SIMULACI N DE PROCESOS CON ASPEN HYSYS 2006 Ing. José Luis Aguilar Salazar CURSO BÁSICO DE SIMULACIÓN DE PROCESOS CON ASPEN ASPEN HYSYS 2006 Objetivos Básic Básicos: os: Una vez concluido el curso el estudiante será capaz de: • • • • • • • Com render el entorno en el ue se mane a As en H s s. Ingresar Ingresar compo component nentes es y defin definir ir un paqu paquete ete de fluido fluidos. s. Realiza Rea lizarr cál cálcul culos os termod termodiná inámico micos. s. Hacer Hacer bal balanc ances es de de mater materia ia y energ energía. ía. Simula Simularr equipo equiposs de tran transfe sferen rencia cia de de masa masa y calor. calor. Simu Simula larr rea react ctor ores es qu quím ímico icos. s. Simula Simularr planta plantass químic químicas, as, petr petróle óleo o y gas natur natural. al. INTRODUCCIÓN La simulación de procesos se ha convertido en una herramienta básica y fundamental para los ingenieros en la etapa de formación y en el ejercicio de su profesión. Los simuladores de procesos se utilizan en las industrias para: Elaboración de proyectos. Diseño y especificación de equipos. Localización y resolución de problemas. Control de procesos. . Análisis de riesgos operativos (HAZOP). INTRODUCCIÓN Se aplica a todo tipo de industrias : - Explor Exploraci ación ón & Produc Producció ción. n. - Plantas Plantas de separación separación y tratamie tratamiento nto de gas gas - Refin efinac ació ión n del pet petró róle leo o - Petro uímica. - Químic Química a y Farmacé armacéuti utica. ca. - Aceitera - Azucare arera INTRODUCCIÓN La simulación es la representación de un proceso o fenómeno , . A través del modelo se trata de explicar el comportamiento de un , . Los modelos se establecen a través de ecuaciones basadas en Le es Fundamentales: 1. Continuidad (Balance de Materia) . a ance e nerg a 3. Balance de Cantidad de Movimiento 4. Ecuaciones de Transporte INTRODUCCIÓN Leyes Fundamentales (Cont) 5. Ecuaciones de Estado 6. Equilibrio 7. Actividad . Con el fin de que el modelo se aproxime más a la realidad, éste se torna complejo en su formulación y difícil en su resolución. De ahí la necesidad de emplear métodos numéricos ya sean programados por el usuario o Simuladores de Procesos comerciales los modelos utilizando métodos numéricos INTRODUCCIÓN Los simuladores de procesos se han convertido en una herramienta básica para los estudiantes de Ingeniería e Ingenieros que se desempeñan en la industria. mecánicas, procesos, hidráulica, estructural, etc. Los simuladores comerciales enfocados a los procesos son: - CHEMCAD - PRO II PROVISION - PIPE-FLOW - PIPESIM - OLGA CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE SIMULACIÓN Los simuladores más empleados son: 1. Simuladores globales u orientados a ecuaciones. - Las ecuaciones que rigen cada equipo se integran entre sí, dando origen a un planta a simular. - La solución del problema consiste en resolver un gran sistema de ecuaciones algebraicas, por lo general, altamente no lineal. Desventajas - Problemas de convergencia Existencia de varias soluciones matemáticamente factibles, por ser el sistema fuertemente no lineal. Pérdida de la asociación entre la ecuación y el equipo correspondiente CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE SIMULACIÓN 1. Simuladores globales u orientados a ecuaciones. (Cont.) en a as - La velocidad de convergencia es cuadrática es decir mayor que en . - Permite aproximar ecuaciones de restricción y funciones objetivos, directa. CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE SIMULACIÓN . - Estos simuladores resuelven cada tipo de equipo por separado usando las técnicas que son adecuadas para el mismo. - El flujo de información coincide con el “flujo físico” de la planta. matemático. - El enfoque en la teoría secuencial modular impone conocer las condiciones de as corrientes e entra as - Calculan las condiciones de las corrientes de salida y los correspondientes CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE SIMULACIÓN 2. Simuladores Secuenciales (Cont.) Ventajas - Convergencia rápida. Existe asociación entre