Aspen HYSYS. Tutorials and Applications

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1 Aspen HYSYS Tutorials and Applications

2 CURSO BÁSICO DE SIMULACIÓN DE PROCESOS CON ASPEN HYSYS 2006 CONTENIDO: Modelos Termodinámicos, Componentes y Propiedades Paquete Fluido Corrientes y Mezclas Propiedades de Mezclas Simulación de Unidades de Proceso Corrientes: División, Mezcla y Fraccionamiento Ciclo de Refrigeración Separación de Fases Separador de Tres Fases Simulación de Procesos con Corrientes de Recirculación Procesos con Reciclo Compresión en tres etapas Ajuste de Variables Simulación de Reactores Reactor de Conversión Relación no lineal entre variables Reactor de Mezcla Completa Reactor Flujo Pistón Reactor Catalítico Heterogéneo Balances de Materia y Calor Balance de Materia Balances de Calor Balances de Materia y Energía Balance General Planta de Producción de Gas de Síntesis Planta de Enfriamiento de un Gas Simulación de Columnas de Destilación y Absorción Columna de Destilación Simplificada Columna Despojadora de Agua Acida Columna de Destilación Desbutanizadora Separación de una Mezcla Propileno-Propano Planta de Gas Natural Licuado Planta de Producción de Etanol

3 1. ADMINISTRADOR BÁSICO DE LA SIMULACIÓN 1. OBJETIVOS 1.1. Seleccionar los elementos básicos requeridos para desarrollar la simulación de un proceso químico en HYSYS 1.2. Manejar algunas herramientas incluidas en el simulador que posibilitan la determinación de propiedades de componentes 2. BASES PARA UNA SIMULACION Paquete Fluido HYSYS utiliza el concepto de paquete fluido o Fluid Package como el contenido de toda la información necesaria para desarrollar cálculos de propiedades físicas y evaporaciones espontáneas de corrientes. El paquete fluido permite definir toda la información (propiedades, componentes, componentes hipotéticos, parámetros de interacción, reacciones, datos tabulados, etc) dentro de un archivo muy sencillo. Son tres las ventajas de esto, a saber: 1. Toda la información asociada se define en una sola localidad, lo que permite la fácil creación y modificación de la información 2. Los paquetes fluidos pueden almacenarse como un archivo completo para usarlos en cualquier simulación 3. Pueden usarse varios paquetes fluidos en una misma simulación. Sin embargo, todos los paquetes definidos se encuentran dentro del administrador básico de la simulación Administrador del Paquete Básico de la Simulación El Administrador Básico de la Simulación o Simulation Basis Manager es una ventana que permite crear y manipular cada paquete fluido en la simulación. Para desplegar esta ventana, abra un nuevo caso, haciendo clic en el botón New Case de la barra estándar de HYSYS. Observe en la Figura 1 que, por defecto, el Administrador Básico de la Simulación se despliega con la pestaña Components activa. En el Administrador Básico de la Simulación, el grupo Component Lists contiene los botones View, Add, Delete, Copy, Import, Export y Refresh con los cuales se observan, añaden, borran, copian, importan, exportan y refrescan los componentes incluidos en el paquete fluido. Acerque el puntero del Mouse a cada uno de estos botones y observe la anotación que aparece en la barra de estado. Debajo se observan las pestañas Components, Fluid Pkgs, Hypotheticals, Oil Manager, Reactions, Component Maps y UserProperty. En cada una de las ventanas correspondientes a las anteriores pestañas se agregan los componentes, las

4 ecuaciones y las reacciones químicas que intervienen en el proceso químico a simular con el paquete fluido construido. Definición del Paquete Básico de la Simulación 1. Abra un nuevo caso seleccionando el botón New Case localizado en el extremo izquierdo de la barra estándar. Se desplegará la ventana Simulation Basis Manager como se observa en la Figura 1 Figura 1. Administrador del Paquete Básico de la Simulación 2. Haga clic sobre la pestaña Fluid Pkgs para desplegar la ventana que permite la creación o instalación del paquete fluido a utilizar en la simulación y que se observa en la Figura 2. Figura 2. Ventana para la creación o instalación del paquete fluido 2

5 Esta ventana contiene los grupos Current Fluid Packages y Flowsheet-Fluid Pkg Associations. Se pueden usar varios paquetes fluidos dentro de una simulación, asignándolos a diferentes diagramas de flujo y enlazándolos. El botón Import permite la importación de un paquete fluido predefinido y que haya sido almacenado en el disco duro del computador. Los paquetes fluidos tienen la extensión.fpk 3. Haga clic sobre el botón Add para crear un nuevo paquete fluido en la ventana desplegada con el nombre de Fluid Package: Basis-1 y que se observa en la Figura 3. Por defecto, se despliega activa la pestaña Set Up Figura 3. Ventana para la definición del paquete fluido 4. Seleccione la ecuación de Peng-Robinson ya sea buscándola directamente en el grupo Property Package Selection o haciendo previamente un clic sobre el radio botón que permite la selección de solo ecuaciones de estado o EOSs que se encuentra en el grupo filtro o Property Package Filter 5. En el cuadro localizado en la parte inferior con el título Name Cambie el nombre por defecto Basis-1 e introduzca Planta de Gas. Observe la Figura Haga clic sobre el botón View para añadir los componentes incluidos en el paque fluido 7. Seleccione los componentes de la librería N 2, H 2 S, CO 2, C 1, C 2, C 3, i-c 4, n-c 4, i-c 5, n-c 5, C 6 y H 2 O. La selección se puede hacer ya sea digitando los nombres sobre el cuadro Match, resaltando el compuesto de la lista o haciendo uso del filtro y a continuación la adición al grupo Selected Components se hace ya sea presionando la tecla Enter o el botón Add Pure o haciendo doble clic sobre el componente a seleccionar. Observe la selección de los componentes en la ventana Component List View de la Figura 5. 3

6 Figura 4. Ecuación y nombre del paquete fluido Figura 5. Selección de los componentes que aparecen en la librería de HYSYS 8. En el árbol que aparece con el título de Add Component seleccione la opción Hypothetical para añadir un componente hipotético al paquete fluido en la ventana desplegada como se observa en la Figura 6. Un componente hipotético puede usarse para modelar componentes que no se encuentran en la librería, mezclas definidas, mezclas indefinidas o sólidos. Utilizaremos un componente hipotético para modelar los componentes mas pesados que el hexano en la mezcla gaseosa. Para crear este componente hipotético, seleccione el botón Quick Create A Hypo Component y se desplegará una ventana de título Hypo2000* donde se introducirán las especificaciones del componente hipotético 4

7 Figura 6. Ventana para la creación de un componente hipotético 9. Sobre la pestaña ID de la ventana de propiedades del componente hipotético introduzca C7+ como nombre de este en el cuadro Component Name. Observe Figura 7. En este caso, no se conoce la estructura del componente hipotético y se modela una mezcla de tal manera que no se usará la opción Structure Builder Figura 7. Nombre de un compuesto hipotético 10. Haga clic en la pestaña Critical de la ventana de propiedades del compuesto hipotético. Solo se conoce el punto de ebullición normal del C7+, es decir, Normal 5

8 Boiling Pt. Introduzca un valor de 110 C (230 F). Presione el botón Estimate Unknown Props para estimar todas las propiedades del componente hipotético y definirlo completamente, como se observan en la Figura 8. Figura 8. Estimación de Propiedades desconocidas del componente hipotético 11. Cuando haya sido definido el componente hipotético, cierre la ventana y regrese a la ventana Component List View. Seleccione el componente hipotético C7+ que aparece en el grupo Available Hypo Components y haga clic sobre el botón Add Hypo para añadirlo a la lista de componentes agrupados en Selected Components, como se observa en la Figura 9. Figura 9. Inclusión del componente hipotético dentro de la lista de componentes 6

9 Cada hipocomponente que se cree es parte de un Hypo Group. Por defecto, este hipocomponente es colocado en el HypoGroup1. Se pueden añadir grupos adicionales y mover hipocomponentes entre grupos. Ya se ha completado la instalación de un paquete fluido. Se pueden ver los coeficientes binarios de Peng- Robinson para los componentes, haciendo clic en la pestaña Binary Coeffs de la ventana titulada Fluid Package: Planta de Gas, como se observan en la Figura 10. Figura 10. Coeficientes binarios entre los componentes del paquete fluido Selección de un sistema de unidades En HYSYS, es posible cambiar el sistema de unidades utilizado para desplegar en las diferentes variables. 1. Despliegue el menú Tools y seleccione la opción Preferences 2. Haga clic sobre la pestaña Variables, haga clic en Units que aparece en el grupo Variables y seleccione el sistema SI. Observe la Figura 11 Figura 11. Selección del sistema de unidades 7

10 3. Cierre esta ventana para regresar a la simulación Exportación de paquetes fluidos HYSYS permite exportar paquetes fluidos para usarlos en otras simulaciones. Esta funcionalidad permite crear un paquete fluido sencillo y común que puede utilizarse en múltiples casos. 1. Sobre la pestaña Fluid Pkgs de la ventana Simulation Basis Manager resalte el paquete fluido Planta de Gas que aparece en el grupo Current Fluid Packages. Observe Figura Presione el botón Export y se desplegará una ventana que le permitirá guardar el paquete fluido 3. Introduzca el nombre Planta de Gas para el paquete fluido y presione el botón Guardar. Observe la extensión.fpk al nombre del paquete Figura 12. Exportación de un paquete fluido Al definir completamente el paquete fluido, se tiene todo listo para comenzar la simulación. Para ingresar a la ventana donde construir el diagrama de flujo de proceso o PFD a simular, presione el botón Enter Simulation Environment que se encuentra en la parte inferior derecha del Administrador Básico de la Simulación o haga clic sobre el icono que se encuentra dentro de la barra estándar con el mismo nombre. 3. PROPIEDADES DE LOS COMPONENTES Algunas propiedades de los componentes seleccionados que han sido calculadas por HYSYS de acuerdo a la ecuación seleccionada se pueden visualizar en la ventana correspondiente a cada uno de ellos. Para ello: 8

11 1. Haga clic en la pestaña Set Up de la ventana Fluid Package: Planta de Gas y haga clic en el botón View que permite desplegar la lista de componentes seleccionados en el cuadro Component List Selection con el nombre de Component List-1. Observe que la ventana desplegada se titula Component List View y que, además, se encuentran activos los botones Add Group, Add Hypo, Remove, Sort List y View Component. Mediante la opción Sort List se ordenan los componentes según lo desee el usuario. 2. Seleccione el componente C7+ y haga clic sobre el botón View Component para que se despliegue la ventana de propiedades. 3. Haga clic en la pestaña Critical y se observará nuevamente la Figura 7, que muestra algunas propiedades básicas en el grupo Base Propierties y algunas propiedades críticas en el grupo Critical Properties. 4. Haga clic en la pestaña Point y observe las propiedades físicas, termodinámicas y moleculares del componente seleccionado 5. Haga clic en la pestaña TDep y observe las tres ecuaciones propuestas por HYSYS para el cálculo, respectivo, de la entalpía del vapor, la presión de vapor y la energía libre de Gibbs del componente seleccionado. Tabulación de propiedades físicas y termodinámicas de los componentes HYSYS facilita en la pestaña Tabular de la ventana Fluid Package: Planta de Gas, correlaciones matemáticas para calcular algunas propiedades físicas y termodinámicas como densidad, viscosidad, conductividad térmica, entalpía, entropía y otras 1. Haga clic en la pestaña Tabular Se desplegará una ventana que contiene un grupo con el título de Tabular Package y que muestra un árbol de opciones. 2. Haga clic sobre el cuadro con un signo más a la izquierda de Options. Se desplegarán todas las propiedades físicas y termodinámicas disponibles en HYSYS para correlacionarlas con otras variables físicas. 3. Haga clic en el botón Edit Properties que se encuentra en la esquina inferior derecho y detalle las propiedades físicas y termodinámicas para cada uno de los componentes del sistema 4. Cierre la ventana anterior, seleccione la propiedad Latent Heat que aparece en el cuadro derecho de la ventana Tabular Package 5. Haga clic sobre el cuadro con un signo más a la izquierda de Information y seleccione la opción Latent Heat. 6. Seleccione en el cuadro Equation Shape la opción polimérica o Poly1. Observe su escritura en el cuadro de abajo. 7. Haga clic en el botón Cmp Plots. Se desplegará una ventana con el título LatentHeat que muestra las curvas de calor latente en función de la temperatura para cada uno de los componentes de la lista. 8. Cierre la ventana anterior y haga clic sobre el botón Cmp. Prop. Detail para conocer mas detales sobre la propiedad. Se desplegará una ventana con 9

12 el título PropCurve: LatentHeat_Nitrogen y con las pestañas Variables, Coeff, Table, Plots y Notes. Haga clic sobre cada una de ellas y detalle la información suministrada en cada una de ellas 3. CASO DE ESTUDIO A continuación, despliegue la ventana Component List View, haga clic en la opción Components del grupo Add Component, seleccione los componentes n- heptano y n-octano y agréguelos a la lista de componentes seleccionados. Compare las propiedades del componente hipotético C7+ con las del n-c7 y n-c8 llenando la Tabla 1. Tabla 1. Propiedades del n-heptano, n-octano y el compuesto hipotético C7+ PROPIEDAD C7+ C7 C8 Normal Boiling Point Ideal Liquid Density Molecular Weight 10

13 2. CORRIENTES Y MEZCLAS 1. OBJETIVOS 1.1. Especificar corrientes de materia y energía para desarrollar una simulación de un proceso químico en HYSYS 1.2. Manejar algunas herramientas incluidas en el simulador que posibilitan la determinación de propiedades de mezclas 2. INTRODUCCION Clases de corrientes en HYSYS HYSYS utiliza el concepto de corrientes de materia y corrientes de energía. Las corrientes de materia requieren, para su completa definición, de la especificación del flujo y de aquellas variables que permitan la estimación de todas sus propiedades físicas y termodinámicas. Las corrientes de energía se utilizan para representar los requerimientos energéticos en unidades como intercambiadores de calor, bombas, etc. y se especifican, completamente, con solo la cantidad de energía intercambiada o transferida en dichas unidades. En HYSYS, la corriente de materia se observa, por defecto, de color azul, mientras que la corriente de energía es de color rojo. Corrientes de materia El elemento mas simple que un diseñador de proceso debe especificar es una simple corriente homogénea. Las variables que definen a una corriente que contiene C componentes son: Variables Cantidad Concentraciones C Temperatura 1 Presión 1 Flujo 1 Total de Variables C + 3 Expresando las concentraciones en fracciones molares, X i, se cumple una restricción de suma entre ellas, es decir que: N i= 1 X i = 1 (2.1)

14 e Por lo tanto, el número de variables de diseño, N i, que se requieren para especificar completamente una corriente de materia es la diferencia entre el número de variables y el número de restricciones, es decir: N e i = C + 2 (2.2) De acuerdo a la ecuación (2.2), se define el estado termodinámico de una corriente de materia al conocerse la composición de una corriente de materia y otras dos propiedades, (fracción de vapor, temperatura, presión, entalpía o entropía) una de las cuales debe ser o la temperatura o la presión. Evaporación espontánea de una corriente de materia Cuando se especifica una corriente de materia con la información suficiente, HYSYS hace los cálculos apropiados de la evaporación espontánea. Es decir, si se especifican, por ejemplo, temperatura y presión calcula si la corriente es de una fase (líquida o vapor) o de dos fases líquido y vapor, etc. Dependiendo de las dos propiedades conocidas de la corriente de materia, HYSYS desarrolla uno de los siguientes cálculos de evaporación espontánea: 1. Isotérmica: T-P 2. Isoentálpica: T-H o P-H 3. Isoentrópica: T-S o P-S 4. Fracción de vaporización conocida: T-VF o P-VF En la evaporación espontánea a una fracción de vaporización conocida entre 0.0 y 1.0, HYSYS calcula la presión o la temperatura dependiendo de la que sea especificada como variable independiente. Si se despliega un error, en este tipo de cálculo, significa que la fracción de vapor especificada no existe a las condiciones de presión o temperatura especificadas. Es decir, la presión especificada es mayor que la presión cricondenbárica o la temperatura especificada es de un valor a la derecha de la temperatura cricondentérmica sobre la envolvente estándar de presión temperatura Punto de rocío de una corriente de materia Si, además de la composición de una corriente de materia, se especifica una fracción de vapor de 1.0 y su temperatura HYSYS calculará la presión del punto de rocío. En forma similar, si en vez de especificar la temperatura se especifica la presión HYSYS calculará la temperatura del punto de rocío de la mezcla. Los puntos de rocío retrógrados se pueden calcular especificando una fracción de vapor de

15 Punto de burbuja de una corriente de materia / Presión de vapor Una especificación de una fracción de vapor de 0.0 para una corriente define un cálculo de punto de burbuja. Si además se especifica o la temperatura o la presión, HYSYS calculará la variable desconocida presión o temperatura. Al fijar una temperatura de 100 F la presión correspondiente al punto de burbuja es la presión de vapor a 100 F 2. INSTALACION DE UNA CORRIENTE DE MATERIA EN HYSYS Para la instalación de corrientes de materia en HYSYS realice las siguientes instrucciones: 1. Abra un nuevo caso e importe el paquete fluido Planta de Gas construido y almacenado en la Práctica Haga clic en el botón Enter Simulation Environment. HYSYS por defecto despliega la ventana titulada PFD Case (Main) y la denominada Paleta de objetos. En la primera se construye el diagrama de flujo del proceso a simular y en la segunda se incluyen las unidades u operaciones a seleccionar para instalarlas en el proceso a simular 3. Haga doble clic sobre el icono de la corriente de materia (flecha de color azul). Se despliega, sobre el PFD, una flecha de color azul claro, numerada con 1 y, además, la ventana de especificación de propiedades de dicha corriente, con la pestaña Worksheet activa, por defecto, como lo muestra la Figura 1. La instalación de corrientes puede hacerse de varias formas como presionando la tecla clave <F11> o seleccionando la opción Add Stream del menú Flowsheet Figura 1. Ventana de propiedades de una corriente de materia 13

16 4. En la celda Stream Name de la página Conditions asigne como nombre a la corriente la palabra Gas 5. Para desplegar la ventana donde se introducen las composiciones, haga clic en Composition o doble clic en una de las celdas correspondientes a especificaciones de flujos de la corriente. En este caso, haga doble clic en la celda Mass Flow y se desplegará una ventana como la que muestra la Figura 2 Figura 2. Ventana para especificar la composición de la corriente Gas 6. Haga clic en el radio botón Mole Fractions en el grupo Composition Basis para cambiar la base de la fracción en masa a fracción en moles 7. Introduzca las siguientes composiciones que aparecen en la Figura 3. Figura 3. Composición de la corriente Gas 14

17 8. Presione el botón OK cuando se hayan introducido todas las fracciones molares Evaporación espontánea isotérmica, T-P, de la corriente Gas 9. Asigne una presión de 7500 kpa y una temperatura de 10 C. Cuánto es la fracción vaporizada? Por qué la corriente Gas no está completamente especificada? 10. Asigne un flujo molar de 100 kgmol/h y observe el OK que aparece en la banda verde que significa que la corriente Gas se encuentra completamente especificada Evaporación isoentálpica, T-H o P-H, de la corriente Gas 11. Borre la temperatura y mantenga la presión asignada en el punto 9. Especifique una entalpía molar de kj/kgmole. Cuánto es la temperatura, la fracción de vapor, y la entropía molar de la corriente? 12. Borre la presión asignada en el punto 9 y mantenga la entalpía molar. Especifique una temperatura de de 980 C. Cuánto es la presión, la fración de vapor y la entropía molar de la corriente? 13. Borre la temperatura anterior y asigne un valor de 2000 C. Cómo se explica el error que reporta HYSYS? Punto de rocío de la corriente Gas 14. Asigne una fracción de vapor de 1.0 y una presión de 7500 kpa. Cuánto es la temperatura de rocío de la corriente Gas a la presión de 7500 kpa? 15. Borre la presión asignada y mantenga la fracción de vapor. Asigne una temperatura de 100 C. Cuánto es la presión de rocío a la temperatura de 100 C? 16. Asigne una fracción de vapor de -1.0 y una presión de 5000 kpa. Cuánto y qué significado tiene la temperatura calculada? Punto de burbuja de la corriente Gas 17. Asigne una fracción de vapor de 0.0 y una presión de 7500 kpa. Cuánto es la temperatura de burbuja de la corriente Gas a la presión de 7500 kpa? 18. Borre la presión asignada y mantenga la fracción de vapor. Asigne una temperatura de -30 C. Cuánto es la presión de vapor de la corriente Gas a una temperatura de -30 C? 19. Cambie la temperatura asignada en el punto 18 y asigne el valor de 100 C. Cómo se explica el error reportado por el simulador? GUARDAR LA CORRIENTE GAS Se puede utilizar uno de varios métodos diferentes para guardar un caso en HYSYS 15

18 1. Despliegue el menú File y seleccione la opción Save As para guardar el caso en una cierta localización y con el nombre Gas 2. Despliegue el menú File y seleccione la opción Save para guardar el caso con el mismo nombre y en la misma localización 3. Presione el botón Save en la barra estándar para guardar el caso con el mismo nombre 3. INSTALACION DE UNA CORRIENTE DE ENERGIA EN HYSYS Una corriente de energía se instala mediante el mismo procedimiento que una corriente de materia y solo necesita de una especificación que es el flujo calórico correspondiente 1. Si la paleta de objetos no está abierta sobre el escritorio, presione la tecla clave <F4> para abrirla 2. Haga doble clic sobre el botón Energy Stream para desplegar la corriente de nombre Q-100 y su ventana de propiedades, como se observa en la Figura 4. Figura 4. Ventana de propiedades de una corriente de energía 3. En el cuadro Stream Name cambie el nombre de la corriente a QHeat e introduzca el valor de kj/h en el cuadro Heat Flow (kj/h). Observe la banda verde que indica que la corriente está completamente especificada 16

19 3. PROPIEDADES DE CORRIENTES DE MATERIA 1. OBJETIVOS 1.1. Construir diagramas de propiedades de estado de una mezcla 1.2. Determinar las propiedades críticas de una mezcla 1.3. Estimar propiedades físicas, termodinámicas y de transporte de una mezcla 2. INTRODUCCION HYSYS dispone de la opción Utilities, que es un conjunto de herramientas que interactúan con una corriente de materia suministrando información adicional para su análisis, como los diagramas presión-volumen-temperatura y otros. Después de instalada, la información anexada se convierte en parte del diagrama de flujo de tal manera que cuando cambian las condiciones de la corriente, automáticamente calcula los otros cambios en las condiciones afectadas. Los diagramas líquido-vapor disponibles para una corriente de composición desconocida son: Presión-Temperatura, Presión-Volumen, Presión-Entalpía, Presión- Entropía, Temperatura-Volumen, Temperatura-Entalpía y Temperatura-Entropía. Algunas otras facilidades incluidas dentro de la opción Utilities son las propiedades críticas, el diámetro o caída de presión en tuberías, tablas de propiedades, etc. 3. DIAGRAMAS DE PROPIEDADES DE UNA CORRIENTE Para anexar un diagrama de propiedades a una corriente: 1. Instale un nuevo caso importando el paquete fluido Planta de Gas definido en la Práctica 1 2. Instale una corriente de materia con el nombre de Gas, 10 C, 7500 kpa, 100 kgmol/h y composición especificada como lo muestra la Figura Haga clic sobre la pestaña Attachments y luego haga clic sobre la página Utilities 4. Dentro de la ventana desplegada, presione el botón Create para acceder a la ventana Available Utilities que se observa en la Figura 2 5. Seleccione la opción Envelope y entonces presione el botón Add Utility. Se desplegarará la ventana de título Envelope: Envelope Utility-1 que se observa en la Figura 3. La página Connections de la pestaña del mismo nombre, muestra los valores máximos (Cricondenbárico y Cricondentérmico) y críticos de presión y temperatura para la envolvente de la corriente Gas 6. Haga clic en la pestaña Performance y luego clic en la página Plots para observar el diagrama presión-temperatura que aparece por defecto, como se observa en la Figura 4. Compare los valores máximos y críticos de temperatura y presión de la Figura 3 con los determinados en el gráfico PT

20 Figura 1. Composición de la corriente de materia Gas Figura 2. Facilidades disponibles para la corriente Gas 7. Para incluir la curva de calidad 0.4, digite este valor en el cuadro Quality 1 del grupo Curves que se encuentra en la parte superior derecha 8. Para observar los datos numéricos de presión-temperatura, haga clic sobre la página Table. Observe en la Figura 5, en el cuadro Table Type que los datos que aparecen tabulados corresponden a la sección del punto de burbuja de la corriente Gas. 9. Despliegue el cuadro Table Type y seleccione las opciones que le permitan observar los datos numéricos de presión y temperatura para el punto de burbuja y la gráfica de calidad constante de la corriente Gas 18

21 Figura 3. Valores Máximos y Críticos de temperatura y presión de la corriente Gas Figura 4. Diagrama Presión-Temperatura de la corriente Gas 10. Seleccione nuevamente la opción Plots y en el grupo Envelope Type seleccione el radio botón P-H para desplegar el diagrama presión-entalpía de la corriente. 11. En el cuadro Isotherm 1 del grupo Curves digite el valor -14 C para incluir una línea isoterma de dicha temperatura, como se observa en la Figura Para editar el gráfico, presione el botón derecho del Mouse y seleccione la opción Graph Control del menú contextual desplegado. Se desplegará la ventana que le permite hacer cambios que modifiquen la presentación del gráfico como los observados en la Figura 6. 19

22 13. Observe los gráficos presión volumen, presión entropía, temperatura volumen, temperatura entalpía y temperatura entropía disponibles en el grupo Envelope Type Figura 5. Datos numéricos de Punto de burbuja de la corriente Gas Figura 6. Diagrama Presión Entalpía de la corriente Gas 4. PROPIEDADES CRITICAS DE UNA CORRIENTE Las propiedades críticas y seudocríticas de una mezcla son estimadas por HYSYS de acuerdo a la ecuación elegida en el paquete fluido. La opción Critical Property de la herramienta Utilities facilita dicha información para la corriente seleccionada 1. Haga doble clic sobre la corriente Gas que aparece en el PFD para desplegar su ventana de propiedades 20

23 2. Repita los pasos 3 y 4 del inciso anterior (3) 3. En la ventana Available Utilities, seleccione la opción Critical Property y presione el botón Add Utility. Se desplegará la ventana que aparece en la Figura 7 y que despliega las propiedades críticas y seudocríticas de la corriente Gas Figura 7. Propiedades críticas de la corriente Gas 5. TABLA DE PROPIEDADES DE UNA CORRIENTE La herramienta Property Table permite examinar las tendencias de una propiedad, dentro de un intervalo de condiciones, tanto en forma tabular como gráfica. Esta facilidad calcula variables dependientes para un intervalo o conjunto de valores de variable independiente especificada Una Tabla de Propiedades se añadirá a la corriente Gas desde el menú Tools con el siguiente procedimiento: 1. Utilice la tecla clave <Ctrl><U> para abrir la ventana Available Utilities 2. Seleccione la opción Property Table y presione el botón Add Utility. Se desplegará una ventana como la que muestra la Figura 8. El botón Select Stream permite seleccionar la corriente a la que se le va a anexar la tabla de propiedades. En nuestro caso se omite, porque solo se tiene una corriente que aparece seleccionada 3. Seleccione la Temperatura como la primera Variable independiente 4. Cambie el límite inferior y superior a 0 y 100 C respectivamente. En el cuadro # of increments digite el numero 4 5. Seleccione la Presión como la segunda Variable independiente 6. Cambie al modo State 7. En la matriz State Values introduzca los valores 2500, 5000, 7500 y 9000 kpa 21

