CTMI2: Simulación de operaciones de flujo de fluidos y transferencia de calor

Transcripción

1 CTMI2: Simulación de operaciones de flujo de fluidos y transferencia de calor Parte 1 Transferencia de calor Objetivos fundamentales de la CTMI 1. Diferenciar entre los modelos de intercambiadores de calor del tipo one side heat exchanger y two side heat exchanger: campo de aplicación y utilidades. 2. Especificar modelos de intercambiadores de calor del tipo one side heat exchanger. 3. Realizar cálculos del tipo Utility Type en corrientes de calor. Seleccionar el servicio auxiliar (Utility) adecuado para cada tipo de servicio de calentamiento/enfriamiento. 4. Conocer y utilizar correctamente los esquemas y procedimientos de especificación de modelos de intercambiador de calor del tipo two side heat exchanger. Realizar especificaciones del tipo Temperature, Delta Temp., Minimum Approach en modelos de intercambiadores de calor del tipo two side heat echanger. 5. Diferenciar los modelos End Point y Weighted de intercambiadores de calor de carcasa y tubos. Reconocer las situaciones en que son recomendables cada uno de ellos. 6. Utilizar el parámetro (U x A) del cálculo de los intercambiadores calor de carcasa y tubo en tareas muy preliminares de dimensionado de estos equipos, reconociendo el hecho de que Aspen HYSYS no es un programa para el diseño de intercambiadores de calor. Objetivos adicionales del tema 1. Reconocer la existencia de otros esquemas de especificaciones de los modelos de intercambiador de calor de carcasa y tubos del tipo two side heat exchanger: Duty, UA, diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD), etc. 2. Saber de la existencia de otros modelos de operaciones de intercambio de calor en Aspen HYSYS: multi side heat echanger (LNG Exchanger), aero refrigerador (Air Cooler) y hornocaldera (Fired Heater). 3. Utilizar la extensión Virtual Stream y la operación lógica Set para la transferencia de información entre objetos de un diagramas de flujo. Modelos para la simulación de operaciones de transferencia de calor en Aspen HYSYS Se muestra en la figura 1. De izquierda a derecha son los siguientes: Cooler (Enfriador), Heater (Calentador), LNG Exchanger (Liquified Natural Gas Exchanger), Heat Exchanger (Intercambiador de calor de carcasa y tubos), Air Cooler (Aero refrigerador) y Fired Heater (Horno/Caldera). Los modelos Cooler y Heater realizan balances de materia y entalpía del enfriamiento y el

2 calentamiento, respectivamente, de un fluido 1. El intercambio energético con el medio (el fluido auxiliar) se cuantifica en términos de caudal de calor (Duty), Q, intercambiado utilizando la expresión (1): Q H Salida H Entrada (ec. 1) Por esta peculiar configuración de los modelos del Cooler y el Heater, son conocidos como modelos del tipo one side heat exchanger. Figura 1. Modelos para la simulación de operaciones de transferencia de calor en Aspen HYSYS. Los modelos de intercambiador de calor del tipo one side constituyen los más simples de que dispone el Aspen HYSYS para simular operaciones de intercambio de calor. Se limitan a hacer balances de materia y entalpía en operaciones de intercambio de calor. Sin embargo, permiten hacer estimaciones del consumo de fluidos auxiliares de calentamiento y enfriamiento asociando una función Utility a la corriente de energía Q conectada al modelo del intercambiador de calor (ver más adelante). No son aplicables en simulaciones del tipo dimensionado y dimensionado de intercambiadores de calor. Los modelos del Heat Exchanger, del Air Cooler y del Fired Heater son, esencialmente, modelos del tipo two side heat exchanger al considerar el intercambio de calor del fluido de trabajo con un fluido auxiliar: uno cualquiera (en principio) en el modelo del Heat Exchanger, del aire para el caso del Air Cooler y gases de la combustión en el caso del Fired Heater 2. Finalmente, el modelo del LNG Exchanger permite realizar simulaciones de operaciones de transferencia de calor en equipos multiflujo, donde se produce el intercambio de calor entre varias corrientes calientes y frías. El modelo de intercambiador de calor más completo y versátil de que dispone Aspen HYSYS es el Heat Exchanger. En relación con las operaciones de transferencia de calor el Aspen HYSYS es, en rigor, un programa de simulación. No es un programa para el diseño de intercambiadores de calor, aunque la información obtenida por esta vía permite enfrentar tareas de dimensionado y diseño básico de operaciones y equipos de transferencia de calor. Sin embargo, desde el Aspen HYSYS es posible acceder directamente al Aspen Exchanger Design and Rating (EDR) 3, un módulo dentro del paquete de programas Aspen ONE para el diseño optimizado de diferentes tipos de intercambiadores de calor: carcasa y tubos, aero refrigeradores, de placas planas y aleteadas, etc. utilizando modelos 1 En la Ingeniería Conceptual de un proceso, generalmente el fluido de trabajo. 2 El modelo del Fired Heater incluye mecanismos convectivos y radiativos de transferencia de calor entre el fluido de trabajo y los gases de la combustión. 3 El uso de estos modelos está fuera del alcance del presente curso. 2

