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FACULTAD CIENCIAS INTEGRADAS DE V.M. UNIVERSIDAD AUTONOMA JUAN MISAEL SARACHO

ASPEN HYSYS V9 BASICO - INTERMEDIO

DTIC-229

SIMULACIÓN DE PROCESOS CON ASPEN HYSYS V9.0

CONTENIDO: MODULO I.- ASPEN HYSY BASICO UNIDAD I.- INTRODUCCIÓN A LA SIMULACION    

Simulación de Procesos Presentación del Software Aspen Hysys Procedimiento para la simulación Aplicaciones termodinámicas

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UNIDAD II.- OPERACIONES UNITARIAS  







Transporte de fluidos Sistemas Rotatorios o Bombas o Compresores o Expansores Equipos de transferencia de masa.o Mezcladores o Tees o Separadores bifásicos, trifásicos y su dimensionamiento o Columnas de Destilación: método corto, método riguroso y su dimensionamiento o Columnas de absorción o Columnas de extracción L-L Equipos de transferencia de calor o Calentadores o Enfriadores y condensadores o Aeroenfriadores, o Intercambiador de tubo y coraza Sistemas de reacción o Reactor de conversión o Reactor Gibbs o Reactor de equilibrio o Reactor CSTR o Reactor PFR

MODULO 2.- ASPEN HYSYS NIVEL INTERMEDIO 





Operaciones lógicas o Función Set o Función Adjust o Función Recicle o Función Objetive Dimensionamiento de Equipos o Separadores bifásicos, trifásicos o Torres de destilación o Intercambiador de tubo y coraza o Reactores Casos de estudio o Proceso de condensación de propano de una planta de fraccionamiento de GNL

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o Planta de compresión de gas natural o Sistema de venteo en una planta de compresión de gas o Mejoramiento energético de un Proceso de Recuperación de Gas en una Refinería o Planta de producción de GNL o Planta de endulzamiento de gas con DEA o Planta de Procesamiento de Gas natural o Refinería

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MODULO I ASPEN HYSYS NIVEL BÁSICO

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UNIDAD I INTRODUCCIÓN A LA SIMULACION 1.1 SIMULACIÓN DE PROCESOS La SIMULACIÓN se puede definir como; “el uso de un modelo matemático para describir un fenómeno físico, químico, económico o de cualquier otra índole. La SIMULACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS es por lo tanto el uso de modelos matemáticos para describir el comportamiento de un equipo, conjunto de equipos en una planta industrial”.

La simulación puede ser en estado estacionario o en estado dinámico (varía en función al tiempo). En 1980 empezaron a surgir compañías elaboradoras de software, que desarrollaban paquetes de simulación para su comercialización, pero tenían la desventaja de que la entrada y salida de la información eran muy rígidas y se presentaban en forma de listados de difícil interpretación. A finales de los años 80’s se inició el desarrollo de paquetes de simulación interactivos y su comercialización marcó el comienzo de un uso más intensivo y generalizado en la industria y las universidades. Entre 1991 y 1995 se inicia la comercialización de paquetes de simulación dinámica y de integración de energía. Los simuladores comerciales y académicos de PROCESOS de mayor uso actualmente son: SPEED UP, ASPEN PLUS (procesos químicos), DESIGN II, HYSYM, ASPEN HYSYS (procesamiento de GN), CHEMCAD y PRO II. De la misma manera es una herramienta para el dimensionamiento de los equipos, estimación de costos, estimación y análisis de las propiedades, análisis de la operabilidad y optimización es decir permite:   

Predecir el comportamiento de los procesos. Analizar de manera simulatánea diferentes casos, cambiando el valor de las principales variables. Optimizar (económicamente más viable, encontrar un punto) las condiciones de operación de nuevas plantas existentes.

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

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Monitorear una planta química durante toda su vida útil y preveer extensiones y mejoras.

Consideraciones en simulación de procesos En esta sección se pretende someramente destacar algunos aspectos que necesariamente deben considerarse para el efectivo uso de los programas de simulación. En efecto, un simulador comercial es una herramienta muy importante que permite, bien utilizada, grandes ventajas; logrando resultados muy efectivos con relativamente poco esfuerzo. Sin embargo, dependerá en gran medida del grado de conocimiento del usuario, el utilizar efectivamente la gran cantidad de información y oportunidades que brinda la herramienta. Más aún, interpretaciones equivocadas implicarán un serio riesgo, y diseños o conclusiones totalmente inadecuados. Si por Ejercicio se supone el problema de simular una planta nueva, que involucra mezclas con sustancias para las cuales se cuenta relativamente con muy pocos datos fisicoquímicos (falta de datos experimentales y/o datos en la bibliografía) es evidente que las propiedades serán estimadas a través de correlaciones generalizadas cuyo margen de error puede ser considerable y por lo tanto la incertidumbre en los cálculos es difícil de estimar. Resulta evidente que, independientemente de utilizar modelos muy rigurosos para la simulación (pese al esfuerzo y tiempo computacional involucrado) los resultados serán igualmente poco confiables debido a la utilización de datos fisicoquímicos dudosos con un grado de precisión imposible de cuantificar. Consecuentemente, la premisa de utilización de métodos de cálculo rigurosos (requieren más datos) trae aparejada la necesidad de acoplarlos a sistemas fisicoquímicos confiables y de errores de cálculo relativamente bajos. De lo contrario la exactitud ganada por el algoritmo se pierde en la estimación de las propiedades. Otro punto a tener en cuenta es la etapa del proyecto en la cual se utilice el simulador. Por Ejercicio, durante la etapa de síntesis y análisis del diagrama de flujo de información, donde se necesita evaluar distintas alternativas de funcionamiento de una instalación para seleccionar la opción óptima, generalmente las precisiones son pocas y los datos disponibles escasos. Además, será necesario realizar una gran cantidad de simulaciones para comparar alternativas diversas. Consecuentemente, los modelos simplificados o semirigurosos son los más indicados, ya que involucran un bajo tiempo de cálculo y permiten una comparación medianamente confiable como un criterio preliminar de selección de alternativas. Aquí estamos preocupados en valores relativos (comparaciones) y no en valores absolutos (diseño definitivo). Una vez seleccionado el proceso, la etapa siguiente exige la resolución del balance de materia y energía, para ser utilizados en el posterior diseño de los equipos y su costeo, etc. Por lo tanto, en esta etapa será necesario adoptar opciones de cálculo lo más rigurosas posibles, y proveerse de los datos necesarios para su ejecución. Es decir, que en general durante la tarea