24 8. Haga clic en la página Dep. Prop de la pestaña Design. Es posible escoger varias propiedades dependientes. Además, pueden ser propiedades globales o propiedades de fases diferentes 9. Presione el botón Add para desplegar la ventana Variable Navigator. Observe Figura 9 Figura 8. Ventana para la construcción de una Tabla de Propiedades Figura 9. Navegador de variables 10. Seleccione la opción Mass Density a partir de la lista del grupo Variable y presione el botón OK 11. Seleccione la opción Thermal Conductivity y presione el botón OK 12. Presione el botón Calculate para calcular las propiedades densidad másica y conductividad térmica a presiones de 2500, 5000, 7500 y 9000 kpa manateniendo temperaturas constantes de 0, 25, 50, 75 y 100 C 22

25 13. Haga clic en la pestaña Performance para desplegar la ventana, Figura 10, donde se pueden seleccionar los datos calculados para visualizarlos tabulados numéricamente o gráficamente. Figura 10. Tabla de propiedades 14. Haga clic sobre la página Table para desplegar los datos calculados en forma numérica y tabular. Observe Figura 11 Figura 11. Densidad y Conductividad térmica de la corriente Gas 23

26 15. Haga clic en la página Plots, seleccione la propiedad Mass Density y presione el botón View Plot que se encuentra a la derecha. Las gráficas de los cálculos realizados se observan en la Figura 12. Figura 12. Gráficas de densidad versus Presión para la corriente Gas 16. Cierre la gráfica anterior, seleccione la propiedad Thermal Conductivity y presione el botón View Plot. Las gráficas de los cálculos realizados se observan en la Figura DIMENSIONAMIENTO DE TUBERIA DE CORRIENTE Dentro de la herramienta Utilities se encuentra una opción denominada Pipe Sizing que estima el Régimen de Flujo de una corriente a las condiciones especificadas. Se calcula el diámetro máximo conociendo la caída de presión por unidad de longitud y viceversa y, adicionalmente, propiedades de flujo como velocidad, factor de fricción, viscosidad, etc. 1. Utilice la tecla clave <Ctrl><U> para abrir la ventana Available Utilities 2. Seleccione la opción Pipe Sizing y presione el botón Add Utility. Se desplegará una ventana como la que muestra la Figura 14. El botón Select Stream permite seleccionar la corriente a la que se le va a anexar la tabla de propiedades. En nuestro caso se omite, porque solo se tiene una corriente que aparece seleccionada 24

27 3. En el cuadro Pressure Drop (kpa/m) digite el valor 10. Observe que HYSYS ha calculado el diámetro máximo catálogo 40, seleccionados en los cuadros Calculation Type y Schedule Figura 13. Conductividad Térmica versus Presión para la corriente Gas Figura 14. Dimensionamiento de una tubería 25

28 4. Haga clic en la pestaña Performance y observe el cálculo del Régimen de Flujo (Estratificado) de la corriente Gas a las condiciones especificadas que incluye propiedades de transporte (fases, viscosidad, densidad, flujo y densidad) y parámetros adicionales del régimen de flujo (Número de Reynolds y factor de fricción). Observe la Figura 15 Figura 15. Régimen de Flujo de la corriente Gas 7. CASOS DE ESTUDIO Utilizando el simulador HYSYS 1. Determine las propiedades críticas del benceno 2. Construya el diagrama P-T y P-H del amoníaco 3. Construya gráficos de densidad de una mezcla equimolar de metano y etano a presiones entre 2000 kpa y 9000 kpa a temperaturas de 30, 50 y 100 C 4. Determine el régimen de flujo de una mezcla equimolar de acetona y agua a 40 C, 110 kpa y un flujo de 100 kmol/h 26

29 4. DIVISORES, MEZCLADORES Y FRACCIONADORES 1. OBJETIVOS 1.1. Determinar las variables de diseño de un divisor, un mezclador y un fraccionador de corrientes 1.2. Simular el desempeño de un mezclador, un fraccionador y un divisor de corrientes 1.3. Comparar las especificaciones requeridas en la simulaciones de divisores, mezcladores y fraccionadores con las variables de diseño estimadas en INTRODUCCION Divisor de corrientes Un divisor de corrientes simula el fraccionamiento del flujo de una corriente que fluye a través de una tubería en varias corrientes. Un diagrama para un divisor de corrientes en dos corrientes se muestra en la Figura 1. Figura 1. Divisor de Corrientes Siendo z, las composiciones en la corriente de alimento, y X s las composiciones en las corrientes de salida, el balance de materia para cada uno de los C componentes es i i Fzi = F1 X1 + F2 X 2 (4.1) F, es el flujo de la corriente de entrada y F 1 y F 2, son los flujos de las corrientes de salida, i, es el número relativo a cada uno de los C componentes. El balance de energía es dado por Fh + + Q = F1h1 F 2 h 2 (4.2)

30 Para una corriente de entrada y dos corrientes de salida, el sistema consta de las siguientes variables y ecuaciones Variables Cantidad Corrientes de entrada y salida 3(C + 2) Corriente de energía 1 Total Variables 3(C + 2) + 1 = 3C + 7 Ecuaciones o Restricciones Cantidad Balances de materia C Balance de energía 1 Igualdades entre las concentraciones de F y F 1 C 1 Igualdad de temperaturas 1 Igualdad de presiones 1 Total Ecuaciones 2C + 2 Total de variables de diseño C + 5 Al disminuir las C + 2 especificaciones de la corriente de entrada, resulta un faltante de tres especificaciones. El divisor de HYSYS es considerado adiabático, es decir, Q = 0 y, además, le asigna la presión de la corriente de entrada. Por lo tanto, requiere de la especificación de la relación entre los flujos de una corriente de salida con respecto al flujo de la corriente de entrada. Para n corrientes de salida, se requieren n 1 relaciones de flujo Mezclador de corrientes Los mezcladores de corrientes representan la operación de suma de corrientes cuyos fluidos pueden tener distintas composiciones, temperaturas y estados de agregación. Un diagrama de un mezclador de corriente se muestra en la Figura 2. Figura 2. Mezclador de corrientes 28

31 Siendo X, fracción molar, i, el primer número del subíndice relativo al componente y el segundo número relativo a la corriente, el balance de materia para cada uno de los C componentes es i i F 1X 1 + F2 X 2 = FX i (4.3) El balance de energía en el proceso de mezclado simplificado es F h F h + Q = Fh (4.4) Siendo h, las entalpías específicas correspondientes a cada una de las corrientes. El análisis para los grados de libertad es el siguiente: Variables Cantidad Corrientes de entrada y salida 3(C + 2) Corriente de energía 1 Total Variables 3(C + 2) + 1 = 3C + 7 Ecuaciones o Restricciónes Cantidad Balances de materia C Balance de energia 1 Total Ecuaciones C + 1 Total de variables de diseño 2C + 6 Al disminuir las 2C + 4 especificaciones de las dos corrientes de entrada, resulta un faltante de dos especificaciones. El mezclador de HYSYS es considerado adiabático, es decir, Q = 0 y, por lo tanto, requiere de una especificación adicional para completar los grados de libertad. La variable que usualmente se fija en el diseño de un mezclador es la presión de la corriente de salida. Se sugiere asignar, a la corriente de salida, la menor presión entre las de las corrientes de entrada 29

32 Fraccionador de corrientes HYSYS dispone de un fraccionador de corrientes o Splitter cuya simulación representa la separación de una corriente en dos corrientes que requieren de la especificación de las fracciones de recuperación de cada componente en una de ellas, ademas de otros cuatro parámetros. Un esquema de este fraccionador se muestra en la Figura 3. Figura 3. Fraccionador de corrientes o Splitter Siendo F s los flujos de las corrientes, z, y e x las fracciones molares de los componentes en cada una de las corrientes y Q el calor requerido Un balance de materia de componente i se expresa mediante la ecuación Fzi F1 yi + F2 = x (4.5) i Para C componentes, i = 1,,C y, por lo tanto, se plantean C ecuaciones de balance de materia de componentes Un balance de energía se expresa mediante la ecuación Fh F + + Q = F1h 1 F2h2 (4.6) El análisis de variables de diseño en un fraccionador de corrientes es el siguiente: 30

33 Variables Cantidad Corrientes de salida 3(C +2) Flujo calórico 1 Total Variables 3C + 7 Ecuaciones Cantidad Balances de materia C Balances de energía 1 Total Ecuaciones C + 1 Total de variables de diseño 2C + 6 Al disminuir las C + 2 variables de la corriente de entrada, las variables que usualmente se fijan son C fracciones de recuperación de componentes en una corriente (por ejemplo, F 1 ) y cuatro parámetros adicionales como las presiones o las temperaturas o las fracciones de vapor, Vf, de las corrientes de salida. 3. SIMULACION DE UN FRACCIONADOR DE CORRIENTES 1. Abra un nuevo caso, y defina el siguiente paquete fluido a. Ecuación: Peng Robinson b. Componentes: Etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano, n-pentano y n-hexano c. Sistema de unidades: Field 2. Instale una corriente con las siguientes especificaciones: a. Nombre: Uno b. Temperatura: 200 F c. Presión: 500 psia d. Flujo molar: 1000 lbmol/h e. Composición (Fracción Molar) i. Etano 0.2 ii. Propano 0.6 iii. i-butano 0.1 iv. n-butano 0.1 v. 3. Instale otra corriente con las siguientes especificaciones: a. Nombre: Dos b. Temperatura: 200 F c. Presión: 500 psia d. Flujo molar: 800 lbmol/h e. Composición (Fracción Molar) 31

34 i. n-butano 0.8 ii. i-pentano 0.1 iii. n-pentano 0.05 iv. n-hexano Instale un mezclador de corrientes (Mixer) y en la página Connections de la pestaña Design de su ventana de propiedades introduzca los siguiente: a. Nombre: M-100 b. Entradas: Uno, Dos c. Salida: Alimento 5. Haga clic en la página Parameters y observe que HYSYS, por defecto, sugiere que asigne a la corriente de salida la menor presión entre las de las corrientes de entrada 6. Instale un Splitter con el nombre de X-100 y conéctelo como muestra la Figura 4 Figura 4. Conexiones de un Splitter 7. Haga clic en la página Parameters y especifique las fracciones de vapor y las presiones en las corrientes de producto como se observan en la Figura Haga clic en la página Splits para especificar las fracciones de recuperación cada uno de los componentes en la corriente Pro 1. Observe en la Figura 6 que HYSYS calcula las fracciones correspondientes a la corriente Pro 2 32

35 Figura 5. Especificaciones de presiones y fracciones de vapor en el Splitter Figura 6. Fracciones de recuperación de cada uno de los componentes 9. Haga clic en la pestaña Worksheet y observe las condiciones y las composiciones de las corrientes productos del fraccionador. Observe las Figuras 7 y Instale un divisor de corrientes (Tee) y en la página Connections de la pestaña Design de su ventana de propiedades introduzca los siguiente: a. Nombre: D-100 b. Entrada: Pro 2 c. Salida: Tres, Cuatro 33

36 Figura 7. Condiciones de las corrientes del Splitter Figura 8. Concentraciones de las corrientes del Splitter 11. Haga clic en la página Parameters y especifique con un valor de 0.5, la fracción de la corriente de entrada que saldrá como la corriente Tres. 12. Observe las especificaciones de las corrientes en el divisor 34

37 5. CICLO DE REFRIGERACIÓN 1. OBJETIVOS 1.1. Determinar los grados de libertad en los elementos de un ciclo de refrigeración 1.2. Simular un ciclo de refrigeración 1.3. Determinar los requerimientos energéticos en un ciclo de refrigeración 2. INTRODUCCION Los elementos de un ciclo de refrigeración simple son un condensador, una válvula de Joule-Thompson, un evaporador y un compresor, además del medio refrigerante. En el ciclo de refrigeración mostrado en la Figura 1, la corriente 1 contiene propano líquido saturado a una temperatura de 122 F y se expande isoentalpicamente en la válvula. La mezcla líquido-vapor en la corriente 2 es vaporizada completamente a una temperatura de 0 F y, a su vez, dicho vapor es comprimido y condensado para regenerar la corriente 1 en estado de líquido saturado Figura 1. Ciclo de refrigeración Válvula de Joule-Thompson En este tipo de válvula, los grados de libertad son de un total de C + 4. Si se fija la temperatura, la fracción de vapor y la composición de la corriente 1 HYSYS hace un cálculo de evaporación espontánea T-Vf y especifica completamente dicha corriente. En una válvula de Joule-Thompson como la que muestra la Figura 1 la expansión es isoentálpica, los flujos y las composiciones de las corrientes 1 y 2 también son iguales y, por lo tanto, hay un grado de libertad. Si se fija la caída de presión permisible en la

38 válvula, HYSYS calcula la presión de la corriente 2 y completa su especificación mediante un cálculo de evaporación espontánea P-H Evaporador En el calentador que muestra la Figura 1, el propósito es vaporizar completamente la corriente 2. Las corrientes 2 y 3 son de flujos y composiciones iguales, pero el calor suministrado a través del intercambiador de calor hace que sus temperaturas y presiones sean diferentes. Un balance de energía en el evaporador es el siguiente. F = 2h2 + Q F3 h3 (5.1) Siendo F s y h s, los flujos de las corrientes y las entalpías de las corrientes y Q el flujo calórico cedido a la corriente 2 El análisis entre variables, ecuaciones y especificaciones nos muestra que en un vaporizador hay C + 4 grados de libertad. Especificada la corriente de entrada, si se fija la caída de presión en el intercambiador, su especificación completa es posible alcanzarla de dos maneras a saber: Compresor 1. Fijando el valor de Q, la ecuación (1) permite el cálculo de la entalpía de la corriente 3 y HYSYS realiza un cálculo de evaporación espontánea P-H para su especificación completa 2. Fijando el valor de la temperatura de la corriente 3, HYSYS realiza un cálculo de evaporación espontánea T-P y, por lo tanto, de su entalpía. Con la ecuación (1) se calcula, entonces, el flujo calórico requerido en el evaporador El compresor que muestra la Figura 1 opera isoentrópicamente. Las corrientes 3 y 4 son de flujos y composiciones iguales pero se requiere un trabajo de compresión que se calcula con la siguiente ecuación k 1 k P k 4 W = s P3V (5.2) k P3 Siendo k = C p /C v,, P s las presiones de las corrientes de entrada y salida y V 3, el volumen específico de la corriente de entrada 36

39 Pero el trabajo real se calcula fijando una eficiencia isoentrópica para el compresor o mediante el cambio de entalpía entre las corrientes de salida y entrada en el compresor, es decir W W s s, real = = H 4, real H 3 ηisoentrópica (5.3) En este tipo de compresor el número de grados de libertad es C + 4. Si se especifica completamente la corriente de entrada, el número de variables de diseño requeridas es dos Si se fija la presión de la corriente de salida (o el P en el compresor) y la eficiencia del compresor, se calcula su trabajo isoentrópico con la ecuación (5.2) y su trabajo real con la primera igualdad de la ecuación. La entalpía de la corriente 4 se calcula con la segunda igualdad de la ecuación (5.3). HYSYS realiza un cálculo de evaporación espontánea P-H para la especificación completa de la corriente 4. Condensador El análisis de los grados de libertad el condensador del ciclo de refrigeración de la Figura 1 es el mismo del evaporador, es decir, C + 4. En este caso, se especifica la caída de presión y el ciclo converge satisfactoriamente. Por qué converge con solo una especificación si se requieren dos adicionales a las C + 2 de la corriente de entrada? 3. SIMULACION DEL CICLO DE REFRIGERACION 1. Abra un nuevo caso y añada el siguiente paquete fluido a. Ecuación: Peng Robinson b. Componente: Propano c. Unidades Field 2. Haga clic sobre el botón Enter Simulation Environment cuando esté listo para empezar a construir la simulación 3. Presione la tecla clave F11 instalar una corriente y desplegar su vista de propiedades 4. Introduzca las siguientes especificaciones a. Nombre 1 b. Fracción de vapor 0.0 c. Temperatura 120 F d. Flujo molar 100 lbmol/h e. Composición (Fracción molar)

40 5. Instale una válvula de Joule-Thompson seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre Valve y conéctela como se observa en la Figura 2. Figura 2. Conexiones de la válvula en el ciclo de refrigeración 6. Instale un evaporador seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre Heater y conéctelo como se observa en la Figura 3. Cuántas variables se necesitan introducir para que el conjunto Válvula-Evaporador quede completamente especificado? Figura 3. Conexiones del evaporador en el ciclo de refrigeración 7. Haga clic sobre la página Parameters e introduzca una caída de presión de 1 psi en el cuadro Delta P. 38

41 8. Haga clic en la pestaña Worksheet y en la columna de la corriente 3 introduzca una fracción de vapor de 1.0 y una temperatura de 0 F Cuánto es el calor requerido en el evaporador? 9. Instale un compresor seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre Compressor y conéctelo como se observa en la Figura 4. Cuántas variables se requieren para especificar completamente el compresor?. Si usted introduce una presión de 200 psia a la corriente 4 Por qué converge la simulación del compresor? Figura 4. Conexiones del compresor en el ciclo de refrigeración 10. Borre la presión de 200 psia introducida en la corriente 4 e instale un condensador seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre Cooler y conéctelo como se observa en la Figura 5. Cuántas variables se requieren especificar para que converja el conjunto Compresor-Condensador? 11. Haga clic sobre la página Parameters e introduzca una caída de presión de 6.5 psi en el cuadro Delta P Por qué converge el conjunto Compresor-Condensador con solo especificar la caída de presión en el condensador? 12. Haga clic en la pestaña Performance para que observe el comportamiento entre algunas variables a través del intercambiador. En la página perfiles o Profiles se observan los estados de temperatura, presión, fracción de vapor y entalpía molar de la corriente enfriada. En la página Gráficos o Plots se observa, por defecto, la variación de la entalpía con la temperatura y se dispone de otras opciones de análisis entre variables. En la página Tablas o Tables se observa información similar 13. Despliegue la ventana de propiedades de la Válvula y verifique si su operación es isoentálpica 39

42 14. Despliegue la ventana de propiedades del Compresor y verifique si su operación es isoentrópica. Si no es isoentrópica, entonces, Qué tipo de operación se realizó en el compresor? Figura 5. Conexiones del condensador en el ciclo de refrigeración 4. CASO DE ESTUDIO El distribuidor local propone a su planta la venta de una mezcla propano/etano de 95/5 (% molar). Qué efecto, si lo hay, provoca esta nueva composición en el ciclo de refrigeración? Utilice el caso base para comparación y llene la siguiente tabla: Propiedad Caso Base: 100 % C3 Caso Nuevo: 5% C2, 95% C3 Flujo, kgmol/h Condensador, kj/h Evaporador, kj/h Compresor, hp 40

43 6. SEPARACION DE FASES INSTANTANEO 1. OBJETIVOS 1.1. Determinar el número de grados de libertad en un separador de fases instantáneo 1.2. Simular un separador de fases isotérmico adiabático y no adiabático 1.3. Verificar las ecuaciones del modelo matemático estacionario de un separador de fases isotérmico 2. INTRODUCCION Un separador de fases instantáneo simula la evaporación súbita de una (o varias corrientes). El caso típico es el flujo a través de una restricción cuya caída de presión en forma adiabática provoca una vaporización parcial, debido a lo cual en un tanque posterior puede lograrse la separación en las fases líquido y vapor, respectivamente. Observe la Figura 1 con la válvula como restricción y el tanque V-100. En el modelamiento de un separador de fases se asume que: 1. El líquido y el vapor tienen el tiempo de contacto suficiente para lograr el equilibrio 2. La presión de líquido y vapor son las del tanque separador, es decir, que no hay caída de presión 3. Existe solo una fase líquida y vapor y 4. No existen reacciones químicas Figura 1. Separador de fases instantáneo Las ecuaciones de un modelo, en estado estacionario, para un separador instantáneo son Balances de materia para cada uno de los C componentes (C ecuaciones)

44 Balance de energía Fz Vy + Lx i = (6.1) i i Relaciones de equilibrio (N ecuaciones) Restricciones Fh + Q = Vh + Lh (6.2) F i i V i L y = K x (6.3) T P = P P (6.4) V L = = T T (6.5) V L = El análisis de grados de libertad es el siguiente: Variables Cantidad Corriente Vapor C + 2 Corriente Líquido C + 2 Corriente Calor 1 Total Variables 2C + 5 Ecuaciones y Restricciones Cantidad Balances de materia C Relaciones de equilibrio C Balance de energía 1 Restricciones 2 Total Ecuaciones y Restricciones 2C + 3 Total grados de libertad 2 Una especificación común es la que corresponde a una separación isotérmica. En este caso, se especifican la presión y la temperatura del separador. Separación instantánea isotérmica El cálculo de las corrientes de vapor y líquido para este tipo de separación suelen realizarse utilizando la ecuación (6) propuesta por Rachford y Rice (1952) que permite calcular la fracción de alimento vaporizado, V/F, suponiendo que las constantes de equilibrio son independientes de las concentraciones y solo dependen de la temperatura y la presión. 42

45 N i= 1 ( K 1) z 1+ ( V / F)( K i i i 1) = 0 (6.6) Separación instantánea adiabática Una especificación muy común es la que corresponde a una separación instantánea adiabática (Q = 0). En este caso, fijado Q, solo queda por asignar una variable, por ejemplo, la presión de operación del sistema. De esta manera, quedan por calcularse la temperatura y demás propiedades de las corrientes de salida. Dado que se desconoce la temperatura, el balance de energía queda acoplado y debe resolverse simultáneamente con la ecuación (6.6). Para ello, la ecuación (6.2) se expresa como una función de temperatura y fracción vaporizada de la siguiente manera: h h g ( T, V / F ) )) V L = 1 ( V / F ) (1 ( V / F (6.7) hf hf Para la solución simultánea de las ecuaciones (6.6) y (6.7) se puede proceder de la siguiente manera 1. Se supone una temperatura 2. Se calcula la fracción de vaporización con la ecuación (6.6) y 3. Se verifican dichos resultados con la ecuación (6.7) definiendo un error para la función g(t, V/F) 3. SIMULACION DE UN SEPARADOR DE FASES INSTANTANEO 1. Abra un nuevo caso y añada el siguiente paquete fluido a. Ecuación: Peng Robinson b. Componentes: Etano, Propano, n-butano, n-pentano, n-hexano c. Unidades: Field 2. Haga clic sobre el botón Enter Simulation Environment para desplegar la ventana PFD de HYSYS 3. Presione con el botón derecho del Mouse el icono de la corriente de materia y en forma sostenida arrastre el Mouse hasta la ventana del PFD 4. Introduzca las siguientes especificaciones 43

46 a. Nombre: F b. Temperatura: 150 F c. Presión: 50 psia d. Composición (Fracción molar) i. Etano 0.05 ii. Propano 0.15 iii. n-butano 0.25 iv. n-pentano 0.2 v. n-hexano Instale una válvula de Joule-Thompson, asígnele como nombre VLV-100 y conéctela con corriente de entrada F y corriente de salida F1 6. Haga clic en la página Parameters de su ventana de propiedades e introduzca una caída de presión de 1 psi en el cuadro Delta P 7. Instale un separador de fases seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre Separator, asígnele como nombre V-100 y conéctelo como indica la Figura 2. Figura 2. Corrientes de materia y energía conectadas al separador 8. Haga clic en la página Parameters e introduzca una carga calórica de cero en el cuadro de nombre Duty y seleccione el radio botón Heating, como se observa en la Figura 3 9. Haga clic en la pestaña Rating para observar la ventana que permite definir algunos aspectos geométricos corto del tanque separador. Observe que en el grupo Geometry se elige la forma del tanque (Cilíndrica o Esférica), la 44

47 orientación (Vertical u Horizontal) y un dimensionamiento de volumen, altura y diámetro 10. Haga clic sobre el botón Quick Size y observará que HYSYS propone unas medidas para el diámetro y la altura y calcula el correspondiente volumen. El usuario puede modificar estas dimensiones especificando dos de ellas con las cuales HYSYS calcula la tercera. Observe la relación altura/ diámetro definida para el dimensionamiento en la Figura 4 Figura 3. Carga calórica asignada al separador Figura 4. Dimensionamiento del tanque separador 45

48 11. Haga clic en la pestaña Worksheet y observe los flujos y las entalpías de las corrientes de producto del separador. Verifique el cumplimiento de la ecuación (6.7) 12. Cambie la carga calórica al separador por un valor de 5e+5. Qué cambios con respecto a la operación adiabática se observan en los resultados de la simulación?. Verifique dichos resultados con las ecuaciones 4. CASOS DE ESTUDIO 1. Borre la temperatura especificada para la corriente F e introduzca un valor de Btu/lbmole en el cuadro Molar Enthalpy. Explique lo realizado y los cambios observados en los resultados de la simulación? 2. Borre la presión especificada para la corriente F e introduzca un valor de 150 F para la temperatura manteniendo la entalpía molar introducida anteriormente. Explique lo realizado y los cambios observados en la simulación? 3. Simule la separación para una presión de 50 psia y una fracción de vaporización de 0.4. Analice los resultados 4. Simule la separación para una tempertura de 150 F y una fracción de vaporización de 0.6. Analice los resultados 46

49 7. SEPARADOR DE TRES FASES 1. OBJETIVOS 1.1. Separar en forma instantánea una corriente con un contenido de hidrocarburos y agua 1.2. Determinar los puntos de rocío y burbuja para una mezcla de hidrocarburos - agua 2. INTRODUCCION Una corriente que contiene hidrocarburos y agua puede presentarse en varias fases, dependiendo de sus condiciones de estado. Los cálculos para determinar sus puntos de rocío y burbuja se describen en libros como Design of Equilibrium Stage Processes de Smith Buford D., McGraw-Hill (1963) y son de un relativo interés académico. HYSYS dispone de una unidad para separar, en forma instantánea, una carga que se alimente con tres fases, vapor, líquida y acuosa 3. SEPARACION DE UNA MEZCLA DE HIDROCARBUROS - AGUA 1. Abra un nuevo caso y defina el siguiente paquete fluido 2. Ecuación: Peng Robinson 3. Componentes: C 1, C 2, C 3, i-c 4, n-c 4, i-c 5, n-c 5, H 2 O 4. Unidades: SI 5. Entre al ambiente de simulación e instale una corriente con el nombre de Alimento y las siguientes especificaciones a. Temperatura: 20 C b. Presión: 200 kpa c. Flujo: 100 kgmol/h d. Composición (Fracción Molar) i. Metano 0.10 ii. Etano 0.03 iii. Propano 0.04 iv. i-butano 0.08 v. n-butano 0.10 vi. i-pentano 0.12 vii. n-pentano 0.13 viii. Agua Maximice la ventana de propiedades de la corriente Alimento y observe las condiciones de las tres fases que la componen en la Figura 1 7. Haga clic en la página Composition y observe las composiciones correspondientes a dicha corriente en la Figura Presione el icono de nombre 3-Phase Separator que se encuentra en la paleta de objetos y en forma sostenida desplace con el clic derecho del Mouse arrástrelo hasta la ventana del PFD de HYSYS. 9. Seleccione el separador de 3 fases haciendo doble clic sobre el icono correspondiente en la paleta de objetos.

