tesis hysys

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA “SIMULACIÓN ESTACIONARIA Y DINAMICA DE UN PROCESO DE PRODUCCIÓN DE DIETILEN GLICOL MEDIANTE EL SIMULADOR HYSYS 3.2” AREQUIPA – 2010 i

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Page 1: tesis HYSYS

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA

FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

“SIMULACIÓN ESTACIONARIA Y DINAMICA DE UN

PROCESO DE PRODUCCIÓN DE DIETILEN GLICOL

MEDIANTE EL SIMULADOR HYSYS 3.2”

AREQUIPA – 2010

i

Page 2: tesis HYSYS

PRESENTACIÓN

Señor Decano de la Facultad de Ingeniería de Procesos

Señora Director de la Escuela Profesional de Ingeniería Química

Señores Miembros del Jurado

“SIMULACIÓN ESTACIONARIA Y DINAMICA DE UN PROCESO

DE PRODUCCIÓN DE DIETILEN GLICOL MEDIANTE EL

SIMULADOR HYSYS 3.2”

ÍNDICE

DEDICATORIA....................................................................................................... ii

PRESENTACIÓN...................................................................................................iii

ÍNDICE.................................................................................................................... iv

ÍNDICE DE FIGURAS........................................................................................viii

ÍNDICE DE TABLAS...........................................................................................xiv

CAPITULO I..............................................................................................................2

GENERALIDADES....................................................................................................2

1.1 PROBLEMA EN INVESTIGACIÓN-------------------------------------------------2

1.2 ANTECEDENTES-----------------------------------------------------------------------2

1.3 FUNDAMENTOS DEL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN------------------3

1.4 OBJETIVOS------------------------------------------------------------------------------4

1.4.1 OBJETIVO GENERAL-----------------------------------------------------------------4

1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS---------------------------------------------------------4

1.5 JUSTIFICACIÓN-------------------------------------------------------------------------4

1.5.1 JUSTIFICACIÓN TECNOLÓGICA--------------------------------------------------4

1.5.2 JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA-----------------------------------------------------5

1.5.3 JUSTIFICACIÓN SOCIAL-------------------------------------------------------------5

1.5.4 ALCANCES-------------------------------------------------------------------------------5

1.5.5 RESTRICCIONES-----------------------------------------------------------------------6

ii

Page 3: tesis HYSYS

1.6 HIPÓTESIS-------------------------------------------------------------------------------6

1.7 ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS---------------------------------------------6

CAPÍTULO II.............................................................................................................8

MARCO CONCEPTUAL...........................................................................................8

2.1 SIMULADOR HYSYS------------------------------------------------------------------8

2.1.1 SIMULACION DE PROCESOS------------------------------------------------------9

2.1.2 SIMULADOR HYSYS-----------------------------------------------------------------10

2.1.3 ENTORNO HYSYS--------------------------------------------------------------------11

2.1.3.1 ABRIR SESIÓN------------------------------------------------------------------------11

2.1.3.2 INICIAR UN NUEVO CASO---------------------------------------------------------12

2.1.3.3 INGRESO DE COMPONENTES--------------------------------------------------14

2.1.3.4 EL PAQUETE DE FLUIDOS: FLUID PACKAGE------------------------------17

2.1.3.5 EXPORTANDO  FLUID PACKAGES---------------------------------------------20

2.1.3.6 GUARDANDO EL TRABAJO-------------------------------------------------------22

2.1.3.7 INGRESAR AL ENTORNO DE LA SIMULACIÓN.----------------------------22

2.1.3.8 ADICIONANDO CORRIENTES----------------------------------------------------24

2.1.3.9 CÁLCULOS INSTANTÁNEOS-----------------------------------------------------33

2.1.3.10 EJEMPLOS DE CÁLCULOS INSTANTÁNEOS-------------------------------33

2.1.3.11 HYSYS Y TERMODINÁMICA------------------------------------------------------36

2.1.3.12 SELECCIÓN DE UN PAQUETE DE PROPIEDADES-----------------------36

2.1.3.13 ECUACIÓN DE ESTADO------------------------------------------------------------37

2.1.3.14 MODELOS PARA ACTIVIDADES-------------------------------------------------37

2.1.3.15 PROPIEDADES FÍSICAS Y TERMODINÁMICAS----------------------------38

2.2 MARCO TEÓRICO DE LA DESTILACIÓN--------------------------------------39

2.2.1 DEFINICIÓN DE DESTILACION--------------------------------------------------39

2.2.2 TIPOS DE DESTILACION-----------------------------------------------------------40

2.2.3 CARACTERISTICAS DE DISENO Y OPERACIONES DE COLUMNAS

DE PLATOS.----------------------------------------------------------------------------45

2.3 MARCO TEORICO DE REACTORES-------------------------------------------49

2.3.1 DEFINICIÓN DE REACCIÓN QUÍMICA.----------------------------------------49

iii

Page 4: tesis HYSYS

2.3.2 DEFINICIÓN DE REACTOR QUÍMICO.-----------------------------------------51

2.3.3 REACTOR CSTR----------------------------------------------------------------------55

2.4 CREACIÓN DEL MODELO---------------------------------------------------------65

2.5 PROCESO DE SIMULACIÓN------------------------------------------------------65

2.6 CLASIFICACIÓN DE LA SIMULACIÓN A UTILIZAR-------------------------66

2.7 ETILENGLICOL------------------------------------------------------------------------67

2.8 DIETILENGLICOL---------------------------------------------------------------------69

2.9 ÓXIDO DE ETILENO-----------------------------------------------------------------70

.

CAPÍTULO III...........................................................................................................71

PLANEAMIENTO OPERACIONAL Y CORRIDAS DE PRUEBA...........................71

3.1 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN-------------------------------------71

3.2 VARIABLES A EVALUAR-----------------------------------------------------------71

3.3 MATERIALES Y EQUIPOS---------------------------------------------------------72

3.4 ALGORITMO DE TRATAMIENTO SELECCIONADO------------------------72

3.5 RECOLECCIÓN DE DATOS-------------------------------------------------------73

3.6 SIMULACIÓN DEL PROCESO----------------------------------------------------73

3.7 CINÉTICA DEL PROCESO---------------------------------------------------------78

3.8 DISEÑO DE FLOWSHEET---------------------------------------------------------82

3.9 BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA------------------------------------------101

3.10 SIMULACIÓN DINAMICA DEL PROCESO-----------------------------------101

CAPÍTULO IV........................................................................................................115

RESULTADOS Y DISCUSIÓN..............................................................................115

4.1. EVALUACIÓN DE LAS PRUEBAS----------------------------------------------115

4.2. APLICACIÓN DE MÉTODO DE OPTIMIZACIÓN SELECCIONADO A

PRUEBAS------------------------------------------------------------------------------122

4.3. EVALUACIÓN DE RESULTADOS DE ACUERDO AL MÉTODO DE

OPTIMIZACIÓN----------------------------------------------------------------------134

4.4. ACEPTACIÓN O RECHAZO DE LA INVESTIGACIÓN--------------------137

iv

Page 5: tesis HYSYS

CONCLUSIONES..................................................................................................138

RECOMENDACIONES..........................................................................................140

BIBLIOGRAFÍA.....................................................................................................141

v

Page 6: tesis HYSYS

ÍNDICE DE FIGURAS

FIGURA 2.1 Inicio de Hysys-----------------------------------------------------------------11

FIGURA 2.2 Simulations Basis Manager------------------------------------------------13

FIGURA 2.3 Componentes del Simulations Basis Manager------------------------14

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

FIGURA 2.4 Lista de Componentes------------------------------------------------------16

FIGURA 2.5 Lista de Componentes------------------------------------------------------16

FIGURA 2.6 Fluid Package-----------------------------------------------------------------18

FIGURA 2.7 Fluid Package Binary Coefficient-----------------------------------------20

FIGURA 2.8 Fluid Package Binary Coefficient-----------------------------------------20

FIGURA 2.9 Export Fluid Package Binary Coefficient-------------------------------21

FIGURA 2.10 Save Export Fluid Package----------------------------------------------21

FIGURA 2.11 Guardar su trabajo----------------------------------------------------------22

FIGURA 2.12 Pagina de simulación de Hysys 3.2------------------------------------23

FIGURA 2.13 Simulación de un Proceso------------------------------------------------24

FIGURA 2.14 Flujo desde la Paleta de Objetos---------------------------------------25

FIGURA 2.15 Visor de Propiedades------------------------------------------------------25

FIGURA 2.16 Ingresando datos-----------------------------------------------------------26

FIGURA 2.17 Ingresando Composición-------------------------------------------------26

FIGURA 2.18 Ingresando Composición en flujo---------------------------------------27

FIGURA 2.19 Completando Composición en flujo------------------------------------27

FIGURA 2.20 Completando propiedades-----------------------------------------------28

FIGURA 2.21 Workbook---------------------------------------------------------------------28

FIGURA 2.22 Ingresando datos al Workbook------------------------------------------29

FIGURA 2.23 Ingresando datos de composición--------------------------------------29

FIGURA 2.24 Workbook completo--------------------------------------------------------30

vi

Page 7: tesis HYSYS

FIGURA 2.25 PFD-----------------------------------------------------------------------------30

FIGURA 2.26 Visor de Propiedades------------------------------------------------------31

FIGURA 2.27 Composición en fracción molar-----------------------------------------31

FIGURA 2.28 Corrientes creadas---------------------------------------------------------32

FIGURA 2.29 Composición de Corrientes en el Workbook-------------------------32

FIGURA 2.30 Composición de Corrientes de Tolueno-------------------------------33

FIGURA 2.31 Composición del workbook-----------------------------------------------34

FIGURA 2.32 Punto de Roció--------------------------------------------------------------34

FIGURA 2.33 Punto de burbuja------------------------------------------------------------35

FIGURA 2.34 Corriente totalmente definida--------------------------------------------35

FIGURA 2.35 Elección de modelo termodinámico------------------------------------39

FIGURA 2.36 Diagrama de balances de materia para una columna

de fraccionamiento continúo.--------------------------------------------47

FIGURA 2.37 Esquemas de reactores CSTR------------------------------------------56

FIGURA 2.38 Diagrama causal de la operación del reactor CSTR

con intercambio de calor, en el que ocurre una

reacción exotérmica--------------------------------------------------------57

FIGURA 2.39 Modelo a simular------------------------------------------------------------65

FIGURA 3.1 Diagrama de flujo del proceso de producción de Etilen Glicol---68

FIGURA 3.2 Algoritmo de simulacion----------------------------------------------------69

FIGURA 3.3 Preferencia de Unidades--------------------------------------------------71

FIGURA 3.4 Editando Unidades-------------------------------------------------------72

FIGURA 3.5 Editando Unidades----------------------------------------------------------72

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

FIGURA 3.6 Editando Fluid Package----------------------------------------------------73

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

FIGURA 3.7 Editando Modelo termodinamico----------------------------------------73

vii

Page 8: tesis HYSYS

FIGURA 3.8 Editando Modelo termodinamico-----------------------------------------74

FIGURA 3.9 Componentes seleccionados---------------------------------------------74

FIGURA 3.10 Coeficientes binarios-----------------------------------------------------75

FIGURA 3.11 Pagina de reacciones----------------------------------------------------76

FIGURA 3.12 Añadiendo componentes------------------------------------------------76

FIGURA 3.13 Estequiometria de las reacciones-------------------------------------77

FIGURA 3.14 Seleccionando modelo cinético----------------------------------------78

FIGURA 3.15 Constantes de reacción-------------------------------------------------78

FIGURA 3.16 Seleccionando segundo modelo cinético---------------------------79

FIGURA 3.17 Paleta de herramientas--------------------------------------------------80

FIGURA 3.18 Ingresando datos de operación----------------------------------------81

FIGURA 3.19 Ingresando Composición------------------------------------------------81

FIGURA 3.20 Ingresando datos de operación----------------------------------------82

FIGURA 3.21 Conexiones del Mixer----------------------------------------------------83

FIGURA 3.22 Reactor CSTR-------------------------------------------------------------83

FIGURA 3.23 Reacciones del Reactor CSTR----------------------------------------84

FIGURA 3.24 Worksheet del Reactor CSTR------------------------------------------85

FIGURA 3.25 Flowsheet preparado hasta el momento----------------------------86

FIGURA 3.26 Opción Set------------------------------------------------------------------87

FIGURA 3.27 Select Tarjet Object-------------------------------------------------------87

FIGURA 3.28 Set 1- Conexiones---------------------------------------------------------88

FIGURA 3.29 Set 1- Parámetros---------------------------------------------------------88

FIGURA 3.30 Databook---------------------------------------------------------------------89

FIGURA 3.31 Variables de Databook---------------------------------------------------89

FIGURA 3.32 Databook--------------------------------------------------------------------90

FIGURA 3.33 Databook Case Studies--------------------------------------------------90

viii

Page 9: tesis HYSYS

FIGURA 3.34 Case Studies----------------------------------------------------------------91

FIGURA 3.35 Grafico de Resultados---------------------------------------------------91

FIGURA 3.36 Completando Flowsheet-------------------------------------------------92

FIGURA 3.37 Válvula------------------------------------------------------------------------93

FIGURA 3.38 Válvula Parámetros ------------------------------------------------------93

FIGURA 3.39 Paleta de Destilación-----------------------------------------------------94

FIGURA 3.40 Propiedades de la columna de destilación Pág. 1-----------------94

FIGURA 3.41 Propiedades completas de destilación Pág. 1----------------------95

FIGURA 3.42 Propiedades Specs--------------------------------------------------------96

FIGURA 3.43 Add Specs ------------------------------------------------------------------96

FIGURA 3.44 Fracción de Agua----------------------------------------------------------96

FIGURA 3.45 Monitor de la Columna----------------------------------------------------97

FIGURA 3.46 Workbook---------------------------------------------------------------------97

FIGURA 3.47 Balance de Materia--------------------------------------------------------98

FIGURA 3.48 Flowsheet--------------------------------------------------------------------99

FIGURA 3.49 Vapour Valve del Reactor CSTR--------------------------------------100

FIGURA 3.50 Vapour Valve del Reactor CSTR--------------------------------------101

FIGURA 3.51 Controlador PID-----------------------------------------------------------102

FIGURA 3.52 Select Input Pv-------------------------------------------------------------102

FIGURA 3.53 Reactor LC-----------------------------------------------------------------103

FIGURA 3.54 Tunning----------------------------------------------------------------------104

FIGURA 3.55 Variables del reactor a graficar----------------------------------------106

FIGURA 3.56 Variables del reactor-----------------------------------------------------107

FIGURA 3.57 Integrador-------------------------------------------------------------------107

FIGURA 3.58 Variables de Interés------------------------------------------------------108

FIGURA 3.59 Simulación de variables------------------------------------------------109

ix

Page 10: tesis HYSYS

FIGURA 3.60 Reactor TC Tunning------------------------------------------------------110

FIGURA 3.61 Evolución de la rampa en el set point-------------------------------110

FIGURA 3.62 History Data----------------------------------------------------------------111

FIGURA 4.1 Workbook para 500 Kgmol/h--------------------------------------------112

FIGURA 4.2 Workbook - Composición para 500 Kgmol/h-------------------------113

FIGURA 4.3 Workbook para 750 Kgmol/h---------------------------------------------113

FIGURA 4.4 Workbook - Composición para 750 Kgmol/h------------------------114

FIGURA 4.5 Workbook para 1000 Kgmol/h-------------------------------------------114

FIGURA 4.6 Workbook - Composición para 1000 Kgmol/h-----------------------115

FIGURA 4.7 Workbook - Composición 1000 Kgmol/h y 5 Atm-------------------116

FIGURA 4.8 Workbook - Composición 1000 Kgmol/h y 10 Atm-----------------116

FIGURA 4.9 Workbook - Composición 1000 Kgmol/h y 15 Atm-----------------117

FIGURA 4.10 Workbook – Temperatura de 30ºC-----------------------------------118

FIGURA 4.11 Workbook - Temperatura de 50ºC------------------------------------118

FIGURA 4.12 Workbook - Temperatura de 80ºC------------------------------------119

FIGURA 4.13 Select Tarjet Object-------------------------------------------------------120

FIGURA 4.14 Set 1- Conexiones--------------------------------------------------------121

FIGURA 4.15 Set 1- Parámetros---------------------------------------------------------121

FIGURA 4.16 Databook--------------------------------------------------------------------122

FIGURA 4.17 Variables de Databook---------------------------------------------------122

FIGURA 4.18 Databook--------------------------------------------------------------------123

FIGURA 4.19 Databook Case Studies-------------------------------------------------123

FIGURA 4.20 Case Studies---------------------------------------------------------------124

FIGURA 4.21 Gráfico de Resultados---------------------------------------------------125

FIGURA 4.22 Workbook del Set---------------------------------------------------------125

FIGURA 4.23 Composición del Set-----------------------------------------------------126

x

Page 11: tesis HYSYS

FIGURA 4.24 Composición del Set-----------------------------------------------------126

FIGURA 4.25 Condiciones del CSTR--------------------------------------------------127

FIGURA 4.26 Composición del CSTR-------------------------------------------------128

FIGURA 4.27 Conversión de las reacciones------------------------------------------128

FIGURA 4.28 Condiciones del CSTR--------------------------------------------------129

FIGURA 4.29 Condiciones del CSTR--------------------------------------------------130

FIGURA 4.30 Flujo de alimentación al mixer-----------------------------------------131

FIGURA 4.31 Composición de alimentación al mixer------------------------------132

FIGURA 4.32 Porcentaje de Conversión en el CSTR------------------------------132

FIGURA 4.33 Porcentaje de Conversión en el CSTR------------------------------133

FIGURA 4.34 Balance de todo el proceso---------------------------------------------133

xi

Page 12: tesis HYSYS

ÍNDICE DE TABLAS

TABLA 2.1 Opciones Termodinámicas-----------------------------------------------------19

TABLA 2.2 Opciones Termodinámicas-----------------------------------------------------36

TABLA 2.3 Modelos de Actividades---------------------------------------------------------38

TABLA 3.1 Variables a Controlar------------------------------------------------------------68

TABLA 3.2 Reacciones Químicas-----------------------------------------------------------68

TABLA 3.3 Variables a Controlar------------------------------------------------------------70

TABLA 3.4 Datos de Operación--------------------------------------------------------------80

TABLA 3.5 Datos de composición-----------------------------------------------------------80

TABLA 3.6 Parámetros-----------------------------------------------------------------------103

TABLA 3.7 Parámetros PID-----------------------------------------------------------------104

TABLA 3.8 Etapas a seguir------------------------------------------------------------------105

TABLA 3.6 Parámetros-----------------------------------------------------------------------103

xii

Page 13: tesis HYSYS

CAPITULO I

GENERALIDADES

1.1 PROBLEMA EN INVESTIGACIÓN

La profesión de Ingeniería Química en uno de sus cursos de formación

profesional se imparte el de Modelamiento y Simulación donde se debe de

usar modelos y simuladores, para solucionar procesos industriales, pero

nosotros no tuvimos la oportunidad hasta que egresamos de usar ningún

simulador, sin embargo en el mercado internacional se conocen muchos

simuladores en la actualidad, que pueden representar fehacientemente un

proceso industrial y proporcionarnos información muy similar a lo sucedido

en la realidad. Entre estos simuladores más importantes se encuentran el

Chemcad y el Hysys

La problemática que se plantea es el de aprender a utilizar y aplicar este

simulador aprovechando sus bondades para representar procesos

industriales y que posteriormente se pueda implementar su utilización dentro

del curso de Modelamiento y Simulación de Procesos, para simular todo tipo

de operación y proceso y hasta la resolución de condiciones

termodinámicas, transferencia de masa y transporte y diseño de reactores,

transporte de calor, diseño de equipo con respuestas muy exactas a la

realidad. Lo que nos permitiría tener un nivel competitivo mayor que las

demás universidades y nos proporcionaría una herramienta muy útil que nos

ahorraría mucho en costos de investigación.

