1. Aspen Hysys - Simulacion Estacionaria

PROCESOS QUÍMICOS

Análisis y Simulación en Estado Estacionario

Melanio A. Coronado H. I.Q.

2013

Contenido

Prólogo 5

SECCIÓN I. ESTIMACIÓN DE PROPIEDADES 7 1. Administrador básico de la simulación 9

2. Corrientes y de procesos 19

3. Propiedades de corrientes 25

SECCIÓN II. UNIDADES DE PROCESOS SENCILLAS 35 4. Ciclo de refrigeración 37

5. Separación instantánea de dos fases 45

6. Separador instantánea de tres fases 51

7. Procesos con reciclo 57

8. Compresión de un gas en tres etapas 65

SECCIÓN III. OPERACIONES LÓGICAS 71 9. Ajuste de variables 73

10. Hoja de cálculo 77

11. Balances de materia 81

12. Balances de calor 87

13. Balances de materia y energía 91

14. Balance General 94

15. Planta de enfriamiento de un gas 101

SECCIÓN IV. REACTORES QUÍMICOS 113 16. Reactor de conversión 115 17. Planta de producción de gas de síntesis 123

18. Reactor CSTR 139 19. Reactor PFR 147 20. Reacción catalítica heterogénea 155

SECCIÓN V. SEPARADORES DE MEZCLAS 161 21. Recuperador de componentes 163 22. Columna despojadora de agua ácida 169 23. Columna de destilación desbutanizadora 177

24. Separación de una mezcla propileno - propano 185

SECCIÓN VI. PROCESOS DE SEPARACIÓN 197 26. Planta de gas natural licuado 199 27. Planta de producción de etanol 209 28. Planta de deshidratación de etanol 217

SECCIÓN VII. PROCESOS QUÍMICOS 227

29. Reactor tubular con reciclo líquido 229

30. Proceso de alquilación 235

31. Proceso de producción de Etilbenceno 243

32. Reactor tubular con reciclo gaseoso 249

33. Proceso de producción de benceno 255

34. Proceso de producción de acetona 265

SECCIÓN VIII. APÉNDICES 273

Apéndice A. Variables de diseño 275

Apéndice B. Variables de diseño en etapas de equilibrio 279 Apéndice C. Variables de diseño – Columnas de absorción 285 Apéndice D. Variables de diseño – Columnas de destilación 293

Prólogo

Los cursos de Diseño de Plantas que se imparten a nivel de pre-grado en los Programas de Ingeniería Química han experimentado, en los últimos años, considerables cambios en sus objetivos y metodologías de enseñanza. Los avances de la ciencia, la tecnología y la informática han proporcionado herramientas de trabajo como las bases de datos y redes bibliográficas, plantas pilotos y simuladores que sintetizan, analizan y diseñan procesos químicos y que además incluyen otras opciones como la estimación de propiedades y costos de equipos o procesos, análisis energético, etc.

Bases de datos y redes bibliográficas especializadas proporcionan, con la actualización que exige la rigurosidad de la ciencia, una información de alta calidad que resuelve los problemas de escasez de antaño y permiten el conocimiento del estado del arte en el ámbito de la Ingeniería Química en general.

Unidades modulares o integradas como plantas pilotos permiten el desarrollo de la experimentación en síntesis y análisis de procesos químicos a pequeña y mediana escala y, de esta manera, resuelven interrogantes o requerimientos para la completa especificación de un trabajo de diseño

Los simuladores de procesos químicos facilitan su evaluación sin necesidad de experimentar sobre ellos mismos y contribuyen a la formulación de principios empíricos, importantes herramientas que pueden utilizarse para la verificación de la validez de las decisiones tomadas por los encargados de diseñar procesos

