CTMI1.‐ Introducción al uso del Aspen HYSYS. Estimación de propiedades
Descripción del proceso
Se mezclan una corriente de proceso de metanol‐agua y otra de etanol‐agua. La mezcla resultante debe ser (especificación de diseño) 30 %molar de vapor para las condiciones del proceso. Se separan convenientemente el líquido y el vapor. Esta mezcla puede ser, por ejemplo, la alimentación a una columna de rectificación que opera a presión atmosférica, a la que debe introducirse la alimentación como una mezcla de líquido y vapor con la especificación dada anteriormente. El objetivo final de las operaciones de separación y purificación es, por ejemplo, obtener metanol como producto. Contenido de la simulación
Se estiman las propiedades de mezclas de metanol, etanol y agua con diferentes modelos termodinámicos y se discute la selección del que mejor describe el comportamiento del sistema. Se incluye la simulación del equilibrio LV para mezclas de estos componentes. En la figura 1 se muestra el diagrama de flujo propuesto para la simulación. Incluye operaciones de mezcla (Mezclador ) de dos corrientes y una separación LV (Separador ( Separador ) en una sola etapa de equilibrio.
Figura 1.‐ Diagrama de flujo final de la simulación desarrollada en este ejemplo.
Se describe el procedimiento de trabajo con Aspen HYSYS. Se explican dos procedimientos en Aspen HYSYS para garantizar, a nivel de diagrama de flujo de la simulación, la especificación de diseño planteada. Objetivos fundamentales de la CTMI1
1. Seleccionar los componentes de trabajo y el paquete de fluidos para la estimación de propiedades. 2. Insertar y definir corrientes materiales. 3. Determinar propiedades de fluidos mediante el modelo de la corriente material. 4. Insertar unidades sencillas de proceso, completar las conexiones con las corrientes materiales correspondientes y conectar corrientes energéticas cuando proceda.
5. Reconocer esquemas generales para la organización de la información (conexiones, especificaciones, resultados, etc.) en los modelos que representan unidades sencillas de proceso. 6. Determinar el número de grados de libertad (número mínimo de especificaciones de usuario) al definir una corriente material y una simulación sencilla de proceso. 7. Reconocer diferentes esquemas de especificaciones para representar el mismo, o diferentes situaciones de un proceso. 8. Reconocer que el Aspen HYSYS no es un simulador rigurosamente secuencial modular sino que permite cálculos “bidireccionales” 1. 9. Utilizar la operación lógica Adjust lógica Adjust para para garantizar el cumplimiento de una especificación de diseño a nivel de diagrama de flujo. Contenidos adicionales desarrollados en la CTMI12
1. Cambiar el paquete de propiedades (paquete de fluidos) en una simulación. 2. Utilizar la operación lógica Stream Cutter para para controlar la transferencia de información entre dos partes de un diagrama de flujo cuyas propiedades se calculan por paquetes de fluidos diferentes. 3. Asociar, configurar y personalizar tablas de propiedades a corrientes y unidades de proceso. 4. Uso de la herramienta Property Table Table para relacionar propiedades de corrientes materiales. 5. Uso de la herramienta Case Study para para realizar análisis de sensibilidad y estudios de caso a nivel de diagrama de flujo de la simulación. 6. Uso de la operación lógica Spreadsheet para estimar el valor de variables que no son dados directamente por el programa. Desarrollo del ejemplo
Seleccionando los compuestos y los modelos termodinámicos para la simulación. 1.
Crear un caso nuevo (
) (Figura 2). El programa ejecutivo ejecutivo conduce por defecto al entorno entorno
de las bases de simulación ( Home/Properties, Home/Properties, Figura 3). En el entorno de las bases ( Properties) Properties) se define el sistema con el que se trabajará en la simulación (se seleccionan los componentes) y el conjunto de métodos y modelos de cálculo que se utilizarán para estimar las propiedades de los fluidos que participan del proceso a simular. Los componentes seleccionados se organizan convenientemente en listas de componentes (Component (Component Lists), Lists), mientras que los métodos y modelos para el cálculo de propiedades se agrupan en paquetes de fluidos ( Fluid Packages) Packages) (Figura 3, en recuadro rojo).
1
El Aspen HYSYS puede calcular “hacia atrás”. Esto facilita la búsqueda de esquemas de especificaciones para representar una situación/estado de proceso concreta/o, pero muchas veces es el origen de los errores de sobre‐especificación que suelen cometer, sobre todo, los usuarios poco experimentados.
2
Estos contenidos están marcados en azul en el texto de la CTMIs para su rápida identificación. Deberán trabajarse de forma no presencial y se utilizarán en las CPMIs.
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Figura 2. Inicio de una simulación con Aspen HYSYS.
Figura 3. Organización del programa Aspen HYSYS en “entornos”. Estructura del entorno de las bases de simulación ( Properties)
Los paquetes de fluidos (paquetes de propiedades) generalmente se identifican por el nombre del modelo que se utiliza para estimar las propiedades termodinámicas de los fluidos (modelos termodinámicos). En el explorador de contenidos/datos del programa (Figura 3), el icono (
) indica que el
usuario tiene que aportar información imprescindible para la simulación, sin la cual el trabajo no puede continuar. En Aspen HYSYS no es posible acceder al entorno de simulación (Simulation, Figura 3) si esta información no ha sido aportada por el usuario. Si en el proceso tienen lugar reacciones químicas, adicionalmente, se definen estas según la información disponible sobre ellas (Figura 3, recuadro verde). 2.
Crear una lista con los componentes: Metanol, Etanol, Agua (Properties/Component Lists/Add ) (Figura 4). El resultado de la operación se muestra en la figura 5.
3.
Seleccionar los paquetes de fluidos (Properties/Fluid Packages/Add ) (Figura 6):
3
a.