3 rigurosos de diseño. Este enlace con el EDR tiene diferentes formas de realizarse, incluidas las utilidades Air Cooled Design/Rating Utility y Shell & Tube Exchanger Design/Rating Utility para aerorefrigeradores e intercambiadores de carcasa y tubos, respectivamente. Estas se incluyen dentro de las herramientas de Analysis (en la sección Home de la cinta de comandos y herramientas) orientadas al diseño de equipos (Equipment Design, figura 2). Figura 2. Herramientas de análisis y diseño de equipos en Aspen HYSYS. El modelo Heat Exchanger en Aspen HYSYS realiza cálculos rigurosos del calor intercambiado entre los fluidos caliente y frío. Para ello, partiendo de un intercambiador de calor de dimensiones, geometría y configuración conocidas 4, el programa calcula los coeficientes individuales de transferencia de calor del lado del fluido caliente (h Caliente) y del fluido frío (h Frio) utilizando correlaciones empíricas. Con estos valores estima el coeficiente global de transferencia de calor (U) utilizando la expresión (2): 1 U 1 e 1 (ec. 2) h k Caliente h Frio donde, además, e es el espesor de los tubos y k es la conductividad térmica del material de los tubos. A partir de ahí, el programa calcula el producto U A (página Performance/Details del Propety View del intercambiador). Con este valor el usuario puede hacer una estimación preliminar del área de la superficie de transferencia de calor requerida para el servicio en cuestión, si dispone de un valor de U. La estimación será más acertada cuanto mejor sea el valor dado de U 5. Para valores 4 Las dimensiones, geometría y configuración del intercambiador de calor que soporta los cálculos de balance de materia y entalpía en el modelo del Heat Exchanger corresponden a situaciones típicas de la industria. 5 En este caso la simulación con el modelo del Heat Exchanger de Aspen HYSYS da información (UxA) para el dimensionado (cálculo del área de la superficie de intercambio de calor) del intercambiador. 3

4 típicos de U en la industria se recomiendan, por ejemplo, las siguientes fuentes bibliográficas: ULRICH, G. D. y VASUDEVAN, P. Chemical Engineering: Process Design and Economics. A Practical Guide. Process Publishing, New Hampshire Tablas 4 15(a, b, c, d, e y f), páginas 205 a 210. PERRY, J. D. y GREEN, D. W. Manual del Ingeniero Químico. McGraw Hill, Madrid, Séptima Edición Tablas 11.3 a En el diseño de operaciones de enfriamiento y calentamiento de fluidos (de trabajo) tiene mucha importancia la selección del fluido auxiliar refrigerante y calefactor a utilizar. Esta se realiza atendiendo al intervalo de temperaturas de trabajo de la operación. En la bibliografía se pueden encontrar tablas con los intervalos de temperatura de operación para diferentes fluidos refrigerantes y calefactores así como los fenómenos físicos relacionados con el intercambio de energía en forma de calor. Ver, por ejemplo, la tabla 13.1, pag. 409 del libro: SEIDER, W. D.; SEADER, J. D. y LEWIN, D. R. Process Design Principles: Synthesis, Analysis and Evaluation. John Wiley & Sons, Inc.: New York DESARROLLO PROBLEMA: En un proceso de metanación de un gas natural se necesita enfriar una mezcla de gases desde 93 hasta 30 ºC a la presión de 32 atm. La composición de la mezcla es (porcentajes en volumen): 18,9% de metano; 80,2% de hidrógeno y 0,9% de vapor de agua. Se considera que el enfriamiento se efectúa en una única etapa y como fluido refrigerante se propone emplear agua fría 6. Esta se alimenta a 20 ºC y experimenta un salto térmico de 10 ºC en la operación. Selección del paquete de fluidos para la simulación: El sistema está compuesto por especies relativamente simples desde el punto de vista estructural (moléculas pequeñas de baja polaridad, con la excepción del agua). Entre las moléculas de estos componentes no deben existir interacciones intensas ni específicas en la fase gaseosa o en el vapor. En el proceso a estudiar sólo es previsible la condensación del vapor de agua. Las solubilidades del metano y el hidrógeno en el agua son bastante bajas y, además, las posibles interacciones entre estos componentes en la fase líquida deben ser también débiles y poco específicas. De esta forma, tampoco es de esperar fuertes desviaciones de la idealidad en la fase líquida. Por las razones anteriores podría ser utilizado un paquete de fluidos del tipo Ecuación de Estado (EOS) y concretamente el basado en la ecuación de estado de Peng y Robinson, cuya implementación en Aspen HYSYS recibió importantes mejoras por los desarrolladores del programa. 6 Estas dos decisiones no se corresponden en rigor con la experiencia práctica de realizar calentamientos y enfriamientos graduales de los fluidos de trabajo, pero pretenden simplificar las simulaciones, cuyo principal objeto es ilustrar el trabajo con los modelos de intercambiadores e calor. 4

