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Contenido
Prólogo 5
SECCIÓN I. ESTIMACIÓN DE PROPIEDADES 7
1. Administrador básico de la simulación 9
2. Corrientes y de procesos 19
3. Propiedades de corrientes 25
SECCIÓN II. UNIDADES DE PROCESOS SENCILLAS 35
4. Ciclo de refrigeración 37
5. Separación instantánea de dos fases 45
6. Separador instantánea de tres fases 51
7. Procesos con reciclo 57
8. Compresión de un gas en tres etapas 65
SECCIÓN III. OPERACIONES LÓGICAS 71
9. Ajuste de variables 73
10. Hoja de cálculo 77
11. Balances de materia 81
12. Balances de calor 87
13. Balances de materia y energía 91
14. Balance General 94
15. Planta de enfriamiento de un gas 101
SECCIÓN IV. REACTORES QUÍMICOS 113
16. Reactor de conversión 115
17. Planta de producción de gas de síntesis 123
18. Reactor CSTR 139
19. Reactor PFR 147
20. Reacción catalítica heterogénea 155
SECCIÓN V. SEPARADORES DE MEZCLAS 161
21. Recuperador de componentes 163
22. Columna despojadora de agua ácida 169
23. Columna de destilación desbutanizadora 177
24. Separación de una mezcla propileno - propano 185
25. Columna de destilación – Método corto 191
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SECCIÓN VI. PROCESOS DE SEPARACIÓN 197
26. Planta de gas natural licuado 199
27. Planta de producción de etanol 209
28. Planta de deshidratación de etanol 217
SECCIÓN VII. PROCESOS QUÍMICOS 227
29. Reactor tubular con reciclo líquido 229
30. Proceso de alquilación 235
31. Proceso de producción de Etilbenceno 243
32. Reactor tubular con reciclo gaseoso 249
33. Proceso de producción de benceno 255
34. Proceso de producción de acetona 265
SECCIÓN VIII. APÉNDICES 273
Apéndice A. Variables de diseño 275
Apéndice B. Variables de diseño en etapas de equilibrio 279
Apéndice C. Variables de diseño – Columnas de absorción 285
Apéndice D. Variables de diseño – Columnas de destilación 293
Bibliografía 301
5
Prólogo
Los cursos de Diseño de Plantas que se imparten a nivel de pre-grado en los Programas de
Ingeniería Química han experimentado, en los últimos años, considerables cambios en sus
objetivos y metodologías de enseñanza. Los avances de la ciencia, la tecnología y la
informática han proporcionado herramientas de trabajo como las bases de datos y redes
bibliográficas, plantas pilotos y simuladores que sintetizan, analizan y diseñan procesos
químicos y que además incluyen otras opciones como la estimación de propiedades y
costos de equipos o procesos, análisis energético, etc.
Bases de datos y redes bibliográficas especializadas proporcionan, con la actualización que
exige la rigurosidad de la ciencia, una información de alta calidad que resuelve los
problemas de escasez de antaño y permiten el conocimiento del estado del arte en el ámbito
de la Ingeniería Química en general.
Unidades modulares o integradas como plantas pilotos permiten el desarrollo de la
experimentación en síntesis y análisis de procesos químicos a pequeña y mediana escala y,
de esta manera, resuelven interrogantes o requerimientos para la completa especificación de
un trabajo de diseño
Los simuladores de procesos químicos facilitan su evaluación sin necesidad de
experimentar sobre ellos mismos y contribuyen a la formulación de principios empíricos,
importantes herramientas que pueden utilizarse para la verificación de la validez de las
decisiones tomadas por los encargados de diseñar procesos
Los programas computarizados especializados que definen el paquete de propiedades del
sistema de componentes químicos que participan en un proceso, proporcionan
especificaciones que en épocas pasadas resultaban difíciles de predecir y contribuyen al
modelamiento y simulación completa de un proceso. Los paquetes que ayudan a la
estimación del tamaño y a la selección de equipos de procesos, muchos de ellos ofrecidos
por los proveedores de tecnología procesos químicos, agilizan un trabajo que manualmente
implicaba un gran gasto de tiempo y dinero por la complejidad y extensión de algunos
procedimientos de cálculo
El Programa de Ingeniería Química de la Universidad del Atlántico se propone, como uno
de sus objetivos, que sus egresados adquieran una sólida formación en la simulación, el
análisis y la síntesis de procesos químicos, mediante la aplicación de los principios
establecidos para ello y a través del uso de herramientas computacionales. Se conjugan la
lógica conceptual y la destreza de cálculo, y con la ayuda computacional se aprovecha de la
facilidad, agilidad y posibilidad comparativa que permite un simulador.
De esta manera, la enseñanza que se imparte de la Ingeniería Química se está haciendo en
sintonía con las tendencias actuales mundiales y con un recurso valioso como es el
simulador HYSYS, que modela propiedades de componentes y mezclas y simula, analiza y
6
sintetiza procesos químicos, además de dimensionar equipos y facilitar otros recursos
útiles.
Para un buen manejo del simulador, se requiere de conocimientos sólidos de toda la
Ingeniería Química; desde las áreas básicas como las matemáticas, la física y la química,
las áreas básicas de ingeniería como la fisicoquímica, la termodinámica, los balances de
materia y energía y la economía de los procesos hasta sus áreas aplicadas como las
operaciones unitarias y el diseño de reactores
Este manual es una recopilación, que incluye ejercicios incluidos en los distintos tutoriales
facilitados con la compra del simulador, simulaciones construidas por el autor con el aporte
valioso de sus estudiantes de pre-grado. Contiene un conjunto prácticas que desarrolladas
en forma secuencial buscan conseguir como objetivo general que el estudiante de Diseño de
Plantas simule, analice y sintetice procesos químicos en estado estacionario, mediante la
asistencia del simulador HYSYS y, por supuesto, compare los resultados con los
encontrados, cuando sea posible, con la aplicación de los principios de la Ingeniería
Química . El manual está dirigido a principiantes en el manejo de HYSYS y en la
aplicación de la Ingeniería básica al diseño de los procesos químicos. Junto con la
adquisición de un conocimiento del manejo de las herramientas disponibles en el
simulador, la distribución secuencial de las prácticas se orienta por un ordenamiento
metodológico de las etapas procedimentales recomendadas para el diseño de un proceso en
estado estacionario.
El manual está dividido en 8 secciones organizadas teniendo en cuenta un orden
metodológico que comience con el uso del simulador para la estimación de las propiedades
físicas y termodinámicas del sistema de sustancias que participan en un proceso y termine
con simulaciones de algunos procesos químicos con la estructura genérica que los
caracteriza como son especialmente un sistema de reactores y un sistema de separadores.
En cada lección se incluye una breve introducción que describe algún fundamento asociado
con el proceso y un análisis de variables de diseño para las unidades de proceso
encontradas en las simulaciones.
En medio de los propósitos anteriores, se incluyen una sección que contiene un conjunto de
lecciones que explican el uso de recursos lógicos disponibles en el simulador que permiten
realizar operaciones como ajustar, controlar o relacionar variables, hacer cálculos de
balances de materia y energía o los cálculos iterativos que implica la inclusión de una
corriente de recirculación dentro de un proceso, la construcción de columnas de separación
o sub-diagramas de flujo por el mismo usuario o la optimización de un proceso, entre otros.
Subdivido en varios apéndices se incluye un tratado sobre análisis de variables de diseño en
columnas de separación como un conocimiento importante que es necesario dominar para
un manejo claro de las especificaciones posibles que permiten obtener simulaciones
exitosas en procesos de separación
Mach
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1. ADMINISTRADOR BÁSICO DE LA SIMULACIÓN
1. OBJETIVOS
1.1. Seleccionar los elementos básicos requeridos para desarrollar la simulación de un
proceso químico en HYSYS
1.2. Manejar algunas herramientas incluidas en el simulador que posibilitan la
determinación de propiedades de componentes
2. BASES PARA UNA SIMULACIÓN
Paquete Fluido
HYSYS utiliza el concepto de paquete fluido o “Fluid Package” como el contenido de
toda la información necesaria para desarrollar cálculos de propiedades físicas y
evaporaciones espontáneas de corrientes. El paquete fluido permite definir toda la
información (propiedades, componentes, componentes hipotéticos, parámetros de
interacción, reacciones, datos tabulados, etc) dentro de un archivo muy sencillo. Son
tres las ventajas de esto, a saber:
1. Toda la información asociada se define en una sola localidad, lo que permite la fácil
creación y modificación de la información
2. Los paquetes fluidos pueden almacenarse como un archivo completo para usarlos en
cualquier simulación
3. Pueden usarse varios paquetes fluidos en una misma simulación. Sin embargo,
todos los paquetes definidos se encuentran dentro del administrador básico de la
simulación
Administrador del Paquete Básico de la Simulación
El “Administrador Básico de la Simulación” o “Simulation Basis Manager” es una
ventana que permite crear y manipular cada paquete fluido en la simulación. Para
desplegar esta ventana, abra un nuevo caso, haciendo clic en el botón “New Case” de la
barra estándar de HYSYS. Observe en la Figura 1 que, por defecto, el “Administrador
Básico de la Simulación” se despliega con la pestaña “Components” activa.
En el “Administrador Básico de la Simulación”, el grupo “Component Lists” contiene
los botones “View”, “Add”, “Delete”, “Copy”, “Import”, “Export” y “Refresh” con los
cuales se observan, añaden, borran, copian, importan, exportan y refrescan los
componentes incluidos en el paquete fluido. Acerque el puntero del Mouse a cada uno
de estos botones y observe la anotación que aparece en la barra de estado.
Debajo se observan las pestañas “Components”, “Fluid Pkgs”, “Hypotheticals”, “Oil
Manager”, “Reactions”, “Component Maps” y “UserProperty”. En cada una de las
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ventanas correspondientes a las anteriores pestañas se agregan los componentes, las
ecuaciones y las reacciones químicas que intervienen en el proceso químico a simular
con el paquete fluido construido.
Definición del Paquete Básico de la Simulación
1. Abra un nuevo caso seleccionando el botón “New Case” localizado en el extremo
izquierdo de la barra estándar. Se desplegará la ventana “Simulation Basis
Manager” como se observa en la Figura 1.1.
Figura 1.1. Administrador del Paquete Básico de la Simulación
2. Haga clic sobre la pestaña “Fluid Pkgs” para desplegar la ventana que permite la
creación o instalación del paquete fluido a utilizar en la simulación y que se observa
en la Figura 1.2.
Figura 1.2. Ventana para la creación o instalación del paquete fluido
Esta ventana contiene los grupos “Current Fluid Packages” y “Flowsheet-Fluid Pkg
Associations”. Se pueden usar varios paquetes fluidos dentro de una simulación,
11
asignándolos a diferentes diagramas de flujo y enlazándolos. El botón “Import”
permite la importación de un paquete fluido predefinido y que haya sido
almacenado en el disco duro del computador. Los paquetes fluidos tienen la
extensión .fpk
3. Haga clic sobre el botón “Add” para crear un nuevo paquete fluido en la ventana
desplegada con el nombre de “Fluid Package: Basis-1” y que se observa en la
Figura 1.3. Por defecto, se despliega activa la pestaña “Set Up”
Figura 1.3. Ventana para la definición del paquete fluido
4. Seleccione la ecuación de Peng-Robinson ya sea buscándola directamente en el
grupo “Property Package Selection” o haciendo previamente un clic sobre el radio
botón que permite la selección de solo ecuaciones de estado o “EOSs” que se
encuentra en el grupo filtro o “Property Package Filter”
5. En el cuadro localizado en la parte inferior con el título “Name” Cambie el nombre
por defecto “Basis-1” e introduzca “Planta de Gas”. Observe la Figura 1.4.
Figura 1.4. Ecuación y nombre del paquete fluido
12
6. Haga clic sobre el botón “View” para añadir los componentes incluidos en el paque
fluido
7. Seleccione los componentes de la librería N2, H2S, CO2, C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5,
n-C5, C6 y H2O. La selección se puede hacer ya sea digitando los nombres sobre el
cuadro “Match”, resaltando el compuesto de la lista o haciendo uso del filtro y a
continuación la adición al grupo “Selected Components” se hace ya sea
presionando la tecla “Enter” o el botón “Add Pure” o haciendo doble clic sobre el
componente a seleccionar. Observe la selección de los componentes en la ventana
“Component List View” de la Figura 1.5.
Figura 1.5. Selección de los componentes que aparecen en la librería de HYSYS
8. En el árbol que aparece con el título de “Add Component” seleccione la opción
“Hypothetical” para añadir un componente hipotético al paquete fluido en la
ventana desplegada como se observa en la Figura 1.6.
Figura 1.6. Ventana para la creación de un componente hipotético
13
Un componente hipotético puede usarse para modelar componentes que no se
encuentran en la librería, mezclas definidas, mezclas indefinidas o sólidos.
Utilizaremos un componente hipotético para modelar los componentes mas pesados
que el hexano en la mezcla gaseosa. Para crear este componente hipotético,
seleccione el botón “Quick Create A Hypo Component” y se desplegará una
ventana de título Hypo2000* donde se introducirán las especificaciones del
componente hipotético
9. Sobre la pestaña ID de la ventana de propiedades del componente hipotético
introduzca C7+ como nombre de este en el cuadro “Component Name”. Observe
Figura 1.7. En este caso, no se conoce la estructura del componente hipotético y se
modela una mezcla de tal manera que no se usará la opción “Structure Builder”
Figura 1.7. Nombre de un compuesto hipotético
10. Haga clic en la pestaña “Critical” de la ventana de propiedades del compuesto
hipotético. Solo se conoce el punto de ebullición normal del C7+, es decir, “Normal
Boiling Pt”. Introduzca un valor de 110°C (230°F). Presione el botón “Estimate
Unknown Props” para estimar todas las propiedades del componente hipotético y
definirlo completamente, como se observan en la Figura 1.8.
Figura 1.8. Estimación de Propiedades desconocidas del componente hipotético
14
11. Cuando haya sido definido el componente hipotético, cierre la ventana y regrese a la
ventana “Component List View”. Seleccione el componente hipotético C7+ que
aparece en el grupo “Available Hypo Components” y haga clic sobre el botón “Add
Hypo” para añadirlo a la lista de componentes agrupados en “Selected
Components”, como se observa en la Figura 1.9.
Figura 1.9. Inclusión del componente hipotético dentro de la lista de componentes
Cada hipocomponente que se cree es parte de un “Hypo Group”. Por defecto, este
hipocomponente es colocado en el “HypoGroup1”. Se pueden añadir grupos
adicionales y mover hipocomponentes entre grupos. Ya se ha completado la
instalación de un paquete fluido. Se pueden ver los coeficientes binarios de Peng-
Robinson para los componentes, haciendo clic en la pestaña “Binary Coeffs” de la
ventana titulada “Fluid Package: Planta de Gas”, como se observan en la Figura
1.10.
Figura 1.10. Coeficientes binarios entre los componentes del paquete fluido
15
Selección de un sistema de unidades
En HYSYS, es posible cambiar el sistema de unidades utilizado para desplegar en las
diferentes variables.
1. Despliegue el menú “Tools” y seleccione la opción “Preferences”
2. Haga clic sobre la pestaña “Variables”, haga clic en “Units” que aparece en el grupo
“Variables” y seleccione el sistema SI. Observe la Figura 1.11
Figura 1.11. Selección del sistema de unidades
3. Cierre esta ventana para regresar a la simulación
Exportación de paquetes fluidos
HYSYS permite exportar paquetes fluidos para usarlos en otras simulaciones. Esta
funcionalidad permite crear un paquete fluido sencillo y común que puede utilizarse en
múltiples casos.
1. Sobre la pestaña “Fluid Pkgs” de la ventana “Simulation Basis Manager” resalte el
paquete fluido “Planta de Gas” que aparece en el grupo “Current Fluid Packages”.
Observe Figura 1.12
2. Presione el botón “Export” y se desplegará una ventana que le permitirá guardar el
paquete fluido
3. Introduzca el nombre “Planta de Gas” para el paquete fluido y presione el botón
“Guardar”. Observe la extensión .fpk al nombre del paquete
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Figura 1.12. Exportación de un paquete fluido
Al definir completamente el paquete fluido, se tiene todo listo para comenzar la
simulación. Para ingresar a la ventana donde construir el diagrama de flujo de proceso o
PFD a simular, presione el botón “Enter Simulation Environment” que se encuentra en la
parte inferior derecha del Administrador Básico de la Simulación o haga clic sobre el
icono que se encuentra dentro de la barra estándar con el mismo nombre.
3. PROPIEDADES DE LOS COMPONENTES
Algunas propiedades de los componentes seleccionados que han sido calculadas por
HYSYS de acuerdo a la ecuación seleccionada se pueden visualizar en la ventana
correspondiente a cada uno de ellos. Para ello:
1. Haga clic en la pestaña “Set Up” de la ventana “Fluid Package: Planta de Gas” y haga
clic en el botón “View” que permite desplegar la lista de componentes seleccionados
en el cuadro “Component List Selection” con el nombre de “Component List-1”.
Observe que la ventana desplegada se titula “Component List View” y que, además,
se encuentran activos los botones “Add Group”, “Add Hypo”, “Remove”, “Sort List”
y “View Component”. Mediante la opción “Sort List” se ordenan los componentes
según lo desee el usuario.
2. Seleccione el componente C7+ y haga clic sobre el botón “View Component” para
que se despliegue la ventana de propiedades.
3. Haga clic en la pestaña “Critical” y se observará nuevamente la Figura 7, que
muestra algunas propiedades básicas en el grupo “Base Propierties” y algunas
propiedades críticas en el grupo “Critical Properties”.
4. Haga clic en la pestaña “Point” y observe las propiedades físicas, termodinámicas y
moleculares del componente seleccionado
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5. Haga clic en la pestaña “TDep” y observe las tres ecuaciones propuestas por HYSYS
para el cálculo, respectivo, de la entalpía del vapor, la presión de vapor y la energía
libre de Gibbs del componente seleccionado.
Tabulación de propiedades físicas y termodinámicas de los componentes
HYSYS facilita en la pestaña “Tabular” de la ventana “Fluid Package: Planta de Gas”,
correlaciones matemáticas para calcular algunas propiedades físicas y termodinámicas
como densidad, viscosidad, conductividad térmica, entalpía, entropía y otras
1. Haga clic en la pestaña “Tabular” Se desplegará una ventana que contiene un grupo
con el título de “Tabular Package” y que muestra un árbol de opciones.
2. Haga clic sobre el cuadro con un signo más a la izquierda de “Options”. Se
desplegarán todas las propiedades físicas y termodinámicas disponibles en HYSYS
para correlacionarlas con otras variables físicas.
3. Haga clic en el botón “Edit Properties” que se encuentra en la esquina inferior
derecho y detalle las propiedades físicas y termodinámicas para cada uno de los
componentes del sistema.
4. Cierre la ventana anterior, seleccione la propiedad “Latent Heat” que aparece en el
cuadro derecho de la ventana “Tabular Package”.
5. Haga clic sobre el cuadro con un signo más a la izquierda de “Information” y
seleccione la opción “Latent Heat”.
6. Seleccione en el cuadro “Equation Shape” la opción polimérica o “Poly1”. Observe
su escritura en el cuadro de abajo.
7. Haga clic en el botón “Cmp Plots”. Se desplegará una ventana con el título
“LatentHeat” que muestra las curvas de calor latente en función de la temperatura
para cada uno de los componentes de la lista.
8. Cierre la ventana anterior y haga clic sobre el botón “Cmp. Prop. Detail” para conocer
mas detales sobre la propiedad. Se desplegará una ventana con el título “PropCurve:
LatentHeat_Nitrogen” y con las pestañas “Variables”, “Coeff”, “Table”, “Plots” y
“Notes”. Haga clic sobre cada una de ellas y detalle la información suministrada en
cada una de ellas
4. CASO DE ESTUDIO
A continuación, despliegue la ventana “Component List View”, haga clic en la opción
“Components” del grupo “Add Component”, seleccione los componentes n-heptano y n-
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octano y agréguelos a la lista de componentes seleccionados. Compare las propiedades
del componente hipotético C7+ con las del n-C7 y n-C8 llenando la Tabla 1.1.
Tabla 1.1 Propiedades del n-Heptano, n-Octano y el compuesto hipotético C7+
PROPIEDAD
C7+
C7
C8
Normal Boiling Point
Ideal Liquid Density
Molecular Weight
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2. CORRIENTES DE PROCESOS
1. OBJETIVOS
1. Especificar corrientes de materia y energía para desarrollar una simulación de
un proceso químico en HYSYS
2. Manejar algunas herramientas incluidas en el simulador que posibilitan la
determinación de propiedades de mezclas
2. INTRODUCCIÓN
Clases de corrientes en HYSYS
HYSYS utiliza el concepto de corrientes de materia y corrientes de energía. Las
corrientes de materia requieren, para su completa definición, de la especificación del
flujo y de aquellas variables que permitan la estimación de todas sus propiedades físicas
y termodinámicas. Las corrientes de energía se utilizan para representar los
requerimientos energéticos en unidades como intercambiadores de calor, bombas, etc. y
se especifican, completamente, con solo la cantidad de energía intercambiada o
transferida en dichas unidades. En HYSYS, la corriente de materia se observa, por
defecto, de color azul, mientras que la corriente de energía es de color rojo.
Corrientes de materia
El elemento más simple que un diseñador de proceso debe especificar es una simple
corriente homogénea. Las variables que definen a una corriente que contiene C
componentes son:
Variables Cantidad
Concentraciones C
Temperatura 1
Presión 1
Flujo 1
Total de Variables C + 3
Expresando las concentraciones en fracciones molares, Xi, se cumple una restricción de
suma entre ellas, es decir que:
11
N
i
iX (2.1)
20
Por lo tanto, el número de variables de diseño e
iN que se requieren para especificar
completamente una corriente de materia es la diferencia entre el número de variables y
el número de restricciones, es decir:
2 CN e
i (2.2)
De acuerdo a la ecuación (2.2), se define el estado termodinámico de una corriente de
materia al conocerse la composición de una corriente de materia y otras dos
propiedades, (fracción de vapor, temperatura, presión, entalpía o entropía) una de las
cuales debe ser o la temperatura o la presión.
Evaporación espontánea de una corriente de materia
Cuando se especifica una corriente de materia con la información suficiente, HYSYS
hace los cálculos apropiados de la evaporación espontánea. Es decir, si se especifican,
por ejemplo, temperatura y presión calcula si la corriente es de una fase (líquida o
vapor) o de dos fases líquido y vapor, etc. Dependiendo de las dos propiedades
conocidas de la corriente de materia, HYSYS desarrolla uno de los siguientes cálculos
de evaporación espontánea:
Isotérmica: T-P
Isoentálpica: T-H o P-H
Isoentrópica: T-S o P-S
Fracción de vaporización conocida: T-VF o P-VF
En la evaporación espontánea a una fracción de vaporización conocida entre 0.0 y 1.0,
HYSYS calcula la presión o la temperatura dependiendo de la que sea especificada
como variable independiente. Si se despliega un error, en este tipo de cálculo, significa
que la fracción de vapor especificada no existe a las condiciones de presión o
temperatura especificadas. Es decir, la presión especificada es mayor que la presión
cricondenbárica o la temperatura especificada es de un valor a la derecha de la
temperatura cricondentérmica sobre la envolvente estándar de presión – temperatura
Punto de rocío de una corriente de materia
Si, además de la composición de una corriente de materia, se especifica una fracción de
vapor de 1.0 y su temperatura HYSYS calculará la presión del punto de rocío. En forma
similar, si en vez de especificar la temperatura se especifica la presión HYSYS
calculará la temperatura del punto de rocío de la mezcla. Los puntos de rocío
retrógrados se pueden calcular especificando una fracción de vapor de -1.0.
21
Punto de burbuja de una corriente de materia / Presión de vapor
Una especificación de una fracción de vapor de 0.0 para una corriente define un cálculo
de punto de burbuja. Si además se especifica o la temperatura o la presión, HYSYS
calculará la variable desconocida presión o temperatura. Al fijar una temperatura de 100
°F la presión correspondiente al punto de burbuja es la presión de vapor a 100 °F
3. INSTALACIÓN DE UNA CORRIENTE DE MATERIA EN HYSYS
Para la instalación de corrientes de materia en HYSYS realice las siguientes
instrucciones:
1. Abra un nuevo caso e importe el paquete fluido “Planta de Gas” construido y
almacenado en la Práctica 1.
2. Haga clic en el botón “Enter Simulation Environment”. HYSYS por defecto
despliega la ventana titulada “PFD – Case (Main)” y la denominada “Paleta de
objetos. En la primera se construye el diagrama de flujo del proceso a simular y en
la segunda se incluyen las unidades u operaciones a seleccionar para instalarlas en
el proceso a simular
3. Haga doble clic sobre el icono de la corriente de materia (flecha de color azul). Se
despliega, sobre el PFD, una flecha de color azul claro, numerada con “1” y,
además, la ventana de especificación de propiedades de dicha corriente, con la
pestaña “Worksheet” activa, por defecto, como lo muestra la Figura 2.1. La
instalación de corrientes puede hacerse de varias formas como presionando la tecla
clave <F11> o seleccionando la opción “Add Stream” del menú “Flowsheet”
Figura 2.1. Ventana de propiedades de una corriente de materia
22
4. En la celda “Stream Name” de la página “Conditions” asigne como nombre a la
corriente la palabra “Gas”.
5. Para desplegar la ventana donde se introducen las composiciones, haga clic en
“Composition” o doble clic en una de las celdas correspondientes a especificaciones
de flujos de la corriente. En este caso, haga doble clic en la celda “Mass Flow” y se
desplegará una ventana como la que muestra la Figura 2.2
Figura 2.2. Ventana para especificar la composición de la corriente “Gas”
6. Haga clic en el radio botón “Mole Fractions” en el grupo “Composition Basis” para
cambiar la base de la fracción en masa a fracción en moles
7. Introduzca las siguientes composiciones que aparecen en la Figura 2.3.
Figura 2.3. Composición de la corriente “Gas”
23
8. Presione el botón OK cuando se hayan introducido todas las fracciones molares
Evaporación espontánea isotérmica, T-P, de la corriente “Gas”
9. Asigne una presión de 7500 kPa y una temperatura de 10 °C. ¿Cuánto es la fracción
vaporizada? ¿Por qué la corriente “Gas” no está completamente especificada?
10. Asigne un flujo molar de 100 kgmol/h y observe el “OK” que aparece en la banda
verde que significa que la corriente “Gas” se encuentra completamente
especificada”.
Evaporación isoentálpica, T-H o P-H, de la corriente “Gas”
11. Borre la temperatura y mantenga la presión asignada en el punto 9. Especifique una
entalpía molar de -15000 kJ/kgmole. ¿Cuánto es la temperatura, la fracción de
vapor, y la entropía molar de la corriente?
12. Borre la presión asignada en el punto 9 y mantenga la entalpía molar. Especifique
una temperatura de de 980 °C. ¿Cuánto es la presión, la fración de vapor y la
entropía molar de la corriente
13. Borre la temperatura anterior y asigne un valor de 2000 °C. ¿Cómo se explica el
error que reporta HYSYS?
Punto de rocío de la corriente “Gas”
14. Asigne una fracción de vapor de 1.0 y una presión de 7500 kPa. ¿Cuánto es la
temperatura de rocío de la corriente “Gas” a la presión de 7500 kPa?
15. Borre la presión asignada y mantenga la fracción de vapor. Asigne una temperatura
de 100 °C. ¿Cuánto es la presión de rocío a la temperatura de 100 °C?
16. Asigne una fracción de vapor de -1.0 y una presión de 5000 kPa. ¿Cuánto y qué
significado tiene la temperatura calculada?
Punto de burbuja de la corriente “Gas”
17. Asigne una fracción de vapor de 0.0 y una presión de 7500 kPa. ¿Cuánto es la
temperatura de burbuja de la corriente “Gas” a la presión de 7500 kPa?
18. Borre la presión asignada y mantenga la fracción de vapor. Asigne una temperatura
de -30 °C. ¿Cuánto es la presión de vapor de la corriente “Gas” a una temperatura
de -30 °C?
24
19. Cambie la temperatura asignada en el punto 18 y asigne el valor de 100 °C. ¿Cómo
se explica el error reportado por el simulador?
GUARDAR LA CORRIENTE “GAS”
Se puede utilizar uno de varios métodos diferentes para guardar un caso en HYSYS
1. Despliegue el menú “File” y seleccione la opción “Save As” para guardar el
caso en una cierta localización y con el nombre “Gas”
2. Despliegue el menú “File” y seleccione la opción “Save” para guardar el caso
con el mismo nombre y en la misma localización
3. Presione el botón “Save” en la barra estándar para guardar el caso con el mismo
nombre
4. INSTALACIÓN DE UNA CORRIENTE DE ENERGÍA EN HYSYS
Una corriente de energía se instala mediante el mismo procedimiento que una corriente
de materia y solo necesita de una especificación que es el flujo calórico correspondiente
1. Si la paleta de objetos no está abierta sobre el escritorio, presione la tecla clave
<F4> para abrirla
2. Haga doble clic sobre el botón “Energy Stream” para desplegar la corriente de
nombre “Q-100” y su ventana de propiedades, como se observa en la Figura
2.4.
Figura 2.4. Ventana de propiedades de una corriente de energía
3. En el cuadro “Stream Name” cambie el nombre de la corriente a “QHeat” e
introduzca el valor de -10000 kJ/h en el cuadro “Heat Flow (kJ/h)” . Observe la
banda verde que indica que la corriente está completamente especificada
25
3. PROPIEDADES DE CORRIENTES
1. OBJETIVOS
1.1. Construir diagramas de propiedades de estado de una mezcla
1.2. Determinar las propiedades críticas de una mezcla
1.3. Estimar propiedades físicas, termodinámicas y de transporte de una mezcla
2. INTRODUCCIÓN
HYSYS dispone de la opción “Utilities”, que es un conjunto de herramientas que
interactúan con una corriente de materia suministrando información adicional para su
análisis, como los diagramas presión-volumen-temperatura y otros. Después de instalada, la
información anexada se convierte en parte del diagrama de flujo de tal manera que cuando
cambian las condiciones de la corriente, automáticamente calcula los otros cambios en las
condiciones afectadas. Los diagramas líquido-vapor disponibles para una corriente de
composición desconocida son: Presión-Temperatura, Presión-Volumen, Presión-Entalpía,
Presión-Entropía, Temperatura-Volumen, Temperatura-Entalpía y Temperatura-Entropía.
Algunas otras facilidades incluidas dentro de la opción “Utilities” son las propiedades
críticas, el diámetro o caída de presión en tuberías, tablas de propiedades, etc.
3. DIAGRAMAS DE PROPIEDADES DE UNA CORRIENTE
Para anexar un diagrama de propiedades a una corriente:
1. Instale un nuevo caso importando el paquete fluido “Planta de Gas” definido en la
Práctica 1
2. Instale una corriente de materia con el nombre de “Gas”, 10 °C, 7500 kPa, 100 kgmol/h
y composición especificada como lo muestra la Figura 3.1.
Figura 3.1. Composición de la corriente de materia “Gas”
26
3. Haga clic sobre la pestaña “Attachments” y luego haga clic sobre la página “Utilities”
4. Dentro de la ventana desplegada, presione el botón “Create” para acceder a la ventana
“Available Utilities” que se observa en la Figura 3.2.
Figura 3.2. Facilidades disponibles para la corriente “Gas”
5. Seleccione la opción “Envelope” y entonces presione el botón “Add Utility”. Se
desplegarará la ventana de título “Envelope: Envelope Utility-1” que se observa en la
Figura 3.3. La página “Connections” de la pestaña del mismo nombre, muestra los
valores máximos (Cricondenbárico y Cricondentérmico) y críticos de presión y
temperatura para la envolvente de la corriente “Gas”
Figura 3.3. Valores Máximos y Críticos de temperatura y presión de la corriente “Gas”
6. Haga clic en la pestaña “Performance” y luego clic en la página “Plots” para observar
el diagrama presión-temperatura que aparece por defecto, como se observa en la Figura
3.4. Compare los valores máximos y críticos de temperatura y presión de la Figura 3.3
con los determinados en el gráfico PT
27
Figura 3.4. Diagrama Presión-Temperatura de la corriente “Gas”
7. Para incluir la curva de calidad 0.4, digite este valor en el cuadro “Quality 1” del
grupo “Curves” que se encuentra en la parte superior derecha.
8. Para observar los datos numéricos de presión-temperatura, haga clic sobre la página
“Table”. Observe en la Figura 3.5, en el cuadro “Table Type” que los datos que
aparecen tabulados corresponden a la sección del punto de burbuja de la corriente
“Gas.
Figura 3.5. Datos numéricos de Punto de burbuja de la corriente “Gas”
9. Despliegue el cuadro “Table Type” y seleccione las opciones que le permitan
observar los datos numéricos de presión y temperatura para el punto de burbuja y la
gráfica de calidad constante de la corriente “Gas”
10. Seleccione nuevamente la opción “Plots” y en el grupo “Envelope Type” seleccione
el radio botón P-H para desplegar el diagrama presión-entalpía de la corriente.
28
11. En el cuadro “Isotherm 1” del grupo “Curves” digite el valor -14 °C para incluir
una línea isoterma de dicha temperatura, como se observa en la Figura 3.6.
Figura 3.6. Diagrama Presión – Entalpía de la corriente “Gas”
12. Para editar el gráfico, presione el botón derecho del Mouse y seleccione la opción
“Graph Control” del menú contextual desplegado. Se desplegará la ventana que le
permite hacer cambios que modifiquen la presentación del gráfico como los
observados en la Figura 3.6.
13. Observe los gráficos presión – volumen, presión – entropía, temperatura –
volumen, temperatura – entalpía y temperatura – entropía disponibles en el grupo
“Envelope Type”
4. PROPIEDADES CRÍTICAS DE UNA CORRIENTE
Las propiedades críticas y seudocríticas de una mezcla son estimadas por HYSYS de
acuerdo a la ecuación elegida en el paquete fluido. La opción “Critical Property” de la
herramienta “Utilities” facilita dicha información para la corriente seleccionada
1. Haga doble clic sobre la corriente “Gas” que aparece en el PFD para desplegar su
ventana de propiedades
2. Repita los pasos 3 y 4 del inciso anterior (3)
3. En la ventana “Available Utilities”, seleccione la opción “Critical Property” y
presione el botón “Add Utility”. Se desplegará la ventana que aparece en la Figura
3.7 y que despliega las propiedades críticas y seudocríticas de la corriente “Gas”
29
Figura 3.7. Propiedades críticas de la corriente “Gas”
5. TABLA DE PROPIEDADES DE UNA CORRIENTE
La herramienta “Property Table” permite examinar las tendencias de una propiedad,
dentro de un intervalo de condiciones, tanto en forma tabular como gráfica. Esta
facilidad calcula variables dependientes para un intervalo o conjunto de valores de
variable independiente especificada. Una Tabla de Propiedades se añadirá a la corriente
“Gas” desde el menú “Tools” con el siguiente procedimiento:
1. Utilice la tecla clave <Ctrl><U> para abrir la ventana Available Utilities
2. Seleccione la opción “Property Table” y presione el botón “Add Utility”. Se
desplegará una ventana como la que muestra la Figura 3.8. El botón “Select Stream”
permite seleccionar la corriente a la que se le va a anexar la tabla de propiedades.
En nuestro caso se omite, porque solo se tiene una corriente que aparece
seleccionada
Figura 3.8. Ventana para la construcción de una Tabla de Propiedades
30
3. Seleccione la Temperatura como la primera Variable independiente.
4. Cambie el límite inferior y superior a 0 y 100 ° C respectivamente. En el cuadro “#
of increments” digite el número 4.
5. Seleccione la Presión como la segunda Variable independiente.
6. Cambie al modo “State”.
7. En la matriz “State Values” introduzca los valores 2500, 5000, 7500 y 9000 kPa.
8. Haga clic en la página “Dep. Prop” de la pestaña “Design”. Es posible escoger
varias propiedades dependientes. Además, pueden ser propiedades globales o
propiedades de fases diferentes
9. Presione el botón “Add” para desplegar la ventana “Variable Navigator”. Observe la
Figura 3.9
Figura 3.9. Navegador de variables
10. Seleccione la opción “Mass Density” a partir de la lista del grupo “Variable” y
presione el botón “OK”.
11. Seleccione la opción “Thermal Conductivity” y presione el botón “OK”.
12. Presione el botón “Calculate” para calcular las propiedades densidad másica y
conductividad térmica a presiones de 2500, 5000, 7500 y 9000 kPa manateniendo
temperaturas constantes de 0, 25, 50, 75 y 100 °C.
13. Haga clic en la pestaña “Performance” para desplegar la ventana, Figura 3.10,
donde se pueden seleccionar los datos calculados para visualizarlos tabulados
numéricamente o gráficamente.
31
Figura 3.10. Tabla de propiedades
14. Haga clic sobre la página “Table” para desplegar los datos calculados en forma
numérica y tabular. Observe Figura 3.11
Figura 3.11. Densidad y Conductividad térmica de la corriente “Gas”
15. Haga clic en la página “Plots”, seleccione la propiedad “Mass Density” y presione
el botón “View Plot” que se encuentra a la derecha. Las gráficas de los cálculos
realizados se observan en la Figura 3.12.
32
Figura 3.12. Gráficas de densidad versus Presión para la corriente “Gas”
16. Cierre la gráfica anterior, seleccione la propiedad “Thermal Conductivity” y
presione el botón “View Plot”. Las gráficas de los cálculos realizados se observan
en la Figura 3.13.
Figura 3.13. Conductividad Térmica versus Presión para la corriente “Gas”
33
6. DIMENSIONAMIENTO DE UNA TUBERIA DE CORRIENTE
Dentro de la herramienta “Utilities” se encuentra una opción denominada “Pipe Sizing”
que estima el Régimen de Flujo de una corriente a las condiciones especificadas. Se
calcula el diámetro máximo conociendo la caída de presión por unidad de longitud y
viceversa y, adicionalmente, propiedades de flujo como velocidad, factor de fricción,
viscosidad, etc.
1. Utilice la tecla clave <Ctrl><U> para abrir la ventana Available Utilities.
2. Seleccione la opción “Pipe Sizing” y presione el botón “Add Utility”. Se desplegará
una ventana como la que muestra la Figura 3.14. El botón “Select Stream” permite
seleccionar la corriente a la que se le va a anexar la tabla de propiedades. En nuestro
caso se omite, porque solo se tiene una corriente que aparece seleccionada
Figura 3.14. Dimensionamiento de una tubería
3. En el cuadro “Pressure Drop (kPa/m)” digite el valor 10. Observe que HYSYS ha
calculado el diámetro máximo catálogo 40, seleccionados en los cuadros
“Calculation Type” y “Schedule”
4. Haga clic en la pestaña “Performance” y observe el cálculo del Régimen de Flujo
(Estratificado) de la corriente “Gas” a las condiciones especificadas que incluye
propiedades de transporte (fases, viscosidad, densidad, flujo y densidad) y
parámetros adicionales del régimen de flujo (Número de Reynolds y factor de
fricción). Observe la Figura 3.15
34
Figura 3.15. Régimen de Flujo de la corriente “Gas”
7. CASOS DE ESTUDIO
Utilizando el simulador HYSYS
1. Determine las propiedades críticas del benceno.
2. Construya el diagrama P-T y P-H del amoníaco.
3. Construya gráficos de densidad de una mezcla equimolar de metano y etano a
presiones entre 2000 kPa y 9000 kPa a temperaturas de 30, 50 y 100 °C.
4. Determine el régimen de flujo de una mezcla equimolar de acetona y agua a 40 °C,
110 kPa y un flujo de 100 kmol/h.
37
4. CICLO DE REFRIGERACIÓN
1. OBJETIVOS
1.1. Determinar los grados de libertad en los elementos de un ciclo de refrigeración
1.2. Simular un ciclo de refrigeración
1.3. Determinar los requerimientos energéticos en un ciclo de refrigeración
2. INTRODUCCIÓN
Los elementos de un ciclo de refrigeración simple son un condensador, una válvula de
Joule-Thompson, un evaporador y un compresor, además del medio refrigerante. En el
ciclo de refrigeración mostrado en la Figura 4.1, la corriente “1” contiene propano líquido
saturado a una temperatura de 122 °F y se expande isoentalpicamente en la válvula. La
mezcla líquido-vapor en la corriente “2” es vaporizada completamente a una temperatura de
0 °F y, a su vez, dicho vapor es comprimido y condensado para regenerar la corriente “1”
en estado de líquido saturado
Figura 4.1. Ciclo de refrigeración
Evaporador o Calentador (Heater)
En el calentador que muestra la Figura 4.1, el propósito es vaporizar completamente la
corriente 2. Las corrientes 2 y 3 son de flujos y composiciones iguales, pero el calor
suministrado a través del intercambiador de calor hace que sus temperaturas y presiones
sean diferentes.
Las ecuaciones que modelan el transporte de materia y energía a través de un calentador
son:
38
Balances de materia para cada uno de los C componentes:
ii FF 32
Balance de energía:
3322 hFQhF
Siendo 3232 , , , hhFF los flujos y las entalpías de las corrientes y Q el flujo calórico
cedido a la corriente 2.
El análisis de grados de libertad es el siguiente:
Variables Cantidad
Corriente Salida C + 2
Corriente Calor 1
Total Variables C + 3
Ecuaciones y Restricciones Cantidad
Balances de materia C
Balance de energía 1
Total Ecuaciones y Restricciones C + 1
Total grados de libertad 2
Las dos variables de diseño requeridas se pueden completar con varias opciones entre las
cuales podemos analizar las siguientes:
Temperatura y presión de la corriente de salida: se tienen las especificaciones
requeridas para hacer unos cálculos de vaporización isotérmica que estimen la
fracción de corriente vaporizada y las correspondientes concentraciones de las fases
líquido y vapor en equilibrio en la corriente de salida. El modelo calcula la caída de
presión en el intercambiador y el flujo calórico correspondiente a la corriente de
energía.
Temperatura de la corriente de salida y la caída de presión en el calentador: Es
una opción equivalente a la anterior porque con la caída de presión en el
39
intercambiador se calcula la presión en la corriente de salida y, por lo tanto, en este
caso se desarrollan cálculos de vaporización isotérmica para calcular el estado de la
corriente de salida
Las anteriores no son las únicas opciones; entre otras adicionales, se encuentran la caída de
presión y el flujo calórico en el intercambiador, el flujo calórico en el intercambiador y la
presión en la corriente de salida.
Condensador o Enfriador (Cooler)
En el condensador que muestra la Figura 4.1, el propósito es enfriar la corriente 4 haciendo
que transfiera una cantidad de su contenido calórico. Las corrientes 4 y 1 son de flujos y
composiciones iguales, pero el calor absorbido a través del intercambiador de calor hace
que sus temperaturas y presiones sean diferentes.
El análisis de los grados de libertad en un condensador (cooler) es el mismo del evaporador.
Es decir son 2 grados de libertad y las especificaciones posibles son las mismas descritas en
el apartado anterior. En este caso, se especifica la caída de presión y el ciclo converge
satisfactoriamente. ¿Por qué converge con solo una especificación si se requieren dos
adicionales a las C + 2 de la corriente de entrada?
Válvula de Joule-Thompson
Un caso de expansión isoentálpica de una corriente es el que se lleva a cabo en una válvula
de Joule – Thompson. El paso de una corriente a través de este tipo de válvula ocasiona una
disminución de la presión manteniéndose la entalpía constante.
Las ecuaciones que modelan la expansión isoentálpica de una corriente de alimento a una
válvula de Joule – Thompson se plantean con los balances de materia para cada
componente, el balance calórico entre las corrientes de entrada y salida con la corriente de
energía y la restricción de la igualdad de las entalpías totales de las corrientes de entrada y
salida, de la siguiente manera
Balances de componentes: ii FF 21
Balance de energía: 2211 hFQhF
Igualdad de entalpías: 2211 hFhF
Se observa, a partir del balance de energía y la igualdad de entalpías que el flujo calórico,
es igual a cero, es decir, que la válvula de Joule – Thompson opera en condiciones
40
adiabáticas, razón por lo cual en los diagramas de flujo se muestran dichas válvulas sin la
corriente calórica resaltada en color rojo en la figura.
El análisis de grados de libertad es el siguiente:
Variables Cantidad
Corriente Salida C + 2
Corriente Calor 1
Total Variables C + 3
Ecuaciones y Restricciones Cantidad
Balances de materia C
Balance de energía 1
Igualdad de Entalpias 1
Total Ecuaciones y Restricciones C + 2
Total grados de libertad 1
La variable de diseño que usualmente se especifica es la caída de presión en la válvula o la
presión en la corriente de salida. Por lo tanto, para determinar el estado de la corriente de
salida se requiere del desarrollo de un cálculo de vaporización isoentálpica que estime los
flujos de la fracción líquida y de la fracción vapor junto con sus respectivas composiciones.
Compresor
El compresor que muestra la Figura 4.1 se encarga de aumentar la presión de la corriente
gaseosa 3 mediante el suministro de una cantidad de energía en forma de trabajo. Las
corrientes 3 y 4 son de flujos y composiciones iguales pero se requiere un trabajo de
compresión que se calcula con teniendo en cuenta las consideraciones de operación, es
decir en forma isoentrópica o no isoentrópica
Las ecuaciones que modelan el aumento de presión de una corriente gaseosa en un
compresor se plantean con los balances de materia para cada componente y el balance entre
el contenido energético de las corrientes de entrada y salida y la corriente de energía, de la
siguiente manera:
Balances de componentes: ii FF 21 i = 1,….,C
Balance de energía: 22,11 hFWhF is
41
El análisis de grados de libertad es el siguiente:
Variables Cantidad
Corriente Descarga C + 2
Corriente Energía 1
Total Variables C + 3
Ecuaciones y Restricciones Cantidad
Balances de materia C
Balance de energía 1
Total Ecuaciones y Restricciones C + 1
Total grados de libertad 2
Si se fija la presión de la corriente de salida (o el P en el compresor) y la eficiencia del
compresor se puede calcular la entalpía de la corriente 4 con lo cual se completan las C + 2
especificaciones requeridas para su total determinación HYSYS realiza un cálculo de
evaporación espontánea P-H para la especificación completa de la corriente “4”.
1. SIMULACIÓN DEL CICLO DE REFRIGERACIÓN
1. Abra un nuevo caso y añada el siguiente paquete fluido
a. Ecuación: Peng Robinson
b. Componente: Propano
c. Unidades Field
2. Haga clic sobre el botón “Enter Simulation Environment” cuando esté listo para
empezar a construir la simulación
3. Presione la tecla clave F11 instalar una corriente y desplegar su vista de propiedades
4. Introduzca las siguientes especificaciones
a. Nombre 1
b. Fracción de vapor 0.0
c. Temperatura 120 °F
d. Flujo molar 100 lbmol/h
e. Composición (Fracción molar) 1.0
42
5. Instale una válvula de Joule-Thompson seleccionando de la paleta de objetos el
icono de nombre “Valve” y conéctela como se observa en la Figura 4.2.
Figura 4.2. Conexiones de la válvula en el ciclo de refrigeración
6. Instale un evaporador seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre
“Heater” y conéctelo como se observa en la Figura 4.3. ¿Cuántas variables se
necesitan introducir para que el conjunto Válvula-Evaporador quede completamente
especificado?
Figura 4.3. Conexiones del evaporador en el ciclo de refrigeración
43
7. Haga clic sobre la página “Parameters” e introduzca una caída de presión de 1 psi
en el cuadro “Delta P”.
8. Haga clic en la pestaña “Worksheet” y en la columna de la corriente “3” introduzca
una fracción de vapor de 1.0 y una temperatura de 0 °F ¿Cuánto es el calor
requerido en el evaporador?
9. Instale un compresor seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre
“Compressor” y conéctelo como se observa en la Figura 4.4. ¿Cuántas variables se
requieren para especificar completamente el compresor?. Si usted introduce una
presión de 200 psia a la corriente “4” ¿Por qué converge la simulación del
compresor?
Figura 4.4. Conexiones del compresor en el ciclo de refrigeración
10. Borre la presión de 200 psia introducida en la corriente “4” e instale un condensador
seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre “Cooler” y conéctelo
como se observa en la Figura 4.5. ¿Cuántas variables se requieren especificar para
que converja el conjunto Compresor-Condensador?