MBWR y PR. Ver mensajes de incompatibilidad e inadecuación de los modelos. Cuidado en el caso de incompatibilidad del paquete de fluidos porque el programa ejecutivo puede eliminar automáticamente los compuestos incompatibles con el paquete en cuestión de la lista de compuestos seleccionados.
Figura 4.‐ Página de administración de las bases de datos (Properties). Se indica procedimiento para crear una lista de componentes.
Figura 5.‐ Selección de componentes de la base de datos del programa.
b.
PRSV y UNIQUAC. Nombrar ambos paquetes por su naturaleza termodinámica. Clicar dos veces sobre cada uno de los nombres para acceder a la información sobre los paquetes de propiedades (Figuras 7 y 8). Ver coeficientes (Binary Coeffs), parámetros, etc. del modelo. Seleccionar la opción Edit Properties y acceder a la base de datos del programa para los componentes puros (Figura 7).
4
Figura 6.‐ Paquetes de fluidos seleccionados. Acceso al entorno de simulación.
c.
Para el paquete de fluidos UNIQUAC hacer las siguientes comprobaciones o especificaciones: (i)‐ en la página Binary Coeffs comprobar que aparecen los valores de los coeficientes binarios de interacción (Binary coeffs) para todos los pares de componentes seleccionados: metanol‐agua, agua‐metanol, etc. (Figura 7). Que estén definidos los parámetros binarios de todos los pares de componentes incluidos en la lista de componentes es fundamental para obtener buenos resultados en la estimación de propiedades3. (ii)‐ en la página Set Up/ Activity Model Specifications elegir el modelo PR (Peng Robinson) para estimar las propiedades termodinámicas de fase de vapor ( Vapor Model ) (Figura 8).
Figura 7.‐ Coeficientes binarios de interacción del modelo termodinámico de actividad UNIQUAC.
3
Cuando faltan parámetros binarios en la base de datos del programa, para garantizar una buena estimación de propiedades, estos deben ser aportados por el usuario o estimados. Esta cuestión será tratada más adelante en el curso.
5
Figura 8. Especificaciones del modelo UNIQUAC para la termodinámica de la fase de vapor.
4.
Acceder al entorno de simulación (Simulation, Figura 9). En el entorno de simulación se construye/define el proceso que se desea simular 4 . Comprobar que se accede al PFD (Process Flow Diagram) y que existe la paleta (Palette) de modelos del PFD (Figura 9). Por comodidad desplegar a toda pantalla el PFD. La paleta de modelos se activa/desactiva mediante el icono (
) en la cinta de comandos y herramientas del programa
(Flowsheet/Modify ).
Figura 9.‐ Acceso al entorno de simulación. Paleta de modelos.
4
En este punto es pertinente hacer la siguiente generalización: en el entorno de las bases (Properties) se define el sistema, mientras que en el entorno de simulación (Simulation) se define el proceso a simular. En ambos casos dichas definiciones llevan implícito un grado de aproximación determinado a la realidad del sistema y el proceso.
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En la paleta de iconos/operaciones de las versiones 8.# del Aspen HYSYS, los modelos de operaciones se organizan en grupos 5: Common, Columns, Custom, etc. Creando corrientes materiales. Eligiendo el paquete de propiedades 5.
Crear una corriente (representada por el icono
en el grupo de modelos Common de
la paleta de operaciones del programa) Metanol‐Agua con la siguiente información: Composición (fracciones molares): metanol = 0,3; agua = 0,7. Temperatura = 81,0 ºC. Presión = 1 atm. Caudal molar = 100 kmol/h. Desde la página Worksheet/Conditions/Fluid Package del Property View (Figura 10) de la corriente seleccionar alternativamente los paquetes de fluidos PRSV y UNIQUAC. Observar las estimaciones que cada uno de ellos hace de las propiedades de la mezcla, ej. Fracción de vapor (Vapor fraction). Comprobar que el modelo PRSV considera que la mezcla es líquida, mientras que el modelo UNIQUAC la describe como un sistema bifásico líquido‐ vapor con una fracción de vapor de 0,2. Analizar la información referida a las composiciones de las fases líquido y vapor6 (Worksheet/Compositions).
Figura 10A.‐ Página Composition del Propety View de una corriente.
Cuando el sistema existe en más de una fase, la primera columna del Property View de la corriente contiene las especificaciones y propiedades calculadas para la mezcla como un todo. Las siguientes columnas (y tantas como fases existan) contienen las especificaciones y propiedades de las fases en las que se separa la mezcla. Generalmente el programa designa como Vapor a la fase gas/vapr, Aqueous Phase a la fase acuosa (si existe) y como Liquid Phase a la fase orgánica (si existe).
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Es importante familiarizarse con la distribución de operaciones en los diferentes grupos en que se organiza la paleta. 6
Para ver la información de las fases de la mezcla, extender la ventana del Property View de la corriente hacia la derecha.
7
Figura 10B. Página Conditions del Property View de una corriente.
Crear una corriente Etanol‐Agua con la siguiente información: Composición (caudales molares): etanol = 50 kmol/h; agua = 50 kmol/h. Temperatura = 81,0 ºC. Presión = 1 atm. Prestar atención al hecho de que, definiendo la composición de la mezcla en término de caudales molares de los componentes, el programa ejecutivo no requiere aportar el caudal molar de la mezcla. El caudal molar de la mezcla (100 kmol/h) resulta calculado por el programa sumando de los caudales molares de los componentes de la mezcla. Repetir todas las acciones recomendadas para la corriente Metanol‐Agua. Seleccionar la corriente Metanol‐Agua (un solo clic sobre el icono correspondiente) y clicar el botón derecho del ratón. Se desplegará una ventana con acciones a realizar sobre la corriente. Elegir la opción Show Table. Aparece una tabla con información sobre la corriente con el mismo nombre que ella. Pinchando dos veces sobre la tabla se puede acceder al menú de configuración de la tabla. Desplegar tablas para todas las corrientes. Guardar el caso como CTMI1‐01.hsc. Cambiando el paquete de fluidos de la simulación En la tarea anterior, a cada corriente se asoció el paquete de propiedades correspondiente para la estimación de propiedades desde la página Worksheet/Conditions/Fluid Package (Figura 10B). El paquete de fluidos para la estimación de propiedades puede asociarse, como un todo, al diagrama de flujo fundamental y todos los sub‐diagramas de flujo subordinados, también por otra vía desde el entorno de simulación (Simulation). 6.