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del diseño se utilizarán progresivamente variantes más complejas, a medida que la disponibilidad de datos y la marcha del proyecto (por Ejercicio factibilidad económica). Hasta aquí, sólo se han discutido aspectos que hacen a la conveniencia de utilizar versiones de cálculo de distinto grado de exactitud, y su relación con los algoritmos de estimación de propiedades fisicoquímicas seleccionados. No obstante, existen muchos otros aspectos a ser tenidos en cuenta. Entre ellos, se pueden mencionar: Una adecuada consideración de los parámetros de equipos. En este punto debe tenerse en cuenta la coherencia y consistencia de los datos provistos y las opciones de cálculo seleccionadas. Por Ejercicio, no es lo mismo el número de etapas teóricas que las reales y considerar o no la eficiencia de separación de las etapas en equipos de contacto. Más aún, deberá optarse por considerar la eficiencia constante, o bien calcularla por algún método de estimación, o tener acceso a datos reales de planta, o bien de la bibliografía; asumiendo un valor global o bien para cada componente y cada plato se asignará el valor correspondiente. Otro punto es la especificación de variables en cada equipo, por Ejercicio una pureza dada y un reflujo menor al mínimo para una columna de destilación. En general, las especificaciones deben realizarse teniendo en cuenta la coherencia con los objetivos del equipo/módulo en particular, pero también contemplando los grados de libertad de la planta en su globalidad. Selección de los métodos de estimación de propiedades fisicoquímicas Este no es un tema menor. En efecto, la composición, temperatura y presión de la mezcla, al igual que la presencia de sólidos, electrolitos o bien la existencia de varias fases, son datos cruciales a considerar. Por Ejercicio, existen métodos de estimación o algoritmos de cálculo de equipos que no consideran (por las hipótesis implícitas en su desarrollo) la presencia de reacciones químicas o bien la existencia de más de una fase. Más aún, no chequean, durante el cálculo, la potencial presencia las mismas, para enviar un mensaje de advertencia al usuario. Esto puede, según el caso, conducir a resultados equivocados. Interpretación de los resultados Debe tenerse sumo cuidado en la interpretación de los resultados según las versiones de cálculo utilizadas. Es claro que las versiones simplificadas están sujetas a grandes errores según el caso. Por Ejercicio el uso de los algoritmos propuestos por Fenske, Gilliland y Anderwood en el caso de una torre de destilación azeotrópica. Sin embargo, las versiones rigurosas no significan "exactitud" absoluta. Además, debe considerarse que siempre subsisten un número importante de hipótesis. Por Ejercicio, la presión en las columnas de destilación se asume generalmente constante. Esto es, no se considera la hidráulica, la geometría del plato y/o relleno, caídas de presión, etc.

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La interpretación de los resultados también exige ubicación respecto a los objetivos. En efecto, los simuladores están orientados, principalmente, a resolver los balances de materia y energía, y con cierto alcance, los de cantidad de movimiento. Por lo tanto, los aspectos funcionales y geométricos, o de diseño, son por lo general escasamente considerados. Por Ejercicio, la salida de un expansor y/o compresor estará caracterizada por una temperatura o un título pero nada se expresa respecto de los materiales utilizados, sus limitaciones, o bien la “lógica” o factibilidad de la operación en función del entorno, etc. En los cálculos de torres de destilación se puede variar su reflujo, obteniéndose resultados, pero debe además tenerse en cuenta el diámetro o el factor de capacidad para completar el análisis, ya que generalmente, en función de los niveles de rigurosidad disponibles en los simuladores comerciales, no entra en los cálculos. En definitiva, existen numerosos aspectos a tener en cuenta en la tarea de simulación de procesos. Algunos, sólo mencionados aquí a modo de ilustración, serán ampliados convenientemente en los capítulos correspondientes. Muchos otros, la mayoría, sólo podrán ser contemplados por el usuario ante cada problema, utilizando su criterio ingenieril. Finalmente, una última reflexión. El simulador una vez incorporados los datos, genera rápidamente resultados (en segundos, o por lo menos en un lapso que no supera horas de trabajo, según la complejidad del problema). En consecuencia, en poco tiempo de trabajo se generará una gran cantidad de información que deberá procesarse. Además, la información que se obtiene es crucial, ya que implica el basamento para el posterior diseño de los equipos, la selección de una alternativa para el proceso, etc. La responsabilidad de la interpretación de los datos es del ingeniero de procesos, no del simulador. Este no se equivoca, solo resuelve el sistema de ecuaciones correspondientes. Una vez dados los datos solo existen dos posibilidades, o converge o no. El primero es el caso deseado, obviamente. ¡Pero también el de más cuidado!, ¡Ahora el responsable de los resultados, y de su correcta interpretación, es Ud.! 1.2 PRESENTACIÓN DEL SOFTWARE ASPEN HYSYS Es una herramienta de modelado para el diseño conceptual, la optimización, planificación empresarial, gestión de activos y la supervisión del rendimiento para la producción de petróleo y gas, procesamiento de gas, refinación de petróleo, y las industrias de separación de aire. Aspen HYSYS es un elemento central de aspenONE AspenTech ® aplicaciones de ingeniería. HYSYS, fue desarrollada por la empresa Hyprotech, la cual tiene versiones anteriores en esta empresa como Hysys v3.0 y v3.2 y desde el año 2004 compra la empresa Aspen Tech, que desde ahí se denomina “Aspen HYSYS”, la cual las versiones, características y compatibilidades son las siguientes:

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TABLA 3.1 VERSIONES DE ASPEN HYSYS Versiones Fecha de de Aspen Sistemas operativos compatibles Lanzamiento Hysys

Versiones compatibles oficce

2000.5

200. XP, vista

2003, 2007

con

V7.0

Sep. 2008

XP, Vista

2003, 2007

V7.1

Feb. 2009

XP, Vista

2003, 2007

V7.2

Jul. 2010

XP, Vista

2003, 2007

V7.3

Nov. 2011

XP, Vista, Win. 7x32, Win. 7x64

2003, 2007, 2010

V8.0

Dic. 2012

XP, Win. 7x32, Win. 7x64

2007, 2010

V8.2

May. 2013

XP, Win. 7x32, Win. 7x64

2007, 2010

V8.3

Ag. 2013

XP, Win. 7x32, Win. 7x64

2007, 2010

V8.4

Nov. 2013

Win. 7 y 8. x32, x64, Win.

2010, 2013

V8.6

May. 2014

Win. 7x32, Win 7x64, Win 8x64

2010, 2013

V8.8

May. 2015

WIN 7x32, WIN 7x64, WIN 8x64

2010, 2013

V9.0

May. 20016

WIN 7, 8, 10 x32 y x64.

2010 - 2016

Fuente: Elaboración propia Aspen HYSYS® es una herramienta de simulación de procesos muy poderosa, ha sido específicamente creada teniendo en cuenta lo siguiente: arquitectura de programa, diseño de interfase, capacidades ingenieriles, y operación interactiva. Este software permite simulaciones tanto en estado estacionario como en estado transitorio (dinámico). Los variados componentes que comprende Aspen HYSYS® proveen un enfoque extremadamente poderoso del modelado en estado estacionario. Sus operaciones y propiedades permiten modelar una amplia gama de procesos con confianza.

