CURSO HYSYS

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA SIMULACIÓN DE PROCESOS UTILIZANDO HYSYS POR: CARRASCO BANDA NEIL NEIZER Carrasco B

Views 258 Downloads 84 File size 3MB

Report DMCA / Copyright

DOWNLOAD FILE

Recommend stories

Citation preview

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

SIMULACIÓN DE PROCESOS UTILIZANDO HYSYS

POR: CARRASCO BANDA NEIL NEIZER

Carrasco Banda Neil N.

EGRESADO DE LA FIQT-UNI

1

CONTENIDO OBJETIVO DEL CURSO: El objetivo de este Curso es dar una Introducción a la Simulación de Procesos por Computadora usando uno de los programas de simulación más comunes (HYSYS).

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

SIMULACIÓN DE PROCESOS EL ENTORNO DE HYSYS MODELOS TERMODINÁMICOS ESTIMACIÓN DE PROPIEDADES FLUJO DE FLUIDOS BOMBAS Y COMPRESORES OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE MASA OPERACIONES DE TRANSFERENCIA DE CALOR SIMULACION Y DISEÑO DE REACTORES SIMULACIÓN DINÁMICA

Carrasco Banda Neil N.

2

1. SIMULACIÓN DE PROCESOS La Simulación de Procesos es la representación gráfica ó numérica del comportamiento del Proceso ya sea en Estado Estacionario ó en Estado Dinámico, bajo diferentes condiciones y presunciones. El Resultado de la Simulación de un Proceso puede ser: –Una tabla de valores. –Una ó más Curvas ó Gráficos de Tendencia. –Una imagen que muestra valores en forma intuitiva. El software de Simulación es una valiosa herramienta para el diseño y evaluación de procesos, sin embargo no reemplaza un sólido conocimiento de los conceptos de Ingeniería.

Carrasco Banda Neil N.

3

1. SIMULACIÓN DE PROCESOS Objetivos de la Simulación: – Evaluar el comportamiento del Proceso. –Confirmar la conveniencia de dicho Proceso para su aplicación práctica. –Sugerir las modificaciones que mejoren su comportamiento para conseguirlos resultados esperados. –Estimar valores de variables en función del tiempo. –Predecir futuros comportamientos ante diferentes condiciones y situaciones. Los programas de Simulación son muy confiables en sus resultados, sin embargo, dada la gran variedad de opciones, datos y bases termodinámicas, es necesario aplicar el juicio y criterio de ingeniería para evaluar los resultados y validarlos. Carrasco Banda Neil N.

El software simula, el ingeniero diseña! El software de simulación no es infalible! 4

2. EL ENTORNO DE HYSYS 1.- Iniciar el programa.

Empezar escogiendo las unidades siguiendo la ruta: TOOLS/PREFERENCES/ TAB VARIABLES/UNITS Pantalla Inicial

Carrasco Banda Neil N.

• Hysys trabaja con SI por defecto. Se puede crear un conjunto propio de unidades (personalizar) usando CLONE.

5

2. EL ENTORNO DE HYSYS 2.- Crear un nuevo proyecto FILE/NEW/CASE ó Ctrl-N. Se abre la ventana del Simulation Basis Manager. 3.- Seleccionar los compuestos químicos que participan en las operaciones y/o procesos que se van a simular. Para ello, en Components: Con Master Component List seleccionado pulsar View y escoger los compuestos.

Se pueden ver las propiedades básicas de cada componente seleccionándolo y pulsando View Component.ID (Identificación, fórmula, estructura UNIFAC, peso molecular, Punto de Ebullición Normal, T y P críticas, correlaciones de Presión de Vapor, entalpía del vapor).

Carrasco Banda Neil N.

6

2. EL ENTORNO DE HYSYS 4.- Escoger el modelo termodinámico Fluid Pkgs nos permite escoger el Paquete Termodinámico . Se puede dar un nombre al paquete escogido escribiéndolo al costado de Name.

5.- Ingresar al entorno de simulación

Para ello, pulsar el botón Enter Simulation Environment.

.

Pulsar aquí

Dependiendo del paquete escogido se pueden determinar parámetros y otras características

Carrasco Banda Neil N.

Entorno de la simulación

2. EL ENTORNO DE HYSYS LA PALETA DE OBJETOS La paleta de objetos contiene la representación gráfica de todos los equipos de proceso y algunas herramientas de Hysys. Para seleccionar el equipo, corriente o herramienta que queremos introducir en el entorno de simulación, hacer click en el ícono respectivo (para seleccionarlo) y click en el lugar del entono de simulación en el que lo queremos ubicar. 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 contiene herramientas para la simulación dinámica y control de procesos. :

Carrasco Banda Neil N.

