SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 1 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA CURSO TEÓRICO Y PRÁCTICO DE SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® VERSIÓN 2006.5 “NIVEL BÁSICO”
CAPACITADOR: RUBEN ALDO CHAVEZ FLORES AUXILIAR DE CÁTEDRA EN MATEMÁTICAS Y OPERACIONES UNITARIAS U.A.G.R.M. –E.M.I. – U.E.B. INGENIERÍA QUÍMICA - ELECTRÓNICA
Santa Cruz de la Sierra Bolivia – Agosto 2015
AUX.: RUBEN ALDO CHAVEZ FLORES
SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 2 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA 1. OBJETIVO GENERAL Que el estudiante realice la simulación de cualquier proceso de ingeniería, interpretando y estableciendo criterios para la optimización del mismo.
2. OBJETIVOS ESPECIFICOS Al finalizar el curso el estudiante será capaz de:
conocer el entorno básico de simulación seleccionar paquetes termodinámicos de acuerdo a criterios ingenieriles realizar simulaciones en estado estacionario y/o dinámico establecer criterios y análisis a los resultados de las simulaciones crear gráficos que representen los diferentes procesos resolver problemas de termodinámica resolver problemas de operaciones unitarias crear reportes de corrientes de materiales, energía, equipos, etc.
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 3 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA 3. DISEÑO DE PROCESOS QUÍMICOS Los ingenieros deben producir documentos que definan y describan el sistema a diseñar. El diseño de plantas químicas se lleva a cabo en varias etapas:
Ingeniería BÁSICA Ingeniería DETALLADA
3.1. INGENIERÍA BÁSICA Realizada principalmente por ingenieros químicos. Define los aspectos centrales de la planta. Genera los siguientes documentos: a. Descripción del proceso b. Diagrama entrada salida c. Diagrama de bloques genéricos d. BFD e. PFD f. Hojas de datos. Descripción del proceso: documentos que describen la secuencia de operaciones que conforman el proceso. Diagrama entrada salida: incluye estequiometria de la reacción, materias primas y productos principales.
Diagrama de bloques genéricos (GBD): basado en el anterior incluye nuevos bloques que representan que representan las áreas de la planta (reacción, separación…). Diagrama de bloques (BFD): Incluye condiciones principales de operación, información importante (rendimientos, conversiones…), balances de materia y energía preliminares.
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Diagrama de flujo de proceso (PFD): incluye los lazos de control principales, balances de materia y energía definitivos y especificación de equipos.
Este tipo de diagramas de flujo se lleva realiza en HYSYS.
Hoja de datos (Datasheet): especifica los equipos durante la ingeniería básica. AUX.: RUBEN ALDO CHAVEZ FLORES
SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 5 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA 3.2. INGENIERÍA DETALLADA Características: Se lleva a cabo por un grupo interdisciplinario de ingenieros. Se genera toda la documentación para la construcción física de la planta: Diagrama de Tuberías e Instrumentación (PID O P&ID): se basa en el PFD y especifica además diámetro y longitud de tuberías, servicios industriales, drenajes, espesores, materiales, instrumentos de control, hojas de datos, especificaciones técnicas de los equipos.
4. MODELACIÓN Y SIMULACIÓN 4.1.
MODELACIÓN
Es la representación matemática de fenómenos físicos. Un modelo es un conjunto de ecuaciones que relacionan variables del proceso. Evalúa un proceso sin tenerlo físicamente. 4.2. SIMULACIÓN Consiste en evaluar numéricamente el modelo para condiciones específicas. El simulador de procesos resuelve las variables desconocidas a partir de las conocidas o parámetros de diseños deseados.
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 6 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA 4.2.1.
SIMULACIÓN DE PROCESOS
Usa las relaciones físicas fundamentales: Balances de masa y energía Relaciones de equilibrio Correlaciones de velocidad (Reacción y transferencia de masa y calor) Predice Flujos, composiciones y propiedades de las corrientes Condiciones de operación tamaño de equipo Algunas aplicaciones Diseño y optimización de procesos Entrenamiento operativo de operarios Para llevar a cabo control de procesos (estrategias de control predictivo FF) 4.2.2. VENTAJAS DE LA SIMULACIÓN
Reduce el tiempo de diseño de una planta Permite al diseñador examinar rápidamente varias configuraciones de planta. Ayuda a mejorar procesos actuales Responde a las interrogantes en el proceso Determina condiciones óptimas del proceso dentro de las restricciones dadas
Se debe tener en cuenta que los resultados de una simulación no son siempre fiables y estos se deben analizar críticamente. Hay que tener en cuenta que los resultados dependen de: La calidad de los datos de entrada De que las correlaciones empleadas sean las apropiadas (escoger bien el paquete termodinámico) Elección adecuada el proceso. 5. SIMULADORES DE PROCESOS QUÍMICOS
Entre 1970 y 1990 comenzaron a surgir simuladores de procesos comerciales. Son herramientas básicas en los programas universitarios de ingeniería. Las tres empresas que se reparten casi la totalidad del mercado de la simulación de procesos son AspenTech, Honeywell y Simulation Sciences. El sector del petróleo y gas ha sido uno de los preferidos por las empresas de simulación de procesos. Modelos forman parte del Know-how privado de la compañía. AUX.: RUBEN ALDO CHAVEZ FLORES
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Existen software de simulación privados (desarrollados por empresas) y académicos que poseen características de simulación específicas que pueden superar muchas veces a los paquetes comerciales.