Figura 4.5. Conexiones del condensador en el ciclo de refrigeración
44
11. Haga clic sobre la página “Parameters” e introduzca una caída de presión de 6.5 psi
en el cuadro “Delta P” ¿Por qué converge el conjunto Compresor-Condensador con
solo especificar la caída de presión en el condensador?
12. Haga clic en la pestaña “Performance” para que observe el comportamiento entre
algunas variables a través del intercambiador. En la página perfiles o “Profiles” se
observan los estados de temperatura, presión, fracción de vapor y entalpía molar de
la corriente enfriada. En la página Gráficos o “Plots” se observa, por defecto, la
variación de la entalpía con la temperatura y se dispone de otras opciones de análisis
entre variables. En la página Tablas o “Tables” se observa información similar
13. Despliegue la ventana de propiedades de la Válvula y verifique si su operación es
isoentálpica
14. Despliegue la ventana de propiedades del compresor y verifique si su operación es
isoentrópica. Si no es isoentrópica, entonces, ¿Qué tipo de operación se realizó en el
compresor?
4. CASO DE ESTUDIO
El distribuidor local propone a su planta la venta de una mezcla propano/etano de 95/5 (%
molar). ¿Qué efecto, si lo hay, provoca esta nueva composición en el ciclo de refrigeración?
Utilice el caso base para comparación y llene la siguiente tabla:
Propiedad Caso Base: 100 % C3 Caso Nuevo: 5% C2, 95% C3
Flujo, kgmol/h _________________ ________________________
Condensador, kJ/h _________________ ________________________
Evaporador, kJ/h _________________ ________________________
Compresor, hp _________________ ________________________
45
5. SEPARACIÓN INSTANTÁNEA DE DOS FASES
1. OBJETIVOS
1.1. Determinar el número de grados de libertad en un separador de fases instantáneo
1.2. Simular un separador de fases isotérmico adiabático y no adiabático
1.3. Verificar las ecuaciones del modelo matemático estacionario de un separador de
fases isotérmico
2. INTRODUCCIÓN
Un separador de fases instantáneo simula la evaporación súbita de una (o varias corrientes).
El caso típico es el flujo a través de una restricción (por ejemplo, una válvula) cuya caída
de presión en forma adiabática provoca una vaporización parcial y en un tanque posterior
puede lograrse la separación en las fases líquido y vapor, respectivamente. Observe la
Figura 5.1 con la válvula como restricción y el tanque V-100.
En el modelamiento de un separador de fases se asume que:
1. El líquido y el vapor tienen el tiempo de contacto suficiente para lograr el
equilibrio
2. La presión de líquido y vapor son las del tanque separador, es decir, que no hay
caída de presión
3. Existe solo una fase líquida y vapor y
4. No existen reacciones químicas
Figura 5.1. Separador de fases instantáneo
Las ecuaciones de un modelo, en estado estacionario, para un separador instantáneo son:
46
Balances de materia para cada uno de los C componentes (C ecuaciones)
iii LxVyFz (5.1)
Balance de energía
LVF LhVhQFh (5.2)
Relaciones de equilibrio (C ecuaciones)
iii xKy (5.3)
Restricciones: La temperatura y la presión de la fase líquida son iguales a la temperatura y
la presión de la fase vapor. Lo anterior expresa las siguientes dos restricciones:
PPP LV (5.4)
TTT LV (5.5)
El análisis de grados de libertad es el siguiente:
Variables Cantidad
Corriente Vapor C + 2
Corriente Líquido C + 2
Corriente Calor 1
Total Variables 2C + 5
Ecuaciones y Restricciones Cantidad
Balances de materia C
Relaciones de equilibrio C
Balance de energía 1
Restricciones 2
Total Ecuaciones y Restricciones 2C + 3
Total grados de libertad 2
47
Una especificación común es la que corresponde a una separación isotérmica. En este caso,
se especifican la presión y la temperatura del separador.
Separación instantánea isotérmica
El cálculo de las corrientes de vapor y líquido para este tipo de separación suelen realizarse
utilizando la ecuación propuesta por Rachford y Rice (1952) que permite calcular la
fracción de alimento vaporizado F
V , suponiendo que las constantes de equilibrio son
independientes de las concentraciones y solo dependen de la temperatura y la presión.
0)1(1
)1(
1
N
i i
ii
K
zK
(5.6)
Separación instantánea adiabática
Una especificación muy común es la que corresponde a una separación instantánea
adiabática (Q = 0). En este caso, fijado Q, solo queda por asignar una variable, por ejemplo,
la presión de operación del sistema. De esta manera, quedan por calcularse la temperatura y
demás propiedades de las corrientes de salida. Dado que se desconoce la temperatura, el
balance de energía queda acoplado y debe resolverse simultáneamente con la ecuación
(6.6). Para ello, la ecuación (6.2) se expresa como una función de temperatura y fracción
vaporizada de la siguiente manera:
F
L
F
V
h
h
h
hTg )1(1),( (5.7)
Para la solución simultánea de las ecuaciones (5.6) y (5.7) se puede proceder de la siguiente
manera
1. Se supone una temperatura
2. Se calcula la fracción de vaporización con la ecuación (5.6) y
3. Se verifican dichos resultados con la ecuación (6.7) definiendo un error para la
función g(T, V/F)
3. SIMULACIÓN DE UN SEPARADOR DE FASES INSTANTÁNEO
1. Abra un nuevo caso y añada el siguiente paquete fluido
48
a. Ecuación: Peng Robinson
b. Componentes: Etano, Propano, n-Butano, n-Pentano, n-Hexano
c. Unidades: Field
2. Haga clic sobre el botón “Enter Simulation Environment” para desplegar la
ventana PFD de HYSYS
3. Presione con el botón derecho del Mouse el icono de la corriente de materia y en
forma sostenida arrastre el Mouse hasta la ventana del PFD
4. Introduzca las siguientes especificaciones
a. Nombre: F
b. Temperatura: 150 °F
c. Presión: 50 psia
d. Composición (Fracción molar)
i. Etano 0.05
ii. Propano 0.15
iii. n-Butano 0.25
iv. n-Pentano 0.2
v. n-Hexano 0.35
5. Instale una válvula de Joule-Thompson, asígnele como nombre “VLV-100” y
conéctela con corriente de entrada “F” y corriente de salida “F1”
6. Haga clic en la página “Parameters” de su ventana de propiedades e introduzca
una caída de presión de 1 psi en el cuadro “Delta P”
7. Instale un separador de fases seleccionando de la paleta de objetos el icono de
nombre “Separator”, asígnele como nombre “V-100” y conéctelo como indica la
Figura 5.2.
Figura 5.2. Corrientes de materia y energía conectadas al separador
49
8. Haga clic en la página “Parameters” e introduzca una carga calórica de cero en
el cuadro de nombre “Duty” y seleccione el radio botón “Heating”, como se
observa en la Figura 5.3
Figura 5.3. Carga calórica asignada al separador
9. Haga clic en la pestaña “Rating” para observar la ventana que permite definir
algunos aspectos geométricos corto del tanque separador. Observe que en el
grupo “Geometry” se elige la forma del tanque (Cilíndrica o Esférica), la
orientación (Vertical u Horizontal) y un dimensionamiento de volumen, altura y
diámetro
10. Haga clic sobre el botón “Quick Size” y observará que HYSYS propone unas
medidas para el diámetro y la altura y calcula el correspondiente volumen. El
usuario puede modificar estas dimensiones especificando dos de ellas con las
cuales HYSYS calcula la tercera. Observe la relación altura/ diámetro definida
para el dimensionamiento en la Figura 5.4.
Figura 5.4. Dimensionamiento del tanque separador
50
11. Haga clic en la pestaña “Worksheet” y observe los flujos y las entalpías de las
corrientes de producto del separador. Verifique el cumplimiento de la ecuación
(5.7)
12. Cambie la carga calórica al separador por un valor de 5e+5. ¿Qué cambios con
respecto a la operación adiabática se observan en los resultados de la
simulación?. Verifique dichos resultados con las ecuaciones
4. CASOS DE ESTUDIO
1. Borre la temperatura especificada para la corriente “F” e introduzca un valor de
65000 Btu/lbmole en el cuadro “Molar Enthalpy”. ¿Explique lo realizado y los
cambios observados en los resultados de la simulación?
2. Borre la presión especificada para la corriente “F” e introduzca un valor de 150 °F
para la temperatura manteniendo la entalpía molar introducida anteriormente.
¿Explique lo realizado y los cambios observados en la simulación?
3. Simule la separación para una presión de 50 psia y una fracción de vaporización de
0.4. Analice los resultados
4. Simule la separación para una temperatura de 150 °F y una fracción de vaporización
de 0.6. Analice los resultados
51
6. SEPARACIÓN INSTANTÁNEA DE TRES FASES
1. OBJETIVOS
1.1. Separar en forma instantánea una corriente con un contenido de hidrocarburos y
agua
1.2. Determinar los puntos de rocío y burbuja para una mezcla de hidrocarburos – agua
2. INTRODUCCIÓN
Una mezcla líquida formada por componentes completamente inmiscibles, como
hidrocarburos y agua, muestra dos fases líquidas. Esta mezcla establecerá un equilibrio con
un vapor que se formará según que la suma de las presiones de vapor de las dos fases
líquidas sea mayor que la presión a la que se encuentra la mezcla. La separación de las tres
fases se puede llevar a cabo en un recipiente que permita la decantación de las dos fases
líquidas en un esquema como el que se muestra en la Figura 6.1
Figura 6.1. Separador de tres fases
Las ecuaciones de un modelo, en estado estacionario, para un separador instantáneo de tres
fases son:
Balances de materia para cada uno de los componentes (C ecuaciones):
ii
i
i xLxLVyFz 2211 i = 1,…., C
52
Balance de energía:
2211 LLVF hLhLVhQFh
Las relaciones de equilibrio entre la fase vapor y las dos fases líquidas son (2C
ecuaciones:
iii xKy 11 i = 1,…., C
iii xKy 22 i = 1,…., C
Restricciones: La temperatura y la presión de la fase vapor, la fase líquida liviana y la fase
líquida pesada son iguales. Lo anterior expresa las siguientes dos restricciones:
21 LLV TTT
21 LLV PPP
El análisis de grados de libertad es el siguiente:
Variables Cantidad
Corriente Vapor C + 2
Corrientes Líquidas 2(C + 2)
Corriente Calor 1
Total Variables 3C + 7
Ecuaciones y Restricciones Cantidad
Balances de materia C
Relaciones de equilibrio 2C
Balance de energía 1
Restricciones 4
Total Ecuaciones y Restricciones 3C + 5
Total grados de libertad 2
53
Las variables que generalmente se especifican para completar la especificación de la
unidad son la magnitud del flujo calórico y la caída de presión en el separador o la
presión de una de las corrientes de salida.
3. SEPARACIÓN DE UNA MEZCLA DE HIDROCARBUROS - AGUA
1. Abra un nuevo caso y defina el siguiente paquete fluido
Ecuación: Peng Robinson
Componentes: C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5, H2O
Unidades: SI
2. Entre al ambiente de simulación e instale una corriente con el nombre de
“Alimento” y las siguientes especificaciones
a. Temperatura: 20 °C
b. Presión: 200 kPa
c. Flujo: 100 kgmol/h
d. Composición (Fracción Molar)
i. Metano 0.10
ii. Etano 0.03
iii. Propano 0.04
iv. i-Butano 0.08
v. n-Butano 0.10
vi. i-Pentano 0.12
vii. n-Pentano 0.13
viii. Agua 0.40
3. Maximice la ventana de propiedades de la corriente “Alimento” y observe las
condiciones de las tres fases que la componen en la Figura 6.2.
Figura 6.2. Especificaciones de la corriente “Alimento”
54
4. Haga clic en la página “Composition” y observe las composiciones
correspondientes a dicha corriente en la Figura 6.3.
Figura 6.3. Composición de las tres fases de la corriente “Alimento”
5. Presione el icono de nombre “3-Phase Separator” que se encuentra en la paleta de
objetos y en forma sostenida desplace con el clic derecho del Mouse arrástrelo hasta
la ventana del PFD de HYSYS.
6. Seleccione el separador de 3 fases haciendo doble clic sobre el icono
correspondiente en la paleta de objetos.
7. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca los nombres de las
corrientes de entrada y salida como se observan en la Figura 6.4.
Figura 6.4. Corrientes de entrada y salida al Separador de tres fases
55
8. Haga clic en la página “Parameters” y observe que, por defecto, la caída de presión
es cero. Introduzca una caída de presión de 10 kPa y observe la diferencia en los
resultados.
9. Haga clic en la pestaña “Rating” y presione el botón “Quick Size” para
dimensionar, por defecto, el tanque cilíndrico horizontal correspondiente al
separador de tres fases
10. Observe la verificación de la opción para seleccionar el anexo de una bota. Al
presionar el botón “Quick Size”, inmediatamente HYSYS también sugiere unas
dimensiones para la bota como se observan en la Figura 6.5.
Figura 6.5. Dimensionamiento del tanque Separador de Tres Fases
11. Haga clic sobre la pestaña “Worksheet” y observe las condiciones de las corrientes
de salida del Separador de Tres fases, Figura 6.6. Compárelas con las
especificaciones de las tres fases de la corriente “Alimento”.
Figura 6.6. Condiciones de las corrientes de salida del Separador de Tres Fases
56
12. Haga clic sobre la página “Composition” y observe las concentraciones de las
corrientes de salida del Separador de Tres Fases, Figura 6.7. Compárelas con las
especificaciones de las tres fases de la corriente “Alimento”
Figura 6.7. Composición de las corrientes de salida del Separador de Tres Fases
4. CASOS DE ESTUDIO
4.1 Determine el punto de rocío de la corriente “Alimento” a 200 kPa? ¿Cuántas fases
se observan? Explique por qué la fase vapor contiene agua
4.2 Determine el punto de burbuja de la corriente “Alimento” a 200 kPa. ¿Cuántas
fases se observan? Explique por qué la fase líquida no contiene agua
57
7. PROCESOS CON RECICLO
1. OBJETIVOS
1.1. Especificar una corriente a partir de las especificaciones de otra corriente
1.2. Utilizar el botón Reciclo para estimar las propiedades de una corriente de
recirculación dentro de un proceso químico
2. INTRODUCCIÓN
Los simuladores de proceso pueden clasificarse en modulares y orientados a ecuaciones.
En el segundo modo de simulación, las ecuaciones de las unidades, corrientes y modelos
termodinámicos se ensamblan y se resuelven simultáneamente. En el modo modular, los
modelos termodinámicos y las ecuaciones de las unidades se almacenan como
subprogramas o procedimientos que son llamados o requeridos en el orden de la
conectividad de las corrientes para converger secuencialmente de acuerdo a la topología del
diagrama de flujo. Este cálculo secuencial requiere de un procedimiento iterativo cuando
existe una corriente de reciclo, dentro del proceso, que se asume como una materia
corriente abajo que debe ser de las mismas especificaciones que una materia corriente
arriba, conformándose lo que se denomina un lazo de reciclo o de recirculación. En
HYSYS, un simulador modular secuencial, este procedimiento iterativo se realiza mediante
la introducción de un bloque lógico denominado “Reciclo”, que se alimenta de la corriente
abajo o “Corriente de Recirculación Calculada” y descarga la corriente arriba o
“Corriente de Recirculación Asumida”.
Los siguientes pasos se llevan a cabo durante el proceso de convergencia de un lazo de
recirculación:
1. HYSYS utiliza las condiciones de la corriente asumida y resuelve el diagrama de flujo
hacia delante hasta la corriente calculada
2. HYSYS, entonces, compara los valores de la corriente calculada con los de la corriente
asumida
3. Basado en la diferencia entre los valores, HYSYS modifica los valores en la corriente
calculada y traslada los valores modificados a la corriente asumida
4. El proceso de cálculo se repite hasta que los valores en la corriente calculada se
diferencien de los de la corriente asumida dentro de las tolerancias especificadas
Para instalar la operación Reciclo en un proceso químico, seleccione el botón “Recycle” en
la paleta de objetos, o haga clic sobre la opción Add Operation del menú Flowsheet y
seleccione la opción Recycle
3. PROCESO ESTUDIADO
En el siguiente ejemplo, una corriente bifásica, F, es mezclada con una corriente de
recirculación, Ra, y alimentada al separador V-100. El vapor del V-100 es alimentado a una
58
turbina E-100 y cargado nuevamente en el separador V-101. La mitad del líquido que sale
de este separador es alimentado a la bomba P-100 y la descarga recirculada y mezclada con
el alimento fresco en el separador V-100. Observe la Figura 7.1
Figura 7.1. Diagrama de flujo final del proceso
Bombas, compresores y turbinas
Las bombas y compresores se simulan como unidades que aumentan la presión a corrientes
líquidas y gaseosas, respectivamente, mediante la adición de una cantidad de energía, lo
que requiere que realicen un trabajo sobre dichas corrientes. En las turbinas se simula la
recuperación de la energía que se libera cuando una corriente disminuye de presión. Se
puede considerar que las funciones de un compresor y una turbina son opuestas. En
condiciones ideales, las funciones realizadas por las bombas, compresores y turbinas se
tratan como cambios iso entrópicos y mediante la definición de un concepto de eficiencia se
corrigen para los estimativos reales En cada uno de estos elementos, se tienen dos
corrientes de materia, una de entrada y otra de salida, y una corriente de energía (Trabajo),
como se muestra en las Figuras 7.2 (a), (b) y (c).
(a) (b) (c)
Figura 7.2. (a) Bomba, (b) Compresor, (c) Turbina
59
Las ecuaciones que modelan el cambio isoentrópico (Eficiencia del 100 %) de una corriente
se plantean con los balances de materia para cada componente y el balance entre el
contenido energético de las corrientes de entrada y salida y la corriente de energía, de la
siguiente manera
Balances de componentes: ii FF 21 i = 1,….,C
Balance de energía: 22,11 hFWhF is
Igualdad de entropías: 2211 sFsF
El análisis de grados de libertad es el siguiente:
Variables Cantidad
Corriente Descarga C + 2
Corriente Calor 1
Total Variables C + 3
Ecuaciones y Restricciones Cantidad
Balances de materia C
Balance de energía 1
Restricciones (Igualdad de entropías) 1
Total Ecuaciones y Restricciones C + 2
Total grados de libertad 1
La variable de diseño que usualmente se especifica es el cambio de presión en la unidad
(bomba, compresor o turbina) o la presión en la corriente de salida. Un análisis de variables
en esta corriente muestra que especificada cualquiera de ella, se conocen las C + 2 variables
requeridas como son el flujo total (Suma de los flujos de componentes) y con ello sus
composiciones además de la entropía y su presión. Por lo tanto, para determinar el estado
de la corriente de salida se requiere del desarrollo de un cálculo de vaporización
isoentrópica que estime los flujos de la fracción líquida y de la fracción vapor junto con sus
respectivas composiciones.
Al considerar un cambio no isoentrópico, el número de variables de diseño es 2e
iN ,
porque ya no se cumple la restricción sobre la igualdad de entropías. En este caso, además
de la especificación de la corriente de salida o del cambio de presión en la unidad se puede
especificar la corriente de energía o la eficiencia de la unidad
60
Divisor de una corriente
Un divisor de una corriente, como el que muestra la Figura 7.3, fracciona el flujo de dicha
corriente en “n” corrientes de producto.
Figura 7.3. Divisor de una corriente
Las ecuaciones que modelan la división de una corriente en varias otras se plantean con los
balances de materia para cada componente y el balance entre el contenido energético entre
la corriente de entrada y las de salida y la corriente de energía, de la siguiente manera:
Balances de componentes: i
n
iiii FFFFF ...321 C ecuaciones
Balance de energía: QhFhFhFhFFh nn ...332211
Siendo que las corrientes de salida presentan las mismas composiciones, temperatura y
presión de la corriente de entrada se cumplen las siguientes restricciones:
Igualdad de concentraciones: n
i
n
iiii
F
F
F
F
F
F
F
F
F
F ...
3
3
2
2
1
1 (n – 1)(C – 1) ecuaciones
Igualdad de temperaturas: nTTT ...21 (n - 1)
Igualdad de presiones: nPPP ...21 (n - 1)
El análisis de grados de libertad es el siguiente:
Variables Cantidad
Corrientes de salida n(C + 2)
Corriente Calor 1
Total Variables n(C + 2) + 1
61
Ecuaciones y Restricciones Cantidad
Balances de materia C
Balance de energía 1
Igualdad de concentraciones (n - 1)(C - 1)
Igualdad de temperaturas (n - 1)
Igualdad de presiones (n - 1)
Total Ecuaciones y Restricciones nC + n
Total grados de libertad n + 1
Las variables que se especifican son el flujo calórico (usualmente considerado
adiabático), la presión en el divisor y un total de n – 1 fracciones del flujo total de la
corriente de entrada correspondientes a cada una de las corrientes de salida.
4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
1. Abra un nuevo caso, seleccione el siguiente paquete fluido
A. Ecuación: Peng Robinson
B. Componentes: Nitrógeno, bióxido de carbono, metano, etano,
propano, i-butano, n-butano, i-pentano, n-pentano, n-hexano, n-heptano y n-
octano
C. Unidades: Field
2. Instale una corriente de materia con nombre “F” y las siguientes
especificaciones
Pestaña Worksheet Página Conditions
Temperature 60°F
Pressure 600 psi
Molar Flow 1 MMSCFH
Pestaña Worksheet Página Compositions
Nitrogen Mole Frac 0.0069
CO2 Mole Frac 0.0138
Methane Mole Frac 0.4827
Ethane Mole Frac 0.1379
Propane Mole Frac 0.0690
i-Butane Mole Frac 0.0621
n-Butane Mole Frac 0.0552
62
i-Pentane Mole Frac 0.0483
n-Pentane Mole Frac 0.0414
n-Hexane Mole Frac 0.0345
n-Heptane Mole Frac 0.0276
n-Octane Mole Frac 0.0206
3. Instale un separador de fases con el nombre de “V-100” y las siguientes
especificaciones
Pestaña Design Página Connections
Inlets F1
Vapour Outlet V
Liquid Outlet L
Pestaña Design Página Parameters
Pressure Drop 0 psi
4. Instale un expansor con el nombre de “E-100” y las siguientes especificaciones
Pestaña Design Página Connections
Inlet V
Outlet V1
Energy Qe
Pestaña Worksheet Página Conditions
Corriente V1 300 psi
5. Instale un separador con el nombre de “V-101” y las siguientes especificaciones
Pestaña Design Página Connections
Inlets V1
Vapour Outlet V2
Liquid Outlet L2
Pestaña Design Página Parameters
Pressure Drop 1.45 psi
6. Instale una Tee con el nombre de “TE-100” y las siguientes especificaciones
Pestaña Design Página Connections
Inlet L2
63
Outlets P, L3
Pestaña Design Página Parameters
Flow Ratio 0.5
7. Instale una bomba con el nombre de “P-100” y las siguientes especificaciones
Pestaña Design Página Connections
Inlet P
Outlet Rc
Energy Qp
Pestaña Design Página Parameters
Efficiency 75%
Pestaña Worksheet Página Conditions
Corriente Rc 600 psi
8. Instale una corriente de nombre “Ra” asumiendo las mismas especificaciones de
la corriente calculada o “Rc”. Para ello despliegue la ventana de propiedades de
la corriente “Ra” y presione el botón que se encuentra en la parte inferior con el
título de “Define from other Stream” y seleccione la corriente “Rc” en el cuadro
titulado “Available Streams” que se encuentra en la ventana titulada “Spec
Stream As”. Presione el botón OK. Conecte la corriente como una entrada al
separador V-100. En la Figura 7.4 se pueden ver las condiciones para la
corriente calculada “Rc” y cuyos valores se toman para asumirlas como las
especificaciones de la corriente “Ra”, antes de introducir el botón de Reciclo.
Figura 7.4. Especificaciones asumidas para la corriente Ra
64
9. Instale un botón de reciclo seleccionando el icono de nombre “Recycle” que se
encuentra en la paleta de objetos
10. Despliegue su ventana de propiedades y en la pestaña “Connections” introduzca
en el cuadro “Inlet” la corriente calculada o “Rc” y en el cuadro “Outlet” la
corriente asumida o “Ra”. El botón reciclo se encargará de hacer los cálculos
iterativos hasta igualar las especificaciones entre las dos corrientes y alcanzar la
convergencia de todo el proceso. La Figura 7.1 muestra el diagrama de flujo
final del proceso
11. Despliegue la ventana de propiedades del botón de Reciclo y haga clic sobre la
pestaña “Worksheet” y observe en la Figuras 7.5 y 7.6 que las condiciones y
composiciones finales de la corriente calculada “Rc” y la corriente asumida
“Ra” son iguales. Compare estos datos con los observados en la Figura 7.4
Figura 7.5. Condiciones finales de las corrientes asumida y calculada
Figura 7.6. Composiciones finales de las corrientes asumida y calculada
65
8. COMPRESIÓN DE UN GAS EN TRES ETAPAS
1. OBJETIVOS
1.1 Especificar una corriente a partir de las especificaciones de otra corriente
1.2 Utilizar el botón Reciclo para calcular una corriente de recirculación dentro de un
proceso químico
1.3 Simular, en estado estacionario, un proceso de compresión de un gas en varias
etapas
2. PROCESO ESTUDIADO
La corriente gaseosa de entrada y de nombre “Alimento” se encuentra a 50°F y 80 psia y se
comprime hasta 1000 psia en tres etapas. En cada una de las etapas de compresión el
líquido que resulta después de un enfriamiento y separación de fases es recirculado a la
entrada de la etapa de compresión que le antecede. Las condiciones de temperatura y
presión son 120°F y 200 psia después de la primera etapa de compresión, 120°F y 500 psia
después de la segunda etapa y 120°F y 1000 psia después de la tercera etapa.
Mezclador de corrientes
La mezcla de varias corrientes tiene un contenido másico que es la suma de los contenidos
de cada una de las corrientes mezcladas y las propiedades de temperatura y presión
dependen de la composición de cada una de las corrientes mezcladas. La Figura 8.1 muestra
el esquema de un mezclador que se alimenta de “n” corrientes de entrada y su producto
tiene la composición de la mezcla resultante
Figura 8.1. Mezclador de corrientes
. Las ecuaciones que modelan el mezclado de “n” corrientes se plantean con los balances de
materia para cada componente y el balance entre el contenido energético de las corrientes
de entrada y salida y la corriente de energía, de la siguiente manera
Balances de componentes: FFFF i
n
ii ...21 C ecuaciones
66
Balance de energía: FhQhFhFhF nn ...2211
El análisis de grados de libertad es el siguiente:
Variables Cantidad
Corriente de salida C + 2
Corriente Calor 1
Total Variables C + 3
Ecuaciones y Restricciones Cantidad
Balances de materia C
Balance de energía 1
Total Ecuaciones y Restricciones C + 1
Total grados de libertad 2
Las variables que generalmente se especifican para completar la especificación de la
unidad son la magnitud del flujo calórico y la presión del mezclador.
3. PAQUETE FLUIDO
Ecuación: Peng-Robinson
Componentes: Nitrógeno, Dióxido de carbono, Metano, Etano, Propano, i-
Butano, n-Butano, i-Pentano, n-Pentano, n-Hexano, n-
Heptano y n-Octano.
Reacciones: No hay
Sistema de unidades: Field
4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
Corriente de alimentación: Instale la corriente “Alimento” con las siguientes
especificaciones en la página “Conditions” de la pestaña “Worksheet”
Temperatura 50 °F
Presión 80 psia
Flujo molar 250 lbmole/h
En la página “Composition” de la pestaña “Worksheet” especifique las siguientes
concentraciones para el alimento en fracciones molares:
67
Nitrogen Mole Frac 0.0069
CO2 Mole Frac 0.0138
Methane Mole Frac 0.4827
Ethane Mole Frac 0.1379
Propane Mole Frac 0.0690
i-Butane Mole Frac 0.0621
n-Butane Mole Frac 0.0552
i-Pentane Mole Frac 0.0483
n-Pentane Mole Frac 0.0414
n-Hexane Mole Frac 0.0345
n-Heptane Mole Frac 0.0276
n-Octane Mole Frac 0.0206
Para construir este diagrama de flujo, un conjunto de separadores, compresores,
enfriadores y mezcladores tienen que instalarse con las especificaciones que aparecen a
continuación. Las corrientes de recirculación se añadirán después que las operaciones se
hayan instalado. Instale las operaciones con las especificaciones descritas a
continuación
Mezclador MIX-100: Pestaña Design Página Connections
Inlet Alimento
Outlet EntradaV-100
Pestaña Design Página Parameters
Automatic Pressure Assignment Set Outlet to Lowest Inlet
La corriente de recirculación RC-100 se instalará a este mezclador después que hayan
sido instaladas todas las operaciones
Separador V-100: Pestaña Design Página Connections
Inlets EntradaV-100
Vapour Outlet VaporV-100
Liquid Outlet LiquidoV-100
Compresor K-100: Pestaña Design Página Connections
Inlet VaporV-100
Outlet EntradaE-100
Energy QK-100
Enfriador E-100 (Cooler): Pestaña Design Página Connections
Feed Stream EntradaE-100
Product Stream SalidaE-100
68
Energy Stream QE-100
Pestaña Design Página Parameters)
Pressure Drop 5 psi
Especifique la temperatura y la presión de la corriente SE-100 con valores de 120°F y
200 psia respectivamente
Mezclador MIX-101: Pestaña Design Página Connections
Inlet SalidaE-100
Outlet EntradaV-101
Pestaña Design Página Parameters
Automatic Pressure Assignment Set Outlet to Lowest Inlet
La corriente de recirculacion RC-101 se instalará a este mezclador después que todas
las operaciones hayan sido instaladas
Separador V-101: Pestaña Design Página Connections
Feed EntradaV-101
Vapour Outlet VaporV-101
Liquid Outlet LiquidoV-101
Compresor K-101: Pestaña Design Página Connections
Inlet VaporV-101
Outlet EntradaE-101
Energy QK-101
Enfriador E-101 (Cooler): Pestaña Design Página Connections
Feed Stream EntradaE-101
Product Stream SalidaE-101
Energy Stream QE-101
Pestaña Design Página Parameters
Pressure Drop 5 psi
Especifique la temperatura y presión de la corriente SalidaE-101 como 120°F y 500
psia respectivamente.
Mezclador MIX-102: Pestaña Design Página Connections
Inlet SalidaE-101
69
Outlet EntradaV-102
Pestaña Design Página Parameters
Automatic Pressure Assignment Set Outlet to Lowest Inlet
La corriente de recirculación RC-102 se añadirá al mezclador después que todas las
operaciones hayan sido instaladas
Separador V-102: Pestaña Design Página Connections
Feed EntradaV-102
Vapour Outlet VaporV-102
Liquid Outlet LiquidoV-102
Compresor K-102: Pestaña Design Página Connections
Inlet VaporV-102
Outlet EntradaE-102
Energy QK-102
Enfriador E-102: Pestaña Design Página Connections
Feed Stream EntradaE-102
Product Stream SalidaE-102
Energy Stream QE-102
Pestaña Design Página Parameters
Pressure Drop 5 psi
Especifique la temperatura y presión de la corriente SalidaE-102 con valores de 120°F y
1000 psia, respectivamente
Separador V-103: Pestaña Design Página Connections
Feed SalidaE-102
Vapour Outlet VaporV-103
Liquid Outlet LiquidoV-103
Añada, ahora, las corrientes de recirculación, presione el botón “Define from other
Stream” que se encuentra en el fondo de la ventana de propiedades de dichas corriente
y utilice la ventana “Spec Stream As” para definirlas utilizando otras propiedades de las
corrientes
70
Corrientes de recirculación
1. Especifique la corriente de recirculación RC-100 como la corriente LiquidoV-101 y
conéctela como un alimento al mezclador MIX-100
2. Especifique la corriente de recirculación RC-101 como la corriente LiquidoV-102 y
conéctela como un alimento al mezclador MIX-101
3. Especifique la corriente de recirculación RC-102 como la corriente LiquidoV-103 y
conéctela como un alimento al mezclador MIX-102
Las propiedades de las corrientes LiquidoV-101, LiquidoV-102 y LiquidoV-103 sirven
como los estimativos iniciales para las corrientes de recirculación. Antes de instalar las
operaciones Recycle, se sugiere colocar el resolvedor del diagrama de flujo en “Modo
Holding”
Operaciones de recirculación
RCY-1 – Feed: LiquidoV-101; Product: RC-100
RCY-2 – Feed: LiquidoV-102; Product: RC-101
RCY-3 – Feed: LiquidoV-103; Product: RC-102
Coloque el revolvedor del diagrama de flujo en el “Modo Activo” haciendo clic en el
icono “Solver Active” y la simulación convergerá satisfactoriamente. El diagrama de
flujo final del proceso de compresión se muestra en la Figura 8.2
Figura 8.2. Proceso de compresión de un gas en tres etapas
73
9. AJUSTE DE VARIABLES
1. OBJETIVOS
1.1 Simular, en estado estacionario, un separador de fases isotérmico con ajuste de una
variable
1.2 Ajustar el valor de una variable para especificar el valor de otra variable mediante el
botón “Ajuste”
2. INTRODUCCIÓN
Separador de fases isotérmico
Un separador de fases isotérmico separa a una mezcla que contiene una fase líquida y otra
de vapor de acuerdo a las condiciones de equilibrio definidas por la temperatura y la
presión del alimento al separador y sin un requerimiento calórico externo.
Operación AJUSTE
La operación lógica “Adjust” varía el valor de una variable de una corriente (variable
independiente) hasta encontrar la especificación o valor requerido (variable dependiente) en
otra corriente u operación.
En un diagrama de flujo, una cierta combinación de especificaciones puede requerirse y no
puede resolverse directamente. Problemas de estos tipos deben resolverse por medio de
procedimientos de ensayo y error. La operación “Adjust” puede usarse para desarrollar
automáticamente las iteraciones de ensayo y error que se requieren resolver rápidamente en
un diagrama de flujo.
La operación “Adjust” es extremadamente flexible. Le permite vincular variables de
corriente en el diagrama de flujo en direcciones que no son posibles usando las operaciones
unitarias ordinarias. Puede usarse para resolver para el valor deseado de una sola variable
dependiente o se pueden instarlar múltiples Adjust para resolver para los valores deseados
de varias variables simultáneamente. La operación “Adjust” puede desempeñar las
siguientes funciones:
1. Ajustar la variable independiente hasta que la variable dependiente encuentr el
valor deseado
2. Ajustar la variable independiente hasta que la variable dependiente se iguale al
valor de la misma variable en otro objeto mas un valor adicional
Para instalar el botón “Adjust”, seleccione el botón “Adjust” en la paleta de objetos. De
otra manera, seleccione la opción “Add Operation” del menú “Flowsheet” y seleccione la
opción “Adjust”.
74
3. PROCESO ESTUDIADO
Una corriente de hidrocarburos saturados a -60 °F y 600 psia es alimentada a un separador
de fases isotérmico con un flujo de 144 lbmol/h. Se requiere ajustar la temperatura del
alimento para que el flujo del líquido que sale del separador sea de 100 lbmol/h
4. PAQUETE FLUIDO
Ecuación: Peng Robinson
Componentes: Metano, Etano, Propano, i-Butano, n-Butano, i-Pentano
n-Pentano, n-Hexano, n-Heptano, n-Octano
Reacción: No hay
Unidades: Field
5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
Corriente de alimentación: Instale una corriente de nombre “Alimento” e introduzca las
siguientes especificaciones
Pestaña Worksheet Página Conditions
Temperatura - 60°F
Presión 600 psi
Flujo Molar 144 lbmole/hr
Pestaña Worksheet Página Composition
Methane Fracción Mol 0.4861
Ethane Fracción Mol 0.1389
Propane Fracción Mol 0.0694
i-Butane Fracción Mole 0.0625
n-Butane Fracción Mol 0.0556
i-Pentane Fracción Mole 0.0486
n-Pentane Fracción Mole 0.0417
n-Hexane Fracción Mole 0.0486
n-Heptane Fracción Mole 0.0278
n-Octane Fracción Mole 0.0208
Separador de fases. Instale un separador de fases con nombre “V-100”, y especifique lo de
la siguiente manera
Pestaña Design Página Connections
Inlets Alimento
Vapour Outlet Vapor
75
Liquid Outlet Líquido
OPERACIÓN AJUSTE
Para ajustar la temperatura del alimento para que el flujo de la corriente “Líquido” sea de
100 lbmol/h, HYSYS dispone del botón “Adjust”. Ahora, instale la operación ajuste
haciendo clic en el menú “Flowsheet” y a continuación seleccionando la opción “Adjust”.
De otra manera, seleccione el botón “Adjust” que se encuentra en la paleta de objetos
Las especificaciones introducidas en la página “Connections” nos muestran a la
Temperatura del alimento como la variable independiente o la variable a ajustar p
“Adjusted Variable” para un valor de la variable dependiente o variable objetivo o “Target
Variable” de 100 lbmole/hr o “Specified Target Value”. El objeto y su variable se
seleccionan simultáneamente usando el navegador de variables o “Variable Navigator”
desplegado al presionar el botón “Select Var”. La ventana “Variable Navigator” consiste de
4 secciones de listados que ayudan al proceso de selección de la variable actuando como un
filtro. Los listados trabajan secuencialmente de tal manera que un listado se puede
manipular si se ha hecho la selección correspondiente en el listado anterior. Observe la
Figura 9.1.
Figura 9.1. Conexiones para el botón de ajuste de variables
En la pestaña “Parameters” se definen los criterios de convergencia para el método solución
escogido. Obsérvese que los valores máximo y mínimo para la variable independiente no se
ajustaron. Al presionar el botón “Start”, HYSYS inmediatamente comienza el
procedimiento de convergencia.
En la pestaña “Monitor” se desplegarán los valores para las variables independiente y
dependiente estimados en cada una de las iteraciones
76
El Adjust converge al flujo requerido en sisete iteraciones. Las nuevas condiciones de la
corriente de alimento se muestran en la ventana de sus propiedades, Figura 9.2
Figura 9.2. Propiedades de la corriente de alimentación después del ajuste
Observe que la temperatura de la corriente Feed muestra el valor de –15.760 °F en forma
resaltada, es decir, como si fuera un valor especificado. Aunque el valor que originalmente
se especificó fue de - 60°F, la operación ajuste hace que la solución para la variable
independiente al terminar el proceso de convergencia se convierta en el valor especificado.
Si se borra el botón ADJ-1, los nuevos valores se mantienen en el diagrama de flujo que se
muestra en la Figura 9.3.
Figura 9.3. Separador de fases con el botón de ajuste de variables incluido
77
10. HOJA DE CÁLCULO
1. OBJETIVOS
1.1. Simular un separador de fases P-Vf con una relación no lineal entre el flujo de
líquido y la altura del nivel de líquido en el tanque
1.2. Establecer relaciones no lineales entre variables de proceso mediante la
importación y exportación a través de la hoja de cálculo de HYSYS
2. INTRODUCCIÓN
El botón “Set” de HYSYS permite el establecimiento, solamente, de relaciones lineales
entre variables. Las relaciones no lineales son posibles introducirlas en una simulación,
mediante la importación, cálculos y exportación de variables a la hoja de cálculo que se
encuentra incluida en la paleta de objetos.
Mediante la hoja de cálculo se pueden hacer algunas operaciones matemáticas como suma,
potenciación o radicación; manejo de relaciones lógicas como condicionales o conjunciones
y permite el manejo de ciertas funciones matemáticas como las trigonométricas.
El procedimiento consiste en importar las variables requeridas para el establecimiento de
las relaciones, realizar los cálculos para estimar los valores de otras variables que se
exportarán para asignarlas a algún objeto, ya sea unidad de proceso o corriente.
3. PROCESO ESTUDIADO
Una corriente de agua pura a 50 psia y fracción de vapor de 0.6 se alimenta a un separador
de fases con un flujo desconocido. Se ajusta el flujo de líquido de tal manera que se
relacione con el nivel de líquido en el tanque mediante la siguiente relación no lineal
hL 20 (10.1)
Siendo “L”, el flujo molar de la corriente “Líquido” y “h”, el nivel de líquido en el tanque.
Si se fija el nivel de líquido en el tanque, la ecuación (10.1) permite el cálculo del flujo de
líquido y con ello se completa la especificación faltante para que la separación de fases
converja satisfactoriamente.
4. PAQUETE FLUIDO
Ecuación: Peng Robinson
78
Componente: Agua
Unidades: Field
5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
1. Instale una corriente de materia con el nombre de “Alimentación” e introduzca las
siguientes especificaciones:
a. Fracción de vapor 0.6
b. Presión: 50 psia
c. Composición: 1 (Fracción mol)
2. Instale un separador de fases con el nombre de “V-100” y en la página
“Connections” de la página “Design” introduzca las siguientes conexiones
a. Inlets Alimento
b. Vapor Outlet Vapor
c. Liquid Outlet Liquido
3. En la página “Parameters” introduzca el valor de 0.0 en el cuadro “Delta P” y 60 %
en el cuadro “Liquid Level”
4. Haga clic en la pestaña “Rating” e introduzca una especificación de 3 pies para el
diámetro interior del tanque y 10 pies para su altura. Observe que HYSYS calcula el
volumen del tanque
Relación no lineal entre el flujo de líquido y el nivel de líquido en el tanque
5. Seleccione el icono que se encuentra en la paleta de objetos con el nombre de
“Spreadsheet” para instalar la hoja de cálculo. Asígnele como nombre “Hoja de
Cálculo”
6. Haga doble clic para desplegar su ventana de propiedades y presione el botón
“”Add Import” para importar la variable Altura del tanque V-100, a la hoja de
cálculo
7. En la ventana desplegada seleccione V-100 en el cuadro “Object” y a la derecha, en
el cuadro “Variable”, seleccione “Vessel Length o Height”, presione OK. En la
ventana de la pestaña “Connections” despliegue el cuadro que se encuentra debajo
del encabezamiento titulado “Cell” y seleccione la celda B1 para colocar el valor de
la variable seleccionada
8. Haga clic en la pestaña “Spreadsheet” y observe en la celda B1 el valor de la
variable importada. En la celda A1, escriba la leyenda “Altura Tanque”. Note que al
seleccionar la celda B1 se activa el cuadro “Imported From” y muestra el objeto y la
variable importada a dicha celda
79
9. En la celda B2, importe el valor de la variable del nivel de líquido en porcentaje o
“Liquid Percent Level” en el objeto V-100. En la celda A2, escriba la leyenda
“Nivel de Líquido, %”. La Figura 10.1 muestra la ventana de la pestaña
“Connections” con las variables importadas en las celdas señaladas en la hoja de
cálculo. La Figura 2 muestra la hoja de cálculo con las leyendas digitadas y los
valores de las variables importadas
Figura 10.1. Importación de variables a la hoja de cálculo
Figura 10.2. Hoja de cálculo con dos variables importadas
10. En la celda A3 digite la leyenda “Altura de Líquido” y en la celda B3 introduzca la
fórmula +B1*B2/100 para calcular la altura del nivel de líquido en el tanque.
11. Seleccione la celda B3 y en el cuadro “Current Cell” que se encuentra en la parte
de arriba, despliegue el cuadro titulado “Variable Type” y seleccione la opción
“Length” para asignar unidades de longitud a la variable calculada en dicha celda
80
12. En la celda A4 digite la leyenda “Flujo de Líquido” y en la celda B4 introduzca la
fórmula +20*@SQRT(B3) correspondiente a la ecuación (10.1), es decir, la
relación no lineal entre el flujo de la corriente “Liquido” y el nivel de líquido en el
tanque. La hoja de cálculo debe observarse como se muestra en la Figura 10.3
Figura 10.3. Hoja de cálculo con variables importadas y cálculos
13. Haga clic sobre la pestaña “Connections” y presione el botón “Add Export”. En la
ventana desplegada y en el cuadro “Object” seleccione la corriente “Liquido” y en
el cuadro “Variable” seleccione la opción “Molar Flow”. Presione OK
14. Tenga presente de seleccionar en la columna titulada “Cell” seleccionar la celda B4
que es donde se encuentra el valor que se quiere exportar para asignarlo al flujo de
la corriente “Liquido”. La simulación converge satisfactoriamente y en la hoja de
cálculo se puede observar que el valor calculado en la celda B4 incluye unidades de
flujo molar
15. Haga clic en la pestaña “Parameters” y observe el listado de parámetros en relación
con el número de columnas y filas en la hoja de cálculo y las variables exportables.
16. Haga clic en la pestaña “Formulas” y observe un resumen de ellas, las celdas de su
colocación y los resultados actuales de su solución
81
11. BALANCES DE MATERIA
1. OBJETIVOS
1.1. Hacer un balance global de materia entre dos corrientes manteniendo constante el
flujo de materia
1.2. Analizar las especificaciones de las corrientes balanceadas y su influencia en sus
condiciones
1.3. Verificar algunos cálculos de flujos desarrollados por HYSYS
2. INTRODUCCIÓN
HYSYS dispone de una operación lógica para hacer cálculos de balance de materia y
energía entre corrientes de un proceso químico. La operación Balance de Masa y la
operación Balance de moles desarrollan balances globales de materia donde solamente se
conserva el flujo másico o molar entre las corrientes.
Operación Balance de masa o “Mass Balance”
Esta operación desarrolla un balance global donde solamente se conserva el flujo másico.
Una aplicación es el modelamiento de reactores con estequiometría desconocida y
disponiendo de los análisis de todos los alimentos y productos. Si se especifican las
composiciones de todas las corrientes y el flujo para todas excepto una de las corrientes
conectadas, la operación “Mass Balance” determinará el flujo de la corriente desconocida.
Esto es una aplicación muy común en unidades de alquilación, hidrotratadores y otros
reactores no estequiométricos.
1. Deben especificarse las composiciones para todas las corrientes
2. El flujo debe especificarse para todas las corrientes excepto una de ellas. HYSYS
determinará el flujo de dicha corriente mediante un balance de masa
3. La operación Mass Balance determina las masas equivalentes de los componentes
que se han definido para las corrientes de entrada y salida de la operación.
4. Esta operación no traslada presión ni temperatura
Operación Mole Balance
Esta operación desarrolla un balance global de moles sobre unas corrientes seleccionadas
sin hacer balance de energía. Puede usarse para establecer balances de materia en secciones
del diagrama de flujo o para transferir el flujo y composición de una corriente de proceso en
una segunda corriente.
1. La composición no necesita especificarse en todas las corrientes
82
2. No tiene consecuencias la dirección del flujo de la corriente desconocida. HYSYS
calculará el flujo molar del alimento a la operación basado en lo especificado para los
productos o viceversa
3. Esta operación no traslada presión ni temperatura
3. CASOS DE ESTUDIO
3.1. BALANCE DE MASA
En el siguiente ejemplo todos los componentes de una corriente gaseosa “Alimento” se
convierten a propano puro en la corriente de salida “Producto. Seleccione a la ecuación
Peng Robinson y los siguientes componentes: metano, etano, propano, i-butano, n-butano,
i-pentano, n-pentano, n-hexano, n-heptano y n-octano. Especifique la corriente “Alimento”
de la siguiente manera:
Pestaña Worksheet - Página Conditions
Nombre Alimento
Fracción de vapor 1.0
Temperatura 60°C
Presión 4000 kPa
Flujo Molar 100 kgmole/hr
Pestaña Worksheet - Página Composition (Fracción Mol)
Metano 0.9271
Etano 0.0516
Propano 0.0148
i-Butano 0.0026
n-Butano 0.0020
i-Pentano 0.0010
n-Pentano 0.0006
n-Hexano 0.0001
n-Heptano 0.0001
n-Octano 0.0001
Especifique la composición de la corriente “Producto” como 100 % en Propano. Inserte una
operación de balance de masa o “Mass Balance”. En la pestaña “Connections” de la
ventana de propiedades de la operación Balance, introduzca la corriente “Alimento” como
corriente de entrada o “Inlet Stream” y como corriente de salida o “Outlet Stream” la
corriente “Producto”. Observe la ventana de propiedades del botón “BAL-1“ de la Figura
11.1.
Haga clic en la pestaña “Parameters” y seleccione la opción Masa o “Mass” como el tipo de
balance o “Balance Type”.