Los programas computarizados especializados que definen el paquete de propiedades del sistema de componentes químicos que participan en un proceso, proporcionan especificaciones que en épocas pasadas resultaban difíciles de predecir y contribuyen al modelamiento y simulación completa de un proceso. Los paquetes que ayudan a la estimación del tamaño y a la selección de equipos de procesos, muchos de ellos ofrecidos por los proveedores de tecnología procesos químicos, agilizan un trabajo que manualmente implicaba un gran gasto de tiempo y dinero por la complejidad y extensión de algunos procedimientos de cálculo

El Programa de Ingeniería Química de la Universidad del Atlántico se propone, como uno de sus objetivos, que sus egresados adquieran una sólida formación en la simulación, el análisis y la síntesis de procesos químicos, mediante la aplicación de los principios establecidos para ello y a través del uso de herramientas computacionales. Se conjugan la lógica conceptual y la destreza de cálculo, y con la ayuda computacional se aprovecha de la facilidad, agilidad y posibilidad comparativa que permite un simulador.

De esta manera, la enseñanza que se imparte de la Ingeniería Química se está haciendo en sintonía con las tendencias actuales mundiales y con un recurso valioso como es el simulador HYSYS, que modela propiedades de componentes y mezclas y simula, analiza y

sintetiza procesos químicos, además de dimensionar equipos y facilitar otros recursos útiles.

Para un buen manejo del simulador, se requiere de conocimientos sólidos de toda la Ingeniería Química; desde las áreas básicas como las matemáticas, la física y la química, las áreas básicas de ingeniería como la fisicoquímica, la termodinámica, los balances de materia y energía y la economía de los procesos hasta sus áreas aplicadas como las operaciones unitarias y el diseño de reactores

Este manual es una recopilación, que incluye ejercicios incluidos en los distintos tutoriales facilitados con la compra del simulador, simulaciones construidas por el autor con el aporte valioso de sus estudiantes de pre-grado. Contiene un conjunto prácticas que desarrolladas en forma secuencial buscan conseguir como objetivo general que el estudiante de Diseño de Plantas simule, analice y sintetice procesos químicos en estado estacionario, mediante la asistencia del simulador HYSYS y, por supuesto, compare los resultados con los encontrados, cuando sea posible, con la aplicación de los principios de la Ingeniería Química . El manual está dirigido a principiantes en el manejo de HYSYS y en la aplicación de la Ingeniería básica al diseño de los procesos químicos. Junto con la adquisición de un conocimiento del manejo de las herramientas disponibles en el simulador, la distribución secuencial de las prácticas se orienta por un ordenamiento metodológico de las etapas procedimentales recomendadas para el diseño de un proceso en estado estacionario.

El manual está dividido en 8 secciones organizadas teniendo en cuenta un orden metodológico que comience con el uso del simulador para la estimación de las propiedades físicas y termodinámicas del sistema de sustancias que participan en un proceso y termine con simulaciones de algunos procesos químicos con la estructura genérica que los caracteriza como son especialmente un sistema de reactores y un sistema de separadores. En cada lección se incluye una breve introducción que describe algún fundamento asociado con el proceso y un análisis de variables de diseño para las unidades de proceso encontradas en las simulaciones.

En medio de los propósitos anteriores, se incluyen una sección que contiene un conjunto de lecciones que explican el uso de recursos lógicos disponibles en el simulador que permiten realizar operaciones como ajustar, controlar o relacionar variables, hacer cálculos de balances de materia y energía o los cálculos iterativos que implica la inclusión de una corriente de recirculación dentro de un proceso, la construcción de columnas de separación o sub-diagramas de flujo por el mismo usuario o la optimización de un proceso, entre otros. Subdivido en varios apéndices se incluye un tratado sobre análisis de variables de diseño en columnas de separación como un conocimiento importante que es necesario dominar para un manejo claro de las especificaciones posibles que permiten obtener simulaciones exitosas en procesos de separación

SECCIÓN I

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 SIMULACIÓN 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 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 1.1.

Figura 1.1. 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 1.2.

Figura 1.2. Ventana para la creación o instalación del paquete fluido

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 1.3. Por defecto, se despliega activa la pestaña “Set Up”

Figura 1.3. 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 1.4.

