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5.
COMUNICACION CON EL PROGRAMA 1.1 COMO USAR EL MOUSE 1.2 USO DEL TECLADO 1.3 LOS BOTONES DE LA BARRA B ARRA DE HERRAMIENTAS 1.4 COMO INICIAR CHEMCAD 1.5 INICIANDO UN NUEVO TRABAJO – LA LA VENTANA DE SIMULACION 1.6 PASOS BASICOS PARA EFECTUAR LA SIMULACION EN CHEMCAD PROPIEDADES FISICAS 2.1 COMANDOS DE PROPIEDADES FISICAS 2.2 ACCESANDO AL COMPONENTE COMPONENTE DATABANK 2.2.1 Menú View-Edit 2.2.2 Menú New Component 2.3 EQUILIBRIO LIQUIDO- VAPOR (VLE) 2.4 MAPA DE CURVA RESIDUAL 2.5 GRAFICA BINODAL 2.6 CALCULO DE ENTALPÍAS EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA 3.1 DIVISOR DE CORRIENTE 3.2 MEZCLADOR 3.3 DESTILACIÓN CONTINUA: 3.3.1 Diseño por métodos cortos: Shortcut Column C olumn 3.3.2 SCDS Columna (Método de corrección simultánea) Parte 1 Parte 2 3.4 DESTILACIÓN BATCH: Columna de destilación Batch (Uso de CC-BATCH) 3.5 CÁLCULOS FLASH 3.6 ABSORCIÓN DE GASES 3.6.1 Columna de Platos 3.6.2 Columna Empacada 3.7 EXTRACCION LIQUIDO - LIQUIDO EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR 4.1 INTERCAMBIADOR DE DOBLE TUBO 4.2 ANALISIS DE SENSIBILIDAD EN INTERCAMBIADORES INTERCAMBIADORES DE CALOR CALOR 4.3 INTERCAMBIADOR DE CASCO Y TUBOS Parte 1 Parte 2 4.4 DISEÑO DE UN CONDENSAD C ONDENSADOR OR 4.5 DISEÑO DE UN HERVIDOR REACTORES 5.1 REACTOR ESTEQUIOMÉTRICO 5.2 REACTOR TUBULAR PFR
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6.
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8.
5.3 REACTOR CSTR 5.4 REACTOR BATCH SISTEMAS DE BOMBEO 6.1 ACERCA DEL SIMULADOR DE TUBERÍA 6.2 CAUDALES COMO UNA FUNCIÓN DE LA PRESIÓN PARA EL FLUJO DE FLUIDO 6.3 ACERCA DEL MODELAMIENTO DE SISTEMAS DE TUBERÍA 6.4 UNITOPS PARA REDES DE TUBERÍA 6.4.1 Nodo Presión 6.5 OPCIONES DE CAUDAL EN UN NODO 6.6 NODO COMO DIVISOR 6.7 VENTANA DE DIALOGO DE PRESIÓN EN EL NODO 6.8 SIMULADOR DE TUBERÍA 6.8.1 Bomba 6.8.2 Válvulas 6.8.3 Válvulas de Control 6.8.4 Compresor 6.8.5 Nodo como Mezclador 6.8.6 UnitOps al Estado Estacionario 6.9 DIMENSIONAMIENTO DE VÁLVULAS DE CONTROL Ejemplo No 1 6.10 CAUDAL COMO FUNCIÓN DE LA PRESIÓN Ejemplo No 2 6.11 SIMULACIÓN DE SISTEMAS DE BOMBEO Ejemplo No 3: Cálculos en sistemas de bombeo Ejemplo No 4: Flujo Simple con Válvula de Control y Orificio Ejemplo No 5: Uso de Controladores 6.12 CÁLCULO DE LA COLUMNA DE SUCCIÓN POSITIVA NETA DISPONIBLE (NPSHA) 6.13 CÁLCULO CON FLUJO BIFURCADO 6.14 Ejemplo No 6 6.15 BOMBEO DE GASES SIMULACION DINAMICA Y CONTROL DE PROCESOS 7.1 TANQUE MEZCLADOR 7.2 MÓDULO CONTROLADOR 7.2.1 Introducción 7.2.2 Como se usa 7.2.3 Ejemplo 1 7.2.4 Ejemplo 2 7.2.5 Ejemplo 3 7.2.6 Ejemplo 4 7.2.7 Ejemplo 5 7.2.8 Ejemplo 6 7.3 MÓDULO CONTROLADOR PID 7.4 COLUMNA DINÁMICA SIN CONTROLADOR 7.5 DOS TANQUES MEZCLADORES 7.6 REACTOR SEMIBATCH SIMULACION DE UN PROCESO 8.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA DEL TUTORIAL 8.2 SELECCIONANDO UNIDADES DE INGENIERIA 8.3 DIBUJO DEL FLOWSHEET (DIAGRAMA (DIAGRAMA DE FLUJO) 8.4 COLOCANDO CORRIENTES EN EL FLOWSHEET 8.5 SELECCIONANDO COMPONENTES 8.6 SELECCIONANDO OPCIONES TERMODINAMICAS 8.7 DEFINIENDO LAS CORRIENTES DE ALIMENTACION 8.8 INGRESO DE PARÁMETROS DE EQUIPO 8.9 EFECTUANDO LA SIMULACION 8.10 REVISANDO LOS RESULTADOS INTERACTIVAMENTE 8.11 RE-EFECTUANDO LA SIMULACION 8.12 PRODUCIENDO UN REPORTE 8.13 GENERANDO EL DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO
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9.
CASOS DE ESTUDIO 9.1 COMBUSTIÓN DE 3-METHYL-1-PENTENE 9.2 PROCESO HABER
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1. COMUNICACIÓN CON EL PROGRAMA 1.1. COMO USAR EL MOUSE El mouse es muy fácil para usar y conseguir que la computadora haga lo que usted quiere.CHEMCAD, al igual que muchos programa de Windows, requiere el uso de un mouse, trackball, o dispositivo similar de orientación con ambos un botón primario y secundario (o sea un mouse de 2 botones Microsoft estándar). Las técnicas básicas Mouse están resumidas debajo: Clic Para presionar y soltar el botón primario (normalmente el botón izquierdo) del ratón. Clic-derecho Para presionar y soltar el botón secundario (normalmente el botón derecho) del ratón. Doble-Clic Para presionar el botón primario dos veces en sucesión rápida. Arrastrar Para presionar y mantener presionado al botón primario del ratón al mover el ratón. Puntear Mover la flecha del ratón hasta tocar el artículo de elección. Mantener clic Apunte hacia un área específica, entonces entonces clic y mantenga mantenga el botón botón secundario del ratón derecho 1.2. USO DEL TECLADO TECLADO La tecla [TAB] es usado para moverse hacia el siguiente campo sobre una caja de dialogo de entrada. Las teclas [PgUp] y [PgDn] pueden ser usadas para "paginas" o enrollar a través de listas. Manteniendo apretado [SHIFT + TAB] causará que el programa se mueve hacia atrás o arriba de de un campo. La tecla [F1] se usa para llamar contexto ayuda específica. La tecla [F5] exhibirá la lista de componentes actual. 1.3. LOS BOTONES DE LA BARRA DE HERRAMIENTAS La forma "Estándar" de ejecutar órdenes en CHEMCAD es hacer un clic sobre un comando en la Barra de Menú (Menu Bar) y mantener esa orden detenida a través de los subsiguientes menús hasta que la función deseada sea cumplida. cumplida. Así, para seleccionar componentes del banco de datos (databank), primero se debe hacer clic en el comando T h e r m o P h y s i c a l en la Barra de menús; hacer un clic sobre C o m p o n e n t L i s t del Menu ThermoPhysical la cual es exhibida, y,finalmente, y,finalmente, seleccione los componentes de la caja de diálogo Component Selection. Selection. Hay una forma más corta de alcanzar esto y otras funciones frecuentemente usadas. Esto es usando CHEMCAD Power buttons, los buttons, los cuáles están ubicados en la barra de herramientas. Esta barra de herramientas es activada y desactivada usando el comando View/Toolbar. 1.4. COMO INICIAR CHEMCAD. CHEMCAD. La primera vez que usted ejecute CHEMCAD aparecerá en su pantalla la ventana de inicio del programa. Por favor maximice esta ventana (para copar toda la pantalla) dando un clic sobre el b o t ó n M a x i m i z e en la esquina superior derecha de la ventana CHEMCAD. Se verá lo siguiente:
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Fig.2 Inicio de CHEMCAD
títulos. Contiene el logotipo CHEMCAD y nombre en el lado izquierdo, y las La línea del tope es llamada la Barra de títulos. Contiene VENTANAS m i n i m i c e , tile, y c l o s e b u t t o n s en en el lado derecho. La siguiente línea es llamada la Barra de menús. Esta menús. Esta barra contiene las órdenes del más alto nivel para CHEMCAD. Son: File
Este comando es usado para definir formatos de salida, abrir trabajos, imprimir y obtener información general sobre CHEMCAD
View
Esta orden faculta al usuario a desplegar y esconder la barra de herramientas y la barra de estado de vez en cuando.
Help
Esta función da al usuario permiso de llamar las facilidades de ayuda en línea.
La tercera línea (o barra) es llamada la Barra de herramientas. Contiene herramientas. Contiene los símbolos para directamente invocar atajos para las funciones diversas del archivo que de otra manera se ganó acceso a través de los menús. Lo demás de la ventana está inactivo en este nivel. La ventana actual exhibe sólo lo del más alto nivel de CHEMCAD. CHEMCAD también tiene otras ventanas para la instalación y corrida de una simulación,generar documentos PFD’s, crear y editar gráficos, etc. En el transcurso de este manual de instrucción, usted se introducirá en estas ventanas y su uso. 1.5 INICIANDO UN NUEVO TRABAJO – LA VENTANA DE SIMULACIÓN Comencemos abriendo abriendo un nuevo trabajo y dándole un n ombre de trabajo. La orden File sirve para esto. Para abrir el menú File, dé un clic sobre la palabra palabra File en la barra de menús. Ahora escoja la opción N e w J o b haciendo clic en ella. Se abre la siguiente caja de diálogo:
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Fig. 3 Caja de diálogo par nuevo trabajo.
Esta ventana de diálogo le advierte para introducir un nombre y carpeta para el nuevo trabajo.Usemos el nombre TUTOR1. Por favor introduzca este nombre en el campo designado File Name . Luego cierre la ventana de diálogo haciendo clic en el botón [Save]. Ahora se le hará hará ingresar a la v e n t a n a p r i n c i p a l de de trabajo de CHEMCAD la cual aparece inmediatamente. Esta ventana contiene el espacio de trabajo para colocar el diagrama de flujo y la paleta de unidades de equipo y corrientes, la cual se activa o desactiva con el botón S/G de S/G de la barra de Ménú.
Fig. 4 Ventana de trabajo de CHEMCAD Las características principales de esta ventana son etiquetadas arriba y son descritas a continuación: La línea del tope, llamada llamada Title Bar, (Barra de títulos), títulos), ahora contiene contiene el logotipo CHEMCAD CHEMCAD y el nombre del trabajo uqe se está haciendo, así como también los comandos, m i n i m i z e , title , y c l o s e que que están siempre presentes en el lado izquierdo. La Barra de menús sigue a la Barra de títulos y consta de quince órdenes además de la orden Help.Estas Help.Estas órdenes son:
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File (Archivo)
Para el manejo del archivo y control de impresión
Edit (Edición)
Para modificar aspectos diversos del flowsheet y su presentación.Las funciones de edición incluyen a Redraw, Undo, Redo, Cut,Copy, Paste, Delete, Flip, y Rotate 90 ° entre otros.
View (Ver)
Para controlar diversos despliegues y opciones de dibujo
Format (Formato)
Para hacer una selección de unidades de diseño, ajustar opciones de gráficos, e importar mapas de bits.
Run Simulation/Edit
Para cambiar de decisión de acá para allá entre el modo Edit Flowsheet (Editar
Flowsheet
diagrama de Flujo) y el modo Run Simulation (Ejecutar Simulación).
ThermoPhysical
Para seleccionar método (s) de Valores-K para componentes, y métodos para entalpías para el trabajo actual, así como también, ver y editar el CHEMCAD databanks (base de datos);Establecer las curvas de destilación y definir sólidos.
Specifications
Para entrar, editar, y manipular corrientes y datos de operaciones de la unidad. Esto también puede hacerse dando doble clic directamente sobre la corriente o Unidad de operación en el flowsheet.
Run
Para ejecutar las simulaciones, así como para definir las ordenes de cálculo
Results
Para revisar los resultados del cálculo
Plot
Para desplegar los resultados gráficamente
Output
Para preparar reportes y Diagramas de Flujo de Procesos (PFD’s).
Sizing
Para dimensionar y evaluar cálculos para tipos diversos de equipo.
Tools
Para las actividades diversas asociadas con la simulación. Estos incluyen regresión de datos, CO2 – sólidos y la predicción de hidratos, los cálculos TOD/COD, y otros.
Window
Para arreglar despliegue de ventanas y de iconos.
Help
Para llamar al sistema de ayuda de CHEMCAD
La Barra de menús es seguida por la Barra de herramientas. La barra de herramientas contiene "botones de poder" o atajos para especificar las funciones frecuentemente usadas. Estas funciones de la barra de herramientas están clarificadas en un posterior capítulo de este guía. Debajo de la Barra de herramientas está el Área Activa. Notar que esta área está acompañada por la barra elevador para desplazar línea a línea el despliegue activo del área a lo largo y a lo ancho, y derecha e izquierda. Debido a que nosotros todavía no hemos dibujado nuestro flowsheet, la Área Activa es ahora espacio vacío excepto por la
Main Palette (Paleta Principal).
La Main Palette (Paleta Principal proporciona acceso a las funciones gráficas y símbolos los cuales son necesarios para la creación del flowsheet. 1.6 PASOS BASICOS PARA EFECTUAR LA SIMULACION EN CHEMCAD Los siguientes son los pasos básicos para efectuar la simulación de un flowsheet en CHEMCAD: • Iniciar un nuevo trabajo
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• Seleccionar unidades de ingeniería • Crear el flowsheet • Seleccionar componentes • Seleccionar opciones termodinámicas • Definir las corrientes de alimentación • Ingresar parámetros de equipo • Correr la simulación • Revisar los resultados • Generar reportes de salida
Los pasos no tienen que ser realizados en esta orden ni todos ellos tienen que estar hechos para cada flowsheet. Todo debería considerarse para cada problema. Ejemplo 1.1: Diagrama de flujo con ChemCad. Una corriente conteniendo una mezcla de varios compuestos orgánicos es enviado a un Divisor. El Divisor tiene tres corrientes de producto. La primera corriente de producto es enviada a una columna de destilación continua con productos del tope y el fondo antes de bombearlos. La segunda corriente de producto desde el divisor es enviada a un reactor de Gibbs con una corriente de producto. La tercera corriente de producto desde el divisor es enviada a un tanque mediante una tubería. Las corrientes de salida desde la columna de destilación, reactor y tanque son los productos finales de esta fase del proceso. Dibujar un flowsheet en CHEMCAD correspondiente a este proceso. Use columna SCDS para la columna de destilacion. Etiquete cada unidad de operacion sobre el f low sheet. Procedimiento: Paso 1: Crear un nuevo trabajo en CHEMCAD Paso 2: Colocar todos los iconos en el espacio de trabajo Step 3: Conectar los iconos con las corrientes Step 4: Etiquetar el flowsheet Paso1: Crear un nuevo trabajo en CHEMCAD Abrir CHEMCAD y guardar un nuevo trabajo en un folder deseado.
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Paso 2: Colocar todos los iconos en el espacio de trabajo Todos los iconos comienzan desde Baghouse filter (encontrado en la segunda fila y tercera columna) estan dispuestos en orden alfabetico. Los siguientes iconos son necesarios para nuestro flowsheet: 1.
Feed icon (for Divider)
2.
Divider
3.
Pump
4.
SCDS Column
5.
Product (two, for SCDS)
6.
Gibbs reactor
7.
Product (one, for Gibbs reactor)
8.
Pipe simulator
9.
Tank
10. Product (one, for Tank) Para colocar un icono en el workspace, hacer un click en el icono en la paleta, y cuando el cursor se vuelva un cuadrado, hacer un click sobre el espacio de trabajo para pegar el icono. Seleccionar y colocar todos estos iconos en el espacio de trabajo. Feed: Esta localizado en la 4 ta fila y 7 ma columna en la paleta. Divider: Esta localizado en la 4 ta fila y 1 ra columna en la paleta. En orden a encontrar un divisor con una corriente de
alimentación y tres corrientes de producto, hacer click derecho en el icono Divider en la paleta, y click sobre Divider#5.
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Pump: This is located in the 7 th row and 1 st column on the palette. SCDS Column: This is located in the 7 th row and 4 th column on the palette. Product: This is located in the 6 th row and 7 th column on the palette. Gibbs Reactor: This is located in the 5 th row and 3 rd column on the palette. Pipe Simulator: This is located in the 6 th row and 6 th column on the palette. Tank: This is located in the 8 th row and 5 th column on the palette.
Paso 3: Conectando los iconos con corrientes Click sobre stream localizada en la 2 da fila y 2 da columna sobre la paleta. El cursor se transforma en +. Click sobre la entrada de la primera feed (alimentación) en el frente del Divider y trazar la corriente a la entrada del Divider para completar el dibujo de la corriente. De manera similar conectar todos los iconos.
Paso 4: Etiquetando el flow sheet Seleccionar el icono Text localizado en la segunda fila y segunda columna y tipear los nombresa de cada unidad de operación. Ir al menu Format y seleccionar Font para cambiar el estilo de letra y el tamaño deseado.
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2. PROPIEDADES FÍSICAS 2.1. COMANDOS DE PROPIEDADES FÍSICAS Este manual está relacionado con las funciones ofrecidas por las siguientes órdenes: 2.1.1. Bajo el Menú ThermoPhysical: El commando Databank con sus subcommandos: ·
View-Edit
·
New Component
·
Copy Component
·
Delete Component
·
Plot Properties
·
Neutral file import List
·
User Components
El comando Distillation Curve 2.1.2. Bajo el menú Tools: · El comando Pure Regression .- Trabaja solamente para componentes adicionados por el usuario 2.2 ACCESANDO AL COMPONENTE DATABANK 2.2.1. Menú View-Edit Del comando Thermophysical sobre el menú principal seleccione Databank. Esto le permite a usted acceder al banco de datos de componentes de CHEMCAD. A partir de este menú, usted puede adicionar nuevos componentes al “user databank” o editar propiedades para componentes existentes. Usted no puede cambiar ningun valor en Chemstations databank directamente. Sin embargo, usted está permitido a copiar components desde “Chemstations databank” al “users databank”, luego edite estos como “user -defined compounds”.
Siguiendo a las entradas en el Databank Menu que aplican para ambos el estándar y el databank del usuario. Es el número de identidad ID del componente que controla ya sea que los componentes pueden ser editados o mirados (sólo los componentes con números ID entre 6000 y 10000 pueden ser editados). Ejemplo 2.1 Ver propiedades de un componente: Clorometano (Chloromethane) Comenzamos por seleccionar el comando View-Edit del Menú Databank, el cual se encuentra en el
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Menú ThermoPhysical sobre la Menu Bar , de la siguiente manera:
Apareciendo la ventana de diálogo Select One Component from DataBank
En esta ventana, en el espacio nombrado como Search, escribimos el nombre del componente: Chloromethane o el ID, si se tiene.
Si no aparece sombreado el no mbre del compuesto Chloromethane, hacer clic sobre el botón Nexthasta que aparezca el nombre exacto del componente (si es que está bien escrito y está en la base de datos)
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Cuando aparece el nombre correcto del componente, se hace clic en el botón OK y aparece la ventana de diálogo View/Edit Component Data. En esta ventana están los submenús con todas las propiedades físicas para el Chloromethane
Seleccionaremos el submenú Basic Data y aparece la ventana con los datos básicos. Haciendo clic en el botón Cancel se cierra esta ventana y regresamos a la ventana View/Edit Component Data. En esta ventana volvemos a seleccionar otra opción como por ejemplo Print Component Data para imprimir los datos del componente, o Plot Component Data para graficar algunas propiedades del componente como función de alguna variable (generalmente la temperatura). En este caso seleccionamos la presión de vapor usando la Ec. de Antoine.
