clic acá

(1)

Realizado por: MSc. Ing. Juan E. Rodríguez C http://juanerodriguezc.wordpress.com

UNIDAD III:

SIMULACIÓN DE

PROCESOS EN RÉGIMEN

ESTACIONARIO

(MSc) Ing. Juan E. Rodríguez C.

(2)

(3)

Realizado por: MSc. Ing. Juan E. Rodríguez C http://juanerodriguezc.wordpress.com Realizado por: MSc. Ing. Juan E. Rodríguez C http://juanerodriguezc.wordpress.com

Simulación en Régimen Estacionario

• Diagrama teórico (Descripción del proceso).

• Define claramente y con detalle la interacción entre los

diferente entes de un sistema y materia sobre la cual los

entes actúan, explicando el por que sucede.

• Diagrama Conceptual (BD, PFD, PID, IFD).

• Define claramente y con detalle la interacción entre los

diferente entes de un sistema y materia sobre la cual los

entes actúan, sin explicar el porque sucede.

(4)

Simulación en Régimen Estacionario

La alimentación del azeótropo IPA-Agua (80% en peso de IPA) es alimentada al mezclador, donde se une a la corriente de reciclo del proceso y que contiene fundamentalmente isopropanol y agua en una proporción cercana al azeótropo. El caudal de azeótropo fresco es de 2439 kg/h

La mezcla de alimentación fresca junto con la corriente de reciclo son calentadas hasta una temperatura de 350 °C para alimentar al reactor, que entra en éste a una presión de 2.16 bar-a. El fluido calefactor es vapor de alta presión (hps).

El reactor es catalítico (catalizador de óxido de cobre soportado sobre alúmina) y multitubular operando en régimen isotérmico. La isotermicidad, a pesar de la reacción endotérmica, se consigue calentando el haz tubular por el lado de la carcasa en un esquema contracorriente. La pérdida de carga producida en el reactor es de 0.39 bar.

El efluente del reactor es enfriado en dos etapas. En la primera se utiliza agua fría consiguiendo una temperatura de salida de la corriente de proceso de 45 °C. En la segunda etapa se utiliza un fluido refrigerante para rebajar la temperatura de la corriente

(5)

Simulación en Régimen Estacionario

Tras el último intercambiador se separa, mediante una etapa flash, una corriente rica en hidrógeno (corriente de vapor) que se lleva a un absorbedor para tratar de separar la mayor cantidad de hidrógeno posible, y retener la acetona y el IPA que no ha reaccionado. El absorbedor utiliza agua (25 ºC), como líquido absorbedor en contracorriente. El grado de recuperación de acetona en la corriente líquida de cola es de aproximadamente el 58%.

La corriente líquida, que puede contiene una pequeñísima parte de hidrógeno, se une a la corriente líquida procedente de la unidad flash. Ambas corrientes abandonan el mezclador del que se separa el hidrógeno sobrante en un separador ideal (“component Splitter”) y alimentan a la primera columna de destilación en la que se separa por cabeza una corriente (líquida) con un 99% (molar) de acetona. El condensador de esta columna es total.

La corriente del fondo de la columna de destilación, completamente exenta de acetona alimenta a la segunda columna a una presión de 1.4 bar-a, que separa una corriente de agua (prácticamente pura) por cola que se envía a la planta de tratamiento de aguas. La corriente de cabeza del tope es reciclada al mezclador principal para cerrar el reciclo.

Descripción del Proceso:

(6)

Simulación en Régimen Estacionario

• Diagrama de Bloque (BD)

• Las operaciones son representada como bloques.

• Los flujos mayormente son representados por trazos de líneas y flechas

que indican la dirección de los flujos, y van de derecha a izquierda

siempre y cuando sea posible.

• Las corrientes livianas (gases) son representados en la parte superior y

las corrientes pesada (solidó o liquido) en la parte inferior.

• Si las líneas se cruzan, entonces la línea horizontal es continua y la línea

vertical de trazos.

(7)

Simulación en Régimen Estacionario

(8)

Simulación en Régimen Estacionario

Diagrama de Flujo de Proceso (PFD): Contiene volumen de datos de la información

de la ingeniería química necesarios para el diseño de un de proceso químico.

•

El Contenido típico PFD contiene el siguiente:

• Todos los piezas importantes del equipo junto con la descripción del equipo; cada pieza del equipo tendrá un número único del equipo y un nombre descriptivo.

• Todos los flujos del proceso son mostrados e identificado por número; las condiciones de proceso y la composición química de cada corriente son incluidas.

