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• Daniela Paola Godoy Aguilar

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EL SOFTWARE PARA LOS INGENIEROS DE PROCESOS

Ing. IVAN DARIO ORDOÑEZ SEPULVEDA - UIS

CONTENIDO • Filosofia Hysys Ambientes Paquetes Fluidos Grados de Libertad Lenguaje de colores • Diferencias entre paquetes de termodinámicos • Flujos Volumétricos • Reactores Químicos: Diferencias entre reactores • Columnas: Convergencia columnas de separación • Intercambiadores de Calor: Diferencias entre modelos de intercambiadores • Reciclos: Recomendaciones de uso • Problemas de inconsistencia • Recomendaciones generales

FILOSOFIA HYSYS

FILOSOFIA HYSYS

(Paquete de Fluidos FP)

Ambiente Properties

Ambiente Simulation (Flowsheet PFD)

FILOSOFIA HYSYS

(Paquete de Fluidos FP)

Ambiente Properties

Ambiente Simulation (Flowsheet PFD)

FILOSOFIA HYSYS

Navigation Pane (Paquete de Fluidos FP)

Ambiente Properties

Ambiente Simulation (Flowsheet PFD)

FILOSOFIA HYSYS (Paquete de Fluidos FP)

Ambiente Column (PFD Columnas)

(FP Crudos)

Ambiente Properties

Ambiente Oil Manager

Ambiente Simulation

Ambiente Subflowsheet

(Flowsheet PFD)

(PFD 2do nivel)

Ambiente Subflowsheet (PFD 3er nivel)

Ambiente Column (PFD Columnas)

FILOSOFIA HYSYS Ambiente Properties

Paquete de fluidos

Lista de componentes =

+ Paquete de propiedades (modelo termodinámico)

En un misma simulación pueden coexistir varios paquetes de fluidos

Paquete de fluidos 1 = Lista 1 + ModeloTermo 1 Paquete de fluidos 2 = Lista 2 + ModeloTermo 2 Paquete de fluidos 3 = Lista 1 + ModeloTermo 2

FILOSOFIA HYSYS Ambiente Simulation

Ambiente Subflowsheet Ambiente Column

En el ambiente Simulation conviven equipos y otros ambientes

GRADOS DE LIBERTAD

Qué modelos utiliza HYSYS? Corrientes Entrada

EQUIPO

Corrientes Salida

Balances de Masa Balances de Energía Térmica Balances de Energía Mecánica* Termodinámica

Estado Estable :

Caída de Presión

Estado Transitorio : Hidrodinámica Dimensiones

Ecuaciones Constitutivas

* Para Pipe Segment, Pipe Gas y Reactor Lecho Empacado (PFR) Hysys ofrece balance de energía mecánica y la ecuación semiempírica de Ergún respectivamente

Qué modelos utiliza HYSYS? Corrientes Entrada

EQUIPO

Corrientes Salida

Sistema de Ecuaciones No Lineales

Cómo se soluciona? Métodos numéricos (Solvers) Número de Ecuaciones = Número Incógnitas Grados de libertad = 0

Qué modelos utiliza HYSYS? Corrientes Entrada

Corrientes Salida

EQUIPO

Los grados de libertad para la convergencia de cualquier simulación son:

Corrientes Entrada

+

EQUIPO

Corrientes Entrada

+

EQUIPO EQU IPO

Color azul es dato conocido por el usuario Color negro es dato calculado por Hysys

=>

=>

Corrientes Salida

Corrientes Salida

Qué modelos utiliza HYSYS? Corrientes Entrada

Corrientes Salida

EQUIPO

Otra opción para cumplir los grados de libertad en algunos equipos son: Corrientes Entrada

+

EQUIPO

=>

Corrientes Salida

Corrientes Entrada

+

EQUIPO EQU IPO

=>

Corrientes Salida

Color azul es dato conocido por el usuario Color negro es dato calculado por Hysys

Qué modelos utiliza HYSYS? Corrientes Entrada y Salida

Los grados de libertad para la definir una corriente de masa son: Dos variables de estado Un Flujo

Fracción Vapor Temperatura Presión Molar Másico

Una Composición

Volumétrico

+

Entalpía Entropía

Qué modelos utiliza HYSYS? EQUIPO (∆P, Q/W, Dimensiones, …)

Los grados de libertad para la convergencia de un equipo son: Todos los equipos[1] Intercambiadores Carcaza&Tubo Reactor CSTR, PFR Columnas Turbinas, Compresores, Bombas Pipe segment [1] Excepto Pipe Segment y Pipe Gas [2] Solo cuando se usa el método Steady State

Caída de presión UA, TEMA, #Pasos[2], #tubos[2], etc… Dimensiones (V, L, D, etc.) # platos, PTope, Pfondo, Especificaciones …. Eficiencia o Curva L, D, schedule, material, etc.

