MANUAL DE INTRODUCCIÓN A ASPEN HYSYS – CARLOS M. CELIS C.
MANUAL DE INTRODUCCIÓN A ASPEN HYSYS
Curso de Termodinám Termodinámica ica II II Carlos Mauricio Celis Corneo Uni!ersidad Indus"rial I ndus"rial de d e San"ander# San"ander# UIS $ucaraman%a# &' se("iem)re de &*+*
Manual de in"roducci,n a As(en HYSYS Carlos M. Celis C. 2!"!
Sept 26
Universidad Industrial de Santander, UIS.
Resumen El documento consta de una breve explicación del fenómeno a estudiar, el planteamiento del problema y el desarrollo de la simulación junto con el respectivo análisis, todo enfocado al curso de termodinámica II (equilibrio de fases para mezclas multicomponente).
Des"ilaci,n -las. a destilación es un m!todo de separación de l"quidos (dos o más sustancias) muy empleado en la industria, el fenómeno consta en aprovec#ar la diferencia en los puntos de ebullición de las sustancias para separar las mezclas. $ás particularmente la destilación %as# es la separación de las fases l"quido y vapor de la mezcla de sustancias, cuando alcanza el equilibrio a condiciones de presión (&) y temperatura (') determinadas. omo se sabe, una mezcla de sustancias no se comporta como una sustancia pura debido a las distintas interacciones moleculares que all" ocurren, por eso es posible que cuando se est! vaporizando la sustancia más volátil, se vayan con !sta cantidades tambi!n de los otros componentes. asándose en lo anterior, podemos de*nir que si la mezcla de i componentes se encuentra en una sola fase (l"quida por ejemplo) cada sustancia se encontrará en una composición determinada, llamada com+nmente #o$posi#i%& 'lo(al )el #o$po&e&te i* (zi)- lueo cuando las fases l"quido y vapor se separan y alcanzan un equilibrio a condiciones de & y ' determinadas se puede decir que en cada fase (l"quido o vapor) #abrá una composición determinada de cada sustancia, diferente a la composición lobal ya que en la fase vapor se encontrará más concentrada la cantidad de sustancia volátil, que en la fase l"quida. Entonces se tiene una #o$posi#i%& )el #o$po&e&te i e& la +ase ,apor* (yi) y una -#o$posi#i%& )el #o$po&e&te i e& la +ase l/0i)a* (xi).
/aciendo un balance de masa total y por componente0 'E1$23I45$I6 II
&áina 7
F =V + L
F ∙ zi = L∙ xi + V ∙ y i
3onde 8 es la cantidad de materia que se encontraba inicialmente en una sola fase, 9 y son la cantidad de vapor y l"quido respectivamente, que se encuentran en equilibrio al cambiar las condiciones a & : y ':. a ley de 1aoult establece que0 sat
x i ∙ P i
= y i ∙ P
&ara un sistema ideal en donde el coeficiente de actividad (; i) y el factor de fuacidad ( < i=7). 6#ora, se de*ne un t!rmino (?i), como el coe*ciente de reparto que es simplemente una relación entre la composición de cada componente en la fase vapor y l"quida0 k i=
y i x i
ueo reordenando la ecuación de 1aoult se obtiene0 sat
k i=
(7
y i P i x i
=
P
a presión de saturación de cada componente se puede determinar, empleando por ejemplo la ecuación de 6ntoine. 'omando el balance de masa total0 ⇒
F =V + L
V L F F
= +
1
@i definimos el t!rmino A8 como la fracción de l"quido B entonces0 V =1 −ψ F
@e+n esto tomamos el balance de masa por componente0 ⇒
F ∙ zi = L∙ xi + V ∙ y i z i=ψ ∙ x i+( 1−ψ ) ∙ y i
'omando la de*nición del coe*ciente de reparto tenemos que yi = ?iCxi 'E1$23I45$I6 II
&áina :
z i=ψ ∙ x i+( 1−ψ ) ∙ x i k i
8actorizando se obtiene0 x i=
(:
zi ψ + k i ( 1−ψ )
&or de*nición se tiene que0
∑ x =1
⇒
=∑
1
i
zi ψ + k i ( 1−ψ )
&ara la fracción de vapor tambi!n se puede obtener0
∑ y =1 i
⇒
=∑
1
z i k i ψ + k i ( 1 −ψ )
1estando las dos ecuaciones0
− k (¿¿ i ) z i ψ + k i ( 1 −ψ ) 1
0
=∑
zi ψ + k i ( 1−ψ )
−∑
(D
zi k i ψ + k i ( 1−ψ )
=∑ ¿
