISTEMA DE UNIDADES PARA

LA SIMULACIÓN

Antes de comenzar a trabajar, es conveniente y necesario definir el sistema de

unidades con el que se va a trabajar en la simulación.

A continuación se muestra la configuración del sistema de unidades.

Siga los siguientes pasos:

1. Hacer click en Tools, que se encuentra en la barra de menús, y luego en

Preferences.. Aparecerá una pantalla (ver figura 2) donde existen varias

pestañas de configuración (Simulation, Variables, Results, etc.)

2. Hacer click sobre la opción Variables. Allí puede observarse que el programa

tiene 3 sistemas de unidades convencionales para elegir: EuroSI, Field y SI

(Predeterminado).


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Haciendo click en cada uno de ellos se puede ver una lista de magnitudes con

sus respectivas unidades en cada sistema. (Observe que las unidades que están

de color negro, no pueden editarse).

3. En caso que se desee cambiar alguna de esas unidades, debe utilizarse la

herramienta Clone. Seleccionamos el sistema de unidades a clonar y

cliqueamos en Clone. Aparecerá un nuevo sistema con el nombre NewUser y

tanto el nombre como sus respectivas unidades aparecen en color azul. Esto

indica que pueden ser editadas según lo requerido por el usuario.

4. Una vez realizados los cambios deseados puede guardarse el sistema de

unidades cliqueando Save Preferences Set, que posteriormente podrá ser

cargado desde esta misma ubicación.

5. Luego de seleccionar sistema de unidades a utilizar, cerrar la ventana.

Figura 2

10. CREACIÓN DE UN NUEVO CASO PARA LA SIMULACIÓN – SIMULATION

BASIS MANAGER

Una vez definidas las preferencias (sistemas de unidades), tenemos que especificar los

componentes, paquetes de propiedades y de ser necesario reacciones, compuestos

hipotéticos, etc.

Para ello se debe crear un nuevo caso para la simulación. Hay 3 maneras de crearlo.


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1. Seleccionar File/New/Case.

2. Cliqueando en New Case en la barra de herramientas.

3. Presionar Crtl+N.

Cualquiera de estas acciones abrirá una ventana denominada Simulation Basis

Manager (Administrador base de simulación) que es donde se deben especificar todos

los componentes y propiedades que se van a utilizar para la simulación.

Figura 3

En el Simulation Basis Manager se pueden observar pestañas como:

Components: Permite cargar los compuestos químicos a utilizar en la

simulación. Una de las versiones más actualizadas del soft (Aspen HYSYS

V7.2) permite no solo utilizar la base de compuestos propia, sino también la de

Aspen.

Fluid Pkgs: Aquí se selecciona el paquete termodinámico que utilizara el

programa para estimar las propiedades de las sustancias. Su selección es muy

importante para que la simulación sea lo más real posible. Es muy importante

seleccionar éste paquete teniendo en cuenta los criterios de ingeniería.

Hypotheticals: Permite crear componentes hipotéticos y estimar sus

propiedades. (Por ejemplo un carbocatión C4+, C5+, etc.)


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Oil manager: Es una herramienta que permite cargar datos experimentales de

hidrocarburos y con estos genera componentes hipotéticos. (Ejemplo una nafta).

Reactions: esta pestaña brinda la posibilidad de cargar reacciones químicas

(conversión, equilibrio, cinética, catálisis heterogénea) con sus respectivos datos

cinéticos, que luego utilizara el programa para simular.

A continuación debe seguir los pasos:

1. Seleccionar la pestaña Components, hacer click en el boton Add.

2. Esto llevara a la ventana Component List View (Lista de componentes) que es la

lista de todos los compuestos disponibles en HYSYS.

Figura 4

3. Seleccionar los componentes deseados para la simulación. Pueden buscarse de

acuerdo a 3 criterios:

Sim Name (Busca el componente con el nombre en el simulador)

Full Name (Busca el componente con el Nombre completo)

Formula (Busca el componente con la fórmula química)

Tildando la opción deseada y escribiendo en el casillero al lado de Match, el software

buscara el compuesto en su base de datos.


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4. Una vez localizado el componente deseado, se puede hacer doble click sobre él o

bien sobre el botón <---Add Pure ó por último apretar enter para agregarlo en la lista de

componentes de la simulación.