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Para comprender el éxito de Aspen HYSYS® no se necesita mirar más allá de su fuerte base termodinámica. Sus paquetes de propiedades llevan a la presentación de un modelo más realista. En los últimos años, este programa ha sido ampliamente usado en la industria para: investigación, desarrollo, simulación y diseño. Aspen HYSYS® sirve como plataforma ingenieril para modelar procesos como: procesamiento de gases, instalaciones criogénicas, procesos químicos y de refinación, etc. También ha sido utilizado en universidades en cursos introductorios y avanzados, especialmente en ingeniería química, Petróleo y petroquímica. Dentro de sus principales funciones tenemos: •

Generacion de tablas y graficas

•

Análisis de sensibilidad y casos de estudio

•

Dimensionamiento de equipos

•

Ajuste de datos experimentales

•

Analisis de componentes puros y propiedades de mezcla

•

Optimizacion de procesos

•

Estimacion y regresión de propiedades fisioquímicas

•

Analisis dinamico de procesos

Partes de Aspen HYSYS v9.0 Las versiones 8 de Aspen Hysys dividen en los siguientes tipos de análisis, una corrida. 1. Properties (Propiedades) • Definir componentes (Puros e hipotéticos) • Método físico (Ecuaciones de estados y modelos físicos) • Datos de ensayo de destilación • Definir reacciones 2. Simulation (Simulación) • Configurar unidades • Corrientes (Materia y energía) • Modelos de operaciones unitarias • Análisis 3. Safety Analysis (Análisis de seguridad) • Análisis de sistemas de venteo

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4. Energy Analysis (Análisis de energía) • Análisis de consumo de energía 1.3 PROCEDIMIENTO PARA LA SIMULACIÓN Procedimiento de la simulación en Aspen HYSYS Pasos para la simulación Los pasos de la simulación en Aspen HYSYS, se pueden dividir en 5 pasos sencillos, de forma general, pero cabe destacar que en Aspen HYSYS hay más de una forma de ingresos de datos, para este tutorial usaremos los siguientes pasos: 1. Definir los componentes. Este es el primer paso importante, cuando abrimos el programa de simulación de HYSYS. En esta opción hay varias formas de ingreso de componentes tales como: forma tradicional (se escoge una de la librería de HYSYS), Hipotéticas (es donde se crea un componentes hipotético la cual no existe en la base de datos), componentes de petróleo y entre otros. 2. Selección del método termodinámico. Se debe seleccionar el modelo termodinámico adecuado, para cada tipo de proceso o componentes seleccionados donde existen más de 32 correlaciones de propiedades en HYSYS, para su correcto uso. Los dos pasos anteriores son pasos previos para entra al entorno de simulación de HYSYS, de no introducir estas dos propiedades, el programa no deja acceder al entorne de simulación, para armar el PFD (Diagrama Flujo de Proceso). 3. Comprobar el sistema de unidades. Este paso es el tres, la cual se puede realizar antes de entrar al entorno o dentro del entorno, no afecta en los resultados, pero si es importante ya que dependiendo de los datos que tenga convierto las unidades para armar el PFD. Existen tres tipos de sistemas de medida: Internacional(p kpa), Ingle, Métrico; por otro lado, también se puede armar el sistema de unidades que deseemos clonando. 4. Suministro de datos del fluido. Ya estando en el entorno de simulación, los primeros que se hace en HYSYS es introducir las corrientes de materia de alimentación e introducir tres parámetros, con las que se tendrá todas las propiedades de la corriente de alimentación. 5. Proporcionar condiciones de procesos y ver los resultados. Después del paso anterior, solo debemos introducir los equipos, conectarlas con las corrientes de entradas y salida, luego especificar los parámetros con las que trabaja el equipo, e inmediatamente muestra resultados, desde donde podemos analizar el comportamiento inmediatamente, repetir este paso, hasta introducir todos los equipos que se tiene en el PFD de la simulación a realizar. SELECCIÓN DEL PAQUETE DE PROPIEDADES

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El modelo termodinámico también llamado paquete de propiedades o paquete de fluidos, debido a que estas ecuaciones son empleadas para la determinación de sus propiedades físicas de los componentes. Con el objetivo de realizar una selección adecuada y responsable se han publicado numerosos artículos y libros, una de las más reconocidas ha sido desarrollado por un Ingeniero de Aspen, Eric Carlson que resume en algoritmos que se muestran a continuación. En la fig. 3.1 se muestra el primer criterio a tomar en cuenta para la selección del modelo termodinámico. La polaridad es un aspecto importante debido a que determina el tipo de interaccion molecular que pueden tener los diferentes sustancias. Se deduce también que si la polaridad es alta la interacción es alta. La ruta polar debe ser seleccionado, incluso si sólo uno de los componentes es polar. El segundo parámetro tenido en cuenta depende de la primera; que significa, que la mezcla es polar (o por lo menos uno de los componentes) tiene que ser considerado si la sustancia no es una electrolito. Este parámetro es relevante porque las mezclas se componen de electrolitos de iones obtenidos a partir de sales. Su comportamiento genera la necesidad de incorporar rutinas de cálculo en equilibrio iónico, cuando están disponibles. Son varias las aplicaciones de este tipo de mezclas; como ser lavados, neutralizaciones, producción de ácidos y presipitaciones de sales. Para sustancias no polares, la existencia de pseudocomponentes es considerada. Estos son empleados en mezclas no polares complejas como en el caso del petroleo en el cual algunos componentes no son iditenficados y son representados por propiedades conocidas como el punto de ebullición. Las propiedades de estos pseudocomponentes son obtenidos como un promedio de sus componentes.

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FIGURA 3.1 SELECCIÓN DEL PAQUETE TERMODINÁMICO

FUENTE: CARLSON (1996) Esa sustancia o mezcla es polar o no polar. Los hc livianos son no polares, cuando hay dentro de la mezcla un componente en concentraciones mayores a los demás componentes de la mezcla se considera polar. Los electrolitos son los que tienen salen disueltas. En la Fig. 3.2 se presenta el árbol de selección para una mezcla polar no eletrolitica.

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FIGURA 3.2 MEZCLAS POLARES NO ELECTROLÍTICAS

FUENTE: CARLSON (1996) Ij? Es posible calcular parámetros de iteración. En la fig 3.3 se muestra un árbol de desiciones adecuado a parámetros en presencia de polímeros en la simulación.

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FIGURA 3.3 POLÍMEROS

FUENTE: CARLSON (1996) En general, se mencionan cinco tareas principales de la debida representación de las propiedades físicas: 1. Seleccionar un método adecuado de propiedades físicas adecuado 2. Validar las propiedades físicas 3. Describir correctamente los componentes que no están presentes en la base de datos y los parámetros que faltan. 4. Obtener y utilizar datos experimentales

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5. Estimación de cualquier parámetro que falta Estos procesos pueden no ser secuenciales.

1.4 APLICACIONES TERMODINÁMICAS COMPONENTE HIPOTETICO Ejercicio 1 Teniendo los conceptos de la aplicabilidad de la ventana de “Properties”, adjuntar las siguientes condiciones dadas a continuación: Entorno de propiedades Componentes: • Metano • Etano • Agua • Nitrógeno • MEA (Meamine) Paquete termodinámico • Acid Gas, chemical solvents Componente hipotético • C3+, Con un NBP 20 ºF (Punto de Ebullición Normal) VOLUMEN ESPECÍFICO MOLAR Ejercicio 2 Estimar el volumen específico molar del n-hexano a 1 atm and 25°C. • Emplear la ecuación peng robinson R.-

𝑉̅ = 2,10095456299075

DENSIDAD DE UNA MEZCLA LÍQUIDA Ejercicio 3

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La densidad de 50% p/p de H2SO4 en agua a 25 °C a 1 atm es 1,39 g/cm3. Estimar la densidad de la mezcla de líquidos empleando las densidades de los componentes puros y comparer con los resultados experimentales Density of H2SO4 at 25°C = 1.834 g/cm3 Density of H2O at 25°C = 0.998 g/cm3 • Seleccionar como paquete TD PRSV • Asumir un flujo de 1 kmol/h R.-

𝜌̅ =

PUNTO DE BURBUJA Y PUNTO DE ROCÍO En el siguiente diagrama de P vs V se observa el comportamiento típico de un gas en lo que denominamos la curva envolvente, tenemos la; línea del punto de burbuja, el punto de rocio, las propiedades críticas, es importante recordar que la fracción de vapor en el líquido saturado (punto de burbuja) es igual a 0 (vapor/fraction = 0) y la fracción de vapor para el vapor saturado (punto de rocío) es igual a 1 (vapor/fraction = 1). FIGURA 3.4

