5.- ASPEN HYSYS. DEST. ATMOS. DE CRUDO PETROLÍFERO.

5.- ASPEN HYSYS. DEST. ATMOS. DE CRUDO PETROLÍFERO. En este apartado desarrollaremos el alcance y objetivo del proyecto, así que este será el capítulo más importante del trabajo. Como ya hemos dicho anteriormente, simulamos una torre de destilación atmosférica de crudo petrolífero y realizamos un análisis de resultados sirviéndonos de la herramienta Aspen Hysys del simulador AspenONE AspenTech. La simulación de la torre se realiza en dos partes, la primera parte consiste en el desarrollo de la simulación estática de la planta y la segunda en la simulación dinámica. 5.1.- INTRODUCCIÓN A ASPEN HYSYS. Una vez conocida la herramienta a utilizar para la simulación de la torre de destilación lo primero que tenemos que hacer es respondernos a dos preguntas; Qué es? y Para qué sirve Aspen Hysys? Aspen Hysys es una herramienta de simulación de procesos de aspenone AspenTech que sirve para el diseño conceptual, la optimización, planificación empresarial, gestión de activos y la supervisión del rendimiento de petróleo y gas, procesamiento de gas, refinación de petróleo y las industrias de separación de aire. Aspen Hysys ha sido creada teniendo en cuenta lo siguiente: Arquitectura de programa. Diseño de interface. Capacidades ingenieriles. Operación interactiva. Este software permite simulaciones tanto estáticas como dinámicas. Sus operaciones y propiedades permiten modelar una amplia gama de procesos con confianza, tiene una gran base termodinámica y sus paquetes de propiedades llevan a la presentación de un modelo más realista. Aspen Hysys se ha establecido como un simulador de procesos intuitivo y fácil de usar en la industria de petróleo y gas. Ofrece una base termodinámica completa para el cálculo preciso de las propiedades físicas, propiedades de transporte y el comportamiento de fase para el petróleo y las industrias del gas y la refinación. 37

5.2.- SIMULACIÓN ESTÁTICA. En este apartado explicaremos la construcción de la simulación en modo estacionario. En el Anexo V de este proyecto podemos ver cómo realizar todo lo explicado aquí paso por paso. El caso de estudio de este trabajo es la simulación de una torre de destilación atmosférica de crudo, en la cual se diferencian dos partes claramente. La primera parte, el tren de calentamiento, está compuesta por un separador flash y un horno, y su función es acondicionar la corriente de alimentación de crudo a las condiciones de entrada en la columna. La segunda parte es la torre de destilación propiamente dicha que separará el crudo en fracciones más ligeras. 5.2.1.- Creación de una nuevo caso. Lo primero que tenemos que hacer al abrir Aspen Hysys es crear un nuevo caso y nos aparecerá la ventana que se muestra en la siguiente figura. Figura 5.1. - Ventana Simulation Basis Manager. Esta ventana está compuesta de una serie de pestañas en las que introduciremos los componentes que participarán en la simulación y el método termodinámico que se utilizara, en nuestro caso debemos introducir un crudo y para ello Hysys dispone de la pestaña Oil Manager donde se podrá caracterizar nuestro crudo. Otras pestañas dentro de esta ventana son las de Hipotéticos, que sirve para crear pseudocomponentes o compuestos hipotéticos, y la pestaña de Reacciones, que se utiliza para definir las reacciones que se produzcan en la simulación. En nuestro caso ninguna de estas pestañas será utilizada, ya que no tendremos reacción en la simulación y aunque si necesitamos de compuestos hipotéticos o pseudocomponentes, estos serán creados en la caracterización del crudo. 38

Antes de comenzar a introducir cualquier información es importante ver el menú de preferencias de Hysys desde el menú Tools. La ventana que nos aparece es la siguiente: Figura 5.2.- Ventana de preferencias de Hysys. Igual que la ventana anterior, y la mayoría de las ventanas que aparecen en Hysys, muestran varias pestañas en donde podemos ver y cambiar las preferencias que el programa tiene establecidas por defecto. A su vez, cada pestaña está compuesta de una serie de páginas de entre las que destacamos Options y Dynamics dentro de la pestaña Simulation y la pagina Units dentro de la pestaña Variables. La página Options nos sirve principalmente para seleccionar las opciones generales que queremos que Hysys tenga activas, para nuestro caso no cambiaremos nada, solamente tener en cuenta que esté activa la opción Use Input Experts, que nos servirá de gran ayuda a la hora de definir la columna. La pagina Dynamics será utilizada en la simulación dinámica. La pagina Units nos sirve para seleccionar el set de unidades que queremos emplear. La base de datos del programa contiene tres sistemas de unidades, todas inmodificables, pero podemos cambiar las unidades de alguna propiedad copiando uno de los set de unidades y modificando las unidades que nos interesen. En el caso hemos copiado el sistema de unidades Field y hemos modificado las unidades de algunas variables. En la siguiente tabla podemos ver la utilidad de algunas de las paginas que aparecen en la ventana de preferencias y que pueden ser modificadas. La mayoría de las opciones que aparecen en preferencias pueden ser modificadas desde otras páginas conforme avancemos en la simulación o volviendo a esta ventana llegado a un punto donde queramos modificar alguna cosa. 39

Pestaña Página Utilidad Simulation Naming Performance Formato del nombre y comienzo de la numeración de las unidades que se pueden usar en Hysys. Velocidad de la memoria utilizada. Variables Formats Formato de las cifras significativas para las propiedades. Report Resources Company info Colours Fonts Información personal o de una empresa para que aparezcan en la impresión de los documentos. Color y tipo de letras de las diferentes funciones. Icons Iconos de las funciones y operaciones. Extensions Registration Registrar alguna extensión de Hysys. Oil Input Métodos de conversión y extrapolación de la creación de un Assay Options crudo. Tabla 5.1.- Utilidades de las páginas de preferencias. 5.2.2.-Introduccion de componentes y elección del modelo termodinámico. El siguiente paso en la simulación es añadir los componentes. Los compuestos añadidos inicialmente serán los compuestos no aceitosos (agua) y los ligeros finales (propano, isobutano, n-butano, isopentano y n-pentano) y lo hacemos desde la pestaña Components. Una vez introducido estos compuestos iniciales y antes de empezar con la definición del crudo debemos elegir el método termodinámico a usar en la pestaña Fluid Pkgs. El modelo termodinámico es una parte fundamental de la simulación. En la simulación encontraremos compuestos no polares y una mezcla no ideal de compuestos, por lo tanto nos tendremos que servir de modelos basados en ecuaciones de estado y más concretamente en las ecuaciones cúbicas. En la industria petroquímica las ecuaciones de estado se utilizan entre muchas aplicaciones para: predecir con alta precisión entalpias para así optimizar el diseño de intercambiadores de calor; determinar datos de equilibrio vapor/liquido de los gases para los procesos de separación; predicción precisa de la densidad de liquido para conocer la masa o el volumen, etc. Dentro del grupo de las ecuaciones cúbicas de estado, las más usadas y que mejor predicen el comportamiento de las mezclas liquido-gaseosas de este tipo son la ecuación de Peng-Robinson (PR) y la ecuación de Soave-Redlich-Kwong (SRK), y particularmente la primera de ellas. Ambas fueron desarrolladas de forma explícita para cálculos de equilibrio vapor/líquido. 40

En la siguiente tabla podemos ver un resumen de algunos sistemas típicos y de sus modelos recomendados a usar en Hysys. Tabla 5.2.- Sistemas típicos y modelos relacionados. Ecuación de Peng-Robinson (PR). La ecuación de PR fue desarrollada para cumplir los siguientes objetivos: 1. Los parámetros habían de poder ser expresados en función de las propiedades críticas y el factor acéntrico. 2. El modelo debía ser razonablemente preciso cerca del punto crítico, particularmente para cálculos del factor de compresibilidad y la densidad de líquidos. 41

