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SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Contenido INTRODUCCIÓN A LOS SIMULADORES DE PROCESOS ..................................................................................................... 2 MODELOS TERMODINAMICOS, COMPONENTES Y PROPIEDADES .................................................................................. 5 Administrador básico de la simulación ...................................................................................................................... 5 PROPIEDADES DE MEZCLA ........................................................................................................................................ 15 MÓDULO II..................................................................................................................................................................... 21 SIMULACIÓN DE UNIDADES DE PROCESO ..................................................................................................................... 21 Divisor de corrientes (Tee) ....................................................................................................................................... 21 Mezclador de Corrientes (Mixer) .............................................................................................................................. 23 Fraccionador de corrientes (Splitter) ....................................................................................................................... 26 Bombas (Pump) ......................................................................................................................................................... 28 Compresor (compressor) – Expansor (Expander) .................................................................................................... 34 Tuberías (Pipe) y Válvulas (Valv) ............................................................................................................................. 40 Separación de fases Instantáneas (Separator & Tank) ............................................................................................. 50 SIMULACIÓN DE UNIDADES DE PROCESO (Transferencia de calor) ............................................................................ 56 Air cooler ................................................................................................................................................................... 56 Cooler/Heater ........................................................................................................................................................... 59 Horno (Furnace) ........................................................................................................................................................ 62 Heat Exchanger ......................................................................................................................................................... 69 Simulación de reactores: .............................................................................................................................................. 73 Reactor de conversión............................................................................................................................................... 73 Reactor de Equilibrio ................................................................................................................................................ 77 Reactor CSTR, ............................................................................................................................................................ 81 Reactor PFR ............................................................................................................................................................... 81 SIMULACIÓN DE COLUMNAS DE DESTILACIÓN ............................................................................................................. 85 Columnas de destilación corta .................................................................................................................................. 85 Columna de destilación simplificada ........................................................................................................................ 88 Columnas de Absorbedor .......................................................................................................................................... 91 MODULO VI: CASOS DE ESTUDIO .................................................................................................................................. 93 Caracterización de crudos de refinerías ................................................................................................................... 93 Eficiencia de Hornos o calderas ................................................................................................................................ 98 Sistema multiefecto de evaporadores ..................................................................................................................... 106 Planta de producción de etanol .............................................................................................................................. 108

1

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 INTRODUCCIÓN A LOS SIMULADORES DE PROCESOS

En los últimos años, la simulación de procesos ha llegado a ser una herramienta de apoyo para el diseño y evaluación de distintos procesos relacionados a la industria química, hidrocarburos, mineria, etc. La simulación de procesos juega un papel muy importante en las industrias antes mencionadas, como herramienta adecuada y oportuna para el diseño, caracterización, optimización y monitoreo del funcionamiento de procesos industriales. SOFTWARES DE SIMULACIONES Son herramientas que nos permiten facilitar el diseño, caracterización, optimización y monitoreo del funcionamiento de procesos industriales. Entre los principales tenemos: 

Aspen Hysys



Pro II



Aspen Plus



Chemcad

Figura Nº1: Esquema del paquete AspenOne – Hysys VENTAJAS DEL USO DE SOFTWARE DE SIMULACIÓN 

La simulación interfiere en sistema del mundo real.



Es un proceso relativamente eficiente y flexible.



Hace posible analizar y sintetizar una compleja y extensa situación real.



Permite el diseñador examinar rápidamente varias configuraciones de planta 2

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 

Permite la experimentación en condiciones que podrían ser peligrosas en el sistema real.



Reduce el tiempo de diseño de una planta.



Desventajas del uso de software de simulación



Un buen modelo de simulación puede resultar bastante costoso; a menudo el proceso a desarrollar un modelo es largo y complicado para su validación.



Por error se producen diferentes resultados en repetidas corridas en el computador.



Cada modelo de simulación es único, las soluciones e inferencias no son usualmente transferibles a otros problemas.



Se requiere gran cantidad de corridas para encontrar “Soluciones óptimas”.



Aplicación de softwares de simulación



Detección de cuellos de botella en la producción.



Predicción de los efectos de cambio en las condiciones de operación de las variables de la planta.



Optimización de las variables de proceso.



Optimización del proceso cuando cambian las características de los insumos y/o las condiciones económicas del mercado.



Evaluación de alternativas de proceso para reducir el consumo de energía.



Análisis de nuevos procesos para nuevos productos



Transformación de un proceso para desarrollar otras materias primas



Análisis de factibilidad y viabilidad de nuevos procesos.



Optimización para minimizar la producción de desechos y contaminantes.



Entrenamiento de operados e ingenieros de procesos.



Investigación de la factibilidad de la automatización de un proceso.

MAPA DE RUTA

Figura Nº2: Ruta para definir una simulación 3

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4

SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO Permite evaluar las diferentes alternativas de configuración del proceso y/o determinar la sensibilidad de las variables claves del proceso con respecto a cambios “factibles” en el proceso.

Figura Nº3: Simulación estacionaria – UPD Crudo

SIMULACIÓN EN ESTADO DINÁMICA La simulación Dinámica puede ayudar a mejor el diseño, optimizar y operar procesos. Las plantas nunca están en estado estacionario. Los disturbios de la carga y del medio ambiente, el mal intercambio de calor y la degradación catalítica continuamente afectan las condiciones de un proceso estable. El comportamiento de los sistemas de procesos es mejor estudiado usando una simulación dinámica. Con la simulación dinámica se puede confirmar que la planta puede producir el producto deseado en una forma que sea seguro y fácil de operar. Definiendo detalladamente las especificaciones de los equipos, en la simulación dinámica, se puede verificar que los equipos funcionen como se espera en una situación real de planta también optimizar el diseño de control sin afectar negativamente seguridad de la planta.

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SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4

Figura Nº4: Simulación dinámica

MODELOS TERMODINAMICOS, COMPONENTES Y PROPIEDADES

Administrador básico de la simulación

Ingreso de componentes Aspen Hysys V8.4 contiene una gran variedad de base de datos de componentes químicos, se iniciara el programa Aspen Hysys V8.0, “File”, “New”, “case” y obtendremos la siguiente ventana.

Figura Nº5: Entorno del administrador de propiedades Luego de iniciar el programa en la parte inferior Aspen Hysys V8.4 muestra un panel de mensajes “Message Panel” en el cual indica los errores durante la simulación; para ingresar los componentes para la simulación se ira a “Components Lists”, “Add” y se obtendrá la siguiente ventana

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Figura Nº6: Vista de ingreso de componentes

Figura Nº7: Filtro para seleccionar componentes Para seleccionar componentes se utiliza los filtros1 para el tipo de familia o ingresando el nombre o formula del componente en el buscador (Nombre de los componentes en idioma ingles)1

Figura Nº8: Vista de ingreso de componentes puros Componente hipotético Un componente hipotético puede ser: 1 Nota: se debe desactivar el filtro para seguir la búsqueda si no se va a usar más porque al tratar de buscar un componte que no se encuentre dentro del tipo de familia, esta no será ubicada

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SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 

Componentes puros



Mezclas definidas



Mezclas indefinidas



Solidos

Que no se encuentra en la base de datos de Aspen Hysys V8.0; se tiene varios métodos de estimación para asegurar la representación adecuada del comportamiento de os componentes hipotéticos adicionados. También hay métodos para estimar los coeficientes binarios entre componentes hipotéticos. También sirve para clonar los componentes de la lista disponibles en Aspen Hysys y luego modificar sus especificaciones, estos compuestos se pueden usar en reacciones. Los compuestos hipotéticos no pertenecen a un paquete de fluido específico dentro de la simulación porque en su creación son puestos en el Hypo Group. Debido a que estos componentes no pertenecen a un paquete específico estos pueden ser compartidos por varios paquetes en la misma simulación. La información mínima requerida por Aspen Hysys para estimar las propiedades del componente hipotético se resumen en la tabla siguiente: Punto normal de Menor a 700ªF Mayor a 700ªF No se conoce o es un solido

Información mínima Punto normal de ebullición Punto normal de ebullición Densidad del liquido Densidad del liquido Peso molecular

Adicionando un nuevo componente En este caso se trata de estimar propiedades físicas para componente que no está en la base de datos del programa. Para ilustrar el procedimiento estimaremos las propiedades físicas del componente 1,1,2trimetilciclohexano

Figura Nº10: Vista de ingreso de componentes hipotéticos

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SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Se construirá la estructura de la molécula en base a los sub-grupos. SubCH3 CH2 -CCH

Adicionar 3 4 1 1

Figura Nº11: Entorno de componentes hipotéticos

Figura Nº12: Vista de estructura de un componente hipotético

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SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4

Figura Nº13: Propiedades calculadas - UNIFAC

Figura Nº14: Definición completa de un componente hipotético

Paquete de fluido

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SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Aspen Hysys utiliza el concepto de paquete de fluido o “Fluid Package” como el contenido de toda la información necesaria para desarrollar cálculos de propiedades físicas y evaporaciones espontaneas de corrientes. El paquete de fluido permite definir toda la información (propiedades, componentes hipotéticos, parámetros de interacción, reacciones, datos tabulados, etc.) dentro de un archivo muy sencillo. Son tres las ventajas de esto, a saber: 

Toda información asociada se define en una sola localidad, lo que permite la fácil creación y modificación de la información.