Algunos de los paquetes actuales de software para se muestran a continuación:
CHEMCAD creado en 1984 Paquete de módulos que abarca: Cálculo y diseño de intercambiadores de calor Simulación de destilaciones dinámicas Simulación de reactores por lotes Simulación de destilaciones por lotes Simulación de redes de tuberías
SuperPro-Designer, provee: Simulación del proceso Evaluación económica Análisis avanzado del rendimiento específico Programación del proceso Valoración del impacto ambiental (Incluyendo cálculos rigurosos de la emisión de VOC).
Sistema Avanzado para Ingeniería de Procesos - Advanced System for Process Engineering (ASPEN). Desarrollado en los años 1970s por investigadores del MIT Comercializado desde 1980 por una compañía denominada AspenTech. AspenPlus tiene la base de datos más amplia entre los simuladores de procesos comerciales, e incluye comportamiento de iones y de electrolitos. Tiene muchos datos de propiedades a varias temperaturas y presiones AUX.: RUBEN ALDO CHAVEZ FLORES
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Adquirido por Aspentech en 2004. Software especializado para la industria petroquímica.
Las principales ventajas de HYSYS son: Su facilidad de uso (interfaz amigable) Base de datos extensa (superada solo por la de AspenPlus) Utiliza datos experimentales para sus correlaciones. La mayoría de los datos son experimentales, aunque algunos son estimados (la mayoría de simuladores usa modelos predictivos como UNIFAC) Las principales desventajas de HYSYS son: Pocas o nulas aplicaciones de sólidos Software de optimización limitado (el optimizer no es muy potente) HYSYS es un software para la simulación de plantas petroquímicas y afines. Incluye herramientas para estimar: Propiedades físicas Equilibrios líquido vapor, Balances de materias y energía Simulación de muchos equipos de ingeniería química. Simula procesos en estado estacionario y dinámico.
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 9 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA 6. CONCEPTO GENERAL DE MODELADO Y SIMULACIÓN Es la representación de un proceso o fenómeno mediante un modelo matemático que permite analizar sus características. A través del modelo se trata de explicar el comportamiento del sistema o proceso. Los modelos son establecidos a través de ecuaciones que se basan en leyes fundamentales como ser:
Balance de materia Balance de energía Balance de cantidad de movimiento Ecuaciones de estado y transporte
Con la finalidad de que el modelo se aproxime más a la realidad, éste se vuelve complejo en su formulación y difícil en su resolución, de ahí la necesidad de emplear métodos numéricos ya sean programados por el usuario o Simuladores de Procesos Comerciales. Básicamente los simuladores son paquetes computacionales que resuelven los modelos utilizando métodos numéricos.
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 10 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA 7. ASPEN HYSYS ® 2006.5 Es un paquete computacional que sirve para la simulación de procesos, ha sido creado teniendo en cuenta la arquitectura del programa, diseño de la interface, capacidades ingenieriles y operación interactiva. El gran aporte de Aspen HYSYS® a todo profesional relacionado en el área de procesos industriales es el ahorro de tiempo, debido a que ya no es necesario resolver los problemas de la forma tradicional en lápiz y papel (lo que normalmente es muy laborioso), sino que en el simulador ahora solo es necesario introducir los datos necesarios y el software mediante su amplia base termodinámica otorga los resultados correspondientes. Lo más importante es saber interpretar los resultados obtenidos debido a que HYSYS simula pero el ingeniero razona. HYSYS permite la simulación en estado estacionario y en estado dinámico (transitorio), su fuerte base termodinámica, sus paquetes de propiedades llevan a una simulación más realista lo cual permiten modelar una gran amplia gama de procesos con mucha confianza. Aspen HYSYS® es utilizado en la industria para Investigación, desarrollo, diseño y simulación. Sirve como base ingenieril para modelar procesos como ser:
Exploración y producción Plantas de Separación Procesamiento de gases Instalaciones criogénicas Procesos químicos y de refinación Petroquímica Metalúrgica Otros
8. INICIALIZACIÓN DE ASPEN HYSYS® Lo primero que se debe de realizar a la hora de emprender una simulación es familiarizarse con el entorno y configurar las preferencias de simulación. El programa de instalación crea la siguiente ruta de acceso:
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 11 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA 1. Click en Inicio. 2. Seleccionar Programas/ AspenTech/ Aspen Engineering Suite /Aspen HYSYS. El escritorio de ASPEN HYSYS se muestra de la siguiente manera:
Figura 1 9. CONFIGURACIÓN Y PERSONALIZACIÓN DEL SISTEMA DE UNIDADES PARA LA SIMULACIÓN Antes de comenzar a trabajar, es conveniente y necesario definir el sistema de unidades con el que se va a trabajar en la simulación. A continuación se muestra la configuración del sistema de unidades. Siga los siguientes pasos: 1. Hacer click en Tools, que se encuentra en la barra de menús, y luego en Preferences.. Aparecerá una pantalla (ver figura 2) donde existen varias pestañas de configuración (Simulation, Variables, Results, etc.) 2. Hacer click sobre la opción Variables. Allí puede observarse que el programa tiene 3 sistemas de unidades convencionales para elegir: EuroSI, Field y SI (Predeterminado). AUX.: RUBEN ALDO CHAVEZ FLORES
SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 12 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA Haciendo click en cada uno de ellos se puede ver una lista de magnitudes con sus respectivas unidades en cada sistema. (Observe que las unidades que están de color negro, no pueden editarse). 3. En caso que se desee cambiar alguna de esas unidades, debe utilizarse la herramienta Clone. Seleccionamos el sistema de unidades a clonar y cliqueamos en Clone. Aparecerá un nuevo sistema con el nombre NewUser y tanto el nombre como sus respectivas unidades aparecen en color azul. Esto indica que pueden ser editadas según lo requerido por el usuario. 4. Una vez realizados los cambios deseados puede guardarse el sistema de unidades cliqueando Save Preferences Set, que posteriormente podrá ser cargado desde esta misma ubicación. 5. Luego de seleccionar sistema de unidades a utilizar, cerrar la ventana.
