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Manual DE Practicas Hysys
Fundamentos de termodinamica (Instituto Tecnológico Superior de Coatzacoalcos)
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Aspen HYSYS
Tutorials and Applications
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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
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Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006
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
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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
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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 4.
6. Haga clic sobre el botón “View” para añadir los componentes incluidos en el paque
fluido
7. Seleccione los componentes de la librería N2, H2S, CO2, C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5,
n-C5, C6 y H2O. 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.
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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
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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
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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
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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 PengRobinson 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
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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 12
2. 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:
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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
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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 nheptano 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
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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
Temperatura
Presión
Flujo
C
1
1
1
Total de Variables
C+3
Expresando las concentraciones en fracciones molares, Xi, se cumple una restricción de
suma entre ellas, es decir que:
N
∑X
i =1
i
=1
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(2.1)
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Por lo tanto, el número de variables de diseño, N ie , 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 ie = 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.
2.
3.
4.
Isotérmica:
T-P
Isoentálpica: T-H o P-H
Isoentrópica: T-S o P-S
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 -1.0.
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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 1.
2. 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
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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”
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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 -15000 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
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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 -10000 kJ/h en el cuadro “Heat Flow (kJ/h)” . Observe la
banda verde que indica que la corriente está completamente especificada
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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, PresiónEntropía, 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 1.
3. 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
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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”
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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 6
12. 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.
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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
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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
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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
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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”
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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 13.
6. 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
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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
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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
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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 1.1
2. 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
Fzi = F1 X 1i + F2 X 2i
(4.1)
F, es el flujo de la corriente de entrada y F1 y F2, 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 = F1 h1 + F 2 h 2
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(4.2)
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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
Corriente de energía
Total Variables
Ecuaciones o Restricciones
3(C + 2)
1
3(C + 2) + 1 = 3C + 7
Cantidad
Balances de materia
Balance de energía
Igualdades entre las concentraciones de F y F1
Igualdad de temperaturas
Igualdad de presiones
Total Ecuaciones
C
1
C–1
1
1
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
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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
F1 X 1i + F2 X 2i = FX i
(4.3)
El balance de energía en el proceso de mezclado simplificado es
F1 h1 + F 2 h 2 + 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
Corrientes de entrada y salida
Corriente de energía
Total Variables
Ecuaciones o Restricciónes
Cantidad
3(C + 2)
1
3(C + 2) + 1 = 3C + 7
Cantidad
Balances de materia
Balance de energia
Total Ecuaciones
C
1
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
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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 xi
(4.5)
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 = F1 h1 + F2 h2
(4.6)
El análisis de variables de diseño en un fraccionador de corrientes es el siguiente:
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Variables
Cantidad
Corrientes de salida
Flujo calórico
Total Variables
3(C +2)
1
3C + 7
Ecuaciones
Cantidad
Balances de materia
Balances de energía
Total Ecuaciones
C
1
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, F1) 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:
b. Componentes:
n-pentano y n-hexano
c. Sistema de unidades:
Peng Robinson
Etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano,
Field
2. Instale una corriente con las siguientes especificaciones:
a.
b.
c.
d.
e.
Nombre:
Uno
Temperatura:
200 °F
Presión:
500 psia
Flujo molar:
1000 lbmol/h
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.
b.
c.
d.
e.
Nombre:
Dos
Temperatura:
200 °F
Presión:
500 psia
Flujo molar:
800 lbmol/h
Composición (Fracción Molar)
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i.
ii.
iii.
iv.
n-Butano
i-Pentano
n-Pentano
n-Hexano
0.8
0.1
0.05
0.05
4. 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:
b. Entradas:
c. Salida:
M-100
Uno, Dos
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 5.
8. 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”
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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
7y8
10. 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:
b. Entrada:
c. Salida:
D-100
Pro 2
Tres, Cuatro
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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
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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
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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.
F2 h2 + 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:
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
Compresor
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
⎡
⎛P
k
− Ws =
P3V3 ⎢⎜⎜ 4
⎢⎝ P3
k −1
⎣⎢
⎞
⎟⎟
⎠
k −1
k
⎤
− 1⎥
⎥
⎦⎥
(5.2)
Siendo k = Cp/Cv,, P’s las presiones de las corrientes de entrada y salida y V3, el volumen
específico de la corriente de entrada
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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
− Ws ,real =
− Ws
η isoentrópica
= H 4,real − H 3
(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
b. Fracción de vapor
c. Temperatura
d. Flujo molar
e. Composición (Fracción molar)
1
0.0
120 °F
100 lbmol/h
1.0
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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”.