Apareciendo la gráfica
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2.3 EQUILIBRIO LIQUIDO VAPOR (VLE) PARA MEZCLAS BINARIAS 2.3.1 Ejemplo 1 Enunciado del problema: Para la mezcla binaria de etanol y n-propanol, generar los datos de equilibrio liquido-vapor (en SI de unidades) y las gráficas usando CHEMCAD (ambos a temperatura constante de 298 K y a presión constante de 1atm) por cada uno de loas métodos para los Valores-K: Ideal Vapor Pressure NRTL Wilson UNIFAC Compare los resultados de estos cuatro métodos. Procedimiento: Paso 1: Ingresar componentes y unidades de ingeniería Paso 2: Selección del método para Valor-K Paso 3: Generación de las gráficas TPXY y ver los resultados NOTA: Solamente el procedimiento para el método NRTL es discutido aquí. El procedimiento es el mismo para los demás métodos de los Valores-K. Paso 1: Ingresar los componentes y unidades de ingeniería. Ir a new sobre el menú File y guardar la simulación en blanco. Ir a Thermophysical sobre la barra de menu y hacer clic sobre Components List . Seleccionar ethanol y npropanol de la lista de componentes de CHEMCAD y adicionarlos a la lista de componentes. Ir al menú Format y hacer clic en Engineering Units y seleccionar las unidades deseadas para tales propiedades así como la temperatura, presión, etc. Clic en OK para continuar.
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Paso 2: Selección del método para Valor-K. Ir a Thermophysical sobre la barra de menu y hacer clic en KValues. Seleccionar NRTL de la lista ubicada bajo Global K-Value Option. En el lado más bajo de
la
derecha, compruebe la caja correspondiente a Clear all local K-Values/BIP’s. Esto limpiará cualquier método previo para el Valor-K establecido para la unidad de operación (cualquiera) dentro de la simulación. Los campos restantes en esta ventana con toda seguridad pueden ser ignorados. (Este paso es exactamente el mismo cuando otros métodos para Valores-K son seleccionados bajo Global K-Value Option).
Clic en Ok para continuar . Aparecerá la siguiente ventana:
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Esta tabla indica los BIP’s (Parámetros de interacción binaria) correspondientes al método NRTL. Clic sobre OK para continuar. Paso 3: Generando las gráficas TPXY y ver los resultados. Ir a Plot sobre la barra de menu y seleccionar TPXY.
Aparecerá la siguiente ventana:
TPXY Options: Enter Components of interest: First component: Seleccionar ethanol Second component: Seleccionar n-propanol Mode:
Seleccionar Constant Pressure (Selección de la opción Constant Temperature para datos VLE a temperatura constante) Specify Pressure:
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Ingresar 1 atm (Ingresar 298 K para datos VLE a temperatura constante) Estimate Temperature(Estimar Presión en caso de Constant Temperature):
Puede quedarse en blanco No. of points:
Este es el número de puntos usados para graficar y reportar los datos de VLE. Ingresar cualquier número en este campo (por decir 51). El resto de campos en esta ventana pueden quedarse para sus valores predeterminados. Clic en Ok para finalizar. Los datos VLE aparecerán en un archivo WordPad como sigue:
Las gráficas TPXY aparecerán en la ventana CHEMCAD como sigue:
Verificar que los BIP’s para los cuatro métodos a presión constante son descritos como:
NRTL
Bij
Bji
Alpha
Aij
Aji
Cij
Cji
Dij
Dji
-1.29 28.30 0.301 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
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Wilson parameters: 102.671
-40.875
UNIFAC None Ideal Vapor Pressure None En adición a estos coeficientes, también verificar los coeficientes de actividad a dilución infinita (los Gammas, en el archivo WordPad de resultados) obtenidos por cada método para temperatura constante y presión constante son los siguientes: K-Value Method
g1
g2
NRTL
1.076
1.078
Wilson
1.070
1.087
UNIFAC
1.012
1.016
N/A
N/A
Ideal Vapor Pressure
Nota: Subindice ‘1’ en los Gammas son para el ethanol. En otras palabras, g1 es el coeficiente de actividad para el
ethanol a dilución infinita. Este valor es el primer valor mostrado en la columna bajo Gamma1 en el archivo WordPad. De manera similar, g2 es el último valor mostrado en la columna bajo Gamma2 en el archivo WordPad. 2.3.1
Ejemplo 2 Hallar el diagrama TPXY para el N-Hexane y Ethyl Acetate usando el método NRTL. Considerar una presión de 1.0 bar y comentar lo encontrado
2.3.2
Ejemplo 2 Hallar el diagrama TPXY para el Ethanol y Water usando el método NRTL, SRK y UNIQUAC. Considerar una presión de 15.0 psia y comentar lo encontrado 2.4 MAPA DE CURVA RESIDUAL Las curvas residuales pueden ser usadas para determinar cuales separaciones son posibles con una columna de destilación independiente de cuantas etapas son requeridas y cuanta energía es consumida Considerar, la mezcla de methanol, ethanol y n-propanol. Esta mezcla no forma azeotropos y es razonablemente ideal. Las curvas residuales para esta mezcla tienen dos puntos finales: uno en el vertice del methanol y el otro en el vertice del n-propanol. Si se escoge cualquier punto a lo largo de una curva residual como una composición inicial para el calderín, entonces, a medida que el material mas ligero es sacado, la composición en el calderín puede permanecer en la misma curva y eventualmente converger al vertice del n-propanol.
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2.4. 1. Componentes
2.4.2. Modelo Termodinámico
2.4.3. Selección Plot: Residue Curve Map
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2.5 GRAFICA BINODAL Usada para procesos de extracción Liquido- Liquido, formando dos fases Ejemplo el extracción del acido acético presente en un efluente acuoso mediante éter isopropílico 2.5. 1. Componentes
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2.5.2. Modelo Termodinámico: UNIFAC LLE
2.5.3. Selección Plot: Binodal Plot
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2.6 CALCULO DE ENTALPIAS. 2.6.1 Entalpía de la Corriente por el modelo de calor latente: CHEMCAD calcula la entalpía de la corriente comenzando con el calor de formación del gas ideal (25 ° C, 1 atm, gas) [A], sustrae el calor de vaporización a 25 ° C y 1 atm [HoV], lo cual da el calor de formación del líquido ideal a 25 ° C, 1 atm. Con Cp líquido , la entalpía del líquido a 25 ° C para la temperatura deseada es calculada después. Esta temperatura puede ser la temperatura de corriente, si la corriente es líquida. En ese caso el cálculo del entalpía está hecho. Si la corriente es vapor, entonces el cálculo de entalpía líquido va hasta el punto de ebullición [C] y el calor de vaporización en esta temperatura se agrega para tener el estado del gas [D]. De aquí el Cp del Gas ideal es usado para alcanzar la temperatura de la corriente [C], si ésta no es igual el punto de ebullición. En el gráfico está asumido, que esta temperatura es mayor que el punto de ebullición.
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Diagrama para le entalpía de la corriente Usar el calor de líquido del formación como un punto de partida en lugar del calor de formación del gas tiene la ventaja, que la presión tiene muy poca influencia para líquido Cp. Si la corriente es líquida debería ser el mejor camino. Si la corriente es, gas entonces allí habrá un pequeño problema si la presión de corriente es alta, porque el Cp del gas es medido para gas ideal solamente y no hay corrección de presión disponible. 2.6.2 Entalpía de la Corriente por el modelo de Ecuación de Estado. La entalpía del gas también puede ser calculada usando la ecuación de estado. CHEMCAD comienza en ese caso con el calor de formación del gas ideal. Esto tiene la ventaja para la fase gas que la presión es parte de al entalpía. Los modelos del gas son SRK, PR, Lee Kessler etcétera. En la fase líquida estos modelos no son tan buenos como el cálculo del Cp líquido usando el modelo de calor latente. En el caso que el líquido es altamente no ideal el usuario debería seleccionar el modelo de calor latente y no una ecuación de estado para el cálculo de la entalpía. Éste es el por qué que el experto en termodinámica selecciona NRTL, o UNIQUAC o UNIFAC conjuntamente sólo con calor latente como el mejor modelo del entalpía. 2.6.3 Cálculo de la Entalpía en un Reactor El cálculo de entalpía en los reactores CHEMCAD es discutido a continuación. Comenzaremos con un ejemplo fácil de una reacción en fase gas. Esta es la reacción en fase gas la cual investigaremos primero: a) Reacción C2H4 + H2 = C2H6 a 25°C Ejemplos Chemcad, archivo : EREAC1 Esta reacción en fase gas muestra un ejemplo simple para verificar el balance de entalpía. La reacción se lleva a cabo en fase gas. Esto facilita el cálculo de la entalpía. 1. Seleccionamos Unidades de Ingeniería: SI 2. Seleccionamos Reactor de equilibrio y colocamos las corrientes de entrada y salida
3. Seleccionamos los componentes: Hidrogen Ethylene y Ethane
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4. Fijamos las condiciones de la corriente de alimentación
Hacemos cilck en Flash y se calculan todos los demás valores
En este caso nos interesa la entalpía; y vemos que la entalpía de la mezcla a 25 C y 1 bar es 52.25616 MJ/h. Este procedimiento lo podemos aplicar para el cálculo de entalpía de un solo componente y para otras condiciones de operación. 5. El cálculo de la entalpía de reacción lo podemos efectuar de dos maneras 5.1
Calculando la entalpía de los productos y restando de la entalpía de los reactantes: En este caso en la corriente de salida colocamos Ethylene (1 kmol/h) ya que la reacción es 1 a 1, Temperatura (25 C) y presión (1 bar). Luego hacemos clic en Flash y aparece la entalpía de la corriente de pr oductos.
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Ahora efectuamos el cálculo: Balance de entalpía (str.2 - str1): -83.9 - 52.2 = - 136.1 MJ/h 5.2
Simulando la operación del reactor: En este caso ingresamos los parámetros de operación para el reactor (como veremos más adelante )
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Y efectuando la simulación obtenemos la entalpía de reacción: Equilibrium Reactor Summary Equip. No. Name Thermal mode Temperature C Heat duty MJ/h Reaction phase No of Reactions Reference Temp C Temp Units Press Units Heat of Rxn Units
1 2 25.0000 -136.1626 1 1 25.0000 3 4 5
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Molar Flow Units Calc Ht of Rxn MJ/h
1 -136.1330
Reaction Stoichiometrics and Parameters for unit no. 1 Reaction no. 1 Base component 2 Frac.conversion 1.0000 1 -1.0000 2 -1.0000 3 1.0000 El calor de reacción -136.13 MJ/h, la carga de calor también es -136.13 MJ/h. Debido a que el flujo es 1 kmol/h, el calor de reacción es -136.13 kJ/kmol. Este resultado puede ser verificado usando el calor de formación en el databank.
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3. EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE MASA 3.1 Divisor de Flujo Ejemplo 1 Se desea dividir 226000 lb/h de Amoniaco (-9 F y 225 psig) en d os corrientes iguales. 1.
Especificamos las unidades de ingeniería ( Inglés y cambiamos masa a lb y presión a Psig)
2.
Hacemos el Diagrama de Flujo (fig ej1 en fig tuberia)
Divisor de Corriente 3.
Seleccionamos el componente Amoniaco
4.
Fijamos las dos propiedades de la corriente de entrada (-9 F y 225 psig) y la cantidad de entrada 226000 lb/h
5.
Hacemos doble clic en la unidad divisor y aparece la caja de diálogo para las especificaciones de esta unidad Los Modos de especificación son:
0
Split based on flow ratio: División basada en razones de flujo. Para este modo, la razón de flujo debe tener un valor entre 0 y 1. Los valores especificados son normalizados para que la suma de 1.
Ejemplo: Si se especifica que por la corriente 2 vaya 70 % y la corriente 3 el 30% de la corriente 1
Al correr la unidad y verificar la salida se tiene las cantidades de flujo por cada corriente. 1
Split based on mole flow rate (global units): División basada en razones molares de flujo (Unidades totales). Ingrese las tasas de flujo de las corrientes de salida en unidades molares. La tasa de flujo de la última corriente de salida puede tener cero a la izquierda y en el resultado final tendrá un valor para mantener el balance de masa en el
30
divisor. Si las tasas de flujo son ingresadas y la suma es mayor que la corriente de entrada, la tasa de flujo de la última corriente será cero y las demás serán normalizadas para mantener el balance de masa. Los flujos molares son iguales a los establecidos por flowsheet global. 2
Back-calculate feed from outlets. Used in AUTOCALC only: Calcular la alimentación en base a las saidas. Usado solamente en AUTOCALC. El Usuario establece los flujos de las corrientes. No el DIVISOR
3
Split based on mass flowrate (global units): División basada en flujos de masa (unidades totales). Ingresar las tasas de flujo de las corrientes de salida en unidades molares. La tasa de flujo de la última corriente puede tener cero a la izquierda, y en el resultado final tendrá un valor para mantener el balance de masa en el divisor. Si las tasas de flujo son ingresadas y la suma es mayor que la corriente de entrada, la tasa de flujo de la última corriente será cero y las demás serán normalizadas para mantener el balance de masa. Los flujos molares son iguales a los establecidos por flowsheet global.
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Split based on flow rate in units defined in parameter 16 below: División en base . Ingrese las tasas de flujo de las corrientes de salida en cualquiera de las unidades disponibles en el Parámetro 16. La tasa de flujo de la última corriente puede tener cero a la izquierda, y en el resultado final tendrá un valor para mantener el balance de masa en el divisor. Si las tasas de flujo son ingresadas y la suma es mayor que la corriente de entrada, la tasa de flujo de la última corriente será cero y las demás serán normalizadas para mantener el balance de masa. Los flujos molares son iguales a los establecidos por flowsheet global. Especificamos el Modo 3
6. Efectuamos la simulación y verificamos los resultados en las corrientes de salida Unidades de tasa de flujo:
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Si la base de división está en modo 4 anterior, entonces las unidades de tasa de flujo deben ser especificadas. Presione el espaciador o dé un clic sobre la ventana para abrir una ventana exteriorizando las opciones disponibles. La proporción de flujo o la tasa de flujo para la primera corriente de salida, segunda corriente de salida, etc.: Notar que estos campos están etiquetados con los números de corriente de salida de la topología del flowsheet para la unidad seleccionada. Ejemplo 2 A 100 kmol/hr stream of benzene (50 mol%), toluene (20 mol%) and O-xylene (30 mol%) is fed to a splitter at room temperature (298 K) and atmospheric pressure. If the split in the splitter is based on 1.
Flow ratio of 0.3, 0.2, 0.5 for product streams 1,2 and 3 respectively
2.
Molar flow rate of 50, 25, 25 kmol/hr for streams 1,2 and 3 respectively Estimate the composition of benzene, toluene and O-xylene in streams 1, 2 and 3. Procedure: Step 1: Creating the flow sheet Step 2: Entering the components and engineering units Step 3: Entering the composition of feed stream Step 4: Entering the Splitter specs Step 5: Running the simulation and retrieving the results Step 1: Creating the flow sheet Go to new on the File menu and save the blank simulation. Find Divider on the CHEMCAD palette and right click on the icon to find the divider with one input stream and three output streams ( Divider#5). After the divider with suitable configuration is pasted on the workspace, click on the feed icon on the palette and paste it on the workspace. Similarly, click on the product icon and place it on the workspace. One can right click on the product icon to get the product icons pointing upwards and downwards. After making sure that all the necessary icons are placed on the workspace, they can be connected by using stream. CHEMCAD automatically assigns numbers to streams and unit operations the order in which they are placed on the workspace. After completing the flow sheet, click once in the S /G icon found on the menu bar so that the simulation is changed from edit mode to run mode. The same icon can be used to toggle between these two simulation modes. Alternatively, one can toggle between Edit Flowsheet and Run Simulation on the menu bar to achieve the same.
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Step 2: Entering the components and engineering units Go to the Thermophysical on the menu bar and click on Components List . Find benzene, toluene and O-xylene from the CHEMCAD components list and add them to the component list. Go to the Format menu and click on Engineering Units and select the desired units for such properties as temperature, pressure etc. Click OK to continue.
Step 3: Entering the composition of feed stream Double click on the feed stream and enter the feed information (temperature, pressure, total flow rate and component mole fractions) given in the problem statement. Click once on Flash to get the feed stream enthalpy and vapor fraction in feed at the feed conditions.
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Step 4: Entering the Splitter specs Double click on the Splitter. There are two different questions posed in the problem statement. 1. For the split based on Flow Ratio, select option ‘0’ (this is the default option) for the splitter specs and enter the corresponding flow ratios for each product stream. (One can always click on helpbutton on the bottom of this window to get familiar with the other options for splitter specs).
2. For the split based on Molar f low rate, select option ‘1’ for the splitter specs and enter the flow rates desired for each product stream as given in the problem statement.
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Step 5: Running the simulation and retrieving the results After entering the available information on the workspace as described in the previous steps, one can run the simulation by clicking on R on the menu bar. Alternatively, one can run the simulation by clicking on Run on the menu bar and selecting Run all. The status of the simulation can be found at the bottom left hand corner of the screen. The message, Run Finished appears in this place if the run is successfully completed. To view the product stream compositions, one can either double click on the individual product streams or by clicking Results on the menu bar and selecting Stream Compositions and further selecting All Streams. The results obtained from the latter method will be in a WordPad file. For question 1, verify that the following results are obtained. For question 2, verify that the following results are obtained.
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3.2 MEZCLADOR (MIXER) Enunciado del problema:
Corriente de Benzene: 10 kmol Benzene, 0.5 kmol Toluene, 0.25 kmol Xylene Corriente de Toluene: 20 kmol Toluene, 1 kmol Xylene, 0.5 kmol Benzene Corriente de Xylene: 30 kmol Xylene, 1.5 kmol Benzene, 0.75 kmol Toluene Todas las corrientes de alimentación están a temperatura ambiente (25 oC) y presión atmosférica (1 atm). El Mezclador tiene una presión de 2 atm. Encontrar la composición y la temperatura de la corriente mezclada. Procedimiento: Paso 1: Crear un nuevo trabajo en CHEMCAD Paso 2: Dibujar el Diagrama de flujo Paso 3: Componentes y Unidades de Ingeniería Paso 4: Ingresar la composición de la corriente de alimentación Paso 5: Ingresar las especificaciones del Mezclador Paso 6: Efectuar la simulación y mostrar los resultados Paso 1: Cear un nuevo trabajo en CHEMCAD
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El primer paso es crear un nuevo trabajo en CHEMCAD. Esto puede hacerse abriendo la ventana CHEMCAD y haciendo clic en new job del menú File. Cada nuevo archivo en CHEMCAD es automáticamente abierto en una carpeta separada y todos los archivos asociados con este archivo son guardados en esta carpeta.
Una vez que se ha guardado el nuevo trabajo en CHEMCAD (en este caso tonel nombre CC5DATA/Ejemplos CHEMCAD/ Mixer2, la paleta CHEMCAD con los iconos de las unidades de operación aparece como sigue.
Paso 2: Dibujar el Diagrama de Flujo (Flow sheet) En la paleta CHEMCAD, las unidades de operación son listadas en orden alfabético para facilitar el acceso. Hacer clic derecho sobre el icono Mixer de la paleta de las unidades de operación y seleccionar el icono con tres corrientes de alimentación y una de producto (Mixer #5). Este icono puede ser llevado sobre el espacio de trabajo haciendo clic izquierdo sobre el. Clic derecho sobre el icono Feed de la paleta y seleccionar las flechas de alimentación en las direcciones deseadas y hacer clic en el espacio de trabajo para pegarlas. De manera similar, hacer clic sobre el icono Product y pegarlo sobre el espacio de trabajo. Usando stream de la paleta, conectar las alimentaciones a las entradas del mezclador y el producto a la salida. Siempre dibujar las corrientes desde la entrada a la salida. Después todos los iconos son conectados usando la corriente, clic una en el área de trabajo para ver la paleta. CHEMCAD automáticamente asigna los números a las corrientes en orden en la cual se trazan.
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Paso 3: Ingreso de componentes y Unidades de Ingeniería Cambiar el modo simulación de Edit Simulation a Run Simulation haciendo clic sobre el icono S/Gencontrado sobre la barra de menú. El mismo icono puede usarse para alternar el interruptor de un estado a otro entre estos dos
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modos de simulación. Luego, ir a Thermophysical sobre la barra de menu y seleccionar Component list . Seleccionar los tres componentes deseados (Benzene, Toluene y Xylene para este ejemplo) y ellos a la lista de componentes. La búsqueda para los componentes en la base de datos puede hacerse escribiendo el nombre (en Inglés) del componente en la caja de diálogo proporcionada en la ventana. El orden en el cual los componentes son ingres ados será el orden en el cual los componentes serán desplegados en cualquier etapa de la simulación. Ir al menú Format y hacer clic en Engineering Units y seleccionar las unidades deseadas para las propiedaes tales como temperatura, presión etc. Clic en OK para continua. Guardar la simulación al final de cada paso para asegurarse que la información no se pierda en caso eventual que el sistema falle.
Paso 4: Ingresar la composición de las corrientes Doble clic sobre cada una de las corrientes de alimentación e ingresar el nombre, temperatura, presión y composición correspondiente a cada corriente como se da en el enunciado del problema. Clic sobre el cuadro Flash en el tope izquierdo de la caja de diálogo al final del ingreso de la información para cada corriente de alimentación para obtener la entalpía y la fracción de vapor en la alimentación a las condiciones de alimentación.
