Simulación de distintos modelos de intecambiadores de calor "ASPEN PLUS"

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(1)IQUI 2003-2-26 SIMULACION DE DISTINTOS MODELOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR EN “ASPEN PLUS”. ANDREA ZÁRATE VELOZA. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA BOGOTÁ, ENERO 2004.

(2) IQUI 2003-2-26 SIMULACION DE DISTINTOS MODELOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR EN “ASPEN PLUS”. ANDREA ZÁRATE VELOZA. TRABAJO DE GRADO. Profesor EDGAR MAURICIO VARGAS Ingeniero Químico. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA BOGOTÁ, ENERO 2004.

(3) IQUI 2003-2-26 AGRADECIMIENTOS. El autor expresa sus agradecimientos a:. Edgar Mauricio Vargas, Ingeniero Quimico, Profesor de la Universidad de los Andes y Asesor del Trabajo de Grado, por su orientación y confianza puesta en la elaboración de este trabajo.. Néstor Rojas, Ingeniero Químico, Profesor de la Universidad de los Andes, por su aporte y motivación a este trabajo.. Iván Darío Gil, Ingeniero Químico, por su dedicación, orientación, motivación y paciencia para la culminación exitosa de este trabajo..

(4) IQUI 2003-2-26 TABLA DE CONTENIDO. Pag.. INTRODUCCION 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. 18. 2. SOLUCION. 18. 3. OBJETIVOS. 18. 3.1 OBJETIVO GENERAL. 18. 3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS. 20. 4. DESARROLLO DEL MANUAL Y EL CD. 20. INTERACTIVO. 20. 5. TEORIA. 20. 5.1 PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. 20. 5.1.1 Transferencia de Calor. 21. 5.1.2. Teorías de Calor. 21. 5.1.3. Mecanismos de Transferencia de Calor. 21. •. Conducción. 22. •. Convección. 23. •. Radiación. 24. 5.1.4. Diferencia de Temperatura. 25. •. Coeficientes Totales de Transferencia de Calor. 25. •. Promedio Logaritmico de la Diferencia de Temperatura. 26. •. Fluido en Contracorriente. 26. •. Fluido en Paralelo. 26. 5.1.5. Flujo en Contracorriente. •. Coeficientes de Película para Fluidos en Tuberías y Tubos. •. Fluidos que Fluyen en un Anulo: Diámetro Equivalente. •. Coeficientes de Película en Anulos. •. Factores de Obstrucción. 27 27 27 28 29.

(5) IQUI 2003-2-26 •. Caídas de Presión en Tuberías y Anulos. 30. •. Intercambiadores con Corrección por Viscosidad. 30. 5.1.6. Intercambiadores de Tubo y Coraza. 30. •. Tubos para Intercambiadores de Tubo y Coraza. 31. •. Espaciado de los Tubos. 31. •. Corazas. 31. •. Deflectores. 31. •. Diámetro Equivalente al Lado de la Coraza. 32. •. Caída de Presión al Lado de la Coraza. •. Caída de Presión en los Tubos. 6. GENERALIDADES DE ASPEN PLUS 6.1 ¿QUE ES ASPEN PLUS? 6.1.1 Como Trabaja Aspen Plus 6.1.2 Modelo de Bloques 6.1.3 Componentes de Aspen Plus 6.1.4 Librerías de Aspen Plus 6.1.5 Propiedades Físicas de Aspen Plus 7. ASPEN PLUS PARA INTERCAMBIADORES DE CALOR. 33 33 34 34 34 35 35 35 38 39. 8. MODELOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR DESARROLLADOS EN ASPEN PLUS 8.1 MODELO HEATER. 8.1.1 Corrientes 8.1.2 Características 8.1.3 Formatos 8.2 MODELO HEATX 8.2.1 Corrientes 8.2.2 Características 8.2.3 Formatos 8.3 MODELO MHEATX. 41 42 42 43 43 47 47 48 48 52.

(6) IQUI 2003-2-26 8.3.1 Corrientes 8.3.2 Características 8.3.3 Formatos 9. FAMILIARIZACON CON EL AMBIENTE DE ASPEN. 53. PLUS. 54. 9.1 HOJAS DE PROCESO 9.2 VENTANA PRINCIPAL. 58. 9.3 INTRODUCCIÓN AL USO DE ASPEN PLUS. 58. 10. DESARROLLO DE EJERCICIOS PRACTICOS. 59. 10.1 MODELO 1. 60. 10.1.1 Descripción del Proceso. 61. 10.1.2 Modelo del Proceso. 61. 10.1.3 Resumen de la Información. 61. 10.1.4. Diagrama en Aspen Plus. 61. 10.1.5 Explicación Paso a Paso de la Simulación. 62. 10.1.6. Resultados del Proceso. 62. 10.1.7 Comparación con Excel. 63. 10.2 MODELO 2. 84. 10.2.1 Descripción del Proceso. 86. 10.2.2 Modelo del Proceso. 86. 10.2.3 Resumen de la Información. 87. 10.2.4. Diagrama en Aspen Plus. 87. 10.2.5 Explicación Paso a Paso de la Simulación. 87. 10.2.6. Resultados del Proceso. 88. 10.2.7 Comparación con Excel. 88. 10.3 MODELO 3. 102. 10.3.1 Descripción del Proceso. 102. 10.3.2 Modelo del Proceso. 103. 10.3.3 Resumen de la Información. 103. 10.3.4. Diagrama en Aspen Plus. 104.

(7) IQUI 2003-2-26 10.3.5 Explicación Paso a Paso de la Simulación. 104. 10.3.6. Resultados del Proceso. 107. 10.3.7 Comparación con el desarrollo del problema. 108.

(8) IQUI 2003-2-26. LISTA DE FIGURAS Pag. Figura 1. Variación de la temperatura en un tubo concentrico para flujos en paralelo y contracorriente con respecto a la longitud del tubo.. 25. Figura 2. Diámetros de los ánulos y localizacion de coeficientes.. 28. Figura 3. Arreglos más usados en el diseño de intercambiadores de calor.. 31. Figura 4. Deflector más usado con corte de 25%.. 32. Figura 5. Diagrama del modelo usado por Aspen Plus.. 35. Figura 6. Ecuaciones de Efectividad Termica.. 40. Figura 6.1. Ecuaciones para el Factor de Correccion.. 40. Figura 7. Hoja de Conectividad para el modelo Heater.. 42. Figura 8. Hoja de Conectividad para el modelo MHeatX. 47. Figura 9. Hoja de Conectividad para el modelo MHeatX. 53. Figura 10. Comparación Entre la Hoja de Proceso y el Diagrama de Proceso en Aspen Plus. 58. Figuraa 11. Ventana principal de Aspen Plus.. 59.

(9) IQUI 2003-2-26 Figura 12. Modelo del problema 9.3. 62. Figura 13. Diagrama del problema 9.3 en Aspen Plus.. 63. Figura 14. Pantallas de acceso al programa Aspen Plus. 63. Figura 15. Ventana pricipal de Aspen Plus. 64. Figura 16. Ventana de muestra para mezcladora. 65. Figura 17. Muestra del mezclador tipo Mixer. 65. Figura 18. Diagrama del mezclador. 66. Figura 19. Modelos para la librería tipo Flash2. 66. Figura 20. Librería de compresores en Aspen Plus. 70. Figura 21. Tipos de intercambiadores de calor para el Modelo HeatX. 70. Figura 22. Primera etapa del problema 9.3 en Aspen Plus. 72. Figura 23. Proceso en Aspen Plus para el problema 9.3. 72. Figura 24. Barra de herramientas de Aspen Plus. 72. Figura 25. Componentes del problema 9.3. 73.

(10) IQUI 2003-2-26 Figura 26. Cuadro de especificación de propiedades. 70. Figura 27. Formato de especificación para corrientes.. 70. Figura 28. Formato “Flash Options”. 71. Figura 29. Especificacin para separadores y compresores. 72. Figura 30. Formato para la especificación de métodos de cálculo y arreglo del flujo. 72. Figura 31. Muestra de los formatos para LMTD y caida de presión. 73. Figura 32. Formato de coraza para intercambiadores de calor. 74. Figura 33. Formato de tubos para intercambiadores de calor. 74. Figura 34. Ventana de tipo de deflectores y boquillas. 75. Figura 35. Aspen Plus realizando la simulación. 75. Figura 36. Resultados obtenidos por Aspen Plus. 76. Figura 37. Resultado para el compresor 1. 77. Figura 38. Eliminación del equipo de intercambio de calor. 78. Figura 38.1. Diagrama del proceso una vez eliminado el equipo. 78. Figura 39. Diagrama de reconección de corrientes. 79.

(11) IQUI 2003-2-26 Figura 40. Diagrama completo del problema 9.3. 80. Figura 41. Ventanas de cambio de datos para intercambiadores. 81. Figura 42. Hoja de proceso del problema 9.3. 81. Figura 43. Diagrama total del proceso. 81. Figura 44. Ventana de resultados generales para el problema desarrollado en Aspen Plus.. 82. Figura 45. Ventana de resultados para el problema desarrollado cambiando el intercambiador de tipo HeatX al tipo 83. Heater.. Figura 46. Ventana de resultados en Aspen Plus, para el ejercicio con el modelo Heater para el problema 9.3. 84. Figura 47. Modelo del Problema 8.2. 85. Figura 48. Diagrama del problema en Aspen Plus. 86. Figura 49. Librería de modelos para el intercambiador tipo HeatX. 87. Figura 50. Ventana de. 88. la unidad de proceso en Aspen Plus. Figura 51. Ventana de intercambiador de calor para el problema a desarrollar. 88.