Seleccionar la opción Simulation/Fluid Package Associations de la cinta de comandos y herramientas del entorno de simulación (Simulation) del programa (Figura 11A). Al seleccionar esta opción se despliega una ventana como la que se muestra en la figura 11B. En este caso, el paquete de fluidos utilizado para la estimación de propiedades en todo el diagrama de flujo fundamental es el UNIQUAC‐PR.
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Cuando para una corriente o modelo de operación particular se selecciona manualmente desde el Property View el paquete de fluidos para la estimación de sus propiedades, esta última especificación prevalece sobre la anterior.
Figura 11A. Opción Fluid Package Association para la selección del paquete de fluidos a utilizar en la estimación de propiedades de una simulación con Aspen HYSYS.
Figura 11B. Selección de los modelos termodinámicos a utilizar en la estimación de las propiedades en simulaciones con Aspen HYSYS.
Al cambiar el paquete de fluidos que se utiliza para la predicción de propiedades el programa ejecutivo suele preguntar al usuario: Do you wish to be left in HOLDING mode when entering the Interactive Simulation Environment? Si la respuesta es negativa el programa recalculará de forma automática todo el diagrama del flujo. Si la respuesta es afirmativa el programa ejecutivo detendrá el cálculo. Esto se indica activando la opción On Hold (
) en la sección Home/Solver de la cinta de comandos y herramientas del
programa. En esta situación, para ejecutar el cálculo deberá seleccionarse la opción alternativa: Active (
)7.
7
Hay una gran variedad de situaciones en que el programa ejecutivo del Aspen HYSYS “detiene” el cálculo. El usuario deberá prestar especial atención a este hecho. Muchas veces la simulación no tiene ningún problema, sino simplemente está On Hold .
9
Utilizando dos paquetes de fluidos diferentes en un mismo Main Flowsheet . La operación lógica Stream Cutter En algunas ocasiones8 es interesante utilizar en una misma simulación dos paquetes de fluidos diferentes. Como cada uno de ellos hace una estimación diferente de las propiedades del fluido para las mismas condiciones de presión y temperatura, es importante controlar la transferencia de información en la corriente que se encuentra en la “frontera” entre los dos paquetes de fluidos para evitar errores de consistencia en el cálculo. Con este fin suele utilizarse en Aspen HYSYS la operación lógica Stream Cutter . 7.
Crear un nuevo caso con el nombre CTMI1‐02.hsc. Seleccionar los componentes metanol, etanol y agua y los paquetes de fluidos PRSV y UNIQUAC‐PR como se hizo en el caso CTMI1‐ 1.hsc. Elegir como se hizo en la tarea anterior, el paquete de fluidos PRSV para ser usado
en el diagrama de flujo fundamental. Crear dos corrientes de metanol y agua según las especificaciones de la tarea 5, denominarles, respectivamente, PRSV y UNIQUAC. Comprobar que ambas tienen asociado, por defecto, el modelo PRSV (Worksheet/Conditions/Property Package) para la predicción de propiedades. Ir a la sección Flowheet/Modify//Flowsheet de la cinta de comandos y herramientas del simulador y extender su contenido mediante la flecha localizada en l a parte inferior derecha de dicha sección (encerrada en un círculo rojo en la figura 12). Al seleccionar la opción Add Operation se despliega el menú de selección que se muestra en la figura 13. La operación Stream Cutter pertenece a las operaciones del tipo lógicas.
Figura 12. Menú adicional de la sección Flowsheet/Modify//Flowsheet en Aspen HYSYS.
8
Este tema se desarrollará en detalles al final de las CTMIs de este curso. Aquí se presenta de forma muy limitada.
10
Figura 13. Adicionando la operación lógica Stream Cutter .
Conectar las corrientes PRSV y UNIQUAC según se muestra en la figura 14.
Figura 14. Conectando dos corrientes mediante la operación lógica Stream Cutter .
Desplegar el Property View de la corriente UNIQUAC y seleccionar el paquete de fluidos UNIQUAC‐PR mediante el menú desplegable asociado a la casilla correspondiente.
Especificar (Página Transition) que el Stream Cutter transfiera los valores de P y T entre las corrientes PRSV y UNIQUAC (Transfer Basis = T‐P Flash). Ver figura 15.
Figura 15. Especificando la operación lógica Stream Cutter .
Comprobar (Flowsheet/Modify/Fluid Package Associations) que el paquete de fluidos que se usa por defecto para estimar las propiedades de los fluidos en el diagrama de flujo
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fundamental de la simulación sigue siendo el PRSV como se especificó al crear el caso CTMI1‐02.hsc, pero ahora en el diagrama de flujo fundamental también se está calculando
con el modelo UNIQUAC. Comparar los resultados de esta simulación con los obtenidos anteriormente y guardar el caso. Insertando el mezclador 8.