La figura 3.5 muestra un diagrama de fases generalizado para un gas natural típico. FIGURA 3.5 DIAGRAMA DE FASES GENERALIZADO DE CONDENSACION

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La figura 3.5 muestra la línea del punto de burbuja, del punto de rocío. Es importante señalar que a diferencia de lo que ocurre con un compuesto puro, la mezcla de hidrocarburos que constituyen el gas natural pueden tener dos Temperaturas de Rocío a una misma presión, y dos Presiones de Rocío a una misma temperatura. Esta característica se denomina “Condensación Retrógrada”, ya que, reduciendo la presión del sistema que se encuentra a la temperatura, se formara una fase líquida, comportamiento que es inverso al que se observa con un compuesto puro. La cantidad de fase líquida aumenta con la disminución de presión hasta que llega a un máximo, para luego volver a comportarse en forma convencional. Lo mismo ocurre cuando se produce el calentamiento del gas a una presión. Primero se produce la condensación del gas hasta llegar a un máximo, luego de lo cual el líquido formado comienza a vaporizar hasta desaparecer en la curva del Punto de Rocío. Otra propiedad importante que muestra el diagrama de fases es que existe una temperatura, llamada Cricondenterma, por encima de la cual no es posible obtener dos fases (o lo que es lo mismo, la temperatura máxima a la cual se pueden encontrar dos fases en equilibrio). Esto tiene su importancia para asegurar que no condensarán hidrocarburos durante el transporte y distribución.

Un cálculo manual del punto de rocío de un gas sigue el siguiente algoritmo Figura 3.6 y para el punto de burbuja se muestra en la figura 3.7:

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FIGURA 3.6 CALCULO DEL PUNTO DE ROCIO

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FIGURA 3.7 CALCULO DEL PUNTO DE BURBUJA

Hidratos Los hidratos son compuestos similares al hielo, pero que incluyen en su estructura cristalina a un hidrocarburo. Normalmente los hidrocarburos que forman hidratos en las plantas de gas son Metano, Etano, Propano y Butanos. Estos compuestos se forman cuando agua e hidrocarburos son sometidos a altas presiones y bajas temperaturas y las distintas moléculas están ligadas por fuerzas físicas del tipo Van der Waals. Condiciones aptas para la formación de hidratos se pueden encontrar en cañerías submarinas (que unen plataformas marinas con la tierra firme), en regiones muy frías o cuando existe un enfriamiento importante por el efecto Joule-Thomson luego de una descompresión. La importancia de este fenómeno es el peligro de que puedan producirse taponamientos en las líneas, válvulas y tanques separadores a la entrada de una instalación de superficie. Por lo tanto, es importante poder controlar y evitar su formación. Ejercicio 4 Para una mezcla de 35 % mol de n-hexano, 30% n-heptano, 25 % de n-octano y 10 % de nnonano a 1,5 atm de presion total.

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Calcular: A. Temperatura de burbuja B. Temperatura de rocío C. La presión de vapor de los componentes puros y de la mezcla a 130 °C. Pasos para la resolución A. Temperatura de burbuja a) Abrir un nuevo caso b) Añadir todos los componentes presentes en la mezcla c) Seleccione Antoine como paquete de propiedades d) Luego ingrese al entorno de simulación e) Configurar unidades f)

Haga click en la corriente de material en la paleta de objetos

g) Luego haga click en cualquier lugar del PFD, h) Hacer doble click a la corriente creada y colocar las fracciones molares especificadas en el problema i)

En la “Conditions” colocar, vapor/phase fraction = 0;

j)

Ingresar la presión del sistema 1.5 atm y observar la temperatura calculada.

R.- Temperatura de burbuja 105.5°C. B. Temperatura de rocío  A diferencia del punto anterior introducir vapor/phase fraction = 1  Observar la nueva temperatura calculada por Aspen Hysys. R.C. La presión de vapor de los componentes puros y de la mezcla a 130 °C. Presión de vapor de una mezcla de gases Para el Ejercicio anterior, Colocar en composicion fraccion hexane = 1   

En propiedades vapor/phase fraction = 0 Temperatura = 130 °C Observar P Pv C6 = Pv C7 = Pv C8 =

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Pv C9 = Pv mezcla = ANALISIS DE CORRIENTES Las herramientas para adjuntar tipos de Análisis, le permiten realizar tipos de análisis adicionales de modelos, u objetos específicos individuales de equipo o corrientes. En HYSYS, estos Análisis se convierten en una parte del Flowsheet y calculan automáticamente cuando se adjuntan las herramientas Aspi E. (2014). Las opciones para análisis de corrientes que incorpora HYSYS son las siguientes:

Fuente: Aspi E. (2014) Ejercicio 5

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Determinar las propiedades físicas para la línea de succión en el sistema de compresión en Lama I, del tren A. La mezcla tiene la siguiente composición:

Y las condiciones de operación son: P=40 Psig, T=90 °F y flujo másico =38.0 MM lb/hr, calcular los siguientes:   

Condición de la corriente Generar envolvente de la mezcla, Generar la línea de hidratos en la envolvente

EJERCICIOS PROPUESTOS Ejercicio 6 Se tiene una mezcla de 45 mol% n-hexano, 30% n-heptano, 15% n-octano, and 10% nnonano a 2 atm de presión total, calcular la:  

Temperatura de rocío Temperatura de burbuja

Ejercicio 7 Se desea caracterizar una mezcla de hidrocarburos ligeros a presión y temperatura como se planea a continuación. Una corriente de gas a – 10 °F y 500 psia, es transportado a través de una tubería con la siguiente composición molar: etano 90 %, propano 7% y n-pentano 3%, a un flujo de 100 lbmol/h. Determinar:  

Sus propiedades físicas. Estado de la mezcla

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 

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Generar la curva envolvente Formación de hidratos

FUIDOS EN TUBERÍAS Ejercicio 8 En una tubería lisa horizontal de 10 m de longitud fluye agua a una velocidad de 4 m/s y 25°C. la densidad del agua es de 1000 kg/m3 y la viscosidad del agua es de 0.001 kg/m s. la tubería es Schedule 40, 1 in. diámetro nominal (2.66 cm ID). La presión de entrada del agua es de 2 atm. Calcular la caída de presión en la tubería y comparar con los resultados de un cálculo manual     R.-

Generar reporte Generar reporte Transportar a Excel Generar tablas de cada corriente, equipo, materia, energía, composición Calculo manual:

52.93 kPa

Cálculo en Aspen Hysys: Ejercicio 9 Un gas natural contiene 85 % mol de metano y 15 % mol de dióxido de carbon el cual es bombeado a traves de una tuberia horizontal tipo Schedule 40, 6in (150 mm), de material cast – iron, el flujo másico del gas es de 363 kg/h. Si la presion de entrada a la tuberia es de 3,45 bar y 25 °C, la longitud de aproximadamente 20 km, asuma in fluido incompresible. Calcular la caída de presión en la tubería. Calculo Manual:

17,59 kPa

Cálculo en Aspen Hysys: Ejercicio 10 Tubería y bomba Se bombea agua a 20 °C desde un tanque a 5 atm. De presion hasta un talque elevado de 15 m de altura a una velocidad de 18 m3/h. todas las tuberías son de 4 in, Cédula 40 de acero comercial. La eficiencia de la bomba es de 65 %, los datos adicionales se muestran en el PFD. Calcular la potencia requerida por la bomba para vencer todas las caídas de presion en la línea de transporte.