Estrategia típica de convergencia Corrientes Entrada

Corrientes Salida

EQUIPO

Los grados de libertad típicos para la convergencia de una simulación son: Corrientes Entrada

+

T, P, F, X

Corrientes Entrada T, P, F, X

EQUIPO

=>

∆P, Q/W, Dimensiones, …

+

EQUIPO EQU IPO

+

∆P, Q/W, Dimensiones, …

Corrientes Salida T, P, F, X

Corrientes Salida T, P, F, X

Estrategia típica de convergencia Corrientes Entrada 2

Corrientes Entrada 1

EQUIPO 1

Corrientes Salida 1

EQUIPO 2

Corrientes Salida 2

… EQUIPO n

Corrientes Salida n

EQUIPO 2

Corrientes Salida 2

… EQUIPO n

Corrientes Salida n

Corrientes Entrada 2

Corrientes Entrada 1

EQUIPO 1

Corrientes Salida 1

Dónde defino la ∆P de los equipos en HYSYS? HYSYS? Pestaña Design, Página Parameters

Dónde defino las dimensiones de los equipos en HYSYS? HYSYS? Pestaña Rating

Hay que conocer las dimensiones de todos los equipos en HYSYS para poder hacer una simulación? En estado transitorio En estado estable

SI DEPENDE DEL EQUIPO

Equipos que SI deben dimensionarse • Intercambiadores Carcaza&Tubo[1] • Air Cooler Cooler,, Furnace[2] • Pipe Gas, Pipe segment • Reactor CSTR y PFR • Columnas[3] Destilación, Rectificadora Absorción, Despojadora Separador 3 fases, Extractor Liq.Liq.-Liq. Liq. [1] Solo cuando se usa el método Steady State [2] Modelo que funciona solo en estado transitorio (Versiones inferiores a 8.0) [3] Dimensionamiento básico: # platos y plato de alimento

Hay que conocer las dimensiones de todos los equipos en HYSYS para poder hacer una simulación? En estado transitorio En estado estable

SI DEPENDE DEL EQUIPO

Equipos que NO requieren dimensionarse • Flash, Separador 3 fases, Tanques • Heater Heater,, Cooler, Cooler, LNG • Intercambiadores Carcaza&Tubo[1] • Bombas, Turbinas, y Compresores[2] • Válvulas • Mezcladores, Divisores T, Separador Sólidos • Columnas (Splitter (Splitter,, ShortCut ShortCut))

[1] Solo cuando se usa el método End Point o Weighted [2] Requiere la eficiencia o a curva del equipo como dato de entrada

Qué debo hacer si deseo que HYSYS me dimensione un equipo? HYSYS es por defecto un simulador de procesos, no es un diseñador de las dimensiones de los equipos

Corrientes Entrada

EQUIPO

Corrientes Salida

(Dimensiones?) Equipos que SI requieren dimensionarse para simular Dimensionar => Prueba y error

Intercambiadores Carcaza&Tubo[1] Reactor CSTR, PFR Columnas[2] Air Cooler, Cooler, Pipe segment

Tray Sizing Columnas[3] Vessel Sizing Flash, Vessels Pipe Sizing Streams Dimensionar => Equipment Design S&T Exchanger Rating Intercambiadores Carcaza&tubo[4] (Utility) Equipos que NO requieren dimensionarse para simular

[1] Intercambiadores con el modelo Steady State [2] # platos y plato de alimento

[3] Tipo plato o empaque, secciones, altura vertederos, ... [4] Intercambiadores con el modelo End Point o Weighted

Cómo ejecuto un utility en HYSYS? 1. Menu Tools, Opción Utilities (Ctrl + U)

2. Seleccione y adicione el Utility deseado

3. Vincule el utility con el equipo del PFD que quiere diseñar y cumpla los grados de libertad

Vincule el Utility con el equipo en el PFD

LENGUAJE DE COLORES

Corrientes de masa conocida (T,P,F,X)

Hay convergencia

Corrientes de energía conocida (Q)

Equipos en detalles y colores intensos

No hay convergencia o Convergencia condicionada Corrientes de energía desconocida (Q)

Equipo no cumple grados de libertad o está mal especificado

Alguna corriente falta por conectar

Algun dato de entrada falta por suministrar

DIFERENCIAS ENTRE PAQUETES TERMODINAMICOS

Ejemplo:

PR

PR H2, N2, CO

PR

ASME Steam

La diferencia en TVapor ≈ 0 La diferencia en TGasCooled ≈ 5ºC La diferencia en el Duty ≈ 830,000 kJ/h (230 kW) Un pequeña diferencia en la predicción del calor de vaporización del agua genera pequeños cambios en la temperatura y en la energía intercambiada. Las diferencias parecen ser despreciables

Ejemplo: Realmente esta diferencias son despreciables? Evaluemos la diferencia de energía en términos de dinero Suponga un precio de energía térmica COP$50/kWht (COP$0.0138/kJ) Por tanto, 830mil kJ/h equivale a ≈ COP$100 millones/año con 60 klb/h de agua Hagamos una equivalencia con un caso real Una refinería que posea alrededor de 20 calderas donde las calderas sean de 60 klb/h de capacidad