Crear un nuevo caso con el nombre CTMI1‐03.hsc. Seleccionar los componentes Metanol, Etanol y Agua. Elegir el modelo termodinámico UNIQUAC para estimar las propiedades de la mezcla. Crear las corrientes Metanol‐Agua y Etanol‐Agua según las especificaciones del punto 5 anterior. Seleccionar la operación Mixer (representada por el icono
en la paleta del programa),
asignarle el nombre de Mezclador. Conectar las corrientes Metanol‐Agua y Etanol‐Agua como corrientes de entrada (Página Design/Conections del Property View del Mixer, campo Inlets). Definir la corriente Mezcla como corriente de salida, desde la propia página de definiciones del Mixer (campo Outlet ). Ver diagrama de flujo en la figura 1. El modelo Mixer determinará automáticamente9 las propiedades de la corriente de salida. La barra de estado de la parte inferior del Property View del modelo toma color verde e incorpora el mensaje OK indicando que el cálculo ha terminado. Notar que en Property View de la corriente Mezcla todos los valores están en negro. Esto significa que han sido calculados por el programa y que el usuario no puede hacer especificaciones sobre dicha corriente. Analizar las propiedades de la corriente Mezcla. Por ejemplo: TMezcla = 80,9 ºC. Ir a la página Desig/Parameters/ Authomatic Pressure Assignment del Property View del mezclador comprobar que el programa asigna (por defecto) como presión de la corriente de salida, la más baja de las presiones de las corrientes de entrada. Esto significa que no hace estimaciones de presiones. Alternativamente puede considerar las presiones de todas las corrientes iguales. Ir a la página Worksheet del Property View del Mixer . Contiene los Property View de las corrientes conectadas a la unidad en una sola localización. Desde esta localización determinar cuántas y cuáles son las variables que están fijadas por el usuario. Esto es, las que especifican completamente el sistema: los grados de libertad del sistema. Las variables utilizadas por el usuario para definir el estado de interés, aparecen en Aspen HYSYS siempre en color azul. Comprobar que la fracción de vapor de la corriente Mezcla, calculada con el paquete de propiedades UNIQUAC es 0,4 para la situación de proceso especificada 10. Esto significa que
9
La mayor parte de los modelos de operaciones en Aspen HYS YS tienen auto‐ejecutable. Una vez especificados todos los grados de libertad el cálculo se ejecuta de forma automática. 10
Se identifica por las variables cuyos valores se muestran en azul por el programa ejecutivo del simulador.
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no se cumple la condición de diseño especificada al inicio: la corriente Mezcla debe ser una mezcla de líquido y vapor con 30 %mole de vapor (fracción de vapor 0,30). Salvar el caso CTMI1‐03.hsc y continuar trabajando. Guardar los siguientes resultados con otros nombres que se indicarán oportunamente. Imponiendo una especificación de diseño en el diagrama de flujo. Operación lógica 11 Adjust Existen diferentes alternativas para imponer una especificación de diseño en una simulación. La más general de todas y conceptualmente más consistente con la teoría y la práctica de la simulación de procesos radica en utilizar la operación lógica Adjust , representada por el icono (
) en la paleta de modelos de operación (grupo Common) del programa.
Para imponer una especificación de diseño en una simulación debe efectuarse un estudio de alternativas que permita identificar qué modificación debe realizarse sobre el estado o sistema actual para obtener la respuesta esperada (en esta CTMI que la fracción de vapor de Mezcla sea 0,3). Esto es contenido de la Ingeniería de Procesos y no se desarrollará en el presente ejemplo. Aquí simplemente se asumirá que la mejor alternativa para lograr la especificación de diseño es modificar la temperatura de la corriente Metanol‐Agua que se alimenta al mezclador. 9.
Insertar la operación lógica Adjust en el diagrama de flujo fundamental de la simulación. Clicar dos veces sobre el icono de la operación y completar las especificaciones que se muestran en la figura 16.
Figura 16. Especificando la operación lógica Adjust .
11
Las operaciones lógicas se presentarán más adelante en este mismo material.
13
Para especificar la operación lógica Adjust se utilizan los navegadores Select Var… para seleccionar la variable a manipular ( Adjusted Variable) y la variable respuesta u objetivo (Target Variable). La situación representada en la figura 16 puede interpretarse de la siguiente forma: la función Adjust modificará la temperatura de la corriente Metanol‐Agua hasta encontrar el valor que garantiza que la fracción de vapor de la corriente Mezcla sea 0,3. Una condición importante de la función Adjust es que la variable seleccionada como Adjusted Variable debe ser especificada por el usuario (estar en azul). La ventaja que tiene esta función es que conserva el esquema de especificaciones (el modo de satisfacer el número de grado de libertad del sistema) utilizado. El diagrama de flujo de la simulación queda como se muestra en la figura 17 después de la inclusión de la operación lógica Adjust . Las conexiones con las corrientes Metanol‐Agua y Mezcla se insertan automáticamente por el programa ejecutivo del simulador cuando se
completa la información de la página Connections/Connections (Figura 16) del modelo.
Figura 17. Conexiones de la operación lógica Adjust y resultados del cálculo.
La operación Adjust no tiene auto‐ejecutable por lo que debe indicarse explícitamente el inicio del cálculo pinchando sobre el botón Start 12 en la parte central inferior de su ventana. El programa genera automáticamente valores de la variable manipulada hasta encontrar aquel que garantiza la condición especificada. No puede considerarse en rigor una optimización, aunque es de mucha utilidad al buscar condiciones de operación que garanticen las especificaciones de diseño exigidas. La generación de valores y el control sobre la convergencia de la operación son determinantes en la efectividad de la operación. Estas dos cuestiones se especifican desde la página Parameters (Figura 18). La Tolerance controla el error permitido en el valor de la variable objetivo, mientras que el Step Size determina la magnitud del cambio de la variable
12
Después de ejecutar el cálculo la primera vez, el botón Start se sustituye por el botón Reset (y no vuelve a aparecer si no se inserta una nueva operación Adjust ). Pinchar sobre este re‐inicia el cálculo.
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ajustada de una iteración a otra. Definir los valores Minimum y Maximum limita el intervalo de la variable manipulada que explora la función Adjust .
