13. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO

Transcripción

1 13. SISTEMA DE ENFRIAMIENTO 1. OBJETIVOS 1.1. Simular, en estado estacionario, un sistema de enfriamiento de una mezcla de hidrocarburos livianos a baja temperatura 1.2. Minimizar la suma de los productos de los coeficientes globales por las áreas de transferencia de calor de los intercambiadores utilizados para el enfriamiento 1.3. Estimar los requerimientos energéticos mínimos externos en el sistema de enfriamiento para diferenciales mínimos de temperatura entre las corrientes calientes y frías 1.4. Analizar el estudio pinch desarrollado por HYSYS sobre el sistema de enfriamiento 2. INTRODUCCION HYSYS contiene un optimizador multivariable en estado estacionario. Cuando el diagrama de flujo ha sido construido y se ha obtenido una solución, se puede usar el Optimizador para encontrar las condiciones de operación que minimizen o maximizen la función objetivo. El diseño de HYSYS orientado a objetos hace al optimizador bastante potente, ya que tiene acceso a un amplio rango de variables de proceso para el estudio de su optimización. El optimizador posee su propia hoja de cálculo donde se define la función objetivo, como también algunas expresiones restrictivas que sean utilizadas. La flexibilidad de esta aproximación permite, por ejemplo, construir funciones objetivo que maximizan ganancias, minimizan utilidades o minimizan productos UA en un intercambiador El hallazgo de productos UA en uno o varios intercambiadores es un problema de simulación muy común, donde los intercambiadores se utilizan en condiciones de operación o para aplicaciones ligeramente diferentes. En estos casos, el ingeniero tiene que determinar el intercambio calórico potencial disponible a partir de los intercambiadores de calor existentes, que se encuentran limitados en su desempeño por sus valores de UA de diseño. 3. PROCESO ESTUDIADO Una corriente de hidrocarburos livianos a 20 F y 1000 psia es alimentada a una sección de pre-enfriamiento previa división en dos corrientes. El enfriamiento de las corrientes de alimento separadas se cumple intercambiando calor con un conjunto de intercambiadores de calor en paralelo. Una corriente es enfriada mediante una corriente de metano a -142 F y 250 psia y la otra corriente es enfriada mediante una corriente de propano a 120 F y 350 psia que es expandido previamente en una válvula para enfriarlo. El sistema instalado, después de converger y optimizar la suma de los productos UA de los intercambiadores, disminuye la temperatura de la corriente hasta, aproximadamente, - 46 F.

2 3.1 PAQUETE FLUIDO COMPONENTES: Metano, Etano, Propano, i-butano, n-butano ECUACION: Peng-Robinson REACCIONES: No hay 4. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO La Figura 1 muestra las especificaciones de las corrientes de entrada al sistema de enfriamiento Figura 1. Especificaciones de las corrientes de entrada Instale una te y una válvula con las conexiones correspondientes como lo muestra el diagrama de flujo completamente convergido de la Figura 2. Seguidamente instale los tres intercambiadores y el mezclador. Asigne los nombres a cada una de las operaciones y corrientes. Figura 2. Diagrama de flujo del sistema de enfriamiento 126

3 Especificaciones de intercambiadores En la pestaña Design y en la página Parameters introduzca los siguientes datos: E-100 E-101 E-102 Tubeside Delta P 10 psia 5 psia 5 psia Shellside Delta P 10 psia 1 psia 5 psia UA, Btu / F-h 4.00e e e+04 Heat Loss/Leak None None None Heat Exchange Model Weighted Weighted Weighted Intervals (AlimentoE-100) Intervals (Gas Natural) Dew/Bubble Pt (Gas Natural) Inactivo Activo Inactivo Especificaciones de corrientes Temperatura de la corriente SalidaE F Fracción de vapor de la corriente E-101Salida 1.00 Temperatura de la corriente SalidaE F Presión de E-101Salida 20 psia No verifique el cuadro Dew / Bubble Pt para E-101Entrada y E-102Entrada Despliegue el libro de trabajo y observe las especificaciones de las corrientes calculadas mediante la simulación. Optimización del UA global del conjunto de intercambiadores de calor En esta parte del problema, se utilizará el optimizador para determinar la relación de flujos óptima en la te para que el UA global sea minimizado. Es, por lo tanto, necesario borrar las especificaciones de los UA individuales de los intercambiadores de calor y reemplazarlas con tres nuevas especificaciones: 1. La temperatura del E-102Entrada: -85 F 2. El flujo Propano: 495 lbmole / h 3. El flujo AlimentoE-101: Esta es la variable que se optimizará. Inicialmente se ajustará al flujo previo, es decir, 1670 lbmole / h Hechas estas especificaciones, se resolverá el diagrama de flujo y se obtendrán los valores calculados de UA muy aproximados a los que se especificaron en la primera parte de este ejemplo. En el menú Simulation seleccione la opción Optimizar y en la ventana desplegada haga clic en la pestaña Variables. Haga clic sobre el botón Add y seleccione como Variable Primaria a ajustar el Flujo molar de la corriente AlimentoE-101 utilizando los límites inferior y superior como se muestra en la Figura 3. La búsqueda será restringida al intervalo entre 1450 lbmole/h y 2200 lbmole/h para evitar cruce de temperaturas 127