3. Las técnicas de mezclado no debían de emplear más que un parámetro sobre las iteraciones binarias, que debían ser independientes de la presión, temperatura y composición. 4. La ecuación debía ser aplicable a todos los cálculos de todas las propiedades de los fluidos en procesos naturales de gases. Generalmente la ecuación de PR da unos resultados similares a la de SRK, aunque es bastante mejor en la predicción de las regiones críticas de fase y de densidades de líquidos de cualquier material, especialmente los no polares. La ecuación requiere el uso de tres propiedades por compuesto: temperatura crítica, presión crítica y el factor acéntrico. La ecuación de PR representa también una mejora cualitativa importante, ya que reduce los promedios de las desviaciones relativas hasta aproximadamente la mitad de los logrados con la ecuación de SRK. La ecuación de PR soporta un amplio rango de condiciones de operación y una gran variedad de sistemas. La ecuación de PR representa el mejor compromiso entre complejidad de cálculo y la bondad de sus resultados. Para petróleo, gas y aplicaciones petroquímicas esta ecuación es generalmente la recomendada. Ecuación de Soave-Redlich-Kwong (SRK). La ecuación de Soave o SRK es la ecuación modificada de Redlich-Kwong a la que se le incluye el parámetro ω (factor acéntrico), que es característico de la estructura molecular del fluido. Esta ecuación permite mejorar los resultados entregados por la ecuación RK, sin embargo aun no logra representar fielmente el comportamiento de un fluido para grandes intervalos de presión y temperatura. La ecuación de SRK no es muy exacta cerca del punto crítico, pero da buenos resultados a altas presiones y temperaturas superiores a la crítica. 42

La función (T, ω) fue concebida para cuadrar con los datos de las presiones de vapor de los hidrocarburos, esta ecuación describe adecuadamente el comportamiento de estas sustancias. Tanto esta ecuación como la de PR generan directamente todas las propiedades de equilibrio y termodinámicas. Viendo la bibliografía de estos dos modelos el elegido para nuestro caso será la ecuación de PR, ya que es la recomendada por los tutoriales de Hysys y por la información bibliográfica consultada, ya que esta ecuación mejora los resultados de la ecuación de SRK. Por lo tanto el siguiente paso en la simulación es elegir el modelo Peng-Robinson de la lista de métodos termodinámicos disponibles en la pestaña Fluid Pkgs. Cuando queremos añadir el modelo termodinámico, Hysys nos abre la ventana que aparece en la siguiente figura. Figura 5.3.- Ventana para la elección del método termodinámico. En esta ventana se dispone de varias pestañas, en la primera de ellas se selecciona el modelo termodinámico y también debemos seleccionar la lista de componentes en la que queremos aplicar el método, en nuestro caso solo hemos definido una lista de componentes y Hysys la selecciona por defecto. Otras pestañas de interés de esta ventana son la de Coeficientes Binarios (Binary Coeffs) y la de Reacciones (Rxns). La segunda de estas sirve para introducir las reacciones que se regirán por el modelo seleccionado, al no tener reacciones en nuestro sistema esta pestaña no tendrá utilidad para este caso. En la pestaña Binary Coeffs podemos ver los parámetros de interacción entre los diferentes compuestos de nuestra lista. En la siguiente figura se refleja esta ultima pestaña. 43

Figura 5.4.- Pestaña de los parámetros de interacción de los compuestos. 5.2.3.- Definición del crudo. Una vez creados los componentes ligeros y el paquete de fluido, nos queda introducir nuestro crudo para proceder a la simulación. En refino de crudo trabajamos con componentes ficticios o pseudocomponentes, no con compuestos conocidos y definidos, cuyas propiedades son determinadas por procedimientos de caracterización. El crudo es un mezcla homogénea de compuestos orgánicos muy similar en propiedades y características que hace muy difícil la separación completa unos de otros que tengan simular rango de temperatura de ebullición. Debido a esto y a la multitud de compuestos diferentes presentes en el crudo se deben crear pseudocomponentes, que no serán más que una agrupación de compuestos que están dentro de un rango de temperatura de ebullición o a una determinada temperatura. Hysys crea estos compuestos con solo la introducción de una serie de datos fácilmente obtenibles por ensayos en laboratorio de una muestra del crudo. En nuestro caso de lo que disponemos es de una curva de destilación TBP y a partir de esta y como se indica en el Anexo IV se obtienen los datos que necesita Hysys para crear y caracterizar el crudo. En la tabla 5.3 se recogen los datos necesarios que Hysys necesita para la creación del crudo. Para trasformar estos datos en la caracterización del crudo Hysys disponen de la pestaña Oil Manager. En esta pestaña se nos indica que antes de crear y caracterizar el crudo debemos seleccionar el modelo termodinámico y este debe ser capaz de manejar los pseudocomponentes que se van a crear, por este motivo hemos definido antes el paquete de fluido. 44

COMPOSICION LIGEROS PROPIEDADES DEL CRUDO FINALES %VOL. MW 282,62 PROPANO, C3 0,306 API Gravity 33,9 i-butane, Ic4 0,224 n-butane, Nc4 1,18 ENSAYO DE DESTILACION TBP i-pentane, Ic5 0,954 % DESTILADO TEMPERATURA (ºF) MW n-pentane,nc5 1,201 0,855 5-5,4 115 75,34 DATOS DE GRAVEDAD API 10,5 199 97,58 % DESTILADO API 20 299 127,11 10,5 67 30 456 185,52 30 44 42 596 251,07 54,8 27 54,8 700 307,32 70 23,2 70 835 405,32 87,2 16 87,2 1115 591,7 DATOS DE VISCOSIDAD % DESTILADO VISCOSIDAD A 100ºF (cp) VISCOSIDAD A 210ºF (cp) 10,5 0,319 0,214 20 0.627 0.337 30 1,464 0,650 54,8 25,918 4,680 70 89,046 9,128 Tablas 5.3.- Datos para introducir en la simulación. Para crear el crudo utilizado nos servimos de la ventana que aparece en la siguiente figura. La mayoría de las pestañas de esta ventana son útiles para nuestro propósito, ya bien sea para la introducción de los datos (Input Data y Calculation Defaults) o para la visualización de los resultados. Figura 5.5.- Ventana para la caracterización del crudo. 45

Aquí introducimos nuestros datos obtenidos del laboratorio y Hysys con los puntos que hemos introducido crea las curvas de las características de laboratorio. Lo primero que debemos definir será el método de extrapolación para el cálculo de los puntos y dicho método es el de Lagrange para todas las curvas y será definido en la pestaña Calcultion Defaults. Una vez hecho esto debemos introducir la composición de los ligeros finales y los datos extraídos del ensayo de laboratorio en la pestaña Assay tal y como se indica en el tutorial de refino (Anexo V). Llegado a este punto y antes de seguir avanzando debemos explicar lo que en Hysys se conoce como color de estatus. En muchas ventanas y pestañas (en todas en las que Hysys debe realizar cálculos) aparece un mensaje en un recuadro con fondo coloreado, normalmente en la parte inferior de la ventana o pestaña. Si el fondo del recuadro es de color rojo Hysys no nos deja simular porque hay errores o la solución es imposible. Si el estatus es de color amarillo nos puede indicar que falta algún dato para que la simulación pueda progresar o que la simulación puede dar resultados con posibles errores, o simplemente que aun no se ha simulado. Si el estatus es de color verde nos indica que Hysys ha simulado y calculado con éxito y no ha detectado errores apreciables. Aunque saber esto agiliza mucho la operación es conveniente leer el mensaje del estatus porque nos puede indicar que es lo que nos falta para poder simular o cual puede ser el fallo que no nos permite simular o que dará una simulación errónea. Una vez introducido todos los datos y que Hysys haya calculado los resultados pertinentes podemos verlos en la pestaña Working Curves en forma de tabla, o en la pestaña Plots en forma de grafica. Aquí simplemente se crean las curvas de datos del ensayo y estos datos a su vez serán los datos de los que se servirá Hysys para crear y caracterizar el crudo. Figura 5.6.- Curva de Densidad API calculada por Hysys. 46