83
El balance resuelto corresponde a la siguiente ecuación:
opanooductooductopentoA PMFXm PrPrPr,lim **
Siendo entoAm lim el flujo másico de la corriente “Alimento”, 3856 lb/h
oductopX Pr, la fracción molar de propano en el producto, uno
oductoFPr el flujo molar de producto desconocido
opanoPM Pr el peso mol del propano o 44.10 lb/lbmol
Figura 11.1. Conexiones al botón de balance de masa
La Figura 11.2 muestra al botón BAL-1 mediante el cual se calculó el flujo molar de la
corriente “Producto” para el mismo flujo másico de la corriente “Alimento”
Figura 11.2. Balance global de masa entre dos corrientes
84
En el balance global de masa, el flujo másico de la corriente “Alimento” es igual, es decir,
trasladado a la corriente “Producto” como se observa en la Figura 11.3. El flujo molar y el
flujo volumétrico de líquido son calculados teniendo en cuenta la composición especificada
de la corriente “Producto” (Fracción mol de propano uno)
Figura 11.3. Resultados del Balance de masa
La corriente “Producto” se encuentra subespecificada. ¿Por qué? Calcule y compruebe el
flujo volumétrico. Agregue algunas condiciones para una especificación completa de la
corriente “Producto”.
3.2 BALANCE DE MOLES
En el siguiente ejemplo, el balance en moles se usará para crear una corriente que tiene la
misma composición molar y el mismo flujo de otra corriente pero a una diferente presión y
temperatura
Abra un nuevo caso seleccionando los componentes metano, etano, propano, i-butano, n-
butano, i-pentano, n-pentano, n-hexano y elija a la Ecuación de Peng Robinson para el
cálculo de las propiedades.
Instale una corriente de nombre “Gas” e introduzca las siguientes especificaciones
Pestaña Worksheet - Página Conditions
Nombre Gas.
Temperatura 10 °C
Presión 3930 kPa
Flujo Molar 30 kgmole/h
85
Pestaña Worksheet - Página Compositions (Fracción Mol)
Metano 0.8237
Etano 0.1304
Propano 0.0272
i-Butano 0.0101
n-Butano 0.0059
i-Pentano 0.0016
n-Pentano 0.0009
n-Hexano 0.0002
Seguidamente, instale una corriente de material de nombre “Rocio” sin especificar ninguna
información para ella en este punto. Ahora instale una operación Balance y en la pestaña
“Connections” anexe las corrientes como se muestra en la Figura 11.4.
Figura 11.4. Conexiones para la Operación balance de moles
Haga clic en la pestaña “Parameters” y seleccione la opción “Mole” en la sección donde se
selecciona el tipo de balance o “Balance Type”
Haga clic en la pestaña “Worksheet” y observe en la Figura 11.5, que el Botón BAL-2 ha
trasladado los datos correspondientes a los flujos de la corriente “Gas” a la corriente
“Rocio” y si se despliega la página “Composition” se observa que también ha trasladado la
información sobre las concentraciones. La corriente no muestra información de
temperatura, presión o fracción de vapor requerida para completar su especificación.
86
Figura 11.5. Balance de moles entre las corrientes “Gas” y “Rocio”
Ahora se puede estimar la temperatura de rocío de la corriente “Rocio”, a una presión
especificada (14.7 psia), introduciendo el valor correspondiente para la fracción de vapor
(0.00) como se observa en la Figura 11.6.
Figura 11.6. Determinación de la temperatura de rocío a 14.7 psia
Cambie las especificaciones que se requieran para determinar la temperatura de burbuja de
la corriente “Rocio” a una determinada presión. ¿Por qué no son, siempre iguales a la de la
corriente “Gas”?
87
12. BALANCES DE CALOR
1. OBJETIVOS
1.1. Calcular el flujo global de calor de varias corrientes de un proceso químico,
mediante la opción HEAT del botón BALANCE
1.2. Verificar el resultado del cálculo hecho por el simulador HYSYS
2. INTRODUCCION
HYSYS dispone de una operación lógica para hacer cálculos de balance de materia y
energía entre corrientes de un proceso químico. La operación Balance de Calor desarrolla
balances globales de calor donde solamente se conserva el flujo másico o molar entre las
corrientes
Operación Heat Balance
Esta operación desarrolla un balance global de calor sobre unas corrientes. Puede usarse
para establecer balances de calor en secciones del diagrama de flujo o para transferir la
entalpía de una corriente de proceso en una segunda corriente.
1. Deben especificarse los flujos de materia y las composiciones para todas las
corrientes de materia. El flujo de calor no será trasladado a corrientes que no tengan
especificadas las composiciones y el flujo, aun cuando haya solo un flujo de calor
desconocido
2. No tiene consecuencias la dirección del flujo de la corriente desconocida. HYSYS
calculará el flujo de calor del alimento a la operación basado en lo especificado para
los productos o viceversa
3. Esta operación no traslada presión ni temperatura
4. No se puede balancear el calor en una corriente material
3. CASO DE ESTUDIO
Abra un nuevo caso, seleccione la Ecuación de Peng Robinson y los componentes metano,
etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano y n-pentano. Considere que dos corrientes
calientes y dos corrientes frías intercambian calor y se necesita determinar el flujo total de
calor al sistema.
Instale las corrientes calientes y frías con las siguientes especificaciones
88
Corriente Caliente: “Cal-1”
Pestaña Design Página Conditions
Temperatura 30 °C
Presión 5000 kPa
Flujo Molar 50 kgmol/h
Pestaña Design Página Composition (Fracción Mol)
Metano 0.95
Etano 0.05
Corriente Caliente: “Cal-2”
Pestaña Design Página Conditions
Temperatura 20 °C
Presión 5000 kPa
Flujo Molar 100 kgmol/h
Pestaña Design Página Composition (Fracción Mol)
Metano 0.5386 n-Butano 0.0615
Etano 0.1538 i-Pentano 0.0538
Propano 0.0769 n-Pentano 0.0462
i-Butano 0.0692
Corriente Fría: “Frio-1”
Pestaña Design Página Conditions
Fracción de vapor 1.0
Presión 2000 kPa
Flujo Molar 75 kgmol/h
Pestaña Design Página Composition (Fracción Mol)
Metano 0.95
Etano 0.05
Corriente Fría: “Frio-2”
Pestaña Design Página Conditions
Fracción de vapor 0.0
Presión 250 kPa
89
Flujo Molar 100 kgmol/h
Pestaña Design Página Composition (Fracción Mol)
Metano 0.02
Etano 0.98
Ahora instale el botón “Balance”, haga clic en la pestaña “Connections” y anexe las
corrientes calientes y frías en la sección de las corrientes de entrada o “Inlet Streams” y en
la sección de las corrientes de salida o “Outlet Streams” introduzca la corriente de nombre
“QTotal”, como se observa en la Figura 12.1.
Figura 12.1. Conexiones al botón Balance
Haga clic en la pestaña “Parameters” y en la sección sobre el tipo de balance o “Balance
Type” seleccione la opción calor o “Heat” como aparece en la Figura 12.2
Figura 12.2. Selección del tipo de Balance
90
HYSYS hace los cálculos de balance de calor valiéndose de las propiedades estimadas y
haciendo la sumatoria de los flujos calóricos de cada una de las corrientes, es decir
mediante la ecuación
4
1i
ii HFQTotal
Siendo Fi el flujo molar de cada una de las cuatro corrientes y i la entalpía molar de cada
una de ellas. Haga uso de las propiedades estimadas por HYSYS y verifique el resultado
reportado como el QTotal de -3.034e+07 kJ/h
91
13. BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA
1. OBJETIVOS
1.1. Calcular el flujo molar de una corriente de proceso enfriada en dos
intercambiadores en serie
1.2. Calcular la temperatura de la corriente entre los dos intercambiadores
1.3. Verificar los resultados anteriores con los obtenidos con la operación BALANCE
de HYSYS
2. INTRODUCCION
Operación Balance
La operación Balance es una facilidad de propósito general para desarrollar balances de
materia y calor. Solamente requiere los nombres de las corrientes que entran y salen a una
operación. Para el Balance General pueden especificarse, también, las relaciones entre los
componentes.
La operación Balance puede usarse en paralelo con otras unidades para desarrollar balances
de materia y energía globales debido a que HYSYS permite que corrientes entren y salgan a
más de una operación. La operación Balance resolverá tanto en direcciones hacia delante
como hacia atrás
3. CASO DE ESTUDIO
ENFRIADORES EN SERIE
Una corriente “Alimento” que contiene hidrocarburos saturados, nitrógeno y dióxido de
carbono a 60 °F y 600 psia y de flujo desconocido se quiere enfriar hasta -60 °F mediante
dos enfriadores en serie, E-100 y E-101. Las cargas calóricas y las caídas de presión en
cada uno de los intercambiadores de calor son 1.2x106 Btu/h y 5 psi en el E-100 y 5x10
6
Btu/h y 5 psi en el E-101. Se requiere determinar el flujo molar a traves de los enfriadores y
la temperatura de la corriente “EntradaE-101”.
La carga calórica en el intercambiador E-100 cumple la ecuación
)(* 101limlim,lim100 EntradaEentoAentoApentoA TTCFQ (13.1)
La carga calórica en el intercambiador E-101 cumple con la ecuación
92
)(* Pr101lim,101101 oductoEntradaEentoApEntradaE TTCFQ (13.2)
El flujo molar a través de los enfriadores es constante y desconocido, y el calor específico
se puede asumir que también es constante pero es calculado por HYSYS, mediante la
ecuación utilizada en el paquete fluido. Por lo tanto, se tiene un par de ecuaciones con dos
incógnitas, a saber, el flujo y la temperatura de la corriente “EntradaE-101”. HYSYS
resuelve este tipo de problema con la opción “Mole and Heat Balance”
Abra un nuevo caso, seleccione a los componentes nitrógeno, anhídrido carbónico, metano,
etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano, n-pentano, n-hexano, n-heptano y n-octano y
a la Ecuación de Peng Robinson como el paquete de propiedades.
CORRIENTE DE ALIMENTACIÓN:
Instale una corriente de nombre “Alimento” con las siguientes especificaciones
Pestaña Worksheet Página Conditions
Temperatura 60°F
Presión 600 psi
Pestaña Worksheet Página Composition (Fracción Mol)
Nitrógeno 0.0149 CO2 0.0020
Metano 0.9122 i-Pentano 0.0010
Etano 0.0496 n-Pentano 0.0006
Propano 0.0148 n-Hexano 0.0001
i-Butano 0.0026 n-Heptano 0.0001
n-Butano 0.0020 n-Octano 0.0001
ENFRIADOR E-100:
Instale un enfriador de nombre E-100 e introduzca las siguientes especificaciones en la
ventana de propiedades.
Pestaña Design Página Conections
Inlet Alimento
Outlet EntradaE-101
Energy QE-100
Pestaña Design Página Parameters
Caída de presión 5 psi
Carga Calórica 1.2e+06 Btu/hr
93
ENFRIADOR E-101
Instale un enfriador de nombre E-101 e introduzca las siguientes especificaciones en su
ventana de propiedades
Pestaña Design Página Conections
Inlet EntradaE-101
Outlet Producto
Energy QE-101
Pestaña Design Página Parameters
Caída de presión 5 psi
Carga calórica 2.5e+06 Btu/hr
CORRIENTE ENFRIADA
En la ventana de propiedades de la corriente “Producto” introduzca el valor de -60 °F para
su temperatura en la pestaña “Worksheet” de su página “Conditions”.
Se observa que hay insuficiente información para completar los balances de materia y
energía. El balance de calor puede completarse, solamente, si se conoce el flujo a través de
las corrientes. Sin embargo, esto puede calcularse mediante un balance de materia y calor a
través de todo el diagrama de flujo incluyendo las corrientes “Alimento”, “Producto”, QE-
100 y QE-101.
OPERACIÓN MOLE AND HEAT BALANCE
Instale una operación “Balance “y complete las conexiones y parámetros como se muestra
en las Figura 13.1.
Figura 13.1. Conexiones al botón de Balance de moles y calor
94
Haga clic en la pestaña “Parameters” y en la sección Tipo de Balance o “Balance Type”
seleccione la opción “Mole and Heat” como se observa en la Figura 13.2. HYSYS
inmediatamente ejecutará un balance global de materia y calor. Los resultados obtenidos
son los siguientes
Figura 13.2. Selección del tipo de balance
Observe que la mayoría de las operaciones unitarias en HYSYS desarrollan el equivalente
de un balance de materia y calor, además de sus otros cálculos mas especializados. Si este
ejemplo se resolviera sin el Balance de mol y calor, habría la necesidad de especificar el
flujo. Cuando se instaló el Balance de mol y calor, se utilizó un grado de libertad y se
calcularon los flujos de las corrientes. Verifique estos cálculos
El diagrama de flujo final de los dos enfriadores en serie incluido el botón BAL-1 se
muestra en la Figura 13.3.
Figura 13.3. Balance de mol y calor en dos enfriadores en serie
95
14. BALANCE GENERAL
1. OBJETIVOS
1.4. Calcular, mediante HYSYS, los flujos y las composiciones desconocidas en un
mezclado entre dos corrientes.
1.5. Verificar los resultados reportados por HYSYS en cálculos de balances de materia
entre corrientes mezcladas
1.6. Calcular, mediante HYSYS, los flujos globales entre corrientes en las que se
conserva el flujo global de materia
1.7. Verificar los resultados reportados por HYSYS en cálculos globales de balances de
materia entre corrientes especificadas en composición y flujos
2. INTRODUCCIÓN
Operación Balance
La operación Balance es una facilidad de propósito general para desarrollar balances de
materia y calor. Solamente requiere los nombres de las corrientes que entran y salen a una
operación. Para el Balance General pueden especificarse, también, las relaciones entre los
componentes.
La operación Balance puede usarse en paralelo con otras unidades para desarrollar balances
de materia y energía globales debido a que HYSYS permite que corrientes entren y salgan a
más de una operación. La operación Balance resolverá tanto en direcciones hacia delante
como hacia atrás
Operación Balance General
La opción “General Balance” es capaz de resolver problemas de mayor envergadura.
Resolverá un conjunto de “n” ecuaciones con “n” incógnitas desarrolladas a partir de las
corrientes conectadas a la operación. Esta operación, a causa del método de solución, es
considerablemente potente para los tipos de problemas que puede resolver. No solo puede
resolver flujos y composiciones desconocidas en las corrientes conectadas, sino también
relaciones que pueden establecerse entre los componentes en las corrientes. Cuando la
operación determina la solución, la relación preestablecida entre los componentes se
mantendrá.
1. La operación “General Balance” resolverá balances de materia y energía
independientemente. Es aceptable una corriente de energía como entrada o salida.
2. La operación resolverá flujos y composiciones desconocidos y puede tener relaciones
especificadas entre componentes en una de las corrientes.
3. Las relaciones pueden especificarse en base molar, másica o volumen de líquido.
96
3. CASOS DE ESTUDIO
3.1. REFORMADOR DE GAS DE SÍNTESIS
Considere un reformador de gas de síntesis cuyo alimento requiere una relación fija entre
los componentes metano y agua. La corriente “Metano” contiene, principalmente, metano
y trazas de otros componentes. La corriente “Agua” contiene agua pura. Las corrientes
“Metano” y “Agua” se combinan para crear la corriente llamada “Alimento”.
Abra un nuevo caso, seleccione la ecuación Peng Robinson y los componentes metano,
monóxido de carbono, dióxido de carbono y agua. Las especificaciones de las corrientes
mencionadas anteriormente son:
Corriente “Metano”: 40 °C, 7000 kPa. 10000 kgmol/h, 95 % mol de metano, 0.5 % mol
de monóxido de carbono, 4 % mol de dióxido de carbono y 0.5 % mol de agua.
Corriente “Agua”: 200 °C, 7000 kPa. 100 % agua
Corriente “Alimento”: 7000 kPa
Operación Balance General: Instale la operación “Balance”, haga clic en la pestaña
“Connections” e introduzca las especificaciones como aparecen en la Figura 14.1.
Figura 14.1. Corrientes conectadas a la operación Balance General
Haga clic en la pestaña “Parameters” y seleccione la opción “General”. Haga clic en el
botón “Add Ratio” para desplegar la ventana de título “Ratio-1” y modifíquela
introduciendo los datos que aparecen en la Figura 14.2.
97
Figura 14.2. Relación entre el contenido de agua y metano en la corriente “Alimento”
HYSYS realizará los cálculos correspondientes y completará la operación. Las
especificaciones resultantes de las corrientes aparecen resumidas en la Figura 14.3.
Figura 14.3. Resultados de los cálculos de balances generales reportados por HYSYS
Observe que las fracciones molares de metano y agua en la corriente “Alimento” son ambos
iguales a 0.4884, satisfaciendo así la especificación sobre la relación entre ellos
El diagrama final de la operación “Balance General” realizada entre las corrientes
consideradas se muestra en la Figura 14.4.
Ejercicios
A continuación se observan las ecuaciones que expresan los balances de materia y energía,
además de la restricción entre las concentraciones de metano y agua en la corriente
“Alimento”. Haga un análisis de grados de libertad y verifique que el sistema se encuentra
98
completamente especificado, lo cual explica el por qué HYSYS desarrolla los cálculos.
Compare los resultados obtenido entre sus cálculos y los obtenidos por HYSYS
Figura 14.4. Balance General entre las corrientes “Agua”, “Metano” y “Alimento”
Balances de materia y energía y restricciones
Balance de agua: entoA
Agua
entoAoMe
Agua
oMeAgua FXFXF limlimtantan (14.1)
Balance de metano: entoA
oMe
oMeoMe
oMe
oMe FXFX lim
tan
tantan
tan
tan (14.2)
Balance de monóxido de carbono: entoA
CO
entoAoMe
CO
oMe FXFX limlimtantan (14.3)
Balance de dióxido de carbono: entoA
CO
entoAoMe
CO
oMe FXFX limlimtantan22 (14.4)
Balance de energía: entoAentoAoMeoMeAguaAgua hFhFhF limlimtantan (14.5)
Relación entre agua y metano en la corriente “Alimento” 1tan
lim
lim oMe
entoA
Agua
entoA
X
X (14.6)
3.2 COLUMNA DE DESTILACIÓN AZEOTRÓPICA
Una mezcla de benceno y ciclohexano es separada en una columna que utiliza acetona
como agente de arrastre. Benceno casi puro es producido en el fondo, mientras que una
mezcla azeotrópica de acetona y ciclohexano se produce en el tope de la columna.
Se quiere determinar la cantidad necesaria de acetona para separar lo suficientemente la
mezcla benceno – ciclohexano. El cálculo del flujo de acetona requerido, en base a un
alimento fijo de benceno y ciclohexano, implica la solución de un conjunto de ecuaciones
lineales, lo que significa que puede usarse la opción “General Balance”. Utilice la ecuación
UNIQUAC como modelo de actividad e introduzca las siguientes corrientes
99
Corriente “Alimento”: El flujo másico y las composiciones especificadas de la mezcla
“Alimento” son 85 kg/h, 51.8 % en masa de benceno y 48.2 % en masa de ciclohexano.
Corriente “Acetona”: La acetona utilizada es pura y solo se especifica su composición.
Corriente “Azeótropo”: El producto de cabeza de la columna se especifica como una
mezcla azeotrópica que contiene 68.76 % en masa de acetona y 31.24 % en masa de
ciclohexano
Corriente “Benceno”: La corriente de fondo de la columna es benceno puro y se
especifica solamente su composición.
Operación Balance General
La operación “General Balance” desarrollará balances de componentes individualmente,
mientras que las operaciones “Mole o Mass Balances” solamente desarrollan balances de
flujo globales y no pueden resolver este problema
Instale la operación General Balance con “Alimento” y “Acetona” como corrientes de
entrada o “Inlet Streams” y “Azeótropo” y “Benceno” como corrientes de salida o “Outlet
Streams”. Esta operación no realizará una solución completa pero calcula los flujos másicos
de “Acetona”, “Azeótropo” y “Benceno” como se puede observar en el libro de trabajo
El flujo másico de acetona requerido es de 90.18 kg/h. Plantee los balances de materia y
verifique los flujos de las corrientes “Acetona”, “Azeótropo” y “Benceno” que aparecen
calculados en el libro de trabajo. Observe que se si se está usando la opción General
Balance de esta forma, se debe borrarla antes de correr la columna. El diagrama de las
corrientes balanceadas junto con la operación “General Balance” se muestra en la Figura
14.5.
Figura 14.5. Balance general para calcular flujos globales de corrientes
100
Por qué las corrientes no están completamente especificadas?. ¿Qué se puede hacer para
especificarlas completamente?
Ejercicios
1. Escriba las ecuaciones de balances y restricciones, si las hay, y verifique los flujos y las
composiciones de las corrientes obtenidos por HYSYS
2. Agregue algunas especificaciones requeridas para especificar completamente las cuatro
corrientes
101
15. PLANTA DE ENFRIAMIENTO DE UN GAS
1. OBJETIVOS
1.1. Simular, en estado estacionario, una versión simplificada de una planta de
enfriamiento de un mezcla de hidrocarburos gaseosa
1.2. Ajustar la temperatura la corriente de alimento a un separador de fases al valor del
punto de rocío de otra corriente a una determinada presión
1.3. Especificar un intercambiador de calor de carcasa y tubos para completar sus
grados de libertad
1.4. Analizar relaciones entre variables del proceso mediante la opción Databook del
HYSYS
2. INTRODUCCIÓN
En este ejercicio se modelará una versión simplificada de una planta de gas refrigerada.
Una mezcla gaseosa que contiene hidrocarburos, agua, sulfuro de hidrógeno, nitrógeno y
dióxido de carbono a 15 °C y 6200 kPa se enfría hasta conseguir condensarlo
completamente a una temperatura de 15.18 °C. Se utiliza como medio enfriante una
fracción fría del mismo alimento que es recirculada para extraer calor del vapor en un
intercambiador de calor de carcasa y tubo. Después de un segundo enfriamiento, dicho
vapor se condensa parcialmente, la mezcla de dos fases se separa, se recoge el líquido como
el producto enfriado y se aprovecha el vapor para el primer enfriamiento.
Intercambiador de carcasa y tubo
Los simuladores contienen módulos que simulan las corrientes de materia entre las cuales
ocurre la transferencia de calor y además consideran la ecuación de diseño de un
intercambiador de calor de tal manera que la solución final incluya algunas especificaciones
sobre su dimensionamiento, especialmente su área de transferencia de calor. La Figura 15.1
muestra el esquema de un intercambiador con sus cuatro corrientes de materia y
completamente aislado de tal manera que no hay intercambio de calor con los alrededores.
Figura 15.1. Intercambiador de carcasa y tubo
102
Las ecuaciones que modelan el diseño de un intercambiador de carcasa y tubo se plantean
con los balances de materia para cada componente, el balance calórico entre las corrientes
de entrada y salida con la corriente de energía y la ecuación de diseño del intercambiador
de la siguiente manera:
Balances de componentes: i
fo
i
co
i
fe
i
ce FFFF C ecuaciones
Balance de energía: QFFhFhF i
fo
i
cofe
i
fecece
Siendo que el módulo incluye el dimensionamiento del intercambiador y a sabiendas que
las corrientes de materia se mueven por compartimentos separados, se cumplen las
siguientes restricciones
Ecuación de diseño del intercambiador: )(LMTDUAQ
Igualdad de flujos en una corriente: i
co
i
ce FF C ecuaciones
Siendo, LMTD, la diferencia de temperatura media logarítmica entre las temperaturas de
cada una de las cuatro corrientes de materia.
El análisis de grados de libertad es el siguiente:
Variables Cantidad
Corrientes de salida 2(C + 2)
Coeficiente global de transferencia de calor 1
Área de transferencia de calor 1
Total Variables 2C + 6
Ecuaciones y Restricciones Cantidad
Balances de materia C
Balance de energía 1
Ecuación de diseño del intercambiador 1
Igualdades entre los flujos de componentes C
Total Ecuaciones y Restricciones 2C + 2
Total grados de libertad 4
Las especificaciones más usuales son:
Las temperaturas y las presiones en las corrientes de salida, con las cuales se calcularán las
respectivas fracciones de vaporización y las caídas de presión en el intercambiador. Con la
ecuación de diseño se calcula como parámetro de dimensionamiento el producto, UA, del
coeficiente por el área de transferencia de calor
103
Las caídas de presión de las corrientes que circulan por los tubos y por la carcasa y la
temperatura de la corriente que se quiere calentar o enfriar, según el objetivo del
intercambiador. Este caso es equivalente al anterior
3. PROCESO ESTUDIADO
La corriente “Alimento” a 15 °C y 6200 kPa, se somete a una separación de fases, en el
recipiente V-100, incluido para eliminar la posible formación de condensado. El vapor
“VaporV-100” se enfría en dos intercambiadores en serie, E-100 y E-101, condensando una
fracción de dicho vapor. La mezcla líquido-vapor, “LiquidoVapor”, a una temperatura de -
15.18 y 6130 kPa °C se separa en el recipiente V-101, recogiéndose el líquido como el
producto enfriado y el vapor se recircula como medio enfriante en el intercambiador E-100.
El intercambiador E-101 es un enfriador de especificaciones simplificadas disponible en
HYSYS. Un objetivo de la simulación es ajustar la temperatura de la corriente,
“LiquidoVapor”, que alimenta al separador V-101 a la temperatura de rocíode la corriente
“Vapor”. El punto de rocío de la corriente gaseosa producto “Vapor” no debe exceder de –
15°C a 6000 kPa. Una operación Balance se utilizará para evaluar el punto de rocio del
producto gaseoso “Vapor” a 6000 kPa.
4. PAQUETE FLUIDO
Ecuación: Peng-Robinson
Componentes: Nitrógeno, Sulfuro de Hidrógeno, Dióxido de carbono, Metano,
Etano, Propano, i-Butano, n-Butano, i-Pentano, n-Pentano, n-Hexano,
Agua y C7+ (Hipotético, Temperatura de ebullición Normal 110 °C,
(230 °F))
Reacciones: No hay
Sistema de unidades: SI
5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
Corriente de alimentación: Instale la corriente de nombre “Alimento” e introduzca en su
ventana de propiedades las siguientes especificaciones:
Nombre: Alimento
Temperatura: 15°C (60°F)
Presión: 6200 kPa (900 psia)
Flujo Molar: 1440 kgmole/hr (3175 lbmole/hr)
Composición (Fracción Molar:
N2 0.0066
H2S 0.0003
CO2 0.0003
C1 0.7575
104
C2 0.1709
C3 0.0413
i-C4 0.0068
n-C4 0.0101
i-C5 0.0028
n-C5 0.0027
C6 0.0006
C7+ 0.0001
H2O 0
Separador de fases V-100: Instale un separador de fases seleccionándolo de la paleta de
objetos, colóquele nombre “V-100”, e introduzca la siguiente información en la ventana de
la página “Connections” de su pestaña “Design”
Inlets Alimento
Vapour Outlet VaporV-100
Liquid Outlet Residuo
Enfriador E-100: Instale un intercambiador de calor de carcasa y tubo haciendo un doble
clic en el icono “Heat Exchanger” que se encuentra en la paleta de objetos, colóquele
nombre “E-100” e introduzca la información que aparece en las páginas “Connections”,
(Figura 15.2) y “Parameters” (Figura 15.3) de la pestaña “Design” de su ventana de
propiedades.
El modelo para el cálculo del intercambiador de calor es el ponderado o “Weighted” porque
es el disponible solo para intercambiadores en contracorriente. El modelo de cálculo se
selecciona en el cuadro “Heat Exchanger Model” de la página “Parameters”. ¿Cuántas
especificaciones se requieren para que el intercambiador converja satisfactoriamente?
Figura 15.2. Corrientes en el intercambiador E-100
105
Figura 15.3. Parámetros especificados en el intercambiador E-100
Especificaciones adicionales en el enfriador E-100: Se introducirá como especificación
adicional que la aproximación mínima global entre las temperaturas en el intercambiador E-
100 sea de 5°C. Para ello despliegue la página para completar las especificaciones del
intercambiador o “Specs” y se desplegará la ventana que aparece en la Figura 15.4. Es
necesario que se desactive la especificación UA haciendo clic en la caja de verificación
“Active” para dicha especificación. El simulador por defecto especifica un “Heat Balance =
0” que es necesario asegurar para el cumplimiento de los balances de calor y, por lo tanto,
no se necesita suministrarla. Presione el botón “Add” para añadir las especificaciones
necesarias para completar los grados de libertad y el simulador pueda resolver al
intercambiador de calor. La ventana de especificación del intercambiador se desplegará y
por defecto aparece para añadir una especificación de diferencia de temperaturas entre dos
corrientes. En el cuadro desplegable “Type” seleccione la opción “MinApproach” e
introduzca la especificación como aparece en la Figura 15.5. Observe en la Figura 15.4 que
la especificación añadida se ha fijado como activa verificando el cuadro en la columna
“Active”. Observe el flujo del gas enfriado que sale del intercambiador E-100
Figura 15.4. Ventana para agregar las especificaciones en el intercambiador E-100
106
Figura 15.5. Especificación de la mínima aproximación de temperatura entre las corrientes
en el intercambiador E-100
Enfriador GG-2: Instale un intercambiador de calor de especificaciones simplificadas
haciendo un doble clic en el icono “Cooler” que se encuentra en la paleta de objetos,
colóquele nombre “E-101” e introduzca la información que aparece a continuación
Pestaña Design: Página Connections
Nombre E-101
Inlet SalidaE-100
Outlet LiquidoVapor
Energy Q2
Pestaña Design: Página Parameters
Delta P 35 kPa (5 psia)
Separador de fases V-101: Instale un separador de fases, asígnele como nombre “V-101”
e introduzca la siguiente información en su ventana de propiedades
Pestaña Design: Página Connections
Nombre V-101
Inlets LiquidoVapor
Vapour Outlet VaporV-101
Liquid Outlet Liquido
La temperatura del alimento al separador de fases V-101, se variará utilizando la operación
Ajuste para hallar una temperatura en la cual se cumpla la restricción de que se encuentre
en su punto de rocío. Por el momento, especifique que la temperatura de la corriente
“LiquidoVapor” es de – 20°C (- 4°F), ¿Por qué converge satisfactoriamente la planta de
refrigeración?
107
¿Cuál es la presión y la temperatura de la corriente producto gaseoso “Vapor”?
_______________________ y _____________________________
ESTIMACIÓN DE LA TEMPERATURA DE ROCÍO DE LA CORRIENTE
“VAPOR”
Se quiere estimar el punto de rocío de la corriente “Vapor” a una presión de 6000 kPa (875
psia). Para ello se introduce un botón Balance que conecte a dicha corriente con otra de
nombre “VaporRocio” y que se especifica de la siguiente manera:
Página Connections: Pestaña Connections
Inlet Streams Vapor
Outlet Streams VaporRocio
Página Parameters: Pestaña Parameters
Balance Type Mole
En la página “Conditions” de la pestaña “Worksheet” especifique una presión de 6000 kPa
(875 psia) a la corriente “VaporRocio” y asigne el valor de la fracción de vapor
correspondiente a temperatura de punto de rocío, es decir uno (1.0)
¿Cuánto es la temperatura de rocio de la corriente “Vapor”? _____________________
La temperatura de rocío requerida es de – 15°C. El obtenido a 6000 kPa es mayor o menor?
______________________________________________________________________
Asumiendo que se fija la presión, ¿Qué otro parámetro afecta a la temperatura de rocío?
¿Cómo se puede cambiar la temperatura de rocío en la simulación?
AJUSTE DE LA TEMPERATURA DE LA CORRIENTE “LIQUIDOVAPOR” QUE
ALIMENTA AL SEPARADOR V-101
Un objetivo de la simulación es alimentar al separador de fases V-101 a una temperatura
correspondiente al punto de rocío de la corriente “Vapor” a 6000 kPa, es decir, -19.48 °C.
Para ello se introduce un botón de ajuste y se despliega su ventana de propiedades para la
introducción de sus especificaciones
108
En la página “Connections” de la pestaña del mismo nombre, seleccione la variable a
ajustar presionando el botón “Select Var...” en el grupo “Adjusted Variable” para abrir el
navegador de variables o “Variable Navigator”. De la lista de objetos u “Object” seleccione
la corriente “LiquidoVapor”. De la lista de variables o “Variable” que está ahora visible
seleccione la temperatura y presione OK para aceptar la variable y regresar a la vista de
propiedades del botón de ajuste.
Para seleccionar la variable objetivo presione ahora, el botón “Select Var...” en el grupo
“Target Variable” para desplegar la ventana “Select Target Variable for ADJ-1”, seleccione
“VaporRocio” en la lista de objetos u “Object” y Temperatura en la lista de variable o
“Variable” y presione OK para aceptar la variable y regresar a la vista de propiedades del
botón de ajuste. Escribe el valor de – 19.48 °C en el cuadro “Specified Target Value”. Abra
la página “Parameters”, mantenga los parámetros que aparecen por defecto y presione el
botón “Start” para empezar los cálculos. Para observar el progreso de la operación ajuste
abra la pestaña “Monitor”. La Figura 15.6 muestra las especificaciones introducidas para la
operación de ajuste
Figura 15.6. Ventana de especificaciones del botón de ajuste
¿Cuánto es la temperatura de la corriente de salida del E-100 para alcanzar la especificación
del punto de rocío?
El diagrama de flujo final de la planta de gas refrigerada incluyendo las operaciones
Balance y Adjust se muestra en la Figura 15.7.
109
Dimensionamiento y desempeño del intercambiador E-100
HYSYS estima un dimensionamiento y configuración para este tipo de intercambiador de
carcasa y tubo
1. Despliegue la ventana de propiedades del intercambiador y haga clic en la pestaña
“Rating” y observe el dimensionamiento global en cuanto a configuración de la
unidad y la información calculada sobre la geometría y el coeficiente global de
transferencia que HYSYS está proponiendo
Figura 15.7. Diagrama de flujo de una planta de enfriamiento de gas
2. Haga clic sobre el radio botón “Shell” y observe la información sugerida por
HYSYS sobre el banco de tubos, la carcasa y los bafles.
3. Haga clic sobre el radio botón “Tube” y observe la información sugerida por
HYSYS sobre las dimensiones y las propiedades de los tubos.
4. Haga clic sobre la pestaña “Performance” y observe en la página “Details”
información global y detallada sobre el desempeño del intercambiador.
5. Haga clic sobre la página “Plots” y observe el gráfico de Flujo calórico versus
Temperatura de las corrientes que intercambian calor a través del intercambiador.
6. Despliegue el cuadro “Plot Type” y observe los diferentes gráficos que muestran el
desempeño del intercambiador.
7. Haga clic sobre la página “Tables” y observe la información numérica
correspondiente al perfil de las corrientes por carcasa y tubo.
110
8. Haga clic en la pestaña “Worksheet” y observe las condiciones de las corrientes de
entrada y salida y verifique que se cumplen las especificaciones introducidas para la
simulación de la operación del intercambiador
HERRAMIENTA Databook: Análisis relacional entre variables
La herramienta “Case Study” de HYSYS permite monitorear la respuesta en estado
estacionario de variables de proceso claves ante cambios en otras variables en el proceso.
Se seleccionan las variables independientes a cambiar y las variables dependientes a
monitorear. HYSYS varia las variables independientes al mismo tiempo y con cada cambio
calcula los valores de las variables dependientes.
En vez de utilizar la operación Ajuste para hallar la temperatura de la corriente
“LiquidoVapor” requerida para alcanzar el punto de rocío del producto gaseoso “Vapor” se
puede utilizar la herramienta “Case Study” para examinar un intervalo de valores de
temperaturas de la corriente “LiquidoVapor” y de temperaturas de punto de rocío.
Antes de instalar el “Case Study”, el botón Ajuste tiene que desactivarse de tal manera que
no cause conflictos con el Case Study. Para ello abra la ventana de propiedades del botón
Ajuste, señale el cuadro de verificación correspondiente a la opción “Ignored” y cierre la
ventana
Variación de la temperatura de la corriente “VaporRocío” debida a cambios en la
temperatura de la corriente “LiquidoVapor”
Del menú “Tools” seleccione la opción “Databook”, para abrir su ventana de
especificaciones. En la página “Variables” presione el botón “Insert” para abrir la ventana
“Variable Navigator”.
Seleccione “LiquidoVapor” de la lista de objetos u “Object” y Temperatura de la lista de
variables y presione OK para completar la selección de la primera variable. Repita la
operación anterior para seleccionar la temperatura de la corriente “VaporRocio” como la
segunda variable. Observe la Figura 15.8
En la ventana “Databook”, haga clic en la página “Case Studies” y presione el botón “Add”
para añadir un nuevo caso de estudio. Seleccione la Temperatura de “LiquidoVapor” como
la variable independiente y la temperatura de “VaporRocio” como la variable dependiente.
Observe la Figura 15.9.
Presione el botón “View...” para completar la información para el caso de estudio. Ingrese
los valores para el límite inferior (Low Bound), límite superior (High Bound) y tamaño del
paso (Step Size) de – 25°C (- 20°F), 5°C (10°F) y 5°C (10°F) respectivamente. Presione el
botón Start para empezar los cálculos. Observe la Figura 15.10.
111
Figura 15.8. Selección de variables para el caso de estudio
Figura 15.9. Selección de las variables independiente y dependiente
Figura 15.10. Especificaciones del intervalo de valores a analizar
112
Para observar los resultados en forma gráfica o numérica, presione el botón “Results” y
escoja la opción “Graph o Table”. Observe los resultados gráficos en la Figura 15.11.
Figura 15.11. Resultados gráficos del caso de estudio
Habiendo terminado el estudio de caso, active la operación Adjust eliminando la
verificación en la opción “Ignored” en la página “Parameters” de la operación
115
16. REACTOR DE CONVERSIÓN
1. OBJETIVOS
1. Simular, en estado estacionario un reactor de conversión
2. Relacionar dos variables mediante la opción “Set” de HYSYS
3. Verificar los resultados obtenidos por HYSYS con los calculados teóricamente
4. Utilizar la facilidad que permite la operación “Set” para simular una separación
instantánea P-Vf
2. INTRODUCCIÓN
Reactor de conversión
Un Reactor de Conversión es un recipiente en el cual se realiza, solamente, un conjunto de
reacciones de conversión. Cada reacción procederá hasta que se alcance la conversión
especificada o hasta que se agote el reactivo límite. La Figura 16.1 muestra un esquema que
representa a un reactor de conversión:
Figura 16.1. Reactor de Conversión
En un reactor donde se realizan un sistema de N reacciones de conversión en paralelo, los
flujos de salida de cada uno de los componentes en el sistema se pueden calcular mediante
un balance de materia, asignando una conversión, rX ,a cada una de las reacciones y
considerando sus coeficientes estequiométricos ( i
r ) positivos para los productos y
negativos para los reaccionantes y escribiendo las reacciones con coeficiente
estequiométrico de uno para cada reactivo límite (l). Si hay un componente inerte su
coeficiente estequiométrico es cero. El balance de materia para cada componente se puede
escribir, por lo tanto, de la siguiente manera:
n
r
rl
or
i
r
i
o
i
p NXNN1
)( (16.1)
El subíndice “p” se refiere a la corriente producto; “o” a la corriente de entrada; “i” a cada
uno de los componentes y “l(r”) el componente límite en la reacción “r” y “N” los flujos
116
molares. La ecuación (16.1) expresa que el flujo en la corriente producto de un componente
es igual a su flujo de entrada más la sumatoria de lo producido en cada reacción menos lo
consumido en cada reacción
El balance calórico se puede escribir de la siguiente forma, estableciendo el balance de
entalpía entre las corrientes de entrada y salida al reactor:
C
i
C
i
i
p
i
p
i
o
i
o hNQhN1 1
(16.2)
Siendo i
p
i
o hh , , las entalpías molares del componente “i” en la entrada y salida,
respectivamente y “Q”, el calor absorbido o liberado en la reacción
El análisis de grados de libertad es el siguiente:
Variables Cantidad
Corriente de salida C + 2
Corriente de calor 1
Total Variables C + 3
Ecuaciones y Restricciones Cantidad
Balances de materia C
Balance de energía 1
Total Ecuaciones y Restricciones C + 1
Total grados de libertad 2
Las variables que generalmente se especifican para completar la especificación del reactor
de conversión son: la magnitud del flujo calórico y la caída de presión en el reactor o la
presión de la corriente de salida.
HYSYS permite la simulación de procesos químicos con reacciones de conversión donde se
especifica, además de su estequiometría, el componente base, la fase en que se realiza la
reacción y una ecuación polinómica para calcular la conversión en función de la
temperatura de la reacción. Si la conversión es independiente de la temperatura se
especifica la conversión con solo el término constante del polinomio función de
temperatura
117
Operación “Set”
La operación “Set” se utiliza para establecer el valor de una variable de proceso específica
mediante una relación lineal con otra variable de proceso. La relación es entre las mismas
variables de proceso en dos objetos similares; por ejemplo, la temperatura en dos corrientes
o el UA en dos intercambiadores de calor. La operación puede emplearse tanto en
simulación estacionario como dinámica
La variable dependiente o variable objetivo se define en términos de la variable
independiente o fuente de acuerdo a la siguiente relación lineal
Y = MX + B (16.3)
Siendo Y = variable dependiente u objetivo
X = variable independiente o fuente
M = multiplicador o pendiente
B = ajuste o intercepto
Para instalar la operación “Set”, seleccione el botón “Set” en la paleta de objetos ó
seleccione “Add Operation” del menú “Flowsheet” y seleccione la opción “Set”
3. PROCESO ESTUDIADO
Dos corrientes, una de monóxido de carbono puro a 550 °C, 1000 kPa y 100 kgmol/h y otra
de hidrógeno puro a las mismas condiciones de temperatura y presión se alimentan a un
separador de fases que servirá como reactor para la conversión de dichos reactivos en
metano y agua. Se establece que el flujo molar de la corriente de hidrógeno sea tres veces el
flujo molar de la corriente de monóxido
4. PAQUETE FLUIDO
Ecuación: Peng-Robinson
Componentes: Monóxido de carbono, Hidrógeno, Agua y Metano
Unidades: Sistema SI
Reacción de conversión
La reacción para la formación del metano a partir de monóxido de carbono e hidrógeno es:
CO + 3 H2 CH4 + H2O
118
Para añadir una reacción de conversión, haga clic en la pestaña “Reactions” y en la ventana
“Simulation Basis Manager” añada los componentes de la reacción haciendo clic en el
botón “Add Comps…” y seleccionándolos de la librería. Haga clic en el botón “Add
Rxn…” y en la pestaña “Stoichiometry” de la ventana “Conversión Reaction: Rxn-1” añada
los componentes en el siguiente orden: monóxido de carbono, hidrógeno, metano y agua.
Complete la página estequiometría introduciendo con signos negativos los coeficientes
estequiométricos de los reaccionantes y con signos positivos los de los productos, como se
muestra en la Figura 16.2.
Figura 16.2. Estequiometría de la reacción de conversión
En la pestaña “Basis” establezca el monóxido de carbono como el componente base para la
conversión, la fase de la reacción es la global u “Overall” y especifique una conversión
constante del 80 % en el cuadro “Co”. Observe la Figura 16.3.
Figura 16.3. Datos básicos para la reacción de conversión
Cuando la reacción es especificada completamente, en forma automática es añadida al
conjunto de reacciones “Global Rxn Set”. Añada el “Global Rxn Set” al paquete fluido
119
presionando el botón “Add to FP”. Hecho esto salga del ambiente básico. Se pueden crear
otros conjuntos de reacciones donde incluir las reacciones que se desee, cuando sea
necesario.
5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
Corrientes de alimentación:
Monóxido: Instale la corriente “Monóxido” con las siguientes especificaciones en la
página “Conditions” de la pestaña “Worksheet”
Temperatura 550 °C
Presión 1000 kPa
Flujo molar 1000 kgmol/h
En la página “Composition” de la pestaña “Worksheet” especifique que la fracción molar
de monóxido de carbono es uno y cero las correspondientes a los otros componentes.
Hidrógeno: Instale la corriente “Hidrógeno” con las siguientes especificaciones en la
página “Conditions” de la pestaña “Worksheet”
Temperatura 550 °C
Presión 1000 kPa
En la página “Composition” de la pestaña “Worksheet” especifique que la fracción molar
de hidrógeno es uno y cero las correspondientes a los otros componentes.
Reactor de Conversión:
Instale un Separador de fases con las siguientes especificaciones
Pestaña Design Página Connections
Name R-100
Inlets Monóxido, Hidrógeno
Vapour Outlet Vapor
Liquid Outlet Líquido
Pestaña Design Página Parameters
Delta P 0 kPa
En la pestaña “Reactions” de la ventana de propiedades del Separador de fases que opera
como el reactor “R-100”, añada en el cuadro “Reaction Set” el conjunto de reacciones
“Global Rxn Set” que contiene la reacción de conversión definida anteriormente
120
Operación Set
Instale, ahora, la operación Set que establezca el flujo molar de hidrógeno FH2 en
proporción estequiométrica al flujo de monóxido de carbono FCO, es decir que:
FH2 = 3*FCO + 0
Al hacer doble clic en el icono de la operación “SET-1”, seleccione el flujo molar de la
corriente “Hidrógeno” como la variable objetivo o dependiente, haciendo clic en el botón
“Select Var” de la sección “Target Variable”. Seleccione a la corriente “Monóxido” como
objeto variable independiente en la sección “Source”. Observe la Figura 16.4.
Figura 16.4. Conexiones del botón SET-1
Haga clic sobre la pestaña “Parameters” introduzca la relación lineal entre los flujos de las
corrientes “Monóxido” e “Hidrógeno”. Especifique el valor de 3.0 como el factor del flujo
de la corriente “Monóxido” en el cuadro “Multiplier” y el valor 0.0 como el ajuste de la
relación lineal en el cuadro “Offset”. Observe la Figura 16.5.
Figura 16.5. Relación lineal entre los flujos
121
El diagrama de flujo final del reactor de conversión incluyendo el botón de ajuste se
observa en la Figura 16.6. Observe que HYSYS hace un cálculo se separación de fases de
la corriente de producto.
Figura 16.6. Reactor de conversión de monóxido de carbono en metano
Despliegue el libro de trabajo (Figura 16.7) y observe las especificaciones de las corrientes
conectadas al reactor. Haga cambios en el flujo de la corriente “Monóxido” y observe cómo
la operación “SET-1” hace que el flujo de la corriente “Hidrógeno” sea el triple del flujo
especificado.
Figura 16.7. Reactor de conversión de monóxido de carbono en metano
Aunque este ejemplo es trivial, este tipo de aplicación puede ser útil cuando sea aplicado a
problemas más grandes. Por ejemplo, en diagramas de flujo donde los alimentos al reactor
son recirculados, la operación “Set” puede asegurar que sus flujos relativos están siempre
en proporción estequiométrica.
122
6. CASOS DE ESTUDIO
1. Escriba las ecuaciones de balance de materia de cada uno de los componentes de la
reacción simulada
2. Con las ecuaciones planteadas, verifique los resultados de los flujos de cada uno de los
componentes con los obtenidos por HYSYS vistos en el libro de trabajo
3. Utilice el botón “Set” para simular una separación instantánea P-Vf de una mezcla que
contiene 20 % mol de benceno, 50 % mol de tolueno y 30 % mol de o-Xileno a una
presión de 14.5 psia y una fracción de vaporización de 0.8
4. Realice los cálculos de separación instantánea y compárelos con los obtenidos por
HYSYS
123
17. PLANTA DE PRODUCCIÓN DE GAS DE SÍNTESIS
1. OBJETIVOS
1.1. Especificar una reacción de equilibrio
1.2. Construir conjuntos de reacciones y anexarlos a un paquete fluido
1.3. Simular una planta para producir una mezcla de gases para obtener amoníaco
2. INTRODUCCIÓN
Los modelos de reactores de equilibrio suministran una mejor descripción que los reactores
de conversión en muchos procesos industriales y, además, permiten la realización de
cálculos termodinámicos compatibles con las bases de datos de simulación de procesos.
Para una reacción sencilla del tipo dDcCbBaA (17.1)
La conversión de equilibrio puede determinarse directamente a partir de la ecuación para
calcular la constante de equilibrio así:
RT
TGK
ff
ff rxn
b
B
a
A
d
D
c
C )(exp
)()(
)()( (17.2)
Siendo fi la fugacidad del componente i y donde para la anterior reacción (17.1), el cambio
de energía libre de Gibbs rxnG se calcula por la ecuación que expresa la diferencia entre
las energías libres de formación de los productos y las energías libres de formación de los
reaccionantes así:
)()( ,,,, BfAfDfCfrxn GbGaGdGcG (17.3)
Para reacciones en fase gaseosa a baja presión, la fugacidad puede reemplazarse por las
presiones parciales, lo que a su vez permite calcular la constante de equilibrio en términos
de la presión total P y de la composición “y” de los componentes de la mezcla reaccionante
en equilibrio, de acuerdo a la siguiente ecuación:
)()()(
)()(dcbab
B
a
A
d
D
c
C
Pyy
yyK
(17.4)
124
Reactor de Equilibrio
Un Reactor de Equilibrio es un recipiente donde se modelan reacciones reversibles en
estado de equilibrio, en serie o en paralelo. El análisis o simulación requiere que se hayan
especificado completamente las reacciones para el cálculo de sus conversiones de
equilibrio. En la Figura 17.1 se representa un reactor de equilibrio, en el que la corriente de
salida del reactor Np presenta las concentraciones correspondientes a cada uno de los
componentes de la reacción en el estado de equilibrio químico.