Mediante una investigación profunda de las bondades que ofrece este

simulador, Podríamos simular el proceso de producción del Dietilenglicol,

para condiciones de operación muy variadas, determinando las condiciones

más optimas para este proceso

1.2 ANTECEDENTES

En este trabajo, enfocaremos las motivaciones, que nos llevaran hacer una

investigación de un proceso de simulación mediante un software comercial

de simulación.

Page 14: tesis HYSYS

En el punto 1.7 haremos la revisión de los antecedentes investigativos

referentes a este tipo de investigación.

El ámbito geográfico al que se circunscribirá este estudio será

específicamente a la Simulación de un proceso Industrial mediante el uso del

simulador HYSYS en la Escuela Profesional de Ingeniería Química de la

UNSA.

1.3 FUNDAMENTOS DEL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN

En la actualidad cada día se cuenta con un mayor desarrollo y auge de las

Tecnologías de la Información y la Comunicación por lo que todas las

profesiones con carácter tecnológico van usando la computación como

herramienta para poder desarrollar software que hace posible más rápido y

exactamente representar lo que sucede en un proceso, operación unitaria, o

proceso tecnológico contribuyendo de esta forma en el aprendizaje de

dichas operaciones y procesos y en la industria haciendo posible

correcciones adecuadas para obtener una producción de calidad y sin

pérdidas de tiempo y económicas contribuyendo con los supervisores y

operadores de las plantas a evitar las correcciones empíricas que se

acostumbraban a hacer basados en la experiencia de operación adquiridas

pero que en muchas ocasiones solamente permiten pérdidas económicas de

algunas materias primas o simplemente alargar el proceso sin conseguir

optimizarlo.

Viéndolo de esta forma podríamos investigar y aprovechar las bondades del

Simulador Hysys y proceder a diseñar procesos dinámicos o estáticos para

las diferentes operaciones y procesos lo que permitiría mejorar la

competitividad y bajar los costos de producción conociendo de estos

simuladores de Procesos Químicos.

Esta investigación apunta a utilizar las diferentes funciones, comandos y

herramientas del Simulador Hysys para poder simular completamente

cualquier Proceso u Operación Unitaria pudiendo en corto tiempo recibir

Page 15: tesis HYSYS

respuesta lo más próximo posibles a la realidad, obtenidas mediante este

software y conseguir optimizar las corrientes de alimentación y producto y

ahorrarnos el proceso de investigación de laboratorio.

1.4 OBJETIVOS

1.4.1 OBJETIVO GENERAL

Modelar y simular con el software Hysys un proceso estático y dinámico de

producción de Dietilen glicol, controlando todas sus variables de producción,

para optimizar su rendimiento.

1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Construir el Flowsheet de producción.

Resolver los balances de Masa y Energía.

Diseñar la cinética de reacción del proceso en los reactores utilizados.

Diseñar el mixer, reactor y columna de destilación a utilizar en todo el

proceso de producción industrial.

Correr el Proceso Industrial en modo estático y dinámico, optimizando

corrientes de alimentación y salida.

Determinar la eficiencia de la producción a condiciones simuladas.

1.5 JUSTIFICACIÓN

1.5.1 JUSTIFICACIÓN TECNOLÓGICA

El contar con diversos software que simulen procesos u operaciones

en la industria de procesos y en especial en Ingeniería Química nos

permitiría a largo plazo adaptar estos software directamente al

proceso industrial para el control automático a través de

instrumentación digital, también sería una herramienta importante

para el proceso de enseñanza-aprendizaje y comprensión,

permitiendo profesionales que puedan mejorar y optimizar proceso

industriales en particular.

Aplicar modelamiento y simulación, requiere de software y la

Page 16: tesis HYSYS

aplicación de tecnología computacional, que es de sumo interés que

el profesional de procesos moderno, pueda diseñarlo de acuerdo a

sus necesidades y exigencias, convirtiéndose en un nuevo campo

tecnológico de los profesionales de Ingeniería de procesos.

1.5.2 JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA

La utilización del simulador Hysys por un profesional de Ingeniería

Química en forma expeditiva permite en el campo profesional estar a

la vanguardia, mejorando de esta forma su calidad y por ende sus

ingresos económicos a las empresas que usen sus servicios les

permitiría ahorrar buenas sumas de dinero evitándose costos de

investigación de laboratorio, pérdidas de tiempo que ocasionan las

pruebas, pérdidas económicas debido al uso de materia prima o de

tiempo de operación de planta para la evaluación de estas pruebas.

1.5.3 JUSTIFICACIÓN SOCIAL

El uso del software simulador Hysys permitiría logros educativos

importantes para la ingeniería de procesos, permite que muchos

usuarios que en la actualidad no tienen una amplia visión de estos

procesos industriales, pueda desenvolverse mejor en el campo

educativo de pregrado, adquiriendo una cimentación más amplia de

su carrera, lo cual redundaría en un mejor servicio profesional

posterior.

La aplicación de las TICs al proceso educativo, mediante el uso de la

computadora y de los diversos paquetes, podría contribuir

ampliamente al interés de conocer más profundamente cada proceso

llevado a cabo en la industria. También incentivaría la exploración,

investigación y desarrollo de nuevos software específicos y más

cómodos económicamente que el mencionado.

1.5.4 ALCANCES

Las pruebas de esta investigación se llevaran a cabo a nivel de

laboratorio de Cómputo.

Page 17: tesis HYSYS

Dentro del proceso de modelamiento y simulación se estudiará y

optimizará el proceso mediante el uso de balances de materia,

determinación de la cinética más adecuada y destilación

apropiada.

1.5.5 RESTRICCIONES

El software no permitiría ningún tipo de restricciones en lo que

respecta al proceso de simulación de las diversas variables a

controlar.

La validación se hará en función de información teórica procesada

através de cálculos teóricos, de un proceso de destilación.

1.6 HIPÓTESIS

Es factible Modelar y Simular un proceso industrial de producción de Dietilen

glicol, controlando y optimizando adecuadamente las variables de

producción ahorrándonos tiempo y costo en el proceso de investigación en

laboratorio, mediante el uso del Simulador Hysys.

1.7 ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS

Respecto a este Tema en la Escuela Profesional de Ingeniería Química no

se encuentran ningún antecedente investigativo sobre utilización del

software Hysys si se encuentran temas sobre el simulador Chemcad.

A nivel Internacional si se encuentra aplicación del software de Hysys para

Ingeniería de Procesos como: “Determinación de la curva de destilación

flash para cortes de petróleo utilizando simuladores comerciales” de Enrique

Eduardo Tarifa1, Eleonora Erdmann2, Demetrio Humana3, Samuel Franco

Domínguez4 y Lorgio Mercado Fuentes5

RESUMEN

El presente trabajo describe un nuevo método para estimar la curva de

destilación flash EFV (equilibrium flash vaporización) para cortes de petróleo

utilizando simuladores comerciales. Para ello se implementa un modelo

Page 18: tesis HYSYS

estacionario de la destilación flash en un simulador comercial y se ajusta el

modelo utilizando una curva de destilación obtenida con procedimientos

estándares de laboratorio. Dicha curva puede ser del tipo TBP, ASTM D86,

D1160 o D2887, entre otras; e involucra un procedimiento experimental más

simple que el requerido para obtener la curva EFV. Para la simulación se

puede utilizar cualquier simulador comercial que sea capaz de modelar

petróleo, en este trabajo se emplearon los simuladores HYSYS y

CHEMCAD. Para evaluar el método propuesto se analizaron experi-

mentalmente varios tipos de petróleos y cortes de petróleo. Luego, de

acuerdo con el método propuesto, los datos obtenidos fueron ingresados a

un simulador para estimar las correspondientes curvas EFV. Las curvas

estimadas utilizando HYSYS y CHEMCAD fueron comparadas con las

producidas por dos métodos tradicionales de estimación: el de Edmister y el

método de Maxwell. En todos los casos, las curvas estimadas por simulación

se aproximaron a la curva promedio de las de Edmister y Maxwell. El método

propuesto tiene varias ventajas: 1) evita la necesidad de obtener la curva

EFV en forma experimental; 2) es independiente del tipo de curva

experimental a utilizar para ajustar el modelo; 3) permite realizar

estimaciones para diferentes presiones utilizando una única curva experi-

mental como dato.

Page 19: tesis HYSYS

CAPÍTULO II

MARCO CONCEPTUAL

2.1 SIMULADOR HYSYS

La simulación consiste básicamente en construir modelos informáticos que

describen la parte esencial del comportamiento de un sistema de interés, así

como en diseñar y realizar experimentos con el modelo y extraer

conclusiones de sus resultados para apoyar la toma de decisiones.

Típicamente, se utiliza en el análisis de sistemas tan complejos que no es

posible su tratamiento analítico o mediante métodos de análisis numéricos.

Sus orígenes están en los trabajos de Suden para aproximar la distribución

que lleva su nombre, y los métodos que Von Newmann y Ulam introdujeron

para resolver ecuaciones integrales. Desde entonces, la Simulación ha

crecido como una metodología de experimentación fundamental en campos

tan diversos como la Economía, la estadística, la Informática o la Física, y

con enormes aplicaciones industriales y comerciales, como los simuladores

de vuelo, los juegos de simulación, o la predicción bursátil o meteorológica.

Existen diversas maneras para definir el término simulación. Sin embargo

debido a que se considera a la simulación como una extensión lógica y

natural de los modelos analíticos y matemáticos, inherentes a la

Investigación de Operaciones, la siguiente definición es considerada como

una de las más completas.

Simulación: “Es una técnica numérica para conducir experimentos en un

computador digital, la cual incluye ciertos tipos de relaciones lógicas y

matemáticas necesarias para describir la estructura y comportamiento de un

sistema complejo del mundo real sobre un periodo de tiempo”.

También se considera a la simulación como un proceso para describir la

esencia de la realidad, el cual incluye la construcción, experimentación y

manipulación de un modelo complejo en un computador.

Page 20: tesis HYSYS

El uso de la metodología de simulación ofrece ventajas y desventajas, entre

las cuales podemos mencionar las siguientes:

Ventajas:

1. La simulación hace posible estudiar y experimentar con las interacciones

complejas de un sistema dado (sin importar cual).

2. A través de la simulación podemos estudiar el efecto de cambios

ambientales, organizacionales de cierta información, en la operación del

sistema.

3. La observación detallada del sistema simulado nos permite tener una

mejor comprensión del mismo.

4. La experiencia al diseñar un modelo de simulación para computadora es

más valiosa que la simulación en sí.

5. La simulación nos permite experimentar con situaciones nuevas, para los

cuales no se tiene o hay poca información.

Desventajas:

1. Los modelos de simulación para computadora son costosos y requiere

tiempo para desarrollarse y validarse.

2. Se requiere gran cantidad de corridas para encontrar “soluciones

óptimas”.

3. Es difícil aceptar los modelos de simulación.

4. Los modelos de simulación no son de optimización directa (son modelos

de análisis).

5. Se pueden tener restricciones o limitaciones en la disponibilidad del

software requerido.

Page 21: tesis HYSYS

2.1.1 SIMULACION DE PROCESOS

Usa las relaciones físicas fundamentales:

• Balances de masa y energía

• Relaciones de equilibrio

• Correlaciones de velocidad (Reacción y transferencia de masa y

calor)

Predice

• Flujos, composiciones y propiedades de las corrientes

• Condiciones de operación

• Tamaño de equipo

Algunas aplicaciones

• Diseño y optimización de procesos

• Entrenamiento operativo de operarios

• Para llevar a cabo control de procesos (estrategias de control

predictivo FF).

2.1.2 SIMULADOR HYSYS

HYSYS es un software para la simulación de plantas petroquímicas y

afines. Incluye herramientas para estimar:

Propiedades físicas

Equilibrios líquido vapor,

Balances de materias y energía

Simulación de muchos equipos de ingeniería química.

Simula procesos en estado estacionario y dinámico.

Page 22: tesis HYSYS

Adquirido por Aspentech en 2004. Es un Software especializado para

la industria petroquímica.

Las principales ventajas de HYSYS son:

Su facilidad de uso (interfaz amigable)

Base de datos extensa (superada solo por la de Aspen Plus)

Utiliza datos experimentales para sus correlaciones. La mayoría

de los datos son experimentales, aunque algunos son estimados

(la mayoría de simuladores usa modelos predictivos como

UNIFAC)

Las principales desventajas de HYSYS son:

Pocas o nulas aplicaciones de sólidos

Software de optimización limitado (el optimizer no es muy

potente)

2.1.3 ENTORNO HYSYS

2.1.3.1 ABRIR SESIÓN

Abra HYSYS haciendo clic en INICIAR>Programas>Hyprotec>HYSYS

3.2>HYSYS

La primera vez que usted ejecute HYSYS  aparecerá en su pantalla la

ventana de inicio del programa. Por favor maximice esta ventana (para copar

toda la pantalla) dando un clic sobre el botón Maximice en la esquina

superior derecha de la ventana HYSYS. Se verá lo siguiente:

FIGURA 2.1. Inicio de Hysys

Page 23: tesis HYSYS

Fuente: Software Hysys 3.2

La línea del tope es llamada la Barra de títulos. Contiene el logotipo HYSYS

y nombre en el lado izquierdo, y los botones Minimizar, Restaurar, y Cerrar

en el lado derecho.

La siguiente línea es llamada la Barra de menús. Esta barra contiene las

órdenes del más alto nivel para HYSYS. Son:

 File Este comando es usado para definir formatos de salida, abrir

trabajos, imprimir y obtener información general sobre

HYSYS

Tools Esta orden  sirva para iniciar un trabajo de simulación

(Preferences)

Help Esta función da al usuario permiso de llamar las facilidades

de ayuda en línea.

La tercera línea (o barra) es llamada la Barra de herramientas. Contiene los

símbolos para directamente invocar atajos para las funciones diversas del

archivo que de otra manera se tiene acceso a través de los menús. Hasta

ahora no se difiere de otro software del entorno windows.

Page 24: tesis HYSYS

Lo demás de la ventana está inactivo en este nivel.

2.1.3.2 INICIAR UN NUEVO CASO

Haciendo clic en el botón  New Case . Aparece la ventana del

administrador básico de simulación Simulation Basis Manager

El Simulation Basis Manager  contiene una serie de pestañas que iremos

describiendo a continuación. La primera de ellas es fundamental y es donde

podemos elegir  los componentes de  nuestro trabajo. 

FIGURA 2.2. Simulations Basis Manager

Fuente: Software Hysys 3.2

Cuando seleccionamos la pestaña Components aparece un número de

botones:

View –  Le permite una Lista de Componentes Existente.

Add – Le permite crear una nueva Lista de Componentes.

Delete – Para borrar una Lista de Componentes.

Copy – Hace una copia de una Lista de Componentes existente.

Page 25: tesis HYSYS

Import – le permite importar una lista de componentes predefinida desde el

disco. Las Listas de Componentes tienen la extensión de archivo. fpk.

Export – le permite exportar una lista de componentes predefinida desde el

disco. Una Lista de componentes exportada puede ser usada en otro caso,

usando la función Import.

Usted puede usar <Ctrl><B> para reingresar al Basis Manager desde

cualquier punto en la simulación o haciendo clic en el botón de la barra de

herramientas.

2.1.3.3 INGRESO DE COMPONENTES

El primer paso para un trabajo en HYSYS es la definición de componentes,

los cuales  se pueden agrupar en una lista y guardarlos (Exportarlos) bajo un

determinado nombre

1. Seleccionamos la etiqueta Components del  Simulation Basis Manager  y

hacemos clic en Add con lo cual aparece la libreria de componentes. Esta

libreria en su parte izquierda tiene tres conceptos: Components (Los que

están en la base de datos del programa), Hypotetical (Cuando vamos a

formular un componente nuevo) y Other.

FIGURA 2.3. Componentes del Simulations Basis Manager

 Fuente: Software Hysys 3.2

Page 26: tesis HYSYS

2. Usted puede seleccionar componentes para su simulación usando varios

métodos diferentes:

Match celda 1. Seleccione uno de los tres formatos de nombres,

SimName, Full Name/ Synonym, o Formula seleccionando el

correspondiente radio button.

2.- Clic sobre la celda Match e ingresar el nombre del componente.

3. Una vez que el componente deseado es resaltado haga ya sea:

• Presione la tecla <Enter>

• Presione el botón Add Pure

• Doble clic en el componente para adicionarlo a su simulación.

Component List 1. Usando la barra de desplazamiento para la lista

principal de componentes, desplazarse a través de la lista hasta que

encuentre el componente deseado.

2. Para adicionar el componente hacer ya sea:

• Presione la tecla <Enter>

• Presione el botón Add Pure

• Doble clic en el componente para adicionarlo a su simulación.

Family Filter 1. Asegúrese que la celda Match esté vacía, y presione el

botón Family Filter….

2. Seleccionar la familia deseada desde Family Filter para desplegar

solamente el tipo de componente.

3. Use cualquiera de los dos métodos previos para desear desear el

componente deseado.

4. Para adicionar el componente hacer ya sea:

• Presione la tecla <Enter>

• Presione el botón Add Pure

• Doble clic en el componente para adicionarlo a su simulación.

Page 27: tesis HYSYS

Con la opción Filter, no solamente podemos buscar por familias de

componentes (alcoholes, aminas, misceláneo etc), sino podemos ver

cuáles son los Fluid Package recomendados para cada componente y

filtrar atendiendo a este método.

Nota: Usted puede añadir un rango de componentes resaltando el rango entero y presionando el botón  Add Pure.

3.  Seleccione de la librería de componentes Chloroform, Toluene, Ethanol,

H2O, Oxygen y Nitrogen.

FIGURA 2.4. Lista de Componentes

 Fuente: Software Hysys 3.2

4. Coloque un nombre a la lista de componentes, en este caso: Lista de

componentes-1,   presione la tecla <Enter> y cierre la ventana, con lo

cual de regreso al Simulation Basis Manager  aparece la lista creada

Page 28: tesis HYSYS

FIGURA 2.5. Lista de Componentes

Fuente: Software Hysys 3.2

La base de datos que contiene HYSYS es muy grande,  y trae cantidad

de componentes, pero es un simulador muy orientado a la empresa

petroquímica y es difícil encontrar componentes de otro tipo de

empresas, como son los sulfatos, óxidos y demás componentes

inorgánicos.

Las últimas versiones de HYSYS ya incluyen el paquete de electrolitos,

donde podemos incluir sustancias que están en forma de electrolitos y

pueden variar las propiedades coligativas de la mezcla.

También podemos incluir algunos componentes, que aunque no están en

la base de datos, se pueden adicionar ingresando sus parámetros

característicos del componente.

2.1.3.4 EL PAQUETE DE FLUIDOS: FLUID PACKAGE

HYSYS usa el concepto de Paquete de Fluído (Fluid Package) para contener

toda la información necesaria para  cálculos físicos de las propiedades de

componentes. Este acercamiento le permite definir toda información

(paquete de componentes, propiedades, parámetros de interacción,

reacciones, datos tabulares, componentes hipotéticos, etc.) Dentro de una

sola entidad.

Page 29: tesis HYSYS

Hay tres ventajas cruciales para este acercamiento:

Toda información asociada está definida en una sola posición,

permitiendo fácil creación y modificación de la información.

Los paquetes de fluidos pueden ser almacenados como una

entidad completamente separada para usarlo en una simulación.

Pueden ser usados múltiples paquetes de fluidos en la misma

simulación; Sin embargo, todos deben ser definidos dentro del

Administrador Base común (Basis Manager).

El Basis Manager de la simulación es una vista de la propiedad que le

permite crear y manipular cada Fluid Package en la simulación. Cuando

quiera que usted inicie un nuevo caso (New Case), HYSYS coloca a usted

en esta posición. Al abrir la pestaña Fluid Pkgs del Simulation Basis

Manager,  contiene la lista de definiciones corrientes de Fluid Package.

Usted puede usar múltiples Fluid Packages dentro de una simulación

asignándoselos a  diferentes flowsheets  y acoplando los flowsheets.

