curso básico de simulación de procesos con aspen hysys 2006b

Aspen HYSYS

Tutorials and Applications

CURSO BSICO DE SIMULACIN DE PROCESOS CON ASPEN HYSYS 2006CONTENIDO: Modelos Termodinmicos, Componentes y Propiedades Paquete Fluido Corrientes y Mezclas Propiedades de Mezclas Simulacin de Unidades de Proceso Corrientes: Divisin, Mezcla y Fraccionamiento Ciclo de Refrigeracin Separacin de Fases Separador de Tres Fases Simulacin de Procesos con Corrientes de Recirculacin Procesos con Reciclo Compresin en tres etapas Ajuste de Variables Simulacin de Reactores Reactor de Conversin Relacin no lineal entre variables Reactor de Mezcla Completa Reactor Flujo Pistn Reactor Cataltico Heterogneo Balances de Materia y Calor Balance de Materia Balances de Calor Balances de Materia y Energa Balance General Planta de Produccin de Gas de Sntesis Planta de Enfriamiento de un Gas Simulacin de Columnas de Destilacin y Absorcin Columna de Destilacin Simplificada Columna Despojadora de Agua Acida Columna de Destilacin Desbutanizadora Separacin de una Mezcla Propileno-Propano Planta de Gas Natural Licuado Planta de Produccin de Etanol

_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 1. ADMINISTRADOR BSICO DE LA SIMULACIN

1. OBJETIVOS 1.1. Seleccionar los elementos bsicos requeridos para desarrollar la simulacin de un proceso qumico en HYSYS 1.2. Manejar algunas herramientas incluidas en el simulador que posibilitan la determinacin de propiedades de componentes 2. BASES PARA UNA SIMULACION Paquete Fluido HYSYS utiliza el concepto de paquete fluido o Fluid Package como el contenido de toda la informacin necesaria para desarrollar clculos de propiedades fsicas y evaporaciones espontneas de corrientes. El paquete fluido permite definir toda la informacin (propiedades, componentes, componentes hipotticos, parmetros de interaccin, reacciones, datos tabulados, etc) dentro de un archivo muy sencillo. Son tres las ventajas de esto, a saber: 1. Toda la informacin asociada se define en una sola localidad, lo que permite la fcil creacin y modificacin de la informacin 2. Los paquetes fluidos pueden almacenarse como un archivo completo para usarlos en cualquier simulacin 3. Pueden usarse varios paquetes fluidos en una misma simulacin. Sin embargo, todos los paquetes definidos se encuentran dentro del administrador bsico de la simulacin Administrador del Paquete Bsico de la Simulacin El Administrador Bsico de la Simulacin o Simulation Basis Manager es una ventana que permite crear y manipular cada paquete fluido en la simulacin. Para desplegar esta ventana, abra un nuevo caso, haciendo clic en el botn New Case de la barra estndar de HYSYS. Observe en la Figura 1 que, por defecto, el Administrador Bsico de la Simulacin se despliega con la pestaa Components activa. En el Administrador Bsico de la Simulacin, el grupo Component Lists contiene los botones View, Add, Delete, Copy, Import, Export y Refresh con los cuales se observan, aaden, 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 anotacin que aparece en la barra de estado. Debajo se observan las pestaas Components, Fluid Pkgs, Hypotheticals, Oil Manager, Reactions, Component Maps y UserProperty. En cada una de las ventanas correspondientes a las anteriores pestaas se agregan los componentes, las

Ing. Romn Alexander Fernndez Rocha

_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 ecuaciones y las reacciones qumicas que intervienen en el proceso qumico a simular con el paquete fluido construido. Definicin del Paquete Bsico de la Simulacin 1. Abra un nuevo caso seleccionando el botn New Case localizado en el extremo izquierdo de la barra estndar. Se desplegar la ventana Simulation Basis Manager como se observa en la Figura 1

Figura 1. Administrador del Paquete Bsico de la Simulacin 2. Haga clic sobre la pestaa Fluid Pkgs para desplegar la ventana que permite la creacin o instalacin del paquete fluido a utilizar en la simulacin y que se observa en la Figura 2.

Figura 2. Ventana para la creacin o instalacin del paquete fluido


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 Esta ventana contiene los grupos Current Fluid Packages y Flowsheet-Fluid Pkg Associations. Se pueden usar varios paquetes fluidos dentro de una simulacin, asignndolos a diferentes diagramas de flujo y enlazndolos. El botn Import permite la importacin de un paquete fluido predefinido y que haya sido almacenado en el disco duro del computador. Los paquetes fluidos tienen la extensin .fpk 3. Haga clic sobre el botn Add para crear un nuevo paquete fluido en la ventana desplegada con el nombre de Fluid Package: Basis-1 y que se observa en la Figura 3. Por defecto, se despliega activa la pestaa Set Up

Figura 3. Ventana para la definicin del paquete fluido

4. Seleccione la ecuacin de Peng-Robinson ya sea buscndola directamente en el grupo Property Package Selection o haciendo previamente un clic sobre el radio botn que permite la seleccin 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 ttulo Name Cambie el nombre por defecto Basis-1 e introduzca Planta de Gas. Observe la Figura 4. 6. Haga clic sobre el botn View para aadir los componentes incluidos en el paque fluido 7. Seleccione los componentes de la librera N2, H2S, CO2, C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5, C6 y H2O. La seleccin 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 continuacin la adicin al grupo Selected Components se hace ya sea presionando la tecla Enter o el botn Add Pure o haciendo doble clic sobre el componente a seleccionar. Observe la seleccin de los componentes en la ventana Component List View de la Figura 5.


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006

Figura 4. Ecuacin y nombre del paquete fluido

Figura 5. Seleccin de los componentes que aparecen en la librera de HYSYS

8. En el rbol que aparece con el ttulo de Add Component seleccione la opcin Hypothetical para aadir un componente hipottico al paquete fluido en la ventana desplegada como se observa en la Figura 6. Un componente hipottico puede usarse para modelar componentes que no se encuentran en la librera, mezclas definidas, mezclas indefinidas o slidos. Utilizaremos un componente hipottico para modelar los componentes mas pesados que el hexano en la mezcla gaseosa. Para crear este componente hipottico, seleccione el botn Quick Create A Hypo Component y se desplegar una ventana de ttulo Hypo2000* donde se introducirn las especificaciones del componente hipottico


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Figura 6. Ventana para la creacin de un componente hipottico

9. Sobre la pestaa ID de la ventana de propiedades del componente hipottico introduzca C7+ como nombre de este en el cuadro Component Name. Observe Figura 7. En este caso, no se conoce la estructura del componente hipottico y se modela una mezcla de tal manera que no se usar la opcin Structure Builder

Figura 7. Nombre de un compuesto hipottico

10. Haga clic en la pestaa Critical de la ventana de propiedades del compuesto hipottico. Solo se conoce el punto de ebullicin normal del C7+, es decir, Normal Ing. Romn Alexander Fernndez Rocha 5

_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 Boiling Pt. Introduzca un valor de 110C (230F). Presione el botn Estimate Unknown Props para estimar todas las propiedades del componente hipottico y definirlo completamente, como se observan en la Figura 8.

Figura 8. Estimacin de Propiedades desconocidas del componente hipottico

11. Cuando haya sido definido el componente hipottico, cierre la ventana y regrese a la ventana Component List View. Seleccione el componente hipottico C7+ que aparece en el grupo Available Hypo Components y haga clic sobre el botn Add Hypo para aadirlo a la lista de componentes agrupados en Selected Components, como se observa en la Figura 9.

Figura 9. Inclusin del componente hipottico dentro de la lista de componentes


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 Cada hipocomponente que se cree es parte de un Hypo Group. Por defecto, este hipocomponente es colocado en el HypoGroup1. Se pueden aadir grupos adicionales y mover hipocomponentes entre grupos. Ya se ha completado la instalacin de un paquete fluido. Se pueden ver los coeficientes binarios de PengRobinson para los componentes, haciendo clic en la pestaa Binary Coeffs de la ventana titulada Fluid Package: Planta de Gas, como se observan en la Figura 10.

Figura 10. Coeficientes binarios entre los componentes del paquete fluido

Seleccin de un sistema de unidades En HYSYS, es posible cambiar el sistema de unidades utilizado para desplegar en las diferentes variables. 1. Despliegue el men Tools y seleccione la opcin Preferences 2. Haga clic sobre la pestaa Variables, haga clic en Units que aparece en el grupo Variables y seleccione el sistema SI. Observe la Figura 11

Figura 11. Seleccin del sistema de unidades Ing. Romn Alexander Fernndez Rocha 7

_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 3. Cierre esta ventana para regresar a la simulacin

Exportacin de paquetes fluidos HYSYS permite exportar paquetes fluidos para usarlos en otras simulaciones. Esta funcionalidad permite crear un paquete fluido sencillo y comn que puede utilizarse en mltiples casos. 1. Sobre la pestaa Fluid Pkgs de la ventana Simulation Basis Manager resalte el paquete fluido Planta de Gas que aparece en el grupo Current Fluid Packages. Observe Figura 12 2. Presione el botn Export y se desplegar una ventana que le permitir guardar el paquete fluido 3. Introduzca el nombre Planta de Gas para el paquete fluido y presione el botn Guardar. Observe la extensin .fpk al nombre del paquete

Figura 12. Exportacin de un paquete fluido

Al definir completamente el paquete fluido, se tiene todo listo para comenzar la simulacin. Para ingresar a la ventana donde construir el diagrama de flujo de proceso o PFD a simular, presione el botn Enter Simulation Environment que se encuentra en la parte inferior derecha del Administrador Bsico de la Simulacin o haga clic sobre el icono que se encuentra dentro de la barra estndar 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 ecuacin seleccionada se pueden visualizar en la ventana correspondiente a cada uno de ellos. Para ello: Ing. Romn Alexander Fernndez Rocha 8