Figura 2
10. CREACIÓN DE UN NUEVO CASO PARA LA SIMULACIÓN – SIMULATION BASIS MANAGER Una vez definidas las preferencias (sistemas de unidades), tenemos que especificar los componentes, paquetes de propiedades y de ser necesario reacciones, compuestos hipotéticos, etc. Para ello se debe crear un nuevo caso para la simulación. Hay 3 maneras de crearlo.
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 13 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA 1. Seleccionar File/New/Case. 2. Cliqueando en New Case en la barra de herramientas. 3. Presionar Crtl+N. Cualquiera de estas acciones abrirá una ventana denominada Simulation Basis Manager (Administrador base de simulación) que es donde se deben especificar todos los componentes y propiedades que se van a utilizar para la simulación.
Figura 3 En el Simulation Basis Manager se pueden observar pestañas como:
Components: Permite cargar los compuestos químicos a utilizar en la simulación. Una de las versiones más actualizadas del soft (Aspen HYSYS V7.2) permite no solo utilizar la base de compuestos propia, sino también la de Aspen. Fluid Pkgs: Aquí se selecciona el paquete termodinámico que utilizara el programa para estimar las propiedades de las sustancias. Su selección es muy importante para que la simulación sea lo más real posible. Es muy importante seleccionar éste paquete teniendo en cuenta los criterios de ingeniería. Hypotheticals: Permite crear componentes hipotéticos y estimar sus propiedades. (Por ejemplo un carbocatión C4+, C5+, etc.)
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Oil manager: Es una herramienta que permite cargar datos experimentales de hidrocarburos y con estos genera componentes hipotéticos. (Ejemplo una nafta).
Reactions: esta pestaña brinda la posibilidad de cargar reacciones químicas (conversión, equilibrio, cinética, catálisis heterogénea) con sus respectivos datos cinéticos, que luego utilizara el programa para simular.
A continuación debe seguir los pasos: 1. Seleccionar la pestaña Components, hacer click en el boton Add. 2. Esto llevara a la ventana Component List View (Lista de componentes) que es la lista de todos los compuestos disponibles en HYSYS.
Figura 4 3. Seleccionar los componentes deseados para la simulación. Pueden buscarse de acuerdo a 3 criterios:
Sim Name (Busca el componente con el nombre en el simulador) Full Name (Busca el componente con el Nombre completo) Formula (Busca el componente con la fórmula química)
Tildando la opción deseada y escribiendo en el casillero al lado de Match, el software buscara el compuesto en su base de datos. AUX.: RUBEN ALDO CHAVEZ FLORES
SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 15 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA 4. Una vez localizado el componente deseado, se puede hacer doble click sobre él o bien sobre el botón <---Add Pure ó por último apretar enter para agregarlo en la lista de componentes de la simulación. 5. Al fondo de la página de componentes, puede dársele un nombre a la lista de componentes (relacionado con el proceso que se esté trabajando). 6. Una vez completado, cerrar simplemente la ventana. Esto llevara de regreso al Simulation Basis Manager. 11. SELECCIÓN DE PAQUETE DE FLUÍDOS Una vez que se han especificado todos los componentes que se utilizará en la simulación, se debe especificar el paquete de fluidos. El paquete de fluidos se utiliza para calcular las propiedades termodinámicas y de transporte de los componentes y mezclas de la simulación (como entalpia, entropía, densidad, calor especifico, equilibrio L-V, etc.) Por tal razón, es muy importante la correcta selección del paquete de fluidos. Ahora se verá el procedimiento de selección, anteriormente se hizo un análisis para los criterios de selección. 1. Seleccionar la pestaña Fluid Pkgs en el Simulation Basis Manager (figura 5) 2. Cliquear en el botón Add para crear una paquete de fluidos nuevo como se muestra:
Figura 5 3. Seleccionar el paquete de fluidos más conveniente de acuerdo a su lista de componentes, por ejemplo “Peng Robinson” (Figura 6) AUX.: RUBEN ALDO CHAVEZ FLORES
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Figura 6 4. El nombre por defecto con el que se guarda el paquete de fluidos seleccionado es de Basis-1, cierre la ventana. 5. Para ingresar al ambiente de la simulación y trabajar en el PFD (Diagrama de Flujo del Proceso) haga Click en la opción Enter Simulation Environment…(Figura 7)
Figura 7
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 17 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA 6. Una vez que ingrese al entorno de simulación, en la pantalla se puede observar el PFD, que será el lugar de trabajo de todos los procesos que intervienen en la simulación. (Figura 8)