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 1.5.

Figura 1.5. 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 1.6.

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

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 1.7. 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 1.7. 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 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 1.8.

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 1.9.

Figura 1.9. Inclusión del componente hipotético dentro de la lista de componentes

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 Peng-Robinson 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 1.10.

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 1.11

Figura 1.11. Selección del sistema de unidades

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 1.12

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 1.12. 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:

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 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

4. CASO DE ESTUDIO

A continuación, despliegue la ventana “Component List View”, haga clic en la opción “Components” del grupo “Add Component”, seleccione los componentes heptano 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 1.1.

Tabla 1.1 Propiedades del n-Heptano, n-Octano y el compuesto hipotético C7+

PROPIEDAD

C7+

C7

C8

Normal Boiling Point

Ideal Liquid Density

2. CORRIENTES DE PROCESOS

1. OBJETIVOS

1. Especificar corrientes de materia y energía para desarrollar una simulación de un proceso químico en HYSYS

2. Manejar algunas herramientas incluidas en el simulador que posibilitan la determinación de propiedades de mezclas

2. INTRODUCCIÓN

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 más 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 C Temperatura 1 Presión 1 Flujo 1 Total de Variables C + 3

Expresando las concentraciones en fracciones molares, Xi, se cumple una restricción de suma entre ellas, es decir que:

1 1 



Por lo tanto, el número de variables de diseño Nie 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:

2

 C

N_ie (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:

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.

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

3. INSTALACIÓN 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 2.1. La instalación de corrientes puede hacerse de varias formas como presionando la tecla clave <F11> o seleccionando la opción “Add Stream” del menú “Flowsheet”

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 2.2

Figura 2.2. 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 2.3.

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 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

4. INSTALACIÓN DE UNA CORRIENTE DE ENERGÍA 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 2.4.

Figura 2.4. 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

3. PROPIEDADES DE CORRIENTES

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. INTRODUCCIÓN

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, Presión-Entropía, 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 3.1.

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 3.2.

Figura 3.2. Facilidades disponibles para la corriente “Gas”

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 3.3. 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”

Figura 3.3. Valores Máximos y Críticos de temperatura y presión 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 3.4. Compare los valores máximos y críticos de temperatura y presión de la Figura 3.3

Figura 3.4. Diagrama Presión-Temperatura de 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 3.5, en el cuadro “Table Type” que los datos que aparecen tabulados corresponden a la sección del punto de burbuja de la corriente “Gas.

Figura 3.5. Datos numéricos de 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”

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 3.6.

Figura 3.6. Diagrama Presión – Entalpía de la corriente “Gas”

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 3.6.

13. Observe los gráficos presión – volumen, presión – entropía, temperatura – volumen, temperatura – entalpía y temperatura – entropía disponibles en el grupo “Envelope Type”

4. PROPIEDADES CRÍTICAS 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

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 3.7 y que despliega las propiedades críticas y seudocríticas de la corriente “Gas”

Figura 3.7. 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 3.8. 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 número 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. 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 la Figura 3.9

Figura 3.9. 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.

13. Haga clic en la pestaña “Performance” para desplegar la ventana, Figura 3.10, donde se pueden seleccionar los datos calculados para visualizarlos tabulados numéricamente o gráficamente.

Figura 3.10. Tabla de propiedades

14. Haga clic sobre la página “Table” para desplegar los datos calculados en forma numérica y tabular. Observe Figura 3.11

Figura 3.11. Densidad y Conductividad térmica de la corriente “Gas”

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 3.12.

Figura 3.12. 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 3.13.

6. DIMENSIONAMIENTO DE UNA 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 3.14. 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

Figura 3.14. Dimensionamiento de una tubería

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”

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 3.15

Figura 3.15. 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.

SECCIÓN II

4. 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. INTRODUCCIÓN

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 4.1, 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 4.1. Ciclo de refrigeración

Evaporador o Calentador (Heater)

En el calentador que muestra la Figura 4.1, 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.