Punto Moles Cum. Moles NBP [F] Peso Molecular Densidad [API] Viscosidad 1 [cp] Viscosidad 2 [cp] 0 0,0000 0,0000 96,9 90,8 84,9 0,228 0,177 1 0,0257 0,0257 114,9 95,4 81,1 0,241 0,182 2 0,0249 0,0506 132,2 100,0 77,7 0,254 0,188 3 0,0242 0,0748 148,7 104,6 74,6 0,269 0,194 4 0,0235 0,0983 164,5 109,1 71,7 0,286 0,200 5 0,0229 0,1212 179,7 113,5 69,1 0,303 0,208 6 0,0223 0,1435 191,9 117,7 67,1 0,322 0,215 7 0,0217 0,1652 200,9 121,9 65,6 0,343 0,224 8 0,0211 0,1863 209,0 126,2 64,4 0,365 0,233 9 0,0205 0,2068 219,7 130,5 63,2 0,390 0,243 10 0,0200 0,2267 230,7 134,9 62,0 0,416 0,253 11 0,0464 0,2731 255,4 147,4 59,2 0,493 0,284 12 0,0433 0,3164 277,7 162,5 53,9 0,590 0,322 13 0,0401 0,3565 304,5 178,8 50,3 0,707 0,370 14 0,0370 0,3934 339,2 195,8 48,5 0,870 0,428 15 0,0343 0,4278 377,4 213,1 46,7 1,061 0,501 16 0,0321 0,4599 415,9 229,8 45,1 1,292 0,591 17 0,0303 0,4902 453,0 246,3 43,2 1,637 0,706 18 0,0288 0,5190 485,8 262,5 41,0 2,120 0,853 19 0,0275 0,5465 515,2 278,1 38,9 2,774 1,036 20 0,0265 0,5730 543,0 291,6 37,0 3,664 1,262 21 0,0257 0,5987 569,0 303,6 35,2 4,870 1,540 22 0,0250 0,6238 593,1 315,4 33,6 6,493 1,880 23 0,0243 0,6481 614,9 327,4 32,0 8,662 2,288 24 0,0237 0,6717 635,0 339,8 30,6 11,529 2,771 25 0,0229 0,6946 654,2 354,0 29,3 15,265 3,335 26 0,0221 0,7167 672,7 370,1 28,2 20,051 3,979 27 0,0212 0,7379 690,8 387,6 27,1 26,007 4,688 28 0,0203 0,7582 709,0 406,6 26,4 32,436 5,342 29 0,0194 0,7776 727,4 427,2 25,7 39,876 6,007 30 0,0185 0,7961 746,6 449,4 25,2 48,533 6,691 31 0,0176 0,8137 766,8 475,3 24,6 58,544 7,389 32 0,0166 0,8303 788,5 504,0 24,1 70,109 8,105 33 0,0157 0,8460 811,8 534,2 23,6 83,484 8,843 34 0,0149 0,8610 838,1 565,7 22,7 99,014 9,612 35 0,0142 0,8752 868,6 598,2 21,9 117,154 10,424 36 0,0135 0,8887 902,3 631,5 21,2 138,515 11,297 37 0,0129 0,9016 938,3 665,3 20,2 163,917 12,254 38 0,0124 0,9139 976,9 699,3 19,2 194,470 13,323 39 0,0119 0,9258 1017,0 733,2 18,1 231,682 14,543 40 0,0115 0,9373 1067,1 766,9 16,9 277,621 15,961 41 0,0067 0,9440 1099,9 786,8 16,1 310,523 16,933 42 0,0066 0,9506 1128,1 806,4 15,3 348,379 18,015 43 0,0065 0,9571 1157,8 825,7 14,5 392,175 19,228 44 0,0064 0,9635 1188,4 844,7 13,7 443,131 20,596 45 0,0063 0,9698 1220,0 863,1 12,8 502,760 22,145 46 0,0062 0,9759 1252,4 881,1 11,9 572,955 23,911 47 0,0061 0,9821 1285,8 898,5 10,9 656,092 25,935 48 0,0060 0,9881 1320,2 915,3 9,9 755,172 28,268 49 0,0060 0,9941 1355,4 931,4 8,9 874,013 30,970 50 0,0059 1,0000 1391,6 946,8 7,9 1017,501 34,119 Tabla 5.4.- Puntos calculados para las gráficas de propiedades. 47

Las gráficas que aparezcan en Hysys pueden ser modificadas haciendo clic con el botón derecho del ratón y seleccionando la opción Graph Control, aquí podemos cambiar el color de la curva, cambiar titulo, ejes, modificar tipo de letra y todo lo relacionado con el formato de la gráfica. Ahora es el momento de crear nuestro crudo sirviéndonos como hemos dicho de los datos calculados anteriormente. Para crear el crudo Hysys lo que hará será crear componentes ficticios según una temperatura de ebullición dada y características de densidad, peso molecular y viscosidad dados. El simulador realiza cortes dependiendo del rango de temperaturas en el que estemos, aunque dicho numero de cortes o rango de temperaturas pueden ser modificados tomaremos los cortes que el software toma por defecto que se basan en lo siguiente: Desde la temperatura inicial hasta 800ºF crea un pseudocomponentes por cada intervalo de 25ºF. Desde 800ºF hasta 1200ºF crea un pseudocomponete cada 50ºF. Desde 1200ºF hasta 1400ºF crea 2 pseudocomponentes. Una vez añadida las curvas Hysys crea 38 pseudocomponentes. En la siguiente tabla se pueden ver estos componentes ficticios creados y sus propiedades más importantes. Componente NBP [F] Peso Molecular Densidad [API] Viscosidad 1 [cp] Viscosidad 2 [cp] NBP_113 113,2 93,0 83,1 0,233 0,179 NBP_135 134,6 98,6 78,8 0,249 0,186 NBP_160 159,8 105,7 73,9 0,272 0,195 NBP_187 186,7 113,9 69,0 0,304 0,208 NBP_208 208,4 124,0 65,0 0,352 0,227 NBP_234 233,7 134,0 62,2 0,409 0,250 NBP_262 262,4 144,7 59,9 0,475 0,277 NBP_285 284,5 159,3 55,0 0,566 0,313 NBP_310 309,9 173,7 51,2 0,665 0,353 NBP_336 335,6 186,0 49,4 0,768 0,392 NBP_361 360,7 197,5 48,3 0,883 0,433 NBP_386 385,9 208,7 47,1 1,004 0,479 NBP_411 411,1 219,8 46,0 1,139 0,532 NBP_436 436,3 230,9 44,9 1,304 0,596 NBP_462 461,6 242,8 43,6 1,540 0,675 NBP_487 486,8 255,5 41,9 1,875 0,780 NBP_512 511,7 269,1 40,1 2,344 0,917 NBP_537 536,9 282,6 38,3 2,993 1,093 NBP_562 562,1 295,0 36,5 3,906 1,320 NBP_587 587,3 307,3 34,7 5,235 1,620 NBP_612 612,5 320,6 32,9 7,249 2,027 NBP_637 637,4 335,7 31,1 10,354 2,579 NBP_662 662,5 354,0 29,3 15,039 3,303 NBP_688 687,5 376,3 27,7 21,834 4,201 NBP_713 712,5 401,5 26,5 30,411 5,147 NBP_738 737,6 428,8 25,7 40,166 6,032 NBP_763 762,6 457,8 24,9 51,371 6,898 NBP_788 787,8 489,5 24,3 63,758 7,723 NBP_824 823,9 534,6 23,5 83,152 8,826 NBP_875 874,7 589,1 22,1 111,133 10,163 NBP_925 924,8 637,3 21,0 141,644 11,419 NBP_975 975,3 682,3 19,7 177,174 12,727 NBP_1023 1023,3 722,1 18,4 216,932 14,068 NBP_1077 1076,6 759,5 17,2 264,314 15,558 NBP_1125 1124,5 795,9 15,8 324,157 17,327 NBP_1175 1174,8 828,6 14,4 394,927 19,303 NBP_1251 1251,3 873,4 12,3 533,922 22,936 NBP_1356 1356,5 925,8 9,3 815,272 29,646 Tabla 5.5.- Datos de los pseudocomponentes creados. 48