5 Simulación 1: Determinación del caudal de calor a eliminar del fluido y de refrigerante a utilizar para lograr el enfriamiento deseado. Modelo del tipo One side Heat Exchanger. 1. Crear una corriente (S01) con la composición y las condiciones especificadas en el problema. En el proceso industrial se tratan 4 ton/h del gas. 2. Insertar una operación Cooler (E 100). En la página Design/Connections del Property View de la operación definir las corrientes de entrada y salida. Corriente de entrada (campo Inlet): S01; Corriente de salida (campo Outlet): S02; Corriente de calor (campo Energy): Q La corriente de alimentación se selecciona mediante el menú desplegable de la ventana correspondiente (Inlet). Las corrientes S02 y Q 100 se crean desde el Property View de la operación. Comprobar que el diagrama de flujo corresponde a la figura 3. Figura 3. Diagrama de flujo de la simulación. 4. Una vez satisfechas las conexiones, la barra de estado (en la parte inferior) del Propety View del Cooler toma color amarillo y despliega el siguiente mensaje: Unknown Delta P. La caída de presión en la unidad de enfriamiento es un parámetro de la operación que debe ser especificado. En la página Design/Parameters hacer ΔP = 0 kpa, lo que supone despreciar las pérdidas de carga en el cambiador de calor a efectos de la simulación A continuación, el programa ejecutivo despliega el mensaje: Unknown Duty. En esta circunstancia si se especifica el caudal de calor intercambiado (caudal de la corriente Q 100) el programa calcula la temperatura y las propiedades de la corriente de salida. Alternativamente se puede especificar la temperatura de la corriente de salida (30 ºC, según el problema planteado) y el programa calcula el caudal de calor a eliminar de la corriente de entrada, así como las propiedades de la corriente de salida. Este es un ejemplo de la capacidad 7 Esta es una especificación perfectamente asumible en las etapas iniciales de la Ingeniería de la mayor parte de los procesos de la industria química. Sin embargo, no es adecuada para etapas más avanzadas de la Ingeniería Básica en el diseño de operaciones y equipos de intercambio de calor, donde ya deben tenerse en cuenta las pérdidas de carga que tienen lugar en los tubos y la carcasa de los intercambiadores de calor. 5

6 del simulador de procesos Aspen HYSYS de realizar cálculos hacia atrás 8. Comprobar que el caudal de calor que debe eliminarse de la corriente de gases es aprox. 1,9 x 10 6 kj/h y que la corriente a la salida del proceso (S02) es una mezcla de líquido y vapor a la presión de trabajo (32 atm). La fracción de vapor es del orden de 0,99. La fase líquida está compuesta mayoritariamente (99,99% en moles) por agua. Esto significa que con el enfriamiento descrito tiene lugar la condensación de parte del vapor de agua contenido en la alimentación. El caudal de condensado representa el 83% del vapor de agua alimentado para la presión de trabajo: aprox. 112 kg/h. 6. Los modelos del Cooler y el Heater permiten dividir el intercambiador de calor en segmentos y resuelven los balances de materia y entalpía para cada segmento. Así, por ejemplo, se puede determinar la temperatura del fluido de trabajo en diferentes posiciones (a diferentes distancias) respecto a la entrada del intercambiador de calor, cuando se han eliminado de la mezcla a enfriar cantidades crecientes de calor. Analizar cómo varían la temperatura y la fracción de vapor de la mezcla con el enfriamiento. En la página Performance del Property View del Cooler construir los gráficos (opción Plots): Temperature vs. Heat Flow y Vapor Fraction vs. Heat Flow (Figura 4). Para una buena resolución de los gráficos considerar 100 intervalos (Performance/Setup/Curve Options/Intervals). Comprobar la existencia de un cambio de pendiente en las curvas, relacionado con la condensación del vapor de agua (Ver flechas en la figura 4). Figura 4A. Perfiles de temperatura a lo largo del intercambiador de calor. 8 El esquema de especificaciones donde se define (en azul) el valor de Q puede conservarse y, a la vez, imponer al diagrama de flujo la condición de diseño (T S02 = 30 ºC) si se utiliza una función Adjust como se discute en la CPMI1. 6