5. Al fondo de la página de componentes, puede dársele un nombre a la lista de

componentes (relacionado con el proceso que se esté trabajando).

6. Una vez completado, cerrar simplemente la ventana. Esto llevara de regreso al

Simulation Basis Manager.

11. SELECCIÓN DE PAQUETE DE FLUÍDOS

Una vez que se han especificado todos los componentes que se utilizará en la

simulación, se debe especificar el paquete de fluidos. El paquete de fluidos se utiliza

para calcular las propiedades termodinámicas y de transporte de los componentes y

mezclas de la simulación (como entalpia, entropía, densidad, calor especifico, equilibrio

L-V, etc.) Por tal razón, es muy importante la correcta selección del paquete de fluidos.

Ahora se verá el procedimiento de selección, anteriormente se hizo un análisis para los

criterios de selección.

1. Seleccionar la pestaña Fluid Pkgs en el Simulation Basis Manager (figura 5)

2. Cliquear en el botón Add para crear una paquete de fluidos nuevo como se

muestra:

Figura 5

3. Seleccionar el paquete de fluidos más conveniente de acuerdo a su lista de

componentes, por ejemplo “Peng Robinson” (Figura 6)


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Figura 6

4. El nombre por defecto con el que se guarda el paquete de fluidos seleccionado es de

Basis-1, cierre la ventana.

5. Para ingresar al ambiente de la simulación y trabajar en el PFD (Diagrama de Flujo

del Proceso) haga Click en la opción Enter Simulation Environment…(Figura 7)

Figura 7


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6. Una vez que ingrese al entorno de simulación, en la pantalla se puede observar el

PFD, que será el lugar de trabajo de todos los procesos que intervienen en la

simulación. (Figura 8)

Figura 8

7. Al lado derecho del PFD aparece una barra de herramientas Case (Main), donde se

encuentran una gran variedad de equipos y operaciones unitarias que serán necesarios

para la simulación. Para trabajar con cualquiera de ellos solo es necesario dar un click

sobre el equipo requerido y otro click en el PFD, de esta manera el equipo será cargado

en el espacio de trabajo “PFD”.

A continuación se explica de manera más detallada las opciones y herramientas del

simulador mediante la resolución de problemas de aplicación a la ingeniería

RECOMENDACIONES DE USO

Cualquier simulación de un proceso requiere disponer del valor de las propiedades

fisicoquímicas y termodinámicas de las mezclas de compuestos que circulan, o han de

circular, entre los distintos equipos de la planta, en todas las condiciones de

composición, presión y temperatura que puedan llegarse a verificar en la operación de

la misma.

Esto, obviamente, es prácticamente imposible y debemos hacer uso de técnicas de

predicción que permitan estimar esos valores.

La adecuada selección de estas técnicas será crucial para un cálculo preciso de los

equipos y corrientes de la planta simulada.


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No basta con que nuestro simulador cuente con los mejores algoritmos de cálculo, los

más rápidos y estables. Si hemos realizado una elección incorrecta del método de

predicción de propiedades los resultados que obtengamos en la simulación tendrán

poco o nada que ver con la realidad.

A continuación se describe los modelos termodinámicos recomendables para la

simulación para diferentes tipos de mezclas.

Lo que sigue es, en su mayor parte, una reelaboración de las recomendaciones

realizadas por G.J.Suppes del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad

de Missouri-Columbia para la selección de la metodología de cálculo del equilibrio

líquido-vapor (ELV) o líquido-líquido (ELL).

1. Cuando la temperatura reducida de la mezcla, calculada como Tr = T / zi Tci ,

es mayor que 0,75 y no se prevén fases líquidas inmiscibles, se debe usar una

ecuación de estado como SRK o PR, privilegiando aquellas que cuentan con

datos experimentales en la base de datos del simulador. De acuerdo a

Hyprotech, PR es preferible a SRK, aunque existen opiniones en contrario.

2. Cuando Tr es menor que 0,75 se debe usar un modelo de solución para la fase

líquida y una ecuación de estado para el vapor

3. Cuando sólo se prevé una única fase líquida, las mejores elecciones para los

alternativas de modelos de solución son

a. NRTL para mezclas orgánicas con presencia de agua

b. Wilson para el resto, aunque algunas fuentes (VirtualMaterials Group)

recomiendan la ecuación de Margules para mezclas de hidrocarburos

aromáticos.