(12) IQUI 2003-2-26 Figura 52. Ventana “Setup” para ingresar datos generales del. 89. problema. Figura 53. Ventana de compuestos con el buscador de elementos. 90. Figura 54. Ventana de compuestos. 91. Figura 55. Ventana de propiedades. 93. Figura 56. Cuadro que indica que se ha completado las especificaciones necesarias de entrada para el simulador.. 94. Figura 57. Ventana de muestra para especificación de corrientes. 94. Figura 58. Ventana para corriente. 95. Figura 59. Ventana de especificación para la unidad de proceso. 96. Figura 60. Ventana para las especificiones de la geometría del intercambiador de calor. 97. Figura 61. Ventana para especificación de tubos. 98. Figura 62. Ventana para especificaron de deflectores. 99. Figura 63 Ventana para especificación de boquillas en el intercambiador. 99. Figura 64. Ventana de resultados para las corrientes. 98.

(13) IQUI 2003-2-26 99. Figura 65. Cuadro de especificación de formatos. Figura 66. Ventana de especificación del intercambiador en tipo “Rating”. 99. Figura 67. Ventana de Resultados para el problema desarrollado. 100. Figura 68. Modelo del problema a desarrollar. 101. Figura 69. Diagrama en Aspen Plus del problema a desarrollar. 102. Figura 70. Librería de modelos para MHeatX. 102. Figura 71. Diagrama del modelo en Aspen Plus. 103. Figura 72. Tabla de los compuestos del problema. 103. Figura 73. Formato de especificación de modelos de cálculo. 104. Figura 74. Especificación de corrientes. 104. Figura 75. Formatos de especificación de corrientes. 105. Figura 76. Formato de especificación del intercambiador. 105. Figura 77. Formato de especificación del intercambiador. 106.

(14) IQUI 2003-2-26 Figura 78. Aviso para correr la simulación. 106. Figura79. Resultados de las corrientes. 106. Figura 80. Resultados de Balance de masa y energía del problema. 107. Figura 81. Resultados de la simulación. 107.

(15) IQUI 2003-2-26. LISTA DE TABLAS Pag.. 38 Tabla 1. Librerías en Aspen Plus con sus modelos 38 Tabla 2. Métodos para el valor de Kq dentro de Aspen Plus. Tabla 3. Datos de bancos que dan parámetros para los distintos. 39. compuestos.. Tabla 4. Formatos para el modelo Heater. 43. Tabla 5. Formato para el modelo HeatX.. 49. Tabla 6. Formato de entrada del modelo MHeatX. 55. Tabla 7. Information del ejercicio para el modelo 3. 85.

(16) IQUI 2003-2-26. LISTA DE ANEXOS Pag.. ANEXO A. Gráfica de factores de fricción para lado de tubo. 109. ANEXO B Tolerancias de entrada en la numeración de tubos. 110. ANEXO C Ejemplo 8.2. 111. ANEXO D “Modeling of plate heat exchangers with generalized. 114. configurations”.

(17) IQUI 2003-2-26. RESUMEN. El principal objetivo para la elaboración de este trabajo, es lograr manejar el simulador Aspen Plus para el diseño de intercambiadores de calor obteniendo como resultado un manual físico y en forma digital que sustente el aprendizaje por parte del autor. En consecuencia. se. tendrán. una. serie. de. ejercicios. y. ejemplos. explicados de forma didáctica y breve para su correcto funcionamiento en la plataforma Aspen Plus.. La metodología básica que se llevo a cabo para el éxito de este trabajo fue de tipo investigativo, debido a que dentro de la Universidad de los Andes, no existía una tradición en el manejo de este simulador.. Se realizaron investigaciones sobre el. simulador, se hizo una revisión a fondo de la información básica en transferencia de calor y finalmente se entró a explorar el programa.. Finalmente se hizo un estudio a conciencia de los posibles problemas que pudieran ser integrados al manual, teniendo en cuenta parámetros como: tipo de intercambiador de calor, dificultad del problema y manejo flexible en el simulador principalmente. Se determinó que existen una serie de problemas convenientes para la realización del manual, optando por no solamente dejar tres problemas básicos como se había planteado en un principio, sino una serie de ellos.. Como resultado surgió este manual con su CD interactivo anexo, que comparte con el usuario toda la información recolectada durante este proceso. Modelando tres tipos de intercambiadores de calor en Aspen Plus con sus explicaciones referentes, además de ideas, sugerencias y datos esenciales que ayudan al correcto funcionamiento del programa y la comodidad del usuario para su uso..

(18) IQUI 2003-2-26. INTRODUCCION. Hoy las ciencias computacionales se han convertido en parte de la vida diaria y la ingeniería no se queda atrás. El desempeño de computadoras han hecho que la vida sea más versátil, rápida y cambiante.. La Universidad de los Andes como institución educativa cuenta con una herramienta computacional como Aspen Plus, que ayuda al estudiante ha mejorar la comprensión con respecto a muchos de los procesos químicos que en el transcurso de sus estudios a desarrollado. Sin embargo este tipo de herramientas son inutilizadas por la falta de manuales y ejercicios prácticos que muestren al alumno su importancia y manejo adecuado.. Debido a todo lo anterior, es necesario desarrollar una guía muy bien estructurada sobre los diferentes modelos en Aspen Plus que ayude a los estudiantes de la carrera de Ingeniería Química y otras ingenierías a consolidar los conocimientos adquiridos durante su estudio académico y de una forma didáctica. Entender que Aspen Plus es una herramienta que ayuda para la simulación de los procesos químicos actuales que ayudan al desarrollo de la industria.. La propuesta conduce a la creación de un tutorial o una guía basada en tres tipos de modelos en Aspen Plus (Heater, HeatX, MHeatX) sobre intercambiadores de calor. Esta guía será realizada por medio de dos opciones: manual paso a paso y. CD. interactivo. Con una teoría básica sobre transferencia de calor, generalidades del programa Aspen Plus, teoría de los modelos a manejar y finalmente una serie de ejercicios prácticos para cada uno de los modelos..

(19) IQUI 2003-2-26. 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. Básicamente este proyecto se desarrolló debido a que en el momento dentro de la universidad, Aspen Plus esta siendo subutilizado o inutilizado, esto ya que no hay herramientas que ayuden a entender el manejo sencillo de Aspen Plus y pues más específicamente en los modelos de intercambiadores de calor. Además de esto, hoy la competencia laboral tanto a nivel nacional como internacional es difícil para los recién graduados y a esto se le suma el hecho de que los graduados no poseen conocimientos en herramientas computacionales. Finalmente se esta viendo la necesidad, a nivel nacional, de poseer herramientas que ayuden al desarrollo industrial y económico del país, siendo los simuladores una de ellas.. 2. SOLUCION. Para lograr que estudiantes tomen conciencia e interés en simuladores como Aspen Plus, se propone diseñar una guía basada únicamente en la simulación de intercambiadores de calor, y con base en esto la creación de un curso que se enfoque en simulación de procesos.. 3. OBJETIVOS 3.3 OBJETIVO GENERAL. Manejar el simulador Aspen Plus para el diseño de intercambiadores de calor.. 3.4 OBJETIVOS ESPECIFICOS. •. Conocer el manejo de Aspen Plus.. •. Manejar los diferentes modelos de Aspen Plus para intercambiadores de calor (sencillos y rigurosos)..

(20) IQUI 2003-2-26 •. Elaborar un manual para estudiantes de Ingeniería Química, donde se les muestre en forma sencilla, rápida y didáctica el uso de Aspen Plus para los modelos propuestos.. •. Evaluar los diferentes modelos escogidos por medio de distintos ejemplos.. •. Recopilar la información en forma digitalizada para facilitar al usuario (estudiante) su manejo.. •. Comparación con Excel del modelo. 4. DESARROLLO DEL MANUAL Y EL CD INTERACTIVO. A continuación se desarrollará el manual paso a paso con el cual se desea que los estudiantes y profesores de la universidad de los Andes puedan de una forma sencilla y didáctica manejar el simulador Aspen Plus para procesos de intercambio de calor. En este documento también se podrá encontrar el CD interactivo el cual ha sido realizado por medio de hipervínculos en el programa PowerPoint para poder ser usado en cualquier computador dentro de las instalaciones de la universidad.. 5. TEORIA. 5.1 PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR. En este capítulo se entrara a describir de una forma concisa y general, aquellos procesos de intercambio de calor que deben ser entendidos por el usuario antes de entrar a manejar el simulador.. 5.1.1 Transferencia de Calor. La transferencia de calor esta definida como: la razón de intercambio de calor entre cuerpos calientes y fríos llamados fuente y recibidor..