Figura 18. Especificando los parámetros de cálculo de la operación Adjust .
El éxito del ajuste depende en buena medida del conocimiento que se disponga del sistema (proceso). Entre otras cosas está determinado por la tolerancia y el intervalo de variación escogidos. Aunque no hay reglas para el trabajo con esta operación y el éxito de su uso está relacionada con la experiencia del usuario, aquí se aventuran algunas recomendaciones 13:
Iniciar el ajuste desde un valor de la variable manipulada lo más cercano posible al “óptimo”. Para establecer este valor es aconsejable explorar “manualmente” el comportamiento del proceso. En este caso la función Adjust debe estar Ignored .
Acotar, siempre que sea posible, el intervalo de variación de la variable manipulada. Esto puede evitar que la simulación reproduzca estados sin sentido físico (caudales negativos, por ejemplo). Podría, inclusive, definirse un intervalo de variación a priori y ampliarse posteriormente si se comprueba que la simulación no converge al estado deseado, controlando en todo momento la consistencia física de los resultados obtenidos.
Comenzar el ajuste con valores no muy restrictivos de Tolerance y Step Size y aumentar progresivamente “la exigencia” del ajuste en cálculos sucesivos. Unos valores muy orientativos de estas variables son: tolerancias (Tolerance) del 20% del orden de magnitud de la variable objetivo y pasos de variación (Step Size) del 25‐30% del valor de la variable manipulada.
Los valores de Tolerance y Step Size no se pueden escoger arbitrariamente. Tolerancias muy bajas y Step Size muy grandes no son aconsejables para la convergencia de la
13
Son sólo recomendaciones. No se garantiza que siempre funcionen.
15
función Adjust . Debe partirse de valores relativamente grandes de ambas variables y reducir gradual y simultáneamente ambos en los siguientes ajustes. Ejecutar el cálculo Adjust . La corriente de Metanol‐Agua debe alimentarse a 74 ºC. Guardar esta simulación como CTMI1‐04.hsc. Imponiendo una especificación de diseño en el diagrama de flujo. Cambio del esquema de especificaciones Cuando el diagrama de flujo de la simulación y/o el esquema de especificaciones utilizado lo permiten, en Aspen HYSYS es también posible imponer una condición de diseño del proceso a la simulación cambiando el esquema de especificaciones. Esto se debe a la capacidad del programa de realizar cálculos “bi‐direccionales”. En la situación de cálculo del caso CTMI1‐03.hsc es imposible reproducir el estado que corresponde a la especificación de diseño (VF Mezcla = 0,3) porque la variable de interés no puede ser especificada libremente por el usuario. Para representar esta situación se debe escoger otro esquema de especificación del sistema, esto es, satisfacer los grados de libertad del sistema a través de otro conjunto de variables. Un conjunto de variables donde se pueda especificar que la fracción de vapor de la corriente Mezcla sea 0,30. Abrir el caso CTMI1‐03.hsc. Eliminar14 la especificación de temperatura de la corriente Metanol‐ Agua (81,0 ºC). Observar que una parte del diagrama de flujo queda sin calcular (el mezclador
en amarillo y la corriente Mezcla en azul claro). Se elimina la especificación de temperatura de la corriente Metanol‐Agua porque, como se señaló en el epígrafe anterior, en este ejemplo se asumirá que la mejor alternativa para lograr la especificación de diseño es modificar la temperatura de la corriente Metanol‐Agua que se alimenta al mezclador. 10. Especificar que la fracción de vapor de la corriente mezcla es 0,30 (Condición de diseño impuesta). El programa calcula automáticamente la temperatura de la corriente Metanol‐ Agua: 74 ºC.
Procediendo de esta forma, se debe tener en cuenta que la variable liberada será la que el programa recalculará y por lo tanto, se está determinando qué valor de dicha variable es el que garantiza la condición de diseño deseada. Comprobar que se tiene el mismo número total de grados de libertad del sistema, pero especificados (“distribuidos”) ahora de otra forma. En este punto es importante destacar la capacidad del simulador Aspen HYSYS para realizar cálculos “bidireccionales” (“back side”). Esto significa que es posible hacer especificaciones sobre la(s) corriente(s) de salida de una operación y el programa realiza los balances de materia y energía “hacia atrás” calculando los valores de la (las) variable(s) correspondiente(s) de la(s) corriente(s) de alimentación. Esta posibilidad no existe en otros
14
Esto se puede hacer desde la página Worksheet del Property View del Mixer o directamente en la página Design/Conditions del Property View de la corriente Metanol‐Agua.