50 Figura 1. Especificaciones de la corriente Alimento Figura 2. Composición de las tres fases de la corriente Alimento 10. En la página Connections de la pestaña Design introduzca los nombres de las corrientes de entrada y salida como se observan en la Figura Haga clic en la página Parameters y observe que, por defecto, la caída de presión es cero. Introduzca una caída de presión de 10 kpa y observe la diferencia en los resultados. 12. Haga clic en la pestaña Rating y presione el botón Quick Size para dimensionar, por defecto, el tanque cilíndrico horizontal correspondiente al separador de tres fases 48

51 13. Observe la verificación de la opción para seleccionar el anexo de una bota. Al presionar el botón Quick Size, inmediatamente HYSYS también sugiere unas dimensiones para la bota como se observan en la Figura 4. Figura 3. Corrientes de entrada y salida al Separador de tres fases Figura 4. Dimensionamiento del tanque Separador de Tres Fases 14. Haga clic sobre la pestaña Worksheet y observe las condiciones de las corrientes de salida del Separador de Tres fases, Figura 5. Compárelas con las especificaciones de las tres fases de la corriente Alimento. 49

52 15. Haga clic sobre la página Composition y observe las concentraciones de las corrientes de salida del Separador de Tres Fases, Figura 6. Compárelas con las especificaciones de las tres fases de la corriente Alimento Figura 5. Condiciones de las corrientes de salida del Separador de Tres Fases Figura 6. Composición de las corrientes de salida del Separador de Tres Fases 3. CASOS DE ESTUDIO 3.1. Determine el punto de rocío de la corriente Alimento a 200 kpa? Cuántas fases se observan? Explique por qué la fase vapor contiene agua 3.2. Determine el punto de burbuja de la corriente Alimento a 200 kpa?. Cuántas fases se observan?. Explique por qué la fase líquida no contiene agua 50

53 8. PROCESOS CON RECICLO 1. OBJETIVOS 1.1. Especificar una corriente a partir de las especificaciones de otra corriente 1.2. Utilizar el botón Reciclo para estimar las propiedades de una corriente de recirculación dentro de un proceso químico 2. INTRODUCCION Los simuladores de proceso pueden clasificarse en modulares y orientados a ecuaciones. En el segundo modo de simulación, las ecuaciones de las unidades, corrientes y modelos termodinámicos se ensamblan y se resuelven simultáneamente. En el modo modular, los modelos termodinámicos y las ecuaciones de las unidades se almacenan como subprogramas o procedimientos que son llamados o requeridos en el orden de la conectividad de las corrientes para converger secuencialmente de acuerdo a la topología del diagrama de flujo. Este cálculo secuencial requiere de un procedimiento iterativo cuando existe una corriente de reciclo, dentro del proceso, que se asume como una material corriente abajo que debe ser de las mismas especificaciones que un material corriente arriba, conformándose lo que se denomina un lazo de reciclo o de recirculación. En HYSYS, un simulador modular secuencial, este procedimiento iterativo se realiza mediante la introducción de un bloque lógico denominado Reciclo, que se alimenta de la corriente abajo o Corriente de Recirculación Calculada y descarga la corriente arriba o Corriente de Recirculación Asumida. Los siguientes pasos se llevan a cabo durante el proceso de convergencia de un lazo de recirculación: 1. HYSYS utiliza las condiciones de la corriente asumida y resuelve el diagrama de flujo hacia delante hasta la corriente calculada 2. HYSYS, entonces, compara los valores de la corriente calculada con los de la corriente asumida 3. Basado en la diferencia entre los valores, HYSYS modifica los valores en la corriente calculada y traslada los valores modificados a la corriente asumida 4. El proceso de cálculo se repite hasta que los valores en la corriente calculada se diferencien de los de la corriente asumida dentro de las tolerancias especificadas Para instalar la operación Reciclo en un proceso químico, seleccione el botón Recycle en la paleta de objetos, o haga clic sobre la opción Add Operation del menú Flowsheet y seleccione la opción Recycle

54 3. PROCESO ESTUDIADO En el siguiente ejemplo, una corriente bifásica, F1, es mezclada con una corriente de recirculación, RC, y alimentada al separador V-100. El vapor del V-100 es alimentado al expansor E-100 y vaporizado nuevamente en el separador V-101. La mitad del líquido que sale de este separador es alimentado a la bomba P-100 y recirculada y mezclada con el alimento fresco. 4. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Abra un nuevo caso, seleccione el siguiente paquete fluido A. Ecuación: Peng Robinson B. Componentes: Nitrógeno, bióxido de carbono, metano, etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano, n-pentano, n-hexano, n-heptano y n- octano C. Unidades: Field 2. Instale una corriente de materia con nombre F y las siguientes especificaciones Pestaña Worksheet Página Conditions Temperature 60 F Pressure 600 psi Molar Flow 1 MMSCFH Pestaña Worksheet Página Compositions Nitrogen Mole Frac n-butane Mole Frac CO 2 Mole Frac i-pentane Mole Frac Methane Mole Frac n-pentane Mole Frac Ethane Mole Frac n-hexane Mole Frac Propane Mole Frac n-heptane Mole Frac i-butane Mole Frac n-octane Mole Frac Instale un separador de fases con el nombre de V-100 y las siguientes especificaciones Pestaña Design Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet Página Connections F1 V L 52

55 Pestaña Design Pressure Drop Página Parameters 0 psi 4. Instale un expansor con el nombre de E-100 y las siguientes especificaciones Pestaña Design Inlet Outlet Energy Pestaña Worksheet Corriente V1 Página Connections V V1 Qe Página Conditions 300 psi 5. Instale un separador con el nombre de V-101 y las siguientes especificaciones Pestaña Design Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet Pestaña Design Pressure Drop Página Connections V1 V2 L2 Página Parameters 1.45 psi 6. Instale una Tee con el nombre de TE-100 y las siguientes especificaciones Pestaña Design Inlet Outlets Pestaña Design Página Connections L2 P, L3 Página Parameters Flow Ratio Instale una bomba con el nombre de P-100 y las siguientes especificaciones Pestaña Design Inlet Outlet Energy Página Connections P Rc Qp 53

56 Pestaña Design Página Parameters Efficiency 75% Pestaña Worksheet Corriente Rc Páagina Conditions 600 psi 8. Instale una corriente de nombre Ra asumiendo las mismas especificaciones de la corriente calculada o Rc. Para ello despliegue la ventana de propiedades de la corriente Ra y presione el botón que se encuentra en la parte inferior con el título de Define from other Stream y seleccione la corriente Rc en el cuadro titulado Available Streams que se encuentra en la ventana titulada Spec Stream As. Presione el botón OK. Conecte la corriente como una entrada al separador V-100. En la Figura 1 se pueden ver las condiciones para la corriente calculada Rc y cuyos valores se toman para asumirlas como las especificaciones de la corriente Ra, antes de introducir el botón de Reciclo. Figura 1. Especificaciones asumidas para la corriente Ra 9. Instale un botón de reciclo seleccionando el icono de nombre Recycle que se encuentra en la paleta de objetos 10. Despliegue su ventana de propiedades y en la pestaña Connections introduzca en el cuadro Inlet la corriente calculada o Rc y en el cuadro Outlet la corriente asumida o Ra. El botón reciclo se encargará de hacer los cálculos iterativos hasta igualar las especificaciones entre las dos corrientes y alcanzar la 54

57 convergencia de todo el proceso. La Figura 2 muestra el diagrama de flujo final del proceso Figura 2. Diagrama de flujo final del proceso 11. Despliegue la ventana de propiedades del botón de Reciclo y haga clic sobre la pestaña Worksheet y observe en la Figuras 2 y 3 que las condiciones y composiciones finales de la corriente calculada Rc y la corriente asumida Ra son iguales. Compare estos datos con los observados en la Figura 1 Figura 2. Condiciones finales de las corrientes asumida y calculada 55

58 Figura 3. Composiciones finales de las corrientes asumida y calculada 56

59 9. COMPRESION DE UN GAS EN TRES ETAPAS 1. OBJETIVOS 1.1. Especificar una corriente a partir de las especificaciones de otra corriente 1.2. Utilizar el botón Reciclo para calcular una corriente de recirculación dentro de un proceso químico 1.3. Simular, en estado estacionario, un proceso de compresión de un gas en varias etapas 2. PROCESO ESTUDIADO La corriente gaseosa de entrada y de nombre Alimento se encuentra a 50 F y 80 psia y se comprime hasta 1000 psia en tres etapas. En cada una de las etapas de compresión el líquido que resulta después de un enfriamiento y separación de fases es recirculado a la entrada de la etapa de compresión que le antecede. Las condiciones de temperatura y presión son 120 F y 200 psia después de la primera etapa de compresión, 120 F y 500 psia después de la segunda etapa y 120 F y 1000 psia después de la tercera etapa. La Figura 1 muestra el diagrama de flujo del proceso de compresión multietapa 3. PAQUETE FLUIDO COMPONENTES: Nitrógeno, Dióxido de carbono, Metano, Etano, Propano, i- Butano, n-butano, i-pentano, n-pentano, n-hexano, n-heptano y n-octano. ECUACION: Peng-Robinson REACCIONES: No hay SISTEMA DE UNIDADES: Field 4. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO Corriente de alimentación: Instale la corriente Alimento con las siguientes especificaciones en la página Conditions de la pestaña Worksheet Temperatura 50 F Presión 80 psia Flujo molar 250 lbmole/h En la página Composition de la pestaña Worksheet especifique las siguientes concentraciones para el alimento en fracciones molares: Nitrogen Mole Frac n-butane Mole Frac CO 2 Mole Frac i-pentane Mole Frac Methane Mole Frac n-pentane Mole Frac Ethane Mole Frac n-hexane Mole Frac Propane Mole Frac n-heptane Mole Frac i-butane Mole Frac n-octane Mole Frac

60 Para construir este diagrama de flujo, un conjunto de separadores, compresores, enfriadores y mezcladores tienen que instalarse con las especificaciones que aparecen a continuación. Las corrientes de recirculación se añadirán después que las operaciones se hayan instalado. Instale las operaciones con las especificaciones descritas a continuación Mezclador MIX-100 Pestaña Design Inlet Outlet Pestaña Design Página Connections Alimento EntradaV-100 Página Parameters Automatic Pressure Assignment Set Outlet to Lowest Inlet La corriente de recirculación RC-100 se instalará a este mezclador después que hayan sido instaladas todas las operaciones Separador V-100 Pestaña Design Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet Página Connections EntradaV-100 VaporV-100 LiquidoV-100 Compresor K-100 Pestaña Design Inlet Outlet Energy Página Connections VaporV-100 EntradaE-100 QK-100 Enfriador E-100 (Cooler) Pestaña Design Feed Stream Product Stream Energy Stream Pestaña Design Pressure Drop Página Connections EntradaE-100 SalidaE-100 QE-100 Página Parameters) 5 psi 58

61 Especifique la temperatura y la presión de la corriente SE-100 con valores de 120 F y 200 psia respectivamente Mezclador MIX-101 Pestaña Design Inlet Outlet Pestaña Design Página Connections SalidaE-100 EntradaV-101 Página Parameters Automatic Pressure Assignment Set Outlet to Lowest Inlet La corriente de recirculacion RC-101 se instalará a este mezclador después que todas las operaciones hayan sido instaladas Separador V-101 Pestaña Design Feed Vapour Outlet Liquid Outlet Página Connections EntradaV-101 VaporV-101 LiquidoV-101 Compresor K-101 Pestaña Design Inlet Outlet Energy Página Connections VaporV-101 EntradaE-101 QK-101 Enfriador E-101 (Cooler) Pestaña Design Feed Stream Product Stream Energy Stream Pestaña Design Pressure Drop Página Connections EntradaE-101 SalidaE-101 QE-101 Página Parameters 5 psi Especifique la temperatura y presión de la corriente SalidaE-101 como 120 F y 500 psia respectivamente 59

62 Mezclador MIX-102 Pestaña Design Inlet Outlet Pestaña Design Página Connections SalidaE-101 EntradaV-102 Página Parameters Automatic Pressure Assignment Set Outlet to Lowest Inlet La corriente de recirculación RC-102 se añadirá al mezclador después que todas las operaciones hayan sido instaladas Separador V-102 Pestaña Design Feed Vapour Outlet Liquid Outlet Página Connections EntradaV-102 VaporV-102 LiquidoV-102 Compresor K-102 Pestaña Design Inlet Outlet Energy Página Connections VaporV-102 EntradaE-102 QK-102 Enfriador E-102 Pestaña Design Feed Stream Product Stream Energy Stream Pestaña Design Pressure Drop Página Connections EntradaE-102 SalidaE-102 QE-102 Página Parameters 5 psi Especifique la temperatura y presión de la corriente SalidaE-102 con valores de 120 F y 1000 psia, respectivamente 60

63 Separador V-103 Pestaña Design Feed Vapour Outlet Liquid Outlet Página Connections SalidaE-102 VaporV-103 LiquidoV-103 Añada, ahora, las corrientes de recirculación, presione el botón Define from other Stream que se encuentra en el fondo de la ventana de propiedades de dichas corriente y utilice la ventana Spec Stream As para definirlas utilizando otras propiedades de las corrientes Corrientes de recirculación 1. Especifique la corriente de recirculación RC-100 como la corriente LiquidoV-101 y conéctela como un alimento al mezclador MIX Especifique la corriente de recirculación RC-101 como la corriente LiquidoV-102 y conéctela como un alimento al mezclador MIX Especifique la corriente de recirculación RC-102 como la corriente LiquidoV-103 y conéctela como un alimento al mezclador MIX-102 Las propiedades de las corrientes LiquidoV-101, LiquidoV-102 y LiquidoV-103 sirven como los estimativos iniciales para las corrientes de recirculación. Antes de instalar las operaciones Recycle, se sugiere colocar el resolvedor del diagrama de flujo en Modo Holding Operaciones de recirculación RCY-1 Feed: LiquidoV-101; Product: RC-100 RCY-2 Feed: LiquidoV-102; Product: RC-101 RCY-3 Feed: LiquidoV-103; Product: RC-102 Coloque el revolvedor del diagrama de flujo en el Modo Activo haciendo clic en el icono Solver Active y la simulación convergerá satisfactoriamente. 61

64 Figura 1. Proceso de compresión de un gas en tres etapas 62

65 1. OBJETIVOS 10. AJUSTE DE VARIABLES 1.1 Simular, en estado estacionario, un separador de fases isotérmico con ajuste de una variable 1.2 Ajustar el valor de una variable para especificar el valor de otra variable mediante el botón Ajuste 2. INTRODUCCION Separador de fases isotérmico Un separador de fases isotérmico separa a una mezcla que contiene una fase líquida y otra de vapor de acuerdo a las condiciones de equilibrio definidas por la temperatura y la presión del alimento al separador y sin un requerimiento calórico externo. Operación AJUSTE La operación lógica Adjust varía el valor de una variable de una corriente (variable independiente) hasta encontrar la especificación o valor requerido (variable dependiente) en otra corriente u operación. En un diagrama de flujo, una cierta combinación de especificaciones puede requerirse y no puede resolverse directamente. Problemas de estos tipos deben resolverse por medio de procedimientos de ensayo y error. La operación Adjust puede usarse para desarrollar automáticamente las iteraciones de ensayo y error que se requieren resolver rápidamente en un diagrama de flujo. La operación Adjust es extremadamente flexible. Le permite vincular variables de corriente en el diagrama de flujo en direcciones que no son posibles usando las operaciones unitarias ordinarias. Puede usarse para resolver para el valor deseado de una sola variable dependiente o se pueden instarlar múltiples Adjust para resolver para los valores deseados de varias variables simultáneamente. La operación Adjust puede desempeñar las siguientes funciones: 1. Ajustar la variable independiente hasta que la variable dependiente encuentr el valor deseado 2. Ajustar la variable independiente hasta que la variable dependiente se iguale al valor de la misma variable en otro objeto mas un valor adicional Para instalar el botón Adjust, seleccione el botón Adjust en la paleta de objetos. De otra manera, seleccione la opción Add Operation del menú Flowsheet y seleccione la opción Adjust.

66 3. PROCESO ESTUDIADO Una corriente de hidrocarburos saturados a -60 F y 600 psia es alimentada a un separador de fases isotérmico con un flujo de 144 lbmol/h. Se requiere ajustar la temperatura del alimento para que el flujo del líquido que sale del separador sea de 100 lbmol/h 4. PAQUETE FLUIDO COMPONENTES: Metano, Etano, Propano, i-butano, n-butano, i-pentano n-pentano, n-hexano, n-heptano, n-octano ECUACION: Peng Robinson REACCION: No hay UNIDADES: Field 5. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO Corriente de alimentación: Instale una corriente de nombre Alimento e introduzca las siguientes especificaciones Pestaña Worksheet Página Conditions Temperatura - 60 F Presión 600 psi Flujo Molar 144 lbmole/hr Pestaña Worksheet Página Composition Methane Fracción Mol i-pentane Fracción Mole Ethane Fracción Mol n-pentane Fracción Mole Propane Fracción Mol n-hexane Fracción Mole i-butane Fracción Mole n-heptane Fracción Mole n-butane Fracción Mol n-octane Fracción Mole Separador de fases. Instale un separador de fases con nombre V-100, y especifique lo de la siguiente manera Pestaña Design Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet Página Connections Alimento Vapor Liquido OPERACIÓN AJUSTE Para ajustar la temperatura del alimento para que el flujo de la corriente Líquido sea de 100 lbmol/h, HYSYS dispone del botón Adjust. Ahora, instale la operación 64

67 ajuste haciendo clic en el menú Flowsheet y a continuación seleccionando la opción Adjust. De otra manera, seleccione el botón Adjust que se encuentra en la paleta de objetos Las especificaciones introducidas en la página Connections nos muestran a la Temperatura del alimento como la variable independiente o la variable a ajustar p Adjusted Variable para un valor de la variable dependiente o variable objetivo o Target Variable de 100 lbmole/hr o Specified Target Value. El objeto y su variable se seleccionan simultáneamente usando el navegador de variables o Variable Navigator desplegado al presionar el botón Select Var. La ventana Variable Navigator consiste de 4 secciones de listados que ayudan al proceso de selección de la variable actuando como un filtro. Los listados trabajan secuencialmente de tal manera que un listado se puede manipular si se ha hecho la selección correspondiente en el listado anterior. Observe la Figura 1. Figura 1. Conexiones para el botón de ajuste de variables En la pestaña Parameters se definen los criterios de convergencia para el método solución escogido. Obsérvese que los valores máximo y mínimo para la variable independiente no se ajustaron. Al presionar el botón Start, HYSYS inmediatamente comienza el procedimiento de convergencia. En la pestaña Monitor se desplegarán los valores para las variables independiente y dependiente estimados en cada una de las iteraciones El Adjust converge al flujo requerido en sisete iteraciones. Las nuevas condiciones de la corriente de alimento se muestran en la ventana de sus propiedades, Figura 2 Observe que la temperatura de la corriente Feed muestra el valor de F en forma resaltada, es decir, como si fuera un valor especificado. Aunque el valor que 65

68 originalmente se especificó fue de - 60 F, la operación ajuste hace que la solución para la variable independiente al terminar el proceso de convergencia se convierta en el valor especificado. Si se borra el botón ADJ-1, los nuevos valores se mantienen en el diagrama de flujo. El diagrama de flujo se observa en la Figura 3. Figura 2. Propiedades de la corriente de alimentación después del ajuste Figura 3. Separador de fases con el botón de ajuste de variables incluido 66

69 1. OBJETIVOS 11. REACTOR DE CONVERSION 1. Simular, en estado estacionario un reactor de conversión 2. Relacionar dos variables mediante la opción Set de HYSYS 3. Verificar los resultados obtenidos por HYSYS con los cálculados teóricamente 4. Utilizar la facilidad que permite la operación Set para simular una separación instantánea P-Vf 2. INTRODUCCION Reacción de conversión HYSYS permite la simulación de procesos químicos con reacciones de varios tipos. En la reacción de conversión se especifica, además de su estequiometría, el componente base, la fase en que se realiza la reacción y una ecuación polinómica para calcular la conversión en función de la temperatura de la reacción. Si la conversión es independiente de la temperatura se especifica la conversión con solo el término constante del polinomio función de temperatura En un reactor donde se realizan un sistema de N reacciones de conversión en paralelo, los flujos de salida de cada uno de los componentes en el sistema se pueden calcular mediante un balance de materia, asignando una conversión (η) para cada una de las reacciones y considerando sus coeficientes estequiométricos (γ) positivos para los productos y negativos para los reaccionantes escribiendo las reacciones con coeficiente estequiométrico de uno para cada reactivo límite ( l ). Si hay un componente inerte su coeficiente estequiométrico es cero El balance de materia para cada componente se puede escribir, por lo tanto, de la siguiente manera: F k p = F k i + N r= 1 γ l ( r ) r, kηfi (11.1) Siendo p, el símbolo correspondiente a la corriente producto, i, el de la corriente de entrada, k, el que representa a cada uno de los componentes y l(r) el componente límite en la reacción r La ecuación (11.1) expresa que el flujo en la corriente producto de un componente es igual a su flujo de entrada mas la sumatoria de lo producido en cada reacción menos lo consumido en cada reacción

70 Operación Set La operación Set se utiliza para establecer el valor de una variable de proceso específica mediante una relación lineal con otra variable de proceso. La relación es entre las mismas variables de proceso en dos objetos similares; por ejemplo, la temperatura en dos corrientes o el UA en dos intercambiadores de calor. La operación puede emplearse tanto en simulación estacionario como dinámica La variable dependiente u objetivo se define en términos de la variable independiente o fuente de acuerdo a la siguiente relación lineal Y = MX + B (11.2) Siendo Y = variable dependiente u objetivo X = variable independiente o fuente M = multiplicador o pendiente B = ajuste o intercepto Para instalar la operación Set, seleccione el botón Set en la paleta de objetos ó seleccione Add Operation del menú Flowsheet y seleccione la opción Set 3. PROCESO ESTUDIADO Dos corrientes, una de monóxido de carbono puro a 550 C, 1000 kpa y 100 kgmol/h y otra de hidrógeno puro a las mismas condiciones de temperatura y presión se alimentan a un separador de fases que servirá como reactor para la conversión de dichos reactivos en metano y agua. Se establece que el flujo molar de la corriente de hidrógeno sea tres veces el flujo molar de la corriente de monóxido 4. PAQUETE FLUIDO COMPONENTES: ECUACION: UNIDADES: Monóxido de carbono, Hidrógeno, Agua y Metano Peng-Robinson Sistema SI REACCION DE CONVERSIÓN: CO + 3 H 2 CH 4 + H 2 O Para añadir una reacción de conversión, haga clic en la pestaña Reactions y en la ventana Simulation Basis Manager añada los componentes de la reacción haciendo clic en el botón Add Comps y seleccionándolos de la librería. Haga clic en el botón 68

71 Add Rxn y en la pestaña Stoichiometry de la ventana Conversión Reaction: Rxn-1 añada los componentes en el siguiente orden: monóxido de carbono, hidrógeno, metano y agua. Complete la página estequiometría introduciendo con signos negativos los coeficientes estequiométricos de los reaccionantes y con signos positivos los de los productos, como se muestra en la Figura 1. Figura 1. Estequiometría de la reacción de conversión En la pestaña Basis establezca el monóxido de carbono como el componente base para la conversión, la fase de la reacción es la global u Overall y especifique una conversión constante del 80 % en el cuadro Co. Observe la Figura 2. Cuando la reación es especificada completamente, en forma automática es añadida al conjunto de reacciones Global Rxn Set. Añada el Global Rxn Set al paquete fluido presionando el botón Add to FP. Hecho esto salga del ambiente básico. Se pueden crear otros conjuntos de reacciones donde incluir las reacciones que se desee, cuando sea necesario. 5. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO Corrientes de alimentación: Monóxido: Instale la corriente Monóxido con las siguientes especificaciones en la página Conditions de la pestaña Worksheet Temperatura 550 C Presión 1000 kpa Flujo molar 1000 kgmol/h 69

72 Figura 2. Datos básicos para la reacción de conversión En la página Composition de la pestaña Worksheet especifique que la fracción molar de monóxido de carbono es uno y cero las correspondientes a los otros componentes. Hidrógeno: Instale la corriente Hidrógeno con las siguientes especificaciones en la página Conditions de la pestaña Worksheet Temperatura 550 C Presión 1000 kpa En la página Composition de la pestaña Worksheet especifique que la fracción molar de hidrógeno es uno y cero las correspondientes a los otros componentes. Reactor de Conversión: Instale un Separador de fases con las siguientes especificaciones Pestaña Design Página Connections Name R-100 Inlets Monóxido, Hidrógeno Vapour Outlet Vapor Liquid Outlet Líquido Pestaña Design Delta P Página Parameters 0 kpa En la pestaña Reactions de la ventana de propiedades del Separador de fases que opera como el reactor R-100, añada en el cuadro Reaction Set el conjunto de 70

73 reacciones Global Rxn Set que contiene la reacción de conversión definida anteriormente Operación Set Instale, ahora, la operación Set que establezca el flujo molar de FH2 en proporción estequiométrica a FCO, es decir que FH2 = 3*FCO + 0 Al hacer doble clic en el icono de la operación SET-1, seleccione el flujo molar de la corriente Hidrógeno como la variable objetivo o dependiente, haciendo clic en el botón Select Var de la sección Target Variable. Seleccione a la corriente Monóxido como objeto variable independiente en la sección Source. Observe la Figura 3. Haga clic sobre la pestaña Parameters introduzca la relación lineal entre los flujos de las corrientes Monóxido e Hidrógeno. Especifique el valor de 3.0 como el factor del flujo de la corriente Monóxido en el cuadro Multiplier y el valor 0.0 como el ajuste de la relación lineal en el cuadro Offset. Observe la Figura 4. Despliegue el libro de trabajo y observe las especificaciones de las corrientes conectadas al reactor. Haga cambios en el flujo de la corriente Monóxido y observe cómo la operación SET-1 hace que el flujo de la corriente Hidrógeno sea el triple del flujo especificado Aunque este ejemplo es trivial, este tipo de aplicación puede ser útil cuando sea aplicado a problemas más grandes. Por ejemplo, en diagramas de flujo donde los alimentos al reactor son recirculados, la operación Set puede asegurar que sus flujos relativos están siempre en proporción estequiométrica Figura 3. Conexiones del botón SET-1 Figura 4. Relación lineal entre los flujos 71

74 El diagrama de flujo final del reactor de conversión incluyendo el botón de ajuste se observa en la Figura 5 Figura 5. Reactor de conversión de monóxido de carbono en metano 6. CASOS DE ESTUDIO 1. Escriba las ecuaciones de balance de materia de cada uno de los componentes de la reacción simulada 2. Con las ecuaciones planteadas, verifique los resultados de los flujos de cada uno de los componentes con los obtenidos por HYSYS vistos en el libro de trabajo 3. Utilice el botón Set para simular una separación instantánea P-Vf de una mezcla que contiene 20 % mol de benceno, 50 % mol de tolueno y 30 % mol de o-xileno a una presión de 14.5 psia y una fracción de vaporización de Realice los cálculos de separación instantánea y compárelos con los obtenidos por HYSYS 72