Figura 17.1. Reactor de Equilibrio
En un reactor de equilibrio, los flujos de cada uno de los componentes en la corriente de
salida son de una magnitud tal que sus respectivas concentraciones son las del estado de
equilibrio a la temperatura y presión de la reacción. Por lo tanto, el balance de materia para
cada componente se puede escribir de la siguiente manera:
l
oe
ii
o
i
p NXNN (17.5)
El subíndice p se refiere a la corriente producto; el subíndice o se refiere a la corriente de
entrada; i se refiere a cada uno de los componentes y l se refiere al componente límite en
la reacción; N simboliza los flujos molares, eX simboliza la conversión en el estado de
equilibrio del componente límite y i simboliza el coeficiente estequiométrico
correspondiente al componente i asignándole signo positivo o negativo según que se trate
de un producto o un reaccionante.
El balance calórico se puede escribir de la siguiente forma, estableciendo el balance de
entalpía entre las corrientes de entrada y salida al reactor:
C
i
C
i
i
p
i
p
i
o
i
o hNQhN1 1
(17.6)
Siendo i
p
i
o hh y las entalpías molares del componente i en la entrada y salida,
respectivamente y Q el calor absorbido o liberado en la reacción
125
Las restricciones adicionales incluidas en el modelo de un reactor de equilibrio son la
especificación o el cálculo de la constante de equilibrio de la reacción (por ejemplo,
mediante la ecuación 17.2) y la ecuación (17.4) para calcular la conversión de equilibrio del
componente base que es una variable adicional teniendo en cuenta que se trata de un reactor
en donde se está considerando el equilibrio de la reacción.
El análisis de grados de libertad es el siguiente:
Variables Cantidad
Corriente de salida C + 2
Corriente de calor 1
Conversión de equilibrio 1
Total Variables C + 4
Ecuaciones y Restricciones Cantidad
Balances de materia C
Balance de energía 1
Ecuación para calcular la constante de equilibrio 1
Ecuación para calcular la conversión de equilibrio 1
Total Ecuaciones y Restricciones C + 3
Total grados de libertad 1
La variable que generalmente se especifica para completar la especificación de la unidad es
la magnitud del flujo calórico. Si el reactor opera en forma adiabática el grado de libertad
se completa con la especificación de un flujo calórico igual a cero
3. PROCESO ESTUDIADO
La producción de gas de síntesis es una parte importante e interesante dentro del proceso
global de la síntesis de amoníaco. La conversión del gas natural en alimento para una planta
de amoníaco es modelada usando tres reacciones de conversión y una reacción de
equilibrio. Para facilitar la producción de amoníaco, la relación molar de hidrógeno a
nitrógeno en el gas de síntesis se controla en un valor aproximado de 3:1. Esta relación
representa las cantidades estequiométricas requeridas de los reaccionantes en el proceso de
síntesis de amoníaco.
En un proceso de gas de síntesis típico se necesitan cuatro reactores. En el modelo que se
construirá, deben usarse cinco reactores debido a que las reacciones de conversión y
equilibrio no pueden colocarse en el mismo conjunto de reacciones y, por lo tanto, no se
pueden colocar en el mismo reactor. La reacción de combustión se realiza en dos reactores,
uno de conversión de nombre R-101 y otro de equilibrio denominado R-102
126
En esta simulación, un gas natural previamente desulfurizado se alimenta a un primer
reactor reformador de tipo conversión, R-100, donde reacciona con vapor de agua, para
producir el hidrógeno que se requiere en el gas de síntesis. Las reacciones de reformado del
gas natural conforman un conjunto denominado “Reformador Rxn Set” y su estequiometria
es la siguiente:
224 3:1 HCOOHCHRxn
2224 42:2 HCOOHCHRxn
En la reacción Rxn-1 la conversión del metano es del 40 % mientras que en la reacción
Rxn-2 es del 30 %
El vapor que se produce en el reactor reformador se alimenta a un segundo reactor de tipo
conversión, R-101, donde además de las dos reacciones de reformado, el metano combuste
con el oxígeno de una corriente de aire que se alimenta al reactor. La reacción de
combustión del metano es la siguiente:
OHCOOCHRxn 2224 22:3
El aire es añadido al reactor a un flujo controlado de tal manera que se alcance la relación
deseada H2 / N2 en el gas de síntesis. El oxígeno del aire es consumido completamente en la
reacción de combustión mientras que el nitrógeno inerte pasa a través del sistema. La
reacción es de una conversión de metano del 100 %. Las reacciones Rxn-1, Rxn-2 y Rxn-3
conforman un conjunto denominado “Combustor Rxn Set”
La adición de vapor sirve para el doble propósito de mantener la temperatura del reactor y
asegurar que el exceso de metano contenido en la corriente de gas natural se consume.
El tercer reactor es de tipo equilibrio y se incluye para considerar el equilibrio que se
establece entre el monóxido de carbono y el agua como reaccionantes y el dióxido de
carbono y el hidrógeno como producto, es decir la reacción
222:4 HCOOHCORxn
Esta sola reacción conforma el conjunto “Equilibrio Rxn Set”, debido a que en HYSYS no
es aceptable conjuntos de reacciones que incluyan del tipo conversión y del tipo equilibrio
En los últimos dos reactores se lleva a cabo la reacción de equilibrio gas de síntesis-agua o
Rxn-4, a temperaturas sucesivamente menores para alcanzar una mezcla satisfactoria de
127
hidrógeno - nitrógeno. La Figura 17.2 muestra el diagrama de flujo final del proceso
simulado en este ejercicio
Figura 17.2. Diagrama de flujo de una plante de producción de gas de síntesis
4. PAQUETE FLUIDO
1. Abra un nuevo caso y seleccione la ecuación de Peng Robinson
2. Seleccione el sistema de unidades Field
3. Seleccione los componentes Metano, agua, monóxido de carbono, dióxido de carbono,
hidrógeno, nitrógeno y oxígeno
Reacciones del modelo
4. Haga clic sobre la pestaña “Rxns” del Administrador Básico de la Simulación y resione
el botón “Simulation Basis Mgr” para definir las reacciones del modelo
5. Presione el botón “Add Comps” para añadir los componentes seleccionados a las
reacciones del modelo, si no aparecen seleccionados
6. Presione el botón “Add Rxn” para añadir reacciones a un conjunto que por defecto se
denomina “Global Rxn Set” que se observa dentro del grupo “Reaction Sets”
128
7. En la ventana de título “Reactions” desplegada seleccione el tipo “Conversión” y
presione el botón “Add Reaction”. HYSYS desplegará una ventana con título
“Conversión Reaction” para especificar una reacción de conversión Rxn-1
8. Para la introducción de la estequiometria de la reacción de reformado del gas natural, de
tipo conversión 224 3HCOOHCH especifique los coeficientes de los
reaccionantes con coeficientes negativos y los productos con coeficientes positivos. La
especificación correcta de la reacción se verifica en el cuadro “Balance Error” con un
valor de cero, como se observa en la Figura 17.3.
Figura 17.3. Estequiometria de la reacción Rxn-1 del Global Rxn Set
9. Haga clic en la pestaña “Basis” y complete la información como aparece en la Figura
17.4. Observe que la reacción es de una conversión del 40 %
Figura 17.4. Fase y conversión de la reacción Rxn-1 del conjunto Global Rxn Set
129
10. Introduzca la estequiometria de la reacción de reformado del gas natural, de tipo
conversión, 2224 42 HCOOHCH repitiendo el procedimiento descrito desde el
punto 7 hasta el 9. HYSYS nombrará la reacción como Rxn-2 dentro del mismo
conjunto Global Rxn Set. La reacción es en fase vapor con una conversión de metano
del 30 %.
11. Introduzca la estequiometria de la reacción de combustión para el reformado del gas
natural, de tipo conversión OHCOOCH 2224 22 repitiendo el procedimiento
descrito desde el punto 7 hasta el 9. HYSYS nombrará la reacción como Rxn-3 dentro
del mismo conjunto Global Rxn Set. La reacción es en fase vapor con una conversión
de metano del 100 %.
12. Para introducir la reacción de equilibrio 222 HCOOHCO seleccione la opción
“Equilibrium” de la ventana “Reactions” y especificando su estequiometría de la misma
manera que las anteriores. HYSYS nombrará la reacción como Rxn-4 dentro del mismo
conjunto Global Rxn Set. Observe que al introducir los coeficientes estequiométricos, la
reacción es completamente especificada ¿Por qué?
13. Haga clic sobre la pestaña “Basis” y observe en el cuadro que aparece a la derecha con
el título “Keq Source” que la opción seleccionada, por defecto, es la que dice “Gibbs
Free Energy”
14. Haga clic sobre la pestaña “Keq”, lea y explique por qué la reacción está
completamente especificada.
15. Despliegue nuevamente la ventana de la pestaña “Basis” y seleccione las otras opciones
que aparecen en el cuadro “Keq Source”. Explíquese cada una de ellas. Para la
simulación elija la opción “Gibbs Free Energy”
Conjuntos de reacciones
En HYSYS, cada reactor tiene anexado sólo un conjunto de reacciones. Sin embargo, una
reacción puede incluirse en múltiples conjuntos de reacciones. Por lo tanto, solamente se
tienen que suministrar tres conjuntos de reacciones para todos los 5 reactores que se
denominarán “Reformador Rxn Set”, “Combustor Rxn Set” y “Equilibrio Rxn Set”.
16. En la ventana de la pestaña “Reactions” del Administrador Básico de la Simulaión
presione el botón “Add Set” para crear el conjunto conformado activamente por las
reacciones Rxn-1 y Rxn-2 y denominado “Reformador Rxn Set” Para ello llene la
ventana correspondiente como se observa en la Figura 17.5.
17. El conjunto “Combustor Rxn Set” conformado por las reacciones Rxn-1, Rxn-2 y Rxn-
3 se construye como se observa en la Figura 17.6.
130
18. El conjunto “Equilibrio Rxn Set” conformado por la reacción Rxn-4 se construye como
se observa en la Figura 17.7.
Figura 17.5. Conjunto de reacciones “Reformador Rxn Set”
Figura 17.6. Conjunto de reacciones “Combustor Rxn Set”
Figura 17.7. Conjunto de reacciones “Equilibrio Rxn Set”
Anexo de los conjuntos de reacciones al paquete fluido
19. En la ventana de la pestaña “Reactions” del Administrador Básico de la Simulación
resalte el conjunto de reacciones “Reformador Rxn Set” y presione el botón “Add to
FP”
131
20. En la ventana desplegada de título “Add to Fluid Package” presione el botón “Add Set
to Fluid Package”. Repita el procedimiento para los otros dos conjuntos de reacciones
5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
REACTOR REFORMADOR
El Reformador es un reactor de conversión, en el que la mayoría del metano reacciona con
vapor para producir hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono. El gas de
salida también contendrá el exceso de metano sin reaccionar y el exceso de vapor de agua.
La conversión global de las dos reacciones en el Reformador es 70 %. La reacción Rxn-1,
que produce monóxido de carbono e hidrógeno tiene una conversión del 40 %, mientras
que la reacción Rxn-2 tiene una conversión del 30 %.
Corrientes
1. Hay dos corrientes de alimentación al primer reactor, nombradas como “Gas” y
“Vapor”. La primera es metano puro y la segunda es vapor de agua puro. Introduzca
para ellas las siguientes especificaciones
Nombre Gas Vapor
Temperatura, °F 700 475
Presión, psia 500
Flujo Molar, lbmol/h 200 520
2. Para controlar que la presión del vapor de agua sea igual a la del gas natural, introduzca
un botón lógico “Set” que establezca dicha relación llenando dicho botón como lo
indica la Figura 17.8. Botón SET-1
Figura 17.8. Especificación de igualdad de presiones entre Gas y Vapor
132
Reactor de conversión
3. Haga clic sobre el icono de nombre “General Reactors” que se encuentra en la paleta de
objetos para desplegar una pequeña ventana que contiene los iconos de tres tipos de
reactores, adicionales, incluidos en HYSYS. Seleccione el icono de nombre
“Conversión Reactor” y nómbrelo como “R-100”
4. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca las siguientes
especificaciones
Inlets Gas, Vapor
Energy Qr
Vapor Outlet Vr
Liquid Outlet Lr
5. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y en la página “Details” seleccione en conjunto
“Reformador Rxn Set” en el cuadro desplegable de título “Reaction Set”. Observe a la
derecha que se pueden desplegar y ver las dos reacciones que conforman este conjunto.
6. Las dos reacciones en el Reformador son endotérmicas, de tal manera que el calor debe
suministrarse al reactor para mantener su temperatura. Especifique la temperatura de la
corriente “Vr” con un valor de 1700 °F para que con ella HYSYS calcule el calor
requerido.
7. En la página “Parameters” de la pestaña “Design” seleccione el radio botón “Heating”
REACTOR DE COMBUSTIÓN
El segundo reactor de conversión es el de Combustión que se alimenta con el producto del
Reformador y las corrientes Aire y VaporC. El aire es la fuente del nitrógeno para la
relación de H2 / N2 requerida para la síntesis del producto final. El oxígeno del aire es
consumido en la combustión del metano. Cualquier remanente de metano se elimina
mediante su reacción con el vapor que entra.
Corrientes
8. Hay tres corrientes de alimentación al segundo reactor a saber. el vapor que proviene
del Reformador, vapor de agua denominado “VaporC” y el aire denominado con el
mismo nombre. nombradas como “Gas” y “Vapor”. Introduzca las siguientes
especificaciones para las corrientes “VaporC” y “Aire”
Nombre VaporC Aire
Temperatura, °F 475 475
133
Presión, psia
Flujo Molar, lbmol/h 200 520
Fracción mol Agua 1.00
Fracción mol Nitrógeno 0.79
Fracción mol Oxígeno 0.21
9. Para controlar que la presión de las corrientes de vapor de agua, “VaporC” y aire,
“Aire”, sean iguales a la del gas natural, introduzca un botón lógico “Set” que
establezca dichas relaciones llenando dichos botones en forma similar a lo realizado
para la Figura 7. Botones SET-2 y SET-3
Reactor de conversión
10. Haga clic sobre el icono de nombre “General Reactors” que se encuentra en la paleta de
objetos para desplegar una pequeña ventana que contiene los iconos de tres tipos de
reactores, adicionales, incluidos en HYSYS. Seleccione el icono de nombre
“Conversión Reactor” y nómbrelo como “R-101”
11. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca las siguientes
especificaciones
Inlets VaporC, Aire, Vr
Energy Qc
Vapor Outlet Vc
Liquid Outlet Lc
12. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y en la página “Details” introduzca en conjunto
“Combustor Rxn Set” en el cuadro desplegable de título “Reaction Set”. Observe a la
derecha que se pueden desplegar y ver las tres reacciones que conforman este conjunto.
HYSYS automáticamente ordena las tres reacciones en el conjunto “Combustor Rxn Set”.
Como el agua es un producto en la reacción de combustión (Rxn-3) y es un reaccionante en
las dos reacciones de reformado (Rxn-1 y Rxn-2), HYSYS coloca a la reacción de
combustión de primero y le da una colocación igual a las reacciones de reformado. Con este
ordenamiento, procede primero la reacción de combustión hasta que se haya alcanzado la
conversión especificada o agotado el reactivo límite. Las reacciones de reformado
proceden, entonces, de acuerdo al metano remanente.
13. En la página “Parameters” de la pestaña “Design” seleccione el radio botón “Heating”.
14. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y despliegue la página “Details”. Seleccione el
radio botón “Conversión %”. En el cuadro desplegable “Reaction” seleccione “Rxn-1”
y digite 35 % como la conversión de esta reacción en este reactor. De igual manera,
introduzca las conversiones de 65 % para Rxn-2 y 100 % para Rxn-3
134
REACTORES DE SÍNTESIS
Los tres reactores de síntesis son reactores de equilibrio dentro de los cuales ocurre la
reacción entre el gas de síntesis y el agua. En el reactor de equilibrio R-102, la reacción de
síntesis que se lleva a cabo es la que ocurriría con las reacciones en el reactor de
combustión R-101. Debe utilizarse un reactor separado en el modelo porque las reacciones
de conversión y las de equilibrio no se pueden combinar dentro de un conjunto de
reacciones.
Reactor de equilibrio R-102
15. Instale un reactor de equilibrio haciendo clic en el icono “General Reactors” que se
encuentra en la paleta de objetos. En la pequeña ventana desplegada, seleccione el
icono “Equilibrium Reactor” y nómbrelo como R-102.
16. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca las siguientes
especificaciones
Inlets Vc
Vapor Outlet Ve2
Liquid Outlet Le2
17. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y en la página “Details” seleccione en conjunto
“Equilibrio Rxn Set” en el cuadro desplegable de título “Reaction Set”. Observe a la
derecha que se puede desplegar y ver la reacción que conforma este conjunto.
Reactor de equilibrio R-103
18. Instale el segundo reactor de equilibrio con el nombre de R-103.
19. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca las siguientes
especificaciones
Inlets Ve2
Energy Qe3
Vapor Outlet Ve3
Liquid Outlet Le3
20. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y en la página “Details” seleccione en conjunto
“Equilibrio Rxn Set” en el cuadro desplegable de título “Reaction Set”. Observe a la
derecha que se puede desplegar y ver la reacción que conforma este conjunto.
135
21. Despliegue la página “Parameters” de la pestaña “Design” y seleccione el radio botón
“Cooling”
22. Haga clic en la pestaña “Worksheet” y en la página “Conditions” digite 850 °F como
la temperatura de la corriente “Vr3”. HYSYS resolverá el módulo y calculará el calor
requerido para el enfriamiento
Reactor de equilibrio R-104
23. Instale el tercer reactor de equilibrio con el nombre de R-104.
24. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca las siguientes
especificaciones
Inlets Ve3
Energy Qe4
Vapor Outlet Gas de Síntesis
Liquid Outlet Le4
25. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y en la página “Details” seleccione en conjunto
“Equilibrio Rxn Set” en el cuadro desplegable de título “Reaction Set”. Observe a la
derecha que se puede desplegar y ver la reacción que conforma este conjunto.
26. Despliegue la página “Parameters” de la pestaña “Design” y seleccione el radio botón
“Cooling”
27. Haga clic en la pestaña “Worksheet” y en la página “Conditions” digite 750 °F como
la temperatura de la corriente “Gas de Síntesis”. HYSYS resolverá el módulo y
calculará el calor requerido para el enfriamiento
6. AJUSTE DE CONDICIONES DE OPERACIÓN
Ajuste del Flujo de vapor
Para controlar la temperatura de la reacción de combustión, se ajusta el flujo de vapor
alimentado para la reacción de combustión. Como esta etapa es modelada en dos reactores
separados, se decide ajustar el flujo molar de la corriente “VaporC” para alcanzar el
objetivo (target) de una temperatura de 1700 °F en el primer reactor de equilibrio, R-102.
28. Instale un botón lógico de ajuste “Adjust” y llénelo como indica la Figura 17.9
29. Presione el botón “Start” y espere hasta que HYSYS encuentre la solución
136
Figura 17.9. Ajuste del flujo de “VaporC” para el control de temperatura de R-102
Ajuste del Flujo de aire
Para controlar la relación molar entre el hidrógeno y el nitrógeno en el Gas de síntesis, se
necesita calcular la relación en una hoja de cálculo y entonces utilizar una operación de
ajuste de variables. El Gas de síntesis debería tener una relación molar de hidrógeno a
nitrógeno ligeramente mayor que 3:1. Antes de entrar a la planta de amoníaco, el hidrógeno
es utilizado para eliminar del gas de síntesis cualquier remanente de CO y CO2.
30. Haga clic sobre el icono “Spreadsheet” que se encuentra en la paleta de objetos y
nómbrela como “Relación H2/N2”
31. Importe a la celda A1 la variable Flujo molar de hidrógeno en la corriente “Gas de
Síntesis” y a la celda A2 el Flujo molar de hidrógeno en la misma corriente. La ventana
desplegada por defecto de la hoja de cálculo se observará como lo muestra la Figura
17.10.
Figura 17.10. Hoja de cálculo “Relación H2/N2”
137
32. Haga clic en el botón “Spreadsheet Only”, seleccione la celda B4 y digite la fórmula
+A1/A2 para calcular la relación entre los flujos molares de hidrógeno y nitrógeno
33. Haga clic en la pestaña “Parameters” y en la columna “Variable Name” digite el
nombre “Relación H2/N2”. La ventana se observará como lo muestra la Figura 17.11.
Figura 17.11. Nombre de la variable introducida en la celda B4
Se hace necesario crear una corriente ficticia (“dummy stream”) para exportar la relación
creada en la hoja de cálculo. Para hacer esto proceda de la siguiente manera:
34. Instale una corriente con el nombre de “Dummy Stream”
35. Haga clic en la pestaña “Connections” de la ventana de la hoja de cálculo y presione el
botón “Add Export” para exportar la relación calculada en B4 como el flujo molar de la
corriente ficticia “Dummy Stream”. Presione OK cuando haya seleccionado el objeto y
la variable a exportar. Si es necesario, selecciona la celda B4 en la columna encabezada
con el título “Cell”. Observe la Figura 17.12.
Figura 17.12. Exportación de la relación al flujo molar de la corriente ficticia
138
36. Instale un botón lógico “Adjust” para ajustar el flujo molar de la corriente “Aire” para
lograr como objetivo (target) que el flujo de la corriente ficticia “Dummy Stream” sea
de 3.00 lbmol/h. (Ver Figura 17.13)
Figura 17.13. Ajuste del flujo de aire para una relación de tres entre hidrógeno y nitrógeno
37. Presione el botón “Start” y espere hasta que HYSYS encuentre una solución
7. CASOS DE ESTUDIO
1. Haga algunos cambios de operación en cualquier parte del proceso para conseguir un
gas de síntesis de mayor concentración en nitrógeno
2. Compruebe las conversiones fijadas en cada uno de los reactores de conversión
3. Observe las concentraciones de las corrientes de salida en los reactores de equilibrio si
se encuentran en los valores correspondientes al estado de equilibrio de la reacción
139
18. REACTOR CSTR
1. OBJETIVOS
1.1. Definir paquetes fluidos que incluyan reacciones de tipo cinético
1.2. Determinar los grados de libertad requeridos para simular un reactor CSTR de tipo
cinético
1.3. Simular, en estado estacionario, un reactor CSTR, con una reacción de tipo cinético
2. INTRODUCCIÓN
Un reactor CSTR es un tanque en el cual la masa reaccionante es continuamente agitada de
tal manera que se considera como una mezcla completa y, por lo tanto, se asume que sus
propiedades son uniformes en todo el interior del reactor. La Figura 18.1 muestra un
esquema de un reactor de mezcla completa.
Fo F
p
Q
Vapor
Líquido
Figura 18.1. Reactor de Mezcla Completa
En un reactor de mezcla completa, los flujos de cada uno de los componentes en la
corriente de salida son los de la corriente de entrada más el producido o consumido neto en
la reacción, de acuerdo a la velocidad de ésta y al volumen de masa reaccionante en el
reactor.
El balance de materia para cada componente se puede escribir, por lo tanto, de la siguiente
manera:
ii
o
i
p VrFF (18.1)
El subíndice p se refiere a la corriente producto; el subíndice o se refiere a la corriente de
entrada; el superíndice i se refiere a cada uno de los componentes; el símbolo V se refiere
140
al volumen de masa reaccionante en el reactor y ir simboliza la velocidad de reacción neta
del componente i. Esta velocidad se expresa en términos de la velocidad de reacción para el
componente límite y teniendo en cuenta los coeficientes estequiométricos en cada una de
las reacciones
El balance calórico se puede escribir de la siguiente forma, estableciendo el balance de
entalpía entre las corrientes de entrada y salida al reactor:
reacción
C
i
C
i
i
p
i
p
i
o
i
o HVrhFQhF 1 1
(18.2)
Siendo i
p
i
o hh y , las entalpías molares del componente i en la corriente de entrada y salida,
respectivamente, Q es el calor absorbido o liberado en el reactor y reacciónH el calor de
reacción y r la velocidad neta de reacción del componente límite
La ecuación de diseño de un reactor de mezcla completa es dada por:
r
X
CF
V
oo
(18.3)
Siendo V el volumen del reactor; el tiempo espacial; Fo y Co el flujo molar y la
concentración molar de reactivo límite en la corriente de entrada, respectivamente; X y r la
conversión y la velocidad de reacción, respectivamente, del reactivo límite en el reactor.
La velocidad de una reacción no catalítica depende de la concentración de reaccionante.
Con respecto al reaccionante límite, la ecuación de velocidad de reacción se expresa de la
siguiente manera
nkCr (18.4)
Siendo, k la constante específica de velocidad de reacción, n el orden cinético de la
reacción y C la concentración del reaccionante límite en reactor.
El orden de una reacción se determina experimentalmente y la constante de velocidad de
reacción depende de la temperatura de la reacción y se puede calcular con la ecuación de
Arrhenius, de la forma:
141
RT
EAk exp (18.5)
Siendo A el factor pre-exponencial, E la energía de activación, T la temperatura de la
reacción en escala absoluta y R la constante universal de los gases.
El análisis de grados de libertad es el siguiente:
Variables Cantidad
Corriente de salida C + 2
Corriente de calor 1
Volumen del reactor 1
Velocidad de reacción 1
Total Variables C + 5
Ecuaciones y Restricciones Cantidad
Balances de materia C
Balance de energía 1
Ecuación de diseño del reactor 1
Total Ecuaciones y Restricciones C + 2
Total grados de libertad 3
Para simular un reactor CSTR con reacción de tipo cinético cuya velocidad depende
solamente de la concentración de uno de sus reaccionantes, el número de variables que se
requieren para una especificación completa es de stress. Las variables que usualmente, se
especifican son el flujo calórico, la caída de presión en el tanque y el volumen del reactor.
Se entiende que el sistema de reacciones es de cinética conocida, es decir que se especifican
la energía de activación, el factor pre-exponencial y el orden de la reacción.
3. PROCESO ESTUDIADO
La reacción que estudiaremos es la de la obtención de propilenglicol a partir de óxido de
propileno y agua, cuya estequiometria es
283263 OHCOHOHC
142
Se utiliza un reactor de mezcla completa que se alimenta con una solución acuosa de
propileno al 20 % mol y se considera un nitrógeno puro que actúa como un inerte y con el
propósito de mantener la presión de la reacción. La reacción es de primer orden con
respecto a la concentración de óxido de propileno, COxido, con una cinética de la forma
OxidoKCr (18.6)
y la constante específica de velocidad de reacción está dada por la ecuación de Arrhenius
de la siguiente forma
RTxK
32444exp107.1 13 (18.7)
Siendo T la temperatura en Kelvin
4. PAQUETE FLUIDO
Ecuación: Uniquac – Ideal
Componentes: Oxido de propileno, agua, propilenglicol y nitrógeno
Reacción: Tipo: Cinético
Estequiometría: Oxido de propileno + Agua Propilenglicol
Base: La Base para la ecuación cinética es la Concentración; el
Componente Base es el óxido de propileno; la fase de la reacción es
Liquido combinado y las unidades bases son kgmol/m3 para la
concentración, kgmol/h-m3 para la velocidad de reacción, y K para la
temperatura.
Parámetros Cinéticos. La reacción es irreversible. La ecuación
cinética es la (18.6) es decir de orden uno con respecto al óxido de
propileno y de la ecuación (18.7) se tiene que el factor pre-
exponencial es 1.7x1013
h-1
y la energía de activación es 32444
kJ/kgmol
5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
1. Abra un nuevo caso y seleccione la ecuación de Peng Robinson y los componentes
óxido de propileno, agua, propilenglicol y nitrógeno
143
Reacción de tipo cinético
2. Para introducir la reacción, haga clic sobre la pestaña “Rxns” de la ventana “Fluid
Package: Basis-1” y presione el botón “Simulation Basis Mgr” que se encuentra a la
derecha. Añada los componentes si no lo ha hecho.
3. Haga clic sobre el botón “Add Rxn” y en la ventana desplegada con título “Reactions”
seleccione la opción “Kinetic” y presione el botón “Add Reaction” para desplegar la
ventana de título “Kinetic Reaction: Rxn-1”, que es nombre dado por HYSYS a la
reacción que se va a introducir.
4. En la columna “Component” de la pestaña “Stoichiometry”, seleccione los
componentes que intervienen en la reacción en el orden que aparecen en la reacción
química.
5. En la columna “Stoich Coeff” introduzca los coeficientes estequiométricos de cada uno
de los componentes de la reacción asignando signos negativos a los reaccionantes y
positivo al producto. Observe en el cuadro “Balance Error” el valor 0.0 si la reacción ha
sido introducida correctamente desde el punto de vista estequiométrico y además el
calor de la reacción a 25 °C
6. Para la irreversibilidad y el orden de la reacción, en la columna “Fwd Order” escriba
uno para óxido de propileno que es el orden de la reacción a la derecha y en la columna
“Rev Order” escriba cero para todos los componentes porque la reacción es irreversible.
La ventana de la pestaña “Stoichiometry” se debe observar como lo muestra la Figura
18.2.
Figura 18.2. Estequiometria de la reacción química
7. Haga clic sobre la pestaña Basis y complétela como se observa en la Figura 18.3.
144
Figura 18.3. Bases para la cinética de la reacción
8. Para introducir la ecuación de Arrhenius, haga clic sobre la pestaña “Parameters” e
introduzca el factor pre-exponencial y la energía de activación como se muestra en la
Figura 18.4. Observe la banda verde con la leyenda “Ready”.
Figura 18.4. Ecuación de Arrhenius
9. Cierre la ventana anterior y sobre la ventana del Administrador básico de la simulación
presione el botón “Add to FP” que se encuentra en el lado inferior izquierdo.
10. Presione el botón “Add Set to Fluid Package”. Con ello se adiciona la reacción al
paquete fluido
11. Presione el botón “Return to Simulation Environment” para ingresar al ambiente de
simulación
Corrientes de materia y energía
12. Instale las corrientes “Alimento” e “Inerte” con las siguientes especificaciones
145
Propiedades Alimento Inerte
Temperatura, °C 25 60
Presión, kPa 130 130
Flujo molar, kgmol/h 350 0
Composición (Fracción mol)
Oxido de propileno 0.2 0.0
Agua 0.8 0.0
Propilenglicol 0.0 0.0
Nitrógeno 0.0 1.0
13. Instale una corriente de energía con el nombre de “Enfriante”
Reactor de mezcla completa
14. Instale un reactor de mezcla completa seleccionando el icono de nombre “CSTR” que
se encuentra en la paleta de objetos. Colóquele el nombre de “R-100”
15. Llene la página “Connections” de la pestaña “Design” de su ventana de propiedades de
la siguiente manera
Nombre R-100
Inlets Inerte, Alimento
Vapor Outlet Vapor
Liquid Outlet Liquido
Energy Enfriante
16. Despliegue la página “Parameters” y deje el valor de cero, por defecto, para la caída de
presión y asigne un flujo calórico de cero a la corriente de energía. Observe que se han
introducido dos especificaciones
17. Haga clic en la pestaña “Reactions”. Despliegue el cuadro de título “Reaction Set” y
seleccione el conjunto de reacciones denominado “Global Rxn Set”. Observe en el
cuadro “Reaction” que se muestra a la reacción Rxn-1 del proceso. Si es necesario
revisarla se puede presionar el botón “View Reaction”. Observe que se han introducido
tres especificaciones, a saber: el factor pre-exponencial, la energía de activación y el
orden de la reacción. Sin embargo, la banda roja solicita la especificación del volumen
con el cual se debe completar el número requerido para una convergencia en la
simulación
18. Haga clic en la pestaña “Rating” y dentro de la página “Sizing” introduzca un volumen
de 8 metros cúbicos. Observe que la convergencia se ha alcanzado porque se han
completado las seis especificaciones requeridas. HYSYS sugiere unas medidas para la
altura y el diámetro de un tanque cilíndrico
146
19. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y despliegue la página “Results”. Observe el
porcentaje de conversión de óxido de propileno alcanzado en la reacción.
20. Seleccione el radio botón “Reaction Balance” y observe el balance de componentes en
la reacción
21. En la página “Comnposition” de la pestaña “Worksheet” se observan las
concentraciones de propilenglicol en las corrientes de producto
El diagrama de flujo final del reactor de mezcla completa simulado se observa en la Figura
18.5.
Figura 18.5. Reactor de mezcla completa
147
19. REACTOR PFR
1. OBJETIVOS
5.1. Definir paquetes fluidos que incluyan reacciones de tipo cinético
5.2. Determinar los grados de libertad requeridos para simular un reactor PFR de tipo
cinético
5.3. Simular, en estado estacionario, un reactor PFR, con una reacción de tipo cinético
2. INTRODUCCIÓN
Un reactor PFR es básicamente un tubo donde se realiza una reacción con cambios axiales
en la concentración, la presión y la temperatura. La Figura 19.1 muestra un esquema de un
reactor PFR.
Fo Fp
Q
Figura 19.1. Reactor de Flujo Pistón
En un reactor PFR, al igual que en uno de mezcla completa, los flujos de cada uno de los
componentes en la corriente de salida son los de la corriente de entrada más el producido o
consumido neto en la reacción, de acuerdo a la velocidad de ésta y al volumen de masa
reaccionante en el reactor.
El balance de materia para cada componente se puede escribir, por lo tanto, de la siguiente
manera:
ii
o
i
p VrFF (19.1)
El subíndice p se refiere a la corriente producto; el subíndice o se refiere a la corriente de
entrada; el superíndice i se refiere a cada uno de los componentes; el símbolo V se refiere
al volumen de masa reaccionante en el reactor y ir simboliza la velocidad de reacción neta
del componente i. Esta velocidad se expresa en términos de la velocidad de reacción para el
componente límite y teniendo en cuenta los coeficientes estequiométricos en cada una de
las reacciones
148
El balance calórico se puede escribir de la siguiente forma, estableciendo el balance de
entalpía entre las corrientes de entrada y salida al reactor:
reacción
C
i
C
i
i
p
i
p
i
o
i
o HVrhFQhF 1 1
(19.2)
Siendo i
p
i
o hh y , las entalpías molares del componente i en la corriente de entrada y salida,
respectivamente, Q es el calor absorbido o liberado en el reactor y reacciónH el calor de
reacción y r la velocidad neta de reacción del componente límite
La ecuación de diseño de un reactor tubular es dada por:
X
oo r
dX
CF
V
0
(19.3)
Siendo V, el volumen del reactor, Fo, el flujo molar del reactivo límite, , el tiempo
espacial, Co, la concentración del reaccionante límite en la corriente de entrada, X, la
conversión del reaccionante límite y r la velocidad de reacción del reactivo límite.
La velocidad de una reacción no catalítica depende de la concentración de reaccionante.
Con respecto al reaccionante límite, la ecuación de velocidad de reacción se expresa de la
siguiente manera
nkCr (19.4)
Siendo, k la constante específica de velocidad de reacción, n el orden cinético de la
reacción y C la concentración del reaccionante límite en reactor.
El orden de una reacción se determina experimentalmente y la constante de velocidad de
reacción depende de la temperatura de la reacción y se puede calcular con la ecuación de
Arrhenius, de la forma:
RT
EAk exp (19.5)
149
Siendo A el factor pre-exponencial, E la energía de activación, T la temperatura de la
reacción en escala absoluta y R la constante universal de los gases.
El análisis de grados de libertad es el siguiente:
Variables Cantidad
Corriente de salida C + 2
Corriente de calor 1
Volumen del reactor 1
Velocidad de reacción 1
Total Variables C + 5
Ecuaciones y Restricciones Cantidad
Balances de materia C
Balance de energía 1
Ecuación de diseño del reactor 1
Total Ecuaciones y Restricciones C + 2
Total grados de libertad 3
Las variables que generalmente se especifican para completar la especificación del reactor
flujo pistón son la magnitud del flujo calórico, la caída de presión en el reactor o la presión
de la corriente de salida y el volumen del reactor.
Los reactores PFR, a menudo, se construyen de muchos tubos de pequeños diámetros y de
grandes longitudes y se emplean con fluidos a grandes velocidades y pequeños tiempos
espaciales. Esto minimiza el mezclado axial del fluido, limita los perfiles radiales de
temperatura y provee el área de transferencia de calor necesaria. Los tubos se arreglan en
un banco como en los intercambiadores de calor. Si no se desea intercambio calórico en la
zona de reacción, puede utilizarse uno o una serie de lechos empacados de diámetros más
grandes. El volumen de un tubo se calcula como un cilindro y tratándose de un reactor con
flujo pistón a través de un lecho poroso se requiere de la especificación de la porosidad para
la determinación del volumen real de reacción. Si el volumen total requerido se construye
con varios tubos se requiere la fijación del número de ellos.
3. PROCESO ESTUDIADO
La reacción que estudiaremos es el craqueo adiabático en fase vapor de la acetona para
transformarla en metano y keteno en un reactor PFR.. La estequiometría de la reacción es
150
4233 CHCOCHCHCOCH
Se utiliza un reactor tubular que se alimenta con acetona pura en estado gaseoso. El keteno
que se produce es un compuesto completamente inestable cuya transformación no se
incluye en esta simulación. La reacción es de primer orden con respecto a la concentración
de acetona, CAcetona, con una cinética de la forma
AcetonaKCr (19.6)
y la constante específica de velocidad de reacción está dada por una ecuación de la forma
de Arrhenius y propuesta por Jeffreys así
TxK
34222exp102.8 14 (19.7)
Siendo T la temperatura en Kelvin y K, en segundos-1
4. PAQUETE FLUIDO
Ecuación: PRSV (Peng-Robinson Stryjek-Vera)
Componentes: Acetona, keteno y metano
Reacción:
Tipo: Cinético
Estequiometría: Acetona Keteno + Metano
Base: La Base para la ecuación cinética es la Concentración Molar; el Componente Base
es la acetona; la fase de la reacción es Vapor y las unidades bases son kgmol/m3 para la
concentración, kgmol/s-m3 para la velocidad de reacción, y ºK para la temperatura.
Parámetros Cinéticos: La reacción es irreversible. La ecuación cinética es la (19.6), es
decir de orden uno con respecto al óxido de propileno y de la ecuación (19.7) se tiene que
el factor pre-exponencial es 8.2x1014
s-1
y la energía de activación es 2.8x105 kJ/kgmol
5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
1. Abra un nuevo caso y seleccione la ecuación PRSV y los componentes acetona, keteno
y metano
151
Reacción de tipo cinético
2. Para introducir la reacción, haga clic sobre la pestaña “Rxns” de la ventana “Fluid
Package: Basis-1” y presione el botón “Simulation Basis Mgr” que se encuentra a la
derecha. Añada los componentes si no lo ha hecho
3. Haga clic sobre el botón “Add Rxn” y en la ventana desplegada con título “Reactions”
seleccione la opción “Kinetic” y presione el botón “Add Reaction” para desplegar la
ventana de título “Kinetic Reaction: Rxn-1”, que es nombre dado por HYSYS a la
reacción que se va a introducir.
4. En la columna “Component” de la pestaña “Stoichiometry”, seleccione los
componentes que intervienen en la reacción en el orden que aparecen en la reacción
química.
5. En la columna “Stoich Coeff” introduzca los coeficientes estequiométricos de cada uno
de los componentes de la reacción asignando signos negativos a los reaccionantes y
positivo al producto. Observe en el cuadro “Balance Error” el valor 0.0 si la reacción ha
sido introducida correctamente desde el punto de vista estequiométrico y además el
calor de la reacción a 25 °C.
6. Para la irreversibilidad y el orden de la reacción, en la columna “Fwd Order” escriba
uno para acetona que es el orden de la reacción a la derecha y en la columna “Rev
Order” escriba cero para todos los componentes porque la reacción es irreversible. La
ventana de la pestaña “Stoichiometry” se debe observar como lo muestra la Figura 19.2
Figura 19.2. Estequiometria de la reacción química
7. Haga clic sobre la pestaña Basis y complétela como se observa en la Figura 19.3.
152
Figura 19.3. Bases para la cinética de la reacción
8. Para introducir la ecuación de Arrhenius, haga clic sobre la pestaña “Parameters” e
introduzca el factor pre-exponencial y la energía de activación como se muestra en la
Figura 19.4. Observe la banda verde con la leyenda “Ready”.
Figura 19.4. Ecuación de Arrhenius
9. Cierre la ventana anterior y sobre la ventana del Administrador básico de la simulación
presione el botón “Add to FP” que se encuentra en el lado inferior izquierdo.
10. Presione el botón “Add Set to Fluid Package”. Con ello se adiciona la reacción al
paquete fluido.
11. Presione el botón “Return to Simulation Environment” para ingresar al ambiente de
simulación
153
Corrientes de materia y energía
12. Instale una corriente con el nombre de “Acetona” con las siguientes especificaciones
Temperatura, °C 761.85
Presión, kPa 162
Flujo molar, kgmol/h 137.9
Fracción mol Acetona 1.0
Reactor de flujo pistón
13. Instale un reactor tubular seleccionando el icono de nombre “Plug Flow Reactor” que se
encuentra en la paleta de objetos. Colóquele el nombre de “R-100”
14. Llene la página “Connections” de la pestaña “Design” de su ventana de propiedades de
la siguiente manera
Nombre R-100
Inlets Acetona
Outlet Producto
15. Despliegue la página “Parameters” y deje el valor de cero, por defecto, para la caída de
presión y asigne un flujo calórico de cero a la corriente de energía, es decir, considere
que la operación es adiabática. Observe que se han introducido dos especificaciones.
16. Haga clic en la pestaña “Reactions”. Despliegue el cuadro de título “Reaction Set” y
seleccione el conjunto de reacciones denominado “Global Rxn Set”. Observe que se
han introducido tres especificaciones, a saber: el factor pre-exponencial, la energía de
activación y el orden de la reacción. Observe en la banda roja que HYSYS requiere del
dimensionamiento del reactor.
17. Haga clic en la página “Details” de la pestaña “Reactions” y observe la reacción
escogida, el balance calórico de cero y la información sobre el calor de reacción
positivo, es decir, que es endotérmica.
18. Haga clic en la pestaña “Rating” y abra la página “Sizing” para completar las
especificaciones del volumen del tubo, la longitud del mismo, el número de tubos, el
espesor de pared y la porosidad, como se observa en la Figura 19.5.
19. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y despliegue la página “Results”. Observe el
porcentaje de conversión de acetona alcanzado en la reacción.
20. Seleccione el radio botón “Reaction Balance” y observe el balance de componentes en
la reacción
154
21. En la página “Composition” de la pestaña “Worksheet” se observan la concentración de
acetona en las corrientes de producto
Figura 19.5. Dimensiones y empacado de los tubos
22. Haga clic en la pestaña “Performance” y presione el botón “Plot” que se encuentra en la
esquina inferior derecha. Por defecto se observa el perfil de la temperatura a lo largo del
reactor tubular, comos se muestra en la Figura 19.6. Seleccione otros perfiles sobre la
página “Conditions” y de las otras páginas
Figura 19.6. Perfil de temperatura en el reactor tubular
155
20. REACCIÓN CATALÍTICA HETEROGÉNEA
1. OBJETIVOS
a. Especificar la cinética de una reacción catalítica heterogénea
b. Simular, en estado estacionario, un reactor PFR, con una reacción catalítica
heterogénea
c. Analizar el desempeño de un reactor tubular catalítico
2. INTRODUCCIÓN
Las reacciones catalíticas heterogéneas incluyen reacciones en la superficie junto con
adsorción (o deserción) de reaccionantes y productos. Esto hace que la ecuación de
velocidad de estas reacciones dependa considerablemente del mecanismo de reacción.
HYSYS incluye una expresión general para la ecuación de velocidad de una reacción
catalítica heterogénea con la siguiente forma
n
M
i
M
g
gk
ac
i
od
j
jrif
kg
ji
CK
CkCk
r
1 1
Re
1
Pr
1
1
(20.1)
kf y kr son las constantes de velocidad de reacción directa e inversa, K es la constante de
velocidad de adsorción y M es el número de reaccionantes y productos adsorbidos
incluyendo los inertes.
Las constantes de velocidad se introducen en HYSYS en la forma de la ecuación de
Arrhenius. Se requiere, por lo tanto, el factor pre-exponencial y la energía de activación
para cada una de las constantes
La reacción catalítica heterogénea puede utilizarse tanto en reactores de mezcla completa
como en reactores tubulares.
3. PROCESO ESTUDIADO
La reacción catalítica irreversible que utilizaremos en esta simulación es la
deshidrogenación del tolueno para producir benceno y metano, es decir:
266287 HHCHHC
156
su mecanismo de reacción es tal que se puede expresar su cinética de acuerdo al Modelo de
Langmuir - Hinshelwood cuya forma matemática es
TB
TH
PP
PPxr
038.139.11
107.82
4
(20.2)
Siendo BTH PPP y ,
2 la presión parcial del hidrógeno, tolueno y benceno, respectivamente.
La reacción se lleva a cabo en un reactor tubular. El tolueno se alimenta al reactor con un
flujo de 50 mol/min, 640 °C, 4053 kPa y una composición de 30 % mol de tolueno, 45 %
mol de hidrógeno y 25 % mol de nitrógeno. El hidrógeno se alimenta en exceso para
prevenir la coquización. La caída de presión a través del reactor es de 69 kPa. La Figura
20.1 muestra el diagrama de flujo final del reactor tubular
Figura 20.1. Reactor tubular
4. PAQUETE FLUIDO
Ecuación: Peng-Robinson
Componentes: Tolueno, hidrógeno, benceno, metano y nitrógeno
Reacción:
Tipo: Cinético
Estequiometria: Tolueno + Hidrógeno Benceno + Metano
Base: La Base para la ecuación cinética es la Presión Parcial; el
Componente Base es el tolueno; la fase de la reacción es
Vapor y las unidades bases son kPa para la presión, kgmol/h-
m3 para la velocidad de reacción, y ºK para la temperatura.
Parámetros Cinéticos: La reacción es irreversible. La ecuación cinética es la (20.2).
Al introducir las constantes en HYSYS, los factores pre-
exponenciales serán las constantes que aparecen en dicha
ecuación y para cada una de ellas se asume una energía de
activación de cero
157
5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
1. Abra un nuevo caso y seleccione la ecuación de Peng Robinson y los componentes
tolueno, hidrógeno, benceno, metano y nitrógeno
Reacción de tipo cinético
2. Para introducir la reacción, haga clic sobre la pestaña “Rxns” de la ventana “Fluid
Package: Basis-1” y presione el botón “Simulation Basis Mgr” que se encuentra a la
derecha. Añada los componentes si no lo ha hecho
3. Haga clic sobre el botón “Add Rxn” y en la ventana desplegada con título “Reactions”
seleccione la opción “Kinetic” y presione el botón “Add Reaction” para desplegar la
ventana de título “Heterogeneous Catalytic Reaction: Rxn-1”, que es nombre dado por
HYSYS a la reacción que se va a introducir.
4. En la columna “Component” de la pestaña “Stoichiometry”, seleccione los
componentes que intervienen en la reacción en el orden que aparecen en la reacción
química.
5. En la columna “Stoich Coeff” introduzca los coeficientes estequiométricos de cada uno
de los componentes de la reacción asignando signos negativos a los reaccionantes y
positivo al producto, comos se muestra en la Figura 20.2. Observe en el cuadro
“Balance Error” el valor 0.0 si la reacción ha sido introducida correctamente desde el
punto de vista estequiométrico y además el calor de la reacción a 25 °C
Figura 20.2. Estequiometría de la reacción química
6. Haga clic sobre la pestaña Basis y complétela como se observa en la Figura 20.3.
7. Para la introducción del numerador de la ecuación cinética, haga clic sobre la pestaña
“Numerator” e introduzca la constante de velocidad de reacción como se observa en el
cuadro “Forward Reaction” y los órdenes relativos a tolueno e hidrógeno obsérvelos en
158
la columna “Forward Order”. La ventana se debe observar como lo muestra la Figura
20.4
Figura 20.3. Bases para la cinética de la reacción
Figura 20.4. Numerador de la ecuación de velocidad de reación
8. Para la introducción del denominador de la ecuación cinética, haga clic sobre la pestaña
“Denominator” e introduzca los factores pre-exponenciales, las energías de activación y
los ordenes de cada uno de los términos del denominador como lo muestra la Figura
20.5.
