hysys tesis manual

UTN Facultad Regional Rosario Departamento de Ing. Qumica Ctedra: Integracin IV Ao 2008

Sandra Godoy, Paola Biscotti, Nstor Rodrguez y Nicols Scenna 1

UNIVERSIDAD TECNOLGICA NACIONAL - FACULTAD REGIONAL ROSARIO Departamento de Ingeniera Qumica

INTEGRACIN IV

Introduccin al diseo de columnas de destilacin mediante el uso del simulador HYSYS

Se presenta a continuacin una gua paso a paso para realizar el diseo bsico y de detalle de

una torre de destilacin, con objeto de introducir al alumno en el ambiente del simulador de

procesos HYSYS.

HYSYS es una herramienta que proporciona una simulacin de un sistema del cual se

conocen los parmetros que lo describen. Por lo tanto es importante destacar que si bien se lo

utiliza como herramienta de diseo, probando varias configuraciones del sistema para optimizarlo,

es el ingeniero quien efecta el diseo, al comparar los resultados de cada simulacin.

Por otro lado, los resultados de una simulacin no son siempre fiables y estos se deben

analizar crticamente, ya que los mismos dependen de la calidad de los datos de entrada, que las

correlaciones de las propiedades termodinmicas utilizadas sean las apropiadas, y de la adecuada

eleccin de los niveles de complejidad o hiptesis adoptadas al seleccionar cada equipo/modulo en

el diagrama de flujo de informacin (mdulo en el simulador) versus la planta real.

Arquitectura Bsica de HYSYS a) Conceptos bsicos en HYSYS

1.- Arquitectura Multi-Flowsheet: El concepto de Fowsheets y Sub-Flosheets.

HYSYS proporciona un mtodo flexible e intuitivo que permite:

Descomponer un proceso complejo en procesos menores con componentes ms concisos. Simular cada unidad del proceso en forma independiente del proceso completo, pero ligado

a l, construyendo un sub-flowsheet con sus corrientes y operaciones unitarias accesorias.

Usar paquetes termodinmicos independientes para cada flowsheet.

2.- El concepto de Medio Ambiente (Environment).

HYSYS Environments permite acceder e ingresar informacin en una cierta y determinada rea o

medio ambiente del programa, mientras que las otras reas estn en modo hold (esperando)

hasta que se finalice la tarea en el rea de inters. Hay 5 Environments:



Basis (se crean, definen y modifican los Paquetes de Fluidos a ser utilizados incluyen,

como mnimo, el paquete de propiedades y los componentes-)

Oil Characterization (se caracterizan cortes de petrleo) Main Flowsheet (se define mayoritariamente la topologa del flowsheet principal) Sub-Flowsheet (se define la topologa del sub-flowsheet) Column (se define la topologa de una particular Columna Sub-Flowsheet)

b) Herramientas

Clculos interactivos y acceso instantneo de la informacin. Inteligencia incorporada al programa que le permite conocer cuando la informacin

disponible es deficiente parra efectuar un clculo y corregir los clculos flash en forma

automtica.

Operacin modular: Todas las operaciones unitarias y/o corrientes pueden realizar todos los clculos siempre que se especifique la informacin mnima necesaria en cada caso o la

misma se transmita a travs de las corrientes ligadas. La informacin, completa o parcial, se

transmite en forma bi-direccional.

Algoritmos de solucin No Secuenciales: Ellos operan en forma independiente del orden en que se construye el flowsheet.

c) Elementos de Interfase Primarios

Formas alternativas para acceder e ingresar informacin del proceso a HYSYS.

El Diagrama de Flujo de Proceso (The Process Flow Diagram -PFD-) Workbook. Property View.



Caso en estudio: Diseo de columna de destilacin

Se requiere que la columna a disear obtenga los componentes con un 99% de pureza,

adoptando platos perforados.

Se pretende que opere a una presin de 1 atmsfera. Se utilizar un condensador total, con

una relacin de reflujo de 1,45 veces la relacin de reflujo mnima.