75 1. OBJETIVOS 12. RELACION NO LINEAL ENTRE VARIABLES 1.1. Simular un separador de fases P-Vf con una relación no lineal entre el flujo de líquido y la altura del nivel de líquido en el tanque 1.2. Establecer relaciones no lineales entre variables de proceso mediante la importación y exportación a través de la hoja de cálculo de HYSYS 2. INTRODUCCION El botón Set de HYSYS permite el establecimiento, solamente, de relaciones lineales entre variables. Las relaciones no lineales son posibles introducirlas en una simulación, mediante la importación, cálculos y exportación de variables a la hoja de cálculo que se encuentra incluida en la paleta de objetos. Mediante la hoja de cálculo se pueden hacer algunas operaciones matemáticas como suma, potenciación o radicación; manejo de relaciones lógicas como condicionales o conjunciones y permite el manejo de ciertas funciones matemáticas como las trigonométricas. El procedimiento consiste en importar las variables requeridas para el establecimiento de las relaciones, realizar los cálculos para estimar los valores de otras variables que se exportarán para asignarlas a algún objeto, ya sea unidad de proceso o corriente. 3. PROCESO ESTUDIADO Una corriente de agua pura a 50 psia y fracción de vapor de 0.6 se alimenta a un separador de fases con un flujo desconocido. Se ajusta el flujo de líquido de tal manera que se relacione con el nivel de líquido en el tanque mediante la siguiente relación no lineal L = 20 h (12.1) Siendo L, el flujo molar de la corriente Liquido y h, el nivel de líquido en el tanque. Si se fija el nivel de líquido en el tanque, la ecuación (12.1) permite el cálculo del flujo de líquido y con ello se completa la especificación faltante para que la separación de fases converja satisfactoriamente. 4. PAQUETE FLUIDO Componente: Ecuación: Unidades: Agua Peng Robinson Field

76 5. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Instale una corriente de materia con el nombre de Alimentación e introduzca las siguientes especificaciones: a. Fracción de vapor 0.6 b. Presión: 50 psia c. Composición: 1 (Fracción mol) 2. Instale un separador de fases con el nombre de V-100 y en la página Connections de la página Design introduzca las siguientes conexiones a. Inlets Alimento b. Vapor Outlet Vapor c. Liquid Outlet Liquido 3. En la página Parameters introduzca el valor de 0.0 en el cuadro Delta P y 60 % en el cuadro Liquid Level 4. Haga clic en la pestaña Rating e introduzca una especificación de 3 pies para el diámetro interior del tanque y 10 pies para su altura. Observe que HYSYS calcula el volumen del tanque Relación no lineal entre el flujo de líquido y el nivel de líquido en el tanque 5. Seleccione el icono que se encuentra en la paleta de objetos con el nombre de Spreadsheet para instalar la hoja de cálculo. Asígnele como nombre Hoja de Cálculo 6. Haga doble clic para desplegar su ventana de propiedades y presione el botón Add Import para importar la variable Altura del tanque V-100, a la hoja de cálculo 7. En la ventana desplegada seleccione V-100 en el cuadro Object y a la derecha, en el cuadro Variable, seleccione Vessel Length o Height, presione OK. En la ventana de la pestaña Connections despliegue el cuadro que se encuentra debajo del encabezamiento titulado Cell y seleccione la celda B1 para colocar el valor de la variable seleccionada 8. Haga clic en la pestaña Spreadsheet y observe en la celda B1 el valor de la variable importada. En la celda A1, escriba la leyenda Altura Tanque. Note que al seleccionar la celda B1 se activa el cuadro Imported From y muestra el objeto y la variable importada a dicha celda 9. En la celda B2, importe el valor de la variable del nivel de líquido en porcentaje o Liquid Percent Level en el objeto V-100. En la celda A2, escriba la leyenda Nivel de Líquido, %. La Figura 1 muestra la ventana de la pestaña Connections con las variables importadas en las celdas señaladas en la hoja de cálculo. La Figura 74

77 2 muestra la hoja de cálculo con las leyendas digitadas y los valores de las variables importadas Figura 1. Importación de variables a la hoja de cálculo Figura 2. Hoja de cálculo con dos variables importadas 10. En la celda A3 digite la leyenda Altura de Líquido y en la celda B3 introduzca la fórmula +B1*B2/100 para calcular la altura del nivel de líquido en el tanque. 11. Seleccione la celda B3 y en el cuadro Current Cell que se encuentra en la parte de arriba, despliegue el cuadro titulado Variable Type y seleccione la opción Length para asignar unidades de longitud a la variable calculada en dicha celda 75

78 12. En la celda A4 digite la leyenda Flujo de Líquido y en la celda B4 introduzca la fórmula +20*@SQRT(B3) correspondiente a la ecuación (1), es decir, la relación no lineal entre el flujo de la corriente Liquido y el nivel de líquido en el tanque. La hoja de cálculo debe observarse como se muestra en la Figura 3 Figura 4. Hoja de cálculo con variables importadas y cálculos 13. Haga clic sobre la pestaña Connections y presione el botón Add Export. En la ventana desplegada y en el cuadro Object seleccione la corriente Liquido y en el cuadro Variable seleccione la opción Molar Flow. Presione OK 14. Tenga presente de seleccionar en la columna titulada Cell seleccionar la celda B4 que es donde se encuentra el valor que se quiere exportar para asignarlo al flujo de la corriente Liquido. La simulación converge satisfactoriamente y en la hoja de cálculo se puede observar que el valor calculado en la celda B4 incluye unidades de flujo molar 15. Haga clic en la pestaña Parameters y observe el listado de parámetros en relación con el número de columnas y filas en la hoja de cálculo y las variables exportables. 16. Haga clic en la pestaña Formulas y observe un resumen de ellas, las celdas de su colocación y los resultados actuales de su solución 76

79 13. REACTOR CSTR 1. OBJETIVOS 1.1. Definir paquetes fluidos que incluyan reacciones de tipo cinético 1.2. Determinar los grados de libertad requeridos para simular un reactor CSTR de tipo cinético 1.3. Simular, en estado estacionario, un reactor CSTR, con una reacción de tipo cinético 2. INTRODUCCION Un reactor CSTR es un tanque en el cual la masa reaccionante es continuamente agitada de tal manera que se considera como una mezcla completa y, por lo tanto, se asume que sus propiedades son uniformes en todo el interior del reactor. La ecuación de diseño de un reactor de mezcla completa es: V F Ao A = τ = (13.1) C Ao X r A Siendo V, el volumen del reactor, F Ao, el flujo molar del reactivo límite, τ, el tiempo espacial, C Ao, la concentración del reaccionante A en la corriente de entrada, X A, la conversión de A y r A, la velocidad de reacción de A La velocidad de una reacción no catalítica depende de la concentración de reaccionante. Con respecto al reaccionante A, la ecuación de velocidad de reacción se expresa de la siguiente manera n r A = kc A (13.2) Siendo k, la constante específica de velocidad de reación, n, el orden cinético de la reacción y C A, la concentración de reaccionante El orden de una reacción se determina experimentalmente y la constante de velocidad de reacción depende de la temperatura de la reacción y se puede calcular con la ecuación de Arrhenius, de la forma E k = A exp (13.3) RT

80 Siendo A, el factor pre-exponencial, E, la energía de activación, T, la temperatura en escala absoluta y R, la constante universal de los gases Para simular un reactor CSTR con reacción de tipo cinético cuya velocidad depende solamente de la concentración de uno de sus reaccionantes, el número de variables que se requieren para una especificación completa es de seis. Las variables que usualmente, se especifican son el flujo calórico en la corriente de energía, la caída de presión en el tanque y el volumen del reactor, además de la energía de activación, el factor pre-exponencial y el orden de la reacción 3. PROCESO ESTUDIADO La reacción que estudiaremos es la de la obtención de propilenglicol a partir de óxido de propileno y agua, cuya estequiometría es C 3H 6O + H 2O C3H 8O2 Se utiliza un reactor de mezcla completa que se alimenta con una solución acuosa de propileno al 20 % mol y se considera un nitrógeno puro que actúa como un inerte y con el propósito de mantener la presión de la reacción. La reacción es de primer orden con respecto a la concentración de óxido de propileno, C Oxido, con una cinética de la forma r = KC Oxido (13.4) y la constante específica de velocidad de reacción está dada por la ecuación de Arrhenius de la siguiente forma K = x10 exp RT (13.5) Siendo T, la temperatura en Kelvin 4. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Reacción Tipo: Uniquac - Ideal Oxido de propileno, agua, propilenglicol y nitrógeno Cinético 78

81 Estequiometría: Oxido de propileno + Agua Propilenglicol Base: La Base para la ecuación cinética es la Concentración; el Componente Base es el óxido de propileno; la fase de la reacción es Liquido combinado y las unidades bases son kgmol/m 3 para la concentración, kgmol/h-m 3 para la velocidad de reacción, y ºK para la temperatura. Parámetros Cinéticos La reacción es irreversible. La ecuación cinética es la (13.4) es decir de orden uno con respecto al óxido de propileno y de la ecuación (13.5) se tiene que el factor preexponencial es 1.7x10 13 h -1 y la energía de activación es kj/kgmol 5. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Abra un nuevo caso y seleccione la ecuación de Peng Robinson y los componentes óxido de propileno, agua, propilenglicol y nitrógeno Reacción de tipo cinético 2. Para introducir la reacción, haga clic sobre la pestaña Rxns de la ventana Fluid Package: Basis-1 y presione el botón Simulation Basis Mgr que se encuentra a la derecha. Añada los componentes si no lo ha hecho 3. Haga clic sobre el botón Add Rxn y en la ventana desplegada con título Reactions seleccione la opción Kinetic y presione el botón Add Reaction para desplegar la ventana de título Kinetic Reaction: Rxn-1, que es nombre dado por HYSYS a la reacción que se va a introducir. Figura 1. Estequiometría de la reacción química 79

82 4. En la columna Component de la pestaña Stoichiometry, seleccione los componentes que intervienen en la reacción en el orden que aparecen en la reacción química. 5. En la columna Stoich Coeff introduzca los coeficientes estequiométricos de cada uno de los componentes de la reacción asignando signos negativos a los reaccionantes y positivo al producto. Observe en el cuadro Balance Error el valor 0.0 si la reacción ha sido introducida correctamente desde el punto de vista estequiométrico y además el calor de la reacción a 25 C 6. Para la irreversibilidad y el orden de la reacción, en la columna Fwd Order escriba uno para óxido de propileno que es el orden de la reacción a la derecha y en la columna Rev Order escriba cero para todos los componentes porque la reacción es irreversible. La ventana de la pestaña Stoichiometry se debe observar como lo muestra la Figura 1 7. Haga clic sobre la pestaña Basis y complétela como se observa en la Figura 2. Figura 2. Bases para la cinética de la reacción Figura 3. Ecuación de Arrhenius 80

83 8. Para introducir la ecuación de Arrhenius, haga clic sobre la pestaña Parameters e introduzca el factor pre-exponencial y la energía de activación como se muestra en la Figura 3. Observe la banda verde con la leyenda Ready. 9. Cierre la ventana anterior y sobre la ventana del Administrador básico de la simulación presione el botón Add to FP que se encuentra en el lado inferior izquierdo. 10. Presione el botón Add Set to Fluid Package. Con ello se adiciona la reacción al paquete fluido 11. Presione el botón Return to Simulation Environment para ingresar al ambiente de simulación Corrientes de materia y energía 12. Instale las corrientes Alimento e Inerte con las siguientes especificaciones Alimento Inerte Temperatura, C Presión, kpa Flujo molar, kgmol/h Composición (Fracción mol) Oxido de propileno Agua Propilenglicol Nitrógeno Instale una corriente de energía con el nombre de Enfriante Reactor de mezcla completa 14. Instale un reactor de mezcla completa seleccionando el icono de nombre CSTR que se encuentra en la paleta de objetos. Colóquele el nombre de R Llene la página Connections de la pestaña Design de su ventana de propiedades de la siguiente manera Nombre R-100 Inlets Inerte, Alimento Vapor Outlet Vapor Liquid Outlet Liquido Energy Enfriante 16. Despliegue la página Parameters y deje el valor de cero, por defecto, para la caída de presión y asigne un flujo calórico de cero a la corriente de energía. Observe que se han introducido dos especificaciones 17. Haga clic en la pestaña Reactions. Despliegue el cuadro de título Reaction Set y seleccione el conjunto de reacciones denominado Global Rxn Set. Observe en el cuadro Reaction que se muestra a la reacción Rxn-1 del proceso. Si es necesario 81

84 revisarla se puede presionar el botón View Reaction. Observe que se han introducido tres especificaciones, a saber: el factor pre-exponencial, la energía de activación y el orden de la reacción. Sin embargo, la banda roja solicita la especificación del volumen con el cual se debe completar el número requerido para una convergencia en la simulación 18. Haga clic en la pestaña Rating y dentro de la página Sizing introduzca un volumen de 8 metros cúbicos. Observe que la convergencia se ha alcanzado porque se han completado las seis especificaciones requeridas. HYSYS sugiere unas medidas para la altura y el diámetro de un tanque cilíndrico 19. Haga clic sobre la pestaña Reactions y despliegue la página Results. Observe el porcentaje de conversión de óxido de propileno alcanzado en la reacción. 20. Seleccione el radio botón Reaction Balance y observe el balance de componentes en la reacción 21. En la página Comnposition de la pestaña Worksheet se observan las concentraciones de propilenglicol en las corrientes de producto El diagrama de flujo final del reactor de mezcla completa simulado se observa en la Figura 4. Figura 4. Reactor de mezcla completa 82

85 14. REACTOR PFR 1. OBJETIVOS 1.1. Definir paquetes fluidos que incluyan reacciones de tipo cinético 1.2. Determinar los grados de libertad requeridos para simular un reactor PFR de tipo cinético 1.3. Simular, en estado estacionario, un reactor PFR, con una reacción de tipo cinético 2. INTRODUCCION Un reactor PFR es básicamente un tubo donde se realiza una reacción con cambios axiales en la concentración, la presión y la temperatura. La ecuación de diseño de un reactor tubular es: V F Ao = τ C Ao X A dx = 0 r A A (14.1) Siendo V, el volumen del reactor, F Ao, el flujo molar del reactivo límite, τ, el tiempo espacial, C Ao, la concentración del reaccionante A en la corriente de entrada, X A, la conversión de A y r A, la velocidad de reacción de A Los reactores PFR, a menudo, se construyen de muchos tubos de pequeños diámetros y de grandes longitudes y se emplean con fluidos a grandes velocidades y pequeños tiempos espaciales. Esto minimiza el mezclado axial del fluido, limita los perfiles radiales de temperatura y provee el área de transferencia de calor necesaria. Los tubos se arreglan en un banco como en los intercambiadores de calor. Si no se desea intercambio calórico en la zona de reacción, puede utilizarse uno o una serie de lechos empacados de diámetros mas grandes 3. PROCESO ESTUDIADO La reacción que estudiaremos es el craqueo adiabático en fase vapor de la acetona para transformarla en metano y keteno en un reactor PFR.. La estequiometría de la reacción es CH + 3 CO CH3 CH2CO CH4 Se utiliza un reactor tubular que se alimenta con acetona pura en estado gaseoso. El keteno que se produce es un compuesto completamente inestable cuya transformación no se incluye en esta simulación.

86 La reacción es de primer orden con respecto a la concentración de acetona, C Acetona, con una cinética de la forma r = KC Acetona (14.2) y la constante específica de velocidad de reacción está dada por una ecuación de la forma de Arrhenius y propuesta por Jeffreys así K = x10 exp T (14.3) Siendo T, la temperatura en Kelvin y K, en segundos PAQUETE FLUIDO Ecuación: PRSV (Peng-Robinson Stryjek-Vera) Componentes: Acetona, keteno y metano Reacción Tipo: Cinético Estequiometría: Acetona Keteno + Metano Base: La Base para la ecuación cinética es la Concentración Molar; el Componente Base es la acetona; la fase de la reacción es Vapor y las unidades bases son kgmol/m 3 para la concentración, kgmol/s-m 3 para la velocidad de reacción, y ºK para la temperatura. Parámetros Cinéticos: La reacción es irreversible. La ecuación cinética es la (14.2), es decir de orden uno con respecto al óxido de propileno y de la ecuación (14.3) se tiene que el factor pre-exponencial es 8.2x10 14 s -1 y la energía de activación es 2.8x10 5 kj/kgmol 5. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Abra un nuevo caso y seleccione la ecuación PRSV y los componentes acetona, keteno y metano Reacción de tipo cinético 2. Para introducir la reacción, haga clic sobre la pestaña Rxns de la ventana Fluid Package: Basis-1 y presione el botón Simulation Basis Mgr que se encuentra a la derecha. Añada los componentes si no lo ha hecho 84

87 3. Haga clic sobre el botón Add Rxn y en la ventana desplegada con título Reactions seleccione la opción Kinetic y presione el botón Add Reaction para desplegar la ventana de título Kinetic Reaction: Rxn-1, que es nombre dado por HYSYS a la reacción que se va a introducir. Figura 1. Estequiometría de la reacción química 4. En la columna Component de la pestaña Stoichiometry, seleccione los componentes que intervienen en la reacción en el orden que aparecen en la reacción química. 5. En la columna Stoich Coeff introduzca los coeficientes estequiométricos de cada uno de los componentes de la reacción asignando signos negativos a los reaccionantes y positivo al producto. Observe en el cuadro Balance Error el valor 0.0 si la reacción ha sido introducida correctamente desde el punto de vista estequiométrico y además el calor de la reacción a 25 C 6. Para la irreversibilidad y el orden de la reacción, en la columna Fwd Order escriba uno para acetona que es el orden de la reacción a la derecha y en la columna Rev Order escriba cero para todos los componentes porque la reacción es irreversible. La ventana de la pestaña Stoichiometry se debe observar como lo muestra la Figura 1 7. Haga clic sobre la pestaña Basis y complétela como se observa en la Figura Para introducir la ecuación de Arrhenius, haga clic sobre la pestaña Parameters e introduzca el factor pre-exponencial y la energía de activación como se muestra en la Figura 3. Observe la banda verde con la leyenda Ready. 9. Cierre la ventana anterior y sobre la ventana del Administrador básico de la simulación presione el botón Add to FP que se encuentra en el lado inferior izquierdo. 10. Presione el botón Add Set to Fluid Package. Con ello se adiciona la reacción al paquete fluido 85

88 11. Presione el botón Return to Simulation Environment para ingresar al ambiente de simulación Figura 2. Bases para la cinética de la reacción Figura 3. Ecuación de Arrhenius Corrientes de materia y energía 12. Instale una corriente con el nombre de Acetona con las siguientes especificaciones Temperatura, C Presión, kpa

89 Reactor de flujo pistón Flujo molar, kgmol/h Fracción mol Acetona Instale un reactor tubular seleccionando el icono de nombre Plug Flow Reactor que se encuentra en la paleta de objetos. Colóquele el nombre de R Llene la página Connections de la pestaña Design de su ventana de propiedades de la siguiente manera Nombre R-100 Inlets Acetona Outlet Producto 15. Despliegue la página Parameters y deje el valor de cero, por defecto, para la caída de presión y asigne un flujo calórico de cero a la corriente de energía, es decir, considere que la operación es adiabática. Observe que se han introducido dos especificaciones 16. Haga clic en la pestaña Reactions. Despliegue el cuadro de título Reaction Set y seleccione el conjunto de reacciones denominado Global Rxn Set. Observe que se han introducido tres especificaciones, a saber: el factor pre-exponencial, la energía de activación y el orden de la reacción. Observe en la banda roja que HYSYS requiere del dimensionamiento del reactor 17. Haga clic en la página Details de la pestaña Reactions y observe la reacción escogida, el balance calórico de cero y la información sobre el calor de reacción positivo, es decir, que es endotérmica 18. Haga clic en la pestaña Rating y abra la página Sizing para completar las especificaciones del volumen del tubo, la longitud del mismo, el número de tubos, el espesor de pared y la porosidad, como se observa en la Figura 4. Figura 4. Dimensiones y empacado de los tubos 87

90 19. Haga clic sobre la pestaña Reactions y despliegue la página Results. Observe el porcentaje de conversión de acetona alcanzado en la reacción. 20. Seleccione el radio botón Reaction Balance y observe el balance de componentes en la reacción 21. En la página Composition de la pestaña Worksheet se observan la concentración de acetona en las corrientes de producto 22. Haga clic en la pestaña Performance y presione el botón Plot que se encuentra en la esquina inferior derecha. Por defecto se observa el perfil de la temperatura a lo largo del reactor tubular, comos se muestra en la Figura 5. Seleccione otros perfiles sobre la página Conditions y de las otras páginas Figura 5. Perfil de temperatura en el reactor tubular 88

91 1. OBJETIVOS 15. REACCION CATALITICA HETEROGENEA 1.1. Especificar la cinética de una reacción catalítica heterogénea 1.2. Simular, en estado estacionario, un reactor PFR, con una reacción catalítica heterogénea 1.3. Analizar el desempeño de un reactor tubular catalítico 2. INTRODUCCION Las reacciones catalíticas heterogéneas incluyen reacciones en la superficie junto con adsorción (o deserción) de reaccionantes y productos. Esto hace que la ecuación de velocidad de estas reacciones dependa considerablemente del mecanismo de reacción. HYSYS incluye una expresión general para la ecuación de velocidad de una reacción catalítica heterogenea con la siguiente forma r = k Re ac Pr od α i f C i k r i= 1 j= M K M k i= 1 g = 1 C γ g kg C β j j n (15.1) k f y k r son las constantes de velocidad de reacción directa e inversa, K es la constante de velocidad de adsorción y M es el número de reaccionantes y productos adsorbidos incluyendo los inertes. Las constantes de velocidad se introducen en HYSYS en la forma de la ecuación de Arrhenius. Se requiere, por lo tanto, el factor pre-exponencial y la energía de activación para cada una de las constantes La reacción catalítica heterogénea puede utilizarse tanto en reactores de mezcla completa como en reactores tubulares. 3. PROCESO ESTUDIADO La reacción catalítica irreversible que utilizaremos en esta simulación es la deshidrogenación del tolueno para producir benceno y metano, es decir: C + 7H8 + H 2 C6H 6 H 2

92 su mecanismo de reacción es tal que se puede expresar su cinética de acuerdo al Modelo de Langmuir-Hinshelwood cuya forma matemática es r 4 8.7x10 PH 2 = P B P T P T (15.2) Siendo P, presión parcial de cada uno de los componentes hidrógeno, tolueno y benceno, k, una constante de velocidad de reacción y K s, constantes de velocidad de adsorción. La reacción se lleva a cabo en un reactor tubular. El tolueno se alimenta al reactor con un flujo de 50 mol/min, 640 C, 4053 kpa y una composición de 30 % mol de tolueno, 45 % mol de hidrógeno y 25 % mol de nitrógeno. El hidrógeno se alimenta en exceso para prevenir la coquización. La caída de presión a través del reactor es de 69 kpa. La Figura 1 muestra el diagrama de flujo final del reactor tubular Figura 1. Reactor tubular 4. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Reacción Tipo: Estequiometría: Base: Peng-Robinson Tolueno, hidrógeno, benceno, metano y nitrógeno Cinético Tolueno + Hidrógeno Benceno + Metano La Base para la ecuación cinética es la Presión Parcial; el Componente Base es el tolueno; la fase de la reacción es Vapor y las unidades bases son kpa para la presión, kgmol/h-m 3 para la velocidad de reacción, y ºK para la temperatura. Parámetros Cinéticos La reacción es irreversible. La ecuación cinética es la (2). Al introducir las constantes en HYSYS, los factores pre-exponenciales serán las constantes que aparecen en dicha ecuación y para cada una de ellas se asume una energía de activación de cero 90

93 5. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Abra un nuevo caso y seleccione la ecuación de Peng Robinson y los componentes tolueno, hidrógeno, benceno, metano y nitrógeno Reacción de tipo cinético 2. Para introducir la reacción, haga clic sobre la pestaña Rxns de la ventana Fluid Package: Basis-1 y presione el botón Simulation Basis Mgr que se encuentra a la derecha. Añada los componentes si no lo ha hecho 3. Haga clic sobre el botón Add Rxn y en la ventana desplegada con título Reactions seleccione la opción Kinetic y presione el botón Add Reaction para desplegar la ventana de título Heterogeneous Catalytic Reaction: Rxn-1, que es nombre dado por HYSYS a la reacción que se va a introducir. Figura 2. Estequiometría de la reacción química 4. En la columna Component de la pestaña Stoichiometry, seleccione los componentes que intervienen en la reacción en el orden que aparecen en la reacción química. 5. En la columna Stoich Coeff introduzca los coeficientes estequiométricos de cada uno de los componentes de la reacción asignando signos negativos a los reaccionantes y positivo al producto, comos se muestra en la Figura 2. Observe en el cuadro Balance Error el valor 0.0 si la reacción ha sido introducida correctamente desde el punto de vista estequiométrico y además el calor de la reacción a 25 C 6. Haga clic sobre la pestaña Basis y complétela como se observa en la Figura Para la introducción del numerador de la ecuación cinética, haga clic sobre la pestaña Numerator e introduzca la constante de velocidad de reacción como se observa en el cuadro Forward Reaction y los órdenes relativos a tolueno e 91

94 hidrógeno obsérvelos en la columna Forward Order. La ventana se debe observar como lo muestra la Figura 4 Figura 3. Bases para la cinética de la reacción Figura 4. Numerador de la ecuación de velocidad de reación 8. Para la introducción del denominador de la ecuación cinética, haga clic sobre la pestaña Denominator e introduzca los factores pre-exponenciales, las energías de activación y los ordenes de cada uno de los términos del denominador como lo muestra la Figura 5. 92

95 Figura 5. Denominador de la ecuación cinética 9. Cierre la ventana anterior y sobre la ventana del Administrador básico de la simulación presione el botón Add to FP que se encuentra en el lado inferior izquierdo. 10. Presione el botón Add Set to Fluid Package. Con ello se adiciona la reacción al paquete fluido 11. Presione el botón Return to Simulation Environment para ingresar al ambiente de simulación Corrientes de materia y energía 12. Instale una corriente con el nombre de Alimento con las siguientes especificaciones Temperatura, C 640 Presión, kpa 4053 Flujo molar, kgmol/h 3 Fracción mol Tolueno 0.30 Fracción mol Hidrógeno 0.45 Fracción mol Nitrógeno 0.25 Reactor de flujo pistón 13. Instale un reactor tubular seleccionando el icono de nombre Plug Flow Reactor que se encuentra en la paleta de objetos. Colóquele el nombre de R Llene la página Connections de la pestaña Design de su ventana de propiedades introduciendo la corriente Alimento en el cuadro Inlets y el nombre Producto en el cuadro Outlet 93

96 15. Despliegue la página Parameters e introduzca un valor de 69 kpa, para la caída de presión y asigne un flujo calórico de cero a la corriente de energía, es decir, considere que la operación es adiabática. Observe que se han introducido dos especificaciones 16. Haga clic en la pestaña Reactions. Despliegue el cuadro de título Reaction Set y seleccione el conjunto de reacciones denominado Global Rxn Set. Observe que se han introducido tres especificaciones, a saber: el factor pre-exponencial, la energía de activación y el orden de la reacción. Observe en la banda roja que HYSYS requiere del dimensionamiento del reactor 17. Haga clic en la página Details de la pestaña Reactions y observe la reacción escogida, el balance calórico de cero y la información sobre el calor de reacción positivo, es decir, que es endotérmica 18. Haga clic sobre la pestaña Reactions y despliegue la página Results. Observe el porcentaje de conversión de tolueno alcanzado en la reacción. 19. Seleccione el radio botón Reaction Balance y observe el balance de componentes en la reacción 20. Haga clic en la pestaña Rating y abra la página Sizing para completar las especificaciones del volumen del tubo, la longitud del mismo, el número de tubos, el espesor de pared y la porosidad, como se observa en la Figura 6. Figura 6. Dimensiones y empacado de los tubos 21. En la página Composition de la pestaña Worksheet se puede observar la concentración de la corriente de producto 22. Haga clic en la pestaña Performance y presione el botón Plot que se encuentra en la esquina inferior derecha. Por defecto se observa el perfil de la temperatura a lo largo del reactor tubular. Seleccione otros perfiles sobre la página Conditions y de las otras páginas 94