Las ecuaciones que modelan el transporte de materia y energía a través de un calentador son:

Balances de materia para cada uno de los C componentes: i i F F2  3 Balance de energía: 3 3 2 2h Q Fh F  

Siendo F2, F3, h2, h3 los flujos y las entalpías de las corrientes y Q el flujo calórico

cedido a la corriente 2.

El análisis de grados de libertad es el siguiente:

Variables Cantidad

Corriente Salida C + 2

Corriente Calor 1

Total Variables C + 3

Ecuaciones y Restricciones Cantidad

Balances de materia C

Balance de energía 1

Total Ecuaciones y Restricciones C + 1

Total grados de libertad 2

Las dos variables de diseño requeridas se pueden completar con varias opciones entre las cuales podemos analizar las siguientes:

 Temperatura y presión de la corriente de salida: se tienen las especificaciones requeridas para hacer unos cálculos de vaporización isotérmica que estimen la fracción de corriente vaporizada y las correspondientes concentraciones de las fases líquido y vapor en equilibrio en la corriente de salida. El modelo calcula la caída de presión en el intercambiador y el flujo calórico correspondiente a la corriente de energía.

 Temperatura de la corriente de salida y la caída de presión en el calentador: Es una opción equivalente a la anterior porque con la caída de presión en el

intercambiador se calcula la presión en la corriente de salida y, por lo tanto, en este caso se desarrollan cálculos de vaporización isotérmica para calcular el estado de la corriente de salida

Las anteriores no son las únicas opciones; entre otras adicionales, se encuentran la caída de presión y el flujo calórico en el intercambiador, el flujo calórico en el intercambiador y la presión en la corriente de salida.

Condensador o Enfriador (Cooler)

En el condensador que muestra la Figura 4.1, el propósito es enfriar la corriente 4 haciendo que transfiera una cantidad de su contenido calórico. Las corrientes 4 y 1 son de flujos y composiciones iguales, pero el calor absorbido a través del intercambiador de calor hace que sus temperaturas y presiones sean diferentes.

El análisis de los grados de libertad en un condensador (cooler) es el mismo del evaporador. Es decir son 2 grados de libertad y las especificaciones posibles son las mismas descritas en el apartado anterior. 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?

Válvula de Joule-Thompson

Un caso de expansión isoentálpica de una corriente es el que se lleva a cabo en una válvula de Joule – Thompson. El paso de una corriente a través de este tipo de válvula ocasiona una disminución de la presión manteniéndose la entalpía constante.

Las ecuaciones que modelan la expansión isoentálpica de una corriente de alimento a una válvula de Joule – Thompson se plantean con los balances de materia para cada componente, el balance calórico entre las corrientes de entrada y salida con la corriente de energía y la restricción de la igualdad de las entalpías totales de las corrientes de entrada y salida, de la siguiente manera

Balances de componentes: i i F F1  2 Balance de energía: F1h1QF2h2 Igualdad de entalpías: F₁h₁ F₂h₂

Se observa, a partir del balance de energía y la igualdad de entalpías que el flujo calórico, es igual a cero, es decir, que la válvula de Joule – Thompson opera en condiciones

adiabáticas, razón por lo cual en los diagramas de flujo se muestran dichas válvulas sin la corriente calórica resaltada en color rojo en la figura.

El análisis de grados de libertad es el siguiente:

Variables Cantidad

Corriente Salida C + 2

Corriente Calor 1

Total Variables C + 3

Ecuaciones y Restricciones Cantidad

Balances de materia C

Balance de energía 1

Igualdad de Entalpias 1

Total Ecuaciones y Restricciones C + 2

Total grados de libertad 1

La variable de diseño que usualmente se especifica es la caída de presión en la válvula o la presión en la corriente de salida. Por lo tanto, para determinar el estado de la corriente de salida se requiere del desarrollo de un cálculo de vaporización isoentálpica que estime los flujos de la fracción líquida y de la fracción vapor junto con sus respectivas composiciones.