Figura 8 7. Al lado derecho del PFD aparece una barra de herramientas Case (Main), donde se encuentran una gran variedad de equipos y operaciones unitarias que serán necesarios para la simulación. Para trabajar con cualquiera de ellos solo es necesario dar un click sobre el equipo requerido y otro click en el PFD, de esta manera el equipo será cargado en el espacio de trabajo “PFD”. A continuación se explica de manera más detallada las opciones y herramientas del simulador mediante la resolución de problemas de aplicación a la ingeniería RECOMENDACIONES DE USO Cualquier simulación de un proceso requiere disponer del valor de las propiedades fisicoquímicas y termodinámicas de las mezclas de compuestos que circulan, o han de circular, entre los distintos equipos de la planta, en todas las condiciones de composición, presión y temperatura que puedan llegarse a verificar en la operación de la misma. Esto, obviamente, es prácticamente imposible y debemos hacer uso de técnicas de predicción que permitan estimar esos valores. La adecuada selección de estas técnicas será crucial para un cálculo preciso de los equipos y corrientes de la planta simulada. AUX.: RUBEN ALDO CHAVEZ FLORES
SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 18 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA No basta con que nuestro simulador cuente con los mejores algoritmos de cálculo, los más rápidos y estables. Si hemos realizado una elección incorrecta del método de predicción de propiedades los resultados que obtengamos en la simulación tendrán poco o nada que ver con la realidad. A continuación se describe los modelos termodinámicos recomendables para la simulación para diferentes tipos de mezclas. Lo que sigue es, en su mayor parte, una reelaboración de las recomendaciones realizadas por G.J.Suppes del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Missouri-Columbia para la selección de la metodología de cálculo del equilibrio líquido-vapor (ELV) o líquido-líquido (ELL). 1. Cuando la temperatura reducida de la mezcla, calculada como Tr = T / zi Tci , es mayor que 0,75 y no se prevén fases líquidas inmiscibles, se debe usar una ecuación de estado como SRK o PR, privilegiando aquellas que cuentan con datos experimentales en la base de datos del simulador. De acuerdo a Hyprotech, PR es preferible a SRK, aunque existen opiniones en contrario. 2. Cuando Tr es menor que 0,75 se debe usar un modelo de solución para la fase líquida y una ecuación de estado para el vapor 3. Cuando sólo se prevé una única fase líquida, las mejores elecciones para los alternativas de modelos de solución son a. NRTL para mezclas orgánicas con presencia de agua b. Wilson para el resto, aunque algunas fuentes (VirtualMaterials Group) recomiendan la ecuación de Margules para mezclas de hidrocarburos aromáticos. 4. En aquellas situaciones donde pueda producirse ELL debe usarse NRTL, siempre suponiendo que se cuenta con coeficientes de interacción o se los puede estimar. 5. Cuando no se puede disponer de coeficientes de interacción (experimentales o estimados) para usar con Wilson o NRTL, se debe utilizar el modelo de solución UNIQUAC con la predicción de los coeficientes de interacción binaria mediante UNIFAC. 6. Algunas fuentes (Sheppard) recomiendan la realización de gráficas xy, Txy ó Pxy para cada par de compuestos presentes en la mezcla y observar si en los mismos aparecen “comportamientos” extraños (picos o quiebres agudos, segmentos planos, etc.). Si nada de ello ocurre, la metodología elegida para predecir el equilibrio es adecuada. Otras recomendaciones de selección provienen de empresas proveedoras de simuladores o software relacionado y se las resume a continuación.
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 19 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA El cuadro siguiente resume el modelo de coeficientes de actividad recomendado para distintos tipos de mezclas por la empresa VirtualMaterials, proveedora de paquetes de propiedades para su uso en simulación: TIPO DE MEZCLA
MODELO RECOMENDABLE
Compuestos orgánicos con presencia de agua Alcoholes o en mezclas con fenoles
NRTL Wilson
Alcoholes, cetonas y éteres
Margules
Hidrocarburos C4 – C18 Hidrocarburos aromáticos
Wilson Margules
La tabla que sigue se refiere a la aplicabilidad de métodos de coeficientes de actividad en distintos sistemas, así como la posibilidad de extender la información disponible a condiciones distintas de las originales:
APLICACIÓN
MARGULES
VAN LAAR
WILSON
Mezclas binarias Mezclas multicomponentes Sistemas azeotrópicos Equilibrio líquido-líquido Sistemas diluidos Sistemas autoasociativos Polímeros Extrapolación
A AL A A ? ? NA ?
A AL A A ? ? NA ?