97 16. BALANCES DE MATERIA 1. OBJETIVOS 1.1. Hacer un balance global de materia entre dos corrientes manteniendo constante el flujo de materia 1.2. Analizar las especificaciones de las corrientes balanceadas y su influencia en sus condiciones 1.3. Verificar algunos cálculos de flujos desarrollados por HYSYS 2. INTRODUCCION HYSYS dispone de una operación lógica para hacer cálculos de balance de materia y energía entre corrientes de un proceso químico. La operación Balance de Masa y la operación Balance de moles desarrollan balances globales de materia donde solamente se conserva el flujo másico o molar entre las corrientes Operación Balance de masa o Mass Balance Esta operación desarrolla un balance global donde solamente se conserva el flujo másico. Una aplicación es el modelamiento de reactores con estequiometría desconocida y disponiendo de los análisis de todos los alimentos y productos. Si se especifican las composiciones de todas las corrientes y el flujo para todas excepto una de las corrientes conectadas, la operación Mass Balance determinará el flujo de la corriente desconocida. Esto es una aplicación muy común en unidades de alquilación, hidrotratadores y otros reactores no estequiométricos. 1. Deben especificarse las composiciones para todas las corrientes 2. El flujo debe especificarse para todas las corrientes excepto una de ellas. HYSYS determinará el flujo de dicha corriente mediante un balance de masa 3. La operación Mass Balance determina las masas equivalentes de los componentes que se han definido para las corrientes de entrada y salida de la operación. 4. Esta operación no traslada presión ni temperatura Operación Mole Balance Esta operación desarrolla un balance global de moles sobre unas corrientes seleccionadas sin hacer balance de energía. Puede usarse para establecer balances de materia en secciones del diagrama de flujo o para transferir el flujo y composición de una corriente de proceso en una segunda corriente. 1. La composición no necesita especificarse en todas las corrientes 2. No tiene consecuencias la dirección del flujo de la corriente desconocida. HYSYS calculará el flujo molar del alimento a la operación basado en lo especificado para los productos o viceversa

98 3. Esta operación no traslada presión ni temperatura 3. CASOS DE ESTUDIO 3.1. BALANCE DE MASA En el siguiente ejemplo todos los componentes de una corriente gaseosa Alimento se convierten a propano puro en la corriente de salida Producto. Seleccione a la ecuación Peng Robinson y los siguientes componentes: metano, etano, propano, i-butano, n- butano, i-pentano, n-pentano, n-hexano, n-heptano y n-octano. Especifique la corriente Alimento de la siguiente manera: Pestaña Worksheet - Página Conditions Nombre Alimento Fracción de vapor 1.0 Temperatura 60 C Presión 4000 kpa Flujo Molar 100 kgmole/hr Pestaña Worksheet - Página Composition (Fracción Mol) Metano Etano Propano i-butano n-butano i-pentano n-pentano n-hexano n-heptano n-octano Especifique la composición de la corriente Producto como 100 % en Propano. Inserte una operación de balance de masa o Mass Balance. En la pestaña Connections de la ventana de propiedades de la operación Balance, introduzca la corriente Alimento como corriente de entrada o Inlet Stream y como corriente de salida o Outlet Stream la corriente Producto. Observe la ventana de propiedades del botón BAL-1 de la Figura 1. Haga clic en la pestaña Parameters y seleccione la opción Masa o Mass como el tipo de balance o Balance Type. El balance resuelto corresponde a la siguiente ecuación: 96

99 m& Alim ento = X p,producto * FProducto * PM Propano Siendo & m A lim ento X p Pr oducto el flujo másico de la corriente Alimento, 3856 lb/h, la fracción molar de propano en el producto, uno el flujo molar de producto desconocido F Pr oducto PM Pr opano el peso mol del propano o lb/lbmol Figura 1. Conexiones al botón de balance de masa La Figura 2 muestra al botón BAL-1 mediante el cual se calculó el flujo molar de la corriente Producto para el mismo flujo másico de la corriente Alimento En el balance global de masa, el flujo másico de la corriente Alimento es igual, es decir, trasladado a la corriente Producto como se observa en la Figura 3. El flujo molar y el flujo volumétrico de líquido son calculados teniendo en cuenta la composición especificada de la corriente Producto (Fracción mol de propano uno) La corriente Producto se encuentra subespecificada. Por qué? Calcule y compruebe el flujo volumétrico. Agregue algunas condiciones para una especificación completa de la corriente Producto. 97

100 Figura 2. Balance global de masa entre dos corrientes 3.2 BALANCE DE MOLES En el siguiente ejemplo, el balance en moles se usará para crear una corriente que tiene la misma composición molar y el mismo flujo de otra corriente pero a una diferente presión y temperatura Abra un nuevo caso seleccionando los componentes metano, etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano, n-pentano, n-hexano y elija a la Ecuación de Peng Robinson para el cálculo de las propiedades. Instale una corriente de nombre Gas e introduzca las siguientes especificaciones Pestaña Worksheet - Página Conditions Nombre Gas. Temperatura 10 C Presión 3930 kpa Flujo Molar 30 kgmole/h Pestaña Worksheet - Página Compositions (Fracción Mol) Metano Etano Propano i-butano n-butano i-pentano n-pentano n-hexano Seguidamente, instale una corriente de material de nombre Rocio sin especificar ninguna información para ella en este punto. Ahora instale una operación Balance y en la pestaña Connections anexe las corrientes como se muestra en la Figura 4. 98

101 Figura 3. Resultados del Balance de masa Figura 4. Conexiones para la Operación balance de moles Haga clic en la pestaña Parameters y seleccione la opción Mole en la sección donde se selecciona el tipo de balance o Balance Type Haga clic en la pestaña Worksheet y observe en la Figura 5, que el Botón BAL-2 ha trasladado los datos correspondientes a los flujos de la corriente Gas a la corriente Rocio y si se despliega la página Composition se observa que también ha trasladado la información sobre las concentraciones. La corriente no muestra 99

102 información de temperatura, presión o fracción de vapor requerida para completar su especificación. Figura 5. Balance de moles entre las corrientes Gas y Rocio Ahora se puede estimar la temperatura de rocío de la corriente Rocio, a una presión especificada (14.7 psia), introduciendo el valor correspondiente para la fracción de vapor (0.00) como se observa en la Figura 6. Figura 6. Determinación de la temperatura de rocío a 14.7 psia Cambie las especificaciones que se requieran para determinar la temperatura de burbuja de la corriente Rocio a una determinada presión. Por qué no son, siempre iguales a la de la corriente Gas? 100

103 17. BALANCES DE CALOR 1. OBJETIVOS 1.1. Calcular el flujo global de calor de varias corrientes de un proceso químico, mediante la opción HEAT del botón BALANCE 1.2. Verificar el resultado del cálculo hecho por el simulador HYSYS 2. INTRODUCCION HYSYS dispone de una operación lógica para hacer cálculos de balance de materia y energía entre corrientes de un proceso químico. La operación Balance de Calor desarrolla balances globales de calor donde solamente se conserva el flujo másico o molar entre las corrientes Operación Heat Balance Esta operación desarrolla un balance global de calor sobre unas corrientes. Puede usarse para establecer balances de calor en secciones del diagrama de flujo o para transferir la entalpía de una corriente de proceso en una segunda corriente. 1. Deben especificarse los flujos de materia y las composiciones para todas las corrientes de materia. El flujo de calor no será trasladado a corrientes que no tengan especificadas las composiciones y el flujo, aún cuando haya solo un flujo de calor desconocido 2. No tiene consecuencias la dirección del flujo de la corriente desconocida. HYSYS calculará el flujo de calor del alimento a la operación basado en lo especificado para los productos o viceversa 3. Esta operación no traslada presión ni temperatura 4. No se puede balancear el calor en una corriente material 3. CASO DE ESTUDIO Abra un nuevo caso, seleccione la Ecuación de Peng Robinson y los componentes metano, etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano y n-pentano. Considere que dos corrientes calientes y dos corrientes frías intercambian calor y se necesita determinar el flujo total de calor al sistema. Instale las corrientes calientes y frías con las siguientes especificaciones Corriente Caliente: Cal-1 Pestaña Design Página Conditions Temperatura 30 C Presión 5000 kpa

104 Flujo Molar Pestaña Design 50 kgmol/h Página Composition (Fracción Mol) Metano 0.95 Etano 0.05 Corriente Caliente: Cal-2 Pestaña Design Página Conditions Temperatura 20 C Presión 5000 kpa Flujo Molar 100 kgmol/h Pestaña Design Página Composition (Fracción Mol) Metano n-butano Etano i-pentano Propano n-pentano i-butano Corriente Fría: Frio-1 Pestaña Design Página Conditions Fracción de vapor 1.0 Presión 2000 kpa Flujo Molar 75 kgmol/h Pestaña Design Página Composition (Fracción Mol) Metano 0.95 Etano 0.05 Corriente Fría: Frio-2 Pestaña Design Página Conditions Fracción de vapor 0.0 Presión 250 kpa Flujo Molar 100 kgmol/h Pestaña Design Página Composition (Fracción Mol) Metano 0.02 Etano

105 Ahora instale el botón Balance, haga clic en la pestaña Connections y anexe las corrientes calientes y frías en la sección de las corrientes de entrada o Inlet Streams y en la sección de las corrientes de salida o Outlet Streams introduzca la corriente de nombre QTotal, como se observa en la Figura 1. Figura 1. Conexiones al botón Balance Haga clic en la pestaña Parameters y en la sección sobre el tipo de balance o Balance Type seleccione la opción calor o Heat como aparece en la Figura 2 Figura 2. Selección del tipo de Balance HYSYS hace los cálculos de balance de calor valiéndose de las propiedades estimadas y haciendo la sumatoria de los flujos calóricos de cada una de las corrientes, es decir mediante la ecuación 103

106 QTotal = 4 i = 1 F i H i Siendo F i el flujo molar de cada una de las cuatro corrientes y Η i la entalpía molar de cada una de ellas. Haga uso de las propiedades estimadas por HYSYS y verifique el resultado reportado como el QTotal de e+07 kj/h 104

107 1. OBJETIVOS 18. BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA 1.1. Calcular el flujo molar de una corriente de proceso enfriada en dos intercambiadores en serie 1.2. Calcular la temperatura de la corriente entre los dos intercambiadores 1.3. Verificar los resultados anteriores con los obtenidos con la operación BALANCE de HYSYS 2. INTRODUCCION Operación Balance La operación Balance es una facilidad de propósito general para desarrollar balances de materia y calor. Solamente requiere los nombres de las corrientes que entran y salen a una operación. Para el Balance General pueden especificarse, también, las relaciones entre los componentes. La operación Balance puede usarse en paralelo con otras unidades para desarrollar balances de materia y energía globales debido a que HYSYS permite que corrientes entren y salgan a mas de una operación. La operación Balance resolverá tanto en direcciones hacia delante como hacia atrás 3. CASO DE ESTUDIO ENFRIADORES EN SERIE Una corriente Alimento que contiene hidrocarburos saturados, nitrógeno y dióxido de carbono a 60 F y 600 psia y de flujo desconocido se quiere enfriar hasta -60 F mediante dos enfriadores en serie, E-100 y E-101. Las cargas calóricas y las caídas de presión en cada uno de los intercambiadores de calor son 1.2x10 6 Btu/h y 5 psi en el E-100 y 5x10 6 Btu/h y 5 psi en el E-101. Se requiere determinar el flujo molar a traves de los enfriadores y la temperatura de la corriente EntradaE-101. La carga calórica en el intercambiador E-100 cumple la ecuación Q F C ( T T ) (18.1) 100 = Alimento* p, Alimento Alimento EntradaE 101 La carga calórica en el intercambiador E-101 cumple con la ecuación Q 101 = FEntradaE 101 * C p, Alimento( TEntradaE 101 TPr oducto (18.2) )

108 El flujo molar a través de los enfriadores es constante y desconocido, y el calor específico se puede asumir que también es constante pero es calculado por HYSYS, mediante la ecuación utilizada en el paquete fluido. Por lo tanto, se tiene un par de ecuaciones con dos incógnitas, a saber, el flujo y la temperatura de la corriente EntradaE-101. HYSYS resuelve este tipo de problema con la opción Mole and Heat Balance Abra un nuevo caso, seleccione a los componentes nitrógeno, anhídrido carbónico, metano, etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano, n-pentano, n-hexano, n-heptano y n-octano y a la Ecuación de Peng Robinson como el paquete de propiedades. CORRIENTE DE ALIMENTACIÓN: Instale una corriente de nombre Alimento con las siguientes especificaciones Pestaña Worksheet Página Conditions Temperatura 60 F Presión 600 psi Pestaña Worksheet Página Composition (Fracción Mol) Nitrógeno CO Metano i-pentano Etano n-pentano Propano n-hexano i-butano n-heptano n-butano n-octano ENFRIADOR E-100: Instale un enfriador de nombre E-100 e introduzca las siguientes especificaciones en la ventana de propiedades. Pestaña Design Inlet Outlet Energy Pestaña Design Caída de presión Carga Calórica Página Conections Alimento EntradaE-101 QE-100 Página Parameters 5 psi 1.2e+06 Btu/hr 106

109 ENFRIADOR E-101 Instale un enfriador de nombre E-101 e introduzca las siguientes especificaciones en su ventana de propiedades Pestaña Design Inlet Outlet Energy Pestaña Design Caída de presión Carga calórica Página Conections EntradaE-101 Producto QE-101 Página Parameters 5 psi 2.5e+06 Btu/hr CORRIENTE ENFRIADA En la ventana de propiedades de la corriente Producto introduzca el valor de -60 F para su temperatura en la pestaña Worksheet de su página Conditions. Se observa que hay insuficiente información para completar los balances de materia y energía. El balance de calor puede completarse, solamente, si se conoce el flujo a través de las corrientes. Sin embargo, esto puede calcularse mediante un balance de materia y calor a través de todo el diagrama de flujo incluyendo las corrientes Alimento, Producto, QE-100 y QE-101. OPERACIÓN MOLE AND HEAT BALANCE Instale una operación Balance y complete las conexiones y parámetros como se muestra en las Figura 1 Figura 1. Conexiones al botón de Balance de moles y calor 107

110 Haga clic en la pestaña Parameters y en la sección Tipo de Balance o Balance Type seleccione la opción Mole and Heat como se observa en la Figura 2. HYSYS inmediatamente ejecutará un balance global de materia y calor. Los resultados obtenidos son los siguientes Figura 2. Selección del tipo de balance Observe que la mayoría de las operaciones unitarias en HYSYS desarrollan el equivalente de un balance de materia y calor, además de sus otros cálculos mas especializados. Si este ejemplo se resolviera sin el Balance de mol y calor, habría la necesidad de especificar el flujo. Cuando se instaló el Balance de mol y calor, se utilizó un grado de libertad y se calcularon los flujos de las corrientes. Verifique estos cálculos El diagrama de flujo final de los dos enfriadores en serie incluido el botón BAL-1 se muestra en la Figura 3. Figura 3. Balance de mol y calor en dos enfriadores en serie 108

111 1. OBJETIVOS 19. BALANCE GENERAL 1.1. Calcular, mediante HYSYS, los flujos y las composiciones desconocidas en un mezclado entre dos corrientes Verificar los resultados reportados por HYSYS en cálculos de balances de materia entre corrientes mezcladas 1.3. Calcular, mediante HYSYS, los flujos globales entre corrientes en las que se conserva el flujo global de materia 1.4. Verificar los resultados reportados por HYSYS en cálculos globales de balances de materia entre corrientes especificadas en composición y flujos 2. INTRODUCCION Operación Balance La operación Balance es una facilidad de propósito general para desarrollar balances de materia y calor. Solamente requiere los nombres de las corrientes que entran y salen a una operación. Para el Balance General pueden especificarse, también, las relaciones entre los componentes. La operación Balance puede usarse en paralelo con otras unidades para desarrollar balances de materia y energía globales debido a que HYSYS permite que corrientes entren y salgan a más de una operación. La operación Balance resolverá tanto en direcciones hacia delante como hacia atrás Operación Balance General La opción General Balance es capaz de resolver problemas de mayor envergadura. Resolverá un conjunto de n ecuaciones con n incógnitas desarrolladas a partir de las corrientes conectadas a la operación. Esta operación, a causa del método de solución, es considerablemente potente para los tipos de problemas que puede resolver. No solo puede resolver flujos y composiciones desconocidas en las corrientes conectadas, sino también relaciones que pueden establecerse entre los componentes en las corrientes. Cuando la operación determina la solución, la relación preestablecida entre los componentes se mantendrá. 1. La operación General Balance resolverá balances de materia y energía independientemente. Es aceptable una corriente de energía como entrada o salida 2. La operación resolverá flujos y composiciones desconocidos y puede tener relaciones especificadas entre componentes en una de las corrientes 3. Las relaciones pueden especificarse en base molar, másica o volumen de líquido

112 3. CASOS DE ESTUDIO 3.1. REFORMADOR DE GAS DE SÍNTESIS Considere un reformador de gas de síntesis cuyo alimento requiere una relación fija entre los componentes metano y agua. La corriente Metano contiene, principalmente, metano y trazas de otros componentes. La corriente Agua contiene agua pura. Las corrientes Metano y Agua se combinan para crear la corriente llamada Alimento. Abra un nuevo caso, seleccione la ecuación Peng Robinson y los componentes metano, monóxido de carbono, dióxido de carbono y agua. Las especificaciones de las corrientes mencionadas anteriormente son: Corriente Metano : 40 C, 7000 kpa kgmol/h, 95 % mol de metano, 0.5 % mol de monóxido de carbono, 4 % mol de dióxido de carbono y 0.5 % mol de agua. Corriente Agua : 200 C, 7000 kpa. 100 % agua Corriente Alimento : 7000 kpa Operación Balance General: Instale la operación Balance, haga clic en la pestaña Connections e introduzca las especificaciones como aparecen en la Figura 1. Figura 1. Corrientes conectadas a la operación Balance General Haga clic en la pestaña Parameters y seleccione la opción General. Haga clic en el botón Add Ratio para desplegar la ventana de título Ratio-1 y modifíquela introduciendo los datos que aparecen en la Figura 2. HYSYS realizará los cálculos correspondientes y completará la operación. Las 110

113 especificaciones resultantes de las corrientes aparecen resumidas en la Figura 3. Figura 2. Relación entre el contenido de agua y metano en la corriente Alimento Figura 3. Resultados de los cálculos de balances generales reportados por HYSYS Observe que las fracciones molares de metano y agua en la corriente Alimento son ambos iguales a , satisfaciendo así la especificación sobre la relación entre ellos El diagrama final de la operación Balance General realizada entre las corrientes consideradas se muestra en la Figura 4. Ejercicios A continuación se observan las ecuaciones que expresan los balances de materia y energía, además de la restricción entre las concentraciones de metano y agua en la corriente Alimento. Haga un análisis de grados de libertad y verifique que el sistema 111

114 se encuentra completamente especificado, lo cual explica el por qué HYSYS desarrolla los cálculos. Compare los resultados obtenido entre sus cálculos y los obtenidos por HYSYS Figura 4. Balance General entre las corrientes Agua, Metano y Alimento Balances de materia y energía y restricciones Balance de agua: F Agua + X Agua Me tan ofme tan o = X Agua Alim ento F Alim ento (19.1) Balance de metano: X Me tan o Me tan o FMe tan o = X Me tan o Me tan o F Alim ento (19.2) Balance de monóxido de carbono: X CO Me tan ofme tan o = X CO Alim ento F Alim ento (19.3) Balance de dióxido de carbono: X 2 F = CO Me tan o Me tan o X CO2 Alim ento F Alim ento (19.4) Balance de energía: 112

115 F Agua h Agua + FMe tan ohme tan o = FA lim entohalim ento (19.5) Relación entre agua y metano en la corriente Alimento X X Agua Alimento Metano Alimento = 1 (19.6) 3.2 COLUMNA DE DESTILACIÓN AZEOTRÓPICA Una mezcla de benceno y ciclohexano es separada en una columna que utiliza acetona como agente de arrastre. Benceno casi puro es producido en el fondo, mientras que una mezcla azeotrópica de acetona y ciclohexano se produce en el tope de la columna. Se quiere determinar la cantidad necesaria de acetona para separar lo suficientemente la mezcla benceno ciclohexano. El cálculo del flujo de acetona requerido, en base a un alimento fijo de benceno y ciclohexano, implica la solución de un conjunto de ecuaciones lineales, lo que significa que puede usarse la opción General Balance. Utilice la ecuación UNIQUAC como modelo de actividad e introduzca las siguientes corrientes Corriente Alimento : El flujo másico y las composiciones especificadas de la mezcla Alimento son 85 kg/h, 51.8 % en masa de benceno y 48.2 % en masa de ciclohexano. Corriente Acetona : La acetona utilizada es pura y solo se especifica su composición. Corriente Azeótropo : El producto de cabeza de la columna se especifica como una mezcla azeotrópica que contiene % en masa de acetona y % en masa de ciclohexano Corriente Benceno : La corriente de fondo de la columna es benceno puro y se especifica solamente su composición. Operación Balance General La operación General Balance desarrollará balances de componentes individualmente, mientras que las operaciones Mole o Mass Balances solamente 113

116 desarrollan balances de flujo globales y no pueden resolver este problema Instale la operación General Balance con Alimento y Acetona como corrientes de entrada o Inlet Streams y Azeótropo y Benceno como corrientes de salida o Outlet Streams. Esta operación no realizará una solución completa pero calcula los flujos másicos de Acetona, Azeótropo y Benceno como se puede observar en el libro de trabajo El flujo másico de acetona requerido es de kg/h. Plantee los balances de materia y verifique los flujos de las corrientes Acetona, Azeótropo y Benceno que aparecen calculados en el libro de trabajo Observe que se si se está usando la opción General Balance de esta forma, se debe borrarla antes de correr la columna El diagrama de las corrientes balanceadas junto con la operación General Balance se muestra en la Figura 5. Figura 5. Balance general para calcular flujos globales de corrientes Por qué las corrientes no están completamente especificadas?. Qué se puede hacer para especificarlas completamente? Ejercicios 1. Escriba las ecuaciones de balances y restricciones, si las hay, y verifique los flujos y las composiciones de las corrientes obtenidos por HYSYS 2. Agregue algunas especificaciones requeridas para especificar completamente las cuatro corrientes 114

117 20. PLANTA DE PRODUCCIÓN DE GAS DE SÍNTESIS 1. OBJETIVOS 1.1. Especificar una reacción de equilibrio 1.2. Construir conjuntos de reacciones y anexarlos a un paquete fluido 1.3. Simular una planta para producir una mezcla de gases para obtener amoníaco 2. INTRODUCCION Los modelos de reactores de equilibrio suministran una mejor descripción que los reactores de conversión en muchos procesos industriales y, además, permiten la realización de cálculos termodinámicos compatibles con las bases de datos de simulación de procesos. Para una reacción sencilla del tipo aa bb cc+ dd + (20.1) La conversión de equilibrio puede determinarse directamente a partir de la ecuación c d ( fc ) ( f D ) Grxn( T) = K = exp a b ( f ) ( f ) RT A B (20.2) Siendo f i, la fugacidad del componente i y, donde para la anterior reacción (1), el cambio de energía libre de Gibbs,, se calcula por la ecuación G rxn G = c G + d G ) ( a G + b G ) (20.3) rxn ( f, C f, D f, A f, B Para reacciones en fase gaseosa a baja presión, la fugacidad puede reemplazarse por las presiones parciales, lo que a su vez permite calcular la constante de equilibrio en términos de la presión total, P, y de la composición, y, de los componentes de la mezcla reaccionante en equilibrio, de acuerdo a la siguiente ecuación

118 KP ( a + b c d ) = ( y ( y C A ) ) c a ( y ( y D B ) ) d b (20.4) 3. PROCESO ESTUDIADO La producción de gas de síntesis es una parte importante e interesante dentro del proceso global de la síntesis de amoníaco. La conversión del gas natural en alimento para una planta de amoníaco es modelada usando tres reacciones de conversión y una reacción de equilibrio. Para facilitar la producción de amoníaco, la relación molar de hidrógeno a nitrógeno en el gas de síntesis se controla en un valor aproximado de 3:1. Esta relación representa las cantidades estequiométricas requeridas de los reaccionantes en el proceso de síntesis de amoníaco. En un proceso de gas de síntesis típico se necesitan cuatro reactores. En el modelo que se construirá, deben usarse cinco reactores debido a que las reacciones de conversión y equilibrio no pueden colocarse en el mismo conjunto de reacciones y, por lo tanto, no se pueden colocar en el mismo reactor. La reacción de combustión se realiza en dos reactores, uno de conversión de nombre R-101 y otro de equilibrio denominado R-102 En esta simulación, un gas natural previamente desulfurizado se alimenta a un primer reactor reformador de tipo conversión, R-100, donde reacciona con vapor de agua, para producir el hidrógeno que se requiere en el gas de síntesis. Las reacciones de reformado del gas natural conforman un conjunto denominado Reformador Rxn Set y su estequiometría es la siguiente: Rxn 1: CH + H Rxn 2 : CH + H 4 + H 2O CO H 2O CO2 4 En la reacción Rxn-1 la conversión del metano es del 40 % mientras que en la reacción Rxn-2 es del 30 % El vapor que se produce en el reactor reformador se alimenta a un segundo reactor de tipo conversión, R-101, donde además de las dos reacciones de reformado, el metano combuste con el oxígeno de una corriente de aire que se alimenta al reactor. La reacción de combustión del metano es la siguiente: 2 Rxn 3 : CH 4 + 2O2 CO2 + 2H 2O El aire es añadido al reactor a un flujo controlado de tal manera que se alcance la relación deseada H 2 / N 2 en el gas de síntesis. El oxígeno del aire es consumido completamente en la reacción de combustión mientras que el nitrógeno inerte pasa a través del sistema. La 116

119 reacción es de una conversión de metano del 100 %. Las reacciones Rxn-1, Rxn-2 y Rxn-3 conforman un conjunto denominado Combustor Rxn Set La adición de vapor sirve para el doble propósito de mantener la temperatura del reactor y asegurar que el exceso de metano contenido en la corriente de gas natural se consume. El tercer reactor es de tipo equilibrio y se incluye para considerar el equilibrio que se establece entre el monóxido de carbono y el agua como reaccionantes y el dióxido de carbono y el hidrógeno como producto, es decir la reacción Rxn 4 : CO + H O CO + H Esta sola reacción conforma el conjunto Equilibrio Rxn Set, debido a que en HYSYS no es aceptable conjuntos de reacciones que incluyan del tipo conversión y del tipo equilibrio En los últimos dos reactores se lleva a cabo la reacción de equilibrio gas de síntesis-agua o Rxn-4, a temperaturas sucesivamente menores para alcanzar una mezcla satisfactoria de hidrógeno - nitrógeno. La Figura 1 muestra el diagrama de flujo final del proceso simulado en este ejercicio Figura 1. Diagrama de flujo de una plante de producción de gas de síntesis 117