7 El agua condensada debe eliminarse del equipo. Con el objetivo de facilitar esta operación 9, el gas se hace circular por carcasa del intercambiador de calor de carcasa y tubos y se inserta una válvula que permite purgar el condensado. Cálculos del tipo Process Utility 7. Una alternativa para estimar el caudal de agua de refrigeración necesario, conservando la simplicidad del modelo one side heat exchanger del Cooler, consiste en asociar a la corriente Q 100 una Utility del tipo Cooling Water (Figura 5). El cálculo es inmediato. Figura 4B. Perfil de fracción de vapor a lo largo del intercambiador de calor. El cálculo estima unas necesidades de agua de refrigeración de 89,6 ton/h de agua para lograr el enfriamiento deseado. Este es el caudal de agua de refrigeración calculado por balance entálpico y supone que en el cambiador de calor utilizado se dan todas las condiciones para el intercambio de 1,9 x 10 6 kj/h de energía en forma de calor entre los fluidos. El programa calcula el caudal de agua de refrigeración realizando un balance entálpico con la información que dispone en su base datos sobre el fluido refrigerante y el Duty (Q) que ha calculado para el enfriamiento del fluido de trabajo en la simulación. La información sobre las propiedades físicas y límites de operación de los servicios auxiliares que utiliza el programa aparecen en Home/Simulation/Process Utility Manager (Figuras 6 y 7). Guardar el caso como CTMI2 calor 1.hsc. 8. El usuario puede modificar los valores de las propiedades físicas y límites de operación de los servicios auxiliares. A modo de ejemplo, considerar que el agua de refrigeración sale a 30 ºC 9 Ver heurística (regla empírica) 55 de la página 421 del libro: SEIDER, W. D.; SEADER, J. D. y LEWIN, D. R. Process Design Principles: Synthesis, Analysis and Evaluation. John Wiley & Sons, Inc.: New York

8 según se establece como condición de diseño en este problema. El caudal de refrigerante que calcula el programa para esta nueva situación es de 44,8 ton/h. Guardar el caso como CTMI2 calor 2.hsc. Figura 5. Property View de la corriente de calor Q Ir al entorno de las bases (Properties, ). Acceder al listado de paquetes de fluidos (Fluid Packages). Seleccionar el paquete de fluidos construido para la simulación, clicar en la opción Export. Guardar el paquete de fluidos como CTMI2 calor 3.fpk. Figura 6. Process Utility Manager en la cinta de comandos y herramientas del programa. El cálculo del tipo Process Utility que realiza el programa es: m Utility kg h Q kj h kj Eff. Cp OutletT InletT C kg C (ec. 3) donde Q es el Duty calculado por la simulación para el enfriamiento/calentamiento, mientras que Eff. Cp, Outlet T y Inlet T son valores tomados del Process Utility Manager (Figura 7). El cálculo que realiza el programa cuando se utilizan fluidos auxiliares que enfrían o calientan con el calor de su cambio de fase (calor latente) es semejante al desarrollado 8

9 en la (ec. 3), pero introduciendo las siguientes aproximaciones: OutletT InletT 1 C y Eff. Cp (ec. 4) H Vaporizacion / Condensacion Figura 7. Información disponible en el Process Utility Manager de Aspen HYSYS. El cálculo del caudal de fluido auxiliar en Aspen HYSYS por esta vía tiene una importante limitación: responde sólo a un modelo del tipo Primer Principio de la Termodinámica, pero no tiene control sobre el cumplimento del Segundo Principio. Dependiendo de la selección del fluido auxiliar que se haga puede incurrirse en una violación del Segundo Principio de la Termodinámica sin que el programa ejecutivo indique el error. Así, por ejemplo, puede calcular un caudal de vapor saturado de baja (LPS) cuya temperatura de cambio de fase está en torno a los 125ºC (ver Process Utility Manager, figura 7) para calentar un fluido entre 200 y 250ºC 10. Un cálculo riguroso con el modelo Heat Exchanger del tipo two side heat exchanger sí identifica el error. A modo de ejemplo estudiar la simulación CTMI2 calor 4.hsc, cuyo diagrama de flujo se muestra en la figura 8. En esta simulación, por razones de simplicidad, se han conectado las corrientes 1 y 2 (fluido de trabajo) a dos modelos de equipo diferentes. Para lograr esto debe estar activada la opción Allow multiple stream connections. Esta se encuentra en File/Options/Simulation Options/Simulation/General Options (Figura 9). Otra dificultad que tienen los cálculos del tipo Process Utility en Aspen HYSYS resulta de una aplicación inconsecuente (en algunos casos) del convenio de signos para los intercambios 10 Esto es, calentar un fluido con otro que está a menos temperatura. 9

10 energéticos entre el sistema y el medio. En Aspen HYSYS, por lo general los Duties de las corrientes energéticas suelen ser positivos, sin embargo en la (ec. 3) el término (OutletT InletT) puede ser negativo si el fluido auxiliar se enfría en la operación. Eso genera confusión al programa ejecutivo respecto a la selección del servicio auxiliar. En ese caso es suficiente con cambiar el signo al valor de Q. Figura 8. Inconsistencia termodinámica de cálculos del caudal de un fluido auxiliar cuando este es seleccionado incorrectamente. Figura 8. Control de las opciones de simulación en Aspen HYSYS. Estudios de alternativas en una misma simulación. Uso de la extensión Virtual Stream 10. Si alternativamente a lo decidido en las tareas 4 y 5, se deseara evitar la condensación del vapor de agua manteniendo cierto grado de humedad en el gas, el enfriamiento debe acompañarse de una disminución de la presión 11. La máxima presión que soporta la mezcla enfriada para 11 Esta situación no es muy interesante desde el punto de vista práctico, porque la disminución de presión que requiere es mucho mayor que las pérdidas de carga que típicamente ocurren en intercambiadores de calor (ver ULRICH, G. D. y VASUDEVAN, P. Chemical Engineering: Process Design and Economics. A Practical Guide. Process Publishing, New Hampshire Tabla pressure drops ). Sin embargo, ayuda a comprender el resultado anterior. Aquí se introduce con fines puramente didácticos. 10