2. EL ENTORNO DE HYSYS 6.- Adicionar corrientes Seleccionar la corriente haciendo clic sobre la flecha (azul o roja) de la paleta de objetos y llevarla al entorno de simulación haciendo clic sobre el lugar deseado. Con doble clic sobre la flecha se abre la ventana de propiedades. Una corriente de materia se especifica por completo al indicar los componentes y su composición ó su flujo másico y por lo menos dos En caso que propiedades termodinámicas, ejemplo P y T. requiera algún dato, Hysys lo pedirá en la barra amarilla.

Los datos ingresados se muestran en Azul. Los datos calculados por Hysys se muestran en Rojo. Los datos calculados que no se pueden cambiar aparecen en Negro.

Carrasco Banda Neil N.

9

3. MODELOS TERMODINÁMCOS Margules

Van Laar

Wilson

NRTL

UNIQUAC

Aplicable

Aplicable

Aplicable

Aplicable

Aplicable

Sistemas de Múltiple componentes

Aplicación limitada

Aplicación limitada

Aplicable

Aplicable

Aplicable

Sistemas azeotrópicos

Aplicable

Aplicable

Aplicable

Aplicable

Aplicable

Equilibrio LiquidoLiquido

Aplicable

Aplicable

Aplicación limitada

Aplicable

Aplicable

Cuestionable

Cuestionable

Aplicable

Aplicable

Aplicable

Cuestionable

Cuestionable

Aplicable

Aplicable

Aplicable

No Aplica

No Aplica

No Aplica

No Aplica

Aplicable

Cuestionable

Cuestionable

Bueno

Bueno

Bueno

APLICACIÓN Sistemas binarios

Sistemas diluidos Sistemas de asociación individual

Polímeros Extrapolación

Carrasco Banda Neil N.

10

4. ESTIMACIÓN DE PROPIEDADES Ejemplo 1: Se tiene un mezcla equimolar de etanol y agua con una fracción vaporizada de 0,2 y a una temperatura de 50 ºC. Determinar a que presión se encuentra la mezcla y cuales son las composiciones del líquido y vapor.

En Hysys, crear un nuevo caso, usar el modelo de NRTL como Fluid Packs. Crear una corriente y asignarle los datos indicados. La presión se estima automáticamente y de inmediato. Ver las composiciones en compositions

Carrasco Banda Neil N.

RECUERDA: La cantidad de datos a introducir es igual al número de grados de libertad que tiene el sistema

11

4. ESTIMACIÓN DE PROPIEDADES NOTA: Se conoce al equilibrio como una condición estática, donde, con el tiempo, no ocurre cambio alguno en las propiedades macroscópicas del sistema, lo cual implica un balance de todos los potenciales que puedan ocasionar un cambio.

LA FAMOSA REGLA DE LAS FASES Para describir el estado de equilibrio de un sistema de varias fases y diversas especies químicas deberemos conocer el número de variables intensivas independientes que definen el sistema. Para conocer este número se aplica la regla de las fases : L=C-F+2; donde L es número de variables intensivas independientes (grados de libertad), C el número de componentes químicos del sistema, y F el número de fases presentes en el sistema Carrasco Banda Neil N.

12

4. ESTIMACIÓN DE PROPIEDADES Ejemplo 2: Estimar la presión y temperatura mas alta a la que puede existir equilibrio líquido vapor de la mezcla de 60% C1, 20% C2, 10% C3, 5% nC4 y 5% nC5. [Hougen et al.“Termodinámica”, p.420]

En Hysys, crear un nuevo caso, usar el modelo de Lee-Kessler-Plocker como Fluid Package. Crear una corriente y asignarle la composición, indicada y un flujo molar cualquiera.

Esto no causa problema, pues las propiedades a calcular son intensivas

En Tools/Utilities/Envelope utilities seleccionar la corriente y clic en ok Ver En Design: Critical Values/Maxima, Ver la gráfica en Performance, Plots: Envelope Type PT Carrasco Banda Neil N.

13

4. ESTIMACIÓN DE PROPIEDADES Ejemplo 3: Para los datos del problema anterior, determinar un perfil de la densidad, capacidad calorífica, presión de vapor, etc. en función de la temperatura (tabla de propiedades).