1. Haga clic en la pestaa Set Up de la ventana Fluid Package: Planta de Gas y haga clic en el botn 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, adems, se encuentran activos los botones Add Group, Add Hypo, Remove, Sort List y View Component. Mediante la opcin Sort List se ordenan los componentes segn lo desee el usuario. 2. Seleccione el componente C7+ y haga clic sobre el botn View Component para que se despliegue la ventana de propiedades. 3. Haga clic en la pestaa Critical y se observar nuevamente la Figura 7, que muestra algunas propiedades bsicas en el grupo Base Propierties y algunas propiedades crticas en el grupo Critical Properties. 4. Haga clic en la pestaa Point y observe las propiedades fsicas, termodinmicas y moleculares del componente seleccionado 5. Haga clic en la pestaa TDep y observe las tres ecuaciones propuestas por HYSYS para el clculo, respectivo, de la entalpa del vapor, la presin de vapor y la energa libre de Gibbs del componente seleccionado. Tabulacin de propiedades fsicas y termodinmicas de los componentes HYSYS facilita en la pestaa Tabular de la ventana Fluid Package: Planta de Gas, correlaciones matemticas para calcular algunas propiedades fsicas y termodinmicas como densidad, viscosidad, conductividad trmica, entalpa, entropa y otras 1. Haga clic en la pestaa Tabular Se desplegar una ventana que contiene un grupo con el ttulo de Tabular Package y que muestra un rbol de opciones. 2. Haga clic sobre el cuadro con un signo ms a la izquierda de Options. Se desplegarn todas las propiedades fsicas y termodinmicas disponibles en HYSYS para correlacionarlas con otras variables fsicas. 3. Haga clic en el botn Edit Properties que se encuentra en la esquina inferior derecho y detalle las propiedades fsicas y termodinmicas 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 ms a la izquierda de Information y seleccione la opcin Latent Heat. 6. Seleccione en el cuadro Equation Shape la opcin polimrica o Poly1. Observe su escritura en el cuadro de abajo. 7. Haga clic en el botn Cmp Plots. Se desplegar una ventana con el ttulo LatentHeat que muestra las curvas de calor latente en funcin de la temperatura para cada uno de los componentes de la lista. 8. Cierre la ventana anterior y haga clic sobre el botn Cmp. Prop. Detail para conocer mas detales sobre la propiedad. Se desplegar una ventana con Ing. Romn Alexander Fernndez Rocha 9

_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 el ttulo PropCurve: LatentHeat_Nitrogen y con las pestaas Variables, Coeff, Table, Plots y Notes. Haga clic sobre cada una de ellas y detalle la informacin suministrada en cada una de ellas 3. CASO DE ESTUDIO A continuacin, despliegue la ventana Component List View, haga clic en la opcin Components del grupo Add Component, seleccione los componentes nheptano y n-octano y agrguelos a la lista de componentes seleccionados. Compare las propiedades del componente hipottico C7+ con las del n-C7 y n-C8 llenando la Tabla 1. Tabla 1. Propiedades del n-Heptano, n-Octano y el compuesto hipottico C7+

PROPIEDADNormal Boiling Point Ideal Liquid Density Molecular Weight

C7+

C7

C8


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2. CORRIENTES Y MEZCLAS

1. OBJETIVOS 1.1. Especificar corrientes de materia y energa para desarrollar una simulacin de un proceso qumico en HYSYS 1.2. Manejar algunas herramientas incluidas en el simulador que posibilitan la determinacin de propiedades de mezclas 2. INTRODUCCION Clases de corrientes en HYSYS HYSYS utiliza el concepto de corrientes de materia y corrientes de energa. Las corrientes de materia requieren, para su completa definicin, de la especificacin del flujo y de aquellas variables que permitan la estimacin de todas sus propiedades fsicas y termodinmicas. Las corrientes de energa se utilizan para representar los requerimientos energticos en unidades como intercambiadores de calor, bombas, etc. y se especifican, completamente, con solo la cantidad de energa intercambiada o transferida en dichas unidades. En HYSYS, la corriente de materia se observa, por defecto, de color azul, mientras que la corriente de energa es de color rojo. Corrientes de materia El elemento mas simple que un diseador de proceso debe especificar es una simple corriente homognea. Las variables que definen a una corriente que contiene C componentes son: Variables Concentraciones Temperatura Presin Flujo Total de Variables Cantidad C 1 1 1 C+3

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

Xi =1

N

i

=1

(2.1)



Por lo tanto, el nmero de variables de diseo, N ie , que se requieren para especificar completamente una corriente de materia es la diferencia entre el nmero de variables y el nmero de restricciones, es decir:

N ie = C + 2

(2.2)

De acuerdo a la ecuacin (2.2), se define el estado termodinmico de una corriente de materia al conocerse la composicin de una corriente de materia y otras dos propiedades, (fraccin de vapor, temperatura, presin, entalpa o entropa) una de las cuales debe ser o la temperatura o la presin.Evaporacin espontnea de una corriente de materia

Cuando se especifica una corriente de materia con la informacin suficiente, HYSYS hace los clculos apropiados de la evaporacin espontnea. Es decir, si se especifican, por ejemplo, temperatura y presin calcula si la corriente es de una fase (lquida o vapor) o de dos fases lquido y vapor, etc. Dependiendo de las dos propiedades conocidas de la corriente de materia, HYSYS desarrolla uno de los siguientes clculos de evaporacin espontnea: 1. 2. 3. 4. Isotrmica: T-P Isoentlpica: T-H o P-H Isoentrpica: T-S o P-S Fraccin de vaporizacin conocida: T-VF o P-VF

En la evaporacin espontnea a una fraccin de vaporizacin conocida entre 0.0 y 1.0, HYSYS calcula la presin o la temperatura dependiendo de la que sea especificada como variable independiente. Si se despliega un error, en este tipo de clculo, significa que la fraccin de vapor especificada no existe a las condiciones de presin o temperatura especificadas. Es decir, la presin especificada es mayor que la presin cricondenbrica o la temperatura especificada es de un valor a la derecha de la temperatura cricondentrmica sobre la envolvente estndar de presin temperaturaPunto de roco de una corriente de materia

Si, adems de la composicin de una corriente de materia, se especifica una fraccin de vapor de 1.0 y su temperatura HYSYS calcular la presin del punto de roco. En forma similar, si en vez de especificar la temperatura se especifica la presin HYSYS calcular la temperatura del punto de roco de la mezcla. Los puntos de roco retrgrados se pueden calcular especificando una fraccin de vapor de -1.0.

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Punto de burbuja de una corriente de materia / Presin de vapor

Una especificacin de una fraccin de vapor de 0.0 para una corriente define un clculo de punto de burbuja. Si adems se especifica o la temperatura o la presin, HYSYS calcular la variable desconocida presin o temperatura. Al fijar una temperatura de 100 F la presin correspondiente al punto de burbuja es la presin de vapor a 100 F2. INSTALACION DE UNA CORRIENTE DE MATERIA EN HYSYS

Para la instalacin 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 Prctica 1. 2. Haga clic en el botn 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, adems, la ventana de especificacin de propiedades de dicha corriente, con la pestaa Worksheet activa, por defecto, como lo muestra la Figura 1. La instalacin de corrientes puede hacerse de varias formas como presionando la tecla clave o seleccionando la opcin Add Stream del men Flowsheet

Figura 1. Ventana de propiedades de una corriente de materia

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4. En la celda Stream Name de la pgina 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 desplegar una ventana como la que muestra la Figura 2

Figura 2. Ventana para especificar la composicin de la corriente Gas

6. Haga clic en el radio botn Mole Fractions en el grupo Composition Basis para cambiar la base de la fraccin en masa a fraccin en moles 7. Introduzca las siguientes composiciones que aparecen en la Figura 3.

Figura 3. Composicin de la corriente Gas

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8. Presione el botn OK cuando se hayan introducido todas las fracciones molares Evaporacin espontnea isotrmica, T-P, de la corriente Gas 9. Asigne una presin de 7500 kPa y una temperatura de 10 C. Cunto es la fraccin vaporizada? Por qu la corriente Gas no est 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 especificadaEvaporacin isoentlpica, T-H o P-H, de la corriente Gas

11. Borre la temperatura y mantenga la presin asignada en el punto 9. Especifique una entalpa molar de -15000 kJ/kgmole. Cunto es la temperatura, la fraccin de vapor, y la entropa molar de la corriente? 12. Borre la presin asignada en el punto 9 y mantenga la entalpa molar. Especifique una temperatura de de 980 C. Cunto es la presin, la fracin de vapor y la entropa molar de la corriente? 13. Borre la temperatura anterior y asigne un valor de 2000 C. Cmo se explica el error que reporta HYSYS?Punto de roco de la corriente Gas

14. Asigne una fraccin de vapor de 1.0 y una presin de 7500 kPa. Cunto es la temperatura de roco de la corriente Gas a la presin de 7500 kPa? 15. Borre la presin asignada y mantenga la fraccin de vapor. Asigne una temperatura de 100 C. Cunto es la presin de roco a la temperatura de 100 C? 16. Asigne una fraccin de vapor de -1.0 y una presin de 5000 kPa. Cunto y qu significado tiene la temperatura calculada?Punto de burbuja de la corriente Gas

17. Asigne una fraccin de vapor de 0.0 y una presin de 7500 kPa. Cunto es la temperatura de burbuja de la corriente Gas a la presin de 7500 kPa? 18. Borre la presin asignada y mantenga la fraccin de vapor. Asigne una temperatura de -30 C. Cunto es la presin 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. Cmo se explica el error reportado por el simulador?GUARDAR LA CORRIENTE GAS

Se puede utilizar uno de varios mtodos diferentes para guardar un caso en HYSYS

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1. Despliegue el men File y seleccione la opcin Save As para guardar el caso en una cierta localizacin y con el nombre Gas 2. Despliegue el men File y seleccione la opcin Save para guardar el caso con el mismo nombre y en la misma localizacin 3. Presione el botn Save en la barra estndar para guardar el caso con el mismo nombre

3. INSTALACION DE UNA CORRIENTE DE ENERGIA EN HYSYS

Una corriente de energa se instala mediante el mismo procedimiento que una corriente de materia y solo necesita de una especificacin que es el flujo calrico correspondiente 1. Si la paleta de objetos no est abierta sobre el escritorio, presione la tecla clave para abrirla 2. Haga doble clic sobre el botn Energy Stream para desplegar la corriente de nombre Q-100 y su ventana de propiedades, como se observa en la Figura 4.