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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
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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
_________________
________________________
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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)
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Fzi = Vyi + Lxi
(6.1)
Fh F + Q = Vh V + Lh L
(6.2)
Balance de energía
Relaciones de equilibrio (N ecuaciones)
yi = K i xi
(6.3)
Restricciones
PV = PL = P
TV = TL = T
(6.4)
(6.5)
El análisis de grados de libertad es el siguiente:
Variables
Cantidad
Corriente Vapor
Corriente Líquido
Corriente Calor
Total Variables
C+2
C+2
1
2C + 5
Ecuaciones y Restricciones
Cantidad
Balances de materia
Relaciones de equilibrio
Balance de energía
Restricciones
Total Ecuaciones y Restricciones
C
C
1
2
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.
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( K i − 1) z i
=0
∑
i =1 1 + (V / F )( K i − 1)
N
(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:
g (T , V / F ) = 1 − (V / F )
hV
h
− (1 − (V / F )) L
hF
hF
(6.7)
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
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a.
b.
c.
d.
Nombre:
F
Temperatura:
150 °F
Presión:
50 psia
Composición (Fracción molar)
i. Etano
0.05
ii. Propano
0.15
iii. n-Butano
0.25
iv. n-Pentano
0.2
v. n-Hexano
0.35
5. 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
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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
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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
65000 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
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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.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Abra un nuevo caso y defina el siguiente paquete fluido
Ecuación:
Peng Robinson
Componentes:
C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5, H2O
Unidades:
SI
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
0.40
Maximice la ventana de propiedades de la corriente “Alimento” y observe las
condiciones de las tres fases que la componen en la Figura 1
Haga clic en la página “Composition” y observe las composiciones
correspondientes a dicha corriente en la Figura 2.
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.
Seleccione el separador de 3 fases haciendo doble clic sobre el icono
correspondiente en la paleta de objetos.
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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 3.
11. 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
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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”.
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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
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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
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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 noctano
C. Unidades:
Field
2. Instale una corriente de materia con nombre “F” y las siguientes
especificaciones
Pestaña Worksheet
Página Conditions
Temperature
Pressure
Molar Flow
60°F
600 psi
1 MMSCFH
Pestaña Worksheet
Página Compositions
Nitrogen Mole Frac
CO2 Mole Frac
Methane Mole Frac
Ethane Mole Frac
Propane Mole Frac
i-Butane Mole Frac
0.0069
0.0138
0.4827
0.1379
0.0690
0.0621
n-Butane Mole Frac
i-Pentane Mole Frac
n-Pentane Mole Frac
n-Hexane Mole Frac
n-Heptane Mole Frac
n-Octane Mole Frac
0.0552
0.0483
0.0414
0.0345
0.0276
0.0206
3. Instale un separador de fases con el nombre de “V-100” y las siguientes
especificaciones
Pestaña Design
Página Connections
Inlets
Vapour Outlet
Liquid Outlet
F1
V
L
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Pestaña Design
Página Parameters
Pressure Drop
0 psi
4. Instale un expansor con el nombre de “E-100” y las siguientes especificaciones
Pestaña Design
Página Connections
Inlet
Outlet
Energy
V
V1
Qe
Pestaña Worksheet
Página Conditions
Corriente V1
300 psi
5. Instale un separador con el nombre de “V-101” y las siguientes especificaciones
Pestaña Design
Página Connections
Inlets
Vapour Outlet
Liquid Outlet
V1
V2
L2
Pestaña Design
Página Parameters
Pressure Drop
1.45 psi
6. Instale una Tee con el nombre de “TE-100” y las siguientes especificaciones
Pestaña Design
Página Connections
Inlet
Outlets
L2
P, L3
Pestaña Design
Página Parameters
Flow Ratio
0.5
7. Instale una bomba con el nombre de “P-100” y las siguientes especificaciones
Pestaña Design
Página Connections
Inlet
Outlet
Energy
P
Rc
Qp
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Pestaña Design
Página Parameters
Efficiency
75%
Pestaña Worksheet
Páagina Conditions
Corriente Rc
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
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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
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Figura 3. Composiciones finales de las corrientes asumida y calculada
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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, iButano, 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
Presión
Flujo molar
50 °F
80 psia
250 lbmole/h
En la página “Composition” de la pestaña “Worksheet” especifique las siguientes
concentraciones para el alimento en fracciones molares:
Nitrogen Mole Frac
CO2 Mole Frac
Methane Mole Frac
Ethane Mole Frac
Propane Mole Frac
i-Butane Mole Frac
0.0069
0.0138
0.4827
0.1379
0.0690
0.0621
n-Butane Mole Frac
i-Pentane Mole Frac
n-Pentane Mole Frac
n-Hexane Mole Frac
n-Heptane Mole Frac
n-Octane Mole Frac
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0.0552
0.0483
0.0414
0.0345
0.0276
0.0206
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_____________________________________________________________________
Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006
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
Página Connections
Inlet
Outlet
Alimento
EntradaV-100
Pestaña Design
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
Página Connections
Inlets
Vapour Outlet
Liquid Outlet
EntradaV-100
VaporV-100
LiquidoV-100
Compresor K-100
