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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN DE AREQUIPA
FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA
“SIMULACIÓN ESTACIONARIA Y DINAMICA DE UN
PROCESO DE PRODUCCIÓN DE DIETILEN GLICOL
MEDIANTE EL SIMULADOR HYSYS 3.2”
AREQUIPA – 2010
i
PRESENTACIÓN
Señor Decano de la Facultad de Ingeniería de Procesos
Señora Director de la Escuela Profesional de Ingeniería Química
Señores Miembros del Jurado
“SIMULACIÓN ESTACIONARIA Y DINAMICA DE UN PROCESO
DE PRODUCCIÓN DE DIETILEN GLICOL MEDIANTE EL
SIMULADOR HYSYS 3.2”
ÍNDICE
i
i
PRESENTACIÓN........................................................................................................ii
ÍNDICE DE FIGURAS...............................................................................................vii
ÍNDICE DE TABLAS................................................................................................xiv
CAPITULO I..............................................................................................................15
GENERALIDADES....................................................................................................15
PROBLEMA EN INVESTIGACIÓN...........................................................................15
ANTECEDENTES.....................................................................................................15
FUNDAMENTOS DEL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN.....................................16
OBJETIVOS..............................................................................................................17
OBJETIVO GENERAL..............................................................................................17
OBJETIVOS ESPECÍFICOS.....................................................................................17
JUSTIFICACIÓN.......................................................................................................17
JUSTIFICACIÓN TECNOLÓGICA...........................................................................17
JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA................................................................................18
JUSTIFICACIÓN SOCIAL.........................................................................................18
ALCANCES...............................................................................................................18
RESTRICCIONES.....................................................................................................19
ii
HIPÓTESIS...............................................................................................................19
ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS......................................................................19
20
CAPÍTULO II.............................................................................................................21
Marco conceptual ...................................................................................................21
SIMULADOR HYSYS...............................................................................................21
SIMULACION DE PROCESOS................................................................................23
SIMULADOR HYSYS...............................................................................................23
ENTORNO HYSYS...................................................................................................24
ABRIR SESIÓN.........................................................................................................24
INICIAR UN NUEVO CASO......................................................................................26
INGRESO DE COMPONENTES..............................................................................27
EL PAQUETE DE FLUIDOS: FLUID PACKAGE......................................................30
EXPORTANDO FLUID PACKAGES.......................................................................34
GUARDANDO EL TRABAJO....................................................................................35
INGRESAR AL ENTORNO DE LA SIMULACIÓN. ..................................................36
ADICIONANDO CORRIENTES ...............................................................................38
CÁLCULOS INSTANTÁNEOS..................................................................................47
EJEMPLOS DE CÁLCULOS INSTANTÁNEOS......................................................48
HYSYS Y TERMODINÁMICA...................................................................................50
SELECCIÓN DE UN PAQUETE DE PROPIEDADES.............................................50
ECUACIÓN DE ESTADO.........................................................................................51
MODELOS PARA ACTIVIDADES...........................................................................52
PROPIEDADES FÍSICAS Y TERMODINÁMICAS..................................................53
MARCO TEÓRICO DE LA DESTILACIÓN...............................................................54
DEFINICIÓN DE DESTILACION..............................................................................54
TIPOS DE DESTILACION........................................................................................55
CARACTERISTICAS DE DISENO Y OPERACIONES DE COLUMNAS DE
PLATOS...................................................................................................60
MARCO TEORICO DE REACTORES......................................................................64
iii
DEFINICIÓN DE REACCIÓN QUÍMICA. .................................................................64
DEFINICIÓN DE REACTOR QUÍMICO. ..................................................................66
REACTOR CSTR......................................................................................................70
CREACIÓN DEL MODELO......................................................................................80
PROCESO DE SIMULACIÓN...................................................................................80
CLASIFICACIÓN DE LA SIMULACIÓN A UTILIZAR...............................................81
ETILENGLICOL........................................................................................................82
DIETILENGLICOL.....................................................................................................84
ÓXIDO DE ETILENO................................................................................................85
CAPÍTULO III............................................................................................................87
PLANEAMIENTO OPERACIONAL Y CORRIDAS DE PRUEBA.............................87
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN .............................................................87
VARIABLES A EVALUAR ........................................................................................87
MATERIALES Y EQUIPOS......................................................................................88
ALGORITMO DE TRATAMIENTO SELECCIONADO..............................................88
RECOLECCIÓN DE DATOS....................................................................................89
SIMULACIÓN DEL PROCESO.................................................................................90
CINÉTICA DEL PROCESO......................................................................................96
DISEÑO DE FLOWSHEET....................................................................................102
3.7BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA..............................................................123
SIMULACIÓN DINAMICA DEL PROCESO............................................................124
CAPÍTULO IV..........................................................................................................139
RESULTADOS Y DISCUSIÓN................................................................................139
EVALUACIÓN DE LAS PRUEBAS.........................................................................139
APLICACIÓN DE MÉTODO DE OPTIMIZACIÓN SELECCIONADO A PRUEBAS
................................................................................................................147
EVALUACIÓN DE RESULTADOS DE ACUERDO AL MÉTODO DE
OPTIMIZACIÓN.....................................................................................161
ACEPTACIÓN O RECHAZO DE LA INVESTIGACIÓN.........................................164
CONCLUSIONES ...................................................................................................165
Inicialmente construímos el flowsheet de la producción de Dietilenglycol,
iv
quedando completamente diseñado todo el proceso como se especificó y con
lo que se cumple con el primer objetivo..............................................................165
Después de ajustar la variables de ingreso, como son los flujos másicos de
ingreso, la temperatura y la presión de trabajo que son las condiciones de
operación se resolvieron los balances de masa y energía de cada equipo
utilizado, en las diferentes utilidades que presenta el proceso, para resolver los
balances en el reactor se analizó la cinética de reacción.................................165
Evaluada la información teórica de la cinética de reacción de las diferentes
reacciones que se llevan a cabo al mezclarse los flujos másicos de
alimentación, cargamos la información en el simulador y obténdremos los
resultados correspondientes que al optimizarlos nos dan una producción de
0.4163 en fracción molar del Dietilenglicol en el flujo de salida del reactor, el
que inicialmente sólo era de 0.2497,con lo cual conseguimos óptimizar este
proceso de reacción..............................................................................................165
Se diseñó completamente el mixer, el reactor y la columna de destilación
necesaria, optimizando y balanceando completamente todas sus corrientes de
flujo de ingreso y salida de todos ellos...............................................................165
Se simuló todo el proceso obteniéndose las composiciones de todos los
equipos como se muestra en el workbook, herramienta o facilidad que nos
entrega el simulador y que nos muestra como finalmente queda el proceso..165
La eficiencia obtenida en el proceso de reactor para la diferentes reacciones
llevadas a cabo fue de 49.98 % de porcentaje de conversión respectivamente.
Asi mismo la obtención del producto en la cola del destilado fue de 99.9 % en
fracción molar del DeGlycol.................................................................................166
Finalmente podemos afirmar que con el simulador Hysys se puede modelar y
simular un proceso industrial y optimizar su condiciones de operación, con lo
que se puede ahorrar el proceso de investigación en laboratorio, asi como
corregir operaciones en planta. ..........................................................................166
RECOMENDACIONES...........................................................................................167
Si bien se ha demostrado lo planteado en nuestros objetivos, sería de mucha
importancia profundizar el uso del simulador Hysys y aprovechar
profundamente las facilidades que presenta este simulador............................167
Se recomienda el uso de este simulador Hysys en su nueva versión para el
proceso de productos electrolíticos que esta versión aún no estaba disponible.
167
BIBLIOGRAFÍA.......................................................................................................168
v
vi
ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 2.1 Inicio de Hysys-----------------------------------------------------------------11
FIGURA 2.2 Simulations Basis Manager------------------------------------------------13
FIGURA 2.3 Componentes del Simulations Basis Manager------------------------14--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
FIGURA 2.4 Lista de Componentes------------------------------------------------------- 16
FIGURA 2.5 Lista de Componentes------------------------------------------------------- 16
FIGURA 2.6 Fluid Package------------------------------------------------------------------ 18
FIGURA 2.7 Fluid Package Binary Coefficient-----------------------------------------20
FIGURA 2.8 Fluid Package Binary Coefficient-----------------------------------------20
FIGURA 2.9 Export Fluid Package Binary Coefficient------------------------------- 21
FIGURA 2.10 Save Export Fluid Package----------------------------------------------- 21
FIGURA 2.11 Guardar su trabajo---------------------------------------------------------- 22
FIGURA 2.12 Pagina de simulación de Hysys 3.2------------------------------------23
FIGURA 2.13 Simulación de un Proceso------------------------------------------------ 24
FIGURA 2.14 Flujo desde la Paleta de Objetos--------------------------------------- 25
FIGURA 2.15 Visor de Propiedades------------------------------------------------------25
FIGURA 2.16 Ingresando datos------------------------------------------------------------ 26
FIGURA 2.17 Ingresando Composición-------------------------------------------------- 26
FIGURA 2.18 Ingresando Composición en flujo---------------------------------------27
FIGURA 2.19 Completando Composición en flujo------------------------------------27
FIGURA 2.20 Completando propiedades------------------------------------------------ 28
vii
FIGURA 2.21 Workbook---------------------------------------------------------------------28
FIGURA 2.22 Ingresando datos al Workbook------------------------------------------29
FIGURA 2.23 Ingresando datos de composición-------------------------------------- 29
FIGURA 2.24 Workbook completo--------------------------------------------------------30
FIGURA 2.25 PFD----------------------------------------------------------------------------- 30
FIGURA 2.26 Visor de Propiedades------------------------------------------------------31
FIGURA 2.27 Composición en fracción molar-----------------------------------------31
FIGURA 2.28 Corrientes creadas---------------------------------------------------------- 32
FIGURA 2.29 Composición de Corrientes en el Workbook------------------------- 32
FIGURA 2.30 Composición de Corrientes de Tolueno------------------------------33
FIGURA 2.31 Composición del workbook----------------------------------------------- 34
FIGURA 2.32 Punto de Roció--------------------------------------------------------------- 34
FIGURA 2.33 Punto de burbuja------------------------------------------------------------35
FIGURA 2.34 Corriente totalmente definida--------------------------------------------35
FIGURA 2.35 Elección de modelo termodinámico------------------------------------39
FIGURA 2.36 Diagrama de balances de materia para una columna
de fraccionamiento continúo.-------------------------------------------- 47
FIGURA 2.37 Esquemas de reactores CSTR------------------------------------------56
FIGURA 2.38 Diagrama causal de la operación del reactor CSTR
con intercambio de calor, en el que ocurre una
reacción exotérmica--------------------------------------------------------57
viii
FIGURA 2.39 Modelo a simular------------------------------------------------------------65
FIGURA 3.1 Diagrama de flujo del proceso de producción de Etilen Glicol---68
FIGURA 3.2 Algoritmo de simulacion---------------------------------------------------69
FIGURA 3.3 Preferencia de Unidades--------------------------------------------------71
FIGURA 3.4 Editando Unidades------------------------------------------------------72
FIGURA 3.5 Editando Unidades----------------------------------------------------------- 72-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
FIGURA 3.6 Editando Fluid Package----------------------------------------------------73-----------------------------------------------------------------------------------------------------------
FIGURA 3.7 Editando Modelo termodinamico----------------------------------------73
FIGURA 3.8 Editando Modelo termodinamico-----------------------------------------74
FIGURA 3.9 Componentes seleccionados---------------------------------------------74
FIGURA 3.10 Coeficientes binarios-----------------------------------------------------75
FIGURA 3.11 Pagina de reacciones----------------------------------------------------76
FIGURA 3.12 Añadiendo componentes------------------------------------------------76
FIGURA 3.13 Estequiometria de las reacciones-------------------------------------77
FIGURA 3.14 Seleccionando modelo cinético---------------------------------------78
FIGURA 3.15 Constantes de reacción-------------------------------------------------78
FIGURA 3.16 Seleccionando segundo modelo cinético---------------------------79
FIGURA 3.17 Paleta de herramientas--------------------------------------------------80
FIGURA 3.18 Ingresando datos de operación---------------------------------------81
FIGURA 3.19 Ingresando Composición------------------------------------------------81
ix
FIGURA 3.20 Ingresando datos de operación---------------------------------------82
FIGURA 3.21 Conexiones del Mixer----------------------------------------------------83
FIGURA 3.22 Reactor CSTR-------------------------------------------------------------83
FIGURA 3.23 Reacciones del Reactor CSTR----------------------------------------84
FIGURA 3.24 Worksheet del Reactor CSTR------------------------------------------85
FIGURA 3.25 Flowsheet preparado hasta el momento----------------------------86
FIGURA 3.26 Opción Set------------------------------------------------------------------87
FIGURA 3.27 Select Tarjet Object-------------------------------------------------------87
FIGURA 3.28 Set 1- Conexiones---------------------------------------------------------88
FIGURA 3.29 Set 1- Parámetros--------------------------------------------------------88
FIGURA 3.30 Databook---------------------------------------------------------------------89
FIGURA 3.31 Variables de Databook--------------------------------------------------89
FIGURA 3.32 Databook--------------------------------------------------------------------90
FIGURA 3.33 Databook Case Studies--------------------------------------------------90
FIGURA 3.34 Case Studies----------------------------------------------------------------91
FIGURA 3.35 Grafico de Resultados---------------------------------------------------91
FIGURA 3.36 Completando Flowsheet------------------------------------------------92
FIGURA 3.37 Válvula------------------------------------------------------------------------93
FIGURA 3.38 Válvula Parámetros ------------------------------------------------------93
FIGURA 3.39 Paleta de Destilación-----------------------------------------------------94
FIGURA 3.40 Propiedades de la columna de destilación Pág. 1-----------------94
x
FIGURA 3.41 Propiedades completas de destilación Pág. 1----------------------95
FIGURA 3.42 Propiedades Specs--------------------------------------------------------96
FIGURA 3.43 Add Specs ------------------------------------------------------------------96
FIGURA 3.44 Fracción de Agua----------------------------------------------------------96
FIGURA 3.45 Monitor de la Columna---------------------------------------------------97
FIGURA 3.46 Workbook---------------------------------------------------------------------97
FIGURA 3.47 Balance de Materia--------------------------------------------------------98
FIGURA 3.48 Flowsheet--------------------------------------------------------------------99
FIGURA 3.49 Vapour Valve del Reactor CSTR--------------------------------------100
FIGURA 3.50 Vapour Valve del Reactor CSTR--------------------------------------101
FIGURA 3.51 Controlador PID-----------------------------------------------------------102
FIGURA 3.52 Select Input Pv-------------------------------------------------------------102
FIGURA 3.53 Reactor LC-----------------------------------------------------------------103
FIGURA 3.54 Tunning----------------------------------------------------------------------104
FIGURA 3.55 Variables del reactor a graficar----------------------------------------106
FIGURA 3.56 Variables del reactor----------------------------------------------------107
FIGURA 3.57 Integrador-------------------------------------------------------------------107
FIGURA 3.58 Variables de Interés------------------------------------------------------108
FIGURA 3.59 Simulación de variables------------------------------------------------109
FIGURA 3.60 Reactor TC Tunning------------------------------------------------------110
FIGURA 3.61 Evolución de la rampa en el set point-------------------------------110
xi
FIGURA 3.62 History Data----------------------------------------------------------------111
FIGURA 4.1 Workbook para 500 Kgmol/h--------------------------------------------112
FIGURA 4.2 Workbook - Composición para 500 Kgmol/h-------------------------113
FIGURA 4.3 Workbook para 750 Kgmol/h--------------------------------------------- 113
FIGURA 4.4 Workbook - Composición para 750 Kgmol/h------------------------114
FIGURA 4.5 Workbook para 1000 Kgmol/h-------------------------------------------114
FIGURA 4.6 Workbook - Composición para 1000 Kgmol/h-----------------------115
FIGURA 4.7 Workbook - Composición 1000 Kgmol/h y 5 Atm-------------------116
FIGURA 4.8 Workbook - Composición 1000 Kgmol/h y 10 Atm-----------------116
FIGURA 4.9 Workbook - Composición 1000 Kgmol/h y 15 Atm-----------------117
FIGURA 4.10 Workbook – Temperatura de 30ºC-----------------------------------118
FIGURA 4.11 Workbook - Temperatura de 50ºC------------------------------------118
FIGURA 4.12 Workbook - Temperatura de 80ºC------------------------------------119
FIGURA 4.13 Select Tarjet Object------------------------------------------------------- 120
FIGURA 4.14 Set 1- Conexiones--------------------------------------------------------121
FIGURA 4.15 Set 1- Parámetros--------------------------------------------------------121
FIGURA 4.16 Databook--------------------------------------------------------------------122
FIGURA 4.17 Variables de Databook--------------------------------------------------- 122
FIGURA 4.18 Databook--------------------------------------------------------------------- 123
FIGURA 4.19 Databook Case Studies-------------------------------------------------123
FIGURA 4.20 Case Studies---------------------------------------------------------------124
xii
FIGURA 4.21 Gráfico de Resultados---------------------------------------------------125
FIGURA 4.22 Workbook del Set---------------------------------------------------------- 125
FIGURA 4.23 Composición del Set----------------------------------------------------- 126
FIGURA 4.24 Composición del Set----------------------------------------------------126
FIGURA 4.25 Condiciones del CSTR--------------------------------------------------127
FIGURA 4.26 Composición del CSTR-------------------------------------------------128
FIGURA 4.27 Conversión de las reacciones------------------------------------------ 128
FIGURA 4.28 Condiciones del CSTR--------------------------------------------------129
FIGURA 4.29 Condiciones del CSTR--------------------------------------------------130
FIGURA 4.30 Flujo de alimentación al mixer-----------------------------------------131
FIGURA 4.31 Composición de alimentación al mixer------------------------------132
FIGURA 4.32 Porcentaje de Conversión en el CSTR------------------------------132
FIGURA 4.33 Porcentaje de Conversión en el CSTR------------------------------133
FIGURA 4.34 Balance de todo el proceso--------------------------------------------133
xiii
ÍNDICE DE TABLAS
TABLA 2.1 Opciones Termodinámicas----------------------------------------------------19
TABLA 2.2 Opciones Termodinámicas----------------------------------------------------36
TABLA 2.3 Modelos de Actividades--------------------------------------------------------38
TABLA 3.1 Variables a Controlar------------------------------------------------------------68
TABLA 3.2 Reacciones Químicas-----------------------------------------------------------68
TABLA 3.3 Variables a Controlar------------------------------------------------------------70
TABLA 3.4 Datos de Operación-------------------------------------------------------------80
TABLA 3.5 Datos de composición-----------------------------------------------------------80
TABLA 3.6 Parámetros-----------------------------------------------------------------------103
TABLA 3.7 Parámetros PID-----------------------------------------------------------------104
TABLA 3.8 Etapas a seguir------------------------------------------------------------------105
TABLA 3.6 Parámetros-----------------------------------------------------------------------103
xiv
CAPITULO I
GENERALIDADES
PROBLEMA EN INVESTIGACIÓN
La profesión de Ingeniería Química en uno de sus cursos de formación
profesional se imparte el de Modelamiento y Simulación donde se debe de
usar modelos y simuladores, para solucionar procesos industriales, pero
nosotros no tuvimos la oportunidad hasta que egresamos de usar ningún
simulador, sin embargo en el mercado internacional se conocen muchos
simuladores en la actualidad, que pueden representar fehacientemente un
proceso industrial y proporcionarnos información muy similar a lo sucedido
en la realidad. Entre estos simuladores más importantes se encuentran el
Chemcad y el Hysys
La problemática que se plantea es el de aprender a utilizar y aplicar este
simulador aprovechando sus bondades para representar procesos
industriales y que posteriormente se pueda implementar su utilización dentro
del curso de Modelamiento y Simulación de Procesos, para simular todo tipo
de operación y proceso y hasta la resolución de condiciones
termodinámicas, transferencia de masa y transporte y diseño de reactores,
transporte de calor, diseño de equipo con respuestas muy exactas a la
realidad. Lo que nos permitiría tener un nivel competitivo mayor que las
demás universidades y nos proporcionaría una herramienta muy útil que nos
ahorraría mucho en costos de investigación.