Los paquetes fluidos pueden almacenarse como un archivo completo para usarlos en cualquier simulación.



Pueden usarse varios paquetes fluidos n una misma simulación. Sin embargo, todos los paquetes definidos se encuentran dentro del administrador básico de la simulación.

Administrador del paquete básico de la simulación Este paso es muy importante y no se debe tomar al a ligera, ya que definir la base de la simulación. Si tenemos una buena base, tendremos una buena simulación, pero si introducimos un error desde el principio, este se agravara con el desarrollo de la simulación2.

Figura Nº15: Vista de definición de un paquete de fluidos – PR Corrientes de mezclas Clases de corrientes en Aspen Hysys Aspen Hysys utiliza el concepto de corrientes de materia y corrientes de energía. Las corrientes de materia requieren, para su completa definición, del a especificación del flujo y de aquellas variables que permitan la estimación de todas sus propiedades físicas y termodinámicas. Las corrientes de energía se utilizan para representar los requerimientos energéticos en unidades como intercambiadores de calor, bombas, etc. Y se especifican, completamente con solo la 2

Antes de iniciar la simulación se debe considerar la selección de un sistema de unidades 10

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 cantidad de energía intercambia o transferida en dichas unidades. En Aspen Hysys la corriente de materia se observa, por defecto de color azul, mientras que las corrientes de energía es de color rojo.

Corrientes de Energía El elemento más simple que de un diseñador de proceso debe especificar es una simple corriente homogénea. Las variables que definen a una corriente que contiene C componentes son: Variables Cantidad Concentraciones C Temperatura 1 Presión 1 Flujo 1 Total de Variables C+3 Expresando las concentraciones en fracciones molares, Xi, se cumple una restricción de suma entre ellas, es decir que: 𝑁

∑ 𝑋𝑖 = 1 𝑖=1

Por lo tanto, el número de variables de Diseño, 𝑁𝑖𝑒 , que se reuqiern para especificar completamente una corriente de materia es de la diferencia entre el número de variables y el número de restricciones, es decir: 𝑁𝑖𝑒 = 𝐶 + 2 De acuerdo a la ecuación anterior, se define el estado termodinámico de una corriente de materia al conocerse la composición de una corriente de materia y otras dos propiedades, (fracción de vapor, temperatura, presión, entalpía o entropía) una de las cuales debe ser o la temperatura o la presión. Evaporación espontanea de una corriente de materia Cuando se especifica una corriente de materia con la información suficiente, Aspen Hysys haces los cálculos apropiados de la evaporación espontanea. Es decir, si se especifican, por ejemplo, temperatura y presión calcula si la corriente es de una fase (liquida o vapor) o de dos fases líquido y vapor, etc. Dependiendo de las dos propiedades conocidas de la corriente de materia Aspen Hysys desarrolla uno de os siguientes cálculos de evaporación espontanea: 

Isotérmica

:

T–P



Isoentálpica

:

T–HoP–H



Isoentrópica

:

T–SoP–S



Fracción de vaporación conocida

:

T – Vf o P – Vf

En la evaporación espontanea a una fracción de vaporación conocida entre 0.0 y 1.0, Aspen Hysys calcula la presión o la temperatura dependiendo de la que sea especificada como variable 11

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 independiente. Si se despliega un error, en este tipo de cálculos, significa que la fracción de vapor específica no existe a las condiciones de presión o temperatura especificadas. Es decir, la presión especificada es mayor que la presión cricondenbárica3 o la temperatura especifica es de un valor a la derecha de la temperatura criconentérmica 4 sobre la envolvente estándar de presión – temperatura. Punto de roció de una corriente de materia Si, además de la composición de una corriente de materia, se especifica una fracción de vapor de 1.0 y su temperatura Hysys calculara la presión del punto de roció. Enforna similar, si en vez d especificar la temperatura se especifica la presión Hysys calculará la temperatura del punto de roció de la mezcla. Los puntos de roció retrógrados se pueden calcular especificando una fracción de vapor de 1.0 Punto de burbuja de una corriente de materia/Presión de vapor Una especificación d una fracción de vapor de 0.0 para una corriente define un cálculo de punto de burbuja. Se además se especifica la temperatura o la presión, Hysys calculara la variable desconocida presión o temperatura. Al fijar una temperatura de 100ªF la presión correspondiente al punto de burbuja es la presión de vapor a 100ªF

INGRESO DE UNA CORRIENTE DE MATERIA EN ASPEN HYSYS5 Para la instalación de corrientes de materia, se ingresa desde el Simulation dando clic, es la pantalla principal del simulador donde realizaremos las simulaciones en este medio se hace muy visual y fácil de llevar,

3 4 5

Máxima presión en la cual coexisten equilibradamente la fase liquida y la fase gaseosa Máxima temperatura en la cual coexisten equilibradamente la fase liquida y gaseosa.

Antes de iniciar la simulación, se sugiere guardar el trabajo a simular

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Figura Nº16 Vista de pantalla de simulación En la versión 8.4 la paleta de objetos se divide en 6 pestañas; Columns, Dynamics, Refining, Common, Custom, Upstream Para adicionar corrientes, hay dos tipos de corrientes, materia y energía (deben especificarse.

A continuación se realizara el ingreso para un corriente de gas y se aplicara todas las aplicaciones que contienen una corriente de materia, utilizando las propiedades de utilities, gráficas y extensiones.

Figura Nº17: Paleta de objetos

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Paleta de Objetos

Panel de Simulación

Panel de navegacion

Botones del entorno

Panel de Mensajes

Figura Nº18: Estructura del simulador – Aspen Hysys V8.4

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SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 PROPIEDADES DE MEZCLA

Ejemplo Nª1: Ingresar una corriente de gas que contiene la siguiente composición:

Figura Nº19: Definición de componentes de un corriente de materia

Figura Nª20: Definición de condiciones de operación de una corriente – “Gas” Evaporación espontanea isotérmica, T – P, dela corriente “Gas” 

Asigne una presión de 7500 kPa y una temperatura de 10ºC, ¿Cuánto es la fracción vaporizada? ¿Por qué la corriente “Gas” no está completamente especifica?



Asigne un flujo molar de 100 kgmol/h y observe el “ok” que aparece en la banda vede que significa que la corriente “Gas” se encuentra completamente especificada”.

Evaporación isoentálpica, T – H o P – H, de la corriente “Gas” 

Asigne una presión de 7500 kPa, ingrese una entalpia molar de -1500 kJ/kgmole. ¿Cuánto es la T, la fracción de vapor, y la entropía molar de la corriente? 15

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 

Borre la presión asignada en el punto anterior y mantenga la entalpia molar. Especifique una temperatura de 980ºC. ¿Cuánto es la presión, la fracción de vapor y la entropía molar de la corriente?



Asigne una temperatura de 2000ºC ¿Cómo se explica el error que reporta Aspen Hysys?

Punto de Burbuja de la corriente “Gas” 

Asigne una fracción de vapor de 0.0 y una presión de 7500 kPa. ¿Cuánto es la temperatura de burbuja de la corriente “Gas” a la presión de 7500 kPa?



Asigne una Temperatura de -30. ¿Cuánto es la presión de vapor de a corriente “Gas” a un temperatura de -30?



Cambie la temperatura asignada en el punto anterior y asigne el valor de 100ºC. ¿Cómo se explica el error reportado por Aspen Hysys?

Punto de Roció de la corriente “Gas” 

Asigne una fracción de vapor de 1.0 y una presión de 7500kPa. ¿Cuánto es la temperatura de roció de la corriente “Gas” a la presión de 7500 kPa?



Borre la presión asignada anteriormente y mantenga la fracción de vapor. Asigne una temperatura de 100ºC. ¿Cuánto es la presión de roció a la temperatura de 100ºC?



Asigne una fracción de vapor de -1.0 y una presión de 5000 kPa. ¿Cuánto y qué significado tiene la temperatura calculada?

