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 Ing. Román Alexander Fernández Rocha

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 Alimento

Vapour Outlet VaporV-100 Liquid Outlet Residuo

132 Ing. Román Alexander Fernández Rocha

Enfriador E-100: Instale un intercambiador de calor de carcasa y tubo haciendo un doble clic en el icono “Heat Exchanger” que se encuentra en la paleta de objetos, colóquele nombre “E-100” e introduzca la información que aparece en las páginas “Connections”, Figura 1, y “Parameters”, Figura 2, de la pestaña “Design” de su ventana de propiedades. El modelo para el cálculo del intercambiador de calor es el ponderado o “Weighted” porque es el disponible solo para intercambiadores en contracorriente. El modelo de cálculo se selecciona en el cuadro “Heat Exchanger Model” de la página “Parameters”. ¿Cuántas especificaciones se requieren para que el intercambiador converja satisfactoriamente?

Figura 1. Corrientes en el intercambiador E-100

Especificaciones adicionales en el enfriador E-100: Se introducirá como especificación adicional que la aproximación mínima global entre las temperaturas en el intercambiador E- 100 sea de 5°C. Para ello despliegue la página para completar las especificaciones del intercambiador o “Specs” y se desplegará la ventana que aparece en la Figura 3. Es necesario que se desactive la especificación UA haciendo clic en la caja de verificación “Active” para dicha especificación. El simulador por defecto especifica un “Heat Balance = 0” que es necesario asegurar para el cumplimiento de los balances de calor y, por lo tanto, no se necesita suministrarla. Presione el botón “Add” para añadir las especificaciones necesarias para completar los grados de libertad y el simulador pueda resolver al intercambiador de calor. La ventana de especificación del intercambiador se desplegará y por defecto aparece para añadir una especificación de diferencia de temperaturas entre dos corrientes. En el cuadro desplegable “Type” seleccione la opción “MinApproach” e introduzca la especificación como aparece en la Figura 4. Observe en la Figura 3 que la especificación añadida se ha fijado como activa verificando el cuadro en la columna “Active”. Observe el flujo del gas enfriado que sale del intercambiador E-100

133 Ing. Román Alexander Fernández Rocha

Figura 2. Parámetros especificados en el intercambiador E-100

Figura 3. Ventana para agregar las especificaciones en el intercambiador E-100

Enfriador GG-2: Instale un intercambiador de calor de especificaciones simplificadas haciendo un doble clic en el icono “Cooler” que se encuentra en la paleta de objetos, colóquele nombre “E-101” e introduzca la información que aparece a continuación

Pestaña Design: Página Connections Nombre E-101

Inlet SalidaE-100

134 Ing. Román Alexander Fernández Rocha

Outlet LiquidoVapor

Energy 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 V-101

Inlets LiquidoVapor Vapour Outlet VaporV-101 Liquid Outlet Liquido

La temperatura del alimento al separador de fases V-101, se variará utilizando la operación Ajuste para hallar una temperatura en la cual se cumpla la restricción de que se encuentre en su punto de rocío. Por el momento, especifique que la temperatura de la corriente “LiquidoVapor” es de – 20°C (- 4°F), ¿Por qué converge satisfactoriamente la planta de refrigeración?

¿Cuál es la presión y la temperatura de la corriente producto gaseoso “Vapor”? _______________________ y _____________________________

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ESTIMACIÓN DE LA TEMPERATURA DE ROCÍO DE LA CORRIENTE