• Todas las corrientes para usadas por el equipo importante son incluidas.

• Los lazos de control básico para la operación normal se muestran.

•

Los tipos de información básica proporcionaron por un PFD.

• Topología de proceso.

• Organización de las operaciones de la unidad.

• Conexiones de proceso de la corriente entre las piezas de equipo.

• Equipo e identificación y numeración de la corriente.

(9)

Simulación en Régimen Estacionario

•

Diagrama de Flujo de Proceso (PFD)

•

La prioridad que se le da a la información presente en los PFDs (banderas de la información).

•

No toda la información de proceso es de igual importancia.

•

Información crítica a la seguridad y a la operación de la planta.

•

Las temperaturas y las presiones se asociaron al reactor.

•

Caudales de las corrientes de la alimentación y del producto.

•

Presiones y temperaturas de la corriente están substancialmente por encima que el resto del proceso.

•

PFD debes ser muy claro y fácil entender para evitar errores y malentendidos.

(10)

Diagramas de Flujo de Proceso (DFP)

CONVENCIONES UTILIZADAS PARA LOS EQUIPOS

(11)

Diagramas de Flujo de Proceso (DFP)

CONVENCIONES UTILIZADAS EN INFORMACIÓN

Simulación en Régimen Estacionario

(12)

Diagramas de Flujo de Proceso (DFP)

CONVENCIONES UTILIZADAS EN INFORMACIÓN

(13)

Simulación en Régimen Estacionario

Diagramas de Flujo de Proceso (DFP)

(14)

(15)

Diagramas de Flujo de Proceso (DFP)

Simulación en Régimen Estacionario

(16)

Diagramas de Flujo de Proceso (DFP)

(17)

Diagramas de tuberías e instrumentación (DTI)

1. Condiciones de operación

- Temperatura

- Presión

2. Flujo de las corrientes

3. Ubicación de los equipos

4. Ruta de las tuberías

- Longitud de la tubería

- Tuberías apropiadas

5. Soportes, estructuras y cimientos de un DTI

Simulación en Régimen Estacionario

(18)

Diagramas de tuberías e instrumentación (DTI)

CONVENCIONES UTILIZADAS

(19)

Diagramas de tuberías e instrumentación (DTI)

Simulación en Régimen Estacionario

(20)

Todo proceso químico requiere de servicios periféricos para poder

funcionar. Su diseño, selección y localización suele ser tanto o más

importante que el proceso mismo. Los más importantes son:

• Agua:

para proceso, refrigeración, caldera, limpieza, sanitaria, red de incendio

• Vapor:

de alta, media o baja presión, seco, saturado, sobrecalentado

• Condensados:

usos diversos, recuperación de vapor no utilizado

• Combustibles:

carbón, fuel oil, gasoil, gas natural, otros

• Electricidad:

suministro externo, propia co-generación

• Aire comprimido:

industrial, para instrumentos

Gases inertes:

(21)

• A partir de la información típica del proceso como la que

se genera desde un diagrama de flujo, se obtiene el

diagrama de simulación, el cuál es básicamente igual al

de proceso, pero en él aparecen los equipos virtuales,

tales como mezcladores y divisores de corrientes. Con

estos datos concluimos con el diagrama de flujo de

información.

Simulación en Régimen Estacionario

Diagramas de flujo de información (DFI):

(22)

Sistematización de los diagramas de flujo de información

• La realización de una simulación comprende dos etapas:

•

Sistematización de la información.

•

Resolución.

• La etapa 1 es el llamado PREPROCESAMIENTO en donde

se realizan las siguientes operaciones:

•

Particionado: detección de los tramos del DFI que contienen reciclos, de manera de reducirlos a pseudocortes.

•

Rasgado: definición de las corrientes iteradoras.

•

(23)

Diagrama de flujo de proceso

(PFD) Diagramas de flujo de _{información (IFD)}

Diagramas de flujo de información (IFD):

Simulación en Régimen Estacionario

(24)

SIMULADORES DE

PROCESOS QUÍMICOS

(25)

• Esquema general de simulación

.

• Barra de menú y de herramienta

• Manejo de archivos de la simulación

• Construyendo una simulación

• Introducción al uso de unidades especiales.

• Análisis de los resultados de los casos asignados.

Uso de simuladores

Simulación en Régimen Estacionario

(26)

Base de datos de los compuestos

Generador de datos Modelos de resolución

termodinámica

Despliegue de diagrama de procesos

Resolución por bloque de la unidades de operaciones

Selección de los compuestos químicos

Selección de la Termodinámica

Introducción la topología del diagrama de proceso

Selección de las propiedades de las unidades y corrientes

de alimentación

Selección de los parámetros de los equipos

(27)

• Usualmente, el primer paso en la especificación de la

simulación de un proceso químico es la selección de cada

uno de los compuestos que son requeridos.