(21) IQUI 2003-2-26. 5.1.7. Teorías de Calor. Es necesario entender la naturaleza del calor para entender los procesos de transferencia de calor, sin embargo es difícil debido a las muchas formas que tiene este y por lo tanto no se pueden abarcar con una sola teoría.. Para entender la transferencia de calor es necesario estudiar los fenómenos básicos. Todos los materiales existentes sobre la tierra poseen una fase física, ya sea sólida, liquida o gaseosa que están asociadas a su nivel de energía. Si se encuentra en un estado sólido, esto significa que las moléculas o átomos están muy cercanos, mientras que para el estado liquido estas tienen la suficiente energía térmica para extender la distancia entre las molécula y en un estado gaseoso la separación es relativamente completa.. Se ha establecido que, dondequiera que ocurra un cambio de fase fuera de la región critica, se involucra una gran cantidad de energía en esa transición. La región crítica de una sustancia es. Para una misma sustancia en sus diferentes fases, sus varias propiedades térmicas. tienen diferente orden de magnitud. Así mismo, en cualquier cuerpo que. absorba o pierda calor, deben guardarse especiales consideraciones respecto a si el cambio es de calor latente, sensible o de ambos.. 5.1.8. Mecanismos de Transferencia de Calor. Existen 3 formas diferentes como el calor puede pasar de la fuente al recibidor: conducción, convección y radiación. Siendo las dos primeras las mas usadas en ingeniería..

(22) IQUI 2003-2-26 •. Conducción La conducción esta relacionada con el flujo de calor a. través de una material fijo. Si existe una fuente de calor de lado de una pared, se sabe que el flujo de calor por hora es proporcional al cambio de temperatura a través de la pared y el área de la pared, conocida como∂Tla Ley de Fourier. J =K (1) ∂x. Es de conocimiento que la cantidad de flujo de fluido es directamente proporcional a la diferencia de potencia e inversamente proporcional a la resistencia en el sistema. Flujo ∝. Potencial Re sistencia. (2). Por otra parte la conductancia es la recíproca de la resistencia al flujo de calor,. Flujo ∝ Conductacia × Potencial. (3). Cuando la conductancia se reporta para una cantidad de material de un pie de grueso con un área de flujo de un pie 2, la unidad de tiempo 1 hora y la diferencia de temperatura en 1 ºF se llama conductividad térmica k, entonces. Conductacia =. Q=k. kA L. A ∆t L. (4). (5). Siendo la resistencia R=k. A (6) L. La transferencia de calor en una pared plana es constante en toda su trayectoria del flujo de calor. Si existe una pared compuesta, la resistencia va a estar en serie ya que.

(23) IQUI 2003-2-26 el calor debe atravesar cada una de las pareced con sus grosor especifico, dando de esta forma una diferencia total de temperatura a la resistencia total.. En un tubo el área de la trayectoria del flujo de calor aumenta con el radio. Para tuberías, se asume siempre que la superficie externa fría se mantiene a temperatura constante. La temperatura de la pared exterior depende de la resistencia entre la superficie fría y la caliente y la habilidad de la atmósfera más fría que rodea al tubo para remover el calor.. •. Convección La convección por otro lado es la trasferencia de calor entre. partes relativamente calientes y frías de un fluido por medio de mezcla. Existen dos tipos de convección: la natural donde no existe un movimiento mecánico y la forzada provocada por un agitador.. Q = hA∆t. Ley de enfriamiento de Newton (6). Donde h es un término sobre el cual tiene influencia la naturaleza del fluido y la forma de agitación, es llamado el coeficiente de transferencia de calor. Para el caso de la convección se tiene que existe una serie de resistencia que pueden ser medidas independientemente como resistencia interior, resistencia exterior de un tubo o pared. El inverso de estas resistencias es lo que se conoce como coeficientes individuales de. película o coeficiente de película. Este es una medida del flujo de calor por unidad de superficie y por unidad e diferencia de temperatura BTU/ (h) (pie2) (ºF), incida la razón o velocidad a la cual fluido tiene una variedad de propiedades físicas bajo distintos grados de agitación para transferir calor. Para el caso de tubos, influye sobre h el tamaño del tubo y si el fluido esta dentro o no del tubo. h=. 1 R. (7).

(24) IQUI 2003-2-26 Para el estudio de los mecanismos de transferencia de calor, es necesario conocer una de las propiedades más importantes, la viscosidad. Se asume que donde existe una fase sólida y liquida no hay corrimiento entre el sólido y el líquido, que el esfuerzo de corte es proporcional al esfuerzo en dirección perpendicular al movimiento (Regla de Newton).. µ=. gramos − masa centimetro × segundo. µ=. libra − masa pie × hora. poise. (8) (9). centipoise. El poise o centipoise son conocidos como viscosidad absoluta, mientas que la viscosidad cinemática el la división de esta viscosidad absoluta en la gravedad especifica.. Como la convección se realiza por medio de mezcla de fluidos, existen dos tipos de flujos que hacen parte de la convección. El flujo turbulento que como su nombre lo indica es en forma de torbellino o turbulencia y el flujo laminar o paralelo que es el deslizamiento de cilindros concéntricos donde la distribución de velocidades es parabólica, siendo el máximo en el centro y cero e las paredes del tubo.. El tipo de flujo depende de: velocidad, densidad, viscosidad, diámetro de tubo. Para determinar si un fluido posee un flujo turbulento o laminar, se usa la ecuación de Reynolds.. Re =. DVρ. µ. (10). Donde el flujo es turbulento si esta por encima de 2300. Cabe notar que la convección solamente esta dada por el flujo turbulento mas no por el laminar..

(25) IQUI 2003-2-26 •. Radiación La radiación por otros lado, a diferencia de la conducción y. la convecino que necesitan de un material para ser transmitidos, no requiere de la intervención de un medio y puede transmitirse a través de el vacío absoluto.. 5.1.9. Diferencia de Temperatura. La diferencia de temperatura es la fuerza motriz, mediante la cual el calor se transfiere. En un proceso, las temperaturas del proceso son aquellas temperaturas de entrada y salida de los fluidos. Cuando dos flujos viajan en direcciones opuestas al mismo lado de un tubo se conoce como flujo en contracorriente, mientras que si van hacia un mismo lado es un flujo en paralelo. •. Coeficientes Totales de Transferencia de Calor Por lo general se. conocen las temperaturas del proceso de entrada y salida, es así como se calcula la diferencia de temperatura entre las dos, dando una temperatura general T para el fluido caliente y una temperatura t para el fluido frío. En la Figura 1. se puede ver como es la variación de la temperatura con respecto a la longitud del tubo para flujo paralelo y flujo en contracorriente.. T1. T1 T2 T2 t2 t2 t1. t1 X Flujo en Paralelo. X Flujo en Contracorriente.

(26) IQUI 2003-2-26. Figura 1. Variación de la temperatura en un tubo concéntrico para flujos en paralelo y contracorriente con respecto a la longitud del tubo (Fuente: Kern, Donald, Procesos de Transferencia de Calor, Vigésima segunda Edición – 1990.). Cuando se tienen tubos concéntricos para el fluido en paralelo o en contracorriente, las resistencias van a ser la suma de la resistencia de película del fluido en el tubo, la resistencia de la pared del tubo y la resistencia de la película del fluido en el anulo, de tal forma que. 1 1 Lm 1 = + + U hi Km ho. (11). donde U es denominada Coeficiente total de transferencia de calor. •. Promedio Logarítmico de la Diferencia de Temperatura El promedio. logarítmico de la diferencia de temperatura o LMTD se debe a que por lo general los fluidos experimentan un cambio de temperatura no lineales cuando se grafica la temperatura contra la longitud como en la grafica anterior. Debido a esto el LMTD es distinto para el fluido en paralelo y el fluido en contracorriente. •. Fluido en Contracorriente Para este tipo de fluidos se debe tener en. cuenta las siguientes suposiciones: a. El coeficiente total de transferencia de calor U es constante en toda la trayectoria b. Las libras por hora de fluido que fluye son constantes, obedeciendo a los requerimiento s de estado estable c. El calor especifico es constante sobre toda la trayectoria d. No hay cambios parciales de fase en el sistema. e. Las perdidas de calor son despreciables.. El calculo de este se realiza como:.

(27) IQUI 2003-2-26. ∆t =. ∆t 2 − ∆t1 ∆t 2 Ln ∆t1. ∆t1 = T1 − t 2. ∆t 2 = T 2 − t1. (12). • Fluido en Paralelo En este caso las suposiciones son iguales pero los fluidos fluyen ambos en la misma dirección, se tiene entonces que: ∆t =. ∆t 2 − ∆t1 ∆t 2 Ln ∆t1. ∆t1 = T 2 − t 2. ∆t 2 = T 1 − t1. (13). 5.1.10 Flujo en Contracorriente. Se entrará a analizar más a fondo este tipo de flujo ya que la mayoría de intercambiadores de calor usa este tipo.. Como se sabe los intercambiadores son. maquinas que recuperan calor entre dos corriente en un proceso. • Coeficientes de Película para Fluidos en Tuberías y Tubos El flujo laminar esta dado cuando. DG. µ. < 2100 en la forma de la ecuación. ⎡⎛ DG ⎞⎛ cµ ⎞⎛ D ⎞ ⎤ hiD = 1.86 ⎢⎜⎜ ⎟⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎥ k ⎣⎝ µ ⎠⎝ k ⎠⎝ L ⎠ ⎦. 1/ 3. ⎛ µ ⎜⎜ ⎝ µw. ⎞ ⎟⎟ ⎠. 0.14. (14). µ w es la viscosidad del fluido a la temperatura T del tubo. En el caso de que. DG. µ. ecuación estaría descrita como:. sea mayor a 2300, significaría flujo turbulento y la.