A A A NA A A NA B
NRTL
UNIQUAC
A A A A A A A A A A A A NA A B B Fuente: Honeywell
Dónde: A= aplicable NA= no aplicable AL= aplicación limitada ? = cuestionable B= bueno
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 20 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA La tabla siguiente muestra los paquetes básicos recomendados en función del tipo de proceso. TIPO DE PROCESO Deshidratación de TEG Acuoso ácido Procesamiento de gas criogénico Separación de aire Torres atmosféricas de crudo Torres a vacío Torres de etileno Sistemas con alto contenido deH2 Reservorios Sistemas de vapor Inhibición de hidratos Productos químicos Alquilación de HF Hidrocarburos-agua (alta solubilidad del agua en HC) Separaciones de hidrocarburos Aromáticos Hidrocarburos sustituidos (cloruro de vinilo, acrilonitrilo) Producción de éter (MTBE, ETBE, ter-amil metil eter TAME) Plantas de etilbenceno / estireno Producción de ácido tereftálico Planta de amoníaco
PAQUETE TERMODINÁMICO RECOMENDADO PR Sour PR PR, PRSV PR, PRSV PR y sus variantes, Grayson Streed (GS) PR y sus variantes, GS, Braun K10, Esso Lee Kesler Plocker PR, Zudkevitch-Joffee (ZJ), GS PR y sus variantes ASME Steam, Chao Seader, GS PR Modelos de actividad, PRSV PRSV, NRTL Kabadi Danner PR, SRK Wilson, NRTL, UNIQUAC PR, SRK Wilson, NRTL, UNIQUAC PR, SRK o Wilson, NRTL, UNIQUAC (según la tecnología de producción) Wilson, NRTL, UNIQUAC PR, SRK
Fuente: Honeywell, ASPENTech
ASPENTech ha propuesto una guía para la selección de los paquetes de propiedades según el tipo de compuestos y las condiciones operativas. Lo que sigue es un seudocódigo que se ha elaborado a partir del esquema original de ASPEN, considerando los paquetes disponibles en UniSim Design R390. 1.- Si los compuestos son no polares ir a 4. 2.- Si los compuestos son polares no electrolitos ir a 5. 3.- Con electrolitos, usar un paquete específico. Fin. 4.- No polares a) Si la totalidad de los componentes no son hipotéticos, usar PR, SRK, Lee-KeslerPlocker. Fin. b) Si la presión de la mezcla de componentes reales y pseudocomponentes es - Superior a 1 atm usar CHAO-SEADER, GRAYSON. Fin AUX.: RUBEN ALDO CHAVEZ FLORES
SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 21 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA - Menor a 1 atm usar IDEAL. Fin. 5.- Polares no electrolitos a) Si la presión es inferior a 10 bar a1) Si se dispone de parámetros de interacción (en la base de datos o suministrados por el usuario) a1.1) Si se prevé que el equilibrio será líquido-líquido usar: NRTL, UNIQUAC y sus variantes. Fin a1.2) Si se prevé que el equilibrio será líquido-vapor usar: WILSON, NRTL, UNIQUAC y sus variantes. Fin. a2) No se dispone de parámetros de interacción, usar UNIFAC. Fin b) Si la presión es superior a 10 bar b1) Si se dispone de parámetros de interacción usar métodos correlativos. Fin b2) Si no se dispone de parámetros de interacción usar métodos predictivos. Fin BIBLIOGRAFÍA Henley, Seader, “Operaciones de Separación por Etapas de Equilibrio en Ingeniería Química”, 1988, Ed.Reverté SA Suppes, “Selecting Thermodynamic Models for Process Simulation of Organic VLE and LLE Systems”, http://students.aiche.org/pdfs/thermodynamics.pdf UniSim Thermo Reference Guide Hyprotech. HYSYS.Process Documentación Suite (1998). Calgary: Hyprotech.
A continuación se explicará más a detalle, el uso de las herramientas y demás en el desarrollo del curso mediante la resolución de problemas.
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 22 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA
PROBLEMAS RESUELTOS 1. Un compresor diseñado para una sola etapa tiene que comprimir 34.2 kg-mol/h de metano a 29 °C desde 140 kPa de presión absoluta hasta 500 kPa absolutos. Calcular: La potencia mecánica necesaria en “hp” y la temperatura de salida del compresor si el rendimiento es del 75%, considere una compresión adiabática. Solución:
1er Paso: Crear un nuevo caso y añadir a la lista de componentes “Methane”
2do Paso: Añadir el paquete de fluidos más adecuado para los componentes de la lista, para este caso se utiliza “Peng Robinson”. AUX.: RUBEN ALDO CHAVEZ FLORES
SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 23 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA 3er Paso: Ingresar al ambiente de simulación para trabajar en el PFD. Buscar en la paleta de herramientas el equipo requerido “Compressor”, dar click sobre el equipo y luego click en cualquier parte del PFD para cargar el equipo.
4to Paso: El equipo se encuentra de color rojo, lo que significa que el equipo no está especificado, es decir le faltan datos. Asignar dos corrientes de entrada y salida de materia de la paleta de herramientas (flechas de color azul).
5to Paso: Especificar los datos de la corriente de materia “1” y “2” (flechas de color celeste), dar doble click sobre las corrientes respectivas para que aparezca la ventana donde se pueden especificar los datos del problema. Como lo único que ingresa por la corriente “1” es metano, su fracción molar es igual a 1 es decir 100% metano. Todos espacios para escribir que estén de color “azul” se pueden editar, los que estén de color “negro” son valores que el simulador a calculado mediante operaciones AUX.: RUBEN ALDO CHAVEZ FLORES
SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 24 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA numéricas del software y no pueden editarse. Los valores de color “rojo” son datos estándares predeterminados en el simulador pero si es posible editarlos, solamente se encuentran como una referencia para los cálculos internos. Para la corriente “1” lo primero que debo hacer es introducir el valor de las composiciones “Composition”, luego los valores de las condiciones “Conditions”.
6to Paso: Especificar los valores de las condiciones P=140kPa, t=29°C y F=34.2 kgmol/h.
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 25 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA 7mo Paso: Conectar las corrientes de materia con el compresor. Doble click sobre el compresor en “inlet” conectar con la corriente “1” y “outlet” conectar con la corriente “2”.
8vo Paso: Se requiere de una corriente de energía para el funcionamiento del compresor, asignar una variable que represente dicha energía. Por ejemplo “E-C”. Observe que después de añadir la variable de energía requerida por el compresor el equipo cambia de color rojo a color amarillo.
9no Paso: A continuación en la pestaña de “Parameters” se asigna el valor de la eficiencia adiabática del 75 %, el valor por defecto está de color rojo y coincide con el requerido para este problema, por tal razón se mantiene ese valor y para el modo de operación se utiliza el “centrifugo”. AUX.: RUBEN ALDO CHAVEZ FLORES
SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 26 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA
10mo Paso: De la misma manera que se especificó la corriente “1” se procede con la corriente “2”, en este caso como se trata de un compresor por lo que es suficiente añadir el valor de la presión de salida para que la corriente quede especificada. P=540kPa
11avo Paso: La corriente “2” queda especificada (cambia su color a azul) y el color del equipo cambia a color negro sombreado lo que indica que los grados de libertad del sistema es igual a cero y el sistema converge. Lo que sigue a continuación es que el responsable de la simulación pueda analizar los resultados obtenidos y mediante criterios ingenieriles evalúe la coherencia de ellos y la cercanía a lo real.