• Es importante introducir todo y cada uno de los

compuestos reactivos, inertes, subproductos, productos

intermedios, etc.

• De no contener alguno compuesto de existir de alguna

manera la forma de ser agregado, para lo cual se debería

investigar la propiedades mínimas requerida las

estimaciones de propiedades.

Selección de los compuestos químicos

Simulación en Régimen Estacionario

(28)

• La selección adecuada de método termodinámico es paso

mas importante en la implantación de la simulación en los

procesos químicos, en el cual se debe tener mucho

cuidado.

(29)

(30)

• El camino mas viable para introducir la topología del

diagrama proceso es basarse en

los diagramas

construidos previamente para describir y conocer los

datos requeridos del sistema.

(31)

• La mayoría de las ocasiones los simuladores cuenta con

una extensa librería que suministra las propiedades

termodinámica,

fisicoquímicas,

fluido

dinámica

requeridos a la hora de simular.

Selección de las propiedades

Simulación en Régimen Estacionario

(32)

• Las especificaciones técnica de la equipos son requeridos

a la hora de simular, es de esperar que para la etapa de

implementación estos datos debe estar a la disposición,

como por ejemplo:

• Columna de destilación, numero de platos, diámetro de la

columna, si se requiere condensador, si hay retiro lateral, plato

de alimentación etc.

(33)

• Varias son la opciones de despliegue de los resultados,

esto deben ser en concordancia con lo objetivos del

estudio.

• Estudio del comportamiento de la concertación en un reactor los

resultados o perfil debe ser reportado como concentración.

Selección del despliegue de la salida

Simulación en Régimen Estacionario

(34)

• Es recomendable establecer un valor máximo

de

iteraciones para no incurrí en ciclo de calculo infinitos,

también se puede estable un margen de error para lo

resultados,

tal

que

esto

permita

menor

costo

computacional, siempre y cuando no se sacrifique

demasiada exactitud.

(35)

• Características generarles del paquete de simulación.

• Esquema general de simulación.

• Barra de menú y de herramienta

• Manejo de archivos de la simulación

• Construyendo una simulación

• Introducción al uso de unidades especiales.

• Análisis de los resultados de los casos asignados.

USO DE SIMULADORES

Simulación en Régimen Estacionario

(36)

Simulación en Régimen Estacionario

(37)

37

Simulación en Régimen Estacionario

Aspen Plus

Revisión del comportamiento de un proceso Relaciones básicas de ingeniería

Balance de masa y

energía Equilibrio de fase Equilibrio químico Cinética Datos termodinámicos consistentes Condiciones operativas realistas Modelos rigurosos de dimensionamiento Simulación del comportamiento de una instalación

Proyecto de instalación Aumentar rentabilidad de una empresa existente Usando

(38)

Simulación en Régimen Estacionario

flowsheet Condiciones

operativas

Composiciones de alimentación

Estudiar nuevos casos Interactivamente

variar

especificaciones

Analizar alternativas

(39)

39

Simulación en Régimen Estacionario

Características importantes de Aspen Plus

• Simulación rigurosa de electrolitos

• Manejo de Sólidos

• Manejo del Petróleo

• Datos de regresión

• Ajustar Datos

• Optimización

(40)

(41)

Simulación en Régimen Estacionario

Generalidades

(42)

(43)

Barra de herramientas

Botones de tipo de selección

(44)

Componentes

Botón de propiedades

(45)

(46)

(47)

(48)

(49)

Método

Termodinámico

(50)

(51)

(52)

(53)

(54)

(55)

Separadores

(56)

(57)

Columnas de separación

(58)

(59)

Cambiadores de presión

(60)

(61)

Manejo de solidos

(62)

(63)

Definidos por el usuario

(64)

Simulación en Régimen Estacionario

(65)

(66)

(67)

(68)

(69)

(70)

Genera curvas de propiedades Punto de rocío y burbuja

Genera la curva PV Genera la curva TV Sobre PT

Reporte de propiedades termodinámicas y de transporte

Reporta los flujos de los componentes

Reporta las fracciones o presiones parciales

Reporte Relacionado con petróleo

(71)

(72)

(73)

(74)

(75)

(76)

(77)

(78)

(79)

(80)

(81)

(82)

(83)

(84)

(85)

(86)

(87)

(88)