Figura 4. Ventana de propiedades de una corriente de energa

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 est completamente especificada

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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 3. PROPIEDADES DE CORRIENTES DE MATERIA

1. OBJETIVOS 1.1. Construir diagramas de propiedades de estado de una mezcla 1.2. Determinar las propiedades crticas de una mezcla 1.3. Estimar propiedades fsicas, termodinmicas y de transporte de una mezcla 2. INTRODUCCION HYSYS dispone de la opcin Utilities, que es un conjunto de herramientas que interactan con una corriente de materia suministrando informacin adicional para su anlisis, como los diagramas presin-volumen-temperatura y otros. Despus de instalada, la informacin anexada se convierte en parte del diagrama de flujo de tal manera que cuando cambian las condiciones de la corriente, automticamente calcula los otros cambios en las condiciones afectadas. Los diagramas lquido-vapor disponibles para una corriente de composicin desconocida son: Presin-Temperatura, Presin-Volumen, Presin-Entalpa, PresinEntropa, Temperatura-Volumen, Temperatura-Entalpa y Temperatura-Entropa. Algunas otras facilidades incluidas dentro de la opcin Utilities son las propiedades crticas, el dimetro o cada de presin en tuberas, 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 Prctica 1 2. Instale una corriente de materia con el nombre de Gas, 10 C, 7500 kPa, 100 kgmol/h y composicin especificada como lo muestra la Figura 1. 3. Haga clic sobre la pestaa Attachments y luego haga clic sobre la pgina Utilities 4. Dentro de la ventana desplegada, presione el botn Create para acceder a la ventana Available Utilities que se observa en la Figura 2 5. Seleccione la opcin Envelope y entonces presione el botn Add Utility. Se desplegarar la ventana de ttulo Envelope: Envelope Utility-1 que se observa en la Figura 3. La pgina Connections de la pestaa del mismo nombre, muestra los valores mximos (Cricondenbrico y Cricondentrmico) y crticos de presin y temperatura para la envolvente de la corriente Gas 6. Haga clic en la pestaa Performance y luego clic en la pgina Plots para observar el diagrama presin-temperatura que aparece por defecto, como se observa en la Figura 4. Compare los valores mximos y crticos de temperatura y presin de la Figura 3 con los determinados en el grfico PT



Figura 1. Composicin de la corriente de materia Gas

Figura 2. Facilidades disponibles para la corriente Gas

7. Para incluir la curva de calidad 0.4, digite este valor en el cuadro Quality 1 del grupo Curves que se encuentra en la parte superior derecha 8. Para observar los datos numricos de presin-temperatura, haga clic sobre la pgina Table. Observe en la Figura 5, en el cuadro Table Type que los datos que aparecen tabulados corresponden a la seccin del punto de burbuja de la corriente Gas. 9. Despliegue el cuadro Table Type y seleccione las opciones que le permitan observar los datos numricos de presin y temperatura para el punto de burbuja y la grfica de calidad constante de la corriente Gas


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Figura 3. Valores Mximos y Crticos de temperatura y presin de la corriente Gas

Figura 4. Diagrama Presin-Temperatura de la corriente Gas

10. Seleccione nuevamente la opcin Plots y en el grupo Envelope Type seleccione el radio botn P-H para desplegar el diagrama presin-entalpa de la corriente. 11. En el cuadro Isotherm 1 del grupo Curves digite el valor -14 C para incluir una lnea isoterma de dicha temperatura, como se observa en la Figura 6 12. Para editar el grfico, presione el botn derecho del Mouse y seleccione la opcin Graph Control del men contextual desplegado. Se desplegar la ventana que le permite hacer cambios que modifiquen la presentacin del grfico como los observados en la Figura 6.


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 13. Observe los grficos presin volumen, presin entropa, temperatura volumen, temperatura entalpa y temperatura entropa disponibles en el grupo Envelope Type

Figura 5. Datos numricos de Punto de burbuja de la corriente Gas

Figura 6. Diagrama Presin Entalpa de la corriente Gas

4. PROPIEDADES CRITICAS DE UNA CORRIENTE Las propiedades crticas y seudocrticas de una mezcla son estimadas por HYSYS de acuerdo a la ecuacin elegida en el paquete fluido. La opcin Critical Property de la herramienta Utilities facilita dicha informacin para la corriente seleccionada 1. Haga doble clic sobre la corriente Gas que aparece en el PFD para desplegar su ventana de propiedades


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 2. Repita los pasos 3 y 4 del inciso anterior (3) 3. En la ventana Available Utilities, seleccione la opcin Critical Property y presione el botn Add Utility. Se desplegar la ventana que aparece en la Figura 7 y que despliega las propiedades crticas y seudocrticas de la corriente Gas

Figura 7. Propiedades crticas 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 grfica. Esta facilidad calcula variables dependientes para un intervalo o conjunto de valores de variable independiente especificada Una Tabla de Propiedades se aadir a la corriente Gas desde el men Tools con el siguiente procedimiento: 1. Utilice la tecla clave para abrir la ventana Available Utilities 2. Seleccione la opcin Property Table y presione el botn Add Utility. Se desplegar una ventana como la que muestra la Figura 8. El botn 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 lmite inferior y superior a 0 y 100 C respectivamente. En el cuadro # of increments digite el numero 4 5. Seleccione la Presin como la segunda Variable independiente 6. Cambie al modo State 7. En la matriz State Values introduzca los valores 2500, 5000, 7500 y 9000 kPa


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 8. Haga clic en la pgina Dep. Prop de la pestaa Design. Es posible escoger varias propiedades dependientes. Adems, pueden ser propiedades globales o propiedades de fases diferentes 9. Presione el botn Add para desplegar la ventana Variable Navigator. Observe Figura 9

Figura 8. Ventana para la construccin de una Tabla de Propiedades

Figura 9. Navegador de variables

10. Seleccione la opcin Mass Density a partir de la lista del grupo Variable y presione el botn OK 11. Seleccione la opcin Thermal Conductivity y presione el botn OK 12. Presione el botn Calculate para calcular las propiedades densidad msica y conductividad trmica a presiones de 2500, 5000, 7500 y 9000 kPa manateniendo temperaturas constantes de 0, 25, 50, 75 y 100 C


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 13. Haga clic en la pestaa Performance para desplegar la ventana, Figura 10, donde se pueden seleccionar los datos calculados para visualizarlos tabulados numricamente o grficamente.

Figura 10. Tabla de propiedades

14. Haga clic sobre la pgina Table para desplegar los datos calculados en forma numrica y tabular. Observe Figura 11

Figura 11. Densidad y Conductividad trmica de la corriente Gas


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 15. Haga clic en la pgina Plots, seleccione la propiedad Mass Density y presione el botn View Plot que se encuentra a la derecha. Las grficas de los clculos realizados se observan en la Figura 12.

Figura 12. Grficas de densidad versus Presin para la corriente Gas

16. Cierre la grfica anterior, seleccione la propiedad Thermal Conductivity y presione el botn View Plot. Las grficas de los clculos realizados se observan en la Figura 13. 6. DIMENSIONAMIENTO DE TUBERIA DE CORRIENTE Dentro de la herramienta Utilities se encuentra una opcin denominada Pipe Sizing que estima el Rgimen de Flujo de una corriente a las condiciones especificadas. Se calcula el dimetro mximo conociendo la cada de presin por unidad de longitud y viceversa y, adicionalmente, propiedades de flujo como velocidad, factor de friccin, viscosidad, etc. 1. Utilice la tecla clave para abrir la ventana Available Utilities 2. Seleccione la opcin Pipe Sizing y presione el botn Add Utility. Se desplegar una ventana como la que muestra la Figura 14. El botn Select Stream permite seleccionar la corriente a la que se le va a anexar la tabla de propiedades. En nuestro caso se omite, porque solo se tiene una corriente que aparece seleccionada


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 3. En el cuadro Pressure Drop (kPa/m) digite el valor 10. Observe que HYSYS ha calculado el dimetro mximo catlogo 40, seleccionados en los cuadros Calculation Type y Schedule

Figura 13. Conductividad Trmica versus Presin para la corriente Gas

Figura 14. Dimensionamiento de una tubera


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 4. Haga clic en la pestaa Performance y observe el clculo del Rgimen de Flujo (Estratificado) de la corriente Gas a las condiciones especificadas que incluye propiedades de transporte (fases, viscosidad, densidad, flujo y densidad) y parmetros adicionales del rgimen de flujo (Nmero de Reynolds y factor de friccin). Observe la Figura 15