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R.-

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Calculo Manual: 1,18 Kw o 1,57 HP Aspen Hysys:

Ejercicio 11 Agua a 25 °C (densidad 1000 kg/m3) y 2,5 atm. Es impulsado mediante una bomba de 2 HP el cual trabaja al 75 % de eficiencia con un flujo volumétrico de 15 m3/h. todas las tuberias son de 4 in, Schedule 40 de acero comercial, excepto la ultima sección el cual es de 2 in, hay 3 codos estandar de 90 ° de 4 in y una reducción para conectar la tuberia de 2 in. como se muestra en la siguiente figura. Calcular la caida de presion a traves del sistema

R.Calculo manual Caída presión: 268.4 kPa Aspen Hysys Caída de presión:

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SIMULACION COMPRESOR Ejercicio 12 Un compresor es usado para comprimir 100 kg/h de gas natural que consiste en 80 % mol de metano, 10% mol de etano y 5% mol de dióxido de carbón, y el resto de nitrógeno de 3 bar y 30 °C a 10 bar. Encontrar la energía requerida por el compresor (expresada en kW) con 75 % y 10 % de eficiencia. Seleccione el paquete PRSV como el método de estimación de propiedades. También analizar las temperaturas de las Corrientes de salida R.Ejercicio 13 Una mezcla de gas natural (C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5, n-C6, C7 +) a 100 °C y 1 bar es alimentado a un compresor que trabaja solamente al 30% de eficiencia. El flujo de gas natural es de 100 kgmol/h y la presion requerida de salida es de 5 bar. Emplee la ecuacion de Peng-Robinson como paquete de propiedades, el componente (C7+) tiene un punto de ebullicion normal de 110 °C, determine: 

La temperatura de salida del gas natural y la potencia del compresor.



La temperatura de salida es de 400 °C, cual es la eficiencia y la potencia del compressor?.

R.SIMULACION EXPANSOR Ejercicio 14

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Se tiene una corriente de N2, CO2, Metano, Etano, a 50 °C, 6 atm y 100 kmol/h. Se desea expandir la alimentación hasta una presión de 2 atm. Calcular la energía liberada. Utilice el paquete termodinámico PRSV. La composición de la alimentación tiene las siguientes características: COMPONENTE

FRACCION MOLAR

NITROGENO

0,05

DIOXIDO DE CARBONO 0,04 METANO

0,61

ETANO

0,30

R.Ejercicio 15 Un expansor en operacion es empleado para disminuir la presion de una gas de alta presion para producir una corriente de salida con una baja presion y altas velocidades. La mezcla de gas naturas (metano, etano y propano) a 25 °C y 20 bar es alimentada al expansor que solo trabaja a un 30% de eficiencia. El flujo molar de la alimentación es de 100 kgmol/h y la presion de salida del compressor es de 5 bar. Emplee la ecuacion de estado de Peng-Robinson como paquete de fluidos.

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Determinar: a) La temperatura de salida del gas natural. b) Si la temperatura del gas a la salida es de -30 °C, cual es la eficiencia del expansor? c) R.-

R.MEZCLADOR Ejercicio 16 Dos Corrientes que contienen etanol y agua cada una a 5 atm de presión y 25 °C de temperatura se mezclan. Encontrar la composición y el flujo molar del producto. Paquete TD, NRTL. Corriente 1:

20 kmol/h ethanol (ethyl alcohol) 80 kmol/h water

Corriente 2:

40 kmol/h ethanol (ethyl alcohol) 60 kmol/h water

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R.Ejercicio 17 Se desea mezclar tres (3) corrientes: Corriente de Benzeno:

10 kmol/h Benzene, 0.5 kmol/ Tolueno y 0.25 kmol/h p-Xylene

Corriente de Tolueno:

20 kmol/h Tolueno, 1 kmol/h p-Xylene/h y 0.5 kmol/h Benzene

Corriente de Xyleno: Tolueno

30 kmol/h p-Xylene, 1.5 kmol/h Benzene y 0.75 kmol/h

Todas las corrientes de alimentación están a temperatura ambiente (25 °C) y presión atmosférica (1 atm). Encontrar la composición de la corriente mezclada.

R.-

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DIVISOR Ejercicio 18 Se desea dividir 226000 lb/h de amoniaco (-9 °F y 225 Psig) en dos corrientes una de 30 % y la otra con 70 % de la cantidad de masa. Datos. Componente: Amoniaco

Corrientes de salida.

Mass Flow:

226000 lb/h

Corriente 1:

30 %

Presión:

225 Psig

Corriente 2:

70 %

Temperatura:

-9 °F

Paquete TD SRK

R.SEPARADORES Ejercicio 19 Se desea separar una mezcla de hidrocarburos como: etano, propano, iso-butano, y n-butano, la cual es representada en el PFD de la siguiente figura, estos compuestos son parte de los compuestos líquidos del gas natural, GLP y Gasolina natural. Las condiciones de operación de la corriente de alimentación y el separador son las siguientes: La corriente de alimentación está a una presión de 20 bars, 85 °C, 100 kgmol/h, 10 % molar de etano, 20 % molar de propano, 30% molar de isobutano y 40 % molar de n-butano. El separador opera en las mismas condiciones de la alimentación de presión y temperatura de manera adiabática. Determine el flujo y la composición molar de las corrientes de producto vapor y líquido, dimensiones del separador.

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R.Ejercicio 20 Se desea emplear un separador de tres fases horizontal, la cual procesa una mezcla de compuestos como: propano, iso-butano y n-butano y agua que tiene las siguientes características: la corriente de alimentación está a una presión de 25 bares, 150 °C, 100 kgmol/h; 10 % molar de propano, 30 % molar de isobutano, 40 % molar de n-butano y 20 % de agua. Calcular los flujos y la composición de las corrientes de salida. Propane

0.10

0.09

0.14

0.09

i-Butane

0.30

0.28

0.35

0.28

n-Butane

0.40

0.38

0.45

0.38

H2O

0.20

0.25

0.05

0.25

R.-

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INTERCAMBIADOR DE TUBO Y CORAZA Ejercicio 21 Simule un intercambiador de tubo y coraza, como se plantea a continuación Se desea enfriar 50000 kg/h de metanol desde 90 °C hasta 40 °C que fluye por el lado de los tubos, para tal efecto se debe usar agua de enfriamiento disponible a 25 °C y puede calentarse hasta 40 °C. la presión de entrada del metanol es 5 atm y se permite una caída de presión de hasta 0.5 atm. La presión de entrada del agua es de 6 atm y se permite una caída de presión de hasta 0.6 atm. Determine el flujo másico necesario para enfriar la corriente de metanol.

R.-

Ejercicio 22 Simule un intercambiador de tubo y coraza para enfriar 50000 lb/h de una solución de dietanolamina (DEA) que contiene una fracción masica de 0,2 de DEA y 0,8 de agua, la temperatura de alimentación es de 144 °F la cual se desa enfriar hasta 113°F usando por el lado de la coraza agua que ingresa a 77 °F y sale a 100 °F, asuma que las caídas de presión por el lado del tubo y de la coraza son despreciables, y las presiones de alimentación son atmosféricas. Encontrar el flujo de agua necesario para cumplir los requerimientos planteados.