Mediante una investigación profunda de las bondades que ofrece este
simulador, Podríamos simular el proceso de producción del Dietilenglicol,
para condiciones de operación muy variadas, determinando las condiciones
más optimas para este proceso
ANTECEDENTES
En este trabajo, enfocaremos las motivaciones, que nos llevaran hacer una
investigación de un proceso de simulación mediante un software comercial
de simulación.
En el punto 1.7 haremos la revisión de los antecedentes investigativos
referentes a este tipo de investigación.
El ámbito geográfico al que se circunscribirá este estudio será
específicamente a la Simulación de un proceso Industrial mediante el uso del
simulador HYSYS en la Escuela Profesional de Ingeniería Química de la
UNSA.
FUNDAMENTOS DEL PROYECTO DE INVESTIGACIÓN
En la actualidad cada día se cuenta con un mayor desarrollo y auge de las
Tecnologías de la Información y la Comunicación por lo que todas las
profesiones con carácter tecnológico van usando la computación como
herramienta para poder desarrollar software que hace posible más rápido y
exactamente representar lo que sucede en un proceso, operación unitaria, o
proceso tecnológico contribuyendo de esta forma en el aprendizaje de
dichas operaciones y procesos y en la industria haciendo posible
correcciones adecuadas para obtener una producción de calidad y sin
pérdidas de tiempo y económicas contribuyendo con los supervisores y
operadores de las plantas a evitar las correcciones empíricas que se
acostumbraban a hacer basados en la experiencia de operación adquiridas
pero que en muchas ocasiones solamente permiten pérdidas económicas de
algunas materias primas o simplemente alargar el proceso sin conseguir
optimizarlo.
Viéndolo de esta forma podríamos investigar y aprovechar las bondades del
Simulador Hysys y proceder a diseñar procesos dinámicos o estáticos para
las diferentes operaciones y procesos lo que permitiría mejorar la
competitividad y bajar los costos de producción conociendo de estos
simuladores de Procesos Químicos.
Esta investigación apunta a utilizar las diferentes funciones, comandos y
herramientas del Simulador Hysys para poder simular completamente
cualquier Proceso u Operación Unitaria pudiendo en corto tiempo recibir
respuesta lo más próximo posibles a la realidad, obtenidas mediante este
software y conseguir optimizar las corrientes de alimentación y producto y
ahorrarnos el proceso de investigación de laboratorio.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Modelar y simular con el software Hysys un proceso estático y dinámico de
producción de Dietilen glicol, controlando todas sus variables de producción,
para optimizar su rendimiento.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Construir el Flowsheet de producción.
Resolver los balances de Masa y Energía.
Diseñar la cinética de reacción del proceso en los reactores utilizados.
Diseñar el mixer, reactor y columna de destilación a utilizar en todo el
proceso de producción industrial.
Correr el Proceso Industrial en modo estático y dinámico, optimizando
corrientes de alimentación y salida.
Determinar la eficiencia de la producción a condiciones simuladas.
JUSTIFICACIÓN
JUSTIFICACIÓN TECNOLÓGICA
El contar con diversos software que simulen procesos u operaciones
en la industria de procesos y en especial en Ingeniería Química nos
permitiría a largo plazo adaptar estos software directamente al
proceso industrial para el control automático a través de
instrumentación digital, también sería una herramienta importante
para el proceso de enseñanza-aprendizaje y comprensión,
permitiendo profesionales que puedan mejorar y optimizar proceso
industriales en particular.
Aplicar modelamiento y simulación, requiere de software y la
aplicación de tecnología computacional, que es de sumo interés que
el profesional de procesos moderno, pueda diseñarlo de acuerdo a
sus necesidades y exigencias, convirtiéndose en un nuevo campo
tecnológico de los profesionales de Ingeniería de procesos.
JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA
La utilización del simulador Hysys por un profesional de Ingeniería
Química en forma expeditiva permite en el campo profesional estar a
la vanguardia, mejorando de esta forma su calidad y por ende sus
ingresos económicos a las empresas que usen sus servicios les
permitiría ahorrar buenas sumas de dinero evitándose costos de
investigación de laboratorio, pérdidas de tiempo que ocasionan las
pruebas, pérdidas económicas debido al uso de materia prima o de
tiempo de operación de planta para la evaluación de estas pruebas.
JUSTIFICACIÓN SOCIAL
El uso del software simulador Hysys permitiría logros educativos
importantes para la ingeniería de procesos, permite que muchos
usuarios que en la actualidad no tienen una amplia visión de estos
procesos industriales, pueda desenvolverse mejor en el campo
educativo de pregrado, adquiriendo una cimentación más amplia de
su carrera, lo cual redundaría en un mejor servicio profesional
posterior.
La aplicación de las TICs al proceso educativo, mediante el uso de la
computadora y de los diversos paquetes, podría contribuir
ampliamente al interés de conocer más profundamente cada proceso
llevado a cabo en la industria. También incentivaría la exploración,
investigación y desarrollo de nuevos software específicos y más
cómodos económicamente que el mencionado.
ALCANCES
• Las pruebas de esta investigación se llevaran a cabo a nivel de
laboratorio de Cómputo.
• Dentro del proceso de modelamiento y simulación se estudiará y
optimizará el proceso mediante el uso de balances de materia,
determinación de la cinética más adecuada y destilación
apropiada.
RESTRICCIONES
• El software no permitiría ningún tipo de restricciones en lo que
respecta al proceso de simulación de las diversas variables a
controlar.
• La validación se hará en función de información teórica procesada
através de cálculos teóricos, de un proceso de destilación.
HIPÓTESIS
Es factible Modelar y Simular un proceso industrial de producción de Dietilen
glicol, controlando y optimizando adecuadamente las variables de
producción ahorrándonos tiempo y costo en el proceso de investigación en
laboratorio, mediante el uso del Simulador Hysys.
ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS
Respecto a este Tema en la Escuela Profesional de Ingeniería Química no
se encuentran ningún antecedente investigativo sobre utilización del
software Hysys si se encuentran temas sobre el simulador Chemcad.
A nivel Internacional si se encuentra aplicación del software de Hysys para
Ingeniería de Procesos como: “Determinación de la curva de destilación
flash para cortes de petróleo utilizando simuladores comerciales” de Enrique
Eduardo Tarifa1, Eleonora Erdmann2, Demetrio Humana3, Samuel Franco
Domínguez4 y Lorgio Mercado Fuentes5
RESUMEN
El presente trabajo describe un nuevo método para estimar la curva de
destilación flash EFV (equilibrium flash vaporización) para cortes de petróleo
utilizando simuladores comerciales. Para ello se implementa un modelo
estacionario de la destilación flash en un simulador comercial y se ajusta el
modelo utilizando una curva de destilación obtenida con procedimientos
estándares de laboratorio. Dicha curva puede ser del tipo TBP, ASTM D86,
D1160 o D2887, entre otras; e involucra un procedimiento experimental más
simple que el requerido para obtener la curva EFV. Para la simulación se
puede utilizar cualquier simulador comercial que sea capaz de modelar
petróleo, en este trabajo se emplearon los simuladores HYSYS y
CHEMCAD. Para evaluar el método propuesto se analizaron experi-
mentalmente varios tipos de petróleos y cortes de petróleo. Luego, de
acuerdo con el método propuesto, los datos obtenidos fueron ingresados a
un simulador para estimar las correspondientes curvas EFV. Las curvas
estimadas utilizando HYSYS y CHEMCAD fueron comparadas con las
producidas por dos métodos tradicionales de estimación: el de Edmister y el
método de Maxwell. En todos los casos, las curvas estimadas por simulación
se aproximaron a la curva promedio de las de Edmister y Maxwell. El método
propuesto tiene varias ventajas: 1) evita la necesidad de obtener la curva
EFV en forma experimental; 2) es independiente del tipo de curva
experimental a utilizar para ajustar el modelo; 3) permite realizar
estimaciones para diferentes presiones utilizando una única curva experi-
mental como dato.
CAPÍTULO II
MARCO CONCEPTUAL
SIMULADOR HYSYS
La simulación consiste básicamente en construir modelos informáticos que
describen la parte esencial del comportamiento de un sistema de interés, así
como en diseñar y realizar experimentos con el modelo y extraer
conclusiones de sus resultados para apoyar la toma de decisiones.
Típicamente, se utiliza en el análisis de sistemas tan complejos que no es
posible su tratamiento analítico o mediante métodos de análisis numéricos.
Sus orígenes están en los trabajos de Suden para aproximar la distribución
que lleva su nombre, y los métodos que Von Newmann y Ulam introdujeron
para resolver ecuaciones integrales. Desde entonces, la Simulación ha
crecido como una metodología de experimentación fundamental en campos
tan diversos como la Economía, la estadística, la Informática o la Física, y
con enormes aplicaciones industriales y comerciales, como los simuladores
de vuelo, los juegos de simulación, o la predicción bursátil o meteorológica.
Existen diversas maneras para definir el término simulación. Sin embargo
debido a que se considera a la simulación como una extensión lógica y
natural de los modelos analíticos y matemáticos, inherentes a la
Investigación de Operaciones, la siguiente definición es considerada como
una de las más completas.
Simulación: “Es una técnica numérica para conducir experimentos en un
computador digital, la cual incluye ciertos tipos de relaciones lógicas y
matemáticas necesarias para describir la estructura y comportamiento de un
sistema complejo del mundo real sobre un periodo de tiempo”.
También se considera a la simulación como un proceso para describir la
esencia de la realidad, el cual incluye la construcción, experimentación y
manipulación de un modelo complejo en un computador.
El uso de la metodología de simulación ofrece ventajas y desventajas, entre
las cuales podemos mencionar las siguientes:
Ventajas:
1. La simulación hace posible estudiar y experimentar con las interacciones
complejas de un sistema dado (sin importar cual).
2. A través de la simulación podemos estudiar el efecto de cambios
ambientales, organizacionales de cierta información, en la operación del
sistema.
3. La observación detallada del sistema simulado nos permite tener una
mejor comprensión del mismo.
4. La experiencia al diseñar un modelo de simulación para computadora es
más valiosa que la simulación en sí.
5. La simulación nos permite experimentar con situaciones nuevas, para los
cuales no se tiene o hay poca información.
Desventajas:
1. Los modelos de simulación para computadora son costosos y requiere
tiempo para desarrollarse y validarse.
2. Se requiere gran cantidad de corridas para encontrar “soluciones
óptimas”.
3. Es difícil aceptar los modelos de simulación.
4. Los modelos de simulación no son de optimización directa (son modelos
de análisis).
5. Se pueden tener restricciones o limitaciones en la disponibilidad del
software requerido.
SIMULACION DE PROCESOS
Usa las relaciones físicas fundamentales:
• Balances de masa y energía
• Relaciones de equilibrio
• Correlaciones de velocidad (Reacción y transferencia de masa y
calor)
Predice
• Flujos, composiciones y propiedades de las corrientes
• Condiciones de operación
• Tamaño de equipo
Algunas aplicaciones
• Diseño y optimización de procesos
• Entrenamiento operativo de operarios
• Para llevar a cabo control de procesos (estrategias de control
predictivo FF).
SIMULADOR HYSYS
HYSYS es un software para la simulación de plantas petroquímicas y
afines. Incluye herramientas para estimar:
Propiedades físicas
Equilibrios líquido vapor,
Balances de materias y energía
Simulación de muchos equipos de ingeniería química.
Simula procesos en estado estacionario y dinámico.
Adquirido por Aspentech en 2004. Es un Software especializado para
la industria petroquímica.
Las principales ventajas de HYSYS son:
Su facilidad de uso (interfaz amigable)
Base de datos extensa (superada solo por la de Aspen Plus)
Utiliza datos experimentales para sus correlaciones. La mayoría
de los datos son experimentales, aunque algunos son estimados
(la mayoría de simuladores usa modelos predictivos como
UNIFAC)
Las principales desventajas de HYSYS son:
Pocas o nulas aplicaciones de sólidos
Software de optimización limitado (el optimizer no es muy
potente)
ENTORNO HYSYS
ABRIR SESIÓN
Abra HYSYS haciendo clic en INICIAR>Programas>Hyprotec>HYSYS
3.2>HYSYS
La primera vez que usted ejecute HYSYS aparecerá en su pantalla la
ventana de inicio del programa. Por favor maximice esta ventana (para copar
toda la pantalla) dando un clic sobre el botón Maximice en la esquina
superior derecha de la ventana HYSYS. Se verá lo siguiente:
FIGURA 2.1. Inicio de Hysys
Fuente: Software Hysys 3.2
La línea del tope es llamada la Barra de títulos. Contiene el logotipo HYSYS
y nombre en el lado izquierdo, y los botones Minimizar, Restaurar, y Cerrar
en el lado derecho.
La siguiente línea es llamada la Barra de menús. Esta barra contiene las
órdenes del más alto nivel para HYSYS. Son:
File Este comando es usado para definir formatos de salida, abrir
trabajos, imprimir y obtener información general sobre HYSYS
Tools Esta orden sirva para iniciar un trabajo de simulación
(Preferences)
Help Esta función da al usuario permiso de llamar las facilidades
de ayuda en línea.
La tercera línea (o barra) es llamada la Barra de herramientas. Contiene los
símbolos para directamente invocar atajos para las funciones diversas del
archivo que de otra manera se tiene acceso a través de los menús. Hasta
ahora no se difiere de otro software del entorno windows.
Lo demás de la ventana está inactivo en este nivel.
INICIAR UN NUEVO CASO
Haciendo clic en el botón New Case . Aparece la ventana del
administrador básico de simulación Simulation Basis Manager
El Simulation Basis Manager contiene una serie de pestañas que iremos
describiendo a continuación. La primera de ellas es fundamental y es donde
podemos elegir los componentes de nuestro trabajo.
FIGURA 2.2. Simulations Basis Manager
Fuente: Software Hysys 3.2
Cuando seleccionamos la pestaña Components aparece un número de
botones:
View – Le permite una Lista de Componentes Existente.
Add – Le permite crear una nueva Lista de Componentes.
Delete – Para borrar una Lista de Componentes.
Copy – Hace una copia de una Lista de Componentes existente.
Import – le permite importar una lista de componentes predefinida desde el
disco. Las Listas de Componentes tienen la extensión de archivo. fpk.
Export – le permite exportar una lista de componentes predefinida desde el
disco. Una Lista de componentes exportada puede ser usada en otro caso,
usando la función Import.
Usted puede usar <Ctrl><B> para reingresar al Basis Manager desde
cualquier punto en la simulación o haciendo clic en el botón de la barra de
herramientas.
INGRESO DE COMPONENTES
El primer paso para un trabajo en HYSYS es la definición de componentes,
los cuales se pueden agrupar en una lista y guardarlos (Exportarlos) bajo un
determinado nombre
1. Seleccionamos la etiqueta Components del Simulation Basis
Manager y hacemos clic en Add con lo cual aparece la libreria de
componentes. Esta libreria en su parte izquierda tiene tres conceptos:
Components (Los que están en la base de datos del programa),
Hypotetical (Cuando vamos a formular un componente nuevo) y
Other.
FIGURA 2.3. Componentes del Simulations Basis Manager
Fuente: Software Hysys 3.2
2. Usted puede seleccionar componentes para su simulación usando varios
métodos diferentes:
Match celda 1. Seleccione uno de los tres formatos de nombres,
SimName, Full Name/ Synonym, o Formula seleccionando el
correspondiente radio button.
2.- Clic sobre la celda Match e ingresar el nombre del componente.
3. Una vez que el componente deseado es resaltado haga ya sea:
• Presione la tecla <Enter>
• Presione el botón Add Pure
• Doble clic en el componente para adicionarlo a su simulación.
Component List 1. Usando la barra de desplazamiento para la lista
principal de componentes, desplazarse a través de la lista hasta que
encuentre el componente deseado.
2. Para adicionar el componente hacer ya sea:
• Presione la tecla <Enter>
• Presione el botón Add Pure
• Doble clic en el componente para adicionarlo a su simulación.
Family Filter 1. Asegúrese que la celda Match esté vacía, y presione el
botón Family Filter….
2. Seleccionar la familia deseada desde Family Filter para desplegar
solamente el tipo de componente.
3. Use cualquiera de los dos métodos previos para desear desear el
componente deseado.
4. Para adicionar el componente hacer ya sea:
• Presione la tecla <Enter>
• Presione el botón Add Pure
• Doble clic en el componente para adicionarlo a su simulación.
Con la opción Filter, no solamente podemos buscar por familias de
componentes (alcoholes, aminas, misceláneo etc), sino podemos ver
cuáles son los Fluid Package recomendados para cada componente y
filtrar atendiendo a este método.
Nota: Usted puede añadir un rango de componentes resaltando el rango entero y presionando el botón Add Pure.
3. Seleccione de la librería de componentes Chloroform, Toluene,
Ethanol, H2O, Oxygen y Nitrogen.
FIGURA 2.4. Lista de Componentes
Fuente: Software Hysys 3.2
4. Coloque un nombre a la lista de componentes, en este caso: Lista de
componentes-1, presione la tecla <Enter> y cierre la ventana, con lo
cual de regreso al Simulation Basis Manager aparece la lista creada
FIGURA 2.5. Lista de Componentes
Fuente: Software Hysys 3.2
La base de datos que contiene HYSYS es muy grande, y trae cantidad
de componentes, pero es un simulador muy orientado a la empresa
petroquímica y es difícil encontrar componentes de otro tipo de
empresas, como son los sulfatos, óxidos y demás componentes
inorgánicos.
Las últimas versiones de HYSYS ya incluyen el paquete de electrolitos,
donde podemos incluir sustancias que están en forma de electrolitos y
pueden variar las propiedades coligativas de la mezcla.
También podemos incluir algunos componentes, que aunque no están en
la base de datos, se pueden adicionar ingresando sus parámetros
característicos del componente.
EL PAQUETE DE FLUIDOS: FLUID PACKAGE
HYSYS usa el concepto de Paquete de Fluído (Fluid Package) para contener
toda la información necesaria para cálculos físicos de las propiedades de
componentes. Este acercamiento le permite definir toda información
(paquete de componentes, propiedades, parámetros de interacción,
reacciones, datos tabulares, componentes hipotéticos, etc.) Dentro de una
sola entidad.
Hay tres ventajas cruciales para este acercamiento:
Toda información asociada está definida en una sola posición,
permitiendo fácil creación y modificación de la información.
Los paquetes de fluidos pueden ser almacenados como una
entidad completamente separada para usarlo en una
simulación.