(28) IQUI 2003-2-26 0 .8. ⎛ DG ⎞ ⎛ cµ ⎞ hiD ⎟⎟ ⎜ ⎟ = 0.027⎜⎜ k ⎝ µ ⎠ ⎝ k ⎠. 1/ 3. ⎛ µ ⎜⎜ ⎝ µw. ⎞ ⎟⎟ ⎠. 0.14. (15). • Fluidos que Fluyen en un Anulo: Diámetro Equivalente En el caso de que un fluido viaje por un conducto de sección distinta a la circular, como en un anulo se deben expresar los coeficientes de transferencia de calor y factores de fricción por medio de los mismas ecuaciones y curvas usadas para tubería y tubos. Se maneja por lo tanto el Diámetro Equivalente De el cual es cuatro veces el radio hidráulico, siendo este la razón del área de flujo al perímetro húmedo.. De =4rh =. 4π (D22 − D12 ) D22 − D12 4 × area.de. flujo = = perimetro.humedo D1 4πD1. (16). Para la caída de presión, existe no solamente fricción por la resistencia del tubo exterior sino también por la superficie exterior del tubo interior, quedando D´e =. 4π (D22 − D12 ) 4 × area.de. flujo = = D2 − D1 perimetro.humedo.de. friccion 4π (D2 − D1 ). (17). En la Figura 2. se puede observar los distintos diámetros que se necesitan para el desarrollo de la ecuaciones descritas anteriormente.. ho. hi. hio tc D2. Tc. D1. tw.

(29) IQUI 2003-2-26. Figura 2. Diámetros de los ánulos y localización de coeficientes. (Fuente: Kern, Donald, Procesos de Transferencia de Calor, Vigésima segunda Edición – 1990) • Coeficientes de Película en Anulos Debido a que para intercambiadores de doble tubo se utiliza la superficie exterior del tubo interior como la superficie de referencia en Q = UA∆t , y como hi se ha determinado para Ai y no para A, toca que esta sea corregida como el diámetro exterior hio.. hio = hi. Ai DI = hi A DE. (18). donde DI y DE son para el tubo interior. • Factores de Obstrucción Los coeficientes totales de transferencia de calor requeridos se obtienen independientemente de los dos coeficientes de película, despreciando la resistencia del tubo. h h 1 1 1 = Rio + Ro = + = io o UC hio ho hio + ho. Coeficiente limpio (19). Este coeficiente limpio no tiene en cuenta aquellas incrustaciones o basuras que después de entrar en uso el intercambiador quedan en su interior. Por lo tanto se debe manejar un factor de obstrucción Rd con Rdi como factor de obstrucción del tubo interior en el diámetro interior y Rdo como el factor de obstrucción del tubo interior en el diámetro externo. De esta forma se llega al Coeficiente de Diseño,. 1 1 1 = + Rd i + Rd o = + Rd U D UC UC. (20).

(30) IQUI 2003-2-26 • Caídas de Presión en Tuberías y Anulos La caída de presión que se permite es aquella presión estática que. se debe gastar. para mover el fluido a través del. intercambiador. Para las tuberías la caída de presión esta descrita por la Ecuación de Fanning, ∆F =. 4 fG 2 L 2 gρ 2 D. (21). donde f es el factor de fricción y esta descrito para flujo laminar como f =. 16 y para DG. µ. flujo turbulento como f = 0.00140 +. 0.125 ⎛ DG ⎞ ⎟⎟ ⎜⎜ ⎝ µ ⎠. 0.32. .. La caída de presión para un anulo difiere de aquellas en tuberías, siendo representada por,. ∆F =. 4 fG 2 L 2 gρ 2 D ' e. (22). Para este tipo de intercambiadores la caída de presión a la entrada debe ser tomada en cuenta por medio de la ecuación de Cabeza de Velocidad siempre y cuando la velocidad sea mayor a 3 ft/sg, pues a menores se considera despreciable. V2 2g'. (23). • Intercambiadores con Corrección por Viscosidad Cuando la temperatura de la pared del tubo es bastante distinta a la temperatura calorica del fluido controlante y ⎛ µ ⎞ ⎟⎟ este es viscoso, se debe tomar en cuenta φ = ⎜⎜ ⎝ µw ⎠. 0.14. , de lo contrario como siempre se. ha hecho este valor es igual a 1. De esta forma se llega a la forma corregida de los coeficientes de película..

(31) IQUI 2003-2-26 ⎛h ⎞ ho = ⎜⎜ o ⎟⎟φ a ⎝ φa ⎠. (24). ⎛h ho = ⎜ o ⎜φ ⎝ p. (25). ⎞ ⎟φ p ⎟ ⎠. 5.1.11 Intercambiadores de Tubo y Coraza. Estos intercambiadores son los más usados en la industria ya que mejoran la transferencia de calor con respecto a otros equipos. De todas formas aunque estos equipos mejoran la transferencia de calor, es necesario tener grandes superficies, haciendo que estos también tengan más puntos de fuga. • Tubos para Intercambiadores de Tubo y Coraza Por lo general en este tipo. de intercambiadores el diámetro exterior del tubo es dado como el diámetro real en pulgadas, sin embargo existe otra nominación llamada BWG o calibrador Birgmingham que determina el grueso de la pared. • Espaciado de los Tubos Los tubos están organizados por medio de una serie de. arreglos entre los tubos que permiten mayor transferencia de calor dependiendo del fluido. La distancia mas corta entre 2 orificios adyacentes se denomina claro o ligadura (C) y por lo general es estándar. PT significa el espaciado entre tubos que es medido. como la menor distancia de centro a centro de tubos adyacentes. Los arreglos que se usan generalmente son de tipo:.

(32) IQUI 2003-2-26. Figura 3. Arreglos más usados en el diseño de intercambiadores de calor. (Fuente: Kern, Donald, Procesos de Transferencia de Calor, Vigésima segunda Edición – 1990). Donde el espaciado cuadrado es de fácil limpieza y tiene poca caída de presión, los mas usados son ¾ plg DE en espaciado de 1plg y de 1plg DE en espaciado de 1 ¼ plg. Sin embargo los arreglos triangulares también son de uso general con especificaciones de ¾ plg DE en espaciado de 1 plg y 1 plg DE en espaciado de 1 ¼ plg. • Corazas Existen corazas hasta de 12 plg de diámetro IPS en tubo de acero,. aquellas corazas sobre 12 plg incluyendo la de 24 plg, el DE y el diámetro nominal son los mismos. El grueso estándar para corazas es de 3/8 plg con DI de 12 plg a 24 plg incluyendo esta. • Deflectores Estos son discos que están colocados en el interior de la coraza y. por fuera de los tubos para inducir turbulencia y de esta forma elevar la transferencia de calor. La distancia de centro a centro entre deflectores es llamado el espaciado de deflectores. Usualmente el espaciado entre deflectores no es mayor a una distancia igual. al diámetro interior de la coraza o menos a 1/5 de este. El espaciado es el que determina la velocidad efectiva del fluido en la coraza.. Los deflectores que se usan con mayor regularidad son aquellos que poseen una.

(33) IQUI 2003-2-26 altura equivalente al 75% de la altura del diámetro interior de la coraza o deflectores con 25% de corte, con el la Figura 4.. Figura 4. Deflector más usado con corte de 25%. (Fuente: Kern, Donald, Procesos de Transferencia de Calor, Vigésima segunda Edición – 1990) • Diámetro Equivalente al Lado de la Coraza El diámetro equivalente se toma. como 4 veces el radio hidráulico obtenido, teniendo en cuenta que do es el diámetro exterior del tubo.. De =. 4 × area.libre perimetro.humedo. ⎛ πd 2 ⎞ 4 × ⎜ PT2 − o ⎟ 4⎠ ⎝ de = πd o. 1 πd 2 ⎛ ⎞ 4 × ⎜ 12 PT × 0.86 PT − 2 o ⎟ 4 ⎝ ⎠ de = 1 πd 2 o. (26). Arreglo cuadrado (27). Arreglo triangular (28).

(34) IQUI 2003-2-26 • Caída de Presión al Lado de la Coraza La caída de presión en la coraza es proporcional al número de veces que el fluido cruza el haz entre los deflectores y la distancia a través del haz. Numero.cruces = N + 1 =. Longitud .del.tubo Espaciado.de.deflectores. (29). N es el número de deflectores. •. Caída de Presión en los Tubos Se usa la ecuación. ∆F =. 4 fG 2 L 2 gρ 2 D. (30). siendo ∆P = ∆Fρ . Esta se puede usar siempre y cuando el fluido sea isotérmico, pero para aquellos fluidos que no lo son se puede relacionar con la ecuación. ∆Pt =. fGt2 Ln 5.22 × 1010 De sφ t. (31). Donde n es el número de pasos, L la longitud del tubo y Ln es la longitud total de la trayectoria en pies, cuyas correlaciones están graficadas en el Anexo A de este documento.. Debido a que este intercambiador puede llegar a posee cambios de dirección, se introduce una nueva caída de presión ∆Pr con la ecuación. ∆Pr =. 4n V 2 s 2g '. V = velocidad (pie/seg) S = gravedad específica g’ = aceleración de la gravedad (pie/plg2). Lb/plg2 (32).