Presión de vapor

Desde Tools/Utilities, seleccionar Property Table de la lista de utilidades disponibles (Available Utilities) y hacer clic en el botón Add Utility. En Conections definir la corriente para la cual se van a estimar las propiedades y especificar las variables independientes. En Dep. Prop especificar las variables dependientes. Finalmente hacer clic en Calculate y ver los resultados en Performance. Carrasco Banda Neil N.

14

5. FLUJO DE FLUIDOS Ejemplo 4. Calcular las pérdidas por fricción y la presión de descarga en una tubería de 500 metros de longitud, construida de acero galvanizado con diámetro nominal de 254 mm (cédula 40), por la que fluye la corriente de fondo (ya enfriada hasta 50 ºC) de una columna de destilación primaria de crudo. La corriente tiene un flujo de 200 m 3/h y está constituida de 70% masa de n-nonano y el resto es n-decano. Además, a lo largo de la tubería existen 2 codos de 90º y una válvula de control de tipo globo. Crear un nuevo caso, usar el modelo de SRK como Fluid Packs. Crear una corriente y asignarle la composición, presión, flujo y temperatura. Crear la corriente de salida.

Insertar una tubería desde la paleta de objetos, hacer doble clic sobre ella para ingresar las especificaciones. Hacer las conecciones en Design y definir longitud, accesorios y otros parámetros en Rating, opción sizing y en Heat Transfer ingresar el valor de cero en Heat Loss. Carrasco Banda Neil N.

15

6. BOMBAS Y COMPRESORES BOMBAS Se usa el ícono de la paleta . Eleva la presión en una corriente líquida. Se pueden calcular: Presión, flujo, T y potencia. Si se incluyen curvas de rendimiento se puede calcular eficiencias (sólo steady state). Ejemplo 5. Determinar la potencia necesaria para aumentar la presión de 100 m3/h de agua desde 2 bar y 30 ºC hasta 20bar, Adicionalmente calcular la temperatura de la corriente de descarga. RECORDAR QUE EL AGUA ES UN LÍQUIDO NO IDEAL. Un líquido ideal es aquel, en el que no hay fuerzas de atracción intermolecular.

Carrasco Banda Neil N.

16

FLUJO DE FLUIDOS Y BOMBAS EJERCICIO: De un tanque cerrado provisto de un respiradero a la atmosfera se desea bombear agua a 20 °C (68 °F), hacia una torre de absorción. El nivel de liquido en el tanque se encuentra a 7,0 m (19,7 pies) sobre el eje de la bomba, el caudal es de 20,0 m3/h (88 gpm). • La conexión de entrada del agua en el tope de la torre se halla a 20,0 m (65,6 pies) sobre el nivel del eje de la bomba. • La línea de succión consiste de tubería de acero estándar de 2" (5,08 cm) de diámetro nominal, No. de cedula 40S y • 40,0 m (131,2 pies) de longitud, posee 4 codos estándar y una válvula de compuerta ("gate") abierta. • La línea de descarga también es de acero estándar de 2" (5,08 cm) de diámetro nominal, No. de cedula 40S y 60,0 • m (198,6 pies) de longitud, tiene 2 codos estándar, 2 T usadas como codo y una válvula de control, la presión • manométrica en la torre de absorción es de 137,9 kPa (20 psig). Carrasco Banda Neil N.

17

6. BOMBAS Y COMPRESORES COMPRESORES • Dando flujo y presiones In/Out, más una eficiencia adiabática ó politrópica, se puede calcular la energía, T y eficiencia requeridas. Dando las curvas y la velocidad, se puede calcular carga, velocidad operativa, P y T out, eficiencia. Ejemplo 6. Se dispone de un compresor centrífugo de 80% de eficiencia adiabática que cuenta con una potencia nominal de 20 hp. Determinar hasta que presión se puede comprimir una corriente de gas natural seco (90% C1 y 10% C2 aprox.) que se obtiene por el tope de una columna de-metanizadora a una razón de 200 m3/h, una presión de 15 bar y temperatura de -30 ºC.

Carrasco Banda Neil N.

18

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA MEZCLADOR (MIXER) El MEZCLADOR combina varias corrientes de materia de entrada para producir una corriente de salida. - Calcula rigurosamente la temperaturas, entalpías, presión, composición que no se conocen. - Calcula la temperatura teniendo en cuenta el calor de mezclado Ejemplo 7. Se desea determinar la composición de la corriente resultante al mezclar tres corrientes cuyos flujos molares (Kmol/h) se indican en la tabla (cada una de ellas está a 25 oC y presión atmosférica ). Compon entes

Corriente 1

Corriente 2

Corriente 3

Benceno

10

20

30

Tolueno

0.5

1

1.5

Xileno

0.25

0.5

0.75

Carrasco Banda Neil N.