11 que se conserve íntegramente en forma de vapor es la que corresponde a la saturación del vapor (para la temperatura de 30 ºC). Esto es, la presión para la cual la temperatura del punto de rocío (fracción de vapor = 1 en la corriente S02) es 30 ºC. Para determinar dicha presión puede realizarse una simulación del tipo flash LV utilizando el modelo de la corriente material. Para esto hacer Fracción de vapor = 1 con T = 30 ºC. La presión calculada es 474,9 kpa 4,69 atm. La reducción de presión que debe acompañar al enfriamiento es kpa. El cálculo de comprobación o estudio sugerido en el párrafo anterior puede realizarse mediante una de las herramientas de Analysis de corrientes (Stream Analysis) de que dispone Aspen HYSYS o simplemente construyendo un modelo como el que se muestra en la figura 9 y que se adjunta como caso CTMI2 calor 5.hsc. Figura 9. Modelo que permite estudiar alternativas a la condensación del vapor de agua con la condensación. Uso de la extensión Virtual Straem. Aquí las corrientes S02 y S02* son esencialmente la misma (tienen la misma composición, caudal y temperatura) y difieren sólo en su estado físico de agregación, que se controla en este modelo por la presión. En esta circunstancia es muy útil transferir la información común de la corriente S02 a la S02* de forma automática y especificar en S02* sólo la fracción de vapor. El programa calculará la presión de equilibrio de S02*. En la simulación de la figura 9 se utiliza la extensión de Aspen HYSYS conocida como Virtual Stream para transferir selectivamente información de la corriente S02 a la corriente S02*. Esta extensión se identifica por el icono ( ) en la sección Custom de la paleta de operaciones del programa. Esta extensión garantiza la transferencia de la información definida por el usuario entre las dos corrientes seleccionadas de forma automática. En la figura 10 se muestra la página Parameters de su Property View donde se especifican las variables involucradas en la transferencia de información (marcando la casilla correspondiente como se muestra para la temperatura, el caudal másico y la composición). Es importante reconocer que la función Virtual Stream permite la transferencia de información 11

12 utilizando, adicionalmente, una relación lineal del tipo: TargetValue Multiplier ReferenceValue Offset (ec. 5) Figura 10. Esquema de especificaciones de la extensión Virtual Stream en Aspen HYSYS. En Aspen HYSYS existe una operación lógica semejante a la extensión Virtual Stream, denominada Set. Esta se identifica por el icono ( ) en la sección Common de la paleta de operaciones del programa. La operación lógica Set tiene dos limitaciones fundamentales respecto a la extensión Virtual Stream: No transfiere información del tipo composición. Sólo transfiere de una corriente a otra el valor de una única propiedad. En la simulación CTMI2 calor 5.hsc se ilustra su uso para las siguientes situaciones: La operación SET 1 cambia el signo al caudal de calor Q 100. La operación SET 2 hace la temperatura de S03 10 grados más alta que la de S02. La operación SET 3 hace el caudal de la corriente S04 dos veces mayor que el caudal de S01. Es importante destacar que aun agotando la capacidad de la operación Set para transferir información de una corriente a otra no se consigue una completa definición de S03 y S04 (que quedan en azul claro indicando que debe aportarse más información para su completa especificación). A modo de ejemplo, en la figura 11 se muestra el procedimiento de especificación de la operación lógica Set para el caso particular del cambio de signo del calor. 12

13 Figura 11. Especificando la operación lógica Set en Aspen HYSYS. Simulación 2: Modelo del intercambiador de calor (Two side heat exchanger). En esta simulación se desarrollará el ejemplo anterior utilizando ahora el modelo del intercambiador de calor (Heat Exchanger) para calcular el caudal de agua de refrigeración necesario. 11. Crear un caso nuevo con el nombre CTMI2 calor 6.hsc. Ir al contenido Fluid Packages del panel de navegación (Navegation Panel) del entorno de las bases de la simulación (Properties) o pinchar en el icono ( ) en la cinta de comandos y herramientas del programa. Seleccionar 13