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Paso 5: Ingresar las Especificaciones de Mixer Después de ingresar la información de las corrientes de alimentación, doble clic sobre mixer e ingresar la Output Pressure como 2 atm según lo dado en el enunciado del problema. Clic en ok para continuar.
Paso 6: Efectuar la simulación y mostrar los resultados. Ir a al menú Run y seleccionar Run all para efectuar esta simulación. Alternativamente, cualquier simulación al estado estacionario puede ser efectuada simplemente haciendo clic en R sobre la barra de menú. El estado del programa puede ser encontrado en la parte inferior del espacio de trabajo. Luego que la simulación se ha completado, aparece el mensaje Run Finished en la esquina inferior izquierda. La calidad y composición de la corriente de producto final puede ser encontrada haciendo doble clic sobre la corriente producto.
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3.3 Destilación Continua: Qué tipo de columnas puede Modelar CHEMCAD? Columnas al estado estacionario, columnas dinámicas y columnas de destilación batch. Columnas de equilibrio liquido vapor, Columnas de transferencia de masa y destilación azeotrópica. Columnas al estado estacionario.
Shortcut Column (SHOR) o Fenske-Underwood –Gilliand metodo para flujo molar constante SCDS Column o Cálculos rigurosos de equilibrio Liquido Vapor o Puede ser usada para modelos al estado estacionario o dinámicos o Permite destilación reactiva o Bien adecuado para coeficientes de actividad en modelos VLE TOWR Column o Cálculos rigurosos de equilibrio Liquido Vapor o Usa el algoritmo Entrada-Salida o Puede ser usado para modelos al estado estacionario o dinámicos o Bien adecuado para ecuación de estado en modelos VLE TPLS Column o Cálculos rigurosos de equilibrio Liquido Vapor o Permite especificaciones de bombas, corrientes laterales, e intercambiadores de calor o Útil para modelar columnas de fraccionamiento
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o Útil para modelar columnas de tipo petyluk o Usa el algoritmo TOWR como base del modelo Todas las columnas rigurosas pueden usarse para separaciones azeotrópicas. Dynamic Column Options o Usa cualquier columna rigurosa (SCDS, TOWR, TPLS) para el modelo básico o Calcular o especificar retención en platos y efectos de presión o Arrancar la columna desde reflujo total o sin reflujo o Intégrese con un reactor batch, controles PID, y otras UnitOps para flowsheet dinámico Mass Transfer Column Options o Calcula efecto de resistencia de transferencia de masa en separaciones o Especificar geometría de columna empacada o columna de platos o Puede ser usada con columna dinámica 3.3.1 Columna de Destilación por métodos corto (Shotcut column) Enunciado del problema: Una corriente a razón de 100 kmol/hr compuesta de ethanol (50 % mol) y n-propanol (50 % mol) es alimentada a una columna de destilación continua a temperatura ambiente (298 K) y presión atmosférica. La caída de presión a través de la columna es despreciable y se usa una relación de reflujo de R = 1.5 Rmin. Alrededor del 93 % mol de etanol en la alimentación y 5 % mol de n-propanol en la alimentación es deseado a estar presentes en la corriente de destilado. Diseñar una columna de destilación continua para conseguir las especificaciones deseadas usando una Shortcut column en CHEMCAD y reportar el número total de etapas, número mínimo de etapas, ubicación de la etapa de
alimentación, relaciones de reflujo mínimo y calculado, concentraciones del destilado final y corriente de fondo, y cargas de calor del r ehervidor (reboiler) y condensador. Procedimiento: Paso1 1: Crear el flow sheet Paso 2: Ingreso de Componentes y Unidades de ingeniería Paso 3: Ingreso de composición de la corriente de alimentación Paso 4: Ingreso de especificaciones de shortcut column Paso 5: Efectuar la simulación y mostrar los r esultados Paso 1: Crear el Diagrama de Flujo Ir a new sobre el menú File y guardar la simulación en blanco. Clic en Shortcut column en la paleta CHEMCAD y clic sobre la ventana de simulación para pegarlo. Clic en el icono alimentación en la paleta y pegarlo en el espacio de trabajo. De manera similar, clic en el icono de producto y colocarlo sobre el espacio de trabajo (colocar dos productos ya que hay dos corrientes de producto). Después asegurarse de que todos los iconos necesarios esten colocados en el espacio de trabajo, estos deben ser conectados usando stream. CHEMCAD automaticamente asignará números a las corrientes y unidades de operación según el orden en que estos son colocados en el espacio
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de trabajo. Después completar el flow sheet, clic en el icono S /G encontrado en la barra de menú para cambiar la simulación del modo edit al modo run. El mismo icono puede ser usado para variar entre estos dos modos de simulación. Alternativamente, se puede variar entre Edit Flowsheet y Run Simulation en la barra de menú para conseguir lo mismo.
Paso 2: Ingresar los componentes y unidades de Ingeniería Ir a Thermophysical sobre la barra de menú y clic sobre Components List . Encontrar ethanol y n-propanol de la lista de componentes de CHEMCAD y adicionarlos a la lista de componentes. Ir al menú Format y clic sobre Engineering Units y seleccionar las unidades deseadas para las propiedades tales como temperatura, presión etc. Clic en OK
para continuar.
Paso 3: Ingresar composición de la corriente de alimentación
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Doble clic sobre la corriente de alimentación e ingresar las condiciones (temperatura, presión, flujo total y fracciones molares de los componentes) dados en el enunciado del problema. Clic sobre Flashpara obtener la entalpía de la corriente de alimentación y la fracción de vapor a las condiciones de la alimentación.
Paso 4: Ingreso de especificaciones para Shortcut column Doble clic sobre ShortCut Column. 1. Select mode:
La Shortcut column puede servir tanto para diseño así como para valuación de una columna de destilación. Como necesitamos diseñar una columna, la opción 2 u opción 3 puede servir para el modo de diseño. Seleccione uno de estos dos y continúe. 2. Select condenser type:
Como esto no es explícitamente declarado en el enunciado del problema, el condensador - se asumirá - es total y puede quedarse para esto con la opción predeterminada. 3. Column pressure:
Como la caída de presión es despreciable a lo largo de la columna, se puede ingresar la misma presión de la alimentación en este campo (1 atm). Esto también puede quedarse en blanco y CHEMCAD ajusta la presión por defecto, lo cual es la presión de la corriente de alimentación. 4. Column pressure drop:
Esto puede dejarse en blanco 5. Number of stages:
CHEMCAD calcula el número de etapas y almacena el número calculado en este campo. El usuario debe dejar este campo en blanco.
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RELAC ION DE REFLUJO.-
Se necesita introducir solamente una de las dos especificaciones, relación de reflujo
(Reflux ratio) o R/Rmin. 6. Reflux ratio: Como se especifica R/Rmin, este campo debe ser dejado en blanco.
7. R/Rmin: Ingresar el valor ‘1.5’ en este campo.
8. Case study:
Esto es opcional y puede ser dejado en blanco para nuestro estudio. 9. Key component specifications: a.
Light key component: Seleccionar ‘Ethanol’
b.
Light key split: Ingresar ‘0.93’
c.
Heavy key component: Seleccionar ‘n-propanol’
d.
Heavy key split: Ingresar ‘0.05’
10. Calculated results:
Estos son los parámetros que CHEMCAD calcula y almacena sus valores. Todos estos campos debemos dejar en blanco. Clic en Ok cuando se haya finalizado.
Paso 5: Efectuar la simulación y mostrar los resultados Ir a al menú Run y seleccionar Run all para efectuar esta simulación. Alternativamente, cualquier simulación al estado estacionario puede ser efectuada simplemente haciendo clic en R sobre la barra de menú. El estado del programa puede ser encontrado en la parte inferior del espacio de trabajo. Luego que la simulación se ha completado, aparece el mensaje Run Finished en la esquina inferior izquierda. Para ver las composiciones de las
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corrientes de producto, hacer doble clic en la corriente producto o en Results sobre la barra de menú y seleccionar Stream Compositions y posteriormente seleccionar All Streams. Los resultados obtenidos del método más reciente estarán en un archivo WordPad.
Todos los resultados asociados con la columna pueden encontrarse haciendo clic en el menú Results y seleccionando Unit Op’s y luego la columna. Los resultados estarán dados en un archivo WordPad.
También podemos visualizar los resultados calculados haciendo doble clic directamente sobre la columna
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3.2 SCDS Columna (Método de corrección simultánea) Separador Propane-Propylene El propano y propileno son muy difíciles de separar uno de otro, ya que son componentes que hierven cerca. No obstante, la destilación a presión elevada es una tecnología común, con tal que exista suficiente número de bandejas en la columna de destilación. En este ejemplo, se presentan cálculos de una torre con 148 bandeja reales. El modelo de destilación SCDS (Método de corrección simultánea) se usa para acomodar un número grande de bandejas, y dar explicación sobre bandejas reales. El equilibrio liquido-vapor Propane/propylene y ethane/ethylene son afectados por interacciones entre los componentes. Se usan los parámetros especiales de interacción binaria para la Ecuación de Estado de PengRobinson para reflejar estas no idealidades La composición de la alimentación es: Flujos
lbmol/h
Ethane
0.3000
Propylene
550.0000
Propane
200.0000
N-Butane
5.0000
La alimentación se hace como liquido a 240 psia. El proceso exige obtener un destilado en e el cual la fracción molar de propano no sea mayor a 0.4 por ciento y la fracción molar de propylene en las colas sea alrededor de 4 por ciento (esto se obtiene de un balance preliminar).
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Confección del diagrama de flujo 1. Abrir CHEMCAD 2. Seleccionar Nuevo trabajo 3. Guardarlo con el nombre de C: CC5DATA/Ejemplos Chemcad/ PROPPSPLT Al guardar el archivo aparece en la pantalla la siguiente Figura:
4. Selección de Unidades Luego que se ha dado el nombre al trabajo, seleccione el comando Format ya sea presionando [ALT+ M] o haciendo clic con el ratón. Aparecerá el siguiente menú:
Ahora seleccionamos la opción Engineering Units haciendo clic con el ratón y aparece la siguiente caja de diálogo:
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Por defecto se tiene el sistema INGLES (ENGLISH) de unidades. Para este trabajo usaremos el sistema de Unidades de Ingeniería INGLES, por lo que salimos de la caja de diálogo haciendo clic en el botón Cancel. Selección del equipo De la paleta de iconos de equipo, seleccionamos el correspondiente a SCDS columnas (en la 7ma fila y 4ta columna).
Hacemos clic derecho sobre el icono y en la parte superior izquierda de la pantalla aparece la siguiente sub-paleta
Hacemos clic izquierdo sobre la primera columna (equipo seleccionado), el submenú desaparece y el cursor se transforma en un cuadrado.
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Luego hacemos clic izquierdo sobre la ventana del diagrama de flujo, apareciendo el icono de la columna y apareciendo nuevamente la paleta de unidades de equipo, quedando de la siguiente manera.
Si necesitaríamos otros equipos deberíamos repetir el procedimiento. En nuestro caso solamente vamos a simular una columna por lo que ahora debemos colocar las corrientes de alimentación y producto. Si se hace clic izquierdo sobre cualquier icono de la paleta principal, automáticamente la paleta se cierra y el cursor se transforma en un cuadrado, al hacer nuevamente clic izquierdo sobre la ventana del DF, se selecciona la primera opción de la sub-paleta correspondiente a dicho icono y aparece nuevamente la paleta principal. Como se observa en la ventana de diagrama de flujo, no es necesario mover la paleta para colocar otros equipos, solamente basta con mover los cursores para desplazar el espacio de trabajo. Corrientes de Alimentación y Productos 1. Alimentación. Seleccionamos el icono correspondiente a alimentación ( FEED) en la paleta principal.
Al hacer clic derecho sobre el icono aparece la siguiente sub-paleta:
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Seleccionamos Feed #1, hacemos clic izquierdo sobre este icono desaparece la sub- paleta y el cursor se transforma en un cuadrado. Arrastramos el cursor sobre al lugar donde deseamos colocar la alimentación y hacemos clic izquierdo, con lo cual se coloca la alimentación sobre el diagrama de flujo, desaparece la sub-paleta y aparece nuevamente la paleta principal para continuar con el trabajo
Colocar alimentación
Alimentación colocada 3.
Producto. Seleccionamos el icono correspondiente a producto ( Product).
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Al hacer clic derecho sobre el icono aparece la siguiente sub-paleta:
Seleccionamos Product #1, hacemos clic izquierdo sobre este icono desaparece la sub-paleta y el cursor se transforma en un cuadrado. Arrastramos el cursor sobre al lugar donde deseamos colocar el (los) producto (s) y hacemos clic izquierdo, con lo cual se coloca el (los) producto (s) sobre el diagrama de flujo
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Colocando productos
Productos colocados. Ahora debemos pasar a colocar las líneas de corrientes. 3. Líneas de Corrientes. Seleccionamos el icono correspondiente a las líneas de corrientes ( Stream)
Hacemos clic izquierdo sobre este icono y desaparece la paleta principal, el cursor se transforma en una cruz y al acercarlo a cualquier unidad de equipo, alimentación y producto, el cursor se transforma en un señalizador y en las unidades aparecen las conexiones de entrada y salida. Para conectarlos colocamos el cursor en una conexión de
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salida, hacemos clic izquierdo (con lo cual aparecen dos líneas guias) y lo arrastramos hasta una conexión de entrada en donde hacemos nuevamente clic izquierdo con lo cual queda trazada la línea de corriente y el cursor nuevamente se transforma en una cruz. Este procedimiento lo volvemos a repetir hasta tener todas las líneas de corriente.
Trazo de corrientes
Dibujo Final Al colocar las líneas se van enumerando automáticamente según el orden de trazado Si una linea ha sido mal trazada, hacemos clic izquierdo sobre la línea, se marca la línea con cuadrados y se borra la línea (Delete) Selección de Componentes Seleccionando el comando T h e r m o P h y s i c a l , se desplegará el menú correspondiente y hacer clic en la opción C o m p o n e n t L i s t , o directamente en el icono correspondiente en la barra de tareas.
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Apareciendo la caja de diálogo de componentes en la cual definimos los componentes presentes en la alimentación.
Ahora guardemos la lista haciendo clic en el botón [OK]. Opciones Termodinámicas Usando el comando T h e r m o P h y s i c a l localizado en la barra de menú y luego, punteando y haciendo clic sobre la opción K-values sobre el menú desplegado
O directamente haciendo clic en el icono de la barra de Menú.
Por favor hacer esto. La caja de dialogo de K - v a l u e O p t i o n será desplegada, la cual esta actualmente resaltada. Abra esta ventana haciendo clic en ella. Su pantalla ahora mostrará lo siguiente:
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En el cual seleccionamos la opción: Peng-Robinson. Definición de la Alimentación: Hacemos doble clic en la corriente número 1 y aparece la siguiente caja de diálogo:
En esta caja de diálogo colocamos: 1. Nombre de la corriente (opcional) 2. Cantidades de cada componente (que han sido seleccionados previamente) en unidades definidas previamente (en este caso henos definido sistema Inglés: lbmol/h). Automáticamente el programa suma y da el flujo total 3. Dos condiciones entre: Temperatura, Presión, Fracción de vapor o entalpía. En nuestro caso tenemos Presión = 240 psia y Fracción de vapor = 0. Con estas dos condiciones y la composición, automáticamente el programa calcula las demás propiedades. Parámetros del Equipo: Los parámetros básicos para simulación de la columna son:
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Página 1: General 1. Tipo de Condensador : Ingresar el tipo de condensador como sigue: 0 Condensador Total 1 Condensador Parcial 2 Condensador Total - con decantador 3 Condensador Parcial - con decantador Para la opción 0, condensador total - con dos fases, el destilado será líquido. Seleccionamos la opción: 0 Total condenser 2. Presión en el Tope (o Presión en el Condensador) : Si no se ingresa un valor, se usará la presión de la primera alimentación. Colocamos: Top Pressure = 220 psia 3. Caída de presión en la columna: Ingrese la caída de presión a través de la columna y el rehervidor como un número positivo. La Presión en cada Plato será calculada por linearización de la presión entre el tope de la columna (excluyendo el condensador) y el fondo de la columna (incluyendo al rehervidor si este existe). Colocamos: Colm Press drop = 30 psia 4. Número de etapas/ Segmentos: Para modelo VLE Regular, este es el número de etapas incluyendo el condensador y rehervidor. Las etapas son numeradas desde el tope de la columna. Si está presente un condensador, este es tratado como la etapa 1. Si está presente un rehervidor, este es tratado como etapa N. Teóricamente, no hay límite para el número de etapas. El número de etapas permitido depende de la memoria del computador y el número de componentes en el sistema. El mínimo número de etapas es 2. Para modelos de platos de transferencia de masa, este es el número de platos teóricos (no ideales) en la columna. Plato 1 y N son el condensador y el rehervidor, si está presente. Colocamos: No of Stages = 150 5. Ubicación de la etapa de alimentación: Las etapas de alimentación debes ser ingresadas desde el tope hacia el fondo. El número de ubicaciones de etapas de alimentación debe ser igual al número de corrientes de alimentación a la columna. Calentadores/enfriadores laterales son ingresados como corrientes de entalpía (corrientes tienen entalpía y no flujo de componentes), y las ubicaciones deben ser ingresadas como etapas de alimentación. Ejemplo: SCDS 9 5 3 -7 -6 1st etapa de alimentación: 3 2nd etapa de alimentación: 10 3rd etapa de alimentación: 24 En el ejemplo anterior, la columna tiene tres corrientes de alimentación. La corriente 9 ingresa sobre la etapa 3, corriente 5 ingresa sobre etapa 10 y corriente 3 ingresa sobre etapa 24.
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Una alimentación ingresando a un condensador o rehervidor es permitido. Si usted requiere múltiples corrientes de alimentación ingresando a la misma etapa, debe ser usado el módulo MIXER (Mezclador) antes de la columna. Colocamos: Feed tray for stream 1 = 110 6. Modelo de Simulación: Seleccione el modelo Regular VLE model Para usar el modelo SCDS normal para una columna de N etapas. Este modelo asume equilibrio de mezcla en cada etapa. Las opciones de transferencia de masa usan las difusividades de Maxwell-Stefan y correlaciones empíricas para calcular la matriz de los coeficientes totales de transferencia de masa. 7. Eficiencia de la etapa del tope: Ingrese la eficiencia de plato de Murphee en el tope de la columna. El valor por defecto es 1. Colocamos: Top Stage efficiency = 0.9 8. Eficiencia de etapa del fondo: Ingrese la eficiencia de plato de Murphee en el fondo de la columna. El valor por defecto es 1. Colocamos: Last Stage efficiency = 0.9 Luego la primera página quedará:
Página 2: Specifications 9. Condenser mode: Seleccione las especificaciones del condensador del menú siguiente: Mode no.