Figura 15. Rgimen de Flujo de la corriente Gas

7. CASOS DE ESTUDIO Utilizando el simulador HYSYS 1. Determine las propiedades crticas del benceno 2. Construya el diagrama P-T y P-H del amonaco 3. Construya grficos 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 rgimen de flujo de una mezcla equimolar de acetona y agua a 40 C, 110 kPa y un flujo de 100 kmol/h


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 4. DIVISORES, MEZCLADORES Y FRACCIONADORES

1. OBJETIVOS 1.1. Determinar las variables de diseo de un divisor, un mezclador y un fraccionador de corrientes 1.2. Simular el desempeo de un mezclador, un fraccionador y un divisor de corrientes 1.3. Comparar las especificaciones requeridas en la simulaciones de divisores, mezcladores y fraccionadores con las variables de diseo estimadas en 1.1 2. INTRODUCCION Divisor de corrientes Un divisor de corrientes simula el fraccionamiento del flujo de una corriente que fluye a travs de una tubera en varias corrientes. Un diagrama para un divisor de corrientes en dos corrientes se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Divisor de Corrientes

Siendo z, las composiciones en la corriente de alimento, y Xs las composiciones en las corrientes de salida, el balance de materia para cada uno de los C componentes esi Fzi = F1 X 1i + F2 X 2

(4.1)

F, es el flujo de la corriente de entrada y F1 y F2, son los flujos de las corrientes de salida, i, es el nmero relativo a cada uno de los C componentes. El balance de energa es dado por

Fh + Q = F1 h1 + F 2 h 2

(4.2)


_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 Para una corriente de entrada y dos corrientes de salida, el sistema consta de las siguientes variables y ecuaciones Variables Corrientes de entrada y salida Corriente de energa Total Variables Ecuaciones o Restricciones Balances de materia Balance de energa Igualdades entre las concentraciones de F y F1 Igualdad de temperaturas Igualdad de presiones Total Ecuaciones Total de variables de diseo Cantidad 3(C + 2) 1 3(C + 2) + 1 = 3C + 7 Cantidad C 1 C1 1 1 2C + 2 C+5

Al disminuir las C + 2 especificaciones de la corriente de entrada, resulta un faltante de tres especificaciones. El divisor de HYSYS es considerado adiabtico, es decir, Q = 0 y, adems, le asigna la presin de la corriente de entrada. Por lo tanto, requiere de la especificacin de la relacin entre los flujos de una corriente de salida con respecto al flujo de la corriente de entrada. Para n corrientes de salida, se requieren n 1 relaciones de flujo Mezclador de corrientes Los mezcladores de corrientes representan la operacin de suma de corrientes cuyos fluidos pueden tener distintas composiciones, temperaturas y estados de agregacin. Un diagrama de un mezclador de corriente se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Mezclador de corrientes


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 Siendo X, fraccin molar, i, el primer nmero del subndice relativo al componente y el segundo nmero relativo a la corriente, el balance de materia para cada uno de los C componentes esi F1 X 1i + F2 X 2 = FX i

(4.3)

El balance de energa en el proceso de mezclado simplificado es

F1 h1 + F 2 h 2 + Q = FhSiendo h, las entalpas especficas correspondientes a cada una de las corrientes.

(4.4)

El anlisis para los grados de libertad es el siguiente: Variables Corrientes de entrada y salida Corriente de energa Total Variables Ecuaciones o Restriccines Balances de materia Balance de energia Total Ecuaciones Total de variables de diseo Cantidad 3(C + 2) 1 3(C + 2) + 1 = 3C + 7 Cantidad C 1 C+1 2C + 6

Al disminuir las 2C + 4 especificaciones de las dos corrientes de entrada, resulta un faltante de dos especificaciones. El mezclador de HYSYS es considerado adiabtico, es decir, Q = 0 y, por lo tanto, requiere de una especificacin adicional para completar los grados de libertad. La variable que usualmente se fija en el diseo de un mezclador es la presin de la corriente de salida. Se sugiere asignar, a la corriente de salida, la menor presin entre las de las corrientes de entrada


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 Fraccionador de corrientes HYSYS dispone de un fraccionador de corrientes o Splitter cuya simulacin representa la separacin de una corriente en dos corrientes que requieren de la especificacin de las fracciones de recuperacin de cada componente en una de ellas, ademas de otros cuatro parmetros. Un esquema de este fraccionador se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Fraccionador de corrientes o Splitter

Siendo Fs los flujos de las corrientes, z, y e x las fracciones molares de los componentes en cada una de las corrientes y Q el calor requerido Un balance de materia de componente i se expresa mediante la ecuacin

Fzi = F1 yi + F2 xi

(4.5)

Para C componentes, i = 1,,C y, por lo tanto, se plantean C ecuaciones de balance de materia de componentes Un balance de energa se expresa mediante la ecuacin

Fh F + Q = F1 h1 + F2 h2El anlisis de variables de diseo en un fraccionador de corrientes es el siguiente:

(4.6)


30

_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 Variables Corrientes de salida Flujo calrico Total Variables Ecuaciones Balances de materia Balances de energa Total Ecuaciones Total de variables de diseo Cantidad 3(C +2) 1 3C + 7 Cantidad C 1 C+1 2C + 6

Al disminuir las C + 2 variables de la corriente de entrada, las variables que usualmente se fijan son C fracciones de recuperacin de componentes en una corriente (por ejemplo, F1) y cuatro parmetros adicionales como las presiones o las temperaturas o las fracciones de vapor, Vf, de las corrientes de salida. 3. SIMULACION DE UN FRACCIONADOR DE CORRIENTES 1. Abra un nuevo caso, y defina el siguiente paquete fluido a. Ecuacin: b. Componentes: n-pentano y n-hexano c. Sistema de unidades: Peng Robinson Etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano, Field

2. Instale una corriente con las siguientes especificaciones: Nombre: Uno Temperatura: 200 F Presin: 500 psia Flujo molar: 1000 lbmol/h Composicin (Fraccin Molar) i. Etano 0.2 ii. Propano 0.6 iii. i-Butano 0.1 iv. n-Butano 0.1 v. 3. Instale otra corriente con las siguientes especificaciones: a. b. c. d. e. Nombre: Dos Temperatura: 200 F Presin: 500 psia Flujo molar: 800 lbmol/h Composicin (Fraccin Molar) 31 a. b. c. d. e.


_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 i. ii. iii. iv. n-Butano i-Pentano n-Pentano n-Hexano 0.8 0.1 0.05 0.05

4. Instale un mezclador de corrientes (Mixer) y en la pgina Connections de la pestaa Design de su ventana de propiedades introduzca los siguiente: a. Nombre: b. Entradas: c. Salida: M-100 Uno, Dos Alimento

5. Haga clic en la pgina Parameters y observe que HYSYS, por defecto, sugiere que asigne a la corriente de salida la menor presin entre las de las corrientes de entrada 6. Instale un Splitter con el nombre de X-100 y conctelo como muestra la Figura 4

Figura 4. Conexiones de un Splitter

7. Haga clic en la pgina Parameters y especifique las fracciones de vapor y las presiones en las corrientes de producto como se observan en la Figura 5. 8. Haga clic en la pgina Splits para especificar las fracciones de recuperacin cada uno de los componentes en la corriente Pro 1. Observe en la Figura 6 que HYSYS calcula las fracciones correspondientes a la corriente Pro 2


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Figura 5. Especificaciones de presiones y fracciones de vapor en el Splitter

Figura 6. Fracciones de recuperacin de cada uno de los componentes

9. Haga clic en la pestaa Worksheet y observe las condiciones y las composiciones de las corrientes productos del fraccionador. Observe las Figuras 7y8 10. Instale un divisor de corrientes (Tee) y en la pgina Connections de la pestaa Design de su ventana de propiedades introduzca los siguiente: a. Nombre: b. Entrada: c. Salida: D-100 Pro 2 Tres, Cuatro


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Figura 7. Condiciones de las corrientes del Splitter

Figura 8. Concentraciones de las corrientes del Splitter

11. Haga clic en la pgina Parameters y especifique con un valor de 0.5, la fraccin de la corriente de entrada que saldr como la corriente Tres. 12. Observe las especificaciones de las corrientes en el divisor


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 5. CICLO DE REFRIGERACIN

1. OBJETIVOS 1.1. Determinar los grados de libertad en los elementos de un ciclo de refrigeracin 1.2. Simular un ciclo de refrigeracin 1.3. Determinar los requerimientos energticos en un ciclo de refrigeracin 2. INTRODUCCION Los elementos de un ciclo de refrigeracin simple son un condensador, una vlvula de Joule-Thompson, un evaporador y un compresor, adems del medio refrigerante. En el ciclo de refrigeracin mostrado en la Figura 1, la corriente 1 contiene propano lquido saturado a una temperatura de 122 F y se expande isoentalpicamente en la vlvula. La mezcla lquido-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 lquido saturado

Figura 1. Ciclo de refrigeracin

Vlvula de Joule-Thompson En este tipo de vlvula, los grados de libertad son de un total de C + 4. Si se fija la temperatura, la fraccin de vapor y la composicin de la corriente 1 HYSYS hace un clculo de evaporacin espontnea T-Vf y especifica completamente dicha corriente. En una vlvula de Joule-Thompson como la que muestra la Figura 1 la expansin es isoentlpica, los flujos y las composiciones de las corrientes 1 y 2 tambin son iguales y, por lo tanto, hay un grado de libertad. Si se fija la cada de presin permisible en la


_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 vlvula, HYSYS calcula la presin de la corriente 2 y completa su especificacin mediante un clculo de evaporacin espontnea P-H Evaporador En el calentador que muestra la Figura 1, el propsito es vaporizar completamente la corriente 2. Las corrientes 2 y 3 son de flujos y composiciones iguales, pero el calor suministrado a travs del intercambiador de calor hace que sus temperaturas y presiones sean diferentes. Un balance de energa en el evaporador es el siguiente.