Figura 20.5. Denominador de la ecuación cinética
159
9. Cierre la ventana anterior y sobre la ventana del Administrador básico de la simulación
presione el botón “Add to FP” que se encuentra en el lado inferior izquierdo.
10. Presione el botón “Add Set to Fluid Package”. Con ello se adiciona la reacción al
paquete fluido
11. Presione el botón “Return to Simulation Environment” para ingresar al ambiente de
simulación
Corrientes de materia y energía
12. Instale una corriente con el nombre de “Alimento” con las siguientes especificaciones
Temperatura, °C 640
Presión, kPa 4053
Flujo molar, kgmol/h 3
Fracción mol Tolueno 0.30
Fracción mol Hidrógeno 0.45
Fracción mol Nitrógeno 0.25
Reactor de flujo pistón
13. Instale un reactor tubular seleccionando el icono de nombre “Plug Flow Reactor” que se
encuentra en la paleta de objetos. Colóquele el nombre de “R-100”
14. Llene la página “Connections” de la pestaña “Design” de su ventana de propiedades
introduciendo la corriente “Alimento” en el cuadro “Inlets” y el nombre “Producto” en
el cuadro “Outlet”
15. Despliegue la página “Parameters” e introduzca un valor de 69 kPa, para la caída de
presión y asigne un flujo calórico de cero a la corriente de energía, es decir, considere
que la operación es adiabática. Observe que se han introducido dos especificaciones
16. Haga clic en la pestaña “Reactions”. Despliegue el cuadro de título “Reaction Set” y
seleccione el conjunto de reacciones denominado “Global Rxn Set”. Observe que se
han introducido tres especificaciones, a saber: el factor pre-exponencial, la energía de
activación y el orden de la reacción. Observe en la banda roja que HYSYS requiere del
dimensionamiento del reactor
17. Haga clic en la página “Details” de la pestaña “Reactions” y observe la reacción
escogida, el balance calórico de cero y la información sobre el calor de reacción
positivo, es decir, que es endotérmica
18. Haga clic sobre la pestaña “Reactions” y despliegue la página “Results”. Observe el
porcentaje de conversión de tolueno alcanzado en la reacción.
160
19. Seleccione el radio botón “Reaction Balance” y observe el balance de componentes en
la reacción
20. Haga clic en la pestaña “Rating” y abra la página “Sizing” para completar las
especificaciones del volumen del tubo, la longitud del mismo, el número de tubos, el
espesor de pared y la porosidad, como se observa en la Figura 20.6.
Figura 20.6. Dimensiones y empacado de los tubos
21. En la página “Composition” de la pestaña “Worksheet” se puede observar la
concentración de la corriente de producto
22. Haga clic en la pestaña “Performance” y presione el botón “Plot” que se encuentra en la
esquina inferior derecha. Por defecto se observa el perfil de la temperatura a lo largo del
reactor tubular. Seleccione otros perfiles sobre la página “Conditions” y de las otras
páginas
163
21. RECUPERADOR DE COMPONENTES
1. OBJETIVOS
1. Determinar las variables de diseño en un recuperador de componentes en
corrientes
2. Simular el desempeño de un recuperador de componentes corrientes
2. INTRODUCCIÓN
Recuperador de componentes en corrientes
HYSYS dispone de un recuperador de componentes o “Splitter” cuya simulación representa
la separación de una corriente en dos corrientes que requieren de la especificación de las
fracciones de recuperación de cada componente en una de ellas, además de otros cuatro
parámetros. Un esquema de esta unidad de recuperación se muestra en la Figura 21.1.
Figura 21.1. Recuperador de componentes o “Splitter”
Siendo F’s los flujos de las corrientes, z, y e x las fracciones molares de los
componentes en cada una de las corrientes y Q el calor requerido
Un balance de materia de componente “i” se expresa mediante la ecuación
iii xFyFFz 21 (21.1)
Para C componentes, i = 1,…, C y, por lo tanto, se plantean C ecuaciones de balance de
materia de componentes
164
Un balance de energía se expresa mediante la ecuación
2211 hFhFQFhF (21.2)
El análisis de variables de diseño en un fraccionador de corrientes es el siguiente:
Variables Cantidad
Corrientes de salida 2(C +2)
Flujo calórico 1
Total Variables 2C + 5
Ecuaciones Cantidad
Balances de materia C
Balances de energía 1
Total Ecuaciones C + 1
Total de variables de diseño C + 4
Las variables que usualmente se fijan son: C fracciones de recuperación de
componentes en una corriente (por ejemplo, F1) y cuatro parámetros adicionales como
las presiones o las temperaturas o las fracciones de vapor, Vf, de las corrientes de
salida.
3. SIMULACIÓN DE UN RECUPERADOR DE COMPONENTES
1. Abra un nuevo caso, y defina el siguiente paquete fluido
Ecuación: Peng Robinson
Componentes: Etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano,
n-pentano y n-hexano
Sistema de unidades: Field
2. Instale una corriente con las siguientes especificaciones:
Nombre: Uno
Temperatura: 200 °F
Presión: 500 psia
165
Flujo molar: 1000 lbmol/h
Composición (Fracción Molar) Etano 0.2
Propano 0.6
i-Butano 0.1
n-Butano 0.1
3. Instale otra corriente con las siguientes especificaciones:
Nombre: Dos
Temperatura: 200 °F
Presión: 500 psia
Flujo molar: 800 lbmol/h
Composición (Fracción Molar) n-Butano 0.8
i-Pentano 0.1
n-Pentano 0.05
n-Hexano 0.05
4. Instale un mezclador de corrientes (Mixer) y en la página “Connections” de la
pestaña “Design” de su ventana de propiedades introduzca los siguiente:
Nombre: M-100
Entradas: Uno, Dos
Salida: Alimento
5. Haga clic en la página “Parameters” y observe que HYSYS, por defecto, sugiere
que asigne a la corriente de salida la menor presión entre las de las corrientes de
entrada
6. Instale un “Splitter” con el nombre de “X-100” y conéctelo como muestra la Figura
21.2
Figura 21.2. Conexiones de un “Splitter”
166
7. Haga clic en la página “Parameters” y especifique las fracciones de vapor y las
presiones en las corrientes de producto como se observan en la Figura 21.3.
8. Haga clic en la página “Splits” para especificar las fracciones de recuperación cada
uno de los componentes en la corriente “Pro 1”. Observe en la Figura 21.4 que
HYSYS calcula las fracciones correspondientes a la corriente “Pro 2”
Figura 21.3. Especificaciones de presiones y fracciones de vapor en el “Splitter”
Figura 21.4. Fracciones de recuperación de cada uno de los componentes
9. Haga clic en la pestaña “Worksheet” y observe las condiciones y las composiciones
de las corrientes productos del fraccionador. Observe las Figuras 21.5 y 21.6
167
10. Instale un divisor de corrientes (Tee) y en la página “Connections” de la pestaña
“Design” de su ventana de propiedades introduzca los siguiente:
Nombre: D-100
Entrada: Pro 2
Salida: Tres, Cuatro
Figura 21.5. Condiciones de las corrientes del “Splitter”
Figura 21.6. Concentraciones de las corrientes del “Splitter”
11. Haga clic en la página “Parameters” y especifique con un valor de 0.5, la
fracción de la corriente de entrada que saldrá como la corriente “Tres”.
168
12. Observe las especificaciones de las corrientes en el divisor
El diagrama de bloques final del proceso descrito anteriormente se observa en la Figura
21.7.
Figura 21.7. Diagrama de flujo del proceso de recuperación de componentes
169
22. COLUMNA DESPOJADORA DE AGUA ÁCIDA
1. OBJETIVOS
1.1. Simular, en estado estacionario, una columna de destilación rigurosa
1.2. Especificar una columna de destilación rigurosa para completar sus grados de
libertad
1.3. Analizar relaciones entre variables del proceso mediante la opción Databook del
HYSYS
2. INTRODUCCIÓN
Una columna de destilación requiere, además de su alimentación, de la instalación de un
rehervidor y un condensador. En el rehervidor se suministre el calor requerido para
producir el vapor que sube a lo largo de la columna y en el condensador se extrae el calor
necesario para que el vapor que emerge por el tope sea condensado. HYSYS dispone de
tres columnas de destilación rigurosa con rehervidor parcial que se diferencian en el tipo de
condensador. En una columna de destilación con condensador total, el vapor de tope se
transforma completamente en líquido en su punto de burbuja y este, a su vez, se divide en
dos fracciones de reflujo y destilado parte de este es recirculado a la columna y la otra parte
es recogida como el destilado. En una columna de destilación con condensador parcial, el
vapor de tope se condensa parcialmente en dos fases líquido-vapor en equilibrio. La
fracción condensada, a su vez es dividida en reflujo y destilado. Si el condensador es
parcial con reflujo total todo el condensado es recirculado a la columna
Para C componentes y N etapas de equilibrio, un análisis de variables de diseño para
cualquiera de estos tres tipos de columnas da un total de grados de libertad, G, de
11 2 NCN e
i (22.1)
Si se especifica completamente la corriente de alimentación, los grados de libertad
disminuyen en C + 2 y, por lo tanto, son de
9 2 NN e
i (22.2)
HYSYS asigna o sugiere, en la simulación de columnas de destilación, 2N variables como,
por ejemplo, las presiones y las temperaturas en cada una de las etapas y, por lo tanto, los
grados de libertad se reduce a nueve. Las especificaciones que, usualmente, se emplean o
que se requieren en una simulación en HYSYS son la condición de un reflujo total de
170
condensado o “Full Reflux”, el número de etapas, el número de la etapa de alimentación, la
presión y la caída de presión en el condensador y en el rehervidor y dos adicionales
asignadas por el diseñador.
3. PROCESO ESTUDIADO
Una corriente de agua que contiene ácido sulfhídrico y amoníaco se precalienta mediante el
calor transferido por una corriente que proviene de los fondos de una columna de
destilación. La corriente de agua ácida caliente se destila a unas condiciones tales que el
producto de fondo es agua del 99.99 % mol pura y es recogida como el producto del
tratamiento después de su utilización como fluido caliente en el pre-calentador. El vapor
que emerge de la columna de destilación es una mezcla de vapor de agua concentrado en
los otros dos componentes que deberá determinarse si se sigue tratando o se aprovecha,
pero en esta simulación se deja como el otro efluente del proceso. El diagrama de flujo
descrito y observado en la Figura 22.1 es un ejemplo de la integración energética posible en
un proceso, que permita la minimización de servicios energéticos externos y, por lo tanto,
de los costos operativos aprovechando el contenido calórico de los fondos de la columna de
destilación.
Figura 22.1. Diagrama de flujo de la columna despojadora
4. PAQUETE FLUIDO
Ecuación: Sour Peng-Robinson
Componentes: H2S, NH3 y agua.
Unidades: Field
5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
1. Instale una corriente con el nombre “Alimento” y las siguientes especificaciones:
171
Temperatura 100°F
Presión 40 psia
Flujo volumétrico líquido 50000 barrel/day
Composición (Fracción Másica): H2S 0.0070
NH3 0.0050
H2O 0.9880
2. Instale un intercambiador de carcasa y tubo con el nombre “E-100” y las siguientes
especificaciones
Pestaña Design Página Connections
Tube Side Inlet Alimento
Tube Side Outlet Entradacolumna
Shell Side Inlet Fondos
Shell Side Outlet Producto
Pestaña Design Página Parameters
Tube Side Pressure Drop 10 psi
Shell Side Pressure Drop 10 psi
Model Weighted (Ponderado)
3. Haga doble clic sobre la corriente “EntradaColumna” para desplegar su ventana de
propiedades y especifíquela con una temperatura de 200 °F.
¿Cuántos grados de libertad se requieren agregar para especificar completamente el
intercambiador?. Observe la página “Specs” de la pestaña “Design”
4. Antes de instalar la columna de destilación, seleccione la opción “Preferentes” en el
menú “Tools”. En la página “Options” de la pestaña “Simulation” asegúrese de que esté
verificada la opción “Use Input Experts”, es decir, el asistente para introducir las
especificaciones de una columna de destilación.
5. Instale una columna de destilación rigurosa haciendo doble clic sobre el icono
“Distillation Column” que se encuentra en la paleta de objetos. Esta columna tendrá
tanto un rehervidor en el fondo como un condensador en el tope.
6. La configuración de la columna, introducida a través del asistente, es la siguiente:
6.1 Conexiones (Página 1 de 4)
a. Name T-100
b. No. of Stages 8
c. Inlet Streams EntradaColumna
d. Inlet Stage 3
172
e. Condenser Full Reflux
f. Ovhd Vapor Outlets Vapor
g. Bottoms Liquid Outlet Fondos
h. Reboiler Energy Stream Qr
i. Condenser Energy Stream Qc
6.2 Perfil de Presiones (Página 2 de 4)
1. Condenser Pressure 28.7 psia
2. Reboiler Pressure 32.7 psia
6.3 Página 4
Presione el botón “Done” para desplegar la ventana de propiedades de la
columna T-100 y su banda roja indica que no se ha especificado completamente
y, por lo tanto, la simulación no ha convergido. Observe la Figura 22.2.
Figura 22.2. Especificaciones de una columna de destilación
¿Cuántos grados de libertad se requieren agregar para especificar
completamente la columna de destilación?. Observe la página “Specs” de la
pestaña “Design”
6.4 Especificaciones adicionales:
En la página “Specs” de la pestaña “Design”, presione el botón “Add” para
añadir otras especificaciones con las cuales completar los grados de libertad
faltantes y hacer que la simulación converja. En la ventana desplegada para la
adición de especificaciones titulada “Add Specs” seleccione la opción “Column
Component Fraction” para especificar una concentración de amoniaco en el
173
fondo líquido. Presione el botón “Add Spec(s)” y llene la ventana como se
observa en la Figura 22.3.
Figura 22.3. Especificación de la concentración de amoníaco en el rehervidor
Cierre la ventana y repita el procedimiento anterior para agregar una
especificación para la relación de reflujo. Si la opción “Reflux Ratio” se
encuentra disponible en el cuadro “Column Specifications” de la página “Specs”
selecciónela y presione el botón “View” y llene la ventana desplegada como se
observa en la Figura 22.4.
Figura 22.4. Especificación de la relación de reflujo en el condensador
174
6.5 Parámetros y activación de las especificaciones añadidas:
En la pestaña “Parameters” de la ventana de propiedades de la columna
seleccione la página Solver e introduzca un valor de 0.4 para el factor de
amortiguamiento o “Fixed Damping Factor” con el objeto de acelerar la
convergencia de la columna y reducir los efectos de algunas oscilaciones en los
cálculos (el valor por defecto es 1.0).
Regrese a la pestaña “Design” y seleccione la página “Monitor”. En la columna
encabezada como “Active” del cuadro “Specifications” desactive la
especificación “Ovhd Vap Rate” y active las especificaciones “Comp Fraction”
y “Reflux Ratio” verificando los cuadros respectivos. Con esto, se completan los
grados de libertad y la columna debe converger muy rápidamente, como se
observa en la banda verde de la Figura 22.5
Figura 22.5. Página Monitor de la columna de destilación
6.6 Libro de trabajo del proceso
Despliegue el libro de trabajo, Figura 22.6, del proceso haciendo clic sobre el
icono de nombre “Workbook” que se encuentra en la barra estándar. Observe las
condiciones y las composiciones de las corrientes, y note que el producto es
agua pura y la integración energética
6.7 Estimativos, dimensionamiento y desempeño de la columna
i. Haga clic en la pestaña “Parameters” de la ventana de propiedades de la
columna y observe en la ventana desplegada sus perfiles de temperatura,
175
presión y flujos; los estimativos de las composiciones y las eficiencias
asumidas en cada plato.
ii. Haga clic sobre la pestaña “Rating” de la ventana de propiedades de la
columna y observe en la ventana desplegada el dimensionamiento de los
platos, de los equipos de transferencia de calor y un perfil de las caídas
de presión plato a plato
iii. Haga clic sobre la pestaña “Performance” de la ventana de propiedades
de la columna y observe en la ventana desplegada detalles sobre su
desempeño y note el perfil, tanto gráfico como numérico, de algunas
propiedades plato a plato
Figura 22.6. Libro de trabajo
Estudio de casos: Herramienta DATABOOK (Case Study)
La simulación puede correrse para un intervalo de temperaturas para la corriente
“Alimento” (entre 90°F y 110°F en incrementos de 5°F) cambiando la temperatura
especificada para la corriente “Alimento” en la hoja de trabajo. Se pueden automatizar estos
cambios utilizando la herramienta “Case Study” en la opción “Databook” del menú “Tools”
e introduciendo las variables mostradas en la pestaña “Variables”
Case
Object Variables Variable Description
Qc Heat Flow Cooling Water
Qr Heat Flow Steam
Alimento Temperature Temperature
176
T-100
Main TS Stage Liq Net Mass Flow (2_Main TS) Liq MF Tray 2
Main TS Stage Liq Net Mass Flow (7_Main TS) Liq MF Tray 7
Main TS Stage Vap Net Mass Flow (2_Main TS) Vap MF Tray 2
Main TS Stage Vap Net Mass Flow (7_Main TS) Vap MF Tray 7
Haga clic sobre la pestaña “Case Studies”, presione el botón “Add” que está en el grupo
“Available Case Studies” para crear el caso de estudio 1 (Case Study 1), verifique la
temperatura de “Alimento” como la variable independiente y las restantes variables como
dependientes.
Para automatizar el estudio despliegue la pestaña “Case Studies” y presione el botón
“View” y en la página “Independent Variables Setup” introduzca los valores 90°F (Low
Bound), 110°F (High Bound) y 5°F (Step Size) para la variable independiente.
Para empezar el estudio, presione el botón “Start”. Presione el botón “Results” para
observar los resultados de las variables. Si los resultados aparecen en forma gráfica, se debe
seleccionar el radio botón “Table” en la ventana de “Case Studies” para observar los
resultados tabulados en forma numérica
177
23. COLUMNA DE DESTILACIÓN DESBUTANIZADORA
1. OBJETIVOS
1.1. Determinar los grados de libertad requeridos para especificar una columna de
destilación con dos alimentos
1.2. Simular, en estado estacionario, una columna de destilación desbutanizadora de
una mezcla de hidrocarburos
1.3. Determinar las especificaciones que maximicen las ganancias en la operación de la
columna
2. INTRODUCCIÓN
En este ejemplo se simulará una columna de destilación con condensador parcial, que se
carga con dos alimentos y que se propone desbutanizar una mezcla de hidrocarburos
alifáticos.
Para C componentes y N etapas de equilibrio, el número de grados de libertad en este tipo
de columna es de
1422 NCN e
i (23.1)
Si se especifican las dos corrientes de alimentación, el número de especificaciones
requeridas para el diseño de la columna es de
102 NN e
i (23.2)
HYSYS asigna o sugiere, en la simulación de este tipo de columnas, 2N variables y, por lo
tanto, los grados de libertad se reducen a diez. El asistente de HYSYS requiere de las
especificaciones del número de etapas de equilibrio, el número de las dos etapas de
alimentación, las dos presiones y las dos caídas de presión en condensador y rehervidor.
Introducidas las anteriores especificaciones, es necesario agregar las tres faltantes a
elección del usuario o diseñador. Se utilizará el Optimizador de HYSYS para determinar las
especificaciones que maximicen una función objetivo planteado para estimar las ganancias
en la operación de la columna, teniendo en cuenta los ingresos por la venta del producto y
los costos de los servicios.
Las variables y las ecuaciones incluidas en este estimativo se importan o construyen en la
hoja de cálculo o “Spreadsheet” disponible en HYSYS la cual tiene un manejo como
cualquier hoja de cálculo.
178
3. PROCESO ESTUDIADO
La Figura 23.1 muestra el diagrama de flujo final de la simulación de la columna de
destilación desbutanizadora, observándose adicionalmente, la hoja de cálculo utilizada para
los cálculos de optimización de las ganancias en la operación. La columna tiene 15 platos y
se carga con dos alimentos.
Figura 23.1. Columna desbutanizadora de una mezcla de hidrocarburos alifáticos
Las especificaciones de los alimentos se observan en la Figura 23.2 y muestran un
contenido de hidrocarburos alifáticos.
Figura 23.2. Especificaciones de los alimentos a la columna desbutanizadora
179
La corriente “AlimentoUno” se carga por el plato 8 y la corriente “AlimentoDos se carga
por el plato 4. La presión en el tope de la columna es de 205 psia y en el fondo es de 215
psia. El condensador es parcial y especifíquelo sin caída de presión.
El contenido de pentanos en fase líquida en el condensador debe ser de una fracción molar
de 0.05 y la recuperación de butanos en la corriente líquida de tope debe ser del 95 %
4. PAQUETE FLUIDO
Ecuación: Peng Robinson
Componentes: Propano, i-Butano, n-Butano, i-Buteno, i-Pentano,
n-Pentano, n-Hexano, n-Heptano, n-Octano
Reacciones: No hay
5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
Introduzca una columna de destilación dentro del PFD y complete sus especificaciones
como aparece a continuación:
Connections
No. of Stages 15
Feed Streams (Stage) AlimentoDos (4)
AlimentoUno (8)
Condenser Type Parcial
Ovhd Vapour Venteo
Ovhd Liquid Butanos
Bottoms Liquid Fondos
Reboiler Duty Qr
Condenser Duty Qc
Pressure
Condenser Pressure 205 psi
Cond Delta 0 psi
Reboiler Pressure 215 psi
Sobre la página “Specs” de la pestaña “Design”, introduzca las siguientes
especificaciones
Ovhd Vap Rate: 0
C5’s in Top: 0.05
Fracción mol de i-C5 y n-C5 en el líquido del
condensador
180
Butane Recovery: 0.95
Recuperación de i-C4, n-C4 e i-C4= en la
corriente de productos Butanes
Antes de correr la columna, abra la página “Solver” sobre la pestaña “Parameters” y cambie
el “Heat/Spec Error Tolerante” al valor 0.0001 (en reemplazo del valor por defecto 0.0005)
Haga correr la columna y una vez se obtenga su solución, examine la página “Summary”
sobre la pestaña “Performance” para observar la Razón de Reflujo y las cargas calóricas en
el Rehervidor y Condensador. Regrese a la página “Specs” y aproxime las purezas haciendo
los siguientes cambios:
1. Cambie el C5’s in Top a 0.0075
2. Cambie la Recuperación de Butane a 0.99
La razón de reflujo para estas nuevas especificaciones es ahora aproximadamente 49. En
vez de proceder por ensayo y error para determinar las especificaciones de operación más
rentables, se utilizará el Optimizador.
Antes de instalar el Optimizador cambie los valores de las especificaciones a los valores
originales, es decir:
1. C5’s in Top = 0.05
2. Butane Recovery = 0.95
Función objetivo
La función objetivo calcula la ganancia en la operación de la columna en base a los costos
de los servicios y el precio de venta del producto Butanos. La ecuación para la función
objetivo es:
rrccBB QCQCFCG (23.1)
Siendo G, las ganancias, Qc y Qr, las cargas calóricas en condensador y rehervidor, FB, el
flujo de butano y CB, Cc y Cr, el precio de venta unitario de la corriente de Butanos y los
costos unitarios de enfriamiento y calentamiento, respectivamente.
Para este ejemplo, los costos en dólares son:
1. Costo de enfriamiento, Cc $0.0015 / Btu (Celda B2)
181
2. Costo de calentamiento, Cr $0.00075 / Btu (Celda B6)
3. Precio de venta de Butanos, CB $10 / lb (Celda D2)
Para el cálculo de los ingresos netos por las ventas de Butanos, se incluye un descuento en
el precio de venta que tiene en cuenta la concentración de pentanos en el tope. El precio de
venta neto de butanos se calcula con la siguiente ecuación
BC5
x-1 Butanos de neto ventade ecioPr (23.2)
Siendo x, el contenido de pentanos en el tope
Instalación del Optimizador
1. Presione la tecla clave <F5> para abrir el optimizador y sobre la pestaña “Variables”
haga clic sobre el botón “Add” para introducir las variables implicadas en el estudio
2. Seleccione los valores especificados como se muestra en la Figura 3. Con ellas el
optimizador tiene dos variables primarias que manipulará para maximizar la función
objetivo
Figura 23.3. Especificación de las variables en la ventana del optimizador
Presione el botón “SpreadSheet...” en la ventana del Optimizador para desplegar su hoja de
cálculo. Sobre la pestaña “Connections” presione el botón “Add Import...” para introducir
las variables de proceso necesarias en las celdas asignadas en la hoja de cálculo como se
muestra en la Figura 23.4.
182
Figura 23.4. Importación de variables a la hoja de cálculo del optimizador
Introduzca las fórmulas que aparecen en la Figura 23.5, en la hoja de cálculo del
optimizador, de acuerdo a la asignación de celdas observadas en la columna “Cell” de la
pestaña “Formulas” de dicha hoja de cálculo
Figura 23.5. Fórmulas para calculas los costos, los ingresos y las ganancias
La fórmula introducida en la celda D3 es un descuento aplicado al precio de venta del
producto Butanos que tiene en cuenta la pureza de éste.
En este caso, el valor para B3 tiene unidades incorrectas porque no son unidades asociadas
con costo sino con Btu/h porque el valor introducido en la celda B2 no tiene unidades. Para
183
solventar este impase se cambiarán las unidades de B3 de tal manera que sea adimensional.
Para ello, se selecciona la celda B3 y a continuación sobre el cuadro “Variable Type” se
selecciona la opción “Unitless”. De igual manera se procede con las celdas B7, B9 y D7. La
Figura 23.6 muestra la hoja de cálculo con los datos y las fórmulas introducidas.
Figura 23.6. Hoja de cálculo de costos, ingresos y ganancias
Haga clic sobre el menú “Simulation” y seleccione la opción “Optimizar” para desplegar su
correspondiente ventana. Haga clic sobre la pestaña “Functions” donde la Función Objetivo
y algunas restricciones definidas en la hoja de cálculo son introducidas. En este caso, la
función objetivo es “Operating Profit” o celda D9 para que sea maximizada. La Figura 7
muestra la ventana del optimizador
Figura 23.7. Ventana del optimizador para especificar la función a maximizar
184
La pestaña “Parameters” de la ventana del Optimizador se dejará en sus valores por
defecto. Abra la ventana “Monitor” donde se registrarán las iteraciones calculadas por el
optimizador. Presione el botón “Start” para que el Optimizador comience sus cálculos.
Los cálculos son sensibles a los valores iniciales de cálculo, por lo tanto es mejor correr el
optimizador varias veces para asegurarse que se ha llegado al valor óptimo y uno a un
máximo local. Presione la pestaña Monitor y observe la hoja de cálculo final después de las
corridas.
185
24. SEPARACIÓN DE UNA MEZCLA PROPILENO-PROPANO
1. OBJETIVOS
1.1. Simular, en estado estacionario, una columna de destilación de una mezcla
propileno propano construida mediante el botón “Custom Column” de HYSYS
1.2. Determinar algunas variables manipulables para lograr mayores concentraciones de
los productos de la destilación
2. INTRODUCCIÓN
Un separador propileno-propano es una columna fácil de simular. Sin embargo, un factor
crítico al producirlos es la predicción de las volatilidades relativas de los dos componentes
claves. Se dará una consideración especial a estos componentes, al desarrollar los
coeficientes de interacción binarios para la ecuación de Soave Redlich Kwong (SRK) para
asegurar que este método modela correctamente este sistema. Estos separadores tienen
varias etapas y se construyen, a menudo, como dos columnas separadas.
3. PROCESO ESTUDIADO
Esta simulación consta de dos columnas, una de agotamiento y otra de rectificación. La
columna de agotamiento se opera como un absorbedor con rehervidor, contiene 94 etapas
teóricas y se carga con dos corrientes, una es la corriente “Alimentación” que contiene 40
% molar de propano y 60 % molar de propeno, en fase vapor a 300 psia y un flujo de
1322.76 lbmol/h, y la otra corriente es la que emerge como fondos de la columna
rectificadora. La columna rectificadora es un absorbedor con reflujo que contiene 89 etapas
teóricas.. El propano es recuperado de los fondos de la columna de agotamiento (95 %) y el
propileno es el producto de cabeza de la columna rectificadora (99 %)
4. PAQUETE FLUIDO
Ecuación: Soave Redlich Kwong (SRK)
Componentes: Propano y Propeno o Propileno
Reacciones: No hay
Sistema de unidades: Field
5. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
Instale una corriente de materia con el nombre de “Alimento” y especifíquela con una
fracción de vaporde 1.0, 300 psia, 1322.76 lbmol/h, 40 % mol de propano y 60 % mol de
propileno.
186
Instalación de las columnas
El siguiente paso es instalar la columna. Presione el botón “Custom Column” que se
encuentra en la paleta de objetos para desplegar la ventana que se observa en la Figura 24.1.
Se utilizará la opción “Custom Column” para construir ambas columnas en un solo
ambiente
Figura 24.1. Opción para configurar el diagrama de flujo de una columna
Presione el botón “Start with a Blank Flowsheet”. Se colocará en la ventana “Column
Runner” en el ambiente principal. Haga clic sobre la pestaña “Flowsheet” y abra la página
“Setup”. Introduzca la corriente Alimento como una corriente de alimentación externa,
haciendo que esta corriente sea accesible al ambiente templado. Observe la Figura 24.2
Figura 24.2. Corrientes externas alimentadas a la columna
Para este ejemplo, se necesitará un condensador, un rehervidor y dos secciones de platos.
Una sección de platos y un condensador se usarán como un absorbedor con reflujo o
Columna Rectificadora; un rehervidor y otra sección de platos se usarán para el absorbedor
con rehervidor o Columna de Agotamiento. El producto de cabeza de la Columna de
187
Agotamiento servirá como alimento a la Columna Rectificadora y el producto de fondo de
la Columna Rectificadora suministra un segundo alimento a la Columna de Agotamiento
que entra en la etapa 1.
COLUMNA DE AGOTAMIENTO
Haga clic sobre el botón “Column Environment…” para instalar primero la Columna de
Agotamiento como un absorbedor con rehervidor. Esta columna tiene 94 etapas ideales y
un rehervidor que se instalan seleccionándolos de la paleta de objetos de la columna que se
observa en la ventana desplegada
Instalación de la Sección de platos
Para esta columna una nueva sección de platos se instalará. Seleccione el botón “Tray
Section” en la paleta de objetos. Despliegue la ventana de propiedades del botón Tray
Section e introduzca la siguiente información en las páginas “Connections y Pressures” de
la pestaña “Design”
Pestaña Design Página Parameters
Number of Theoretical Trays 94
Pestaña Design Página Connections
Liquid Inlet LiquidoRectificadora
Vapour Inlet ReflujoAgotamiento
Vapour Outlet VaporAgotamiento
Liquid Outlet LiquidoAgotamiento
Optional Feeds Stream Alimento
Tray Number 47
Pestaña Design Página Pressures
Tray 1 290 psia
Tray 94 300 psia
Instalación del rehervidor
El rehervidor del absorbedor debe instalarse con la Columna Agotamiento. Seleccione el
botón “Reboiler” e introduzca las siguientes especificaciones sobre la página
“Connections” de la ventana de propiedades del rehervidor.
188
Pestaña Design Página Connections
Boilup ReflujoAgotamiento
Inlets LiquidoAgotamiento
Bottoms Outlet Propano
Energy QrAgotamiento
COLUMNA RECTIFICADORA
Esta columna tiene 89 etapas ideales y un condensador parcial
Instalación de la Sección de platos
Nuevamente, seleccione el botón Tray Section en la paleta de objetos, despliegue su
ventana de propiedades e introduzca los siguientes parámetros
Pestaña Design Página Connections
Liquid Inlet ReflujoRectificadora
Vapour Inlet VaporAgotamiento
Vapour Outlet VaporRectificadora
Liquid Outlet LiquidoRectificadora
Pestaña Design Página Parameters
Number of Theoretical Trays 89
Pestaña Design Página Pressures
Tray 1, psia 280
Tray 89, psia 290
Instalación del Condensador Total
Se requiere un condensador total para la columna. Seleccione el botón “Total Condenser”
en la paleta de objetos e introduzca los siguientes parámetros
Pestaña Design Página Connections
Inlets VaporRectificadora
Distillate Propileno
Reflux ReflujoRectificadora
Energy QcRectificadora
189
Especificaciones adicionales
Se requieren dos especificaciones adicionales para la columna, T-100. Haga clic sobre el
icono de forma de flecha vertical verde de nombre “Enter Parent Simulation Environment”
que se encuentra sobre la barra estándar para entrar al ambiente de simulación de la
columna padre o T-100:
1. El flujo de la corriente propileno en la columna Rectificadora es de 774.14
lbmole/h
2. La razón de reflujo en el tope de la columna Rectificadora es 16.4
Observe la Figura 24.3 donde se observan las ventanas donde se introdujeron las anteriores
dos especificaciones
Figura 24.3. Especificaciones para la columna T-100
A continuación haga clic sobre el botón “Run” de la ventana de propiedades de la columna
T-100 para completar la simulación satisfactoriamente. Haga clic sobre la pestaña “Design”
y en la página “Connections” y asigne los nombres de las corrientes de productos y de
energía de la columna T-100 como se observan en la Figura 24.4.
La configuración de la columna T-100 construida mediante la opción “Custom Column” se
observa en la Figura 24.5.
Despliegue el libro de trabajo y observe las especificaciones de las corrientes de productos
y los requerimientos energéticos en el condensador y rehervidor de la columna T-100
190
Figura 24.4. Columna de separación de una mezcla de Propano - Propileno
Figura 24.5. Configuración interna de la columna T-100
191
25. COLUMNA DE DESTILACIÓN – MÉTODO CORTO
1. OBJETIVOS
1.1. Especificar una columna de destilación simulada con el método corto
1.2. Estimar un tamaño y desempeño simplificado de una columna de destilación
mediante el procedimiento de Fenske-Underwood-Gililand
2. INTRODUCCIÓN
Uno de los procedimientos mas usualmente utilizados para obtener estimativos
simplificados de número de etapas teóricas requeridas en una separación por destilación es
el propuesto por Fenske, Underwood y Gililand.
Correlación de Gililand
Gililand (1950) desarrolló una correlación empírica para estimar el número de etapas
teóricas requeridas en una destilación, en función del número mínimo de etapas a reflujo
total, Nm, la relación de reflujo mínimo, Rm, y la relación de reflujo de operación, R.
Posteriormente, H. E. Eduljee, desarrolló una ecuación ajustada a la correlación gráfica de
Gililand que fue publicada en la revista “Hydrocarbon Processing” de Septiembre de 1975
y que tiene la siguiente forma:
5688.0
1175.0
1 R
RR
N
NN mm (25.1)
Ecuación de Fenske para calcular el número mínimo de platos
Para sistemas de volatilidad relativa constante, , Fenske demostró una ecuación para el
número mínimo de etapas a reflujo total en una columna de destilación. Para una mezcla
multicomponente, la ecuación de Fenske se expresa en términos de las concentraciones en
el destilado, D, y en los fondos, W, de los componentes escogidos como clave liviano, LK
y clave pesado, HK, y, además, de la volatilidad relativa del componente clave liviano con
respecto a la del clave pesado. La ecuación de Fenske es
HKLK
LKW
HKW
HKD
LKD
m
X
X
X
X
N/
,
,
,
,
ln
ln
192
Escogiendo los componentes claves, especificando sus concentraciones o fracciones de
recuperación en el destilado y eligiendo una presión en el tope de la columna para el
cálculo de la volatilidad relativa del componente clave liviano con respecto al clave pesado
se puede calcular el número mínimo de etapas con la ecuación (25.2). Conocido éste se
pueden calcular las concentraciones o recuperaciones para los otros componentes con sus
respectivas volatilidades con respecto al clave pesado con la misma ecuación
Ecuaciones de Underwood para calcular la relación de reflujo mínimo
Para mezclas multicomponentes con volatilidad relativa constante, la relación de reflujo
mínimo en una columna de destilación puede calcularse mediante dos ecuaciones
demostradas por Underwood
Para el caso de separaciones puntuales, la primera ecuación (25.3) se utiliza para calcular la
variable y se toma como solución el valor que se encuentre entre las volatilidades
relativas del componente clave liviano y el componente clave pesado
qXn
i i
Fii
11
,
(25.3)
Siendo n, el número de componentes en la mezcla y q, es la condición o calidad del
alimento
La segunda ecuación de Underwood (25.4) utiliza el valor de , calculado con la ecuación
(3) para estimar la relación de reflujo mínimo.
m
n
i i
DiiR
X
11
,
(25.4)
Una solución exacta de este par de ecuaciones requiere de un procedimiento de ensayo y
error
Relación de reflujo de operación
Hay una relación de reflujo óptimo para una separación deseada, porque cuando es mayor
que la mínima disminuye el número de etapas requeridas y, por lo tanto, el costo de la
columna pero se aumenta el flujo de la fase vapor a través de la columna, lo que aumenta
los costos del condensador, rehervidor, agua de enfriamiento y vapor de calentador
La experiencia ha demostrado que el valor óptimo de la relación de reflujo se encuentra en
un intervalo dado por
193
3.1/03.1 mRR (25.5)
Una regla de diseño sugiere que se asigne, para una separación deseada, una relación de
reflujo de 1.2 veces la mínima
El análisis de una columna de destilación mediante la Correlación de Fenske – Underwood
y Gililand agrega las relaciones de restricción correspondientes a cada una de las
ecuaciones del método, es decir, cuatro en total. Al deducir estas ecuaciones del número de
variables de diseño, el nuevo total es 4112 NCN u
i . El diseñador podría utilizar
estos (C + 2N + 7) grados de libertad de la siguiente manera,
Especificaciones u
iN
Presión en cada etapa de equilibrio N
Flujo calórico en cada etapa de equilibrio N
Corriente de alimentación C + 2
Concentración de componente clave pesado en destilado 1
Concentración de componente clave liviano en producto de fondo 1
Presión en el condensador 1
Presión en el rehervidor 1
Razón de reflujo
Total 1
3. DESEMPEÑO SIMPLIFICADO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN
HYSYS dispone de una columna de destilación simple con reflujo denominada “Short Cut
Distillation” que es calculada con el procedimiento corto de Fenske-Underwood-Gililand.
Con la ecuación de Fenske se calcula el número mínimo de platos para una separación
deseada expresada en términos de las fracciones de recuperación de los componentes claves
y de las presiones en el tope y en fondo de la columna y con la ecuación de Underwood se
calcula el reflujo mínimo conociendo la especificación completa del alimento.
Especificando una razón de reflujo para la operación de la columna se calculan los flujos de
vapor y líquido en las secciones de rectificación y agotamiento, las cargas calóricas en
condensador y rehervidor, el número de platos ideales y la localización óptima del plato de
alimentación.
“Short Cut Distillation” es solamente un estimativo del comportamiento de la columna y
está restringida a columnas simples con reflujo. Para resultados más reales debe usarse la
operación “Distillation Column” rigurosa. Esta operación puede suministrar estimativos
iniciales para la mayoría de las columnas simples.
194
Simulación de una columna depropanizadora de una mezcla de hidrocarburos
1. Abra un nuevo caso y defina el siguiente paquete fluido
a. Ecuación: Peng Robinson
b. Componentes: C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5 y n-C6
c. Unidades: Field
2. Instale una corriente con el nombre “Alimento” con las siguientes especificaciones
a. Temperatura: 200 °F
b. Presión: 100 psia
c. Flujo: 1300 lbmole/h
d. Composición (Fracción Molar)
i. Etano 0.0148
ii. Propano 0.7315
iii. i-Butano 0.0681
iv. n-Butano 0.1462
v. i-Pentano 0.0173
vi. n-Pentano 0.0150
vii. n-Hexano 0.0071
3. Haga clic sobre el icono de nombre “Shortcut Column” que se encuentra en la paleta de
objetos y observe que la cruz verde en su parte superior se ha activado. Haga clic sobre
ella y se instalará la columna de destilación simplificada y se desplegará su ventana de
propiedades
4. En la página “Connections” de su pestaña “Design” conecte las corrientes de entrada y
salida y las corrientes de energía como lo indica la Figura 25.1.
Figura 25.1. Corrientes de materia y energía conectadas a la columna
5. Haga clic para desplegar la página “Parameters” seleccione al propano como el
componente clave liviano y al i-butano como el componente clave pesado, introduczca
195
las especificaciones requeridas en los grupos “Components” y “Pressures”. Observe,
Figura 25.2, que HYSYS inmediatamente calcula la relación de reflujo mínimo
mediante la ecuación de Underwood.
Figura 25.2. Estimación de la Relación de Reflujo Mínima
6. Haga clic, sobre la pestaña “Peformance” para que observe, Figura 25.3, que HYSYS
ha calculado el número mínimo de etapas, mediante la ecuación de Fenske, y las
correspondientes temperaturas de rocío, en el condensador, y de burbuja, en el
rehervidor.
Figura 25.3. Número mínimo de etapas y temperaturas de rocío y burbuja
7. Introduzca un valor de 1.5 en el cuadro “External Reflux Ratio” del grupo “Reflux
Ratios” de la página “Parameters”. Observe, Figura 25.4, que con esta especificación
HYSYS completa los cálculos de algunos parámetros que expresan el desempeño de la
columna como el número de etapas y los flujos materiales y calóricos requeridos en la
operación de la columna
196
Figura 25.4. Cálculo simplificado de la operación de una columna de destilación
8. Haga clic sobre la pestaña “Worksheet” y observe las especificaciones de las corrientes
“Destilado” y “Fondos”. ¿Se cumplen las especificaciones introducidas con respecto a
las concentraciones de los componentes claves?
El diagrama de flujo final de la columna de destilación es el que se observa en la Figura
25.5.
Figura 25.5. Diagrama de flujo de la columna de destilación
4. CASOS DE ESTUDIO
4.1. Estime las concentraciones de destilado y fondos y compare sus resultados con los
reportados por HYSYS
4.2. Utilice la ecuación de Fenske para verificar el cálculo del número de etapas
mínimo requerido en la operación de la columna
4.3. Utilice la ecuación de Underwood para verificar la relación de reflujo mínima
requerida en la operación de la columna
4.4. Utilice la correlaión de Eduljee para verificar el cálculo del número de etapas reales
requeridos en la operación de la columna
199
26. PLANTA DE GAS NATURAL LICUADO
1. OBJETIVOS
1.1. Determinar los grados de libertad requeridos para especificar una columna de
absorción o destilación y una bomba
1.2. Simular columnas de destilación o de absorción
1.3. Simular una planta que transforma dos corrientes de gas natural en varios
productos hidrocarbonados enriquecidos en alguno de ellos
2. PROCESO ESTUDIADO
En el proceso a simular a continuación se utiliza un tren de tres columnas separadoras que
utilizan como materia prima dos corrientes con un cierto contenido de hidrocarburos
saturados. En la primera se obtiene un gas natural de alto contenido en metano; en la
segunda se obtienen dos productos en forma de vapor y líquido enriquecidos en etano y en
la tercera se obtienen dos productos líquidos concentrados, el uno en propano y el otro en
los hidrocarburos mas pesados. La primera columna es un absorbedor con rehervidor, la
segunda es una columna de destilación con condensador parcial y la tercera es una columna
con condensador total. La Figura 26.1 muestra el diagrama de flujo final de la planta
descrita
Figura 26.1. Planta de gas natural licuado
La primera columna o desmetanizadora es un absorbedor con rehervidor, dos alimentos y
una carga calórica. El vapor producido es rico en metano y los fondos son bombeados a una
segunda columna. Para C componentes y N etapas de equilibrio, los grados de libertad
requeridos para una completa especificación en esta columna son
1022 NCN e
i (26.1)
200
Si se especifican, completamente, la dos corrientes de alimentación los grados de libertad
requeridos para el diseño están dados por
62 NN e
i (26.2)
Por lo tanto, se requieren seis especificaciones si el simulador asigna 2N especificaciones
por defecto. La bomba utilizada para impulsar los fondos, requiere de C + 4
especificaciones. Si se conocen las condiciones de la corriente de entrada, queda en
definitiva un faltante de dos especificaciones.
La segunda columna o desetanizadora y la tercera columna o despropanizadora requieren
de nueve especificaciones, de acuerdo a un análisis de grados de libertad. La recuperación
de líquidos del gas natural es muy común en el procesamiento de este. Tiene como
propósito, usualmente:
1. Producir gas transportable ( libre de hidrocarburos pesados que puedan condensar
en la tubería)
2. Producir un gas con especificaciones comerciales
3. Maximizar la recuperación de líquido (cuando los productos líquidos son mas
valiosos que el gas)
3. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
1. Abra un nuevo caso y defina el siguiente paquete fluido
a. Ecuación: Peng Robinson
b. Componentes: N2, CO2, C1 – C8
c. Unidades: Field
2. Instale las siguientes dos corrientes materiales
Nombre: F1 F2
Temperatura: - 139 °F - 120 °F
Presión: 330 psia 332 psia
Flujo molar: 3575 lbmol/h 475 lbmol/h
Composición (Fracción Mol)
Nitrógeno: 0.0025 0.0057
Dióxido de carbono: 0.0048 0.0029
Metano: 0.7041 0.7227
Etano: 0.1921 0.1176
Propano: 0.0706 0.0750
i-Butano: 0.0112 0.0204
n-Butano: 0.0085 0.0197
i-Pentano: 0.0036 0.0147
201
n-Pentano: 0.0020 0.0102
n-Hexano: 0.0003 0.0037
n-Heptano: 0.0002 0.0047
n-Octano: 0.0001 0.0027
3. Instale la columna Desmetanizadora con el nombre “T-100” seleccionando el icono de
nombre “Reboiled Absorber” que aparece en la paleta de objetos, y por medio del
asistente, conecte las corrientes como lo muestra la Figura 26.2. La corriente “Qe”
conectada al plato cuatro es una corriente de energía con un flujo calórico de 2.0e +06
Btu/h
Figura 26.2. Corrientes conectadas a la columna desmetanizadora
4. Presione el botón “Next” para abrir la página (2 de 4) siguiente e introduzca la siguiente
información
Top Stage Pressure 330 psia
Reboiler Pressure 335 psia
5. Presione el botón “Next” para abrir la siguiente página (3 de 4) e introducir los
siguientes estimativos opcionales de temperatura
Optional Top Stage Temperature Estimate - 126.4 °F
Optional Reboiler Temperature Estimate 80.60 °F
6. Presione el botón “Next” para continuar. Para este caso, no se suministra información
sobre la última página del asistente y, por lo tanto, presione el botón “Done”. HYSYS
abrirá, entonces, la ventana de propiedades de la columna que se observará como lo
muestra la Figura 26.3. ¿Cuántas especificaciones se han introducido hasta ahora?
202
Figura 26.3. Ventana de propiedades de la columna desmetanizadora
7. Haga clic sobre la página “Monitor” de la pestaña “Design” y observará por la banda
roja, como se muestra en la Figura 26.4, que la columna no ha convergido. En el cuadro
“Degrees of Freedom” se nota que hay cero grado de libertad porque la especificación
Flujo del Producto de Tope o “Ovhd Prod Rate” se encuentra verificada como activa,
pero no se le ha asignado un valor numérico
Figura 26.4. Especificaciones de la columna desmetanizadora
8. En la especificación “Ovhd Prod Rate” introduzca un valor de 2950 lbmol/h,
señalándola como especificación activa y desactivando las otras, si lo están
203
9. Presione el botón “Run”, si es necesario, para que la simulación alcance su
convergencia como se observa en la banda verde. Observe los perfiles de temperatura,
presión y flujos a través de la columna. ¿Cuánto es la fracción mol del metano en la
corriente “V”?
Aunque la columna convergió, no es práctico especificar flujos porque pueden resultar
columnas que no pueden converger o que producen corrientes de productos con
propiedades indeseables si cambian las condiciones del alimento. Una alternativa es
especificar o concentraciones o recuperaciones de componentes para las corrientes de
producto de la columna
10. Haga clic sobre la página “Specs” de la pestaña “Design” de la ventana de propiedades
de la columna
11. Presione el botón “Add” en el grupo “Column Specifications” para crear una nueva
especificación
12. Seleccione la opción “Column Component Fractions” que aparece dentro del grupo
“Column Specification Types” en la ventana desplegada y presione el botón “Add
Specs” que aparece en la parte inferior
13. Para introducir una especificación de 0.96 como fracción mol en la corriente de vapor
que sale de la primera etapa de la columna, llene la ventana desplegada como lo
muestra la Figura 26.5.