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 27 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA Resultados: El valor de la potencia requerida por el compresor para llevar a cabo la compresión es de 49.93kW o su equivalente 66.96 hp y la temperatura de salida 163.8 °C
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 28 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA APLICACIONES EN TERMODINÁMICA CICLO DE RANKINE PROBLEMA: Un generador de vapor produce vapor a 400ºC y 15 atm de presión, que usado en un ciclo Rankine produce 7500 CV, siendo el vapor de escape saturado y seco a 45 ºC a) La cantidad de vapor generado b) La potencia generada por la turbina (hp) c) Representar los diagramas P-T, P-H, P-V, P-S. d) La potencia de la bomba (hp) c) El calor requerido por el recalentador, caldero y recalentador. d) El calor cedido por el condensador.
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 29 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA DEFINICIONES IMPORTANTES EN LA INDUSTRIA DE LOS HIDROCARBUROS 1.- Punto Crítico: Se define como la presión y temperatura donde las propiedades intensivas (que no dependen de la cantidad de masa del sistema, como densidad, compresibilidad, etc.) de las dos fases líquido y gas son idénticas.
Diagrama Presión – Temperatura para un fluido de yacimientos 2.- Punto de burbujeo: Es el punto (presión y temperatura) donde una gran cantidad de fase liquida existe en equilibrio con una cantidad infinitesimal de gas o vapor. También puede definirse como la presión y la temperatura a las cuales se forma la primera burbuja de gas y el sistema pasa de líquido a dos fases. El conjunto de puntos de burbujeos forma la curva de burbujeo, la cual separa la región de estado líquido con la región de dos fases. 3.- Punto de Rocío: Es el punto (presión y temperatura) donde gran cantidad de gas existe en equilibrio con una cantidad infinitesimal de líquido también puede definirse como la presión y la temperatura a las cuales se forma la primera gota de líquido y el sistema pasa de vapor a la región de dos fases. El conjunto de puntos de rocío forma la curva de rocío, la cual separa la región de estado gaseoso de la región de dos fases. AUX.: RUBEN ALDO CHAVEZ FLORES
SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 30 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA 4.- Cricondentérmico: Temperatura máxima a la cual existe dos fases. 5.- Crivaporbárico: Presión máxima a la cual existen dos fases. 6.- Gas en solución o gas disuelto: Es un fluido el cual se encuentra en estado gaseoso a condiciones normales de presión y temperatura, pero que es líquido a las altas presiones y temperaturas del yacimiento. 7.- Condensado o destilado: Son líquidos formados por condensación de gas. A condiciones de yacimientos son gases pero a condiciones de superficie son líquidos. 8.- Condensado retrógrado: Es líquido formado por condensación de vapor disminuyendo la presión a temperatura constante o incrementando la temperatura a presión constante. La palabra retrógrado indica que la condensación ocurre en la forma contraria a la normal. 9.- Liberación o separación diferencial e instantánea: Se refieren a la manera como se separa el gas en solución del petróleo. En separación instantánea la composición del sistema petróleo – gas no cambia, ya que el gas que se va separando se mantiene en contacto con el petróleo hasta que todo el gas se separe. En separación diferencial, el gas liberado en cada reducción en presión, se va separando del petróleo y por tanto la composición cambia, por ejemplo el sistema gas – petróleo va cambiando de composición a medida que la presión va disminuyendo. 10.-Petróleo Saturado: Un petróleo se dice que está saturado, cuando a la presión y temperatura a que se encuentra no acepta más gas en solución, y si ocurre una disminución en presión se produce liberación de parte del gas en solución. 11.- Petróleo No-saturados o Subsaturados: Un petróleo se dice No-saturado, cuando a la presión y temperatura a que se encuentra puede aceptar más gas en solución, (si existiese gas disponible en el yacimiento); y si ocurre una disminución en presión no se produce liberación del gas en solución.
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 31 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA PROBLEMAS PROPUESTOS DE SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS Ejemplo # 1.
Se tiene una mezcla compuesta de “Metano 20%, Etano 20% y Agua 60%” en porcentaje molar, ingresa a un separador a una P=0.8Pc, (Pc=presión critica), T= Tb + 2ºC, (Tb=temp. de Burbuja). Con una alimentación de 4800 grmol/h, la línea de vapor de salida del separador es igual al 50% en flujo molar de la alimentación (Ojo hay intercambio de calor). La línea de líquido que sale del separador se mezcla con una corriente con las siguientes especificaciones. Especificaciones de la Corriente: Agua 50%, Metano 25% y Propano 25% en porcentaje molar. T=Tc/2 (Tc=temp critica) P=Pb - 8bar (Pb= presion de burbuja) Flujo= 40 grmol/h.
Calcúlese: a. b. c. d. e. f. g.
Los flujos de materia de las líneas de vapor y de liquido Los porcentajes de Metano y Etano que se obtienen en la línea de vapor Los porcentajes de Metano y Etano que se obtienen en la línea de liquido La cantidad de energía por unidad de tiempo requerida por el separador en hp El flujo de materia a la salida del mezclador Los porcentajes de Metano, Etano y Propano a la salida del mezclador Realizar todos los gráficos posibles
Nota.- Se toma como Pc y Tc a la que HYSYS llama “Pseudo”
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 32 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA Ejemplo # 2.