Compresor

El compresor que muestra la Figura 4.1 se encarga de aumentar la presión de la corriente gaseosa 3 mediante el suministro de una cantidad de energía en forma de trabajo. Las corrientes 3 y 4 son de flujos y composiciones iguales pero se requiere un trabajo de compresión que se calcula con teniendo en cuenta las consideraciones de operación, es decir en forma isoentrópica o no isoentrópica

Las ecuaciones que modelan el aumento de presión de una corriente gaseosa en un compresor se plantean con los balances de materia para cada componente y el balance entre el contenido energético de las corrientes de entrada y salida y la corriente de energía, de la siguiente manera: Balances de componentes: i i F F₁  _{2 i = 1,….,C} Balance de energía: F1h1Ws,i F2h2

El análisis de grados de libertad es el siguiente:

Variables Cantidad

Corriente Descarga C + 2

Corriente Energía 1

Total Variables C + 3

Ecuaciones y Restricciones Cantidad

Balances de materia C

Balance de energía 1

Total Ecuaciones y Restricciones C + 1

Total grados de libertad 2

Si se fija la presión de la corriente de salida (o el P en el compresor) y la eficiencia del compresor se puede calcular la entalpía de la corriente 4 con lo cual se completan las C + 2 especificaciones requeridas para su total determinación HYSYS realiza un cálculo de evaporación espontánea P-H para la especificación completa de la corriente “4”.

1. SIMULACIÓN DEL CICLO DE REFRIGERACIÓN

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 1

b. Fracción de vapor 0.0 c. Temperatura 120 °F d. Flujo molar 100 lbmol/h e. Composición (Fracción molar) 1.0

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 4.2.

Figura 4.2. 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 4.3. ¿Cuántas variables se necesitan introducir para que el conjunto Válvula-Evaporador quede completamente especificado?

7. Haga clic sobre la página “Parameters” e introduzca una caída de presión de 1 psi en el cuadro “Delta P”.

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 4.4. ¿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 4.4. 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 4.5. ¿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

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?

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 _________________ ________________________

5. SEPARACIÓN INSTANTÁNEA DE DOS FASES

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. INTRODUCCIÓN

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 (por ejemplo, una válvula) cuya caída de presión en forma adiabática provoca una vaporización parcial y en un tanque posterior puede lograrse la separación en las fases líquido y vapor, respectivamente. Observe la Figura 5.1 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 5.1. Separador de fases instantáneo

Balances de materia para cada uno de los C componentes (C ecuaciones) i i i

Vy

Lx

Fz





Relaciones de equilibrio (C ecuaciones)

i i i

K

x

y



Restricciones: La temperatura y la presión de la fase líquida son iguales a la temperatura y la presión de la fase vapor. Lo anterior expresa las siguientes dos restricciones:

P P P_V  _L  (5.4) T T T_V  _L  (5.5)

El análisis de grados de libertad es el siguiente:

Variables Cantidad

Corriente Vapor C + 2

Corriente Líquido C + 2

Corriente Calor 1

Total Variables 2C + 5

Ecuaciones y Restricciones Cantidad

Balances de materia C

Relaciones de equilibrio C

Balance de energía 1

Restricciones 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 propuesta por Rachford y Rice (1952) que permite calcular la fracción de alimento vaporizado

F V



 , suponiendo que las constantes de equilibrio son independientes de las concentraciones y solo dependen de la temperatura y la presión. 0 ) 1 ( 1 ) 1 ( 1    



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:

F L F V h h h h T g( ,)1 (1) (5.7)

Para la solución simultánea de las ecuaciones (5.6) y (5.7) se puede proceder de la siguiente manera

1. Se supone una temperatura

2. Se calcula la fracción de vaporización con la ecuación (5.6) y

3. Se verifican dichos resultados con la ecuación (6.7) definiendo un error para la función g(T, V/F)

3. SIMULACIÓN DE UN SEPARADOR DE FASES INSTANTÁNEO

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

a. Nombre: F

b. Temperatura: 150 °F c. Presión: 50 psia d. 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 5.2.