Pestaña Design
Página Connections
Inlet
Outlet
Energy
VaporV-100
EntradaE-100
QK-100
Enfriador E-100 (Cooler)
Pestaña Design
Página Connections
Feed Stream
Product Stream
Energy Stream
EntradaE-100
SalidaE-100
QE-100
Pestaña Design
Página Parameters)
Pressure Drop
5 psi
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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
Página Connections
Inlet
Outlet
SalidaE-100
EntradaV-101
Pestaña Design
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
Página Connections
Feed
Vapour Outlet
Liquid Outlet
EntradaV-101
VaporV-101
LiquidoV-101
Compresor K-101
Pestaña Design
Página Connections
Inlet
Outlet
Energy
VaporV-101
EntradaE-101
QK-101
Enfriador E-101 (Cooler)
Pestaña Design
Página Connections
Feed Stream
Product Stream
Energy Stream
EntradaE-101
SalidaE-101
QE-101
Pestaña Design
Página Parameters
Pressure Drop
5 psi
Especifique la temperatura y presión de la corriente SalidaE-101 como 120°F y 500
psia respectivamente
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Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006
Mezclador MIX-102
Pestaña Design
Página Connections
Inlet
Outlet
SalidaE-101
EntradaV-102
Pestaña Design
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
Página Connections
Feed
Vapour Outlet
Liquid Outlet
EntradaV-102
VaporV-102
LiquidoV-102
Compresor K-102
Pestaña Design
Página Connections
Inlet
Outlet
Energy
VaporV-102
EntradaE-102
QK-102
Enfriador E-102
Pestaña Design
Página Connections
Feed Stream
Product Stream
Energy Stream
EntradaE-102
SalidaE-102
QE-102
Pestaña Design
Página Parameters
Pressure Drop
5 psi
Especifique la temperatura y presión de la corriente SalidaE-102 con valores de 120°F y
1000 psia, respectivamente
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Separador V-103
Pestaña Design
Página Connections
Feed
Vapour Outlet
Liquid Outlet
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-100
2. Especifique la corriente de recirculación RC-101 como la corriente LiquidoV-102 y
conéctela como un alimento al mezclador MIX-101
3. 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
¾ RCY-1 – Feed: LiquidoV-101; Product: RC-100
¾ RCY-2 – Feed: LiquidoV-102; Product: RC-101
¾ 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.
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Figura 1. Proceso de compresión de un gas en tres etapas
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10. AJUSTE DE VARIABLES
1. OBJETIVOS
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”.
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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
Presión
Flujo Molar
- 60°F
600 psi
144 lbmole/hr
Pestaña Worksheet
Página Composition
Methane Fracción Mol
Ethane Fracción Mol
Propane Fracción Mol
i-Butane Fracción Mole
n-Butane Fracción Mol
0.4861
0.1389
0.0694
0.0625
0.0556
i-Pentane Fracción Mole
n-Pentane Fracción Mole
n-Hexane Fracción Mole
n-Heptane Fracción Mole
n-Octane Fracción Mole
0.0486
0.0417
0.0486
0.0278
0.0208
Separador de fases. Instale un separador de fases con nombre “V-100”, y
especifique lo de la siguiente manera
Pestaña Design
Página Connections
Inlets
Vapour Outlet
Liquid Outlet
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
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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 –15.760 °F en
forma resaltada, es decir, como si fuera un valor especificado. Aunque el valor que
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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
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11. REACTOR DE CONVERSION
1. OBJETIVOS
1.
2.
3.
4.
Simular, en estado estacionario un reactor de conversión
Relacionar dos variables mediante la opción “Set” de HYSYS
Verificar los resultados obtenidos por HYSYS con los cálculados teóricamente
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:
N
F = Fi + ∑ γ r , kη Fi l ( r )
k
p
k
r =1
(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
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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
Siendo
(11.2)
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
Monóxido de carbono, Hidrógeno, Agua y Metano
Peng-Robinson
Sistema SI
COMPONENTES:
ECUACION:
UNIDADES:
REACCION DE CONVERSIÓN:
CO + 3 H2
CH4 + H2O
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
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“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
Presión
Flujo molar
550 °C
1000 kPa
1000 kgmol/h
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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
Presión
550 °C
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
Inlets
Vapour Outlet
Liquid Outlet
R-100
Monóxido, Hidrógeno
Vapor
Líquido
Pestaña Design
Página Parameters
Delta P
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
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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
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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 0.8
4. Realice los cálculos de separación instantánea y compárelos con los obtenidos por
HYSYS
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12. RELACION NO LINEAL ENTRE VARIABLES
1. OBJETIVOS
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
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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
b. Vapor Outlet
c. Liquid Outlet
Alimento
Vapor
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
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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
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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
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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:
X
τ
V
=
= A
FAo C Ao − rA
(13.1)
Siendo V, el volumen del reactor, FAo, el flujo molar del reactivo límite, τ, el tiempo
espacial, CAo, la concentración del reaccionante A en la corriente de entrada, XA, la
conversión de A y rA, 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
− rA = kCAn
(13.2)
Siendo k, la constante específica de velocidad de reación, n, el orden cinético de la reacción
y CA, 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 ⎜ −
⎟
⎝ RT ⎠