14 la opción Import un nuevo paquete de fluidos. Navegar hasta la localización donde se guardó el archivo CTMI2 calor 3.fpk y seleccionarlo. Observar que se cargan en esta nueva simulación los componentes seleccionados y el modelo termodinámico PR. Acceder al entorno de simulación. 12. Crear la corriente de alimentación S01 según las especificaciones de la simulación anterior. Crear una corriente de agua S03 a 20 ºC y 32 atm 12. No especificar el caudal de agua de refrigeración. La corriente S03 permanecerá en color azul claro y en la barra de estado de la parte inferior de su Property View se puede leer el mensaje Unknown Flow rate en un fondo de color amarillo. El caudal de agua de refrigeración necesario deberá ser calculado por el programa una vez especificada convenientemente la simulación. 13. Insertar el intercambiador de calor (E 100, icono en la paleta de modelos Common del programa). En la página de conexiones seleccionar las corrientes S03 y S01 como las corrientes de entrada por la parte de los tubos (Tube Side Inlet) y de la carcasa (Shell Side Inlet), respectivamente. Esto responde a la estrategia de que el fluido donde es posible la condensación circule por carcasa. Desde el Property View del intercambiador definir las corrientes de salida de ambos lados como: S04 y S02, respectivamente. Seleccionar el cambiador de calor en el PFD. Clicando el botón de la derecha del ratón se despliega un menú de operaciones. Seleccionar la opción Change Icon. Cambiar el icono de la operación. Comprobar que el diagrama de flujo corresponde con la Figura 12. Figura 12. Conexiones del modelo del intercambiador de calor de carcasa y tubos. 14. En la página Design/Parameters (Figura 13) especificar que no se producen caídas de presión en los tubos y la carcasa (ΔP = 0 kpa). Observar que el programa, por implícito, ha escogido el modelo de intercambiador Simple End 12 La corriente de agua no necesariamente tiene que alimentarse a 32 atm, pero aquí se hace de esa forma para simplificar la simulación. 14

15 Point (sección Heat Exchanger Model) 13 y considera que no (None) hay ganancia ni pérdida de calor (Heat Leak/Loss) debidas al intercambio de calor directo de los fluidos frío y caliente, respectivamente, con los alrededores (Figura 13). En este punto de la simulación el programa ejecutivo del Aspen HYSYS informa que la operación está Under Specified (barra de estado en la parte central inferior, recuadro de fondo amarillo, Figura 13). Esto significa que faltan grados de libertad del sistema por especificar o sea, que el usuario debe hacer otras especificaciones adicionales para que el cálculo quede completamente definido. Figura 13. Página Design/Parameters del modelo del intercambiador de calor de carcasa y tubos. 15. Ir a la página Design/Specs 14 (sección Solver) y comprobar que el cálculo tiene 2 grados de libertad (Figura 14), que resultan de 3 incógnitas (Unknown Variables) menos 1 relación (Contrains) que las liga: el balance entálpico. Las incógnitas en este cálculo son el caudal refrigerante y las temperaturas de ambos fluidos a la salida del cambiador de calor (sección Unknown Variables, a la derecha en la figura 14). Las nuevas especificaciones se pueden realizar desde la sección Specifications de esta misma página. Aquí aparece como especificación por defecto que el error en el balance entálpico sea 0 kj/h. Esta es una especificación activa (también por implícito) del cálculo. Desactivar la 13 Este tema se desarrollará posteriormente en las clases teóricas de la asignatura. 14 La página Specs. en Aspen HYSYS existe solamente en modelos de operaciones complejas y/o difíciles de especificar: intercambiadores de calor y columnas. Forma parte del diseño de la operación, por eso está en ambos casos en Design del Property View de dichas operaciones. 15

16 especificación del tipo UA, porque de momento no se dispone de información sobre el coeficiente global de transferencia de calor. Figura 14. Página Design/Specs del modelo del intercambiador de carcasa y tubos. 16. Pinchar el botón Add (adicionar una nueva especificación) y se despliega un menú con todos los tipos de especificaciones que reconoce Aspen HYSYS para los cambiadores de calor. Hacer las siguientes especificaciones (Figura 15): La temperatura del fluido de trabajo a la salida del intercambiador 15 (corriente S02) es 30 ºC (especificación del tipo Temperature). El aumento de temperatura del fluido refrigerante (entre las corrientes S03 y S04) puede ser de sólo 10 ºC. Esta especificación es del tipo Delta Temp. Observar, mientras se introducen las especificaciones anteriores, cómo van variando el número de grados de libertad del sistema, las variables desconocidas, etc. Simultáneamente, al adicionar las nuevas especificaciones el programa ejecutivo las marca como activas en la columna Active de la sección Specifications. Las especificaciones de las variables activas de la simulación son los valores que tiene que alcanzar la solución de la simulación. O sea, el programa busca los valores del resto de variables que definen el estado en cuestión de forma que satisfaga la condición impuesta por las variables activas. Con la segunda de estas especificaciones el cálculo queda completamente definido y se ejecuta. 15 Esta especificación también se puede hacer directamente en la corriente S03, con lo cual el número de grados de libertad del intercambiador se reduce en uno. Sin embargo, aquí se recomienda utilizar la página Specs para garantizar un mejor control de las especificaciones de la operación y de la información en general. 16