120 4. PAQUETE FLUIDO 1. Abra un nuevo caso y seleccione la ecuación de Peng Robinson 2. Seleccione el sistema de unidades Field 3. Seleccione los componentes Metano, agua, monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno Reacciones del modelo 4. Haga clic sobre la pestaña Rxns del Administrador Básico de la Simulación y resione el botón Simulation Basis Mgr para definir las reacciones del modelo 5. Presione el botón Add Comps para añadir los componentes seleccionados a las reacciones del modelo, si no aparecen seleccionados 6. Presione el botón Add Rxn para añadir reacciones a un conjunto que por defecto se denomina Global Rxn Set que se observa dentro del grupo Reaction Sets 7. En la ventana de título Reactions desplegada seleccione el tipo Conversión y presione el botón Add Reaction. HYSYS desplegará una ventana con título Conversión Reaction para especificar una reacción de conversión Rxn-1 8. Para la introducción de la estequiometría de la reacción de reformado del gas natural, de tipo conversión, CH 4 + H 2O CO + 3H 2, especifique los coeficientes de los reaccionantes con coeficientes negativos y los productos con coeficientes positivos. La especificación correcta de la reacción se verifica en el cuadro Balance Error con un valor de cero, como se observa en la Figura 2 9. Haga clic en la pestaña Basis y complete la información como aparece en la Figura 3. Observe que la reacción es de una conversión del 40 % 10. Introduzca la estequiometría de la reacción de reformado del gas natural, de tipo conversión, CH 4 + 2H 2O CO2 + 4H 2 repitiendo el procedimiento descrito desde el punto 7 hasta el 9. HYSYS nombrará la reacción como Rxn-2 dentro del mismo conjunto Global Rxn Set. La reacción es en fase vapor con una conversión de metano del 30 %. 11. Introduzca la estequiometría de la reacción de combustión para el reformado del gas natural, de tipo conversión, CH O2 CO2 + 2H 2O, repitiendo el procedimiento descrito desde el punto 7 hasta el 9. HYSYS nombrará la reacción como Rxn-3 dentro del mismo conjunto Global Rxn Set. La reacción es en fase vapor con una conversión de metano del 100 %. 118

121 Figura 2. Estequiometría de la reacción Rxn-1 del Global Rxn Set 12. Para introducir la reacción de equilibrio CO + H 2O CO2 + H 2 seleccione la opción Equilibrium de la ventana Reactions y especificando su estequiometría de la misma manera que las anteriores. HYSYS nombrará la reacción como Rxn-4 dentro del mismo conjunto Global Rxn Set. Observe que al introducir los coeficientes estequiométricos, la reacción es completamente especificada Por qué? Figura 3. Fase y conversión de la reacción Rxn-1 del conjunto Global Rxn Set 13. Haga clic sobre la pestaña Basis y observe en el cuadro que aparece a la derecha con el título Keq Source que la opción seleccionada, por defecto, es la que dice Gibbs Free Energy 119

122 14. Haga clic sobre la pestaña Keq, lea y explique por qué la reacción está completamente especificada. 15. Despliegue nuevamente la ventana de la pestaña Basis y seleccione las otras opciones que aparecen en el cuadro Keq Source. Explíquese cada una de ellas. Para la simulación elija la opción Gibbs Free Energy Conjuntos de reacciones En HYSYS, cada reactor tiene anexado sólo un conjunto de reacciones. Sin embargo, una reacción puede incluirse en múltiples conjuntos de reacciones. Por lo tanto, solamente se tienen que suministrar tres conjuntos de reacciones para todos los 5 reactores que se denominarán Reformador Rxn Set, Combustor Rxn Set y Equilibrio Rxn Set. 16. En la ventana de la pestaña Reactions del Administrador Básico de la Simulaión presione el botón Add Set para crear el conjunto conformado activamente por las reacciones Rxn-1 y Rxn-2 y denominado Reformador Rxn Set Para ello llene la ventana correspondiente como se observa en la Figura El conjunto Combustor Rxn Set conformado por las reacciones Rxn-1, Rxn-2 y Rxn-3 se construye como se observa en la Figura El conjunto Equilibrio Rxn Set conformado por la reacción Rxn-4 se construye como se observa en la Figura 6 Anexo de los conjuntos de reacciones al paquete fluido 19. En la ventana de la pestaña Reactions del Administrador Básico de la Simulación resalte el conjunto de reacciones Reformador Rxn Set y presione el botón Add to FP 20. En la ventana desplegada de título Add to Fluid Package presione el botón Add Set to Fluid Package. Repita el procedimiento para los otros dos conjuntos de reacciones 5. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO REACTOR REFORMADOR El Reformador es un reactor de conversión, en el que la mayoría del metano reacciona con vapor para producir hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono. El gas de salida también contendrá el exceso de metano sin reaccionar y el exceso de vapor de agua. La conversión global de las dos reacciones en el Reformador es 70 %. La reacción Rxn-1, que produce monóxido de carbono e hidrógeno tiene una conversión del 40 %, mientras que la reacción Rxn-2 tiene una conversión del 30 %. 120

123 Figura 4. Conjunto de reacciones Reformador Rxn Set Figura 5. Conjunto de reacciones Combustor Rxn Set Corrientes 1. Hay dos corrientes de alimentación al primer reactor, nombradas como Gas y Vapor. La primera es metano puro y la segunda es vapor de agua puro. Introduzca para ellas las siguientes especificaciones Nombre Gas Vapor Temperatura, F Presión, psia 500 Flujo Molar, lbmol/h

124 Figura 6. Conjunto de reacciones Equilibrio Rxn Set 2. Para controlar que la presión del vapor de agua sea igual a la del gas natural, introduzca un botón lógico Set que establezca dicha relación llenando dicho botón como lo indica la Figura 7. Botón SET-1 Figura 7. Especificación de igualdad de presiones entre Gas y Vapor Reactor de conversión 3. Haga clic sobre el icono de nombre General Reactors que se encuentra en la paleta de objetos para desplegar una pequeña ventana que contiene los iconos de tres tipos de reactores, adicionales, incluidos en HYSYS. Seleccione el icono de nombre Conversión Reactor y nómbrelo como R

125 4. En la página Connections de la pestaña Design introduzca las siguientes especificaciones Inlets Energy Vapor Outlet Liquid Outlet Gas, Vapor Qr Vr Lr 5. Haga clic sobre la pestaña Reactions y en la página Details seleccione en conjunto Reformador Rxn Set en el cuadro desplegable de título Reaction Set. Observe a la derecha que se pueden desplegar y ver las dos reacciones que conforman este conjunto. 6. Las dos reacciones en el Reformador son endotérmicas, de tal manera que el calor debe suministrarse al reactor para mantener su temperatura. Especifique la temperatura de la corriente Vr con un valor de 1700 F para que con ella HYSYS calcule el calor requerido. 7. En la página Parameters de la pestaña Design seleccione el radio botón Heating REACTOR DE COMBUSTIÓN El segundo reactor de conversión es el de Combustión que se alimenta con el producto del Reformador y las corrientes Aire y VaporC. El aire es la fuente del nitrógeno para la relación de H 2 / N 2 requerida para la síntesis del producto final. El oxígeno del aire es consumido en la combustión del metano. Cualquier remanente de metano se elimina mediante su reacción con el vapor que entra. Corrientes 8. Hay tres corrientes de alimentación al segundo reactor a saber. el vapor que proviene del Reformador, vapor de agua denominado VaporC y el aire denominado con el mismo nombre. nombradas como Gas y Vapor. Introduzca las siguientes especificaciones para las corrientes VaporC y Aire Nombre VaporC Aire Temperatura, F Presión, psia Flujo Molar, lbmol/h Fracción mol Agua 1.00 Fracción mol Nitrógeno 0.79 Fracción mol Oxígeno

126 9. Para controlar que la presión de las corrientes de vapor de agua, VaporC y aire, Aire, sean iguales a la del gas natural, introduzca un botón lógico Set que establezca dichas relaciones llenando dichos botones en forma similar a lo realizado para la Figura 7. Botones SET-2 y SET-3 Reactor de conversión 10. Haga clic sobre el icono de nombre General Reactors que se encuentra en la paleta de objetos para desplegar una pequeña ventana que contiene los iconos de tres tipos de reactores, adicionales, incluidos en HYSYS. Seleccione el icono de nombre Conversión Reactor y nómbrelo como R En la página Connections de la pestaña Design introduzca las siguientes especificaciones Inlets Energy Vapor Outlet Liquid Outlet VaporC, Aire, Vr Qc Vc Lc 12. Haga clic sobre la pestaña Reactions y en la página Details introduzca en conjunto Combustor Rxn Set en el cuadro desplegable de título Reaction Set. Observe a la derecha que se pueden desplegar y ver las tres reacciones que conforman este conjunto. HYSYS automáticamente ordena las tres reacciones en el conjunto Combustor Rxn Set. Como el agua es un producto en la reacción de combustión (Rxn-3) y es un reaccionante en las dos reacciones de reformado (Rxn-1 y Rxn-2), HYSYS coloca a la reacción de combustión de primero y le da una colocación igual a las reacciones de reformado. Con este ordenamiento, procede primero la reacción de combustión hasta que se haya alcanzado la conversión especificada o agotado el reactivo límite. Las reacciones de reformado proceden, entonces, de acuerdo al metano remanente. 13. En la página Parameters de la pestaña Design seleccione el radio botón Heating. 14. Haga clic sobre la pestaña Reactions y despliegue la página Details. Seleccione el radio botón Conversión %. En el cuadro desplegable Reaction seleccione Rxn-1 y digite 35 % como la conversión de esta reacción en este reactor. De igual manera, introduzca las conversiones de 65 % para Rxn-2 y 100 % para Rxn-3 REACTORES DE SÍNTESIS Los tres reactores de síntesis son reactores de equilibrio dentro de los cuales ocurre la reacción entre el gas de síntesis y el agua. En el reactor de equilibrio R-102, la reacción de 124

127 síntesis que se lleva a cabo es la que ocurriría con las reacciones en el reactor de combustión R-101. Debe utilizarse un reactor separado en el modelo porque las reacciones de conversión y las de equilibrio no se pueden combinar dentro de un conjunto de reacciones. Reactor de equilibrio R Instale un reactor de equilibrio haciendo clic en el icono General Reactors que se encuentra en la paleta de objetos. En la pequeña ventana desplegada, seleccione el icono Equilibrium Reactor y nómbrelo como R En la página Connections de la pestaña Design introduzca las siguientes especificaciones Inlets Vapor Outlet Liquid Outlet Vc Ve2 Le2 17. Haga clic sobre la pestaña Reactions y en la página Details seleccione en conjunto Equilibrio Rxn Set en el cuadro desplegable de título Reaction Set. Observe a la derecha que se puede desplegar y ver la reacción que conforma este conjunto. Reactor de equilibrio R Instale el segundo reactor de equilibrio con el nombre de R En la página Connections de la pestaña Design introduzca las siguientes especificaciones Inlets Energy Vapor Outlet Liquid Outlet Ve2 Qe3 Ve3 Le3 20. Haga clic sobre la pestaña Reactions y en la página Details seleccione en conjunto Equilibrio Rxn Set en el cuadro desplegable de título Reaction Set. Observe a la derecha que se puede desplegar y ver la reacción que conforma este conjunto. 21. Despliegue la página Parameters de la pestaña Design y seleccione el radio botón Cooling 125

128 22. Haga clic en la pestaña Worksheet y en la página Conditions digite 850 F como la temperatura de la corriente Vr3. HYSYS resolverá el módulo y calculará el calor requerido para el enfriamiento Reactor de equilibrio R Instale el tercer reactor de equilibrio con el nombre de R En la página Connections de la pestaña Design introduzca las siguientes especificaciones Inlets Energy Vapor Outlet Liquid Outlet Ve3 Qe4 Gas de Síntesis Le4 25. Haga clic sobre la pestaña Reactions y en la página Details seleccione en conjunto Equilibrio Rxn Set en el cuadro desplegable de título Reaction Set. Observe a la derecha que se puede desplegar y ver la reacción que conforma este conjunto. 26. Despliegue la página Parameters de la pestaña Design y seleccione el radio botón Cooling 27. Haga clic en la pestaña Worksheet y en la página Conditions digite 750 F como la temperatura de la corriente Gas de Síntesis. HYSYS resolverá el módulo y calculará el calor requerido para el enfriamiento 6. AJUSTE DE CONDICIONES DE OPERACION Ajuste del Flujo de vapor Para controlar la temperatura de la reacción de combustión, se ajusta el flujo de vapor alimentado para la reacción de combustión. Como esta etapa es modelada en dos reactores separados, se decide ajustar el flujo molar de la corriente VaporC para alcanzar el objetivo (target) de una temperatura de 1700 F en el primer reactor de equilibrio, R Instale un botón lógico de ajuste Adjust y llénelo como indica la Figura Presione el botón Start y espere hasta que HYSYS encuentre la solución Ajuste del Flujo de aire Para controlar la relación molar entre el hidrógeno y el nitrógeno en el Gas de síntesis, se necesita calcular la relación en una hoja de cálculo y entonces utilizar una operación de 126

129 ajuste de variables. El Gas de síntesis debería tener una relación molar de hidrógeno a nitrógeno ligeramente mayor que 3:1. Antes de entrar a la planta de amoníaco, el hidrógeno es utilizado para eliminar del gas de síntesis cualquier remanente de CO y CO Haga clic sobre el icono Spreadsheet que se encuentra en la paleta de objetos y nómbrela como Relación H2/N2 31. Importe a la celda A1 la variable Flujo molar de hidrógeno en la corriente Gas de Síntesis y a la celda A2 el Flujo molar de hidrógeno en la misma corriente. La ventana desplegada por defecto de la hoja de cálculo se observará como lo muestra la Figura 9 Figura 8. Ajuste del flujo de VaporC para el control de temperatura de R Haga clic en el botón Spreadsheet Only, seleccione la celda B4 y digite la fórmula +A1/A2 para calcular la relación entre los flujos molares de hidrógeno y nitrógeno 33. Haga clic en la pestaña Parameters y en la columna Variable Name digite el nombre Relación H2/N2. La ventana se observará como lo muestra la Figura 10 Se hace necesario crear una corriente ficticia ( dummy stream ) para exportar la relación creada en la hoja de cálculo. Para hacer esto proceda de la siguiente manera: 34. Instale una corriente con el nombre de Dummy Stream 127

130 Figura 9. Hoja de cálculo Relación H2/N2 Figura 10. Nombre de la variable introducida en la celda B4 35. Haga clic en la pestaña Connections de la ventana de la hoja de cálculo y presione el botón Add Export para exportar la relación calculada en B4 como el flujo molar de la corriente ficticia Dummy Stream. Presione OK cuando haya seleccionado el objeto y la variable a exportar. Si es necesario, selecciona la celda B4 en la columna encabezada con el título Cell. Observe la Figura

131 36. Instale un botón lógico Adjust para ajustar el flujo molar de la corriente Aire para lograr como objetivo (target) que el flujo de la corriente ficticia Dummy Stream sea de 3.00 lbmol/h. 37. Presione el botón Start y espere hasta que HYSYS encuentre una solución Figura 11. Exportación de la relación al flujo molar de la corriente ficticia Figura 12. Ajuste del flujo de aire para una relación de tres entre hidrógeno y nitrógeno 129

132 7. CASOS DE ESTUDIO 1. Haga algunos cambios de operación en cualquier parte del proceso para conseguir un gas de síntesis de mayor concentración en nitrógeno 2. Compruebe las conversiones fijadas en cada uno de los reactores de conversión 3. Observe las concentraciones de las corrientes de salida en los reactores de equilibrio si se encuentran en los valores correspondientes al estado de equilibrio de la reacción 130

133 1. OBJETIVOS 21. PLANTA DE ENFRIAMIENTO DE UN GAS 1.1. Simular, en estado estacionario, una versión simplificada de una planta de enfriamiento de un mezcla de hidrocarburos gaseosa 1.2. Ajustar la temperatura la corriente de alimento a un separador de fases al valor del punto de rocío de otra corriente a una determinada presión 1.3. Especificar un intercambiador de calor de carcasa y tubos para completar sus grados de libertad 1.4. Analizar relaciones entre variables del proceso mediante la opción Databook del HYSYS 2. INTRODUCCION En este ejercicio se modelará una versión simplificada de una planta de gas refrigerada. Una mezcla gaseosa que contiene hidrocarburos, agua, sulfuro de hidrógeno, nitrógeno y dióxido de carbono a 15 C y 6200 kpa se enfría hasta conseguir condensarlo completamente a una temperatura de C. Se utiliza como medio enfriante una fracción fría del mismo alimento que es recirculada para extraer calor del vapor en un intercambiador de calor. Después de un segundo enfriamiento, dicho vapor se condensa parcialmente, la mezcla de dos fases se separa, se recoge el líquido como el producto enfriado y se aprovecha el vapor para el primer enfriamiento. Grados de libertad de un intercambiador de calor incluyendo su configuración Las variables del sistema son las 4(C + 2) de las cuatro corrientes de materia, el flujo calórico intercambiado entre ellas y las dos variables de dimensionamiento del intercambiador (coeficiente global y área de transferencia de calor), es decir, 4C Las ecuaciones del sistema son C balances de materia, C igualdades en concentraciones en ambas corrientes intercambiando calor, un balance de energía y una ecuación de diseño, es decir, 2C +2. Las variables de diseño son, por lo tanto, 2C + 9 Si se especifican las dos corrientes de entrada, se reducen a cinco los grados de libertad requeridos para especificar completamente al intercambiador. HYSYS, en su ventana de propiedades, asiste para la introducción de estas cinco especificaciones faltantes. 3. PROCESO ESTUDIADO La corriente Alimento a 15 C y 6200 kpa, se somete a una separación de fases, en el recipiente V-100, incluido para eliminar la posible formación de condensado. El vapor VaporV-100 se enfría en dos intercambiadores en serie, E-100 y E-101, condensando una fracción de dicho vapor. La mezcla líquido-vapor, LiquidoVapor, a una temperatura de y 6130 kpa C se separa en el recipiente V-101, recogiéndose el líquido como el producto enfriado y el vapor se recircula como medio enfriante en el intercambiador E-100. El intercambiador E-101 es un enfriador de especificaciones

134 simplificadas disponible en HYSYS. Un objetivo de la simulación es ajustar la temperatura de la corriente, LiquidoVapor, que alimenta al separador V-101 a la temperatura de rocíode la corriente Vapor. El punto de rocío de la corriente gaseosa producto Vapor no debe exceder de 15 C a 6000 kpa. Una operación Balance se utilizará para evaluar el punto de rocio del producto gaseoso Vapor a 6000 kpa. 4. PAQUETE FLUIDO COMPONENTES: Nitrógeno, Sulfuro de Hidrógeno, Dióxido de carbono, Metano, Etano, Propano, i-butano, n-butano, i-pentano, n-pentano, n-hexano, Agua y C7+ (Hipotético, Temperatura de ebullición Normal 110 C, (230 F)) ECUACION: Peng-Robinson REACCIONES: No hay SISTEMA DE UNIDADES: SI 5. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO Corriente de alimentación: Instale la corriente de nombre Alimento e introduzca en su ventana de propiedades las siguientes especificaciones: Nombre: Alimento Temperatura: 15 C (60 F) Presión: 6200 kpa (900 psia) Flujo Molar: 1440 kgmole/hr (3175 lbmole/hr) Composición (Fracción Molar: N H 2 S CO C C C i-c n-c i-c n-c C C H 2 O 0 Separador de fases V-100: Instale un separador de fases seleccionándolo de la paleta de objetos, colóquele nombre V-100, e introduzca la siguiente información en la ventana de la página Connections de su pestaña Design Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet Alimento VaporV-100 Residuo 132

135 Enfriador E-100: Instale un intercambiador de calor de carcasa y tubo haciendo un doble clic en el icono Heat Exchanger que se encuentra en la paleta de objetos, colóquele nombre E-100 e introduzca la información que aparece en las páginas Connections, Figura 1, y Parameters, Figura 2, de la pestaña Design de su ventana de propiedades. El modelo para el cálculo del intercambiador de calor es el ponderado o Weighted porque es el disponible solo para intercambiadores en contracorriente. El modelo de cálculo se selecciona en el cuadro Heat Exchanger Model de la página Parameters. Cuántas especificaciones se requieren para que el intercambiador converja satisfactoriamente? Figura 1. Corrientes en el intercambiador E-100 Especificaciones adicionales en el enfriador E-100: Se introducirá como especificación adicional que la aproximación mínima global entre las temperaturas en el intercambiador E- 100 sea de 5 C. Para ello despliegue la página para completar las especificaciones del intercambiador o Specs y se desplegará la ventana que aparece en la Figura 3. Es necesario que se desactive la especificación UA haciendo clic en la caja de verificación Active para dicha especificación. El simulador por defecto especifica un Heat Balance = 0 que es necesario asegurar para el cumplimiento de los balances de calor y, por lo tanto, no se necesita suministrarla. Presione el botón Add para añadir las especificaciones necesarias para completar los grados de libertad y el simulador pueda resolver al intercambiador de calor. La ventana de especificación del intercambiador se desplegará y por defecto aparece para añadir una especificación de diferencia de temperaturas entre dos corrientes. En el cuadro desplegable Type seleccione la opción MinApproach e introduzca la especificación como aparece en la Figura 4. Observe en la Figura 3 que la especificación añadida se ha fijado como activa verificando el cuadro en la columna Active. Observe el flujo del gas enfriado que sale del intercambiador E

136 Figura 2. Parámetros especificados en el intercambiador E-100 Figura 3. Ventana para agregar las especificaciones en el intercambiador E-100 Enfriador GG-2: Instale un intercambiador de calor de especificaciones simplificadas haciendo un doble clic en el icono Cooler que se encuentra en la paleta de objetos, colóquele nombre E-101 e introduzca la información que aparece a continuación Pestaña Design: Página Connections Nombre E-101 Inlet SalidaE

137 Outlet Energy Pestaña Design: Delta P LiquidoVapor Q2 Página Parameters 35 kpa (5 psia) Figura 4. Especificación de la mínima aproximación de temperatura entre las corrientes en el intercambiador E-100 Separador de fases V-101: Instale un separador de fases, asígnele como nombre V-101 e introduzca la siguiente información en su ventana de propiedades Pestaña Design: Página Connections Nombre V-101 Inlets LiquidoVapor Vapour Outlet VaporV-101 Liquid Outlet Liquido La temperatura del alimento al separador de fases V-101, se variará utilizando la operación Ajuste para hallar una temperatura en la cual se cumpla la restricción de que se encuentre en su punto de rocío. Por el momento, especifique que la temperatura de la corriente LiquidoVapor es de 20 C (- 4 F), Por qué converge satisfactoriamente la planta de refrigeración? Cuál es la presión y la temperatura de la corriente producto gaseoso Vapor? y 135

138 ESTIMACIÓN DE LA TEMPERATURA DE ROCÍO DE LA CORRIENTE VAPOR Se quiere estimar el punto de rocío de la corriente Vapor a una presión de 6000 kpa (875 psia). Para ello se introduce un botón Balance que conecte a dicha corriente con otra de nombre VaporRocio y que se especifica de la siguiente manera: Página Connections: Inlet Streams Outlet Streams Página Parameters: Pestaña Connections Vapor VaporRocio Pestaña Parameters Balance Type Mole En la página Conditions de la pestaña Worksheet especifique una presión de 6000 kpa (875 psia) a la corriente VaporRocio y asigne el valor de la fracción de vapor correspondiente a temperatura de punto de rocío, es decir uno (1.0) Cuánto es la temperatura de rocio de la corriente Vapor? La temperatura de rocío requerida es de 15 C. El obtenido a 6000 kpa es mayor o menor? Asumiendo que se fija la presión, Qué otro parámetro afecta a la temperatura de rocío? Cómo se puede cambiar la temperatura de rocío en la simulación? AJUSTE DE LA TEMPERATURA DE LA CORRIENTE LIQUIDOVAPOR QUE ALIMENTA AL SEPARADOR V-101 Un objetivo de la simulación es alimentar al separador de fases V-101 a una temperatura correspondiente al punto de rocío de la corriente Vapor a 6000 kpa, es decir, C. Para ello se introduce un botón de ajuste y se despliega su ventana de propiedades para la introducción de sus especificaciones En la página Connections de la pestaña del mismo nombre, seleccione la variable a ajustar presionando el botón Select Var... en el grupo Adjusted Variable para abrir el navegador de variables o Variable Navigator. De la lista de objetos u Object seleccione la corriente LiquidoVapor. De la lista de variables o Variable que está ahora visible seleccione la temperatura y presione OK para aceptar la variable y regresar a la vista de propiedades del botón de ajuste. 136

139 Para seleccionar la variable objetivo presione ahora, el botón Select Var... en el grupo Target Variable para desplegar la ventana Select Target Variable for ADJ-1, seleccione VaporRocio en la lista de objetos u Object y Temperatura en la lista de variable o Variable y presione OK para aceptar la variable y regresar a la vista de propiedades del botón de ajuste. Escribe el valor de C en el cuadro Specified Target Value. Abra la página Parameters, mantenga los parámetros que aparecen por defecto y presione el botón Start para empezar los cálculos. Para observar el progreso de la operación ajuste abra la pestaña Monitor. La Figura 5 muestran las especificaciones introducidas para la operación de ajuste Cuánto es la temperatura de la corriente de salida del E-100 para alcanzar la especificación del punto de rocío? El diagrama de flujo final de la planta de gas refrigerada incluyendo las operaciones Balance y Adjust se muestra en la Figura 6. Figura 5. Ventana de especificaciones del botón de ajuste Dimensionamiento y desempeño del intercambiador E-100 HYSYS estima un dimensionamiento y configuración para este tipo de intercambiador de carcasa y tubo 1. Despliegue la ventana de propiedades del intercambiador y haga clic en la pestaña Rating y observe el dimensionamiento global en cuanto a configuración de la unidad y la información calculada sobre la geometría y el coeficiente global de transferencia que HYSYS está proponiendo 137

140 Figura 6. Diagrama de flujo de una planta de enfriamiento de gas 2. Haga clic sobre el radio botón Shell y observe la información sugerida por HYSYS sobre el banco de tubos, la carcasa y los bafles 3. Haga clic sobre el radio botón Tube y observe la información sugerida por HYSYS sobre las dimensiones y las propiedades de los tubos 4. Haga clic sobre la pestaña Performance y observe en la página Details información global y detallada sobre el desempeño del intercambiador 5. Haga clic sobre la página Plots y observe el gráfico de Flujo calórico versus Temperatura de las corrientes que intercambian calor a través del intercambiador 6. Despliegue el cuadro Plot Type y observe los diferentes gráficos que muestran el desempeño del intercambiador 7. Haga clic sobre la página Tables y observe la información numérica correspondiente al perfil de las corrientes por carcasa y tubo 8. Haga clic en la pestaña Worksheet y observe las condiciones de las corrientes de entrada y salida y verifique que se cumplen las especificaciones introducidas para la simulación de la operación del intercambiador CASO DE ESTUDIO: Variación de la temperatura de la corriente VaporRocío debida a cambios en la temperatura de la corriente LiquidoVapor La herramienta Case Study de HYSYS permite monitorear la respuesta en estado estacionario de variables de proceso claves ante cambios en otras variables en el proceso. Se seleccionan las variables independientes a cambiar y las variables dependientes a monitorear. HYSYS varia las variables independientes al mismo tiempo y con cada cambio calcula los valores de las variables dependientes. En vez de utilizar la operación Ajuste para hallar la temperatura de la corriente LiquidoVapor requerida para alcanzar el punto de rocío del producto gaseoso Vapor se 138