Adems se especifica la corriente de alimentacin segn:

Flujo msico 10000 kg/h

Presin 1 atm

Temperatura 25 C

40% benceno Composicin molar 60% tolueno

Tareas propuestas:

1- Utilizar la herramienta Short cut para obtener:

i. La relacin de reflujo mnima

ii. Nmero de etapas mnima

iii. Asumiendo una relacin de reflujo de 1,45 de la mnima, determinar el

nmero de etapas correspondientes y el plato apropiado para ingreso de la

alimentacin.

2- Con los datos obtenidos en el short cut instalar una columna con rehervidor y condensador

total y lograr su convergencia.

i. Presentar en forma tabular las corrientes de salida especificando sus

principales parmetros.

ii. Graficar el perfil de temperaturas, composiciones y flujos a lo largo de la

columna.

iii. Comparar las temperaturas y cargas del condensador y reboiler calculadas en

la torre con las del short cut.

3- Utilizando la herramienta Tray Sizing dimensionar la torre y detallar,

i. Dimetro de la torre.

ii. Altura total de la torre.



iii. Verificar que no existan advertencias de mal funcionamiento de la torre.

4- El condensador se alimenta con agua, proveniente de una torre de enfriamiento, la cual

acondiciona su temperatura a 27 C. No hay cada de presin en este equipo.

i. Determinar el caudal necesario de agua de enfriamiento si se asume una

variacin de temperatura del agua de 20C.

ii. Obtener el (UA) necesario para este intercambio.

5- Si el rehervidor se alimenta con vapor saturado, cuya temperatura es 20 C mayor a la salida

del tolueno y no hay cada de presin en este equipo:

i. Determinar la presin del servicio de vapor.

ii. Calcular el flujo de vapor necesario para cumplir con los requerimientos

energticos del rehervidor.

iii. Obtener el (UA) necesario para este intercambio.

Cmo se crea un nuevo caso en HYSYS?

Para comenzar a crear un caso de HYSYS se debe presionar el botn ( ) New Case, a

continuacin aparece la ventana Simulation Basis Manager en donde se deben seleccionar los

componentes, paquetes de propiedades, reacciones qumicas y dems caractersticas del caso a

simular.



1- Ingreso de componentes

Para seleccionar los componentes, en la pestaa Components se debe presionar Add,

luego de lo cual aparece una nueva ventana que permite buscar componentes dentro de una librera

de compuestos ya almacenados (Tradicional, ya contenidos en HYSYS, Hipothetical, creados

y definidos por el usuario y Other.

Dentro de la opcin Tradicional se puede observar, desplegada en la parte derecha de la

pantalla, la tabla Components Available in the Component Library que contiene un listado de los

compuestos que posee almacenado HYSYS en su base de datos.

La bsqueda de los compuestos se puede realizar segn varios criterios (por ejemplo nombre

o frmula) colocando parte de la expresin en la casilla Match. Luego deben ser agregados al

listado de componentes presionando el botn Add Pure o realizando doble clic sobre el

compuesto.

Si se desea reducir el espectro sobre el cual se realiza la bsqueda, se puede utilizar el botn

View Filtres, el cual permite seleccionar una familia de compuestos (funcin qumica) o

seleccionar elementos que sean compatibles con la utilizacin de cierto paquete de propiedades.

En la parte inferior de la ventana aparece la casilla Name, la cual permite el ingreso de un

nuevo nombre a la serie de componentes seleccionados. Por defecto ya posee un nombre asignado.

Nombre de la lista que se esta generando

Criterio de bsqueda

Selec. de filtros



En este caso se deben seleccionar: benceno, tolueno y agua. Una vez que se hayan

seleccionado todos los componentes cerrar la ventana para regresar a la ventana original

del Simulation Basis Manager

NOTA:

La base de datos de compuestos incorporada en HYSYS es muy grande, pero como es un

simulador muy orientado a la industria petroqumica, es difcil encontrar componentes de otro tipo

de industrias, como por ejemplo los sulfatos, xidos y dems componentes inorgnicos en solucin.

Las ltimas versiones de HYSYS incluyen el paquete de electrolitos, lo que permite incluir tales

sustancias y por lo tanto, variar las propiedades coligativas de la mezcla.