Selección del Fluid Package

El segundo paso para la simulación es definir el Fluid Package. Este paso es

muy importante y no se debe tomar a la ligera, ya que definirá la base de la

simulación. Si tenemos una buena base, tendremos una buena simulación,

pero si introducimos un error desde el principio, este se agravará con el

desarrollo de la simulación.

1.  En el Simulation Basis Manager  seleccione la etiqueta Fluid Pkgs y

sombrear la lista de componentes para la cual deseamos colocar la opción

termodinámica (Lista de Componentes -1)  y luego hacer clic en el botón

Add.

2.  Hacer clic en el radio botón (radio button) de Activity Models y seleccionar

NRTL como el paquete de propiedades (Property Package) para este caso.

Page 30: tesis HYSYS

FIGURA 2.6. Fluid Package

Fuente: Software Hysys 3.2

También debemos seleccionar la opción para el vapor en la esquina superior

derecha.

La siguiente Tabla es un breve resumen de las opciones termodinámicas

recomendadas para los coeficientes de actividad para diferentes

aplicaciones.

TABLA 2.1. Opciones Termodinámicas

Aplicación Margules vanLaar Wilson NRTL UNIQUAC

Sistemas binarios A A A A A

Sistemas de Múltiple

componentesLA LA A A A

Sistemas azeotrópicos A A A A A

Equilibrio Liquido-Liquido A A N/A A A

Sistemas diluidos ? ? A A A

Sistemas de asociación ? ? A A A

Page 31: tesis HYSYS

individual

Polímeros N/A N/A N/A N/A A

Extrapolación ? ? G G G

• A    = Aplicable• N/A = No Aplicable• ?    = Cuestionable• G   = Bueno • LA  = Aplicación Limitada

 Fuente: Manual Hysys 3.2

3.  Cambiar el nombre del nombre por defecto Basis-1 a Paquete-1. Hacer

esto haciendo clic en la celda "Name", y tipeando el nuevo nombre. Pulsar la

Tecla  <Enter> cuando haya finalizado. Luego cerrar la ventana.

 4.  Ir a la etiqueta de coeficientes binarios (Binary Coeffs).

FIGURA 2.7. Fluid Package Binary Coefficient

Fuente: Software Hysys 3.2

Presione el botón Unknowns Only para estimar los coeficientes ausentes.

Page 32: tesis HYSYS

Ver las matrices Aij, Bij y aij seleccionando el radio botón correspondiente.

La matriz Aij es mostrada a continuación:

FIGURA 2.8. Fluid Package Binary Coefficient

 Fuente: Software Hysys 3.2

2.1.3.5 EXPORTANDO  FLUID PACKAGES

HYSYS le permite exportar Fluid Packages para usarlos en otras

simulaciones. Esta funcionalidad le permite crear un simple y común  Fluid

Package el cual usted puede usarlo en múltiples casos.

1. Sobre la etiqueta de  Fluid Packages resalte el Fluid Package Paquete-1

FIGURA 2.9. Export Fluid Package Binary Coefficient

Page 33: tesis HYSYS

  Fuente: Software Hysys 3.2

2. Presione el botón Export.

3. Ingrese un único nombre (Paquete-1) para el Fluid Package y presione el

botón OK.

FIGURA 2.10. Save Export Fluid Package

  Fuente: Software Hysys 3.2

HYSYS automáticamente le adicionará la extensión .fpk cuando guarde su

Fluid Package. El archivo es automáticamente en el subdirectorio \HYSYS\

paks. Usted si desea puede seleccionar otro subdirectorio.

Ahora que el Fluid Package está completamente definido, usted está listo

para seguir adelante y empezar a construir la simulación. Presione el botón

Enter Simulation Environment o el botón Interactive Simulation Environment. 

2.1.3.6 GUARDANDO EL TRABAJO

Usted puede guardar su trabajo en cualquier momento para lo cual debe ir al

menu    File/ Save as   Y darle un nombre.

Page 34: tesis HYSYS

FIGURA 2.11. Guardar su trabajo

      Fuente: Software Hysys 3.2

En este caso HYSYS lo guarda con la extensión .hsc

2.1.3.7 INGRESAR AL ENTORNO DE LA SIMULACIÓN.

Desde el Simulation Basis Manager hacemos clic en  Enter Simulation

Environment.

Si no hemos definido el Fluid Package, el programa nos advierte que falta

definirlo. En este caso definimos un Fluid Package nuevo o importamos un

Fluid Package ya definido y guardado con anterioridad.

Se abre la siguiente ventana

Page 35: tesis HYSYS

FIGURA 2.12. Pagina de simulación de Hysys 3.2

      Fuente: Software Hysys 3.2

Esta es la pantalla principal de HYSYS donde realizaremos las simulaciones.

En este medio la simulación se hace muy visual y fácil de llevar. Hay oro

medio de simulación en HYSYS que veremos más adelante  el Workbook

La Paleta de Objetos la usaremos para seleccionar el equipo o el tipo de

corriente que queremos introducir en el sistema de simulación. Para ocultar

o hacer visible la paleta de objetos hay que pulsar F4. En versiones

superiores a la 3.1 hay un icono donde se puede hacer el mismo efecto que

F4.

La paleta se puede dividir en cuatro secciones, la primera es la dedicada a

las corrientes de materia (flecha azul) y energía (flecha roja). En la segunda

se muestran los equipos de separación de fases, presión, transferencia de

calor y reactores, la tercera muestra equipos de transferencia de masa

(destilación…) y la cuarta es la dedicada a la lógica.

Page 36: tesis HYSYS

FIGURA 2.13. Simulación de un Proceso

       Fuente: Software Hysys 3.2

2.1.3.8 ADICIONANDO CORRIENTES

En HYSYS, hay dos tipos de corrientes, Materia y Energía. Las corrientes de

Material tienen una composición y parámetros tales como temperatura,

presión y flujos. Estas son usadas para representar Corrientes de Proceso.

Las corrientes de energía tienen solamente un parámetro,  Flujo de Calor.

Estas son usadas para representar la carga suministrada a o por una Unidad

de Operación.

Existe una variedad de formas para adicionar las corrientes en HYSYS.

INGRESANDO CORRIENTES DESDE LA PALETA DE OBJETOS

1. Pulsemos en la paleta de objetos la flecha azul, es la correspondiente a

una corriente de materia y con el cursor nos colocaremos en el PFD,

volvemos a pulsar, el resultado es el siguiente:

Page 37: tesis HYSYS

FIGURA 2.14. Flujo desde la Paleta de Objetos

       Fuente: Software Hysys 3.2

2. Nosotros queremos definir la composición de esta corriente mediante la

especificación de los flujos de masa para cada componente. Hacemos

doble click en la corriente y aparece el visor de propiedades de las

corrientes Usted puede cambiar el nombre de la corriente simplemente

escribiendo un nombre nuevo en la caja Stream Name.

FIGURA 2.15. Visor de Propiedades

Page 38: tesis HYSYS

       Fuente: Software Hysys 3.2

 

3. Cambie el nombre de corriente para  Etanol y seleccionemos la opción

Composition en el menú Worksheet

FIGURA 2.16. Ingresando datos

       Fuente: Software Hysys 3.2

Por defecto, HYSYS selecciona la base para definir las composiciones

como fracción en masa. Pero esta opción lo podemos cambiar haciendo

click en la opción Basis, apareciendo la caja de diálogo siguiente

FIGURA 2.17. Ingresando Composición

Page 39: tesis HYSYS

        Fuente: Software Hysys 3.2

4. Seleccionamos la opción para las composiciones Flujo de masa en este

caso (Mass Flows), cerramos la caja y regresamos a la caja anterior

donde ingresamos los flujos de masa de los componentes

FIGURA 2.18. Ingresando Composición en flujo

        Fuente: Software Hysys 3.2

5. Presione el botón OK cuando se han ingresado todos los flujos de masa.

FIGURA 2.19. Completando Composición en flujo

Page 40: tesis HYSYS

        Fuente: Software Hysys 3.2

6. Si regresamos a propiedades, vemos lo siguiente:

FIGURA 2.20. Completando propiedades

        Fuente: Software Hysys 3.2

Se ha actualizado las cantidades de masa y moles de la corriente, pero

faltan aún otros valores, para lo cual es necesario ingresar dos

parámetros de los que están indicados con azul y la palabra <empty>. La

falta de información para definir completamente la corriente indica la

barra amarilla de la parte inferior. Cerrar el visor de Propiedades de las

corrientes.

Page 41: tesis HYSYS

INGRESANDO CORRIENTES DESDE EL WORKBOOK

1. Para abrir o desplegar el Workbook, presione el botón de Workbook

sobre la barra de botones.

FIGURA 2.21. Workbook

        Fuente: Software Hysys 3.2

2. Ingrese el nombre de la corriente, Tolueno en la celda **New**, y luego

seleccione la pestaña Compositions. Aparece la siguiente caja de diálogo

FIGURA 2.22. Ingresando datos al Workbook

         Fuente: Software Hysys 3.2

3. Hacer doble click en cualquiera de las celdas bajo el nombre Tolueno y

aparece la  ventana para ingresar las cantidades de material. Usted

tendrá que volver a cambiar la base haciendo click en Basis o en Edit.

Luego,  ingrese los flujos de masa de componentes siguientes.

Page 42: tesis HYSYS

FIGURA 2.23. Ingresando datos de composición

         Fuente: Software Hysys 3.2

Hacer click en OK y  al cerrar la ventana Aparece el Workbook con la

información ingresada y donde podemos agregar otras corrientes.

FIGURA 2.24. Workbook completo

         Fuente: Software Hysys 3.2

4. Al regresar a la ventana del PFD se tiene ahora la nueva corriente

ingresada

FIGURA 2.25. PFD

Page 43: tesis HYSYS

         Fuente: Software Hysys 3.2

INGRESANDO CORRIENTES DESDE LA BARRA DE MENÚ

1. Pulsando <F11> cuando estamos en modo simulación, aparece  el visor

de propiedades. En la celda Stream Name Colocamos Aire.

FIGURA 2.26. Visor de Propiedades

         Fuente: Software Hysys 3.2

2. Lo siguientes se operara como en el primer caso de corrientes. En este

caso ingresamos la corriente como fracciones molares por lo que

Page 44: tesis HYSYS

seleccionamos esta opción e ingresamos:

 FIGURA 2.27. Composición en fracción molar

         Fuente: Software Hysys 3.2

Luego hacer clic en OK. Y al cerrar esta ventana y volver al PDF se tiene

las tres corrientes ingresadas.

Como se muestra en la ventana del PFD, hay tres corrientes. El color

celeste indica que las corrientes no están completamente definidas, si

vemos en las Figuras anteriores, en la parte inferior hay una barra de

color amarillo (color que indica que falta definir algunos parámetros) y a

su vez nos da la información de que parámetro nos falta definir.

 FIGURA 2.28. Corrientes creadas

Page 45: tesis HYSYS

             Fuente: Software Hysys 3.2

También podemos ver las composiciones de las corrientes

posicionándonos en el Workbook.

 FIGURA 2.29. Composición de Corrientes en el Workbook

             Fuente: Software Hysys 3.2

Ahora se puede guardar el trabajo

2.1.3.9 CÁLCULOS INSTANTÁNEOS

HYSYS puede efectuar cinco tipos de cálculos instantáneos sobre las

corrientes: P-T, Vf-P, Vf-T, P-Entalpía Molar y  T-Entalpía Molar. Una vez

que la composición de la corriente y dos parámetros cualquiera de

temperatura, presión, fracción de vapor o la entalpía molar son conocidas,

HYSYS realiza un cálculo instantáneo en la corriente, calculando los otros

dos parámetros.

 Nota: Solamente dos de los 4 parámetros de corriente temperatura, presión,

fracción de vapor o  la entalpía molar pueden ser suministrados.

Con las capacidades instantáneas de HYSYS, se logra realizar cálculos de

punto de rocío y punto de burbujeo. Especificando una fracción de vapor de

1 y ya sea la presión o la temperatura de la corriente, HYSYS calculará la

temperatura del rocío o la presión. Para calcular la temperatura de burbuja o

Page 46: tesis HYSYS

la presión, debe introducirse una fracción de vapor de 0 y cualquier presión o

cualquiera temperatura.

2.1.3.10 EJEMPLOS DE CÁLCULOS INSTANTÁNEOS

1. Efectuar un cálculo instantáneo T-P en la corriente  Tolueno. Hacer doble

click en la corriente Tolueno.

FIGURA 2.30. Composición de Corrientes de Tolueno

             Fuente: Software Hysys 3.2

Fijar la presión en  101.3 kpa (14.7 psia)  y la temperatura en 90 °C (200

°F). Cuál es la fracción de vapor?  

FIGURA 2.31. Composición del workbook

             Fuente: Software Hysys 3.2

Respuesta. La fracción de vapor es 0. El cambio de color de la barra

Page 47: tesis HYSYS

inferior a verde indica que la corriente Tolueno ha sido definida

completamente

2. Efectuar un cálculo de punto de rocío en la corriente  Tolueno. Establecer

la presión en 101.3 kpa (14.7 psia). Cuál es la temperatura de punto de

rocío?.

FIGURA 2.32. Punto de Roció

             Fuente: Software Hysys 3.2

Respuesta. La temperatura de Punto de Roció es 99.99 C

3. Efectuar un cálculo de punto de burbuja en la corriente  Tolueno.

Establecer la presión en 101.3 kpa (14.7 psia). ¿Cuál es la temperatura

de punto de burbuja?

FIGURA 2.33. Punto de burbuja

Page 48: tesis HYSYS

             Fuente: Software Hysys 3.2

Respuesta. La temperatura de Punto de Burbuja es 89.65 C. Para hacer

los cálculos hemos tenido que definir completamente la corriente

Tolueno. Si vamos al PFD veremos que tiene color diferente a las demás

corrientes Etanol y Aire que aún faltan especificar algunos parámetros

para definirlas completamente.

FIGURA 2.34. Corriente totalmente definida

2.1.3.11HYSYS Y TERMODINÁMICA

Los paquetes de propiedades incorporados en HYSYS proveen predicciones

precisas de propiedades termodinámicas, físicas y de transporte para

hidrocarburo, no-hidrocarburo y fluidos químicos y producto petroquímicos.

La base de datos consta de más de 1500 componentes y más de 16000

coeficientes binarios. Si un componente de la biblioteca no puede ser

encontrado dentro de la base de datos, están disponibles una serie de

métodos de estimación  para crear completamente componentes hipotéticos

definidos. 

2.1.3.12SELECCIÓN DE UN PAQUETE DE PROPIEDADES

La siguiente tabla lista algunos sistemas típicos y correlaciones

recomendadas:

Page 49: tesis HYSYS

TABLA 2.2. Opciones Termodinámicas

  EOS         :  Ecuación de estado    PR            :  Peng Robinson    PRSV       :  Peng Robinson modificada    Sour PR   : Peng Robinson modificada    SRK          : Soave-Redlick-Kwong    Sour SRK : Soave-Redlick-Kwong modificada    ZJ             : Zudkevitch Joffee    KD             : Kabadi Danner    LKP          : Lee Kesler Plocker  

              Fuente: Tutorial Hysys 3.2

2.1.3.13ECUACIÓN DE ESTADO

Para petróleo, gas y aplicaciones petroquímicas, la ecuación de estado de

Peng-Robinson EOS (PR) es generalmente la recomendada. HYSYS

actualmente ofrece las ecuaciones de estado de Peng-Robinson (PR) y

Soave-Redlich-Kwong (SRK). En adición, HYSYS ofrece varios métodos los

cuales son modificaciones de estos paquetes de propiedades, incluyendo

Page 50: tesis HYSYS

PRSV, Zudkevitch Joffee (ZJ) y Kabadi Danner (KD). Lee Kesler Plocker

(LKP) es una adaptación de las ecuaciones de Lee Kesler para mezclas, las

cuales por si mismas fueron modificadas de la ecuación BWR. De todas

estas, la ecuación de estado  Peng-Robinson soporta un amplio rango de

condiciones de operación y una gran variedad de sistema. Las ecuaciones

de estado (EOS) de Peng-Robinson  y Soave-Redlich-Kwong generan

directamente todas las propiedades de equilibrio y termodinámicas. 

Las opciones del paquete de propiedades para Peng-Robinson son PR, Sour PR, y PRSV.

Las opciones de la ecuación de estado Soave-Redlich-Kwong son SRK, Sour SRK, KD y ZJ.

Para la industria química debido a la ocurrencia común de sistemas

altamente no-ideales, puede ser considerada la ecuación  PRSV EOS. Esta

es una modificación de la ecuación de estado PR que extiende la aplicación

del método original PR para sistemas altamente no-ideales.

2.1.3.14

2.2.3.14 MODELOS PARA ACTIVIDADES

     Los modelos de actividad producen los mejores resultados cuando son

aplicados en la región de operación para la cual los parámetros de

interacción fueron obtenidos.

La siguiente es un breve resumen de las opciones termodinámicas

recomendadas para los coeficientes de actividad para diferentes

aplicaciones.

TABLA 2.3. Modelos de Actividades

Aplicación Margules vanLaar Wilson NRTL UNIQUAC

Sistemas binarios A A A A A

Sistemas de Múltiple componentes

LA LA A A A

Sistemas azeotrópicos

A A A A A

Equilibrio Liquido-Liquido

A A N/A A A

Page 51: tesis HYSYS

Sistemas diluidos ? ? A A A

Sistemas de asociación individual

? ? A A A

Polímeros N/A N/A N/A N/A A

Extrapolación ? ? G G G

• A    = Aplicable• N/A = No Aplicable• ?    = Cuestionable• G   = Bueno • LA  = Aplicación Limitada

              Fuente: Tutorial Hysys 3.2

2.1.3.15 PROPIEDADES FÍSICAS Y TERMODINÁMICAS

Ejemplo: Determinar las propiedades físicas para el Benceno y Tolueno

1. Iniciar sesión: Abrir Hysys y desde el Menú File, seleccionar New /

Case.  Esto abrirá el  Simulation Basis Manager.

2.  Adicionar los componentes. 

3. Modelo Termodinámico: En la ventana del Simulation Basis Manager

seleccionamos la etiqueta Fluid Pkgs y en la nueva ventana que

aparece  hacer clic en el botón Add.  Aparece el Fluid Package

denominado por defecto Basis-1, Cambiamos de nombre (PropFisicas-1)

De la lista de denominada Property Package Selection seleccionamos el

método de Wilson ya que  es el mas adecuado para este sistema. El

modelo para el Vapor deberá ser el de SRK ( Soave-Redlich-Kwong) ya

que el sistema es no ideal. Note que la selección por defecto es Ideal.

FIGURA 2.35. Elección de modelo termodinámico

Page 52: tesis HYSYS

             Fuente: Software Hysys 3.2

2.2 MARCO TEÓRICO DE LA DESTILACIÓN

2.2.1 DEFINICIÓN DE DESTILACION

Destilación, proceso que consiste en calentar un líquido hasta que sus

componentes más volátiles pasan a la fase de vapor y, a continuación,

enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en forma líquida por

medio de la condensación. El objetivo principal de la destilación es separar

una mezcla de varios componentes aprovechando sus distintas volatilidades,

o bien separar los materiales volátiles de los no volátiles. En la evaporación

y en el secado, normalmente el objetivo es obtener el componente menos

volátil; el componente más volátil, casi siempre agua, se desecha. Sin

embargo, la finalidad principal de la destilación es obtener el componente

más volátil en forma pura. Por ejemplo, la eliminación del agua de la

glicerina evaporando el agua, se llama evaporación, pero la eliminación del

agua del alcohol evaporando el alcohol se llama destilación, aunque se usan

mecanismos similares en ambos casos.

Si la diferencia en volatilidad (y por tanto en punto de ebullición) entre los

dos componentes es grande, puede realizarse fácilmente la separación

completa en una destilación individual. El agua del mar, por ejemplo, que

contiene un 4% de sólidos disueltos (principalmente sal común), puede

purificarse fácilmente evaporando el agua, y condensando después el vapor

Page 53: tesis HYSYS

para recoger el producto: agua destilada. Para la mayoría de los propósitos,

este producto es equivalente al agua pura, aunque en realidad contiene

algunas impurezas en forma de gases disueltos, siendo la más importante el

dióxido de carbono.