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programas como el Aspen Plus que es estrictamente modular secuencial, ni tampoco existe en Aspen HYSYS para todas las operaciones (columnas, por ejemplo) o variables (la composición, por ejemplo). Guardar esta simulación como CTMI1‐05.hsc. Insertando el separador Continuar con el caso CTMI1‐05.hsc. 11. Insertar la operación Separador (representada por el icono
en la paleta de operaciones
del programa, ver figura 1). Asignarle el nombre Separador. Alimentar la corriente Mezcla. Denominar las corrientes de salida como Vapor y Líquido. En este momento de la simulación no conectar ninguna corriente energética al separador. Observar que el campo Energy es opcional (Página Design/Connections del Property View del separador). En esta situación el separador se limita a separar las fases de líquido y vapor en dos corrientes (Líquido y Vapor, respectivamente) en equilibrio (a 80,1 ºC y 1 atm). El cálculo se ejecuta al completar las conexiones. En la página Design/Parameters comprobar que el valor implícito de Delta P (la caída de presión en el separador) es cero y que el modelo seleccionado corresponde al tipo ( Type) de operación Separator . La página Woksheet muestra toda la información de las corrientes conectadas al separador. Notar que todos los valores de este conjunto de tablas están en color negro a excepción de la fracción de vapor de la corriente Mezcla. Comprobar que el caudal de la corriente de vapor es 0,3 x 200 kmol/h = 60 kmol/h y que contiene 23,8% (en moles) de metanol. La corriente líquida, por su parte está enriquecida en el componente menos volátil (Agua). La fracción molar de agua en la corriente líquida es 0,695. Guardar la simulación como CPMI1‐06.hsc. Continuar el ejemplo. 12. Ir a la página Design/Connections del Property View del separador y conectar una corriente de calor Q al separador (se representa por el icono
en la paleta de operaciones del
programa). Observar que la barra de estado en la parte inferior del Property View del separador adquiere color amarillo y contiene el mensaje: Unknown Duty . En la página Worksheet se puede observar que, en esta situación, han “aparecido” nuevos campos en color azul con la inscripción . Esto significa que el sistema ha aumentado su número de grados de libertad. Se puede determinar que, concretamente, el número de grados de libertad ha aumentado en uno. O sea, que se debe especificar el valor de una variable más para que el sistema quede completamente descrito en las actuales condiciones. Existen diferentes formas de satisfacer ese grado de libertad del sistema (diferentes estrategias de especificación del sistema):
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(i)‐ Asignando un valor al caudal de calor intercambiado. Q = 0 kJ/h corresponde a la situación de un proceso adiabático de separación LV, resuelto en la tarea anterior 15. Para cualquier valor de Q distinto de cero el programa calcula la temperatura, los caudales y las composiciones del líquido y el vapor correspondientes al equilibrio. Por ejemplo, si Q = 1,0 x 106 kJ/h, el caudal de vapor producido aumenta hasta 85 kmol/h y la concentración de metanol en el vapor disminuye hasta 22 %mole. (ii)‐ Especificando la temperatura de alguna de las corrientes de salida. El sistema considera que las corrientes que salen del separador están en equilibrio termodinámico y por lo tanto tendrán las mismas temperaturas y presiones (T Líquido = TVapor). En las simulaciones en régimen estacionario con Aspen HYSYS se asume que la temperatura de las corrientes de salida del separador es su temperatura de operación. Se puede especificar que la temperatura de las corrientes de salida sea igual o no a la temperatura de la alimentación: T Vapor(=TLíquido) = TMezcla o TVapor(=TLíquido) ≠ TMezcla (en el primero de los casos se considera que la separación ocurre en régimen isotérmico). En cualquier caso, una vez especificada la temperatura de una de las corrientes de salida, el programa calcula el caudal de calor intercambiado por el separador con el medio para esas condiciones de operación. Especificar, definitivamente, TVapor (o TLíquido) = TMezcla = 80,09 ºC. Desplegar el Property View de la corriente energética Q conectada al separador. Notar su simplicidad en relación con el de una corriente material. Comprobar que el caudal de calor (Heat Flow ) es de 4.700 kJ/h. Pasar a la ventana Design/Parameters del Property View del separador. Observar que también aparece el valor de Q calculado, con signo positivo, en la casilla Duty . Esto indica que el separador necesita el aporte 4.700 kJ/h de energía en forma de calor de alguna fuente externa para mantener las condiciones isotérmicas de operación. Guardar la simulación con el nombre CTMI1‐07.hsc. Utilidades en Aspen HYSYS para estudios de las propiedades de los fluidos: Property Table La función Property Table permite hacer estudios de tipo sensibilidad sobre las propiedades de una corriente. Esto es, permite relacionar variables y propiedades de una misma corriente. Los cálculos del tipo Property Table forman parte de los análisis de corriente (Home/Analysis/Stream Analysis) que puede realizar Aspen HYSYS (Figura 19). 13. Abrir el caso CTMI1‐01.hsc. Seleccionar la opción Stream Analysis. El programa ejecutivo dirige a la sección del mismo nombre del explorador de contenidos/datos del programa (Figura 20).
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En Aspen HYSYS cuando no se conecta ninguna corriente energética a la operación (siempre que la conexión de la corriente energética sea opcional), el programa ejecutivo asume que esta transcurre en régimen adiabático.
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Figura 19. Sección Home/Analysis de la cinta de comandos y herramientas del Aspen HYSYS.
Figura 20. Creación de un análisis de corriente (Stream Analysis) y listado de análisis de corrientes disponibles en Aspen HYSYS.
Seleccionar la utilidad Property Table. Al seleccionar la opción Property Table el programa ejecutivo da la opción al usuario de seleccionar la corriente sobre la cual realizar el análisis en cuestión (Figura 21).
Figura 21. Selección de la corriente para un Stream Analysis del tipo Property Table.
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Se crea un nuevo Stream Analysis (Figura 22) con el nombre de la corriente seleccionada por defecto y se genera automáticamente una nueva pestaña ( Stream Analysis) en el entorno de simulación. Clicando dos veces sobre el nombre del análisis creado se despliega el Property View de la función Property Table que permite especificarla.
Figura 22. Creando un Stream Analysis del tipo Property Table nuevo.
Se estudiará el comportamiento de la fracción de vapor (Vapor Fraction) de la corriente Etanol‐Agua, a la presión de trabajo (1 atm) en el intervalo de temperaturas entre 80 y 85
ºC. Se tomarán 20 valores en ese intervalo. Para especificar se procede como queda reflejado en la figura 22.
Figura 22A. Página Desing/Connections de la función Property Table.
En el Property View de la utilidad, la página Design permite especificar el cálculo. En Design/Connections se muestra la corriente sobre la cual se realizará el análisis (Stream) y las dos variables que se eligen como variables independientes ( Independent Variables): la presión en modo estado (Mode: State) y la temperatura en modo incremento (Mode: Incremental ) en este ejemplo. El orden en que se escogen las variables determina la construcción del gráfico con los resultados.
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Figura 22B. Selección de la variable/propiedad dependiente en la Property Table.