Specification
0
No condenser
1
Reflux ratio
2
Condenser heat duty, negative
3
Condenser temperature
58
4
Total distillate mole flow rate
5
Distillate mole flow rate of one component
6
Mole fraction of one component in the distillate
7
Split fraction of one component in the feed streams to the distillate
8
Fractional amount of feeds in the distillate
9
Molar flow ratio between two components in the distillate
10
Distillate mass flow rate
11
Distillate component mass flow rate
12
Distillate component mass fraction
13
Distillate std liquid volume flow rate
14
Reflux mole flow rate 15
Reflux mass flow rate
Seleccionamos: 12 Distillate component mass fraction (fracción en masa de un componente en el destilado) 10. Especificación del Condensador: Ingrese la especificación del condensador de acuerdo al modo de condensador seleccionado anteriormente. La carga de calor en el condensador debe ser un número real negativo. Si el modo es 0, este valor no es necesario. Ejemplo A: Condenser mode = 1 Condenser specification = 2.3 Especifica una razón de reflujo de 2.3. Ejemplo B: Condenser mode = 2 Condenser specification = -2.3 MMBtu Especifica una carga de calor en el condensador de -2.3 MMBtu. Para modos 5, 6, 7, 11, 12, condenser component i spec. Esto es requerido para modos de condensador 5, 6, o 7. Ingrese la posición del componente en la lista de componentes si la especificación de un cierto componente en el destilado es necesario. Ejemplo: Condenser mode = 5 Condenser specification = 25.7 lbmol/hr
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Condenser component i spec. = 3 Especifica el flujo del tercer componente en el destilado a ser 25.7 lbmol/hr. Para mode 9, comp i and comp j Es necesario para modo 9 de condensador el cual requiere la especificación de dos componentes. Ingrese la posición del componente para componentes i y j. Ejemplo: Condenser mode = 9 Condenser specification = 0.03 Condenser ratio position 1 = 4 Condenser ratio position 2 = 3 Moles de flujo de comp 4/molees de flujo de comp 3 = 0.03 en el destilado. Para nuestro ejemplo deseamos que la fracción molar de propano en el destilado no sea mayor a 0.4 Especificamos: Specification = 0.004 Component = 3 Propane
11. Select reboliler mode: Seleccione las especificaciones del rehervidor del menú siguiente: Mode no.
Specification
0
No reboiler
1
Boil-up ratio V/B
2
Reboiler heat duty, positive
3
Reboiler temperature
4
Total bottom mole flow rate
5
Bottom mole flow rate of one component
6
Mole fraction of one component in the bottom
7
Split fraction of one component in the feed streams to the bottom
8
Fractional amount of feeds in bottom
9
Molar flow ratio between two components in the bottom
60
10
Bottom mass flow rate
11
Bottom component mass flow rate
12
Bottom component mass fraction
Modo 0 significa sin rehervidor (tal como un absorbedor). Cualquier otro modo mayor que cero indica que el rehervidor existe y las especificaciones son proporcionadas. Seleccionamos: 12 Bottom component mass fraction (fracción en masa de un componente en los fondos) 12. Reboiler specification: Ingrese la especificación del rehervidor de acuerdo al modo seleccionado anteriormente. La carga de calor en el rehervidor debe ser un número real positivo. Si el modo es 0, este valor no es necesario. Ejemplo A: Reboiler mode = 4 Reboiler specification = 213.5 lbmol/hr. Especifica un caudal molar de fondos como 213.5 lbmol/hr. Ejemplo B: Reboiler mode = 2 Reboiler specification = 42.3 MMBtu Especifica una carga de calor en el rehervidor de 42.3 MMBtu. Reboiler component i spec. Esto es requerido para modos de rehervidor 5, 6, 7, 11, o 12. Ingrese la posición del componente en la lista de componentes si la especificación de un cierto componente en el fondo es necesario. Ejemplo: Reboiler mode = 5 Reboiler specification = 25.7 lbmol/hr. Reboiler component i spec. = 3 Especifica el flujo del tercer componente en los fondos a ser 25.7 lbmol/hr. Reboiler mode = 9 comp i and comp j Esto es requerido para modo de rehervidor 9. Ingrese la posición de componente para componentes i y j. Ejemplo: Reboiler specification = 0.01 Reboiler ratio position 1 = 4 Reboiler ratio position 2 = 5 Especifica flujo molar de comp = 4/flujo molar de comp 5 = 0.01 en los fondos.
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Para nuestro ejemplo deseamos que la fracción molar de propileno en los fondos no sea mayor a 4 Especificamos: Specification = 0.04 Component = 2 Propylene Luego la segunda páguina quedará:
Ahora hemos completado el ingreso de datos para la columna. Guardemos estos datos haciendo clic en el botón [OK]. Cuando usted hace esto recibirá el siguiente mensaje de advertencia:
Los mensajes de advertencia, son para su información y pueden normalmente ser ignorados; por lo tanto hacer clic en [Yes]. Esto retornará a usted a la ventana de simulación. El total de los datos de entrada al flowsheet están ahora completos. 3.4 Destilación: Destilación Batch (Uso de CC-BATCH) Este manual de instrucción guía al usuario a través de la entrada y la simulación de un problema de destilación batch simple de cinco etapas.
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1. Enunciado del problema Este problema es ilustrado en la figura y todos los datos de entrada dados en la tabla 1. Tabla 1. Datos para simulación de CC-Batch Selecciones Termodinámicas K-Values : Peng Robinson
Enthalpies: Peng-Robinson
Carga Inicial, composición y condiciones
Especificaciones de la columna
Temperatura
=
Debe ser calculada
No. De etapas internas
8
Presión
=
16.7 psia
No. De operaciones
5
Fracción de vapor
=
0 (al punto de burbuja)
Retención interna por etapa
0.01 ft 3
Cantidad total
=
100 lbmol
Retención en el condensador
0.1 ft 3
Presión en el condensador
14.7 psia
Caída de presión en la columna
2 psia
Componente: ID Propane
4
Butane
6
Pentane
8
Hexane
10
Especificaciones de los pasos de operación Paso de operación
1
2
3
4
5
Remoción de
Remoción de
Producción de
Remoción de
Remoción de
propano
propano
Butano
pentano
pentano
Razón de reflujo
5
20
25
15
25
Flujo molar de destilado
2
2
2
2
2
Ubicación de opción stop
Destilado
Destilado
Acumulador
Destilado
Fondos
Frac. Molar
Frac. Molar
Frac. Molar
Frac. Molar
Frac. Molar
0.20
0.985
0.99
0.2
0.9998
Posición de componente
2 Butane
2 Butane
2 Butane
4 Hexane
4 Hexane
Materiales adicionados al
No
No
Si
No
No
Propósito
Modo Stop Valor de Stop
inicio
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Materiales a ser adicionados al inicio de la operación 3 T
=
Debe ser calculada
P
=
16.7
VF
=
0.0001
Total lb./moles
=
20
Unidades de flujo total
=
Lb mol
Unidades de composición de flujo
=
Fracción molar
Butane
=
0.4
Hexane
=
0.6
2. Diagrama de Flujo y parámetros para simulación: Ejemplos CCBATCH Selección de Unidades.- English Diagrama de Flujo.-
Selección de componentes.4
Propane
6
N-Butane
8
I-Pentane
10
N-Hexane
Opciones termodinámicas.Global K-value
Option : Peng-Robinson
Enthalpy
option : Peng-Robinson
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Definición de corrientes de alimentación.- Las corrientes de alimentación son ingresadas en un flowsheet batch solamente cuando la columna está operando en modo semi-batch o la columna batch está siendo usada con unidades al estado estacionario en un flowsheet combinado. Ningún de estas condiciones existe en este tutorial. La carga inicial para la columna es ingresada en la pantalla de entrada de datos del equipo descrita más adelante.
3. Parámetros de equipo Los tipos de datos ingresados al sistema por el usuario son divididos en cuatro grupos. Estos grupos están clarificados debajo. Definición del depósito de carga Esto datos definen las condiciones termodinámicas, la cantidad, y composición del depósito de carga. Es tratado de modo semejante para una corriente pero allí no se dan datos de flujo. Las masas y entalpía son tratados como cantidades estáticas. Especificaciones de la columna Estos datos definen a la columna pero no su operación. Estos incluyen número de etapas, retenciones, presiones ubicaciones de los platos de alimentación para reserva, ubicaciones de corrientes laterales, ubicaciones de calentamiento/enfriamiento, y el U total, área y temperatura ambiente para los cálculos de pérdida de calor. También son dados aquí cualquier estimados iniciales que pueda dar el usuario.
Especificación de los pasos de operación Estos datos definen la operación de la columna durante el paso de operación. Esto incluye especificaciones tales como relación de reflujo, razón de destilado, razon de ebullición del reflujo, etc., así como el criterio de parada. Esto también incluye opciones de arranque y asignaciones a los tanques acumuladores. Display (Run Time) Specifications: (Epecificaciones del tiempo de corrida) Estos datos definen las variables desplegadas dinámicamente a medida que procede la corrida batch. Cuando se ingresan los datos de UnitOp para una columna batch para el primer instante, CC-BATCHLe guiará a través de la entrada de datos por despliegue sucesivo de ventanas de diálogo para cada uno de los tipos de entrada citados anteriormente. Luego guardará Estas entradas. Cuando el usuario quiera regresar a estas ventanas de diálogo para revisarlas o editarles, será desplegado el menú de la Batch Column Input. Este menú es un portal de acceso para las ventanas de diálogo de entrada de datos. 4.
Especificación del deposito de carga composición y condición Vamos al menú principal: Specifications – Select Unit Ops, aparece una caja de diálogo para colocar el ID
de la unidad de operación que deseamos especificar. Cuando seleccionamos la opción para especificar la columna. Aparece el siguiente Menú:
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Ahora estamos en condiciones de definir el depósito de carga Pot Charge. Por consiguiente, la siguiente ventana de diálogo de entrada ahora debería ser exteriorizada:
Especificamos: Presión = 16.7 psia Fracción de vapor = 0 Y las cantidades de los componentes. 10 moles de propane 30 moles de n-butane 10 moles de n-pentane 50 moles de n-hexane 5. Especificación de la configuración de la columna Después de especificar la composición y condiciones de la carga, pasaremos a establecer la configuración de la columna B a t c h C o l u m n
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En este problema de ejemplo, tenemos 8 etapas, cinco pasos operativos, la retención interna por etapa es 0.01 pies cúbicos, retención en el condensador es 1 pie cúbico, la presión en el tope de la columna es 14.7 psia, y la caída de presión a través de la columna es 2. Está bien para dar por supuesto que el condensador no tiene caída de presión. El menú de configuración de la columna debería ser completado como:
Usted advertirá etiquetas de la página, designando General y M i s c . En la parte superior de la ventana de diálogo. Estamos actualmente en la etiqueta General. La etiqueta Misc provee opciones adicionales. Estas opciones no sirven para este ejemplo simple así es que no las investigaremos ahora. Una vez que la entrada ha sido introducida, dé un clic sobre el botón d e O K con el ratón. Esto guardará los datos y aparecerá el menú de especificaciones de la columna. 6.
Definición de los pasos de Operación Para esta simulación hay cinco pasos operativos, secuencialmente uno tras otro. Es ahora hora de definir los
parámetros operativos para cada paso.
Paso de Operación 1 La ventana de diálogo para los parámetros de operación batch deben ser completados para cada uno de los cinco pasos de operación. Vayamos a través de los campos de entrada ítem por ítem para aprender como son estos completados. 1. Start-Up Option – Como se inicia la operación. Seleccione la opción Total Reflux . 2. Product Assignment – Identifica a cual acumulador se envía la corriente; simplemente se debe asignar el número ID de la unidad. Obviamente, usted debe tener cuidado para no designar un número ID de la unidad que está siendo usado por algunos otra unidad en el flowsheet (el cuál no es un tanque). Estos números de ID pueden estar seleccionados arbitrariamente y pueden cambiarse según como se desee. De este modo, el usuario puede seguir la pista a la salida para pasos de operación individual o combinaciones de pasos de operación.
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Como CC-BATCH permite destilación
vapor-liquido-liquido, pueden
haber dos
fases liquidas
en el
condensador, Posiblemente dando lugar a decantación de una fase u otra. La necesidad para acumuladores del tope múltiples así se origina y está permitida en el programa. Distillate Tank # - El tanque del tope que acumula el destilado. Decanter Tank # – El tanque decantador acumulando el liquido decantado (cualquiera). En este ejemplo particular, no se lleva a cabo decantación, así solamente el campo del Distillate Tank # es llenado. Ingresar el [3] (indicando que el tanque con Unit ID 3) Y luego nos pasamos a al campo F i r s t S p ec M o d e. 3. First Spec Mode – Cuando una columna batch es reflujada, usted puede hacer dos especificaciones de operación para cada paso de operación . Hacer clic en el campo con el mouse para abrir el cuadro de especificaciones. Como se especifica en la tabla para el paso de operación número 1 se establece una relación de reflujo igual a 5. Por lo tanto seleccionamos Reflux ratio para este modo. 4. First Spec Value – Colocamos el valor numérico para la relación de reflujo. Ingresamos [5] en este campo. Component – Componente no es mostrado en la pantalla a menos que sea necesario. 5. Second Spec Mode – Igual que en el caso anterior desplegamos las opciones disponibles. El modo que queremos seleccionar es ( Distillate Mole Flowrate ), que es el primer modo (por defecto). 6. Second Spec Value – Jcomo en el modo 1 anterior, ahora definimos el valor numérico para la segunda especificación. Este es 2 lb.-moles/hour, por lo tanto ingresamos, [2] en este campo. 7. For Subcooled Condenser Only – Si un condensador con subenfriamiento está presente, debe especificarse la temperatura actual de subenfriamiento o los grados de subenfriamiento. En este ejemplo no hay subenfriamiento. Por lo tanto este campo debe ser ignorado. 8. Integration Time Step Size in Hours – Step Size (HR) – Este campo proporciona el tamaño de paso para el tiempo de integración en horas. El valor por defecto es 0.05 horas. El usuario puede sobreescribir este campo si lo desea. En este caso no lo hacemos. 9. Record Frequency – CC-BATCH genera un lote de datos de salida. Esto generalmente no es necesario para grabar toda la información calculada en cada paso en el disco duro. Por lo tanto en la condición por defecto, CC-BATCH solamente graba la información cada tres pasos. Si el usuario desea grabar la información con más frecuencia que esta, puede hacerlo ingresando la frecuencia deseada en este campo. En nuestro caso, mantenemos el valor por defecto de 3. 10. Operation Stop Option – El usuario puede seleccionar de una variedad de criterios para establecer cuando un paso de operación es detenido. Tres campos, Stop When, Stop Value yMeasured Value , definen los criterios para parar esta operación. Para ver como trabaja esto, hacer clic en el campo S t o p W h e n y abrir la ventana (hacer clic sobre el campo con el mouse).
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Stop When – El campo S t o p W h e n permite al usuario definir si el paso de operación parado basándose en el tiempo o si debe ser parado basándose en alguna condición existente en cualquier acumulador, el destilado, o la carga residual en el fondo de la columna. Nosotros queremos detener el paso 1 cuando la fracción molar de butane en el destilado alcanza 20%. Por lo tanto, nuestro criterio S t o p W h e n es el destilado. Por lo tanto seleccionar Distillate . Stop Value – Este es el valor numérico de nuestro criterio de parada, 20% en nuestro caso. Por lo tanto, ingresar [0.2] en este campo e ir al campo Measured Value . Measured Value – Este campo permite identificar a que representa el valor de destilado de 0.2 Hacer clic en este campo para desplegar las opciones. En este ejemplo, 0.2 representa la fracción molar de of n-butane. Por lo tanto seleccionar m o l e f r a c t i o n aquí. Cuando usted hace esto se abren tres campos adicionales: el campo U s e m u l t i p l e c o m p o n e n t s , el campo First c o m p o n e n t , y
el campo L a s t c o m p o n e n t . Pasando la señal por nuestra identificación de la Measured Value c omo
una especulación de la fracción del tope, el programa abrió estos campos sabiéndolos para ser a lo que necesitamos completar nuestra especificación. Selecciones de diferentes Measured Value producirán diferentes campos. Use multiple components – Especificaciones de pureza pueden ser hechas para un componente simple o para un rango de componentes. Un checkmark en el campo U s e m u l t i p l e c o m p o n e n t s indica que la especificación es para un rango de componentes. En este evento el primero y último componente en el rango deben ser identificados. Obviamente luego los componentes en una especificación de multiple componentes deben estar contiguos dentro de la lista de componente para el flowsheet. Ésta es la condición inicial. La especificación que queremos hacer sin embargo es para un solo componente. Por consiguiente, necesitamos hacer clic en la caja de diálogo U s e m u l t i p l e c o m p o n e n t s para remover el checkmark. Cuando no hacemos esto, El campo de L a s t c o m p o n e n t desaparece y la etiqueta F i r s t c o m p o n e n t cambiará a C o m p o n e n t . Component – Usaremos este campo para identificar al n-butane como el componente el cual tiene una fracción molar de 0.2 en el destilado. El paso de operación es parado cuando se alcanza esta condición.
12. Stop Tolerance – Este campo define cuan cerca de la especificación hecha anteriormente debe estar antes de detenerse. La tolerancia predeterminada de parada es 0.001. Esto es generalmente un valor adecuado y nosotros lo dejaremos solo para este caso. 13. Minimum Run Time – Algunos valores de especificación experimentarán máximos durante la simulación. Esta situación puede causar el programa se detenga antes de lo pretendido. Para impedir esto, el usuario recibe instrucciones de especificar un runtime (tiempo de corrida) mínimo. Usaremos media hora, por lo que ingresamos el valor de [0.5] en este campo. Los campos restantes en esta pantalla de entrada de datos no son menester para la entrada de este paso de operación y por consiguiente no serán dados aquí. La pantalla se verá ahora:
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Luego hacer clic en OK Paso de Operación 2 En el paso de Operación 2, queremos cambiar la razón de reflujp a 20, Conservando la tasa de destilado a 2 lb.-mol por hora, y parando la operación cuando la fracción molar de butano en el destilado es igual a 0.985. Por lo tanto debemos completar el menú para la Operación Número 2 como sigue:
Paso de Operación 3 En el paso de operación 3, vamos a cambiar el destilado a la UnitOp 4 (el segundo tanque),increméntese la proporción de reflujo hasta 25, conserve la tasa de flujo del destilado 2 lb.-mole por hora, y detenga la operación cuando la fracción del butano en el acumulador es igual a 0.99. LaGeneral tab de esta ventana de diálogo es por consiguiente completada como se muestra debajo:
70
Además, al inicio del paso de operación, queremos adicionar 20 moles al depósito de una mezcla que es 40% de butano y 60 % de hexano. Para hacer esto necesitamos usar la opción A d d m a t e r i a l t o p o t en la etiqueta A d i c i o n a l S e t t i n g s de la ventana de diálogo. Hacer clic sobre esta etiqueta ahora y dé un clic sobre el campo A d d m a t er i a l t o p o t . Una marca de verificación debería aparecer en este campo como sigue:
Esta vez cuando usted da un clic sobre el botón OK para salir de la ventana de diálogo B a t c h O p e r a t i o n ParametersOperación, aparecerá
una ventana de diálogo E d i t B a t c h C h a n g e / A d d .Esta ventana de diálogo es
para permitirle al usuario que defina las condiciones termodinámicas y la composición del material que se adiciona al tanque. En nuestro caso, coloquemos la temperatura igual a la del punto de burbujeo en 16.7 psia. Por consiguiente, por favor ingresar 16.7 en el campo de presión, 0.0 para fracción de vapor, y dejar vacios los campos de temperatura y entalpía. También debemos colocar la composición y cantidad añadida para fracción molar de 0.6 de n-butane, fracción molar 0.4 de n-hexane, y 20 lbmoles totales. Para hacer esto, hacer clic en el campo C o m p Unit
y abrir las unidades que las opciones listan. Seleccione m o l e f r a c t i o n s . Introduzca 0.6 para n-butane y 0.4 para
n-hexane. Luego introduzca 20 en el campo Total Flow.
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Paso de Operación 4 En el paso de operación 4, vamos a cambiar el destilado a la UnitOp 5 (el tercer tanque) reducir la razón de reflujo a 15, mantener la tasa del destilado en 2 lb.moles por hora, y detener la operación cuando la fracción molar de hexane en el destilado corresponde a 0.2. También introduciremos 0.5 para el runtime mínimo para hacer seguro el paso corremos como mínimo 30 minutos. Por consiguiente, el menú debería ser completado como sigue:
Paso de Operación 5 En el paso de Operación 5, vamos a incrementar la razón de reflujo hasta 25, mantener la tasa del destilado en 2 lb.-mol por hora, y detener la operación cuando la fracción molar de hexane en el residuo en el fondo de la columna sea igual a 0.9998. También introduciremos 0.5 para el runtime mínimo para hacer seguro el paso corremos como mínimo 30 minutos. No hay otras características especiales en este paso. Por consiguiente, usted debería completar la ventana de diálogo de la operación 5 como sigue:
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Ahora, haciendo click [OK] para ingresar los datos. CC-BATCH desplegará el menú R u n T i m e I n f o r m a t i o n . O en el Menú de Batch Column, seleccionar Set_Screen Information 7. Información del tiempo de corrida (Runtime o Set_Screen Information) El menú R u n t i m e I n f o r m a t i o n permite al usuario escoger cuáles variables son graficadas en la pantalla durante el cálculo. Una amplia variedad de opciones está disponible como muestra la pantalla. Para este ejemplo, exhibamos las fracciones molares del destilado de todos los cuatro componentes durante el tiempo de corrida. Ésta es la salida predeterminada para la columna de destilación batch. Su pantalla ahora debería parecerse a esto:
8. Efectuando la Simulación Ignorando los mensajes de advertencia, procedemos a efectuar la simulación. Cuando finaliza la simulación podemos ver las gráficas dinámicas en su totalidad:
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Paso1
Paso 2
Paso 3
Paso 4
74
Paso 5
9. Revisión de los resultados Las gráficas anteriores las podemos visualizar completamente seleccionando de la barra de herramientas:
Con lo cual aparece una ventana de diálogo para colocar el ID de la UnitOp
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Al hacer clic en OK aparece la ventana para colocar las opciones de gráficas de la columna Batch. Debemos colocar el paso de operación a graficar, la variable a graficar y los componentes, entre otros datos.