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(13.3)
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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 3 H 6 O + H 2 O → C 3 H 8 O2
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,
COxido, con una cinética de la forma
r = KCOxido
(13.4)
y la constante específica de velocidad de reacción está dada por la ecuación de Arrhenius
de la siguiente forma
⎛ 32444 ⎞
K = 1.7 x1013 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
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Estequiometría:
Base:
Oxido de propileno + Agua Æ Propilenglicol
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/m3 para la concentración, kgmol/h-m3 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 1.7x1013 h-1 y la energía de activación es 32444 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
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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
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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
Temperatura, °C
25
Presión, kPa
130
Flujo molar, kgmol/h
350
Composición (Fracción mol)
Oxido de propileno 0.2
Agua
0.8
Propilenglicol
0.0
Nitrógeno
0.0
Inerte
60
130
0
0.0
0.0
0.0
1.0
13. 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-100”
15. Llene la página “Connections” de la pestaña “Design” de su ventana de propiedades
de la siguiente manera
Nombre
Inlets
Vapor Outlet
Liquid Outlet
Energy
R-100
Inerte, Alimento
Vapor
Liquido
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
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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
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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:
X A dX
τ
V
A
=
=∫
0
− rA
FAo C Ao
(14.1)
Siendo V, el volumen del reactor, FAo, el flujo molar del reactivo límite, τ, el tiempo
espacial, CAo, la concentración del reaccionante A en la corriente de entrada, XA, la
conversión de A y rA, 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
CH3 − CO − CH3 → CH 2CO + CH 4
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.
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La reacción es de primer orden con respecto a la concentración de acetona, CAcetona, 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
⎛ 34222 ⎞
K = 8.2 x1014 exp⎜ −
⎟
T ⎠
⎝
(14.3)
Siendo T, la temperatura en Kelvin y K, en segundos-1
4. PAQUETE FLUIDO
Ecuación:
PRSV (Peng-Robinson Stryjek-Vera)
Componentes:
Acetona, keteno y metano
Reacción
Tipo:
Cinético
Estequiometría:
Acetona Æ 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/m3 para la concentración, kgmol/s-m3 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 8.2x1014 s-1 y la energía de
activación es 2.8x105 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
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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 2.
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
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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
especificaciones
con el nombre de “Acetona” con las siguientes
Temperatura, °C
Presión, kPa
761.85
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Flujo molar, kgmol/h
Fracción mol Acetona
137.9
1.0
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-100”
14. Llene la página “Connections” de la pestaña “Design” de su ventana de propiedades
de la siguiente manera
Nombre
Inlets
Outlet
R-100
Acetona
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
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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
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15. REACCION CATALITICA HETEROGENEA
1. OBJETIVOS
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
kf
−r =
Re ac
Pr od
i =1
j =1
∏ C iα i − k r ∏ C j
M
M ⎡
⎧⎪
γ kg
⎨1 + ∑ ⎢ K k ∏ C g
⎪⎩
i =1 ⎣
g =1
βj
⎤ ⎫⎪
⎥⎬
⎦ ⎪⎭
n
(15.1)
kf y kr 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:
C7 H 8 + H 2 → C 6 H 6 + H 2
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su mecanismo de reacción es tal que se puede expresar su cinética de acuerdo al Modelo de
Langmuir-Hinshelwood cuya forma matemática es
−r =
8.7 x10 −4 PH 2 PT
1 + 1.39 PB + 1.038 PT
(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 Æ 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-m3 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
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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 3.
7. 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
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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.
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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
especificaciones
con el nombre de “Alimento” con las siguientes
Temperatura, °C
Presión, kPa
Flujo molar, kgmol/h
Fracción mol Tolueno
Fracción mol Hidrógeno
Fracción mol Nitrógeno
640
4053
3
0.30
0.45
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-100”
14. 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”
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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
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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
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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, nbutano, i-pentano, n-pentano, n-hexano, n-heptano y n-octano. Especifique la corriente
“Alimento” de la siguiente manera:
Pestaña Worksheet - Página Conditions
Nombre
Fracción de vapor
Temperatura
Presión
Flujo Molar
Alimento
1.0
60°C
4000 kPa
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
0.9271
0.0516
0.0148
0.0026
0.0020
0.0010
0.0006
0.0001
0.0001
0.0001
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:
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m& A limento = X p,Pr oducto * FPr oducto * PMPr opano
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
FPr oducto
PM Pr opano
el flujo molar de producto desconocido
el peso mol del propano o 44.10 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”.
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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
Temperatura
Presión
Flujo Molar
Gas.