En la figura 23 se presenta un gráfico con los resultados del estudio.
Figura 23. Efecto de la temperatura (entre 80 y 85 ºC) sobre la fracción de vapor de una mezcla equimolar de Etanol y Agua a 1 atm de presión.
En Design/Dep Prop se adiciona ( Add ) la variable dependiente seleccionándola de un listado con todas las variables y propiedades de la corriente (Figura 22B). Una vez satisfechas todas las especificaciones se pincha sobre el botón Calculate. En la página Performance se exponen los resultados del cálculo en forma de tabla o gráfico (Figura 23). La información de la tabla puede copiarse (Seleccionar y luego hacer Crtl C ) y pegarse en Excel u Origin (Ctrl V ) para su tratamiento estadístico‐matemático o gráfico. En la construcción del gráfico, el programa ejecutivo por lo general, representa en el eje x la variable 2 definida en la página Design/Connections (Figura 22A) y en el eje y la variable dependiente del estudio (página
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Design/Dep. Prop., figura 22B). Si se realiza un estudio con dos o más variables dependientes deberán representarse alternativamente una a una. El programa permite seleccionar entre una lista predeterminada de variables independientes a través del menú desplegable asociado a las casillas Variable 1 y Variable 2, sección Independent Variables en la página Design/Connections. De la misma forma permite seleccionar entre varias propiedades de la corriente como función respuesta seleccionando la opción Add en la página Design/Dep. Prop. Guardar el caso como CTMI1‐08.hsc. Estudios de Caso (Case Study )16 en Aspen HYSYS Los estudios de caso (Case Study ) en Aspen HYSYS constituyen una herramienta de análisis del diagrama de flujo. Se localizan en la sección Home/Analysis en la cinta de comandos y herramientas del programa (
en Figura 19). Permite relacionar dos variables
cualesquiera en dos objetos cualesquiera del diagrama de flujo de la simulación. Las simulaciones del tipo Case Study suelen identificarse en la bibliografía de simulación de procesos con el nombre de “estudios de sensibilidad”. En esta tarea se estudiará cómo varía el caudal de vapor producido ( Vapor) con la temperatura de la corriente Etanol‐Agua alimentada. 13. Abrir el caso CTMI1‐06.hsc y hacer las siguientes modificaciones en el esquema de especificaciones de la simulación:
Eliminar la especificación referida a la fracción de vapor de la corriente Mezcla (VF = 0,3).
Fijar la temperatura de la corriente Metanol‐Agua en 81,0 ºC.
Eliminar la especificación relativa a la temperatura de la corriente de vapor/líquido si estuviera activa.
Conectar una corriente de calor Q al separador LV y especificar que opera en régimen adiabático: Q = 0 kJ/h.
Seleccionar la opción de análisis tipo Case Study (Figura 19). Se despliega la ventana que se muestra en la Figura 24. Adicionar ( Add ) un caso de estudio nuevo. Al clicar sobre el nombre del caso de estudio (o seleccionar la opción Edit en la figura 24) creado se despliega la ventana de la figura 25 para la especificación del estudio. A través de la opción Add (Figura 25) se seleccionan las variables involucradas en el estudio. Para la selección de variables el Aspen HYSYS dispone de un Navegador (Figura 25)
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Es importante distinguir entre los contenidos de la operación lógica Adjust y de la herramienta de análisis (del diagrama de flujo de la simulación) Case Study en Aspen HYSYS, por la incidencia que esta distinción conceptual tiene en Ingeniería de Procesos. En las versiones 8.# de Aspen HYSYS esta diferenciación se consolida con diferentes localizaciones para la selección. La operación (lógica) Adjust se encuentra en la paleta de operaciones (Palette/Common) y el Case Study se encuentra entre las herramientas de análisis (Home/Analysis) de la cinta de comandos y herramientas del programa.
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organizado en Flowsheet → Object → Variable → Variable Specifics. El programa ejecutivo define como objeto a cualquier corriente u operación del diagrama de flujo (Figura 25). Es importante observar que el programa ejecutivo por defecto toma a la temperatura de la corriente Etanol‐Agua como variable independiente del estudio de casos y el caudal de la corriente Vapor como variable dependiente (Figura 26). Esto corresponde estrictamente al esquema de especificaciones utilizado en la simulación. Notar que la variable Temperatura de la corriente Etanol‐Agua está impresa en azul, mientras que el caudal molar de la corriente Vapor está en negro.
Figura 24. Creando un caso de estudio nuevo.
Figura 25. Selección de las variables involucradas en el estudio de caso. Navegador de Aspen HYSYS para la selección de variables (en primer plano).
Finalmente se fijan los límites (Low Bound y High Bound ) del intervalo de variación de la variable independiente, así como el incremento (Step Size) a utilizar en la variación del valor de la variable independiente entre los valores límites especificados (Figura 26). Considerar
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en este caso un barrido de temperaturas entre 70 y 90 ºC, con un paso de variación de 2 ºC (Figura 26)17. Una vez especificados los valores límites para la variable independiente y el Step size, el programa ejecutivo calcula el número de estados individuales a calcular (11 en este ejemplo).
Figura 26. Especificando un caso de estudio.
Hacer clic sobre el botón Start . El programa ejecutarás los cálculos correspondientes. Los resultados (Results) se pueden ver en forma de gráfico (Figura 27) o tabla.
Figura 27. Resultados del estudio de casos. Influencia de la temperatura de la corriente Etanol‐Agua sobre el caudal de vapor producto.
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El programa permite otros esquemas de especificación del caso que serán tratados en otro momento del curso.