F2 h2 + Q = F3 h3

(5.1)

Siendo Fs y hs , los flujos de las corrientes y las entalpas de las corrientes y Q el flujo calrico cedido a la corriente 2 El anlisis entre variables, ecuaciones y especificaciones nos muestra que en un vaporizador hay C + 4 grados de libertad. Especificada la corriente de entrada, si se fija la cada de presin en el intercambiador, su especificacin completa es posible alcanzarla de dos maneras a saber: 1. Fijando el valor de Q, la ecuacin (1) permite el clculo de la entalpa de la corriente 3 y HYSYS realiza un clculo de evaporacin espontnea P-H para su especificacin completa 2. Fijando el valor de la temperatura de la corriente 3, HYSYS realiza un clculo de evaporacin espontnea T-P y, por lo tanto, de su entalpa. Con la ecuacin (1) se calcula, entonces, el flujo calrico requerido en el evaporador Compresor El compresor que muestra la Figura 1 opera isoentrpicamente. Las corrientes 3 y 4 son de flujos y composiciones iguales pero se requiere un trabajo de compresin que se calcula con la siguiente ecuacin

P k Ws = P3V3 4 P3 k 1

k 1 k

1

(5.2)

Siendo k = Cp/Cv,, Ps las presiones de las corrientes de entrada y salida y V3, el volumen especfico de la corriente de entrada


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 Pero el trabajo real se calcula fijando una eficiencia isoentrpica para el compresor o mediante el cambio de entalpa entre las corrientes de salida y entrada en el compresor, es decir

Ws ,real =

Ws

isoentrpica

= H 4,real H 3

(5.3)

En este tipo de compresor el nmero de grados de libertad es C + 4. Si se especifica completamente la corriente de entrada, el nmero de variables de diseo requeridas es dos Si se fija la presin de la corriente de salida (o el P en el compresor) y la eficiencia del compresor, se calcula su trabajo isoentrpico con la ecuacin (5.2) y su trabajo real con la primera igualdad de la ecuacin. La entalpa de la corriente 4 se calcula con la segunda igualdad de la ecuacin (5.3). HYSYS realiza un clculo de evaporacin espontnea P-H para la especificacin completa de la corriente 4. Condensador El anlisis de los grados de libertad el condensador del ciclo de refrigeracin de la Figura 1 es el mismo del evaporador, es decir, C + 4. En este caso, se especifica la cada de presin y el ciclo converge satisfactoriamente. Por qu converge con solo una especificacin si se requieren dos adicionales a las C + 2 de la corriente de entrada? 3. SIMULACION DEL CICLO DE REFRIGERACION 1. Abra un nuevo caso y aada el siguiente paquete fluido a. Ecuacin: Peng Robinson b. Componente: Propano c. Unidades Field 2. Haga clic sobre el botn Enter Simulation Environment cuando est listo para empezar a construir la simulacin 3. Presione la tecla clave F11 instalar una corriente y desplegar su vista de propiedades 4. Introduzca las siguientes especificaciones a. Nombre b. Fraccin de vapor c. Temperatura d. Flujo molar e. Composicin (Fraccin molar)

1 0.0 120 F 100 lbmol/h 1.0


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 5. Instale una vlvula de Joule-Thompson seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre Valve y conctela como se observa en la Figura 2.

Figura 2. Conexiones de la vlvula en el ciclo de refrigeracin

6. Instale un evaporador seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre Heater y conctelo como se observa en la Figura 3. Cuntas variables se necesitan introducir para que el conjunto Vlvula-Evaporador quede completamente especificado?

Figura 3. Conexiones del evaporador en el ciclo de refrigeracin

7. Haga clic sobre la pgina Parameters e introduzca una cada de presin de 1 psi en el cuadro Delta P.


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 8. Haga clic en la pestaa Worksheet y en la columna de la corriente 3 introduzca una fraccin de vapor de 1.0 y una temperatura de 0 F Cunto es el calor requerido en el evaporador? 9. Instale un compresor seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre Compressor y conctelo como se observa en la Figura 4. Cuntas variables se requieren para especificar completamente el compresor?. Si usted introduce una presin de 200 psia a la corriente 4 Por qu converge la simulacin del compresor?

Figura 4. Conexiones del compresor en el ciclo de refrigeracin

10. Borre la presin de 200 psia introducida en la corriente 4 e instale un condensador seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre Cooler y conctelo como se observa en la Figura 5. Cuntas variables se requieren especificar para que converja el conjunto Compresor-Condensador? 11. Haga clic sobre la pgina Parameters e introduzca una cada de presin de 6.5 psi en el cuadro Delta P Por qu converge el conjunto Compresor-Condensador con solo especificar la cada de presin en el condensador? 12. Haga clic en la pestaa Performance para que observe el comportamiento entre algunas variables a travs del intercambiador. En la pgina perfiles o Profiles se observan los estados de temperatura, presin, fraccin de vapor y entalpa molar de la corriente enfriada. En la pgina Grficos o Plots se observa, por defecto, la variacin de la entalpa con la temperatura y se dispone de otras opciones de anlisis entre variables. En la pgina Tablas o Tables se observa informacin similar 13. Despliegue la ventana de propiedades de la Vlvula y verifique si su operacin es isoentlpica


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 14. Despliegue la ventana de propiedades del Compresor y verifique si su operacin es isoentrpica. Si no es isoentrpica, entonces, Qu tipo de operacin se realiz en el compresor?

Figura 5. Conexiones del condensador en el ciclo de refrigeracin

4. CASO DE ESTUDIO El distribuidor local propone a su planta la venta de una mezcla propano/etano de 95/5 (% molar). Qu efecto, si lo hay, provoca esta nueva composicin en el ciclo de refrigeracin? Utilice el caso base para comparacin y llene la siguiente tabla: Propiedad Flujo, kgmol/h Condensador, kJ/h Evaporador, kJ/h Compresor, hp Caso Base: 100 % C3 _________________ _________________ _________________ _________________ Caso Nuevo: 5% C2, 95% C3 ________________________ ________________________ ________________________ ________________________


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 6. SEPARACION DE FASES INSTANTANEO

1. OBJETIVOS 1.1. Determinar el nmero de grados de libertad en un separador de fases instantneo 1.2. Simular un separador de fases isotrmico adiabtico y no adiabtico 1.3. Verificar las ecuaciones del modelo matemtico estacionario de un separador de fases isotrmico 2. INTRODUCCION Un separador de fases instantneo simula la evaporacin sbita de una (o varias corrientes). El caso tpico es el flujo a travs de una restriccin cuya cada de presin en forma adiabtica provoca una vaporizacin parcial, debido a lo cual en un tanque posterior puede lograrse la separacin en las fases lquido y vapor, respectivamente. Observe la Figura 1 con la vlvula como restriccin y el tanque V-100. En el modelamiento de un separador de fases se asume que: 1. El lquido y el vapor tienen el tiempo de contacto suficiente para lograr el equilibrio 2. La presin de lquido y vapor son las del tanque separador, es decir, que no hay cada de presin 3. Existe solo una fase lquida y vapor y 4. No existen reacciones qumicas

Figura 1. Separador de fases instantneo

Las ecuaciones de un modelo, en estado estacionario, para un separador instantneo son Balances de materia para cada uno de los C componentes (C ecuaciones)



Fzi = Vyi + LxiBalance de energa

(6.1)

Fh F + Q = Vh V + Lh LRelaciones de equilibrio (N ecuaciones)

(6.2)

yi = K i xiRestricciones

(6.3)

PV = PL = P

(6.4) (6.5)

TV = TL = TEl anlisis de grados de libertad es el siguiente: Variables Corriente Vapor Corriente Lquido Corriente Calor Total Variables Ecuaciones y Restricciones Balances de materia Relaciones de equilibrio Balance de energa Restricciones Total Ecuaciones y Restricciones Total grados de libertad Cantidad C+2 C+2 1 2C + 5 Cantidad C C 1 2 2C + 3 2

Una especificacin comn es la que corresponde a una separacin isotrmica. En este caso, se especifican la presin y la temperatura del separador. Separacin instantnea isotrmica El clculo de las corrientes de vapor y lquido para este tipo de separacin suelen realizarse utilizando la ecuacin (6) propuesta por Rachford y Rice (1952) que permite calcular la fraccin de alimento vaporizado, V/F, suponiendo que las constantes de equilibrio son independientes de las concentraciones y solo dependen de la temperatura y la presin.