10 °C
3930 kPa
30 kgmole/h
Pestaña Worksheet - Página Compositions (Fracción Mol)
Metano
Etano
Propano
i-Butano
n-Butano
i-Pentano
n-Pentano
n-Hexano
0.8237
0.1304
0.0272
0.0101
0.0059
0.0016
0.0009
0.0002
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.
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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
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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”?
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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
Presión
30 °C
5000 kPa
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Flujo Molar
50 kgmol/h
Pestaña Design
Página Composition (Fracción Mol)
Metano
Etano
0.95
0.05
Corriente Caliente: “Cal-2”
Pestaña Design
Página Conditions
Temperatura
Presión
Flujo Molar
20 °C
5000 kPa
100 kgmol/h
Pestaña Design
Página Composition (Fracción Mol)
Metano
Etano
Propano
i-Butano
0.5386
0.1538
0.0769
0.0692
n-Butano
i-Pentano
n-Pentano
0.0615
0.0538
0.0462
Corriente Fría: “Frio-1”
Pestaña Design
Página Conditions
Fracción de vapor
Presión
Flujo Molar
1.0
2000 kPa
75 kgmol/h
Pestaña Design
Página Composition (Fracción Mol)
Metano
Etano
0.95
0.05
Corriente Fría: “Frio-2”
Pestaña Design
Página Conditions
Fracción de vapor
Presión
Flujo Molar
0.0
250 kPa
100 kgmol/h
Pestaña Design
Página Composition (Fracción Mol)
Metano
Etano
0.02
0.98
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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
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QTotal =
4
∑ F ∆H
i =1
i
i
Siendo Fi el flujo molar de cada una de las cuatro corrientes y ∆Ηi 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 -3.034e+07 kJ/h
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18. BALANCES DE MATERIA Y ENERGIA
1. OBJETIVOS
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 1.2x106 Btu/h y 5 psi en el E-100 y 5x106
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
Q100 = FAlimento *Cp,Alimento(TAlimento −TEntradaE−101)
(18.1)
La carga calórica en el intercambiador E-101 cumple con la ecuación
Q101 = FEntradaE−101 * C p , A lim ento (TEntradaE−101 − TPr oducto )
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(18.2)
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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
Presión
60°F
600 psi
Pestaña Worksheet
Página Composition (Fracción Mol)
Nitrógeno
Metano
Etano
Propano
i-Butano
n-Butano
CO2
i-Pentano
n-Pentano
n-Hexano
n-Heptano
n-Octano
0.0149
0.9122
0.0496
0.0148
0.0026
0.0020
0.0020
0.0010
0.0006
0.0001
0.0001
0.0001
ENFRIADOR E-100:
Instale un enfriador de nombre E-100 e introduzca las siguientes especificaciones en la
ventana de propiedades.
Pestaña Design
Página Conections
Inlet
Outlet
Energy
Alimento
EntradaE-101
QE-100
Pestaña Design
Página Parameters
Caída de presión
Carga Calórica
5 psi
1.2e+06 Btu/hr
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ENFRIADOR E-101
Instale un enfriador de nombre E-101 e introduzca las siguientes especificaciones en su
ventana de propiedades
Pestaña Design
Página Conections
Inlet
Outlet
Energy
EntradaE-101
Producto
QE-101
Pestaña Design
Página Parameters
Caída de presión
Carga calórica
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
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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
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19. BALANCE GENERAL
1. OBJETIVOS
1.1. Calcular, mediante HYSYS, los flujos y las composiciones desconocidas en un
mezclado entre dos corrientes.
1.2. 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
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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. 10000 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
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110
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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 0.4884, 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
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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:
Agua
Agua
FAgua + X Me
tan o FMe tan o = X A lim ento FA lim ento
(19.1)
Balance de metano:
Me tan o
Me tan o
X Me
tan o FMe tan o = X Me tan o FA lim ento
(19.2)
Balance de monóxido de carbono:
CO
CO
X Me
F
=
X
tan o Me tan o
A lim ento FA lim ento
(19.3)
Balance de dióxido de carbono:
CO 2
CO 2
X Me
tan o FMe tan o = X A lim ento FA lim ento
(19.4)
Balance de energía:
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FAgua hAgua + FMe tan o hMe tan o = FA lim ento hA lim ento
(19.5)
Relación entre agua y metano en la corriente “Alimento”
X AAgua
lim ento
=1
Me tan o
X A lim ento
(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 68.76 % en masa de acetona y 31.24 % 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
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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 90.18 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
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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
( fC )c ( f D )d
⎛ ∆Grxn (T ) ⎞
exp
=
=
K
⎜−
⎟
RT ⎠
( f A ) a ( f B )b
⎝
(20.2)
Siendo fi, la fugacidad del componente i y, donde para la anterior reacción (1), el cambio de
energía libre de Gibbs, ∆Grxn , se calcula por la ecuación
∆Grxn = (c∆G f ,C + d∆G f ,D ) − (a∆G f , A + b∆G f ,B )
(20.3)
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
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KP
(a +b−c −d )
( yC ) c ( y D ) d
=
( y A )a ( yB )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 4 + H 2 O → CO + 3H 2
Rxn − 2 : CH 4 + 2 H 2 O → CO2 + 4 H 2
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:
Rxn − 3 : CH 4 + 2O2 → CO2 + 2 H 2 O
El aire es añadido al reactor a un flujo controlado de tal manera que se alcance la relación
deseada H2 / N2 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
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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 2 O ↔ CO2 + H 2
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
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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 2 O → 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 + 2 H 2 O → CO2 + 4 H 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 4 + 2O2 → CO2 + 2 H 2 O , 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 %.