ueo conociendo las condiciones de presión y temperatura de la mezcla, empleando la ecuación de 6ntoine se puede determinar las presiones de vapor de cada componente, y por ende se puede determinar los coe*cientes de reparto con la ecuación (7). ueo con la ecuación (D) se determina la fracción de l"quido (B), y finalmente se puede determinar la cantidad de cada componente en su respectiva fase empleando la ecuación (:). 'odo lo anterior para sistemas de mezclas ideales y ases ideales, cuando se trabajan sistemas reales se #ace necesario trabajar con la ecuación de 1aoult modi*cada0 sat
γ i x i Pi
=ϕ i y i P
γ i ≠ 1 ⋀ ϕ i ≠ 1
'E1$23I45$I6 II
&áina D
Entonces se #ace necesario determinar los coe*cientes de actividad y fuacidad para cada sustancia. &ara determinar los coe*cientes de actividad se emplean los modelos de actividad (9an aar, $arules, ilson, 41', F4IGF6, etc), y para determinar el factor de fuacidad se emplean las ecuaciones de estado (E2@0 &enH1obinson &1J, @oaveH1edlic#HKLon @1KJ, enedictHebbH 1ubinH@tarlin 1@J, 9irial, $odelo ideal, etc). Guien desee profundizar sobre los m!todos, aloritmos y modelos mencionados para resolver sistemas reales, puede remitirse a las referencias 7 y :J. •
Des"ilaci,n /as. del e"anol
as mezclas binarias etanol y aua son un caso muy estudiado en el ámbito de la inenier"a qu"mica, por ejemplo en los inenios azucareros que emplean las mieles aotadas del proceso de cristalización del az+car para fermentarlas y producir bioetanol. 3e los reactores biolóicos (fermentadores) se obtiene una mezcla de etanol muy diluido en aua, para llevar este etanol a las estaciones de servicio, es necesario puri*car el etanol #asta requerimientos de un MNO de pureza o más altos niveles. &ara efectos pedaóicos de la simulación que se explica a continuación no se plantean unos requerimientos tan elevados de pureza, sino se plantea un problema más que todo acad!mico.
H
Separa#i%& 1as EtOH3H2O
3e un proceso determinado se obtiene un %ujo de 7PP ?molA# de una mezcla etanolHaua con una composición del componente volátil de P.:N (fracción molar), el %ujo pasa por una bomba que eleva la presión del %ujo #asta 7.N atmJ. Enseuida el %uido entra a un tanque de separación "quidoH9apor que opera isot!rmicamente con una ca"da de presión a la entrada del %ujo de P.N barJ. Quál debe ser la temperatura de operación del tanque, para que la composición de livianos en el %ujo de destilado (vapor) sea de P.RST 3etermine el calor requerido para que la operación sea isot!rmica, la composición de componente liviano en los fondos (U ) y los %ujos molares de cada corriente. 6dicionalmente calcule un rendimiento de la operación. El diarama del problema es el siuiente0
'E1$23I45$I6 II
&áina R
&rimero debemos de*nir en /V@V@ los componentes con los que vamos a trabajar que son el etanol y el aua, para ello creamos un nuevo caso y en donde aparece la pestaWa Co$po&e&ts damos clic al botón X6ddY para arear una lista- enseuida se ejecuta la ventana que vemos a continuación0
En donde dice Mat# diitamos el nombre del compuesto en inl!s, para este caso0 Et#anol. &odemos buscar tambi!n por la fórmula del compuesto seleccionando el botón 8ormula y diitando /:2, para arear el componente basta con darle doble clic o dar clic en X6dd &ureY. Fna vez creada la lista debemos seleccionar el paquete termodinámico con el que se va a simular la fase l"quida y la fase vapor, debido a que queremos estudiar un sistema real es necesario seleccionar un modelo de actividad para la fase l"quida y una ecuación de estado para la fase vapor. 6s", cerramos la ventana y nos diriimos a la pestaWa de 8luid &?, donde arearemos el paquete de %uidos (los modelos y ecuaciones de la simulación).
'E1$23I45$I6 II
&áina N
uando le demos clic en 6dd, basta con buscar en la lista del lado el modelo que se desea emplear, para nuestra simulación utilizaremos 41' para la fase l"quida y la ecuación de estado de @1K para la fase vapor, para ello procedemos como se indica en la imaen.
En esta etapa del procedimiento ya #emos creado el paquete de %uidos para la simulación, de modo que podemos empezar ya a de*nir nuestro sistema a simular, para ello damos clic en el botón XEnter @imulation EnvironmentZY.