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( K i 1) z i 1 + (V / F )(K 1) = 0 i =1 iN

(6.6)

Separacin instantnea adiabtica Una especificacin muy comn es la que corresponde a una separacin instantnea adiabtica (Q = 0). En este caso, fijado Q, solo queda por asignar una variable, por ejemplo, la presin de operacin del sistema. De esta manera, quedan por calcularse la temperatura y dems propiedades de las corrientes de salida. Dado que se desconoce la temperatura, el balance de energa queda acoplado y debe resolverse simultneamente con la ecuacin (6.6). Para ello, la ecuacin (6.2) se expresa como una funcin de temperatura y fraccin vaporizada de la siguiente manera:

g (T , V / F ) = 1 (V / F )

hV h (1 (V / F )) L hF hF

(6.7)

Para la solucin simultnea de las ecuaciones (6.6) y (6.7) se puede proceder de la siguiente manera 1. Se supone una temperatura 2. Se calcula la fraccin de vaporizacin con la ecuacin (6.6) y 3. Se verifican dichos resultados con la ecuacin (6.7) definiendo un error para la funcin g(T, V/F)

3. SIMULACION DE UN SEPARADOR DE FASES INSTANTANEO 1. Abra un nuevo caso y aada el siguiente paquete fluido a. Ecuacin: Peng Robinson b. Componentes: Etano, Propano, n-Butano, n-Pentano, n-Hexano c. Unidades: Field 2. Haga clic sobre el botn Enter Simulation Environment para desplegar la ventana PFD de HYSYS 3. Presione con el botn derecho del Mouse el icono de la corriente de materia y en forma sostenida arrastre el Mouse hasta la ventana del PFD 4. Introduzca las siguientes especificaciones


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 a. b. c. d. Nombre: F Temperatura: 150 F Presin: 50 psia Composicin (Fraccin 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 vlvula de Joule-Thompson, asgnele como nombre VLV-100 y conctela con corriente de entrada F y corriente de salida F1 6. Haga clic en la pgina Parameters de su ventana de propiedades e introduzca una cada de presin 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, asgnele como nombre V-100 y conctelo como indica la Figura 2.

Figura 2. Corrientes de materia y energa conectadas al separador

8. Haga clic en la pgina Parameters e introduzca una carga calrica de cero en el cuadro de nombre Duty y seleccione el radio botn Heating, como se observa en la Figura 3 9. Haga clic en la pestaa Rating para observar la ventana que permite definir algunos aspectos geomtricos corto del tanque separador. Observe que en el grupo Geometry se elige la forma del tanque (Cilndrica o Esfrica), la


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 orientacin (Vertical u Horizontal) y un dimensionamiento de volumen, altura y dimetro 10. Haga clic sobre el botn Quick Size y observar que HYSYS propone unas medidas para el dimetro 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 relacin altura/ dimetro definida para el dimensionamiento en la Figura 4

Figura 3. Carga calrica asignada al separador

Figura 4. Dimensionamiento del tanque separador


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 11. Haga clic en la pestaa Worksheet y observe los flujos y las entalpas de las corrientes de producto del separador. Verifique el cumplimiento de la ecuacin (6.7) 12. Cambie la carga calrica al separador por un valor de 5e+5. Qu cambios con respecto a la operacin adiabtica se observan en los resultados de la simulacin?. 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 simulacin? 2. Borre la presin especificada para la corriente F e introduzca un valor de 150 F para la temperatura manteniendo la entalpa molar introducida anteriormente. Explique lo realizado y los cambios observados en la simulacin? 3. Simule la separacin para una presin de 50 psia y una fraccin de vaporizacin de 0.4. Analice los resultados 4. Simule la separacin para una tempertura de 150 F y una fraccin de vaporizacin de 0.6. Analice los resultados


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 7. SEPARADOR DE TRES FASES

1. OBJETIVOS 1.1. Separar en forma instantnea una corriente con un contenido de hidrocarburos y agua 1.2. Determinar los puntos de roco y burbuja para una mezcla de hidrocarburos - agua 2. INTRODUCCION Una corriente que contiene hidrocarburos y agua puede presentarse en varias fases, dependiendo de sus condiciones de estado. Los clculos para determinar sus puntos de roco y burbuja se describen en libros como Design of Equilibrium Stage Processes de Smith Buford D., McGraw-Hill (1963) y son de un relativo inters acadmico. HYSYS dispone de una unidad para separar, en forma instantnea, una carga que se alimente con tres fases, vapor, lquida y acuosa 3. SEPARACION DE UNA MEZCLA DE HIDROCARBUROS - AGUA 1. 2. 3. 4. 5. Abra un nuevo caso y defina el siguiente paquete fluido Ecuacin: Peng Robinson Componentes: C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5, H2O Unidades: SI Entre al ambiente de simulacin e instale una corriente con el nombre de Alimento y las siguientes especificaciones a. Temperatura: 20 C b. Presin: 200 kPa c. Flujo: 100 kgmol/h d. Composicin (Fraccin 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 0.40 viii. Agua Maximice la ventana de propiedades de la corriente Alimento y observe las condiciones de las tres fases que la componen en la Figura 1 Haga clic en la pgina Composition y observe las composiciones correspondientes a dicha corriente en la Figura 2. Presione el icono de nombre 3-Phase Separator que se encuentra en la paleta de objetos y en forma sostenida desplace con el clic derecho del Mouse arrstrelo hasta la ventana del PFD de HYSYS. Seleccione el separador de 3 fases haciendo doble clic sobre el icono correspondiente en la paleta de objetos.

6. 7. 8.

9.



Figura 1. Especificaciones de la corriente Alimento

Figura 2. Composicin de las tres fases de la corriente Alimento

10. En la pgina Connections de la pestaa Design introduzca los nombres de las corrientes de entrada y salida como se observan en la Figura 3. 11. Haga clic en la pgina Parameters y observe que, por defecto, la cada de presin es cero. Introduzca una cada de presin de 10 kPa y observe la diferencia en los resultados. 12. Haga clic en la pestaa Rating y presione el botn Quick Size para dimensionar, por defecto, el tanque cilndrico horizontal correspondiente al separador de tres fases


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 13. Observe la verificacin de la opcin para seleccionar el anexo de una bota. Al presionar el botn Quick Size, inmediatamente HYSYS tambin sugiere unas dimensiones para la bota como se observan en la Figura 4.

Figura 3. Corrientes de entrada y salida al Separador de tres fases

Figura 4. Dimensionamiento del tanque Separador de Tres Fases

14. Haga clic sobre la pestaa Worksheet y observe las condiciones de las corrientes de salida del Separador de Tres fases, Figura 5. Comprelas con las especificaciones de las tres fases de la corriente Alimento.


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 15. Haga clic sobre la pgina Composition y observe las concentraciones de las corrientes de salida del Separador de Tres Fases, Figura 6. Comprelas con las especificaciones de las tres fases de la corriente Alimento

Figura 5. Condiciones de las corrientes de salida del Separador de Tres Fases

Figura 6. Composicin de las corrientes de salida del Separador de Tres Fases

3. CASOS DE ESTUDIO 3.1. Determine el punto de roco de la corriente Alimento a 200 kPa? Cuntas fases se observan? Explique por qu la fase vapor contiene agua 3.2. Determine el punto de burbuja de la corriente Alimento a 200 kPa?. Cuntas fases se observan?. Explique por qu la fase lquida no contiene agua


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 8. PROCESOS CON RECICLO

1. OBJETIVOS 1.1. Especificar una corriente a partir de las especificaciones de otra corriente 1.2. Utilizar el botn Reciclo para estimar las propiedades de una corriente de recirculacin dentro de un proceso qumico 2. INTRODUCCION Los simuladores de proceso pueden clasificarse en modulares y orientados a ecuaciones. En el segundo modo de simulacin, las ecuaciones de las unidades, corrientes y modelos termodinmicos se ensamblan y se resuelven simultneamente. En el modo modular, los modelos termodinmicos y las ecuaciones de las unidades se almacenan como subprogramas o procedimientos que son llamados o requeridos en el orden de la conectividad de las corrientes para converger secuencialmente de acuerdo a la topologa del diagrama de flujo. Este clculo secuencial requiere de un procedimiento iterativo cuando existe una corriente de reciclo, dentro del proceso, que se asume como una material corriente abajo que debe ser de las mismas especificaciones que un material corriente arriba, conformndose lo que se denomina un lazo de reciclo o de recirculacin. En HYSYS, un simulador modular secuencial, este procedimiento iterativo se realiza mediante la introduccin de un bloque lgico denominado Reciclo, que se alimenta de la corriente abajo o Corriente de Recirculacin Calculada y descarga la corriente arriba o Corriente de Recirculacin Asumida. Los siguientes pasos se llevan a cabo durante el proceso de convergencia de un lazo de recirculacin: 1. HYSYS utiliza las condiciones de la corriente asumida y resuelve el diagrama de flujo hacia delante hasta la corriente calculada 2. HYSYS, entonces, compara los valores de la corriente calculada con los de la corriente asumida 3. Basado en la diferencia entre los valores, HYSYS modifica los valores en la corriente calculada y traslada los valores modificados a la corriente asumida 4. El proceso de clculo se repite hasta que los valores en la corriente calculada se diferencien de los de la corriente asumida dentro de las tolerancias especificadas Para instalar la operacin Reciclo en un proceso qumico, seleccione el botn Recycle en la paleta de objetos, o haga clic sobre la opcin Add Operation del men Flowsheet y seleccione la opcin Recycle


_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 3. PROCESO ESTUDIADO En el siguiente ejemplo, una corriente bifsica, F1, es mezclada con una corriente de recirculacin, RC, y alimentada al separador V-100. El vapor del V-100 es alimentado al expansor E-100 y vaporizado nuevamente en el separador V-101. La mitad del lquido que sale de este separador es alimentado a la bomba P-100 y recirculada y mezclada con el alimento fresco. 4. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO 1. Abra un nuevo caso, seleccione el siguiente paquete fluido A. Ecuacin: Peng Robinson B. Componentes: Nitrgeno, bixido de carbono, metano, etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano, n-pentano, n-hexano, n-heptano y noctano C. Unidades: Field 2. Instale una corriente de materia con nombre F y las siguientes especificaciones Pestaa Worksheet Temperature Pressure Molar Flow Pestaa Worksheet Nitrogen Mole Frac CO2 Mole Frac Methane Mole Frac Ethane Mole Frac Propane Mole Frac i-Butane Mole Frac Pgina Conditions 60F 600 psi 1 MMSCFH Pgina Compositions 0.0069 0.0138 0.4827 0.1379 0.0690 0.0621 n-Butane Mole Frac i-Pentane Mole Frac n-Pentane Mole Frac n-Hexane Mole Frac n-Heptane Mole Frac n-Octane Mole Frac 0.0552 0.0483 0.0414 0.0345 0.0276 0.0206