Instalación de una corriente de energía en Aspen Hysys Una corriente de energía se instala mediante el mismo procedimiento que una corriente de materia y solo necesita de una especificación que es el flujo calorífico correspondiente

Figura Nº21: Definición de una corriente de energía Ingrese el valor de -10000 kJ/h en el cuadro “Heat Flow(kJ/h)”. Observe que la corriente esa completamente especificada

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SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Ingresando corrientes desde el Worbook Al abrir el Worbook nos permite ingresar los datos no solo de una corriente, sino de n corrientes

Figura Nº22: Ingreso de composición y condiciones de operación mediante Worbook

Propiedades de corrientes de materia Para anexar un diagrama de propiedades a una corriente: 

Instale un nuevo caso importando el paquete fluido “Planta de Gas” definido en el ejemplo Nº1



Instale una corriente de materia con el nombre de “Gas”, 10ºC, 7500 kPa, 100 kgmol/h y composición especificada como lo muestra la Figura Nº19



Haga clic sobre la pestaña “Attachments” y luego haga clic sobre “Analysis”, “Create”, “Boiling Point Curves”

Figura Nº23: Valores máximos y críticos de temperatura y presión de la corriente “Gas”

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Figura Nº24: Diagrama Presión – Temperatura de la corriente “Gas”

Propiedades críticas de una corriente Las propiedades críticas y seudocriticas de una mezcla son estimadas por Aspen Hysys de acuerdo a la ecuación elegida en el paquete de fluido. La opción “Critical Property” de a herramienta “Analysis” facilita dicha información para la corriente seleccionada.

Figura Nº25: Propiedades críticas de la corriente “Gas”

Tabla de propiedades de una corriente La herramienta “Property Table” permite examinar las tendencias de una propiedad, dentro de un intervalo de condiciones, tanto en forma tabular como gráfica. Esta facilidad calcula variables dependientes para un intervalo o conjunto de valores de variable independiente especificada. Esta tabla se encuentra dentro de cada corriente “Attachaments”, “Create”, “Property Table”

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Figura Nº26: Ventana para la construcción de una Tabla de Propiedades Ejemplo Nº2  Seleccione la Temperatura como la primera variable independiente  Cambie el límite inferior y superior a 0ºC y 100ºC respectivamente. En el cuadro “# of increments” digite el numero 5  Seleccione la presión como la segunda variable independiente  Cambie al modo “State”  En la matriz “Sate Values” introduzca los valores 2000, 4000, 6000, 8000 y 10 000 kPa  Ahora introduciremos la propiedad dependiente “Dep. Prop”, seleccionar “Mass Density”

Figura Nº27: Navegador de variables 19

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Figura Nº28: Grafica de densidad vs Presión para la corriente “Gas”. Dimensionamiento de tubería de una corriente Dentro de la herramienta “Analysis” se encuentra una opción denominada “Pipe Sizing” que estima el Régimen de Flujo de una corriente a las condiciones especificadas. Se calcula el diámetro máximo conociendo la caída de presión por unidad de longitud y viceversa y adicionalmente propiedades de flujo como velocidad, factor de fricción, viscosidad, etc.; para ello seleccionaremos “Pipe Sizing”, para especificar la tubería, asumiéramos que la caída de presión es de 10 kPa/m.

Figura Nº29: Dimensionamiento de la Tubería En la sección de “Performance” se observa el cálculo del Régimen de Flujo (estratificado) de la corriente “Gas” a las condiciones especificadas que incluye propiedades de transporte (Fase, viscosidad, densidad, Flujo y densidad) y parámetros adicionales del régimen de flujo (Numero de Reynolds y factor de fricción)

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Figura Nº30: Régimen de Flujo de la corriente “Gas” MÓDULO II SIMULACIÓN DE UNIDADES DE PROCESO

Divisor de corrientes (Tee) La operación Tee divide una corriente de alimentación en varios productos arroyos con las mismas condiciones y composición como la alimentación transmitir, y se utiliza para simular tuberías en T y colectores.

Figura Nº31: Divisor de corrientes Parámetros y split Para los cálculos de estado estacionario, especifique la relación de flujo deseada (la relación de flujo de la corriente de salida para el flujo de entrada total). Usted puede alternar entre ignorar o reconocer cuando un flujo negativo se produce al seleccionar la casilla de verificación Advertir sobre flujo negativo.

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Figura Nº32: Divisor de corrientes Una relación de flujo es generalmente de entre 0 y 1, sin embargo, que uno se puede dar una relación de reater. En ese caso al menos un los arroyos salida tienen relación flujo negativo y flujo negativo (reflujo).

Figura Nº33: Divisor de corrientes Para corrientes de salida de n de la T, debe especificar N-1 relaciones de flujo. HYSYS calcula el flujo de la corriente desconocida ratio y los caudales de salida. 𝑁

∑ 𝑟𝑖 = 1.0 𝑖=1

𝑟𝑖 =

𝑓𝑖 𝐹

Donde: 

ri

: relación de la corriente i-esimo del flujo



fi

: flujo de salida de la corriente i-esimo



F

: caudal de alimentación

Página de boquillas La página Boquillas contiene información sobre la elevación y el diámetro de las boquillas.

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SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Se recomienda encarecidamente que la elevación de las boquillas de entrada y salida son iguales para esta operación de la unidad. Si desea modelar la cabeza estática, la pieza de equipo se puede mover mediante la modificación de la Base de Elevación con respecto a la Tierra en el Campo de elevación.

Figura Nº34: Divisor de corrientes Ejemplo N° 03 De la corriente de Gas situado en el ejemplo nº , dividir la corriente en 4 corrientes de Gas divididas proporcionalmente (Split) 0.2, 0.4, 0.1, 0.3.

Figura Nº35: Mezclador de corrientes

Mezclador de Corrientes (Mixer) La operación del mezclador combina dos o más flujos de entrada para producir un corriente de salida única. Un equilibrio del calor y material de completa se realiza con el Mixer. Es decir, la temperatura desconocida entre las corrientes de entrada y de salida se calcula siempre rigurosamente. Si se conocen las propiedades de todas las corrientes de entrada al mezclador 23

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 (temperatura, presión, y composición), de las propiedades de la corriente de salida es calculado automáticamente desde la composición, la presión y la entalpía es conocida por esa corriente. La presión de la mezcla y la temperatura son por lo general las incógnitas que se determinen. No obstante, la Mezclador también calcula hacia atrás y determinar la temperatura que falta para una de las corrientes de entrada si el enchufe está completamente definido. En este último caso, la presión debe ser conocida por todos los arroyos.

Figura Nº36: Mezclador de corrientes

Conexiones y parámetros En la página Conexiones, puede especificar lo siguiente: 

cualquier número de corrientes de entrada al mezclador



una corriente de salida única



Nombre de la mezcladora



paquete de fluido asociada a la mezcladora

Figura Nº37: Mezclador de corrientes

La página de Parámetros le permite indicar el tipo de asignación automática de la presión, HYSYS debe usar para las secuencias unidas al mezclador.

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SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4

Figura Nº38: Mezclador de corrientes

El valor predeterminado es Outlet a menor Inlet, en cuyo caso todo menos una presión de flujo asociado debe ser conocida. HYSYS asigna la presión de entrada más baja hasta la presión de la corriente de salida.

Página de boquillas La página de boquillas contiene información con respecto a la elevación y el diámetro de las boquillas. Se recomienda encarecidamente que el alzado de las boquillas de entrada y salida son iguales para esta operación de la unidad. Si desea modelar la cabeza estática, la pieza de equipo se puede mover mediante la modificación de la Base de elevación con respecto al campo de tierra Elevación.

Figura Nº39: Mezclador de corrientes

Ejemplo Nº 4 Mezclar 3 corrientes, todas las corrientes de limitación está a temperatura ambiente y presión atmosférica Las composiciones están e Flujo molar (kg/h) y son:

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SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Componentes Benceno Tolueno Xileno

Corrientes 1 10 0.5 0.25

Corrientes 2 20 1 0.5

Corrientes 3 30 1.5 0.75

Simulación

Figura Nº40: Mezclador de corrientes

Fraccionador de corrientes (Splitter) Aspen Hysys dispone de un fraccionador de corrientes o “Splitter” cuya simulación representa la separación de una corriente en dos corrientes que requieren de la especificación de las fracciones de recuperación de cada componente en una de ellas, además de otros cuatro parámetros. Un esquema d este fraccionador se muestra en la Figura Nº37

Figura Nº41: Divisor de corrientes

Siendo F’s los flujos de las corrientes, “z”, y “y” e “x” las fracciones molares de los componentes en cada una de las corrientes y “Q” el calor requerido 26

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 𝐹𝑧𝑖 = 𝐹1 𝑦𝑖 + 𝐹2 𝑦𝑖

(7)

Para C componentes, i=1,…, C y, por lo tanto, se plantean C ecuaciones de balance de materia de componentes Un balance de energía se expresa mediante la ecuación 𝐹ℎ𝐹 + 𝑄 = 𝐹1 ℎ1 + 𝐹2 ℎ2

(8)

Split Permite realizar divisiones de los componentes en fracciones.

Figura Nº42: Split

Punto de corte TBP La página de punto de corte TBP le permite especificar las composiciones de las corrientes de producto, proporcionando el punto de corte TBP entre los , y suponiendo que no hay separación definida en el punto de corte.