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 5.3

Figura 5.3. Carga calórica asignada al separador

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 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 5.4.

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 (5.7)

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 temperatura de 150 °F y una fracción de vaporización de 0.6. Analice los resultados

6. SEPARACIÓN INSTANTÁNEA 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. INTRODUCCIÓN

Una mezcla líquida formada por componentes completamente inmiscibles, como hidrocarburos y agua, muestra dos fases líquidas. Esta mezcla establecerá un equilibrio con un vapor que se formará según que la suma de las presiones de vapor de las dos fases líquidas sea mayor que la presión a la que se encuentra la mezcla. La separación de las tres fases se puede llevar a cabo en un recipiente que permita la decantación de las dos fases líquidas en un esquema como el que se muestra en la Figura 6.1

Figura 6.1. Separador de tres fases

Las ecuaciones de un modelo, en estado estacionario, para un separador instantáneo de tres fases son:

Balances de materia para cada uno de los componentes (C ecuaciones):

i i i i x L x L Vy Fz   _{1 1}  _{2 2} i = 1,…., C

Balance de energía: 2 2 1 1 L L V F Q Vh Lh L h Fh    

Las relaciones de equilibrio entre la fase vapor y las dos fases líquidas son (2C ecuaciones: i i i x K y  _{1 1} i = 1,…., C i i i x K y  _{2 2} i = 1,…., C

Restricciones: La temperatura y la presión de la fase vapor, la fase líquida liviana y la fase líquida pesada son iguales. Lo anterior expresa las siguientes dos restricciones:

2 1 L L V T T T   2 1 L L V P P P  

El análisis de grados de libertad es el siguiente:

Variables Cantidad

Corriente Vapor C + 2

Corrientes Líquidas 2(C + 2)

Corriente Calor 1

Total Variables 3C + 7

Ecuaciones y Restricciones Cantidad

Balances de materia C

Relaciones de equilibrio 2C

Balance de energía 1

Restricciones 4

Total Ecuaciones y Restricciones 3C + 5

Las variables que generalmente se especifican para completar la especificación de la unidad son la magnitud del flujo calórico y la caída de presión en el separador o la presión de una de las corrientes de salida.

3. SEPARACIÓN DE UNA MEZCLA DE HIDROCARBUROS - AGUA

1. 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

2. 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

3. Maximice la ventana de propiedades de la corriente “Alimento” y observe las condiciones de las tres fases que la componen en la Figura 6.2.

4. Haga clic en la página “Composition” y observe las composiciones correspondientes a dicha corriente en la Figura 6.3.

Figura 6.3. Composición de las tres fases de la corriente “Alimento”

5. 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.

6. Seleccione el separador de 3 fases haciendo doble clic sobre el icono correspondiente en la paleta de objetos.

7. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca los nombres de las corrientes de entrada y salida como se observan en la Figura 6.4.

8. 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.

9. 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

10. 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 6.5.

Figura 6.5. Dimensionamiento del tanque Separador de Tres Fases

11. Haga clic sobre la pestaña “Worksheet” y observe las condiciones de las corrientes de salida del Separador de Tres fases, Figura 6.6. Compárelas con las especificaciones de las tres fases de la corriente “Alimento”.

12. Haga clic sobre la página “Composition” y observe las concentraciones de las corrientes de salida del Separador de Tres Fases, Figura 6.7. Compárelas con las especificaciones de las tres fases de la corriente “Alimento”

Figura 6.7. Composición de las corrientes de salida del Separador de Tres Fases

4. CASOS DE ESTUDIO

4.1 Determine el punto de rocío de la corriente “Alimento” a 200 kPa? ¿Cuántas fases se observan? Explique por qué la fase vapor contiene agua

4.2 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