Introducción Del Uso de Simuladores de Proceso

Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys.

CONTENIDO

Paquetes Termodinámicos (Fluid Package) ........................................................................................... 2 Obj eti vo s ................................ ................................................. .................................. ................................. ................................. ................................. ................................. ............................. ............ 2 Int ro du cc ió n .................................... .................................................... ................................. ................................. ................................. .................................. .................................. .................... ... 2 Defi ni ci ón ............................... ................................................ .................................. ................................. ................................. ................................. ................................. ............................. ............ 2 Tipos de paquetes existentes en Hysys .............................................................................................. 2 Ecuaciones de Estado (EOS’s) ................................ ................................................. .................................. ................................. ................................. ....................... ...... 2 Model os de Act ivi dad (Act ivi ty Model s) ......... .............. .......... .......... ......... ......... ......... ......... .......... ......... ......... .......... ......... ......... .......... ......... ......... .......... ....... 5 Model os Semiemp iri cos (Chao Seader Seader y Grays on Streed) ......... ............. ......... .......... .......... ......... ......... .......... ......... ......... .......... ......... .... 8 Métod os para Prop iedad es de Mezclas de Petró leo ......... .............. ......... ......... .......... .......... ......... ......... .......... ......... ......... .......... ......... ......... ....... 8 Selección Selección d el paquete termodinámico termodinámico según el tipo de pro ceso o p or tip os de c omponentes ... ..... 9 Selección según el tipo de proceso ................................................................................................. 9 Selecci ón segú n el tip o de co mpo nent es ....... ............ ......... ......... .......... .......... ......... ......... .......... ......... ......... .......... ......... ......... .......... ......... ......... ......... .... 12 Ejemp lo de Simu lac ió n ....................... ........................................ ................................. ................................. .................................. .................................. ............................. ............ 14

CURSO Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys REV. CH

Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys. Introdu cción d el uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys Hysys

Paquetes Termodinámicos (Fluid Package) Objetivos Seleccionar los elementos básicos requeridos para desarrollar la simulación de un proceso en Hysys. Seleccionar el paquete termodinámico adecuado para los cálculos necesarios dentro de la simulación.

Introducción 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. Esto es, 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. Resulta obvio que es imposible realizar una consideración pormenorizada de todas las posibles mezclas de compuestos que pueden presentarse en la simulación de una planta química, a fin de poder establecer el método de predicción más adecuado para cada una de ellas. Solo podemos abordar la cuestión en forma general, tratando de establecer criterios de selección y análisis, con un rango de validez más o menos amplio.

Definición Un paquete Termodinámico es el conjunto de ecuaciones seleccionadas para el cálculo de las propiedades fisicoquímicas y termodinámicas de un fluido. Los paquetes termodinámicos dentro del simulador Hysys son llamados Paquetes de Fluido.

Tipos de paquetes existentes en Hysys En general los paquetes termodinámicos pueden ser formados por cualquier tipo de función que nos permita desarrollar los cálculos necesarios, sin embargo ya existen paquetes preformados para usos específicos según la naturaleza del sistema. Los paquetes se pueden clasificar en función de los modelos a seguir: Ecuacion es de Estado (EOS’ (EOS ’s)

Son los modelos que relacionan, para un sistema en equilibrio termodinámico, las variables de estado que lo describen. Tiene la forma general:  ( ,  , ) = 0

Una ecuación de estado describe el comportamiento de la presión, volumen y temperatura de los componentes puros y mezclas. Por lo general, es explícito en la presión. La mayoría de las ecuaciones de estado tienen diferentes términos para representar las fuerzas de atracción y repulsión entre las moléculas. Cualquier propiedad termodinámica, tales como coeficientes de fugacidad y las entalpías, puede calcularse a partir de la ecuación de estado. Las propiedades de la ecuación de estado son calculadas en relación con las propiedades del gas ideal de la misma mezcla en las mismas condiciones.


Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys. Introdu cción d el uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys Hysys

Paquetes Termodinámicos (Fluid Package) Objetivos Seleccionar los elementos básicos requeridos para desarrollar la simulación de un proceso en Hysys. Seleccionar el paquete termodinámico adecuado para los cálculos necesarios dentro de la simulación.

Introducción 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. Esto es, 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. Resulta obvio que es imposible realizar una consideración pormenorizada de todas las posibles mezclas de compuestos que pueden presentarse en la simulación de una planta química, a fin de poder establecer el método de predicción más adecuado para cada una de ellas. Solo podemos abordar la cuestión en forma general, tratando de establecer criterios de selección y análisis, con un rango de validez más o menos amplio.

Definición Un paquete Termodinámico es el conjunto de ecuaciones seleccionadas para el cálculo de las propiedades fisicoquímicas y termodinámicas de un fluido. Los paquetes termodinámicos dentro del simulador Hysys son llamados Paquetes de Fluido.

Tipos de paquetes existentes en Hysys En general los paquetes termodinámicos pueden ser formados por cualquier tipo de función que nos permita desarrollar los cálculos necesarios, sin embargo ya existen paquetes preformados para usos específicos según la naturaleza del sistema. Los paquetes se pueden clasificar en función de los modelos a seguir: Ecuacion es de Estado (EOS’ (EOS ’s)

Son los modelos que relacionan, para un sistema en equilibrio termodinámico, las variables de estado que lo describen. Tiene la forma general:  ( ,  , ) = 0

Una ecuación de estado describe el comportamiento de la presión, volumen y temperatura de los componentes puros y mezclas. Por lo general, es explícito en la presión. La mayoría de las ecuaciones de estado tienen diferentes términos para representar las fuerzas de atracción y repulsión entre las moléculas. Cualquier propiedad termodinámica, tales como coeficientes de fugacidad y las entalpías, puede calcularse a partir de la ecuación de estado. Las propiedades de la ecuación de estado son calculadas en relación con las propiedades del gas ideal de la misma mezcla en las mismas condiciones.