(35) IQUI 2003-2-26. Dando de esta forma una caída de presión para los tubos de:. ∆PT = ∆Pt + ∆Pr. Lb/plg2 (33). 6. GENERALIDADES DE ASPEN PLUS. A continuación, se explicará de una forma breve y sencilla el software “ASPEN PLUS”, el cual ha sido utilizado para el desarrollo de esta tesis.. 6.1 ¿QUE ES ASPEN PLUS?. Aspen es un programa de computador para la simulación de procesos en estado estable por medio un “flowsheet”.. Dentro de los programas de simulación se. encuentran otros que están comercialmente disponibles como: PRO II ( Simulation Sciences), HYSIM (Hyprotech) y ChemCad (Chemstation), siendo Aspen Plus uno de los mejores.. El programa ha sido desarrollado para la simulación de: a. Procesos químico y petroquímicos b. Procesos basados en carbón c. Refinación de Petróleos d. Procesos poliméricos. 6.1.1 Como Trabaja Aspen Plus. La unidad básica de trabajo para Aspen Plus son los Modelos de Bloques. Aspen Plus cuenta dentro de su modelos con: operaciones unitarias (columnas de destilación, reactores, intercambiadores de calor, etc.) y operaciones relacionadas a tuberías..

(36) IQUI 2003-2-26 Para el usuario es importante lograr un arreglo adecuado de todas las distintas operaciones para la simulación efectiva del modelo.. Un usuario ensambla un. “flowsheet” seleccionando y conectando apropiadamente los modelos de bloques y especificando los parámetros para estos modelos. Además Aspen Plus logra solucionar de forma secuencial las corrientes de salida una vez dadas las especificaciones para las corrientes de entrada y los parámetros de los modelos de bloques. 6.1.2 Modelo de Bloques. Corrientes de Entrada. Corrientes de Salida. Parámetros del Modelo. Propiedades Físicas. Figura 5. Diagrama del modelo usado por Aspen Plus. (Fuente: AspenTech, Manual del Usuario en Aspen Plus). 6.1.3 Componentes de Aspen Plus. Aspen Plus tiene dentro de su programa una librería que cuenta con todos los distintos modelos de operaciones unitarias. Además cuenta en su interior con sistema de propiedades físicas y modelos como densidad, entalpía, equilibro liquido-liquido, equilibrio vapor-liquido, etc.; bases de datos para componentes puros y binarios, y cuenta con la capacidad de estimar valores que falten por medio de interpolaciones o.

(37) IQUI 2003-2-26 extrapolaciones. Las hojas de cálculo tienen la capacidad de hacer converger aquellos procesos de reciclaje para lograr una simulación acertada.. Aspen Plus tiene algunas características importantes que deben ser tomadas en cuenta a la hora de la realización de una simulación. Además de contar con operaciones básicas para los distintos procesos, Aspen Plus es capaz de realizar análisis de sensibilidad y estimación y evaluación de costos y rentabilidad. Aspen Plus logra la optimización de procesos, genera los respectivos diagramas de flujo y muestra al usuario: "physical properties data regression”. 6.1.4 Librerías de Aspen Plus. Dentro del simulador existen una serie de librerías que especifican el tipo de unidades de proceso que se pueden simular.. LIBRERÍA I. MEZCLADORES Y DIVISORES MIXER. Suma dos o mas corrientes. FSPLIT. Toma una corriente y la divide en dos. SEP. Separa un componente de una corriente. “FLASHERS” E INTERCAMBIADORES DE CALOR FLASH2. Dos flash de salida. FLASH3. Tres flash de salida. HEATER. Calentadores y Refrigeradores. HEATX. Intercambiador de Calor de dos corrientes. MHEATX. Intercambiador de Calor multicorrientes. DECANTER. Decantador liquido-liquido. LIBRERÍA II. REACTORES RSTOIC. Reactor Estequiométrico. RYIELD. Reactor “yield”.

(38) IQUI 2003-2-26 REQUIL. Reactor de Equilibrio. RGIBBS. Reactor de Equilibrio. RCSTR. Reactor de tipo CSTR (requiere modelo cinético). RPLUG. Reactor de flujo “plug” (requiere modelo cinético). RBATCH. Reactor tipo Batch (requiere modelo cinético). LIBRERÍA III. SEPARADORES DISTIL. Diseño corto de destilación. DISTWU. “shorcut distillation rating”. RADFRAC. Destilación rigurosa. EXTRACT. Extracción liquido-liquido rigurosa. RATEFRAC. Destilación basada en “rate” (requiere licencia especial). BATCHFRAC. Destilación. en. batch. (requiere. licencia. especial) PETROFRAC. Destilación rigurosa para el petróleo. LIBRERÍA IV. PROCESOS DE SÓLIDOS CYCLONE. ciclón separador. VSCRUB. “ventury scrubber”. CRYSTALLIZER. Cristalizador para remoción de productos mezclados en una suspensión mezclada. CRUSHER. “crusher”de sólidos. SCREEN. Separador de sólidos. FABL. Filtro “Fabric”.

(39) IQUI 2003-2-26 HYCYC. Hidrociclón. CFUGE. Centrifuga. FILTER. Filtro de rotación al vacío.. SWASH. Limpiador de una sola etapa para sólidos. LIBRERÍA V. “FLUID MOVERS” COMPR. Compresor o Turbina. MCOMPR. Compresor o Turbina multietapas. PUMP. Bomba/ “hydraulic”. TUBERIAS PIPELINE. Tuberías de múltiples segmentos. PIPE. Tubería de un solo segmento. VALVE. Válvulas. Tabla 1. Librerías en Aspen Plus con sus modelos. (Fuente: AspenTech, Manual del. Usuario de Aspen Plus). 6.1.5 Propiedades Físicas de Aspen Plus. Aspen Plus tiene dentro de sus sistemas un colección de métodos para evaluar las propiedades termodinámicas como la entalpía, densidad y los valores de K así como las propiedades de transporte como la viscosidad. Estos métodos son llamados dentro del programa como Option Set.. SISTEMA I IDEAL. Gases ideales/ Ley de Raoult y Ley de Henry. RK-SOAVE. Ecuación de Redlich-Kwong-Soave. PENG-ROB. Ecuación de Peng-Robinson.

(40) IQUI 2003-2-26 WILSON. Ecuación de Redlich-Kwong/ NTRL. NTRL. Ecuación Redlich-Kwong/ UNIFAC. UNIFAC. Ecuación Redlich-Kwong/UNIFAC. UNIQUAC. Ecuación Redlich-Kwong/UNIQUAC. Tabla 2. Métodos para el valor de Kq dentro de Aspen Plus. (Fuente: AspenTech,. Manual del Usuario de Aspen Plus). SISTEMA II PURECOMP. Parámetros para 1550 compuestos (casi todos orgánicos). INORGANIC. Datos para 2450 compuestos (casi todos inorgánicos). AQUEAOUS. Datos para 900 especies iónicas. SOLIDS. Datos para 3314 compuestos sólidos. COMBUST. Banco de datos especiales para altas temperaturas, realización de cálculos para la fase gaseosa (59 compuestos y radicales libres). Tabla 3. Datos de bancos que dan parámetros para los distintos compuestos. (Fuente: AspenTech, Manual del Usuario de Aspen Plus). ¿Pero que sucede si dentro de Aspen Plus no existe un banco de datos que tenga los datos necesitados por el cliente? Pues Aspen posee un SISTEMA III que tiene la capacidad de extraer un dato específico a partir de otros datos impuestos al sistema, esto lo puede hacer por medio de una regresión de datos o la estimación de alguno de ellos. Sin embargo hay unos límites para esto, solamente logra estimar datos para componentes puros y aquellos que se encuentren en equilibrio vapor-liquido o líquido – liquido por medio de la utilización del método UNIFAC..

(41) IQUI 2003-2-26 Por otra lado Aspen Plus cuenta con una librería donde se encuentran todos los compuestos químicos con sus formulas. Aspen provee al usuario de un buscador donde se puede buscar el compuesto por nombre genérico o formula química.. 7. ASPEN PLUS PARA INTERCAMBIADORES DE CALOR. La metodología con la cual Aspen Plus realiza sus cálculos, esta basada en la lógica dictada por Donald Kern en su libro “Procesos de transferencia de calor”.. En seguida se verán los pasos que Aspen Plus modela.. a.. Balance de calor. Q = M × Cp × ∆T. b.. LMTD. Q = U × A × F × LMTD. (34) (35). Figura 6. Ecuaciones de Efectividad Térmica. (Fuente: Kern, Donald,. Procesos de Transferencia de.