17 El caudal de agua de refrigeración necesario es de aprox. 43,5 ton/h. Observar que este resultado es muy cercano al obtenido en la simulación anterior, punto 8, empleando un modelo de intercambiador de calor del tipo one side heat exchanger y una Utility Type del tipo Cooling Water. Figura 15. Detalles de la especificación de un intercambiador de calor de carcasa y tubos desde la página Design/Specs. 17. En la página Performance (Figura 16) aparecen los resultados del cálculo. Figura 16. Resultados generales del cálculo del intercambiador de calor. Comprobar que (Performance/Details): (i) el caudal de calor intercambiado entre ambos fluidos (Duty) es 1,9 x 10 6 kj/h, igual al obtenido en la simulación anterior, (ii) el producto (UxA) 17

18 = 7,9 x 10 4 kj/ºc h, (iii) la menor diferencia de temperatura entre los fluidos caliente y frío para cualquier punto del cambiador de calor (Min. Apprach) es de 10,0 ºC y (iv) la diferencia de temperatura media logarítmica (LMTD) de 23,7 ºC. La opción Plots permite representar los perfiles de temperatura (o de otras variables) de ambos fluidos en el cambiador. El perfil de temperatura del fluido de trabajo (circula por la carcasa, Shell side) muestra la inflexión (se indica por una flecha) debida a la condensación del vapor de agua (Figura 17). Figura 17. Perfiles de temperatura de los fluidos frío y caliente del intercambiador de calor. Cinética de la transferencia de calor y dimensiones del intercambiador 18. Para el cálculo de los coeficientes individuales de transferencia de calor, el modelo del Heat Exchanger en Aspen HYSYS utiliza por defecto un intercambiador de calor de dimensiones, geometría y configuración predeterminadas. Se trata de unas dimensiones, una geometría y una configuración típicas de los intercambiadores de calor de carcasa y tubos utilizados en los procesos industriales 16. En la página Rating/Sizing (Figura 18) se detalla la configuración del intercambiador. En la tabla 1 se resume la información más importante 17. En este modelo se desprecian los efectos del ensuciamiento de la superficie de los tubos sobre la cinética de la transferencia de calor. Para entender la información técnica sobre diseño de intercambiadores de calor de carcasa y 16 Ver valores típicos de los parámetros de diseño de intercambiadores de calor en Heurística 54, pag. 416 del libro: SEIDER, W. D.; SEADER, J. D. y LEWIN, D. R. Process Design Principles: Synthesis, Analysis and Evaluation. John Wiley & Sons, Inc.: New York También en la tabla 4.12, pag. 194 del libro: ULRICH, G. D. y VASUDEVAN, P. Chemical Engineering: Process Design and Economics. A Practical Guide. Process Publishing, New Hampshire El usuario con criterio puede modificar todos los parámetros relacionados con la dimensión, la configuración y la geometría del intercambiador de calor. 18

19 tubos que se da en este punto es recomendable consultar bibliografía especializada sobre el tema. Por ejemplo: W.D. Seider, J.D. Seader, D.R. Lewin. Product & Process Design Principles. 1999, Capítulo 13. Tabla 1. Información sobre la geometría, configuración y dimensiones del intercambiador de calor por defecto de Aspen HYSYS. Página Rating/Sizing del Property View. Variable diseño Localización información Valor No. carcasas /Overall/Number of Shells 1 No. pases de tubos por carcasa /Overall/Tube Pases per Shell 2 Tipo intercambiador (TEMA) /Overall/TEMA type AEL Número de tubos /Shell/Number of Tubes per Shell 160 Material del tubo /Tube/Tube properties/thermal Acero al conductivity carbono Diámetro externo de tubo /Tubes/OD 20 mm Longitud de tubos /Tubes/Tube Lenght 6 m Disposición de los tubos en el haz de tubos /Shell/Tubes Layout Angle Triangular (30º) Distancia entre los centros de los tubos en el haz /Shell/Tube Pitch 50 mm Diámetro interno de carcasa /Shell/Shell Diameter 739 mm Área de la superficie de intercambio de calor /Overall/Heat Trans. Area per Shell 60,32 m 2 Figura 18. Detalles de la configuración, geometría y dimensiones del intercambiador de carcasa y tubos de la simulación. 19