Pueden ser usados múltiples paquetes de fluidos en la misma
simulación; Sin embargo, todos deben ser definidos dentro del
Administrador Base común (Basis Manager).
El Basis Manager de la simulación es una vista de la propiedad que le
permite crear y manipular cada Fluid Package en la simulación. Cuando
quiera que usted inicie un nuevo caso (New Case), HYSYS coloca a usted
en esta posición. Al abrir la pestaña Fluid Pkgs del Simulation Basis
Manager, contiene la lista de definiciones corrientes de Fluid Package.
Usted puede usar múltiples Fluid Packages dentro de una simulación
asignándoselos a diferentes flowsheets y acoplando los flowsheets.
Selección del Fluid Package
El segundo paso para la simulación es definir el Fluid Package. Este paso es
muy importante y no se debe tomar a la ligera, ya que definirá la base de la
simulación. Si tenemos una buena base, tendremos una buena simulación,
pero si introducimos un error desde el principio, este se agravará con el
desarrollo de la simulación.
1. En el Simulation Basis Manager seleccione la etiqueta Fluid Pkgs y
sombrear la lista de componentes para la cual deseamos colocar la opción
termodinámica (Lista de Componentes -1) y luego hacer clic en el botón
Add.
2. Hacer clic en el radio botón (radio button) de Activity Models y seleccionar
NRTL como el paquete de propiedades (Property Package) para este caso.
FIGURA 2.6. Fluid Package
Fuente: Software Hysys 3.2
También debemos seleccionar la opción para el vapor en la esquina superior
derecha.
La siguiente Tabla es un breve resumen de las opciones termodinámicas
recomendadas para los coeficientes de actividad para diferentes
aplicaciones.
TABLA 2.1. Opciones Termodinámicas
Aplicación Margules vanLaar Wilson NRTL UNIQUAC
Sistemas binarios A A A A A
Sistemas de Múltiple
componentesLA LA A A A
Sistemas azeotrópicos A A A A A
Equilibrio Liquido-Liquido A A N/A A A
Sistemas diluidos ? ? A A A
Sistemas de asociación ? ? A A A
individual
Polímeros N/A N/A N/A N/A A
Extrapolación ? ? G G G
• A = Aplicable• N/A = No Aplicable• ? = Cuestionable• G = Bueno • LA = Aplicación Limitada
Fuente: Manual Hysys 3.2
3. Cambiar el nombre del nombre por defecto Basis-1 a Paquete-1. Hacer
esto haciendo clic en la celda "Name", y tipeando el nuevo nombre. Pulsar la
Tecla <Enter> cuando haya finalizado. Luego cerrar la ventana.
4. Ir a la etiqueta de coeficientes binarios (Binary Coeffs).
FIGURA 2.7. Fluid Package Binary Coefficient
Fuente: Software Hysys 3.2
Presione el botón Unknowns Only para estimar los coeficientes ausentes.
Ver las matrices Aij, Bij y aij seleccionando el radio botón correspondiente.
La matriz Aij es mostrada a continuación:
FIGURA 2.8. Fluid Package Binary Coefficient
Fuente: Software Hysys 3.2
EXPORTANDO FLUID PACKAGES
HYSYS le permite exportar Fluid Packages para usarlos en otras
simulaciones. Esta funcionalidad le permite crear un simple y común Fluid
Package el cual usted puede usarlo en múltiples casos.
1. Sobre la etiqueta de Fluid Packages resalte el Fluid Package Paquete-1
FIGURA 2.9. Export Fluid Package Binary Coefficient
Fuente: Software Hysys 3.2
2. Presione el botón Export.
3. Ingrese un único nombre (Paquete-1) para el Fluid Package y presione el
botón OK.
FIGURA 2.10. Save Export Fluid Package
Fuente: Software Hysys 3.2
HYSYS automáticamente le adicionará la extensión .fpk cuando guarde su
Fluid Package. El archivo es automáticamente en el subdirectorio
\HYSYS\paks. Usted si desea puede seleccionar otro subdirectorio.
Ahora que el Fluid Package está completamente definido, usted está listo
para seguir adelante y empezar a construir la simulación. Presione el botón
Enter Simulation Environment o el botón Interactive Simulation Environment.
GUARDANDO EL TRABAJO
Usted puede guardar su trabajo en cualquier momento para lo cual debe ir al
menu File/ Save as Y darle un nombre.
FIGURA 2.11. Guardar su trabajo
Fuente: Software Hysys 3.2
En este caso HYSYS lo guarda con la extensión .hsc
INGRESAR AL ENTORNO DE LA SIMULACIÓN.
Desde el Simulation Basis Manager hacemos clic en Enter Simulation
Environment.
Si no hemos definido el Fluid Package, el programa nos advierte que falta
definirlo. En este caso definimos un Fluid Package nuevo o importamos un
Fluid Package ya definido y guardado con anterioridad.
Se abre la siguiente ventana
FIGURA 2.12. Pagina de simulación de Hysys 3.2
Fuente: Software Hysys 3.2
Esta es la pantalla principal de HYSYS donde realizaremos las simulaciones.
En este medio la simulación se hace muy visual y fácil de llevar. Hay oro
medio de simulación en HYSYS que veremos más adelante el Workbook
La Paleta de Objetos la usaremos para seleccionar el equipo o el tipo de
corriente que queremos introducir en el sistema de simulación. Para ocultar
o hacer visible la paleta de objetos hay que pulsar F4. En versiones
superiores a la 3.1 hay un icono donde se puede hacer el mismo efecto que
F4.
La paleta se puede dividir en cuatro secciones, la primera es la dedicada a
las corrientes de materia (flecha azul) y energía (flecha roja). En la segunda
se muestran los equipos de separación de fases, presión, transferencia de
calor y reactores, la tercera muestra equipos de transferencia de masa
(destilación…) y la cuarta es la dedicada a la lógica.
FIGURA 2.13. Simulación de un Proceso
Fuente: Software Hysys 3.2
ADICIONANDO CORRIENTES
En HYSYS, hay dos tipos de corrientes, Materia y Energía. Las corrientes de
Material tienen una composición y parámetros tales como temperatura,
presión y flujos. Estas son usadas para representar Corrientes de Proceso.
Las corrientes de energía tienen solamente un parámetro, Flujo de Calor.
Estas son usadas para representar la carga suministrada a o por una Unidad
de Operación.
Existe una variedad de formas para adicionar las corrientes en HYSYS.
INGRESANDO CORRIENTES DESDE LA PALETA DE OBJETOS
1. Pulsemos en la paleta de objetos la flecha azul, es la correspondiente
a una corriente de materia y con el cursor nos colocaremos en el PFD,
volvemos a pulsar, el resultado es el siguiente:
FIGURA 2.14. Flujo desde la Paleta de Objetos
Fuente: Software Hysys 3.2
2. Nosotros queremos definir la composición de esta corriente mediante
la especificación de los flujos de masa para cada componente.
Hacemos doble click en la corriente y aparece el visor de propiedades
de las corrientes Usted puede cambiar el nombre de la corriente
simplemente escribiendo un nombre nuevo en la caja Stream Name.
FIGURA 2.15. Visor de Propiedades
Fuente: Software Hysys 3.2
3. Cambie el nombre de corriente para Etanol y seleccionemos la opción
Composition en el menú Worksheet
FIGURA 2.16. Ingresando datos
Fuente: Software Hysys 3.2
Por defecto, HYSYS selecciona la base para definir las composiciones
como fracción en masa. Pero esta opción lo podemos cambiar haciendo
click en la opción Basis, apareciendo la caja de diálogo siguiente
FIGURA 2.17. Ingresando Composición
Fuente: Software Hysys 3.2
4. Seleccionamos la opción para las composiciones Flujo de masa en
este caso (Mass Flows), cerramos la caja y regresamos a la caja
anterior donde ingresamos los flujos de masa de los componentes
FIGURA 2.18. Ingresando Composición en flujo
Fuente: Software Hysys 3.2
5. Presione el botón OK cuando se han ingresado todos los flujos de
masa.
FIGURA 2.19. Completando Composición en flujo
Fuente: Software Hysys 3.2
6. Si regresamos a propiedades, vemos lo siguiente:
FIGURA 2.20. Completando propiedades
Fuente: Software Hysys 3.2
Se ha actualizado las cantidades de masa y moles de la corriente, pero
faltan aún otros valores, para lo cual es necesario ingresar dos
parámetros de los que están indicados con azul y la palabra <empty>. La
falta de información para definir completamente la corriente indica la
barra amarilla de la parte inferior. Cerrar el visor de Propiedades de las
corrientes.
INGRESANDO CORRIENTES DESDE EL WORKBOOK
1. Para abrir o desplegar el Workbook, presione el botón de Workbook
sobre la barra de botones.
FIGURA 2.21. Workbook
Fuente: Software Hysys 3.2
2. Ingrese el nombre de la corriente, Tolueno en la celda **New**, y
luego seleccione la pestaña Compositions. Aparece la siguiente caja
de diálogo
FIGURA 2.22. Ingresando datos al Workbook
Fuente: Software Hysys 3.2
3. Hacer doble click en cualquiera de las celdas bajo el nombre Tolueno
y aparece la ventana para ingresar las cantidades de material. Usted
tendrá que volver a cambiar la base haciendo click en Basis o en Edit.
Luego, ingrese los flujos de masa de componentes siguientes.
FIGURA 2.23. Ingresando datos de composición
Fuente: Software Hysys 3.2
Hacer click en OK y al cerrar la ventana Aparece el Workbook con la
información ingresada y donde podemos agregar otras corrientes.
FIGURA 2.24. Workbook completo
Fuente: Software Hysys 3.2
4. Al regresar a la ventana del PFD se tiene ahora la nueva corriente
ingresada
FIGURA 2.25. PFD
Fuente: Software Hysys 3.2
INGRESANDO CORRIENTES DESDE LA BARRA DE MENÚ
1. Pulsando <F11> cuando estamos en modo simulación, aparece el
visor de propiedades. En la celda Stream Name Colocamos Aire.
FIGURA 2.26. Visor de Propiedades
Fuente: Software Hysys 3.2
2. Lo siguientes se operara como en el primer caso de corrientes. En
este caso ingresamos la corriente como fracciones molares por lo que
seleccionamos esta opción e ingresamos:
FIGURA 2.27. Composición en fracción molar
Fuente: Software Hysys 3.2
Luego hacer clic en OK. Y al cerrar esta ventana y volver al PDF se tiene
las tres corrientes ingresadas.
Como se muestra en la ventana del PFD, hay tres corrientes. El color
celeste indica que las corrientes no están completamente definidas, si
vemos en las Figuras anteriores, en la parte inferior hay una barra de
color amarillo (color que indica que falta definir algunos parámetros) y a
su vez nos da la información de que parámetro nos falta definir.
FIGURA 2.28. Corrientes creadas
Fuente: Software Hysys 3.2
También podemos ver las composiciones de las corrientes
posicionándonos en el Workbook.
FIGURA 2.29. Composición de Corrientes en el Workbook
Fuente: Software Hysys 3.2
Ahora se puede guardar el trabajo
CÁLCULOS INSTANTÁNEOS
HYSYS puede efectuar cinco tipos de cálculos instantáneos sobre las
corrientes: P-T, Vf-P, Vf-T, P-Entalpía Molar y T-Entalpía Molar. Una vez
que la composición de la corriente y dos parámetros cualquiera de
temperatura, presión, fracción de vapor o la entalpía molar son conocidas,
HYSYS realiza un cálculo instantáneo en la corriente, calculando los otros
dos parámetros.
Nota: Solamente dos de los 4 parámetros de corriente temperatura, presión,
fracción de vapor o la entalpía molar pueden ser suministrados.
Con las capacidades instantáneas de HYSYS, se logra realizar cálculos de
punto de rocío y punto de burbujeo. Especificando una fracción de vapor de
1 y ya sea la presión o la temperatura de la corriente, HYSYS calculará la
temperatura del rocío o la presión. Para calcular la temperatura de burbuja o
la presión, debe introducirse una fracción de vapor de 0 y cualquier presión o
cualquiera temperatura.
EJEMPLOS DE CÁLCULOS INSTANTÁNEOS
1. Efectuar un cálculo instantáneo T-P en la corriente Tolueno. Hacer
doble click en la corriente Tolueno.
FIGURA 2.30. Composición de Corrientes de Tolueno
Fuente: Software Hysys 3.2
Fijar la presión en 101.3 kpa (14.7 psia) y la temperatura en 90 °C (200
°F). Cuál es la fracción de vapor?
FIGURA 2.31. Composición del workbook
Fuente: Software Hysys 3.2
Respuesta. La fracción de vapor es 0. El cambio de color de la barra
inferior a verde indica que la corriente Tolueno ha sido definida
completamente
2. Efectuar un cálculo de punto de rocío en la corriente Tolueno.
Establecer la presión en 101.3 kpa (14.7 psia). Cuál es la temperatura
de punto de rocío?.
FIGURA 2.32. Punto de Roció
Fuente: Software Hysys 3.2
Respuesta. La temperatura de Punto de Roció es 99.99 C
3. Efectuar un cálculo de punto de burbuja en la corriente Tolueno.
Establecer la presión en 101.3 kpa (14.7 psia). ¿Cuál es la
temperatura de punto de burbuja?
FIGURA 2.33. Punto de burbuja
Fuente: Software Hysys 3.2
Respuesta. La temperatura de Punto de Burbuja es 89.65 C. Para hacer
los cálculos hemos tenido que definir completamente la corriente
Tolueno. Si vamos al PFD veremos que tiene color diferente a las demás
corrientes Etanol y Aire que aún faltan especificar algunos parámetros
para definirlas completamente.
FIGURA 2.34. Corriente totalmente definida
HYSYS Y TERMODINÁMICA
Los paquetes de propiedades incorporados en HYSYS proveen predicciones
precisas de propiedades termodinámicas, físicas y de transporte para
hidrocarburo, no-hidrocarburo y fluidos químicos y producto petroquímicos.
La base de datos consta de más de 1500 componentes y más de 16000
coeficientes binarios. Si un componente de la biblioteca no puede ser
encontrado dentro de la base de datos, están disponibles una serie de
métodos de estimación para crear completamente componentes hipotéticos
definidos.
SELECCIÓN DE UN PAQUETE DE PROPIEDADES
La siguiente tabla lista algunos sistemas típicos y correlaciones
recomendadas:
TABLA 2.2. Opciones Termodinámicas
EOS : Ecuación de estado PR : Peng Robinson PRSV : Peng Robinson modificada Sour PR : Peng Robinson modificada SRK : Soave-Redlick-Kwong Sour SRK : Soave-Redlick-Kwong modificada ZJ : Zudkevitch Joffee KD : Kabadi Danner LKP : Lee Kesler Plocker
Fuente: Tutorial Hysys 3.2
ECUACIÓN DE ESTADO
Para petróleo, gas y aplicaciones petroquímicas, la ecuación de estado de
Peng-Robinson EOS (PR) es generalmente la recomendada. HYSYS
actualmente ofrece las ecuaciones de estado de Peng-Robinson (PR) y
Soave-Redlich-Kwong (SRK). En adición, HYSYS ofrece varios métodos los
cuales son modificaciones de estos paquetes de propiedades, incluyendo
PRSV, Zudkevitch Joffee (ZJ) y Kabadi Danner (KD). Lee Kesler Plocker
(LKP) es una adaptación de las ecuaciones de Lee Kesler para mezclas, las
cuales por si mismas fueron modificadas de la ecuación BWR. De todas
estas, la ecuación de estado Peng-Robinson soporta un amplio rango de
condiciones de operación y una gran variedad de sistema. Las ecuaciones
de estado (EOS) de Peng-Robinson y Soave-Redlich-Kwong generan
directamente todas las propiedades de equilibrio y termodinámicas.
• Las opciones del paquete de propiedades para Peng-Robinson son PR, Sour PR, y PRSV.
• Las opciones de la ecuación de estado Soave-Redlich-Kwong son SRK, Sour SRK, KD y ZJ.
Para la industria química debido a la ocurrencia común de sistemas
altamente no-ideales, puede ser considerada la ecuación PRSV EOS. Esta
es una modificación de la ecuación de estado PR que extiende la aplicación
del método original PR para sistemas altamente no-ideales.
MODELOS PARA ACTIVIDADES
Los modelos de actividad producen los mejores resultados cuando son
aplicados en la región de operación para la cual los parámetros de
interacción fueron obtenidos.
La siguiente es un breve resumen de las opciones termodinámicas
recomendadas para los coeficientes de actividad para diferentes
aplicaciones.
TABLA 2.3. Modelos de Actividades
Aplicación Margules vanLaar Wilson NRTL UNIQUAC
Sistemas binarios A A A A A
Sistemas de Múltiple componentes
LA LA A A A
Sistemas azeotrópicos
A A A A A
Equilibrio Liquido- A A N/A A A
Liquido
Sistemas diluidos ? ? A A A
Sistemas de asociación individual
? ? A A A
Polímeros N/A N/A N/A N/A A
Extrapolación ? ? G G G
• A = Aplicable• N/A = No Aplicable• ? = Cuestionable• G = Bueno • LA = Aplicación Limitada
Fuente: Tutorial Hysys 3.2
PROPIEDADES FÍSICAS Y TERMODINÁMICAS
Ejemplo: Determinar las propiedades físicas para el Benceno y Tolueno
1. Iniciar sesión: Abrir Hysys y desde el Menú File, seleccionar New /
Case. Esto abrirá el Simulation Basis Manager.
2. Adicionar los componentes.
3. Modelo Termodinámico: En la ventana del Simulation Basis Manager
seleccionamos la etiqueta Fluid Pkgs y en la nueva ventana que
aparece hacer clic en el botón Add. Aparece el Fluid Package
denominado por defecto Basis-1, Cambiamos de nombre (PropFisicas-1)
De la lista de denominada Property Package Selection seleccionamos el
método de Wilson ya que es el mas adecuado para este sistema. El
modelo para el Vapor deberá ser el de SRK ( Soave-Redlich-Kwong) ya
que el sistema es no ideal. Note que la selección por defecto es Ideal.
FIGURA 2.35. Elección de modelo termodinámico
Fuente: Software Hysys 3.2
MARCO TEÓRICO DE LA DESTILACIÓN
DEFINICIÓN DE DESTILACION
Destilación, proceso que consiste en calentar un líquido hasta que sus
componentes más volátiles pasan a la fase de vapor y, a continuación,
enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en forma líquida por
medio de la condensación. El objetivo principal de la destilación es separar
una mezcla de varios componentes aprovechando sus distintas volatilidades,
o bien separar los materiales volátiles de los no volátiles. En la evaporación
y en el secado, normalmente el objetivo es obtener el componente menos
volátil; el componente más volátil, casi siempre agua, se desecha. Sin
embargo, la finalidad principal de la destilación es obtener el componente
más volátil en forma pura. Por ejemplo, la eliminación del agua de la
glicerina evaporando el agua, se llama evaporación, pero la eliminación del
agua del alcohol evaporando el alcohol se llama destilación, aunque se usan
mecanismos similares en ambos casos.