'E1$23I45$I6 II
&áina [
o siuiente que vemos es el ambiente de simulación de /V@V@0
6 la derec#a se observa la barra de #erramientas con los equipos disponibles, para nuestra simulación basta con arear un solo equipo un separador, procedemos dándole clic al equipo mencionado y lueo situando el cursor en la 'E1$23I45$I6 II
&áina S
ventana verde, a#" damos clic nuevamente donde queremos que quede el equipo.
ueo debemos de*nir las corrientes del equipo, para ello damos clic en la #erramienta atta# $o)e ( ) que se encuentra en la parte superior izquierda de la pantalla. Fna vez seleccionada la #erramienta nos situamos sobre el equipo para observar azules las corrientes de materia y rojo las corrientes de ener"a (verde los operadores lóicos). 6#ora, para de*nir las corrientes de materia damos clic a los puntos azules y arrastramos fuera del equipo y soltamos, #acemos lo mismo con la corriente de ener"a0
'E1$23I45$I6 II
&áina \
6#ora de*nimos las condiciones de la corriente de alimento dando clic en la corriente X7Y, la ventana que se despliea es el 4or5seet , a#ora introducimos la información que conocemos de la corriente teniendo sumo cuidado al *jarnos que las unidades sean las indicadas.
&ara indicar las composiciones, en la ventana 4or5seet damos clic en la pestaWa Co$positio&0
'E1$23I45$I6 II
&áina M
3e este modo de*nimos la composición de etanol (P.:N) y la de aua (P.SN). 6#ora debemos de*nir la temperatura de la corriente de alimento, para ello buscamos la información en un diarama de equilibrio de fases para el etanol y el aua DJ. TEMPERAT URE 01C2 +** 89:9 ;8 ;':< ;9:= ;>:+ ;&:< ;&:= ;+:9 ;*:< <8:; <8:< <8:= <;:<> <;:&> <;:+9 <;
MOLE -RACTION LI3UID 456 P P.P7M P.PS: P.PMS P.7:R P.7[[ P.:DR P.:[7 P.D:S P.DMS P.NP\ P.N: P.NSD P.[S[ P.SRS P.\MR 7
'E1$23I45$I6 II
7APOUR 4Y6 P P.7S P.D\M P.RD\ P.RS P.NPM P.NRN P.NN\ P.N\D P.[7: P.[N[ P.[[ P.[\R P.SDM P.S\: P.\MR 7
&áina 7P
77P 7PN 7PP
7APO
MN MP
Tem(era"ura 01C2 L
\N \P
LB3UI
SN SP P.7 P.D P.N P.S P.M P P.: P.R P.[ P.\ 7
Com(osici,n 4?#@6
2bservamos que para obtener una fracción de vapor de P.RS, aproximadamente se requiere una temperatura de \N.D ]J. 3e este modo insertamos esa temperatura en el 4or5seet de la corriente X7Y (la de alimento), y debido a que el proceso es isot!rmico indicamos la misma temperatura en cualquier corriente de salida X:Y (destilado) o XDY (fondos). 8inalmente indicamos la ca"da de presión en el equipo de P.N barJ, para ello damos doble clic en el equipo y vamos a la pestaWa para$eters, incluimos el dato de P.N barJ en la casilla inlet (3elta &).
H A&lisis )e res0lta)os 'E1$23I45$I6 II
&áina 77
a información que se puede leer de cada corriente en el 4or5seet es la mostrada0 Alimen"o 4-6 -racci,n de !a(or Tem(era"ura 01C2 Presi,n 0(a2 -luo Molar 0mol.2 -racci,n molar del li!iano En"al(a molar 0Fmol2
Des"ilado 4D6
-ondos 4$6
P \N.D 7N:.P 7PP P.:NPP
7 \N.D 7P:.P DN.RS P.RSNS
P \N.D 7P:.P [R.ND P.7:[P
H:SSDM:.:P
H:DN[P\.[:
H:S\\R\.P\
1ealizamos un balance de ener"a0 P
P
P
Q=W + ∆ H + ∆ E P + ∆ E K Q=( D h D + B hB )− F h F Q=( 35.47 ∙ (−2.35 × 10
5
) +64.53 ∙ (−2.78 × 10 ) )−100 ∙ (−2.77 × 10 ) =1.388 × 10 5
5
6
[ ] kJ h
Este valor podemos veri*carlo dando doble clic en la corriente de ener"a.
8inalmente el rendimiento de la operación es0
'E1$23I45$I6 II
&áina 7:
%Ren=
•
D ! D F ! F
× 100 =67.49
ReGerencias
7J. 6ristóbulo enteno /urtado. 7ases )e ter$o)i&$i#a e& i&'e&iera /0$i#a. FI@ 3epartamento de Inenier"a Gu"mica. (7MM:) :J. ^. $. @mit#, /. . 9an 4ess, $. $. 6bbott. I&tro)0##i%& a la ter$o)i&$i#a e& i&'e&iera /0$i#a. S_ E3, Editorial $`raL /ill. (:PPS) DJ 1obert /. &erry, 3on . `reen. &errys Ce$i#al E&'i&eers8 a&)(oo5 . ap 7D, tabla 7DH7. $c`raL /ill. (7MMM)
'E1$23I45$I6 II
&áina 7D