Unos datos que podemos obtener con Hysys y que nos servirán de gran ayuda a la hora del diseño de la columna es la distribución de los productos en nuestro crudo en composición volumétrica, en la siguiente tabla se refleja dicha composición y los rangos de temperaturas de los cortes. Producto TBI (ºF) TBF (ºF) % Vol Fuel Gas 96,9 158,0 0,069 Nafta 158,0 356,0 0,161 Keroseno 356,0 464,0 0,069 Diesel Ligero 464,0 554,0 0,074 Diesel Pesado 554,0 644,0 0,097 AGO 644,0 698,0 0,070 Residuo 698,0 1407,0 0,459 Tabla 5.6.- Distribución de los productos en el crudo. Los datos creados se pueden ver de forma grafica en % en volumen, molar o en masa y también se pueden ver graficados la comparación entre las curva de datos introducidas y la curva de propiedades del crudo creada por Hysys. El último paso en la caracterización es la instalación del crudo dentro del entorno de simulación que se realiza mediante la creación de una corriente (Crudo Precalentado) dentro de la pestaña Install Oil de la ventana de caracterización. Si volvemos a la ventana del asistente de Simulación Básico y nos vamos moviendo por las diferentes pestañas antes vistas observamos que los pseudocomponentes han sido agregados a la lista de componentes y que el paquete de fluido ahora trata 44 componentes (6 introducidos anteriormente mas los 38 pseudocomponentes creados), calculando también los parámetros de interacción entre cada par de componentes. Llegado hasta aquí Hysys está listo para poder realizar los cálculos de los diferentes equipos y funciones que instalemos y debemos pasar al entorno de simulación donde iremos construyendo la planta a simular. 5.2.4.- Entorno de simulación. Al entrar en el entorno de simulación nos aparece la imagen que se muestra en la figura siguiente. 49

Figura 5.7.- Imagen inicial del entorno de simulación (PFD). Observamos que en el plano de simulación aparece la corriente creada en la instalación de nuestro crudo, que es la que abastecerá de la información de la alimentación al sistema. Hysys es un programa visualmente intuitivo y muestra diferente color dependiendo si la corriente está completamente definida o no, en nuestro caso aun no lo está y aparece en color celeste y cuando terminemos de definirla cambiara a color azul. La ventana que nos aparece a la derecha es la denominada paleta de objetos, de donde se pueden instalar las corrientes, los equipos y las operaciones lógicas necesarias. Nos aparece una ventana interior (PFD) donde aparecen una serie de iconos que sirven para conexiones de corrientes de equipos y ajustes de tamaño principalmente. El nombre de cada icono aparece dejando el puntero fijo sobre ellos y sabiendo su nombre nos podemos hacer una idea de la utilidad de cada uno de ellos. Dentro de la ventana principal han aparecido una serie de iconos de relevante importancia para el manejo de la simulación. La siguiente tabla refleja las funciones más importantes de algunos de ellos. 50

Nombre Icono Función Workbook Object Navigator Flowsheet Summary Steady State Mode Dynamics Mode Principalmente usado para instalar y definir corrientes y equipos. Buscar cualquier tipo de información sobre corrientes, equipos y funciones. Refleja de forma tabulada un resumen de las condiciones y composición de corrientes y equipos. La simulación transcurra en régimen estático. La simulación transcurra en régimen dinámico. Dynamics Assistant Sirve para activar la ayuda del asistente dinámico. Tabla 5.7.- Utilidades de algunos de los Iconos del PFD. 5.2.5.- Creación de las corrientes de alimentación. El primer paso dentro de la simulación es crear las corrientes de alimentación al sistema, en nuestro caso habrá que crear tres corrientes más y definir sus condiciones y composición. Estas corrientes estarán compuestas solamente por vapor de agua y serán utilizadas para administrar calor al sistema y para el arrastre de ligeros en la columna y los stripper laterales. Existen dos formas principalmente de introducir las corrientes, igual que las unidades de operación, una es seleccionándola desde la paleta de objetos y otra a través del Workbook. Para instalar una sola corriente es mas cómodo hacerlo desde la paleta, pero cuando vamos a crear varias, el Workbook es la mejor opción ya que desde una sola ventana se pueden crear y definir todas las corrientes y su composición. A parte de la composición, las corrientes necesitan datos de temperatura, presión y caudal para su completa definición. 5.2.6.- Definicion de los equipos del tren de calentamiento. Una vez creadas las corrientes de alimentación el siguiente paso es comenzar con la instalación de los equipos. Al igual que ocurre con las corrientes, Hysys da diferentes colores al equipo dependiendo si está completamente definido o no. Si el equipo no está definido o no tiene las corrientes conectadas aparecerá de color rojo, si el equipo está definido pero no ha simulado por algún motivo aparecerá de color gris con borde de color amarillo y si el equipo está correctamente definido y simulado aparecerá de color gris con bordes en negro. Los colores de las opciones pueden ser cambiados en el menú de preferencias. 51

Separador Flash. Hemos iniciado la simulación suponiendo que la corriente de alimentación de crudo esta precalentada por los diversos intercambiadores de calor con las corrientes de productos, como se explica en la parte teórica de una planta de refino. Esta corriente suponemos que también ha pasado la operación de desalado y viene exenta de agua. Por lo tanto la primera unidad de operación que debemos encontrarnos en la simulación es un separador flash. La función del separador es separar la alimentación en dos corrientes, una liquida y otra gas, para posteriormente calentar la corriente liquida hasta la temperatura de entrada de la alimentación a la torre. En la siguiente imagen podemos ver la pagina de diseño de un separador. Figura 5.8.- Ventana de diseño del separador flash. Para su diseño el separador necesita de una o varias corrientes de alimentación y dos corrientes productos, una líquida y otra gas (ambas corrientes se crean desde esta ventana de diseño). La creación del separador requiere de dos parámetros: la perdida de presión y el nivel de líquido, que en nuestro caso serán los marcados por defectos por Hysys, 0 para la perdida de carga y 50% para el nivel de líquido dentro del separador. Hysys va realizando los cálculos a medida que vamos añadiendo los equipos y pueden ser visualizados desde el Workbook, donde aparecen todas las corrientes y equipos existentes, o desde la pestaña Worksheet de la ventana de diseño de cada equipo, donde solo se visualizan las condiciones de las corrientes involucradas en el equipo. 52

Figura 5.9.- Corrientes involucradas en el separador flash. Figura 5.10.- Todas las corrientes existentes hasta la creación del flash. Horno. El siguiente equipo que debe ser instalado es el calentador, su función es el acondicionamiento térmico del crudo hasta una temperatura determinada para que cuando la corriente gaseosa del flash y la que salga del horno se mezclen tenga la temperatura deseada 53

para la alimentación de la torre. La clase de horno instalada necesita la especificación de la corriente de entrada, de salida y una corriente de calor (estas dos últimas creadas desde la ventana de diseño del horno). Figura 5.11.- Ventana de diseño del horno. Al igual que el equipo anterior el horno necesita dos especificaciones de diseño, la perdida de carga (para este equipo supondremos que es 10 psi) y el calor proporcionado por la corriente de energía (desconocido). Esta última especificación puede ser calculada por Hysys si especificamos la temperatura de salida del horno, pero resulta que esta temperatura también es desconocida para nosotros, así que por ahora dejaremos esta parte sin terminar de definir y en el diagrama el horno aparecerá de color amarillo y la corriente de salida de color celeste, lo que indica lo anteriormente dicho. Figura 5.12.- Diagrama de flujo hasta la instalación del horno. 54