20 19. Para lograr el enfriamiento especificado con el caudal de agua calculado en un intercambiador de calor con las dimensiones, la configuración y la geometría anteriores, el coeficiente global de transferencia de calor (Rating/Sizing/Overall U, Figura 18) debe ser, según la presente estimación, del orden de kj/h.m 2.ºC. Los intercambiadores de calor de carcasa y tubos en que una mezcla de gases circula por carcasa y agua fría por los tubos tienen coeficientes globales típicos de transferencia de calor del orden de kj/h.m 2.ºC (W.D. Seider, J.D. Seader, D.R. Lewin. Product & Process Design Principles. 1999, Capítulo 13) razonablemente próximo al calculado por el programa. De no suceder lo anterior sería necesario modificar el diseño del intercambiador (geometría, configuración y/o dimensiones) o el caudal de refrigerante a utilizar en el proceso. En esta tarea, la contribución directa y exclusiva de Aspen HYSYS (se recomienda) debe limitarse al dimensionado del equipo según el procedimiento explicado al inicio de este material (pag. 3). El diseño riguroso del equipo, sin embargo, debe realizarse mediante programas específicos para el diseño de intercambiadores debido a la complejidad de la tarea. No se recomienda a usuarios principiantes modificar la información relativa al dimensionado, configuración y geometría del intercambiador que tiene por implícito el programa como solución definitiva al diseño del equipo. Los coeficientes individuales de transferencia de calor que calcula el programa son muy sensibles a los cambios en dimensiones, geometría, etc. de tubos, carcasa, y otros componentes mecánicos del equipo. Si en la página Design/Parameters/Exchanger Geometry del Property View del intercambiador se selecciona la opción Calculate Ft Factor 18 (Figura 13), el programa refleja el hecho de que las dimensiones y/o la geometría del equipo no son adecuadas para el servicio considerado, editando un mensaje relativo al valor del Ft Factor (ej. Low Ft Factor) en la barra de estado de la parte inferior de la ventana, que toma color amarillo. Este hecho, sin embargo, no afecta a los balances de materia y entalpía realizados. Guardar la simulación CTMI2 calor 6.hsc y continuar trabajando sobre el mismo caso, pero salvar los contenidos siguientes como CTMI2 calor 7.hsc. Modelo Weighted del intercambiador de calor 20. En la página Design/Parameters seleccionar el modelo de cambiador Weighted en lugar del End Point. En el modelo Weighted, el intercambiador de calor se divide en segmentos, en cada uno de los cuales se estiman los coeficientes individuales de transferencia de calor, se calcula el caudal de calor intercambiado y se realizan balances de materia y entalpía. 18 El cálculo del factor de corrección para ΔTml (Ft) está disponible sólo cuando se utiliza el modelo End Point del intercambiador de calor de carcasa y tubos. 20

21 Observar que en la página Design/Parameters se crea una nueva sección relacionada con el contenido del modelo. Especificar que el cálculo divida el cambiador en 20 intervalos. Observar nuevamente los perfiles de temperatura de ambos fluidos. Comparar con los obtenidos con el modelo End Point. El procedimiento de cálculo utilizado por el modelo Weighted debe, de forma general, garantizar un mayor rigor en el cálculo de la operación que utilizando el modelo End Point. En este ejemplo, observar que el modelo Weighted del intercambiador de calor predice un valor de (U x A) = 6,6 x 10 4 kj/h.c, un 16% inferior que el valor estimado por el método End Point (7,9 x 10 4 kj/h.c). El usuario puede definir el número de segmentos. Obviamente, cuanto mayor es el número de segmentos en que se divide el intercambiador Weighted, mejores deben ser los resultados a obtener. Sin embargo, también aumenta la demanda de recursos de cómputo. El modelo Weighted de intercambiadores de calor de carcasa y tubos es particularmente indicado en los casos en que hay condensación de alguno o ambos fluidos como resultado del intercambio de calor. Combinando el uso de este modelo con especificaciones del tipo Min. Approach se consigue, por lo general, resolver los entrecruzamientos de temperatura que son frecuentes en el cálculo de intercambiadores de calor. Salvar la simulación como CTMI2 calor 7.hsc. Simulación de las pérdidas de calor (o frío) en los intercambiadores de calor. Continuar la simulación anterior con un nuevo nombre: CTMI2 calor 8.hsc. 21. Considerar ahora que el fluido caliente (que circula por la carcasa) pierde parte de su energía por intercambio directo en forma de calor con el medio, mientras que el fluido refrigerante (que circula por el interior de los tubos) no tiene otro medio de intercambio de calor que el fluido caliente. En la página Design/Parameters seleccionar la opción Extremes en Heat Leak/Loss. El cálculo queda nuevamente sub especificado (Under specified). En la página Design/Specifications comprobar que se abren dos nuevos grados de libertad. Observar que el caudal de refrigerante vuelve a quedar indeterminado (Unknown Variables). Hacer las siguientes especificaciones (Figura 19): El fluido caliente libera al medio 3,75 x 10 5 kj/h a través de las paredes de la carcasa. Descripción de la especificación: Type/Duty, Pass/Heat Loss. El fluido frío no gana calor por otra vía que no sea el intercambio con el fluido caliente. Descripción de la especificación: Type/Duty, Pass/Heat Leak, Spec Value = 0 kj/h. El cálculo converge nuevamente. El nuevo caudal de refrigerante es aprox. 34,6 ton/h, o sea, se necesitan aprox. 8,7 ton/h de agua fría menos para lograr el mismo enfriamiento. 21

22 Guardar estos nuevos resultados en la simulación CTMI2 calor 8.hsc. Figura 13. Especificación de un cálculo de intercambio de calor con pérdidas de calor al medio. Importante: Este último ejemplo sólo tiene interés didáctico. No debe generalizarse la idea de que las pérdidas de calor son siempre deseables porque aquí se ha calculado un menor consumo de agua refrigerante. En muchos casos las pérdidas de calor son indeseables y deben evitarse. 22