Ecuaciones de Estado Comúnmente Usadas en Hysys

BWRS GCEOS Glycol Package Kabadi-Danner Lee-Kesler-Plöcker MBWR Peng-Robinson PR-Twu

PRSV Sour SRK Sour PR SRK SRK-Twu Twu-Sim-Tassone Zudkevitch-Joffee

Ecuaciones Ecuaciones d e Estado Estado Cúbicas en Aspen Physical Property Basadas en Redlich -Kwong(-Soave) Basadas en Peng-Robinso n

Redlich-Kwong (RK) Standard Redlich-Kwong-Soave(RK-SOAVE ) Redlich-Kwong-Soave (RKS-BM) Redlich-Kwong-ASPEN(RK-ASPEN) Schwartzentruber-Renon Redlich-Kwong-Soave-MHV2 Predictive SRK (PSRK) Redlich-Kwong-Soave-WS

Standard Peng-Robinson(PENG-ROB) Peng-Robinson(PR-BM) Peng-Robinson-MHV2 Peng-Robinson-WS

Ventajas y desventajas de las Ecuacio nes de Estado Estado

Las ecuaciones de estado pueden usarse en las más amplias gamas de temperatura y presión, incluidas las regiones subcríticas y supercríticas. Para los sistemas ideales o ligeramente no ideales, propiedades termodinámicas, tanto para el vapor y fases líquidas se pueden calcular con una cantidad mínima de datos de los componentes. Ecuaciones de estado son adecuadas para el modelado de sistemas de hidrocarburos con gases ligeros como el CO2, N2, y H2S. Las suposiciones en las más simples Ecuaciones de Estado (Redlich-Kwong-Soave, Peng-Robinson, Lee-Kesler-Plöcker) no son capaces de representar los sistemas químicos altamente no ideales, como los sistemas de alcohol-agua. Las ecuaciones de estado en general, hacen una mala predicción de la densidad del líquido. Para compensar esto, PR, Lee-Kesler, RK-Soave, y los métodos basados en estos calculan la densidad del líquido usando la correlación API para los pseudocomponentes y el modelo Rackett para componentes reales, en lugar de usar la densidad del líquido predicha por la ecuación de estado. Esto es más preciso, pero al usarla causa una pequeña incoherencia que es sobre todo evidente para los l os fluidos supercríticos, donde las propiedades del vapor y el líquido debieren ser el mismo, pero la densidad no lo será. Todos los otros métodos de ecuación de estado utilizan la ecuación de estado para calcular la densidad del líquido, excepto SRK y algunos de los métodos basados en él, que corrigen esta densidad con un término de transición de volumen, basado en el método Peneloux-Rauzy.


Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys. Características de las EOS’s más comunes Soave-Redlic h-Kwon g (SRK) y variantes

La ecuación SRK original puede usarse para hidrocarburos y gases livianos a presión atmosférica o superior. Los valores obtenidos para distintas propiedades termodinámicas son razonablemente precisos para su uso ingenieril, por lo que goza de una amplia aceptación en el campo de la simulación de procesos. Modelo Zudkevitch-Joffee

El modelo Zudkevitch-Joffee es una modificación de la ecuación de estado RK. Mejora la predicción del equilibrio líquido vapor de hidrocarburos y de sistemas que contienen hidrógeno. La ventaja principal de este modelo es la capacidad de predecir la presión de vapor de compuestos puros y la simplificación del método para determinar los coeficientes requeridos para la ecuación. Los cálculos de entalpía son realizados usando el método de Lee-Kesler. Modelo Kabadi-Danner

El modelo Kabadi-Danner es una variante de la ecuación SRK; mejora los cálculos del equilibrio LLV para sistemas hidrocarburo/agua, particularmente en aquellos con escasa presencia de agua. Peng-Robi nso n (PR) y variantes

Esta ecuación, al igual que SRK, goza de una amplia aceptación en aplicaciones de la industria del gas, petróleo y petroquímica. Peng-Robi nso n Stryjek-Vera (PRSV)

La ecuación de estado Peng-Robinson Stryjek-Vera extiende el rango de aplicación de la ecuación original a sistemas altamente no ideales, dando resultados similares a los obtenidos con las ecuaciones de Wilson, NRTL o UNIQUAC. Esta ecuación tiene un buen comportamiento a bajas presiones. Posee, además, un conjunto limitado de parámetros de interacción con compuestos no hidrocarbonados. La base de datos contiene parámetros experimentales para las curvas de presión de vapor de todos los componentes puros. Para compuestos hipotéticos que representan fracciones de petróleo, el sistema, en forma automática, hace uso del método de Lee-Kesler para los parámetros de esas curvas, en cambio, para otros definidos por el usuario, existe la posibilidad de ingresar los valores o indicarle al sistema que los calcule a partir de las correlaciones de Lee-Kesler, Gomez-Thodos o Reidel. Sour PR La ecuación Sour PR combina la ecuación Peng-Robinson y el método API-Sour de Wilson para manejar sistemas ácidos acuosos. Para el cálculo de las fugacidades y entalpías de las fases líquido y vapor en hidrocarburos usa la ecuación de Peng-Robinson. Los valores de las constantes de equilibrio para la fase acuosa se calculan con el método API-Sour de Wilson. Este modelo puede usarse en columnas que tratan crudo o cualquier proceso donde se encuentren hidrocarburos, gases ácidos y agua. Ecuación Lee-Kesler-Plöcker

La ecuación Lee-Kesler-Plocker deriva de ecuación de Lee-Kesler y es un método general exacto para mezclas y sustancias no polares. Plöcker y cols. Aplica la ecuación Lee Kesler a las mezclas, que a su vez fue modificada a partir de la ecuación BWR. No usa la correlación de COSTALD (un método de transición de volumen) para calcular la densidad del líquido. Esto puede mostrar diferencias cuando se comparan resultados entre ecuaciones de estado.


Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys. Modelos de Coeficientes de Actividad (Acti vity Coeficient Models)

Los modelos de coeficiente de actividad son, comparados con las ecuaciones de estado, de una naturaleza más empírica, y por lo tanto, no pueden ser usadas con seguridad en generalizaciones o extrapolaciones a condiciones no probadas. Los modelos sólo realizan los cálculos de la fase líquida, por lo que debe especificarse el método a usar para calcular la fase vapor. Al seleccionarlos deben realizarse una serie de especificaciones, fundamentalmente, el método de manejo de la fase vapor. Ventajas y desventajas de los métodos de Coeficientes de Actividad

El método de coeficiente de actividad es la mejor manera de representar mezclas de líquidos altamente no ideales a bajas presiones. Se debe estimar u obtener los parámetros binarios de datos experimentales, tales como los datos de equilibrio de fase. Los parámetros binarios para los modelos de Wilson, NRTL, y UNIQUAC están disponibles en el sistema de propiedades físicas de Aspen para un gran número de pares de componentes. Estos parámetros binarios se utilizan automáticamente. Los parámetros binarios son válidos sólo en el rango de temperatura y presión de los datos. Los parámetros binarios fuera del rango válido deben usarse con precaución, especialmente en aplicaciones de equilibrio líquido-líquido. Si no se encuentran disponibles los parámetros, los modelos UNIFAC predictivos pueden ser utilizados. El enfoque coeficiente de actividad debe utilizarse a bajas presiones (por debajo de 10 atm). Para los sistemas que contienen gases disueltos a bajas presiones y en pequeñas concentraciones, utilizar la ley de Henry. Para los sistemas químicos altamente no ideales a altas presiones, utilizar las ecuaciones flexibles y de predicción de estado. Los modelos de coeficientes de actividad usados son: Modelos de Actividad

Margules NRTL General NRTL Extended NRTL Chien Null UNIQUAC Van Laar Wilson Electrolyte NRTL Características d e los mod elos de actividad Margules

Puede usarse para modelar el equilibrio líquido vapor y el líquido-líquido. La ecuación no tiene fundamentos teóricos pero es útil para estimaciones rápidas e interpolación de datos. Existe una versión de cuatro parámetros que extiende su aplicación a mezclas multicomponentes. NRTL

El modelo elimina las limitaciones de Wilson para predecir el equilibrio líquido-líquido, aunque tiene tendencia a establecer falsas separaciones de fases. Es capaz de representar el comportamiento de los equilibrios LV, LL y LLV.


Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys. En general es más preciso que Wilson y superior a otros modelos en sistemas agua/compuestos orgánicos. La extensión a mezclas multicomponentes es directa. Ofrece poca ventaja sobre la ecuación de Wilson para sistemas que son completamente miscibles. Es consistente termodinámicamente y puede aplicarse a sistemas ternarios y de orden superior usando parámetros obtenidos por regresión de datos de equilibrio binario. Tiene una precisión comparable a la ecuación de Wilson para el ELV. Combina las ventajas de las ecuaciones de Wilson y Van Laar y, como esta última, no es extremadamente intensiva en tiempo de cálculo. A diferencia de Van Laar, puede usarse en sistemas diluidos y en mezclas de hidrocarburos y alcoholes, aunque, para estas últimas, no resulta tan satisfactoria como la ecuación de Wilson. Permite modelar sistemas donde existe un amplio rango de puntos de ebullición o composición entre componentes, o donde se requiere ´resolver simultáneamente equilibrios LV y LL General NRTL

Extiende la aplicación de NRTL a rangos más amplios de temperatura pero a costa de incrementar la cantidad de información experimental. Modelo Chien-Null (CN)

Chien-Null es un método empírico que permite combinar distintos métodos para tratar mezclas multicomponentes. Al elegir el modelo CN, se puede seleccionar los modelos de coeficientes de actividad que se consideren mejores para representar el comportamiento de los distintos conjuntos binarios que se pueden formar a partir de la mezcla multicomponente. Por ejemplo, se puede escoger NRTL para un par, Margules, para otro, etc. Dentro del simulador los valores de los coeficientes de interacción pueden ser estimados por el programa o introducidos por el usuario. Ecuación Van Laar

Es de naturaleza empírica y puede usarse en sistemas que presentan desviaciones positivas o negativas de la Ley de Raoult. Sin embargo no puede predecir máximos o mínimos en los coeficientes de actividad y por lo tanto, generalmente realiza estimaciones pobres en sistemas con hidrocarburos halogenados y alcoholes. Además, tiene tendencia a predecir dos fases líquidas cuando, en realidad, no existen, aunque puede representar el comportamiento de mezclas con miscibilidad limitada así como tres fases de equilibrio. Ecuación de Wilson

Aunque esta ecuación es más compleja y requiere más tiempo para los cálculos que las ecuaciones de Margules y de Van Laar, puede representar satisfactoriamente casi todas las soluciones líquidas no ideales, con mezclas de compuestos polares y no polares, excepto electrolitos y soluciones que presentan una limitada miscibilidad (ELL o ELLV). Provee una excelente predicción del equilibrio ternario usando parámetros obtenidos por regresión de datos binarios. Extended Wilson

Es una variante del modelo Wilson. Usa un número mayor de parámetros de interacción para determinar los coeficientes de actividad. UNIQUAC (Universal QUASI-Chemical)

El modelo fue desarrollado después del NRTL, tiene las mismas características básicas pero requiere un menor volumen de datos de parámetros de interacción que NRTL. Es capaz de predecir el equilibrio LV, LL y LLV.


Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys. Se ha usado con éxito para predecir el equilibrio de sistemas altamente no ideales, por ejemplo, aquellos que contienen moléculas de diferentes tamaños y formas, como los polímeros. Puede aplicarse a mezclas que contienen agua, hidrocarburos, hidrocarburos halogenados, alcoholes, nitrilos, aminas, ésteres, cetonas y aldehídos. Los parámetros experimentales encontrados exhiben una escasa dependencia con la temperatura, lo cual favorece la extrapolación del método. UNIFAC

El método UNIFAC es una herramienta útil para realizar los cálculos de VLE cuando se carece de datos experimentales, con buenas estimaciones en aplicaciones industrialmente importantes. No obstante, no es un reemplazo para los datos experimentales, y nunca debe tratarse como tal. Es útil para realizar estudios preliminares pero, para un diseño riguroso, los resultados deben ser revisados a partir de datos experimentales. Tratamiento de no condensables El tratamiento de los compuestos no condensables se realiza mediante la ley de Henry, aunque ésta no está disponible para su elección como un método de propiedades termodinámicas. El simulador la utiliza automáticamente cuando en la mezcla están presentes los compuestos no condensables metano, etano, etileno, acetileno, Hidrógeno, Helio, Argón, Nitrógeno, Oxígeno, NO, H2S, CO2 y CO. La ley de Henry extendida también se usa para modelar las interacciones entre un solvente y un soluto diluido en él. El término “compuesto no condensable” hace referencia a aquellos que tienen una temperatura crítica

por debajo de la del sistema. Obviamente, no se tiene en cuenta la interacción, en el equilibrio LV, entre este tipo de compuestos. Para todos, con exclusión de Margules y Van Laar, la elección del método de cálculo de la fase vapor se restringe a las opciones siguientes: a) Ideal, se aplica en casos donde se opera a presiones bajas o moderadas y donde, en la fase vapor, existe poca interacción molecular entre los compuestos. Es la opción por defecto. b) RK puede aplicarse a todos los gases. Lo usual es reemplazarla por SRK. c) Virial, modela con buenos resultados las fugacidades de la fase vapor de sistemas con fuertes interacciones en dicha fase. Esto ocurre cuando están presentes ácidos carboxílicos u otros compuestos que tienen tendencia a formar enlaces de hidrógeno estables. d) PR y SRK que se usan en todas las situaciones ya vistas. Otra elección es la temperatura que será usada para estimar los parámetros de interacción del método UNIFAC. Hay un valor por defecto, pero, para obtener mejores resultados conviene seleccionar la temperatura más cercana a las condiciones de operación. La tercera elección permite optar por el uso o no del factor de Poynting. Este factor está sólo disponible para modelos distintos del ideal. Electrol yte NRTL

El modelo de coeficiente de actividad de electrolitos NRTL es un modelo versátil para el cálculo de los coeficientes de actividad. Usa parámetros binarios y de pares, el modelo puede representar sistemas de electrólitos acuosos, así como sistemas de mezclas de electrolitos disolvente en todo el intervalo de concentraciones de electrolitos. Este modelo puede calcular los coeficientes de actividad para las especies iónicas y especies moleculares en sistemas de electrólitos acuosos, así como en los sistemas de mezclas de electrolitos disolvente. El modelo se reduce al modelo NRTL conocido cuando las concentraciones de electrolitos se acercan a cero (Renon y Prausnitz, 1969).


Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys. El modelo NRTL electrolito utiliza la solución acuosa a dilución infinita como el estado de referencia para los iones. Esta adopta la ecuación de Born para dar cuenta de la transformación del estado de referencia de los iones a la dilución infinita mezclando disolvente a la solución acuosa de dilución infinita. El agua debe estar presente en el sistema de electrolito con el fin de calcular la transformación del estado de referencia de iones. Por lo tanto, es necesario introducir una cantidad traza de agua para utilizar el modelo para los sistemas de electrolitos no acuosos. Aspen utiliza el modelo NRTL electrolito para calcular los coeficientes de actividad, entalpías y energías de Gibbs para sistemas de electrolitos. Modelos Semiempir ico s (Chao Seader y Grayson Str eed)

Los métodos Chao Seader y Grayson Streed son los métodos semiempíricos más antiguos. La correlación Grayson Streed es una extensión del método Chao Seader con especial énfasis en hidrógeno. Se usa el método de Lee-Kesler para entalpías de líquido y vapor y entropías. La correlación GS se recomienda para la simulación de sistemas de hidrocarburos pesados con un alto contenido de H2, tales como unidades de hidrotratamiento. La correlación GS también se puede utilizar para la simulación de unidades atmosfericas y aplicaciones de vacío pesados. Los coeficientes de fugacidad en fase de vapor se calculan con la ecuación de estado Redlich Kwong . Los coeficientes de fugacidad líquidos puros se calculan a través de la ley de los estados correspondientes. Factores acéntricos modificados se incluyen en la libreria de HYSYS 'GS para la mayoría de los componentes. Las funciones especiales se han incorporado para el cálculo de fugacidad en fase líquida para N2, CO2 y H2S. Estas funciones se limitan a mezclas de hidrocarburos con menos de cinco por ciento de cada uno de los componentes anteriores. Al igual que con los modelos de Presión de vapor, H2O se trata con una combinación de las tablas de vapor y las tablas de solubilidad de queroseno del Manual de datos API. Este método de manejo de H2O no es muy preciso para sistemas de gas. Aunque los cálculos de tres fases se realizan para todos los sistemas, es importante tener en cuenta que la fase acuosa siempre se trata como H2O puro con estas correlaciones. Métod os p ara Prop iedades de Mezclas de Petró leo

Estos métodos están diseñados para mezclas de hidrocarburos y gases ligeros con base en modelos actividad y ecuaciones de estado. Los modelos valor-K y las correlaciones de fugacidad líquidos se utilizan para presiones bajas y medias. Las ecuaciones de estado sintonizado para Petróleo se utilizan a altas presiones. Los hidrocarburos pueden ser desde gas natural hasta petróleo crudo: es decir, mezclas complejas que son tratados utilizando pseudocomponentes. Estos métodos de propiedad a menudo se utilizan para aplicaciones de refinería. La densidad y las propiedades de transporte son calculadas por los procedimientos de la API cuando sea posible.


Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys. Selección del paquete termodinámico según el tipo de proceso o p or tipo s de componentes A pesar de que los paquetes térmodinamicos son variados y su aplicación para algunos sistemas es amplio, algunos presentan mejores aproximaciones para el cálculo de propiedades y del comportamiento de los fluidos. Aspen Hysys a partir de la versión 2006 presenta una guía rápida para selección del paquete a usar en función del proceso o del tipo de componente Selección según el tipo de proceso

De manera practica la siguiente tabla resume los métodos recomendados junto con las ecuaciones más apropiadas para cierto tipos de aplicaciones de acuerdo a los procesos que se lleven. Proceso

Aplicació n

Método Recomendado

Modelos de propiedades

Sistemas de Reserva Plataformas y Sistemas de separación Transporte de Crudo y gas por tubería

Ecuación de Estado para hidrocarburos a altas presiones

BWR-LS (BWR-Lee-Starling) BWRS (Benedict-Webb-Rubin-Starling) LK-PLOCK (Lee-Kesler-Plöcker) PR-BM (Peng-Robinson-Boston-Mathias) RKS-BM (Redlich-Kwong-Soave-Boston-Mathias)

Oil & Gas

Bajas Presiones cercanas a la atmosférica (0
Fugacidades de líquido y modelos de Valores-K, Ecuaciones de estado sintonizadas para Petróleo (y datos de análisis de ensayos))

Fugacidades de líquido y modelos de Valores-K:

BK10 (Braun K10 K-value model) Ecuaciones de estado sinto nizadas para Petróleo:

PENG-ROB (Peng-Robinson) RK-SOAVE (Redlich-Kwong-Soave) SRK (Soave-Redlich-Kwong) Fugacidades de líquido y modelos de Valores-K:

Aplicaciones de Media Presión (10
Fugacidades de líquido y modelos de Valores-K, Ecuaciones de estado sintonizadas para Petróleo (y datos de análisis de ensayos)

Refinación

BK10 (Braun K10 K-value model) CHAO-SEA (Chao-Seader liquid fugacity, Scatchard-Hildebrand activity coefficient) GRAYSON/GRAYSON2 (Grayson-Streed liquid fugacity, ScatchardHildebrand activity coefficient) MXBONNEL (Maxwell-Bonnell liquid fugacity) Ecuaciones de estado si ntonizadas para Petróleo:

HYSPR (Aspen HYSYS Peng-Robinson) HYSSRK (Aspen HYSYS Soave-Redlich-Kwong) PENG-ROB (Peng-Robinson) RK-SOAVE (Redlich-Kwong-Soave) SRK (Soave-Redlich-Kwong) SRK-KD (SRK-Kabadi-Danner) SRK-ML (SRK-ML) Fugacidades de líquido y modelos de Valores-K:

Aplicaciones ricas en Hidrogeno. Reformadoras. Hydrofiner (Hidrotratadoras, Hidocrackers, Isomerizadoras).

Fugacidades de líquido y modelos de Valores-K, Ecuaciones de estado sintonizadas para Petróleo (y datos de análisis de ensayos)

Unidades de Aceites Lubricantes.

Ecuaciones de estado sintonizadas para Petróleo (y

BK10 (Braun K10 K-value model) CHAO-SEA (Chao-Seader liquid fugacity, Scatchard-Hildebrand activity coefficient) GRAYSON/GRAYSON2 (Grayson-Streed liquid fugacity, ScatchardHildebrand activity coefficient) MXBONNEL (Maxwell-Bonnell liquid fugacity) Ecuaciones de estado si ntonizadas para Petróleo:

HYSSRK (Aspen HYSYS Soave-Redlich-Kwong) RK-SOAVE (Redlich-Kwong-Soave) SRK (Soave-Redlich-Kwong) SRK-KD (SRK-Kabadi-Danner) SRK-ML (SRK-ML) Ecuaciones de estado sinto nizadas para Petróleo:

HYSPR (Aspen HYSYS Peng-Robinson)


Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys. Proceso

Aplicació n

Método Recomendado


Unidad Desasfaltadora.

datos de análisis de ensayos)

HYSSRK (Aspen HYSYS Soave-Redlich-Kwong) PENG-ROB (Peng-Robinson) RK-SOAVE (Redlich-Kwong-Soave) SRK (Soave-Redlich-Kwong) SRK-KD (SRK-Kabadi-Danner) SRK-ML (SRK-ML)

Separación Hidrocarburos.

de

Demetanizadora. Separadora PropanoPropileno

Ecuación de Estado para hidrocarburos a altas presiones (con kij)

BWR-LS (BWR-Lee-Starling) BWRS (Benedict-Webb-Rubin-Starling) LK-PLOCK (Lee-Kesler-Plöcker) PR-BM (Peng-Robinson-Boston-Mathias) RKS-BM (Redlich-Kwong-Soave-Boston-Mathias) Ecuación de Estado para hidrocarburos a altas presiones

Procesamiento de gases Criogénicos. Separación de Aire.

Deshidratación de Gases con Glicoles.