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Figura 2. Estequiometría de la reacción Rxn-1 del Global Rxn Set
12. Para introducir la reacción de equilibrio CO + H 2 O ↔ 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”
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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 4.
17. El conjunto “Combustor Rxn Set” conformado por las reacciones Rxn-1, Rxn-2 y
Rxn-3 se construye como se observa en la Figura 5
18. 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 %.
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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
Temperatura, °F
Presión, psia
Flujo Molar, lbmol/h
Gas
700
500
200
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Vapor
475
520
121
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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-100”
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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 H2 / N2 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
Temperatura, °F
Presión, psia
Flujo Molar, lbmol/h
Fracción mol Agua
Fracción mol Nitrógeno
Fracción mol Oxígeno
VaporC
475
Aire
475
200
1.00
520
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0.79
0.21
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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-101”
11. 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
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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-102
15. 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-102.
16. 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-103
18. Instale el segundo reactor de equilibrio con el nombre de R-103.
19. 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”
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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-104
23. Instale el tercer reactor de equilibrio con el nombre de R-104.
24. 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-102.
28. Instale un botón lógico de ajuste “Adjust” y llénelo como indica la Figura 8
29. 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
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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 CO2.
30. 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-102
32. 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”
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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 11.
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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
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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
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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
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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:
N2
0.0066
H2S
0.0003
CO2
0.0003
C1
0.7575
C2
0.1709
C3
0.0413
i-C4
0.0068
n-C4
0.0101
i-C5
0.0028
n-C5
0.0027
C6
0.0006
C7+
0.0001
H2O
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
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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 E100 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
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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
Inlet
E-101
SalidaE-100
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Outlet
Energy
LiquidoVapor
Q2
Pestaña Design:
Página Parameters
Delta P
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
Inlets
Vapour Outlet
Liquid Outlet
V-101
LiquidoVapor
VaporV-101
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 _____________________________
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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:
Pestaña Connections
Inlet Streams
Outlet Streams
Vapor
VaporRocio
Página Parameters:
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.
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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
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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
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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
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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
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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, Nm, la relación de reflujo mínimo, Rm, 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:
⎡ ⎛ R − R m ⎞ 0.5688 ⎤
N − Nm
= 0 .75 ⎢1 − ⎜
⎟
⎥
N +1
⎣⎢ ⎝ R + 1 ⎠
⎦⎥
(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
Nm
⎡ ⎛ X D , LK ⎞ ⎛ X W , HK
⎟⎜
ln ⎢ ⎜⎜
⎟⎜
X
⎢⎣ ⎝ D , HK ⎠ ⎝ X W , LK
=
ln α LK / HK
⎞⎤
⎟⎥
⎟
⎠ ⎥⎦
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(22.2)
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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
α i X i,F
= 1− q
−
θ
i =1
i
n
∑α
(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.
α i X i ,D
= 1 + Rm
i =1
i −θ
n
∑α
(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
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1.03< R / Rm < 1.3
(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
Peng Robinson
a. Ecuación:
C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5 y n-C6
b. Componentes:
Field
c. Unidades:
2. Instale una corriente con el nombre “Alimento”con las siguientes especificaciones
200 °F
a. Temperatura:
100 psia
b. Presión:
1300 lbmole/h
c. Flujo:
d. Composición (Fracción Molar)
0.0148
i. Etano
0.7315
ii. Propano
0.0681
iii. i-Butano
0.1462
iv. n-Butano
0.0173
v. i-Pentano
0.0150
vi. n-Pentano
0.0071
vii. n-Hexano
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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
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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 5.
4. CASOS DE ESTUDIO
4.1. Estime las concentraciones de destilado y fondos y compare sus resultados con los
reportados por HYSYS
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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
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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
Nie = C + 2N + 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
Nie = 2N + 9
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(23.2)
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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 99.99 % 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
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4. PAQUETE FLUIDO
Ecuación:
Componentes:
Unidades:
Sour Peng-Robinson
H2S, NH3 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
50000 barrel/day
Composición (Fracción Másica)
H2S
0.0070
NH3
0.0050
H2O
0.9880
2. Instale un intercambiador de carcasa y tubo con el nombre “E-100” y las siguientes
especificaciones
Pestaña Design
Página Connections
Tube Side Inlet
Tube Side Outlet
Shell Side Inlet
Shell Side Outlet
Alimento
Entradacolumna
Fondos
Producto
Pestaña Design
Página Parameters
Tube Side Pressure Drop
Shell Side Pressure Drop
Model
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.