Mezclador. El último equipo a instalar que conforma el tren de calentamiento del crudo será un mezclador que una las corrientes, la gaseosa que sale del flash y la corriente de salida del horno. Figura 5.13.- Ventana para el diseño del mezclador. Debemos especificar las corrientes de entrada y crear la corriente de salida (Alimentación Torre). Para especificar la presión de la corriente de salida Hysys toma por defecto (puede ser modificada dentro de los parámetros de diseño del mezclador) la menor presión de las de las corrientes de entradas. Observamos que la corriente de salida del mezclador esta sin especificar completamente debido a que una de las corrientes de entrada no lo está aun. En este punto si sabemos la temperatura de la corriente Alimentación Torre, y especificando esta temperatura desde la ventana de diseño del mezclador Hysys realiza los cálculos anteriores (Corriente Crudo Calentado y horno). 5.2.7.- Instalacion de la columna de fraccionamiento. Llegamos a la parte más importante de la simulación, la instalación de la torre de fraccionamiento del crudo, pero antes debemos crear una corriente de energía que entrará en la torre junto con la alimentación de crudo y que su función es la de proporcionar el calor necesario para crear el reflujo suficiente en el punto de alimentación y en los platos por debajo de esta. El calor necesario que debe aportar esta corriente será calculado con el diseño de la columna. Hysys dispone de un numero de columnas predefinidas que se pueden instalar y definir completamente. La columna elegida es un Refluxed Absorber. Al instalar dicha columna y 55

usando la opción Use Input Expert Hysys te guía en la especificación de esta columna en una especie de tutorial de 4 ventanas, dejándote acceder a la ventana siguiente solo si la ventana anterior esta correctamente completada. En la primera ventana debemos definir lo siguiente: Numero de platos teóricos: 29. Corrientes de alimentación (Alimentación Torre y Q-Alimentación) y plato de entrada (28). Vapor que entra por cola (Vapor Fondo). Tipo de condensador (Parcial). Crear las corrientes productos (Off Gas, Nafta, Agua y Residuo). El condensador elegido será parcial aunque no tendremos salida gaseosa, lo que tendremos finalmente serán dos corrientes líquidas: una de agua y otra que contendrá la nafta y los ligeros finales. El condensador actuara como uno total con un caudal 0 en la corriente gaseosa. Además de las corrientes productos aquí creadas se crearan tres más, pero estas serán creadas con la introducción de los equipos laterales. Figura 5.14.- 1ª Ventana para instalar la columna. El programa también te da la opción de poder comenzar la numeración de los platos por donde queramos, por arriba o por abajo. En la siguiente página hay que definir los valores estimados de presión de salida del condensador, salida por cola y perdida de presión en el condensador. Con estos datos ayudamos a Hysys a realizar la distribución de presiones a lo largo de la columna. 56

Figura 5.15.- 2ª Ventana para instalar la columna. Un rango de valor típico de pérdida de presión en los condensadores de estos equipo es de 7-11 psi, nosotros marcamos como 9 psi la perdida de presión en el condensador. La tercera de las ventanas nos pide la estimación de las temperaturas en el condensador, en el plato superior y la temperatura del último plato. Aunque estos datos son opcionales y no seria estrictamente necesario especificarlos, nosotros marcaremos estas temperaturas para facilitar la convergencia de la columna. Figura 5.16.- 3ª Ventana para instalar la columna. 57

Las torres de este tipo (con condensador parcial) tienen 2 grados de libertad y Hysys proporciona dos especificaciones por defecto (Ratio de Vapor y Ratio de Reflujo) que es lo que nos aparece en esta última ventana. Marcamos el ratio de vapor como 0, ya que solo queremos obtener corrientes líquidas del condensador y marcamos como 1 el ratio de reflujo. Figura 5.17.- Última ventana para instalar la columna. Concluyendo estos 4 pasos correctamente habremos introducido las especificaciones necesarias para el diseño de la columna y nos aparecerá la siguiente ventana. Figura 5.18.- Ventana de diseño de la columna. 58

El estatus de la columna aparece en color rojo, lo cual indica que aun no está lista para ser simulada. En esta ventana nos aparecen una serie de páginas, clasificadas dentro de su pestaña correspondiente, de gran importancia en el diseño y simulación de la columna; unas ya vistas anteriormente (Worsheet, Performance, Parameters, Reactions ) y con igual función que en las demás ventanas anteriormente vistas, y otras nuevas (Monitor y Spec dentro de la pestaña Design y la pestaña Side Ops) que deben ser explicadas su funcionalidad. Monitor: podemos ver los cálculos de las iteraciones que hace el sistema y la evolución gráfica de estos cálculos de presión, temperatura y caudal. Ver los grados de libertad que posee el sistema y activar o desactivar las especificaciones existentes. Specs: desde esta página podemos ver, modificar, borrar o crear especificaciones para el correcto funcionamiento de la columna. Side Ops: desde esta página se realiza la adicción de equipos laterales a la torre de destilación. Como observamos en la pagina Monitor tenemos dos especificaciones activas, que han sido creadas en la instalación de la columna, los grados de libertad deberían ser 0, pero esto no es así debido a que en la creación de la corriente de energía de entrada se creó un grado de libertad, ya que es desconocido su valor. Para que la torre pueda ser simulada por Hysys los grados de libertad deben ser 0 y por lo tanto una especificación más debe ser activada. Figura 5.19.- Ventana de la página Monitor. Creamos una nueva especificación llamada WasteH2O para hacer los grados de libertad 0, Hysys activará esta especificación una vez sea creada. Con los grados de libertad a 0 pasamos a la instalación de los equipos laterales. Como ya comentamos anteriormente crearemos 3 corrientes productos más (Keroseno, Diesel y AGO) que serán obtenidas de la instalación de 3 stripper laterales. Estos equipos serán creados desde la pestaña Side Ops. 59

Figura 5.20.- Ventana para la instalación de equipos laterales. 5.2.7.1.- INSTALACIÓN DE STRIPPER LATERALES. En la instalación de los stripper laterales debemos especificar el plato de extracción y el plato de la corriente de regreso, el número de platos del stripper, debemos crear una corriente producto y especificar su caudal e instalar un reboiler o una corriente vapor. Figura 5.21.- Ventana de instalación de un stripper lateral. En nuestro caso el stripper del Keroseno usará un reboiler como fuente de calor al sistema y por lo tanto tendremos que especificar el ratio de hervido. En los otros dos strippers tendremos arrastre con vapor, ambas corrientes (Vapor Diesel y Vapor AGO) deben ser creadas antes de la instalación de sus strippers. 60

Respecto al número de platos, sabemos que bibliográficamente oscilan entre 3 y 6 platos, el número elegido para nuestro caso será de 3 platos en todos los strippers. Para la especificación de los caudales de las corrientes productos nos debemos fijar en los datos que nos dio Hysys en la creación del crudo (Tabla 5.6), multiplicando estos porcentajes por el caudal de alimentación. En la siguiente figura se muestra el resumen que recoge la página Side Strippers de estos 3 equipos instalados. Figura 5.22.- Cuadro resumen de los strippers laterales. Si observamos el diagrama de flujo (PFD) vemos que Hysys ha creado y dibujado las nuevas corrientes productos y que se encuentran en color celeste porque aun no han sido calculadas. Figura 5.23.- Diagrama de flujo con los strippers laterales instalados. Con la adicción de los 3 strippers se han creado 4 grados de libertad nuevos, uno por cada especificación de caudal y uno más por el reboiler del stripper del Keroseno. Tenemos un total de 7 grados de libertad y debemos tener 7 especificaciones activas y así se puede ver si volvemos a la pagina Monitor. 61

5.2.7.2.- INSTALACIÓN DE LOS PUMP AROUND. Al realizar una extracción lateral, hacerla pasar por un stripper y devolver parte de esta corriente a la torre, la temperatura de la corriente de regreso es superior a la temperatura de la mezcla en el plato de regreso, lo cual implica menor fase liquida e influye en la cantidad de reflujo que puede ser inferior a la necesaria para el mejor funcionamiento de la torre. Para subsanar esto es necesario incluir 3 pump around, uno por cada extracción lateral, para garantizar el reflujo en todos los platos de la columna. Estos pump around pueden ser instalados bien en el mismo plato que los stripper o en platos superiores. Consisten en extraer una parte del caudal que pasa por el plato, hacerlo pasar por un intercambiador de calor y devolverlo un plato más arriba a inferior temperatura. A la hora de instalar un pump around, Hysys nos va a pedir el plato de extracción y de regreso y nos dará la posibilidad de introducir una pérdida de carga en el intercambiador (en nuestro caso 0). Cada pump around genera dos grados de libertad sobre el sistema y por lo tanto dos especificaciones deben ser introducidas; Hysys por defecto te pide el caudal y la diferencia de temperatura; nosotros cambiaremos la diferencia de temperatura por el calor en el intercambiador. Figura 5.24.- Ventana instalación del pump around. Figura 5.25.- Ventana para las especificaciones de los pump around. 62