Figura 26.5. Especificación de la fracción mol de metano en el vapor “V”
14. Elimine la ventana anterior. La página “Specs” muestra un valor de cero para los grados
de libertad aunque se ha añadido otra especificación. Esto se debe a que la
especificación se añadió como un estimativo y no como una especificación activa
204
15. Abra la página “Monitor” y desactive la especificación “Ovhd Prod Rate” y active la
especificación “Component Fraction” creada. La columna debe converger observándose
la página “Monitor” como se muestra en la Figura 26.6. ¿Cuánto es el flujo del vapor de
tope de la columna desmetanizadora?
.
Figura 26.6. Monitor de las especificaciones de la columna desmetanizadora
16. Observe el comportamiento y desempeño de la columna desplegando las ventanas de
las pestañas “Parameters”, “Performance” y “Worksheet”
17. Instale una bomba para impulsar los fondos de la columna desmetanizadora como
alimento a la columna desetanizadora y especifíquela de la siguiente manera:
a. Pestaña Design Página Connections
i. Name. P-100
ii. Inlet F3
iii. Outlet F4
iv. Energy W1
b. Pestaña Worksheet Página Conditions
i. Corriente F4
1. Pressure 405 psia
18. Instale la columna desetanizadora, haciendo doble clic sobre el icono “Distillation
Column” que se encuentra en la paleta de objetos. Esta columna opera a 2760 kPa,
contiene 14 etapas de equilibrio y su objetivo es producir un producto de fondo que
205
contenga etano en una relación de 0.01 con respecto al propano. Introduzca la siguiente
información
Connections Página 1 de 4
Name T-101
No. of Stages 14
Feed Stream / Stage F4 / 6
Condenser Type Partial
Overhead Outlets V1, D1
Bottoms Liquid Outlet F5
Reboiler Energy Stream Qr1
Condenser Energy Stream Qc1
Pressure Profile Página 2 de 4
Condenser Pressure 395 psia
Condenser Pressure Drop 5 psi
Reboiler Pressure 405 psia
Optional Estimates Página 3 de 4
Optional Condenser Temperature Estimate 25 °F
Optional Reboiler Temperature Estimate 200 °F
19. Presione el botón “Done” en la página 4 y haga clic sobre la página “Monitor” de la
ventana de propiedades de la columna e introduzca las siguientes especificaciones
verificadas como activas.
Overhead Vapour Rate 700 lbmole / hr
Distillate Rate 0 kgmole / hr
Reflux Ratio 2.5 (Molar)
20. Presione el botón “Run” para correr la columna. ¿Cuánto es el flujo de etano y propano
en la corriente de fondos de la columna desetanizadora? ¿Cuánto es la relación de
dichos flujos? ¿Se cumple la relación deseada?
21. Abra la página “Specs” y presione el botón “Add” para crear una nueva especificación
22. Seleccione la opción “Column Component Ratio” como el tipo de especificación e
introduzca la información que aparece en la Figura 26.7
206
Figura 26.7. Relación entre etano y propano en los fondos de la desetanizadora
23. En la página “Monitor” desactive la especificación “Ovhd Vap Rate” y active la
especificación “C2 / C3” creada. La simulación debe converger porque se ha
especificado completamente. ¿Cuánto es la concentración de etano y propano en la
corriente de fondos de la desetanizadora? ¿Cuánto es la relación entre sus flujos en
dicha corriente? ¿Se cumple la relación especificada
24. Observe el desempeño de la columna de destilación
25. Instale una válvula con el objeto de expandir la corriente de fondos de la columna
desetanizadora antes de alimentarse a la columna despropanizadora. Especifique la
válvula de la siguiente manera.
a. Pestaña Design Página Connections
i. Nombre VLV-100
ii. Entrada F5
iii. Salida F6
b. Pestaña Worksheet Página Conditions
i. F6 245 psia
26. Instale la columna despropanizadora, haciendo doble clic sobre el icono “Distillation
Column” que se encuentra en la paleta de objetos. Esta columna opera a 1520 kPa,
contiene 24 etapas de equilibrio. Se buscan dos objetivos con esta columna. El primero
es producir un producto de cabeza que no contenga mas del 1.5 % molar de i-C4 y n-C4,
y el segundo es que la concentración de propano en el producto de fondo debe ser
menor que 2 % molar. Introduzca la siguiente información
Connections Página 1 de 4
Name T-102
No. of Stages 24
207
Feed Stream / Stage F6 / 11
Condenser Type Total
Overhd Liquid Outlet D2
Bottoms Liquid Outlet F5
Reboiler Energy Stream Qr2
Condenser Energy Stream Qc2
Pressure Profile Página 2 de 4
Condenser Pressure 230 psia
Condenser Pressure Drop 5 psi
Reboiler Pressure 240 psia
27. Presione el botón “Done” y haga clic sobre la página “Monitor” de la ventana de
propiedades de la columna e introduzca las siguientes especificaciones verificadas
como activas.
Distillate Rate 240 kgmole / hr
Reflux Ratio 1.0 (Molar)
28. Presione el botón “Run” para correr la columna. ¿Cuánto es la fracción molar de
propano en las corrientes de tope y fondo de la columna despropanizadora?
29. Abra la página “Specs” y presione el botón “Add” para crear dos nuevas
especificaciones.
30. Para especificar la composición de los butanos en el tope de la columna, seleccione la
opción “Column Component Fraction” como el tipo de especificación e introduzca la
información que aparece en la Figura 26.8
Figura 26.8. Fracción molar de butanos en el condensador de la despropanizadora
208
31. Para especificar la concentración de propano en el fondo, seleccione la opción “Column
Component Fraction” como el tipo de especificación e introduzca la información que
aparece en la Figura 26.9.
Figura 26.9. Concentración de propano en el fondo de la despropanizadora
32. En la página “Monitor” desactive las especificaciones “Distillate Rate” y “Reflux
Ratio” y active las especificaciones “i-C4 + n-C3” y “C3” creadas
33. Observe los resultados sobre el comportamiento de la columna después que la
simulación haya convergido
209
27. PLANTA DE PRODUCCIÓN DE ETANOL
1. OBJETIVOS
1.1. Determinar los grados de libertad requeridos para una especificación completa de
diversas columnas de absorción y destilación
1.2. Aplicar un modelo de actividad para un manejo real del comportamiento de una
mezcla
1.3. Simular un tren de columnas de separación para la obtención de etanol a partir de
producto de un proceso de fermentación
2. PROCESO ESTUDIADO
Típicamente, un proceso de fermentación para la producción de etanol produce,
principalmente, etanol mas pequeñas cantidades de otros productos como metanol, 1-
propanol, 2-propanol, 1-butanol, 3-metil-1-butanol, 2-pentanol, ácido acético y CO2. En
este proceso se toma esta mezcla y se somete a una separación de fases isotérmica para,
inicialmente, separar el bióxido de carbono del alcohol.
Columna de absorción simple (Lavadora)
La corriente en fase vapor, y con un gran contenido de bióxido de carbono, arrastra algo de
etanol y, por tal razón, es lavada con agua en una columna de absorción simple donde se
recupera algo de etanol, que es recirculado nuevamente al fermentador y el vapor rico en
bióxido de carbono se ventea.
Una columna de absorción simple con N etapas de equilibrio y C componentes requiere de
la especificación de un número de grados de libertad dado por
722 NCG (27.1)
Si se especifican las dos corrientes de entrada y se admiten las 2N especificaciones
sugeridas por el simulador, el número de especificaciones requeridas para una simulación
completa de este tipo de columna es de tres
Columna de absorción con producto lateral (Concentradora)
La corriente en fase líquida que emerge del separador de fases contiene el etanol que se
quiere recuperar mediante un tren de columnas de separación. Inicialmente, dicha corriente
es alimentada a una columna de absorción con una corriente de producto lateral en la cual
los dos productos superiores son concentrados en alcohol y el producto de fondo es
210
esencialmente agua. Una columna de absorción de este tipo con N etapas de equilibrio y C
componentes requiere de la especificación de un número de grados de libertad dado por
922 NCG (27.2)
Si se especifican las dos corrientes de entrada y se admiten las 2N especificaciones
sugeridas por el simulador, el número de especificaciones requeridas para una simulación
completa es de cinco
Columna de absorción con reflujo y condensador parcial (Purificadora)
El producto en forma de vapor y mas concentrado en etanol que se obtiene en la columna
anterior es alimentado a una columna de absorción con reflujo con el objeto de purificarlo
separándolo de los livianos como el bióxido de carbono y el metanol, los cuales son
venteados. El fondo de esta columna es una solución acuosa concentrada en etanol que se
alimentará a una columna de destilación
Una columna de absorción de con condensador parcial y reflujo con N etapas de equilibrio
y C componentes requiere de la especificación de un número de variables dado por la
expresión
82 NCG (27.3)
Si se especifica la corriente de entrada y se admiten las 2N especificaciones sugeridas por
el simulador, el número de especificaciones requeridas para una simulación completa es de
seis
Columna de destilación con dos alimentos y dos productos laterales (Rectificadora)
La corriente de vapor lateral de la columna de absorción con producto lateral y el producto
de fondo de la columna de absorción con reflujo se alimentan a una columna de destilación
cuyo propósito es hacer una rectificación y obtener una solución acuosa de etanol
azeotrópico con presencia en muy bajas concentraciones de otros componentes como el
bióxido de carbono y el metanol. Este producto es el que se recoge a partir del plato 2 de la
columna. Los otros cuatro productos son mezclas de composiciones diferentes.
Un aspecto interesante, es la concentración de alcoholes pesados en el interior de estaa
columna. Estos alcoholes son normalmente denominados como “Fusel Oils”, y pequeñas
corrientes de líquido son acondicionadas en la columna para recuperar a estos
componentes.
211
Una columna de destilación de este tipo con N etapas de equilibrio y C componentes
requiere de la especificación de un número de variables dado por la expresión
1822 NCG (27.4)
Si se especifican las dos corrientes de entrada y se admiten las 2N especificaciones
sugeridas por el simulador, el número de especificaciones requeridas para una simulación
completa es de catorce
El diagrama de flujo final del proceso descrito para la producción de etanol a partir de un
producto de una fermentación se muestra en la Figura 27.1.
Figura 27.1. Planta para producción de etanol
3. PAQUETE FLUIDO
1. Ecuación: Un modelo de actividad (a excepción del modelo de Wilson, que no puede
predecir dos fases líquidas) puede utilizarse para resolver esta simulación. Seleccione el
NRTL. Sobre la pestaña “Binary Coeffs” de la ventana de propiedades del paquete
fluido utilice el método de estimación “UNIFAC VLE” y presione el botón “Unknowns
Only” para estimar los coeficientes binarios omitidos.
2. Componentes: Etanol, agua, CO2, metanol, ácido acético, 1-propanol, 2-propanol, 1-
butanol, 3-metil-1-butanol, 2 pentanol y glicerol
212
4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
1. Instale las siguientes corrientes con las especificaciones mostradas a continuación:
Nombre A F S
Temperatura (C) 25 30 140
Presión (kPa) 101.3 101.3 101.3
Flujo Molar (kgmol/h) 130 2400
Flujo Másico (kg/h) 11000
Composición (Fracción Mol)
Etanol 0 0.026900000 0
Agua 1 0.946400000 1
Bióxido de carbono 0 0.026600000 0
Metanol 0 0.000026930 0
Acido acético 0 0.000003326 0
1-Propanol 0 0.000009077 0
2-Propanol 0 0.000009096 0
1-Butanol 0 0.000006587 0
3-Metil-1-Butanol 0 0.000021480 0
2-Pentanol 0 0.000005426 0
Glicerol 0 0.000006640 0
Separador de fases
2. Instale un separador de fases, asígnele como nombre “V-100”. Aliméntelo con la
corriente “F” y denomine como “V” a la corriente que emerge como vapor y como “L”
a la corriente de líquido. En este separador además de separar las fases, se elimina el
bióxido de carbono
Columna lavadora
3. Para el lavado de la corriente “V”, instale una columna de absorción simple y
denomínela “T-100”. En esta columna se agotará el etanol arrastrado por la corriente
“V” y se producirá un vapor de cabeza de bióxido de carbono esencialmente puro. El
producto de fondos es recirculado al proceso de fermentación.
4. Mediante el asistente especifique a la columna “T-100” como se observa en la ventana
de propiedades mostrada en la Figura 27.2. Recuerde que este tipo de columna requiere
de tres especificaciones
Columna Concentradora
5. Para la operación de concentración del fondo de la corriente “L”, instale una columna
de absorción simple con el nombre de “T-101” y conéctele una corriente lateral de
213
vapor con el nombre “V2”. Las temperaturas en el tope y en el fondo son 90 °C y 110
°C, respectivamente. Especifique sus conexiones y especificaciones como lo muestra la
Figura 27.3. Recuerde que este tipo de columna requiere de cinco especificaciones
Figura 27.2. Columna lavadora de bióxido de carbono
Figura 27.3. Columna concentradora
6. Complete la instalación de la columna introduciendo las siguientes especificaciones
1. Comp Recovery Active
Draw V2
SpecValue 0.95
Component Ethanol
214
2. Draw Rate 1 Estimate
Draw V2
Flow Basis Mass
Spec Value 5000 kg / h
3. Draw Rate 2 Estimate
Draw V1
Flow Basis Molar
Spec Value 1000 kgmole / h
Presione el botón “Run”, si es necesario, en la ventana de propiedades de la columna, para
calcular las corrientes de productos de la columna Concentradora.
Columna Purificadora
7. Para la purificación de los vapores “V1”, instale una columna de absorción con reflujo
con el nombre de “T-102” y especifíquela como se observa en la Figura 27.4. Recuerde
que para este tipo de columna se requieren seis especificaciones
Figura 27.4. Columna Purificadora
8. Borre las especificaciones “Btms Prod Rate” y “Reflux Ratio” que aparecen por defecto
en el grupo “Column Specification” de la página “Monitor” y agregue las siguientes
especificaciones a la columna
1. Vap Prod Rate Active
Draw V3
Flow Basis Molar
Spec Value 1.6 kgmole / h
215
2. Comp Fraction Active
Stage Condenser
Flow Basis Mass Fraction
Phase Liquid
Spec Value 0.88
Component Ethanol
3. Reflux Ratio Estimate
Stage Condenser
Flow Basis Molar
Spec Value 5.00
4. Distillate Rate Estimate
Draw P2
Flow Basis Molar
Spec Value 2.10 kgmole / h
Presione el botón “Run” en la ventana de propiedades de la columna para calcular las
corrientes de productos de la columna “T-102”.
Columna Rectificadora
9. El producto principal de una planta como ésta, es una mezcla azeotrópica de etanol y
agua. La columna rectificadora de nombre “T-103” se opera como una columna de
destilación convencional y sirve para concentrar la mezcla etanol / agua hasta una
concentración próxima a la azeotrópica. Contiene un condensador parcial y un
rehervidor. Las temperaturas estimadas en el condensador y rehervidor son 79°C y
100°C, respectivamente. Instale esta columna con las especificaciones observadas en la
Figura 27.5
Figura 27.5. Columna Rectificadora
216
Borre las especificaciones “Btms Prod Rate” y “Reflux Rate” que aparecen por defecto en
el grupo “Column Specification” y agregue las siguientes especificaciones a la columna
1. Reflux Ratio Active
Stage Condenser
Flow Basis Molar
Spec Value 7100
2. Ovhd Vap Rate Active
Draw V4
Flow Basis Molar
Spec Value 0.100 kgmole / h
3. Distillate Rate Active
Draw D
Flow Basis Mass
Spec Value 2.00 kg / h
4. Comp Frac Active
Stage 2_Main TS
Flow Basis Mass Fraction
Phase Liquid
Spec Value 0.95
Component Ethanol
5. Fusel Draw Rate Active
Draw Fusel
Flow Basis Mass
Spec Value 3.00 kg / h
6. P1 Draw Rate Estimate
Draw P1
Flow Basis Molar
Spec Value 68.00 kgmole / h
Damping Factor 0.25
Enable
Azeotrope Check ON
5. CASO DE ESTUDIO
Encuentre una explicación a por qué la corriente “Fusel” se instaló en la etapa 20
217
28. PLANTA DE DESHIDRATACIÓN DE ETANOL
1. OBJETIVOS
1.1. Simular un proceso con dos paquetes fluidos
1.2. Utilizar el botón Sub-Flowsheet para simular una sección dentro de un proceso
químico
1.3. Simular una planta para la obtención de etanol puro a partir de una solución en
agua a concentración azeotrópica
2. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
El producto final de la destilación simple, a una atmósfera, del fermentado obtenido a partir
de azúcar, es una mezcla azeotrópica de etanol y agua con una pureza límite del 88 % molar
o 95 % en peso. Concentraciones mayores de etanol pueden obtenerse mediante la adición
de un solvente o una sustancia que rompa la barrera azeotrópica, como por ejemplo un
arrastrador. En esta simulación, se producirá etanol anhidro puro a partir de una mezcla
azeotrópica de etanol-agua, utilizando al benceno como agente de arrastre.
Un rasgo importante de este proceso es que la economía y el impacto ambiental imponen
que se haga una recuperación de benceno extremadamente alta
El producto de cabeza de la columna deshidratadora o “T-100” es una mezcla de etanol,
agua y benceno que se divide en dos fases líquidas por enfriamiento: una liviana y otra
pesada. Para modelar este equilibrio líquido-líquido, se instalará un sistema denominado
“Decantador” valiéndose del botón de HYSYS que permite construir un sub-diagrama de
flujo. En este sub-diagrma se utilizarán parámetros de interacción diferentes. La fase acuosa
predominante denominada “Pesada” es procesada aún más en una columna de agotamiento,
“T-101” cuyo producto de cabeza, “V-2” se mezcla en un recipiente “V-100” con la fase
líquida liviana, “Liviana”, que sale del Decantador y, entonces, recirculada a la columna
deshidratadora, sirviendo como el reflujo a dicha columna.
Este caso se creará mediante sub-diagramas de flujo estándares y los resultados se
transferirán al diagrama de flujo principal. HYSYS tiene la habilidad de resolver los
procesos a través de varios niveles de sub-diagramas de flujo. La Figura 28.1 muestra el
diagrama de flujo final de la planta de deshidratación de etanol simulada
3. PAQUETES FLUIDOS
Se requieren dos paquetes fluidos en este ejemplo. Ambos paquetes fluidos usarán el
modelo de actividad NRTL, y contienen los componentes etanol, agua y benceno.
El primer paquete fluido nombrado como “VLE-BASIS” usará los parámetros de
interacción binarios de la librería VLE que aparecen por defecto. El segundo paquete fluido
218
nombrado como “LLE-BASIS” reemplazará aquellos coeficientes de interacción con
coeficientes de interacción binarios estimados con UNIFAC-LLE
Figura 28.1. Planta de deshidratación de etanol
1. Introduzca el primer paquete fluido y nómbrelo como “VLE-Basis”. Seleccione el
modelo de actividad NRTL
2. Despliegue la ventana correspondiente a la pestaña “Binary Coeffs”, seleccione el radio
botón “UNIFAC-VLE” y presione el botón “All Binaries” para estimar los coeficientes
binarios
3. Cierre la ventana anterior y regrese a la pestaña “Fluid Pkg” de la ventana del
Administrador Básico de la simulación. Seleccione el paquete de propiedades “VLE-
Basis” y haga clic sobre el botón “Copy” para copiar dicho paquete en un nuevo
paquete fluido y nómbrelo como “LLE-BASIS” en su ventana de propiedades.
4. Despliegue la ventana correspondiente a la pesaña “Binary Coeffs”, seleccione el radio
botón “UNIFAC LLE” y a continuación presione el botón “All Binaries” para estimar
los coeficientes binarios
VLE-BASIS se utilizará para la mayor parte de la simulación, mientras que LLE-BASIS se
utilizará como el paquete fluido para el subdiagrama de flujo Decanter
Corrientes
5. Ingrese al ambiente principal de simulación e instale la corriente “Alimento” y la de
recirculación asumida “Ra” con las siguientes especificaciones:
219
Nombre Alimento Ra
Temperatura, °C 78.10 55
Presión, kPa 101.33 101.33
Flujo molar, kgmol/h 68.84 250
Fracción mol Etanol 0.8831 0.45
Fracción mol Agua 0.1169 0.05
Fracción mol Benceno 0.0000 0.50
Cuando el diagrama de flujo se haya completado, “Ra” será la corriente de recirculación;
sin embargo, debe hacerse un ensayo inicial para los parámetros de la corriente para
resolver inicialmente el diagrama de flujo. El tope de la columna deshidratadora contendrá
una mezcla de benceno, etanol y agua. Se recuperará todo el benceno y etanol mas algo del
agua en las operaciones corrientes abajo de tal manera que se escoge como ensayo inicial
una mezcla como la mostrada anteriormente.
Columna deshidratadora
La columna deshidratadora es modelada como un absorbedor con rehervidor. Antes de
instalar la columna, seleccione la opción “Preferentes” en el menú “Tools”. Sobre la página
“Options” de la pestaña “Simulation” revise que se encuentra verificado el cuadro de
selección “Input Experts”. Instale la columna haciendo doble clic sobre el icono Reboiled
Absorber que se encuentra en la paleta de objetos
6. Instale la columna haciendo doble clic sobre el icono “Reboiled Absorber” que se
encuentra en la paleta de objetos y complete la página uno del asistente de la siguiente
manera
Nombre T-100
# Stages 30
Top Stage Inlet Ra
Optional Inlet Streams / Inlet Stage Alimento / 7
Ovhd Vapour Outlet V-1
Reboiler Energy Stream Qd
Bottoms Liquid Outlet Alcohol Anhidro
7. Presione el botón “Next” para desplegar la página dos del asistente y complete las
siguientes especificaciones
Top Stage Pressure 101.33 kPa
Reboiler Pressure 101.33 kPa
8. Presione el botón “Next” seguidamente hasta desplegar la página cuatro. Presione el
botón “Done”. Se desplegará la ventana de propiedades de la columna como se observa
en la Figura 28.2.
220
Figura 28.2. Ventana de propiedades de la columna deshidratadora
9. Haga clic sobre la pestaña “Parameters” y despliegue la página “Solver”. Introduzca el
valor de 0.40 para el factor de amortiguamiento en el cuadro “Fixed Damping Factor”
10. Despliegue la página “Specs” de la pestaña “Design” para introducir las siguientes
especificaciones:
Comp Frac Active
Stage Reboiler
Flow Basis Mass Fraction
Phase Liquid
Spec Value 0.00001
Component Benzene
Ovhd Prod Rate Estimate
Stream V-1@COL1
Flow Basis Mass
Spec Value 1600 kg / h
Una vez desactivada la especificación “Ovhd Prod Rate”, la columna debe comenzar a
resolverse automáticamente. Si no lo hace, presione el botón “Run” sobre la ventana de
propiedades de la columna para resolver completamente la columna. El perfil de
temperaturas a lo largo de la columna se puede observar en la página “Monitor” de la
pestaña “Design”.
Subdiagrama de flujo para el Decantador
11. Para instalar un subdiagrama de flujo, seleccione el botón “Sub-Flowsheet” que se
encuentra en la paleta de objetos. Se desplegará una ventana como la que muestra la
Figura 28.3.
221
Figura 28.3. Ventana para seleccionar el origen del sub-diagrama de flujo
12. Presione el botón ”Start With a Blank Flowsheet” para iniciar la construcción de un
sub-diagrama de flujo en blanco.
13. Haga doble clic sobre el icono que representa el diagrama de flujo para desplegar su
ventana de propiedades.
14. En la ventana de título “Sub-Flowsheet Operation” cambie el nombre a “Decantador” y
seleccione la corriente “V-1” en la columna encabezada con el nombre de “External
Stream”. De esta manera, se creará la corriente “V-1” dentro del sub-diagrama y
transferirá la información de la corriente.
15. Después de hacer la conexión, abra la ventana de la pestaña “Transfer Basis” y cambie
la base de transferencia, seleccionando a una evaporación instantánea “VF-P Flash” en
la columna encabezada con el título “Transfer Basis” del cuadro “Inlet Streams”. De
esta manera, se transferirán las propiedades de la corriente “V-1”, en forma correcta, al
sub-diagrama de flujo, el cual utiliza un conjunto diferente de parámetros de interacción
por la presencia de un equilibrio líquido-líquido.
16. Ahora, seleccione el botón “Sub-Flowsheet Environment” para trabajar en el ambiente
del sub-diagrama de flujo.
17. Antes de instalar cualquier operación, ingrese al “Basis Environment” y cambie el
paquete fluido para “Decantador” de “VLE-BASIS” a “LLE-BASIS”. Asegúrese que el
paquete fluido por defecto es “VLE-BASIS”. Observe la Figura 28.4.
18. Presione el botón “Return to Simulation Environment” para regresar al sub-diagrama de
flujo “Decantador”.
19. Instale un enfriador dentro del su-diagrama de flujo y llámelo “E-200”. Este enfriador
condensará la corriente “V-1”. Sus especificaciones son las siguientes:
Pestaña Design Página Connections
Inlet V-1
222
Outlet M-1
Energy Stream Qc
Pestaña Design Página Parameters
Pressure Drop 0 kPa
Pestaña Worksheet Página Conditions
Temperature / M-1 25°C
Figura 28.4. Seleccione del paquete fluido para el decantador
20. Instale un separador de tres fases con el nombre “V-200” para separar el producto de la
columna deshidratadora en una fase líquida pesada y otra liviana. Sus especificaciones
son:
Pestaña Design Página Connections
Inlets M-1
Vapour Venteo
Light Liquid Liviano
Heavt Liquid Pesado
Pesaña Design Página Parameters
Delta P 0.0 kPa
21. El sub-diagrama de flujo “Decantador” ha convergido completamente y se muestra en
la Figura 28.5.
223
Figura 28.5. Sub-diagrama de flujo “Decantador”
22. Regrese al diagrama de flujo principal presionando el icono “Enter Parent Simulation
Environment” que es una pequeña flecha verde que se encuentra en la barra estándar de
HYSYS.
23. Abra la ventana de propiedades del sub-diagrama de flujo “Decantador” y despliegue la
ventana de la pestaña “Connections”
24. En el grupo “Outlet Connections to Sub-Flowsheet” introduzca las palabras “Liviano” y
“Pesado” como los nombres de las corrientes externas que conectarán el diagrama de
flujo principal con las corrientes del mismo nombre dentro del sub-diagrama de flujo,
como se muestra en la Figura 28.6.
Figura 28.6. Corrientes que conectan el diagrama de flujo con el sub-diagrama
25. Abra la ventana correspondiente a la pestaña “Transfer Basis” y cambie la base de
transferencia a VF-P Flash para las corrientes “Liviano” y “Pesado”. Esto forzará a las
224
corrientes a permanecer en la misma fracción de vapor como también a mantener la
misma presión para satisfacer la relación flujo-presión. Observe la Figura 28.7.
Figura 28.7. Base de transferencia para las corrientes externas
Columna de agotamiento
26. Cierre la ventana anterior e instale en el diagrama de flujo padre una columna de
absorción con rehervidor
27. Complete el asistente con las especificaciones que en la ventana de propiedades
definitiva se observan como lo muestra la Figura 28.8.
Figura 28.8. Conexiones y algunas especificaciones de la columna T-101
28. Haga clic sobre la pestaña “Parameters” y despliegue la página “Solver”. Introduzca el
valor de 0.50 para el factor de amortiguamiento en el cuadro “Fixed Damping Factor”
225
29. Despliegue la página “Specs” de la pestaña “Design” para introducir las siguientes
especificaciones:
Comp Frac Active
Stage Reboiler
Flow Basis Mole Fraction
Phase Liquid
Spec Value 0.9999
Component H2O
Ovhd Prod Rate Estimate
Draw V-2@COL2
Flow Basis Molar
Spec Value 0.200 kgmole / h
30. Despliegue la página “Monitor” de la pestaña “Design” y observe el perfil de
temperaturas a lo largo de la columna.
Separador de fases
31. Instale un separador de fases con el nombre de “V-100” y con las siguientes
especificaciones:
Pestaña Design Página Connections
Inlets V-2, Liviano
Vapour Outlet V-3
Liquid Outlet Rc
Energy Qs
Pestaña Design Página Parameters
Pressure Drop 0.00 kPa
Duty 0 kJ / h (Heating)
Botón de Reciclo
32. Instale un botón de reciclo y asígnele como nombre “Reciclo”. Conecte como corriente
de entrada la de recirculación calculada, es decir, “Rc” y como corriente de salida la de
recirculación asumida inicialmente, es decir, “Ra”. El botón de reciclo modificará la
composición de la corriente de recirculación asumida y construirá el diagrama de flujo
con la corriente de recirculación incluida dentro de sus cálculos. Esto requiere de varias
iteraciones. Observe en las Figuras 28.9 y 28.10 las condiciones y las composiciones
finales de las corrientes de recirculación asumida y calculada
226
Figura 28.9. Condiciones de las corrientes de recirculación asumida y calculada
Figura 28.10. Composición de las corrientes de recirculación asumida y calculada
229
29. REACTOR TUBULAR CON RECICLO LÍQUIDO
1. OBJETIVOS
1.1. Simular el comportamiento de un reactor tubular con reciclo de líquido purificado
mediante destilación, en estado estacionario, y asistido por HYSYS
1.2. Analizar el efecto de cambios en las especificaciones de los productos en el
comportamiento del proceso
1.3. Dimensionar válvulas de control y columnas de destilación mediante la asistencia
de HYSYS
2. INTRODUCCIÓN
En esta práctica se considerará un reactor tubular con productos y reactivos de volatilidad
relativa muy similar, de modo que el proceso de separación se realiza en una columna de
destilación. El reactivo que no reacciona retorna al reactor para su posterior procesamiento.
La corriente de reciclo de este proceso se encuentra en fase líquida. Esto es muy
conveniente porque es más fácil bombear líquidos que comprimir gases. Sin embargo, la
reacción ocurre en fase gaseosa, de modo que el reciclo líquido tiene que vaporizarse antes
de alimentarlo al reactor.
La introducción del alimento al proceso es también diferente en este proceso. El alimento
no es un reactivo puro sino una mezcla impura de un reactivo, un producto y un
componente inerte. En vez de alimentar este alimento impuro al reactor, se alimenta a la
columna de destilación. Con esto se logra una corriente de alimento al reactor que es mas
rica en el reactivo, lo que reduce el tamaño del reactor y el flujo del reciclo.
3. PROCESO ESTUDIADO
En esta práctica se estudiará el proceso de la isomerización del butano normal a isobutano.
Ambos componentes están presentes en los crudos y en los productos de la ruptura
catalítica o térmica de una refinería de petróleo.
El isobutano es un importante producto químico intermedio. Se usa como reactivo en
muchos procesos petroquímicos. Por ejemplo, en el proceso de alquilación, el isobutano y
una olefina (butano) reaccionan para formar un componente importante de las mezclas de
gasolina (isooctano). De modo que el isobutano es una valiosa materia prima de la
petroquímica.
El butano, por su parte, es muy valioso. Algo de butano se mezcla con la gasolina, pero su
número de octano es bajo y la cantidad que puede mezclarse está limitada por las
230
restricciones de presión de vapor (RVP), particularmente en los meses de verano con sus
altas temperaturas. Las refinerías tienen poco isobutano, pero tienen un exceso de butano.
PAQUETE FLUIDO
Ecuación: Peng Robinson
Componentes: Propano, i-Butano, n-Butano
Reacciones: Tipo: Cinético
Estequiometria, Temperatura y Presión: La estequiometria de la reacción es de una
química sencilla
n-C4 i-C4
Se observa en el Balance que el calor de reacción a 25 ºC es de -3600 BTU/lbmol. La
reacción se efectúa en un reactor tubular adiabático a 400ºF y 320 psia
Base: Para ambas reacciones la Base es concentración; el componente base es n-Butano; la
fase de la reacción es Vapor y las unidades bases son lbmol/pie3 para la concentración y
lbmol/pie3-h para la velocidad de reacción.
Parámetros Cinéticos: Se usará la siguiente cinética hipotética que se ajusta para dar una
composición de i-C4 del 73 % molar con un alimento al reactor de 30 % molar en i-C4. En
unidades inglesas de ingeniería:
4)
30000exp(*101 9
1 CnCRT
xR
donde las velocidades de reacción tienen unidades de lbmol/h-pie3, las concentraciones
están en lbmol/pie3, la energía de activación está en BTU/lbmol y la temperatura en ºR
DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO
La Figura 29.1 muestra el diagrama de flujo de este proceso terminada la simulación con el
lazo de reciclo líquido.
DESCRIPCIÓN
La conversión por paso es del 60 %, de modo que el n-C4 que no reacciona tiene que
separarse del producto i-C4. Los puntos normales de ebullición de estos isómeros son
231
bastante cercanos (10.9ºF versus 31.1ºF) y la columna de destilación que se necesita para
hacer esta separación (la desisobutanizadora, DIB) tiene un número apreciable de platos
(50) y utiliza una relación de reflujo bastante alta (5.6). La presión de operación en la
columna se fija en 100 psia de modo que pueda usarse agua de enfriamiento en el
condensador (la temperatura en el acumulador de reflujo es 125ºF).
Figura 29.1. Reactor tubular con reciclo líquido
La corriente producto de este proceso es el destilado de la cima de la columna. La
especificación de la impureza del n-C4 en esta corriente es del 2 % molar. El producto de
fondo de esta columna es la corriente de reciclo. Se bombea hasta una presión lo
suficientemente alta para retornarlo al reactor que opera a 320 psia. El reciclo líquido tiene
que vaporizarse y calentarse hasta la temperatura deseada a la entrada del reactor. En teoría,
esto puede hacerse en una etapa. En la práctica, esto se hace en dos operaciones por un
mecanismo complejo de transferencia de calor en dos fases. De esta manera el producto
líquido del fondo se alimenta a un vaporizador (tipo marmita) donde se usa vapor de agua
para hervir el líquido, produciéndose vapor saturado. Esta corriente de vapor se alimenta a
un segundo calentador (horno) donde se precalienta.
El efluente caliente del reactor se enfría y se alimenta por el plato 20 a la columna de
destilación. Hay otro alimento que se introduce en el plato 30 y consiste en una mezcla de
propano, isobutano y butano normal que vienen de la unidad de livianos de la refinería. Al
alimentar esta corriente en la columna se logra que la impureza del propano no entre al
reactor, porque el propano sale por la cima de la DIB. La pureza de la corriente de reciclo
del fondo es una importante variable de optimización para el diseño. A mayor
concentración de n-C4, le corresponde un menor tamaño del reactor y un menor flujo del
reciclo, pero se necesita de mas energía en la columna. En este ejemplo se utiliza una
concentración de 70 % molar del n-C4 en el producto del fondo.
232
Las válvulas de control se diseñan con caídas de presión razonables y la bomba se diseña
para suministrar la presión que se necesita para que la corriente de reciclo retorne con la
presión de operación a la entrada del reactor.
4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
Se consigue una convergencia del proceso, comenzando por asumir unas especificaciones
para la corriente de reciclo y alimentándola junto con la corriente que viene de una refinería
a la columna de destilación. A continuación se construyen secuencialmente las etapas de
bombeo, vaporización, reacción y condensación que constituyen el lazo de reciclo.
Finalmente, se instala un botón de reciclo que simule el lazo denominado como RECIUno,
que debe converger satisfactoriamente
Alimentación: Instale la corriente Alimento y asígnele como especificaciones 90ºF. 200
psia, 525.9 lbmol/h, 2 % molar propano, 25 % molar de isobutano y 73 % molar de n-
butano. Conécte esta corriente a la válvula V1 que descarga a la corriente Sale_V1 con una
caída de presión de 96.3 psi. Instale la corriente SaleCond y asígnele las especificaciones
supuestas de 124.7 ºF, 104.5 psia, 869.6 lbmol/h, 73.06 % molar de i-butano y 23.94 %
molar de n-butano.
Columna de destilación: Instale una columna de destilación con el nombre de DIB, y
mediante la guía del asistente especifique en su primera página 50 platos y condensador
total, conéctela con las corrientes de entrada a Sale_V1 y SaleCond; corrientes de salida
Destilado y Fondo y corrientes de energía QCond y QReb. Las corrientes Sale_V1 y
SaleCond entran por los platos 20 y 30, respectivamente. Asigne presiones de 100 psia y
108 psia en el Condensador y Rehervidor, respectivamente. La relación de reflujo es 5.6 y
el flujo de Destilado es 525.7 lbmol/h. Haga clic sobre el botón Done… del asistente y
luego haga clic en el botón Run de la ventana de propiedades de la columna. Sobre el
cuadro de aclaración sobre la corriente Sale_V1 haga clic sobre el botón Aceptar y la
columna debe converger satisfactoriamente. Instale la válvula V4 que se alimentará con la
corriente Destilado y descargará con el nombre de Sale_V4, asignándole una caída de
presión de 50 psi
Bomba: Instale una bomba con ese nombre, que succione la corriente Fondo y descargue
como Sale_Bomba. La corriente de energía nómbrela como HPBomba. Asígnele un
incremento de presión de 301 psi. Instale una válvula V3 cuya entrada sea la corriente
Sale_Bomba y su corriente de salida sea Sale_V3; asígnele una caída de presión de 84 psi
Vaporizador: Instale un separador de fases con el nombre de Vaporizador, con entradas las
corrientes Sale_V3 y QVap como corriente energética que suministre el calor para la
vaporización. Introduzca como corrientes de salida de vapor Ent_Horno y salida de líquido
LL. Asígnele un flujo de 825.6 lbmol/h a la corriente de vapor. El vaporizador convergerá
satisfactoriamente. Instale la válvula V5 con caída de presión de 36.9 psi y conexiones LL y
Sale_V5 como corrientes de entrada y salida.
233
Horno: Instale un heater para simular un horno, aliméntelo con la corriente Ent_Horno,
descárguelo con la corriente Sale_Horno y conéctele su corriente de energía QHorno. En
la página Parámetros de la pestaña Design digite una caída de presión de 7 psi. En la página
Condiciones de la pestaña Worksheet digite para la corriente Sale_Horno una temperatura
de 390.4ºF.
Reactor: Instale un reactor tubular alimentándolo con la corriente Sale_Horno y
descargándolo con la corriente SaleReactor. En la página Parámetros de la pestaña Design
digite 18.4 psia como caída de presión. En la página Overall de la pestaña Reactions
introduzca el conjunto de reacciones Global Rxn Set. En la página Sizing de la pestaña
Rating introduzca las dimensiones de 7 pies de diámetro y 18 pies de longitud. Instale la
válvula V6 con una caída de presión de 186.4 psi y corriente de entrada SaleReator y
corriente de salida Sale_V6
Condensador: Instale un cooler para simular un condensador con dicho nombre.
Aliméntelo con la corriente Sale_V6 y descárguelo con la corriente SSS. Asígnele una caída
de presión de 8 psi. Especifiquele a la corriente SSS una Fracción de vapor = 0.0
Botón de reciclo: Instale un botón de reciclo con nombre, RECIUno, conéctelo con SSS
como corriente de entrada y SaleCond como corriente de salida. El lazo de reciclo RCIUno
convergerá satisfactoriamente.
5. RESULTADOS
La Figura 29.2 muestra el libro de trabajo con las especificaciones finales de todas las
corrientes del diagrama de flujo
Figura 29.2. Libro de Trabajo con especificaciones de las corrientes
234
6. CASOS DE ESTUDIO
6.1 ¿Qué cambios sugiere usted para obtener una corriente de destilado con 2 % molar en
n-butano en vez de 2.85 %?
6.2 Haga un dimensionamiento de las válvulas para hallar sus coeficientes y compárelos
para diferentes tipos de válvulas
6.3 Si elimina la carga calórica transferida al separador de fases, ¿qué cambios se observan
en el proceso?
6.4 Haga los cambios necesarios para conseguir que la corriente de reciclo se concentre lo
mas concentrada posible en n-butano
6.5 Como un ejercicio, desarrolle el diseño de la columna de destilación DIB, del
separador de fases o VAPORIZADOR y del reactor tubular, acéptelos y transfiéralos al
PFD
235
30. PROCESO DE ALQUILACIÓN
1. OBJETIVOS
1.1. Simular en estado estacionario, un proceso de Alquilación asistido por HYSYS.
1.2. Analizar sistemas de reacción con sistemas de separación en serie.
1.3. Analizar el efecto de modificaciones en el comportamiento del proceso.
2. INTRODUCCIÓN
En esta práctica se analiza un proceso complejo de múltiples unidades, que se caracteriza
por tener varias operaciones unitarias y dos corrientes de reciclo. Hay una sección de
reacción que consiste en tres reactores CSTR en serie y uno de los alimentos se divide entre
los tres reactores. El otro alimento se mantiene en exceso por medio de un gran corriente de
reciclo.
Los tres reactores operan a bajas temperaturas y por esta razón se necesita de refrigeración
para eliminar el calor exotérmico de la reacción. El enfriamiento del reactor se realiza por
auto refrigeración (enfriamiento por medio de evaporación). El líquido que hierve dentro
del reactor genera una corriente de vapor, y el calor latente de vaporización elimina el calor
exotérmico de la reacción y enfría al reactor a la temperatura deseada.
Las corrientes de alimento contienen componentes inertes y tienen que separarse de los
reactivos y de los productos. La sección de separación tiene tres columnas de destilación.
3. PROCESO ESTUDIADO
El proceso que estudiaremos es el proceso de alquilación del isobutano con el buteno para
formar iso-octano. Este proceso es bastante usado para producir un componente de alto
octanaje para las mezclas de gasolina.
844 iCCiC
El iso-octano tiene un número de octano de 100, de modo que es valiosos para producir
gasolinas de alto octanaje para motores de alta compresión (elimina la preignición) El
proceso de alquilación se comercializó un poco antes de la segunda guerra mundial y
suministró la gasolina de alto octanaje para los aviones que participaron en este histórico
conflicto. Este proceso todavía se usa extensivamente en muchas refinerías en el mundo
como un medio de mejorar la calidad de los componentes livianos y para producir un
material no aromático de alto valor para las mezclas de gasolina
236
3.1. PAQUETE FLUIDO
Ecuación: Peng Robinson
Componentes: Iso-Butano, Buteno, Butano, Iso-Octano, Propano y Dodecano
Reacciones:
Tipo: Cinético
Estequiometría: Iso-Butano + Buteno Iso-Octano
Iso-Octano + Buteno Dodecano
Base: Para ambas reacciones la Base es la Concentración de los componentes que
participan en las reacciones; los componentes bases Iso-Butano, Buteno e Iso-Octano (2 M-
Heptane); la fase de la reacción es Liquido y las unidades bases son lbmol/hr-pie3 para la
velocidad de reacción, lbmol/pie3 para la concentración y ºR para la temperatura.
Parámetros Cinéticos. Los parámetros cinéticos se toman del Mahajanam et al. (Ind. Eng.
Chem. Res. 2001, 40, 3208). Estas reacciones son irreversibles y ocurren en fase liquida.
Las expresiones cinéticas son:
44 CiC
RT
28000
13
1 CCe106.9R
48 CiC
RT
35000
17
2 CCe104.2R
donde las velocidades de reacción están en lbmol/hr-pie3, Btu/lbmol para la Energía de
Activación y Ranking [ºR] para la temperatura.
3.2. DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO
La Figura 30.1 muestra el diagrama de flujo de este proceso de alquilación terminada la
simulación.
3.2.1. DESCRIPCIÓN
La corriente de reciclo de 495.4 lbmol/hr, con composiciones de 3.5% molar de propano,
94.7% molar de isobutano, 0.2% molar de butano y 1.6% molar de butano normal; se
mezcla con una corriente BB1, que contiene 25 lbmol/hr con composiciones de 5% molar
de propano, 20% molar de isobutano, 60% molar de butano y 15% molar de butano normal.
Esta mezcla alimenta el primero de tres reactores tipo CSTR con un volumen de 100 pie3 y
con un 80% de líquido. El líquido efluente del primer reactor pasa al segundo reactor, se
mezcla con la corriente BB2, que tiene las mismas especificaciones de BB1, para alimentar
el segundo reactor, cuyo efluente líquido alimenta al tercer reactor.
237
Figura 30.1. Diagrama de flujo de un Proceso de Alquilación.
Las corrientes gaseosas provenientes de cada reactor, que contienen la mayor parte del
propano, pasan a un separador. Con el fin de condensar la corriente gaseosa con agua de
enfriamiento que sale del separador, se la lleva a un compresor, al que se le asigna una
presión de salida de 100 psia, y se coloca el condensador que trabaja con el agua de
enfriamiento y el tanque de separación.
El líquido que sale del tanque es bombeado a una presión de 225 psia y llevado hasta la
columna despropanizadora. Esta columna trabaja con 30 platos y es alimentada en el plato
21, trabaja con presiones de 203 psia en el fondo y de 200 psia en el tope y se colocan
como especificaciones una razón de reflujo de 14 y un flujo de destilado de 4.4 lbmol/hr
para que pueda converger.
El efluente liquido de la sección de reacción se calienta en un intercambiador de calor, que
calienta al efluente del reactor y enfría a la corriente de reciclo. Esto reduce los
requerimientos de refrigeración y el consumo de vapor de la columna de destilación que se
encuentra aguas abajo. El intercambiador de calor tiene un área de 500 pie2, con un
coeficiente global de transferencia de 100 Btu/hr-pie2-ºF.
238
La columna Desisobutanizadora produce en su destilado, una corriente de reciclo bastante
rica en Isobutano, que luego es reciclado a la sección de reacción. La columna tiene 50
platos, opera a 80 psia en el condensador y a 85 psia en el Rehervidor, y con una razón de
reflujo de 2. El efluente del reactor se alimenta a la columna en el plato 16. Hay una
segunda corriente de alimento que es alimentada en el plato 25 después de pasar por una
válvula , tiene una presión de 125 psia y 90ºF y sus composiciones son: 35% de butano
normal, 5% de propano y 60% de isobutano. Se coloca como especificaciones la razón de
reflujo y 0.005 como la fracción molar de isobutano en el fondo de la columna. De esta
manera se introduce alimento en la zona de reacción y en la zona de separación.
El producto de fondo de la Desisobutanizadora se alimenta a la columna Desbutanizadora,
de la que sale butano normal por la cima, y como producto de fondo sale iso-octano con
algo de Dodecano como impureza. Esta columna opera a 60 psia en el Condensador y a
62 psia en el Rehervidor. La columna de destilación posee 15 platos y la corriente de
alimentación entra en el plato 7. Las especificaciones de esta columna son: una razón de
reflujo de 0.5 y una fracción molar de 0.001 de n-butano en el fondo de la columna. De esta
manera el diagrama consta de dos corrientes de reciclo, tres reactores, tres columnas y un
intercambiador de calor.
4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
Se consigue convergencia del proceso haciendo una simulación escalonada de cada uno de
los lazos de reciclo incluidos en el proceso. Por lo tanto, después de la instalación de las
corrientes de alimento se asume una corriente (HxHEnt) y se simula primero el lazo de
reciclo RCY-1 y luego el lazo RCY-2.
Alimentación: Instale las corrientes BB1 y BB2 y asígneles como especificaciones 90ºF,
100 psia, 25 lbmol/h, 5% molar de propano, 20% molar de isobutano, 60% molar de butano
y 15% molar de butano. Conecte estas corrientes a las válvulas V1 y V2, respectivamente,
con una caída de presión 69 psi, para ambas válvulas. Instale la corriente Reciclo con
especificaciones 85ºF, 95 psia y 495.4 lbmol/h, y con concentraciones de 3.5% molar de
propano, 94.7% molar de isobutano, 0.2% molar de butano y 1.6% molar de isobutano.
Conecte esta corriente a una válvula V3, con una caída de presión de 64 psi. Alimente las
corriente BB1 y Reciclo al mezclador M1 y denomine Sale_M1 a su corriente de salida, la
cual debe estar completamente especificada junto con el mezclador.
SISTEMA DE REACCION:
Primer reactor CSTR (ReactUno): Instale un reactor CSTR de nombre ReactUno, a este
reactor se alimenta la descarga del mezclador, la corriente Sale_M1. El reactor genera dos
corrientes, una liquida (LR1) y una corriente vapor (VR1). En la página Parámetros de la
pestaña Design, asígnele al reactor un volumen de 100 ft3 y un nivel de líquido de 80%.