Si la diferencia en volatilidad (y por tanto en punto de ebullición) entre los
dos componentes es grande, puede realizarse fácilmente la separación
completa en una destilación individual. El agua del mar, por ejemplo, que
contiene un 4% de sólidos disueltos (principalmente sal común), puede
purificarse fácilmente evaporando el agua, y condensando después el vapor
para recoger el producto: agua destilada. Para la mayoría de los propósitos,
este producto es equivalente al agua pura, aunque en realidad contiene
algunas impurezas en forma de gases disueltos, siendo la más importante el
dióxido de carbono.
Si los puntos de ebullición de los componentes de una mezcla sólo difieren
ligeramente, no se puede conseguir la separación total en una destilación
individual. Un ejemplo importante es la separación de agua, que hierve a 100
°C, y alcohol, que hierve a 78,5 °C. Si se hierve una mezcla de estos dos
líquidos, el vapor que sale es más rico en alcohol y más pobre en agua que
el líquido del que procede, pero no es alcohol puro. Con el fin de concentrar
una disolución que contenga un 10% de alcohol (como la que puede
obtenerse por fermentación) para obtener una disolución que contenga un
50% de alcohol (frecuente en el whisky), el destilado ha de destilarse una o
dos veces más, y si se desea alcohol industrial (95%) son necesarias varias
destilaciones.
TIPOS DE DESTILACION
Destilación Simple, donde separamos dos componentes por su diferencia
de volatilidad y punto de ebullición
Destilación Fraccionada es una variante de la destilación simple que se
emplea principalmente cuando es necesario separar líquidos con punto de
ebullición cercanos.
La principal diferencia que tiene con la destilación simple es el uso de una
columna de fraccionamiento. Ésta permite un mayor contacto entre los
vapores que ascienden con el líquido condensado que desciende, por la
utilización de diferentes "platos". Esto facilita el intercambio de calor entre los
vapores (que ceden) y los líquidos (que reciben). Ese intercambio produce
un intercambio de masa, donde los líquidos con menor punto de ebullición se
convierten en vapor, y los vapores con mayor punto de ebullición pasan al
estado líquido.
Destilación a Vacío es la operación complementaria de destilación del
crudo procesado en la unidad de destilación atmosférica, que no se vaporiza
y sale por la parte inferior de la columna de destilación atmosférica. El
vaporizado de todo el crudo a la presión atmosférica necesitaría elevar la
temperatura por encima del umbral de descomposición química y eso, en
esta fase del refino de petróleo, es indeseable.
El residuo atmosférico o crudo reducido procedente del fondo de la columna
de destilación atmosférica, se bombea a la unidad de destilación a vacío, se
calienta generalmente en un horno a una temperatura inferior a los 400 ºC,
similar a la temperatura que se alcanza en la fase de destilación atmosférica,
y se introduce en la columna de destilación. Esta columna trabaja a vacío,
con una presión absoluta de unos 20 mm de Hg, por lo que se vuelve a
producir una vaporización de productos por efecto de la disminución de la
presión, pudiendo extraerle más productos ligeros sin descomponer su
estructura molecular.
En la unidad de vacío se obtienen solo tres tipos de productos:
• Gas Oil Ligero de vacío (GOL).
• Gas Oil Pesado de vacío (GOP).
• Residuo de vacío.
Los dos primeros, GOL y GOP, se utilizan como alimentación a la unidad de
craqueo catalítico después de de sulfurarse en una unidad de
hidrodesulfuración (HDS).
El producto del fondo, residuo de vacío, se utiliza principalmente para
alimentar a unidades de craqueo térmico, donde se vuelven a producir más
productos ligeros y el fondo se dedica a producir fuel oil, o para alimentar a
la unidad de producción de coque. Dependiendo de la naturaleza del crudo
el residuo de vacío puede ser materia prima para producir asfaltos.
Destilación Azeotrópica es una de las técnicas usadas para romper un
azeótropo en la destilación. Una de las destilaciones más comunes con un
azeótropo es la de la mezcla etanol-agua. Usando técnicas normales de
destilación, el etanol solo puede ser purificado a aproximadamente el 95%.
Una vez se encuentra en una concentración de 95/5% etanol/agua, los
coeficientes de actividad del agua y del etanol son iguales, entonces la
concentración del vapor de la mezcla también es de 95/5% etanol-agua, por
lo tanto destilaciones posteriores son inefectivas. Algunos usos requieren
concentraciones de alcohol mayores, por ejemplo cuando se usa como
aditivo para la gasolina. Por lo tanto el azeótropo 95/5% debe romperse para
lograr una mayor concentración.
En uno de los métodos se adiciona un material agente de separación. Por
ejemplo, la adición de benceno a la mezcla cambia la interacción molecular y
elimina el azeótropo. La desventaja, es la necesidad de otra separación para
retirar el benceno. Otro método, la variación de presión en la destilación, se
basa en el hecho de que un azeótropo depende de la presión y también que
no es un rango de concentraciones que no pueden ser destiladas, sino el
punto en el que los coeficientes de actividad se cruzan. Si el azeótropo se
salta, la destilación puede continuar.
Para saltar el azeótropo, el azeótropo puede ser movido cambiando la
presión. Comúnmente, la presión se fija de forma tal que el azeótropo quede
cerca del 100% de concentración, para el caso del etanol, éste se puede
ubicar en el 97%. El etanol puede destilarse entonces hasta el 97%.
Actualmente se destila a un poco menos del 95,5%. El alcohol al 95,5% se
envía a una columna de destilación que está a una presión diferente, se
mueve el azeótropo a una concentración menor, tal vez al 93%. Ya que la
mezcla está por encima de la concentración azeotrópica actual, la destilación
no se “pegará” en este punto y el etanol podrá ser destilado a cualquier
concentración necesaria.
Para lograr la concentración requerida para el etanol como aditivo para la
gasolina se usan comúnmente tamices moleculares en la concentración
azeotrópica. El etanol se destila hasta el 95%, luego se hace pasar por un
tamiz molecular que absorba el agua de la mezcla, ya se tiene entonces
etanol por encima del 95% de concentración, que permite destilaciones
posteriores. Luego el tamiz se calienta para eliminar el agua y puede ser
reutilizado.
Destilación por Arrastre de Vapor de agua se lleva a cabo la vaporización
selectiva del componente volátil de una mezcla formada por éste y otros "no
volátiles". Lo anterior se logra por medio de la inyección de vapor de agua
directamente en el interior de la mezcla, denominándose este "vapor de
arrastre", pero en realidad su función no es la de "arrastrar" el componente
volátil, sino condensarse en el matraz formando otra fase inmiscible que
cederá su calor latente a la mezcla a destilar para lograr su evaporación. En
este caso se tendrán la presencia de dos fases insolubles a lo largo de la
destilación (orgánica y acuosa), por lo tanto, cada líquido se comportará
como si el otro no estuviera presente. Es decir, cada uno de ellos ejercerá su
propia presión de vapor y corresponderá a la de un líquido puro a una
temperatura de referencia
La condición más importante para que este tipo de destilación pueda ser
aplicado es que tanto el componente volátil como la impureza sean
insolubles en agua ya que el producto destilado (volátil) formará dos capas al
condensarse, lo cual permitirá la separación del producto y del agua
fácilmente. Como se mencionó anteriormente, la presión total del sistema
será la suma de las presiones de vapor de los componentes de la mezcla
orgánica y del agua, sin embargo, si la mezcla a destilar es un hidrocarburo
con algún aceite, la presión de vapor del aceite al ser muy pequeña se
considera despreciable para efecto de los cálculos: P = Pa° + Pb°
Donde: P = presión total del sistema Pa°= presión de vapor del agua Pb°=
presión de vapor del hidrocarburo Por otra parte, el punto de ebullición de
cualquier sistema se alcanza a la temperatura a la cual la presión total del
sistema es igual a la presión del confinamiento. Y como los dos líquidos
juntos alcanzan una presión dada, más rápidamente que cualquiera de ellos
solos, la mezcla hervirá a una temperatura más baja que cualquiera de los
componentes puros. En la destilación por arrastre es posible utilizar gas
inerte para el arrastre. Sin embargo, el empleo de vapores o gases
diferentes al agua implica problemas adicionales en la condensación y
recuperación del destilado o gas. El comportamiento que tendrá la
temperatura a lo largo de la destilación será constante, ya que no existen
cambios en la presión de vapor o en la composición de los vapores de la
mezcla, es decir que el punto de ebullición permanecerá constante mientras
ambos líquidos esten presentes en la fase líquida. En el momento que uno
de los líquidos se elimine por la propia ebullición de la mezcla, la
temperatura ascenderá bruscamente. Si en mezcla binaria designamos por
na y nb a las fracciones molares de los dos líquidos en la fase vapor,
tendremos: Pa° = na P Pb° = nbP dividiendo: Pa° = na P = na Pb° nb P nb
na y nb son el numero de moles de A y B en cualquier volúmen dado de
vapor, por lo tanto: Pa° = na Pb° nb y como la relación de las presiones de
vapor a una "T" dada es constante, la relación na/nb, debe ser constante
también. Es decir, la composición del vapor es siempre constante en tanto
que ambos líquidos estén presentes. Además como: na = wa/Ma y nb=
wb/Mb donde: wa y wb son los pesos en un volumen dado y Ma, Mb son los
pesos moleculares de A y B respectivamente. La ecuación se transforma en:
Pa° = na = waMb Pb° nb wbMa O bien: wa = MaPa° wb MbPb° Esta última
ecuación relaciona directamente los pesos moleculares de los dos
componentes destilados, en una mezcla binaria de líquidos. Por lo tanto, la
destilación por arrastre con vapor de agua, en sistemas de líquidos
inmiscibles en ésta se llega a utilizar para determinar los pesos moleculares
aproximados de los productos o sustancias relacionadas. Es necesario
establecer que existe una gran diferencia entre una destilación por arrastre y
una simple, ya que en la primera no se presenta un equilibrio de fases
líquido-vapor entre los dos componentes a destilar como se da en la
destilación simple, por lo tanto no es posible realizar diagramas de equilibrio
ya que en el vapor nunca estará presente el componente "no volátil"
mientras este destilando el volátil. Además de que en la destilación por
arrastre de vapor el destilado obtenido será puro en relación al componente
no volátil (aunque requiera de un decantación para ser separado del agua),
algo que no sucede en la destilación simple donde el destilado sigue
presentando ambos componentes aunque más enriquecido en alguno de
ellos. Además si este tipo de mezclas con aceites de alto peso molecular
fueran destiladas sin la adición del vapor se requeriría de gran cantidad de
energía para calentarla y emplearía mayor tiempo, pudiéndose descomponer
si se trata de un aceite esencial.
Destilación Destructiva Cuando se calienta una sustancia a una
temperatura elevada, descomponiéndose en varios productos valiosos, y
esos productos se separan por fraccionamiento en la misma operación, Las
aplicaciones más importantes de este proceso son la destilación destructiva
del carbón para el coque, el alquitrán, el gas y el amoníaco, y la destilación
destructiva de la madera para el carbón de leña, el ácido etanoico, la
propanona y el metanol. Este último proceso ha sido ampliamente
desplazado por procedimientos sintéticos para fabricar distintos
subproductos. El craqueo del petróleo es similar a la destilación destructiva.
CARACTERISTICAS DE DISENO Y OPERACIONES DE COLUMNAS DE
PLATOS.
Factores importantes en el diseño y operación de columnas de platos son el
número de platos que se requieren para obtener una determinada
separación, el diámetro de la columna, el espaciado entre los platos, la
elección del tipo de plato y los detalles constructivos de los platos.
En consonancia con los principios generales, el análisis de las columnas de
platos se basa en balances de materia, balances de energía y equilibrios
entre fases.
Balances globales de materia para sistemas de dos componentes. La Figura
6 es un diagrama del balance de materia para una planta típica de
destilación continua. La columna se alimenta con F mol/h de concentración
xF y genera D mol/h del producto de cabeza de concentración xD y B mol/h
de producto de cola de concentración xs. Se pueden escribir dos balances
globales de materia independientes
Balance total de materia: F=D+B (1)
Balance del componente A: FxF, = D x , + BxB, (2)
Eliminando B de estas ecuaciones se obtiene
(3)
Eliminando D resulta
(4)
Las Ecuaciones (3) y (4) son aplicables para todos los valores de los flujos
de vapor y líquido en el interior de la columna.
Caudales molares. La magnitud D es la diferencia entre los caudales
molares de las corrientes que entran y salen por la parte superior de la
columna. Un balance de materia alrededor del condensador y del
acumulador de la Figura 6 conduce a
D = Va - La (5)
La diferencia entre los caudales molares del vapor y del líquido en cualquier
parte de la sección superior de la columna es también igual a D, tal como se
deduce considerando la parte de la planta encerrada por la superficie de
control Z de la Figura 2.34. Esta superficie incluye el condensador y todos
los platos por encima de n + 1. Un balance total de materia alrededor de esta
superficie de control conduce a
D = Vn-1 - Ln (6)
FIGURA 2.36. Diagrama de balances de materia para una columna de
fraccionamiento continúo.
Fuente: Operaciones Unitarias de Giankopolis
Por tanto, D es el caudal molar de materia que asciende en la sección
superior de la columna. Con independencia de cambios en V y L, su
diferencia es constante e igual a D.
Balances similares para el componente A dan lugar a las ecuaciones
(7)
El producto Dx, es el caudal neto del componente A que asciende en la
sección superior de la columna, que es también constante a través de esta
parte del equipo.
En la sección inferior de la columna las velocidades de flujo neto son
también constantes pero su sentido es descendente. El flujo neto total de
materia es igual a B y el del componente A es Bx,. Se aplican las siguientes
ecuaciones:
B=Lb- Vb=Lm- Vm+1 (8)
BxB, = Lbxb - VbYb = Lmxm - Vm+1+Ym+ 1 (9)
Se utiliza m en vez de n para representar un plato general de la sección de
agotamiento.
Línea de operación. Puesto que hay dos secciones en la columna, hay
también dos líneas de operación, una para la sección de enriquecimiento y
otra para la sección de agotamiento. Consideremos primeramente la sección
de enriquecimiento.
Tal como se ha visto la línea de operación para esta sección es
(10)
Sustituyendo el valor de Vaya - Laxa de la Ecuación (10) se obtiene
(11)
La pendiente de la línea definida por la Ecuación (11), como es habitual, es
la relación entre el flujo de la corriente de líquido y el de la corriente de
vapor.
Para un posterior análisis es conveniente eliminar Vn+1 de la Ecuación (11)
mediante la Ecuación (3), dando
(12)
Para la sección de la columna por debajo del plato de alimentación,
aplicando un balance de materia a la superficie de control II de la Figura
2.34, se obtiene
(13)
Que puede escribirse en esta forma
(14)
Que es la línea de operación para la sección de agotamiento. Nuevamente la
pendiente es la relación entre el flujo de líquido y el flujo de vapor.
Eliminando Vm+1 de la Ecuación (14) por medio de la Ecuación (7) se
obtiene
MARCO TEORICO DE REACTORES
DEFINICIÓN DE REACCIÓN QUÍMICA.
Se conoce como reacción química a aquella operación unitaria que tiene por
objeto distribuir de forma distinta los átomos de ciertas moléculas
(compuestos reaccionantes o reactantes) para formar otras nuevas
(productos). El lugar físico donde se llevan a cabo las reacciones químicas
se denominan REACTOR QUÍMICO.
Los factores que hay que tener en cuenta a la hora de llevar a cabo o
desarrollar una reacción química son:
• Condiciones de presión, temperatura, y composición necesarias para
que los materiales entren en estado de reacción.
• Las características termodinámicas y cinéticas de la reacción
• Las fases (sólido, líquido, gaseoso) que se encuentran presentes en
la reacción
Formas de cambios químicos:
• Descomposición, consiste en que una molécula se divide en
moléculas más pequeñas, átomos o radicales.
• Combinación, ésta se realiza cuando una molécula o átomo se une
con otra especie para formar un compuesto nuevo.
• Isomerización, en este caso la molécula no efectúa ninguna
descomposición externa o adición a otra, es simplemente un cambio
de configuración estructural interna.
Clases de Reacciones Químicas.
• Reacciones Homogéneas: Cuando se afecta solamente una fase, ya
sea gaseosa, sólida, o líquida.
• Reacciones Heterogéneas: Cuando se requiere la presencia de al
menos dos fases para que tenga lugar la reacción a una velocidad
deseada.
• Reacciones Enzimáticas: Utilizan catalizadores biológicos (proteínas
con alto peso molecular, con centros activos, y que trabajan a bajas
temperaturas)
• Reacciones Catalíticas: Son aquellas reacciones que requieren de
una sustancia adicional (que no aparece en el balance global) para
modificar la velocidad de reacción; esta sustancia por su mera
presencia provoca la reacción química, reacción que de otro modo no
ocurriría.
• Reacciones No Catalíticas: Los materiales reactantes no necesitan
ninguna sustancia adicional para dar lugar a la reacción química.
• Reacciones Autocatalíticas: En esta reacción, uno de los productos
formados actúa como catalizador, participando en otra etapa del
proceso donde velocidad de reacción es más rápido que en la
primera.
• Reacciones Endotérmicas: Son aquellas que adsorben calor del
exterior.
• Reacciones Exotérmicas: Son aquellas que liberan calor hacia el
exterior.
DEFINICIÓN DE REACTOR QUÍMICO.
Un reactor químico es una unidad procesadora diseñada para que en su
interior se lleve a cabo una o varias reacciones químicas. Dicha unidad
procesadora está constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con
líneas de entrada y salida para sustancias químicas, y está gobernado por
un algoritmo de control.
Los reactores químicos tienen como funciones principales:
• Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el
interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los
materiales reactantes.
• Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y
con el catalizador, para conseguir la extensión deseada de la
reacción.
• Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo
que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada,
atendiendo a los aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción.
Ecuación de Rendimiento.
Es aquella expresión matemática que relaciona la salida con la entrada en
un reactor químico, para diversas cinéticas y diferentes modelos de contacto.
• Modelo de Contacto: Está referido a como los materiales circulan a
través del reactor y se contactan unos con otros dentro de este,
además del tiempo que necesitan para mezclarse, y las condiciones y
características de la incorporación de material.
• Cinética: Está referido a cuán rápido ocurren las reacciones, el
equilibrio dentro del reactor, y la velocidad de la reacción química;
estas factores están condicionados por la transferencia (balance) de
materia y energía.