4. En aquellas situaciones donde pueda producirse ELL debe usarse NRTL,

siempre suponiendo que se cuenta con coeficientes de interacción o se los

puede estimar.

5. Cuando no se puede disponer de coeficientes de interacción (experimentales o

estimados) para usar con Wilson o NRTL, se debe utilizar el modelo de solución

UNIQUAC con la predicción de los coeficientes de interacción binaria mediante

UNIFAC.

6. Algunas fuentes (Sheppard) recomiendan la realización de gráficas xy, Txy ó Pxy

para cada par de compuestos presentes en la mezcla y observar si en los

mismos aparecen “comportamientos” extraños (picos o quiebres agudos,

segmentos planos, etc.). Si nada de ello ocurre, la metodología elegida para

predecir el equilibrio es adecuada.

Otras recomendaciones de selección provienen de empresas proveedoras de

simuladores o software relacionado y se las resume a continuación.


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El cuadro siguiente resume el modelo de coeficientes de actividad recomendado para

distintos tipos de mezclas por la empresa VirtualMaterials, proveedora de paquetes de

propiedades para su uso en simulación:

TIPO DE MEZCLA MODELO RECOMENDABLE

Compuestos orgánicos con presencia de agua

NRTL

Alcoholes o en mezclas con fenoles

Wilson

Alcoholes, cetonas y éteres Margules

Hidrocarburos C4 – C18 Wilson

Hidrocarburos aromáticos Margules

La tabla que sigue se refiere a la aplicabilidad de métodos de coeficientes de actividad

en distintos sistemas, así como la posibilidad de extender la información disponible a

condiciones distintas de las originales:

APLICACIÓN MARGULES VAN LAAR WILSON NRTL UNIQUAC

Mezclas binarias A A A A A

Mezclas multicomponentes AL AL A A A

Sistemas azeotrópicos A A A A A

Equilibrio líquido-líquido A A NA A A

Sistemas diluidos ? ? A A A

Sistemas autoasociativos ? ? A A A

Polímeros NA NA NA NA A

Extrapolación ? ? B B B

Fuente: Honeywell

Dónde:

A= aplicable NA= no aplicable AL= aplicación limitada ? = cuestionable B= bueno


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La tabla siguiente muestra los paquetes básicos recomendados en función del tipo de

proceso.

TIPO DE PROCESO PAQUETE TERMODINÁMICO RECOMENDADO

Deshidratación de TEG PR

Acuoso ácido Sour PR

Procesamiento de gas criogénico PR, PRSV

Separación de aire PR, PRSV

Torres atmosféricas de crudo PR y sus variantes, Grayson Streed (GS)

Torres a vacío PR y sus variantes, GS, Braun K10, Esso

Torres de etileno Lee Kesler Plocker

Sistemas con alto contenido deH2 PR, Zudkevitch-Joffee (ZJ), GS

Reservorios PR y sus variantes

Sistemas de vapor ASME Steam, Chao Seader, GS

Inhibición de hidratos PR

Productos químicos Modelos de actividad, PRSV

Alquilación de HF PRSV, NRTL

Hidrocarburos-agua (alta solubilidad del

agua en HC) Kabadi Danner

Separaciones de hidrocarburos PR, SRK

Aromáticos Wilson, NRTL, UNIQUAC

Hidrocarburos sustituidos (cloruro de vinilo,

acrilonitrilo) PR, SRK

Producción de éter (MTBE, ETBE, ter-amil

metil eter TAME) Wilson, NRTL, UNIQUAC

Plantas de etilbenceno / estireno PR, SRK o Wilson, NRTL, UNIQUAC (según la tecnología

de producción)

Producción de ácido tereftálico Wilson, NRTL, UNIQUAC

Planta de amoníaco PR, SRK

Fuente: Honeywell, ASPENTech

ASPENTech ha propuesto una guía para la selección de los paquetes de propiedades

según el tipo de compuestos y las condiciones operativas. Lo que sigue es un

seudocódigo que se ha elaborado a partir del esquema original de ASPEN,

considerando los paquetes disponibles en UniSim Design R390.

1.- Si los compuestos son no polares ir a 4.

2.- Si los compuestos son polares no electrolitos ir a 5.

3.- Con electrolitos, usar un paquete específico. Fin.