Así para el paso de operación 1 se tiene:
Si dejamos en blanco el campo Step Operation, se graficarán todos los pasos en una sola gráfica y aparecerá de la manera siguiente:
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Ciertos resultados pueden ser visualizados de manera tabular. Hacer clic en el menú Results y luego en la opción B a t c h R e s u l t s con lo cual se desplegará una ventana para colocar el ID de la UnitOp. En este caso es la Unidad 1. Al hacer clic en OK aparecen los resultados en forma tabular:
1. 2. 3. 4.
3.5 Cálculos Flash Enunciado del Problema: 1 kmol/hr de una corriente conteniendo benzene (40 mol%), toluene (30 mol%), and O-xylene (30 mol%) ingresa a una unidad flash a 373 K y 1 atm. Responder las siguientes interrogantes usando una simulación en CHEMCAD. La unidad flash opera a 385 K y 1 atm. Cual es la composición de las corrientes liquido y vapor saliendo de la unidad flash? La unidad flash opera a 385 K y se desea obtener una fracción de vapor de 40%. Cual es la presión a la cual opera la unidad flash y cual es la composición de las corrientes liquido y vapor saliendo de la unidad flash? La unidad flash opera a 1 atm y se desea obtener una fracción de vapor de 30%. Cual es la temperatura a la cual opera la unidad flash y cual es la composición de las corrientes liquido y vapor saliendo de la unidad flash? La unidad flash opera a 1 atm y se desea que la fracción separada de tolueno en la fase liquida sea 0.65. Computar la temperatura a la cual opera la unidad flash y la composición de las corrientes liquido y vapor saliendo de la unidad flash? Procedimiento: Ejemplos FLASH Paso 1: Crear el flow sheet Paso 2: Ingresar componentes y unidades de ingeniería Step 3: Modelo Termodinámico Step 4: Ingresar composición de la alimentación Step 5: Ingresar las especificaciones de la unidad flash Step 6: Efectuar la simulación y dar los resultados
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Paso1: Crear el Flow sheet Seleccionar y hacer clic en los iconos Flash, feed y product (doble) y colocarlos en el espacio de trabajo. Conectar los tres usando la corriente ( stream). Clic sobre el icono S /G sobre la barra de menú y cambiar el modo de simulación de Edit Simulation a Run Simulation.
Paso 2: Ingresar componentes y unidades de ingeniería Ir a Thermophysical sobre la barra de menú y hacer clic sobre Components List . seleccionar benzene, toluene y Oxylene de la lista de componentes de CHEMCAD y adicionarlos a la lista de componentes.
Ir al menú Format y hacer clic sobre Engineering Units y seleccionar las unidades deseadas para las propiedades tales como temperatura, presión etc. Use la opción SI para convertir todas las unidades a la vez. Clic en OK para continuar.
Paso 3: Model Termodinámico: UNIFAC Paso 4: Ingreso de la composición de la corriente de alimentación
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Doble clic sobre la corriente de alimentación e ingresar la información (temperatura, presión, flujo total y fracciones molares de los componentes) dados en el enunciado del problema. Clic sobre Flashpara obtener la entalpía y fracción de vapor de la corriente de alimentación a las condiciones de la alimentación.
Paso 5: Ingreso de las especificaciones de la unidad flash Doble clic sobre la unidad flash y especificar lo siguiente para cada pregunta: Pregunta 1: Seleccionar la opción 2 (Specify T & P; Calculate V/F and Heat) e ingresar la temperatura (385 K) y presión (1 atm) como se da en el enunciado del problema.
Clic en OK para continuar, ir al paso 5. Pregunta 2: Seleccionar la opción 4 ( Specify V/F & T; Calculate P and Heat) e ingresar la fracción de vapor (0.4) y temperatura (385 K) como se da en el enunciado del problema.
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Clic en OK para continuar, ir al paso 5. Pregunta 3: Seleccionar la opción 1 (Specify V/F & P; Calculate T and Heat) e ingresar la fracción de vapor (0.3) y presión (1 atm) como se da en el enunciado del problema.
Clic en OK para continuar, ir al paso 5. Pregunta 4: Seleccionar la opción 2 (Specify T & P; Calculate V/F and Heat) e ingresar la presión (1 atm) y dejar el espacio de la temperatura en blanco.
Clic en OK para continuar. Nosotros necesitamos encontrar la temperatura a la cual la corriente de líquido sale del fondo de la unidad flash conteniendo 65% de tolueno en la alimentación. La alimentación tiene 0.3 kmol/hr de tolueno. Así, cantidad de tolueno que debe estar presente en la corriente de liquido= 0.3*0.65 = 0.195 kmol/hr
80
En orden a encontrar la temperatura de salida de la columna flash a la cual la corriente del producto liquido tiene 0.195 kmol/hr de tolueno, debemos hacer uso de la opción s e n s i t i v i t y s t u d y (estudio de sensibilidad) disponible en CHEMCAD y graficar la temperatura de la columna flash versus la cantidad molar de tolueno en la corriente de liquido. Nosotros podemos leer la gráfica para encontrar la temperatura requerida. Ir al menú Run y seleccionar Sensitivity Study
Aparece la siguiente siguiente ventana.
Clic sobre New Analysis y dar un nombre al analísis.
Aparece la siguiente siguiente ventana.
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Clic sobre Edit Independent Variable. Independen t Variable :
Nosotros tenemos que seleccionar la temperatura de la columna flash como la variable independiente. T y p e : seleccionar el radio button Equipment ID: Ingresar el número ID correspondiente a la unidad flash (‘1’ en este caso) Variable : Seleccionar “Param 1” . Esto corresponde al primer parámetro (temperatura de la unidad flash) esta dejamos en blanco en la página de especificación de la unidad flash. Variable Name : Escribir “Temperatura de la unidad flash” e esta caja Variable Units : Seleccionamos la
opción 2, Temperature. En la siguiente pareja de bloques, necesitamos especificar especificar a CHEMCAD un rango de valores a ser tramados para la temperatura. Como la corriente de alimentación ingresa a la unidad flash a 373 K, la temperatura de la unidad flash con toda seguridad será más que 373 K. Así, intuitivamente intuitivamente,, nosotros podemos Vary this variable from 375 to 425 in 100 equal steps. Por favor tener en mente que mientras mayor sea el número de pasos que especifique para CHEMCAD,será más grande el tiempo para completar el estudio de sensibilidad.
Clic sobre OK para continuar. Aquí necesitamos especificar a CHEMCAD la tasa molar de tolueno que queremos en la corriente líquida calculada para cada valor de temperatura temperatura dentro del rango dado en la página de Independent Variable. Hacemos clic en Edit Recorded Variables y seleccionar el radio button Stream correspondiente aType bajo Dependent Variable 1. Ingresar ‘3’ para el número ID. Este número corresponde a la corriente de mole liquido saliendo del flash en su flow sheet. Seleccionar Component rate paraVariable. Seleccionar Toluene para Comp y seleccionar Mole rate para Variable units. Dar un nombre para esta variable dependiente (“Tolueno: moles en el liquido” en es te caso).
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Clic en OK para continuar. Clic en Run all para efectuar el estudio de sensibilidad para el rango de temperatura daado en la especificación. La siguiente ventana aparece después que la simulación ha sido completada.
Clic en Plot Results.
En la ventana que aparece, seleccionar moles de tolueno como la variable a ser graficada sobre el eje -y (opción por defecto). Dar una etiqueta para y-axis bajo Y axis title. Clic en OK para continuar. Los resultados son desplegados como una gráfica.
Así como también también en un archivo archivo WordPad
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Nosotros podemos ver ver que la temperatura correspondiente al flujo de tolueno en la corriente de liquido de 0.195 kmol/hr es aproximadamente 380 K. Paso 6: Efectuar la simulación y mostrar los resultados: Clic en R para efectuar la simulación. Para pregunta 4, despues de completar el paso 4, doble clic sobre la unidad flash e ingresar la temperatura como 380 K (obtenida del paso 4).
Clic en OK y luego clic en R para efectuar la simulación. Las propiedades de la corriente producto pueden ser encontradas ya sea haciendo clic sobre el menú Results, seleccionando Stream Composition y haciendo clic sobre All Streams. Los resultados estarán disponibles en un archivo W ordPad file. De manera similar los resultados de la unidad flash pueden ser obtenidos haciendo clic en Results del menu, seleccionando Unit Op’s y luego seleccionar la unidad unidad flash. Los siguientes resultados son obtenidos para la pregunta 4. a. Composición de las corrientes
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b. Unidad de operación flash
3.6 Absorción de Gases 3.6.1 Columna de Platos Enunciado del Problema: Una mezcla gaseosa gaseosa de aire (4 Kmol/hr) e hydrogen sulfide (2 Kmol/hr de H2S) H2S) debe ser absorbida por agua de tal manera que el 99% de hydrogen sulfide sea recuperado por la corriente de fondos. El absorbedor tiene 10 platos. El agua ingresa al absorbedor por el 1 st plato a 298 K y 1 atm y el gas alimentado ingresa por el 10 th plato a la misma temperatura y presión que el agua. Simular este absorbedor en CHEMCAD para determinar la velocidad molar de agua necesaria para recuperar 99% de hydrogen sulfide en la corriente de fondos. Procedimiento: Paso 1: 1: Crear el flow sheet Paso 2: 2: Ingresar componentes y unidades de i ngeniería Step 3: 3: Modelo Termodinámico Step 4: 4: Ingresar composición de la alimentación Step 4: 4: Ingresar las especificacione especificacioness de la unidad flash Step 5: 5: Efectuar la simulación y dar los resultados Paso1: Crear el Flow sheet Seleccionar y colocar iconos feed (2), SCDS column #3 (clic derecho sobre el icono regular SCDS para encontrar el icono que representa a un absorbedor) e iconos product(2) en el espacio de trabajo.
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Connectar los iconos adecuadamente usando Stream. Clic nuevamente en el icono S / /G G en la barra de menú menú para pasar cambiar el modo simulación de Edit Simulation a Run Simulation.
El Ejemplo esta en C:/CC5DATA/ C:/CC5DATA/Ejemplos Ejemplos CHEMCAD/Absor2 CHEMCAD/Absor2 Paso 2: Ingresar componentes y unidades de ingeniería Ir a Thermophysical sobre la barra de menú y hacer clic sobre Components List . Seleccionar air, hydrogen sulfide y water de la lista de componentes de CHEMCAD y adicionarlos a la lista de componentes.
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Ir al menú Format y hacer clic sobre Engineering Units y seleccionamos SI (con presión en atm.) Paso 3: Modelo Termodinamico: El Programa recomienda el modelo IDEAL IDEAL.. Paso4: Ingreso de la composición de la corriente de alimentación Doble clic sobre la primera corriente de alimentación (corriente de agua). Ingresar la información de la alimentación (temperatura, presión, y un supuesto inicial, por ejemplo 100 Kmol/hr de flujo de agua) dados en el enunciado del problema. Clic sobre Flash para obtener la entalpía y fracción de vapor de la corriente de alimentación a las condiciones de la alimentación.
De manera similar, ingresar las condiciones para la segunda corriente (corriente de gas).
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Paso 5: Ingresar especificaciones del absorbedor Doble clic sobre la columna SCDS. Esta puede ser usada como un absorbedor.
Las entradas necesarias en esta página son las mismas que para una columna de destilación y son descritas a continuación: No. of stages: 10 Feed stage for stream 1: 1 Feed stage for stream 2: 10
Las demás entradas en esta página son opcionales y pueden ser dejadas en blanco. No hacer clic en OK todavía! Click sobre la barra S p e c i f i c a t i o n s. Notar que las opciónes por defecto para Condenser mode yReboiler mode son No Condenser y No Reboiler respectively. Estas opciones son siempre mantenidas por defecto cuando se
simula un absorbedor usando una columna SCDS. Si hacemos clic en OK aparece los siguientes mensajes de advertencia:
Los cuales podemos ignorar o si deseamos, vamos a la página Convergente y hacemos los estimados respectivos.
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Clic en OK para continuar. Paso 5: Efectuar la simulación y mostrar los resultados: Clic en R para efectuar la simulación. Aparecen los siguientes mensajes de advertencia los cuales podemos ignorarlos y continuar.
Alternativamente, se puede efectuar la simulación haciendo clic en Run en la barra de menú y seleccionando Run all. El estatus de la simulación puede ser encontrada en la esquina inferior izquierda de la pantalla. El mensaje, Run Finished, aparece si la simulación es efectuada satisfactoriamente. Las propiedades de la corriente de producto pueden encontrarse haciendo doble clic en las corrientes producto. En este punto, se hace una verificación para ver la tasa molar de hydrogen sulfide en la corriente del fondo. Si esta es más que 1.98 kmol/hr (99% de hydrogen sulfide en la alimentación, dado por el enunciado del problema), el flujo de agua supuesto es muy alto. Disminuya el flujo de agua en la alimentación y repita los pasos anteriores. Contrariamente, si la tasa molar de hydrogen sulfide saliendo por el fondo es menor que 1.98 kmol/hr, incremente el flujo de agua en la alimentación y r epita los cálculos anteriores hasta que la tasa de flujo del hydrogen sulfide en la corriente de fondo sea aproximadamente 1.98 kmol/hr. Para el caudal de agua de 100 kmol/hr, el Hydrogen Sulfide removido es 1.4870 Kmol/h y está por debajo del valor establecido en el enunciado del problema (1.98 Kmol/h). Por lo que debemos aumentar la cantidad de agua de alimentación y volver a efectuar la simulación.
Alternativamente, puede efectuarse un análisis de sensibilidad con el flujo de alimentación de agua como la variable independiente y la tasa de flujo del hydrogen sulfide producto en el fondo como la variable dependiente. Para esto Vamos al menú Run – Sensitivity Study
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Apareciendo la ventana multiopción:
Seleccionando New Análisis y al hacer clic aparece la ventana:
Colocamos el nombre del análisis y hacemos clic en OK
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Seleccionamos Edit Independent Variable para editar la variable independiente:
Luego seleccionamos Edit Recorded Variables , para editar la(s) variable(s) independiente(s)
Después de editar la variable dependiente, hacemos clic en Run All para efectuar el análisis , apareciendo los siguientes mensajes de advertencia. Hacemos clic en y es y se efectúa el análisis de sensibilidad.
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Para ver los resultados Hacemos clic en Plot Results, y aparece la ventana siguiente para completar los datos:
Al hacer clic en OK aparece una tabla en WordPad
92
y la gráfica correspondiente.
La tabla y la gráfica obtenidas después de efectuar el análisis de sensibilidad pueden ser usadas para leer el caudal de agua a la cual el flujo de hydrogen sulfide en el fondo sea 1.98 Kmol/hr. Puede verificarse que el flujo de agua para conseguir las especificaciones en el problema es 145 Kmol/hr 3.6.2 Columna Con Relleno Enunciado del Problema: Una mezcla gaseosa de Nitrogen (80 lbmol/hr) Oxygen (20 lbmol/hr) e Hydrogen Chloride (30 lbmol/hr) debe ser absorbida por agua de tal manera que se remueva todo el HCl antes de ser vertida a la atmósfera. El absorbedor consiste de una torre empacada de 1.08 pies de diámetro y 30 pies de altura. El agua ingresa al absorbedor a 100 oF y 50 psia a razón de 250 lbmol/hr (y contiene 1 lbmol/hr de HCl para ayudar a la absorción) y el gas alimentado ingresa por la base a la misma temperatura y presión que el agua. Simular este absorbedor en CHEMCAD para determinar las concentraciones de salida del gas y el agua en la corriente de fondos. Procedimiento: Ejemplos, ABSORBEDOR_EMPAQUE Paso 1: Crear el flow sheet
93
Paso 2: Ingresar componentes y unidades de ingeniería Step 3: Modelo Termodinámico Step 4: Ingresar composición de la alimentación Step 5: Ingresar las especificaciones de la unidad flash Step 6: Efectuar la simulación y dar los resultados Paso1: Crear el Flow sheet Seleccionar y colocar iconos feed (2), SCDS column #3 (clic derecho sobre el icono regular SCDS para encontrar el icono que representa a un absorbedor) e iconos product(2) en el espacio de trabajo.
Connectar los iconos adecuadamente usando Stream. Clic nuevamente en el icono S /G en la barra de menú para pasar cambiar el modo simulación de Edit Simulation a Run Simulation.
Paso 2: Ingresar componentes y unidades de ingeniería Ir a Thermophysical sobre la barra de menú y hacer clic sobre Components List . Seleccionar air, hydrogen sulfide y water de la lista de componentes de CHEMCAD y adicionarlos a la lista de componentes.
94
Ir al menú Format y hacer clic sobre Engineering Units y dejamos el sistema de unidades por defecto EINGLISH Paso 3: Modelo Termodinámico.- PPAQ Paso 4: Ingreso de la composición de la corriente de alimentación Doble clic sobre la primera corriente de alimentación (corriente de agua). Ingresar la información de la alimentación (temperatura, presión, y 250 lbmol/hr de flujo de agua y 1 lbmol de HCl) dados en el enunciado del problema. Clic sobre Flash para obtener la entalpía y fracción de vapor de la corriente de alimentación a las condiciones de la alimentación.
De manera similar, ingresar las condiciones para la segunda corriente (corriente de gas).
95
Paso 5: Ingresar especificaciones del absorbedor Doble clic sobre la columna SCDS. Seleccionamos Simulation Model: Packed column mass transfer.
Las entradas necesarias en esta página son las mismas que para una columna de destilación y son descritas a continuación: No. of segments: 20 Feed stage for stream 1: 1 Feed stage for stream 2: 20
Las demás entradas en esta página son opcionales y pueden ser dejadas en blanco. Al hacer clic en OK aparece la ventana para especificar las características del absorbedor :
96
Click sobre la barra Specifications. Notar que las opciones por defecto para Condenser mode y Reboiler mode son No Condenser y No Reboiler respectivamente. Estas opciones son siempre mantenidas por defecto
cuando se simula un absorbedor usando una columna SCDS. Clic en OK para continuar. Paso 6: Efectuar la simulación y mostrar los resultados: Clic en R para efectuar la simulación. Alternativamente, se puede efectuar la simulación haciendo clic en Run en la barra de menú y seleccionando Run all. El estatus de la simulación puede ser encontrada en la esquina inferior izquierda de la pantalla. El mensaje, Run Finished, aparece si la simulación es efectuada satisfactoriamente. Las propiedades de la corriente de producto pueden encontrarse haciendo dob le clic en las corrientes producto.
EJEMPLO 10.3.2. Geankoplis: Absorción de acetona en una torre con etapas a contracorriente Se desea absorber 90% de la acetona de un gas que contiene 1.0% mol de acetona en aire en una torre de etapas a contracorriente. El flujo gaseoso total de entrada a la torre es 30.0 kg mol/h, y la entrada total de flujo de agua pura que se usará para absorber la acetona es 90 kg mol H2O/h. El proceso operará isotérmicamente a 300 K (80 ‘F) y a presión total de
101.3 kPa. La relación de equilibrio para la acetona (A) en el gas- líquido es yA = 2.53xA,
97
Determine el número de etapas teóricas requeridas para esta separación. Respuesta: 5.2 etapas teóricas (Respuesta = 5.6). 3.7 SEPARADOR DE FASES El módulo flash de tres fases simula calculos rigurosos vapor/liquido/liquido. Cuando este módulo es seleccionado, requiere tres corrientes de salida ya sea que se formen o no tres fases (VLL). La primera salida es para fase de vapor. La segunda salida contiene líquido de fase menos densa,mientras la tercera salida contiene líquido de la fase más densa que usualmente es la fase de agua si agua está presente como uno de los componentes.
Este módulo
no debería ser confundido con el módulo FLASH con tres corrientes de salida. Enunciado del Problema Si 100 kg de una solución de ácido acético y agua conteniendo 30% de ácido debe ser extraída en tres etapas con eter isopropilico (isopropyl ether) a 20 oC y 1 atm, usando 40 kg de solvente en cada etapa, determine las cantidades y composiciones de las diferentes corrientes. (Illustration 10.1, R.E. Treybal, Mass-Transfer Operations) Nota: El problema enunciado anteriormente necesita la simulación de tres columnas de extracción conectadas una a otra en serie. El Extractor en CHEMCAD no permite una simulación con solo una etapa y necesita más de una etapa para que la simulación converja. En orden a resolver este problema, podemos usar una unidad liquid-liquid flash o (LLV Flash) en CHEMCAD en conjunción con un mezclador ( mixer ). Como la columna flash solamente permite una corriente de alimentación, el mezclador facilita que las dos corrientes de alimentación (solución y solvente) ingresen al flash como una corriente. Esta combinación directamente corresponderá a la simulación de un extractor con una etapa. Procedimiento: Ejemplos, EXTRACCION_LIQUIDO_LIQUIDO Paso 1: Crear el flow sheet Paso 2: Componentes y unidades de Ingeniería Paso 3: Modelo Termodinámico Paso 4: Composición de alimentación Paso 5: Especificaciones del mezclador Paso 6: Especificación de la columna flash Paso 7: Efectuar la simulación y mostrar los resultados Paso 1: Crear el flow sheet
98
Paso 2: Componentes y unidades de Ingeniería
Unidades de Ingeniería: SI Masa: kg Temperatura: C Presión: atm Paso 3: Opciones termodinámicas Valores K: TEG Dehydratation Paso 4: Composición de alimentación Existen cuatro corrientes de alimentación en el flow sheet. La primera corriente de alimentación es la mezcla de acetic acid y water yendo al primer mezclador. Esta corriente tiene 30 kg/hr de acetic acid, 70 kg/hr water a 20 oC y 1 atm.