El balance de masas esta dado por la relación:
ENTRA – SALE + GENERA – DESAPARECE = ACUMULA
El balance de energía esta dado por la relación:
ENTRA – SALE + GENERA - TRANSMITE = ACUMULA
TIPOS DE REACTORES QUÍMICOS
Existen infinidad de tipos de reactores químicos, y cada uno responde a las
necesidades de una situación en particular, entre los tipos más importantes,
más conocidos, y mayormente utilizados en la industria se puede mencionar
los siguientes:
a) REACTOR DISCONTINUO. Es aquel en donde no entra ni sale material
durante la reacción, sino más bien, al inicio del proceso se introduce los
materiales, se lleva a las condiciones de presión y temperatura requeridas, y
se deja reaccionar por un tiempo preestablecido, luego se descargan los
productos de la reacción y los reactantes no convertidos. También es
conocido como reactor tipo Batch.
b) REACTOR CONTINUO. Mientras tiene lugar la reacción química al interior
del reactor, éste se alimenta constantemente de material reactante, y
también se retira ininterrumpidamente los productos de la reacción.
c) REACTOR SEMICONTINUO: Es aquel en el cual inicialmente se carga de
material todo el reactor, y a medida que tiene lugar la reacción, se va
retirando productos y también incorporando más material de manera casi
continúa.
d) REACTOR TUBULAR. En general es cualquier reactor de operación
continua, con movimiento constante de uno o todos los reactivos en una
dirección espacial seleccionada, y en el cual no se hace ningún intento por
inducir al mezclado. Tienen forma de tubos, los reactivos entran por un
extremo y salen por el otro.
e) TANQUE CON AGITACIÓN CONTINUA. Este reactor consiste en un
tanque donde hay un flujo continuo de material reaccionante y desde el cual
sale continuamente el material que ha reaccionado. La agitación del
contenido es esencial, debido a que el flujo interior debe estar en constante
circulación y así producir una mezcla uniforme.
f) REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO. Se utiliza para reacciones donde
intervengan un sólido y un fluido (generalmente un gas). En estos reactores
la corriente de gas se hace pasar a través de las partículas sólidas, a una
velocidad suficiente para suspenderlas, con el movimiento rápido de
partículas se obtiene un alto grado de uniformidad en la temperatura
evitando la formación de zonas calientes.
g) REACTOR DE LECHO FIJO. Los reactores de lecho fijo consisten en uno
o más tubos empacados con partículas de catalizador, que operan en
posición vertical. Las partículas catalíticas pueden variar de tamaño y forma:
granulares, cilíndricas, esféricas, etc. En algunos casos, especialmente con
catalizadores metálicos como el platino, no se emplean partículas de metal,
sino que éste se presenta en forma de mallas de alambre. El lecho está
constituido por un conjunto de capas de este material. Estas mallas
catalíticas se emplean en procesos comerciales como por ejemplo para la
oxidación de amoniaco y para la oxidación del acetaldehídico a ácido
acético.
h) REACTOR DE LECHO CON ESCURRIMIENTO. En estos reactores el
catalizador sólido está presente como en el lecho fijo. Los reactivos se hacen
pasar en corrientes paralelas o a contracorriente a través del lecho.
i) REACTOR DE LECHO DE CARGA MÓVIL. Una fase fluida pasa hacia
arriba a través de un lecho formado por sólidos. El sólido se alimenta por la
parte superior del lecho, se mueve hacia debajo de la columna y se saca por
la parte inferior.
j) REACTOR DE BURBUJAS. Permiten hacer burbujear un reactivo gaseoso
a través de un líquido con el que puede reaccionar, porque el líquido
contiene un catalizador disuelto, no volátil u otro reactivo. El producto se
puede sacar del reactor en la corriente gaseosa.
k) REACTOR CON COMBUSTIBLE EN SUSPENSIÓN. Son similares a los
reactores de burbujeo, pero la fase “líquida” esta formada por una
suspensión de líquidos y partículas finas del catalizador sólido.
l) REACTOR DE MEZCLA PERFECTA. En este reactor las propiedades no
se modifican ni con el tiempo ni con la posición, ya que suponemos que
estamos trabajando en estado de flujo estacionario y la mezcla de reacción
es completamente uniforme. El tiempo de mezcla tiene que ser muy pequeño
en comparación con el tiempo de permanencia en el reactor. En la práctica
se puede llevar a cabo siempre que la mezcla fluida sea poco viscosa y esté
bien agitada
m) REACTORES DE RECIRCULACIÓN. Pueden ser CON DISPOSITIVO
SEPARADOR, cuando se toma parte de la corriente de salida y se llevan
directamente a la entrada del reactor. SIN DISPOSITIVO SEPARADOR,
cuando en la salida del reactor colocamos un dispositivo separador que hace
que se separen reactivos y productos, luego los reactivos se recirculan de
nuevo al reactor.
n) REACTORES DE MEMBRANA. Son aquellos que combinan la reacción y
la separación en una sola unidad; la membrana selectivamente remueve una
(o más) de las especies reactantes o productos. Estos reactores han sido
comúnmente usados para aplicaciones en las cuales los rendimientos de la
reacción están limitados por el equilibrio. También han sido propuestos y
usados para otras aplicaciones; para incrementar el rendimiento y la
selectividad de reacciones enzimáticas y catalíticas influyendo a través de la
membrana sobre la concentración de una (o más) especies intermedias,
removiéndolas selectivamente (o ayudando a mantenerlas en una
concentración baja), evitando la posibilidad de que dichos compuestos
envenenen o desactiven el catalizador y para proveer una interface
controlada entre dos o más reactantes.
o) FERMENTADORES. Este tipo de reactores utilizan hongos, los cuales
forman un cultivo, el cual a su vez se transforma en una “sopa” espesa que
contiene crecimientos filamentosos. Un ejemplo se encuentra en la
fabricación de antibióticos como la penicilina.
p) REACTOR TRICKLE BED. Este tipo de reactor supone la existencia de un
flujo continuo de gas y otro de líquido hacia abajo sobre un lecho fijo de
partículas sólidas catalíticas, las características de las partículas sólidas y de
su empaquetamiento, junto con los caudales y propiedades de las dos
corrientes de fluidos determinarán el régimen de flujo del reactor y también
sus propiedades fluido-dinámicas.
También se pueden mencionar los reactores ISOTÉRMICOS, que son
aquellos que trabajan u operan a una misma temperatura constante; y
también los reactores ISOBÁRICOS, que son aquellos que trabajan u operan
a una misma presión constante.
REACTOR CSTR
El reactor CSTR, o reactor continúo de tanque agitado, o reactor de retro
mezcla, es un tanque equipado con facilidades para carga y descarga
continua de material, para transferencia de calor y para agitación de la masa
reaccionante. Cuenta además con la instrumentación que permite medir y
controlar variables como el volumen y la temperatura. Este reactor es
ampliamente utilizado en reacciones en fase líquida y en sistemas
heterogéneos gas-líquido y sólido-líquido.
FIGURA 2.37. Esquemas de reactores CSTR.
Fuente: Enseñanza de reactores CSRT
En la operación normal de un reactor CSTR se cumplen dos condiciones
fundamentales:
• Mezcla perfecta: implica que todas las condiciones de operación y
las propiedades de transporte son iguales en cualquier punto de la
masa reaccionante. Esta condición se expresa en el nombre
mismo del reactor: de retro mezcla. La mezcla perfecta depende
de la geometría del reactor y de las facilidades de agitación.
• Estado estacionario: El régimen estacionario se refiere a que las
condiciones de operación (temperatura, presión y concentración)
no cambian durante el tiempo de operación del reactor.
Todo esto conlleva a modelar sin variaciones en la concentración,
temperatura o velocidad de reacción en todos los puntos del reactor, es
decir: ninguna de las variables es función del tiempo ni de la posición en el
reactor.
Otra particularidad asociada a la utilización del reactor CSTR es la baja
eficiencia relativa, es comparación con otros reactores, con respecto a la
relación de conversión por unidad de volumen. La concentración de reactivos
en la corriente de entrada disminuye “instantáneamente” dentro del reactor
debido a la retro mezcla; la corriente de entrada se homogeniza dentro del
reactor. A menor concentración de reactivos en el reactor, menor velocidad
de reacción y por consiguiente, menor conversión por unidad de volumen.
DINÁMICA DEL REACTOR CSTR
FIGURA 2.38. Diagrama causal de la operación del reactor CSTR con
intercambio de calor, en el que ocurre una reacción exotérmica
Fuente: Enseñanza de reactores CSRT
En el caso de una reacción exotérmica, en un reactor CSTR, la dinámica del
proceso está determinada por cuatro eventos: conversión de reactivos en
productos, energía liberada por la reacción, calor intercambiado con los
alrededores y además, intercambio de energía mediante las corrientes de
entrada y salida del reactor.
El ciclo de conversión de reactivos en productos es negativo: a mayor
concentración de reactivos, mayor velocidad de reacción; a mayor velocidad
de reacción mayor concentración de productos y a mayor concentración de
productos, menor concentración de reactivos.
El ciclo de liberación de energía por reacción química es positivo: a mayor
velocidad de reacción, más energía liberada; a mayor energía liberada,
mayor temperatura; a mayor temperatura, mayor velocidad de reacción.
El ciclo de intercambio de calor es negativo: a mayor temperatura en el
reactor, más calor se retira; a mayor calor retirado, menor temperatura.
Las corrientes de entrada y salida del reactor transportan energía interna por
lo que se constituye un ciclo de control: el flujo de entrada de material
aumenta la energía del sistema, E, a mayor energía total del sistema, mayor
temperatura; a mayor temperatura, mayor energía en la corriente de salida, a
mayor energía que sale en la corriente de salida, menor energía en el
reactor, completándose así un ciclo de retroalimentación negativo. Es decir,
los flujos de entrada y salida de material al reactor CSTR hacen parte del
sistema de control de temperatura.
BALANCE MOLAR
Para conocer las ecuaciones que rigen el comportamiento de un reactor
CSTR, es necesario establecer unos conocimientos básicos, empezaremos
por definir de manera sencilla que es un balance: en un balance contamos la
cantidad de una sustancia (como las moles de una especie química) o
magnitud (como la energía) que entra, sale, acumula y/o se genera de dentro
de un sistema.
Balance molar del reactor CSTR:
Donde representa el flujo de moles de j que entran al reactor ,
representa el flujo de moles de j que salen del reactor, el término integral de
la velocidad de reacción de j con respecto al volumen es la generación de
moles de j debido a la reacción y por último la variación de con respecto al
tiempo es la acumulación de la especie j en el reactor.
Debido a la agitación continua la velocidad de reacción no cambia con la
posición en el reactor, por lo tanto:
Si el reactor opera en estado estacionario, es decir, las propiedades no
cambian con el tiempo:
Entonces,
Despejando el volumen de reacción se obtiene la primera ecuación de
diseño para un reactor CSTR
BALANCE DE ENERGÍA
Una reacción química está acompañada por un efecto calórico, por lo tanto
es importante conocer de qué manera se modifica la temperatura de la
mezcla reaccionante.
En el reactor CSTR la masa entra y sale del reactor constituyéndose así un
sistema abierto, por lo tanto parte de la energía intercambiada con el entorno
se debe a ese flujo de masa que entra y sale del reactor, el resto de
intercambio de energía se debe al trabajo efectuado por el reactor y al
intercambio de calor con el entorno.
En otras palabras se tiene:
Donde:
y significan la energía que se intercambia con el entorno
debido a la masa que entra y sale del reactor respectivamente.
Significa la cantidad de energía que se acumula dentro del reactor
debido a la masa.
es el flujo de calor que se intercambia con el entorno
se define como el trabajo de flujo y otros tipos de trabajo,
El trabajo de flujo es el trabajo necesario para empujar la masa dentro o
hacia fuera del reactor, y es definida como , donde P es la presión y es
el volumen específico de la sustancia j, en estos términos el trabajo se puede
definir como:
Reemplazando la ecuación anterior en la ecuación del balance de energía y
reorganizando, se tiene:
La energía , y es la suma de la energía interna , energía
cinética, energía potencial, energía eléctrica o cualquier otra clase de
energía que esté asociada a la sustancia j , pero en la mayoría de casos la
contribución de la energía cinética, energía potencial y las demás clases de
energía resultan insignificantes al compararlos con la entalpia o el
intercambio de calor por lo que se omitirán, recordando además la relación
entre entalpia, energía interna y el producto entonces se obtiene:
La entalpía que entra o sale del reactor se puede expresar como la suma de
la energía interna introducida o extraída del reactor por el flujo de masa más
el trabajo de flujo, para la masa de la sustancia j que entra y sale del reactor
respectivamente, se llega a:
Si consideramos que el reactor opera en estado estable, el término que
involucra acumulación de energía se hace nulo, es decir:
El balance energía definitivo para un reactor CSTR será entonces:
Dejando el flujo de sustancia j que sale del reactor en función del flujo del
componente de referencia A, el parámetro y la conversión de A, logramos
simplificar y llegar a otras definiciones más manejables.
El flujo de sustancia j que entra al reactor también se puede dejar en función
del flujo del componente A y el parámetro
Flujo de calor hacia el reactor Q
El intercambiador de calor es el dispositivo encargado de transmitir el flujo de
calor hacia el reactor, y las variables que suelen usarse son el coeficiente
global de transferencia de calor, U, el área de intercambio de calor, A, la
temperatura ambiente y la temperatura dentro del reactor, T.
El coeficiente global de transferencia de calor se define como la resistencia
térmica entre dos fluidos separados por una pared de cualquier geometría y
se calcula considerando la resistencia térmica conductiva y convectiva
presente entre los fluidos. Por ejemplo para dos fluidos que bañan una pared
cilíndrica el valor de U se calcula así:
Donde y hacen referencia al coeficiente convectivo de transferencia de
calor del fluido interno y externo respectivamente, L es la longitud del cilindro
y A es el área de transferencia de energía.
En adelante no se mencionará como calcular el coeficiente global de calor, ni
su área de transferencia, sino se asumirá que ya se tiene el valor UA del
reactor.
El flujo de calor trasmitido hacia el reactor se puede expresar en función de
la media logarítmica de los incrementos de temperatura en los extremos del
intercambiador.
La deducción de la ecuación de
transferencia de calor del intercambiador al
reactor en función de la diferencia logarítmica
media, se puede encontrar en un libro de
transferencia de calor como el
"Transferencia de calor Anthony F, Mills" en el capítulo 8 de la versión en
español.
Si el intercambiador opera en estado estacionario, es decir, la energía no se
acumula dentro del intercambiador, el balance de energía del intercambiador
de calor seria:
donde es la capacidad calorífica del fluido del intercambiador (la letra c
hace alusión a la chaqueta) y es una temperatura de referencia,
eliminando algunos términos y reorganizando:
Al despejar la temperatura del fluido a la salida del intercambiador en la
ecuación anterior:
Si se reescribe reemplazando el valor de , obtenemos:
o
Para velocidades de flujo de fluido del intercambiador elevadas podemos
llegar a la siguiente aproximación:
Debido a la elevada velocidad de flujo no se consideraría una diferencia
significativa entre la temperatura del fluido en la entrada y la salida del
intercambiador, por lo tanto :
CONCENTRACIÓN
Como el reactor CSTR es un sistema de flujo continuo, la concentración
en un punto dado puede ser determinada de la velocidad de flujo molar y
de la velocidad de flujo volumétrico v, así:
De forma general:
Entonces, se puede escribir las concentraciones de A,B,C y D para la
reacción general en términos de las velocidades de flujo iniciales, la
conversión y la velocidad de flujo volumétrico:
Para simplificar las ecuaciones, se usa el parámetro :
Para reacciones en fase liquida que tienen lugar en solución, los cambios en
la densidad del soluto no afectan la densidad total de la solución
significativamente, esto es esencialmente un proceso de reacción a volumen
constante; como consecuencia , entonces:
De forma general:
CREACIÓN DEL MODELO
Para poder llevar a cabo esta simulación el modelo se creara en el simulador
de Hysys 3.2. Siendo el siguiente:
FIGURA 2.39. Modelo a simular
Fuente: Elaboración propia
Este modelo nos permitirá producir Etilen Glycol, por reacción del Oxido de
Etileno (C2Oxide) y agua, y posterior separación en una columna de
destilación
PROCESO DE SIMULACIÓN
El proceso de simulación a llevar a cabo será para realizar la simulación
estacionaria y la simulación dinámica de un proceso químico en el ambiente
del simulador de procesos Hysys. Se indican las facilidades para construir el
flowsheet, resolver los balances de masa y energía, y preparar el caso para
correrlo en modo dinámico.
CLASIFICACIÓN DE LA SIMULACIÓN A UTILIZAR
1. Simulación Discreta: modelación de un sistema [...] por medio de una
representación en la cual el estado de las variables cambian
instantáneamente en instante de tiempo separados. (En términos
matemáticos [...] el sistema solo puede cambiar en instante de tiempo
contables)
2. Simulación Continua: modelación [...] de un sistema por medio de una
representación en la cual las variables de estado cambian continuamente en
el tiempo. Típicamente, los modelos de simulación continua involucran
ecuaciones diferenciales que determinan las relaciones de las tasas de
cambios de las variables de estado en el tiempo.
3. Simulación Combinada Discreta-Continua: modelación de un sistema
por medio de una representación en la cual unas variables de estado
cambian continuamente con respecto al tiempo y otras cambian
instantáneamente en instante de tiempo separados.
Es una simulación en la cual interactúan variables de estado discretas y
continuas.
Existen tres tipos de interacciones entre las variables de estado de este tipo
de simulaciones:
• Un evento discreto puede causar un cambio discreto en el valor de una
variable de estado continua.
• Un evento discreto puede causar que la relación que gobierna una variable
de estado continua cambie en un instante de tiempo en particular.
• Una variable de estado continua de punto de partida puede causar que un
evento discreto ocurra, o sea, programado.
4. Simulación Determinística y/o Estocástica: una simulación
determinística es aquella que utiliza únicamente datos de entra
determinísticos, no utiliza ningún dato de entrada azaroso. En cambio un
modelo de simulación estocástico incorpora algunos datos de entrada
azarosos al utilizar distribuciones de probabilidad.
5. Simulación estática y dinámica: La simulación estática es aquella en la
cual el tiempo no juega un papel importante, en contraste con la dinámica en
la cual si es muy importante.
6. Simulación con Orientación hacia los eventos: modelaje con un
enfoque hacia los eventos, en el cual la lógica del modelo gira alrededor de
los eventos que ocurren instante a instante, registrando el estado de todos
los eventos, entidades, atributos y variables del modelo en todo momento.
7. Simulación con Orientación hacia procesos: modelaje con un enfoque
de procesos, en el cual la lógica del modelo gira alrededor de los procesos
que deben seguir las entidades. Es cierta forma, es un modelaje basado en
un esquema de flujo grama de procesos, el cual se hace es un seguimiento a
la entidad a través de la secuencia de procesos que debe seguir.
La simulacion a utilizar como se menciono en el punro anterior sera la
Estatica y Dinamica.
ETILENGLICOL
El Etilenglicol (sinónimos: 1,2-Etanodiol, glicol de etileno, 1,2-dioxietano,
glicol) es un compuesto químico que pertenece al grupo de los glicoles. El
etilenglicol es un líquido transparente, incoloro, ligeramente espeso como el
almíbar, a temperatura ambiente es poco volátil, pero puede existir en el aire
en forma de vapor, el etilenglicol es inodoro pero tiene un sabor dulce. Se
fabrica a partir de la hidratación del óxido de etileno (epóxido cancerígeno).
Se utiliza como anticongelante en los circuitos de refrigeración de motores
de combustión interna, como difusor del calor, para fabricar compuestos de
poliéster, y como disolventes en la industria de la pintura y el plástico. El
etilenglicol es también un ingrediente en líquidos para revelar fotografías,
fluidos para frenos hidráulicos y en tinturas usadas en almohadillas para
estampar, bolígrafos, y talleres de imprenta.
Representación del Etilenglicol
Nombre (IUPAC) sistemático 1,2-Etanodiol
Fórmula molecular C2H6O2
PRODUCCION
El etilenglicol se produce a partir de etileno, mediante el compuesto
intermedio óxido de etileno. El óxido de etileno reacciona con agua
produciendo etilenglicol según la siguiente ecuación química
C2H4O + H2O → HOCH2CH2OH
Esta reacción puede ser catalizada mediante ácidos o bases, o puede ocurrir
en un pH neutro a temperaturas elevadas. La mayor producción de
etilenglicol se consigue con un ph ácido o neutro en presencia de abundante
agua. Bajo estas condiciones, se puede obtener una productividad del 90%.