(89)

(90)

(91)

Simulación en Régimen Estacionario

Mezcladores

(92)

Corriente de salida requerida

Corriente de

(93)

(94)

Ahora, vamos a conectar dos flujos de entrada al mezclador y a darles

(95)

Sistema de unidades

(96)

Corriente 1:

T: 25ºC P: 1 atm

(97)

Corriente 2:

T: 185ºF P: 22 psi F: 800 lbm/h X_B: 1

(98)

(99)

(100)

(101)

Stream Table

Mostrar en Main Flowsheet

(102)

(103)

Simulación en Régimen Estacionario

Divisores

(104)

(105)

Fracción de separación

(106)

(107)

Flujo volumétrico actual

(108)

(109)

Flujo volumétrico límite o máximo

(110)

(111)

Realizado por: MSc. Ing. Juan E. Rodríguez C http://juanerodriguezc.wordpress.com Realizado por: MSc. Ing. Juan E. Rodríguez C http://juanerodriguezc.wordpress.com Flujo volumétrico acumulativo límite o máximo

(112)

(113)

Simulación en Régimen Estacionario

Cambiadores de presión

Bombas

(114)

(115)

(116)

(117)

(118)

(119)

Realizado por: MSc. Ing. Juan E. Rodríguez C http://juanerodriguezc.wordpress.com Realizado por: MSc. Ing. Juan E. Rodríguez C http://juanerodriguezc.wordpress.com Eficiencia de Manejo: Se refiere a la relación entre Trabajo de freno/Energía eléctrica

(120)

(121)

(122)

(123)

Relación de presión (Presión de salida/Presión de entrada). El valor tiene que estar entre 0 y 10

(124)

(125)

Simulación en Régimen Estacionario

Cambiadores de presión

Compresores y Turbinas

(126)

(127)

(128)

(129)

(130)

(131)

Isentrópico

En los procesos isentrópicos o reversibles, no existe intercambio de calor del sistema con el ambiente, entonces se dice que el proceso es también adiabático.

(132)

(133)

Presión de descarga del compresor

(134)

(135)

Incremento de la presión con respecto a la entrada del compresor

(136)

(137)

Potencia requerida

(138)

Politrópico

(139)

Eficiencia Politrópica y Eficiencia Mecánica

(140)

(141)

(142)

(143)

(144)

(145)

(146)

Número de etapas

Modelos del compresor

(147)

(148)

(149)

(150)

(151)

(152)

(153)

(154)

(155)

(156)

(157)

(158)

(159)

Presión de salida de la válvula Caída de presión de la válvula

(160)

Flash adiabático de una

(161)

(162)

(163)

(164)

(165)

Realizado por: MSc. Ing. Juan E. Rodríguez C http://juanerodriguezc.wordpress.com Realizado por: MSc. Ing. Juan E. Rodríguez C http://juanerodriguezc.wordpress.com Calcular el coeficiente de flujo de la válvula de una especificada presión de salida

(166)

(167)

(168)

(169)

Realizado por: MSc. Ing. Juan E. Rodríguez C http://juanerodriguezc.wordpress.com Realizado por: MSc. Ing. Juan E. Rodríguez C http://juanerodriguezc.wordpress.com Calcular la presión de salida de una válvula especificada

(170)

(171)

(172)

Simulación en Régimen Estacionario

(173)

Ejemplo:

Tenemos una corriente que contiene: 15 % de etano, 20% de propano, 60% de i-butano, y el resto de n-butano a 32 ºF y a una presión de 50 psia. El vapor y líquido resultante son separados como dos corrientes de productos. Utilice Peng-Robinson como paquete termodinámico.

Separador

Simulación en Régimen Estacionario

(174)

(175)

(176)

(177)

PLAY

(178)

(179)

Flujo de calor y Temperatura

(180)

(181)

Ejemplo:

Tenemos una corriente que contiene: 2,775 lbmol/h de agua; 0,861 lmol/h de acetona y 0,998 lmol/h de Metil-Isobotil-Cetona (CAS 108-10-1) a 75 ºF y a una presión de 50 psia. Esta corriente ha sido enviada a un separador trifásico (50 psia y 75 ºF). El vapor y los líquido resultante son separados como tres corrientes de productos. Utilice UNIFAC como paquete termodinámico.

Separador

Simulación en Régimen Estacionario

(182)

(183)

(184)

(185)

(186)

(187)

(188)

(189)

(190)

(191)

(192)

(193)

(194)

(195)

(196)

(197)

197 Especificaciones de separación, puede ser por

(198)

(199)

(200)