4.- No polares

a) Si la totalidad de los componentes no son hipotéticos, usar PR, SRK, Lee-Kesler-

Plocker. Fin.

b) Si la presión de la mezcla de componentes reales y pseudocomponentes es

- Superior a 1 atm usar CHAO-SEADER, GRAYSON. Fin


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- Menor a 1 atm usar IDEAL. Fin.

5.- Polares no electrolitos

a) Si la presión es inferior a 10 bar

a1) Si se dispone de parámetros de interacción (en la base de datos o

suministrados por el usuario)

a1.1) Si se prevé que el equilibrio será líquido-líquido usar: NRTL, UNIQUAC y

sus variantes. Fin

a1.2) Si se prevé que el equilibrio será líquido-vapor usar: WILSON, NRTL,

UNIQUAC y sus variantes. Fin.

a2) No se dispone de parámetros de interacción, usar UNIFAC. Fin

b) Si la presión es superior a 10 bar

b1) Si se dispone de parámetros de interacción usar métodos correlativos. Fin

b2) Si no se dispone de parámetros de interacción usar métodos predictivos. Fin

BIBLIOGRAFÍA

Henley, Seader, “Operaciones de Separación por Etapas de Equilibrio en

Ingeniería Química”, 1988, Ed.Reverté SA

Suppes, “Selecting Thermodynamic Models for Process Simulation of Organic

VLE and LLE Systems”, http://students.aiche.org/pdfs/thermodynamics.pdf

UniSim Thermo Reference Guide

Hyprotech. HYSYS.Process Documentación Suite (1998). Calgary: Hyprotech.

A continuación se explicará más a detalle, el uso de las herramientas y demás en el

desarrollo del curso mediante la resolución de problemas.

http://students.aiche.org/pdfs/thermodynamics.pdf


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PROBLEMAS RESUELTOS

1. Un compresor diseñado para una sola etapa tiene que comprimir 34.2 kg-mol/h de

metano a 29 °C desde 140 kPa de presión absoluta hasta 500 kPa absolutos. Calcular:

La potencia mecánica necesaria en “hp” y la temperatura de salida del compresor si el

rendimiento es del 75%, considere una compresión adiabática.

Solución:

1er Paso: Crear un nuevo caso y añadir a la lista de componentes “Methane”

2do Paso: Añadir el paquete de fluidos más adecuado para los componentes de la

lista, para este caso se utiliza “Peng Robinson”.


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3er Paso: Ingresar al ambiente de simulación para trabajar en el PFD. Buscar en la

paleta de herramientas el equipo requerido “Compressor”, dar click sobre el equipo y

luego click en cualquier parte del PFD para cargar el equipo.

4to Paso: El equipo se encuentra de color rojo, lo que significa que el equipo no está

especificado, es decir le faltan datos. Asignar dos corrientes de entrada y salida de

materia de la paleta de herramientas (flechas de color azul).

5to Paso: Especificar los datos de la corriente de materia “1” y “2” (flechas de color

celeste), dar doble click sobre las corrientes respectivas para que aparezca la ventana

donde se pueden especificar los datos del problema.

Como lo único que ingresa por la corriente “1” es metano, su fracción molar es igual a 1

es decir 100% metano.

Todos espacios para escribir que estén de color “azul” se pueden editar, los que estén

de color “negro” son valores que el simulador a calculado mediante operaciones


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numéricas del software y no pueden editarse. Los valores de color “rojo” son datos

estándares predeterminados en el simulador pero si es posible editarlos, solamente se

encuentran como una referencia para los cálculos internos.

Para la corriente “1” lo primero que debo hacer es introducir el valor de las

composiciones “Composition”, luego los valores de las condiciones “Conditions”.

6to Paso: Especificar los valores de las condiciones P=140kPa, t=29°C y F=34.2 kg-

mol/h.


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7mo Paso: Conectar las corrientes de materia con el compresor. Doble click sobre el

compresor en “inlet” conectar con la corriente “1” y “outlet” conectar con la corriente

“2”.

8vo Paso: Se requiere de una corriente de energía para el funcionamiento del

compresor, asignar una variable que represente dicha energía. Por ejemplo “E-C”.

Observe que después de añadir la variable de energía requerida por el compresor el

equipo cambia de color rojo a color amarillo.