Los principales subproductos obtenidos son dietilenglicol, trietilenglicol, y
tetraetilenglicol.
USOS
El etilenglicol se emplea como anticongelante en sistemas de refrigeración y
calefacción, como disolvente en las industrias de pinturas y plásticos y como
ingrediente de los líquidos des congelantes utilizados en las pistas de los
aeropuertos. Se utiliza en líquidos hidráulicos para frenos, en la dinamita de
bajo punto de congelación, en tintes para madera, en adhesivos, en tintes
para el cuero y en el tabaco. También sirve como deshidratante del gas
natural, como disolvente de tintas y pesticidas y como ingrediente de
condensadores electrolíticos.
DIETILENGLICOL
Es de la familia de los alcoholes es un líquido viscoso, incoloro e inodoro de
sabor dulce. Es higroscópico (propiedad de algunas sustancias de absorber
y exhalar la humedad según el medio en que se encuentran), miscible en
agua, alcohol, etilenglicol, etc... Se absorbe rápidamente por las vías
digestivas y respiratorias y por contacto prolongado por la piel. El mecanismo
de metabolización es llevado a cabo en el hígado y riñón, y la dosis letal para
humanos se estima en un rango entre 0.014 a 0.170 miligramos de
dietilenglicol por kilogramo de peso.
PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS
Apariencia: Líquido, claro, incoloro, prácticamente inodoro, sabor dulzoso
Gravedad Específica (Agua=1): 1.1184 / 20°C
Punto de Ebullición (ºC): 245.8
Punto de Fusión (ºC): -7
Densidad Relativa del Vapor (Aire=1): No reportada
Presión de Vapor (mm Hg): 0.01 / 30°C
Viscosidad (cp): 0.30 / 25°C
pH: N.A.
Solubilidad: Soluble en agua, etanol, acetona, éter. Insoluble en benceno,
tolueno, tetracloruro de carbono.
USOS
El dietilenglicol es un humectante para el tabaco, la caseína, las esponjas
sintéticas y los productos de papel. También se encuentra en compuestos de
corcho, adhesivos de encuadernación, líquidos de freno, lacas de barnizado,
cosméticos y soluciones anticongelantes para sistemas de aspersión. El
dietilenglicol se utiliza en las juntas hidráulicas de los depósitos de gas, para
la lubricación y el acabado de tejidos, como disolvente de colorantes de tina
y como agente deshidratante del gas natural.
ÓXIDO DE ETILENO
El óxido de etileno es un gas inflamable de aroma más bien dulce. Se
disuelve fácilmente en agua.
El óxido de etileno es una sustancia química manufacturada usada
principalmente para fabricar glicol de etileno (una sustancia química usada
para fabricar anticongelante y poliéster).
Una pequeña cantidad (menos de 1%) es usada para controlar insectos en
ciertos productos agrícolas almacenados, y una cantidad muy pequeña se
usa en hospitales para esterilizar equipo y abastecimientos médicos.
Otros nombres: Epoxietano
Fórmula semidesarrollada: C2H4O
PROPIEDADES FÍSICAS
Densidad: 899 kg/m3; 0,899 g/cm3
Masa molar: 44.05 g/mol
Punto de fusión: 161 K (-112.1 °C)
Punto de ebullición: 283.5 K (10.4 °C)
PROPIEDADES QUÍMICAS
Solubilidad en agua: Miscible
CAPÍTULO III
PLANEAMIENTO OPERACIONAL Y CORRIDAS DE PRUEBA
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
El Etilen Glicol (EGlycol) se obtiene por reacción del Oxido de Etileno
(C2Oxide) y agua, y posterior separación en una columna de destilación. En
la Fig. 3.1 se presenta el flowsheet del proceso.
FIGURA 3.1. Diagrama de flujo del proceso de producción de Etilen Glicol
Fuente: Elaboración propia
Las corrientes de alimentación se mezclan previamente en un Mixer. La
corriente resultante ingresa a un reactor tanque agitado continuo que
funciona a temperatura constante y a 10 atm de presión.
VARIABLES A EVALUAR
Las variables a controlar son las corrientes de ingreso, como se muestran en
la Tabla 3.1
TABLA 3.1 Variables a Controlar
Nombre Oxido de Etileno Agua
Fracción de Vapor - 0
Temperatura (ºC) 50 -
Presión (atm) 10 10
Flujo Molar (kgmol/h) 500 -
Composición de las corrientes de Ingreso
Oxido de Etileno Fracción Molar: 1.0 Flujo Molar: 0.0 kgmol/hr
Agua Fracción Molar: 0.0 Flujo Molar: 1000 kgmol/hr
Etilen Glicol Fracción Molar: 0.0 Flujo Molar: 0.0 kgmol/hr
Dietilen Glicol Fracción Molar: 0.0 Flujo Molar: 0.0 kgmol/hr
Fuente: Elaboración propia
MATERIALES Y EQUIPOS
• Datos Termodinámicos
• Datos Cinéticos
• Simulador Hysys
• Computadora
• Métodos Numéricos
ALGORITMO DE TRATAMIENTO SELECCIONADO
FIGURA 3.2. Algoritmo de simulacion
1. Formulacion del problema y del plan de estudio
2. Recoleccion y analisis de datos deentrada y definicion del modelo
3. ¿Modelo conceptualvalido?
4. Construccion del modelo y verificar
5. Hacer corridas piloto
6. ¿Modelo construidovalido?
7. Diseño de experimentos
8. Hacer corridas de produccion
9. Analisis de los datos de salida 10. Optimizacion
11. Documentar, presentar y usar resultados
SI
SI
NO
NO
Fuente: Elaboración propia
RECOLECCIÓN DE DATOS
Las reacciones, que se describen en Tabla 3.2, ocurren en fase líquida. El
reactor tiene un volumen de 8 m3, se supone caída de presión nula y
mantiene un nivel de líquido de 85 %. En la Tabla 3.3 se indican los datos
cinéticos.
TABLA 3.2. Reacciones Químicas
Fuente: Elaboración propia
TABLA 3.3. Datos Cinéticos
Fuente: Tablas termodinámicas
SIMULACIÓN DEL PROCESO
SIMULACIÓN ESTATICA DEL PROCESO
Comenzando a “dialogar” con el simulador... Creando un Set de
unidades
El primer paso en la construcción de un nuevo caso (New Case) de
simulación es elegir el conjunto de unidades con el que se prefiere trabajar.
HYSYS no permite modificar los tres conjuntos de unidades básicos (SI,
EuroSI, Field) que trae incorporado, pero si posibilita generar a partir de
ellos, un nuevo set que se ajuste a nuestras exigencias/preferencias.
1.- Para cambiar las unidades debemos seleccionar Tools del menú
principal; posicionar el cursor sobre Preferences, aparecerá una pantalla
titulada “Session Preferences (HYSYS.prf)”. Posicionar el cursor sobre la
página Units y hacer click; esto puede verse en la Figura 3.3. El Set de
Unidades por defecto es el conjunto SI, pero se puede modificar desde esta
pantalla.
FIGURA 3.3. Preferencia de Unidades
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Para cambiar las unidades utilizadas se procede de la siguiente manera
2.- Click en SI en la lista Available Unit Set para asegurarnos que éste sea
el set activo. Notar que la unidad por defecto para la presión es kPa.
Deseamos cambiarla a atm.
3.- Presionar el botón Clone. NewUser aparecerá resaltado en Unit Set
Name. Este es el nombre que asigna HYSYS al nuevo set de unidades; para
cambiarlo debemos ingresar EG (nombre que decidimos asignarle al set de
unidades que se utilizará para este caso) en la casilla nostrada en la Figura
3.4
4.- Nos movemos hasta la celda Pressure haciendo click en kPa.
Abrir la lista desplegable de las unidades disponibles en la Barra de Edición
haciendo click en 3.
FIGURA 3.4. Editando Unidades
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
5.- Haciendo click en atm, seleccionaremos la nueva unidad. El nuevo
conjunto de unidades queda así definido. Presionando el botón Close se
regresa al entorno de simulación.
Inicio de la simulación: Construcción del Flowsheet
Si hay otros casos en uso, es conveniente cerrarlos. Para ello, seleccionar
Close All del menú File. Comenzar un nuevo caso seleccionando File New
Case tal como se muestra en la Figura 3.5.
FIGURA 3.5. Editando Unidades
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Aparecerá la ventana del Simulation Basis Manager como se muestra en la
Figura 3.6. El próximo paso es crear el Fluid Package. Este contiene los
componentes y el método elegido para la predicción de propiedades fisico-
químicas.
FIGURA 3.6. Editando Fluid Package
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Para agregar un nuevo Fluid Package, estando en la página Fluid Pkgs,
presionar el botón Add. La elección del paquete de propiedades se realiza en la
página Prop Pkg. Para nuestro ejemplo utilizaremos Wilson.
Utilizando la barra de desplazamiento buscar Wilson en la lista Base Property
Package Selection. Ubicar el cursor sobre la palabra Wilson y hacer click.
Aparecerá un cartel en amarillo con la leyenda Wilson al pie de la ventana, como
se muestra en la Figura 3.7
FIGURA 3.7. Editando Modelo termodinamico
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
El siguiente paso es agregar los compuestos utilizados en el caso, para ello
seleccionar la página Components como se muestra en la Figura 3.8.
En la celda Match, ingresar “water”. Una vez que aparece el componente en
azul, presionar el botón Add pure. . En la sección Current Component List
aparecerá H2O.
FIGURA 3.8. Editando Modelo termodinamico
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Volver a la celda Match, hacer click, borrar Water e ingresar
Ethylene_Glycol, presionar Add pure. Volver a la celda Match, ingresar
EthyleneOxide, presionar el botón Add pure. Repetir para el último
componente, ingresando Ethylene_Diglycol
Una vez seleccionados todos los componentes aparecerá en la pantalla,
dentro de la sección Current Component List, una lista con los cuatro
componentes adicionados.
FIGURA 3.9. Componentes seleccionados
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Cálculo de los coeficientes binarios faltantes
Ir a la página Binary Coeffs, si aparecen algunos coeficientes binarios sin
calcular (esto es, si hay guiones de color rojo), presionar el botón Unknows
Only tal como se muestra en la Figura 3.10.
FIGURA 3.10. Coeficientes binarios
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
CINÉTICA DEL PROCESO
Definición de la reacción química
Recordemos que la definición de la reacción química pertenece a las
actividades básicas o preliminares. Por lo tanto, lo primero que debemos
hacer es acceder al denominado Basis Manager, si es que no estamos allí.
Para ello se puede seleccionar el botón:
Si estamos en la ventana Fluid Package se puede proceder de la siguiente
manera:
Ir a la página Rxns.
Presionar el botón Simulation Basis Mgr..., aparece la pantalla Simulation
Basis Manager. Ver Figura 3.11
Ir a la página Reactions.
FIGURA 3.11. Pagina de reacciones
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Presionar el botón Add Comps..., aparecerá la pantalla Reaction
Component Selection.
Presionar el botón Add this Group of Components. Aparecerán los
componentes en el recuadro Selected Reaction Components.
Presionar el botón Close. Ver Figura 3.12
FIGURA 3.12. Añadiendo componentes
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Presionar el botón Add Rxn..., aparecerá una pantalla titulada Reactions.
Ver Figura 3.13. Seleccionar el tipo de reacción: posicionar el cursor sobre
Kinetic. Presionar el botón Add Reaction. Aparecerá la pantalla Kinetic
Reaction: Rxn-1, en su primera página: Stoichiometry. Agregar los
componentes de la reacción seleccionándolos de la lista desplegable en el
campo superior de la pantalla. Aparecerán los pesos moleculares de cada
componente. En primer lugar definiremos la reacción para la obtención del
Etilenglicol, por lo tanto se seleccionan los compuestos H2O, Eglycol y
C2Oxide. Ver Figura 3.13
FIGURA 3.13. Estequiometria de las reacciones
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Completar los coeficientes estequiométricos, recordando que se deben
asumir valores negativos cuando los coeficientes correspondan a reactivos.
Verificar que el campo denominado Balance Error sea igual a cero. Nótese
que los órdenes de reacción aparecen automáticamente, y son iguales a los
coeficientes, pero pueden ser modificados ya que HYSYS los ha colocado en
color rojo.
Pasar a la página Basis. Ver Figura. 3.14. En el campo Basis seleccionamos
Mole Fraction. En el campo Base Component colocar C2Oxide
seleccionándolo de la lista desplegable del campo superior. En el campo
Rxn Phase , colocar LiquidPhase , también seleccionándolo de la lista
desplegable del campo superior. Tomar en cuenta las unidades de velocidad
utilizadas, las cuales son independientes del Set de Unidades seleccionado,
y son las que determinarán las unidades de la constante en la ecuación de
Arrhenius.
FIGURA 3.14. Seleccionando modelo cinético
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Pasar a la página Parameters e ingresar los valores de los parámetros de la
reacción con las unidades que correspondan. Para el caso de E (energia de
activacion), es posible ingresar el valor y seleccionar la unidad
correspondiente de la lista desplegable, en nuestro caso podemos ingresar E
con el valor dado al inicio y seleccionar cal/gmol de la lista desplegable (Ver
Figura. 3.15). Una vez ingresados los parámetros de la reacción directa, el
cartel en rojo Not Ready cambiará por el de Ready en color verde. Esto
significa que para HYSYS estos datos son suficientes ya que hemos elegido
una reacción cinética y no una cinética reversible, y si bien se podrían
agregar los datos para la reacción indirecta, esto no es necesario. Presionar
el botón Close.
FIGURA 3.15. Constantes de reacción
Hasta aquí hemos definido la primera de las reacciones consideradas. Es
necesario definir la reacción correspondiente a la obtención del DEGlycol.
Por lo tanto, solo basta repetir los pasos enunciados anteriormente
cambiando la estequiometria y los parámetros cinéticos A y E.
La
reacciones que hemos definido se encuentran en el Grupo de Reacciones
denominado Global Rxn Set, y es necesario adicionarlo al Paquete de
propiedades que hemos definido, para ello, posicionados en la página
Reactions de la vista Simulation Basis Manager, seguir los siguientes
pasos: Presionar el botón Add to FP. Aparecerá una pantalla titulada Add
‘Global Rxn Set’, seleccionar con el cursor el Paquete de Propiedades
BASIS-1 NC:4 PP:Wilson, y cuando se haya coloreado en azul, presionar el
botón Add Set to Fluid Package. La palabra Basis-1 aparecerá en el
recuadro Assoc. Fluid Pkgs. Ver Figura 3.16
FIGURA 3.16. Seleccionando segundo modelo cinético
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Hasta aquí hemos definido las bases de nuestro caso. Presionando el botón
Enter to Simulation Enviroment se ingresa al ámbito de simulación.
Entorno de Simulación
DISEÑO DE FLOWSHEET
Al ingresar al ámbito de simulación, aparecerá una ventana denominada
PFD en la cual se irá construyendo el caso, y se visualizará además la
plantilla de operaciones denominada Object Palette
(Ver Figura 3.17). Esta herramienta contiene en forma de iconos, las
diversas operaciones unitarias que se Utilizan en la construcción de casos
de simulación. Presionando la tecla F4 la misma se activa o Desactiva.
Para construir un caso se puede comenzar de diferentes modos, nosotros
Elegiremos el siguiente:
1.- Definir las corrientes de alimentación.
Primero activaremos la planilla para el ingreso de datos
denominada Workbook.Presionando el botón
En la página Material Streams, posicionarse en la celda
**New** y agregar los Siguientes datos:
TABLA 3.4. Datos de Operación
Name OxidoEtileno Agua
Vapour/Phase
Fraction
- 0
Temperature ( C) 50 -
Pressure (atm) 10 10
Molar Flow (kgmol/h) 500 1000Fuente: Elaboración propia
Una vez ingresados estos valores se puede observar que las demás celdas
permanecen con la palabra <empty>, porque aún es necesario agregar la
composición de cada corriente. Ver Fig. 18
FIGURA 3.17
Seleccionar la página Compositions, y agregar las composiciones molares
para cada componente:
TABLA 3.5. Datos de composición
Name OxidoEtileno Agua
Comp Mole Frac (H2O) 0 1
Comp Mole Frac (EGycol) 0 0
Comp Mole Frac (C2Oxide) 1 0
Comp Mole Frac (DEGlygol) 0 0Fuente: Elaboración propia
FIGURA 3.18. Ingresando datos de operación
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Después de ingresar el primer valor de la composición de la corriente
OxidoEtileno, aparecerá una pantalla llamada Input composition for
Stream: OxidoEtileno. Ingresar el resto de los valores, verificar que el valor
de la celda Total sea 1, y luego presionar el botón OK. Ver Figura 3.19.
Repetir la operación para la corriente de Agua.
FIGURA 3.19. Ingresando Composición
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Antes de continuar con la simulación, volver a la página Material Streams y
verificar que se hayan calculado el resto de los valores para cada corriente.
Ingresar al PFD (diagrama de flujo): hacer click en el icono PFD. Aparecerá
una pantalla titulada PFD - Case Main. Allí aparecen las dos corrientes ya
definidas. Podemos moverlas de lugar haciendo click sobre cada una y
arrastrando con el mouse.
2.- Seleccionar el Mixer: Posicionar el cursor sobre el icono del Mixer en la
paleta de objetos (Object Palette), y hacer click, luego posicionar el cursor en
la posición del PFD dónde deseamos ubicar el Mixer, y hacer nuevamente
click, aparecerá el diseño de un objeto cuya única función es la de mezclar
varias corrientes para obtener una sola de salida. Ver Figura 3.20
FIGURA 3.20. Ingresando datos de operación
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
3.- Definir las propiedades del Mixer o mezclador. Hacer doble click sobre el
icono del Mixer, aparecerá una pantalla titulada MIX-100, en su primera
Página. Aquí debemos definir:
Connections: Podemos ingresar varias corrientes de alimentación (Inlets).
Posicionar el cursor en **Add Stream**, abrir la lista desplegable de la barra
situada en la parte superior de esta pantalla. Seleccionar Agua con el cursor,
y automáticamente aparecerá esta corriente como alimentación del Reactor.
Repetir la operación para OxidoEtileno. Posicionarse en la celda Outlet e
ingresar el nombre Mezcla. Los datos ingresados hasta el momento son
suficientes para que se efectúen los cálculos Correspondientes para
determinar las propiedades de la corriente de salida del Mixer. Ver Figura
3.21
FIGURA 3.21. Conexiones del Mixer
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Parameters: Se puede continuar sin modificar los valores de esta página.
4.- Seleccionar el Reactor de Tanque Agitado (CSTR). Posicionar el cursor
sobre el icono del CSTR de la paleta de objetos (Object Palette), y hacer
click, luego posicionar el cursor en la posición del PFD dónde deseamos
ubicar el reactor, y hacer nuevamente click, aparecerá el diseño del reactor.
Ver Figura 3.22.
FIGURA 3.22. Reactor CSTR
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
lo mismo en la celda Liquid Outlet ingresando la palabra Productos, y luego
en Energy (Optional) ingresar Qreactor. Aparecerá un Cartel en amarillo
con la leyenda Not Solved, pues aún faltan datos para que HYSYS pueda
efectuar los Cálculos.