R.-

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Ejercicio 23 En un proceso de intercambio de calor agua – agua, el agua caliente es utilizado para calentar una corriente de agua fría. Este proceso consiste de dos intercambiadores de calor. Las condiciones de la corriente conocida del sistema se muestran en la siguiente figura:

Basado sobre la información dada en la figura, determinar la temperatura de la corriente fría de salida y la cantidad de agua caliente que se utiliza. Hipótesis:  



No hay pérdida ni ganancia de calor al medio ambiente La caída de presión en el casco en los dos intercambiadores son los mismos, 150 psi (estimado de las presiones de entrada y salida) La caída de presión en los tubos en los dos intercambiadores son los mismos, 25 psi (estimado de las presiones de entrada y salida) La corriente caliente circula a través del casco mientras que la corriente fría circula por los tubos

R.CALENTADOR Ejercicio 24 ¿Cuál es la temperatura final de 10 kmol/h de etileno a los que se les añade 8000 KJ/h de calor en un intercambiador de calor de flujo continuo a una temperatura inicial de 200 °C y una presión igual a la atmosférica? Considere la caída de presión despreciable.

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R.Ejercicio 25 Simular el diagrama de flujo de proceso que se muestra a continuación; consta de separadores e intercambiadores de calor, que procesa una corriente de gas con las siguientes características, Paquete TD; Peng Robinson. Corriente de alimentación:

Intercambiador de tubo y coraza

T = 15 °C

DP tubo = 35 kPa

P = 6200 kPa

DP coraza = 10 kPa

F = 1000 kgmol/h

T salida = 0 °C

Separador V-100

Enfriador

T = 15 °C

Diferencial de presión = 10 kPa

P = 6200 kPa

T salida = - 50 °C

Composición molar Componente Composicion molar N2 0.0066 H2S 0.0003 CO2 0.0003 Metano 0.7575 Etano 0.1709 propano 0.0413 i-butano 0.0068 n-butano 0.0101 i-pentano 0.0028 n-pentano 0.0027 n-hexano 0.0006 C7+ (NB 110) 0.0001

Calcular el flujo y la composición del producto

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R.COLUMNAS DE DESTILACIÓN La destilación es una técnica de separación basado en diferencias de volatilidades (puntos de ebullición). Para el diseño de columnas es importante conocer al menos dos factores; el número mínimo de platos requeridos para la separación y el segundo es el reflujo mínimo. Una columna de destilación costa de tres partes: el condensador (condenser), la columna (column) y el rehervidor (reboiler). La separación puede ser binaria o multicomponentes de acuerdo al tipo de alimentación.

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Aspen Hysys v9.0 al igual que las versiones anteriores divide la simulación de columnas de destilación en dos tipos: el método corgo (Shortcut Method destilation) y el método riguroso (Destilation column sub-flowshet). DESTILACIÓN – METODO CORTO El método corto emplea la ecuación de Fenske para determinar el número de platos mínimos y la ecuación de Underwood para el reflujo mínimo, con la especificación de reflujo puede luego puede calcularse el flujo de vapor y líquido en la sección de rectificación y de agotamiento, el calor requerido en el condensador y el rehervidor, con la ecuación de Gililand se calcula el número ideal de platos y la ecuación de Kirkbridge para la localización optima de la alimentación. Ejercicio 27 Una corriente a razón de 100 kmol/hr compuesta de etanol (50% mol) y n-propanol (50% mol) es alimentada a una columna de destilación continua a temperatura ambiente (298 k) y presión atmosférica. La caída de presión a través de la columna es despreciable y se usa una relación de reflujo de 1.5 veces el reflujo mínimo. Se requiere un producto de fondo con 93 % mol de n-propanol y 95 % mol de etanol es deseado en la corriente de destilado. Diseñar una columna de destilación continua para conseguir las especificaciones deseadas usando una Shortcut column en HYSYS y reportar el número total de etapas, número mínimo de etapas, ubicación de la etapa de alimentación, relaciones de reflujo mínimo y calculado. Concentraciones del destilado final y corriente de fondo, y cargas de rehervidor (reboiler) y condensador.

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Light key

=

Etanol: CNPT 78,4 °C

Heavy key

=

Propanol CNPT 97 °C

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Light key in Boton:

fraccion de liviano (etanol) en el fondo = 1- 0,93 = 0,07

Heavy Key in Destilate:

fracción de pesado (propanol) en el destilado = 1-0,95 = 0,05

External Reflux Ratio =

1.5 veces la relación de reflujo mínimo (1.61 x 1.5 = 2.415)

Ejercicio 28 Se ha de tratar una mezcla de 100 kgmol/h de hidrocarburos alifáticos, cuya composición es la siguiente:

La mezcla ingresará a la columna en su punto de burbuja a 650 kPa de presión. Se requiere de una fracción igual a 0.028 para el n-C4 en el fondo y el valor 0.068 para el i-C5 en el destilado. Presion en el fondo de la columna 667 kPa. External Reflux Ratio =1.5 veces la relación de reflujo mínimo Calcular:

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     

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Relación de reflujo mínima Número mínimo de platos Temperatura de salida del destilado y del producto de fondo. Número de platos teóricos Posición del plato de alimentación Energías transferidas en el condensador y rehervidor

Ejercicio 29 10 kmol/h de un líquido satura a presion atmosférica consiste de 40 mol% benceno (B) and 60% tolueno (T). Es deseable tener un destilado con una composicion de 99.2 mol% de benzene y un producto de fondo con 98.6 mol% of toluene. El reflujo regresa como líquido saturado y la columna tienen un condensador total y un rehervidor parcial. a) Use la ecuación de Fenske para determinar el número de platos mínimo Nmin b) Determinar el etapa de alimentación óptimo c) Use la ecuación Underwood para encontrar la relación de reflujo mínimo, Rmin o (L/D)min d) Calcular la relación de reflujo actual R, si R = 1.1 Rmin e) Número teórico de platos f) Determinar los flujos de líquido y vapor en la zona de rectificación y agotamiento Ejercicio 30 Con los resultados del Ejercicio anterior simular por el método riguroso.     

Feed stream inlet stage: 17 Total number of trays: 28 Condenser and reboiler pressure: 1 atm Reflux ratio: 2.006 Distillate liquid rate: 3.947 kmol/h

Ejercicio 31 Diseñar una columna para separar una mezcla binaria de i-butano y n-butano, por el método corto de Aspen Hysys, con las siguientes condiciones de alimentación: Las mezclas se alimenta como liquido saturado a una presión de 150 psia, con una composición de 50 % mol de butano y 50 % mol de i-butano, flujo molar de 1000 lbmol/h, la caída de presión en la columna es de 10 psia con una relación de reflujo 1.5 reflujo minimo, con las condiciones dadas se desea obtener en el destilado 4% de n-butano y en el fondo 3% de i-butano. Posteriormente, modelar por el método riguroso con los resultados obtenidos para verificar si la columna operara adecuadamente, calcular

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SIMULACION DE UNA TORRE DEPROPANIZADORA Ejercicio 32 Simular una torre depropanizadora que tiene las siguientes características Alimentacion a. Temperatura: 200 °F b. Presión: 100 psia c. Flujo: 1300 lbmole/h Composición (Fracción Molar) Componente

fracción molar

Etano

0.0148

Propano

0.7315

i-Butano

0.0681

n-Butano

0.1462

i-Pentano

0.0173

n-Pentano

0.0150

n-Hexano

0.0071

Ecuación: Peng Robinson Unidades: Field Datos de la columna Delta presion en ta torre = 0 Light key in Bottoms (fraccion molar propano) = 0.025 Heavy Key in distillate (fraccion molar i-butano) = 0.02 External Reflux Ratio =1.5 veces la relación de reflujo mínimo Diseñar una columna de destilación continua para conseguir las especificaciones deseadas usando una Shortcut column en HYSYS y reportar el número total de etapas, número mínimo de etapas, ubicación de la etapa de alimentación, relaciones de reflujo mínimo y calculado.