Figura Nº43: TBP Cut Point

Ejemplo N° 5

27

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Se desea dividir 226000 lb/h de Amoniaco (-9ºF y 225psig) en dos corrientes una con 30% y otra con 70% de la cantidad de masa. (Seleccionar Peng Robinson)

Figura Nº44: TBP Cut Point

Figura Nº45: TBP Cut Point Bombas (Pump) Los cálculos se basan en la ecuación de la bomba estándar de potencia, que utiliza el aumento de la presión, el caudal del líquido y la densidad. 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 =

(𝑃𝑜𝑢𝑡 − 𝑃𝑖𝑛 )𝑥𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜

Donde:  𝑃𝑜𝑢𝑡  𝑃𝑖𝑛

: Presion de salida de la bomba : Presion de entrada a la bomba.

La ecuación anterior define la potencia ideal necesaria para elevar la presión del líquido, el líquido, el requisito de potencia real de la bomba se define en términos de la eficiencia de la bomba. 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 (%) =

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 𝑥100% 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎𝑟𝑒𝑎𝑙

Cuando la eficiencia es inferior a 100%, el exceso de energía entra en elevar la temperatura de la corriente de salida. 28

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Finalmente la potencia real es igual a la diferencia en el flujo de calor entre la salida y la entrada de corrientes 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎𝑟𝑒𝑎𝑙 = (𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 − 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜 ) Si el alimento está completamente definido, solo dos de las siguientes variables tienen que ser especificado para la bomba para calcular todas las incógnitas 

Presión o caída de presión de salida



Eficiencia



Energía de la bomba

La potencia ideal requerido, W, para aumentar la presión de un fluido incompresible es: 𝑊=

(𝑃2 − 𝑃1 ) ∗ 𝐹 ∗ (𝑀𝑊) 𝜌

Donde:     

P1 P2 𝜌 F MW

: presión de ingreso : presión de salida : densidad de la corriente : Flujo molar : Peso molecular del fluido

Curvas (Curves) Ecuación de la curva de una bomba 𝐻𝑒𝑎𝑑 = 𝐴 + 𝐵 ∗ 𝐹𝐿𝑂𝑊 + 𝐶 ∗ 𝐹𝐿𝑂𝑊 2 + 𝐷 ∗ 𝐹𝐿𝑂𝑊 3 + 𝐸 ∗ 𝐹𝐿𝑂𝑊 4 + 𝐹 ∗ 𝐹𝐿𝑂𝑊 5

Figura Nº46: ingreso de los coeficientes para la ecuación de cabeza Añadir curvas Velocidad de 50 rpm, flujo de ingreso de 200 m3/h Flujo (GPM) 400

Head(ft) 74.7

% Eficiencia 20 29

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 800 1200 1600 2000 2400 2800

70.5 65.2 58.6 50.1 39.5 26.4

48 65 70 63 48 30

Figura Nº47: perfiles de la curva de la bomba NPSH El valor de NPSHrequerido bien puede tomarse de las curvas de NPSH o especificar directo en el campo requerido NPSH. Para especificar directamente en NPSHrequerido, primero debe borrar la casilla de verificación y habilitar curvas NPSH (Enable NPSH curves) NPSHdisponible puede calcularse explícitamente de las condiciones de diagramas de flujo haciendo clic en el botón de calcular la cabeza, el NPSHdisponible se calcula como sigue: 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 =

𝑃1 − 𝑃𝑣𝑎𝑝 𝑉12 +( ) 𝜌𝑔 2𝑔

Donde:     

P1 Pvap 𝜌 V1 g

: presión de la corriente de entrada a la bomba. : presión de vapor de la corriente de entrada. : Densidad del fluido : velocidad de la corriente de entrada : constante de gravedad

Velocidad de 40 rpm 30

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Flujo (barrel/day 10000 20000 30000 40000

Head (ft)

% Efficiency

40 35 30 25

50 40 30 20

Figura Nº48: ingreso de curvas NPSH

𝑁𝑃𝑆𝐻𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 ≥ 𝑁𝑃𝑆𝐻𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜 + 3𝑓𝑡

Página de motor eléctrico (Electric Motor) Le permite conducir su operación de la unidad de rotación a través de la designación de un par motor en comparación con la curva de velocidad. Estos esfuerzos de torsión vs curvas de velocidad o bien se puede obtener del fabricante para el tipo de motor. Para la mayoría de aplicaciones de la industria de procesos, se utiliza un tipo NEMA A o B del motor eléctrico. Cuando se utiliza la opción del motor eléctrico el esfuerzo de torsión (y potencia) generada por el motor es equilibrada contra el par consumida por el equipo de rotación.

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SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4

Figura Nº49: Evaluación de curvas (Speed vs Torque)

Ejemplo N° .. Realizar la simulación de un sistema de bombeo. Condiciones de operación, a 26°C y 14.7 psia, utilizando un flujo de 1359 m3/h. la corriente se separa en tres corrientes con el mismo caudal en forma paralela, siendo impulsadas cada corriente con una bomba. A continuación se detalla la curva característica de las bombas 1, 2 y 3. Speed: 1480 rpm, eficiencia adiabática 47.08%, teniendo una caída de presión de 173.9 psi Flow (m3/h) 0.00 100.00 200.00 300.00 400.00 500.00 600.00 700.00 800.00 900.00 1000.00

Head(m) 135.00 133.00 130.00 125.00 123.00 120.00 117.00 115.00 113.00 110.50 110.00

% Eficiencia 0.00 9.60 21.20 31.80 42.30 51.60 58.00 63.60 68.00 72.00 74.30

Flow (m3/h) 1100.00 1200.00 1300.00 1400.00 1500.00 1600.00 1700.00 1790.00

Head(m) 107.00 105.00 101.00 98.00 95.00 90.00 80.00 74.00

% Eficiencia 78.25 79.50 80.75 82.00 80.30 78.70 77.00 74.00

32

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4

Figura N° 50 Sistema de Bombeo

33

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Compresor (compressor) – Expansor (Expander) El compresor se utiliza para aumentar la presión del gas a su entrada. Dependiendo de la información facilitada, calculará o una propiedad dela corriente (presión o temperatura), o la eficacia de compresión. El expansor se usa para disminuir la presión de un gas a alta presión en la entrada y producir un gas a baja presión y alta velocidad. Un proceso de expansión implica convertir la energía interna del gas en energía cinética y finalmente en trabajo. Eficiencia Isoentrópica: relación entre potencial Isoentrópica (ideal) requerida para la compresión a la potencia real requerido: 𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎(%) =

(𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎𝑖𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜𝑝𝑖𝑐𝑜 ) 𝑥100% (𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑎𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 )

Eficiencia Politrópico: trabajo para un proceso mecánico reversible (politrópico) 𝑊 = ∫ 𝑃𝑑𝑉 Para una compresión politrópico de un gas de P1 a P2

Centrifugal

Reciprocating

Flujo (ACFM) 2 000 5 000 10 000 20 000 50 000 100 000 Ratio Presure 1.5 2.0 3.0 5.0

Polytropic Efficiency (%) 69 72 73 74 75 76 Eficiencia Politrópico (%) 73 79 83 85

Head vs la capacidad de flujo

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SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Figura Nº51: Perfiles de curvas en el compresor (Curvas de cabeza) Eficiencias Eficiencia s

Adiabático

Compresor 𝑊𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 𝑊𝑟𝑒𝑞𝑢𝑒𝑟𝑖𝑑𝑜𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 =

( 𝑃 [( 𝑃𝑜𝑢𝑡 ) 𝑖𝑛

𝑛−1 ) 𝑛

(𝐻𝑜𝑢𝑡 − 𝐻𝑖𝑛 )𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 (𝐻𝑜𝑢𝑡 − 𝐻𝑖𝑛 )𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙

𝑊𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 𝑊𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 (𝐻𝑜𝑢𝑡 − 𝐻𝑖𝑛 )𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 = (𝐻𝑜𝑢𝑡 − 𝐻𝑖𝑛 )𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙

( 𝑃 [( 𝑃𝑜𝑢𝑡 ) 𝑖𝑛

𝑛 𝑘−1 − 1] 𝑥 [(𝑛 − 1) 𝑥 ( )] 𝑘

( 𝑃 [( 𝑃𝑜𝑢𝑡 ) 𝑖𝑛

𝑘−1 𝑘 )

− 1]

Donde: Politrópico

Expansor

( 𝑃 [( 𝑃𝑜𝑢𝑡 ) 𝑖𝑛

𝑛−1 ) 𝑛

𝑘−1 ) 𝑘

− 1]

𝑛 𝑘−1 − 1] 𝑥 [(𝑛 − 1) 𝑥 ( )] 𝑘

Donde: 𝑛=

𝑘=

𝑙𝑜𝑔(𝑃𝑜𝑢𝑡 /𝑃𝑖𝑛 ) 𝑙𝑜𝑔(𝜌𝑜𝑢𝑡,𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 /𝜌𝑖𝑛 ) 𝑙𝑜𝑔(𝑃𝑜𝑢𝑡 /𝑃𝑖𝑛 ) 𝑙𝑜𝑔(𝜌𝑜𝑢𝑡,𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 /𝜌𝑖𝑛 )