Parameters: aquí se encuentran colocados por defecto el volumen del
reactor. En la sección Optional Heat Transfer seleccionar Cooling, ya que la
reacción es exotérmica.
Reactions: abrir la lista desplegable en la celda Reaction Set y seleccionar
Global Reaction Set. Aparecerá un cartel verde con la leyenda Ready. Esto
significa que ha sido asignada una reacción al reactor. En la sección Vessel
Parameters, modificar el volumen del reactor a 8 m3 y el nivel del líquido
(Liquid Level) a 85%. Ver Figura 3.23
FIGURA 3.23. Reacciones del Reactor CSTR
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Worksheet: en esta página observamos todas las corrientes que entran o
salen del reactor, mientras en la parte inferior se observa la leyenda Not
Solved en color amarillo, esto es porque HYSYS no dispone de todos los
datos necesarios para resolver el modelo del reactor. El reactor puede
funcionar de las siguientes maneras:
i) Isotérmico: Para ejemplificar ingresar el valor 98.6212 ºC (valor
correspondiente a la mezcla de reactivos) en la celda de temperatura de la
corriente Productos. La leyenda Not Solved debe cambiar a OK, en color
verde. Ver Figura 3.24. Nótese que se han completado todos los valores de
las corrientes Productos y Venteo. Podemos ir a la página Reactions para
ver el % de conversión alcanzado.
FIGURA 3.24. Worksheet del Reactor CSTR
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
ii) Adiabático: volver a la página Worksheet, posicionar el cursor sobre la
temperatura de la corriente Productos y presionar <SUPR>, con ello se
volverá al valor original <empty> de ésta celda y de todas las que se
calcularon a partir de ella. Luego posicionarse en Heat Flow de la corriente
Qreactor e ingresar el valor cero. HYSYS comienza a calcular y después de
algunos momentos mostrará los valores calculados (271 ºC para los
productos), con una conversión del 100%. Analizar estos resultados.
iii) Politrópico: Siguiendo los procedimientos anteriores se pueden resolver
casos de funcionamiento no isotérmico-no adiabático. En este caso ingresar
180ºF en la celda de temperatura de la corriente Productos.
El PFD desarrollado hasta este momento debe modificarse, si es necesario,
para que su apariencia sea similar a la Figura 3.25. Grabar el caso
seleccionando File ® Save.
FIGURA 3.25. Flowsheet preparado hasta el momento
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Aparecerá la casilla de diálogo Save Simulation Case As.
Escribir un nuevo nombre, por ejemplo CASOEG, en la celda File Name.
Nótese nuevamente que no es necesario ingresar la extensión .HSC;
HYSYS lo añadirá automáticamente.
Presionar el botón OK, y HYSYS salvará el caso bajo el nuevo nombre.
Uso de Case Studies
Con el objeto de realizar un estudio sobre la reacción de obtención de
Etilenglicol para diferentes condiciones operativas, se puede hacer uso de
una de las posibilidades ofrecidas a través de la herramienta Databook,
estudios sobre un caso o Case Studies.
En primer término analizaremos la influencia producida por la relación de
reactivos. Para poder especificar el valor de una variable de una corriente
dada en función del valor tomado de otra variable se hace uso de la
operación SET. Ver Figura 3.26.
FIGURA 3.26. Opción Set
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Eliminar la especificación de flujo molar en la corriente OxidoEtileno. Notar
que al eliminar el valor, HYSYS no puede calcular completamente la
corriente.
Hacer doble clic sobre el icono del SET. En el grupo Target Variable
presionar el botón Select Var....Ingresar la propiedad Molar Flow de la
corriente OxidoEtileno como variable objetivo según se muestra en la Figura
3.27.
FIGURA 3.27. Select Tarjet Object
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
En el grupo Source seleccionar como variable fuente la corriente Agua. Ver
Figura 3.28. De esta manera el caudal molar de Oxido de Etileno será
función lineal del caudal molar de la corriente de agua. Es necesario ahora
especificar el valor de los parámetros que determinan esta función. En la
sección Parameters es necesario definir el factor multiplicador que en
nuestro ejemplo utilizaremos 0.5 por el momento. Ver Figura 3.29. De esta
manera el caudal molar de Oxido de Etileno será la mitad del de Agua.
FIGURA 3.28. Set 1- Conexiones
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
FIGURA 3.29. Set 1- Parámetros
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
A continuación utilizaremos la herramienta Databook para seleccionar las
variables involucradas en el Análisis.
En primer lugar, seleccionaremos Databook del menú Tools, aparecerá una
pantalla con varias páginas Como se muestra en la Figura 3 30.
FIGURA 3.30. Databook
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
La primera sección Variables se utiliza para seleccionar las variables a
estudiar. Presionamos el botón Insert, y seleccionamos SET-1 de la columna
Object y luego Multiplier de la columna Variable. Ver Figura 3.31. Presionar
el botón OK al finalizar.
FIGURA 3.31. Variables de Databook
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Siguiendo el mismo procedimiento insertar a continuación las variables
indicadas la Figura 3.32
FIGURA 3.32. Databook
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Una vez ingresadas todas las variables de interés, seleccionar la sección
Case Studies. Presionar el botón Add. Aparecerá la leyenda Case Studies
1 en el recuadro Available Case Studies. Ahora será necesario definir las
variables independientes y dependientes. Entendemos por variables
independientes aquellas que podemos variar su valor y a partir de la cuales
se determinan los valores de las demás variables.
Seleccionaremos la variable Multiplier del objeto SET-1 como variable
independiente. La composición de los compuestos de la corriente Productos
serán las variables dependientes. Ver Figura 3.33.
FIGURA 3.33. Databook Case Studies
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
A continuación presionar el botón View.. para establecer los límites e
incremento de la variable independiente. Se sugiere hacer el estudio en el
rango de 0.001 a 1 con incrementos de 0.1. Ver Figura 3.34. Observar el
recuadro Number of States, nos indica la cantidad de estados que se
calcularán.
FIGURA 3.34. Case Studies
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Presionando el botón Start comienza a ejecutarse los cálculos. Mientras
esperamos podemos presionar el botón Results... y observar el Gráfico o la
Tabla de valores que se genera. El Gráfico final puede verse en la Figura
3.35.
FIGURA 3.35. Grafico de Resultados
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Observando el gráfico se puede suponer que es más conveniente trabajar a
relaciones OE/Agua bajas donde la producción de EtilenGlicol se ve
favorecida frente a la de DietilenGlicol.
Se puede plantear el mismo análisis seleccionando la temperatura de la
corriente Productos como variable independiente. De este modo podemos
ver la influencia de la temperatura sobre la velocidad de reacción.
Aplicación de Columnas de Destilación
En esta parte se deberá comenzar a trabajar con el archivo Planta1.hsc que
contiene el diagrama de flujo, representado en la Figura 3.25
El objetivo es incrementar el diagrama de flujo de acuerdo con el de la Figura
3.36
FIGURA 3.36. Completando Flowsheet
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
El primer paso consiste en incorporar una válvula cuya única función es
disminuir la presión de la corriente que fluye del reactor. Presionando F4
aparecerá la paleta de objetos, la válvula corresponde al icono mostrado en
la Figura 3.37.
FIGURA 3.37. Válvula
FIGURA 3.38. Válvula
Parámetros
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
En la sección Parameters se introducirá la caída de presión correspondiente
a 8 atm (ver Figura 3.38).
Agregando la columna de destilación
La inserción de la columna puede realizarse desde el PFD. Presionando F4
aparece la paleta de objetos tal como se muestra en Figura 3.17 y se
selecciona el esquema de la columna con sus correspondientes
condensador y rehervidor. (Ver Figura 3.39)
Haciendo doble click en el esquema de la columna aparecerá el Distillation
Column Input Expert (ver Figura 3.40) a fin de guiar en el llenado de los
datos que definen a este sistema.
En la página 1 de 4 ingresar los siguientes datos:
o Número de etapas: 10
o Plato de alimentación: 5
o Nombre de la alimentación: FeedColumna
o Tipo de condensador: Total
o Nombres de las corrientes de materia y energía según se muestra
en la Fig. 41.
Completada la página 1 se habilitará el botón Next. Presionando este
pasaremos a la página siguiente.
FIGURA 3.39.
Valvula
En la página 2 de 4 se define el perfil de presión dentro de la columna. Los
valores son:
o Presión en el condensador: 15.00 psia
o Presión en el rehervidor: 17.00 psia
o Caída de presión en el condensador: 0 psia
FIGURA 3.40. Propiedades de la columna de destilación Pág. 1
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
En la página siguiente (3/4) se pueden ingresar estimaciones. Estos valores
son opcionales y no se consideran en este ejemplo.
En la última página (4/4) se ingresan las especificaciones operativas de la
columna:
o Relación de reflujo: 0.7
o Flujo: Base molar
Al terminar presionar el botón DONE.
FIGURA 3.41. Propiedades completas de destilación Pág. 1
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Los datos del sistema quedan completamente definidos. Una vez
posicionados en el libro de cálculo correspondiente a la columna en la hoja
Specs se debe notar que las especificaciones establecidas deben ser tales
que garanticen que los grados de libertad sean igual a 0 indicando que la
columna ya está lista para ser resuelta. Además el INPUT EXPERT indica
que se requiere la especificación en 2 variables a fin de conformar el
conjunto de datos que configuren esta condición (grados de libertad = 0). La
adición de especificaciones distintas de las sugeridas por el INPUT EXPERT
se realiza como se muestra en la Figura 3.42. Presionando el botón ADD
aparece una ventana con todas las posibles variables que pueden ser
especificadas.
Se seleccionará COMPONENT FRACTION (Figura 3.43) y aparecerá una
nueva ventana como la que se muestra en la Figura 3.44, en la que deberán
consignarse los datos que allí aparecen. Luego apretar Close y esa opción
queda incluido en la lista de especificaciones. Es importante notar que
pueden aparecer en la hoja Monitor varias especificaciones a la vez, sin
embargo las únicas con las que efectúa el cálculo es con las que tienen la x
en la columna ACTIVE. Volviendo a la hoja Monitor si se presiona Group
Active se reordenan las especificaciones activas. Finalmente presionando
FIGURA 3.42. Propiedades Specs
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
el botón Run comienza el cálculo en estado estacionario de la columna. El
mismo consiste en cerrar los balances de masa y energía bajo la suposición
de que las “entradas” son iguales a las “salidas”.
FIGURA 3.43. FIGURA 3.44. Fracción de Agua
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Cuando el cálculo ha culminado con éxito aparece el cartel en fondo verde
CONVERGED (ver Figura 3.45) indicando que se han podido evaluar
correctamente las variables de interés respetando las especificaciones
dadas.
Notar que la mayoría de los datos de interés aparecen en la hoja SUMMARY
así como los perfiles de las variables tales como temperatura, presión, flujos
de líquido y vapor se hallan presentados en la hoja PROFILE.
FIGURA 3.45. Monitor de la Columna
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Los resultados del caso principal pueden verse en el WORKBOOK
desplegando la información detallada según se observa en la Figura 3.46.
FIGURA 3.46. Workbook
3.7 BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA
Es posible también presentar una WORKBOOK con las composiciones de
las corrientes tal como se muestra en la Fig. 47. Que es el Balance e Materia
del destilador. Asi tambien en la pagina Energy Streams encontraremos el
balance de energia.
FIGURA 3.47. Balance de Materia
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
SIMULACIÓN DINAMICA DEL PROCESO
Simulación en modo Dinámico Caso II: Reactor de producción de
Propilenglicol
Instalación de controladores PID
En este trabajo se propone la instalación de controladores en un reactor de
producción de Propilenglicol. Por lo tanto, el usuario deberá instalar lazos de
control locales y externos en el reactor. El usuario comenzará a trabajar con
el archivo llamado “PG-Dinamico.hsc”.
FIGURA 3.48. Flowsheet
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Cabe señalar que se entiende por “control local” a aquellos que están
implícitamente vinculados a las operaciones unitarias con el volumen de
líquido en ellos retenidos (holdup). Por ejemplo cada recipiente tiene un
control local de nivel. Luego si se produjera alguna alteración en el nivel de
líquido, por ejemplo una subida extrema, la válvula de líquido asociada se
encargaría de efectuar una salida del mismo para mantener el nivel en
valores predeterminados.
Cada operación unitaria con volumen retenido que presenta HYSYS tiene
incorporadas válvulas de vapor y líquido como un elemento estándar de la
operación. La información necesaria para el dimensionamiento de estas
válvulas se encuentra en la página correspondiente a Liquid Valve o Vapour
Valve. Se analizará en cada equipo con volumen retenido, el
dimensionamiento de las correspondientes válvulas. Inicialmente se realizará
para el caso de la válvula de vapor del reactor tal como se observa en la
pantalla de la Figura 3.49.
FIGURA 3.49. Vapour Valve del Reactor CSTR
En este caso las condiciones de la reacción son tales que no producen vapor
en el reactor. El flujo a través de la válvula de vapor se calcula basándose en
la presión diferencial entre el interior del recipiente y la corriente aguas abajo
del equipo. Si la presión en el reactor comienza a subir la válvula debe
abrirse a fin de producir el venteo del equipo. Esta clase de “control local”
sería equivalente a tener un controlador de punto digital que abre o cierra la
válvula en caso de que la variable de proceso exceda un determinado valor
límite.
Análogamente a lo anterior sucede con la válvula de líquido del reactor a la
que se le han asignado los valores indicados en la Figura 3.50. Cabe señalar
que dado que la variación de nivel en el reactor produce cambios en el
caudal de sus productos y que éstos a su vez son los que alimentarían a la
columna de destilación aquí sólo se incorporarán los valores máximos y
mínimos de flujo. Por lo tanto, en este caso se optará por efectuar el control
de nivel en forma externa como se verá posteriormente.
FIGURA 3.50. Vapour Valve del Reactor CSTR
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Instalación de controladores externos
La nomenclatura utilizada para las principales variables que tienen que ver
con el controlador es:
PV: variable de proceso, corresponde a la variable controlable
OP: salida (OUTPUT) o variable manipulable, encargada de mantener a PV
en su valor de SET POINT.
También se debe tener en cuenta que la acción de control puede ser:
Directa: cuando el valor de la variable de salida aumenta, la apertura de
válvula también aumenta.
Inversa: cuando el valor de la variable de salida aumenta, la apertura de
válvula debe disminuir
“TUNING”: Se refiere a la sintonización de los controladores; es decir, darle
valores a los parámetros de ajuste del mismo, tales como ganancia, tiempo
integral y tiempo derivativo. Considerar que HYSYS sólo tiene incorporados
controladores clásicos PID y en caso de necesitar esquemas de control de
otro tipo es necesario incorporarlo a través de programas especialmente
diseñados para ello.
Instalación de control de nivel en el reactor
De la paleta de objetos (OBJECT PALETTE -F4-) seleccionar el controlador
PID. Ver Figura 3.51. Colocarlo en el PFD, y hacer doble click sobre él.
FIGURA 3.51. Controlador PID
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
En la primera sección, Connections, debemos definir la variable controlada
(PV) y la variable manipulada (OP). Presionamos el botón Select PV... y se
nos abrirá la ventana Select Input PV, debemos seleccionar la variable
Liquid Percent Level del reactor como se indica en la Figura 3.52.
FIGURA 3.52. Select Input Pv
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Presionamos el botón OK y regresamos a la vista original. Para seleccionar
la variable manipulada hacemos click sobre el botón Select OP y elegimos la
corriente Productos. Finalmente nos quedará definido el controlador como
se muestra en la Figura 3.53.
FIGURA 3.53. Reactor LC
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Debemos ingresar los demás parámetros necesarios para definir el
controlador guiándonos por la tabla siguiente.
TABLA 3.6. Parámetros
Connections Name Reactor LC
PV – Process Variable Source Object: Reactor
Output Target Object OP: Productos
Parameters PV Minimum 0%
PV Maximum 100%
Control Action Direct
Tunning Kp 1
Ti 20
Td <empty> porque se opta por un
controlador PI
Fuente: Elaboración propia
Finalmente, definido el controlador, activaremos la ventana que nos permite
modificar los parámetros del controlador denominada Face Plate. Debemos
presionar el botón Face Plate que se encuentra en la parte inferior de la
ventana del controlador. Aparecerá una nueva ventana en la que
cambiaremos el modo del controlador a Auto. Ver Figura 3.54.
FIGURA 3.54. Tuning
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Instalación de control de temperatura en el reactor
Repitiendo los pasos anteriores instalar un nuevo controlador PID y definirlo
según los valores de la siguiente tabla.
TABLA 3.7. Parámetros PID
Fuente: Elaboración propia
Para dimensionar la válvula de flujo calórico presionamos el botón View
Control Valve en la sección Connections y completamos los siguientes
datos:
o Asegúrarse que el botón DIRECT Q está seleccionado.
o MIN AVAILABLE: 0 kW
o MAX AVAILABLE: 2500 kW. (aprox. el doble del valor de estado
estacionario que coincide con el valor de SP)
o Presionar Close.
Para decidir qué valores poner para el PV MIN y PV MAX se toma como
punto de partida el valor de estado estacionario, en este caso corresponde a
la actual temperatura de operación del reactor 60° C.
El objetivo se plantea como tratar de mantener la temperatura del reactor en
ese valor, luego se propone un rango de PV entre 20 y 120 ° C.
Finalmente activar el Face Plate, presionando el botón correspondiente.
Consideraciones previas a la simulación en modo dinámico.
Al trabajar con el caso en forma “dinámica” puede resultar útil ir observando
la evolución de las variables de interés en forma gráfica o numérica. En
particular esta última opción es útil para guardar en archivos aquellos
resultado de los que pueden obtenerse conclusiones. HYSYS presenta una
interesante herramienta para este fin como es el STRIP CHART. Por ello, en
lo que sigue se presentará un pequeño resumen de las etapas a seguir para
recopilar y visualizar los resultados de una simulación.
TABLA 3.8. Etapas a seguir
VARIABLES CONTROLADAS VARIABLES MANIPULADAS
Temperatura del Reactor Caudal de la corriente de Productos
Nivel del Reactor Caudal de la corriente Refrigerenate
VARIABLES DE INTERES OTRAS
Comp. Molar de Oxido de Propileno SetPoint del Reactor LC
Comp. Molar de Agua SetPoint del Reactor TC
Comp. Molar de Propilen Glicol
Fuente: Elaboración propia
Una vez ingresadas todas las variables, nos posicionamos en la sección
StripCharts. Presionando el botón Add se genera un nuevo grafico
denominado Strip Chart 1. El nombre puede ser cambiado haciendo click en
la celda Strip Chart Name y escribiendo el nuevo valor.
Para seleccionar las variables a visualizar se activan las casillas de la
columna Active. Cuando el numero de variables a monitorear es grande
conviene agruparlas por categorías y utilizar varios Strip Charts.
En la Figura 3.55 se muestran el conjunto de variables para el reactor que
aparecerán graficados en la pantalla Variables Reactor. Notar que las
variables seleccionadas se indican en su correspondiente cuadro por medio
de una cruz.
FIGURA 3.55. Variables del reactor a graficar
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Las diferentes características vinculadas netamente con la presentación
gráfica se establecen presionando el botón Setup de la pantalla mostrada en
la Figura 3.55. A partir de allí aparece la pantalla de la Figura 3.56
permitiendo en cada hoja asignar distintas propiedades.