99
La segunda corriente de alimentación es el solvente yendo al primer mezclador. Esta corriente tiene 40 kg/hr de isopropyl ether a 20 oC y 1 atm.
El solvente con las mismas propiedades dadas en la corriente anterior (corriente de solvente alimentada yendo al primer mezclador, corriente 2 en este caso) es enviado al segundo y tercer mezclador (corrientes 7 y 12 en este caso). En otras palabras, las corrientes 2, 7 y 12 yendo a los mezcladores con UnitOp ID 1, 3 y 5 respectivamente son identicas Paso 5: Especificaciones del mezclador Doble clic en Mixer . Ingresar 1atm como la presión de salida y clic OK.
100
Repetir lo mismo en los demás mezcladores. Paso 6: Especificaciones del LLV Flash Existen tres columnas flash en el flowsheet las especificaciones para cada una de ellas son idénticas y son dadas a continuación. Flash Mode: Seleccionar la opción 1, Specify T and P; Calculate V/F and Heat Temperature: Ingresar 20 oC Pressure: Ingresar 1 atm Single phase option: opción 0, Program default
Clic en OK para continuar y repetir este paso en las demás columnas. Paso 7: Efectuar la simulación y mostrar los r esultados
101
Clic en R para efectuar la simulación. Los resultados lo podemos ver en forma de una tabla.
102
4.
EQUIPOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR.
4.1 Intercambiador de DOBLE TUBO 4.1.1 Enunciado del problema Se desea enfriar 2 700 kg/h de tolueno desde 82 °C hasta 38 °C, para tal efecto se debe emplear agua como medio de enfriamiento la cual está disponible a 27 °C. En la planta se dispone de tubos de aleación Cu- Ni de 2” x 1 ¼” IPS # 40. Especificar las características del intercambiador a usar. Características de los tubos
Longitud, L = 3.66 m (12 pies) Resistencias a la incrustación:
4.1.2 Confección del diagrama de flujo: Ejemplos, Dobletubo 1. Abrir CHEMCAD 2. Seleccionar Nuevo trabajo 3. Hacer el diagrama de flujo y guardarlo con un nombre
103
4.1.3 Selección de Unidades Luego que se ha dado el nombre al trabajo, seleccione el comando Format ya sea presionando [ALT+ M] o haciendo clic con el ratón. Ahora seleccionamos la opción SI y hacemos algunos cambios por ejemplo: Flujo de masa (Kg), Temperatura (C) y Presión (atm), para coincidir con las unidades del enunciado del problema.
Y luego OK 4.1.4. Selección de Componentes Seleccionando el comando T h e r m o P h y s i c a l , se desplegará el menú correspondiente y hacer clic en la opción C o m p o n e n t L i s t , o directamente en el icono correspondiente en la barra de tareas. Apareciendo la caja de diálogo de componentes en la cual definimos los componentes que intervienen en el proceso
104
Ahora guardemos la lista haciendo clic en el botón [OK]. 4.1.5. Opciones Termodinámicas Aún cuando en este caso no es necesario especificar opciones termodinámicas, es preferible seleccionar una opción termodinámica siguiendo los pasos generales para todo trabajo en CHEMCAD. Usando el comando T h e r m o P h y s i c a l localizado en la barra de menú y luego, punteando y haciendo clic sobre la opción K-values sobre el menú desplegado
4.1.6. Especificación de corrientes Hacemos doble clic en la corriente que deseamos especificar y luego colocamos los datos respectivos 1. Entrada de TOLUENO: Especificamos Temperatura de entrada, Presión y cantidad de la corriente
105
Nombre de la corriente (opcional) 2. Salida de TOLUENO: Especificamos Temperatura de entrada, Presión (considerando la caída de presión máxima) y cantidad de la corriente
3. Entrada de AGUA: Especificamos Temperatura de entrada, Presión y cantidad de la corriente
106
Nota: Estamos especificando una cantidad de 3000 kg/h de agua y veremos más adelante que esta cantidad es pequeña por lo que deberemos de aumentarla 4. Salida de AGUA: Especificamos Presión (considerando la caída de presión máxima) y cantidad de la corriente. No especificamos temperatura de salida
4.1.7. Parámetros del Equipo Para esto ingresamos al Menú: Specificatios y escogemos Select Unitops
107
Luego tipeamos el ID de la unidad que deseamos especificar
Los parámetros básicos para simulación del intercambiador son: Página 1: Specifications 1. Simulation Mode: 1 Ingresar Geometría del Intercambiador (Simulación con CCTHERM)
Al hacer clic en OK, aparece la siguiente ventana:
Seleccionamos Double pipe heat exchanger Y aparece la siguiente ventana
Seleccionamos la corriente 3
Al hacer clic en OK aparecen las características especificadas para las corrientes:
108
Al cerrar esta tabla y pasar a la ventana de simulación, aparece la siguiente ventana:
Al hacer clic en OK aparece:
Luego las características de los tubos: Asumiendo como un primer intento 1 Horquilla (3.66 x 2 = 7.32 metros de largo)
Las características del tubo exterior
109
Acoplamientos:
Material de los tubos:
Selección de los reportes a obtener:
También se puede acceder directamente a este menú haciendo doble clic en el intercambiador apareciendo la siguiente ventana:
110
4.1.8. Efectuando la Simulación Al hacer clic en R o mediante el menú Run All se efectúa la simulación y podemos acceder a los resultados. Verificamos la temperatura de salida del Tolueno (Corriente 2):
Notamos que la temperatura de salida (66 ºC) está muy por encima de la temperatura deseada (38 ºC) Esto puede deberse a tres situaciones: 1. Poca cantidad de agua de enfriamiento o 2. Insuficiente área de transferencia 3. Los dos casos anteriores juntos Para determinar la masa de agua a usar podemos hacer un análisis de sensibilidad con respecto a la variable que deseamos fijarle un valor por ejemplo la temperatura de salida del agua de enfriamiento.
111
4.2 ANALISIS DE SENSIBILIDAD Fijamos la temperatura de salida del agua de enfriamiento (máximo se considera 120 ºF), en este caso consideramos 45 ºC
Y dejamos libre las condiciones de salida del TOLUENO
1. Seleccionando R u n – S e n s i t i v i t y S t u d y
112
2. Ventana multiopción
3.
New Análisis: Damos el nombre al análisis
4.
Menú para el análisis
113
8.
5.
Editamos la variable independiente: Masa de agua de entrada
6.
Editamos la variable dependiente (Recorded Variable)
7.
Efectuamos el análisis: Run All
Ver los resultados: Plot Results
114
a) Gráfica
b)
Tabla
Como se observa, aumentando la cantidad de agua de enfriamiento, no se alcanza la temperatura deseada de salida del Tolueno, además la razón de cambio de la temperatura de salida del TOLUENO es pequeña con respecto a la
115
razón de cambio en el caudal de entrada de agua al intercambiador, por lo que es de suponer que falta área al intercambiador de calor. Ahora aumentamos el área de transferencia aumentando el número de horquillas. 1.
Fijamos caudal de entrada de agua 4000 kg/h
2.
2 horquillas ( L = 14.64 m)
3.
Mantenemos las demás características
4.
Efectuamos la simulación y observamos que la temperatura de salida del TOLUENO es 54.21 ºC
5.
Suponemos 5 horquillas (L = 36.6 m)
6.
Efectuamos la simulación y vemos que la temperatura de salida del TOLUENO es 37.53 ºC
7.
Ahora realizamos un análisis de sensibilidad para determinar el caudal exacto de agua de enfriamiento
8.
Cargamos el estudio definido anteriormente: Verificamos la definición de las variables Independiente
La variable dependiente
9.
Corremos el análisis y verificamos los resultados
Tabla:
116
Gráfica:
Como se observa, la operación se puede llevar a cabo con un caudal de entrada de agua de 3640 kg/h 10. Colocamos esta cantidad (3640 kg/h) en la corriente de entrada del agua y efectuamos la simulación 11. Verificamos las temperaturas de salida: Tolueno (corriente 2)
: 37.98 ºC,
Agua de salida (corriente 4): 40.86 ºC Caídas de presión: en ambos casos es menor a 2 psi Condiciones de operación del intercambiador
117
Curvas de calor
Generar el reporte. 4.3 Intercambiador de Casco y Tubos
( Parte 1)
El diseño térmico óptimo de un intercambiador de casco y tubos involucra la consideración de muchos parámetros de diseño que interactúan los cuales pueden ser resumidos como sigue: Proceso Asignación
del
Selección Fijar
los
Establecer
fluido de
de
proceso
al
especificaciones
límites
de
caída
los
límites
de
de
del
de
temperatura
velocidad
lado
en
casco
o
lado
temperatura
en
el
lado
el
lado
del
del
de
de
casco
casco
y
y
el el
los
la lado lado
tubos. corriente.
de de
los
tubos.
los
tubos.
Selección de los modelos de transferencia de calor y coeficientes de incrustación en el lado del casco y el lado de los tubos. Mecánico Selección Especificación Establecer
del de límites
intercambiador parámetros superior
e
TEMA del inferior
layout
tubo de
-
size, diseño
y
número layout,
sobre
la
pitch longitud
de
pasos.
y
material. del
tubo.
Especificación de parámetros en el lado del casco – materials, baffle cut, baffle spacing y clearances. Establecer los limites superior e inferior de diseño sobre el diámetro del casco, "baffle cut" y "baffle spacing". 4.3.1 Enunciado del problema
118
Se desea enfriar 50000 kg/h de Metanol desde 90 oC hasta 40oC , para tal efecto se debe usar agua de enfriamiento disponible a 25 oC y puede calentarse hasta 40 oC. La presión de entrada del metanol es 5 atm y se permite una caída de presión de hasta 0.5 atm. La presión de entrada del agua es 6 atm y se permite una caída de presión de hasta 0.6 atm. Datos: Resistencias a la incrustación (Ref. E. Ludwig vol2): Methanol: 0.002 (btu/h/pie 2 ºF)-1 Agua
: 0.001(btu/h/pie 2 ºF)-1
Coeficientes totales aproximados: btu/h/pie 2 ºF Coolers Light organic
Water
075 –150
Se usan tubos con diámetro en el rango de 16 mm (5/8”) a 50 mm (2”).
4.3.2 Confección del diagrama de flujo 1. Abrir CHEMCAD 2. Seleccionar Nuevo trabajo 3. Hacer el diagrama de flujo y guardarlo con el nombre de CASCOYTUBO
119
4.3.3 Selección de Unidades Luego que se ha dado el nombre al trabajo, seleccione el comando Format ya sea presionando [ALT+ M] o haciendo clic con el ratón. Ahora Dejamos el Sistema Inglés y hacemos algunos cambios por ejemplo: Flujo de masa (Kg), Temperatura (C),y Presión (atm), para coincidir con las unidades del enunciado del problema, además Diámetro y espesor (pulg) .
Y luego OK 4.3.4. Selección de Componentes Seleccionando el comando T h e r m o P h y s i c a l , se desplegará el menú correspondiente y hacer clic en la opción C o m p o n e n t L i s t , o directamente en el icono correspondiente en la barra de tareas.
Ahora guardemos la lista haciendo clic en el botón [OK]. 4.1.5. Opciones Termodinámicas
y en este caso hemos seleccionado UNIFAC
120
4.1.6. Especificación de corrientes Hacemos doble clic en la corriente que d eseamos especificar y luego colocamos los datos respectivos 1. Especificamos las entradas
METANOL y AGUA: Especificamos Temperatura de entrada, Presión y cantidad de la corriente
Nombre de la corriente (opcional) Nota: Estamos especificando una cantidad de 60000 kg/h de agua y veremos más adelante que esta cantidad es pequeña por lo que deberemos de aumentarla 2. Especificamos algunas propiedades de las corrientes de Salida
METANOL: Especificamos Temperatura y Presión (considerando la caída de presión máxima) y cantidad de la corriente AGUA: Especificamos Presión (considerando la caída de presión máxima) y cantidad de la corriente. No especificamos temperatura de salida
121
4.1.7. Parámetros del Equipo Para esto ingresamos al Menú: Specificatios y escogemos Select Unitops
Luego tipeamos el ID de la unidad que deseamos especificar
Los parámetros básicos para simulación del intercambiador son: Página 1: Specifications 1. Simulation Mode: 0 Especificaciones para la simulación con CHEMCAD 1 Ingresar Geometría del Intercambiador (Simulación con CCTHERM) 2. Temperatura de salida de la corriente 2 (METANOL)= 40 C
122
3. Caídas de presión: Corriente 1 (METANOL) = 0.5 atm. Corriente 3 (AGUA)
= 0.6 atm.
Ingresamos la opción: 0 Especificaciones para la simulación con CHEMCAD Ya que deseamos especificar un intercambiador 1-4 (Si seleccionamos CC THERM debemos ingresar la geometría del intercambiador) Página 2: Misc Settings 1. Type: En este caso seleccionamos la opción 0 En contracorriente
2. Presiones de salida P1
4.5 atm
(METANOL)
P2
5.4 atm
(AGUA)
3. Numero de intercambiadores en serie: 1 3. Numero de pasos en el casco y en los tubos Casco Tubos
1 paso 4 pasos
Es un intercambiador 1-4 4.1.8. Efectuando la Simulación
123
Clic derecho sobre el icono del intercambiador intercambiador y :Run This Unit
Verificamos la temperatura de salida del agua de enfriamiento: Hacemos doble clic en la corriente (4) y vemos que la temperatura es de salida del agua de enfriamiento: 53.24 C. Como nosotros deseamos que la temperatura de salida sea: 40 C, lo lógico es aumentar la cantidad de agua de enfriamiento, por lo que hacemos un análisis de sensibilidad con la m a s a d e a g u a e n l a c o r r i e n t e 3 como v a r i a b l e i n d e p e n d i e n t e
y temperatura de salida del agua en la corriente 4 como variable depend iente .
124
Del análisis de sensibilidad se tiene que la masa de agua debe ser 110000 kg/h Hacemos doble clic en la corriente (1) y colocamos 110000 kg/h en lugar de 60000 kg/h. Hacemos clic en OK Volvemos a hacer clic derecho sobre intercambiador y : Run This Unit Verificamos la temperatura de salida del agua de enfriamiento: Hacemos doble clic en la corriente (4) y veremos que la temperatura es de salida del agua de enfriamiento: 40 C. (cumple con lo especificado)
Intercambiador de Casco y tubos Parte 2 4.1.9. Especificaciones finales del Intercambiador Especificamos características del intercambiador para lo cual seleccionamos Sizing – Shell & Tube
125
Aparece la caja de diálogo para colocar el ID de la unidad seleccionada:
Después de colocar el ID de la unidad, hacer clic en OK y aparece:
Hacemos clic en Shell and tube heat exchanger aparece la ventana:
Clic en Aceptar aparece la caja de diálogo para seleccionar la corriente que va por los tubos Seleccionamos la corriente 3 Agua de enfriamiento para el lado de los tubos
126
Al hacer clic en OK aparece una tabla con las propiedades de las corrientes Stream No.
1
3
2
4
Stream Name
METANOL(ENT)
Temp C
90.0000*
25.0000*
40.0000*
Pres atm
5.0000*
6.0000*
4.5000*
Enth MMBtu/h
-344.87
Vapor mole fraction Total kmol/h Total kg/h
0.00000
1560.4519
AGUA(ENT) ETANOL(SAL)
-1653.4 0.00000 6106.0231
AGUA(SAL)
40.4011 5.4000*
-351.58 0.00000 1560.4519
-1646.7 0.00000 6106.0231
50000.0000 110000.0000 50000.0000 110000.0000
Total std L ft3/hr
2205.8739
3885.2394
2205.8739
3885.2394
Total std V scfh
1235145.25 4833103.50 1235145.25 4833103.50
Flowrates in kg/h Methanol
50000.0000
0.0000 50000.0000
Water
0.0000 110000.0000
0.0000
0.0000 110000.0000
y la caja de diálogo Heat Curve Parameters
Seleccionamos: Equal Entalpy y luego (Ok) Aparece la Gráfica
127
Hacemos clic en (OK) Aparece Menu de especificaciones
En el caso de hacer el diseño por primera vez aparece directamente la caja de diálogo para General Specification s Opciones del Menú de Especificaciones del Intercambiador 1. Heat Curve Parameters. Para ver la gráfica de las temperaturas de las corrientes 2. Edit Heat Curve. Aparece una tabla con los valores de las variables. Al hacer clic en OK, Aparece una caja de diálogo para interpolar datos entre los valores extremos
Al hacer clic en SI aparece la tabla enterior con datos de las variables interpolados entre los extremos. Al hacer clic en OK de la tabla aparece nuevamente la caja de diálogo anterior para guardar laos datos interpolados. Hacer clic en SI
128
3. General Specifications. Especificaciones básicas del intercambiador
Dejamos igual el factor de incrustación para el Agua y Fijamos el factor de incrustación para el Methanol igual a 0.002 La etiqueta Modeling Methods. Por defecto
Clic en OK 4. Exchanger Geometry. Para ver las características del intercambiador seleccionado
129
Nota: En caso de iniciar el diseño por primera vez aparece directamente las especificaciones para la geometría del intercambiador (iniciando con Tube Specifications) 4.1 Tube Specifications. Por defecto, el programa ha seleccionado un intercambiador estándar con 1466 tubos y con 1 paso en el lado de los tubos.
Especificación del Intercambiador Ref: Ludwig vol.2 para intercambiadores estándar
Como un primer intento seleccionamos un intercambiador estándar 1- 4 con 904 tubos, con tubos de 0.75 pulg o ¾ pulg (0.01905m), arreglo triangular, con Pt = 15/16 pulg = 0.9375 pulg (0.023815m ) Estos tubos están albergados en un casco de 33 pulg (0.8382 m). Además seleccionamos tubos con una longitud de 20 pies (6.096 m). Ingresamos estos datos en la caja de dialogo para especificaciones de los tubos manteniendo las demás opciones
4.2 Shell specifications: Ahora especificamos el casco en donde colocamos el diámetro de 33pulg (0.8382 m)
130
4.3 Baffle specifications
Usamos segmentadas al 25 % 4.4 Nozzle specifications: Dejamos los dados por defecto
4.5 Clearence Specifications: Dejar por defecto
131
4.6 Material
4.7 Miscellaneous
Luego de Ingresar todos los datos aparece nuevamente el menú Shel and Tube Heat Exchanger 5. Calculate. Esta opción es para efectuar todos los cálculos en el intercambiador con las especificaciones dadas del intercambiador
132
Si: Se efectúa la simulación y seleccionando View Reults - Summary Results, se tiene:
SUPONEMOS OTRO INTERCAMBIADOR Corregimos el Número de tubos y tomamos de la tabla: 788 tubos Mantenemos el mismo diámetro del casco y demás características Efectuamos la simulación: Hacemos clic en Calculate
5. View Results. Seleccionando esta opción Se despliega el siguiente menú
133
4.1.10 VER RESULTADOS DE LA SIMULACION Para ver Resultados: Sizing – Shell & Tube
apareciendo la caja de diálogo para indicar ID de la unidad
Al colocar el ID y hacer clic en OK aparece la siguiente caja de diálogo:
134
Seleccionamos View Results y aparece la siguiente caja de diálogo:
Donde seleccionamos lo que queremos ver. Si seleccionamos Summary Results, aparece una tabla con los resultados de la simulación SUMMARY REPORT -------------General Data:
Heat Transfer Data:
Exch Class/Type Shell I.D.
R/AEL Effective Transfer Area 33.00 Area Required
Shell in Series/Parallel
1/1 COR LMTD
Number of Tubes
788 U (Calc/Service)
Tube Length
20.00 Heat Calc
3042.79
1890.63 23.22 84.94/52.78 10.80
135
Tube O.D./I.D.