Donde:  H= entalpia másica  Out = salida del producto  Inf = corriente de alimentación

𝑛=

𝑘=

𝑙𝑜𝑔(𝑃𝑜𝑢𝑡 /𝑃𝑖𝑛 ) 𝑙𝑜𝑔(𝜌𝑜𝑢𝑡,𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 /𝜌𝑖𝑛 ) 𝑙𝑜𝑔(𝑃𝑜𝑢𝑡 /𝑃𝑖𝑛 ) 𝑙𝑜𝑔(𝜌𝑜𝑢𝑡,𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 /𝜌𝑖𝑛 )

Donde:  P = presión  𝜌 = Densidad másica  n = exponente politrópico  k = exponente Isoentrópica

Cabeza del compresor Las cabezas adiabáticas y politrópicas prestados después de los cálculos de la compresora centrifuga se han completado, solo cuando la página de resultados del compresor centrifuga es selecto. La simulación exigirá esta mención (real) es el flujo de energía del compresor (flujo de calor). La cabeza politrópica se calcula basándose en el método de ASME Cabeza de Expansor Las cabezas adiabáticas y politrópicas se llevan a cabo después de que los cálculos de expansión se han completado, solo cuando se selecciona la página de resultados del expansor produce el trabajo (real) de la corriente de energía expansor (flujo de calor).

35

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4

Ejemplo Nº 5 Calcular el flujo volumétrico de una corriente de “Suministro de Gas” teniendo una eficiencia politrópica de 75% en el compresor. Condiciones de operación

Figura Nº52: condiciones de operación Curvas de cabeza del compresor 14 300 rpm Volume Flow 0.00 3050.00 3100.00 3200.00 3300.00

Head (m3) 211.00 195.93 193.93 192.93 191.93

14 000 rpm %Efficiency 77.00 77.00 77.00 77.00 78.00

Volume Flow 0.00 2900.00 3000.00 3100.00 3200.00

Head (m3) 199.00 187.93 185.93 184.93 183.93

%Efficiency 77.00 77.00 77.00 77.00 78.00 36

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 3400.00 3500.00 3600.00 3700.00 3800.00 3900.00 4000.00 4100.00 4200.00 4300.00 4400.00 4500.00 4600.00 4700.00 4800.00 4900.00 5000.00 5100.00 5200.00 5350.00

189.93 187.93 185.93 183.93 181.93 179.93 176.93 173.94 169.94 166.94 163.94 159.94 155.94 149.94 145.95 138.95 130.95 119.95 110.96 0.00

Volume Flow 0.00 2520.00 2600.00 2700.00 2800.00 2900.00 3000.00 3100.00 3200.00 3300.00 3400.00 3500.00 3600.00 3700.00 3800.00 3900.00 4000.00 4100.00 4200.00 4300.00 4400.00 4500.00 4600.00 4700.00 4950.00

13 000 rpm Head (kJ/kg) 170.00 162.24 161.94 159.94 158.94 157.94 155.94 153.94 151.94 149.94 147.94 145.95 144.95 139.95 135.95 132.95 129.95 125.95 121.95 115.96 111.96 103.96 97.96 91.96 0.00 10 000 rpm

78.50 78.50 78.20 79.00 79.00 79.00 79.00 79.00 79.00 78.80 78.50 78.20 78.00 77.50 77.30 75.80 74.00 70.00 70.00 1.01

%Efficiency 77.00 77.00 77.50 77.80 78.00 78.50 78.50 78.50 79.00 79.00 79.00 79.00 79.00 79.00 79.00 78.80 78.50 78.00 77.00 76.00 74.00 73.00 71.00 70.00 1.01

3300.00 3400.00 3500.00 3600.00 3700.00 3800.00 3900.00 4000.00 4100.00 4200.00 4300.00 4400.00 4500.00 4600.00 4700.00 4800.00 4900.00 5000.00 5100.00 5200.00

181.93 179.93 177.93 175.93 173.94 171.94 167.94 165.94 163.94 159.94 155.94 151.94 147.94 143.95 137.95 131.95 123.95 115.96 107.96 0.00

78.50 78.50 78.50 79.00 79.00 79.00 79.00 79.00 79.00 79.00 78.50 78.50 78.00 77.00 77.00 75.00 74.00 72.00 70.00 1.01

Volume Flow 0.00 2180.00 2200.00 2300.00 2400.00 2500.00 2600.00 2700.00 2800.00 2900.00 3000.00 3100.00 3200.00 3300.00 3400.00 3500.00 3600.00 3700.00 3800.00 3900.00 4000.00 4100.00 4250.00 4700.00

12 000 rpm Head (kJ/kg) 145.00 138.95 137.95 137.75 135.95 135.45 133.95 131.95 130.95 128.95 126.95 124.95 121.95 119.95 116.46 113.96 109.96 101.96 97.96 91.96 85.97 79.90 77.97 0.00

%Efficiency 77.00 77.00 77.00 77.50 78.00 78.00 78.50 79.00 79.00 79.00 79.00 79.00 79.00 79.00 79.00 79.00 78.50 78.00 77.00 76.00 74.00 73.00 70.00 1.00

11 000 rpm 37

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Volume Flow 0.00 1900.00 2000.00 2100.00 2200.00 2300.00 2400.00 2500.00 2600.00 2700.00 2800.00 2900.00 3000.00 3100.00 3200.00 3300.00 3400.00 3500.00 3600.00 3700.00 3800.00 4350.00

Head (kJ/kg) 120.00 116.46 115.96 114.96 113.96 112.96 110.96 109.96 107.96 105.96 103.96 101.96 97.96 95.96 91.96 87.96 84.97 79.97 75.97 69.97 63.97 0.00

Volume Flow 0.00 1550.00 1600.00 1700.00 1800.00 1900.00 2000.00 2100.00 2200.00 2300.00 2400.00 2500.00 2600.00 2700.00 2800.00 2900.00 2950.00 3550.00

9 000 rpm Head (kJ/kg) 82.00 76.97 76.77 75.97 74.97 73.47 71.97 69.97 67.97 65.97 63.97 59.97 57.98 53.98 49.98 45.98 42.98 0.00

Volume Flow 0.00

%Efficiency 77.00 77.00 77.50 77.50 78.50 79.00 79.00 79.00 79.00 80.00 80.00 79.00 79.00 79.00 78.50 78.00 77.00 76.00 75.00 72.00 70.00 1.00

%Efficiency 77.00 77.00 77.00 78.00 79.00 79.00 80.00 80.00 79.00 79.00 78.00 76.00 74.00 76.50 74.00 72.00 70.00 1.00

Volume Flow 0.00 1700.00 1800.00 1900.00 2000.00 2100.00 2200.00 2300.00 2400.00 2500.00 2600.00 2700.00 2800.00 2900.00 3000.00 3100.00 3200.00 3300.00 3400.00 4050.00

Head (kJ/kg) 101.00 95.96 95.46 94.46 93.96 91.96 89.96 87.96 86.97 84.97 81.97 79.97 75.97 73.97 69.97 65.97 61.97 57.98 53.98 0.00

%Efficiency 77.00 77.00 77.50 78.00 78.50 79.00 79.00 79.00 80.00 80.00 79.00 79.00 79.00 78.00 77.00 76.00 75.00 72.00 70.00 1.00

Volume Flow 0.00 1360.00 1400.00 1500.00 1600.00 1700.00 1800.00 1900.00 2000.00 2100.00 2200.00 2300.00 2400.00 2500.00 2590.00 3100.00

8 000 rpm Head (kJ/kg) 68.00 60.97 60.47 59.97 57.98 56.98 55.98 53.98 51.98 49.98 46.98 43.98 41.48 36.99 33.99 0.00

%Efficiency 77.00 77.00 77.00 78.00 79.00 79.00 80.00 80.00 79.00 79.00 78.00 76.00 74.00 72.00 70.00 1.00

7 600 rpm Head (kJ/kg) 62.00

%Efficiency 77.00 38

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 1300.00 1400.00 1500.00 1600.00 1700.00 1800.00 1900.00 2000.00 2100.00 2200.00 2300.00 2400.00 2800.00

54.08 53.98 52.98 52.78 49.90 47.98 45.98 43.98 40.08 37.99 35.99 31.99 0.00

77.00 78.50 79.00 79.00 80.00 79.00 79.00 78.00 77.00 76.00 73.50 70.00 1.00

Figura Nº53: Grafica de las curvas de cabeza

Figura Nº54: Proceso de compresión de una corriente “Gas” Ejemplo Nº 6 De la misma corriente de gas Expandir un corriente de 50 bar_g a 10 bar_g, calcular la eficiencia y la energía necesaria.