(42) IQUI 2003-2-26. Calor, Vigésima segunda Edición – 1990). Donde F= Factor de corrección LMTD. R: Razón de las capacidades (WCpf)/ (WCpc) P*: Efectividad térmica por unidad de área. Figura 6.1. Ecuaciones para el Factor de Corrección. (Fuente: Kern, Donald,. Procesos de Transferencia de Calor, Vigésima segunda Edición – 1990) c.. Calculo coeficientes transferencia de calor. U=. hh × hc hh + hc. (35). d.. Calculo del coeficiente total de diseño. U = Q × A × ∆T. (36). e.. Calculo caídas de presión. ∆P = f ( geometria) (37). de Aspen Plus 8. MODELOS DE TRANSFERENCIACorrelaciones DE CALOR. DESARROLLADOS EN ASPEN PLUS Dentro del programa Aspen Plus, existe una librería de modelos para la producción de procesos químicos. Uno de ellos son los INTERCAMBIADORES DE CALOR. Aspen Plus en su interfase posee distintos modelos de intercambiadores de calor, cada uno de ellos con un propósito y uso especifico. En esta guía se trataran a fondo los tres (3) primeros modelos propuestos por Aspen Plus: Heater, HeatX y MHeatX.. Aspen Plus posee una gama de distintos modelos para la simulación de intercambiadores de calor: a. Heater b. HeatX.

(43) IQUI 2003-2-26 c. MHeatX d. Heatran e. Aerotran f. HxFlux g. HTRIXist. En esta guía se trataran a fondo los tres (3) primeros modelos propuestos por Aspen Plus: Heater, HeatX y MHeatX.. 8.1 MODELO HEATER. Este tipo de modelo esta diseñado para la simulación de calentadores y refrigeradores, donde se determinan las condiciones térmicas y de fase de la corriente de salida.. Es usualmente utilizado para calentadores, refrigeradores, condensadores,. válvulas, bombas (siempre y cuando no se exija una respuesta en relación al trabajo hecho) y compresores (donde no sea necesario una respuesta con relación al trabajo hecho). Da como resultados la condición térmica y el equilibrio de fases en la corriente de salida.. Cuando se especifican las condiciones de salida, el modelo determina las condiciones térmicas y de fase de una mezcla de uno o varias corrientes de entrada.. Las distintas corrientes se muestra en la Figura 7 de la forma como el simulador las toma para realizar sus calculos internos..

(44) IQUI 2003-2-26. Calor (opcional). Material (varios). Material. Calor (opcional). Agua (opcional). Figura 7. Hoja de Conectividad para el modelo Heater. (Fuente: AspenTech, Manual. del Usuario de Aspen Plus). 8.1.4 Corrientes En la entrada de materiales, al menos se debe especificar una corriente. Las corrientes de decantación de agua y de calor, son opcionales.. a. In: Mínimo requiere T o P y carga calorífica. b. Out: Estado termodinámico de una corriente (T y equilibrio de fases).. 8.1.5 Características Si se le da una especificación (temperatura o presión), Heater usa la suma de las corrientes de entrada de calor como una especificación de trabajo, sino usa estas corrientes de entrada para calcular el calor neto. Calor neto = Σ corrientes de entrada – calor calculado. 8.1.6 Formatos.

(45) IQUI 2003-2-26 Para lograr ver los resultados, es necesario entrar las especificaciones necesarias. Aspen Plus posee un formato donde se puede lograr entrar condiciones de operación, tablas para tabulación de resultados, etc. Cada una de las operaciones posee su propio formato en Aspen Plus: a. 1. Input. Entra condiciones de operación y parámetro para la convergencia. flash b. 2. Hcurves. Especifica las tablas de curvas para calentamiento o enfriamiento. y tabula los resultados mostrándolos. c. 3. Block Options. Override global values for physical properties, simulation. options, diagnostic message levels, and report options for this block d. 4. ResultsView. Resultados del modelo Heater. A continuación se mostraran los formatos en forma general con su uso y especificaciones:. Formato para Entrada de Heater Setup. Se usa esta hora para entrar las condiciones de operación. Dentro de este formato existen dos hojas: Specifications. Flash Options. Condiciones y fases validas para el Estimativos de temperatura y presión, modelo Heater. Se usa esta hoja para parámetros de convergencia flash. especificar: las condiciones del modelo Heater y las fases validas. Se pueden realizar combinaciones para la operación requerida. entre. distintas. especificaciones. Formato Hcurve. Se utiliza este tipo de formato para especificar los parámetros para la realización de curvas, tablas o graficas para el intercambiador de calor o refrigeradores. Cada una de estas tablas y graficas pueden incluir: temperatura, presión, fracción de vapor y.

(46) IQUI 2003-2-26 otras propiedades que se encuentren entre los puntos de salida y entrada o una lista de puntos especificados. Se usa esta este formato para: Setup. Additional Properties. Especificar variables independientes, el Otras. propiedades. que. pueden. ser. rango de las variables y un perfil de calculadas y que se encuentran dentro de presiones.. un grupo existente de propiedades en Aspen Plus.. Result Muestra. los. incluyendo: ebullición,. resultados errores,. punto. de. tabulados. puntos. de. evaporación,. presiones, temperatura, fracción de vapor entre otros. Formato Block Options. Se usa para dar un vistazo general a todos los valores de propiedades físicas, opciones de simulación, niveles de diagnostico, opciones de orientación de ecuaciones y reportes. Aquellas especificaciones que se hagan en este formato solo serán aplicadas a este bloque específico. Este formato contiene las siguientes hojas: Properties. Property. Simulation Options. Opciones para el cálculo de electrolitos y Simulación de cálculos, ya sea para petróleo. Esta posee métodos para el especificar un balance de calor como cálculo de: componentes de Henry, para reiniciar el criterio de cálculos de un reacción. química. para. electrolitos, bloque.. método para cálculo de propiedades físicas para fases libres de agua, pero también. método. de. cálculo. para. solubilidad del agua en fases orgánicas.. Diagnostics. EO Options. Da un diagnostico en todos los niveles Utilizado para orientar la solución de.

(47) IQUI 2003-2-26 por. medio. de. propiedades. mensajes, físicas,. ya. sean ecuaciones, aquí se puede especificar los. corrientes, componentes activos dentro de un grupo de componentes, describir el método. simulación.. usado. Cualquier opción especificada en esta hoja va a anular aquellas hechas en otro. EO. Options. para. el. bloque. específico. EO Var/Vec. Report Options. Variables secuénciales modulares para Usada para incluir o no información en exponer como variables en una ecuación el reporte generado. orientada.. Se utiliza esta opción para. poder manipular una variable que ha sido especificada en un bloque en particular. Por ejemplo, si se especifica una variable fija en un bloque y se quiere manipular esta desde la ejecución, usted especifica la variable desde esta hoja. EO Var se utiliza para especificar una variable para un bloque escalar o EO Vec para especificar un vector de un bloque. Formato de Heater Results. Esta hoja es usada para ver los resultados de un bloque. Existen distintos tipos de hojas para verlo..

(48) IQUI 2003-2-26 Summary. Balance. Es un resumen de todas los resultados en Da el balance de energía y masa un bloque, dentro de ellas tenemos: alrededor de un bloque. Esta se puede temperatura de salida, presión de salida, presentar. en. fracción de vapor, transferencia de Componentes. 3. formas:. Total,. convencionales. y. calor, trabajo total y la proporción molar Componentes no convencionales. En el de la primera fase liquida cuando existen total se presentan flujo molar, el flujo cálculos de 3 fases o libres de agua.. másico,. y. la. entalpía,. para. los. componentes convencionales los flujos y para los no convencionales solo el flujo másico. Phase Equilibrium Equilibrio de la alimentación, fracciones molares liquido/vapor y valores para K cuando existen dos o 3 fases de cálculos flash. Tabla 4. Formatos para el modelo Heater (Fuente: AspenTech, Manual del Usuario de. Aspen Plus). 8.2 MODELO HEATX. Este diseñado para la modelación de intercambiadores de calor entre dos corrientes y posee una serie de cálculos: corto, detallado y riguroso. Dentro del calculo detallado existen 3 tipos de simuladores: Design, Rating y Simulation. En este modelo, si se conoce la geometría del intercambiador se puede modelar una variedad de ellos: contracorriente y paralelo, tipo de coraza, tipo de tubos, etc. Calcula los coeficientes de película, análisis de vibraciones y estimación de factores de ensuciamiento, además de determinar su condición térmica y el equilibrio..

(49) IQUI 2003-2-26 8.2.1 Corrientes. Para este tipo de intercambiador, existen dos corrientes de entrada mínimas: el material de entrada frío y el material de entrada caliente. En este modelo por cada corriente de entrada, existe una corriente de salida. Además HeatX posee dos corrientes opcionales: a. Agua de decantamiento para el lado caliente b. Agua de decantamiento para el lado frío La Figura 7 muestra las corrientes que este tipo de modelo trabaja.. Material Frío Agua (opcional). Material Caliente. Material Caliente Agua (opcional). Material Frío. Figura 8. Hoja de Conectividad para el modelo MHeatX. (Fuente: AspenTech, Manual. del Usuario de Aspen Plus). 8.2.2 Características. HeatX puede modelar una gran variedad de tipos de coraza y tubos incluyendo, paralelo y contracorriente, baffles segmentados con tipos de coraza TEMA E, F, G, H, J y X, baffles tipo “Rod” para corazas TEMA E y F y tubos con o sin aletas. Además HeatX puede realizar un análisis de toda la zona estimando los coeficientes de transferencia de calor y caídas de presión para corrientes de una o dos fases. Para.