Para efectuar un proceso de separación inicialmente se mezclan dos corrientes 1 y 2, con las siguientes especificaciones:
Corriente1:
Corriente 2:
Agua 50%, Metano 25% y Propano 25% en porcentaje molar.
Propano 10% %, Metano 90% en porcentaje molar.
T=Tc/2 (Tc=temp critica)
P=Pc/2 (Pc=temp critica)
P=Pb - 8bar (Pb= presion de burbuja)
T=Tb - 8ºK (Tb= presion de burbuja)
40 grmol/h.
40 grmol/min
Luego que las corrientes 1 y 2 se han mezclado, el producto de la mezcla ingresa a un separador como alimentación donde todo es transformado en vapor, para mejorar el proceso de separación fue necesario el intercambio de calor. Calcúlese:
a. b. c. d. e. f. g.
Los flujos de materiales de las líneas de vapor y de líquido Las fracciones molares de Metano y Propano que salen por la línea de vapor Las fracciones molares de Metano y Propano que salen por la línea de líquido La temperatura a la salida del mezclador La cantidad de agua residual en la línea de vapor respecto a la separación en % La carga de calor intercambiado en el separador en kJ/h Analizar el comportamiento de la capacidad calorífica molar y másica en función de la temperatura, de la misma manera con las entalpias molar y másica para las líneas de la alimentación al mezclador
h. Realizar los diagramas P-T, P-V y P-H para las líneas de la alimentación al mezclador y para la línea de alimentación del separador
Nota.- Se toma como Pc y Tc a la que HYSYS llama “Pseudo”
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 33 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA Ejemplo # 3. Se tiene un mezclador donde ingresan 3 corrientes con las siguientes
especificaciones:
Nombre Corriente:
Nombre Corriente:
Nombre Corriente:
”n-Butano”
”n-Pentano”
”n-Hexano”
n-Butano 90%, n-Hexano 5%, n-Pentano 5% en porcentaje molar
n-Pentano 95%, n-Hexano 2.5%, n-Butano 2.5% en porcentaje molar
n-Hexano 93%, n-Pentano 5 %, n-Butano 2% en porcentaje molar
T= Tc/4 (Tc=temp critica)
P= 0.4*Pc (Pc=presión critica)
P= 0.1*Pc (Pc=presión critica)
T=Tb + 2 ºR (Tb= Temperatura de burbuja)
T=680ºR (Tb= Temperatura de burbuja)
P=Pb – 2 psia (Pb= presión de burbuja) 40 grmol/seg
1 Kgmol/min
0.05 Kgmol/seg
La corriente de salida del mezclador ingresa a un separador donde solo separa las fases. Calcular todas las variables posibles y graficas con el hysys. Nota.- Se toma como Pc y Tc a la que hysys llama “Pseudo”
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 34 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA Ejemplo #4. Una mezcla compuesta de 250 kmol/h de acetona, 90 kmol/h de alcohol
etílico y 15 kmol/h de hexano se alimenta a una torre de destilación con los siguientes datos:
Datos de la torre de destilación Temperatura de 63 ºC y 3 bar de presión. Las pérdidas de presión a lo largo de la torre son de 0.2 bar, se usa una relación de reflujo de 1.4 veces el reflujo mínimo. Se desea que un 7 % del componente más liviano esté presente en la corriente de fondos de la torre de destilación y un 3.5% del componente más pesado esté presente en la corriente de producto destilado. Datos en el intercambiador El destilado entra al lado de los tubos del intercambiador, sufriendo una pérdida de presión de 0.3 bar. El destilado sale a 35 ªC. Agua de enfriamiento ingresa, por la carcasa del intercambiador, a una temperatura de 20 ºC y 5 bar, sufriendo una pérdida de 0.2 bar. El agua sale a 65 ºC Datos en el Separador El destilado frio ingresa a un separador. Determine las condiciones de salida del separador
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 35 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA Calcúlese: a) El punto de rocío de la línea de alimentación y la variación de la capacidad calorífica molar en función de la temperatura. b) Cuál es el compuesto más liviano y el más pesado de la mezcla y ¿porque? Explique c) Determinar las especificaciones de la torre de destilación d) Determinar los requerimientos de calor en el condensador y el calentador e) Determine las composiciones y condiciones de las corrientes de destilado y fondo de la torre f) Las condiciones de la mezcla a la salida del intercambiador g) Determine la cantidad requerida de agua h) Determine las especificaciones técnicas del intercambiador de calor
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 36 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA Ejemplo # 5.
A un mezclador ingresan tres corrientes según las siguientes especificaciones:
CORRIENTE 1: Benceno
CORRIENTE 2: p-Xyleno
CORRIENTE 3: Tolueno
COMPONENTES
% molar
COMPONENTES
% molar
COMPONENTES
% molar
Benceno
90
Benceno
10
Benceno
0
p-Xyleno
6
p-Xyleno
85
p-Xyleno
15
Tolueno
3
Tolueno
3
Tolueno
75
Agua
1
Agua
2
Agua
10
Flujo Másico kg/h
900
2000
3000
Las tres corrientes entran a 25 ºC y 2 atm de presión La corriente resultante ingresa a un intercambiador de calor y posteriormente a una columna de destilación. Datos del intercambiador de calor: La mezcla entra al lado de los tubos del intercambiador, sufriendo una pérdida de presión de 0.3 atm. La mezcla sale a 90ºC. El producto resultante de los fondos de la columna de destilación entra al lado de la carcasa del intercambiador, sufriendo una pérdida de 0.2 atm. Modelo del intercambiador de calor: Ponderado (Weighted). Datos en la columna de destilación: Las pérdidas de presión a lo largo de la torre son despreciables. La relación de reflujo es igual a 1.5 veces la del reflujo mínimo. Se requiere que un 5% del componente más liviano esté presente en la corriente de fondos y que el destilado contenga 1% del componente pesado.