0.7500/0.6200 Heat Spec Excess %
Tube Pattern
TRI60 Foul(S/T)
Tube Pitch
0.94 Del P(S/T)
Number of Tube Passes
6.71 60.94
2.000E-003/1.000E-003 0.02/0.17
4 SS Film Coeff
Number of Baffles
7 SS CS Vel
150.08 0.32
Baffle Spacing
24.00 TW Resist
0.000200
Baffle Cut %
25 TS Film Coeff
711.66
Baffle Type
SSEG TS Vel
2.63
Thermodynamics: K: UNIFAC H: Latent Heat D: Library Number of Components: 2 Calculation Mode: Rating Engineering Units: Temperature
C
Flow/Hour
(kg/h)/h
Pressure
atm
Enthalpy
MMBtu
Diameter/Area
in/ft2
Length/Velocity
ft/(ft/sec)
Film Fouling
Btu/hr-ft2-F hr-ft2-F/Btu
De los datos consignados en esta tabla podemos ver el Area Disponible (Effective transfer area) = 3042.79 pies 2, el Area Requerida (Area Required) = 1890.63 pies2, lo cual da un exceso de 60.94 %. Si deseamos mantener los resultados clic en exit Y regresamos al menú de configuración del intercambiador en donde hacemos clic en Save Configuration Si deseamos hacer algún cambio vamos a General Specifications y volvemos a efectuar la simulación con los cambios realizados. 1. Verificamos los números de Reynolds, los coeficientes de película individuales para el lado del casco y el lado de los tubos
Lado de los Tubos Caída de presión (atm)
Lado del Casco
0.17 (2.49 psi)
0.02 (0.294 psi)
711.66
150.08
Velocidad (pies/seg)
2.63
0.32
Número de Reynolds
15873
4028
Coeficiente de película (Btu/hr-ft2-F)
136
Comentarios: Seleccionamos un nuevo intercambiador: 1. Probar con Nt = 558 tubos 2 pasos en el lado de los tubos y Diámetro del casco 27 Pulgadas, manteniendo las demás características 2. Probar con Nt = 460 tubos 2 pasos en el lado de los tubos y Diámetro del casco 25 Pulgadas, manteniendo las demás características Luego hacer clic e Save Configuration Generar los reportes. 4.4 DISEÑO DE UN CONDENSADOR Un sistema de refrigeración requiere que 52,400 lb/hr de Propileno refrigerante vaporproveniente del compresor sea enfriado y luego condensado. Propylene inlet: 265 psia and 165°F Propylene dew point: 265 psia and 112°F Cooling water in: 90°F (agua de mar) Para el agua de mar se considera una temperatura máxima de salida de 97 ºF Asuma que esta carga puede ser manipulada mejor en dos unidades operando en paralelo. En este escenario, si un condensador tiene problemas, el sistema de refrigeración total y consecuentemente la planta de proceso no para. SOLUCION 1. Masa de Propileno a cada condensador: 52400/2 = 26200 lb/hr 2. Tubos de 3/4" BWG de 16 pies de largo SIMULACIÓN CON CHEMCAD 1. Abrir nuevo trabajo y guardarlo con un nombre C:/CCDAT/Examples/condensador 2. Seleccionar sistema de unidades
3. Lista de componentes
4. PFD
137
5. Especificación de corrientes de PROPILENO
6. Especificación de corrientes de AGUA de MAR
138
7. Editar datos del Intercambiador
8. Especificar temperatura de SALIDA de PROPILENO: 112 ºF
9. Correr esta unidad
10. Verificar las condiciones de SALIDA del PROPILENO
139
11. Verificar las condiciones de SALIDA del AGUA
12. Como la temperatura de salida del agua (97.98241 ºF) excede a la máxima permisible (97ºF), se debe hacer un ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD para determinar la cantidad real de AGUA
13. Nuevo análisis: Nombre de análisis.
140
14. Editar variable independiente
15. Editar variable dependiente
16. Run All/ Plot
17. Gráfica y Tabla
Cantidad de agua: 570000 lb/hr Manteniendo esta cantidad, la temperatura de salida del agua es 97 ºF
141
18. Corregimos la cantidad de agua de enfriamiento a la entrada
CURVA DE TEMPERATURA Podemos generar la curva de temperatura 19. ESPECIFICACIÓN DEL INTERCAMBIADOR 19.1 Ingresamos al menú de especificaciones
19.2 Seleccionamos la unidad
19.3 Tipo de intercambiador
142
19.4 Fluido que va por los tubos (en este caso el AGUA)
19.5 Al hacer clic en aceptar nos da un resumen con las propiedades de las corrientes Stream No.
1
Stream Name
3
AGUA(ENT)
2
4
PROP(ENT)
AGUA(SAL)
Temp F
90.0000*
165.0000*
97.0021
112.0000
Pres psia
75.0000*
265.0000*
75.0000
265.0000*
5.7392
-3879.3
Enth MMBtu/h
-3883.3
Vapor mole fraction Total lbmol/h Total lb/h
0.00000
31640.3008
1.0000
PROP(SAL)
1.7479
0.00000
0.00000
622.6088 31640.3008
622.6088
570000.0000 26200.0000 570000.0000 26200.0000
Total std L ft3/hr
9131.9961
Total std V scfh
12006818.00
804.1214
9131.9961
804.1214
236266.72 12006818.00
236266.72
Flowrates in lb/h Propylene Water
0.0000 26200.0000 570000.0000
0.0000 26200.0000
0.0000 570000.0000
0.0000
19.6 Parámetros de la curva de temperatura
143
19.9 Curva de temperatura
19.10 Especificaciones generales
19.11 Seleccionamos un intercambiador 1-2 con tubos de 3/4" de 16 pies de longitud, con 746 tubos , arreglo D, pt= 15/16", con un Ds = 31" (Referencia: Ludwig Vol 2, Tabla 10-9) Haz de tubos
144
Casco
Pantallas
Acoplamientos
145
Demás características igual 19.12 Correr la simulación: Calculate 19.13 Ver resultados: View Results
Summary Results SUMMARY REPORT -------------General Data:
Heat Transfer Data:
Exch Class/Type Shell I.D.
R/AEL Effective Transfer Area 31.00 Area Required
2185.61
Shell in Series/Parallel
1/1 COR LMTD
Number of Tubes
746 U (Calc/Service)
Tube Length Tube O.D./I.D.
19.73
16.00 Heat Calc
92.56/88.93 4.15
0.7500/0.6200 Heat Spec Excess %
Tube Pattern
TRI60 Foul(S/T)
Tube Pitch
0.94 Del P(S/T)
2274.71
3.99 4.08
1.000E-003/2.000E-003 1.04/0.35
146
Number of Tube Passes
1 SS Film Coeff
Number of Baffles
21 SS CS Vel
Baffle Spacing
8.25 TW Resist
Baffle Cut %
25 TS Film Coeff
Baffle Type
SSEG TS Vel
220.82 3.80 0.000199 494.54 1.63
Thermodynamics: K: SRK H: SRK D: Library Number of Components: 2 Calculation Mode: Rating Engineering Units: Temperature
F
Flow/Hour
(lb/h)/h
Pressure
psia
Enthalpy
MMBtu
Diameter/Area
in/ft2
Length/Velocity
ft/(ft/sec)
Film Fouling
Btu/hr-ft2-F hr-ft2-F/Btu
Generar los Reportes OTRA FORMA DE DISEÑO 1. Colocamos la cantidad total de PROPILENO en las corrientes de Entrada y salida
2. Colocamos el doble de agua de enfriamiento en las corrientes de entrada y salida
147
3. Sizing/Shell y Tube Ingresar ID Unit OP SI: Aceptar reingreso de información en corrientes
Seleccionar Corriente por los tubos (AGUA) Aceptar Aparece la tabla con información de las corrientes Stream No.
1
Stream Name
3
AGUA(ENT)
2
4
PROP(ENT)
AGUA(SAL)
Temp F
90.0000*
165.0000*
97.0021
112.0000
Pres psia
75.0000*
265.0000*
75.0000
265.0000*
11.478
-7758.6
Enth MMBtu/h
-7766.6
Vapor mole fraction Total lbmol/h
0.00000
63280.6016
Total lb/h
1.0000
PROP(SAL)
3.4958
0.00000
1245.2175 63280.6016
0.00000 1245.2175
1140000.0000 52400.0000 1140000.0000 52400.0000
Total std L ft3/hr
18263.9921
Total std V scfh
24013636.00
1608.2428 18263.9921 472533.44 24013636.00
1608.2428 472533.44
Flowrates in lb/h Propylene Water
0.0000 52400.0000 1140000.0000
0.0000 52400.0000
0.0000 1140000.0000
0.0000
5. Parámetros de la curva de temperatura: IGUAL 6. Mantenemos características del Haz de Tubos 7. Colocamos dos intercambiadores en paralelo en las especificaciones para el casco
148
5. Mantenemos igual las demás características 6. Calculate 7. View Results SUMMARY REPORT -------------General Data:
Heat Transfer Data:
Exch Class/Type
R/AEL Effective Transfer Area
Shell I.D.
31.00 Area Required
4371.25
Shell in Series/Parallel
1/2 COR LMTD
Number of Tubes
746 U (Calc/Service)
Tube Length Tube O.D./I.D.
19.73
16.00 Heat Calc
92.56/88.93 8.31
0.7500/0.6200 Heat Spec Excess %
Tube Pattern
TRI60 Foul(S/T)
Tube Pitch
0.94 Del P(S/T)
Number of Tube Passes
21 SS CS Vel
Baffle Spacing
8.25 TW Resist
Baffle Cut %
25 TS Film Coeff
Baffle Type
7.98 4.08
1.000E-003/2.000E-003 1.04/0.35
1 SS Film Coeff
Number of Baffles
SSEG TS Vel
4549.42
220.81 3.80 0.000199 494.54 1.63
Thermodynamics: K: SRK H: SRK D: Library Number of Components: 2 Calculation Mode: Rating Engineering Units: Temperature Flow/Hour
F (lb/h)/h
Pressure
psia
Enthalpy
MMBtu
Diameter/Area
in/ft2
149
Length/Velocity Film Fouling
ft/(ft/sec)
Btu/hr-ft2-F hr-ft2-F/Btu
Generar Reportes. 4.5 DISEÑO DE UN HERVIDOR Example 10-18. Kettle Type Evaporator —Steam in Tubes (Ref. Ludwig Vol. 2) Evaporar 25,000 lb/hr de CCl4 a 55 psia y temperatura de saturación en el lado del casco de un evaporador tipo Calderín con tubos en U. Use vapor como medio de calentamiento: SOLUCIÓN 1. Sistema de unidades
2. Lista de componentes
3. PFD
3. Determinar el BP del CCl4 a 55 psia = 261.6258 ºF 4. Determinar condiciones del vapor (saturado) y Δt.
150
Usando una Δt de aproximadamente 60 ºF (Ref. Tabla 10-26 Ludwig)
Temperatura del vapor= 262 + 60 =322 ºF Determinar la presión del vapor = 92 psia 5. Fijar condiciones de las corrientes de Entrada y Salida del CCl4
6. Fijar cantidad (supuesta de vapor) y condiciones de Entrada (P y Fracción de vapor) y de salida Presión
7. Editar datos del intercambiador
8. Especificamos la temperatura de salida del vapor
151
9. Corremos esta unidad
10. Analizamos las corrientes de entrada y salida Vapor
CCl4
152
11. Como no se ha evaporado todo el CCl4, debemos aumentar la cantidad de vapor, para esto hacemos un análisis de sensibilidad 11.1 Run/Sesivity Study
11.2 Variable independiente
11.3 Variable dependiente
11.4 Run/Plot Resulta
153
11.5 Se tiene
Tabla CHEMCAD 5.2.0
Page 1
Job Name: hervidor Date: 06/14/2007 Time: 21:45:04 Title
Sensitivity Analysis
Y_Title Fraccion evaporada Line 1 Vapor usado lb/h CCl4 Evaporado 1000
0.479101
1020
0.488683
1040
0.498265
1060
0.507847
......................... 2060
0.986947
2080
0.99653
2100
1
2120
1
154
2140
1
Se debe usar: 2100 lb/hr de vapor ESPECIFICANDO CANTIDAD EXACTA DE VAPOR Corriendo con la nueva cantidad de vapor Vapor
CCl4
ESPECIFICACION DEL HERVIDOR 1.
2.
155
Seleccionamos De Casco y tubos
Seleccionamos el Vapor (Corriente 1) Stream No.
1
Stream Name
3
VAPOR(ENT)
2
4
CCl4(ENT)
VAPOR(SAL)
Temp F
322.0000*
261.6258
322.0000*
Pres psia
92.0594
55.0000*
92.0594*
55.0000*
-13.798
-6.0535
Enth MMBtu/h
-11.916
Vapor mole fraction Total lbmol/h Total lb/h
-7.9237
1.0000* 116.5695
2100.0000 25000.0000
Total std L ft3/hr
33.6442
Total std V scfh
44235.64
261.6294
0.00000* 0.00031250 162.5255 249.5831 61674.96
116.5695
CCl4(SAL)
1.0000* 162.5255
2100.0000 25000.0000 33.6442 44235.64
249.5831 61674.96
Flowrates in lb/h Carbon Tetra-Cl Water
0.0000 25000.0000 2100.0000
0.0000
0.0000 25000.0000
2100.0000
0.0000
Curva de calor
156
Especificaciones Generales
Lado de los tubos.- Tubos 3/4" BWG de L= 32 pies, Suponemos un intercambiador 1-2 con tubos en U Arreglo cuadrado Pt = 1" Con un Diámetro del casco de 12 pulg. (Ref. Tabla 10-9)
Características del casco
157
Pantallas
Acoplamientos
Otras características
158
Calculate View Results SUMMARY REPORT -------------General Data:
Heat Transfer Data:
Exch Class/Type Shell I.D.
R/AEL Effective Transfer Area 12.00 Area Required
Shell in Series/Parallel
1/1 COR LMTD
Number of Tubes
52 U (Calc/Service)
318.71
148.41 60.36 210.04/97.81
159
Tube Length
32.00 Heat Calc
Tube O.D./I.D.
4.04
0.7500/0.6200 Heat Spec Excess %
1.88 114.75
Tube Pattern
SQUAR Foul(S/T)
1.000E-003/1.000E-003
Tube Pitch
1.00 Del P(S/T)
13.05/0.46
Number of Tube Passes
2 SS Film Coeff
Number of Baffles
51 SS CS Vel
591.11 19.30
Baffle Spacing
7.20 TW Resist
0.000211
Baffle Cut %
25 TS Film Coeff
2690.33
Baffle Type
SSEG TS Vel
4.18
Thermodynamics: K: UNIFAC H: Latent Heat D: Library Number of Components: 2 Calculation Mode: Rating Engineering Units: Temperature
F
Flow/Hour
(lb/h)/h
Pressure
psia
Enthalpy
MMBtu
Diameter/Area
in/ft2
Length/Velocity
ft/(ft/sec)
Film Fouling
Btu/hr-ft2-F hr-ft2-F/Btu
Probar con: a) Intercambiador 1-2: Nt = 30 Ds = 10" y manteniendo las demás características igual b) Intercambiador 1-2: Nt = 26 Ds = 10" y Triangular pt = 1"
160
5.
SIMULACION DE REACTORES.
5.1 Reactor Estequiométrico Enunciado del problema Reacción: Descomposición de di-t-butyl peroxide (DTBP) a acetone y ethane Cinética de Reacción:
Condiciones de Reacción: Temperatura 154.6 oC Presión 491.8 mmHg Condiciones de la alimentación: 100 kmol/h de (DTBP) a 110 oC y 760 mmHg
1. 2. 3.
Información para estado estable: Reacción es isotérmica Conversión con respecto al DTBP es 85 % Temperatura de referencia para calor de reacción es 25 oC Efectuar la simulación de un reactor estequiométrico para determinar el calor de reacción y las cantidades molares de los componentes en la corriente de producto al estado estacionario. Procedimiento: Paso 1: Crear el flow sheet Paso 2: Ingresar componentes y unidades de ingeniería Paso 3: Ingresar composición de la alimentación Paso 4: Ingresar las especificaciones del reactor Paso 5: Efectuar la simulación y dar los resultados Paso1: Crear el Flow sheet
161
Seleccionar y hacer clic en los iconos stoichiometric reactor, feed y product y colocarlos en el espacio de trabajo. Conectar los tres usando la corriente ( stream). Clic sobre el icono S/Gsobre la barra de menú y cambiar el modo de simulación de Edit Simulation a Run Simulation. Paso 2: Ingresar componentes y unidades de ingeniería Ir a Thermophysical sobre la barra de menú y hacer clic sobre Components List . seleccionar DTBP (Di tertiary butyl peroxide) , acetone and ethane de la lista de componentes de CHEMCAD y adicionarlos a la lista de componentes.
Ir al menú Format y hacer clic sobre Engineering Units y seleccionar las unidades deseadas para las propiedades tales como temperatura, presión etc. Use la opción SI para convertir todas las unidades a la vez. Clic en OK para continuar.
Paso 3: Ingreso de la composición de la corriente de alimentación Doble clic sobre la corriente de alimentación e ingresar la información (temperatura, presión, flujo total y fracciones molares de los componentes) dados en el enunciado del problema. Clic sobre Flash para obtener la entalpía y fracción de vapor de la corriente de alimentación a las condiciones de la alimentación.
162
Paso 4: Ingreso de las especificaciones del Reactor Doble clic sobre el reactor General Specifications Page:
a. Specify Thermal Mode: Como se ha dado que la reacción es isotérmica, con temperatura de reacción de 154.6 oC, seleccionar el radio button Isothermal e ingresar la temperatura correspondiente. b. Key Component: Como la conversión es dada en terminos de DTBP, ingresar DTBP como el key component. c. Fractional Conversion: Ingresar la conversión dada (0.85). d. Heat of Reaction: El valor para el calor de reacción puede ser ingresado en esta caja. Este campo será dejado en blanco, ya que el calor de reacción no es dado en el enunciado del problema. e. Reaction Pressure: Enter the reactor pressure (491.8 mmHg) f. Calculated Heat of Reaction: Esto debe ser mantenido en blanco. Este es el campo donde el calor de reacción calculado por CHEMCAD aparece después de la simulación. g. Stoichiometric Coefficients: Seleccione Mole base, como las unidades dadas en el enunciado del problema son moles e ingrese los correspondientes coeficientes estequiometricos para cada uno de los componentes. (Indicar un signo negativo para los reactantes)
163
Clic en OK después de completar la página de General specifications. Paso 5: Efectuar la simulación y mostrar los resultados: Clic en R para efectuar la simulación. Alternativamente, se puede correr la simulación haciendo clic en Run en la barra de menú y seleccionando Run all. El estado de la simulación puede verse en la parte inferior izquierda de la ventana. El mensaje, Run Finished aparece en este lugar si la simulación se he efectuado satisfactoriamene. Todos los resultados asociados con el reactor estequiométrico pueden ser encontrados haciendo clic sobreel menú Results y seleccionando Unit Op’s y luego el reactor. Los resultados serán visualizados en un archivo WordPad.
De manera similar, las propiedades de la corriente producto pueden verse ya sea haciendo clic sobre la corriente producto o en el menú Results, seleccionando Stream Composition y luego haciendo clic en All Streams. Los resultados nuevamente serán disponibls en un archivo WordPad.