∼ MM USD$ 1 /año

Conclusión Pequeñas sub/sobre estimaciones del modelo termodinámico se hace más notorias cuando se trabajan flujos de plantas de gran escala Cómo escoger el modelo termodinámico adecuado? Solo hay dos formas para escoger bien un modelo termodinámico: 1. Comparar los resultados de la simulación con datos experimentales 2. Conocer a-priori de termodinámica de los fluidos que se van a simular

CUAL PAQUETE DE FLUIDOS ? Componentes • Ideales • Agua • Hidrocarburos livianos • Hidrocarburos + H2S/CO2 • Ácidos orgánicos, alcoholes cetonas y afines • Electrolitos • Aminas • .....(ver manuales) ....los demás.....

Modelo Termodinámico Antoine ASME Steam Peng-Robinson Sour PR / Sour SRW NRTL OLI_Electrolyte Amine pkg UNIQUAC

CUAL PAQUETE DE FLUIDOS ? Consúltese lso manuales de HYSYS para mas información del alcance y restricciones de cada modelo termodinámico. Ejemplo: Aplicabilidad de modelo de actividad según el tipo de mezcla

TIPOS DE FLUJOS VOLUMETRICOS

TIPOS DE FLUJOS VOLUMETRICOS Std. Ideal Liq. Liq. Vol. Flow (condiciones ideales)

Ideal Vol. Flow @ Std. Cond Cond.. (algunos efectos de mezcla no ideal)

Actual Vol. Flow (T y P reales)

=

=

=

Standard Gas Flow

=

Actual Gas Flow

=

(Ley de gas ideal)

(T y P reales)

Flujo Molar × PesoMol

ρ ideal,60°F Flujo Molar × PesoMol

ρ Std. Flujo Molar × PesoMol

ρ(T,P) Flujo Molar × R × T P Flujo Molar × PesoMol

ρ (T,P)

DIFERENCIAS ENTRE REACTORES QUIMICOS

REACTORES QUIMICOS

Gibbs Equilibrio CSTR

PFR

Generales (Ideales)

Conversión

Información clave de entrada

Los compuestos con mas alta posibilidad termodinámica de formarse

Gibbs Conversión Equilibrio CSTR PFR

Resultado

Estequiometría Tipo Rxn: Equilibrio

La composición y conversión en el equilibrio termodinámico

Estequiometría Conversión Tipo Rxn: Conversión

La composición a la conversión definida

Estequiometría Cinética de reacción Tipo Rxn: kinetic/simple Rate Volumen reactor Estequiometría Cinética de reacción Tipo Rxn: kinetic/simple Rate, Catálisis Heterogénea Dimensiones (L, D, # Tubos, etc.)

La composición y la conversión en función de la cinética y las dimensiones del reactor definidas

REACTORES QUIMICOS Problemas frecuentes No aparece disponible el set de reacciones

El set de reacciones no está vinculado al paquete de fluidos

Que hacer? 1. Seleccione el set de reacción 2. Adiciónelo al paquete de fluidos

REACTORES QUIMICOS Problemas frecuentes La reaccción no está declarada en la fase correcta CH2OCHCH3(L) + H2O(L) Oxido Propileno

Rxn definida como líquido combinado porque el Oxido y el Agua no son completamente miscibles

Conversión en cero porque los reactivos entran en fase líquida y la reacción esta declarada en fase vapor

→

CH3CH2CH(OH)2(L) Propilen Glicol

CONVERGENCIA DE TORRES DE DESTILACION

COLUMNAS DE SEPARACION Destilador

Rectificador

Absorbedor

Splitter

shortcut destilador

Destilador 3 fases

Despojador

Extractor liquido-líquido

COLUMNAS DE SEPARACION Corrientes Entrada

COLUMNA COLU MNA

Corrientes Salida

Requisitos para que el modelo converja: • Corrientes de entrada • Número de platos • Platos de alimentación • Presión cima y fondo • Eficiencia de plato y/o compuesto (Por defecto = 1) Flujo de salida Composición plato/corriente • Especificaciones Temperatura plato (specs) Energía Reflujo (L/D), etc.

{

# Especificaciones = # Intercambiadores + # Corrientes de salida - 2

COLUMNAS DE SEPARACION Metodo ShortCut para destilación Supone sistema Condensador-Rehervidor sin corrientes ni dispositivos laterales y platos ideales

Definir componentes claves Presión cima y fondo Relación de reflujo

Entrega un número de platos ideales y plato ideal de alimentación Esto sirve de aproximación inicial para el modelo riguroso

COLUMNAS DE SEPARACION Destilación Modelo riguroso de destilación

Hay métodos shorcut para las otras columnas de separación?

NO HAY Para definir el número de platos y el plato de alimentación hay que hacer una prueba y error Ini

No

Suponer el número de platos y/o plato de alimentación (Design)

Hacer converger la Columna (Run)

Todos los platos ∆T,∆X>0 ∆T,∆X