Si los puntos de ebullición de los componentes de una mezcla sólo difieren

ligeramente, no se puede conseguir la separación total en una destilación

individual. Un ejemplo importante es la separación de agua, que hierve a 100

°C, y alcohol, que hierve a 78,5 °C. Si se hierve una mezcla de estos dos

líquidos, el vapor que sale es más rico en alcohol y más pobre en agua que

el líquido del que procede, pero no es alcohol puro. Con el fin de concentrar

una disolución que contenga un 10% de alcohol (como la que puede

obtenerse por fermentación) para obtener una disolución que contenga un

50% de alcohol (frecuente en el whisky), el destilado ha de destilarse una o

dos veces más, y si se desea alcohol industrial (95%) son necesarias varias

destilaciones.

2.2.2 TIPOS DE DESTILACION

Destilación Simple, donde separamos dos componentes por su diferencia

de volatilidad y punto de ebullición

Destilación Fraccionada es una variante de la destilación simple que se

emplea principalmente cuando es necesario separar líquidos con punto de

ebullición cercanos.

La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de una

columna de fraccionamiento. Ésta permite un mayor contacto entre los

vapores que ascienden con el líquido condensado que desciende, por la

utilización de diferentes "platos". Esto facilita el intercambio de calor entre los

vapores (que ceden) y los líquidos (que reciben). Ese intercambio produce

un intercambio de masa, donde los líquidos con menor punto de ebullición se

convierten en vapor, y los vapores con mayor punto de ebullición pasan al

estado líquido.

Destilación a Vacío es la operación complementaria de destilación del

crudo procesado en la unidad de destilación atmosférica, que no se vaporiza

y sale por la parte inferior de la columna de destilación atmosférica. El

vaporizado de todo el crudo a la presión atmosférica necesitaría elevar la

Page 54: tesis HYSYS

temperatura por encima del umbral de descomposición química y eso, en

esta fase del refino de petróleo, es indeseable.

El residuo atmosférico o crudo reducido procedente del fondo de la columna

de destilación atmosférica, se bombea a la unidad de destilación a vacío, se

calienta generalmente en un horno a una temperatura inferior a los 400 ºC,

similar a la temperatura que se alcanza en la fase de destilación atmosférica,

y se introduce en la columna de destilación. Esta columna trabaja a vacío,

con una presión absoluta de unos 20 mm de Hg, por lo que se vuelve a

producir una vaporización de productos por efecto de la disminución de la

presión, pudiendo extraerle más productos ligeros sin descomponer su

estructura molecular.

En la unidad de vacío se obtienen solo tres tipos de productos:

Gas Oil Ligero de vacío (GOL).

Gas Oil Pesado de vacío (GOP).

Residuo de vacío.

Los dos primeros, GOL y GOP, se utilizan como alimentación a la unidad de

craqueo catalítico después de de sulfurarse en una unidad de

hidrodesulfuración (HDS).

El producto del fondo, residuo de vacío, se utiliza principalmente para

alimentar a unidades de craqueo térmico, donde se vuelven a producir más

productos ligeros y el fondo se dedica a producir fuel oil, o para alimentar a

la unidad de producción de coque. Dependiendo de la naturaleza del crudo

el residuo de vacío puede ser materia prima para producir asfaltos.

Destilación Azeotrópica es una de las técnicas usadas para romper un

azeótropo en la destilación. Una de las destilaciones más comunes con un

azeótropo es la de la mezcla etanol-agua. Usando técnicas normales de

destilación, el etanol solo puede ser purificado a aproximadamente el 95%.

Page 55: tesis HYSYS

Una vez se encuentra en una concentración de 95/5% etanol/agua, los

coeficientes de actividad del agua y del etanol son iguales, entonces la

concentración del vapor de la mezcla también es de 95/5% etanol-agua, por

lo tanto destilaciones posteriores son inefectivas. Algunos usos requieren

concentraciones de alcohol mayores, por ejemplo cuando se usa como

aditivo para la gasolina. Por lo tanto el azeótropo 95/5% debe romperse para

lograr una mayor concentración.

En uno de los métodos se adiciona un material agente de separación. Por

ejemplo, la adición de benceno a la mezcla cambia la interacción molecular y

elimina el azeótropo. La desventaja, es la necesidad de otra separación para

retirar el benceno. Otro método, la variación de presión en la destilación, se

basa en el hecho de que un azeótropo depende de la presión y también que

no es un rango de concentraciones que no pueden ser destiladas, sino el

punto en el que los coeficientes de actividad se cruzan. Si el azeótropo se

salta, la destilación puede continuar.

Para saltar el azeótropo, el azeótropo puede ser movido cambiando la

presión. Comúnmente, la presión se fija de forma tal que el azeótropo quede

cerca del 100% de concentración, para el caso del etanol, éste se puede

ubicar en el 97%. El etanol puede destilarse entonces hasta el 97%.

Actualmente se destila a un poco menos del 95,5%. El alcohol al 95,5% se

envía a una columna de destilación que está a una presión diferente, se

mueve el azeótropo a una concentración menor, tal vez al 93%. Ya que la

mezcla está por encima de la concentración azeotrópica actual, la destilación

no se “pegará” en este punto y el etanol podrá ser destilado a cualquier

concentración necesaria.

Para lograr la concentración requerida para el etanol como aditivo para la

gasolina se usan comúnmente tamices moleculares en la concentración

azeotrópica. El etanol se destila hasta el 95%, luego se hace pasar por un

tamiz molecular que absorba el agua de la mezcla, ya se tiene entonces

etanol por encima del 95% de concentración, que permite destilaciones

posteriores. Luego el tamiz se calienta para eliminar el agua y puede ser

reutilizado.

Page 56: tesis HYSYS

Destilación por Arrastre de Vapor de agua se lleva a cabo la vaporización

selectiva del componente volátil de una mezcla formada por éste y otros "no

volátiles". Lo anterior se logra por medio de la inyección de vapor de agua

directamente en el interior de la mezcla, denominándose este "vapor de

arrastre", pero en realidad su función no es la de "arrastrar" el componente

volátil, sino condensarse en el matraz formando otra fase inmiscible que

cederá su calor latente a la mezcla a destilar para lograr su evaporación. En

este caso se tendrán la presencia de dos fases insolubles a lo largo de la

destilación (orgánica y acuosa), por lo tanto, cada líquido se comportará

como si el otro no estuviera presente. Es decir, cada uno de ellos ejercerá su

propia presión de vapor y corresponderá a la de un líquido puro a una

temperatura de referencia

La condición más importante para que este tipo de destilación pueda ser

aplicado es que tanto el componente volátil como la impureza sean

insolubles en agua ya que el producto destilado (volátil) formará dos capas al

condensarse, lo cual permitirá la separación del producto y del agua

fácilmente. Como se mencionó anteriormente, la presión total del sistema

será la suma de las presiones de vapor de los componentes de la mezcla

orgánica y del agua, sin embargo, si la mezcla a destilar es un hidrocarburo

con algún aceite, la presión de vapor del aceite al ser muy pequeña se

considera despreciable para efecto de los cálculos: P = Pa° + Pb°

Donde: P = presión total del sistema Pa°= presión de vapor del agua Pb°=

presión de vapor del hidrocarburo Por otra parte, el punto de ebullición de

cualquier sistema se alcanza a la temperatura a la cual la presión total del

sistema es igual a la presión del confinamiento. Y como los dos líquidos

juntos alcanzan una presión dada, más rápidamente que cualquiera de ellos

solos, la mezcla hervirá a una temperatura más baja que cualquiera de los

componentes puros. En la destilación por arrastre es posible utilizar gas

inerte para el arrastre. Sin embargo, el empleo de vapores o gases

diferentes al agua implica problemas adicionales en la condensación y

recuperación del destilado o gas. El comportamiento que tendrá la

temperatura a lo largo de la destilación será constante, ya que no existen

Page 57: tesis HYSYS

cambios en la presión de vapor o en la composición de los vapores de la

mezcla, es decir que el punto de ebullición permanecerá constante mientras

ambos líquidos esten presentes en la fase líquida. En el momento que uno

de los líquidos se elimine por la propia ebullición de la mezcla, la

temperatura ascenderá bruscamente. Si en mezcla binaria designamos por

na y nb a las fracciones molares de los dos líquidos en la fase vapor,

tendremos: Pa° = na P Pb° = nbP dividiendo: Pa° = na P = na Pb° nb P nb

na y nb son el numero de moles de A y B en cualquier volúmen dado de

vapor, por lo tanto: Pa° = na Pb° nb y como la relación de las presiones de

vapor a una "T" dada es constante, la relación na/nb, debe ser constante

también. Es decir, la composición del vapor es siempre constante en tanto

que ambos líquidos estén presentes. Además como: na = wa/Ma y nb=

wb/Mb donde: wa y wb son los pesos en un volumen dado y Ma, Mb son los

pesos moleculares de A y B respectivamente. La ecuación se transforma en:

Pa° = na = waMb Pb° nb wbMa O bien: wa = MaPa° wb MbPb° Esta última

ecuación relaciona directamente los pesos moleculares de los dos

componentes destilados, en una mezcla binaria de líquidos. Por lo tanto, la

destilación por arrastre con vapor de agua, en sistemas de líquidos

inmiscibles en ésta se llega a utilizar para determinar los pesos moleculares

aproximados de los productos o sustancias relacionadas. Es necesario

establecer que existe una gran diferencia entre una destilación por arrastre y

una simple, ya que en la primera no se presenta un equilibrio de fases

líquido-vapor entre los dos componentes a destilar como se da en la

destilación simple, por lo tanto no es posible realizar diagramas de equilibrio

ya que en el vapor nunca estará presente el componente "no volátil"

mientras este destilando el volátil. Además de que en la destilación por

arrastre de vapor el destilado obtenido será puro en relación al componente

no volátil (aunque requiera de un decantación para ser separado del agua),

algo que no sucede en la destilación simple donde el destilado sigue

presentando ambos componentes aunque más enriquecido en alguno de

ellos. Además si este tipo de mezclas con aceites de alto peso molecular

fueran destiladas sin la adición del vapor se requeriría de gran cantidad de

energía para calentarla y emplearía mayor tiempo, pudiéndose descomponer

si se trata de un aceite esencial.

Page 58: tesis HYSYS

Destilación Destructiva Cuando se calienta una sustancia a una

temperatura elevada, descomponiéndose en varios productos valiosos, y

esos productos se separan por fraccionamiento en la misma operación, Las

aplicaciones más importantes de este proceso son la destilación destructiva

del carbón para el coque, el alquitrán, el gas y el amoníaco, y la destilación

destructiva de la madera para el carbón de leña, el ácido etanoico, la

propanona y el metanol. Este último proceso ha sido ampliamente

desplazado por procedimientos sintéticos para fabricar distintos

subproductos. El craqueo del petróleo es similar a la destilación destructiva.

2.2.3 CARACTERISTICAS DE DISENO Y OPERACIONES DE

COLUMNAS DE PLATOS.

Factores importantes en el diseño y operación de columnas de platos son el

número de platos que se requieren para obtener una determinada

separación, el diámetro de la columna, el espaciado entre los platos, la

elección del tipo de plato y los detalles constructivos de los platos.

En consonancia con los principios generales, el análisis de las columnas de

platos se basa en balances de materia, balances de energía y equilibrios

entre fases.

Balances globales de materia para sistemas de dos componentes. La Figura

6 es un diagrama del balance de materia para una planta típica de

destilación continua. La columna se alimenta con F mol/h de concentración

xF y genera D mol/h del producto de cabeza de concentración xD y B mol/h

de producto de cola de concentración xs. Se pueden escribir dos balances

globales de materia independientes

Balance total de materia: F=D+B (1)

Balance del componente A: FxF, = D x , + BxB, (2)

Eliminando B de estas ecuaciones se obtiene

(3)

Page 59: tesis HYSYS

Eliminando D resulta

(4)

Las Ecuaciones (3) y (4) son aplicables para todos los valores de los flujos

de vapor y líquido en el interior de la columna.

Caudales molares. La magnitud D es la diferencia entre los caudales

molares de las corrientes que entran y salen por la parte superior de la

columna. Un balance de materia alrededor del condensador y del

acumulador de la Figura 6 conduce a

D = Va - La (5)

La diferencia entre los caudales molares del vapor y del líquido en cualquier

parte de la sección superior de la columna es también igual a D, tal como se

deduce considerando la parte de la planta encerrada por la superficie de

control Z de la Figura 2.34. Esta superficie incluye el condensador y todos

los platos por encima de n + 1. Un balance total de materia alrededor de esta

superficie de control conduce a

D = Vn-1 - Ln (6)

FIGURA 2.36. Diagrama de balances de materia para una columna de

fraccionamiento continúo.

Page 60: tesis HYSYS

             Fuente: Operaciones Unitarias de Giankopolis

Por tanto, D es el caudal molar de materia que asciende en la sección

superior de la columna. Con independencia de cambios en V y L, su

diferencia es constante e igual a D.

Balances similares para el componente A dan lugar a las ecuaciones

(7)

El producto Dx, es el caudal neto del componente A que asciende en la

Page 61: tesis HYSYS

sección superior de la columna, que es también constante a través de esta

parte del equipo.

En la sección inferior de la columna las velocidades de flujo neto son

también constantes pero su sentido es descendente. El flujo neto total de

materia es igual a B y el del componente A es Bx,. Se aplican las siguientes

ecuaciones:

B=Lb- Vb=Lm- Vm+1 (8)

BxB, = Lbxb - VbYb = Lmxm - Vm+1+Ym+ 1 (9)

Se utiliza m en vez de n para representar un plato general de la sección de

agotamiento.

Línea de operación. Puesto que hay dos secciones en la columna, hay

también dos líneas de operación, una para la sección de enriquecimiento y

otra para la sección de agotamiento. Consideremos primeramente la sección

de enriquecimiento.

Tal como se ha visto la línea de operación para esta sección es

(10)

Sustituyendo el valor de Vaya - Laxa de la Ecuación (10) se obtiene

(11)

La pendiente de la línea definida por la Ecuación (11), como es habitual, es

la relación entre el flujo de la corriente de líquido y el de la corriente de

vapor.

Para un posterior análisis es conveniente eliminar Vn+1 de la Ecuación (11)

mediante la Ecuación (3), dando

Page 62: tesis HYSYS

(12)

Para la sección de la columna por debajo del plato de alimentación,

aplicando un balance de materia a la superficie de control II de la Figura

2.34, se obtiene

(13)

Que puede escribirse en esta forma

(14)

Que es la línea de operación para la sección de agotamiento. Nuevamente la

pendiente es la relación entre el flujo de líquido y el flujo de vapor.

Eliminando Vm+1 de la Ecuación (14) por medio de la Ecuación (7) se

obtiene

2.3 MARCO TEORICO DE REACTORES

2.3.1 DEFINICIÓN DE REACCIÓN QUÍMICA.

Se conoce como reacción química a aquella operación unitaria que tiene por

objeto distribuir de forma distinta los átomos de ciertas moléculas

(compuestos reaccionantes o reactantes) para formar otras nuevas

(productos). El lugar físico donde se llevan a cabo las reacciones químicas

se denominan REACTOR QUÍMICO.

Los factores que hay que tener en cuenta a la hora de llevar a cabo o

desarrollar una reacción química son:

Condiciones de presión, temperatura, y composición necesarias para

que los materiales entren en estado de reacción.

Page 63: tesis HYSYS

Las características termodinámicas y cinéticas de la reacción

Las fases (sólido, líquido, gaseoso) que se encuentran presentes en

la reacción

Formas de cambios químicos:

Descomposición, consiste en que una molécula se divide en

moléculas más pequeñas, átomos o radicales.

Combinación, ésta se realiza cuando una molécula o átomo se une

con otra especie para formar un compuesto nuevo.

Isomerización, en este caso la molécula no efectúa ninguna

descomposición externa o adición a otra, es simplemente un cambio

de configuración estructural interna.

Clases de Reacciones Químicas.

Reacciones Homogéneas: Cuando se afecta solamente una fase, ya

sea gaseosa, sólida, o líquida.

Reacciones Heterogéneas: Cuando se requiere la presencia de al

menos dos fases para que tenga lugar la reacción a una velocidad

deseada.

Reacciones Enzimáticas: Utilizan catalizadores biológicos (proteínas

con alto peso molecular, con centros activos, y que trabajan a bajas

temperaturas)

Reacciones Catalíticas: Son aquellas reacciones que requieren de

una sustancia adicional (que no aparece en el balance global) para

modificar la velocidad de reacción; esta sustancia por su mera

presencia provoca la reacción química, reacción que de otro modo no

ocurriría.

Reacciones No Catalíticas: Los materiales reactantes no necesitan

ninguna sustancia adicional para dar lugar a la reacción química.

Page 64: tesis HYSYS

Reacciones Autocatalíticas: En esta reacción, uno de los productos

formados actúa como catalizador, participando en otra etapa del

proceso donde velocidad de reacción es más rápido que en la

primera.

Reacciones Endotérmicas: Son aquellas que adsorben calor del

exterior.

Reacciones Exotérmicas: Son aquellas que liberan calor hacia el

exterior.

2.3.2 DEFINICIÓN DE REACTOR QUÍMICO.

Un reactor químico es una unidad procesadora diseñada para que en su

interior se lleve a cabo una o varias reacciones químicas. Dicha unidad

procesadora está constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con

líneas de entrada y salida para sustancias químicas, y está gobernado por

un algoritmo de control.

Los reactores químicos tienen como funciones principales:

Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el

interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los

materiales reactantes.

Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y

con el catalizador, para conseguir la extensión deseada de la

reacción.

Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo

que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada,

atendiendo a los aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción.

Ecuación de Rendimiento.

Es aquella expresión matemática que relaciona la salida con la entrada en

un reactor químico, para diversas cinéticas y diferentes modelos de contacto.

Page 65: tesis HYSYS

Modelo de Contacto: Está referido a como los materiales circulan a

través del reactor y se contactan unos con otros dentro de este,

además del tiempo que necesitan para mezclarse, y las condiciones y

características de la incorporación de material.

Cinética: Está referido a cuán rápido ocurren las reacciones, el

equilibrio dentro del reactor, y la velocidad de la reacción química;

estas factores están condicionados por la transferencia (balance) de 

materia y energía.

El balance de masas esta dado por la relación:

ENTRA – SALE + GENERA – DESAPARECE = ACUMULA

El balance de energía esta dado por la relación:

ENTRA – SALE + GENERA - TRANSMITE = ACUMULA

TIPOS DE REACTORES QUÍMICOS

Existen infinidad de tipos de reactores químicos, y cada uno responde a las

necesidades de una situación en particular, entre los tipos más importantes,

más conocidos, y mayormente utilizados en la industria se puede mencionar

los siguientes:

a) REACTOR DISCONTINUO. Es aquel en donde no entra ni sale material

durante la reacción, sino más bien, al inicio del proceso se introduce los

materiales, se lleva a las condiciones de presión y temperatura requeridas, y

se deja reaccionar por un tiempo preestablecido, luego se descargan los

productos de la reacción y los reactantes no convertidos. También es

conocido como reactor tipo Batch.

b) REACTOR CONTINUO. Mientras tiene lugar la reacción química al interior

del reactor, éste se alimenta constantemente de material reactante, y

también se retira ininterrumpidamente los productos de la reacción.

c) REACTOR SEMICONTINUO: Es aquel en el cual inicialmente se carga de

material todo el reactor, y a medida que tiene lugar la reacción, se va

Page 66: tesis HYSYS

retirando productos y también incorporando más material de manera casi

continúa.

d) REACTOR TUBULAR. En general es cualquier reactor de operación

continua, con movimiento constante de uno o todos los reactivos en una

dirección espacial seleccionada, y en el cual no se hace ningún intento por

inducir al mezclado. Tienen forma de tubos, los reactivos entran por un

extremo y salen por el otro.

e) TANQUE CON AGITACIÓN CONTINUA. Este reactor consiste en un

tanque donde hay un flujo continuo de material reaccionante y desde el cual

sale continuamente el material que ha reaccionado. La agitación del

contenido es esencial, debido a que el flujo interior debe estar en constante

circulación y así producir una mezcla uniforme.

f) REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO. Se utiliza para reacciones donde

intervengan un sólido y un fluido (generalmente un gas). En estos reactores

la corriente de gas se hace pasar a través de las partículas sólidas, a una

velocidad suficiente para suspenderlas, con el movimiento rápido de

partículas se obtiene un alto grado de uniformidad en la temperatura

evitando la formación de zonas calientes.

g) REACTOR DE LECHO FIJO. Los reactores de lecho fijo consisten en uno

o más tubos empacados con partículas de catalizador, que operan en

posición vertical. Las partículas catalíticas pueden variar de tamaño y forma:

granulares, cilíndricas, esféricas, etc. En algunos casos, especialmente con

catalizadores metálicos como el platino, no se emplean partículas de metal,

sino que éste se presenta en forma de mallas de alambre. El lecho está

constituido por un conjunto de capas de este material. Estas mallas

catalíticas se emplean en procesos comerciales como por ejemplo para la

oxidación de amoniaco y para la oxidación del acetaldehídico a ácido

acético.

h) REACTOR DE LECHO CON ESCURRIMIENTO. En estos reactores el

catalizador sólido está presente como en el lecho fijo. Los reactivos se hacen

pasar en corrientes paralelas o a contracorriente a través del lecho.