Ecuación de Estado para hidrocarburos a altas presiones. Ecuaciones de estado flexibles y predictivas

Ecuaciones de estado flexibles y predic tivas

PRMHV2 (Peng-Robinson-MHV2) PRWS (Peng-Robinson-Wong-Sandler) PSRK (Redlich-Kwong-Soave-Holderbaum-Gmehling) RKSMHV2 (Redlich-Kwong-Soave-MHV2) RKSWS (Redlich-Kwong-Soave-Wong-Sandle)

Ecuaciones de estado flexibles y predictivas

HYSGLYCO (Twu-Sim-Tassone) PRMHV2 (Peng-Robinson-MHV2) PRWS (Peng-Robinson-Wong-Sandler) PSRK (Redlich-Kwong-Soave-Holderbaum-Gmehling) RK-ASPEN (Redlich-Kwong-Soave-Mathias) RKSMHV2 (Redlich-Kwong-Soave-MHV2) RKSWS (Redlich-Kwong-Soave-Wong-Sandler) SR-POLAR (Redlich-Kwong-Soave-Schwarzentruber-Renon)


PRMHV2 (Peng-Robinson-MHV2) PRWS (Peng-Robinson-Wong-Sandler) PSRK (Redlich-Kwong-Soave-Holderbaum-Gmehling) RK-ASPEN (Redlich-Kwong-Soave-Mathias) RKSMHV2 (Redlich-Kwong-Soave-MHV2) RKSWS (Redlich-Kwong-Soave-Wong-Sandler) SR-POLAR (Redlich-Kwong-Soave-Schwarzentruber-Renon)

Procesamiento de Gas

Absorción de Gases con Metanol(rectisol) NMP (purisol)


Correlaciones basadas en métodos de prop iedades.

Absorción de Gases con Agua Amoniaco Aminas Aminas + metanol (amisol) Caustico Hidroxido calcio Carbonato Caliente

Petroquímicos

de

Etileno.

Correlación

Sistema

AMINES

Kent-Eisenberg

MEA, DEA, DIPA, DGA

APISOUR

API Sour water

H2O, NH3, CO2, H2S

Modelos de Coeficientes de Actividad.


Proceso Claus

Planta

Métodos de Electrolitos

Método

Fraccionador Primario

Fugacidades de líquido y modelos de Valores-K (y datos de análisis de ensayos)

Tren de separación de

Ecuación

de

Estado

para

Método

Modelo

EOS fase Vapor

ELECNRTL

Electrolyte NRTL

Redlich-Kwong

ENRTL-HF

Electrolyte NRTL

Ecuación de estado para HF

PRMHV2 (Peng-Robinson-MHV2) PRWS (Peng-Robinson-Wong-Sandler) PSRK (Redlich-Kwong-Soave-Holderbaum-Gmehling) RK-ASPEN (Redlich-Kwong-Soave-Mathias) RKSMHV2 (Redlich-Kwong-Soave-MHV2) RKSWS (Redlich-Kwong-Soave-Wong-Sandler) Fugacidades de líquido y modelos de Valores-K:

BK10 (Braun K10 K-value model) CHAO-SEA (Chao-Seader liquid fugacity, Scatchard-Hildebrand activity coefficient) GRAYSON/GRAYSON2 (Grayson-Streed liquid fugacity, Scatchard-



Aplicació n

Método Recomendado


Hidrocarburos ligeros. Torre de Quench

hidrocarburos a altas presiones.

Hildebrand activity coefficient) MXBONNEL (Maxwell-Bonnell liquid fugacity) Ecuación de Estado para hidrocarburos a altas presiones.

BWR-LS (BWR-Lee-Starling) BWRS (Benedict-Webb-Rubin-Starling) LK-PLOCK (Lee-Kesler-Plöcker) PR-BM (Peng-Robinson-Boston-Mathias) RKS-BM (Redlich-Kwong-Soave-Boston-Mathias) Aromáticos Extracción BTX

Coeficientes de actividad líquidos (muy sensibles a los parámetros)

NRTL UNIFAC

UNIQUAC Van Laar Wilson

Hidrocarburos sustituidos. Planta de Monómero de Cloro Vinilo (VCM). Planta de Acrilonitrilo.

Ecuación de Estado para hidrocarburos a altas presiones.


Coeficientes de actividad líquidos

NRTL UNIFAC UNIQUAC Van Laar Wilson

Producción de Éteres. MTBE, ETBE, TAME

Plantas Etilbenceno Estireno.

de y

Ecuación de Estado para hidrocarburos a altas presiones e Ideal (con Water Solubility model, Watsol) o Coeficientes de actividad líquidos

BWR-LS (BWR-Lee-Starling) BWRS (Benedict-Webb-Rubin-Starling) LK-PLOCK (Lee-Kesler-Plöcker) PR-BM (Peng-Robinson-Boston-Mathias) RKS-BM (Redlich-Kwong-Soave-Boston-Mathias) Coeficientes de Actividad


Coeficientes de actividad líquidos (con dimerización en la sección de ácido acético)


Separaciones Azeotrópicas. Separación de alcoholes. Ácidos Carboxílicos. Planta de ácido acético. Planta de Fenol. Reacciones en fase líquida: Esterificación.

Coeficientes de actividad líquidos


Planta de Amoniaco.

Ecuación de Estado para hidrocarburos a altas presiones (con kij)


Fluorochemicals

Coeficientes de actividad líquidos y ecuacion de estado para HF

WILS-HF

Inorganic Chemicals: Caustic Acids

Metodos de Electrolitos

Ácido Tereftalico.

Químicos

Correlaciones basadas en métodos de prop iedades.



Aplicació n

Método Recomendado

Phosphoric acid Sulphuric acid Nitric acid Hydrochloric acid


Método

Correlación

Sistema

AMINES

Kent-Eisenberg

MEA, DEA, DIPA, DGA

APISOUR

API Sour water

H2O, NH3, CO2, H2S

Modelos de Coeficientes de Actividad.