(50) IQUI 2003-2-26 cálculos de caída de presión y transferencia de calor rigurosa, se debe entrar la geometría del intercambiador. Sin embargo cuando la geometría del intercambiador no se sabe o no es importante, HeatX puede realizar cálculos simples por medio del tipo Shortcut.. HeatX puede realizar cálculos de diseño, análisis de vibración mecánica, estimación de factores Fouling y posee correlaciones para estimar el calor sensible y coeficientes de película.. 8.2.3 Formatos. Al igual que el modelo Heater, HeatX posee una serie de formatos que el usuario debe llenar para la simulación exitosa. Algunos de estos formatos serán usados dependiendo del tipo de cálculos que se vayan a llevar a cabo. Los formatos para este modelo son: a. Setup. Aquí se especifica el tipo de cálculo (corto, detallado o riguroso), la. dirección del flujo, caídas de presión, método de cálculo para el coeficiente de transferencia de calor y los coeficientes de película. b. Options Especifica distintos parámetros de convergencia flash y las fases validad para los lados caliente y frío, también los parámetros de convergencia y la opción para reportar un bloque especifico. c. Hetran Options Especifica el nombre del archivo Hetran entrado, los parámetros para el calculo de las curvas de propiedades y otras opciones del programa. d. Hetran Browser. Especifica los datos cuando se usa el tipo de calculo. Hetran riguroso. e. Geometría. Muestra las configuraciones de la coraza y los tubos.. f. Hot-Hcurves. Especifica las tablas de curvas calientes y frías para la corriente. caliente y muestra resultados tabulados. g. User Subroutines. Especifica los parámetros cuando se define la subrutina. Fortran para calcular el coeficiente de transferencia de calor total, el factor de.

(51) IQUI 2003-2-26 corrección LMTD, retención de liquido en el lado de los tubos o la caída de presión en este mismo lado. h. Dynamic. Especifica los parámetros para simulaciones dinámicas. i. Block Options Prevalecen los valores globales para la propiedades física, opciones de simulación, mensajes de diagnostico y reporta las opciones para este bloque. j. Thermal Results. Muestra el resumen de los resultados para masa, balances. de energía, caídas de presión, velocidades y perfiles de análisis por zonas. k. Geometry Results. Muestra los resultados a detalle de la coraza y los tubos y. toda su información. l. Hetran Thermal Results. Muestra los resultados generales y detallados para. el lado de la coraza y los tubos cuando se realizan cálculos de tipo Hetran riguroso.. Formato de entrada HeatX Setup. Se utiliza este formado para entrar todos los parámetros generales de la simulación. Existen 5 hojas que están contenidas en este formato:. Specifications. LMTD. Especificar los parámetros de dirección Especificar el método de calculo usado de. flujo,. especificación. del para LMTD o hacer que HeatX. intercambiador, tipo de calculo (diseño, Realice un análisis por intervalos cuando evaluación o simulación), factor de se calcula LMTD para el tipo corto. corrección LMTD y método de calculo (corto, detallado o riguroso) Pressure Drop. U Methods. Método de cálculo para las caídas de Se usa para especificar como se quiere presión de las corrientes frías y calientes. que. se. calcule. Se puede especificar una constante de transferencia. de. el. coeficiente calor. para. de el.

(52) IQUI 2003-2-26 caída de presión, hacer que HeatX intercambiador. Se pueden elegir las calcule la caída de presión por medio de siguientes opciones: un valor constante la geometría del intercambiador o que que se entra, un valor calculado de la esta. sea. usando. una. correlación geometría del intercambiador, o un valor. dependiente del flujo basado en un dado por una subrutina hecha por el parámetro de entrada dado.. usuario.. Para cada lado del intercambiador se pueden especificar todos los parámetros anteriores.. Film Coefficients. Se puede especificar los coeficientes de película para el lado caliente y el lado frío independientemente. Las opciones de cálculo son: un valor constante dado por el usuario, un valor calculado por medio de la ley de los exponentes, valores distintos para cada posible fase y un valor calculado de la geometría del intercambiador. Formato “Options”. Este formato contiene las siguientes formas: Flash Options. Covergence. Especificaciones de tipo flash para las Contiene los parámetros de convergencia dos. corrientes. de. salida. del para. la. tolerancia,. algoritmo. de. intercambiador. Este formato contiene: convergencia, el número de iteraciones y los estimativos de presión y temperatura, la temperatura mínima aproximada. el máximo número de iteraciones y el error de tolerancia. Para cada uno de los lados del intercambiador se puede especificar estos datos. Report Un reporte de todos los perfiles calculados en el bloque Formato HeatX Hetran Options.

(53) IQUI 2003-2-26 Hetran file. Property Curves. Se utiliza esta hoja para especificar el Por medio de esta hoja se puede nombre que se le va a dar al archivo que controlar como Aspen Plus calcula las contiene la información de la geometría curvas de propiedades, los parámetros del intercambiador. También se puede para generar estas curvas y que tan especificar si la corriente y la curva de seguido se deben actualizar. Se puede datos de. propiedades generada por especificar. los. parámetros. Aspen Plus se escribirá en el archivo que independientemente para las corrientes se entra al final de la simulación. Se frías y calientes. puede decidir o no escribir en el archivo los parámetros y la geometría final al final de la simulación. Hetran Parameters. Shell. Para realizar cambiar ciertas entradas en En esta hoja se especifica la información el programa incluyendo el factor de de la coraza del intercambiador, HeatX Fouling y la rutina del intercambiador de usa esta información APRA calcular los calor. Cada vez que se cambian estos coeficientes de película y las caídas de parámetros, Aspen Plus rehace toda la presión. simulación con esta información y son guardados en el archivo al final de la simulación. Formato HeatX Geometry. Tubes. Tube Fins. Se especifica la información de los tubos Especifica las aletas externas de los incluyendo, numero, tamaño, material. tubos y usa la información para calcular Heat X toma esta información y la usa los coeficientes de película y las caídas para calcular los coeficientes de película de presión. y las caídas de presión. Baffles. Nozzle. Para especificar la información de los Aquí se entra los diámetros internos de.

(54) IQUI 2003-2-26 deflectores en el lado de la coraza del las boquillas de entrada y salida del intercambiador. En HeatX el tipo de intercambiador. HeatX permite tan solo deflectores puede ser segmentado o no una boquilla de salida y una boquilla de (“Rod”). HeatX usa esta información entrada en cada lado del intercambiador. para calcular los coeficientes de película Este parámetro es usado para calcular las y caídas de presión en el lado de la caídas de presión en el lado de la coraza coraza.. y de los tubos.. Tabla 5. Formato para el modelo HeatX. (Fuente: AspenTech, Manual del usuario para. Aspen Plus). 8.4 MODELO MHEATX. Este modelo representa el intercambio de calor entre múltiples corrientes frías y calientes. Permite realizar un balance global de energía pero no toma en cuenta la geometría del intercambiador. Aquí se puede realizar un análisis detallado y riguroso de zonas para determinar los puntos “pinch”, curvas de enfriamiento y calentamiento de todas las corrientes del intercambiador.. Calcula los coeficientes. globales y lanza como resultado las temperaturas en las corrientes de salida. Este tipo de modelo es una serie de intercambiadores de calor de tipo Heater.. 8.3.1 Corrientes. Las corrientes de entrada en el modelo MHeatX debe ser por lo menos una para el lado frío y para el lado caliente.. Al igual que para los otros modelos, por cada corriente de entrada existe una corriente de salida y además hay la opción de modelar con una corriente de decantación de agua por cada corriente que salga. Las corrientes se muestran a continuación para este modelo..

(55) IQUI 2003-2-26 Corrientes de entrada frías (varias). Corrientes de entrada calientes (varias). Corrientes de salida caliente Agua (opcional) Corrientes de salida caliente Agua (opcional). Corrientes de salida frías. Agua (opcional). Figura 9. Hoja de Conectividad para el modelo MHeatX. (Fuente: AspenTech, Manual. del usuario de Aspen Plus). Usted debe dar datos específicos de salida para cada corriente sobre un lado del intercambiador de calor. En el otro lado se puede especificar cualquiera de. las. corrientes de salida, pero debe dejar al menos una corriente sin especificar. Corrientes diferentes pueden asume tener los diferentes de datos MHeatX quetipos todas las corrientes queespecíficos. no han sido especificadas tienen la misma salida de temperatura. Un equilibrio de energía total determina la temperatura de cualquier corriente (s) no especificada.. Usted puede usar un método de propiedades diferente para cada corriente en MHeatX. Especifique los métodos de propiedades sobre el BlockOptions en la Hoja de propiedades.. 8.3.2 Características. MHeatX puede realizar un análisis detallado, riguroso interno de una zona determinada. Este análisis incluye:.