Tambin es posible incluir componentes que no estn en la base de datos, ingresando

algunos de sus parmetros caractersticos.

2- Seleccin del paquete de propiedades para los fluidos

A continuacin en la pestaa Fluid Pkgs, presionar Add para que se despliegue una

nueva ventana, la cual permitir seleccionar un paquete de propiedades de los fluidos acorde a las

caractersticas del sistema formado por los componentes anteriormente seleccionados.

Este paso es muy importante, ya que definir la base de la simulacin. Si se tiene una buena

base, se tendr una buena simulacin, pero si se introduce un error desde el principio, ste se

agravar con el desarrollo de la simulacin.

En este ejemplo seleccionamos Antoine. Luego cerrar esta ventana

Permite filtrar por tipo de paquetes de

propiedades

Si existen reacciones qumicas se deben

especificar aqu



Este caso al ser muy sencillo (mezcla con comportamiento ideal) no requiere la definicin

de ningn otro parmetro en esta etapa, por lo cul, presionando el botn Enter Simulation

Environment se ingresa a una interfase que permite crear el diagrama de flujo del proceso (Process

Flow Diagram, PFD) y comenzar con la simulacin.

En otros casos puede ser necesario definir los coeficientes binarios de los pares de los

diversos componentes, parmetros para las reacciones qumicas, etc., antes de cerrar la ventana

Fluid Pakage.

Cabe destacar que en sta etapa deben definirse los modelos para el clculo de las entalpas

y dems propiedades.

3- El ambiente de simulacin

La funcin F4 permite visualizar u ocultar la paleta de operaciones unitarias

La paleta se puede dividir en cuatro secciones:

Corrientes: Materia ( ) y Energa ( ).

Equipos de separacin de fases, presin, transferencia de calor y reactores,

Paleta con operaciones

unitarias



Equipos de transferencia de masa (destilacin, absorcin)

Operaciones lgicas

4- Seleccin de un Sistema de Unidades

El sistema de unidades predeterminado en HYSYS es el SI, pero es posible cambiar el

sistema de unidades usado para exteriorizar las diferentes variables.

Para esto del men Tools, seleccione Preferentes. Luego cambie a la pestaa

variables, y a continuacin vaya a la opcin dentro de Variables que se llama Units; aqu se

puede seleccionar el sistema deseado.

Una alternativa es crear uno nuevo con el conjunto de unidades adecuadas para mostrar las

variables. Para ello seleccionar la pestaa Simulation, luego presionar Tool Tips y a

continuacin seleccionar User Defined Unit Set.



Pasar a la pestaa Variables, y al seleccionar Units aparecen los sistemas de unidades

(Por ejemplo, la unidad por defecto para la presin es kPa. Y se desea cambiar a atm.). Para crear el

nuevo conjunto presionar el botn Clone. NewUser aparecer resaltado en azul en Unit Set

Name (este es el nombre que asigna por defecto HYSYS al nuevo set de unidades); para cambiarlo

se debe ingresar el nombre a asignar al set de unidades en esta casilla y al hacer Enter se actualiza el

nombre en el campo Available Unit Sets. A continuacin se pueden modificar las unidades

asignadas a cada variable.

Por ejemplo al seleccionar la celda Pressure y al hacer click en kPa se abre una lista

desplegable de las unidades disponibles, de la cual se selecciona atm, haciendo clic.

Una vez definido el nuevo conjunto de unidades se debe presionar el botn Close y se

regresa al entorno de simulacin.

Para guardar el sistema de unidades definido presionar Save Preference Set.

Para cargar este sistema en un trabajo cualquiera Load Unit Set.



Luego cierre esta ventana haciendo clic en para volver a la simulacin.

5- Definicin de las corrientes

Para comenzar con al creacin del diagrama de flujo, se inserta una corriente (Material

Stream). Para realizar esto, de la paleta de operaciones unitarias, se selecciona la flecha azul y

luego se hace clic con el mouse en el lugar en donde se quiere colocar dicha corriente.

Realizando doble clic sobre la corriente se ingresa a una tabla en donde se pueden definir

sus propiedades.