Al igual que los strippers laterales, se puede ver un cuadro resumen de los pump around que se muestra a continuación. Figura 5.26.- Cuadro resumen de los pump arounds. 5.2.7.3.- ESPECIFICACIONES Y AJUSTE DE LOS GRADOS DE LIBERTAD. Como hemos comentado ya, cada pump around genera 2 grados de libertad al sistema y a los 7 que teníamos antes hay que sumarles estos 6 nuevos, por lo tanto debemos de tener activas 13 especificaciones para cubrir todos los grados de libertad. Figura 5.27.- Página Monitor con las especificaciones activas. 63

La página nos muestra que los grados de libertad son 0 y que la columna esta lista para ser resuelta, sin embargo el estatus sigue de color rojo, lo cual indica todo lo contrario y puede que algunas de las especificaciones tenga que ser cambiada. El conjunto de especificaciones no nos permite poder darle un valor a la corriente Q-Alimentación, pero si especificamos el reflujo en el plato superior a la alimentación e introducimos un valor del calor empleado en el reboiler si puede ser calculado. Creamos dos nuevas especificaciones (Overflash y Kero Reb Duty), la primera de ellas estará relacionada con el reflujo del plato 27, y un valor típico está entre el 3 y el 5 % del caudal de alimentación. La segunda será el calor usado en el reboiler. Al crear y activar dos nuevas especificaciones debemos desactivar dos de las que ya estaban activas, una es KeroSS BoilUP Ratio, ya que sino entraría en discordancia con la nueva creada. La segunda de las especificaciones a desactivar es WasteH2O, ya que este valor me lo proporcionará el programa. Por último hay que activar la especificación Vap Prod Rate (0 barril/día) y desactivar la especificación de Reflujo, ya que no puede ser ese valor porque no obtendríamos caudal por cabeza al recircularlo todo. La columna finalmente converge con esto cambios. Figura 5.28.- Ventana Monitor con las especificaciones activas que convergen la simulación. Es conveniente observar los resultados obtenidos antes de continuar, y para ello nos situamos dentro de la pestaña Performance de la ventana de la columna. En la página Column Profiles podemos ver tabulados los perfiles de presión, temperatura y caudal líquido y gaseoso en cada plato. 64

Figura 5.29.- Distribución de presión, temperatura y caudal a lo largo de la columna. Dentro de la página Plots pueden verse de forma tabular o gráfica propiedades como presión, temperatura y caudal de cada etapa y también puede verse de forma tabular o gráfica ensayos de destilación, peso molecular y densidad de una cierta etapa o de varias a la vez. En la siguiente imagen se refleja las temperaturas de ebullición frente al porcentaje de destilado de las 5 corrientes productos. Figura 5.30.- Distribución de Temperatura de las corrientes productos. 65

Todos los resultados que se obtendrán serán visto y analizados con mas detalles mas adelante en el punto de análisis de resultados. En el diagrama de flujo que se nos muestra en el PFD no aparecen reflejados los equipos laterales instalados, solo las corrientes de entrada y salida de la columna, pero Hysys nos da la posibilidad de poder ver el sub-diagrama de la columna con todos sus detalles haciendo clic en el recuadro Column Environment. Figura 5.31.- Sub-diagrama de flujo de la columna de destilación. Dentro del sub-diagrama tenemos todas las opciones posibles de ver resultados o realizar alguna acción que en el diagrama principal. Volviendo al diagrama principal, usamos de nuevo la herramienta Workbook para ver los resultados calculados para las corrientes y los equipos. En la siguiente tabla se reflejan los datos de todas las corrientes participantes en el diagrama principal. 66

Nombre Crudo Vapor Fondo Precalentado Vapor Diesel Vapor AGO PreFlash Vapor Vapor 0,366 1,000 1,000 1,000 1,000 Temperatura [F] 450,0 375,0 300,0 300,0 450,0 Presión [psia] 50,0 150,0 50,0 50,0 50,0 Caudal Molar [lbmole/hr] 4411,89 416,32 166,53 138,77 1614,97 Caudal Másico [lb/hr] 1246889,41 7500,00 3000,00 2500,00 191581,15 Caudal Volumétrico [barril/día] 100000,00 514,58 205,83 171,53 18421,49 Caudal Calorífico [Btu/hr] -8,535E+08-4,237E+07-1,703E+07-1,419E+07-1,204E+08 Nombre PreFlash Crudo Alimentación Liquido Calentado Torre Off Gas Nafta Vapor 0,000 0,434 0,682 1,000 0,000 Temperatura [F] 450,0 688,5 650,0 112,5 112,5 Presión [psia] 50,0 40,0 40,0 19,7 19,7 Caudal Molar [lbmole/hr] 2796,92 2796,92 4411,89 0,00 1867,45 Caudal Másico [lb/hr] 1055308,26 1055308,26 1246889,41 0,03 203643,51 Caudal Volumétrico [barril/día] 81578,51 81578,51 100000,00 0,00 20000,08 Caudal Calorífico [Btu/hr] -7,332E+08-5,427E+08-6,631E+08-3,459E+01-1,872E+08 Nombre Agua Residuo Keroseno Diesel AGO Vapor 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 Temperatura [F] 112,5 642,9 412,4 460,2 568,8 Presión [psia] 19,7 32,7 29,8 31,0 31,7 Caudal Molar [lbmole/hr] 702,34 1181,70 402,60 738,00 241,36 Caudal Másico [lb/hr] 12652,76 665233,86 80435,32 207646,26 90276,45 Caudal Volumétrico [barril/día] 868,12 49021,95 7000,17 17000,90 7000,63 Caudal Calorífico [Btu/hr] -8,596E+07-3,770E+08-5,766E+07-1,440E+08-5,637E+07 Tabla 5.8.- Características de las corrientes del diagrama de flujo. Una de las herramientas muy útil en Hysys es el Objet Navigator. Con esta herramienta podemos abrir rápidamente cualquier corriente o equipo para ver sus propiedades o composición, o incluso instalar y ver curvas, como las vistas anteriormente de puntos de ebullición de alguna etapa o corriente. Lo útil de esta herramienta es que podemos acceder con ella a las corrientes y equipos internos de la columna, los que se reflejan en el sub-diagrama, 67

cosa que no se puede hacer con otra herramienta desde el diagrama principal. La siguiente grafica representa la curva de destilación de la corriente de Keroseno. Figura 5.32.- Curvas de destilación de la corriente Keroseno. 5.2.8.- Libro de Datos o Databook. La ultima herramienta que veremos en esta parte de la simulación y la más importante en lo que se refiere al análisis de resultados será el Libro de Datos o Databook. Figura 5.33.- Ventana del Databook. 68