9no Paso: A continuación en la pestaña de “Parameters” se asigna el valor de la

eficiencia adiabática del 75 %, el valor por defecto está de color rojo y coincide con el

requerido para este problema, por tal razón se mantiene ese valor y para el modo de

operación se utiliza el “centrifugo”.


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10mo Paso: De la misma manera que se especificó la corriente “1” se procede con la

corriente “2”, en este caso como se trata de un compresor por lo que es suficiente

añadir el valor de la presión de salida para que la corriente quede especificada.

P=540kPa

11avo Paso: La corriente “2” queda especificada (cambia su color a azul) y el color del

equipo cambia a color negro sombreado lo que indica que los grados de libertad del

sistema es igual a cero y el sistema converge.

Lo que sigue a continuación es que el responsable de la simulación pueda analizar los

resultados obtenidos y mediante criterios ingenieriles evalúe la coherencia de ellos y la

cercanía a lo real.


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Resultados: El valor de la potencia requerida por el compresor para llevar a cabo la

compresión es de 49.93kW o su equivalente 66.96 hp y la temperatura de salida 163.8

°C


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APLICACIONES EN TERMODINÁMICA

CICLO DE RANKINE

PROBLEMA:

Un generador de vapor produce vapor a 400ºC y 15 atm de presión, que usado en un

ciclo Rankine produce 7500 CV, siendo el vapor de escape saturado y seco a 45 ºC

a) La cantidad de vapor generado

b) La potencia generada por la turbina (hp)

c) Representar los diagramas P-T, P-H, P-V, P-S.

d) La potencia de la bomba (hp)

c) El calor requerido por el recalentador, caldero y recalentador.

d) El calor cedido por el condensador.


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DEFINICIONES IMPORTANTES EN LA INDUSTRIA DE LOS HIDROCARBUROS

1.- Punto Crítico: Se define como la presión y temperatura donde las propiedades

intensivas (que no dependen de la cantidad de masa del sistema, como densidad,

compresibilidad, etc.) de las dos fases líquido y gas son idénticas.

Diagrama Presión – Temperatura para un fluido de yacimientos

2.- Punto de burbujeo: Es el punto (presión y temperatura) donde una gran cantidad

de fase liquida existe en equilibrio con una cantidad infinitesimal de gas o vapor.

También puede definirse como la presión y la temperatura a las cuales se forma la

primera burbuja de gas y el sistema pasa de líquido a dos fases. El conjunto de puntos

de burbujeos forma la curva de burbujeo, la cual separa la región de estado líquido con

la región de dos fases.

3.- Punto de Rocío: Es el punto (presión y temperatura) donde gran cantidad de gas

existe en equilibrio con una cantidad infinitesimal de líquido también puede definirse

como la presión y la temperatura a las cuales se forma la primera gota de líquido y el

sistema pasa de vapor a la región de dos fases. El conjunto de puntos de rocío forma

la curva de rocío, la cual separa la región de estado gaseoso de la región de dos fases.


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4.- Cricondentérmico: Temperatura máxima a la cual existe dos fases.

5.- Crivaporbárico: Presión máxima a la cual existen dos fases.

6.- Gas en solución o gas disuelto: Es un fluido el cual se encuentra en estado

gaseoso a condiciones normales de presión y temperatura, pero que es líquido a las

altas presiones y temperaturas del yacimiento.

7.- Condensado o destilado: Son líquidos formados por condensación de gas. A

condiciones de yacimientos son gases pero a condiciones de superficie son líquidos.

8.- Condensado retrógrado: Es líquido formado por condensación de vapor

disminuyendo la presión a temperatura constante o incrementando la temperatura a

presión constante. La palabra retrógrado indica que la condensación ocurre en la forma

contraria a la normal.

9.- Liberación o separación diferencial e instantánea: Se refieren a la manera como

se separa el gas en solución del petróleo. En separación instantánea la composición del

sistema petróleo – gas no cambia, ya que el gas que se va separando se mantiene en

contacto con el petróleo hasta que todo el gas se separe. En separación diferencial, el

gas liberado en cada reducción en presión, se va separando del petróleo y por tanto la

composición cambia, por ejemplo el sistema gas – petróleo va cambiando de

composición a medida que la presión va disminuyendo.

10.-Petróleo Saturado: Un petróleo se dice que está saturado, cuando a la presión y

temperatura a que se encuentra no acepta más gas en solución, y si ocurre una

disminución en presión se produce liberación de parte del gas en solución.