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Concentraciones del destilado final y corriente de fondo, y cargas de rehervidor (reboiler) y condensador. COLUMNAS DE ABSORCIÓN DE GASES La absorción de gases es una operación en la cual una mezcla de gases se pone en contacto con un líquido, a fin de disolver de forma selectiva uno o más componentes en el gas y obtener una solución de estos en el líquido. Y tiene el siguiente símbolo:

Ejercicio 33 El CO2 es absorbido en carbonato de propileno (propylenecarbonato). La corriente del gas de entrada es 20 % mol CO2 y 80 % mol metano el cual fluye a razón de 2 m3/s y la columna funciona en 60°C y 60 atm. El flujo de solvente de la entrada es 2000 kmol/hr. Use HYSYS para determinar la concentración de CO2 (%mol) en la corriente del gas de la salida, la altura de la columna (m) y el diámetro de la columna (m). Using Hysys absorber: • Fluid package: Sour PR • Number of trays: 6 • Packing material: Random, ceramic Raschig ring, 2 in. a) Determinar la concentración de salida de CO2 b) Ccambiar el flujo de solvente de 2000 kmole/h a 2500 kmol/h y analizar la concentración de salida deCO2. Ejercicio 34 Absorción de acetona en una torre con etapas a contracorriente. Un gas que contiene 1.0% mol de acetona en aire en una torre de etapas a contracorriente. El flujo gaseoso total de entrada a la torre es 30.0 kg mol/h, y la entrada total de flujo de agua pura que se usara para absorber la acetona es 90 kg mol H2O/h. El proceso operara isotérmicamente a 300 K (80 °F) y a Presion total de 101.3 kPa. La relación de equilibrio para la acetona (A) en el gasliquido es yA = 2.53xA. Ejercicio 35 En el siguiente Ejercicio se va a modelar un sistema de condensación de una corriente propano, de una planta de fraccionamiento de LGN, de la columna depropanizadora, como sigue a continuación: Composición de la alimentación.

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Condiciones de operación en las operaciones unitarias:

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Analizar el flujo de C3 producto y el producto SIMULACION EXTRACCION Ejercicio 36 Se usa un extractor líquido-líquido para remover acetona de una alimentación que contiene 43 % acetona, 50 % de agua y 7 % isobutil metil cetona (methyl isobuthyl ketone , MIBK). MIBK puro se emplea como solvente a un flujo de 820 kg/h para la separación. La alimentación tiene un flujo de 1000 kg/h, la operación toma lugar a 25 °C y 1 atm. Determine la composición final del extracto si se trabaja con una columna de 3 platos.

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El flujo de extracto y refinado. Ejercicio 37 Una columna de extracción en contracorrientes es empleada para extraer acetona de agua, empleando 5000 kg/h de 1,1,2 – tricloroetano. La corriente de alimentación F1 tiene una flujo de 7500 kg/h, la composición másica de la alimentacion es: 50 % acetona, 50 % agua, la segunda corriente de alimentación F2 tiene un flujo de 7500 kg/h el cual contiene 25 % de acetona y 75 % de agua ambas composición en peso. La columna opera a 25 °C y 1 atm. Número de etapas 5. Calcular la composicion del extracto y el refinado REACTORES Un reactor químico es un equipo en cuyo interior tiene lugar una reacción química, estando éste diseñado para maximizar la conversión y selectividad de la misma con el menor coste posible. Si la reacción química es catalizada por una enzima purificada o por el organismo que la contiene, se habla de biorreactores. El diseño de un reactor químico requiere conocimientos de termodinámica, cinética química, transferencia de masa y energía, así como de mecánica de fluidos; balances de materia y energía son necesarios. Por lo general se busca conocer el tamaño y tipo de reactor, así como el método de operación, además con base en los parámetros de diseño se espera poder predecir con cierta certidumbre la conducta de un reactor ante ciertas condiciones, por ejemplo un salto en escalón en la composición de entrada. Tipos de reactores en Aspen Hysys Aspen Hysys tiene 6 tipos de reactores: Reactores ideales  

Continius Stirred Tank Reactor Plug Flow Reactor

Reactores generales    

Coversion Reactor Equilibrium Reactor Gibbs Reactor Yield Shift Reactor

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REACTOR DE CONVERSIÓN Este tipo de reactores se puede asociar únicamente con modelos de reacción de conversión. Se debe especificar la estequiometría de todas las reacciones que se lleven a cabo y la conversión del componente base, el Reactor de Conversión calcula las composiciones de la corriente de salida. Ejercicio 38 La producción de hidrógeno a partir de hidrocarburos a tomado un gran impulso en las últimas décadas. La coversion de hidrocarburos a hidrógeno puede llevarse a cabo por una oxidación parcial, a continuación, representamos la producción de hidrógeno a partir de la oxidación parcial de metano para producir oxidos de carbono e hidrógeno. La conversión es del 40 % de la primera reacción y 60 % de la segunda.

La corriente de alimentación tiene las siguientes características:

La segunda corriente tiene las siguientes características:

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Completar la siguiente tabla.

Ejercicio 39 El ácido clorhídrico, HCl, reacciona con el oxígeno a temperaturas altas para formar cloro, Cl2, y agua, con una conversión del 60%. 4 HCl + O2 → 2 Cl2 + 2 H2O La corriente de alimentación es de 66 kgmol/h a una temperatura de 21°C y presión atmosférica, la alimentación tiene una composición de 80% de HCl y el resto oxigeno. Paquete de fluidos: PRSV Determinar los flujos másicos de las corrientes de salida y sus composiciones. Determine el flujo molar de cloro obtenido en la corriente de vapor

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REACTOR DE EQUILIBRIO Ejercicio 40 Se llevará a cabo la reacción en fase vapor siguiente en un reactor de equilibrio;

Los datos de la alimentación son:

  

Calcular el flujo molar de producto obtenido Calcular la composición del producto vapor Calcular la conversión alcanzada en equilibrio

Ejercicio 41 Cuando se produce hidrógeno a partir de hidrocarburos o la refinación de alcohol, se requiere una purificación con el objetivo de reducir los niveles de CO para cumplir los requerimientos aguas abajo. La tecnología más factible para la purificación consiste en una reacción con vapor de agua, (WGS). la reacción es:

Esta tecnología se emplea por más de 40 años en la industria de producción de hidrogeno a partir de hidrocarburos líquidos y gaseosos, el rol de la reacción de WGS es el incremento en el rendimiento de la producción de H2 y el decrecimiento de la producción de CO el cual es un veneno para los principales catalizadores empleados. La corriente de agua tiene las siguientes características:

Completar la siguiente tabla:

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Flujo molar de los siguientes componentes