Page 67: tesis HYSYS

i) REACTOR DE LECHO DE CARGA MÓVIL. Una fase fluida pasa hacia

arriba a través de un lecho formado por sólidos. El sólido se alimenta por la

parte superior del lecho, se mueve hacia debajo de la columna y se saca por

la parte inferior.

j) REACTOR DE BURBUJAS. Permiten hacer burbujear un reactivo gaseoso

a través de un líquido con el que puede reaccionar, porque el líquido

contiene un catalizador disuelto, no volátil u otro reactivo. El producto se

puede sacar del reactor en la corriente gaseosa. 

k) REACTOR CON COMBUSTIBLE EN SUSPENSIÓN. Son similares a los

reactores de burbujeo, pero la fase “líquida” esta formada por una

suspensión de líquidos y partículas finas del catalizador sólido. 

l) REACTOR DE MEZCLA PERFECTA. En este reactor las propiedades no

se modifican ni con el tiempo ni con la posición, ya que suponemos que

estamos trabajando en estado de flujo estacionario y la mezcla de reacción

es completamente uniforme. El tiempo de mezcla tiene que ser muy

pequeño en comparación con el tiempo de permanencia en el reactor. En la

práctica se puede llevar a cabo siempre que la mezcla fluida sea poco

viscosa y esté bien agitada

m) REACTORES DE RECIRCULACIÓN. Pueden ser CON DISPOSITIVO

SEPARADOR, cuando se toma parte de la corriente de salida y se llevan

directamente a la entrada del reactor. SIN DISPOSITIVO SEPARADOR,

cuando en la salida del reactor colocamos un dispositivo separador que hace

que se separen reactivos y productos, luego los reactivos se recirculan de

nuevo al reactor. 

n) REACTORES DE MEMBRANA. Son aquellos que combinan la reacción y

la separación en una sola unidad; la membrana selectivamente remueve una

(o más) de las especies reactantes o productos. Estos reactores han sido

comúnmente usados para aplicaciones en las cuales los rendimientos de la

reacción están limitados por el equilibrio. También han sido propuestos y

usados para otras aplicaciones; para incrementar el rendimiento y la

selectividad de reacciones enzimáticas y catalíticas influyendo a través de la

Page 68: tesis HYSYS

membrana sobre la concentración de una (o más) especies intermedias,

removiéndolas selectivamente (o ayudando a mantenerlas en una

concentración baja), evitando la posibilidad de que dichos compuestos

envenenen o desactiven el catalizador y para proveer una interface

controlada entre dos o más reactantes.

o) FERMENTADORES. Este tipo de reactores utilizan hongos, los cuales

forman un cultivo, el cual a su vez se transforma en una “sopa” espesa que

contiene crecimientos filamentosos. Un ejemplo se encuentra en la

fabricación de antibióticos como la penicilina.

p) REACTOR TRICKLE BED. Este tipo de reactor supone la existencia de un

flujo continuo de gas y otro de líquido hacia abajo sobre un lecho fijo de

partículas sólidas catalíticas, las características de las partículas sólidas y de

su empaquetamiento, junto con los caudales y propiedades de las dos

corrientes de fluidos determinarán el régimen de flujo del reactor y también

sus propiedades fluido-dinámicas.

También se pueden mencionar los reactores ISOTÉRMICOS, que son

aquellos que trabajan u operan a una misma temperatura constante; y

también los reactores ISOBÁRICOS, que son aquellos que trabajan u operan

a una misma presión constante.

2.3.3 REACTOR CSTR

El reactor CSTR, o reactor continúo de tanque agitado, o reactor de retro

mezcla, es un tanque equipado con facilidades para carga y descarga

continua de material, para transferencia de calor y para agitación de la masa

reaccionante. Cuenta además con la instrumentación que permite medir y

controlar variables como el volumen y la temperatura. Este reactor es

ampliamente utilizado en reacciones en fase líquida y en sistemas

heterogéneos gas-líquido y sólido-líquido.

Page 69: tesis HYSYS

FIGURA 2.37. Esquemas de reactores CSTR.

             Fuente: Enseñanza de reactores CSRT

En la operación normal de un reactor CSTR se  cumplen dos condiciones

fundamentales:

Mezcla perfecta: implica que todas las condiciones de operación y las

propiedades  de transporte son iguales en cualquier punto de la masa

reaccionante.  Esta condición se expresa en el nombre mismo del

reactor: de retro mezcla.  La mezcla perfecta depende de la geometría

del reactor y de las facilidades de agitación.

Estado estacionario: El régimen estacionario se refiere a que las

condiciones de operación (temperatura, presión y concentración) no

cambian durante el tiempo de operación del reactor. 

 Todo esto conlleva a modelar sin variaciones en la concentración,

temperatura o velocidad de reacción en todos los puntos del reactor, es

decir: ninguna de las variables es función del tiempo ni de la posición en el

reactor.

Otra particularidad asociada a la utilización del reactor CSTR es la baja

eficiencia relativa, es comparación con otros reactores, con respecto a la

relación de conversión por unidad de volumen. La concentración de

reactivos en la corriente de entrada disminuye “instantáneamente” dentro del

reactor debido a la retro mezcla; la corriente de entrada se homogeniza

dentro del reactor.  A menor concentración de reactivos en el reactor, menor

Page 70: tesis HYSYS

velocidad de reacción y por consiguiente, menor conversión por unidad de

volumen.

DINÁMICA DEL REACTOR CSTR

FIGURA 2.38. Diagrama causal de la operación del reactor CSTR con

intercambio de calor, en el que ocurre una reacción exotérmica

             Fuente: Enseñanza de reactores CSRT

En el caso de una reacción exotérmica, en un reactor CSTR, la dinámica del

proceso está determinada por cuatro eventos: conversión de reactivos en

productos, energía liberada por la reacción, calor intercambiado con los

alrededores y además, intercambio de energía mediante las corrientes de

entrada y salida del reactor.

El ciclo de conversión de reactivos en productos es negativo: a mayor

concentración de reactivos, mayor velocidad de reacción; a mayor velocidad

de reacción mayor concentración de productos y a mayor concentración de

productos, menor concentración de reactivos.

El ciclo de liberación de energía por reacción química es positivo: a mayor

velocidad de reacción, más energía liberada; a mayor energía liberada,

mayor temperatura; a mayor temperatura, mayor velocidad de reacción.

El ciclo de intercambio de calor es negativo: a mayor temperatura en el

reactor, más calor se retira; a mayor calor retirado, menor temperatura.

Page 71: tesis HYSYS

Las corrientes de entrada y salida del reactor transportan energía interna por

lo que se constituye un ciclo de control: el flujo de entrada de material

aumenta la energía del sistema, E, a mayor energía total del sistema, mayor

temperatura; a mayor temperatura, mayor energía en la corriente de salida, a

mayor energía que sale en la corriente de salida, menor energía en el

reactor, completándose así un ciclo de retroalimentación negativo. Es decir,

los flujos de entrada y salida de material al reactor  CSTR hacen parte del

sistema de control de temperatura.

BALANCE MOLAR

Para conocer las ecuaciones que rigen el comportamiento de un reactor

CSTR, es necesario establecer unos conocimientos básicos, empezaremos

por definir de manera sencilla que es un balance: en un balance contamos la

cantidad de una sustancia (como las moles de una especie química) o

magnitud (como la energía) que entra, sale, acumula y/o se genera de

dentro de un sistema.

Balance molar del reactor CSTR:

Donde  representa el flujo de moles de j que entran al reactor ,

representa el flujo de moles de j que salen del reactor, el término integral de

la velocidad de reacción de j con respecto al volumen es la generación de

moles de j debido a la reacción y por último la variación de con respecto al

tiempo es la acumulación de la especie j en el reactor.

Debido a la agitación continua la velocidad de reacción no cambia con la

posición en el reactor, por lo tanto:

Page 72: tesis HYSYS

Si el reactor opera en estado estacionario, es decir, las propiedades no

cambian con el tiempo:

Entonces,

Despejando el volumen de reacción se obtiene la primera ecuación de

diseño para un reactor CSTR

BALANCE DE ENERGÍA

Una reacción química está acompañada por un efecto calórico, por lo tanto

es importante conocer de qué manera se modifica la temperatura de la

mezcla reaccionante.

En el reactor CSTR la masa entra y sale del reactor constituyéndose así un

sistema abierto, por lo tanto parte de la energía intercambiada con el entorno

se debe a ese flujo de masa que entra y sale del reactor, el resto de

intercambio de energía se debe al trabajo efectuado por el reactor y al

intercambio de calor con el entorno.

En otras palabras se tiene:

Donde:

 y  significan la energía que se intercambia con el entorno

debido a la masa que entra y sale del reactor respectivamente.

Page 73: tesis HYSYS

  Significa la cantidad de energía que se acumula dentro del reactor

debido a la masa.

 es el flujo de calor que se intercambia con el entorno

 se define como el trabajo de flujo y otros tipos de trabajo,

El trabajo de flujo es el trabajo necesario para empujar la masa dentro o

hacia fuera del reactor, y es definida como , donde P es la presión y  es

el volumen específico de la sustancia j, en estos términos el trabajo se

puede definir como:

Reemplazando la ecuación anterior en la ecuación del balance de energía y

reorganizando, se tiene:

La energía ,  y  es la suma de la energía interna , energía

cinética, energía potencial, energía eléctrica o cualquier otra clase de

energía que esté asociada a la sustancia j , pero en la mayoría de casos la

contribución de la energía cinética, energía potencial y las demás clases de

energía resultan insignificantes al compararlos con la entalpia o el

intercambio de calor por lo que se omitirán, recordando además la relación

entre entalpia, energía interna y el producto  entonces se obtiene:

La entalpía que entra o sale del reactor se puede expresar como la suma de

la energía interna introducida o extraída del reactor por el flujo de masa más

Page 74: tesis HYSYS

el trabajo de flujo, para la masa de la sustancia j que entra y sale del reactor

respectivamente, se llega a:

Si consideramos que el reactor opera en estado estable, el término que

involucra acumulación de energía se hace nulo, es decir:

El balance energía definitivo para un reactor CSTR será entonces:

Dejando el flujo de sustancia j que sale del reactor en función del flujo del

componente de referencia A, el parámetro  y la conversión de A, logramos

simplificar y llegar a otras definiciones más manejables.

El flujo de sustancia j que entra al reactor también se puede dejar en función

del flujo del componente A y el parámetro

Flujo de calor hacia el reactor Q

El intercambiador de calor es el dispositivo encargado de transmitir el flujo

de calor hacia el reactor, y las variables que suelen usarse son el coeficiente

global de transferencia de calor, U, el área de intercambio de calor, A, la

temperatura ambiente y la temperatura dentro del reactor, T.

El coeficiente global de transferencia de calor se define como la resistencia

térmica entre dos fluidos separados por una pared de cualquier geometría y

se calcula considerando la resistencia térmica conductiva y convectiva

Page 75: tesis HYSYS

presente entre los fluidos. Por ejemplo para dos fluidos que bañan una pared

cilíndrica el valor de U se calcula así:

 

 

 

 

Donde  y  hacen referencia al coeficiente convectivo de transferencia de

calor del fluido interno y externo respectivamente, L es la longitud del cilindro

y A es el área de transferencia de energía.

En adelante no se mencionará como calcular el coeficiente global de calor, ni

su área de transferencia, sino se asumirá que ya se tiene el valor UA del

reactor.

El flujo de calor trasmitido hacia el reactor se puede expresar en función de

la media logarítmica de los incrementos de temperatura en los extremos del

intercambiador.

 

Page 76: tesis HYSYS

La deducción de la ecuación de transferencia de calor del intercambiador al

reactor en función de la diferencia logarítmica media, se puede encontrar en

un libro de transferencia de calor como el "Transferencia de calor Anthony F,

Mills" en el capítulo 8 de la versión en español.

Si el intercambiador opera en estado estacionario, es decir, la energía no se

acumula dentro del intercambiador, el balance de energía del intercambiador

de calor seria:

donde   es la capacidad calorífica del fluido del intercambiador (la letra c

hace alusión a la chaqueta) y   es una temperatura de referencia,

eliminando algunos términos y reorganizando:

Al despejar la temperatura del fluido a la salida del intercambiador en la

ecuación anterior:

Si se reescribe  reemplazando el valor de , obtenemos:

o

Page 77: tesis HYSYS

 

Para velocidades de flujo de fluido del intercambiador elevadas podemos

llegar a la siguiente aproximación:

Debido a la elevada velocidad de flujo no se consideraría una diferencia

significativa entre la temperatura del fluido en la entrada y la salida del

intercambiador, por lo tanto :

CONCENTRACIÓN

Como el reactor CSTR es un sistema de flujo continuo, la concentración  

en un punto dado puede ser determinada de la velocidad de flujo molar  y

de la velocidad de flujo volumétrico v, así:

De forma general:

 Entonces, se puede escribir las concentraciones de A,B,C y D para la

reacción general en términos de las velocidades de flujo iniciales, la

conversión y la velocidad de flujo volumétrico:

Page 78: tesis HYSYS

Para simplificar las ecuaciones, se usa el parámetro :

Para reacciones en fase liquida que tienen lugar en solución, los cambios en

la densidad del soluto no afectan la densidad total de la solución

significativamente, esto es esencialmente un proceso de reacción a volumen

constante; como consecuencia , entonces:

De forma general:

2.4 CREACIÓN DEL MODELO

Para poder llevar a cabo esta simulación el modelo se creara en el simulador

de Hysys 3.2. Siendo el siguiente:

FIGURA 2.39. Modelo a simular

Fuente: Elaboración propia

Este modelo nos permitirá producir Etilen Glycol, por reacción del Oxido de

Etileno (C2Oxide) y agua, y posterior separación en una columna de

destilación

Page 79: tesis HYSYS

2.5 PROCESO DE SIMULACIÓN

El proceso de simulación a llevar a cabo será para realizar la simulación

estacionaria y la simulación dinámica de un proceso químico en el ambiente

del simulador de procesos Hysys. Se indican las facilidades para construir el

flowsheet, resolver los balances de masa y energía, y preparar el caso para

correrlo en modo dinámico.

2.6 CLASIFICACIÓN DE LA SIMULACIÓN A UTILIZAR

1. Simulación Discreta: modelación de un sistema [...] por medio de una

representación en la cual el estado de las variables cambian

instantáneamente en instante de tiempo separados. (En términos

matemáticos [...] el sistema solo puede cambiar en instante de tiempo

contables)

2. Simulación Continua: modelación [...] de un sistema por medio de una

representación en la cual las variables de estado cambian continuamente en

el tiempo. Típicamente, los modelos de simulación continua involucran

ecuaciones diferenciales que determinan las relaciones de las tasas de

cambios de las variables de estado en el tiempo.

3. Simulación Combinada Discreta-Continua: modelación de un sistema

por medio de una representación en la cual unas variables de estado

cambian continuamente con respecto al tiempo y otras cambian

instantáneamente en instante de tiempo separados.

Es una simulación en la cual interactúan variables de estado discretas y

continuas.

Existen tres tipos de interacciones entre las variables de estado de este tipo

de simulaciones:

• Un evento discreto puede causar un cambio discreto en el valor de una

variable de estado continua.

• Un evento discreto puede causar que la relación que gobierna una variable

de estado continua cambie en un instante de tiempo en particular.

Page 80: tesis HYSYS

• Una variable de estado continua de punto de partida puede causar que un

evento discreto ocurra, o sea, programado.

4. Simulación Determinística y/o Estocástica: una simulación

determinística es aquella que utiliza únicamente datos de entra

determinísticos, no utiliza ningún dato de entrada azaroso. En cambio un

modelo de simulación estocástico incorpora algunos datos de entrada

azarosos al utilizar distribuciones de probabilidad.

5. Simulación estática y dinámica: La simulación estática es aquella en la

cual el tiempo no juega un papel importante, en contraste con la dinámica en

la cual si es muy importante.

6. Simulación con Orientación hacia los eventos: modelaje con un

enfoque hacia los eventos, en el cual la lógica del modelo gira alrededor de

los eventos que ocurren instante a instante, registrando el estado de todos

los eventos, entidades, atributos y variables del modelo en todo momento.

7. Simulación con Orientación hacia procesos: modelaje con un enfoque

de procesos, en el cual la lógica del modelo gira alrededor de los procesos

que deben seguir las entidades. Es cierta forma, es un modelaje basado en

un esquema de flujo grama de procesos, el cual se hace es un seguimiento

a la entidad a través de la secuencia de procesos que debe seguir.

La simulacion a utilizar como se menciono en el punro anterior sera la

Estatica y Dinamica.

2.7 ETILENGLICOL

El Etilenglicol (sinónimos: 1,2-Etanodiol, glicol de etileno, 1,2-dioxietano,

glicol) es un compuesto químico que pertenece al grupo de los glicoles. El

etilenglicol es un líquido transparente, incoloro, ligeramente espeso como el

almíbar, a temperatura ambiente es poco volátil, pero puede existir en el aire

en forma de vapor, el etilenglicol es inodoro pero tiene un sabor dulce. Se

fabrica a partir de la hidratación del óxido de etileno (epóxido cancerígeno).

Se utiliza como anticongelante en los circuitos de refrigeración de motores

Page 81: tesis HYSYS

de combustión interna, como difusor del calor, para fabricar compuestos de

poliéster, y como disolventes en la industria de la pintura y el plástico. El

etilenglicol es también un ingrediente en líquidos para revelar fotografías,

fluidos para frenos hidráulicos y en tinturas usadas en almohadillas para

estampar, bolígrafos, y talleres de imprenta.

Representación del Etilenglicol

Nombre (IUPAC) sistemático 1,2-Etanodiol

Fórmula molecular C2H6O2

PRODUCCION

El etilenglicol se produce a partir de etileno, mediante el compuesto

intermedio óxido de etileno. El óxido de etileno reacciona con agua

produciendo etilenglicol según la siguiente ecuación química

C2H4O + H2O → HOCH2CH2OH

Esta reacción puede ser catalizada mediante ácidos o bases, o puede ocurrir

en un pH neutro a temperaturas elevadas. La mayor producción de

etilenglicol se consigue con un ph ácido o neutro en presencia de abundante

agua. Bajo estas condiciones, se puede obtener una productividad del 90%.

Los principales subproductos obtenidos son dietilenglicol, trietilenglicol, y

tetraetilenglicol.