(56) IQUI 2003-2-26 a. Puntos “pinch” internos b. UA y LMTD de cada zona c. Total UA del cambiador d. Un promedio general de LMTD. Para obtener un análisis de la zona, especifique el número de zonas mayor que 0 sobre la hoja de Análisis de Zona de Entrada de MHeatX. Durante análisis de la zona MHeatX usted puede añadir: a. Puntos de entrada en las corrientes si todas tienen distintas temperaturas b. Puntos de salida en las corrientes si son distintas temperaturas en los productos c. Puntos que cambian de fase, cuando es interno. MHeatX también puede considerar perfiles no lineales en las zonas dividiendo estas zonas en aquellas que puedan ser adaptables para perfiles lineales. MHeatX puede realizar un análisis de la zona para intercambiadores de calor en contracorriente y paralelo.. MHeatX puede simular fases fluidas con alimentos sólidos cuando la corriente contiene subcorrientes sólidas, o cuando usted solicita cálculos químicos con electrólitos. Todas las fases están en el equilibrio térmico. Los alimentos sólidos salen a la misma temperatura que los fluidos. Sin embargo los materiales en las subcorrientes sólidas no participan en los cálculos de equilibrio de fase.. 8.3.3 Formatos. MHeatX usa múltiples bloques de intercambiadores de calor y corrientes de calor para realizar la convergencia en la hoja de proceso. Aspen Plus automáticamente hace en las secuencias y la convergencia de las corrientes a no ser que usted especifique otra secuencia..

(57) IQUI 2003-2-26. Use las formas siguientes para entrar. datos específicos y ver los resultados para. MHEATX:. a. Input. Especifica las condiciones de funcionamiento, parámetros de. convergencia tipo “flash”, parámetros para el análisis de zonas, tablas tipo “flash”, parámetros de convergencia para MHeatX, y opciones específicas de informe para cada bloque. b. Hcurves. Especifica las tablas para las curvas de calentamiento o. refrigeración y muestra sus resultados tabulados. c. Block Options. Reestablece valores globales para propiedades físicas,. opciones de simulación, niveles de mensaje diagnósticos y opciones de informe para este bloque. d. Results View. Muestra los resultados del intercambiador, division de. perfiles de cada zona, perfiles de corriente, perfiles tipo “flash”, corrientes de material y resultados de equilibrio de energía.. Formato MHeatX Input. Specifications. Zone Analysis. Salida de datos específicos para cada. Análisis interno de cada una de las zonas. corriente sobre un lado del intercambiador de calor, y para cualquier corriente (al menos una) del otro lado del intercambiador de calor. Flash Table. Options. Tablas de entalpia y/o temperatura para Informe de parámetros de convergencia y análisis de zonas. cualquier opción específica de cada bloque. Formato HCurve.

(58) IQUI 2003-2-26 HCurve Setup. HCurve Additional Properties. Use esta hoja para especificar la curva Use esta hoja para seleccionar juegos de la variable independiente, la gama para característica(propiedad) adicionales de la variable independiente, y el perfil de juegos. de. característica(propiedad). presión. Las variables independientes disponibles y entrar en datos específicos incluyen: Deber(impuesto) de calor, para mesas en el informe Temperatura, y Fracción de Vapor. La Fracción de Vapor no está disponible para la Ampolla que calienta curvas.. HCurve Results Use esta hoja para ver la calefacción generada y mesas de curva de refrigeración, incluyendo: Numero de Datos: muestra el numero de datos de la tabla Estado: indica si existe un error, punto de rocío, o el punto de burbuja Trabajo: muestra el trabajo realizado por el calor Presión: muestrala presión Temperatura: muestra las temperaturas Fracción de vapor: muestra la fracción de vapor Formato Block Options. Block Options Properties. Block Options Simulation Options. Use esta hoja para anular los valores Use esta hoja para especificar si los globales de propiedades físicas.. cálculos de equilibrio de calor deben ser realizados alrededor del bloque. Esta hoja no contiene la caja de comprobación para excluir o incluir cálculos de equilibrio de calor si los equilibrios de energía ya son hechos como la parte de cálculos de bloque. Use esta hoja también para especificar criterios de.

(59) IQUI 2003-2-26 cálculos de nuevo principio para el bloque.. Block Options Diagnostics. Block Options EO Options. Use esta hoja para anular faltas para la Use esta hoja para especificar las historia de simulación, niveles de opciones siguientes para la ecuación de mensaje diagnósticos, y el panel de este bloque: control niveles de mensaje diagnósticos para el bloque.. · Componentes activos · Ociones adicionales orientadas a la ecuación y sus variables. Block Options EO Var / Vec. Block Options Report Options. Use esta hoja para especificar variables Use las hojas siguientes para ver los secuenciales modulares (SM) para ser resultados obtenidos para MHEATX, de expuestas como orientado por ecuación equilibrio de materia y energía, análisis (EO) variables cuando este bloque está de zonas, perfiles del analisis de zonas, siendo controlado vía la capa de perfiles perturbación.. de. temperatura. para. cada. corriente y tablas de tipo “flash”. Formato MHeatX Results. MHeatX Results Stream. Results Balance. Use esta hoja para ver este bloque que Esta hoja muestra el material y el cierre maneja resultados para cada corriente de equilibrio de energía alrededor del de admisión.. bloque. Los resultados de equilibrio son así: Total.

(60) IQUI 2003-2-26 Componentes convencionales. Componentes no convencionales. HeatX Results Exchanger. MHeatX Results Zone Profiles. Use esta hoja para ver los resultados de Use esta hoja para ver los resultados de análisis totales de la zona para el perfil de análisis de la zona a lo largo del transformador de calor.. transformador de calor.. MHeatX Results Stream Profiles. MHeatX Results Flash Table. Use esta hoja para ver los perfiles Use esta hoja para ver la tabla de tipo finales par alas corrientes a lo largo del “flash”para cada corriente cuando se intercambiador.. interpolan en esta.. Tabla 6. Formato de entrada del modelo MHeatX (Fuente: AspenTech, Manual del. usuario de Aspen Plus). 9. FAMILIARIZACON CON EL AMBIENTE DE ASPEN PLUS. En esta sección usted podrá observar mas a fondo como es Aspen Plus, haciendo que usted, el usuario, conozca la interfaz que muestra Aspen Plus para que al realizar ejercicios se sienta cómodo trabajando y de la misma forma sepa donde encontrar iconos, formatos, modelos y demás dentro de la ventana de Aspen.. Se entrara adelante a describir en forma general lo que posee Aspen Plus en su interfaz..

(61) IQUI 2003-2-26. 9.1 HOJAS DE PROCESO. Una hoja de proceso es la reunión de una serie de iconos para representar una unidad de proceso y flechas para representar flujos. Para los procesos químicos, estas hojas de proceso se enfatizan en el flujo de material y energía.. S1. Batch 1. S2. Batch 2. S3. Batch 3. S4. Figura 10. Comparación Entre la Hoja de Proceso y el Diagrama de Proceso en Aspen Plus.. En el caso de las hojas de proceso para la simulación, estas son una serie de subrutinas que contiene el programa para emular unidades de proceso y flechas que representan flujos con información que se comparte entre las unidades..

(62) IQUI 2003-2-26 9.2 VENTANA PRINCIPAL. Barra de titulo. Barra de menú. Barra de trabajo. Espacio de trabajo donde se dibuja el proceso. Paleta de modelos Área rápida. Menú de modelos. Figura 11. Ventana principal de Aspen Plus. (Fuente: AspenTech, Simulador. Aspen Plus). 9.3 INTRODUCCIÓN AL USO DE ASPEN PLUS. Aspen Plus es un simulador de práctica constante para su ideal manejo. Para aquellos principiantes en este ámbito, existen seis (6) pasos básicos: a. Uso del “Model Manager”para especificar el problema. b. Seleccionar el equipo necesario del modelo de bloques, tomarlo y arrastrarlo hasta el área de trabajo. c. Conectar las corrientes necesarias al modelo. d. Bajar los formatos y llenarlos. e. Correr el problema..

(63) IQUI 2003-2-26 f. Analizar y reportar los resultados. Aspen Plus cuenta con un operador lógico. , que lleva al usuario paso a paso. por todos los formatos que deben ser llenados para la correcta simulación. Los formatos requeridos son:. TÍTULO. Título para el problema a tratar.. COMPONETES. Especificación de los componentes químicos que son incluidos en la simulación.. PROPIEDADES. Dentro del menú “Option Set” especificar las propiedades a usar.. BLOQUES. Dar las especificaciones de datos para cada unos de los bloques incluidos en la simulación, cada bloque tiene su propio grupo de datos.. CORRIENTES. Especificar cada una de las corrientes. En cada una se debe especificar el estado, la composición y el flujo.. 10. DESARROLLO DE EJERCICIOS PRACTICOS. Se realizara el modelamiento detallado de tres ejercicios que se han dispuesto para este fin. El objetivo principal es que usted una vez haya terminado de realizar los ejercicios que se proponen, tenga la capacidad de utilizar Aspen Plus para modelar ejercicios semejantes. Todos los ejemplos que usted encontrará a continuación han sido tomados del libro “Procesos de Transferencia de Calor” de Donald Kern, con el fin de comparar el modelo propuesto por Aspen Plus, el ejercicio desarrollado en el libro y aquel con Excel..