19

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Procedimiento: 1. Adicionar la lista de componentes: Benceno, Tolueno y Xileno. 2. Seleccionar Peng Robinson como Fluid package Mezclador-1 3. Insertar en el PFD un mezclador. 4. Definir las corrientes de entrada y salida y conectarlas al mezclador. 5. Especificamos las corrientes de alimentación

Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA DESTILACIÓN FLASH (INSTANTÁNEA) Estas unidades también se puede utilizar para simular reactores. Ejemplo 8. 1 kmol/hr de una corriente que contiene: Benceno (40 mol%), Toluene (30 mol%) y O-xylene (30 mol%) Ingresa a una unidad flash a 373 K y 1 atm se somete a un flah adiabático. Determinar la composición y flujos de las corrientes líquidas y vapor generadas. Crear un nuevo caso, escoger un paquete termodinámico, ingrear al Basis Simulation Environment, Crear el PFD, introducer las corrientes de entrada y salida, ingresar especificaciones.

Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Dimensionamiento básico 1.- Se debe especificar la orientación 2.-Selecionar la geometría del contenedor : del separador: Horizontal o vertical en la pestaña Rating

Dependiendo de la orientación seleccionada algunas de las geometrías no estarán disponibles. Los contenedores Ellipsoidal and Hemispherical cylinder solo están disponibles para la orientación horizontal. Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA 3.-Especificar algunas de las siguientes medidas: Volumen, Diámetro, o altura (la longitud se emplea cuando la orientación del tanque es horizontal).

Seleccione según el caso si el contenedor tiene un desnebulizador.

Se debe especificar el diámetro y altura del Desnebulizador. O se puede calcular con el botón Quick Size que por defecto:

O use el botón Quick Size que establece valores predeterminados Carrasco Banda Neil N.

Calcula la altura del desnebulizador como 1/3 de la altura del tanque. Calcula el diámetro del desnebulizador como 1/3 del diámetro del tanque.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA En el área Liquid Level, especifique el nivel del líquido como un porcentaje del volumen total del contenedor. El valor predeterminado es 50%. El volumen de liquido se calcula el producto del volumen del tanque y la fracción de nivel de líquido.

Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Tarea. Se alimenta 1 kmol/hr de una corriente que contiene: Benceno (40 mol%), Toluene (30 mol%) y O-xylene (30 mol%) a una unidad que opera adiabáticamente. Considere que no hay caída de presión.

Responder las siguientes preguntas: 1. Si la alimentación está a 385 K y 1 atm. ¿Cuál es la composición de las corrientes de salida? 2. Si la alimentación está a 385 K y tiene una fracción de vapor de 40% p/p. ¿Cuál es la presión a la cual opera la unidad flash? y ¿Cuál es la composición de las corrientes de salida? 3. La unidad flash opera a 1 atm y tiene una fracción de vapor de 30%. ¿Cual es la temperatura a la cual opera la unidad flash? y ¿Cuál es la composición de las corrientes de salida? 4. La unidad flash opera a 1 atm y se desea que la fracción separada de tolueno en la fase líquida sea 0.65. Computar la temperatura a la cual opera la unidad flash y la composición de las corrientes de salida? Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Respuestas Pregunta 1:

Pregunta 2:

Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Pregunta 3:

Pregunta 4: No es posible separar el 65% del tolueno para que salga por la corriente líquida a una presión de 1 atm. La máxima separación que se logra es de 0.15 kmol/h es decir del 50% a una temperatura de 99.7349C

Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA DESTILACIÓN (MÉTODO CORTO) El uso de una Shortcut Column (cuyo icono se muestra en la figura) se hace muy importante en el diseño preliminar de una columna de destilación. Realiza cálculos no rigurosos utilizando el método corto desarrollado por Fenske-Underwod-Gilliland. Con la ecuación de Fenske se calcula el número mínimo de etapas teóricas Nmin. Con la ecuación de Underwood se determina la mínima relación de reflujo Rmin Finalmennte, Nmin y Rmin se utilizan para estimar el número teórico de etapas utilizando la correlación de Gilliland. El plato óptimo de alimentación se estima con otra correlación

Con la Shortcut Column se estiman además: Los flujos de vapor y líquido en la sección rectificadora y despojadora, Las cargas térmicas del condensador y rehervidor. -

Carrasco Banda Neil N.