La simulación estática está concluida pero debemos ver si los resultados obtenidos son aceptables o deben ser mejorados. Para mejorar los resultados debemos saber que variables pueden ser modificadas y cómo influyen en el sistema, y esta es la principal función del Databook. Hay variables, como son los caudales de los productos, que han sido especificadas que podemos ver si pueden ser mayores para maximizar la producción y a qué precio. Otras variables deben estar dentro de un límite para obtener un buen producto como ocurre con la composición de ligeros y pesados de las corrientes productos. Y por ultimo están las variables que afectan al ahorro energético de la planta como pueden ser el consumo de vapor o los calores empleados en la alimentación y en el condensador. Todas estas variables dependerán en mayor o menor medida de las demás variables del sistema. El Databook nos ayuda a poder ver la evolución del sistema, tanto de forma gráfica como tabular, y observar si la variación de una o más variables produce un efecto positivo o negativo sobre las demás. Para usar esta herramienta lo primero que tenemos que hacer es añadir las variables que nos interesa ver su evolución, en nuestro caso serán los calores de alimentación y del condensador y la composición de compuestos ligeros y pesados de las corrientes productos, ya que daremos prioridad a una mejor distribución de los cortes que a una maximización de alguno de los productos. Por lo tanto las variables creados son las siguientes: Punto 90% de la curva TBP de Nafta. Punto 10% de la curva TBP de Keroseno. Punto 90% de la curva TBP de Keroseno. Punto 10% de la curva TBP de Diesel. Punto 90% de la curva TBP de Diesel. Punto 10% de la curva TBP de AGO. Punto 90% de la curva TBP de AGO. Punto 10% de la curva TBP de Residuo. Calor Q-Alimentación. Calor Q-Condensador. Para poder ver estos puntos de las TBP, antes han de crearse estas curvas como utilidades del sistema. Una vez creadas las variables debemos crear un escenario (por ejemplo: Caudal Vapor Fondo), seleccionamos las variables que queremos observar de las creadas y grabamos el primer estado como el estado actual. Vamos cambiando el valor de esta variable (Caudal Vapor Fondo) y vamos grabando los distintos estados. Por último queda ver cómo han evolucionado las variables definidas en una tabla o en un gráfico y llegar a un consenso de cuál es el mejor valor para la variable manipulada. 69

Las variables manipuladas para nuestro caso serán las siguientes: Caudales de las corrientes productos. Caudales, presión y temperatura de las corrientes de alimentación de vapor. Temperatura y presión de la corriente de alimentación de crudo. Caudal y calor empleado en los pump around. Numero de platos de los strippers laterales. Especificación Overflash. El análisis de todos estos escenarios se verá en el apartado de análisis de resultados. 5.3.- SIMULACIÓN DINÁMICA. Igual que ocurre con la simulación estática, lo expuesto en este apartado se recoge paso por paso en el Anexo V pero continuando con las cambios realizados en el análisis de resultados de la simulación estacionaria. Un simple fraccionador facilita productos como naftas, keroseno, diesel y residuo atmosférico a través de la alimentación de un crudo pesado. En el tutorial el crudo alimentado fue calentado en el horno y vuelta a combinar con el vapor. La combinación de ambas corrientes sirvió de alimentación a una columna de fraccionación atmosférica. En la parte dinámica solo consideraremos la columna de crudo, es decir, eliminaremos el tren de precalentamiento del diagrama de flujo. El principal objetivo de esta parte del proyecto es ofrecer un conocimiento adecuado de la transformación de una columna en estado estacionario a estado dinámico. El tutorial ofrece una manera única de preparar un caso estático en dinámico, sin embargo, también puede optar por utilizar el asistente dinámico para establecer especificaciones de presión, el tamaño de un equipo de la planta o introducir un nuevo equipo. Este tutorial te guía a través de los pasos necesarios para añadir la funcionalidad dinámica a una simulación de refinería de petróleo en estado estacionario. La trasformación al modelo dinámico sigue los siguientes pasos: 1. Obtener un modelo simplificado del estado estacionario que se convierte en dinámico. 2. Implementar la utilidad de tamaño de equipo para el dimensionamiento de la columna y de los equipos laterales. 3. Instalar y definir los controladores apropiados. 4. Añadir especificaciones de caudal o presión a las corrientes. 5. Establecer los datos habituales. Realizar cambios en las variables clave del proceso y observar el comportamiento dinámico del modelo. 70

5.3.1.- Modelo Simplificado. Como hemos dicho, solo nos centramos en la columna de destilación y sus equipos laterales para el caso dinámico, por lo tanto el primer paso es eliminar las corrientes y los equipos anteriores a la corriente de alimentación de la columna. Tenemos que tener en cuenta que la corriente de alimentación de la columna está definida a partir de las corrientes y equipos anteriores; así que antes de nada debemos crear una corriente con las mismas características actuales que la corriente Alimentación Torre. Hysys, al crear una corriente, tiene la opción de definir esta corriente a partir de otra ya existente (copia los datos), por lo tanto crearemos y definiremos una nueva corriente usando la opción Define from Other Stream y la corriente Alimentación Torre. Figura 5.34.- Ventana para definir una corriente a partir de una existente. Desde la ventana que se muestra en la figura podemos seleccionar la corriente y ver las propiedades de esta. Una vez definida la nueva corriente borramos lo anteriormente dicho. Por último paso para el acondicionamiento del sistema para la simulación dinámica falta definir la corriente Alimentación Torre, que será definida a partir de la corriente antes creada. Borramos la corriente antes creada y el diagrama de flujo está listo para comenzar con la simulación dinámica. 71

Figura 5.35.- Esquema de la planta para la simulación dinámica. 5.3.2.- Dimensionado de equipos. En la preparación para la operación dinámica debemos conocer la dimensión de la columna y de sus equipos laterales. Lo primero que debemos conocer es el tamaño de la columna y sus platos, para ello debemos crear una utilidad llamada Tray Sizing, como hicimos en la creación de las curvas TBP. Esta utilidad de Hysys nos va a calcular el tamaño de los platos de la columna basándose en los parámetros estacionarios introducidos y el tipo de plato seleccionado (Valve). Para nuestro caso Hysys distingue tres secciones diferentes en nuestra columna ya que tendremos tres tipos de condiciones de flujo a lo largo de la columna. Desde esta utilidad creada debemos obtener una serie de datos que deberán ser introducidos en el PFD para pasar a la simulación dinámica, estos datos se recogen en la siguiente tabla. Sección 1 Sección 2 Sección 3 Diámetro (m) 5,486 3,962 3,353 Distancia entre platos (mm) 50,8 50,8 50,8 Distancia entre poros (mm) 609,6 609,6 609,6 Numero de líneas de flujo 2 2 2 Altura total (m) 8,594 5,545 5,805 Max. DP/Plato (kpa) 0,893 0,916 0,641 Tabla 5.9.- Datos para definir el tamaño de la columna. La altura total de nuestra columna será la altura total dividida por el número de líneas de flujo (en nuestro caso 2) y la pérdida total de presión será la máxima perdida de carga por plato multiplicada por el numero de platos. Estos datos de dimensión de la columna deben ser introducidos en la página Sizing de la pestaña Rating de la columna. 72

Figura 5.36.- Ventana para definir el tamaño de la columna. También debemos cambiar la perdida de carga de la columna, cambiando la presión del plato 29 por la suma de la perdida de carga total calculada y la presión en el plato 1. Figura 5.37.- Ventana para definir la presión de la columna. El siguiente paso es realizar los mismo descrito para la columna, pero ahora con los strippers laterales. Para ello debemos crear tres nuevas utilidades, una por cada stripper lateral. Obtenemos los datos de tamaño que se reflejan en la siguiente tabla. 73

STRIPER KEROSENO STRIPPER DIESEL LIGERO STRIPPER DIESEL PESADO Sección 1 Sección 2 Sección 1 Sección 2 Sección 1 Sección 2 Diámetro (m) 1,067 0,762 1,829 1,372 1,981 1,524 Distancia entre platos (mm) 50,8 50,8 50,8 50,8 50,8 50,8 Distancia entre poros (mm) 609,6 609,6 609,6 609,6 609,6 609,6 Altura total (m) 908,738 703,791 1303,530 999,031 1441,716 1168,883 Número de líneas de flujo 1 1 1 1 1 1 Longitud actual (m) 1,61 2,3 2,6 Tabla 5.10.- Datos de tamaño de los stripper laterales. columna. Estos datos serán introducidos en sus respectivos equipos igual que se ha hecho en la El condensador y los intercambiadores de los pump around también requieren de especificaciones de tamaño para operar eficientemente en modo dinámico. Para el cálculo del volumen del condensador nos basaremos en un tiempo de residencia de 10 minutos y un nivel de liquido del 50% del volumen total. Este volumen es calculado manualmente aplicando la siguiente fórmula: El caudal total de salida se halla sumando los caudales de las corrientes de salida del condensador. El volumen calculado es introducido en las especificaciones dinámicas del condensador. En este caso debemos elegir también la forma de nuestro condensador (cilindro vertical). Figura 5.38.- Ventana de especificaciones dinámicas del condensador. 74