Para este ejemplo se deben establecer nombre, flujo msico, temperatura, presin y

composicin molar. Una vez que la corriente est adecuadamente definida, la barra de estado



(coloreada originalmente de amarillo), que se encuentra en la parte inferior de la tabla, se vuelve

color verde y con al leyenda OK. Todas las operaciones que presentan barra de estado obedecen

al mismo criterio.

Los valores que se encuentran en azul son los que fueron ingresados por el usuario y se

pueden modificar. Los valores en negro son calculados por HYSYS y no pueden ser modificados.

Las casillas con texto en rojo son de uso optativo por el usuario (poseen un valor calculado por

defecto).

Todos los componentes deben ser especificados en todas las corrientes (aun en el caso de no

estar presentes algunos de ellos se les debe asignar el valor cero a su composicin). Para realizar

esto presionar en la leyenda Composition, luego de lo cual aparece una nueva ventana la cual

contiene un listado de todos los componentes disponibles para esta simulacin.

En HYSYS se puede seleccionar la base para definir las composiciones haciendo clic en la

opcin Basis, apareciendo la siguiente ventana con opciones:

Si se desea definir una corriente exactamente igual a otra ya definida, se utiliza el botn

Define from Other Stream el cual despliega una nueva ventana en donde se selecciona la

corriente creada anteriormente del listado de todas las disponibles. Luego de este paso la nueva

corriente queda totalmente definida.

En este caso se debe seleccionar Mole Fractions



Se puede observar que las corrientes una vez definidas convierten su color de celeste a azul.

6- Diseo bsico de la torre de destilacin

Antes de insertar la operacin Destillation Column en el diagrama de flujos del proceso,

se deben conocer ciertos parmetros de la misma. Para ello se utiliza la operacin Short Cut

Destillation como herramienta auxiliar. Por tal razn, a continuacin vamos a insertar una

nueva corriente definida a partir de la creada en el paso 5, para que sea exactamente

igual. Para ello se utiliza el botn Define from Other Stream el cual despliega una nueva ventana en donde se selecciona la corriente creada anteriormente del listado de todas las disponibles. Luego

de este paso la nueva corriente queda totalmente definida.

Seguidamente se inserta la operacin Short Cut Destillation . Al hacer doble clic sobre

esta operacin se despliega una ventana en la cual hay que definir todas las corrientes que

intervendrn. Estas corrientes no forman parte del proceso en si, sino que son auxiliares para lograr

el diseo de la torre. La siguiente figura se puede tomar de gua para completar este paso.

Una vez completado el cuadro de conexiones, se habrn creado nuevas corrientes de materia

y energa (esta es otra forma de definir nuevas corrientes).

Dentro de Parameters se definen los componentes claves liviano y pesado, especificando

los lmites correspondientes a cada uno.



Para este ejemplo la presin de trabajo del condensador y reboiler es la

atmosfrica y la relacin de reflujo actual External Reflux Ratio se define como 1,45

veces la relacin mnima (Minimum Reflux Ratio) calculada por HYSYS.

En la pestaa Performance aparecen todos los parmetros calculados por HYSYS, los

cuales a continuacin se utilizarn para definir la torre de destilacin que formara parte del

diagrama de flujo y poder realizar as un diseo ms detallado.

7- Cmo se inserta una torre de destilacin en el diagrama de flujo?



Para esto se debe recurrir a insertar en el PFD la operacin Destillation Column , la

cual tendr por alimentacin la corriente generada en un principio (en este ejemplo lleva el nombre

alimentacin).

Al realizar doble clic sobre la torre se puede comenzar con las especificaciones:

de las corrientes que van a formar parte de la operacin,

el nmero de platos que ha de constituir la torre

la ubicacin del plato de alimentacin y

las caractersticas del condensador (para este ejemplo se utilizar un condensador

total).

Todos estos datos se extraen del diseo bsico realizado anteriormente con la herramienta

Short Cut.

Cuando queda habilitado para ser presionado el botn Next, se est en condiciones de

continuar con el siguiente paso, en donde se especifican las presiones de trabajo del condensador y

reboiler (para este ejemplo ambas 1 atm).