Tener en cuenta que el número de etapas teóricas, la relación de reflujo y el plato óptimo de alimentación no pueden ser estimados utilizando otro modelo de simulación.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Ejemplo 9. Una corriente a razón de 100 kmol/hr con un composición molar de 50% etanol y 50% n-propanol, es alimentada a una columna de destilación continua a temperatura ambiente (298 K) y presión atmosférica (1 atm). La caída de presión a través de la columna es despreciable y se usa una relación de reflujo de 1.5. Se quiere que el destilado tenga un 93% en mol del etanol y un 5% mol del npropanol de la corriente de alimentación. 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, composiciones del destilado final y corriente de fondo, y cargas de calor del rehervidor (reboiler) y condensador.

Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Solución 1. Crear un nuevo caso con los componentes etanol y n-propanol. Utilizar como Fluid package (al que vamos a llamar Destilación-1) el paquete General NRTL y como modelo para el vapor a SRK. 2. Escoger el icono de Short Cut Distillation de la paleta de objetos, crear el PFD y especificar las condiciones de la corriente de alimentación.

Carrasco Banda Neil N.

3. Realizar las conecciones y proporcionar la información necesaria.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA 4. Introducir los parámetros de equipo en la página Parameters, del tab Design Parámetros

Valor

Light key Ethanol in Bottoms

0.07

Heavy Key n-Propanol in Distillate

0.05

Condenser Pressure

1 atm

Reboiler Pressure

1 atm

Es muy importante recordar la manera como introducir los datos, especialmente a los correspondientes a las recuperaciones en fondo y tope del clave ligero y clave pesado. Esto debido a que cada simulador tiene una manera particular de hacerlo y puede generar confusión. Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Los resultados del balance de materiales lo podemos ver haciendo clic en la etiqueta Worksheet

Carrasco Banda Neil N.

Los resultados para el número de etapas así como el condensador y rehervidor pueden verse haciendo clic en la etiqueta performance.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA COMPONENTES CLAVE [McCabe & Smith.“Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. P 657-658] En la destilación multicomponente hay tres o mas componentes en los productos y las especificaciones de las concentraciones de un componente en cada uno de ellos no caracteriza totalmente estos productos. Sin embargo, si se especifican las concentraciones de dos de los tres o tres de los cuatro componentes para los productos de destilado y residuo, generalmente es imposible cumplir exactamente estas especificaciones.

Un aumento de la relación de reflujo o del número de etapas aumenta la eficacia de la separación y se alcanza la concentración deseada de un componente de cada producto, pero sería una casualidad que las demás concentraciones coincidiesen con las especificadas de antemano. El diseñador generalmente elige dos componentes (componentes clave) cuyas concentraciones o recuperaciones fraccionales en los productos de destilado y residuo constituyen un bien índice de la separación conseguida Carrasco Banda Neil N.

Puesto que los componentes clave tiene diferente volatilidad, el mas volátil recibe el nombre de clave ligero y el menos volátil el clave pesado.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA DESTILACIÓN (MÉTODO RIGUROSO) El método riguroso, tanto para destilación, como en la mayoría de operaciones y procesos que se simulan, resuelve los balances de materia y energía, relaciones de equilibrio y otras ecuaciones que definen los sistemas simulados, utilizando el Método modular simultáneo, Método orientado a ecuaciones, Modelo secuencial modular, etc. Ejemplo 10. El Propano y :Propileno son muy difíciles de separar uno de otro, ya que son componentes con puntos de ebullición cercanos, no obstante, la destilación a presión elevada es una tecnología común. En este ejemplo, se presentan cálculos de una torre con 150 platos reales. La corriente a destilar está compuesta de (flujos en lbmol/h): Etano (0,3) Propileno (550), Propano (200) y n-Butano (5). Esta corriente ingresa en su punto de burbuja y a una presión de 1724 kPa. Se desea tener un flujo de destilado de 550 lbmol/h. Obtener resultados para 1.- razón de reflujo de 20 y 2.un contenido de propano no mayor de 4% molar en el destilado.

Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Crear un nuevo caso, seleccionar como modelo termodinámico a Peng Robinson. Ir a la paleta de unidades de equipo, seleccionar Columna de destilación

Hacer doble clic en la columna y aparecerá el Distillation Column Input Expert a fin de guiar en el llenado de los datos que definen a este sistema. Carrasco Banda Neil N.

En la página 1 de 4 ingresar los siguientes datos: · Número de etapas : 150 · Plato de alimentación: 110 · Tipo de condensador: Total · Nombres las corrientes de materia y energía según se indica en la Fig.