39

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4

Figura Nº50: Parámetros de operación Tuberías (Pipe) y Válvulas (Valv) Tuberías (Pipe Segment) El segmento de tubo se utiliza para simular una amplia variedad de tuberías situaciones que van desde tuberías único o de múltiples fases planta con estimación de transferencia de calor riguroso, para una gran capacidad de bucle problemas de tuberías. Ofrece varias correlaciones de caída de presión: Modos de cálculo La operación segmento de tubería contiene cuatro modos de cálculo: 

Caída de presión



Longitud



Flujo



Diámetro

El modo se asigna de forma automática en función de lo se especifica información. Independientemente del modo que utilice, debe especificar el número de incrementos en el tubo. Los cálculos se realizan en cada incremento, por ejemplo, para determinar la caída de presión, los cálculos de los balances de energía y de masa se realizan en cada incremento, y la presión de salida. Incremental Balances de materia y energía El algoritmo general consta de tres bucles anidados. El exterior estructura se repite en los incrementos (de presión, longitud o de flujo Modo), el bucle medio resuelve para la temperatura, y el bucle interior resuelve por presión. Los bucles medio e interno implementar un método de la secante para acelerar la convergencia. La presión y la temperatura se calculan como sigue: 𝑄 = 𝑈 ∗ 𝐴 ∗ ∆𝑇𝐿𝑀 40

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 𝑄 = 𝑄𝑖𝑛 − 𝑄𝑜𝑢𝑡 Donde: 

Q

: cantidad de calor transferido



U

: coeficiente global de transferencia de calor



A

: área de transferencia de calor exterior



∆𝑇𝐿𝑀

: Log media de diferencia de T



𝑄𝑖𝑛

: El flujo de calor de la corriente de entrada



𝑄𝑜𝑢𝑡

: El flujo de calor de la corriente de salida

Figura Nº55: Conexión de corrientes Resumen de métodos Los métodos anteriores han sido desarrollados para la predicción de dos fases caídas de presión. Algunos métodos se desarrollaron exclusivamente para el flujo en tuberías horizontales, otros exclusivamente para flujo en tuberías verticales, mientras que algunos se pueden usar para cualquiera. Algunos de los métodos definen un mapa régimen de flujo y pueden aplicar específico correlaciones de caída de presión de acuerdo con el tipo de flujo predicho. Algunos de los métodos de calcular el líquido esperado atraco en el flujo de dos fases mientras que otros asumen una homogénea mezcla. La siguiente tabla resume las características de cada modelo. Información más detallada sobre cada modelo se presenta más adelante en esta sección.

Figura Nº56: Modelos para cálculos de mecánica cuántica Modelo

Flujo Horizontal

Aziz, Govier & Fogarasi Baxendell & Thomas

No Utilizar con cuidado

Flujo vertical Si Si

Almacenamiento de flujo Si No

Mapa de flujo Si No 41

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Begg & Brill Duns & Ros Greogory, Aziz, Mandhane Hagedorn & Brown HTFS Homogeneous HTFS Liquid slip Olgas 2000 Orkisewki Poettman & Carpenter Tacite Hydrodynamic Module Tulsa

Si No

Si Si

Si Si

Si Si

Si

No

Si

Si

No Si Si Si No No

Si Si Si Si Si Si

Si No Si Si Si No

No No No Si Si No

Si

Si

Si

Si

No

Si

Si

Si

El procedimiento para el modelado de una longitud de tubería se ilustra usando el Diagrama se muestra a continuación. En el diagrama, la longitud del tubo de AD está representada por segmentos, y tres accesorios

Figura Nº57: Esquema de tuberías Numero Representado por Tubería/Accesorio

1 A T

2 F1 A

3 B T

4 F2 A

5 C T

6 F3 A

7 D T

Longitud

x1

-

y1

-

x2

-

√𝑥32 + 𝑌

Elevación

0

-

y1

-

0

-

y2

Seleccione una de las siguientes 

Actual. el diámetro nominal no se puede especificar



Cédula 40



Cedula 80



Cedula 160 Tipo de material de la tubería Drawn Tube Dibujar tubo Mild Steel Acero dulce Asphalted Iron Acero asfaltado Galvanized Iron Acero galvanizado Cast Iron Hierro fundido

Rugosidad absoluta, m 0.0000015 0.0000457 0.0001220 0.0001520 0.0002590 42

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Smooth Concrete Rough Concrete Smooth Steel Rough Steel Smooth Wood Stave Rough Wood Stave

Hormigón liso Hormigón rugoso Acero liso Acero rugoso Madera lisa Madera rugosa

0.0003050 0.0030500 0.0009140 0.0091400 0.0001830 0.0009140

Pérdida de presión apropiada La pérdida de presión accesorios se caracteriza por una ecuación de dos constantes como se muestra a continuación 𝐾 = 𝐴 + 𝐵𝑥𝑓𝑇 Donde 

A

: constante, también conocido como factor de carga de velocidad

 

B 𝑓𝑇

: constante, también conocido como factor de FT : factor de friccion completamente turbulente

La constante K accesorios de pérdida de presión se utiliza a continuación para obtener la caída de presión a través del montaje de la ecuación que se muestra a continuación ∆𝑃 = 𝐾

𝜌𝑣 2 2

Donde 

∆𝑃

: caída de presion



𝜌

: densidad



v

: velocidad

El factor K6 de la ecuación anterior se calcula a partir de las siguientes ecuaciones: Para reductores: 𝜃 𝐾𝑜𝑢𝑡 = 0.8 sin (1 − 𝛽 2 ) 2 𝐾𝑜𝑢𝑡 = 0.5(1 − 𝛽 2 )√sin

𝜃 2

𝑝𝑎𝑟𝑎 (𝜃 ≤ 450 )

𝑝𝑎𝑟𝑎 (450 ≤ 𝜃 ≤ 1800 )

Donde: 𝛽=

𝑑𝑜𝑢𝑡 𝑑𝑖𝑛

Para agrandada

6

Ecuaciones para K han sido tomados de Crane, Flujo de Fluidos, 410M de publicación, Apéndice A-26

43

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4

𝐾𝑜𝑢𝑡 =

𝜃 2.6 sin 2 (1 − 𝛽 2 )2 𝛽4

Donde: 𝛽=

𝑑𝑖𝑛 𝑑𝑜𝑢𝑡

𝜃 en las ecuaciones anteriores se conoce como ángulo de estampación. Ángulo Swage se muestra en la siguiente figura:

Figura Nº58: Parámetros de operación

Heat loos Si se conoce la exigencia de calor total de la tubería, el balance de energía puede calcularse inmediatamente. Cada incremento se supone tener la misma pérdida de calor. Usted entra a la pérdida de calor de la tubería en el campo de la pérdida de calor. Esta suposición es válida cuando el perfil de temperatura es plana, lo que indica las bajas tasas de transferencia de calor en comparación con los flujos de calor de las corrientes. Este es el más rápido método de solución. Si se especifican tanto las temperaturas de entrada y salida, lineal perfil se asume y HYSYS puede calcular el calor total deber. Este método permite el cálculo rápido cuando la corriente se conoce las condiciones. Seleccione el botón de Pérdida de Calor para ver el calculado deber general de calor. Overall HTC Si el HTC total (coeficiente de transferencia térmica) y una temperatura ambiente representativa son conocidos, el calor riguroso cálculos de transferencia se llevan a cabo en cada incremento.

Figura Nº59: Perdida de calor 44

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Segment HTC7 Si el coeficiente de transferencia de calor y un ambiente representativo temperatura son conocidos para cada segmento. Se puede especificar la temperatura ambiente y HTC para cada segmento de tubería que ha sido creado en la página acerca. HYSYS realiza calor riguroso transferir cálculos en cada incremento. Cuando se selecciona el botón de radio Estimación HTC, el Heat Transferir los cambios de página a la ventana de propiedades se muestra en la figura a continuación. Métodos se utilizarán únicamente para tuberías monofásicas que operan a números de Reynolds alto (> 10.000). Los métodos Profes y HTFS deben proporcionar mucho mejor resultados para dos y tres sistemas de fase, y en el flujo laminar región a costa de cierto incremento en el tiempo de cálculo. En general la opción Profes se recomienda para la mayoría de tuberías aplicaciones, ya que tiene en cuenta plenamente el régimen de flujo en la tubería y es razonablemente eficiente en el cálculo. La opción es HTFS más cálculo intensivo, sobre todo en dos aplicaciones en fase donde se requieren cálculos de flash adicionales. Es se recomienda su uso en casos con un alto flujo de calor con alta temperaturas delta entre el contenido de tuberías y ambiente condiciones. Las cinco correlaciones proporcionadas son: 

Petukov (1970)

ℎ= 

(𝑓⁄8)𝑅𝑒𝑑 𝑃𝑟 𝑘 ∗ 𝑑 1.07 + 12.7(𝑓⁄8)1⁄2 (𝑃𝑟 2⁄3 − 1)

Dittus and Boelter (1930) ℎ=

𝑘 ∗ 0.023𝑅𝑒𝑑0.8 𝑃𝑟 𝑛 𝑑

Donde: 0.4→𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑐𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜

𝑛 =0.3→𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑛𝑓𝑟𝑖𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 

Sieder and Tate (1936) Para flujo de 2 fases

7 El HTC general y Estimación HTC se pueden utilizar juntos para definir la información de transferencia de calor para el tubo. Si sólo conoce la temperatura ambiente, puede suministrarla en la sección general de HTC y tienen el valor global de HTC calculado por la sección Estimación HTC. Del mismo modo, es necesario para especificar la temperatura ambiente en la estimación de HTC sección para el segmento de tubería para tener la transferencia de calor suficiente información para resolver.