3. Instale un separador de fases con el nombre de V-100 y las siguientes especificaciones Pestaa Design Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet Pgina Connections F1 V L


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 Pestaa Design Pressure Drop Pgina Parameters 0 psi

4. Instale un expansor con el nombre de E-100 y las siguientes especificaciones Pestaa Design Inlet Outlet Energy Pestaa Worksheet Corriente V1 Pgina Connections V V1 Qe Pgina Conditions 300 psi

5. Instale un separador con el nombre de V-101 y las siguientes especificaciones Pestaa Design Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet Pestaa Design Pressure Drop Pgina Connections V1 V2 L2 Pgina Parameters 1.45 psi

6. Instale una Tee con el nombre de TE-100 y las siguientes especificaciones Pestaa Design Inlet Outlets Pestaa Design Flow Ratio Pgina Connections L2 P, L3 Pgina Parameters 0.5

7. Instale una bomba con el nombre de P-100 y las siguientes especificaciones Pestaa Design Inlet Outlet Energy Ing. Romn Alexander Fernndez Rocha Pgina Connections P Rc Qp 53

_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 Pestaa Design Efficiency Pestaa Worksheet Corriente Rc Pgina Parameters 75% Pagina Conditions 600 psi

8. Instale una corriente de nombre Ra asumiendo las mismas especificaciones de la corriente calculada o Rc. Para ello despliegue la ventana de propiedades de la corriente Ra y presione el botn que se encuentra en la parte inferior con el ttulo de Define from other Stream y seleccione la corriente Rc en el cuadro titulado Available Streams que se encuentra en la ventana titulada Spec Stream As. Presione el botn OK. Conecte la corriente como una entrada al separador V-100. En la Figura 1 se pueden ver las condiciones para la corriente calculada Rc y cuyos valores se toman para asumirlas como las especificaciones de la corriente Ra, antes de introducir el botn de Reciclo.

Figura 1. Especificaciones asumidas para la corriente Ra

9. Instale un botn de reciclo seleccionando el icono de nombre Recycle que se encuentra en la paleta de objetos 10. Despliegue su ventana de propiedades y en la pestaa Connections introduzca en el cuadro Inlet la corriente calculada o Rc y en el cuadro Outlet la corriente asumida o Ra. El botn reciclo se encargar de hacer los clculos iterativos hasta igualar las especificaciones entre las dos corrientes y alcanzar la


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 convergencia de todo el proceso. La Figura 2 muestra el diagrama de flujo final del proceso

Figura 2. Diagrama de flujo final del proceso 11. Despliegue la ventana de propiedades del botn de Reciclo y haga clic sobre la pestaa Worksheet y observe en la Figuras 2 y 3 que las condiciones y composiciones finales de la corriente calculada Rc y la corriente asumida Ra son iguales. Compare estos datos con los observados en la Figura 1

Figura 2. Condiciones finales de las corrientes asumida y calculada


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Figura 3. Composiciones finales de las corrientes asumida y calculada


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 9. COMPRESION DE UN GAS EN TRES ETAPAS

1. OBJETIVOS 1.1. Especificar una corriente a partir de las especificaciones de otra corriente 1.2. Utilizar el botn Reciclo para calcular una corriente de recirculacin dentro de un proceso qumico 1.3. Simular, en estado estacionario, un proceso de compresin de un gas en varias etapas 2. PROCESO ESTUDIADO La corriente gaseosa de entrada y de nombre Alimento se encuentra a 50F y 80 psia y se comprime hasta 1000 psia en tres etapas. En cada una de las etapas de compresin el lquido que resulta despus de un enfriamiento y separacin de fases es recirculado a la entrada de la etapa de compresin que le antecede. Las condiciones de temperatura y presin son 120F y 200 psia despus de la primera etapa de compresin, 120F y 500 psia despus de la segunda etapa y 120F y 1000 psia despus de la tercera etapa. La Figura 1 muestra el diagrama de flujo del proceso de compresin multietapa 3. PAQUETE FLUIDO COMPONENTES: Nitrgeno, Dixido de carbono, Metano, Etano, Propano, iButano, n-Butano, i-Pentano, n-Pentano, n-Hexano, n-Heptano y n-Octano. ECUACION: Peng-Robinson REACCIONES: No hay SISTEMA DE UNIDADES: Field 4. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO Corriente de alimentacin: Instale la corriente Alimento con las siguientes especificaciones en la pgina Conditions de la pestaa Worksheet Temperatura Presin Flujo molar 50 F 80 psia 250 lbmole/h

En la pgina Composition de la pestaa Worksheet especifique las siguientes concentraciones para el alimento en fracciones molares: Nitrogen Mole Frac CO2 Mole Frac Methane Mole Frac Ethane Mole Frac Propane Mole Frac i-Butane Mole Frac 0.0069 0.0138 0.4827 0.1379 0.0690 0.0621 n-Butane Mole Frac i-Pentane Mole Frac n-Pentane Mole Frac n-Hexane Mole Frac n-Heptane Mole Frac n-Octane Mole Frac 0.0552 0.0483 0.0414 0.0345 0.0276 0.0206


_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 Para construir este diagrama de flujo, un conjunto de separadores, compresores, enfriadores y mezcladores tienen que instalarse con las especificaciones que aparecen a continuacin. Las corrientes de recirculacin se aadirn despus que las operaciones se hayan instalado. Instale las operaciones con las especificaciones descritas a continuacin Mezclador MIX-100 Pestaa Design Inlet Outlet Pestaa Design Pgina Connections Alimento EntradaV-100 Pgina Parameters

Automatic Pressure Assignment Set Outlet to Lowest Inlet La corriente de recirculacin RC-100 se instalar a este mezclador despus que hayan sido instaladas todas las operaciones Separador V-100 Pestaa Design Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet Compresor K-100 Pestaa Design Inlet Outlet Energy Pgina Connections VaporV-100 EntradaE-100 QK-100 Pgina Connections EntradaV-100 VaporV-100 LiquidoV-100

Enfriador E-100 (Cooler) Pestaa Design Feed Stream Product Stream Energy Stream Pestaa Design Pressure Drop Pgina Connections EntradaE-100 SalidaE-100 QE-100 Pgina Parameters) 5 psi 58


_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 Especifique la temperatura y la presin de la corriente SE-100 con valores de 120F y 200 psia respectivamente Mezclador MIX-101 Pestaa Design Inlet Outlet Pestaa Design Pgina Connections SalidaE-100 EntradaV-101 Pgina Parameters

Automatic Pressure Assignment Set Outlet to Lowest Inlet La corriente de recirculacion RC-101 se instalar a este mezclador despus que todas las operaciones hayan sido instaladas Separador V-101 Pestaa Design Feed Vapour Outlet Liquid Outlet Compresor K-101 Pestaa Design Inlet Outlet Energy Pgina Connections VaporV-101 EntradaE-101 QK-101 Pgina Connections EntradaV-101 VaporV-101 LiquidoV-101

Enfriador E-101 (Cooler) Pestaa Design Feed Stream Product Stream Energy Stream Pestaa Design Pressure Drop Pgina Connections EntradaE-101 SalidaE-101 QE-101 Pgina Parameters 5 psi

Especifique la temperatura y presin de la corriente SalidaE-101 como 120F y 500 psia respectivamente Ing. Romn Alexander Fernndez Rocha 59

_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 Mezclador MIX-102 Pestaa Design Inlet Outlet Pestaa Design Pgina Connections SalidaE-101 EntradaV-102 Pgina Parameters

Automatic Pressure Assignment Set Outlet to Lowest Inlet La corriente de recirculacin RC-102 se aadir al mezclador despus que todas las operaciones hayan sido instaladas Separador V-102 Pestaa Design Feed Vapour Outlet Liquid Outlet Compresor K-102 Pestaa Design Inlet Outlet Energy Enfriador E-102 Pestaa Design Feed Stream Product Stream Energy Stream Pestaa Design Pressure Drop Pgina Connections EntradaE-102 SalidaE-102 QE-102 Pgina Parameters 5 psi Pgina Connections VaporV-102 EntradaE-102 QK-102 Pgina Connections EntradaV-102 VaporV-102 LiquidoV-102

Especifique la temperatura y presin de la corriente SalidaE-102 con valores de 120F y 1000 psia, respectivamente


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 Separador V-103 Pestaa Design Feed Vapour Outlet Liquid Outlet Pgina Connections SalidaE-102 VaporV-103 LiquidoV-103

Aada, ahora, las corrientes de recirculacin, presione el botn Define from other Stream que se encuentra en el fondo de la ventana de propiedades de dichas corriente y utilice la ventana Spec Stream As para definirlas utilizando otras propiedades de las corrientes Corrientes de recirculacin 1. Especifique la corriente de recirculacin RC-100 como la corriente LiquidoV-101 y conctela como un alimento al mezclador MIX-100 2. Especifique la corriente de recirculacin RC-101 como la corriente LiquidoV-102 y conctela como un alimento al mezclador MIX-101 3. Especifique la corriente de recirculacin RC-102 como la corriente LiquidoV-103 y conctela como un alimento al mezclador MIX-102 Las propiedades de las corrientes LiquidoV-101, LiquidoV-102 y LiquidoV-103 sirven como los estimativos iniciales para las corrientes de recirculacin. Antes de instalar las operaciones Recycle, se sugiere colocar el resolvedor del diagrama de flujo en Modo Holding Operaciones de recirculacin RCY-1 Feed: LiquidoV-101; Product: RC-100 RCY-2 Feed: LiquidoV-102; Product: RC-101 RCY-3 Feed: LiquidoV-103; Product: RC-102 Coloque el revolvedor del diagrama de flujo en el Modo Activo haciendo clic en el icono Solver Active y la simulacin converger satisfactoriamente.