Completada la página 1 se habilitará el botón Next. Presionando este pasaremos a la página siguiente

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA En la página 2 de 4 se define el perfil de En la siguiente página (4 de 4), ingresamos: presión dentro de la columna. Cantidad de destilado liquido: · Presión en el condensador: 1517 kPa 550 lbmol/hr (el equivalente a todo · Presión en el rehervidor: 1724 kPa · Caída de presión en el condensador: 0 psia el propileno). Flow basis: molar Razón de reflujo: 20

Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Los datos del sistema quedan completamente definidos.

Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Una vez posicionados en el libro de cálculo correspondiente a la columna, en la hoja Specs de la etiqueta options se debe notar que las especificaciones establecidas deben ser tales que garanticen que los grados de libertad (Degrees of Freedom) sean igual a 0, lo cual indica que la columna esta lista para ser simulada.

Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA 2.- Según condiciones del problema, se desea obtener un destilado en el cual la fracción molar de propano no sea mayor a 0.04 En la hoja Specs de la etiqueta options Presionar el botón Add en la sección de column especifications (con esto agregamos una nueva especificación) y aparece una ventana con todas las posibles variables que pueden ser especificadas. Seleccionando una especificación y haciendo clic en Add Specs aparece la siguiente ventana

Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Es muy importante activar la nueva especificación creada, para ello dar clic al check box de la opción Active de la sección Specifications Details, Obviamente es necesario desactivar la especificación que no se va a tomar en cuenta (de entre las especificaciones anteriores para introducir esta nueva), todo esto debido a que no debe quedar grados de libertad después de las especificaciones. Cuando termina la simulación aparece la barra verde indicando que la simulación ha terminado y se ha logrado convergencia.

Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Ahora revisamos los resultados de la simulación Notar que la mayoría de los datos de interés aparecen en la hoja MONITOR así como los perfiles de las variables tales como temperatura, presión, flujos de líquido y vapor se hallan presentados en PROFILE

Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Los resultados (composiciones de destilado y fondos, cargas térmicas en el condensador y reboiler, etc) pueden verse en el WORKBOOK:

Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA ABSORCIÓN La operación de absorción consiste en poner en contacto en contra-corriente una mezcla de gases con un líquido (absorbente), a fin de retener de forma selectiva uno o más componentes deseados de la corriente gaseosa. El tratamiento matemático de las columnas de absorción y especialmente si son del tipo empacada es muy complicada debido a que se necesita utilizar muchas correlaciones. En Hysys es posible modelar este tipo de columnas con el fin de ahorrar el tiempo de los cálculos y centrarnos en el análisis de la situación o de los resultados. Ejemplo 11: Se desea endulzar una corriente de metano absorbiendo el CO2 con carbonato de propileno (propylenecarbonato) . Esta corriente de gas tiene una composición de 20 % mol CO2 y 80 % mol metano y fluye a razón de 2 m3/s. La columna opera a 60°C y 60.1 atm. Use HYSYS para determinar la concentración de CO2 (%mol) en la corriente del gas de la salida si se utiliza un flujo de solvente de 2000 kmol/hr. Adicionalmente estime la altura y el diámetro de la columna (en metros).

Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA SOLUCIÓN 1. Crear la lista de componentes y seleccione el paquete termodinámico SourPR. 2. Introduzca 4 corrientes de materia con los siguientes nombres y especificaciones:

3. Introducir una Columna de absorción seleccionar el icono "Absorber“ de la paleta de objetos. En la ventana de simulación tenemos:

Entrada Solvente

Gases entrada

Presión

60.1 atm

60.1 atm

Temperatura

60°C

60°C

Flujo

2000 kmole/h

7200 m3/h

Xco2

0

0.2

XCH4

0

0.8

Xcarbonate

1

0

Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Hacer doble clic en la columna T-100 para abrir la ventana del ‘Absorber Column Input Expert,’ la cual consta de 4 páginas. En la primera página se asignan las corrientes de entrada y salida a la columna de absorción de gases.

Cuando se ha completado la información, se activa el botón Next. Carrasco Banda Neil N.

La opción Top Stage Reflux es para adicionar bombas laterales en la etapa seleccionada.

Se puede seleccionar el orden en el cual se numerar las etapas y el número de etapa (que por defecto son 10).

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Haciendo clic en Next se abre la página 2. Colocar las presiones del tope y el fondo (60.1 atm) en cada lado.

Carrasco Banda Neil N.

En la página 3 se especifican las temperaturas del tope y el fondo (opcional), colocamos 60 ºC en cada lado.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Presionando Done aparece la siguiente ventana.

El color rojo de la barra inferior indica que los cálculos no se han efectuado, por lo que hacemos clic en el botón Run para efectuar la simulación. Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Cuando terminan los cálculos esta barra se torna verde.

Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA En Parameters, opción Profiles Se observan los perfiles por etapa de los flujos de vapor y liquido.

Carrasco Banda Neil N.

En Parameters, opción Estimates Se observa la composición del líquido o del vapor en cada etapa o se pueden especificar. (si se tienen como datos).

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA En Parameters, opción Efficiencies se puede especificar la eficiencia de etapa, puede ser global o por componente. Por defecto la eficiencia es 1 (100%).

Carrasco Banda Neil N.

En Parameters, opción Solver, se puede especificar el método numérico a utilizar para resolver las ecuaciones que modelan la columna.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA El Tap Riting contiene todas las herramientas que nos permiten diseñar (determinar diámetro, altura, etc.) la columna

En Tray Section, Hysys nos permite especificar y/o calcular:

Tipo de columna: empacada, de platos, etc. Diámetro de la columna. Volumen empacado de columna Volumen vacío de columna Si se consideran o no pérdidas de calor y seleccionar el modelo para esto. Entre otros. Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA En la pestaña performance hay varias páginas que muestran resumen de los resultados de la simulación:

Carrasco Banda Neil N.

La absorción puede ser del tipo reactiva. Hysys permite simular este tipo situaciones, que de hecho son muy complejas. Para ello se deben seleccionar las reacciones en la etiqueta Reactions.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA DIMENSIONES DE LOS PLATOS Vamos al menú 'Tools' y seleccionamos 'Utilities'. Desplegamos la barra y seleccionamos 'Tray Sizing'.

Con la Utility Try Sizing se pueden realizar los cálculos de diseño y dimensionamiento en parte o en toda la columna ya calculada. La información de la torre y el empaque se puede especificar. Los resultados incluyen el diámetro de la torre, caída de presión, flujos y dimensiones de a torre. Esta Utilidad esta disponible solo para las columnas con flujos de vapor-liquido. Por lo tanto no se puede usar para columnas Clic en el botón 'Add Utilities' y de extracción líquido-líquido. se abre una ventana 'Tray Sizing' Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Al abrir la utilidad tray Sizing se tiene la siguiente hoja.

Aparece la siguiente ventana para elegir la columna a dimensionar:

Hacemos la selección y luego clic en OK

Clic en el botón Select TS Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Clic en el botón Auto Section, Aparece la siguiente ventana para seleccionar el tipo de plato.

En este caso seleccionamos platos perforados (Sieve) y hacemos clic en next. Carrasco Banda Neil N.

Aparece esta ventana con toda la información de dimensionamiento

Presionar el Autosection

botón

Complete

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Para ver los parámetros internos de la columna.

Carrasco Banda Neil N.

Y los resultados, están disponibles en la etiqueta Performance, hoja Results:

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA ¡¡¡IMPORTANTE!!! Para el diseño de columnas con secciones de distinto diámetro: Se pueden agregar secciones haciendo clic en Add Section en la etiqueta Design, página setup Se puede editar cada sección en la pestaña Design en la página Specs: En la sección Name field se especifica el nombre de cada sección. De la lista desplegable Start Tray seleccione el número de la etapa donde la sección empieza De la lista desplegable End Tray seleccione la etapa donde termina a sección. De la lista desplegable Internal seleccione el tipo de plato usado en esa sección. La opciones son: Sieve, Valve, Packed or Bubble Cap. De la lista desplegable Mode selección alguno de los modelos de cálculo: Design and Rating.

Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA DIMENSIONAMIENTO DE COLUMNA DE RELLENO (COL. EMPACADA) Seguimos el procedimiento anterior hasta simular la columna con Platos Luego vamos al menú 'Tools' y seleccionamos 'Utilities'. Desplegamos la barra y seleccionamos 'Tray Sizing'. Clic en el botón Select TS , hacemos la selección y luego clic en OK Clic en el botón Auto Section y seleccionar Packet.. Se debe especificar el tipo de empaque a emplear en la lista desplegable que aparece:

Clic en next y aparece una ventana con las especificaciones de diseño.

Presionar el botón Complete Autosection

Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Para ver los resultados, seleccionamos la etiqueta Performance.

Vemos un diámetro de 1.067 m, etc. Carrasco Banda Neil N.

7. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA EJERCICIO: Absorción de acetona en una torre con etapas a contracorriente.

Se desea absorber 90% de la acetona de un gas que contiene 1% 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 usará para absorber la acetona es 90 kg mol H2O/h. No hay caída de presión. El número de etapas requeridas para esta separación es 20. A que temperatura y presión debe trabajar la torre?