USOS

El etilenglicol se emplea como anticongelante en sistemas de refrigeración y

calefacción, como disolvente en las industrias de pinturas y plásticos y como

ingrediente de los líquidos des congelantes utilizados en las pistas de los

aeropuertos. Se utiliza en líquidos hidráulicos para frenos, en la dinamita de

Page 82: tesis HYSYS

bajo punto de congelación, en tintes para madera, en adhesivos, en tintes

para el cuero y en el tabaco. También sirve como deshidratante del gas

natural, como disolvente de tintas y pesticidas y como ingrediente de

condensadores electrolíticos.

2.8 DIETILENGLICOL

Es de la familia de los alcoholes es un líquido viscoso, incoloro e inodoro de

sabor dulce. Es higroscópico (propiedad de algunas sustancias de absorber

y exhalar la humedad según el medio en que se encuentran), miscible en

agua, alcohol, etilenglicol, etc... Se absorbe rápidamente por las vías

digestivas y respiratorias y por contacto prolongado por la piel. El

mecanismo de metabolización es llevado a cabo en el hígado y riñón, y la

dosis letal para humanos se estima en un rango entre 0.014 a 0.170

miligramos de dietilenglicol por kilogramo de peso.

PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS

Apariencia: Líquido, claro, incoloro, prácticamente inodoro, sabor dulzoso

Gravedad Específica (Agua=1): 1.1184 / 20°C

Punto de Ebullición (ºC): 245.8

Punto de Fusión (ºC): -7

Densidad Relativa del Vapor (Aire=1): No reportada

Presión de Vapor (mm Hg): 0.01 / 30°C

Viscosidad (cp): 0.30 / 25°C

pH: N.A.

Solubilidad: Soluble en agua, etanol, acetona, éter. Insoluble en benceno,

tolueno, tetracloruro de carbono.

USOS

El dietilenglicol es un humectante para el tabaco, la caseína, las esponjas

Page 83: tesis HYSYS

sintéticas y los productos de papel. También se encuentra en compuestos de

corcho, adhesivos de encuadernación, líquidos de freno, lacas de barnizado,

cosméticos y soluciones anticongelantes para sistemas de aspersión. El

dietilenglicol se utiliza en las juntas hidráulicas de los depósitos de gas, para

la lubricación y el acabado de tejidos, como disolvente de colorantes de tina

y como agente deshidratante del gas natural.

2.9 ÓXIDO DE ETILENO

El óxido de etileno es un gas inflamable de aroma más bien dulce. Se

disuelve fácilmente en agua.

El óxido de etileno es una sustancia química manufacturada usada

principalmente para fabricar glicol de etileno (una sustancia química usada

para fabricar anticongelante y poliéster).

Una pequeña cantidad (menos de 1%) es usada para controlar insectos en

ciertos productos agrícolas almacenados, y una cantidad muy pequeña se

usa en hospitales para esterilizar equipo y abastecimientos médicos.

Otros nombres: Epoxietano

Fórmula semidesarrollada: C2H4O

PROPIEDADES FÍSICAS

Densidad: 899 kg/m3; 0,899 g/cm3

Masa molar: 44.05 g/mol

Punto de fusión: 161 K (-112.1 °C)

Punto de ebullición: 283.5 K (10.4 °C)

Page 84: tesis HYSYS

PROPIEDADES QUÍMICAS

Solubilidad en agua: Miscible

Page 85: tesis HYSYS

CAPÍTULO III

PLANEAMIENTO OPERACIONAL Y CORRIDAS DE PRUEBA

3.1 METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN

El Etilen Glicol (EGlycol) se obtiene por reacción del Oxido de Etileno

(C2Oxide) y agua, y posterior separación en una columna de destilación. En

la Fig. 3.1 se presenta el flowsheet del proceso.

FIGURA 3.1. Diagrama de flujo del proceso de producción de Etilen Glicol

Fuente: Elaboración propia

Las corrientes de alimentación se mezclan previamente en un Mixer. La

corriente resultante ingresa a un reactor tanque agitado continuo que

funciona a temperatura constante y a 10 atm de presión.

3.2 VARIABLES A EVALUAR

Las variables a controlar son las corrientes de ingreso, como se muestran en

la Tabla 3.1

TABLA 3.1 Variables a Controlar

Nombre Oxido de Etileno Agua

Page 86: tesis HYSYS

Fracción de Vapor - 0

Temperatura (ºC) 50 -

Presión (atm) 10 10

Flujo Molar (kgmol/h) 500 -

Composición de las corrientes de Ingreso

Oxido de Etileno Fracción Molar: 1.0 Flujo Molar: 0.0 kgmol/hr

Agua Fracción Molar: 0.0 Flujo Molar: 1000 kgmol/hr

Etilen Glicol Fracción Molar: 0.0 Flujo Molar: 0.0 kgmol/hr

Dietilen Glicol Fracción Molar: 0.0 Flujo Molar: 0.0 kgmol/hr

Fuente: Elaboración propia

3.3 MATERIALES Y EQUIPOS

Datos Termodinámicos

Datos Cinéticos

Simulador Hysys

Computadora

Métodos Numéricos

3.4 ALGORITMO DE TRATAMIENTO SELECCIONADO

FIGURA 3.2. Algoritmo de simulacion

Page 87: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia

3.5 RECOLECCIÓN DE DATOS

Las reacciones, que se describen en Tabla 3.2, ocurren en fase líquida. El

reactor tiene un volumen de 8 m3, se supone caída de presión nula y

mantiene un nivel de líquido de 85 %. En la Tabla 3.3 se indican los datos

cinéticos.

TABLA 3.2. Reacciones Químicas

Fuente: Elaboración propia

TABLA 3.3. Datos Cinéticos

Page 88: tesis HYSYS

Fuente: Tablas termodinámicas

3.6 SIMULACIÓN DEL PROCESO

SIMULACIÓN ESTATICA DEL PROCESO

Comenzando a “dialogar” con el simulador... Creando un Set de

unidades

El primer paso en la construcción de un nuevo caso (New Case) de

simulación es elegir el conjunto de unidades con el que se prefiere trabajar.

HYSYS no permite modificar los tres conjuntos de unidades básicos (SI,

EuroSI, Field) que trae incorporado, pero si posibilita generar a partir de

ellos, un nuevo set que se ajuste a nuestras exigencias/preferencias.

1.- Para cambiar las unidades debemos seleccionar Tools del menú

principal; posicionar el cursor sobre Preferences, aparecerá una pantalla

titulada “Session Preferences (HYSYS.prf)”. Posicionar el cursor sobre la

página Units y hacer click; esto puede verse en la Figura 3.3. El Set de

Unidades por defecto es el conjunto SI, pero se puede modificar desde esta

pantalla.

FIGURA 3.3. Preferencia de Unidades

Page 89: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Para cambiar las unidades utilizadas se procede de la siguiente manera

2.- Click en SI en la lista Available Unit Set para asegurarnos que éste sea

el set activo. Notar que la unidad por defecto para la presión es kPa.

Deseamos cambiarla a atm.

3.- Presionar el botón Clone. NewUser aparecerá resaltado en Unit Set

Name. Este es el nombre que asigna HYSYS al nuevo set de unidades; para

cambiarlo debemos ingresar EG (nombre que decidimos asignarle al set de

unidades que se utilizará para este caso) en la casilla nostrada en la Figura

3.4

4.- Nos movemos hasta la celda Pressure haciendo click en kPa.

Abrir la lista desplegable de las unidades disponibles en la Barra de Edición

haciendo click en 3.

FIGURA 3.4. Editando Unidades

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Page 90: tesis HYSYS

5.- Haciendo click en atm, seleccionaremos la nueva unidad. El nuevo

conjunto de unidades queda así definido. Presionando el botón Close se

regresa al entorno de simulación.

Inicio de la simulación: Construcción del Flowsheet

Si hay otros casos en uso, es conveniente cerrarlos. Para ello, seleccionar

Close All del menú File. Comenzar un nuevo caso seleccionando File New

Case tal como se muestra en la Figura 3.5.

FIGURA 3.5. Editando Unidades

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Aparecerá la ventana del Simulation Basis Manager como se muestra en la

Figura 3.6. El próximo paso es crear el Fluid Package. Este contiene los

componentes y el método elegido para la predicción de propiedades fisico-

químicas.

FIGURA 3.6. Editando Fluid Package

Page 91: tesis HYSYS
Page 92: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Para agregar un nuevo Fluid Package, estando en la página Fluid Pkgs,

presionar el botón Add. La elección del paquete de propiedades se realiza en la

página Prop Pkg. Para nuestro ejemplo utilizaremos Wilson.

Utilizando la barra de desplazamiento buscar Wilson en la lista Base Property

Package Selection. Ubicar el cursor sobre la palabra Wilson y hacer click.

Aparecerá un cartel en amarillo con la leyenda Wilson al pie de la ventana, como

se muestra en la Figura 3.7

FIGURA 3.7. Editando Modelo termodinamico

Page 93: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

El siguiente paso es agregar los compuestos utilizados en el caso, para ello

seleccionar la página Components como se muestra en la Figura 3.8.

En la celda Match, ingresar “water”. Una vez que aparece el componente en

azul, presionar el botón Add pure. . En la sección Current Component List

aparecerá H2O.

FIGURA 3.8. Editando Modelo termodinamico

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Volver a la celda Match, hacer click, borrar Water e ingresar

Ethylene_Glycol, presionar Add pure. Volver a la celda Match, ingresar

EthyleneOxide, presionar el botón Add pure. Repetir para el último

componente, ingresando Ethylene_Diglycol

Una vez seleccionados todos los componentes aparecerá en la pantalla,

Page 94: tesis HYSYS

dentro de la sección Current Component List, una lista con los cuatro

componentes adicionados.

FIGURA 3.9. Componentes seleccionados

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Page 95: tesis HYSYS

Cálculo de los coeficientes binarios faltantes

Ir a la página Binary Coeffs, si aparecen algunos coeficientes binarios sin

calcular (esto es, si hay guiones de color rojo), presionar el botón Unknows

Only tal como se muestra en la Figura 3.10.

FIGURA 3.10. Coeficientes binarios

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

3.7 CINÉTICA DEL PROCESO

Definición de la reacción química

Recordemos que la definición de la reacción química pertenece a las

actividades básicas o preliminares. Por lo tanto, lo primero que debemos

hacer es acceder al denominado Basis Manager, si es que no estamos allí.

Para ello se puede seleccionar el botón:

Si estamos en la ventana Fluid Package se puede proceder de la siguiente

manera:

Ir a la página Rxns.

Page 96: tesis HYSYS

Presionar el botón Simulation Basis Mgr..., aparece la pantalla Simulation

Basis Manager. Ver Figura 3.11

Ir a la página Reactions.

FIGURA 3.11. Pagina de reacciones

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Presionar el botón Add Comps..., aparecerá la pantalla Reaction

Component Selection.

Presionar el botón Add this Group of Components. Aparecerán los

componentes en el recuadro Selected Reaction Components.

Presionar el botón Close. Ver Figura 3.12

FIGURA 3.12. Añadiendo componentes

Page 97: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Presionar el botón Add Rxn..., aparecerá una pantalla titulada Reactions.

Ver Figura 3.13. Seleccionar el tipo de reacción: posicionar el cursor sobre

Kinetic. Presionar el botón Add Reaction. Aparecerá la pantalla Kinetic

Reaction: Rxn-1, en su primera página: Stoichiometry. Agregar los

componentes de la reacción seleccionándolos de la lista desplegable en el

campo superior de la pantalla. Aparecerán los pesos moleculares de cada

componente. En primer lugar definiremos la reacción para la obtención del

Etilenglicol, por lo tanto se seleccionan los compuestos H2O, Eglycol y

C2Oxide. Ver Figura 3.13

FIGURA 3.13. Estequiometria de las reacciones

Page 98: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Completar los coeficientes estequiométricos, recordando que se deben

asumir valores negativos cuando los coeficientes correspondan a reactivos.

Verificar que el campo denominado Balance Error sea igual a cero. Nótese

que los órdenes de reacción aparecen automáticamente, y son iguales a los

coeficientes, pero pueden ser modificados ya que HYSYS los ha colocado

en color rojo.

Pasar a la página Basis. Ver Figura. 3.14. En el campo Basis

seleccionamos Mole Fraction. En el campo Base Component colocar

C2Oxide seleccionándolo de la lista desplegable del campo superior. En el

campo Rxn Phase , colocar LiquidPhase , también seleccionándolo de la

lista desplegable del campo superior. Tomar en cuenta las unidades de

velocidad utilizadas, las cuales son independientes del Set de Unidades

seleccionado, y son las que determinarán las unidades de la constante en la

ecuación de Arrhenius.

FIGURA 3.14. Seleccionando modelo cinético

Page 99: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Pasar a la página Parameters e ingresar los valores de los parámetros de la

reacción con las unidades que correspondan. Para el caso de E (energia de

activacion), es posible ingresar el valor y seleccionar la unidad

correspondiente de la lista desplegable, en nuestro caso podemos ingresar E

con el valor dado al inicio y seleccionar cal/gmol de la lista desplegable (Ver

Figura. 3.15). Una vez ingresados los parámetros de la reacción directa, el

cartel en rojo Not Ready cambiará por el de Ready en color verde. Esto

significa que para HYSYS estos datos son suficientes ya que hemos elegido

una reacción cinética y no una cinética reversible, y si bien se podrían

agregar los datos para la reacción indirecta, esto no es necesario. Presionar

el botón Close.

FIGURA 3.15. Constantes de reacción

Hasta aquí hemos definido la primera de las reacciones consideradas. Es

necesario definir la reacción correspondiente a la obtención del DEGlycol.

Page 100: tesis HYSYS

Por lo tanto, solo basta repetir los pasos enunciados anteriormente

cambiando la estequiometria y los parámetros cinéticos A y E.

La reacciones que hemos definido se encuentran en el Grupo de Reacciones

denominado Global Rxn Set, y es necesario adicionarlo al Paquete de

propiedades que hemos definido, para ello, posicionados en la página

Reactions de la vista Simulation Basis Manager, seguir los siguientes

pasos: Presionar el botón Add to FP. Aparecerá una pantalla titulada Add

‘Global Rxn Set’, seleccionar con el cursor el Paquete de Propiedades

BASIS-1 NC:4 PP:Wilson, y cuando se haya coloreado en azul, presionar el

botón Add Set to Fluid Package. La palabra Basis-1 aparecerá en el

recuadro Assoc. Fluid Pkgs. Ver Figura 3.16

FIGURA 3.16. Seleccionando segundo modelo cinético

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Hasta aquí hemos definido las bases de nuestro caso. Presionando el botón

Enter to Simulation Enviroment se ingresa al ámbito de simulación.

Entorno de Simulación

3.8 DISEÑO DE FLOWSHEET

Al ingresar al ámbito de simulación, aparecerá una ventana denominada

PFD en la cual se irá construyendo el caso, y se visualizará además la

plantilla de operaciones denominada Object Palette

(Ver Figura 3.17). Esta herramienta contiene en forma de iconos, las

Page 101: tesis HYSYS

diversas operaciones unitarias que se Utilizan en la construcción de casos

de simulación. Presionando la tecla F4 la misma se activa o Desactiva.

Para construir un caso se puede comenzar de diferentes modos, nosotros

Elegiremos el siguiente:

1.- Definir las corrientes de alimentación.

Primero activaremos la planilla para el ingreso de datos

denominada Workbook.Presionando el botón

En la página Material Streams, posicionarse en la celda

**New** y agregar los Siguientes datos:

TABLA 3.4. Datos de Operación

Name OxidoEtileno Agua

Vapour/Phase

Fraction

- 0

Temperature ( C) 50 -

Pressure (atm) 10 10

Molar Flow (kgmol/h) 500 1000Fuente: Elaboración propia

Una vez ingresados estos valores se puede observar

que las demás celdas permanecen con la palabra <empty>, porque aún es

necesario agregar la composición de cada corriente. Ver Fig. 18

Seleccionar la página Compositions, y agregar las composiciones molares

para cada componente:

TABLA 3.5. Datos de composición

Name OxidoEtileno Agua

Comp Mole Frac (H2O) 0 1

Comp Mole Frac (EGycol) 0 0

Comp Mole Frac (C2Oxide) 1 0

Comp Mole Frac (DEGlygol) 0 0Fuente: Elaboración propia

FIGURA 3.17

Page 102: tesis HYSYS

FIGURA 3.18. Ingresando datos de operación

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Después de ingresar el primer valor de la composición de la corriente

OxidoEtileno, aparecerá una pantalla llamada Input composition for

Stream: OxidoEtileno. Ingresar el resto de los valores, verificar que el valor

de la celda Total sea 1, y luego presionar el botón OK. Ver Figura 3.19.

Repetir la operación para la corriente de Agua.

FIGURA 3.19. Ingresando Composición

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Antes de continuar con la simulación, volver a la página Material Streams y

verificar que se hayan calculado el resto de los valores para cada corriente.

Ingresar al PFD (diagrama de flujo): hacer click en el icono PFD. Aparecerá

Page 103: tesis HYSYS

una pantalla titulada PFD - Case Main. Allí aparecen las dos corrientes ya

definidas. Podemos moverlas de lugar haciendo click sobre cada una y

arrastrando con el mouse.

2.- Seleccionar el Mixer: Posicionar el cursor sobre el icono del Mixer en la

paleta de objetos (Object Palette), y hacer click, luego posicionar el cursor en

la posición del PFD dónde deseamos ubicar el Mixer, y hacer nuevamente

click, aparecerá el diseño de un objeto cuya única función es la de mezclar

varias corrientes para obtener una sola de salida. Ver Figura 3.20

FIGURA 3.20. Ingresando datos de operación

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

3.- Definir las propiedades del Mixer o mezclador. Hacer doble click sobre el

icono del Mixer, aparecerá una pantalla titulada MIX-100, en su primera

Página. Aquí debemos definir:

Connections: Podemos ingresar varias corrientes de alimentación (Inlets).

Posicionar el cursor en **Add Stream**, abrir la lista desplegable de la barra

situada en la parte superior de esta pantalla. Seleccionar Agua con el

cursor, y automáticamente aparecerá esta corriente como alimentación del

Reactor. Repetir la operación para OxidoEtileno. Posicionarse en la celda

Outlet e ingresar el nombre Mezcla. Los datos ingresados hasta el momento

son suficientes para que se efectúen los cálculos Correspondientes para

determinar las propiedades de la corriente de salida del Mixer. Ver Figura

3.21

FIGURA 3.21. Conexiones del Mixer

Page 104: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Parameters: Se puede continuar sin modificar los valores de esta página.

4.- Seleccionar el Reactor de Tanque Agitado (CSTR). Posicionar el cursor

sobre el icono del CSTR de la paleta de objetos (Object Palette), y hacer

click, luego posicionar el cursor en la posición del PFD dónde deseamos

ubicar el reactor, y hacer nuevamente click, aparecerá el diseño del reactor.

Ver Figura 3.22.

FIGURA 3.22. Reactor CSTR

Page 105: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

5.- Definir los parámetros del reactor: Hacer doble click sobre el icono del

reactor, aparecerá una pantalla titulada CSTR: CSTR -100, en su Primera

página. Aquí debemos definir:

Connections: Podemos ingresar varias corrientes de alimentación (Feeds).

Posicionar el cursor en <New Feed>, abrir la lista desplegable de la barra

situada en la parte superior de esta pantalla. Seleccionar Mezcla con el

cursor, y automáticamente aparecerá esta corriente como alimentación del

Reactor.

Posicionarse en la celda Vapour Outlet e ingresar el nombre Venteo, hacer

lo mismo en la celda Liquid Outlet ingresando la palabra Productos, y luego

en Energy (Optional) ingresar Qreactor. Aparecerá un Cartel en amarillo

con la leyenda Not Solved, pues aún faltan datos para que HYSYS pueda

efectuar los Cálculos.

Parameters: aquí se encuentran colocados por defecto el volumen del

reactor. En la sección Optional Heat Transfer seleccionar Cooling, ya que

la reacción es exotérmica.