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 37 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA Calcúlese: a. b. c. d. e.
El punto de rocío de la corriente 1 La capacidad calorífica másica de la corriente 3 en función de la temperatura Los diagramas P-T y P-H de la corriente 2 Las condiciones de la corriente de salida del intercambiador Determinar las especificaciones técnicas del intercambiador de calor
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 38 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA Ejemplo # 6.
A un mezclador ingresan tres corrientes según las siguientes especificaciones: CORRIENTE 1: Benceno COMPONENTES
Kmol/h
CORRIENTE 2: p-Xyleno COMPONENTES
Kmol/h
CORRIENTE 3: Tolueno COMPONENTES
Kmol/h
Benceno
10
Benceno
0.5
Benceno
1.5
p-Xyleno
0.5
p-Xyleno
20
p-Xyleno
0.75
Tolueno
0.25
Tolueno
1
Tolueno
30
Las tres corrientes entran a 25 ºC y 2 atm de presión La corriente resultante ingresa a un intercambiador de calor y posteriormente a una columna de destilación. Datos del intercambiador de calor: La mezcla entra al lado de los tubos del intercambiador, sufriendo una pérdida de presión de 0.3 atm. La mezcla sale a 90ºC. El producto resultante de los fondos de la columna de destilación entra al lado de la carcasa del intercambiador, sufriendo una pérdida de 0.2 atm. Modelo del intercambiador de calor: Ponderado (Weighted)
Datos en la columna de destilación: Las pérdidas de presión a lo largo de la torre son despreciables. La relación de reflujo es igual a 1.2 veces la del reflujo mínimo. Se requiere que un 6% del componente más liviano esté presente en la corriente de fondos y que el destilado contenga un 5% del componente pesado.
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 39 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA Calcúlese:
a) Cuál es el compuesto más liviano y el más pesado de la mezcla y ¿porque? Explique b) Determinar las especificaciones de la columna de destilación c) Determinar los requerimientos de calor en el condensador y el calentador d) Determine las composiciones y condiciones de las corrientes de destilado y fondo de la torre e) Las condiciones de la mezcla a la salida del intercambiador f) Determine la cantidad requerida de agua g) Determine las especificaciones técnicas del intercambiador de calor h) La capacidad calorífica molar en función de la temperatura i) Los gráficos P-T, P-H y P-V de las corrientes que ingresan al mezclador
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 40 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA Ejemplo # 7.
Se va a realizar la absorción de acetona en una torre con etapas a contracorriente. El gas contiene 1% de acetona en aire siendo el flujo total de 30 kmol/h. Se usara agua para absorber la acetona con un flujo de 90kmol/h. El proceso trabaja isotérmicamente a 38 ºC y a una presión de 1 atm. Calcúlese:
a. La capacidad calorífica molar de la corriente del gas de entrada en función de la temperatura y los gráficos P-T, P-V y P-H b. La concentración de la acetona en la corriente de salida del gas, la altura y el diámetro de la columna c. ¿Según su criterio mencione cuál es el mejor paquete termodinámico. Justifique su respuesta? Si el gas saliente de la columna de absorción ingresa por la parte del tubo a un intercambiador de calor donde se calienta hasta los 95 ºC mediante agua. Establezca las condiciones de entrada y salida del agua y calcule la cantidad de agua necesaria para este proceso de calentamiento.
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 41 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA Ejemplo # 8.
A un separador ingresan los siguientes componentes en porcentajes molares: Metano 20%, Etano 20%, Agua 60% a 15 ºC y 120 bar. El producto líquido del separador ingresa a un mezclador donde se une con otra corriente “C-1” con las siguientes especificaciones. C-1: Metano 25%, Propano 25%, Agua 50% a 90ºC y 160 bar de presión. Luego que las corrientes de liquido y C-1 se han mezclado el producto resultante ingresa a una torre spliters
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SIMULACIÓN DE PROCESOS INDUSTRIALES CON ASPEN HYSYS® 2006.5 42 U.A.G.R.M. – FACULTAD POLITÉCNICA Ejemplo # 9.
A una columna de absorción ingresan: 300 kmol/h de H2O y 3 kmol/h de amoniaco a 20ºC y 1 atm de presión. Se ponen en contacto con una corriente gaseosa compuesta por amoniaco y aire con un flujo de 100 kmol/h, el amoniaco ingresa en una cantidad igual al 8% en porcentaje molar a las mismas condiciones de la entrada.
El producto que sale por domo de la columna ingresa a un intercambiador de calor donde se calienta hasta los 90ºC utilizando agua. Para el modelo del intercambiador de calor utilice el de tipo ponderado. Establezca las condiciones adecuadas de presión y temperatura en las corrientes de entrada y salida de la carcasa del intercambiador de calor. Calcúlese: a. La cantidad de agua que se necesita para el intercambio de calor en el lado de la carcasa b. Los límites máximos y mínimos de variación de temperatura en el intercambiador de calor c. El diámetro de la columna de absorción d. Los diámetros interno y externo en el lado de la carcasa, así también todas sus especificaciones técnicas e. Los gráficos P-T, P-H y P-V f. La capacidad calorífica másica en función de la temperatura para las corrientes de entrada
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