11.- Petróleo No-saturados o Subsaturados: Un petróleo se dice No-saturado,

cuando a la presión y temperatura a que se encuentra puede aceptar más gas en

solución, (si existiese gas disponible en el yacimiento); y si ocurre una disminución en

presión no se produce liberación del gas en solución.


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PROBLEMAS PROPUESTOS DE SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS

Ejemplo # 1.

Se tiene una mezcla compuesta de “Metano 20%, Etano 20% y Agua 60%” en

porcentaje molar, ingresa a un separador a una P=0.8Pc, (Pc=presión critica), T= Tb

+ 2ºC, (Tb=temp. de Burbuja). Con una alimentación de 4800 grmol/h, la línea de vapor

de salida del separador es igual al 50% en flujo molar de la alimentación (Ojo hay

intercambio de calor). La línea de líquido que sale del separador se mezcla con una

corriente con las siguientes especificaciones.

Calcúlese:

a. Los flujos de materia de las líneas de vapor y de liquido

b. Los porcentajes de Metano y Etano que se obtienen en la línea de vapor

c. Los porcentajes de Metano y Etano que se obtienen en la línea de liquido

d. La cantidad de energía por unidad de tiempo requerida por el separador en hp

e. El flujo de materia a la salida del mezclador

f. Los porcentajes de Metano, Etano y Propano a la salida del mezclador

g. Realizar todos los gráficos posibles

Nota.- Se toma como Pc y Tc a la que HYSYS llama “Pseudo”

Especificaciones de la Corriente:

Agua 50%, Metano 25% y Propano 25% en porcentaje

molar.

T=Tc/2 (Tc=temp critica)

P=Pb - 8bar (Pb= presion de burbuja)

Flujo= 40 grmol/h.


32


Ejemplo # 2.

Para efectuar un proceso de separación inicialmente se mezclan dos corrientes 1 y 2,

con las siguientes especificaciones:

Luego que las corrientes 1 y 2 se han mezclado, el producto de la mezcla ingresa a un

separador como alimentación donde todo es transformado en vapor, para mejorar el

proceso de separación fue necesario el intercambio de calor.

Calcúlese:

a. Los flujos de materiales de las líneas de vapor y de líquido

b. Las fracciones molares de Metano y Propano que salen por la línea de vapor

c. Las fracciones molares de Metano y Propano que salen por la línea de líquido

d. La temperatura a la salida del mezclador

e. La cantidad de agua residual en la línea de vapor respecto a la separación en %

f. La carga de calor intercambiado en el separador en kJ/h

g. Analizar el comportamiento de la capacidad calorífica molar y másica en función

de la temperatura, de la misma manera con las entalpias molar y másica para las

líneas de la alimentación al mezclador

h. Realizar los diagramas P-T, P-V y P-H para las líneas de la alimentación al

mezclador y para la línea de alimentación del separador

Nota.- Se toma como Pc y Tc a la que HYSYS llama “Pseudo”

Corriente1:

Agua 50%, Metano 25% y Propano

25% en porcentaje molar.

T=Tc/2 (Tc=temp critica)

P=Pb - 8bar (Pb= presion de burbuja)

40 grmol/h.

Corriente 2:

Propano 10% %, Metano 90% en

porcentaje molar.

P=Pc/2 (Pc=temp critica)

T=Tb - 8ºK (Tb= presion de burbuja)

40 grmol/min


33


Ejemplo # 3. Se tiene un mezclador donde ingresan 3 corrientes con las siguientes

especificaciones:

La corriente de salida del mezclador ingresa a un separador donde solo separa las

fases.

Calcular todas las variables posibles y graficas con el hysys.