FIGURA 3.56. Variables del reactor
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Pasando al modo dinámico...
Para alternar al modo dinámico se presiona el botón Así aparece en
la barra de menú el botón con el símbolo integral con el cual se comienza o
detiene la integración numérica de las ecuaciones diferenciales. Este botón
aparece sólo en modo dinámico.
Inicio de los cálculos dinámicos.
El caso ya está listo para iniciar una corrida en modo dinámico. Para
comenzar los cálculos es necesario acceder al Integrador que forma parte
del menú encabezado por Simulation y aparece la pantalla de la Figura
3.57.
FIGURA 3.57. Integrador
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
El ítem Current Time señala el tiempo actual de corrida. Presionando el
botón Start aparecen las variables claves evolucionando en el tiempo e
indicadas por el StripChart en cada etapa. El botón Start cambia por Stop
mientras se efectúan los cálculos de integración. Una vez presionado el
botón Stop el procedimiento se detiene, de otra forma el cálculo continúa
hasta alcanzar el tiempo indicado en el ítem End Time. El botón Reset
restablece las condiciones de estado estacionario iniciales del sistema.
Incorporando perturbaciones al sistema
En este ejemplo se efectuarán algunos cambios en determinadas variables a
partir del estado estacionario del sistema que se viene analizando. En la
Figura 3.58 se observan, a través de los Face Plates de los controladores,
los valores de Set Point, variable controlada y manipulada del nivel y
temperatura del reactor. Luego de haber corrido el programa durante 30
minutos y, dado que hasta el momento no se Introdujeron cambios en los
valores de las variables de interés, éstas permanecen en el rango de partida
a lo largo del tiempo.
FIGURA 3.58. Variables de Interés
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Perturbación en escalón de la temperatura
En el primer caso se propone efectuar una caída de temperatura en el
reactor de 60 ºC a 30 ºC. Para ello se debe clickear en Tuning del Face
Plate de temperatura del reactor y en la hoja Parameter se debe ingresar el
nuevo SP (set point) = 30 ºC. Luego de correr el programa hasta los 130
minutos de simulación aparecerá la pantalla tal como se muestra en la
Figura 3.59 para el caso de las variables de interés vinculadas al reactor.
Puede observarse que la línea en rojo corresponde al cambio de SP pedido
y la línea azul corresponde a la evolución de la temperatura en el reactor. La
producción del Propilenglicol disminuye dado que a una temperatura más
baja la cinética también cambia (línea de trazos).
FIGURA 3.59. Simulación de variables
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Perturbación de la temperatura mediante una función rampa
En este caso se pretende llevar al reactor a la temperatura de 80 ºC. Para
ello se procederá como en el caso anterior estableciendo las condiciones
pedidas a través del controlador de temperatura Reactor TC, tal como se
muestra en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. En la
página Tuning se observa el ítem Set Point Ramping que se completará de
acuerdo con los datos presentados en la ¡Error! No se encuentra el origen
de la referencia. Con esto se pretende que la temperatura se eleve hasta los
80 ºC alcanzando ese valor en un período de 30 minutos. Así la pendiente de
la rampa queda totalmente especificada. La opción Start Ramp es la
encargada de disparar la orden de comenzar. Luego se inicializa el
integrador a partir del punto anterior con el comando Start o presionando el
símbolo de la Integral que se encuentra en la barra de herramientas.
FIGURA 3.60. Reactor TC Tunning
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
En la Figura 3. 61 puede observarse la evolución de la rampa en el Set Point
y el buen seguimiento que realiza la temperatura del reactor con lo cual
queda demostrado que el ajuste del controlador que aquí actúa resulta
eficiente para este equipo. En la Figura 3.62 puede observarse que los datos
generados en el total de estas corridas han sido guardados en el History
data y que si resultan de interés los datos pueden enviarse a un archivo
presionando el comando Save to file.
FIGURA 3.61. Evolución de la rampa en el set point
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Para acceder a la ventana History Data se ingresa a la Sección Strip Charts
del Databook y seleccionando el Strip Chart correspondiente, al presionar
Historical se abre la ventana mostrando los valores de las variables en
forma tabular.
FIGURA 3.62. History Data
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
CAPÍTULO IV
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
EVALUACIÓN DE LAS PRUEBAS
Después de completar el proceso de construcción de la simulación, podemos
determinar y evaluar una serie de pruebas para poder determinar, como se
comporta el Proceso variando las diferentes variables que se propusieron
para la ejecución de esta simulacion.
Para esto en el proceso final através del workbook, iremos cambiando una a
una estas variables y veremos como afecta al proceso final de obtención del
producto.
Primero lo haremos cambiando el flujo de agua suministrado al inicio del
proceso: Dos casos uno con 500 kgmol/h y otro con 750 kmol/h, el primer
caso lo veremos en la Figura 4.1 y su composición en la Figura 4.2 y para el
segundo caso en la Figura 4.3 y su composición en la Figura 4.4
FIGURA 4.1 Workbook para 500 Kgmol/h
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
FIGURA 4.2 Workbook - Composición para 500 Kgmol/h
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
FIGURA 4.3 Wokbook para 750 Kgmol/h
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
FIGURA 4.4 Workbook - Composición para 750 Kgmol/h
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
FIGURA 4.5 Workbook para 1000 Kgmol/h
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
FIGURA 4.6 Workbook - Composición para 1000 Kgmol/h
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Despues de analizar las Figuras 4.1, 4.3 y 4.5, podemos afirmar que el
aumento del flujo de agua hace que la cantidad de flujo obtenido en el fondo
de la Destilacion que es el que no interesa se incremente, lo mismo
podriamos afirmar para el caso de la produccion del reactor.
Pero si nosotros nos fijamos con más detenimiento en las Figuras 4.2, 4.4 y
4.6, que nos propociona la composicion de las diferentes corrientes de todo
el proceso, nos sorprenderemos al notar que si bien el flujo de producto de
fondos disminuye al reducir el flujo de alimentacion de agua al proceso, pero
la composicion respecto al producto que nos interesa que es el DEGlycol se
incrementa considerablemente, pasando lo mismo en el producto del reactor,
lo cual nos llevara a concluir que para mejorar la composicion del producto
en lo que respecta a DEGlycol, debemos reducir el flujo molar de
alimentacion de agua al sistema.
Como segunda opción cambiaremos la presion del sistema en el reactor,
usaremos presion de 5, 10 y 15 Atm, para la opción inicial de flujo de agua
de 1000 Kgmol/h, como lo que más no interesa es la composición
mostraremos en la Figura 4.7, 4.8 y 4.9 la composición para cada presión
respectivamente.
FIGURA 4.7 Workbook - Composición 1000 Kgmol/h y 5 Atm.
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
FIGURA 4.8 Workbook - Composición 1000 Kgmol/h y 10 Atm.
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
FIGURA 4.9 Workbook - Composición 1000 Kgmol/h y 15 Atm
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Para esta variable de la presión del sistema la figura 4.7 nos muestra todo
vacío debido a que la presión estaría por debajo de la presión de la válvula
de descompresión por lo tanto no se podría trabajar, ha no ser que se
cambiase de válvula; sin embargo las Figuras 4.8 y 4.9 nos muestra
claramente que ésta variable no afecta en mejorar o deteriorar la
composición del producto final, por lo que se puede afirmar que esta variable
no es significativa en la simulación pero sí necesaria y que según
informacion teórica la presión de 10 atmosferas es la más adecuada para
llevar el proceso en manera óptima. Por lo que se le considerará como un
parámetro de producción.
Finalmente la última variable con la cual analízaremos es con la temperatura
de alimentación del C2Oxide al sistema, entonces en las Figuras 4.10, 4.11 y
4.12 mostraremos la composición para temperaturas de 30ºC, 50ºC y 80ºC.
de alimentación del C2Oxide para una presión de 10 atmosferas y un flujo de
agua de 1000Kgmol/h.
FIGURA 4.10 Workbook – Temperatura de 30ºC
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
FIGURA 4.11 Workbook - Temperatura de 50ºC
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
FIGURA 4.12 Workbook - Temperatura de 80ºC
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
El cambio de Temperatura es lo que nos proporcionará el cambio final de la
temperatura de la mezcla que entrará al reactor pero en lo que refiere a las
composiciones no surtirá ningun efecto ya que para percibir los cambios que
puedan ocasionar la variación de la temperatura tendríamos que revisarlo en
el reactor ya que la cinética siempre varía con la temperatura y por lo tanto
hará que cambie la velocidad de reacción.
APLICACIÓN DE MÉTODO DE OPTIMIZACIÓN SELECCIONADO A PRUEBAS
Para poder optimizar el proceso lo haremos en el reactor ya que es allí
donde no interesa que se obtenga la mayor cantidad del producto que es el
DeGlycol. En primer término analizáremos la influencia producida por la
relación de reactivos. Para poder especificar el valor de una variable de una
corriente dada en función del valor tomado de otra variable se hace uso de la
operación SET. Como vimos en la Figura 3.26.
Eliminar la especificación de flujo molar en la corriente OxidoEtileno. Notar
que al eliminar el valor, HYSYS no puede calcular completamente la
corriente.
Hacer doble click sobre el ícono del SET. En el grupo Target Variable
presionar el botón Select Var....Ingresar la propiedad Molar Flow de la
corriente OxidoEtileno como variable objetivo según se muestra en la Figura
4.13.
FIGURA 4.13. Select Tarjet Object
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
En el grupo Source seleccionar como variable fuente la corriente Agua. Ver
Figura 4.14. De esta manera el caudal molar de Oxido de Etileno será
función lineal del caudal molar de la corriente de agua. Es necesario ahora
especificar el valor de los parámetros que determinan esta función. En la
sección Parameters es necesario definir el factor multiplicador que en
nuestro ejemplo utilizaremos 0.5 por el momento. Ver Figura 4.15. De esta
manera el caudal molar de Oxido de Etileno será la mitad del de Agua.
FIGURA 4.14. Set 1- Conexiones
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
FIGURA 4.15. Set 1- Parámetros
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
A continuación utilizaremos la herramienta Databook para seleccionar las
variables involucradas en el Análisis.
En primer lugar, seleccionaremos Databook del menú Tools, aparecerá una
pantalla con varias páginas Como se muestra en la Figura 4.16.
FIGURA 4.16. Databook
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
La primera sección Variables se utiliza para seleccionar las variables a
estudiar. Presionamos el botón Insert, y seleccionamos SET-1 de la columna
Object y luego Multiplier de la columna Variable. Ver Figura 4.17. Presionar
el botón OK al finalizar.
FIGURA 4.17. Variables de Databook
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Siguiendo el mismo procedimiento insertar a continuación las variables
indicadas la Figura 4.18
FIGURA 4.18. Databook
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Una vez ingresadas todas las variables de interés, seleccionar la sección
Case Studies. Presionar el botón Add. Aparecerá la leyenda Case Studies
1 en el recuadro Available Case Studies. Ahora será necesario definir las
variables independientes y dependientes. Entendemos por variables
independientes aquellas que podemos variar su valor y a partir de la cuales
se determinan los valores de las demás variables.
Seleccionaremos la variable Multiplier del objeto SET-1 como variable
independiente. La composición de los compuestos de la corriente Productos
serán las variables dependientes. Ver Figura 4.19.
FIGURA 4.19. Databook Case Studies
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
A continuación presionar el botón View.. para establecer los límites e
incremento de la variable independiente. Se sugiere hacer el estudio en el
rango de 0.001 a 1 con incrementos de 0.1. Ver Figura 4.20. Observar el
recuadro Number of States, nos indica la cantidad de estados que se
calcularán.
FIGURA 4.20. Case Studies
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Presionando el botón Start comienza a ejecutarse los cálculos. Mientras
esperamos podemos presionar el botón Results... y observar el Gráfico o la
Tabla de valores que se genera. El Gráfico final puede verse en la Figura
4.21.
FIGURA 4.21. Grafico de Resultados
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Observando el gráfico se puede suponer que es más conveniente trabajar a
relaciones OE/Agua bajas donde la producción de EtilenGlicol se ve
favorecida frente a la de DietilenGlicol.
Se puede plantear el mismo análisis seleccionando la temperatura de la
corriente Productos como variable independiente. De este modo podemos
ver la influencia de la temperatura sobre la velocidad de reacción.
Despues de haber corrido todo este set de pruebas revisamos el WorkBook,
entregándonos los siguientes resultados.
FIGURA 4.22. Workbook del Set
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Donde vemos que la temperatura del producto esta a 100ºC siendo el
producto de 58100 Kg/h, que será la mezcla de agua C2Oxide y DeGlycol,
pero sí revisamos la pestaña de composición veremos que 0.4543 fracción
molar es de DEGlycol
FIGURA 4.23. Composición del Set
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
FIGURA 4.24. Composición del Set
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
También observamos en la Figura 4.23 que según esta optimización la
relación de mezcla de agua y C2Oxide deben de ser 0.5236 y 0.4764 en
fracción molar respectivamente, para poder mejorar la obtención de
DEGlycol a 0.4543 en fracción molar. Comparando con la Figura 4.24 lo que
se obtiene con la alimentacion inicial tendríamos que esta relación era de
0.6667 y 0.3333 en fraccion molar respectivamente.
Asimismo veremos que en el reactor de acuerdo a la cinetica de las
reacciones, para las condiciones iniciales Figura 4.25 y Figura 4.26 tenemos
un porcentaje de conversión como el que se ve en la Figura 4.27
FIGURA 4.25. Condiciones del CSTR
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Vemos que la relación en fracción molar de la mezcla de agua y C2Oxide es
de 0.6667 y 0.3333 respectivamente, obteniéndose un producto de 0.2497
en fracción molar de DEGlycol. Lo que ocasiona que se tenga una
temperatura de 100ºC, con lo que se alcanza un porcentaje de conversión de
cada una de la reacciones de 49.96% respectivamente.
FIGURA 4.26. Composición del CSTR
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
FIGURA 4.27. Conversión de las reacciones
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Para poder ver si esta temperatura es la adecuada jugamos con dos
temperaturas y observaremos como varía el porcentaje de conversión. En
las Figuras 4.28 y 4.29
FIGURA 4.28. Condiciones del CSTR
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Para una Temperatura de 60ºC el porcentaje de conversión de las
reacciones será de 49.18 y 49.12 respectivamente que se encuentra muy
cercana la conversión de 100ºC.
FIGURA 4.29. Condiciones del CSTR
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Para una Temperatura 49.84 y 49.83 respectivamente que se encuentra muy
cercana la conversión de 100ºC.
Lo cual nos dá como indicactivo que se podría trabajar a 60ºC pero como
estas reacciones son exotérmicas y viendo que a 100ºC se tiene una mayor
conversión aunque no es tan significativa lo dejaremos en esa temperatura
porque para llegar 60ºC tendríamos que hacer mayor gasto en enfriamiento
lo cual no sería beneficioso económicamente.
EVALUACIÓN DE RESULTADOS DE ACUERDO AL MÉTODO DE
OPTIMIZACIÓN
Habiendo revisado todas las evaluaciones anteriores, entonces podríamos
hacer las correcciones correspondientes en las diferentes corrientes de
materia prima para ver que es lo que obtenemos. Primeramente de acuerdo
a la optimización de flujos de alimentación trataremos de aproximarnos a la
relación de mezcla de agua y C2Oxide deben de se 0.5236 y 0.4764 en
fracción molar respectivamente, para esto cambiaremos el flujo de agua de
alimentación a 600 kmol/h.
FIGURA 4.30. Flujo de alimentación al mixer
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Cuya composición será de 0.5455 y 04545 en fracción molar de agua y
C2Oxide, respectivamente, un tanto próxima a la obtenida en el proceso de
optimización.
FIGURA 4.31. Composición de alimentación al mixer
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Luego ingresaremos al Workbook donde verificaremos que para 100ºC la
composición en fracción molar de los productos, principalmente el DEGlycol
se incrementa a 0.4163 en vez de 0.2497 que era anteriormente, casi
duplicándose, como se ve en la Figura 4.32. De la misma forma en el CSRT
veremos cual es el porcentaje de conversión de acuerdo a la cinética en la
Figura 4.33.
FIGURA 4.32. Porcentaje de Conversión en el CSTR
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
FIGURA 4.33. Porcentaje de Conversión en el CSTR
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
Finalmente veremos la composición total del proceso en el Workbook Figura
4.32 y el balance de materia de todo el proceso es el sigueinte:
FIGURA 4.34. Balance Total del proceso
Fuente: Elaboración propia desde Software de Hysys
ACEPTACIÓN O RECHAZO DE LA INVESTIGACIÓN
Partiendo de lo planteado en la hipótesis podemos indicar que si es fáctible
en primer lugar modelar un sistema industrial, en este caso la producción del
Dietilenglycol (DEGlycol) en el simulador Hysys y luego con este modelo
simular la obtención del producto requerido de la manera más óptima,
jugando con las variables como lo hemos demostrado en los punto 4.2 y 4.3.
con lo que nosotros podemos concluir la aceptación de la investigación que
hemos llevado a cabo. Justificando también que este proceso simulativo
puede reemplazar el proceso de experimentación directa en laboratorio con
lo que ahorramos tiempo.
CONCLUSIONES
Inicialmente construímos el flowsheet de la producción de Dietilenglycol,
quedando completamente diseñado todo el proceso como se especificó y con
lo que se cumple con el primer objetivo.
Después de ajustar la variables de ingreso, como son los flujos másicos de
ingreso, la temperatura y la presión de trabajo que son las condiciones de
operación se resolvieron los balances de masa y energía de cada equipo
utilizado, en las diferentes utilidades que presenta el proceso, para resolver
los balances en el reactor se analizó la cinética de reacción.
Evaluada la información teórica de la cinética de reacción de las diferentes
reacciones que se llevan a cabo al mezclarse los flujos másicos de
alimentación, cargamos la información en el simulador y obténdremos los
resultados correspondientes que al optimizarlos nos dan una producción de
0.4163 en fracción molar del Dietilenglicol en el flujo de salida del reactor, el
que inicialmente sólo era de 0.2497,con lo cual conseguimos óptimizar este
proceso de reacción.
Se diseñó completamente el mixer, el reactor y la columna de destilación
necesaria, optimizando y balanceando completamente todas sus corrientes de
flujo de ingreso y salida de todos ellos.
Se simuló todo el proceso obteniéndose las composiciones de todos los equipos
como se muestra en el workbook, herramienta o facilidad que nos entrega el
simulador y que nos muestra como finalmente queda el proceso.
La eficiencia obtenida en el proceso de reactor para la diferentes reacciones
llevadas a cabo fue de 49.98 % de porcentaje de conversión respectivamente.
Asi mismo la obtención del producto en la cola del destilado fue de 99.9 % en
fracción molar del DeGlycol.
Finalmente podemos afirmar que con el simulador Hysys se puede modelar y
simular un proceso industrial y optimizar su condiciones de operación, con lo
que se puede ahorrar el proceso de investigación en laboratorio, asi como
corregir operaciones en planta.
RECOMENDACIONES
Si bien se ha demostrado lo planteado en nuestros objetivos, sería de mucha
importancia profundizar el uso del simulador Hysys y aprovechar
profundamente las facilidades que presenta este simulador.
Se recomienda el uso de este simulador Hysys en su nueva versión para el
proceso de productos electrolíticos que esta versión aún no estaba disponible.
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