21. PLANTA DE ENFRIAMIENTO DE UN GAS 1. OBJETIVOS 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 15.18 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 + 11. 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 -15.18 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
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 4.1.1. 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)) 4.1.2. ECUACION: Peng-Robinson 4.1.3. REACCIONES: No hay 4.1.4. 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 2 0.0066 H 2 S 0.0003 CO 2 0.0003 C 1 0.7575 C 2 0.1709 C 3 0.0413 i-c 4 0.0068 n-c 4 0.0101 i-c 5 0.0028 n-c 5 0.0027 C 6 0.0006 C 7 + 0.0001 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
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-100 133
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-100 134
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
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, -19.48 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
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 19.48 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
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
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 10 139
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