Instale la válvula V12 y conecte LR1, asígnele una caída de presión de 1 psi y una corriente
239
de descarga Sale_V12, haga el mismo procedimiento con la corriente VR1 y asígnele una
caída de presión a la válvula V11 de 11 psi y una corriente de descarga Sale_V11.
Segundo reactor CSTR (ReactDos): Instale un segundo reactor CSTR de nombre
ReactDos. Aliméntelo con la corriente Sale_M2 que resulta de la mezcla de BB2 y LR1, en
el mezclador M2. Este reactor al igual que ReactUno, genera dos corrientes, LR2 y VR2.
Este reactor posee las mismas dimensiones y nivel del reactor ReactUno. Instale la válvula
V21 y conecte LR2, asígnele una caída de presión de 1 psi y una corriente de descarga
Sale_V21 haga el mismo procedimiento con la corriente VR2 y asígnele una caída de
presión a la válvula V22 de 10 psi y una corriente de descarga Sale_V22.
Tercer reactor (ReactTres): Instale un tercer reactor CSTR de nombre ReactTres.
Aliméntelo con la corriente Sale_V21 que proviene del segundo reactor. Este reactor
genera dos corrientes, LR3 y VR3. Este reactor posee las mismas dimensiones y nivel de
los otros dos reactores. Instale la válvula V32 y conecte VR3, asígnele una caída de presión
de 9 psi y una corriente de descarga Sale_V32.
Bombeo liquido 1: Instale una bomba con el nombre de B1 y aliméntela con la corriente
LR3 y en la descarga Sale_B1, además conecte su corriente de energía con el nombre de
HP_B1. En la página Parámetros de la pestaña Design, asígnele una caída de presión de 71
psi. Instale una válvula V31 a la descarga de la bomba y asígnele una caída de presión de 13
psi.
DESPROPANIZADORA (Preparación del alimento a la columna):
Separador de Fases: Instale un separador de fases con el nombre Separador. Conéctelo
con las corrientes Sale_V12, Sale_V22 y Sale_V32 como alimento y las corrientes Vap_Sep
y Liq_Sep como corrientes de salida.
Compresor de Gas: Instale un compresor con dicho nombre y asigne como carga la
corriente Vap_Sep y como descarga la corriente Descarga, además de la conexión de la
corriente de energía HP_Comp. Asigne a la corriente de descarga una presión de 100 psi.
Condensador: Instale un Cooler para simular un condensador con el nombre de Cond.
Aliméntelo con la corriente Descarga y descárguelo con la corriente Sale_Cond y conéctele
una corriente de energía de nombre Q_Cond. En la página Parámetros de la pestaña Design
asigne una caída de presión de 5 psi y en la página Conditions de la pestaña Worksheet
asigne una temperatura de 113.1 ºF a la corriente Sale_Cond.
Tanque: Instale un tanque con el nombre de Tanque. Conéctelo con la corriente
Sale_Cond como corriente de alimento y las corrientes VapTanq y LiqTanq como
corrientes de salida. Instale una válvula V13 en la corriente VapTanq con una caída de
presión de 5 psi.
Bombeo liquido 3: Instale una bomba con el nombre de B3 y aliméntela con la corriente
LiqTanq y en la descarga Sale_B3, además conecte su corriente de energía con el nombre
de HP_B3. En la página Parámetros de la pestaña Design, asígnele una caída de presión de
240
130 psi. Instale una válvula V5 a la descarga de la bomba y asígnele una caída de presión de
20 psi.
Despropanizadora: Instale una columna de destilación con el nombre de Desprop y
mediante la guía de asistente especifique en su primera página 30 platos y condensador
total, conéctela con la corriente Sale_V5; corrientes de salida Vent2 y Fond2 y corrientes de
energía QCond2 y QReh2. La corriente Sale_V5 entra en el plato 21. Asigne las presiones
de 200 psia y 203 psia en el Condensador y el Rehervidor, respectivamente, y una relación
de reflujo de 14. Haga clic en el botón Done… del asistente. Seguidamente, haga clic
sobre la página Specs de la pestaña Design y haga clic en el botón Add… para añadir una
especificación de 4.4 lbmol/h como flujo en el destilado (Vent2). Cierre la ventana, haga
clic sobre la página Monitor y deje como especificaciones activas la razón de reflujo y el
flujo de destilado. La columna Desprop debe converger satisfactoriamente. Instale una
válvula para cada corriente de salida de la columna, V9 para Vent2 y V8 para Fond2 y
asígnele como caída de presión 50 psi y 103 psi, respectivamente.
LAZO DE RECICLO RCY-1:
Corriente entrada en la coraza (HxHEnt): Instale una corriente con este nombre y
asígnele las siguientes especificaciones supuestas: 121.3ºF, 100 psi, 499.4 lbmol/h, 3.5%
molar de Propano, 94.7% molar de isobutano, 0.2% molar de buteno y 1.6% molar de
butano.
Intercambiador FEHE: Instale un intercambiador de carcasa y tubo y nómbrelo FEHE.
Conecte por los tubos la corriente Sale_V31 y como corriente de salida HxCSale. Conecte
por la coraza la corriente HxHEnt y como corriente de salida HxHSale. En la página
Parámetros de la pestaña Design, asigne una caída de presión de 5 psi tanto para los tubos
como para la coraza y digite 50000 Btu/ºF-h al Overall UA.
Segunda Corriente de alimento a DesIsoBut (C4Sat): Instale la corriente de
alimentación con nombre C4Sat y asígnele las siguientes especificaciones: 90ºF, 125 psi,
65 lbmol/h, 5% molar de propano, 60% molar de isobutano y 35% molar de n-butano.
Desisobutanizadora: Instale una columna de destilación con el nombre de DesIsoBut y
mediante la guía de asistente especifique en su primera página 50 platos y condensador
total, conéctela con las corrientes Sale_V4 y HxCSale; corrientes de salida Dest1 y Fond1 y
corrientes de energía QCond1 y QReh1. Las corrientes Sale_V4 y HxCSale entran en los
platos 25 y 16, respectivamente. Asigne las presiones de 80 psia y 85 psia en el
Condensador y el Rehervidor, respectivamente, y una relación de reflujo de 2. Haga clic en
el botón Done… del asistente. Seguidamente, haga clic sobre la página Specs de la pestaña
Design y haga clic en el botón Add… para añadir una especificación de 0.005 como
fracción molar de isobutano en el Rehervidor. Cierre la ventana, haga clic sobre la página
Monitor y deje como especificaciones activas la razón de reflujo y la fracción de isobutano
en el Rehervidor. La columna DesIsoBut debe converger satisfactoriamente. Instale una
válvula V7 para la corriente de salida Fond1, y asígnele como caída de presión 20 psi.
241
Bombeo liquido 2: Instale una bomba con el nombre de B2 y aliméntela con la corriente
Dest1 y en la descarga Sale_B2, además conecte su corriente de energía con el nombre de
HP_B2. En la página Parámetros de la pestaña Design, asígnele una caída de presión de
100 psi.
Mezclador: Instale un mezclador de corrientes con el nombre M3. Aliméntelo con las
corrientes Sale_V8 y Sale_B2 y descárguelo con la corriente Sale_M3.
Botón de Reciclo RCY-1: Instale el botón de reciclo y asigne como carga las corrientes
Sale_M3 y como descarga la corriente HxHEnt. El lazo de reciclo RYC-1 convergerá
satisfactoriamente.
Desbutanizadora: Instale una columna de destilación con el nombre de DesBut y mediante
la guía de asistente especifique en su primera página 15 platos y condensador total,
conéctela con la corriente Sale_V7; corrientes de salida Dest3 y Fond3 y corrientes de
energía QCond3 y QReh3. La corriente Sale_V7 entra en el plato 7. Asigne las presiones
de 60 psia y 62 psia en el Condensador y el Rehervidor, respectivamente, y una relación de
reflujo de 0.5. Haga clic en el botón Done… del asistente. Seguidamente, haga clic sobre
la página Specs de la pestaña Design y haga clic en el botón Add… para añadir una
especificación de 0.001 como fracción molar de n-butano en el Rehervidor. Cierre la
ventana, haga clic sobre la página Monitor y deje como especificaciones activas la razón de
reflujo y la fracción de n-butano en el Rehervidor. La columna DesBut debe converger
satisfactoriamente. Instale las válvulas V14 y V15 para las corrientes de salida Fond3 y
Dest3, y asígneles como caída presión 22psi y 30 psi, respectivamente.
LAZO DE RECICLO RCY-2:
Botón de Reciclo RCY-2: Instale el botón de reciclo y asigne como carga las corrientes
HxHSale y como descarga la corriente Reciclo. El lazo de reciclo RCY-2 convergerá
satisfactoriamente.
5. RESULTADOS
La Figura 30.2 muestra el libro de trabajo con las especificaciones de todas las corrientes
del diagrama de flujo después de colocados los reciclos.
6. CASOS DE ESTUDIO
6.1. ¿Qué cambios sugiere usted para aumentar la calidad del iso-octano?
¿Qué pasaría si se aumentan o disminuyen las corrientes de alimento BB1, BB2 y
C4Sat?
6.2. Al observar que la corriente liquida del separador de fases es cero, ¿Qué pasaría si se
reemplaza este separador por un mezclador?
243
31. PROCESO DE PRODUCCIÓN DEL ETIL BENCENO
1. OBJETIVOS
1.1. Simular, en estado estacionario, el proceso de Síntesis del Etil Benceno a partir de
Benceno y Etileno, asistido por HYSYS.
1.2. Analizar el sistema de reacción con sistemas de separación en serie.
1.3. Dimensionar válvulas de control y columnas de destilación mediante la asistencia
de HYSYS
2. INTRODUCCIÓN
En la práctica se analiza otro proceso complejo de múltiples unidades, que se caracterizan
por tener varias operaciones unitarias: dos corrientes de reciclo. Hay una sección de
reacción que consiste en dos reactores CSTR en serie y dos columnas de destilación para
recircular los reactivos no convertidos y los subproductos formados para favorecer
formación del Etilbenceno.
En el reactor se alimenta la materia prima con un gran exceso de benceno de modo que la
concentración del etileno sea pequeña. Esto se realiza con el objetivo de evitar una segunda
reacción que produce Dietilbenceno que resulta en una gran corriente de reciclo de
benceno en el proceso. A pesar del gran exceso de benceno, se produce una cantidad
apreciable de Dietil benceno en el reactor y tiene que separarse del etil benceno y reciclarse
a la sección de reacción.
3. PROCESO ESTUDIADO
En el proceso considerado en esta práctica se produce etil benceno a partir de benceno y
etileno. El etil benceno se utiliza para la producción de estireno, ana materia prima que se
utiliza ampliamente en la producción de plásticos. El proceso se caracteriza por utilizar
equipos de gran capacidad. Las materias primas etileno y benceno se producen en las
refinerías de petróleo por medio del “cracking” térmico y catalítico. El proceso que se
estudia es una versión simplificada del proceso real para facilitar su simulación. Sin
embargo, ilustra las características esenciales de una simulación dinámica de una planta
global. Hay dos reactores, dos columnas de destilación y dos corrientes de reciclo.
3.1. PAQUETE FLUIDO
Ecuación: Peng-Robinsón
Componentes: Benceno, Etileno, EtilBenceno, DietilBenceno, Nitrógeno
Reacciones:
Tipo: Cinético
244
Estequiometría: La reacción química básica es:
Reacción 1: Benceno (B) + Etileno (E) Etilbenceno (EB)
Sin embargo, hay reacciones adicionales del etileno con el etil benceno para producir
componentes de mayor orden. La principal es:
Reacción 2: Etilbenceno (EB) + Etileno (E) Dietilbenceno (DEB)
Seguida por:
Reacción 3: Dietilbenceno (DEB) + Benceno (B) 2 Etilbenceno (EB)
Base: Para las tres reacciones la Base es concentración; el componente base es etileno; la
fase de la reacción es Vapor y las unidades básicas son Kgmol/s-m3 para las velocidades de
reacción, Kgmol/ m3 para las concentraciones y las temperaturas en Kelvin.
Parámetros Cinéticos: Las ecuaciones cinéticas usadas para estas tres reacciones se dan a
continuación. Estos parámetros se seleccionaron para dar conversiones y rendimientos
típicos de los reactores comerciales.
RTEB eCCR
17000
6
1 10528.1
RTEBE eCCR
20000
4
2 10778.2
RTDEB eCR
15000
3 4167.0
Donde las velocidades de reacción están en Kgmol/s-m3, las concentraciones en Kgmol/
m3 y la energías de activación en Kcal/mol
3.2 DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO
La Figura 31.1 muestra el diagrama de flujo de este proceso de síntesis del Etil Benceno
DESCRIPCIÓN
La sección de reacción consiste de dos grades reactores CSTR en serie, los alimentos de
benceno y Etileno y una corriente de Reciclo se alimentan al primer reactor (Reactor_1)
que opera a 160 ºC y 9 bar. El calor exotérmico de la reacción se elimina generando vapor
de agua de baja de baja presión. El Etileno experimenta una conversión casi completa en el
primer reactor. El efluente del primer reactor y una corriente de reciclo de DEB se
245
alimentan al segundo reactor (Reactor_2) que opera adiabáticamente. La composición del
efluente del segundo reactor (LiqDos) es aproximadamente 0.433 de Benceno, 0.442 de
Etil Benceno, 0.1216 de DiEtil Benceno, y el resto es Nitrógeno y Etileno que no reacciona.
La figura 31.1 muestra el diagrama de flujo.
Figura 31.1. Diagrama de flujo para la Producción de Etil Benceno
El efluente del segundo reactor (Reactor_2) se alimenta, por el plato 12, a una columna de
destilación (Columna_1)de 24 platos que opera a 4.5 bar en el condensador y 4.6 en el
rehervidor. El reciclo de Benceno sale por la cima (DestUno) y la mezcla EB/DEB por el
fondo (FondUno). Esta columna tiene una razón de reflujo de 1.2 y especificaciones de las
corriente de salida de 0.1% molar de Etilbenceno en el destilado y 0.1% molar de Benceno
en el fondo.
El producto de fondo de la columna (Columna_1)se alimenta a una segunda columna de
destilación (Columna_2) que produce un destilado con alta pureza de Etilbenceno
(DestDos). El producto de fondo (FondDos) es en gran parte DEB que se recicla al segundo
reactor (Reactor_2), esta columna de 30 platos opera a 2 bar en el condensador y 2.2 bar en
el Rehervidor. Y tiene una razón de reflujo de 1.04 y especificaciones de las corriente de
salida de 0.1% molar de Dietilbenceno en el destilado y 0.1% molar de Etilbenceno en el
fondo, considere un condensador total.
246
4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
Alimentación: Instale una corriente de Etileno puro, y asígnele como especificaciones 50
ºC, 11 bar, 630.6 Kgmol/h, y conéctela a una válvula V1 que descarga a la corriente
Sale_V1 con una caída de presión de 2 bar. Instale la corriente NitroUno y asígnele las
especificaciones de 50 ºC, 12 bar, 5 Kgmol/h y composición molar de 100 % en Nitrógeno,
conecte esta corriente a una válvula V11 que descarga a la corriente Sale_V11 con una
caída de presión de 2 bar. Instale una corriente Benceno, que igual que las dos anteriores, es
benceno puro, y asígnele especificaciones de 50 ºC, 11 bar y 642 Kgmol/h, conecte esta
corriente a la válvula V2 que descarga a la corriente Sale_V2 con una caída de presión de 2
bar. Instale la corriente RecicloUno y suponga las siguientes especificaciones: 90ºC, 9 bar,
600 Kgmol/h y fracciones molares de benceno de 0.9982, etil benceno de 0.0006 y dietil
0.0012.
Reactor 1: Instale un reactor CSTR con nombre Reactor_1 y coloque como corrientes de
entrada Sale_V1, Sale_V11, Sale_V2 y RecicloUno, además, coloque la corriente de energía
QRreactor_1 y descárguelo con las corrientes de salida VapUno y LiqDos. En la página
Overall de la pestaña Reactions introduzca el conjunto de reacciones Global Rxn Set. En la
página Sizing de la pestaña Rating introduzca la dimensión de 200 m3
de volumen, luego
haga clic en Basis y desactive las reacciones inversas. Como el Reactor_1 trabaja a 9 bar y
160ºC, usted debe asignar estas especificaciones a las corrientes de salida del Reactor_1.
Instale la válvula V12 con una caída de presión de 2 bar y corriente de entrada VapUno y de
a la que descarga a la corriente Sale_V12, de igual manera instale una válvula V3 conéctela
con la corriente LiqUno y descárguela con la corriente Sale_V3 con una caída de presión
de 1 bar.
Reactor 2: Instale primero las siguientes corrientes: RecicloDos con las especificaciones
supuestas de 222 ºC, 8 bares ,172 Kgmol/h, y fracciones molares de etilbenceno de 0.001 y
dietilbenceno de 0.999 y la otra con nombre NitroDos con especificaciones de 50 ºC, 10 bar
y 3 Kgmol/h y composición molar de 100 % en Nitrógeno, conecte esta última corriente a
una válvula denominada V21 que descarga a la corriente Sale_V21 con una caída de presión
de 2 bar. Instale ahora otro reactor CSTR de nombre Reactor_2 aliméntelo con las
corrientes RecicloDos, Sale_V21 y sale_V3 y como corrientes de salida VapDos y LiqDos,
este reactor es adiabático y no tiene corriente de energía. En la página Overall de la pestaña
Reactions introduzca el conjunto de reacciones Global Rxn Set. En la página Sizing de la
pestaña Rating introduzca la dimensión de 200 m3 como volumen del reactor. Haga clic en
Basis y desactive las reacciones inversas. Conecte la corriente VapDos a la válvula V22 que
descarga a la corriente Sale_V22 y asígnele una caída de presión de 1 bar, de igual manera
conecte la corriente LiqDos a la válvula V4 que descarga a la corriente Sale_V4 con una
caída de presión de 4.7 bar.
Columna de destilación Colum1: Instale una columna de destilación con el nombre de
Colum1, y mediante la guía del asistente especifique en su primera página 24 platos y
condensador parcial, conéctela con la corriente de entrada Sale_V4 y corrientes de salida
VenteoUno, DestUno y FondUno y corrientes de energía QCondUno y QRebUno. La
corriente Sale_V4 entra por el plato 12. Asigne presiones de 4.5 bar y 4.6 bar en el
Condensador y Rehervidor, respectivamente, y una relación de reflujo de 1.2. Haga clic
247
sobre el botón Done… del asistente. Seguidamente, haga clic sobre la página Specs de la
pestaña Design y haga clic sobre el botón Add… para añadir una especificación de 0.001
como fracción molar de Etilbenceno y fase líquida en el condensador, repita lo mismo pero
para añadir una especificación de 0.001 como fracción molar de Benceno y fase vapor en el
rehervidor. Debe añadir también una especificación Ovhd Vap Rate en la corriente de
venteo de 10 Kgmol/h. Cierre las ventanas, haga clic sobre la página Monitor y deje como
especificaciones activas el Ovhd Vap Rate en la corriente de venteo y las fracciones
molares de etilbbenceno y de benceno en el condensador y en el rehervidor. La columna
debe converger satisfactoriamente.
Bomba de Destilado 1: Instale una bomba con nombre de Bomba1, que succione la
corriente DestUno y descargue como Sale_Bomba1. La corriente de energía nómbrela
como HPBomba1. Asígnele un incremento de presión de 7.5 bar. Instale una válvula V9
cuya entrada sea la corriente Sale_Bomba1 y su corriente de salida sea Sale_V9; asígnele
una caída de presión de 3 bar.
Botón de reciclo 1: Instale un botón de reciclo con nombre, RCY-1, conéctelo con
Sale_V9 como corriente de entrada y RecicloUno como corriente de salida. El lazo de
reciclo RCY-1 convergerá satisfactoriamente.
Columna de destilación Colum2: Instale una columna de destilación con el nombre de
Colum2, y mediante la guía del asistente especifique en su primera página 30 platos y
condensador total, conéctela con la corriente de entrada FondUno; corrientes de salida
DestDos y FondDosy corrientes de energía QCondDos y QRehDos. La corriente FondUno
entra por el plato 21. Asigne presiones de 2 bar y 2.2 bar en el Condensador y Rehervidor,
respectivamente, y una relación de reflujo de 1.04. Haga clic sobre el botón Done… del
asistente. Seguidamente, haga clic sobre la página Specs de la pestaña Design y haga clic
sobre el botón Add… para añadir una especificación de 0.001 como fracción molar de
Dietilbenceno y fase líquida en el condensador, repita lo mismo pero para añadir una
especificación de 0.001 como fracción molar de Etilbenceno y fase vapor en el rehervidor.
Cierre las ventanas, haga clic sobre la página Monitor y deje como especificaciones activas
las fracciones molares de dietilbenceno y de Etilbenceno en el condensador y en el
rehervidor. La columna debe converger satisfactoriamente.
Bomba de Destilado 2: Instale una bomba con nombre de Bomba2, que succione la
corriente FondDos y descargue como Sale_Bomba2. La corriente de energía nómbrela
como HPBomba2. Asígnele un incremento de presión de 7.8 bar. Instale una válvula V6
cuya entrada sea la corriente Sale_Bomba2 y su corriente de salida sea Sale_V6; asígnele
una caída de presión de 2 bar.
Botón de reciclo 2: Instale un botón de reciclo con nombre, RCY-2, conéctelo con Sale_V6
como corriente de entrada y Reciclo2 como corriente de salida. El lazo de reciclo RCY-2
convergerá satisfactoriamente.
248
5. RESULTADOS
La Figura 31.2 muestra el libro de trabajo con las especificaciones finales de todas las
corrientes del diagrama de flujo.
Figura 31.2. Libro de Trabajo con especificaciones de las corrientes
6. CASOS DE ESTUDIO
6.1 ¿Qué cambios sugiere usted para obtener que la corriente DestDos alcance una
concentración mayor?
249
32. REACTOR TUBULAR CON RECICLO GASEOSO
1. OBJETIVOS
1.1. Simular el comportamiento de un reactor tubular con reciclo de energía, en estado
estacionario, y asistido por HYSYS
1.2. Analizar el efecto de cambios en las especificaciones de los productos en el
comportamiento del proceso
1.3. Dimensionar intercambiadores de calor, separadores de fases y reactores tubulares
mediante la asistencia de HYSYS
2. INTRODUCCIÓN
En esta práctica se estudiará un proceso con múltiples unidades y con tres corrientes de
reciclo. El proceso consiste de un reactor, tres intercambiadores de calor, un compresor,
una bomba y un tanque separador. El reactor opera a alta temperatura y presión y con
reacciones que se realizan en la fase gaseosa. La recuperación de la energía es importante y,
por esto, se incorpora en el diseño el precalentamiento del alimento por medio del efluente
caliente del reactor. Esta retroalimentación de energía hace más difícil el control del
proceso. La conversión por paso es solo moderada y esto ocasiona que se necesite de un
gran exceso de los reactivos, lo que ocasiona una gran corriente de reciclo
3. PROCESO ESTUDIADO
El ejemplo que estudiaremos es el proceso de hidrodesalquilación del tolueno (HDA) que
se ha considerado en profundidad por Douglas (“Conceptual Design of Chemical Processes,
McGraw-Hill, 1988). Algunos valores de los parámetros que se usarán son ligeramente
diferentes a los de Douglas
3.1 PAQUETE FLUIDO
Ecuación: Peng Robinson
Componentes: Tolueno, Hidrógeno, Benceno, Metano y Difenilo
Reacciones Tipo: Cinético
Estequiometria: Tolueno + H2 Benceno + Metano
2 Benceno Difenilo + H2
Se observa en el Balance que el calor de reacción a 25 ºC es de -18000 BTU/lbmol para la
primera (reacción exotérmica) y de 3500 BTU/lbmol para la segunda (reacción
endotérmica)
250
Base: Para ambas reacciones la Base es presión parcial; los componentes bases tolueno y
benceno, respectivamente; la fase de la reacción es Vapor y las unidades bases son psia
para la presión y lbmol/pie3-h para la velocidad de reacción.
Parámetros Cinéticos: Los parámetros cinéticos son los de las expresiones cinéticas dadas
en Luyben et al. (“Plantwide Process Control”, McGraw-Hill). Sin embargo, cuando se
usan estas expresiones cinéticas se obtienen conversiones del 100% para el tolueno. Se
tomó un enfoque empírico, el factor preexponencial de ambas reacciones se modificó hasta
que los flujos molares de benceno y difenilo que salen del reactor fueran similares a los
dados por Douglas. Las ecuaciones usadas en la simulación son:
2
2
)90800
exp(*10553.2)90800
exp(*100.9
)90800
exp(*1068.3
524
2
6
1
HDB
HT
PPRT
xPRT
xR
PPRT
xR
Donde las velocidades de reacción tienen unidades de lbmol/h-pie3, las concentraciones
están en lbmol/pie3, la energía de activación está en BTU/lbmol y la temperatura en ºR
3.2 DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO
La Figura 32.1 muestra el diagrama de flujo de este proceso terminada la simulación con
los tres lazos de reciclo.
3.2.1 DESCRIPCIÓN
Se introducen dos corrientes de alimento al proceso. Un alimento gaseoso de hidrógeno
(Fracción de vapor = 1.0, 549.7 ºR, 591 psia, 484 lbmol/h, 98 % molar de H2 y 2 % molar
de metano) y un alimento líquido de tolueno puro (Fracción de vapor = 0.0, 549.7 ºR, 591
psia, 370 lbmol/h). Estos se combinan con una gran corriente gaseosa de reciclo, que es una
mezcla de hidrógeno y metano. La corriente mixta se calienta en un intercambiador de calor
efluente/alimento (FEHE), por donde circula el efluente del reactor y, adicionalmente, en
un horno para elevar la temperatura de entrada al reactor a 1150 ºF. La presión de entrada al
reactor es de 521 psia.
El reactor es tubular y adiabático sin catalizador. El recipiente tiene 9.53 pies de diámetro y
57 pies de longitud. El alimento tiene 376 lbmol/h de tolueno y 2132 lbmol/h de hidrógeno.
El gran exceso de hidrógeno es necesario para prevenir la coquización dentro del reactor a
estas altas temperaturas.
251
Figura 32.1. Reactor tubular con reciclo de energía del proceso HDA
El efluente del reactor contiene 106 lbmol/h de tolueno, de modo que la conversión por
paso es de 72 %. Se producen 4.8 lbmol/h de difenilo. La primera reacción exotérmica
ocasiona que la temperatura adiabática aumente 69 ºF (la temperatura a la salida del reactor
es de 1219 ºF). El efluente caliente del reactor se enfría rápidamente a 1130 ºF agregándole
un líquido frío (135 lbmol/h) para impedir la coquización. Esta corriente caliente entra a un
gran intercambiador de calor (área de 30000 pie2) en donde se enfría hasta 252 ºF. El
coeficiente de transferencia global de calor es bajo (20 BTU/h-pie2-ºF) porque es un
sistema gas-gas. Luego se utiliza un intercambiador de calor enfriado por agua para enfriar
la corriente a 113 ºF. Una parte de la corriente se condensa para formar una mezcla formada
en su mayor parte por benceno, tolueno y difenilo.
Las fases líquida y gaseosa se separan en un tanque separador. Una parte del gas se purga
(476 lbmol/h) para eliminar el metano que se forma en la reacción. La composición de esta
purga es aproximadamente de 60 % molar de metano y 40 % molar de hidrógeno. El resto
del gas (3990 lbmol/h) se comprime y se recicla al comienzo del proceso. La corriente
líquida que constituye el producto de este proceso es una mezcla de benceno, en gran
proporción, tolueno y difenilo. Esta corriente pasa a un tren de separación que no se incluye
en esta simulación.
4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
Se consigue una convergencia del proceso haciendo una simulación escalonada de cada uno
de los lazos de reciclo incluidos en el proceso. Por lo tanto, después de la instalación de las
252
corrientes de alimento se asumen algunas corrientes y se simula primero el lazo RECIUno,
luego el RECIDos y finalmente el RECITres
Alimentación: Instale las corrientes Tolueno e Hidrógeno con las especificaciones
anotadas en 3.2, instale las válvulas V1 y V2 con caídas de presión de 50 psi para cada una.
Instale la corriente ReciGas y asígnele las especificaciones supuestas de 118.20 ºF, 541
psia, 3990 lbmol/h, 60 % molar de metano y 40 % molar de hidrógeno. Alimente las tres
corrientes al mezclador M1 y denomine como EntInt a su corriente de salida, la cual debe
estar completamente especificada junto con el mezclador
LAZO DE RECICLO RECIUno:
Corriente EntCoraza: Instale una corriente con este nombre y asígnele las siguientes
especificaciones supuestas: 1103 ºF, 504 psia, 4994 lbmol/h, 10 % molar de Tolueno, 20 %
molar de Hidrógeno 50 % de Benceno, 10 % de metano y 10 % de Difenilo.
Intercambiador FEHE: Instale un intercambiador de carcasa y tubo y nómbrelo como
FEHE. Conecte por los tubos la corriente de entrada EntInt y como corriente de salida
EntHorno. Conecte por la coraza la corriente de entrada EntCoraza y como corriente de
salida EntConden. En la página Parámetros de la pestaña Design, asigne una Caída de
presión de 10 psi por lo tubos y 2 psi por la carcasa y seleccione como Heat Exchanger
Model el Ponderado (Weighted) y digite 600000 BTU/ºF-h al Overall UA (30000 pie2*20
BTU/h-ºF-pie2).
Horno: Instale un heater para simular un horno, aliméntelo con la corriente EntHorno y
descárguelo con la corriente EntReactor y conéctele su corriente de energía QHorno. En la
página Parámetros de la pestaña Design digite una caída de presión de 10 psi. En la página
Condiciones de la pestaña Worksheet digite para la corriente EntReactor las
especificaciones 1150 ºF y 521 psia.
Reactor: Instale un reactor tubular alimentándolo con la corriente EntReactor y
descargándolo con la corriente SaleReactor. En la página Parámetros de la pestaña Design
digite 17 psia como caída de presión. En la página Overall de la pestaña Reactions
introduzca el conjunto de reacciones Global Rxn Set. En la página Sizing de la pestaña
Rating introduzca las dimensiones de 9.53 pie de diámetro y 57 pies de longitud
Mezclador M2: Aliméntelo con las corrientes SaleReactor y Quench y descárguelo con
la corriente SaleQuench. Asígnele a la corriente Quench las siguientes especificaciones:
Fracción de vapor = 0.0, 113 ºF, 534 psia, 150 lbmol/h, 70 % de Benceno, 20 % de Tolueno
y 10 % de difenilo.
Botón de reciclo RECIUno: Instale un botón de reciclo con dicho nombre, conéctelo con
SaleQuench como corriente de entrada y EntCoraza como corriente de salida. El lazo de
reciclo RCIUno convergerá satisfactoriamente.
253
LAZO DE RECICLO RECIDos:
Condensador: Instale un cooler para simular un condensador del mismo nombre.
Aliméntelo con la corriente EntConden y descárguelo con la corriente SaleConden, y
conéctele una corriente de energía de nombre QConden. En la página Parámetros de la
pestaña Design asigne una caída de presión de 10 psi y en la página Conditions de la
pestaña Worksheet asigne una temperatura de 113 ºF a la corriente SaleConden
Separador de Fases: Instale un separador de fases con el nombre Separador. Conéctelo
con la corriente SaleConden como alimento y las corrientes Gas y Líquido como corrientes
de salida
Bombeo de líquido: Instale una bomba con el nombre de B1 y conéctela en la succión con
la corriente Líquido y en la descarga Sale_B1, además conecte su corriente de energía con
el nombre de HPBomba. En la página Parámetros de la pestaña Design asigne 108 psi como
caída de presión
Divisor de la corriente de descarga de la bomba: Instale un divisor de corriente con el
nombre de T1. Aliméntelo con la corriente Sale_B1 la cual se divide en EntR2 y SaleT1. En
la página Parámetros de la pestaña Design asigne el valor de 0.1 para la fracción
correspondiente a EntR2. La corriente SaleT1 después de circular por la válvula V3 (Caída
de presión = 50 psi) es el producto de Benceno deseado.
Botón de reciclo RECIDos: Instale un botón de reciclo con dicho nombre, conéctelo con
EntR2 como corriente de entrada y Quench como corriente de salida. El lazo de reciclo
RECIDos convergerá satisfactoriamente.
LAZO DE RECICLO RECITres:
Compresor de Gas: Instale un compresor con dicho nombre y asigne como carga la
corriente Gas y como descarga la corriente denominada Descarga, además de la conexión
de la corriente de energía HPComp. Asigne a la corriente Descarga una presion de 542 psia
Divisor de la corriente Descarga: Instale un divisor de corriente con el nombre de T2.
Aliméntelo con la corriente Descarga la cual se divide en GasReciclo y Entra_V4. En la
página Parámetros de la pestaña Design asigne el valor de 0.1 para la fracción
correspondiente a Entra_V4. La corriente Entra_V4 después de circular por la válvula V4
(Caída de presión = 50 psi) es la corriente de purga.
Botón de reciclo RECITres: Instale un botón de reciclo con dicho nombre, conéctelo con
GasReciclo como corriente de entrada y ReciGas como corriente de salida. El lazo de
reciclo RECITres convergerá satisfactoriamente.
254
5. RESULTADOS
La Figura 32.2 muestra el libro de trabajo con las especificaciones finales de todas las
corrientes del diagrama de flujo
Figura 32.2. Libro de Trabajo con especificaciones de las corrientes
6. CASOS DE ESTUDIO
6.1 ¿Qué cambios sugiere usted para aumentar esta calidad del producto del 85 % obtenido
al 99 %?
6.2 ¿Qué cambios haría usted para conseguir una disminución en el flujo de la purga?
6.3 Como un ejercicio, desarrolle el diseño del intercambiador de calor FEHE, del
separador de fases y del reactor tubular, acéptelos y transfiéralos al PFD
255
33. PROCESO DE PRODUCCIÓN DE BENCENO
1. OBJETIVOS
1. Simular, en estado estacionario, el proceso de hidrodesalquilación del tolueno para
producir benceno.
2. Simular el comportamiento de un reactor tubular con reciclo y el de las columnas de
separación
3. Dimensionar intercambiadores de calor, separadores de fases, reactores tubulares y
columnas de destilación mediante la asistencia de HYSYS.
2. INTRODUCCIÓN
El diseño en estado estacionario de este proceso se ha estudiado extensivamente por
Douglas en varios artículos y en el libro de texto “Conceptual Designo of Chemical
Processes” (McGraw-Hill), 1998). La química y la sección de reacciones se encuentran en
el capitulo 13 de “Plantwide Dynamic Simulators in Chemical Processing and Control,
W.L. Luyben, Dekker).
En una práctica anterior se analizo el sistema de reacción. Recordemos que el reactor se
opera adiabáticamente a altas temperatura y presión. La reacción ocurre en la fase gaseosa
y se utiliza un gran exceso de hidrógeno para suprimir el “Cracking”. Una gran corriente
de reciclo gaseoso que sale del separador se comprime y se retorna al reactor.
En esta práctica se agrega la sección de separación. La Figura 1 muestra el diagrama de
flujo. El líquido que sale del separador consiste en su mayor parte de benceno, tolueno, y
difenilo con unas pequeñas cantidades disueltas de hidrógeno y metano. Esta corriente
tiene que separarse en una corriente de producto (benceno), una corriente de subproducto
(difenilo) y una corriente de reciclo de tolueno. Se utiliza una secuencia de tres columnas
de destilación porque las volatilidades relativas de los varios componentes son bastantes
diferentes.
3. PROCESO ESTUDIADO
El ejemplo que estudiaremos es el proceso de hidrodesalquilación del tolueno (HDA) para
la producción de benceno, que se ha considerado en profundidad por Douglas (“Conceptual
Design of Chemical Proceses, McGraw-Hill, 1998). Algunos valores de los parámetros que
se usarán son ligeramente diferentes a los de Douglas.
3.1. PAQUETE FLUIDO:
Ecuación: Lee Kesler Pocker
Componentes: Tolueno, Hidrógeno, Benceno, Metano y Difenilo.
256
Reacciones: Tipo: Cinético
Estequiometria: Tolueno + H2 Benceno + Metano
2Benceno Difenilo + H2
Para introducir las dos reacciones se va a la pestaña Rxns, luego se le da clic a la casilla
Simulación Basis Mgr y luego en Add Comps y en add this groups of components, se cierra
la ventana y se pulsa Add Rxn, se escoge el tipo de reacción y se pulsa Add Reaction, se
despliega la ventana y se escogen todos los componentes, colocando los coeficientes
estequiometricos de la siguiente manera productos (+) y reactivos (-).
Se observa en el Balance que el calor de reacción a 25°C es de -18000 BTU/lbmol para la
primera (reacción exotérmica) y de 3500 BTU/lbmol para la segunda (reacción
endotérmica)
Base: Para ambas reacciones la Base es presión parcial; los componentes bases tolueno y
benceno, respectivamente; la fase de la reacción es Vapor y las unidades bases son psia
para la presión y lbmol/pie3 h para la velocidad de reacción.
Parámetros Cinéticos: Los parámetros cinéticos son los de las expresiones cinéticas dadas
en Luyben et al. (“Plantwide Process Control”, McGraw-Hill). Sin embargo, cuando se
usan estas expresiones cinéticas se obtienen conversiones del 100% para el tolueno. Se
tomó un enfoque empírico, el factor preexponencial de ambas reacciones se modificó hasta
que los flujos molares de benceno y difenilo que salen del reactor fueran similares a los
dados por Douglas. Las ecuaciones usadas en la simulación son:
2
2
RT
90800-exp 10 2.553 -
RT
90800-exp 10 9
P RT
90800-exp 103.68
524
2
T
6
1
HDB
H
PPPR
PR
Donde las velocidades de reacción tienen unidades de lbmol/h-pie3 las concentraciones
están en lbmol/pie3 la energía de activación está en BTU/lbmol y la temperatura en ºR. Los
parámetros cinéticos se introducen de la siguiente manera:
Se va a la pestaña Reaction, se añade le reacción en Add Reaction y se introduce la
estequiometría, negativo para los reaccionantes y positivo para los productos, en Basis
Presión Parcial y la reacción en fase líquida luego se introducen los valores de la cinética de
la reacción en la pagina Parameters, y se cierra la ventana. Hay que anotar que cada
reacción tiene su estequiometria, una irreversible y otra reversible, esto se ve reflejado en
Foward and Reverse Reaction.
257
Después de haber ingresado ambas reacciones se agregan al PFD, mediante el botón Add
To FP, para luego ingresar al ambiente de simulación (Enter to Simulation Enviroment).
3.2. DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO
La Figura 33.1 muestra el diagrama de flujo de este proceso terminada la simulación con
los cuatro lazos de reciclo.
3.2.1. DESCRIPCIÓN
Se introducen dos corrientes de alimento al proceso. Un alimento gaseoso de hidrógeno
(Fracción de vapor = 1.0, 549.7 ºR, 591 psia, 484 lbmol/h, 98 % molar de H2 y 2 % molar
de metano) y un alimento líquido de tolueno puro (fracción de vapor = 0.0, 549.7 ºR, 591
psia, 370 lbmol/h). El tolueno se mezcla con un reciclo de tolueno (que viene de la sección
de separación), la corriente de salida de este mezclador se combina con el hidrogeno y la
gran corriente gaseosa de reciclo, que es una mezcla de hidrógeno y metano (60% de
metano y 40% de Hidrógeno); la corriente mixta se calienta en un intercambiador de calor
efluente/alimento (FEHE) por donde circula el efluente del reactor y, adicionalmente, en un
horno para elevar la temperatura de entrada al reactor a 1150 ºF. La presión de entrada al
reactor es de 521 psia.
El reactor es tubular y adiabático sin catalizador. El recipiente tiene 9.53 pies de diámetro
y 57 pies de longitud. El alimento tiene 376 lbmol/h de tolueno y 2132 lbmol/h de
hidrógeno. El gran exceso de hidrógeno es necesario para prevenir la coquización dentro
del reactor a estas altas temperaturas.
El efluente del reactor contiene 106 lbmol/h de tolueno, de modo que la conversión por
paso es de 72 %. Se producen 4.8 lbmol/h de difenilo. La primera reacción exotérmica
ocasiona que la temperatura adiabática aumente 69 ºF (La temperatura a la salida del
reactor es de 1219 ºF). El efluente caliente del reactor se enfría rápidamente a 1130 ºF
agregándole un líquido frío (135 lbmol/h) para impedir la coquización. Esta corriente
caliente entra a un gran intercambiador de calor (área de 30000 pie2) en donde se enfría
hasta 252 ºF. El coeficiente de transferencia global de calor es bajo (20 BTU/h-pie2-ºF)
porque es un sistema gas-gas. Luego se utiliza un intercambiador de calor enfriado por agua
para enfriar la corriente a 113 ºF. Una parte de la corriente se condensa para formar una
mezcla formada en su mayor parte por benceno, tolueno y difenilo.
Las fases liquida y gaseosa se separan en un tanque separador. Una parte del gas se purga
(476 lbmol/h) para eliminar el metano que se forma en la reacción. La composición de esta
purga es aproximadamente de 60% molar de metano y 40% molar de hidrogeno. El resto
del gas (3990 lbmol/h) se comprime y se recicla al comienzo del proceso.
259
La corriente liquida que constituye el producto de este proceso es una mezcla de benceno,
en gran proporción, tolueno y difenilo. Esta corriente es la corriente de alimento que pasa a
un tren de separación se usa el método de separación “directa” (el más liviano es el primero
que sale).
4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
Se consigue una convergencia del proceso haciendo una simulación escalonada de cada uno
de los lazos de reciclo incluidos en el proceso. Por lo tanto, después de la instalación de las
corrientes de alimento se asumen algunas corrientes y se simula primero el lazo ReciUno,
luego el ReciDos, después ReciTres y finalmente ReciCuatro.
Alimentación: Instale las corrientes Tolueno e Hidrógeno con las especificaciones
anotadas en 3.2, instale las válvulas V1 y V2 con caídas de presión de 50 psi para cada una.
Instale la corriente ReciGas y asígnele las especificaciones supuestas de 118.20 ºF, 541
psia, 3990 lbmol/h, 60 % molar de metano y 40 % molar de hidrógeno; además, asigne una
corriente ReciTolueno con las especificaciones supuestas de 541 psia de presión, 282.22 °F,
167 lbmol/h y una composición de 0.999197 de tolueno, 0.000603 de benceno y 0.0002 de
difenilo. Instale un mezclador M3 y conecte SaleV1 y ReciTolueno como corrientes de
entrada y TolTotal como corriente de salida, luego conecte las corrientes ReciGas, SaleV2
y TolTotal a un mezclador M1 y denomine como EntInt a su corriente de salida, la cual
debe estar completamente especificada junto con el mezclador.
LAZO DE RECICLO ReciUno:
Corriente EntCoraza: Instale una corriente con este nombre y asígnele las siguientes
especificaciones supuestas: 1103 ºF, 504 psia, 4994 lbmol/h, 10 % molar de Tolueno, 20 %
molar de Hidrógeno 50 % de Benceno, 10 % de metano y 10 % de Difenilo.
Intercambiador FEHE: Instale un intercambiador de carcasa y tubo y nómbrelo como
FEHE. Conecte por los tubos la corriente de entrada EntInt y como corriente de salida
EntHorno. Conecte por la coraza la corriente de entrada EntCoraza y como corriente de
salida EntConden. En la página Parámetros de la pestaña Design, asigne una caída de
presión de10 psi por los tubos y 2 psi por la carcaza y seleccione como Heat Exchanger
Model el Ponderado (Weighted) y digite 600.000 BTU/ºF-h al Overall UA (30000 pie2 *20
BTU/h-ºF-pie2).
Horno: Instale un heater para simular un horno, aliméntelo con la corriente EntHorno y
descárguelo con la corriente EntReactor y conéctele su corriente de energía QHorno. En la
página Parámetros de la pestaña Design digite una caída de presión de 10 psi. En la página
Condiciones de la pestaña Worksheet digite para la corriente EntReactor las
especificaciones 1150 ºF.
Reactor: Instale un reactor tubular alimentándolo con la corriente EntReactor y
descargándolo con la corriente SaleReactor. En la página Overall de la pestaña Reactions
260
introduzca el conjunto de reacciones Global Rxn Set. En la página Sizing de la pestaña
Rating introduzca las dimensiones de 9.53 pie y 57 pies de longitud y una caída de presión
de 17 psia.
Mezclador M2: Aliméntelo con las corrientes SaleReactor y Quench y descárguelo con la
corriente SaleQuench. Asígnele a la corriente Quench las siguientes especificaciones:
(Fracción de vapor = 0.0, 113 ºF, 534 psia, 150 lbmol/h, 70 % molar de Benceno, 20 % de
Tolueno y 10 % de difenilo.
Botón de reciclo ReciUno: Instale un botón de reciclo con dicho nombre, conéctelo con
SaleQuench como corriente de entrada y EntCoraza como corriente de salida. El lazo de
reciclo ReciUno convergerá satisfactoriamente.
LAZO DE RECICLO ReciDos:
Condensador: Instale un cooler para simular un condensador del mismo nombre.
Aliméntelo con la corriente EntConden y descárguelo con la corriente SaleConden, y
conéctele una corriente de energía de nombre QConden. En la página Parámetros de la
pestaña Design asigne una caída de presión de 10 psi y en la página Conditions de la
pestaña Worksheet asigne una temperatura de 113 ºF a la corriente SaleConden.
Separador de Fases: Instale un separador de fases con el nombre Separador, Conéctelo
con la corriente SaleConden como alimento y las corrientes Gas y Líquido como corrientes
de salida.
Bombeo de líquido: Instale una bomba con el nombre de B1 y conéctela en la succión con
la corriente Líquido y en la descarga SaleB1, además, conecte su corriente de energía con el
nombre de HPBomba. En la página Parámetros de la pestaña Design asigne 108 psi como
caída de presión
Divisor de la corriente de descarga de la bomba: Instale un divisor de corriente con el
nombre de T1. Aliméntelo con la corriente SaleB1, la cual se divide en EntR2 y Sale T1 y
en la página parámetros de la pestaña Desing asigne el valor de 0.1 para la fracción
correspondiente a EntR2. La corriente SaleT1 después de circular por la válvula V3 con
una caída de presión igual a 50 psi es el producto de Benceno deseado.
Botón de reciclo ReciDos: Instale un botón de reciclo con dicho nombre, conéctelo con
EntR2 como corriente de entrada y Quench como corriente de salida. El lazo de reciclo
ReciDos convergerá satisfactoriamente.
LAZO DE RECICLO ReciTres:
Compresor de Gas: Instale un compresor con dicho nombre y asigne como carga la
corriente Gas y como descarga la corriente denominada Descarga, además de la conexión
261
de la corriente de energía HPComp. Asigne a la corriente Descarga una presión de 542
psia.
Divisor de la corriente Descarga: Instale un divisor de corriente con el nombre T2 y
alimentelo con la corriente Descarga la cual se divide en GasReciclo y EntraV4, en la
pagina parámetros de la pestaña Desing asigne el valor de 0.1 para la fracción
correspondiente a EntraV4; la corriente EntraV4 después de circular por la válvula V4 con
una caída de presión igual a 50 psi que es la corriente de purga.
Botón de reciclo ReciTres: Instale un botón de reciclo con dicho nombre, conéctelo con
GasReciclo como corriente de entrada y ReciGas como corriente de salida, el lazo de
ReciTres convergerá satisfactoriamente.
SECCIÓN DE SEPARACIÓN
Para que este sistema converja es necesario que a la primera parte de la simulación (Reactor
Tubular con Reciclo Gaseoso) se le hagan ciertas modificaciones, para que arrogara las
concentraciones iniciales. Estas modificaciones radican al incrementar el número de paso o
la fracción de vacío en el reactor.
La fase líquida del separador va a una bomba y se divide en la corriente que se utiliza para
el enfriamiento rápido de la corriente que sale del reactor y la corriente alimento a la
primera columna, la Estabilizadora. Esta corriente tiene 0.0027 % molar de hidrógeno,
3.5048% molar de metano, 64.0428% molar de tolueno y 1.7003% molar de difenilo. Se
usa el método de separación “directa” (el más liviano es el primero que sale).