45

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Para flujo de una sola fase



Profes Implementa los métodos utilizados por el programa Profes Pipe Simulación (antes PLAC). Los métodos se basan en los mapas de flujo Profes para flujo horizontal y vertical, y las correlaciones apropiadas se utilizan para determinar el HTC en cada región del mapa de flujo.



HTFS. Implementa los métodos utilizados por los programas HTFS. Correlaciones independientes se utilizan para la ebullición y condensación de transferencia de calor, y para el flujo horizontal y vertical. Los métodos utilizados están documentadas en el manual HTFS.

Usted puede optar por incluir la resistencia térmica de la tubería en su Cálculos HTC seleccionando la casilla de verificación Incluir pared del tubo. La activación de esta opción requiere que se defina la conductividad térmica para el material de la tubería en la ventana de propiedades detalle de cada segmento de tubería. Los valores por defecto de conductividad térmica se proporcionan para los materiales estándar que se pueden seleccionar en el segmento de tubería.

Figura Nº60: Segmento HTC Estimate HTC

Figura Nº61: Calculo de transferencia de calor Conducción Fuera / convección

46

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Fuera de convección ya sea aire, agua o tierra pueden ser incluidos mediante la selección de la casilla de verificación Incluir HTC exterior. Para el aire y agua, la velocidad del medio ambiente está por defecto en 1 m/s, y es modificable por el usuario. La transferencia de calor por convección fuera coeficiente de correlación es para el flujo pasado tubos horizontales (JP Holman, 1989):

Si se selecciona el suelo como el medio ambiente, el tipo de suelo, entonces se puede seleccionar. La conductividad térmica de este medio aparece, pero también es modificable escribiendo encima del valor predeterminado. Los tipos de tierra y sus correspondientes conductividades se tabulan a continuación: Tipo de Tierra

Conductivid ad (W/mK)

Tipo de Tierra

Conductivida d (W/mK)

Dry Peat

Turba seca

0.17

Frozen Clay

Arcilla congelada

2.50

Wet Peat

Turba húmeda

0.54

Gravel

Grava

1.10

Icy Peat

Turba helada

1.89

Sandy Gravel

Grava arenosa

2.50

Arena seca

0.50

Limestone

Caliza

1.30

0.95

Sandy Stone

Piedra arenosa

1.95

2.20

Ice

Hielo

2.20

0.48

Cold Ice Loose Snow

Helada

2.66

Nieve suelta

0.15

Hard Snow

Nieve dura

0.80

Dry Sand Moist Sand Wet Sand Dry Clay Moist Clay Wet Clay

Arena húmeda Arena mojada Arcilla seca Arcilla húmeda Arcilla mojada

0.75 1.40

En HYSYS, el valor del coeficiente de transferencia de calor de los alrededores es basado en la siguiente ecuación resistencia a la transferencia de calor:

Donde: 

Hentorno : coeficiente de calor que rodea



Rentorno : entorno de resistencia a la transferencia de calor



Zb

: la profundidad de la cobertura a la línea central de la tubería.



Ks

: conductividad térmica tubería – material circundante (aire, agua, suelo) 47

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 

Dot

: diámetro exterior de la tubería, incluyendo el aislamiento

Conducción a través de aislamiento Conducción a través del aislamiento o cualquier otro revestimiento de la tubería también se puede especificar. Varios materiales representativos se proporcionan, con sus respectivas conductividades térmicas. Debe especificar un grosor para este recubrimiento. Profes Método Ceras La deposición de la cera del aceite a granel sobre la pared de la tubería es supone que sólo ser debido a la transferencia de masa, la dispersión de cizallamiento no es considera que es un factor significativo. La tasa de deposición es descrito por: Aislamiento/tubería Evacuated Annulus Urethane Foam Glass Block Fiberglass Block Fiber Blanket Fiber Blanket – Vap Barr Plastic Block

Anillo evacuado Espuma de uretano

Conductividad (W/mK)

Aislamiento/Tubería

Conductividad (W/mK)

0.005

Asphalt

Asfalto

0.700

0.018

Concrete

Hormigón

1.00

0.080

Concrete Insulated

Hormigón con aislamiento

0.500

0.035

Neoprene

Neopreno

0.250

0.070

PVC Foam

Espuma de PVC

0.040

Manta de fibre

0.030

PVC block

Bloque de PVC

0.150

Bloque de plastico

0.036

PolyStyrene Foam

Espuma de poliestireno

0.027

Bloque de vidrio Bloque de fibra de vidrio Manta de fibra

Ejemplo, Mostrar el balance de energía de la figura 57 Utilizar agua con una presión de 100 psia y Temperatura de 25°C y un flujo de 20 m3/h. considerar una temperatura de ambiente de 25°C, y el sistema de tuberías se encuentran sobre arena seca, la tubería es cedula 40 y el diámetro interno 254.5 mm.

48

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4

Figura Nº62: Transporte de Fluido

49

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Separación de fases Instantáneas (Separator & Tank) El separador puede tener múltiples entradas, hay dos boquillas de producto  Vapor  Liquido Cuando está en régimen estacionario se define a continuación el balance de energía: 𝐻𝑓𝑒𝑒𝑑 ± 𝐷𝑢𝑡𝑡𝑦 = 𝐻𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 + 𝐻ℎ𝑒𝑎𝑣𝑦 + 𝐻𝑙𝑖𝑔ℎ𝑡 Donde    

Hfeed Hvapor Hlight Hheavy

: el flujo de calor de la corriente de alimentación. : el flujo de calor de la corriente de producto vapor : el flujo de calor de la corriente de producto liquido ligero : el flujo de calor de la corriente de producto liquido pesado

La caída de presión a través del recipiente se define como: 𝑃 = 𝑃𝑙 = 𝑃𝑓𝑒𝑒𝑑 − ∆𝑃 = 𝑃ℎ𝑒𝑎𝑑 + 𝑃𝑣 Donde:      

P Pv Pl Pfeed ΔP Phead

: presión del separador : presión de la corriente de producto de vapor : presión de la corriente liquida : Presión de la corriente de alimentación. : caída de presión en el separador : presión de la carga estática

El volumen del separador, junto con el punto de ajuste para el nivel/flujo de líquido, define la cantidad de atraco, en el recipiente en cualquier momento viene dado por la siguiente expresión. 𝐴𝑡𝑟𝑎𝑐𝑜 = 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑥

𝑃𝑉(%𝐹𝑢𝑙𝑙) 100

Donde  PV(%full)

: nivel de líquido en el recipiente en el tiempo t

50

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Figura Nº63: Ventana de conexiones de un separador y tanque

Figura Nº64: Ventana de WorkBook de un separador y un tanque Sizing Se utiliza esta ventana para caracterizar la orientación del separador o tanque

Figura Nº65: Sizing, geometría del equipo Weir (Vertedero) Un vertedero puede especificarse para el separador de cilindro plano horizontal al seleccionar Enable Weir8

La casilla de verificación permitir vertedero solo está disponible para la opción de forma de cilindro plano 8

51

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4

Figura Nº66: Instalando las posiciones del vertedero La vista inicial atraco propiedad permite especificar la altura del vertedero y la posición. La posición del vertedero es la distancia de la presa es desde el lado de alimentación del vaso. Cuando Aspen Hysys simula, el vertedero tiene dos volúmenes en el interior del separador, llamados ángulo de caída 1 y la cámara 2, pero todavía hay sólo un mayor volumen atraco y moles hasta el solucionador de flujo de presión se refiere. Esto significa que las composiciones y propiedades de las fases en los dos volúmenes son los mismos

Figura Nº67: vertedero y los ángulos de caída Boquillas (Nozzles)

Figura Nº68: Dimensión del separador, diámetro de las boquillas

52

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Pérdida de calor (Heat Loss) Modelo simple 𝑄 = 𝑈𝐴(𝑇𝑓 − 𝑇𝑎𝑚𝑏 )

Figura Nº69: Perdida de calor, modelo simple Modelo detallado El modelo detallado le permite especificar los parámetros más detallados de transferencia de calor

Figura Nº70: Perdida de calor, modelo detalloso

Grifos9 de nivel (Level Taps) Ya que el contenido en un recipiente se puede, distribuidos en diferentes fases, la página de los grifos de nivel le permite controlar el nivel de Líquido y acuosa contenidos que coexisten en la zona especificada en un tanque o un separador