la ecuación y el equipo. Desventajas objetivos, por lo que la tarea de optimización no se puede realizar en forma directa. CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE SIMULACIÓN 2. Simuladores Secuenciales (Cont.) Elementos de un Simulador Secuencial - Corriente: Mezcla de multicomponentes caracterizadas por el caudal, composición y estado termodinámico - Modulo: Representa un equipo, unidad de proceso o una operación matemática Corriente de Entrada MODULO Parámetros del Modulo orr en e e Salida CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE SIMULACIÓN 2. Simuladores Secuenciales (Cont.) Resolución de los modelos de los módulos una a la vez en una determinada secuencia Conociéndose las alimentaciones el modulo es calculado y sus salidas determinadas DISEÑO DE PROCESOS Los ingenieros deben producir documentos diseñar El diseño de plantas de procesos lleva están mas inmersos en dos que son: Ingeniería Básica Ingeniería de Detalle INGENIERÍA BÁSICA Es realizado principalmente por Ingenieros u m cos. Define los aspectos centrales de la planta Genera los siguientes documentos: Descri ción del roceso Diagrama de entrada y salida Diagrama de bloques genéricos Diagramas de Flujo de Bloques (BFD) Diagrama de Flujo de Proceso (PFD) INGENIERÍA BÁSICA Diagrama de flujo del proceso: Documento que escr e a secuenc a e operac ones que conforman el proceso agrama e en ra a y sa a: Diagrama de bloques genéricos: Basado en el anterior, incluye nuevos bloques que representan las áreas de las plantas (Separación, Reacción….) INGENIERÍA BÁSICA Diagramas de Flujo de Bloques (BFD): Incluye con c ones pr nc pa es e operac n, n ormac n importante (rendimiento, conversiones….), balances Diagrama de Flujo de Proceso (PFD): Incluye los lazos de controles rinci ales balances de materia y energía definitivos y especificación de equipos. (Este tipo de diseño se lleva a cabo en hysys) Hoja de datos (Data Sheet): Especifica los equipos durante la Ingeniería Básica INGENIERÍA DE DETALLE Características: Se lleva a cabo en un grupo interdisciplinario de ingenieros física de la planta Diagrama P&ID) de tuberías e Instrumentación (PID o e asa en e y espec ca a em s me ro y longitudes de tuberías, servicios industriales, drenajes, espesores, materiales, instrumentos de control. INGENIERÍA DE DETALLE Diagrama de tuberías e Instrumentación (PID o INGENIERÍA DE DETALLE INGENIERÍA DE DETALLE Hojas de datos (Data Sheet): Especificaciones t cn cas e os equ pos. ASPEN HYSYS HYSYS es un simulador de Procesos, estático secuencial modular, aplicado a la industria química, petroquímica, refinación, exploración & producción, farmacéutica y ambiental r r z r u r y , calculo de propiedades Fisicoquímicas, dimensionamiento de equipos incluyendo costos. Calculo de cargas de calor, requerimientos de , Herramienta de apoyo en la elaboración de proyectos en todas sus Herramienta para Optimizar Procesos existentes e incrementar la rentabilidad ASPEN HYSYS BASE DE DATOS - Contiene mas de 1500 componentes sólidos, líquidos y gaseosos - Propiedades Fisicoquímicas de las sustancias puras. - Parámetros de Interacción Binaria para el calculo de coeficiente de actividad - Electrolitos. BASE DE CRUDOS - Contiene propiedades de muchos Crudos a partir de datos experimentales CARACTERIZACIÓN DE FRACCIONES DE PETRÓLEO - Correlaciones especificas para fracciones livianas y pesadas. - Modelos de interconversión de curvas de destilación ASPEN HYSYS MODELOS TERMODINÁMICOS - - Entalpías Modelos de actividad Ecuaciones de estado Miselaneos ASPEN HYSYS OPERACIONES UNITARIAS HYSYS posee un integración grafica que permite modelar mas de 40 diferentes operaciones Unitarias: Acumuladores Flash Columnas de Destilación, azeotropica, Columnas de Extracción . Compresores Turbinas Bombas Intercamabiadores de Calor Separador Mezcladores Tuberías Válvulas de bloqueo y Control ASPEN HYSYS MÓDULOS ADICIONALES HYSYS contiene módulos adicionales como ser: - RefSYS O s Upstream Ops HTFS, HTFS+ (intercambiadores de Calor) PIPESYS (Tuberías) SPS-HYSYS Tuberias (Cristalización - Secado – Ciclones) SULSIM ASPEN HYSYS UNIDADES INTRODUCIR PARAMETROS DE DISEÑO O DE EVALUACION SELECCIONAR LOS COMPONENTES HACER DIAGRAMA DE PROCESO HACER AJUSTE ADICIONALES (CONTROLADOR) SELECCIONAR EL MODELO TERMODINAMICO COMPONENTES FLUJOS Y CONDICIONES DE LAS CORRIENTES DE ENTRADA INTERPRETAR MODELOS TERMODINÁMICOS Antes de la era de la computadora el 40% del tiempo termodinámicos. para la predicción de la Entalpia (H) y la Constante de Equilibrio (K) es fundamental para el proceso de simulación. La selección de un modelo inapropiado puede resultar en problemas de convergencia y resultados erróneos. Cada modelo es apropiado solamente para ciertos tipos de compuestos y limitado a ciertas condiciones de MODELOS TERMODINÁMICOS El proceso de selección debe hacerse tomando en cuenta Rangos de Presión y Temperatura Fases involucradas Naturaleza de los componentes Disponibilidad de Información El proceso de selección es “Profesional” no computacional MODELOS TERMODINÁMICOS Hay 4 categorías de Modelos Termodinámicos: Ecuaciones de Estado (E-o-S) Modelos de Actividad (Coeficiente de Actividad) Empíricos Especial para Sistemas Específicos Modelos EOS Modelos de Actividad Habilidad limitada para representar líquidos noideales Pueden representar líquidos altamente No-Ideales Pueden representar ambas fases líquida y gaseosa Representa solamente la fase líquida. La gaseosa debe ser representada aún por un modelo EOS temperatura dependientes de la temperatura MODELOS TERMODINÁMICOS Ecuaciones de Estado (E-o-S) . eng- o nson MODELOS TERMODINÁMICOS Ecuaciones de Estado (E-o-S) . ee- es er MODELOS TERMODINÁMICOS Modelos de Actividad . argu es MODELOS TERMODINÁMICOS Modelos de Actividad . on- an om wo qu qua on MODELOS TERMODINÁMICOS . APLICACIÓN Hidrocarburos en General Presión > 1 bar Hidrocarburos en General Presión > 1 bar Crio enicos < - 70°C Compuestos Simples Presión > 1 bar Presiones Moderadas 7 bar<P<200 bar Temperaturas -18°C a 430°C Hidrocarburos Pesados Presiones Moderadas P< 7 bar Temperaturas 90°C a 200°C Hidrocarburos Pesados Presiones Bajas Hidrocarburos - Gases Alifáticos Halogenados METODO PARA EL VALOR DE K METODO PARA LA ENTALPIA oave- e c - wong Peng-Robinson (PR) PR Benedict-Webb-RubenStarlind (BWRS) BWRS Grayson-Streed (GS) Lee Kessler (LK) ESSO LK Maxwell-Bonell K-Charts LK ot- ures - ono ue MSRK SRK MODELOS TERMODINÁMICOS 2. QUIMICOS METODO PARA EL METODO PARA Presión de Vapor (VAP) SRK 2 fases líquidas No-Ideales Azeotropos Heterogéneos - am - UNIFAC LATE Altamente No-Ideales Azeotropos Homogéneos Wilson LATE 2 fases líquidas Altamente No-Ideales Azeotropos Heterogéneos UNIQUAC LATE 2 fases líquidas Altamente No-Ideales Azeotropos Heterogéneos MARGULES LATE TK WILSON LATE APLICACIÓN Soluciones Ideales 2 fases líquidas Altamente No-Ideales Azeotropos Heterogéneos Azeotropos Heterogéneos MODELOS TERMODINAMICOS 2. QUIMICOS (cont.) APLICACIÓN VALOR DE K LA ENTALPIA MSRK LATE Compuestos Polares en Soluciones Regulares MSRK (4 parámetros) LATE ompues os o ares en o uc ones No-Ideales SRK Predictivo LATE Wilson LATE Alifáticos Halogenados Moderadamente No-Ideales Azeotropos Homogeneos Soluciones No-Ideales con Sales Disueltas MODELOS TERMODINÁMICOS 3. ESPECIALES APLICACIÓN Gases disueltos en Agua METODO PARA EL METODO PARA Ley de Henry Endulzamiento de Gases H2S-MEADEA Sour Water - PR SRK Metanol con Gases Livianos NRTL SRK Compuestos Ionicos disueltos en agua (HCL,NH3,HNO3) PPAQ SRK o LATE Deshidtratación de Hidrocarburos usando Tri-etilen glicol TEGV - PR SRK Flory-Huggins (FLOR) LATE H2S-CO2-NH3 disueltos en Agua Método para Polimeros MODELOS TERMODINÁMICOS 4. MODELOS PARA SISTEMAS METODO PARA EL VALOR DE K Procesos con gases criogenicos PR Separación de Aire PR Torres de Crudo Atmosferico PR,GS Torres de Vacio PR,GS, ESSO Torres de Etileno Lee Kesler Plocker Torres de Crudo Atmosferico Sistemas con alto contenido de H2 Reservorios PR,GS PR o GS PR , Inhibidores de humedad PR Sistemas Químicos Modelos de Actividad Al uilación con HF PR NRTL Hidrocarburos donde la solubilidad del Agua es importante Kabadi Danner