En el caso de los Cooler de los pump around, Hysys asigna un valor por defecto al volumen del equipo (0.1 m 3 ) y aunque queramos eliminar este valor observamos que seguirá apareciendo, eso es debido a que necesita un valor para la simulación y toma el menor posible. En nuestro caso dejaremos este valor por defecto que marca Hysys y comprobamos que no esté activa ninguna de las especificaciones dinámicas tal como se muestra en la siguiente figura, para los tres intercambiadores de las pump around. Figura 5.39.- Ventana de especificaciones dinámicas del Cooler. 5.3.3.- Instalación de las unidades de control. El siguiente paso es añadir controladores de nivel y caudal en la simulación. Hysys nos permite añadir controladores tanto en modo dinámico como en estacionario, y estos podrían ser introducidos después de la transición al modelo dinámico, pero nosotros los introduciremos antes. Las variables serán identificadas y controladas mediante operaciones de control lógicas PID. Estos controladores no requieren correr la simulación en modo dinámico para ser instalados. Ellos introducirán el realismo al modelo y lo harán más estable. Cuando introducimos un controlador tipo PID desde la paleta de objetos nos aparece la siguiente ventana para poder definirlo. Figura 5.40.- Ventana para la definición del controlador. 75

En la pestaña Connections podemos cambiar el nombre que Hysys pone por defecto y debemos introducir la variables que va a controlar (PV) y la variable que tiene que manipular para controlar a la primera (OP). En la página Configuracion de la pestaña Parameters debemos especificar si el controlador es de acción directa o inversa, el set point, el rango de la variable a controlar y las características estáticas del controlador (Kc, Ti y Td). Para que el controlador este completamente definido y pueda ejecutar su función solo falta introducir el rango de la variable manipulada en la ventana que se abre al hacer clic en recuadro Control Valve. La pestaña Stripchart es utilizada para crear una gráfica de la evolución de las variables controladas y manipuladas a lo largo del tiempo. Crearemos 4 controladores de caudal para corrientes de productos y un controlador de nivel para controlar el nivel de líquido del condensador. Los datos que deben ser introducidos en los controladores se recogen en la siguiente tabla. Controlador Cond LC Off Gas FC Keroseno FC Diesel Ligero FC Diesel Pesado FC Nivel liquido Caudal Diesel Caudal Diesel PV Caudal Off Gas Caudal Keroseno condensador Ligero Pesado Calor Q- Caudal extracción Caudal extracción Caudal extracción OP Caudal Nafta Condensador plato 9 plato 17 plato 22 Acción Directa Directa Inversa Inversa Inversa Kc 4 0,01 1 1 0,7 Ti 5 5 5 5 3 SP 50% 5 kgmol/h 46,31 m 3 /h 49,57 m 3 /h 66,07 m 3 /h PV min. 0% 0 kgmol/h 0 m 3 /h 0 m 3 /h 0 m 3 /h PV max. 100% 100 kgmol/h 100 m 3 /h 250 m 3 /h 100 m 3 /h OP min 0 kgmol/h 0 kj/h 0 kgmol/h 0 kgmol/h 0 kgmol/h OP max 2000 kgmol/h 2*10e8 kj/h 400 kgmol/h 1200 kgmol/h 500 kgmol/h Tabla 5.11.- Datos de los controladores. Los set point de los controladores son los valores de los que partimos del caso estacionario, exceptuando el del controlador Off Gas FC, el caudal de la corriente a controlar es casi nulo en caso estacionario y es difícil de controlar con el set point actual, ya que en las oscilaciones hasta alcanzar el régimen permanente puede tomar valores negativos, por este motivo tomamos un valor mayor en este caso. 5.3.4.- Especificaciones de presión y caudal de las corrientes. Antes de poder comenzar la integración en aspen Hysys, los grados de libertad en modo dinámico deben ser reducidos a cero añadiendo especificaciones de presión y caudal. Normalmente se hace una especificación de presión o caudal por cada corriente, pero necesitamos una especificación adicional por cada unidad lateral de la columna, estas 76

especificaciones adicionales serán los caudales de los productos ya especificados en la instalación de los controladores. Todas las corrientes de entrada y salida en el diagrama de flujo principal deberán tener una especificación de corriente o de caudal, exceptuando la corriente Nafta, ya que al especificar la presión de la corriente Off Gas y el caudal de la corriente Agua queda implícito su presión y su caudal. Dentro del subdiagrama de flujo tenemos las especificaciones que han sido añadidas con los controladores (corriente de la variable manipulada y variable a controlar), pero los pump arounds deben tener una especificación de flujo ya que la presión del flujo y la pérdida de carga no están definidas. Antes de empezar a introducir estas variables debemos pasar al modo dinámico haciendo clic en el botón Dynamic Mode y Hysys nos indicara que es necesario una serie de especificaciones y nos preguntara si queremos que el asistente nos ayude a solucionarlo. Si pulsamos en SI Hysys automáticamente activará las especificaciones necesarias para poder correr la simulación, en nuestro caso marcaremos la respuesta NO y si quisiéramos correr la simulación en este punto Hysys te diría que no es posible y te indicaría unas pautas de lo que haría falta especificar antes de poder simular. Marcaremos la opción NO e introduciremos las especificaciones que se recogen en las siguientes tablas. Corriente Presión Caudal Valor Vapor Diesel Ligero Inactiva Activa, Molar Flow 377,7 kgmol/h Alimentación Torre Inactiva Activa, Molar Flow 2001 kgmol/h Vapor Fondo Inactiva Activa, Molar Flow 377,7 kgmol/h Vapor Diesel Pesado Inactiva Activa, Molar Flow 377,7 kgmol/h Vapor Keroseno Inactiva Activa, Molar Flow 75,54 kgmol/h Off Gas Activa Inactiva 135,8 kpa Agua Inactiva Activa, Ideal 21,61 m3/h Keroseno Activa Inactiva 205,4 kpa Diesel Ligero Activa Inactiva 212,8 kpa Diesel Pesado Activa Inactiva 217,5 kpa Residuo Activa Inactiva 224 kpa Tabla 5.12.- Especificaciones introducidas en el diagrama principal. Corriente Especificación Activa Valor PA_1_Draw Caudal Molar 1496 kgmol/h PA_2_Draw Caudal Molar 632,6 kgmol/h PA_3_Draw Caudal Molar 544 kgmol/h Reflux Caudal Molar 1,049*10e-4 kgmol/h Keroseno_SS_Draw Caudal Molar 244,4 kgmol/h Diesel Ligero_SS_Draw Caudal Molar 288,9 kgmol/h Diesel Pesado_SS_Draw Caudal Molar 308,9 kgmol/h Tabla 5.13.- Especificaciones introducidas en el sub-diagrama. 77

El valor introducido para cada especificación es el obtenido del modelo estacionario, para partir de una buena aproximación, ya que se supone que hemos realizado un buen ajuste en el modelo estacionario. Llegado a este punto, la planta está lista para ser integrada. Hacemos que estén visible solamente los Face Plate de los controladores y las gráficas antes creadas y observamos la evolución de las variables a controlar. Para correr la simulación hacemos clic en el botón Start Integrator y observamos la evolución de la variables. Una vez trascurrido un tiempo alcanzamos el régimen permanente y en la siguiente imagen podemos observar los Face Plate de los controladores que han llegado al valor que le hemos marcado. Figura 5.41.- Face Plate de los controladores al alcanzar el régimen permanente. Observamos que no existe error en el régimen permanente, esto es debido al buen ajuste de los controladores y que estamos simulando en los puntos obtenidos en la simulación estática, pero debemos observar si estos controladores son buenos para distintos puntos (seguimiento de la señal) y evolucionan bien frente a las perturbaciones. Todo esto se verá en el apartado de análisis de resultados del modelo dinámico (apartado 6.2). 78