Reactions: abrir la lista desplegable en la celda Reaction Set y seleccionar

Global Reaction Set. Aparecerá un cartel verde con la leyenda Ready. Esto

significa que ha sido asignada una reacción al reactor. En la sección Vessel

Parameters, modificar el volumen del reactor a 8 m3 y el nivel del líquido

Page 106: tesis HYSYS

(Liquid Level) a 85%. Ver Figura 3.23

FIGURA 3.23. Reacciones del Reactor CSTR

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Worksheet: en esta página observamos todas las corrientes que entran o

salen del reactor, mientras en la parte inferior se observa la leyenda Not

Solved en color amarillo, esto es porque HYSYS no dispone de todos los

datos necesarios para resolver el modelo del reactor. El reactor puede

funcionar de las siguientes maneras:

i) Isotérmico: Para ejemplificar ingresar el valor 98.6212 ºC (valor

correspondiente a la mezcla de reactivos) en la celda de temperatura de la

corriente Productos. La leyenda Not Solved debe cambiar a OK, en color

verde. Ver Figura 3.24. Nótese que se han completado todos los valores de

las corrientes Productos y Venteo. Podemos ir a la página Reactions para

ver el % de conversión alcanzado.

FIGURA 3.24. Worksheet del Reactor CSTR

Page 107: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

ii) Adiabático: volver a la página Worksheet, posicionar el cursor sobre la

temperatura de la corriente Productos y presionar <SUPR>, con ello se

volverá al valor original <empty> de ésta celda y de todas las que se

calcularon a partir de ella. Luego posicionarse en Heat Flow de la corriente

Qreactor e ingresar el valor cero. HYSYS comienza a calcular y después de

algunos momentos mostrará los valores calculados (271 ºC para los

productos), con una conversión del 100%. Analizar estos resultados.

iii) Politrópico: Siguiendo los procedimientos anteriores se pueden resolver

casos de funcionamiento no isotérmico-no adiabático. En este caso ingresar

180ºF en la celda de temperatura de la corriente Productos.

El PFD desarrollado hasta este momento debe modificarse, si es necesario,

para que su apariencia sea similar a la Figura 3.25. Grabar el caso

seleccionando File ® Save.

FIGURA 3.25. Flowsheet preparado hasta el momento

Page 108: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Aparecerá la casilla de diálogo Save Simulation Case As.

Escribir un nuevo nombre, por ejemplo CASOEG, en la celda File Name.

Nótese nuevamente que no es necesario ingresar la extensión .HSC;

HYSYS lo añadirá automáticamente.

Presionar el botón OK, y HYSYS salvará el caso bajo el nuevo nombre.

Uso de Case Studies

Con el objeto de realizar un estudio sobre la reacción de obtención de

Etilenglicol para diferentes condiciones operativas, se puede hacer uso de

una de las posibilidades ofrecidas a través de la herramienta Databook,

estudios sobre un caso o Case Studies.

En primer término analizaremos la influencia producida por la relación de

reactivos. Para poder especificar el valor de una variable de una corriente

dada en función del valor tomado de otra variable se hace uso de la

operación SET. Ver Figura 3.26.

FIGURA 3.26. Opción Set

Page 109: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Eliminar la especificación de flujo molar en la corriente OxidoEtileno. Notar

que al eliminar el valor, HYSYS no puede calcular completamente la

corriente.

Hacer doble clic sobre el icono del SET. En el grupo Target Variable

presionar el botón Select Var....Ingresar la propiedad Molar Flow de la

corriente OxidoEtileno como variable objetivo según se muestra en la

Figura 3.27.

FIGURA 3.27. Select Tarjet Object

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

En el grupo Source seleccionar como variable fuente la corriente Agua. Ver

Figura 3.28. De esta manera el caudal molar de Oxido de Etileno será

función lineal del caudal molar de la corriente de agua. Es necesario ahora

especificar el valor de los parámetros que determinan esta función. En la

sección Parameters es necesario definir el factor multiplicador que en

nuestro ejemplo utilizaremos 0.5 por el momento. Ver Figura 3.29. De esta

manera el caudal molar de Oxido de Etileno será la mitad del de Agua.

Page 110: tesis HYSYS

FIGURA 3.28. Set 1- Conexiones

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

FIGURA 3.29. Set 1- Parámetros

Page 111: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

A continuación utilizaremos la herramienta Databook para seleccionar las

variables involucradas en el Análisis.

En primer lugar, seleccionaremos Databook del menú Tools, aparecerá una

pantalla con varias páginas Como se muestra en la Figura 3 30.

FIGURA 3.30. Databook

Page 112: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

La primera sección Variables se utiliza para seleccionar las variables a

estudiar. Presionamos el botón Insert, y seleccionamos SET-1 de la

columna Object y luego Multiplier de la columna Variable. Ver Figura 3.31.

Presionar el botón OK al finalizar.

FIGURA 3.31. Variables de Databook

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Siguiendo el mismo procedimiento insertar a continuación las variables

indicadas la Figura 3.32

FIGURA 3.32. Databook

Page 113: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Una vez ingresadas todas las variables de interés, seleccionar la sección

Case Studies. Presionar el botón Add. Aparecerá la leyenda Case Studies

1 en el recuadro Available Case Studies. Ahora será necesario definir las

variables independientes y dependientes. Entendemos por variables

independientes aquellas que podemos variar su valor y a partir de la cuales

se determinan los valores de las demás variables.

Seleccionaremos la variable Multiplier del objeto SET-1 como variable

independiente. La composición de los compuestos de la corriente Productos

serán las variables dependientes. Ver Figura 3.33.

FIGURA 3.33. Databook Case Studies

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

A continuación presionar el botón View.. para establecer los límites e

incremento de la variable independiente. Se sugiere hacer el estudio en el

rango de 0.001 a 1 con incrementos de 0.1. Ver Figura 3.34. Observar el

Page 114: tesis HYSYS

recuadro Number of States, nos indica la cantidad de estados que se

calcularán.

FIGURA 3.34. Case Studies

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Presionando el botón Start comienza a ejecutarse los cálculos. Mientras

esperamos podemos presionar el botón Results... y observar el Gráfico o la

Tabla de valores que se genera. El Gráfico final puede verse en la Figura

3.35.

FIGURA 3.35. Grafico de Resultados

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Observando el gráfico se puede suponer que es más conveniente trabajar a

relaciones OE/Agua bajas donde la producción de EtilenGlicol se ve

favorecida frente a la de DietilenGlicol.

Page 115: tesis HYSYS

Se puede plantear el mismo análisis seleccionando la temperatura de la

corriente Productos como variable independiente. De este modo podemos

ver la influencia de la temperatura sobre la velocidad de reacción.

Aplicación de Columnas de Destilación

En esta parte se deberá comenzar a trabajar con el archivo Planta1.hsc que

contiene el diagrama de flujo, representado en la Figura 3.25

El objetivo es incrementar el diagrama de flujo de acuerdo con el de la

Figura 3.36

FIGURA 3.36. Completando Flowsheet

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

El primer paso consiste en incorporar una válvula cuya única función es

disminuir la presión de la corriente que fluye del reactor. Presionando F4

aparecerá la paleta de objetos, la válvula corresponde al icono mostrado en

la Figura 3.37.

FIGURA 3.37. Válvula

FIGURA 3.38. Válvula

Parámetros

Page 116: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

En la sección Parameters se introducirá la caída de presión correspondiente

a 8 atm (ver Figura 3.38).

Agregando la columna de destilación

La inserción de la columna puede realizarse desde el PFD. Presionando F4

aparece la paleta de objetos tal como se muestra en Figura 3.17 y se

selecciona el esquema de la columna con sus correspondientes

condensador y rehervidor. (Ver Figura 3.39)

Haciendo doble click en el esquema de la columna aparecerá el Distillation

Column Input Expert (ver Figura 3.40) a fin de guiar en el llenado de los

datos que definen a este sistema.

En la página 1 de 4 ingresar los siguientes datos:

o Número de etapas: 10

o Plato de alimentación: 5

o Nombre de la alimentación: FeedColumna

o Tipo de condensador: Total

o Nombres de las corrientes de materia y energía según se muestra

en la Fig. 41.

Completada la página 1 se habilitará el botón Next. Presionando este

pasaremos a la página siguiente.

FIGURA 3.39.

Valvula

Page 117: tesis HYSYS

En la página 2 de 4 se define el perfil de presión dentro de la columna. Los

valores son:

o Presión en el condensador: 15.00 psia

o Presión en el rehervidor: 17.00 psia

o Caída de presión en el condensador: 0 psia

FIGURA 3.40. Propiedades de la columna de destilación Pág. 1

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

En la página siguiente (3/4) se pueden ingresar estimaciones. Estos valores

son opcionales y no se consideran en este ejemplo.

En la última página (4/4) se ingresan las especificaciones operativas de la

columna:

o Relación de reflujo: 0.7

o Flujo: Base molar

Al terminar presionar el botón DONE.

FIGURA 3.41. Propiedades completas de destilación Pág. 1

Page 118: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Los datos del sistema quedan completamente definidos. Una vez

posicionados en el libro de cálculo correspondiente a la columna en la hoja

Specs se debe notar que las especificaciones establecidas deben ser tales

que garanticen que los grados de libertad sean igual a 0 indicando que la

columna ya está lista para ser resuelta. Además el INPUT EXPERT indica

que se requiere la especificación en 2 variables a fin de conformar el

conjunto de datos que configuren esta condición (grados de libertad = 0). La

adición de especificaciones distintas de las sugeridas por el INPUT EXPERT

Page 119: tesis HYSYS

se realiza como se muestra en la Figura 3.42. Presionando el botón ADD

aparece una ventana con todas las posibles variables que pueden ser

especificadas.

Se seleccionará COMPONENT FRACTION (Figura 3.43) y aparecerá una

nueva ventana como la que se muestra en la Figura 3.44, en la que deberán

consignarse los datos que allí aparecen. Luego apretar Close y esa opción

queda incluido en la lista de especificaciones. Es importante notar que

pueden aparecer en la hoja Monitor varias especificaciones a la vez, sin

embargo las únicas con las que efectúa el cálculo es con las que tienen la x

en la columna ACTIVE. Volviendo a la hoja Monitor si se presiona Group

Active se reordenan las especificaciones activas. Finalmente presionando

FIGURA 3.42. Propiedades Specs

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

el botón Run comienza el cálculo en estado estacionario de la columna. El

mismo consiste en cerrar los balances de masa y energía bajo la suposición

de que las “entradas” son iguales a las “salidas”.

Page 120: tesis HYSYS

FIGURA 3.43. FIGURA 3.44. Fracción de Agua

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Cuando el cálculo ha culminado con éxito aparece el cartel en fondo verde

CONVERGED (ver Figura 3.45) indicando que se han podido evaluar

correctamente las variables de interés respetando las especificaciones

dadas.

Notar que la mayoría de los datos de interés aparecen en la hoja SUMMARY

así como los perfiles de las variables tales como temperatura, presión, flujos

de líquido y vapor se hallan presentados en la hoja PROFILE.

FIGURA 3.45. Monitor de la Columna

Page 121: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Los resultados del caso principal pueden verse en el WORKBOOK

desplegando la información detallada según se observa en la Figura 3.46.

FIGURA 3.46. Workbook

Page 122: tesis HYSYS

3.9 BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA

Es posible también presentar una WORKBOOK con las composiciones de

las corrientes tal como se muestra en la Fig. 47. Que es el Balance e Materia

del destilador. Asi tambien en la pagina Energy Streams encontraremos el

balance de energia.

FIGURA 3.47. Balance de Materia

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Page 123: tesis HYSYS

3.10 SIMULACIÓN DINAMICA DEL PROCESO

Simulación en modo Dinámico Caso II: Reactor de producción de

Propilenglicol

Instalación de controladores PID

En este trabajo se propone la instalación de controladores en un reactor de

producción de Propilenglicol. Por lo tanto, el usuario deberá instalar lazos de

control locales y externos en el reactor. El usuario comenzará a trabajar con

el archivo llamado “PG-Dinamico.hsc”.

FIGURA 3.48. Flowsheet

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Cabe señalar que se entiende por “control local” a aquellos que están

implícitamente vinculados a las operaciones unitarias con el volumen de

líquido en ellos retenidos (holdup). Por ejemplo cada recipiente tiene un

control local de nivel. Luego si se produjera alguna alteración en el nivel de

líquido, por ejemplo una subida extrema, la válvula de líquido asociada se

encargaría de efectuar una salida del mismo para mantener el nivel en

valores predeterminados.

Cada operación unitaria con volumen retenido que presenta HYSYS tiene

Page 124: tesis HYSYS

incorporadas válvulas de vapor y líquido como un elemento estándar de la

operación. La información necesaria para el dimensionamiento de estas

válvulas se encuentra en la página correspondiente a Liquid Valve o

Vapour Valve. Se analizará en cada equipo con volumen retenido, el

dimensionamiento de las correspondientes válvulas. Inicialmente se realizará

para el caso de la válvula de vapor del reactor tal como se observa en la

pantalla de la Figura 3.49.

FIGURA 3.49. Vapour Valve del Reactor CSTR

Page 125: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

En este caso las condiciones de la reacción son tales que no producen vapor

en el reactor. El flujo a través de la válvula de vapor se calcula basándose en

la presión diferencial entre el interior del recipiente y la corriente aguas abajo

del equipo. Si la presión en el reactor comienza a subir la válvula debe

abrirse a fin de producir el venteo del equipo. Esta clase de “control local”

Page 126: tesis HYSYS

sería equivalente a tener un controlador de punto digital que abre o cierra la

válvula en caso de que la variable de proceso exceda un determinado valor

límite.

Análogamente a lo anterior sucede con la válvula de líquido del reactor a la

que se le han asignado los valores indicados en la Figura 3.50. Cabe señalar

que dado que la variación de nivel en el reactor produce cambios en el

caudal de sus productos y que éstos a su vez son los que alimentarían a la

columna de destilación aquí sólo se incorporarán los valores máximos y

mínimos de flujo. Por lo tanto, en este caso se optará por efectuar el control

de nivel en forma externa como se verá posteriormente.

FIGURA 3.50. Vapour Valve del Reactor CSTR

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Instalación de controladores externos

La nomenclatura utilizada para las principales variables que tienen que ver

con el controlador es:

PV: variable de proceso, corresponde a la variable controlable

Page 127: tesis HYSYS

OP: salida (OUTPUT) o variable manipulable, encargada de mantener a PV

en su valor de SET POINT.

También se debe tener en cuenta que la acción de control puede ser:

Directa: cuando el valor de la variable de salida aumenta, la apertura de

válvula también aumenta.

Inversa: cuando el valor de la variable de salida aumenta, la apertura de

válvula debe disminuir

“TUNING”: Se refiere a la sintonización de los controladores; es decir, darle

valores a los parámetros de ajuste del mismo, tales como ganancia, tiempo

integral y tiempo derivativo. Considerar que HYSYS sólo tiene incorporados

controladores clásicos PID y en caso de necesitar esquemas de control de

otro tipo es necesario incorporarlo a través de programas especialmente

diseñados para ello.

Instalación de control de nivel en el reactor

De la paleta de objetos (OBJECT PALETTE -F4-) seleccionar el controlador

PID. Ver Figura 3.51. Colocarlo en el PFD, y hacer doble click sobre él.

FIGURA 3.51. Controlador PID

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

En la primera sección, Connections, debemos definir la variable controlada

(PV) y la variable manipulada (OP). Presionamos el botón Select PV... y se

nos abrirá la ventana Select Input PV, debemos seleccionar la variable

Liquid Percent Level del reactor como se indica en la Figura 3.52.

FIGURA 3.52. Select Input Pv

Page 128: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Presionamos el botón OK y regresamos a la vista original. Para seleccionar

la variable manipulada hacemos click sobre el botón Select OP y elegimos la

corriente Productos. Finalmente nos quedará definido el controlador como

se muestra en la Figura 3.53.

FIGURA 3.53. Reactor LC

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Debemos ingresar los demás parámetros necesarios para definir el

controlador guiándonos por la tabla siguiente.

Page 129: tesis HYSYS

TABLA 3.6. Parámetros

Connections Name Reactor LC

PV – Process Variable Source Object: Reactor

Output Target Object OP: Productos

Parameters PV Minimum 0%

PV Maximum 100%

Control Action Direct

Tunning Kp 1

Ti 20

Td <empty> porque se opta por un

controlador PI

Fuente: Elaboración propia

Finalmente, definido el controlador, activaremos la ventana que nos permite

modificar los parámetros del controlador denominada Face Plate. Debemos

presionar el botón Face Plate que se encuentra en la parte inferior de la

ventana del controlador. Aparecerá una nueva ventana en la que

cambiaremos el modo del controlador a Auto. Ver Figura 3.54.

FIGURA 3.54. Tuning

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Instalación de control de temperatura en el reactor

Repitiendo los pasos anteriores instalar un nuevo controlador PID y definirlo

según los valores de la siguiente tabla.

Page 130: tesis HYSYS

TABLA 3.7. Parámetros PID

Fuente: Elaboración propia

Para dimensionar la válvula de flujo calórico presionamos el botón View

Control Valve en la sección Connections y completamos los siguientes

datos:

o Asegúrarse que el botón DIRECT Q está seleccionado.

o MIN AVAILABLE: 0 kW

o MAX AVAILABLE: 2500 kW. (aprox. el doble del valor de estado

estacionario que coincide con el valor de SP)

o Presionar Close.

Para decidir qué valores poner para el PV MIN y PV MAX se toma como

punto de partida el valor de estado estacionario, en este caso corresponde a

la actual temperatura de operación del reactor 60° C.

El objetivo se plantea como tratar de mantener la temperatura del reactor en

ese valor, luego se propone un rango de PV entre 20 y 120 ° C.

Finalmente activar el Face Plate, presionando el botón correspondiente.

Consideraciones previas a la simulación en modo dinámico.

Al trabajar con el caso en forma “dinámica” puede resultar útil ir observando

Page 131: tesis HYSYS

la evolución de las variables de interés en forma gráfica o numérica. En

particular esta última opción es útil para guardar en archivos aquellos

resultado de los que pueden obtenerse conclusiones. HYSYS presenta una

interesante herramienta para este fin como es el STRIP CHART. Por ello, en

lo que sigue se presentará un pequeño resumen de las etapas a seguir para

recopilar y visualizar los resultados de una simulación.

TABLA 3.8. Etapas a seguir

VARIABLES CONTROLADAS VARIABLES MANIPULADAS

Temperatura del Reactor Caudal de la corriente de Productos

Nivel del Reactor Caudal de la corriente Refrigerenate

VARIABLES DE INTERES OTRAS

Comp. Molar de Oxido de Propileno SetPoint del Reactor LC

Comp. Molar de Agua SetPoint del Reactor TC

Comp. Molar de Propilen Glicol

Fuente: Elaboración propia

Page 132: tesis HYSYS

Una vez ingresadas todas las variables, nos posicionamos en la sección

StripCharts. Presionando el botón Add se genera un nuevo grafico

denominado Strip Chart 1. El nombre puede ser cambiado haciendo click en

la celda Strip Chart Name y escribiendo el nuevo valor.

Para seleccionar las variables a visualizar se activan las casillas de la

columna Active. Cuando el numero de variables a monitorear es grande

conviene agruparlas por categorías y utilizar varios Strip Charts.

En la Figura 3.55 se muestran el conjunto de variables para el reactor que

aparecerán graficados en la pantalla Variables Reactor. Notar que las

variables seleccionadas se indican en su correspondiente cuadro por medio

de una cruz.

FIGURA 3.55. Variables del reactor a graficar

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Las diferentes características vinculadas netamente con la presentación

gráfica se establecen presionando el botón Setup de la pantalla mostrada en

la Figura 3.55. A partir de allí aparece la pantalla de la Figura 3.56

permitiendo en cada hoja asignar distintas propiedades.

Page 133: tesis HYSYS

FIGURA 3.56. Variables del reactor

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Pasando al modo dinámico...

Para alternar al modo dinámico se presiona el botón Así aparece en

la barra de menú el botón con el símbolo integral con el cual se comienza o

detiene la integración numérica de las ecuaciones diferenciales. Este botón

aparece sólo en modo dinámico.