141 puede utilizar la herramienta Case Study para examinar un intervalo de valores de temperaturas de la corriente LiquidoVapor y de temperaturas de punto de rocío. Antes de instalar el Case Study, el botón Ajuste tiene que desactivarse de tal manera que no cause conflictos con el Case Study. Para ello abra la ventana de propiedades del botón Ajuste, señale el cuadro de verificación correspondiente a la opción Ignored y cierre la ventana Del menú Tools seleccione la opción Databook, para abrir su ventana de especificaciones. En la página Variables presione el botón Insert para abrir la ventana Variable Navigator. Seleccione LiquidoVapor de la lista de objetos u Object y Temperatura de la lista de variables y presione OK para completar la selección de la primera variable. Repita la operación anterior para seleccionar la temperatura de la corriente VaporRocio como la segunda variable. Observe la Figura 7 En la ventana Databook, haga clic en la página Case Studies y presione el botón Add para añadir un nuevo caso de estudio. Seleccione la Temperatura de LiquidoVapor como la variable independiente y la temperatura de VaporRocio como la variable dependiente. Observe la Figura 8 Figura 7. Selección de variables para el caso de estudio Presione el botón View... para completar la información para el caso de estudio. Ingrese los valores para el límite inferior (Low Bound), límite superior (High Bound) y tamaño del paso (Step Size) de 25 C (- 20 F), 5 C (10 F) y 5 C (10 F) respectivamente. Presione el botón Start para empezar los cálculos. Observe la Figura 9. Para observar los resultados en forma gráfica o numérica, presione el botón Results y escoja la opción Graph o Table, Observe los resultados gráficos en la Figura

142 Habiendo terminado el estudio de caso, active la operación Adjust eliminando la verificación en la opción Ignored en la página Parameters de la operación Figura 8. Selección de las variables independiente y dependiente Figura 9. Especificaciones del intervalo de valores a analizar Figura 10. Resultados gráficos del caso de estudio 140

143 22. COLUMNA DE DESTILACION SIMPLIFICADA 1. OBJETIVOS 1.1. Especificar en forma simplificada una columna de destilación 1.2. Estimar un tamaño y desempeño simplificado de una columna de destilación mediante el procedimiento de Fenske-Underwood-Gililand 2. INTRODUCCION Uno de los procedimientos mas usualmente utilizados para obtener estimativos simplificados de número de etapas teóricas requeridas en una separación por destilación es el propuesto por Fenske, Underwood y Gililand. Correlación de Gililand Gililand (1950) desarrolló una correlación empírica para estimar el número de etapas teóricas requeridas en una destilación, en función del número mínimo de etapas a reflujo total, N m, la relación de reflujo mínimo, R m, y la relación de reflujo de operación, R. Posteriormente, H. E. Eduljee, desarrolló una ecuación ajustada a la correlación gráfica de Gililand que fue publicada en la revista Hydrocarbon Processing de Septiembre de 1975 y que tiene la siguiente forma: N N m R R = N + 1 R + 1 m (22.1) Ecuación de Fenske para calcular el número mínimo de platos Para sistemas de volatilidad relativa constante, α, Fenske demostró una ecuación para el número mínimo de etapas a reflujo total en una columna de destilación. Para una mezcla multicomponente, la ecuación de Fenske se expresa en términos de las concentraciones en el destilado, D, y en los fondos, W, de los componentes escogidos como clave liviano, LK y clave pesado, HK, y, además, de la volatilidad relativa del componente clave liviano con respecto a la del clave pesado. La ecuación de Fenske es N m X D, LK X W, HK ln X D, HK X W, LK = (22.2) ln α LK / HK

144 Escogiendo los componentes claves, especificando sus concentraciones o fracciones de recuperación en el destilado y eligiendo una presión en el tope de la columna para el cálculo de la volatilidad relativa del componente clave liviano con respecto al clave pesado se puede calcular el número mínimo de etapas con la ecuación (22.2). Conocido éste se pueden calcular las concentraciones o recuperaciones para los otros componentes con sus respectivas volatilidades con respecto al clave pesado con la misma ecuación Ecuaciones de Underwood para calcular la relación de reflujo mínimo Para mezclas multicomponentes con volatilidad relativa constante, la relación de reflujo mínimo en una columna de destilación puede calcularse mediante dos ecuaciones demostradas por Underwood Para el caso de separaciones puntuales, la primera ecuación (22.3) se utiliza para calcular la variable θ, y se toma como solución el valor que se encuentre entre las volatilidades relativas del componente clave liviano y el componente clave pesado n i= 1 α i X i, F = 1 q α θ i (22.3) Siendo n, el número de componentes en la mezcla y q, es la condición o calidad del alimento La segunda ecuación de Underwood (22.4) utiliza el valor de θ, calculado con la ecuación (3) para estimar la relación de reflujo mínimo. n i= 1 α i X i, D = 1 + R α θ i m (22.4) Una solución exacta de este par de ecuaciones requiere de un procedimiento de ensayo y error Relación de reflujo de operación Hay una relación de reflujo óptimo para una separación deseada, porque cuando es mayor que la mínima disminuye el número de etapas requeridas y, por lo tanto, el costo de la columna pero se aumenta el flujo de la fase vapor a través de la columna, lo que aumenta los costos del condensador, rehervidor, agua de enfriamiento y vapor de calentador La experiencia ha demostrado que el valor óptimo de la relación de reflujo se encuentra en un intervalo dado por 142

145 1.03 / R < 1.3 < R m (22.5) Una regla de diseño sugiere que se asigne, para una separación deseada, una relación de reflujo de 1.2 veces la mínima 3. DESEMPEÑO SIMPLIFICADO DE UNA COLUMNA DE DESTILACION HYSYS dispone de una columna de destilación simple con reflujo denominada Short Cut Distillation que es calculada con el procedimiento corto de Fenske-Underwood-Gililand. Con la ecuación de Fenske se calcula el número mínimo de platos para una separación deseada expresada en términos de las fracciones de recuperación de los componentes claves y de las presiones en el tope y en fondo de la columna y con la ecuación de Underwood se calcula el reflujo mínimo conociendo la especificación completa del alimento. Especificando una razón de reflujo para la operación de la columna se calculan los flujos de vapor y líquido en las secciones de rectificación y agotamiento, las cargas calóricas en condensador y rehervidor, el número de platos ideales y la localización óptima del plato de alimentación. Short Cut Distillation es solamente un estimativo del comportamiento de la columna y está restringida a columnas simples con reflujo. Para resultados más reales debe usarse la operación Distillation Column rigurosa. Esta operación puede suministrar estimativos iniciales para la mayoría de las columnas simples. Simulación de una columna depropanizadora de una mezcla de hidrocarburos 1. Abra un nuevo caso y defina el siguiente paquete fluido a. Ecuación: Peng Robinson b. Componentes: C 2, C 3, i-c 4, n-c 4, i-c 5, n-c 5 y n-c 6 c. Unidades: Field 2. Instale una corriente con el nombre Alimento con las siguientes especificaciones a. Temperatura: 200 F b. Presión: 100 psia c. Flujo: 1300 lbmole/h d. Composición (Fracción Molar) i. Etano ii. Propano iii. i-butano iv. n-butano v. i-pentano vi. n-pentano vii. n-hexano

146 3. Haga clic sobre el icono de nombre Shortcut Column que se encuentra en la paleta de objetos y observe que la cruz verde en su parte superior se ha activado. Haga clic sobre ella y se instalará la columna de destilación simplificada y se desplegará su ventana de propiedades 4. En la página Connections de su pestaña Design conecte las corrientes de entrada y salida y las corrientes de energía como lo indica la Figura 1. Figura 1. Corrientes de materia y energía conectadas a la columna 5. Haga clic para desplegar la página Parameters seleccione al propano como el componente clave liviano y al i-butano como el componente clave pesado, introduczca las especificaciones requeridas en los grupos Components y Pressures. Observe, Figura 2, que HYSYS inmediatamente calcula la relación de reflujo mínimo mediante la ecuación de Underwood. 6. Haga clic, sobre la pestaña Peformance para que observe, Figura 3, que HYSYS ha calculado el número mínimo de etapas, mediante la ecuación de Fenske, y las correspondientes temperaturas de rocío, en el condensador, y de burbuja, en el rehervidor. 7. Introduzca un valor de 1.5 en el cuadro External Reflux Ratio del grupo Reflux Ratios de la página Parameters. Observe, Figura 4, que con esta especificación HYSYS completa los cálculos de algunos parámetros que expresan el desempeño de la columna como el número de etapas y los flujos materiales y calóricos requeridos en la operación de la columna 144

147 8. Haga clic sobre la pestaña Worksheet y observe las especificaciones de las corrientes Destilado y Fondos. Se cumplen las especificaciones introducidas con respecto a las concentraciones de los componentes claves? Figura 2. Estimación de la Relación de Reflujo Mínima Figura 3. Número mínimo de etapas y temperaturas de rocío y burbuja El diagrama de flujo final de la columna de destilación es el que se observa en la Figura CASOS DE ESTUDIO 4.1. Estime las concentraciones de destilado y fondos y compare sus resultados con los reportados por HYSYS 145

148 4.2. Utilice la ecuación de Fenske para verificar el cálculo del número de etapas mínimo requerido en la operación de la columna 4.3. Utilice la ecuación de Underwood para verificar la relación de reflujo mínima requerida en la operación de la columna 4.4. Utilice la correlaión de Eduljee para verificar el cálculo del número de etapas reales requeridos en la operación de la columna Figura 4. Cálculo simplificado de la operación de una columna de destilación Figura 5. Diagrama de flujo de la columna de destilación 146

149 23. COLUMNA DESPOJADORA DE AGUA ACIDA 1. OBJETIVOS 1.1. Simular, en estado estacionario, una columna de destilación rigurosa 1.2. Especificar una columna de destilación rigurosa para completar sus grados de libertad 1.3. Analizar relaciones entre variables del proceso mediante la opción Databook del HYSYS 2. INTRODUCCION Una columna de destilación requiere, además de su alimentación, de la instalación de un rehervidor y un condensador. En el rehervidor se suministre el calor requerido para producir el vapor que sube a lo largo de la columna y en el condensador se extrae el calor necesario para que el vapor que emerge por el tope sea condensado. HYSYS dispone de tres columnas de destilación rigurosa con rehervidor parcial que se diferencian en el tipo de condensador. En una columna de destilación con condensador total, el vapor de tope se transforma completamente en líquido en su punto de burbuja y este, a su vez, se divide en dos fracciones de reflujo y destilado parte de este es recirculado a la columna y la otra parte es recogida como el destilado En una columna de destilación con condensador parcial, el vapor de tope se condensa parcialmente en dos fases líquido-vapor en equilibrio. La fracción condensada, a su vez es dividida en reflujo y destilado. Si el condensador es parcial con reflujo total todo el condensado es recirculado a la columna Para C componentes y N etapas de equilibrio, un análisis de variables de diseño para cualquiera de estos tres tipos de columnas da un total de grados de libertad, G, de N e i = C + 2 N +11 (23.1) Si se especifica completamente la corriente de alimentación, los grados de libertad disminuyen en C + 2 y, por lo tanto, son de N e i = 2 N +9 (23.2)

150 HYSYS asigna o sugiere, en la simulación de columnas de destilación, 2N variables como, por ejemplo, las presiones y las temperaturas en cada una de las etapas y, por lo tanto, los grados de libertad se reduce a nueve. Las especificaciones que, usualmente, se emplean o que se requieren en una simulación en HYSYS son la condición de un reflujo total de condensado o Full Reflux, el número de etapas, el número de la etapa de alimentación, la presión y la caída de presión en el condensador y en el rehervidor y dos adicionales asignadas por el diseñador 3. PROCESO ESTUDIADO Una corriente de agua que contiene ácido sulfhídrico y amoníaco se precalienta mediante el calor transferido por una corriente que proviene de los fondos de una columna de destilación. La corriente de agua ácida caliente se destila a unas condiciones tales que el producto de fondo es agua del % mol pura y es recogida como el producto del tratamiento después de su utilización como fluido caliente en el pre-calentador. El vapor que emerge de la columna de destilación es una mezcla de vapor de agua concentrado en los otros dos componentes que deberá determinarse si se sigue tratando o se aprovecha, pero en esta simulación se deja como el otro efluente del proceso. El diagrama de flujo descrito y observado en la Figura 1 es un ejemplo de la integración energética posible en un proceso, que permita la minimización de servicios energéticos externos y, por lo tanto, de los costos operativos aprovechando el contenido calórico de los fondos de la columna de destilación. Figura 1. Diagrama de flujo de la columna despojadora 148

151 4. PAQUETE FLUIDO Ecuación: Componentes: Unidades: Sour Peng-Robinson H 2 S, NH 3 y agua. Field 5. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Instale una corriente con el nombre Alimento y las siguientes especificaciones: Temperatura 100 F Presión 40 psia Flujo volumétrico líquido barrel/day Composición (Fracción Másica) H 2 S NH H 2 O Instale un intercambiador de carcasa y tubo con el nombre E-100 y las siguientes especificaciones Pestaña Design Tube Side Inlet Tube Side Outlet Shell Side Inlet Shell Side Outlet Pestaña Design Tube Side Pressure Drop Shell Side Pressure Drop Model Página Connections Alimento Entradacolumna Fondos Producto Página Parameters 10 psi 10 psi Weighted (Ponderado) 3. Haga doble clic sobre la corriente EntradaColumna para desplegar su ventana de propiedades y especifíquela con una temperatura de 200 F Cuántos grados de libertad se requieren agregar para especificar completamente el intercambiador?. Observe la página Specs de la pestaña Design 4. Antes de instalar la columna de destilación, seleccione la opción Preferentes en el menú Tools. En la página Options de la pestaña Simulation asegúrese de que esté verificada la opción Use Input Experts, es decir, el asistente para introducir las especificaciones de una columna de destilación. 149

152 5. Instale una columna de destilación rigurosa haciendo doble clic sobre el icono Distillation Column que se encuentra en la paleta de objetos. Esta columna tendrá tanto un rehervidor en el fondo como un condensador en el tope. 6. La configuración de la columna, introducida a través del asistente, es la siguiente: 6.1 Conexiones (Página 1 de 4) i. Name T-100 ii. No. of Stages 8 iii. Inlet Streams EntradaColumna iv. Inlet Stage 3 v. Condenser Full Reflux vi. Ovhd Vapor Outlets Vapor vii. Bottoms Liquid Outlet Fondos viii. Reboiler Energy Stream Qr ix. Condenser Energy Stream Qc 6.2 Perfil de Presiones (Página 2 de 4) 6.3 Página 4 1. Condenser Pressure 28.7 psia 2. Reboiler Pressure 32.7 psia Presione el botón Done para desplegar la ventana de propiedades de la columna T-100 y su banda roja indica que no se ha especificado completamente y, por lo tanto, la simulación no ha convergido. Observe la Figura 2 Cuántos grados de libertad se requieren agregar para especificar completamente la columna de destilación?. Observe la página Specs de la pestaña Design 6.4 Especificaciones adicionales: En la página Specs de la pestaña Design, presione el botón Add para añadir otras especificaciones con las cuales completar los grados de libertad faltantes y hacer que la simulación converja. En la ventana desplegada para la adición de especificaciones titulada Add Specs seleccione la opción Column Component Fraction para especificar una concentración de amoniaco en el fondo líquido. Presione el botón Add Spec(s) y llene la ventana como se observa en la Figura

153 Figura 2. Especificaciones de una columna de destilación Cierre la ventana y repita el procedimiento anterior para agregar una especificación para la relación de reflujo. Si la opción Reflux Ratio se encuentra disponible en el cuadro Column Specifications de la página Specs selecciónela y presione el botón View y llene la ventana desplegada como se observa en la Figura 4. Figura 3. Especificación de la concentración de amoníaco en el rehervidor 151

154 Figura 4. Especificación de la relación de reflujo en el condensador 6.5 Parámetros y activación de las especificaciones añadidas: En la pestaña Parameters de la ventana de propiedades de la columna seleccione la página Solver e introduzca un valor de 0.4 para el factor de amortiguamiento o Fixed Damping Factor con el objeto de acelerar la convergencia de la columna y reducir los efectos de algunas oscilaciones en los cálculos (el valor por defecto es 1.0). Regrese a la pestaña Design y seleccione la página Monitor. En la columna encabezada como Active del cuadro Specifications desactive la especificación Ovhd Vap Rate y active las especificaciones Comp Fraction y Reflux Ratio verificando los cuadros respectivos. Con esto, se completan los grados de libertad y la columna debe converger muy rápidamente, como se observa en la banda verde de la Figura Libro de trabajo del proceso Despliegue el libro de trabajo, Figura 6, del proceso haciendo clic sobre el icono de nombre Workbook que se encuentra en la barra estándar. Observe las condiciones y las composiciones de las corrientes, y note que el producto es agua pura y la integración energética 6.7 Estimativos, dimensionamiento y desempeño de la columna i. Haga clic en la pestaña Parameters de la ventana de propiedades de la columna y observe en la ventana desplegada sus perfiles de temperatura, presión y flujos; los estimativos de las composiciones y las eficiencias asumidas en cada plato. 152

155 ii. iii. Haga clic sobre la pestaña Rating de la ventana de propiedades de la columna y observe en la ventana desplegada el dimensionamiento de los platos, de los equipos de transferencia de calor y un perfil de las caídas de presión plato a plato Haga clic sobre la pestaña Performance de la ventana de propiedades de la columna y observe en la ventana desplegada detalles sobre su desempeño y note el perfil, tanto gráfico como numérico, de algunas propiedades plato a plato Figura 5. Página Monitor de la columna de destilación Estudio de casos: Herramienta Case Study La simulación puede correrse para un intervalo de temperaturas para la corriente Alimento (entre 90 F y 110 F en incrementos de 5 F) cambiando la temperatura especificada para la corriente Alimento en la hoja de trabajo. Se pueden automatizar estos cambios utilizando la herramienta Case Study en la opción Databook del menú Tools e introduciendo las variables mostradas en la pestaña Variables Case Object Variables Variable Description Qc Heat Flow Cooling Water Qr Heat Flow Steam Alimento Temperature Temperature 153

156 T-100 Main TS Stage Liq Net Mass Flow (2_Main TS) Liq MF Tray 2 Main TS Stage Liq Net Mass Flow (7_Main TS) Liq MF Tray 7 Main TS Stage Vap Net Mass Flow (2_Main TS) Vap MF Tray 2 Main TS Stage Vap Net Mass Flow (7_Main TS) Vap MF Tray 7 Figura 6. Libro de trabajo Haga clic sobre la pestaña Case Studies, presione el botón Add que está en el grupo Available Case Studies para crear el caso de estudio 1 (Case Study 1), verifique la temperatura de Alimento como la variable independiente y las restantes variables como dependientes. Para automatizar el estudio despliegue la pestaña Case Studies y presione el botón View y en la página Independent Variables Setup introduzca los valores 90 F (Low Bound), 110 F (High Bound) y 5 F (Step Size) para la variable independiente. Para empezar el estudio, presione el botón Start. Presione el botón Results para observar los resultados de las variables. Si los resultados aparecen en forma gráfica, se debe seleccionar el radio botón Table en la ventana de Case Studies para observar los resultados tabulados en forma numérica 154

157 24. COLUMNA DE DESTILACIÓN DESBUTANIZADORA 1. OBJETIVOS 1.1. Determinar los grados de libertad requeridos para especificar una columna de destilación con dos alimentos 1.2. Simular, en estado estacionario, una columna de destilación desbutanizadora de una mezcla de hidrocarburos 1.3. Determinar las especificaciones que maximicen las ganancias en la operación de la columna 2. INTRODUCCIÓN En este ejemplo se simulará una columna de destilación con condensador parcial, que se carga con dos alimentos y que se propone desbutanizar una mezcla de hidrocarburos alifáticos. Para C componentes y N etapas de equilibrio, el número de grados de libertad en este tipo de columna es de N e i = 2 C + 2N + 14 (24.1) Si se especifican las dos corrientes de alimentación, el número de especificaciones requeridas para el diseño de la columna es de N e i = 2 N + 10 (24.2) HYSYS asigna o sugiere, en la simulación de este tipo de columnas, 2N variables y, por lo tanto, los grados de libertad se reducen a diez. El asistente de HYSYS requiere de las especificaciones del número de etapas de equilibrio, el número de las dos etapas de alimentación, las dos presiones y las dos caídas de presión en condensador y rehervidor. Introducidas las anteriores especificaciones, es necesario agregar las tres faltantes a elección del usuario o diseñador Se utilizará el Optimizador de HYSYS para determinar las especificaciones que maximicen una función objetivo planteada para estimar las ganancias en la operación de la columna, teniendo en cuenta los ingresos por la venta del producto y los costos de los servicios.

158 Las variables y las ecuaciones incluidas en este estimativo se importan o construyen en la hoja de cálculo o Spreadsheet disponible en HYSYS la cual tiene un manejo como cualquier hoja de cálculo 3. PROCESO ESTUDIADO La Figura 1 muestra el diagrama de flujo final de la simulación de la columna de destilación desbutanizadora, observándose adicionalmente, la hoja de cálculo utilizada para los cálculos de optimización de las ganancias en la operación. La columna tiene 15 platos y se carga con dos alimentos. Las especificaciones de los alimentos se observan en la Figura 2 y muestran un contenido de hidrocarburos alifáticos. La corriente AlimentoUno se carga por el plato 8 y la corriente AlimentoDos se carga por el plato 4. La presión en el tope de la columna es de 205 psia y en el fondo es de 215 psia. El condensador es parcial y especifíquelo sin caída de presión. El contenido de pentanos en fase líquida en el condensador debe ser de una fracción molar de 0.05 y la recuperación de butanos en la corriente líquida de tope debe ser del 95 % Figura 1. Columna desbutanizadora de una mezcla de hidrocarburos alifáticos 156

159 Figura 2. Especificaciones de los alimentos a la columna desbutanizadora 3.1. PAQUETE FLUIDO COMPONENTES: Propano, i-butano, n-butano, i-buteno, i-pentano, n-pentano, n-hexano, n-heptano, n-octano ECUACION: Peng Robinson REACCIONES: No hay 4. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO Introduzca una columna de destilación dentro del PFD y complete sus especificaciones como aparece a continuación: Connections No. of Stages 15 Feed Streams (Stage) AlimentoDos (4) AlimentoUno (8) Condenser Type Parcial Ovhd Vapour Venteo Ovhd Liquid Butanos Bottoms Liquid Fondos Reboiler Duty Qr Condenser Duty Qc Pressure Condenser Pressure Cond Delta Reboiler Pressure 205 psi 0 psi 215 psi Sobre la página Specs de la pestaña Design, introduzca las siguientes especificaciones 157

160 Ovhd Vap Rate: 0 C5 s in Top: 0.05 Fracción mol de i-c5 y n-c5 en el líquido del condensador Butane Recovery: 0.95 Recuperación de i-c4, n-c4 e i-c4= en la corriente de productos Butanes Antes de correr la columna, abra la página Solver sobre la pestaña Parameters y cambie el Heat/Spec Error Tolerante al valor (en reemplazo del valor por defecto ) Haga correr la columna y una vez se obtenga su solución, examine la página Summary sobre la pestaña Performance para observar la Razón de Reflujo y las cargas calóricas en el Rehervidor y Condensador. Regrese a la página Specs y aproxime las purezas haciendo los siguientes cambios 1. Cambie el C5 s in Top a Cambie la Recuperación de Butane a 0.99 La razón de reflujo para estas nuevas especificaciones es ahora aproximadamente 49. En vez de proceder por ensayo y error para determinar las especificaciones de operación más rentables, se utilizará el Optimizador. Antes de instalar el Optimizador cambie los valores de las especificaciones a los valores originales, es decir: 1. C5 s in Top = Butane Recovery = 0.95 Función objetivo La función objetivo calcula la ganancia en la operación de la columna en base a los costos de los servicios y el precio de venta del producto Butanos. La ecuación para la función objetivo es: G= C F CQ CQ (24.3) B B c c r r Siendo G, las ganancias, Q c y Q r, las cargas calóricas en condensador y rehervidor, F B, el flujo de butano y C B, C c y C r, el precio de venta unitario de la corriente de Butanos y los costos unitarios de enfriamiento y calentamiento, respectivamente. 158

161 Para este ejemplo, los costos en dólares son: 1. Costo de enfriamiento, C c $ / Btu (Celda B2) 2. Costo de calentamiento, C r $ / Btu (Celda B6) 3. Precio de venta de Butanos, C B $10 / lb (Celda D2) Para el cálculo de los ingresos netos por las ventas de Butanos, se incluye un descuento en el precio de venta que tiene en cuenta la concentración de pentanos en el tope. El precio de venta neto de butanos se calcula con la siguiente ecuación ( 1- x) 5 C B Pr ecio de venta neto de Butanos = (24.4) Siendo x, el contenido de pentanos en el tope Instalación del Optimizador 1. Presione la tecla clave <F5> para abrir el optimizador y sobre la pestaña Variables haga clic sobre el botón Add para introducir las variables implicadas en el estudio 2. Seleccione los valores especificados como se muestra en la Figura 3. Con ellas el optimizador tiene dos variables primarias que manipulará para maximizar la función objetivo Figura 3. Especificación de las variables en la ventana del optimizador 159

162 Presione el botón SpreadSheet... en la ventana del Optimizador para desplegar su hoja de cálculo. Sobre la pestaña Connections presione el botón Add Import... para introducir las variables de proceso necesarias en las celdas asignadas en la hoja de cálculo como se muestra en la Figura 4. Figura 4. Importación de variables a la hoja de cálculo del optimizador Introduzca las fórmulas que aparecen en la Figura 5, en la hoja de cálculo del optimizador, de acuerdo a la asignación de celdas observadas en la columna Cell de la pestaña Formulas de dicha hoja de cálculo La fórmula introducida en la celda D3 es un descuento aplicado al precio de venta del producto Butanos que tiene en cuenta la pureza de éste. En este caso, el valor para B3 tiene unidades incorrectas porque no son unidades asociadas con costo sino con Btu/h porque el valor introducido en la celda B2 no tiene unidades. Para solventar este impase se cambiarán las unidades de B3 de tal manera que sea adimensional. Para ello, se selecciona la celda B3 y a continuación sobre el cuadro Variable Type se selecciona la opción Unitless. De igual manera se procede con las celdas B7, B9 y D7. La Figura 6 muestra la hoja de cálculo con los datos y las fórmulas introducidas Haga clic sobre el menú Simulation y seleccione la opción Optimizar para desplegar su correspondiente ventana. Haga clic sobre la pestaña Functions donde la 160

163 Función Objetivo y algunas restricciones definidas en la hoja de cálculo son introducidas. En este caso, la función objetivo es Operating Profit o celda D9 para que sea maximizada. La Figura 7 muestra la ventana del optimizador Figura 5. Fórmulas para calculas los costos, los ingresos y las ganancias Figura 6. Hoja de cálculo de costos, ingresos y ganancias 161

164 Figura 7. Ventana del optimizador para especificar la función a maximizar La pestaña Parameters de la ventana del Optimizador se dejará en sus valores por defecto. Abra la ventana Monitor donde se registrarán las iteraciones calculadas por el optimizador. Presione el botón Start para que el Optimizador comience sus cálculos. Los cálculos son sensibles a los valores iniciales de cálculo, por lo tanto es mejor correr el optimizador varias veces para asegurarse que se ha llegado al valor óptimo y uno a un máximo local. Presione la pestaña Monitor y observe la hoja de cálculo final después de las corridas. 162

165 25. SEPARACION DE UNA MEZCLA PROPILENO-PROPANO 1. OBJETIVOS 1.1. Simular, en estado estacionario, una columna de destilación de una mezcla propileno propano construida mediante el botón Custom Column de HYSYS 1.2. Determinar algunas variables manipulables para lograr mayores concentraciones de los productos de la destilación 2. INTRODUCCION Un separador propileno-propano es una columna fácil de simular. Sin embargo, un factor crítico al producirlos es la predicción de las volatilidades relativas de los dos componentes claves. Se dará una consideración especial a estos componentes, al desarrollar los coeficientes de interacción binarios para la ecuación de Soave Redlich Kwong (SRK) para asegurar que este método modela correctamente este sistema. Estos separadores tienen varias etapas y se construyen, a menudo, como dos columnas separadas. 3. PROCESO ESTUDIADO Esta simulación consta de dos columnas, una de agotamiento y otra de rectificación. La columna de agotamiento se opera como un absorbedor con rehervidor, contiene 94 etapas teóricas y se carga con dos corrientes, una es la corriente Alimentación que contiene 40 % molar de propano y 60 % molar de propeno, en fase vapor a 300 psia y un flujo de lbmol/h, y la otra corriente es la que emerge como fondos de la columna rectificadora La columna rectificadora es un absorbedor con reflujo que contiene 89 etapas teóricas.. El propano es recuperado de los fondos de la columna de agotamiento (95 %) y el propileno es el producto de cabeza de la columna rectificadora (99 %) 4. PAQUETE FLUIDO COMPONENTES: Propano y Propeno o Propileno ECUACION: Soave Redlich Kwong (SRK) REACCIONES: No hay SISTEMA DE UNIDADES: Field 5. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO Instale una corriente de materia con el nombre de Alimento y especifíquela con una fracción de vaporde 1.0, 300 psia, lbmol/h, 40 % mol de propano y 60 % mol de propileno.