Columna Estabilizadora: La columna tiene 6 platos, el alimento se suministra en el plato
4, opera a 150 psia, el condensador es solo reflujo (Full Reflux), tiene 1 pie de diámetro, el
volumen del acumulador de reflujo es de 7.5 pies3 y el de la base de 250 pies
3, asignele los
nombres a las corrientes de energía: Qconden1 al calor del condensador, Qreh1 al calor del
rehervidor, a las corrientes de materia Dest1 al destilado, Bot1 al producto de fondo. En la
página “Desing” vista “specs” agregue las siguientes especificaciones: Fracción molar
destilado XD1= 4.2 x 10-2
, Fracción molar fondo XB1= 1.0 x 10-6
, flujo de destilado =
15.68 lbmol/h, razón de reflujo de 1.606, flujo de calor en el rehervidor de 4.9 x 106
BTU/h, temperatura de 120°F. Luego en la vista monitor deje activo XD1 y XB1. La
Figura 33.2 muestra estos estimativos. Conecte a las corrientes de salida las válvulas V5 y
V6, con una caída de presión de 50 psia.
Columna Producto T_102: la columna tiene 27 platos, el alimento se suministra en el
plato 13, opera a 30 psia, el condensador es total, la columna tiene 5.7 pies de diámetro, el
volumen del acumulador de reflujo es de 293 pies3 y el de la base de 316 pies
3, asignele los
nombres a las corrientes de energía: Qconden2 al calor del condensador, Qreh2 al calor del
rehervidor, a las corrientes de materia Dest2 al destilado, Bot2 al producto de fondo. En la
página “Desing” vista “specs” agregue las siguientes especificaciones: Fracción molar
262
destilado XD2= 3.0 x 10-4
, Fracción molar fondo XB2= 6.0 x 10-4
, flujo de destilado =
273.4 lbmol/h, razón de reflujo de 1.668 x 10-3
, flujo de calor en el rehervidor de 15.77 x
106 BTU/h, temperatura de 222.7°F. Luego en la vista monitor deje activo XD2 y XB2. La
Figura 33.3 muestra estos estimativos. Conecte a la corriente de salida Dest2 la válvulas V7
y a Bot2 conecte una bomba B2, con un incremento de 100 psia, luego a SaleB2 conecte
una válvula V8, ambas válvulas tienen una caída de presión de 50 psia.
Figura 33.2. Especificaciones y estimativos de la columna estabilizadora
Figura 33.3. Especificaciones y estimativos de la columna T_102
Columna Reciclo T_103: la columna tiene 7 platos, el alimento se suministra en el plato 3,
opera a 30 psia, el condensador es total, la columna tiene 2.5 pies de diámetro, el volumen
del acumulador de reflujo es de 36 pies3 y el de la base de 46 pies
3, asignele los nombres a
las corrientes de energía: Qconden3 al calor del condensador, Qreh3 al calor del rehervidor,
a las corrientes de materia Dest3 al destilado, Bot3 al producto de fondo. En la página
263
“Desing” vista “specs” agregue las siguientes especificaciones: Fracción molar destilado
XD3= 2.0 x 10-4
, Fracción molar fondo XB3= 2.6 x 10-4
, flujo de destilado = 131.6
lbmol/h, razón de reflujo de 9.554 x 106, flujo de calor en el rehervidor de 2.12 x 10
6
BTU/h, temperatura de 278.4°F. Luego en la vista monitor deje activo XD3 y XB3. La
Figura 33.4 muestra estos estimativos. Conecte a la corriente de salida Dest2 conecte una
bomba B3, con un incremento de 511 psia, y a Bot3 conecte una válvula V9, con una caída
de presión.
Figura 33.4. Especificaciones y estimativos de la columna T_103
Botón De Reciclo ReciCuatro: el botón de reciclo se conecta a la entrada con SaleB3 y a
la salida con ReciTolueno, esta corriente ReciTolueno se asume inicialmente con una
presión de 541 psia, 282.22 °F, 167 lbmol/h y una composición de 0.999197 de tolueno,
0.000603 de benceno y 0.0002 de difenilo. Con estas suposiciones, el sistema converge de
manera satisfactoria.
5. RESULTADOS
La Figura 33.5 muestra el libro de trabajo con las especificaciones finales de todas las
corrientes del diagrama.
6. CASOS DE ESTUDIO
6.1. Si le solicitara que disminuyera el flujo de purga que se está liberando, ¿Qué cambios
haría para lograr este propósito?
6.2. ¿Qué se puede hacer para obtener mayor producción de benceno al final del proceso?
264
6.3. ¿Qué cambios le haría al proceso para que exista una mejor integración tanto másica
como energética?
Figura 33.5. Libro de trabajo con las especificaciones de las corrientes del proceso
265
34. PROCESO DE PRODUCCIÓN DE ACETONA
1. OBJETIVOS
1.1. Simular el proceso de la producción de acetona, en estado estacionario asistido por
HYSYS.
1.2. Analizar el efecto de cambios en las especificaciones de los productos en el
comportamiento del proceso.
2. INTRODUCCIÓN
Acetona es normalmente producida en cantidades comerciales como sub-producto en la
formación del fenol. Sin embargo, la acetona producida contiene pequeñas cantidades del
reactante benceno y el producto deseado (fenol). En el pasado dichas impurezas eran
consideradas entre los límites permisibles por la ley. No obstante, recientes revisiones de
estos límites han generado que procesos alternativos para la producción de acetona sean
más atractivos.
En esta práctica se estudiará el proceso para la producción de acetona empleando alcohol
isopropílico (IPA) como materia prima. Ésta es una opción comercialmente viable, la
ventaja principal de este proceso es que la acetona producida se encuentra libre de
compuestos aromáticos, particularmente benceno. Por ésta razón acetona producida a partir
de IPA puede ser favorable para la industria farmacéutica.
3. PROCESO ESTUDIADO
La producción de acetona a partir de alcohol isopropílico es un método atractivo usado en
la industria farmacéutica. Este proceso estacionario es considerado por Turton (Análisis,
Síntesis and Design of Chemical Processes”, Prectice Hall, 1998).
3.1. PAQUETE DE FLUIDO
Ecuación: UNIQUAC
Componentes: Alcohol Isopropílico, Acetona, Hidrógeno, Agua.
Reacciones: Tipo: Cinético
Estequiometria: La química consiste en la siguiente reacción:
(CH3)2CHOH (CH3)2CO + H2
266
La reacción para formar acetona a partir de alcohol isopropílico es endotérmica con un
calor estándar de reacción de 62.9 kJ/mol. La reacción es cinéticamente controlada y ocurre
sobre un catalizador. En la practica, algunas reacciones laterales pueden ocurrir
produciendo Propileno, Diisopropil Eter, Acetaldehído y otros hidrocarburos y óxidos de
carbono en pequeñas proporciones.
Base: Para la reacción presentada la base es concentración molar; el componente base es el
alcohol isopropílico; la fase de la reacción es Vapor y las unidades bases son kmol/m3 gas y
kmol/m3 reactor-s para la velocidad de reacción.
Parámetros Cinéticos: La ecuación usada en la simulación es:
rIPA = 3.51x105
RT
72380
e CIPA
Donde la velocidad de reacción está en kmol/m3 reactor-s, la concentración en kmol/m
3, la
energía de activación está en kJ/kmol, y la temperatura en grados centígrados.
3.2. DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO
La Figura 34.1 muestra el diagrama de flujo de este proceso terminada la simulación.
Figura 34.1. Diagrama de flujo del proceso de producción de acetona
267
3.2.1. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
Una mezcla azeotrópica de alcohol isopropílico y agua, corriente IsoPropyl Alcohol (51.96
kmol/h, 25 ºC, 1.01 bar, 34.82 kmol/h de IPA, 17.14 kmol/h de Agua) es alimentado a un
mezclador donde se mezcla con la corriente ReciIPA (5.88 kmol/h, 83 ºC, 1.2 bar, 0.16
kmol de Acetona, 3.82 kmol/h de IPA, 1.9 kmol/h de agua), una mezcla de IPA sin
reaccionar y agua. Este material es vaporizado antes de alimentarse al reactor hasta una
temperatura de 234 ºC y 2.16 bar. El reactor opera a 2 bar y 350 ºC, la presión de entrada al
reactor es 2.16 bar y la de salida es 1.91 bar. El recipiente tiene 1.85 m de diámetro y 8 m
de longitud. El alimento al reactor tiene 0.16 kmol/h de acetona, 38.64 kmol/h de IPA y
19.04 kmol/h de agua.
El efluente del reactor contiene 3.86 kmol/h de IPA, de modo que la conversión por paso es
de 90%. Se producen 34.78 kmol/h de Hidrógeno. El efluente caliente del reactor se enfría
agregándole un líquido frío en dos intercambiadores antes de alimentarse al separador (V-
401). El vapor que deja el separador se absorbe con agua de proceso para recuperar la
acetona, y entonces este líquido se combina con el líquido que sale del separador para ser
enviado a la sección de separación. Se emplean dos torres de destilación para separar el
producto de acetona (98% molar) y remover el exceso de agua y el IPA sin reaccionar que
se reciclan al comienzo del proceso.
4. SIMULACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO
Se consigue una convergencia del proceso después de la instalación de las corrientes de
alimento, se asumen algunas corrientes y se simula el sistema de reacción, la instalación del
absorbedor y luego la adición de las dos columnas de destilación para efectuar la
separación.
Alimentación: Instale las corrientes IsoPropyl Alcohol y ReciIPA, con las especificaciones
anotadas en 3.2.1. Instale el mezclador M1 como se muestra en la Figura 34.2.
Figura 34.2 Corrientes conectadas al mezclador M1
268
Bombeo de líquido: Instale una bomba con el nombre de B1 y conéctela en la succión con
la corriente To_B1 y en la descarga Sale_B1, además conecte su corriente de energía con el
nombre de HP_B1. En la página Parámetros de la pestaña Design asigne 2 bar como caída
de presión.
Intercambiador E-401: Instale la válvula V1 con Sale_B1 como entrada y la corriente
Sale_V1 como salida. Alimente Sale_V1 por los tubos al intercambiador E-401 y la
corriente EntReactor como salida. Alimente por la coraza la corriente hps1in (fracción de
vapor = 1, 254 ºC, 2990 kg/h) y la corriente hps1out como salida. En la página Parámetros
de la pestaña Design, asigne una caída de presión de 0.14 bar por los tubos y 0.1 bar por la
coraza, seleccione como Heat Exchanger Model el ponderado (Weighted). En la página
Condiciones de la pestaña Worksheet digite para la corriente EntReactor la especificación
de 234 ºC. Observe Figura 34.3
Figura 34.3. Corrientes conectadas al intercambiador E-401
Reactor: Instale un reactor tubular alimentándolo con la corriente EntReactor y
descargándolo con la corriente SaleReactor con la corriente de energía Qreac. En la página
Parámetros de la pestaña Design asígnele una caída de presión de 0.25 bar y un Duty de
calentamiento de 6.19x105 kcal/h. En la página Overall de la pestaña Reactions introduzca
el conjunto de reacciones Global Rxn Set. En la página Sizing de la pestaña Rating
introduzca las dimensiones de 1.85 m de diámetro y 8 m de longitud. Observe Figura 34.4.
Intercambiador E-402: Alimente SaleReactor por los tubos al intercambiador E-402 y la
corriente to_E-403 como salida. Alimente por la coraza la corriente cw1in (fracción de
vapor = 0, 30 ºC, 3 bar. 77900 kg/h) y la corriente cw1out como salida. En la página
Parámetros de la pestaña Design, asigne una caída de presión de 0.14 bar por los tubos y
0.0 bar por la coraza, seleccione como Heat Exchanger Model el ponderado (Weighted). En
la página Condiciones de la pestaña Worksheet digite para la corriente to_E-403 la
especificación de 45 ºC. Observe la Figura 34.5.
269
Figura 34.4. Especificaciones del reactor R-401
Figura 34.5. Especificaciones del intercambiador E-402
Intercambiador E-403: Alimente to_E-403 por los tubos al intercambiador E-403 y la
corriente to_V-401 como salida. Alimente por la coraza la corriente rw1in (fracción de
vapor = 0, 5 ºC, 3 bar. 13500 kg/h) y la corriente rw1out como salida. En la página
Parámetros de la pestaña Design, asigne una caída de presión de 0.14 bar por los tubos y
0.0 bar por la coraza, seleccione como Heat Exchanger Model el ponderado (Weighted). En
la página Condiciones de la pestaña Worksheet digite para la corriente to_V-401 la
especificación de 20 ºC.
Separador de Fases: Instale un separador de fases con el nombre de V-401. Conéctelo con
las corrientes to_V-401 como alimento y Vapor y Líquido como corrientes de salida.
270
Absorbedor: Instale la corriente Process Water (agua a 25 ºC, 2 bar, 20 kmol/h), hágala
circular por la válvula V2 con 0.5 bar como caída de presión y Sale_V2 como salida.
Alimente Sale_V2 al absorbedor de nombre T-401 como liquido por el tope, la corriente
Vapor por el fondo, VaporAbs y LiquidoAbs como corrientes de salida, esta columna tiene
11 platos. La presión en el tope de la columna es 1.5 bar y 1.63 bar en el fondo. Observe las
Figuras 34.6 y 34.7.
Figura 34.6. Conexiones de la columna T-401
Figura 34.7. Pestaña “Flowsheet” de la columna T-401
271
Mezclador: Instale un mezclador de nombre M2, aliméntelo con las corrientes Liquido y
LiquidoAbs y con la corriente 9 como salida.
Columna T-402: Instale una columna de destilación con el nombre de T-402, y mediante la
guía del asistente especifique en su primera página 66 platos y condensador parcial,
conéctela con la corriente de entrada 9, alimentada en el plato 33; corrientes de salida
Destilado1 y Fondo1 y corrientes de energía QCond1 y QReh1. La columna opera a 1.5 bar
por el tope y 1.4 bar por el fondo. Agregue y active las siguientes especificaciones
mostradas en la Figura 34.8. La columna convergerá satisfactoriamente.
Figura 34.8. Especificaciones de la columna T-402
Columna T-403: Instale una columna de destilación con el nombre de T-403, y mediante
la guía del asistente especifique en su primera página 19 platos y condensador parcial,
conéctela con la corriente de entrada Fondo1, alimentada en el plato 16; corrientes de salida
Destilado2 y WasteWater y corrientes de energía QCond2 y QReh2. La columna opera a 1.2
bar por el tope y 1.4 bar por el fondo. Agregue y active las siguientes especificaciones
mostradas en la Figura 34.9. La columna convergerá satisfactoriamente.
Figura 34.9. Especificaciones de la columna T-403
272
5. RESULTADOS
La Figura 34.10 muestra el libro de trabajo con las especificaciones finales de todas las
corrientes del diagrama de flujo.
Figura 34.9. Libro de trabajo (Composiciones de corrientes)
6. CASO DE ESTUDIO
Al observar la composición de la corriente Acetone ¿Qué cambios sugiere usted para lograr
obtener una composición de 99.9% molar de Acetona?
275
APÉNDICE A
VARIABLES DE DISEÑO
Las variables de diseño son todas aquellas que deben especificarse para definir
completamente una unidad operativa dentro de un proceso químico.
Para la determinación de las variables de diseño en una unidad, se requiere el conteo de:
El número total de variables (e
vN ) que influyen en la operación de la unidad. Esta
cantidad es análoga al número de incógnitas en un sistema algebraico de ecuaciones
simultáneas.
Las ecuaciones o relaciones o restricciones existentes en la unidad. El número de
restricciones se simbolizará como e
cN . Estas restricciones son análogas a las ecuaciones
independientes que pueden escribirse en un sistema algebraico.
Si el número de restricciones es igual al número total de variables, entonces el sistema está
completamente definido. La anterior igualdad no existe, con frecuencia, en los problemas
típicos de diseño y, en tal caso, el diseñador debe arbitrariamente especificar ciertas
variables. El número de variables que puede especificar se conoce como los “Grados de
Libertad” del sistema y pueden calcularse mediante la siguiente ecuación:
eee
cviNNN (A.1)
Los grados de libertad e
iN corresponden a las variables de diseño definidas anteriormente.
Tipos de variables
Las variables que un diseñador de un elemento o unidad de proceso debe considerar son:
1. Concentraciones de corrientes
2. Temperaturas
3. Presiones
4. Flujos
5. Variables de repetición, Nr
Las tres primeras variables de la lista son intensivas; es decir, son independientes de la
cantidad de materia presente. Sería permisible, por lo tanto, sustituirlas por cualquiera otra
propiedad intensiva como la entalpía molar, entropía molar, etc., pero esto es pocas veces
conveniente
276
La cuarta variable de la lista es una propiedad extensiva, es decir, depende de la cantidad de
materia presente. Otra propiedad extensiva, la entalpía total de corriente se utiliza en los
cálculos, pero solo como un medio para obtener los flujos de corrientes. El término “Flujo”
se utiliza para describir tanto flujo de materia como flujo de calor. Ejemplos de estos
últimos son el flujo calórico de entrada a un vaporizador y el flujo calórico removido de un
condensador.
La quinta variable de la lista no es ni intensiva ni extensiva. Es un solo grado de libertad
que el diseñador utiliza cuando especifica el número de veces que un elemento en particular
se repite en una unidad. Por ejemplo, una sección de una columna de destilación está
constituida de una serie de etapas de equilibrio y cuando el diseñador especifica el número
de etapas que la sección contendrá utiliza un solo grado de libertad representado mediante
la variable de repetición (Nr = 1.0). Si la columna de destilación contiene más de una
sección (rectificación y agotamiento), el número de etapas de cada sección debe
especificarse y existirán tantas variables de repetición como secciones haya en la columna;
en este caso; Nr = 2.
Relaciones de restricción, NC
La determinación de Nv para cualquier unidad es bastante sencilla y directa. No es difícil
contar todas las concentraciones de corrientes, temperaturas, presiones y flujos que existen
en un sistema y añadir a su número las variables de repetición requeridas.
Desafortunadamente, las relaciones de restricción, Nc, no son fáciles de contar. Para evitar
la omisión o duplicación de restricciones es necesario seguir algún procedimiento arbitrario
pero consistente con el cual se reduzcan las posibilidades de error.
Los tipos posibles de restricciones o relaciones o ecuaciones existentes en una unidad son
del tipo
1. Inherentes
2. Balances de materia
3. Balances de energía
4. Equilibrio físico
5. Equilibrio químico
Es arbitrario, a menudo, el considerar una cierta restricción de un tipo o de otro. Debe
tenerse mucho cuidado en evitar la redundancia en tales casos.
Restricciones Inherentes
Ciertas relaciones o condiciones de restricción son, a menudo, inherentes a la unidad
particular en consideración. Estas restricciones toman, usualmente, la forma de identidades
entre dos o más variables. Por ejemplo, el concepto de expansión isoentálpica que se realiza
277
en una válvula de Joule-Thompson incluye la restricción inherente de que las entalpías de
las corrientes de entrada y salida son iguales. Para cada identidad independiente, una
relación de restricción puede contarse y cada una de tales relaciones (ó su equivalente) debe
restarse del número total de variables, Nv, al calcular el número de variables de diseño, Ni.
Restricciones de balances de materia
Un balance de materia puede escribirse para cada uno de los “C” componentes presentes en
la unidad. Esto suministra C relaciones de restricción que deben restarse de Nv al calcular el
número de variables de diseño. En vez de plantear C balances de componente, es válido
escribir C – 1 balances de materia de componente mas un balance global de materia.
Debe tenerse el cuidado de que las restricciones de balances de materia utilizadas sean
independientes de las relaciones de restricción inherentes previamente planteadas
Restricciones de balances de energía
Un balance global de energía constituye otra relación de restricción. Se incluyen tanto las
corrientes calóricas como las corrientes de materia. En algunos casos, el balance de energía
puede no ser independiente de las identidades consideradas como restricciones inherentes.
Relaciones de equilibrio de fases
En una corriente que contiene más de una fase, cada componente se distribuye entre las
varias fases en una forma muy característica. La distribución de un componente entre dos
fases se describe mediante el coeficiente de distribución, K. Un componente que se
distribuye entre tres fases posee tres coeficientes de distribución, pero solo dos serán
independientes. En general, si todos los componentes existen en todas las fases, el número
de relaciones de restricción debidas al fenómeno de distribución es C(Np – 1), siendo Np, el
número de fases presentes
Relaciones de equilibrio químico
En sistemas químicos con reacción, los componentes se relacionan mediante las ecuaciones
que definen las constantes de equilibrio de la reacción. El número de tales relaciones es
igual al número mínimo de ecuaciones estequiométricas que deben escribirse para formar
todas las especies que se asumen presentes a partir de los componentes independientes
seleccionados. Una relación de equilibrio químico se establece entre dos o más
constituyentes en la misma fase o en diferentes fases, mientras que relación de distribución
describe la distribución de un componente entre dos fases.
La forma de las diferentes relaciones de restricción es inmaterial en este tipo de análisis.
Solamente el número de tales relaciones es importante. Por ejemplo, no hay diferencia entre
278
expresar un coeficiente de distribución en términos de fracciones molares, en peso o en
volumen o cualquiera otra conocida. Es suficiente con saber que las relaciones de
distribución existen o no existen.
279
APÉNDICE B
VARIABLES DE DISEÑO – ETAPAS DE EQUILIBRIO Antes de desarrollar el análisis de variables de diseño en columnas de separación, se
presenta el análisis de variables de las etapas de equilibrio que las conforman.
B.1 ETAPA DE EQUILIBRIO SIMPLE
En una columna de separación de mezclas, una etapa de equilibrio simple es aquella que se
alimenta por las corrientes de líquido y vapor de sus platos adyacentes y sus corrientes de
salida se encuentran en condiciones de equilibrio físico. Requiere de una corriente calórica
pero no incluye ni corriente de alimento ni corriente lateral. La Figura B.1 muestra el
esquema de una etapa de equilibrio simple
n
L, xn+1
L, xn
V, yn -1
V, yn
Q
Figura B.1. Etapa de equilibrio simple
Modelo matemático de una etapa de equilibrio simple
Las ecuaciones que modelan la transferencia de masa entre la corriente de líquido que
desciende y la corriente de vapor que asciende en una etapa de equilibrio simple se plantean
con los balances de materia para cada componente y el balance calórico entre las corrientes
de entrada y salida con la corriente de energía de la siguiente manera:
Balances de componentes: i
n
i
n
i
n
i
n VyLxVyLx 11 i = 1,…., C
Balance de energía: nVnLnVnL VhLhQVhLh ,,1,1,
Siendo que las fases vapor y líquido que emergen de la etapa están en estado de equilibrio
se cumplen las siguientes restricciones:
280
Relaciones de equilibrio: i
n
i
n
i
n xKy i = 1,…., C
Igualdad de temperaturas: nLnV TT ,,
Igualdad de presiones: nLnV PP ,,
Análisis de variables de diseño en una etapa de equilibrio simple
El número de variables de diseño se obtiene de la siguiente manera:
Variables Cantidad
Corrientes de materia 4(C + 2)
Corriente de calor 1
Total variables 4C + 9
Ecuaciones Cantidad
Balances de materia C
Balance de energía 1
Relaciones de equilibrio C
Igualdad de temperaturas 1
Igualdad de presiones 1
Total ecuaciones 2C + 3
Total variables de diseño 2C + 6
Las variables más comúnmente especificadas por un diseñador en una etapa de equilibrio
simple son las siguientes
Especificaciones de la corriente de entrada de líquido C + 2
Especificaciones de la corriente de entrada de vapor C + 2
Presión de la etapa de equilibrio 1
Flujo calórico 1
Total 2C + 6
B.2 ETAPA DE EQUILIBRIO CON ALIMENTACIÓN
Esta etapa se diferencia de una de equilibrio simple en que una quinta corriente de materia
de alimentación se incluye. La Figura B.2 muestra el esquema de una etapa de equilibrio
con alimento.
281
En general, no existen identidades entre la corriente de alimentación y cualquiera de las
otras cuatro corrientes de materia; es decir, la composición, la temperatura, la presión y el
flujo de la corriente de alimentación no son idénticos con las de cualquiera de las otras
corrientes.
n
L, xn+1
L, xn
V, yn -1
V, yn
QF, zi
Figura B.2. Etapa de equilibrio con corriente de alimentación
Modelo matemático de una etapa de equilibrio con alimentación
Las ecuaciones que modelan la transferencia de masa entre la corriente de líquido que
desciende y la corriente de vapor que asciende en una etapa de equilibrio con alimento se
plantean con los balances de materia para cada componente y el balance calórico entre las
corrientes de entrada y salida con la corriente de energía de la siguiente manera:
Balances de componentes: i
n
i
n
ii
n
i
n VyLxFzVyLx 11 i = 1,…., C
Balance de energía: nVnLFnVnL VhLhQFhVhLh ,,1,1,
Siendo que las fases vapor y líquido que emergen de la etapa están en estado de equilibrio
se cumplen las siguientes restricciones:
Relaciones de equilibrio: i
n
i
n
i
n xKy i = 1,…., C
Igualdad de temperaturas: nLnV TT ,,
Igualdad de presiones: nLnV PP ,,
Análisis de variables de diseño en una etapa de equilibrio con alimento
El número de variables de diseño se obtiene de la siguiente manera:
282
Variables Cantidad
Corrientes de materia 5(C + 2)
Corriente de calor 1
Total variables 5C + 11
Ecuaciones Cantidad
Balances de materia C
Balance de energía 1
Relaciones de equilibrio C
Igualdad de temperaturas 1
Igualdad de presiones 1
Total ecuaciones 2C + 3
Total variables de diseño 3C + 8
Este número excede en C + 2 al número de variables de diseño para una etapa de equilibrio
simple, que es el número de variables que se necesitan para definir a la corriente adicional
de alimentación. Es decir, que el diseñador completará las especificaciones con las de las
corrientes de líquido y vapor que entran a la etapa, la corriente de alimento, el flujo calórico
y la presión en la etapa
B.3 ETAPA DE EQUILIBRIO CON CORRIENTE LATERAL
La Figura B.3 muestra un esquema de una etapa de equilibrio con corriente lateral.
n
L, xn+1
L, xn
V, yn -1
V, yn
Q S
Figura B.3. Etapa de equilibrio con corriente lateral
Una etapa con corriente lateral es una etapa intermedia, dentro de una serie de etapas de
equilibrio simples, desde donde sale una corriente de producto. La corriente lateral debe ser
de la misma composición, temperatura y presión, ya sea de la corriente de líquido o de
vapor que emergen en estado de equilibrio en el interior de la etapa. La corriente lateral
283
puede recircularse a otra etapa después de enfriada o calentada, pero esto es inmaterial para
el análisis de variables de diseño.
Modelo matemático de una etapa de equilibrio con corriente lateral
Las ecuaciones que modelan la transferencia de masa entre la corriente de líquido que
desciende y la corriente de vapor que asciende en una etapa de equilibrio con corriente
lateral se plantean con los balances de materia para cada componente y el balance calórico
entre las corrientes de entrada y salida con la corriente de energía de la siguiente manera:
Balances de componentes: i
S
i
n
i
n
i
n
i
n SxVyLxVyLx 11 i = 1,…., C
Balance de energía: SnVnLnVnL ShVhLhQVhLh ,,1,1,
Siendo que las fases vapor y líquido que emergen de la etapa están en estado de equilibrio
se cumplen las siguientes restricciones:
Restricciones para el equilibrio de fases en el plato
Relaciones de equilibrio: i
n
i
n
i
n xKy i = 1,…., C
Igualdad de temperaturas: nLnV TT ,,
Igualdad de presiones: nLnV PP ,,
Restricciones con respecto a la corriente lateral
Igualdad de concentraciones: i
n
i
S
i
n
i
S yxxx o i = 1,…., C – 1
Igualdad de temperaturas: nS TT
Igualdad de presiones: nS PP
Análisis de variables de diseño en una etapa de equilibrio con corriente lateral
El número de variables de diseño se obtiene de la siguiente manera:
284
Variables Cantidad
Corrientes de materia 5(C + 2)
Corriente de calor 1
Total variables 5C + 11
Ecuaciones Cantidad
Balances de materia C
Balance de energía 1
Relaciones de equilibrio entre fases C
Igualdad de temperaturas entre fases 1
Igualdad de presiones entre fases 1
Igualdad de concentraciones corriente lateral C – 1
Igualdad de temperaturas corriente lateral 1
Igualdad de presiones corriente lateral 1
Total ecuaciones 3C + 4
Total variables de diseño 2C + 7
Este número excede en uno al número de variables de diseño requeridas en una etapa de
equilibrio simple y, probablemente, sea el flujo de la corriente lateral el que se especifique
para completar este grado de libertad adicional. La composición, temperatura y presión de
la corriente lateral se fijan, generalmente, mediante las especificaciones asignadas para la
etapa de equilibrio.
285
APÉNDICE C
VARIABLES DE DISEÑO – COLUMNAS DE ABSORCIÓN
El análisis de variables de diseño en una unidad compleja se simplifica haciéndolo para
cada uno de los elementos por separado y combinando los resultados para obtener la
respuesta para la unidad, de la misma manera que los elementos se combinan para formar a
la unidad misma.
El número total de variables intensivas y extensivas que deben considerarse en una
combinación de elementos es igual a la suma de las variables independientes, e
iN asociadas
con cada uno de los elementos simples. Además de las variables intensivas y extensivas, se
debe contar una variable de repetición para cada decisión que el diseñador debe hacer con
relación al número de repeticiones de cualquier tipo particular de elemento dentro de la
unidad. Lo anterior puede expresarse matemáticamente de la siguiente forma
e
ir
u
v NNN (C.1)
Donde el superíndice u se refiere a la unidad o combinación de elementos. El número de
variables independientes u
iN asociado con la combinación puede calcularse mediante
u
c
u
v
u
i NNN (C.2)
Donde u
cN se refiere a las nuevas relaciones de restricción que surgen cuando los
elementos se combinan. La cantidad u
cN no incluye a las relaciones de restricción
consideradas al calcular los sN e
i ' para los diferentes elementos. Las nuevas restricciones
incluidas en u
cN son las identidades entre corrientes que existen en cada una de las
corrientes comunes entre dos elementos. Las variables de las corrientes comunes, C + 2, se
contaron en cada uno de los dos elementos cuando se calcularon sus respectivos sN e
i ' . Por
lo tanto, un número de C + 2 nuevas relaciones de restricción deben contarse para cada
corriente común en la combinación de elementos
En esta sección se analiza, inicialmente, una unidad de varias etapas de equilibrio simple
que operan en serie y, posteriormente, algunos casos de columnas de absorción
286
C.1 UNIDAD DE VARIAS ETAPAS DE EQUILIBRIO SIMPLE
La Figura C.1 muestra una unidad constituida de N etapas de equilibrio simple. La corriente
1NL es el líquido absorbedor en una columna de absorción o el solvente fresco en una
columna de extracción. En una numeración de abajo a arriba, la etapa 1 no es considerada
una etapa de alimentación como tampoco es considerada la etapa N como una con corriente
lateral porque ellas incluyen cuatro corrientes de materia. Las corrientes energéticas en
cada etapa de equilibrio no se muestran en la Figura C.1, pero si existen y deben
especificarse sus magnitudes por el diseñador.
La decisión de cuantas etapas incluirá la unidad es responsabilidad del diseñador y, por lo
tanto, la especificación del número de etapas, N, constituye un solo grado de libertad y
0.1rN . El número total de variables u
vN a considerar es dado por
)62(1 CNNNN e
ir
u
v debido a que para cada etapa de equilibrio el número
de variables de diseño es de 62 CN e
i .
VN
Vo
LN+1
L1
12
3
N
N - 1
N - 2
Figura C.1. Unidad de varias etapas de equilibrio simple
En la unidad existen 2(N – 1) corrientes comunes entre las etapas de equilibrio y, por lo
tanto, 2(N – 1)(C + 2) nuevas identidades (no contadas previamente) hay que contabilizar
cuando se combinan los elementos. La sustracción de estas restricciones del valor de u
vN da
el número de variables de diseño, u
iN , disponibles para el diseñador.
522)2)(1(2)62(1 NCCNCNNNN u
c
u
v
u
i
El diseñador podría utilizar estos (2C + 2N + 5) grados de libertad de la siguiente manera
287
Especificaciones u
iN
Presión en cada etapa de equilibrio N
Flujo calórico en cada etapa de equilibrio N
Corriente de vapor (absorción) o líquido (extracción) de entrada C + 2
Corriente de absorbedor o solvente de entrada C + 2
Cantidad de etapas de equilibrio 1
Total 2C + 2N + 5
C.2 COLUMNA DE ABSORCIÓN SIMPLE
En una columna de absorción se asume que el líquido absorbente proviene de la etapa
correspondiente al número N + 1, y que el vapor proviene de una etapa cero. Esto hace que
para la determinación de sus variables de diseño se considere ese número de etapas de
equilibrio con 2N corrientes comunes entre las N etapas de equilibrio que conforman la
columna absorbedor. El número total de variables u
vN a considerar es dado por:
)62)(1(1 CNNNN e
ir
u
v
El número de restricciones adicionales correspondientes a las 2N corrientes comunes está
dado por: )2(2 CNN u
c y el número total de variables de la unidad de absorción está
dado por 722)2(2)62)(1(1 NCCNCNN u
i
El diseñador podría utilizar estos (2C + 2N + 7) grados de libertad de la siguiente manera,
Especificaciones u
iN
Presión en cada etapa de equilibrio N
Presión en las etapas uno y N + 1 2
Flujo calórico en cada etapa de equilibrio N
Corriente de vapor (absorción) o líquido (extracción) de entrada C + 2
Corriente de absorbedor o solvente de entrada C + 2
Cantidad de etapas de equilibrio 1
Total 2C + 2N + 7
C.3 ABSORBEDOR CON REFLUJO Y CONDENSADOR PARCIAL
Esta unidad, Figura C.2, contiene un elemento conformado por N etapas de equilibrio, un
condensador parcial y un divisor de corrientes que fracciona el condensado en una corriente
288
de reflujo y otra de producto. Para los tres elementos, el número total de variables es
1424)5()4()522( NCCCNCN u
v
El número de restricciones adicionales, correspondientes a las 3 corrientes comunes,
condensador – columna, condensador – divisor y divisor – columna, está dado por
63)2(3 CCN u
c y el número total de variables de la unidad de absorción con
condensador parcial y reflujo está dado por: 82)63()1424( NCCNCN u
i
V
Vo
L1
1
N
D
Divisor
de
Corrientes
Condensador
Parcial
Etapas
de
Equilibrio
Figura C.2. Columna de absorción – Condensador Parcial – Reflujo
El diseñador podría utilizar estos (C + 2N + 8) grados de libertad de la siguiente manera,
Especificaciones u
iN
Presión en cada etapa de equilibrio N
Presión en las etapas uno y N + 1 2
Flujo calórico en cada etapa de equilibrio N
Corriente de vapor de entrada C + 2
Caída de presión en el condensador 1
Flujo calórico en el condensador 1
Relación de reflujo 1
Cantidad de etapas de equilibrio 1
Total C + 2N + 8
289
Columna de absorción con corriente lateral
Esta unidad, Figura C.3, contiene dos elementos conformados por M y N - M etapas de
equilibrio, respectivamente, y una etapa de equilibrio con corriente lateral.
LN+1
VN
Vo
L1
1
M
N
S
M + 1
Figura C.3. Columna de absorción con corriente lateral
Para los tres elementos, el número total de variables es
1726)72(5225))1()1`((22 NCCMCMNCN u
v
El número de restricciones adicionales, correspondientes a las 4 corrientes comunes,
columna – etapa de equilibrio con corriente lateral, está dado por
84)2(4 CCN u
c y el número total de variables de la unidad de absorción con
condensador parcial y reflujo está dado por
922)84()1726( NCCNCN u
i
El diseñador podría utilizar estos (2C + 2N + 9) grados de libertad de la siguiente manera,
290
Especificaciones u
iN
Presión en cada etapa de equilibrio N
Presión en las etapas uno y N + 1 2
Flujo calórico en cada etapa de equilibrio N
Corriente de vapor de entrada C + 2
Corriente de entrada de absorbedor C + 2
Cantidad de etapas de equilibrio 1
Número de la etapa de corriente lateral 1
Flujo de corriente lateral 1
Total 2C + 2N + 9
Columna de absorción con dos alimentos y rehervidor parcial
Esta unidad, Figura C.4, contiene dos elementos conformados por M y N - M etapas de
equilibrio y una etapa de equilibrio con alimentación y un rehervidor parcial.
Para los cuatro elementos, el número total de variables es
2228)4(522)83(5))1()1((22 NCCMCCMNCN u
v
El número de restricciones adicionales, correspondientes a las 6 corrientes comunes,
columna – etapa de equilibrio con corriente lateral, está dado por
126)2(6 CCN u
c
LN+1
VN
L
1
M
N
FM + 1
Figura C.4. Columna de absorción con dos alimentos y rehervidor parcial
291
Y el número total de variables de la unidad de absorción con dos alimentos y rehervidor
parcial está dado por
1022)126()2228( NCCNCN u
i
El diseñador podría utilizar estos (2C + 2N + 10) grados de libertad de la siguiente manera:
Especificaciones u
iN
Presión en cada etapa de equilibrio N
Presión en las etapas uno y N + 1 2
Flujo calórico en cada etapa de equilibrio N
Corriente de alimentación C + 2
Corriente de entrada de absorbedor C + 2
Cantidad de etapas de equilibrio 1
Número de la etapa de alimentación 1
Caída de presión en el rehervidor 1
Flujo calórico en el rehervidor 1
Total 2C + 2N + 10
Columnas de absorción con tres alimentos
Esta unidad, Figura C.5, contiene tres conjuntos de etapas de equilibrio en cantidades de M,
L – M - 1 y N – L, respectivamente, y dos etapas de equilibrio con alimentación.
Para los cinco elementos, el número total de variables es
Primer conjunto de etapas de equilibrio 2C + 2((N +1) – (L + 1)) +5
Etapa de alimentación M + 1 3C + 8
Segundo conjunto de etapas de equilibrio 2C + 2(L – (M + 1)) + 5
Etapa de alimentación L + 1 3C + 8
Tercer conjunto de etapas de equilibrio 2C + 2M + 5
Total 12C + 2N + 29
El número de restricciones adicionales, correspondientes a las 8 corrientes comunes, etapas
de equilibrio – etapas de alimentación está dado por
168)2(8 CCN u
c
292
Y el número total de variables de la unidad de absorción con dos alimentos y rehervidor
parcial está dado por
1324)168()31212( NCCNCN u
i
L
N+1V
N
L1
L
N
F1L + 1
1
M
F2M + 1
Vo
Figura C.5. Columna de absorción con tres alimentos
El diseñador podría utilizar estos (4C + 2N + 13) grados de libertad de la siguiente manera,
Especificaciones u
iN
Presión en cada etapa de equilibrio N
Presión en las etapas uno y N + 1 2
Flujo calórico en cada etapa de equilibrio N
Corrientes de alimentación 3(C + 2)
Corriente de entrada de absorbedor C + 2
Cantidad de etapas de equilibrio 1
Número de las etapas de alimentación lateral 2
Total 2C + 2N + 13
293
APÉNDICE D
VARIABLES DE DISEÑO – COLUMNAS DE DESTILACIÓN
Una columna de destilación simple es una unidad compuesta de un conjunto de etapas de
equilibrio con un solo alimento y dos productos, denominados destilado y fondo. Incluye,
por lo tanto, una etapa de equilibrio con alimentación que separa dos secciones de etapas de
equilibrio, denominadas rectificación y agotamiento.
Se requiere de un dispositivo, como un rehervidor, donde se transfiera calor al líquido que
emerge de la etapa de equilibrio correspondiente al fondo de la columna para vaporizarlo
parcialmente, de tal manera que la fracción vaporizada se recircula al fondo de la columna
y se mantenga en un flujo ascendente a través de la columna. La fracción no vaporizada se
remueve como producto de fondo.
El vapor que emerge de la etapa superior de la sección de rectificación es condensado, y el
líquido resultante se divide en dos fracciones. Una fracción se remueve como el producto
de tope o destilado. La otra fracción líquida, denominada reflujo, se recircula al tope de la
columna y se mantiene en un flujo descendente a través de ella, estableciendo el contacto
requerido con la fase vapor ascendente para la transferencia de masa deseada en cada una
de las etapas de equilibrio líquido - vapor.
En la gran mayoría de columnas de destilación, el rehervidor es parcial pero el condensador
puede ser total o parcial. Un condensador es total cuando todo el vapor del tope de la
columna es completamente condensado, en el caso contrario se conoce como un
condensador parcial. Si toda la fracción condensada se recircula a la columna se dice que la
columna opera a reflujo total
Las columnas de destilación complejas muestran una configuración diferente a las
columnas simples. Por ejemplo, varias corrientes de alimento o varias corrientes de
productos laterales
El número de variables de diseño, tanto para columnas simple como complejas, se puede
hacer mediante la determinación de la suma de las variables de los elementos que las
integran y restándole a esta las nuevas relaciones de restricción que surgen cuando los
elementos se combinan, es decir, aplicando la ecuación (C.2). De igual manera, las nuevas
restricciones incluidas son las identidades entre corrientes que existen en cada una de las
corrientes comunes entre dos elementos. Por lo tanto, un número de C + 2 nuevas
relaciones de restricción deben contarse para cada corriente común en la combinación de
elementos
En esta sección se analizan columnas de destilación simple y compleja, con condensadores
total o parcial y con reflujo parcial o total
294
D.1 ANÁLISIS DE COLUMNAS DE DESTILACIÓN TÍPICAS
A continuación se analizan algunos casos de columnas de destilación con diferencias como
el número de corrientes de alimento, el número de corrientes laterales y el tipo de
condensador
Destilación con un alimento, condensador total y rehervidor parcial
Esta unidad, Figura D.1, contiene dos elementos conformados por M y N – M - 1 etapas de
equilibrio, una etapa de equilibrio con alimentación, un condensador total, un divisor de
corrientes y un rehervidor parcial.
D
B
1
M
N
FM + 1
Figura D.1. Columna de destilación – condensador total – rehervidor parcial
El número total de variables para cada uno de los seis elementos es
Especificaciones u
iN
Condensador Total C +4
Divisor de corrientes C + 5
Sección de rectificación 2C + 2(N – M – 1) +5
Etapa de alimentación 3C + 8
Sección de agotamiento 2C + 2M + 5
Rehervidor C + 4
Total 10C + 2N + 29
295
El número de restricciones adicionales, correspondientes a las 9 corrientes comunes está
dado por 189)2(9 CCN u
c y el número total de variables de la columna de
destilación con condensador total y rehervidor parcial está dado por
112)189()29210( NCCNCN u
i
El diseñador podría utilizar estos (C + 2N + 11) grados de libertad de la siguiente manera,
Especificaciones u
iN
Presión en cada etapa de equilibrio N
Flujo calórico en cada etapa de equilibrio N
Corriente de alimentación C + 2
Cantidad de etapas de equilibrio 1
Número de la etapa de alimentación 1
Presión en el fondo de la columna 1
Caída de presión en el rehervidor 1
Presión en el tope de la columna 1
Caída de presión en el condensador 1
Flujo calórico en el rehervidor 1
Flujo calórico en el condensador 1
Razón de reflujo 1
Total C + 2N + 11
Destilación con un alimento, condensador parcial y rehervidor parcial
Esta unidad, Figura D.2, contiene dos elementos conformados por M y N – M - 1 etapas de
equilibrio, una etapa de equilibrio con alimentación, un condensador parcial, un divisor de
corrientes y un rehervidor parcial.
El número total de variables, el número de restricciones adicionales y el número de
variables de diseño para la unidad es el mismo del caso anterior y por lo tanto, las posibles
especificaciones también son las mismas.
Destilación con un alimento, condensador parcial de reflujo total y rehervidor parcial
Esta unidad, Figura D.3, contiene dos elementos conformados por M y N – M - 1 etapas de
equilibrio, una etapa de equilibrio con alimentación, un condensador parcial con reflujo
total de líquido, un divisor de corrientes y un rehervidor parcial.
296
B
1
M
N
FM + 1
V
D
Figura D.2. Columna de destilación – condensador parcial – rehervidor parcial
B
1
M
N
FM + 1
V
D = 0
Figura D.3. Destilación con condensador parcial reflujo total – rehervidor parcial
El número total de variables, el número de restricciones adicionales y el número de
variables de diseño para la unidad es el mismo del caso anterior y por lo tanto, las posibles
especificaciones también son las mismas. Se sabe anticipadamente que la razón de reflujo
es 1, porque la columna opera a reflujo total
297
Destilación con dos alimentos, condensador parcial y rehervidor parcial
Esta unidad, Figura D.4, contiene tres secciones de etapas de equilibrio en cantidades de M,
L – M – 1 y N – L - 1, dos etapas de equilibrio con alimentación, un condensador parcial,
un divisor de corrientes y un rehervidor parcial.
B
1
M
N
F2 M + 1
V
D
F1 L + 1
L
Figura D.4. Destilación con dos alimentos – condensador parcial – rehervidor parcial
El número total de variables para cada uno de los ocho elementos es
Especificaciones u
iN
Condensador Parcial C +4
Divisor de corrientes C + 5
Sección de N – L -1 etapas de equilibrio 2C + 2(N – L – 1) +5
Etapa de alimentación F1 3C + 8
Sección de L – M – 1 etapas de equilibrio 2C + 2(L – M – 1) + 5
Etapa de alimentación F2 3C + 8
Sección de M etapas de equilibrio 2C + 2M + 5
Rehervidor C + 4
Total 15C + 2N + 40
El número de restricciones adicionales, correspondientes a las 13 corrientes comunes está
dado por 2613)2(13 CCN u
c y el número total de variables de la columna de
destilación con dos alimentos, condensador parcial y rehervidor parcial está dado por
298
1422)2613()40215( NCCNCN u
i
El diseñador podría utilizar estos (2C + 2N + 14) grados de libertad de la siguiente manera,
Especificaciones u
iN
Presión en cada etapa de equilibrio N
Flujo calórico en cada etapa de equilibrio N
Corriente de alimentación F1 C + 2
Corriente de alimentación F2 C + 2
Cantidad de etapas de equilibrio 1
Número de la etapa de alimentación F1 1
Número de la etapa de alimentación F2 1
Presión en el fondo de la columna 1
Caída de presión en el rehervidor 1
Presión en el tope de la columna 1
Caída de presión en el condensador 1
Flujo calórico en el rehervidor 1
Flujo calórico en el condensador 1
Razón de reflujo 1
Total 2C + 2N + 14
Destilación con un alimento, una corriente lateral, condensador total y rehervidor
parcial
Esta unidad, Figura D.5, contiene tres secciones de etapas de equilibrio en cantidades de M,
L – M – 1 y N – L - 1, una etapa de equilibrio con alimentación, una etapa de equilibrio con
corriente lateral, un condensador total, un divisor de corrientes y un rehervidor parcial.
El número total de variables para cada uno de los seis elementos es
Especificaciones u
iN
Condensador Total C +4
Divisor de corrientes C + 5
Sección de N – L -1 etapas de equilibrio 2C + 2(N – L – 1) +5
Etapa de con corriente lateral 2C + 7
Sección de L – M – 1 etapas de equilibrio 2C + 2(L – M – 1) + 5
Etapa de alimentación F2 3C + 8
Sección de M etapas de equilibrio 2C + 2M + 5
Rehervidor C + 4
Total 14C + 2N + 39
299
B
1
M
N
F M + 1
D
SL + 1
L
Figura D.5. Destilación con un alimento – corriente lateral – condensador parcial y
rehervidor parcial
El número de restricciones adicionales, correspondientes a las 13 corrientes comunes está
dado por 2613)2(13 CCN u
c y el número total de variables de la columna de
destilación con dos alimentos, condensador parcial y rehervidor parcial esta dado por:
132)2613()39214( NCCNCN u
i
El diseñador podría utilizar estos (2C + 2N + 13) grados de libertad de la siguiente manera,
Especificaciones u
iN
Presión en cada etapa de equilibrio N
Flujo calórico en cada etapa de equilibrio N
Corriente de alimentación C + 2
Flujo de corriente lateral 1
Cantidad de etapas de equilibrio 1
Número de la etapa de alimentación 1
Número de la etapa con corriente lateral 1
Presión en el fondo de la columna 1
Caída de presión en el rehervidor 1
Presión en el tope de la columna 1
300
Caída de presión en el condensador 1
Flujo calórico en el rehervidor 1
Flujo calórico en el condensador 1
Razón de reflujo 1
Total C + 2N + 13
301
BIBLIOGRAFÍA
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