9

La información disponible en la página solo de da en casos dinámicos 53

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4

 PV  OP

Figura Nº71: Especificación de grifos de nivel : límite r de la sección a ser monitoreados. Se expresa en metros : límite de la salida de la escala de normalización

Carry Over Model

Figura Nº72: Carry Over, Feed Basis

54

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4

Figura Nº73: Resultados de Cover over model

Ejemplo N° Separar la siguiente corriente en una fase liquida y otra vapor

55

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Figura Nº74: Composición de la corriente A una presión de 658.8 kPa y una temperatura de 25°C utilizando un flujo molar de 100 kgmole/h

Figura Nº75: Resultados de la separación

SIMULACIÓN DE UNIDADES DE PROCESO (Transferencia de calor) Air cooler El funcionamiento de la unidad del refrigerador de aire utiliza una mezcla ideal de aire como el calor transferir medio para enfriar (o calor) una corriente de proceso de entrada a un necesaria condición corriente de salida. Uno o más ventiladores circulan el aire a través de haces de tubos para enfriar fluidos de proceso. El flujo de aire Se pueden especificar o derivado de los datos de características del ventilador. El refrigerador de aire puede resolver muchos conjuntos diferentes de especificaciones incluyendo la: 

En general, el coeficiente de transferencia de calor, UA 56

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 

El flujo de aire total



Temperatura de la corriente de salida

Estado Estacionario Utiliza la misma ecuación básica y el Intercambiador de calor, funcionamiento de la unidad, sin embargo, la operación del refrigerador de aire puede calcular el flujo de aire sobre la base de la información de clasificación del ventilador. Los cálculos de aire más frío se basan en un balance de energía entre las corrientes de aire y de proceso. Para un aire contracorriente Enfriador, el balance de energía se calcula como sigue: 𝑀𝑎𝑖𝑟𝑒 (𝐻𝑜𝑢𝑡 − 𝐻𝑖𝑛 )𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑀𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜 (𝐻𝑖𝑛 − 𝐻𝑜𝑢𝑡 )𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜 Donde:  

𝑀𝑎𝑖𝑟𝑒 : caudal másico de la corriente de aire 𝑀𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜 :caudal másico de la corriente de proceso



H

:entalpía

El deber del refrigerador de aire, Q, se define en términos del calor global coeficiente de transferencia, el área disponible para intercambio de calor, y el registro de diferencia de temperaturas media: 𝑄 = −𝑈𝐴∆𝑇𝐿𝑀 𝐹𝑡 Donde 

U

: coeficiente global de transferencia de calor



A

: área de superficie disponible para la transferencia de calor



∆𝑇𝐿𝑀

: iniciar diferencia media de temperatura



𝐹𝑡

: factor de corrección

El factor de corrección LMTD, Ft., se calcula a partir de la geometría y la configuración del refrigerador de aire.

Transferencia de Calor El refrigerador de aire utiliza las mismas ecuaciones básicas del balance de energía como la operación de la unidad de intercambiador de calor. Los cálculos de aire más frío se basan en un balance de energía entre el proceso de aire y arroyos. Para una corriente transversal del refrigerador de aire, se muestra el balance energético como de la siguiente manera: 𝑀𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜 (𝐻𝑖𝑛 − 𝐻𝑜𝑢𝑡 )𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜 − 𝑀𝑎𝑖𝑟𝑒 (𝐻𝑜𝑢𝑡 − 𝐻𝑖𝑛 )𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝜌

𝑑(𝑉𝐻𝑜𝑢𝑡 )𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜 𝑑𝑡

Donde: 

𝑀𝑎𝑖𝑟𝑒 : caudal másico de la corriente de aire 57

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 

𝑀𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑜



𝜌

: Densidad



𝐻

: Entalpia



𝑉

: volumen de tubo enfriador de aire

:caudal másico de la corriente de proceso

Caída de presión La caída de presión del refrigerante del aire se puede determinar en una de dos maneras: • Especificar la caída de presión. • Definir una relación de flujo de presión en el enfriador de aire por especificando un valor k. Si se elige la opción de flujo de presión para la caída de presión determinación en el refrigerador de aire, un valor k se utiliza para relacionar la pérdida de presión por fricción y el flujo a través del intercambiador. Este relación es similar a la ecuación de la válvula en general: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 = √𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 ∗ 𝑘√𝑃1 − 𝑃2 La ecuación de flujo general utiliza la caída de presión a través de la Intercambiador de calor y sin ninguna contribución de cabeza estática. La cantidad, P1 - P2, se define como la pérdida de presión por fricción que se utiliza para el "tamaño" del enfriador de aire con un valor k.

Ejemplo N° 7 Condiciones de operación, 100 bar_g, Temperatura 191°F y un flujo molar de 100 kgmole/h, se requiere enfriar la corriente en un refrigerador de aire, se quiere enfriar la corriente a una temperatura de 110.5°F, se desprecia la caída de presión, solo utilizar un ventilador, determinar la temperatura de la salida del aire

Figura Nº75: Composición molar de la corriente

58

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4

Figura Nº75: Parámetros de Operación

Figura Nº75: Resultados del gas enfriado

Cooler/Heater10

Las operaciones del refrigerador y el calentador son el calor de un solo lado intercambiador. La corriente de entrada se enfría (o calentado) a la condiciones de salida requeridos, y los absorbe corriente de energía (o proporciona) la diferencia de entalpía entre las dos corrientes.

10

La diferencia entre el enfriador y el calentador es la convención de signos balance energético.

59

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Estas operaciones son útiles cuando usted está interesado sólo en cómo Se requiere mucha energía para enfriar o calentar una corriente de proceso con una utilidad, pero usted no está interesado en las condiciones de la utilidad en sí.

Estado Estacionario La diferencia principal entre un enfriador y un calentador es el signo convención. Se especifica el flujo de la energía absoluta de la utilidad corriente, y luego se aplica HYSYS que el valor de la siguiente manera:

Para una, la entalpía o calor de flujo del refrigerador de la energía corriente se resta de la de la corriente de entrada: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜 − 𝐷𝑢𝑡𝑦𝑐𝑜𝑜𝑙𝑒𝑟 = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

Para un calentador, se añade el flujo de calor de la corriente de energía: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝐶𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑛𝑔𝑟𝑒𝑠𝑜 + 𝐷𝑢𝑡𝑦ℎ𝑒𝑎𝑡𝑒𝑟 = 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 Caída de presión La caída de presión del enfriador / calentador se puede determinar en una de dos maneras: 

Especificar la pérdida de carga de forma manual.



Definir una relación de flujo de presión en el enfriador o calentador por especificando un valor k.

Si se elige la opción de flujo de presión para la caída de presión determinación en el enfriador o calentador, un valor k se utiliza para relacionar la pérdida de presión por fricción y el flujo a través del enfriador / calentador.

La relación es similar a la ecuación de la válvula en general: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 = √𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 ∗ 𝑘√𝑃1 − 𝑃2

Pérdida de calor Página Valoración información con respecto a la pérdida de calor es relevante sólo en El modo dinámico. La página de la pérdida de calor contiene la pérdida de calor parámetros que caracterizan a la cantidad de calor perdido a través de la pared del vaso. En el grupo de pérdida de calor de modelo, se puede elegir entre una simple o Modelo de pérdida de calor detallada o ninguna pérdida de calor a través del vaso paredes.

60

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 Modelo simple El modelo simple le permite especificar la pérdida de calor directamente, o haber la pérdida de calor a partir de los especificados valores: 

Buen valor U



Temperatura ambiente

El área de transferencia de calor, A, y la temperatura del fluido, Tf, son calculado por HYSYS usando la siguiente ecuación: 𝑄 = 𝑈𝐴(𝑇𝑓 − 𝑇𝑎𝑚𝑏 ) Para un portátil, los parámetros disponibles para el modelo simple aparecen en la siguiente figura.

Figura Nº76: Perdida de calor Los parámetros simples de pérdida de calor son los siguientes: 

En general Coeficiente de Transferencia de Calor



Temperatura ambiente



En general Área de Transferencia de Calor



Flujo de calor

El flujo de calor se calcula como sigue: 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 = 𝑈𝐴(𝑇𝑎𝑚𝑏 − 𝑇) Donde 

U

: coeficiente global de transferencia de calor



A

: área de transferencia de calor



Tamb

: Temperatura de ambiente



T

:

61

SIMULACIÓN DE PROCESOS APLICADO A LA INDUSTRIA USANDO ASPEN HYSYS V8.4 El flujo de calor se define como el calor que fluye en el recipiente. El calor área de transferencia se calcula a partir de la geometría del vaso. La temperatura ambiente, Tamb, y el coeficiente global de transferencia de calor, U, se puede modificar los valores por defecto que se muestran en rojo.

Ejemplo N° Se requiere enfriar una corriente de agua de 90°C a 40°C a 14.7 psi, se requiere calcular la energía que se libera, y de igual manera calentar dicha corriente y elevar a 90°C y calcular la perdida de energía.

Figura Nº77: Esquema de simulación

62