Hydrofluoric acid

Metodos de Electrolitos y ecuaciones de estado para HF

Método

Modelo

EOS fase Vapor

ELECNRTL

Electrolyte NRTL

Redlich-Kwong

ENRTL-HF

Electrolyte NRTL

Ecuación de estado para HF

ENRTL-HF

Selección según el tipo de componentes

El criterío usado por Aspen Hysys para selecionar el método termodinámico más adecuado proviene de un articulo llamado Don’t Gamble With Physical Properties For simulations generado por Eric Carlson, publicado en Octubre del 1996 en la Chemical Engineering Progres, donde se plasman los criterios u el uso de los paquetes térmodinamicos para cualquier simulador (de ese momento), con base a la naturaleza polar de los compuestos a utilizar.


Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys. Recomendaciones de Eric Carlson Componentes

No

Pseudocomponentes

No ¿Presión de vacío?

¿Reales o Pseudocomponentes?

Reales

Si

Peng-Robinson, Redlich-Kwong-Soave, Lee-Kesler-Plocker

Si

Si

¿Polaridad?

Electrolyte NRTL o Pizer No

Chao-Seader, Grayson-Streed o Braun K-10

No

¿Electrolitos?

¿Presión>10 bar?

Si

Braun K-10, Peng-Robinson Ideal

¿Se tienen Parámetros de interacción?

No

Si

¿Asociación con fase vapor?

PSRK PR o SRK con MHV2

No ¿Se tienen Parámetros de interacción?

No

Dímeros

¿Grados de Polimerización?

Wilson, NRTL, UNIQUAC, UNIFAC con Hayden O’Connell o Northnagel EOS

Hexámeros

Wilson, NRTL, UNIQUAC, or UNIFAC y sus extenciones con Gas ideal or RK EOS

Wilson, NRTL, UNIQUAC, o UNIFAC con special EOS para Hexamers

No

UNIFAC y sus extensiones

¿Existencia Eq. L-L?

Si

UNIFAC LLE

Si

Schwartentruber-Renon PR o SRK con WS PR o SRK con MHV2

Si

No

WILSON, NRTL, UNIQUAC y sus variantes

¿Existencia Eq. L-L?

Si

NRTL, UNIQUAC y sus variantes

CURSO Intro ducci ón del uso de simul adores de Proceso: Aspen Hysys REV. CH

Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys. Ejemplo de Simulación Problema 1 Una corriente de agua residual a 35°C será enviada a un stripper con aire ambiente para remover la mayor parte del amoniaco que contiene, cómo se muestra en el siguiente diagrama:

Los flujos y condiciones de entrada a la torre son los siguientes: Nombre

Waste Water

Hum Air

Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys. Ejemplo de Simulación Problema 1 Una corriente de agua residual a 35°C será enviada a un stripper con aire ambiente para remover la mayor parte del amoniaco que contiene, cómo se muestra en el siguiente diagrama:

Los flujos y condiciones de entrada a la torre son los siguientes: Nombre Componente H2O NH3 HCN AcryloNitrile (C3H3N) AcetoNitrile (C2H3N) NaOH N2 O2

Waste Water

Hum Air

Flujo, kg/h 20936.1927 96.75 4.29 0.1384 2.6289 20 0 0

Flujo, kg/h 753.33 0 0 0 0 0 19196.88 5102.94

Total

21060

25053.15

T, °C P, bar

90 1.103

32 1.027

Determine mediante simulación la cantidad de amoniaco removido del agua en el stripper. Genere un Balance de materia y energía y determine el pH de las corrientes de agua. Los datos del stripper son los siguientes: Características Diametro interno de la Torre, m Altura del empaque, m Presión de Domo, bar Caida de presión de la torre, bar Tipo de Empaque y dimensiones, in

Valores 1.5 5.7 1 0.0271 Flexiring 2”

Para simular considere 12 etapas teóricas con un HEPT de 0.475m. Determine que paquetes termodinámicos son viables a usar y compare resultados usando PengRobinson.


Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys. Inicio de la simulación Ambi ent e Hysys

Barra de tareas estilo Off ice

Nuevo Caso

Dar en “New” Asi st ent e de Méto do s

Selección de Componentes

Botones de Acceso a Opciones de configuración

Selección de Paquetes

Ensayos de Adm in ist rad or Petróleo de Crudos

Generación de compuestos Hipotéticos

Panel de Navegación

Barra de Mensajes

Barra de Cálculos


Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys. Asis ten te d e Métod os .

Esta opción es un auxiliar para determinar bajo los criterios ya expuestos los paquetes termodinámicos adecuados para la aplicación que se desea simular.

Da la opción de escoger por tipo de componente o por tipo de proceso.


Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys. Selección del paquete

Para este caso es necesario tener en cuenta que el sistema a resolver presenta las siguientes particularidades: 1. 2.

Es fase acuosa Presenta tanto amoniaco, ácido cianhídrico e hidróxido de sodio disueltos que, en fase acuosa se disociaran por lo que las reacciones de disociación deben contemplarse y aunque se puedan formar sales, estas se consideran despreciables debido a la proporción mayoritaria de agua presente por lo que al formarse se volverán a disociar. 2  ⇌ 3+  − 3    ⇌ 4+  −     ⇌ 3 +   −  ⇌  +  −

Al plantear estas consideraciones es claro que se trata de un sistema electrolítico por lo que al revisar tanto la tabla de selección por proceso y por tipo de componentes indica que el paquete a usar es el Electrolyte NRTL o Pitzer, sin embargo el primero será la mejor opción. Introduciendo los componentes 1.

Vaya a la barra de navegación y seleccione con doble click Component List y añada una nueva seleccionando el botón Add y luego Aspen Propierties

Barra de Status


Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys. 2.