Nota.- Se toma como Pc y Tc a la que hysys llama “Pseudo”

Nombre Corriente:

”n-Butano”

n-Butano 90%, n-Hexano

5%, n-Pentano 5% en

porcentaje molar

T= Tc/4 (Tc=temp critica)

P=Pb – 2 psia

(Pb= presión de burbuja)

40 grmol/seg

Nombre Corriente:

”n-Hexano”

n-Hexano 93%, n-Pentano

5 %, n-Butano 2% en

porcentaje molar

P= 0.1*Pc (Pc=presión

critica)

T=680ºR (Tb=

Temperatura de burbuja)

0.05 Kgmol/seg

Nombre Corriente:

”n-Pentano”

n-Pentano 95%, n-Hexano

2.5%, n-Butano 2.5% en

porcentaje molar

P= 0.4*Pc (Pc=presión

critica)

T=Tb + 2 ºR (Tb=

Temperatura de burbuja)

1 Kgmol/min


34


Ejemplo #4. Una mezcla compuesta de 250 kmol/h de acetona, 90 kmol/h de alcohol

etílico y 15 kmol/h de hexano se alimenta a una torre de destilación con los siguientes

datos:

Datos de la torre de destilación

Temperatura de 63 ºC y 3 bar de presión. Las pérdidas de presión a lo largo de la torre

son de 0.2 bar, se usa una relación de reflujo de 1.4 veces el reflujo mínimo.

Se desea que un 7 % del componente más liviano esté presente en la corriente de

fondos de la torre de destilación y un 3.5% del componente más pesado esté presente

en la corriente de producto destilado.

Datos en el intercambiador

El destilado entra al lado de los tubos del intercambiador, sufriendo una pérdida de

presión de 0.3 bar. El destilado sale a 35 ªC.

Agua de enfriamiento ingresa, por la carcasa del intercambiador, a una temperatura de

20 ºC y 5 bar, sufriendo una pérdida de 0.2 bar. El agua sale a 65 ºC

Datos en el Separador

El destilado frio ingresa a un separador. Determine las condiciones de salida del

separador


35


Calcúlese:

a) El punto de rocío de la línea de alimentación y la variación de la capacidad

calorífica molar en función de la temperatura.

b) Cuál es el compuesto más liviano y el más pesado de la mezcla y ¿porque?

Explique

c) Determinar las especificaciones de la torre de destilación

d) Determinar los requerimientos de calor en el condensador y el calentador

e) Determine las composiciones y condiciones de las corrientes de destilado y

fondo de la torre

f) Las condiciones de la mezcla a la salida del intercambiador

g) Determine la cantidad requerida de agua

h) Determine las especificaciones técnicas del intercambiador de calor


36


Ejemplo # 5.

A un mezclador ingresan tres corrientes según las siguientes especificaciones:

CORRIENTE 1: Benceno CORRIENTE 2: p-Xyleno CORRIENTE 3: Tolueno

COMPONENTES % molar COMPONENTES % molar COMPONENTES % molar

Benceno 90 Benceno 10 Benceno 0

p-Xyleno 6 p-Xyleno 85 p-Xyleno 15

Tolueno 3 Tolueno 3 Tolueno 75

Agua 1 Agua 2 Agua 10

Flujo Másico kg/h 900 2000 3000

Las tres corrientes entran a 25 ºC y 2 atm de presión

La corriente resultante ingresa a un intercambiador de calor y posteriormente a una

columna de destilación.

Datos del intercambiador de calor:

La mezcla entra al lado de los tubos del intercambiador, sufriendo una pérdida de

presión de 0.3 atm. La mezcla sale a 90ºC.

El producto resultante de los fondos de la columna de destilación entra al lado de la

carcasa del intercambiador, sufriendo una pérdida de 0.2 atm.

Modelo del intercambiador de calor: Ponderado (Weighted).

Datos en la columna de destilación:

Las pérdidas de presión a lo largo de la torre son despreciables. La relación de reflujo

es igual a 1.5 veces la del reflujo mínimo.

Se requiere que un 5% del componente más liviano esté presente en la corriente de

fondos y que el destilado contenga 1% del componente pesado.


37


Calcúlese:

a. El punto de rocío de la corriente 1

b. La capacidad calorífica másica de la corriente 3 en función de la temperatura

c. Los diagramas P-T y P-H de la corriente 2

d. Las condiciones de la corriente de salida del intercambiador

e. Determinar las especificaciones técnicas del intercambiador de calor


38


Ejemplo # 6.

A un mezclador ingresan tres corrientes según las siguientes especificaciones:

CORRIENTE 1: Benceno CORRIENTE 2: p-Xyleno CORRIENTE 3: Tolueno

COMPONENTES Kmol/h COMPONENTES Kmol/h COMPONENTES Kmol/h

Benceno 10 Benceno 0.5 Benceno 1.5

p-Xyleno 0.5 p-Xyleno 20 p-Xyleno 0.75

Tolueno 0.25 Tolueno 1 Tolueno 30

Las tres corrientes entran a 25 ºC y 2 atm de presión

La corriente resultante ingresa a un intercambiador de calor y posteriormente a una

columna de destilación.