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El caso de estudio modifica automáticamente el valor de la variable independiente en el intervalo especificado. Por defecto los cambios en la especificación de la variable independiente modifican la especificación de la simulación sobre la que se realiza el Case Study . Comprobar que la temperatura de la corriente Etanol‐Agua al final del cálculo es 90 ºC (la correspondiente al valor máximo del intervalo de variación), para la que el caudal de vapor producido 124 kmol/h. En las versiones 8.# del Aspen HYSYS es posible conseguir que las especificaciones de la simulación se restituyan a los valores del caso de partida seleccionando la opción Reset after Run en la página de especificaciones del Case Study (Figura 26). De esta forma se consigue que los análisis del tipo Case Study se ejecuten de forma totalmente independiente de la simulación. Guardar la simulación como caso CTMI1‐09.hsc. Operaciones lógicas en Aspen HYSYS El Aspen HYSYS dispone de un grupo de operaciones cuya función es: (i)‐ facilitar el control de la información en diagramas de flujo complejos y, (ii)‐ ayudar a la convergencia en diagramas de flujo con recirculación de la información18.
Figura 28.‐ Operaciones lógicas y de control en la paleta de modelos del Aspen HYSYS.
Estas operaciones aparecen en la sección Common de la paleta de operaciones del programa (Figura 28) y se denominan Operaciones Lógicas 19. Las operaciones lógicas se insertan en el diagrama de flujo de la simulación como las operaciones de proceso, pero son simples modelos matemáticos con las funciones anteriormente descritas. Un detalle importante del uso de las operaciones lógicas es que, algunas de ellas una vez incorporadas al diagrama de flujo de la simulación y especificadas convenientemente pueden constituir restricciones permanentes del diagrama de flujo. En la figura 28, de izquierda a derecha aparecen las operaciones lógicas: Adjust (utilizada al inicio de este ejemplo), Set , Recycle, Spredsheet y Balance. La operación lógica Spreadsheet En este epígrafe se desarrollará un ejemplo del uso de la operación lógica Spreadsheet . Esta consiste en una hoja de cálculo que se integra funcionalmente al diagrama de flujo de la simulación. Esta operación lógica permite:
Importar el valor de cualquier variable de cualquier objeto de la simulación.
Calcular el valor de variables que no están contenidas por implícito en los outputs de los diferentes objetos de la simulación. Ej. rendimientos, recuperaciones, etc.
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Esta segunda función se presentará al final del presente curso.
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A lo largo de este curso se presentarán otras operaciones lógicas de interés.
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Exportar los resultados de cualquier cálculo como valor de cualquier variable definida por el usuario en cualquier objeto de la simulación.
Vincular el contenido de una celda a operaciones y utilidades que automatizan ciertas operaciones, ej. la función Adjust (ver más adelante).
14. Abrir el caso CTMI1‐06.hsc. Se desea calcular la recuperación de metanol (%) en l a corriente Vapor.
La recuperación se puede calcular como:
Recuperacion Vapor MeOH (%)
100
MeOH Vapor MeOH Metanol
Agua
donde MeOH designa al caudal de metanol en términos másicos o molares.
Insertar una Spreadsheet (
). En la página Connections es posible asignar un nombre a
la operación (Recup. MeOH, en este caso) y elegir las variables cuyos valores se importarán desde el diagrama de flujo de la simulación ( Imported Variables) a la Spreadsheet (Figura 29). Desde la columna Imported Variables/Cell se puede especificar la casilla de la hoja de cálculo a la que se desea importar el valor seleccionado.
Figura 29. Página Connections de una Spreadsheet .
Las versiones 8.# de Aspen HYSYS ofrecen diferentes alternativas para importar valores de las variables seleccionadas desde el Object correspondiente hasta la hoja de cálculo (Spreadsheet ). Aquí se referirán dos:
Ir a la casilla de la Variable en el Object en cuestión, seleccionar el valor, copiarlo (Copy o Ctrl + C ) en el clipboard y pegarlo (Paste, Ctrl + V ) en la casilla seleccionada de la hoja de cálculo de la Spreadsheet .
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Seleccionar el valor de la variable de interés en el Object elegido, clicar con botón derecho y seguir la secuencia (Figura 30): Send to → Spreadsheet → Recup MeOH.
En la página Parameters de la Spreadsheet se pueden especificar, entre otras cosas, el número de filas y columnas de la hoja de cálculo. La página Spreadsheet es la hoja de cálculo propiamente dicha. El usuario la puede configurar a demanda para hacerla más o menos explicativa. Es importante que las variables calculadas se identifiquen correctamente (Variable y Variable Type, figura 31) para su fácil localización desde cualquier otra operación de la simulación.
Figura 30. Exportando el caudal molar de metanol de la corriente Metanol‐Agua a la Spreadsheet Recup MeOH.
Observar un ejemplo de hoja de cálculo de la operación lógica Spreadsheet en la figura 31.
Figura 31. Hoja de cálculo de una Spreadsheet .
A la Spreadsheet se puede asociar también una Table en el diagrama de flujo de la simulación (Ver Flowsheet Main del caso CTMI1‐10.hsc). Esto es útil para visualizar los
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resultados obtenidos cuando es de interés, por ejemplo, en el desarrollo de una propuesta de proceso, estudio, optimización, etc. si la variable objeto de estudio no es una variable de simulación y se calcula con la ayuda de una Spreadsheet . Seleccionando la casilla donde se realiza el cálculo ( B4 en la figura 31) y clicando con el botón derecho del ratón se accede a un menú de opciones entre las cuales se puede destacar la opción Export Formula Result que permite transferir el valor calculado a una propiedad cualquiera especificada por el usuario (en azul) de un objeto cualquiera de la simulación. Esta conexión entre la Spreadsheet y un objeto cualquiera de la simulación consume un grado de libertad y hace que el valor de la propiedad en el objeto se edite en negro. El resultado de esta transferencia de información entre la Spreadsheet y un objeto de la simulación se registra en la página Connections de la Spreadsheet en la sección de Exported Variables. Guardar el caso con el nombre: CTMI1‐10.hsc.
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