4 Para importar los tres valores de UA de los intercambiadores a la hoja de cálculo del optimizador, presione el botón Spreadsheet y haga clic en el botón Add Import para importar a cada uno de ellos en las celdas indicadas en la Figura 4. Haga clic en la pestaña Spreadsheet para desplegar la hoja de cálculo y en la celda A4, introduzca la fórmula que sumará los valores de UA. (Introduzca la fórmula +A1+A2+A3). En la celda A5 introduzca 0.0. Este valor será usado en las restricciones. La hoja de cálculo se observará como lo muestra la Figura 5. Figura 3. Selección de la variable a optimizar Figura 4. Importación de variables a la hoja de cálculo del optimizador 128

5 Despliegue el menú Simulación para abrir la ventana del optimizador. Haga clic sobre la pestaña Functions para definir la función objetivo, como también las funciones restricciones. La función objetivo es la expresión que se trata de minimizar, que en este caso es la suma de los valores de UA de los intercambiadores Figura 5. Hoja para el cálculo de la suma de los UA En el cuadro Cell introduzca A4. El valor de la celda se desplegará en el campo Current Value. Asegúrese que esté seleccionado el radio botón Minimize. Es necesario introducir las funciones de restricción para asegurar una solución razonable. Cada UA debe ser mayor que cero. Complete el grupo Constraint Functions como se muestra en la Figura 6. Figura 6. Función objetivo y restricciones 129

6 Sobre la pestaña Parameters, utilize el esquema Mixed, dejando los parámetros en sus valores por defecto, como lo muestra la Figura 7 Seleccione el botón Start. Si se desea, muévase a la página Monitor y obsérvese el progreso del optimizador Un flujo molar óptimo de lbmole/h se obtiene para la corriente AlimentoE-101, correspondiente a un UA global mínimo de 1.36e+05 Btu/F-h. Este valor es comparable al especificado de 1.5e+05 Btu/F-h en la primera parte de este ejemplo Figura 7. Parámetros de la optimización Curvas compuestas y Gran compuesta HYSYS permite realizar un estimativo de los requerimientos energéticos mínimos, la mínima aproximación de temperatura entre las corrientes calientes y frías, las temperaturas pinchazos entre ellas y las curvas compuestas correspondientes a las corrientes calientes y frías como también la curva Gran Compuesta. Pero también incluye la opción de fijar de una red de intercambiadores de calor mediante la utilidad Haga clic en el menú Tools y seleccione la opción Utilities. En la ventana desplegada elija la opción Composite Curves Only y haga clic en el botón Add Utility. En la ventana Composite Curves Utility desplegada haga clic sobre el botón Select Heat Exchange Object de la pestaña Design para desplegar la ventana, del mismo nombre, y donde se seleccionarán los intercambiadores de calor E-100, E-101 y E

7 Haga clic sobre la pestaña Performance y observe la página Side Results que contiene el listado de corrientes incluidas, Figura 8, en el análisis con la información de sus temperaturas de entrada y salida y sus correspondientes flujos. Figura 8 Corrientes calientes y frías Haga clic sobre la página Pinch Results de la pestaña Performance y observe la información estimada sobre el estudio pinch entre las corrientes del sistema de enfriamiento. Observe, en la Figura 9, que los resultados obtenidos muestran que no se requiere calentamiento ni enfriamiento externo. Figura 9. Resultados del análisis pinch entre las corrientes calientes y frías En el cuadro Min Approach Target de la página Pinch Results introduzca un valor de 40 F y observe cómo influye esta especificación en los requerimientos energéticos 131

8 mínimos en el sistema y en las temperaturas pinch del sistema. Haga clic sobre la página Plots de la pestaña Performance y observe las Curvas Compuestas y la Curva Gran Compuesta eligiéndolas en el botón desplegable Graph Type. Especifique otros valores para esta diferencia mínima de temperatura y observe el efecto de este cambio en las otras especificaciones. Figura 10. Curvas compuestas de las corrientes calientes y frías En el cuadro Cold Utility Target de la página Pinch Results introduzca un valor de de Btu/h y observe cómo influye esta especificación en los requerimientos energéticos mínimos en el sistema y en las temperaturas pinch del sistema. Haga clic sobre la página Plots de la pestaña Performance y observe las Curvas Compuestas y la Curva Gran Compuesta eligiéndolas en el botón desplegable Graph Type. Especifique otros valores para el requerimiento mínimo de enfriamiento y observe el efecto de este cambio en las otras especificaciones Repita las anteriores observaciones introduciendo valores en el cuadro Hot Utility Target de la página Pinch Results 132