Carrasco Banda Neil N.

8. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Existen varias unidades para simular los equipos de transferencia de calor. CALENTADORES • Se usa el ícono de la paleta. • Esta unidad es se usa cuando una corriente debe calentarse a un temperatura determinada y sólo se desea conocer la energía requerida pero no el flujo y demás parámetros de la corriente calefactora. • Especificar las corrientes de entrada y salida y la corriente de calor en la etiqueta Design, Connections. Especificar también la caída de presión en Parameters. • Si se especifica la energía suministrada, Hysys calcula la temperatura de salida. • La ventana Heat Loss de la etiqueta Rating se usa sólo en Modo Dinámico.

ENFRIADORES • Se usa el ícono de la paleta. • Esta unidad se usa cuando una corriente debe enfriarse a un temperatura determinada y sólo se desea conocer la energía retirada pero no pero no el flujo y demás parámetros de la corriente enfriadora. • Se especifica igual que a un Calentador. Carrasco Banda Neil N.

8. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Ejemplo 12. Se desea determinar la cantidad de calor necesario para calentar hasta el punto de rocío a una mezcla de alcoholes antes de ser destilada. La mezcla está constituida por etanol (20%), 1-propanol (41%), iso-butanol (38%) y agua (1%). El número entre paréntesis indica el porcentaje en masa de cada componente. El flujo que se alimenta a la columna de destilación es de 1000 kg/h y la mezcla ingresa a presión atmosférica y 25ºC. Crear un nuevo caso, usar el modelo de Wilson como Fluid Packs. Crear una corriente y asignarle la composición, presión, flujo y temperatura. Insertar un heater desde la paleta de objetos, hacer doble clic sobre el ícono para ingresar las especificaciones en desing (hacer las conecciones y especificar caida de presión en preferences) Ingresar la especificación deseada para la corriente de salida y ver los resultados. Carrasco Banda Neil N.

8. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Ejemplo 13. Se desea enfriar una corriente de nafta que tiene un flujo de 200 m3/h y está presión atmosférica y 60 ºC. Determinar la cantidad de calor que se debe extraer para llevarlo hasta 35 ºC. La composición (molar) de la nafta es: npentano (40%), iso-pentano (35%), n-hexano (15%), n-heptano (10%). Crear un nuevo caso, usar el modelo de SRK como Fluid Packs. Crear una corriente y asignarle la composición, presión, flujo y temperatura. Insertar un cooler desde la paleta de objetos, hacer doble clic sobre el ícono para ingresar las especificaciones en Desing (hacer las conecciones y especificar caida de presión en Preferences).

Ingresar la especificación deseada para la corriente de salida y ver los resultados en Preferences. Carrasco Banda Neil N.

8. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADOR DE CALOR Se usa el ícono de la paleta. Permite el balance de materias y energía en los dos lados del intercambiador. • Tras especificar corrientes, indicar el modelo en Parameters. El modelo estándar (útil en mayoría de casos) es End Point: U, Cp ctes, curvas de T lineales, sin cambio de fase. Se debe dar las Ts de las 4 corrientes. • Hysys no calcula No. Tubos, diámetros, dimensiones, etc. como diseño, pero recibe tales datos para el cálculo de rating. • En Performance/Details se puede ver datos del resultado. En Plots se grafica curvas eligiendo el tipo (por ejemplo Heat Flor vs Temp). • En Tables se tabula lo que se selecciona en Setup.

Ejemplo 14. Se desea enfriar 50000 kg/h de Metanol desde 90 ºC hasta 40 ºC , para tal efecto se debe usar agua de enfriamiento disponible a 25 ºC (la cual se puede calentar como máximo hasta 40 ºC). 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 6 atm y se permite una caída de presión de hasta 0.6 atm.

Carrasco Banda Neil N.

8. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Solución.- Crear un nuevo caso, usar el modelo de Wilson como Fluid Packs. Crear una corriente y asignarle la composición, presión, flujo y temperatura. Insertar un intercambiador de calor desde la paleta de objetos, hacer doble clic sobre el ícono para realizar las conecciones en la etiqueta Design, hoja Conections e ingresar las caidas de presión en la hoja Parameters de la etiqueta Design. En Desing/Parameters, se especifican los párámetros para el diseño del intercambiador Tipo de simulación (Heat exchanger Model Design), pérdidas de calor, caida de presión en preferences, tipo de intercambiador (número de pasos por tubos, por coraza, TEMA), etc.

OJO

Carrasco Banda Neil N.