166 Instalación de las columnas El siguiente paso es instalar la columna. Presione el botón Custom Column que se encuentra en la paleta de objetos para desplegar la ventana que se observa en la Figura 1. Se utilizará la opción Custom Column para construir ambas columnas en un solo ambiente Figura 1. Opción para configurar el diagrama de flujo de una columna Presione el botón Start with a Blank Flowsheet. Se colocará en la ventana Column Runner en el ambiente principal. Haga clic sobre la pestaña Flowsheet y abra la página Setup. Introduzca la corriente Alimento como una corriente de alimentación externa, haciendo que esta corriente sea accesible al ambiente templado. Observe la Figura 2 Figura 2. Corrientes externas alimentadas a la columna 164

167 Para este ejemplo, se necesitará un condensador, un rehervidor y dos secciones de platos. Una sección de platos y un condensador se usarán como un absorbedor con reflujo o Columna Rectificadora; un rehervidor y otra sección de platos se usarán para el absorbedor con rehervidor o Columna de Agotamiento. El producto de cabeza de la Columna de Agotamiento servirá como alimento a la Columna Rectificadora y el producto de fondo de la Columna Rectificadora suministra un segundo alimento a la Columna de Agotamiento que entra en la etapa 1. COLUMNA DE AGOTAMIENTO Haga clic sobre el botón Column Environment para instalar primero la Columna de Agotamiento como un absorbedor con rehervidor. Esta columna tiene 94 etapas ideales y un rehervidor que se instalan seleccionándolos de la paleta de objetos de la columna que se observa en la ventana desplegada Instalación de la Sección de platos Para esta columna una nueva sección de platos se instalará. Seleccione el botón Tray Section en la paleta de objetos. Despliegue la ventana de propiedades del botón Tray Section e introduzca la siguiente información en las páginas Connections y Pressures de la pestaña Design Pestaña Design Página Parameters Number of Theoretical Trays 94 Pestaña Design Página Connections Liquid Inlet LiquidoRectificadora Vapour Inlet ReflujoAgotamiento Vapour Outlet VaporAgotamiento Liquid Outlet LiquidoAgotamiento Optional Feeds Stream Alimento Tray Number 47 Pestaña Design Tray 1 Tray 94 Página Pressures 290 psia 300 psia Instalación del rehervidor El rehervidor del absorbedor debe instalarse con la Columna Agotamiento. Seleccione el botón Reboiler e introduzca las siguientes especificaciones sobre la página Connections de la ventana de propiedades del rehervidor. 165

168 Pestaña Design Boilup Inlets Bottoms Outlet Energy Página Connections ReflujoAgotamiento LiquidoAgotamiento Propano QrAgotamiento COLUMNA RECTIFICADORA Esta columna tiene 89 etapas ideales y un condensador parcial Instalación de la Sección de platos Nuevamente, seleccione el botón Tray Section en la paleta de objetos, despliegue su ventana de propiedades e introduzca los siguientes parámetros Pestaña Design Liquid Inlet Vapour Inlet Vapour Outlet Liquid Outlet Pestaña Design Página Connections ReflujoRectificadora VaporAgotamiento VaporRectificadora LiquidoRectificadora Página Parameters Number of Theoretical Trays 89 Pestaña Design Página Pressures Tray 1, psia 280 Tray 89, psia 290 Instalación del Condensador Total Se requiere un condensador total para la columna. Seleccione el botón Total Condenser en la paleta de objetos e introduzca los siguientes parámetros Pestaña Design Inlets Distillate Reflux Energy Página Connections VaporRectificadora Propileno ReflujoRectificadora QcRectificadora 166

169 Especificaciones adicionales Se requieren dos especificaciones adicionales para la columna, T-100. Haga clic sobre el icono de forma de flecha vertical verde de nombre Enter Parent Simulation Environment que se encuentra sobre la barra estándar para entrar al ambiente de simulación de la columna padre o T-100: 1. El flujo de la corriente propileno en la columna Rectificadora es de lbmole/h 2. La razón de reflujo en el tope de la columna Rectificadora es 16.4 Observe la Figura 3 donde se observan las ventanas donde se introdujeron las anteriores dos especificaciones Figura 3. Especificaciones para la columna T-100 A continuación haga clic sobre el botón Run de la ventana de propiedades de la columna T-100 para completar la simulación satisfactoriamente. Haga clic sobre la pestaña Design y en la página Connections y asigne los nombres de las corrientes de productos y de energía de la columna T-100 como se observan en la Figura 4 La configuración de la columna T-100 construida mediante la opción Custom Column se observa en la Figura 5. Despliegue el libro de trabajo y observe las especificaciones de las corrientes de productos y los requerimientos energéticos en el condensador y rehervidor de la columna T

170 Figura 4. Columna de separación de una mezcla de Propano - Propileno Figura 5. Configuración interna de la columna T

171 26. PLANTA DE GAS NATURAL LICUADO 1. OBJETIVOS 1.1. Determinar los grados de libertad requeridos para especificar una columna de absorción o destilación y una bomba 1.2. Simular columnas de destilación o de absorción 1.3. Simular una planta que transforma dos corrientes de gas natural en varios productos hidrocarbonados enriquecidos en alguno de ellos 2. PROCESO ESTUDIADO En el proceso a simular a continuación se utiliza un tren de tres columnas separadoras que utilizan como materia prima dos corrientes con un cierto contenido de hidrocarburos saturados. En la primera se obtiene un gas natural de alto contenido en metano; en la segunda se obtienen dos productos en forma de vapor y líquido enriquecidos en etano y en la tercera se obtienen dos productos líquidos concentrados, el uno en propano y el otro en los hidrocarburos mas pesados. La primera columna es un absorbedor con rehervidor, la segunda es una columna de destilación con condensador parcial y la tercera es una columna con condensador total. La Figura 1 muestra el diagrama de flujo final de la planta descrita La primera columna o desmetanizadora es un absorbedor con rehervidor, dos alimentos y una carga calórica. El vapor producido es rico en metano y los fondos son bombeados a una segunda columna. Para C componentes y N etapas de equilibrio, los grados de libertad requeridos para una completa especificación en esta columna son N e i = 2 C + 2N + 10 (26.1) Si se especifican, completamente, la dos corrientes de alimentación los grados de libertad requeridos para el diseño están dados por N e i = 2 N + 6 (26.2) Por lo tanto, se requieren seis especificaciones si el simulador asigna 2N especificaciones por defecto. La bomba utilizada para impulsar los fondos, requiere de C + 4 especificaciones. Si se conocen las condiciones de la corriente de entrada, queda en definitiva un faltante de dos especificaciones. La segunda columna o desetanizadora y la tercera columna o despropanizadora requieren de nueve especificaciones, de acuerdo a lo planteado en la introducción de la Práctica 23.

172 La recuperación de líquidos del gas natural es muy común en el procesamiento de este. Tiene como propósito, usualmente: 1. Producir gas transportable ( libre de hidrocarburos pesados que puedan condensar en la tubería) 2. Producir un gas con especificaciones comerciales 3. Maximizar la recuperación de líquido (cuando los productos líquidos son mas valiosos que el gas) Figura 1. Planta de gas natural licuado 3. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Abra un nuevo caso y defina el siguiente paquete fluido a. Ecuación: Peng Robinson b. Componentes: N 2, CO 2, C 1 C 8 c. Unidades: Field 2. Instale las siguientes dos corrientes materiales Nombre: F1 F2 Temperatura: F F Presión: 330 psia 332 psia Flujo molar: 3575 lbmol/h 475 lbmol/h Composición (Fracción Mol) Nitrógeno: Dióxido de carbono: Metano: Etano: Propano: i-butano:

173 n-butano: i-pentano: n-pentano: n-hexano: n-heptano: n-octano: Instale la columna Desmetanizadora con el nombre T-100 seleccionando el icono de nombre Reboiled Absorber que aparece en la paleta de objetos, y por medio del asistente, conecte las corrientes como lo muestra la Figura 2. La corriente Qe conectada al plato cuatro es una corriente de energía con un flujo calórico de 2.0e +06 Btu/h Figura 2. Corrientes conectadas a la columna desmetanizadora 4. Presione el botón Next para abrir la página (2 de 4) siguiente e introduzca la siguiente información Top Stage Pressure Reboiler Pressure 330 psia 335 psia 5. Presione el botón Next para abrir la siguiente página (3 de 4) e introducir los siguientes estimativos opcionales de temperatura Optional Top Stage Temperature Estimate F Optional Reboiler Temperature Estimate F 171

174 6. Presione el botón Next para continuar. Para este caso, no se suministra información sobre la última página del asistente y, por lo tanto, presione el botón Done. HYSYS abrirá, entonces, la ventana de propiedades de la columna que se observará como lo muestra la Figura 3. Cuántas especificaciones se han introducido hasta ahora? Figura 3. Ventana de propiedades de la columna desmetanizadora 7. Haga clic sobre la página Monitor de la pestaña Design y observará por la banda roja, como se muestra en la Figura 4, que la columna no ha convergido. En el cuadro Degrees of Freedom se nota que hay cero grado de libertad porque la especificación Flujo del Producto de Tope o Ovhd Prod Rate se encuentra verificada como activa, pero no se le ha asignado un valor numérico 8. En la especificación Ovhd Prod Rate introduzca un valor de 2950 lbmol/h, señalándola como especificación activa y desactivando las otras, si lo están 9. Presione el botón Run, si es necesario, para que la simulación alcance su convergencia como se observa en la banda verde. Observe los perfiles de temperatura, presión y flujos a través de la columna. Cuánto es la fracción mol del metano en la corriente V? Aunque la columna convergió, no es práctico especificar flujos porque pueden resultar columnas que no pueden converger o que producen corrientes de productos con propiedades indeseables si cambian las condiciones del alimento. Una alternativa es especificar o concentraciones o recuperaciones de componentes para las corrientes de producto de la columna 172

175 Figura 4. Especificaciones de la columna desmetanizadora 10. Haga clic sobre la página Specs de la pestaña Design de la ventana de propiedades de la columna 11. Presione el botón Add en el grupo Column Specifications para crear una nueva especificación 12. Seleccione la opción Column Component Fractions que aparece dentro del grupo Column Specification Types en la ventana desplegada y presione el botón Add Specs que aparece en la parte inferior 13. Para introducir una especificación de 0.96 como fracción mol en la corriente de vapor que sale de la primera etapa de la columna, llene la ventana desplegada como lo muestra la Figura Elimine la ventana anterior. La página Specs muestra un valor de cero para los grados de libertad aunque se ha añadido otra especificación. Esto se debe a que la especificación se añadió como un estimativo y no como una especificación activa 15. Abra la página Monitor y desactive la especificación Ovhd Prod Rate y active la especificación Component Fraction creada. La columna debe converger observándose la página Monitor como se muestra en la Figura 6. Cuánto es el flujo del vapor de tope de la columna desmetanizadora? 173

176 Figura 5. Especificación de la fracción mol de metano en el vapor V. Figura 6. Monitor de las especificaciones de la columna desmetanizadora 16. Observe el comportamiento y desempeño de la columna desplegando las ventanas de las pestañas Parameters, Performance y Worksheet 17. Instale una bomba para impulsar los fondos de la columna desmetanizadora como alimento a la columna desetanizadora y especifíquela de la siguiente manera: 174

177 a. Pestaña Design Página Connections i. Name. P-100 ii. Inlet F3 iii. Outlet F4 iv. Energy W1 b. Pestaña Worksheet Página Conditions i. Corriente F4 1. Pressure 405 psia 18. Instale la columna desetanizadora, haciendo doble clic sobre el icono Distillation Column que se encuentra en la paleta de objetos. Esta columna opera a 2760 kpa, contiene 14 etapas de equilibrio y su objetivo es producir un producto de fondo que contenga etano en una relación de 0.01 con respecto al propano. Introduzca la siguiente información Connections Página 1 de 4 Name T-101 No. of Stages 14 Feed Stream / Stage F4 / 6 Condenser Type Partial Overhead Outlets V1, D1 Bottoms Liquid Outlet F5 Reboiler Energy Stream Qr1 Condenser Energy Stream Qc1 Pressure Profile Página 2 de 4 Condenser Pressure Condenser Pressure Drop Reboiler Pressure 395 psia 5 psi 405 psia Optional Estimates Página 3 de 4 Optional Condenser Temperature Estimate 25 F Optional Reboiler Temperature Estimate 200 F 19. Presione el botón Done en la página 4 y haga clic sobre la página Monitor de la ventana de propiedades de la columna e introduzca las siguientes especificaciones verificadas como activas. Overhead Vapour Rate Distillate Rate Reflux Ratio 700 lbmole / hr 0 kgmole / hr 2.5 (Molar) 175

178 20. Presione el botón Run para correr la columna. Cuánto es el flujo de etano y propano en la corriente de fondos de la columna desetanizadora? Cuánto es la relación de dichos flujos? Se cumple la relación deseada? 21. Abra la página Specs y presione el botón Add para crear una nueva especificación 22. Seleccione la opción Column Component Ratio como el tipo de especificación e introduzca la información que aparece en la Figura 7 Figura 7. Relación entre etano y propano en los fondos de la desetanizadora 23. En la página Monitor desactive la especificación Ovhd Vap Rate y active la especificación C2 / C3 creada. La simulación debe converger porque se ha especificado completamente. Cuánto es la concentración de etano y propano en la corriente de fondos de la desetanizadora? Cuánto es la relación entre sus flujos en dicha corriente? Se cumple la relación especificada 24. Observe el desempeño de la columna de destilación 25. Instale una válvula con el objeto de expandir la corriente de fondos de la columna desetanizadora antes de alimentarse a la columna despropanizadora. Especifique la válvula de la siguiente manera. a. Pestaña Design Página Connections i. Nombre VLV-100 ii. Entrada F5 iii. Salida F6 b. Pestaña Worksheet Página Conditions i. F6 245 psia 176

179 26. Instale la columna despropanizadora, haciendo doble clic sobre el icono Distillation Column que se encuentra en la paleta de objetos. Esta columna opera a 1520 kpa, contiene 24 etapas de equilibrio. Se buscan dos objetivos con esta columna. El primero es producir un producto de cabeza que no contenga mas del 1.5 % molar de i-c 4 y n-c 4, y el segundo es que la concentración de propano en el producto de fondo debe ser menor que 2 % molar. Introduzca la siguiente información Connections Página 1 de 4 Name T-102 No. of Stages 24 Feed Stream / Stage F6 / 11 Condenser Type Total Overhd Liquid Outlet D2 Bottoms Liquid Outlet F5 Reboiler Energy Stream Qr2 Condenser Energy Stream Qc2 Pressure Profile Página 2 de 4 Condenser Pressure Condenser Pressure Drop Reboiler Pressure 230 psia 5 psi 240 psia 27. Presione el botón Done y haga clic sobre la página Monitor de la ventana de propiedades de la columna e introduzca las siguientes especificaciones verificadas como activas. Distillate Rate Reflux Ratio 240 kgmole / hr 1.0 (Molar) 28. Presione el botón Run para correr la columna. Cuánto es la fracción molar de propano en las corrientes de tope y fondo de la columna despropanizadora? 29. Abra la página Specs y presione el botón Add para crear dos nuevas especificaciones. 30. Para especificar la composición de los butanos en el tope de la columna, seleccione la opción Column Component Fraction como el tipo de especificación e introduzca la información que aparece en la Figura Para especificar la concentración de propano en el fondo, seleccione la opción Column Component Fraction como el tipo de especificación e introduzca la información que aparece en la Figura

180 Figura 8. Fracción molar de butanos en el condensador de la despropanizadora Figura 9. Concentración de propano en el fondo de la despropanizadora 32. En la página Monitor desactive las especificaciones Distillate Rate y Reflux Ratio y active las especificaciones i-c4 + n-c3 y C3 creadas 33. Observe los resultados sobre el comportamiento de la columna después que la simulación haya convergido 178

181 27. PLANTA DE PRODUCCIÓN DE ETANOL 1. OBJETIVOS 1.1. Determinar los grados de libertad requeridos para una especificación completa de diversas columnas de absorción y destilación 1.2. Aplicar un modelo de actividad para un manejo real del comportamiento de una mezcla 1.3. Simular un tren de columnas de separación para la obtención de etanol a partir de producto de un proceso de fermentación 2. PROCESO ESTUDIADO Típicamente, un proceso de fermentación para la producción de etanol produce, principalmente, etanol mas pequeñas cantidades de otros productos como metanol, 1- propanol, 2-propanol, 1-butanol, 3-metil-1-butanol, 2-pentanol, ácido acético y CO 2. En este proceso se toma esta mezcla y se somete a una separación de fases isotérmica para, inicialmente, separar el bióxido de carbono del alcohol. Columna de absorción simple (Lavadora) La corriente en fase vapor, y con un gran contenido de bióxido de carbono, arrastra algo de etanol y, por tal razón, es lavada con agua en una columna de absorción simple donde se recupera algo de etanol, que es recirculado nuevamente al fermentador y el vapor rico en bióxido de carbono se ventea. Una columna de absorción simple con N etapas de equilibrio y C componentes requiere de la especificación de un número de grados de libertad dado por G = 2 C + 2N + 7 (27.1) Si se especifican las dos corrientes de entrada y se admiten las 2N especificaciones sugeridas por el simulador, el número de especificaciones requeridas para una simulación completa de este tipo de columna es de tres Columna de absorción con producto lateral (Concentradora) La corriente en fase líquida que emerge del separador de fases contiene el etanol que se quiere recuperar mediante un tren de columnas de separación. Inicialmente, dicha corriente es alimentada a una columna de absorción con una corriente de producto lateral en la cual los dos productos superiores son concentrados en alcohol y el producto de fondo es esencialmente agua. Una columna de absorción de este tipo con N etapas de equilibrio y C componentes requiere de la especificación de un número de grados de libertad dado por

182 G = 2 C + 2N + 9 (27.2) Si se especifican las dos corrientes de entrada y se admiten las 2N especificaciones sugeridas por el simulador, el número de especificaciones requeridas para una simulación completa es de cinco Columna de absorción con reflujo y condensador parcial (Purificadora) El producto en forma de vapor y mas concentrado en etanol que se obtiene en la columna anterior es alimentado a una columna de absorción con reflujo con el objeto de purificarlo separándolo de los livianos como el bióxido de carbono y el metanol, los cuales son venteados. El fondo de esta columna es una solución acuosa concentrada en etanol que se alimentará a una columna de destilación Una columna de absorción de con condensador parcial y reflujo con N etapas de equilibrio y C componentes requiere de la especificación de un número de variables dado por la expresión G = C+2 N +8 (27.3) Si se especifica la corriente de entrada y se admiten las 2N especificaciones sugeridas por el simulador, el número de especificaciones requeridas para una simulación completa es de seis Columna de destilación con dos alimentos y dos productos laterales (Rectificadora) La corriente de vapor lateral de la columna de absorción con producto lateral y el producto de fondo de la columna de absorción con reflujo se alimentan a una columna de destilación cuyo propósito es hacer una rectificación y obtener una solución acuosa de etanol azeotrópico con presencia en muy bajas concentraciones de otros componentes como el bióxido de carbono y el metanol. Este producto es el que se recoge a partir del plato 2 de la columna. Los otros cuatro productos son mezclas de composiciones diferentes. Un aspecto interesante, es la concentración de alcoholes pesados en el interior de estaa columna. Estos alcoholes son normalmente denominados como Fusel Oils, y pequeñas corrientes de líquido son acondicionadas en la columna para recuperar a estos componentes. Una columna de destilación de este tipo con N etapas de equilibrio y C componentes requiere de la especificación de un número de variables dado por la expresión G = 2 C + 2N + 18 (27.4) 180

183 Si se especifican las dos corrientes de entrada y se admiten las 2N especificaciones sugeridas por el simulador, el número de especificaciones requeridas para una simulación completa es de catorce El diagrama de flujo final del proceso descrito para la producción de etanol a partir de un producto de una fermentación se muestra en la Figura PAQUETE FLUIDO Figura 1. Planta para producción de etanol 1. Ecuación: Un modelo de actividad (a excepción del modelo de Wilson, que no puede predecir dos fases líquidas) puede utilizarse para resolver esta simulación. Seleccione el NRTL. Sobre la pestaña Binary Coeffs de la ventana de propiedades del paquete fluido utilice el método de estimación UNIFAC VLE y presione el botón Unknowns Only para estimar los coeficientes binarios omitidos. 2. Componentes: Etanol, agua, CO 2, metanol, ácido acético, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 3-metil-1-butanol, 2 pentanol y glicerol 4. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Instale las siguientes corrientes con las especificaciones mostradas a continuación: Nombre A F S Temperatura (C) Presión (kpa) Flujo Molar (kgmol/h) Flujo Másico (kg/h)

184 Composición (Fracción Mol) Etanol Agua Bióxido de carbono Metanol Acido acético Propanol Propanol Butanol Metil-1-Butanol Pentanol Glicerol Separador de fases 2. Instale un separador de fases, asígnele como nombre V-100. Aliméntelo con la corriente F y denomine como V a la corriente que emerge como vapor y como L a la corriente de líquido. En este separador además de separar las fases, se elimina el bióxido de carbono Columna lavadora 3. Para el lavado de la corriente V, instale una columna de absorción simple y denomínela T-100. En esta columna se agotará el etanol arrastrado por la corriente V y se producirá un vapor de cabeza de bióxido de carbono esencialmente puro. El producto de fondos es recirculado al proceso de fermentación. 4. Mediante el asistente especifique a la columna T-100 como se observa en la ventana de propiedades mostrada en la Figura 2. Recuerde que este tipo de columna requiere de tres especificaciones Columna Concentradora 5. Para la operación de concentración del fondo de la corriente L, instale una columna de absorción simple con el nombre de T-101 y conéctele una corriente lateral de vapor con el nombre V2. Las temperaturas en el tope y en el fondo son 90 C y 110 C, respectivamente. Especifique sus conexiones y especificaciones como lo muestra la Figura 3. Recuerde que este tipo de columna requiere de cinco especificaciones 6. Complete la instalación de la columna introduciendo las siguientes especificaciones 1. Comp Recovery Active Draw V2 SpecValue 0.95 Component Ethanol 182

185 Figura 2. Columna lavadora de bióxido de carbono 2. Draw Rate 1 Estimate Draw V2 Flow Basis Mass Spec Value 5000 kg / h 3. Draw Rate 2 Estimate Draw V1 Flow Basis Molar Spec Value 1000 kgmole / h Figura 3. Columna concentradora 183

186 Presione el botón Run, si es necesario, en la ventana de propiedades de la columna, para calcular las corrientes de productos de la columna Concentradora Columna Purificadora 7. Para la purificación de los vapores V1, instale una columna de absorción con reflujo con el nombre de T-102 y especifíquela como se observa en la Figura 4. Recuerde que para este tipo de columna se requieren seis especificaciones 8. Borre las especificaciones Btms Prod Rate y Reflux Ratio que aparecen por defecto en el grupo Column Specification de la página Monitor y agregue las siguientes especificaciones a la columna 1. Vap Prod Rate Active Draw V3 Flow Basis Molar Spec Value 1.6 kgmole / h Figura 4. Columna Purificadora 2. Comp Fraction Active Stage Condenser Flow Basis Mass Fraction Phase Liquid Spec Value 0.88 Component Ethanol 184

187 3. Reflux Ratio Estimate Stage Condenser Flow Basis Molar Spec Value Distillate Rate Estimate Draw P2 Flow Basis Molar Spec Value 2.10 kgmole / h Presione el botón Run en la ventana de propiedades de la columna para calcular las corrientes de productos de la columna T-102. Columna Rectificadora 9. El producto principal de una planta como ésta, es una mezcla azeotrópica de etanol y agua. La columna rectificadora de nombre T-103 se opera como una columna de destilación convencional y sirve para concentrar la mezcla etanol / agua hasta una concentración próxima a la azeotrópica. Contiene un condensador parcial y un rehervidor. Las temperaturas estimadas en el condensador y rehervidor son 79 C y 100 C, respectivamente. Instale esta columna con las especificaciones observadas en la Figura 5 Figura 5. Columna Rectificadora 185

188 Borre las especificaciones Btms Prod Rate y Reflux Rate que aparecen por defecto en el grupo Column Specification y agregue las siguientes especificaciones a la columna 1. Reflux Ratio Active Stage Condenser Flow Basis Molar Spec Value Ovhd Vap Rate Active Draw V4 Flow Basis Molar Spec Value kgmole / h 3. Distillate Rate Active Draw D Flow Basis Mass Spec Value 2.00 kg / h 4. Comp Frac Active Stage 2_Main TS Flow Basis Mass Fraction Phase Liquid Spec Value 0.95 Component Ethanol 5. Fusel Draw Rate Active Draw Fusel Flow Basis Mass Spec Value 3.00 kg / h 6. P1 Draw Rate Estimate Draw P1 Flow Basis Molar Spec Value kgmole / h Damping Factor 0.25 Enable Azeotrope Check ON 5. CASO DE ESTUDIO Encuentre una explicación a por qué la corriente Fusel se instaló en la etapa