Busque los componentes por nombre y añádalos dando doble click sobre el compuesto deseado.

Al completar la selección de los componentes, la barra de status cambiará de rojo a verde.



Seleccione Fluid Packages y añada uno nuevo, seleccionando Aspen Properties.

4.

De en All y busque Electrolyte NRTL, en ese momento la barra de Status pasará de roja a verde indicando que tanto el paquete ha sido cargado.

Electrolyte Wizard



Vaya al botón de Electrolite Wizard. Se desplegará una nueva ventana. Seleccione únicamente Water Disociation con 3 +, y dé click en Get reactions.

En ese momento, se desplegaran el set de reacciones de disociación permisibles que concuerdan con las indicadas. En caso de no existir dentro del set estas, deben ser cargadas como reacciones. 6.

Salga y seleccione en Henry Component List el HCOMP-1.


Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys. Salga de ese paquete y añada otro paquete termodinamico de igual manera que el anterior pero ahora seleccionando Pitzer. 8. Haga lo mismo pero ahora metiendo NRTL y Peng Robinson. 9. Identifiquelos dándoles nombre. 7.

Listo s para la simulación

1.

Vaya a la barra de navegación y dé click y espere. Cuando Hysys termine de procesar toda la Información alimentada con anterioridad, desplegara el ambiente de simulación, mostrando las herramientas más comunes.

En caso de que existiera algún problema en la definición de los paquetes o de los componentes, Hysys mandará un mensaje de aviso, alertando que se debe tener precaución y revisar la información.



Unidades

Botones de Generación de reportes y resumenes

Botones de edición

Botones de acción y paro de la simulación

Botones de Anál isi s d e comportamiento

Botones de Anál isi s d e Seguridad

Paleta de Unidades

2.

Acomode la paleta de unidades y seleccione una corriente de materia (azul), una corriente de energía (roja) y un Intercambiador de calor Heater.


Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys. Seleccione la corriente de materia y nombrela WWFEED e introduzca las condiciones del agua residual. 4. Vaya a Composition y en Edit… intruduzca los flujos de los componentes presentes en el agua. 3.


Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys. Conecte la corriente WWFEED a Intercambiador y la corriente de energía. Añada otra corriente nueva, ábrala, nombrela WWHOT e introduzca la temperatura a la entrada de la torre para el agua. 7. Abra el intercambiador y en parámetros indique una caída de presión de 0 bar. 5. 6.

En ese momento Hysys habrá calculado todos los parámetros. Observe que hemos usado el paquete por default que dimos al inicio, Electrolite Wizard.

8.

Añada otra corriente de materia, nombrela Humi Air y especifique las condiciones de entrada a la torre junto con su composición pero cambiando el método termodinámico a NRTL.


Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys. Añ adi end o el Scru ber .

Para añadir el Scruber, se considerará como un modulo de torre absorbedora. 1.

Seleccione la torre de la paleta en la sección Columns, colóquela en el panel de simulación y abra la torre dando doble click.

2.

Seleccione las corrientes a entrar. En la etapa 1 WWHOT, en la etapa n Humi Air. Del domo se introducirá una nueva corriente llamada Off Gas y del fondo una corriente a la que llamaremos WW Out. Consideraremos 12 etapas teóricas.

Haga click en Next. Aparecerá una nueva ventana donde se deberá introducir las presiones de Domo y Fondo (1 y 1.027 bar). 4. Dé Next y de igual manera nos llevará a otra ventana donde nos pdirá introducir unos valores estimados de Temperatura en Domo y Fondo. Para esta introduzca 53° y 32 °C respectivamente. 3.



5.

Dé click en Done para llegar al panel de la columna, mostrando los datos introducidos.

6.

Seleccione la pestaña Rating y en los datos que aparecen especificamos tipo de internos: empaque (Packed), el diámetro interno de la torre:1.5m y el espacio empacado; 5.7m.


Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys. 7. 8.

Escoja la pestaña Design y en la barra izquierda la opción monitor. Presione el botón Run, en ese momento la torre está corriendo los cálculos y cuando la barra de estatus este en verde la torre habrá convergido.

Vaya a la pestaña Performance donde puede apreciar el resumen de resultados, los perfiles de la torre, gráficas, etc., en la barra izquierda del panel. 10. Abra Summary y seleccione flujos en masa. 9.



11. En este momento la simulación abrá terminado, únicamente resta extraer resultados y generar el

balance de materia.

12. Cierre las ventana de la columna y selecione la corriente WW Out para observar los resultados

de electrolitos.


Curso: Introducción del uso de simuladores de Proceso: Aspen Hysys. 13. Sellecione Off Gas y cambie el paquete Termodinámico a NRTL. 14. Cierre las ventanas y diríjase a la barra de tareas y despliegue la flecha de Workbook y elija Case Main

Se abrirá un resumen de la simulación con diversas pestañas donde se pueden revisar los datos que se han intoducido en azul y los datos calculados en negro. 15. Vaya a Setup y de click. Se abrirá una nueva ventana que permite editar el contenido del Workbook.

16. Seleccione el campo de composiciones y presione el botón Add, donde se abrirá otra ventana. 17. Busque en el listado de la barra de la izquierda Master Comp Mass Flow dé click en este y seleccione la casilla All, dé OK.

En ese momento la pestaña deComposiciones del Workbook se modificará para mostrar los flujos por componentes totales pero no los disociados.



18. En la parte superior busque la casilla de Export y en el botón de Excel. 19. Espere a que en la barra de tareas de office aparezca un archivo Excel y selecciónelo.

Al abrirlo los resultados mostrados en el Workbook se abran exportado a formato Excel para su uso posterior.


Introducción Del Uso de Simuladores de Proceso

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