Inicio de los cálculos dinámicos.

El caso ya está listo para iniciar una corrida en modo dinámico. Para

comenzar los cálculos es necesario acceder al Integrador que forma parte

del menú encabezado por Simulation y aparece la pantalla de la Figura

3.57.

FIGURA 3.57. Integrador

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Page 134: tesis HYSYS

El ítem Current Time señala el tiempo actual de corrida. Presionando el

botón Start aparecen las variables claves evolucionando en el tiempo e

indicadas por el StripChart en cada etapa. El botón Start cambia por Stop

mientras se efectúan los cálculos de integración. Una vez presionado el

botón Stop el procedimiento se detiene, de otra forma el cálculo continúa

hasta alcanzar el tiempo indicado en el ítem End Time. El botón Reset

restablece las condiciones de estado estacionario iniciales del sistema.

Incorporando perturbaciones al sistema

En este ejemplo se efectuarán algunos cambios en determinadas variables a

partir del estado estacionario del sistema que se viene analizando. En la

Figura 3.58 se observan, a través de los Face Plates de los controladores,

los valores de Set Point, variable controlada y manipulada del nivel y

temperatura del reactor. Luego de haber corrido el programa durante 30

minutos y, dado que hasta el momento no se Introdujeron cambios en los

valores de las variables de interés, éstas permanecen en el rango de partida

a lo largo del tiempo.

FIGURA 3.58. Variables de Interés

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Perturbación en escalón de la temperatura

En el primer caso se propone efectuar una caída de temperatura en el

reactor de 60 ºC a 30 ºC. Para ello se debe clickear en Tuning del Face

Plate de temperatura del reactor y en la hoja Parameter se debe ingresar el

nuevo SP (set point) = 30 ºC. Luego de correr el programa hasta los 130

minutos de simulación aparecerá la pantalla tal como se muestra en la

Figura 3.59 para el caso de las variables de interés vinculadas al reactor.

Page 135: tesis HYSYS

Puede observarse que la línea en rojo corresponde al cambio de SP pedido

y la línea azul corresponde a la evolución de la temperatura en el reactor. La

producción del Propilenglicol disminuye dado que a una temperatura más

baja la cinética también cambia (línea de trazos).

FIGURA 3.59. Simulación de variables

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Perturbación de la temperatura mediante una función rampa

En este caso se pretende llevar al reactor a la temperatura de 80 ºC. Para

ello se procederá como en el caso anterior estableciendo las condiciones

pedidas a través del controlador de temperatura Reactor TC, tal como se

muestra en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. En la

página Tuning se observa el ítem Set Point Ramping que se completará de

acuerdo con los datos presentados en la ¡Error! No se encuentra el origen

de la referencia. Con esto se pretende que la temperatura se eleve hasta

los 80 ºC alcanzando ese valor en un período de 30 minutos. Así la

pendiente de la rampa queda totalmente especificada. La opción Start

Ramp es la encargada de disparar la orden de comenzar. Luego se inicializa

el integrador a partir del punto anterior con el comando Start o presionando

el símbolo de la Integral que se encuentra en la barra de herramientas.

Page 136: tesis HYSYS

FIGURA 3.60. Reactor TC Tunning

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

En la Figura 3. 61 puede observarse la evolución de la rampa en el Set Point

y el buen seguimiento que realiza la temperatura del reactor con lo cual

queda demostrado que el ajuste del controlador que aquí actúa resulta

eficiente para este equipo. En la Figura 3.62 puede observarse que los datos

generados en el total de estas corridas han sido guardados en el History

data y que si resultan de interés los datos pueden enviarse a un archivo

presionando el comando Save to file.

FIGURA 3.61. Evolución de la rampa en el set point

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Page 137: tesis HYSYS

Para acceder a la ventana History Data se ingresa a la Sección Strip

Charts del Databook y seleccionando el Strip Chart correspondiente, al

presionar Historical se abre la ventana mostrando los valores de las

variables en forma tabular.

FIGURA 3.62. History Data

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Page 138: tesis HYSYS

CAPÍTULO IV

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

4.1. EVALUACIÓN DE LAS PRUEBAS

Después de completar el proceso de construcción de la simulación,

podemos determinar y evaluar una serie de pruebas para poder determinar,

como se comporta el Proceso variando las diferentes variables que se

propusieron para la ejecución de esta simulacion.

Para esto en el proceso final através del workbook, iremos cambiando una a

una estas variables y veremos como afecta al proceso final de obtención del

producto.

Primero lo haremos cambiando el flujo de agua suministrado al inicio del

proceso: Dos casos uno con 500 kgmol/h y otro con 750 kmol/h, el primer

caso lo veremos en la Figura 4.1 y su composición en la Figura 4.2 y para el

segundo caso en la Figura 4.3 y su composición en la Figura 4.4

FIGURA 4.1 Workbook para 500 Kgmol/h

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Page 139: tesis HYSYS

FIGURA 4.2 Workbook - Composición para 500 Kgmol/h

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

FIGURA 4.3 Wokbook para 750 Kgmol/h

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Page 140: tesis HYSYS

FIGURA 4.4 Workbook - Composición para 750 Kgmol/h

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

FIGURA 4.5 Workbook para 1000 Kgmol/h

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Page 141: tesis HYSYS

FIGURA 4.6 Workbook - Composición para 1000 Kgmol/h

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Despues de analizar las Figuras 4.1, 4.3 y 4.5, podemos afirmar que el

aumento del flujo de agua hace que la cantidad de flujo obtenido en el fondo

de la Destilacion que es el que no interesa se incremente, lo mismo

podriamos afirmar para el caso de la produccion del reactor.

Pero si nosotros nos fijamos con más detenimiento en las Figuras 4.2, 4.4 y

4.6, que nos propociona la composicion de las diferentes corrientes de todo

el proceso, nos sorprenderemos al notar que si bien el flujo de producto de

fondos disminuye al reducir el flujo de alimentacion de agua al proceso, pero

la composicion respecto al producto que nos interesa que es el DEGlycol se

incrementa considerablemente, pasando lo mismo en el producto del reactor,

lo cual nos llevara a concluir que para mejorar la composicion del producto

en lo que respecta a DEGlycol, debemos reducir el flujo molar de

alimentacion de agua al sistema.

Como segunda opción cambiaremos la presion del sistema en el reactor,

usaremos presion de 5, 10 y 15 Atm, para la opción inicial de flujo de agua

de 1000 Kgmol/h, como lo que más no interesa es la composición

mostraremos en la Figura 4.7, 4.8 y 4.9 la composición para cada presión

Page 142: tesis HYSYS

respectivamente.

FIGURA 4.7 Workbook - Composición 1000 Kgmol/h y 5 Atm.

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

FIGURA 4.8 Workbook - Composición 1000 Kgmol/h y 10 Atm.

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Page 143: tesis HYSYS

FIGURA 4.9 Workbook - Composición 1000 Kgmol/h y 15 Atm

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Para esta variable de la presión del sistema la figura 4.7 nos muestra todo

vacío debido a que la presión estaría por debajo de la presión de la válvula

de descompresión por lo tanto no se podría trabajar, ha no ser que se

cambiase de válvula; sin embargo las Figuras 4.8 y 4.9 nos muestra

claramente que ésta variable no afecta en mejorar o deteriorar la

composición del producto final, por lo que se puede afirmar que esta variable

no es significativa en la simulación pero sí necesaria y que según

informacion teórica la presión de 10 atmosferas es la más adecuada para

llevar el proceso en manera óptima. Por lo que se le considerará como un

parámetro de producción.

Finalmente la última variable con la cual analízaremos es con la temperatura

de alimentación del C2Oxide al sistema, entonces en las Figuras 4.10, 4.11 y

4.12 mostraremos la composición para temperaturas de 30ºC, 50ºC y 80ºC.

de alimentación del C2Oxide para una presión de 10 atmosferas y un flujo de

agua de 1000Kgmol/h.

Page 144: tesis HYSYS

FIGURA 4.10 Workbook – Temperatura de 30ºC

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

FIGURA 4.11 Workbook - Temperatura de 50ºC

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Page 145: tesis HYSYS

FIGURA 4.12 Workbook - Temperatura de 80ºC

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

El cambio de Temperatura es lo que nos proporcionará el cambio final de la

temperatura de la mezcla que entrará al reactor pero en lo que refiere a las

composiciones no surtirá ningun efecto ya que para percibir los cambios que

puedan ocasionar la variación de la temperatura tendríamos que revisarlo en

el reactor ya que la cinética siempre varía con la temperatura y por lo tanto

hará que cambie la velocidad de reacción.

4.2. APLICACIÓN DE MÉTODO DE OPTIMIZACIÓN SELECCIONADO A

PRUEBAS

Para poder optimizar el proceso lo haremos en el reactor ya que es allí

donde no interesa que se obtenga la mayor cantidad del producto que es el

DeGlycol. En primer término analizáremos la influencia producida por la

relación de reactivos. Para poder especificar el valor de una variable de una

corriente dada en función del valor tomado de otra variable se hace uso de la

operación SET. Como vimos en la Figura 3.26.

Eliminar la especificación de flujo molar en la corriente OxidoEtileno. Notar

que al eliminar el valor, HYSYS no puede calcular completamente la

Page 146: tesis HYSYS

corriente.

Hacer doble click sobre el ícono del SET. En el grupo Target Variable

presionar el botón Select Var....Ingresar la propiedad Molar Flow de la

corriente OxidoEtileno como variable objetivo según se muestra en la

Figura 4.13.

FIGURA 4.13. Select Tarjet Object

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

En el grupo Source seleccionar como variable fuente la corriente Agua. Ver

Figura 4.14. De esta manera el caudal molar de Oxido de Etileno será

función lineal del caudal molar de la corriente de agua. Es necesario ahora

especificar el valor de los parámetros que determinan esta función. En la

sección Parameters es necesario definir el factor multiplicador que en

nuestro ejemplo utilizaremos 0.5 por el momento. Ver Figura 4.15. De esta

manera el caudal molar de Oxido de Etileno será la mitad del de Agua.

Page 147: tesis HYSYS

FIGURA 4.14. Set 1- Conexiones

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

FIGURA 4.15. Set 1- Parámetros

Page 148: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

A continuación utilizaremos la herramienta Databook para seleccionar las

variables involucradas en el Análisis.

En primer lugar, seleccionaremos Databook del menú Tools, aparecerá una

pantalla con varias páginas Como se muestra en la Figura 4.16.

FIGURA 4.16. Databook

Page 149: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

La primera sección Variables se utiliza para seleccionar las variables a

estudiar. Presionamos el botón Insert, y seleccionamos SET-1 de la

columna Object y luego Multiplier de la columna Variable. Ver Figura 4.17.

Presionar el botón OK al finalizar.

FIGURA 4.17. Variables de Databook

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Siguiendo el mismo procedimiento insertar a continuación las variables

indicadas la Figura 4.18

FIGURA 4.18. Databook

Page 150: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Una vez ingresadas todas las variables de interés, seleccionar la sección

Case Studies. Presionar el botón Add. Aparecerá la leyenda Case Studies

1 en el recuadro Available Case Studies. Ahora será necesario definir las

variables independientes y dependientes. Entendemos por variables

independientes aquellas que podemos variar su valor y a partir de la cuales

se determinan los valores de las demás variables.

Seleccionaremos la variable Multiplier del objeto SET-1 como variable

independiente. La composición de los compuestos de la corriente Productos

serán las variables dependientes. Ver Figura 4.19.

FIGURA 4.19. Databook Case Studies

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Page 151: tesis HYSYS

A continuación presionar el botón View.. para establecer los límites e

incremento de la variable independiente. Se sugiere hacer el estudio en el

rango de 0.001 a 1 con incrementos de 0.1. Ver Figura 4.20. Observar el

recuadro Number of States, nos indica la cantidad de estados que se

calcularán.

FIGURA 4.20. Case Studies

Page 152: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Presionando el botón Start comienza a ejecutarse los cálculos. Mientras

esperamos podemos presionar el botón Results... y observar el Gráfico o la

Tabla de valores que se genera. El Gráfico final puede verse en la Figura

4.21.

FIGURA 4.21. Grafico de Resultados

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Observando el gráfico se puede suponer que es más conveniente trabajar a

relaciones OE/Agua bajas donde la producción de EtilenGlicol se ve

favorecida frente a la de DietilenGlicol.

Se puede plantear el mismo análisis seleccionando la temperatura de la

corriente Productos como variable independiente. De este modo podemos

Page 153: tesis HYSYS

ver la influencia de la temperatura sobre la velocidad de reacción.

Despues de haber corrido todo este set de pruebas revisamos el WorkBook,

entregándonos los siguientes resultados.

FIGURA 4.22. Workbook del Set

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Donde vemos que la temperatura del producto esta a 100ºC siendo el

producto de 58100 Kg/h, que será la mezcla de agua C2Oxide y DeGlycol,

pero sí revisamos la pestaña de composición veremos que 0.4543 fracción

molar es de DEGlycol

FIGURA 4.23. Composición del Set

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Page 154: tesis HYSYS

FIGURA 4.24. Composición del Set

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

También observamos en la Figura 4.23 que según esta optimización la

relación de mezcla de agua y C2Oxide deben de ser 0.5236 y 0.4764 en

fracción molar respectivamente, para poder mejorar la obtención de

DEGlycol a 0.4543 en fracción molar. Comparando con la Figura 4.24 lo que

se obtiene con la alimentacion inicial tendríamos que esta relación era de

0.6667 y 0.3333 en fraccion molar respectivamente.

Asimismo veremos que en el reactor de acuerdo a la cinetica de las

reacciones, para las condiciones iniciales Figura 4.25 y Figura 4.26 tenemos

un porcentaje de conversión como el que se ve en la Figura 4.27

Page 155: tesis HYSYS

FIGURA 4.25. Condiciones del CSTR

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Vemos que la relación en fracción molar de la mezcla de agua y C2Oxide es

de 0.6667 y 0.3333 respectivamente, obteniéndose un producto de 0.2497

en fracción molar de DEGlycol. Lo que ocasiona que se tenga una

temperatura de 100ºC, con lo que se alcanza un porcentaje de conversión de

cada una de la reacciones de 49.96% respectivamente.

FIGURA 4.26. Composición del CSTR

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Page 156: tesis HYSYS

FIGURA 4.27. Conversión de las reacciones

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Para poder ver si esta temperatura es la adecuada jugamos con dos

temperaturas y observaremos como varía el porcentaje de conversión. En

las Figuras 4.28 y 4.29

FIGURA 4.28. Condiciones del CSTR

Page 157: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Para una Temperatura de 60ºC el porcentaje de conversión de las

reacciones será de 49.18 y 49.12 respectivamente que se encuentra muy

cercana la conversión de 100ºC.

FIGURA 4.29. Condiciones del CSTR

Page 158: tesis HYSYS

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Para una Temperatura 49.84 y 49.83 respectivamente que se encuentra muy

cercana la conversión de 100ºC.

Lo cual nos dá como indicactivo que se podría trabajar a 60ºC pero como

estas reacciones son exotérmicas y viendo que a 100ºC se tiene una mayor

conversión aunque no es tan significativa lo dejaremos en esa temperatura

porque para llegar 60ºC tendríamos que hacer mayor gasto en enfriamiento

lo cual no sería beneficioso económicamente.

4.3. EVALUACIÓN DE RESULTADOS DE ACUERDO AL MÉTODO DE

OPTIMIZACIÓN

Habiendo revisado todas las evaluaciones anteriores, entonces podríamos

hacer las correcciones correspondientes en las diferentes corrientes de

materia prima para ver que es lo que obtenemos. Primeramente de acuerdo

a la optimización de flujos de alimentación trataremos de aproximarnos a la

relación de mezcla de agua y C2Oxide deben de se 0.5236 y 0.4764 en

fracción molar respectivamente, para esto cambiaremos el flujo de agua de

alimentación a 600 kmol/h.

Page 159: tesis HYSYS

FIGURA 4.30. Flujo de alimentación al mixer

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Cuya composición será de 0.5455 y 04545 en fracción molar de agua y

C2Oxide, respectivamente, un tanto próxima a la obtenida en el proceso de

optimización.

FIGURA 4.31. Composición de alimentación al mixer

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Luego ingresaremos al Workbook donde verificaremos que para 100ºC la

composición en fracción molar de los productos, principalmente el DEGlycol

Page 160: tesis HYSYS

se incrementa a 0.4163 en vez de 0.2497 que era anteriormente, casi

duplicándose, como se ve en la Figura 4.32. De la misma forma en el CSRT

veremos cual es el porcentaje de conversión de acuerdo a la cinética en la

Figura 4.33.

FIGURA 4.32. Porcentaje de Conversión en el CSTR

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

FIGURA 4.33. Porcentaje de Conversión en el CSTR

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

Page 161: tesis HYSYS

Finalmente veremos la composición total del proceso en el Workbook Figura

4.32 y el balance de materia de todo el proceso es el sigueinte:

FIGURA 4.34. Balance Total del proceso

Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys

4.4. ACEPTACIÓN O RECHAZO DE LA INVESTIGACIÓN

Partiendo de lo planteado en la hipótesis podemos indicar que si es fáctible

en primer lugar modelar un sistema industrial, en este caso la producción del

Dietilenglycol (DEGlycol) en el simulador Hysys y luego con este modelo

simular la obtención del producto requerido de la manera más óptima,

jugando con las variables como lo hemos demostrado en los punto 4.2 y 4.3.

con lo que nosotros podemos concluir la aceptación de la investigación que

hemos llevado a cabo. Justificando también que este proceso simulativo

puede reemplazar el proceso de experimentación directa en laboratorio con

lo que ahorramos tiempo.

Page 162: tesis HYSYS

CONCLUSIONES

1. Inicialmente construímos el flowsheet de la producción de Dietilenglycol,

quedando completamente diseñado todo el proceso como se especificó y con

lo que se cumple con el primer objetivo.

2. Después de ajustar la variables de ingreso, como son los flujos másicos de

ingreso, la temperatura y la presión de trabajo que son las condiciones de

operación se resolvieron los balances de masa y energía de cada equipo

utilizado, en las diferentes utilidades que presenta el proceso, para resolver

los balances en el reactor se analizó la cinética de reacción.

3. Evaluada la información teórica de la cinética de reacción de las diferentes

reacciones que se llevan a cabo al mezclarse los flujos másicos de

alimentación, cargamos la información en el simulador y obténdremos los

resultados correspondientes que al optimizarlos nos dan una producción de

0.4163 en fracción molar del Dietilenglicol en el flujo de salida del reactor, el

que inicialmente sólo era de 0.2497,con lo cual conseguimos óptimizar este

proceso de reacción.

4. Se diseñó completamente el mixer, el reactor y la columna de destilación

necesaria, optimizando y balanceando completamente todas sus corrientes de

flujo de ingreso y salida de todos ellos.

5. Se simuló todo el proceso obteniéndose las composiciones de todos los

equipos como se muestra en el workbook, herramienta o facilidad que nos

entrega el simulador y que nos muestra como finalmente queda el proceso.

Page 163: tesis HYSYS

6. La eficiencia obtenida en el proceso de reactor para la diferentes reacciones

llevadas a cabo fue de 49.98 % de porcentaje de conversión respectivamente.

Asi mismo la obtención del producto en la cola del destilado fue de 99.9 % en

fracción molar del DeGlycol.

7. Finalmente podemos afirmar que con el simulador Hysys se puede modelar y

simular un proceso industrial y optimizar su condiciones de operación, con lo

que se puede ahorrar el proceso de investigación en laboratorio, asi como

corregir operaciones en planta.

Page 164: tesis HYSYS

RECOMENDACIONES

1. Si bien se ha demostrado lo planteado en nuestros objetivos, sería de mucha

importancia profundizar el uso del simulador Hysys y aprovechar

profundamente las facilidades que presenta este simulador.

2. Se recomienda el uso de este simulador Hysys en su nueva versión para el

proceso de productos electrolíticos que esta versión aún no estaba disponible.

Page 165: tesis HYSYS

BIBLIOGRAFÍA

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