Datos del intercambiador de calor:

La mezcla entra al lado de los tubos del intercambiador, sufriendo una pérdida de

presión de 0.3 atm. La mezcla sale a 90ºC.

El producto resultante de los fondos de la columna de destilación entra al lado de la

carcasa del intercambiador, sufriendo una pérdida de 0.2 atm.

Modelo del intercambiador de calor: Ponderado (Weighted)

Datos en la columna de destilación:

Las pérdidas de presión a lo largo de la torre son despreciables. La relación de reflujo

es igual a 1.2 veces la del reflujo mínimo.

Se requiere que un 6% del componente más liviano esté presente en la corriente de

fondos y que el destilado contenga un 5% del componente pesado.


39


Calcúlese:

a) Cuál es el compuesto más liviano y el más pesado de la mezcla y ¿porque?

Explique

b) Determinar las especificaciones de la columna de destilación

c) Determinar los requerimientos de calor en el condensador y el calentador

d) Determine las composiciones y condiciones de las corrientes de destilado y

fondo de la torre

e) Las condiciones de la mezcla a la salida del intercambiador

f) Determine la cantidad requerida de agua

g) Determine las especificaciones técnicas del intercambiador de calor

h) La capacidad calorífica molar en función de la temperatura

i) Los gráficos P-T, P-H y P-V de las corrientes que ingresan al mezclador


40


Ejemplo # 7.

Se va a realizar la absorción de acetona en una torre con etapas a contracorriente. El

gas contiene 1% de acetona en aire siendo el flujo total de 30 kmol/h. Se usara agua

para absorber la acetona con un flujo de 90kmol/h. El proceso trabaja isotérmicamente

a 38 ºC y a una presión de 1 atm.

Calcúlese:

a. La capacidad calorífica molar de la corriente del gas de entrada en función de la

temperatura y los gráficos P-T, P-V y P-H

b. La concentración de la acetona en la corriente de salida del gas, la altura y el

diámetro de la columna

c. ¿Según su criterio mencione cuál es el mejor paquete termodinámico. Justifique

su respuesta?

Si el gas saliente de la columna de absorción ingresa por la parte del tubo a un

intercambiador de calor donde se calienta hasta los 95 ºC mediante agua. Establezca

las condiciones de entrada y salida del agua y calcule la cantidad de agua necesaria

para este proceso de calentamiento.


41


Ejemplo # 8.

A un separador ingresan los siguientes componentes en porcentajes molares:

Metano 20%, Etano 20%, Agua 60% a 15 ºC y 120 bar. El producto líquido del

separador ingresa a un mezclador donde se une con otra corriente “C-1” con las

siguientes especificaciones.

C-1: Metano 25%, Propano 25%, Agua 50% a 90ºC y 160 bar de presión.

Luego que las corrientes de liquido y C-1 se han mezclado el producto resultante

ingresa a una torre spliters


42


Ejemplo # 9.

A una columna de absorción ingresan:

300 kmol/h de H2O y 3 kmol/h de amoniaco a 20ºC y 1 atm de presión. Se ponen en

contacto con una corriente gaseosa compuesta por amoniaco y aire con un flujo de 100

kmol/h, el amoniaco ingresa en una cantidad igual al 8% en porcentaje molar a las

mismas condiciones de la entrada.

El producto que sale por domo de la columna ingresa a un intercambiador de calor

donde se calienta hasta los 90ºC utilizando agua.

Para el modelo del intercambiador de calor utilice el de tipo ponderado.

Establezca las condiciones adecuadas de presión y temperatura en las corrientes de

entrada y salida de la carcasa del intercambiador de calor.

Calcúlese:

a. La cantidad de agua que se necesita para el intercambio de calor en el lado de la

carcasa

b. Los límites máximos y mínimos de variación de temperatura en el intercambiador

de calor

c. El diámetro de la columna de absorción

d. Los diámetros interno y externo en el lado de la carcasa, así también todas sus

especificaciones técnicas

e. Los gráficos P-T, P-H y P-V

f. La capacidad calorífica másica en función de la temperatura para las corrientes

de entrada

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