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Figura 1. Proceso de compresin de un gas en tres etapas


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 10. AJUSTE DE VARIABLES 1. OBJETIVOS 1.1 Simular, en estado estacionario, un separador de fases isotrmico con ajuste de una variable 1.2 Ajustar el valor de una variable para especificar el valor de otra variable mediante el botn Ajuste 2. INTRODUCCION Separador de fases isotrmico Un separador de fases isotrmico separa a una mezcla que contiene una fase lquida y otra de vapor de acuerdo a las condiciones de equilibrio definidas por la temperatura y la presin del alimento al separador y sin un requerimiento calrico externo. Operacin AJUSTE La operacin lgica Adjust vara el valor de una variable de una corriente (variable independiente) hasta encontrar la especificacin o valor requerido (variable dependiente) en otra corriente u operacin. En un diagrama de flujo, una cierta combinacin de especificaciones puede requerirse y no puede resolverse directamente. Problemas de estos tipos deben resolverse por medio de procedimientos de ensayo y error. La operacin Adjust puede usarse para desarrollar automticamente las iteraciones de ensayo y error que se requieren resolver rpidamente en un diagrama de flujo. La operacin Adjust es extremadamente flexible. Le permite vincular variables de corriente en el diagrama de flujo en direcciones que no son posibles usando las operaciones unitarias ordinarias. Puede usarse para resolver para el valor deseado de una sola variable dependiente o se pueden instarlar mltiples Adjust para resolver para los valores deseados de varias variables simultneamente. La operacin Adjust puede desempear las siguientes funciones: 1. Ajustar la variable independiente hasta que la variable dependiente encuentr el valor deseado 2. Ajustar la variable independiente hasta que la variable dependiente se iguale al valor de la misma variable en otro objeto mas un valor adicional Para instalar el botn Adjust, seleccione el botn Adjust en la paleta de objetos. De otra manera, seleccione la opcin Add Operation del men Flowsheet y seleccione la opcin Adjust.


_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 3. PROCESO ESTUDIADO Una corriente de hidrocarburos saturados a -60 F y 600 psia es alimentada a un separador de fases isotrmico con un flujo de 144 lbmol/h. Se requiere ajustar la temperatura del alimento para que el flujo del lquido que sale del separador sea de 100 lbmol/h 4. PAQUETE FLUIDO COMPONENTES: Metano, Etano, Propano, i-Butano, n-Butano, i-Pentano n-Pentano, n-Hexano, n-Heptano, n-Octano ECUACION: Peng Robinson REACCION: No hay UNIDADES: Field 5. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO Corriente de alimentacin: Instale una corriente de nombre Alimento e introduzca las siguientes especificaciones Pestaa Worksheet Temperatura Presin Flujo Molar Pestaa Worksheet Methane Fraccin Mol Ethane Fraccin Mol Propane Fraccin Mol i-Butane Fraccin Mole n-Butane Fraccin Mol Pgina Conditions - 60F 600 psi 144 lbmole/hr Pgina Composition 0.4861 0.1389 0.0694 0.0625 0.0556 i-Pentane Fraccin Mole n-Pentane Fraccin Mole n-Hexane Fraccin Mole n-Heptane Fraccin Mole n-Octane Fraccin Mole 0.0486 0.0417 0.0486 0.0278 0.0208

Separador de fases. Instale un separador de fases con nombre V-100, y especifique lo de la siguiente manera Pestaa Design Inlets Vapour Outlet Liquid Outlet OPERACIN AJUSTE Para ajustar la temperatura del alimento para que el flujo de la corriente Lquido sea de 100 lbmol/h, HYSYS dispone del botn Adjust. Ahora, instale la operacin Ing. Romn Alexander Fernndez Rocha 64 Pgina Connections Alimento Vapor Liquido

_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 ajuste haciendo clic en el men Flowsheet y a continuacin seleccionando la opcin Adjust. De otra manera, seleccione el botn Adjust que se encuentra en la paleta de objetos Las especificaciones introducidas en la pgina Connections nos muestran a la Temperatura del alimento como la variable independiente o la variable a ajustar p Adjusted Variable para un valor de la variable dependiente o variable objetivo o Target Variable de 100 lbmole/hr o Specified Target Value. El objeto y su variable se seleccionan simultneamente usando el navegador de variables o Variable Navigator desplegado al presionar el botn Select Var. La ventana Variable Navigator consiste de 4 secciones de listados que ayudan al proceso de seleccin de la variable actuando como un filtro. Los listados trabajan secuencialmente de tal manera que un listado se puede manipular si se ha hecho la seleccin correspondiente en el listado anterior. Observe la Figura 1.

Figura 1. Conexiones para el botn de ajuste de variables En la pestaa Parameters se definen los criterios de convergencia para el mtodo solucin escogido. Obsrvese que los valores mximo y mnimo para la variable independiente no se ajustaron. Al presionar el botn Start, HYSYS inmediatamente comienza el procedimiento de convergencia. En la pestaa Monitor se desplegarn los valores para las variables independiente y dependiente estimados en cada una de las iteraciones El Adjust converge al flujo requerido en sisete iteraciones. Las nuevas condiciones de la corriente de alimento se muestran en la ventana de sus propiedades, Figura 2 Observe que la temperatura de la corriente Feed muestra el valor de 15.760 F en forma resaltada, es decir, como si fuera un valor especificado. Aunque el valor que Ing. Romn Alexander Fernndez Rocha 65

_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 originalmente se especific fue de - 60F, la operacin ajuste hace que la solucin para la variable independiente al terminar el proceso de convergencia se convierta en el valor especificado. Si se borra el botn ADJ-1, los nuevos valores se mantienen en el diagrama de flujo. El diagrama de flujo se observa en la Figura 3.

Figura 2. Propiedades de la corriente de alimentacin despus del ajuste

Figura 3. Separador de fases con el botn de ajuste de variables incluido


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_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 11. REACTOR DE CONVERSION 1. OBJETIVOS 1. 2. 3. 4. Simular, en estado estacionario un reactor de conversin Relacionar dos variables mediante la opcin Set de HYSYS Verificar los resultados obtenidos por HYSYS con los clculados tericamente Utilizar la facilidad que permite la operacin Set para simular una separacin instantnea P-Vf

2. INTRODUCCION Reaccin de conversin HYSYS permite la simulacin de procesos qumicos con reacciones de varios tipos. En la reaccin de conversin se especifica, adems de su estequiometra, el componente base, la fase en que se realiza la reaccin y una ecuacin polinmica para calcular la conversin en funcin de la temperatura de la reaccin. Si la conversin es independiente de la temperatura se especifica la conversin con solo el trmino constante del polinomio funcin de temperatura En un reactor donde se realizan un sistema de N reacciones de conversin en paralelo, los flujos de salida de cada uno de los componentes en el sistema se pueden calcular mediante un balance de materia, asignando una conversin () para cada una de las reacciones y considerando sus coeficientes estequiomtricos () positivos para los productos y negativos para los reaccionantes escribiendo las reacciones con coeficiente estequiomtrico de uno para cada reactivo lmite ( l ). Si hay un componente inerte su coeficiente estequiomtrico es cero El balance de materia para cada componente se puede escribir, por lo tanto, de la siguiente manera:

F = Fi + r , k Fi l ( r )k p k r =1

N

(11.1)

Siendo p, el smbolo correspondiente a la corriente producto, i, el de la corriente de entrada, k, el que representa a cada uno de los componentes y l(r) el componente lmite en la reaccin r La ecuacin (11.1) expresa que el flujo en la corriente producto de un componente es igual a su flujo de entrada mas la sumatoria de lo producido en cada reaccin menos lo consumido en cada reaccin


_____________________________________________________________________ Simulacin de Procesos con Aspen Hysys 2006 Operacin Set La operacin Set se utiliza para establecer el valor de una variable de proceso especfica mediante una relacin lineal con otra variable de proceso. La relacin es entre las mismas variables de proceso en dos objetos similares; por ejemplo, la temperatura en dos corrientes o el UA en dos intercambiadores de calor. La operacin puede emplearse tanto en simulacin estacionario como dinmica La variable dependiente u objetivo se define en trminos de la variable independiente o fuente de acuerdo a la siguiente relacin lineal

Y = MX + B

(11.2)

Siendo

Y = variable dependiente u objetivo X = variable independiente o fuente M = multiplicador o pendiente B = ajuste o intercepto

Para instalar la operacin Set, seleccione el botn Set en la paleta de objetos seleccione Add Operation del men Flowsheet y seleccione la opcin Set 3. PROCESO ESTUDIADO Dos corrientes, una de monxido de carbono puro a 550 C, 1000 kPa y 100 kgmol/h y otra de hidrgeno puro a las mismas condiciones de temperatura y presin se alimentan a un separador de fases que servir como reactor para la conversin de dichos reactivos en metano y agua. Se establece que el flujo molar de la corriente de hidrgeno sea tres veces el flujo molar de la corriente de monxido

4. PAQUETE FLUIDO COMPONE

curso básico de simulación de procesos con aspen hysys 2006b

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