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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.
ii.
iii.
iv.
v.
vi.
vii.
viii.
ix.
Name
No. of Stages
Inlet Streams
Inlet Stage
Condenser
Ovhd Vapor Outlets
Bottoms Liquid Outlet
Reboiler Energy Stream
Condenser Energy Stream
T-100
8
EntradaColumna
3
Full Reflux
Vapor
Fondos
Qr
Qc
6.2 Perfil de Presiones (Página 2 de 4)
1. Condenser Pressure
2. Reboiler Pressure
28.7 psia
32.7 psia
6.3 Página 4
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 3.
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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
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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 5
6.6 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.
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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
Qr
Alimento
Heat Flow
Heat Flow
Temperature
Cooling Water
Steam
Temperature
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T-100
Main TS
Main TS
Main TS
Main TS
Stage Liq Net Mass Flow (2_Main TS)
Stage Liq Net Mass Flow (7_Main TS)
Stage Vap Net Mass Flow (2_Main TS)
Stage Vap Net Mass Flow (7_Main TS)
Liq MF Tray 2
Liq MF Tray 7
Vap MF Tray 2
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
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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 ie = 2C + 2 N + 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 ie = 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.
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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
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Figura 2. Especificaciones de los alimentos a la columna desbutanizadora
3.1. PAQUETE FLUIDO
3.1.1. COMPONENTES: Propano, i-Butano, n-Butano, i-Buteno, i-Pentano,
n-Pentano, n-Hexano, n-Heptano, n-Octano
3.1.2. ECUACION:
Peng Robinson
3.1.3. 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
Feed Streams (Stage)
Condenser Type
Ovhd Vapour
Ovhd Liquid
Bottoms Liquid
Reboiler Duty
Condenser Duty
15
AlimentoDos (4)
AlimentoUno (8)
Parcial
Venteo
Butanos
Fondos
Qr
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
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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 0.0001 (en reemplazo del valor por
defecto 0.0005)
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 0.0075
2. 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 = 0.05
2. 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 = CBFB −CcQc −CrQr
(24.3)
Siendo G, las ganancias, Qc y Qr, las cargas calóricas en condensador y rehervidor, FB,
el flujo de butano y CB, Cc y Cr, el precio de venta unitario de la corriente de Butanos y
los costos unitarios de enfriamiento y calentamiento, respectivamente.
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Para este ejemplo, los costos en dólares son:
1. Costo de enfriamiento, Cc
2. Costo de calentamiento, Cr
3. Precio de venta de Butanos, CB
$0.0015 / Btu (Celda B2)
$0.00075 / Btu (Celda B6)
$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
Pr ecio de venta neto de Butanos = (1 - x ) C B
5
(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
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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
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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
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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.
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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 1322.76 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
4.1.1. COMPONENTES:
4.1.2. ECUACION:
4.1.3. REACCIONES:
4.1.4. SISTEMA DE UNIDADES:
Propano y Propeno o Propileno
Soave Redlich Kwong (SRK)
No hay
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, 1322.76 lbmol/h, 40 % mol de propano y 60
% mol de propileno.
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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
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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
Vapour Inlet
Vapour Outlet
Liquid Outlet
Optional Feeds Stream
Tray Number
LiquidoRectificadora
ReflujoAgotamiento
VaporAgotamiento
LiquidoAgotamiento
Alimento
47
Pestaña Design
Página Pressures
Tray 1
Tray 94
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.
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Pestaña Design
Página Connections
Boilup
Inlets
Bottoms Outlet
Energy
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
Página Connections
Liquid Inlet
Vapour Inlet
Vapour Outlet
Liquid Outlet
ReflujoRectificadora
VaporAgotamiento
VaporRectificadora
LiquidoRectificadora
Pestaña Design
Página Parameters
Number of Theoretical Trays
89
Pestaña Design
Página Pressures
Tray 1, psia
Tray 89, psia
280
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
Página Connections
Inlets
Distillate
Reflux
Energy
VaporRectificadora
Propileno
ReflujoRectificadora
QcRectificadora
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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 774.14
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-100
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Figura 4. Columna de separación de una mezcla de Propano - Propileno
Figura 5. Configuración interna de la columna T-100
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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
Nie = 2C + 2N + 10
(26.1)
Si se especifican, completamente, la dos corrientes de alimentación los grados de libertad
requeridos para el diseño están dados por
Nie = 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.