El siguiente paso es de llenado opcional (se pueden especificar las temperaturas de salida del

condensador y del reboiler)

En el ltimo paso se ha de ingresar la relacin de reflujo y luego hacer clic en el botn

Done.



A continuacin aparece una ventana en donde se muestra el resumen de las especificaciones

establecidas en los pasos anteriores.

En casos ms complejos podran aparecer otras corrientes de alimentacin las cuales pueden

ingresar en el mismo plato o en platos distintos (todo esto se especifica en Inlet Streams)

La barra de estado en esta operacin permanecer en rojo y con al leyenda Unconverged

hasta que se presione el botn Run y converja su clculo, momento en el cual la barra de estado

se vuelve color verde y con la frase Converged.

Un error comn es no haber especificado la relacin de reflujo en cuyo caso la torre dar un

mensaje de error. Para especificar este valor (si no se hizo anteriormente o para cambiar su valor) se

debe ir a Monitor (en la barra a la izquierda de la pantalla). En esta ventana tambin se pueden

observar los perfiles de temperatura, presin y flujo a lo largo de toda la torre.

8- Cmo incrementar el detalle en el diseo de la torre de destilacin?

Para esto se utiliza la herramienta Tray Sizing, la cual se encuentra seleccionando de la

barra de men Tools; Utilities y luego de la ventana desplegada que contiene todas las

utilidades disponibles seleccionar Tray Sizing y presionar el botn Add Utility.



Se comienza seleccionando la operacin sobre la cual se ha de trabajar. Para esto se presiona

el botn Select TS, el cual despliega una ventana que permite al seleccin del equipo sobre el

cual se va a trabajar.

Una vez seleccionado el equipo se presiona OK, luego de lo cual se regresa a la venta

anterior.

Para comenzar con el diseo de detalle presionar el botn Auto Section (el cual ahora esta

habilitado). Al realizar esta accin se despliega una nueva ventana, la que permite la adopcin del

tipo de plato:

Las opciones son:

Platos con campanas de burbujeo (Bubble Cap)



Platos con vlvulas (Valve)

Platos perforados (Sieve)

Relleno (Packet)

Al presionar Next, HYSYS muestra una ventana que permite la especificacin de algunas

de las propiedades de las campanas, platos, etc. (Se pueden modificar los valores sugeridos)

Mediante el botn Complete AutoSection se termina el clculo de la torre.

Para poder revisar los valores calculados se debe ingresar en la pestaa Performance



9- Calculo de los requerimientos de servicios auxiliares

Para realizar esto se deben agregar al PFD un enfriador (Cooler) y un calentador

(Heater) .

Adems se deben crear las corrientes de agua de enfriamiento, vapor y condensado segn las

especificaciones presentadas para el caso en estudio.

A continuacin se deben conectar al Heater la corriente de energa vinculada al

condensador de la torre y las dos corrientes de agua de enfriamiento. Por otra parte, se deben

vincular al Cooler las corrientes de vapor de agua, condensado y la de energa vinculada al

reboiler de la torre de destilacin.

Para ambos equipos se asume una cada de presin nula, la cual debe ser especificada en la

opcin Parameter, dentro de la ventana Desing de cada uno de los intercambiadores.

NOTA:

Si en vez de una mezcla ideal se procesara una no ideal, por ejemplo azeotrpica (agua-

benceno-alcohol), deberan modificarse varios pasos de sta gua. Adems de los cambios lgicos

(distintos componentes, otra columna, etc.), existen otros temas conceptuales que seran diferentes.

Por ejemplo, la metodologa para estimar las propiedades fisicoqumicas (K, H, etc.), sern las

apropiadas para tal mezcla.

Los clculos para estimar el mnimo reflujo, plato de alimentacin, mnimo nmero de

etapas, ahora tampoco seran los adecuados, debido al error que se introduce.

Podra ejercitar esto ejecutando por su cuenta un ejemplo para separar dicha mezcla en una

columna, fijando una alimentacin y especificando la pureza deseada por tope, y los dems

parmetros necesarios.

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