Calcular los porcentajes de:

Yield Shift Reactor Los reactores de rendimiento son para modelar reactores usando tablas de datos para desarrollar cálculos. Esta unidad puede usarse para reactores complejos que no tienen disponible un modelo o los que existen son de alto costo. REACTORES GIBBS Ejercicio 42 Lleve a cabo la reacción anterior en un reactor de Gibbs en las mismas condiciones de operación REACTOR CSTR INTRODUCCION Un reactor CSTR es un tanque en el cual la masa reaccionante es continuamente agitada de tal manera que se considera como una mezcla completa y, por lo tanto, se asume que sus propiedades son uniformes en todo el interior del reactor. La ecuación de diseño de un reactor de mezcla completa es:

Siendo V, el volumen del reactor, FAo, el flujo molar del reactivo límite, τ, el tiempo espacial, CAo, la concentración del reaccionante A en la corriente de entrada, XA, la conversión de A y rA, la velocidad de reacción de A. La velocidad de una reacción no catalítica depende de la concentración de reaccionante. Con respecto al reaccionante A, la ecuación de velocidad de reacción se expresa de la siguiente manera

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Siendo k, la constante específica de velocidad de reacción, n, el orden cinético de la reaccióny CA, la concentración de reaccionante El orden de una reacción se determina experimentalmente y la constante de velocidad de reacción depende de la temperatura de la reacción y se puede calcular con la ecuación de Arrhenius, de la forma

Siendo A, el factor pre-exponencial, E, la energía de activación, T, la temperatura en escala absoluta y R, la constante universal de los gases Para simular un reactor CSTR con reacción de tipo cinético cuya velocidad depende solamente de la concentración de uno de sus reaccionantes, el número de variables que se requieren para una especificación completa es de seis. Las variables que usualmente, se especifican son el flujo calórico en la corriente de energía, la caída de presión en el tanque y el volumen del reactor, además de la energía de activación, el factor pre-exponencial y el orden de la reacción. Ejercicio 43 Encontrar la conversión de etanol para la siguiente reacción en fase líquida en un reactor CSTR isotérmico, el flujo de alimentación es de 50 kgmol/h de etanol y 50 kgmol/h de dietilamina. La reacción es de segundo orden con respecto al etanol, el volumen del reactor de 60 lt. A+B→C+D Donde: A = ethanol, B = diethylamine, C = water, and D = triethylamine. rA = −kCA2 k = Ae−E/RT E = activation energy = 1 × 104 J/mol, T = 50°C; A = Pre-exponential factor = 4775 L/mol h; R = 8.314 J/mol K; P = 3.5 atm; Densidad molar del etanol es 16.6 mol/L; densidad molar de la diethylamine es de 9.178 mol/L; densidad molar del agua es 54.86 mol/L. Paquete de fluido NRTL Tipo de reacción: Kinetic reaction The basis unit is gmol/L.

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Las unidades de la velocidad de reaccion: gmol/L h. Fase Liquida Ejercicio 44 En este problema se presenta un diagrama de flujo para la producción de propilenglicol. El óxido de Propileno se combina con agua para producir propilenglicol. Las corrientes de alimentación: oxido de Propileno y de agua se combinan en un mezclador, la corriente combinada se alimenta a un reactor CSTR, que opera a presión atmosférica, en el que se produce propilenglicol. Corrientes de alimentación:

La reacción es la siguiente:

La cinética de reacción es:

La ecuación de Arrhenius es:

𝑘 = 1,7𝐸13 ∗ 𝑒

𝐵𝑇𝑈 −32400 𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 ) ( 𝑅𝑇

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Las unidades de la ecuación cinetica son:    

Base: concentración molar Fase de la reacción: Liquido combinado Unidades base: lbmol/ft3 Flujo base: lbmol/ft3h Los datos del reactor son los siguientes:

 

Volumen: 280 ft3 Porcentaje del volumen liquido 85%

La columna de destilación trabaja por defecto con 10 platos y la alimentación se lo realiza en la etapa 5, la presión del condensador es de 15 psia y del reboiler es de 17 psia, con un reflujo de 1, la concentración molar de agua no debe pasar de 0.005 en la corriente de producto de fondo Ejercicio 45 Producción de ácido acético Se desea producir ácido acético mediante hidrólisis de anhídrido acético en un reactor tanque continuo operando a 50ºC (isotérmico) y a presión atmosférica. La alimentación consiste en 1000 kg/h de una solución acuosa de anhídrido acético al 35.8 % en masa. El volumen es de 100 L. Se conoce además que la cinética de la reacción es de primer orden respecto a la concentración de anhídrido y que los datos cinéticos son los siguientes:

Las constantes A y E son 592830 y 47766 respectivamente si las unidades de la velocidad cinética de reacción están en gmol/lt-s. 

Analizar la composición del producto de salida, y la conversión alcanzada.

REACTOR PFR Un reactor PFR es básicamente un tubo donde se realiza una reacción con cambios axiales en la concentración, la presión y la temperatura. La ecuación de diseño de un reactor tubular es:

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Siendo V, el volumen del reactor, FAo, el flujo molar del reactivo límite, τ, el tiempo espacial, CAo, la concentración del reaccionante A en la corriente de entrada, XA, la conversión de A y rA, la velocidad de reacción de A Los reactores PFR, a menudo, se construyen de muchos tubos de pequeños diámetros y de grandes longitudes y se emplean con fluidos a grandes velocidades y pequeños tiempos espaciales. Esto minimiza el mezclado axial del fluido, limita los perfiles radiales de temperatura y provee el área de transferencia de calor necesaria. Los tubos se arreglan en un banco como en los intercambiadores de calor. Si no se desea intercambio calórico en la zona de reacción, puede utilizarse uno o una serie de lechos empacados de diámetros mas grandes. Ejercicio 46 Obtención de metano La reacción que estudiaremos es el craqueo adiabático en fase vapor de la acetona para transformarla en metano y keteno en un reactor PFR.. La estequiometría de la reacción es

Se utiliza un reactor tubular que se alimenta con acetona pura en estado gaseoso. El keteno que se produce es un compuesto completamente inestable cuya transformación no se incluye en esta simulación. La reacción es de primer orden con respecto a la concentración de acetona, CA con una cinética de la forma 𝑟𝐴 = 𝑘𝐶𝐴 y la constante específica de velocidad de reacción está dada por una ecuación de la forma de Arrhenius y propuesta por Jeffreys así 𝑘 = 8,2𝑥1014 𝑒 (

−280000 ) 𝑇

Ejercicio 47 El Estireno es un monómero usado en la producción de diferentes plásticos. El estireno se produce a partir de la deshidrogenación de etilbenceno: C6 H5 − C2 H5  C6 H5 −CH = CH2 + H2 En este reactor no consideraremos el hecho de que la reacción anterior es una reacción de equilibrio y se modelará este sistema usando la expresión de Cinética de Velocidad (Kinetic Rate): La alimentación consiste de 780 kmmol/h de etilbenceno la reacción es isotérmica y la temperatura y presión de entrada es de 600 °C, y 1,5 atm, respectivamente. La velocidad de

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reacción es de primer orden respecto al etilbenzeno, calcular la producción de estireno si el reactor es de 150 m3 y 3 m de longitud en un ractor PFR. La reacción es de primer orden:

Donde PEB es la presión parcial de etilbenceno, la constante de reacción esta especificada como.

Dp en el reactor: 0

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