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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:
N2, CO2, C1 – C8
c. Unidades:
Field
2. Instale las siguientes dos corrientes materiales
Nombre:
Temperatura:
Presión:
Flujo molar:
Composición (Fracción Mol)
Nitrógeno:
Dióxido de carbono:
Metano:
Etano:
Propano:
i-Butano:
F1
- 139 °F
330 psia
3575 lbmol/h
F2
- 120 °F
332 psia
475 lbmol/h
0.0025
0.0048
0.7041
0.1921
0.0706
0.0112
0.0057
0.0029
0.7227
0.1176
0.0750
0.0204
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n-Butano:
i-Pentano:
n-Pentano:
n-Hexano:
n-Heptano:
n-Octano:
0.0085
0.0036
0.0020
0.0003
0.0002
0.0001
0.0197
0.0147
0.0102
0.0037
0.0047
0.0027
3. 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
Optional Reboiler Temperature Estimate
- 126.4 °F
80.60 °F
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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
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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 5.
14. 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?
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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:
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a. Pestaña Design
i. Name.
ii. Inlet
iii. Outlet
iv. Energy
Página Connections
P-100
F3
F4
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
No. of Stages
Feed Stream / Stage
Condenser Type
Overhead Outlets
Bottoms Liquid Outlet
Reboiler Energy Stream
Condenser Energy Stream
T-101
14
F4 / 6
Partial
V1, D1
F5
Qr1
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
Optional Reboiler Temperature Estimate
25 °F
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)
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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
i. Nombre
ii. Entrada
iii. Salida
Página Connections
VLV-100
F5
F6
b. Pestaña Worksheet
i. F6
Página Conditions
245 psia
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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-C4 y n-C4, 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
No. of Stages
Feed Stream / Stage
Condenser Type
Overhd Liquid Outlet
Bottoms Liquid Outlet
Reboiler Energy Stream
Condenser Energy Stream
T-102
24
F6 / 11
Total
D2
F5
Qr2
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 8
31. 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 9.
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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
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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, 1propanol, 2-propanol, 1-butanol, 3-metil-1-butanol, 2-pentanol, ácido acético y CO2. 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 = 2C + 2 N + 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
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G = 2C + 2 N + 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 + 2N + 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 = 2C + 2 N + 18
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(27.4)
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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 1.
Figura 1. Planta para producción de etanol
3. PAQUETE FLUIDO
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, CO2, 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
Temperatura (C)
Presión (kPa)
Flujo Molar (kgmol/h)
Flujo Másico (kg/h)
A
25
101.3
130
F
30
101.3
2400
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S
140
101.3
11000
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Composición (Fracción Mol)
Etanol
Agua
Bióxido de carbono
Metanol
Acido acético
1-Propanol
2-Propanol
1-Butanol
3-Metil-1-Butanol
2-Pentanol
Glicerol
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0.026900000
0.946400000
0.026600000
0.000026930
0.000003326
0.000009077
0.000009096
0.000006587
0.000021480
0.000005426
0.000006640
0
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
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
denomínela “T-100”.
corriente “V” y se
esencialmente puro.
fermentación.
corriente “V”, instale una columna de absorción simple y
En esta columna se agotará el etanol arrastrado por la
producirá un vapor de cabeza de bióxido de carbono
El producto de fondos es recirculado al proceso de
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
Draw
SpecValue
Component
Active
V2
0.95
Ethanol
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Figura 2. Columna lavadora de bióxido de carbono
2. Draw Rate 1
Draw
Flow Basis
Spec Value
Estimate
V2
Mass
5000 kg / h
3. Draw Rate 2
Draw
Flow Basis
Spec Value
Estimate
V1
Molar
1000 kgmole / h
Figura 3. Columna concentradora
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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
Draw
Flow Basis
Spec Value
Active
V3
Molar
1.6 kgmole / h
Figura 4. Columna Purificadora
2. Comp Fraction
Stage
Flow Basis
Phase
Spec Value
Component
Active
Condenser
Mass Fraction
Liquid
0.88
Ethanol
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3. Reflux Ratio
Stage
Flow Basis
Spec Value
Estimate
Condenser
Molar
5.00
4. Distillate Rate
Draw
Flow Basis
Spec Value
Estimate
P2
Molar
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
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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
Stage
Flow Basis
Spec Value
Active
Condenser
Molar
7100
2. Ovhd Vap Rate
Draw
Flow Basis
Spec Value
Active
V4
Molar
0.100 kgmole / h
3. Distillate Rate
Draw
Flow Basis
Spec Value
Active
D
Mass
2.00 kg / h
4. Comp Frac
Stage
Flow Basis
Phase
Spec Value
Component
Active
2_Main TS
Mass Fraction
Liquid
0.95
Ethanol
5. Fusel Draw Rate
Draw
Flow Basis
Spec Value
Active
Fusel
Mass
3.00 kg / h
6. P1 Draw Rate
Draw
Flow Basis
Spec Value
Estimate
P1
Molar
68.00 kgmole / h
Damping Factor
Enable
0.25
Azeotrope Check
ON
5. CASO DE ESTUDIO
Encuentre una explicación a por qué la corriente “Fusel” se instaló en la etapa 20
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