164
5.2 Reactor Tubular (PFR) 5.2.1 Enunciado del problema Se trata de la deshidrogenación del etano mediante la reacción: C2H6 ------------> C2H4 + H2 El etano vapor ingresa al reactor tubular a temperatura de 1100 K y a presión de 6 atm, a razón de 6.014 kg/h. Se desea una conversión de etano de 0.8 5.2.2 Confección del diagrama de flujo 1. Abrir CHEMCAD 2. Seleccionar Nuevo trabajo 3. Hacer el diagrama de flujo y guardarlo con el nombre de CC5DATA/Ejemplos CHEMCAD/PFR1 4. Seleccionar Kinetic Reactor ( y de estos la opción # 2)
5. Colocar la alimentación, el producto y las líneas de corriente, con lo cual se tiene:
165
5.2.3 Definir Componentes 22 3
Ethylene Ethane 1 Hydrogen
5.2.4 Unidades de Ingeniería Format – Engineering Units : METRIC y cambiar Mass/Mole : Kg y Temperatura: K Presón : atm 5.2.5 Opciones Termodinámicas Thermophysical:
K-Values: Ideal Vapor pressure
5.2.6 Opciones para Balance de Energía Thermophysical:
Entalphy: No entalphy (no hacemos balance de energía)
5.2.7 Editar las Corrientes 1.
Editar corriente 1: Temperatura: 1100 K Presión:
6 atm
Ethylene: Ethane: 6.014 kg/h Y luego hacemos clic sobre Flash para calcular las demás variables:
5.2.8 Especificaciones del Reactor Página 1 Número de reacciones: 1 Specify reactor type: PFR (Plug Flow) Vapor only Isothermal
Temperature: 1100 K
Specify conversion, calculate volume Conversion: 0.8 Key component: 2 Ethane
166
Página 2 Activation E/H of Rxn Unit: 2 MMBtu Volume Units: Cubic meters Molar Flow-Units: 1-K-moles Time Units:
0 Hours
Mass Flou Units: 1 Kg
Página 3 Frequency factor: 3 Component
Stoichometric coefficient
2 Ethane 1 Ethylene
-1
Exponential factor 1
1
167
3 Hydrogen
1
5.2.9 Efectuando la simulación Run all 5.2.10 Generando el reporte Definimos las propiedades de las corrientes que deseamos ver en el reporte: Results – Stream Properties – Select Properties
Format – Add Stream box – ( Colocar Mole Flow rates) OK 5.2.11 Acomodar el DF
168
5.3 Reactor CSTR Enunciado del problema Reacción: Descomposición de di-t-butyl peroxide (DTBP) a acetone y ethane Cinética de Reacción :
Condiciones de Reacción: Temperatura 154.6 oC Presión 491.8 mmHg Alimentación y condiciones de alimentación: 100 kmol/h de (DTBP) a 110 oC y 760 mmHg Información Para estado estacionario: Reacción es isotérmica Conversión con respecto a DTBP es 85% Temperatura de referencia para el calor de reacción es 25 oC Efectuar la simulación para determinar el volumen del reactor al estado estacionario para conseguir la conversión deseada, la carga de calor y las cantidades de componentes en moles al estado estacionario en la corriente de producto. Procedimiento: Paso 1: Crear el flow sheet Trabajo con el nombre: CC5DATA/Ejemplos CHEMCAD/CSTR
169
Paso 2: Ingresar componentes
Seleccionar unidades de ingeniería
Paso 3: Ingresar la composición de la corriente de alimentación
Paso 4: Ingresar las especificaciones del reactor
170
Doble clic en Reactor. Página de: General Specification s a. Number of reactions: 1 b. Reactor Pressure: 491.8 mmHg c. Pressure Drop: No se especifica caída de presión en el reactor. Dejar en blanco. d. Kinetic Rate Expression: Hay dos opciones. La opción por defecto (Standard) es usada cuando la velocidad de ecuación está en la forma estándar de Arrhenius. La otra opción (User Specified) es usada cuando la ley de velocidad no está en la forma estándar y el usuario necesita ingresarla manualmente. Para mayor información sobre esto, el usuario puede puede hacer clic en help que aparece en la esquina inferior izquierda de esta página. Para este problema, la exxpresión cinética es dada por el usuario. De tal manera que se debe seleccionar la opción User Specified .
e. Reaction Phase: Como el reactante, DTBP y un producto, ethane, están en fase vapor a la presión y temperatura de la reacción y el otro producto, acetone está en fase liquida, debe seleccionarse la opción Vapor Reaction, Mixed Phase.
f. Specify Reactor Type: As the reactor described in the problem statement is a CSTR, CSTR should be selected form the drop box. g. Thermal Mode: Como la temperatura de la reacción es dada como 154.6 oC, debe seleccionarse la opción Isothermal . h. Specify Calculation Mode: Como en el establecimiento del problema se da la conversión deseada, debe seleccionarse la opción Specify Conversion, Calculate Volume. i. Reactor Volume: Esto debe dejarse en blanco ya que este valor debe ser calculado en la simulación. j. Key Component: El componente clave para especificar la conversión es es DTBP y este es seleccionado en la caja de diálogo. k. Conversion: La conversión con respecto al componente clave, DTBP es dado como 85% y esta conversión es (0.85) es ingresada en este campo. No hacer Click en OK todavía! Falta completar las especificaciones en la página M o r e S p e c i f i c a t i o n s !
More Specifications:
171
# of iterations y Tolerance pueden ser dejados en blanco ya que estos son campos opcionales. Reaction Engineering Units:
Cambiar las unidades de tal manera que las unidades sean consistentes con la ley de velocidad (Cambiar unidades de time a min) Temperature reference for heat of reaction: Ingresar 25 oC en este campo. Edit reaction number: Podría ser dejado en blanco.
Clic en después de completar la página de especificaciones. Una nueva ventana aparece y los coeficientes estequiométricos para todos los componentes son ingresados en esta ventana como se muestra en la siguiente figura. Clic en OK después de ingresar los coeficientes.
Como se ha seleccionado la opción User Specified para la expresión cinética de velocidad, otra ventana con el título Unit: 1-User Rate Expressions aparece. Si un código Visual Basic separado está disponible, el usuario puede buscar estos archivos usando las opciones disponibles en File path. Para la mayoría de propósitos prácticos, el usuario puede ir directamente a Rxn1 y completar la información como sigue:
172
Name for the Chemical Reaction: DTBP descomposicion Variables for User Rate Expressions: CHEMCAD proporciona al usuario las variables descritas en esta sección para
ser usadas en las expresiones de velocidad. Write User Rate Expression: 0.02095*C001
Clic en OK cuando haya finalizado. La siguiente ventana aparece para confirmar que dejamos los datos en un archivo excel existente de tal manera que el programa Visual Basic acceda a la expresión de velocidad especificada por nosostros. Clic en Yes para continuar.
Paso 5: Efectuar la simulación y mostrar los resultados: Idiosincrasia con CHEMCAD 5.2 y 5.3.0 The version that is on the college computers has a small defect. Before simulating the CSTR it has to be simulated as a PFR. So go back to the kinetic reactor screen and under general specifications change the specify reactor type to plug flow reactor type. Click OK and Click once on R to run the simulation. (This problem has been rectified in the later version ). Estas versiones tienen pequeño defecto. Antes de simular el CSTR t iene que haberse si mulado como un PFR. Así es que remóntese a la pantalla cinética del reactor y bajo general specifications cambiar la especificación del tipo de reactor a Plug Flow. Dé un clic sobre Ok y Clic una vez en R para corre la simulación. (Este problema ha sido rectificado en la posterior versión).
173
Cambiar la especificación de tipo de reactor a CSTR nuevamente. Ahora la simulación puede efectuarse. Haga clic una vez en R para corre la simulación.Alternativamente, el mismo puede ejecutar la simulación dando un clic sobre en Run en la barra de menús y seleccionando Run all. El estado de la simulación puede ser encontrado en la esquina izquierda inferior de la pantalla. El mensaje, Run Finished aparece en este lugar si la simulación es exitosamente completada. El volumen del reactor para la
conversión deseada puede ser encontrado en General specifications page (puede haciendo doble clic sobre el reactor) a ser 6.53e7 litros. Alternativamente, todos los resultados se asociados con la UnitOp,CSTR pueden ser encontrados dando un clic sobre Results del menú y seleccionando a Unit Op e introduciendo el número que el CSTR está asociado (' 1 ' en este caso) en el diagrama de flujo.Los resultados del CSTR luego estarán disponibles en un archivo WordPad.
174
De manera similar, las propiedades de la corriente producto pueden encontrarse ya sea haciendo doble clic en la corriente producto o haciendo clic en Results del menu, seleccionando Stream Composition y luego hacer clic en All Streams. Los resultados estarán nuevamente disponibles en un archivo WordPad.
5.4 Reactor BATCH Enunciado del problema Acetato de Sodio (Sodium Acetate) esta siendo preparado mediante la siguiente reacción en un reactor batch.
Hidroxido de Sodio (Sodium Hydroxide) y Acetato de Etilo (Ethyl Acetate) son alimentados al reactor a una concentración de 0.1M como una carga inicial a 25 C y 101325 Pa. La constante de velocidad es 0.104sec*ltr/mole. Simular el reactor batch dinámico para 30 minutos y graficar el cambio en la concentración de NaOH como esta cambia con el tiempo. Procedimiento: Paso 1: Creaar el flow sheet Paso 2: Ingresar componentes y Unidades de Ingeniería Paso 3: Ingresar Especificaciones del Reactor Paso 4: Efectuar la Simulación DINAMICA
175
Paso 5: Mostrar los resultados Paso 1: Crear el flow sheet Trabajo con el nombre: CC5DATA/Ejemplos CHEMCAD/React_Batch
Paso 2: Ingresar componentes
Unidades de Ingeniería
Paso 3: Ingresar las especificaciones del reactor Doble clic sobre el Reactor. Aparece la caja de diálogo Edit Batch charge/add . Adicionar las concentraciones de la carga inicial. Notar que no esta previsto en chemcad para ingresar la concentración de las especies, por lo tanto ingrese el número de moles de sodium hydroxide y ethyl acetate como 0.1 mol de cada uno. La cantidad de agua es 1 ltr es decir 55.55 moles aprox. Especificar la temperatura y presión de la carga inicial. Clic en OK
176
Hacer clic en OK y aparece la página: Batch Reactor General Information Page Page 1
1.
Number of reactions: Solamente hay una reacción en este problema, Ingresar ‘1’
2.
Dynamic Plot: Desactivar la opción “Show plot during simulation” ya que esto incremente el tiempo de simulación
y no guarda los datos para verlos posteriormente. 3.
Reactor Phase: Seleccionar la opción “liquid only, liquid phase reaction”.
4.
Kinetic expression : seleccionar la opción “Standard”
5.
Thermal Mode : Seleccione la opción “Isothermal” y especifique la temperatura como25 C
6.
Pressure: Especifique la presión a ser 101325 Pascals.
No hacer clic en O K t o d a v i a ! Falta completar las especificaciones en la Page 2! PAGE 2
a.
Integration parameters : Seleccionar el método “Semi-implicit RK4 ” y seleccionar el step size como “1”. Deje el
campo de tolerancia vacío.
177
Hacer clic en OK y aparece la siguiente ventana de diálogo para la ecuación de velocidad. Rate Equation unit Definition page 1.
Stoichiometric Equation basis: seleccione la opción “ Use mole basis for stoichiometry and rate eqn”.
Seleccione ‘moles’ como la unidad básica 2.
Time unit : seleccione “seconds” como la unidad de tiempo
3.
Volume unit: seleccione “liters”
4. Activation Energy: seleccione “Joules”
Clic en OK y aparece la ventana Kinetic Data
Kinetic Data page Tenemos datos para la constante de velocidad. Así es que podemos especificar la t constante de velocidad como el factor de frecuencia e igualamos la a energía de activación a cero. Dé los coeficientes estequiométricos (negativos para reactantes y positivos para productos).
178
Hacer clic en OK y aparece la ventana de diálogo: Batch Reactor Run time Plot options Batch Reactor Run time Plot options 1.
Plot time : seleccione “ seconds”
2.
Composition: seleccione “mole”
3.
Components to plot: seleccione “ sodium hydroxide” y dar scale como “1”
4.
Plot Y scale: seleccione Ymax como “0.1” Ymin como 0 aí el número de moles del sodium hydroxide no
pueden exceder a 0.1.
Clic en OK Y aparece: The Batch reactor menu
179
Aquí usted puede revisar los datos introducidos anteriormente en las ventanas de diálogo de initial charge, general information, rate equation units, reaction kinetics y establecer la información en la pantalla. El resto de opciones pueden ser ignoradas para el caso presente. Paso 4: Efectuar la simulación Ir a Run y seleccionar Dynamics. Aparece el siguiente menú.
a. set run time: Seleccionar operational steps en la página general como “1” . Seleccionar la página Step1 y establecer Run time como “60 ” minutes y el Step size como 0.1 min (es decir 6sec). Clic en OK Nota : Asegurarse que el tamaño de paso (step size) para la opción plot ( 6 secs) sea mayor que el step size(1 sec)
especificado en la página convergence de los parámetros de integración.
180
b.
c.
Record unit operations : Ingresar el ID de la Unidad de Operación.
Run from initial state: seleccionar esta opción para efectuar la simulación con la carga inicial especificada. La
siguiente ventana aparece y hacer clic en Yes para continuar.
El tiempo para el cual la simulación está siendo efectuada es exteriorizado en el Dtime en la barra desplegada al pie de la ventana de chemcad al final de la simulación que la siguiente ventana aparece.
181
clic en OK para continuar Paso 5: Mostrando los Resultados Ir a plot y seleccionar Batch Reactor/DVSL History . Aparece una ventana similar a las opciones Batch Reactor Run time Plot. Clic en ok para continua
Los datos también pueden ser pasados a una hoja excel seleccionando la opción Graph de la ventana anterior y seleccionando excel .csv file.
Con lo cual se despliega la siguiente hoja de cálculo
182
Puede seleccionar los datos y copiarlos a otra hoja de cálculo. O los datos pueden ser guardados en la forma de un Reporte. Seleccionar Output y Report . Aparece el siguiente menú
1.
Report Formats: Tenemos tres opciones F,E,G seleccionando el formato ‘F’ usted puede el número de digit os después del punto decimal, seleccione ‘4’. Para el Overall Report Format Seleccione el Standard Format el cual
da el reporte en wordpad. Clic en Ok.
183
b. select unit operations : Ingrese el ID de la UnitOP
c. Batch/Dynamic Results: Seleccione las opciones Print operation results y Print history paraBatch Reactors.
184
Clic en OK Batch Reactor History Options Plot time : seleccione “ seconds” Composition: seleccione “mole” Components to plot: seleccione “ sodium hydroxide” y dar scale como “1”
Print frequency 1 Clic OK
Clic en calculate and give results con lo cual es desplegado un archivo wordpad conteniendo información acerca del Reactor Batch.
185
6. SISTEMAS DE BOMBEO 6.1 ACERCA DEL SIMULADOR DE TUBERÍA Un simulador de tubería representa el flujo de fluidos a través de varias piezas de equipo. Si suficientes variables (flujos y presiones) son especificadas en el simulador, pueden ser calculadas las variables desconocidas. Para flujo de fluidos a través de equipo, el flujo puede ser calculado como una función de la presión de entrada y salida. Si el usuario puede especificar dos de las tres variables, la tercera es dependiente. La especificación de la presión en diferentes puntos sobre un diagrama de simulación de tubería permite describir al sistema como un sistema de ecuaciones dependientes. Los modelos de simulación de tubería en CHEMCAD permite la solución simultánea de tal sistema. Si son especificadas suficientes restricciones, el modelo será resuelto simultáneamente para converger en las presiones/flujos no conocidas en el modelo. Una representación simple de un sistema de flujo es representada en la Fig. 6.1.
Una ecuación F3 = f(P2, P3) Una incógnita P2 = x Fig. 6.1 Simple sistema de tubería Para dimensionar la válvula, debe ser calculada la presión de salida de la válvula. Las variables conocidas son la geometría de la tubería, presión de salida de la tubería, y flujo a través de la tubería. Puede ser usada una simple ecuación para resolver para la presión entrando a la tubería como una función de las variables conocidas.
6.2 CAUDALES COMO UNA FUNCIÓN DE LA PRESIÓN PARA EL FLUJO DE FLUIDO La mecánica de fluidos permite el cálculo de caudal de fluido a través de una tubería o una boquilla como una función de presiones de la entrada y de salida. El uso de curvas de desempeño permite el cálculo de flujo a través de un compresor o bomba como una función de presiones de la entrada y de salida. La Fig. 6-2 muestra UnitOps que pueden calcular caudales como una función de presiones. Estos UnitOps son referidas como a los que se aplicó flujo de escalamiento en la corriente de proceso.
186
Fig 6.2 UnitOps que calculan flujos como función de la presión
6.3 ACERCA DEL MODELAMIENTO DE SISTEMAS DE TUBERÍA Los sistemas de cálculo de tuberías son usados para calcular flujos y/o presiones alrededor de una red de tubería conectada al equipo. Típicamente el usuario tiene un flowsheet de equipo, conexiones y varias restricciones (flujos de salida limitaciones de presión en el equipo, etc.) pero no tiene todos los flujos o presiones para el sistema. Usted puede calcular una red de tubería en un diagrama CHEMCAD. Nuevos modelos en CHEMCAD permites a usted especificar las variables conocidas y resolver para las variables desconocidas en un flowsheet. La UnitOp NODO, permite a usted especificar la presión en cada lado de una UnitOp y calcular el caudal como una función de la presión. Como una opción, As an option, you may specify one pressure and the flowrate. Cálculos interactivos resolverán para las presiones no conocidas basado en una presión específica y un caudal. Una serie de UnitOps pueden ser conectadas usando varios nodos. El caudal a través de la cadena puede ser especificado como un punto simple, o calculado basándose en una presión especificada alrededor de una UnitOp. No es necesario conocer la presión alrededor de todas las UnitOps en la serie. La Fig. 6-3 muestra una red simple. Existen varias variables de presión y caudal. Tres de las variables pueden ser especificadas.
Fig. 6.3 Ecuaciones y Variables
6.4 UnitOps PARA REDES DE TUBERÍA
187
6.4.1 NODO PRESION Los cálculos para redes de tubería resuelven para la presión en los nodos y luego calculan los caudales iterativamente a través de las redes como funciones de la presión. Una UnitOp NODO representa un punto en la red de tubería donde un cambio en la presión ocurre debido a cambio de elevación, flujo a través de la tubería, o flujo a través del equipo que varía la presión (bomba, válvula, etc.). Un flowsheet CHEMCAD para una red de tubería usa la UnitOp de tubería para efectos de la tubería y UnitOps tales como bomba, compresor y válvula de control. Para diseño de una red de tubería es necesario para determinar la presión entre todas las UnitOps para calcular la presión como una función del caudal. La UnitOp NODE fija la presión en un lado de una UnitOp para calcular la presión en función del flujo. La presión en un nodo puede ser especificada por el usuario o calculada por CHEMCAD. Los flujos entrando y saliendo de un NODO pueden ser especificados o calculados. Los flujos hacia la UnitOp NODO pueden ser especificados o calculados como dependiente de las UnitOps adyacentes. La UnitOp NODO establece un valor fijo en el flowsheet. Para calculos de redes de tubería, hay puntos en el flowsheet donde ya sea la presión o el flujo es conocido. La UnitOp NODO permite la especificación de la variable conocida y calcular la variable desconocida Para entender los conceptos para especificar un nodo, ver un sistema de dos nodos rodeando una UnitOp. Esto es mostrado en la Fig 6-4
Fig 6.4 Para el sistema de la Fig 6.4 la presión de entrada (P1), presión de salida (P2) y caudal (F) a través de la tubería, son las variables. Una simple ecuación define al sistema. La especificación de dos variables cualquiera permite a CHEMCAD resolver para la tercera variable. Si la presión es especificada en el primer nodo y en cualquier nodo se especifica el caudal, la presión en el segundo nodo es variable. CHEMCAD variará la presión del segundo nodo hasta que el caudal como una función de la presión alrededor de la tubería se iguale al caudal especificado. La presión puede variar a cualquier nodo. La presión de una corriente de alimentación o producto de un caudal conocido puede ser ajustada por nodos adyacentes. En la Fig. 6.4, especificando P1 como una presión fija especifica la presión de la corriente 1 como P=P1. Si la presión de ambos nodos es especificada, el caudal a través de la UnitOp es una variable dependiente. La variable caudal
188
puede ser ya sea la corriente de entrada o la corriente de producto. En la UnitOp NODO especificar la ubicación donde el caudal es una variable. Use el modo libre salida o libre entrada para especificar si la entrada o el flujo de la conexión de salida se calcula. El modelo tratará en cascada este caudal corriente arriba y corriente debajo de la UnitOp. La presión de corrientes adjuntas a una UnitOp NODO será determinada para la presión del nodo. Los caudales a través de una red toda estarán colocados para el caudal calculado a través de un nodo. Usted puede especificar a N-1 caudales en un flowsheet, donde la N es el total de corrientes de alimentaciones y producto en el flowsheet. El caudal calculado será hecho pasar por nodos que usan el caudal dependiente. Usted recibe un mensaje de error Usted recibirá un mensaje de error si usted trata de especificar o calcular dos caudales conflictivos a través de un sistema con dos nodos separados.
6.5 OPCIONES DE CAUDAL EN UN NODO El caudal para una corriente de entrada o una corriente de de salida puede ser manipulado por un nodo. El nodo actúa manipulando el caudal de la UnitOp adyacente. Los trasfondos de presión para los nodos de cada lado de la UnitOp adyacente contribuyen a la manipulación del caudal. Caudales Fijos En Nodo Usar un caudal fijo de entrada para un nodo especifica el caudal hasta el final de la corriente arriba de la UnitOp. La presión a un lado (del nodo) de la UnitOp debe ser variable. Una excepción es cuando un nodo actúa como un mezclador o divisor para N corrientes y la única corriente es variable.En esta situación la presión puede ser fija o variable para ambos nodos. Fijando el caudal de salida para un nodo especifica el caudal de la corriente hasta el final después de la UnitOp. Este trasfondo es similar a fijar la entrada. El caudal en contracorriente establecido para una entrada es similar a fijar la entrada. El caudal de la corriente usa el caudal que actualmente almacenó para la corriente de entrada antes que un valor especificado en el nodo. Caudal Variable en el Nodo Usar la entrada libre para un nodo especifica que el caudal de corriente de entrada es una variable calculada. El nodo manipulará corriente arriba el caudal alimentad para solucionar el sistema.La especificación libre de la entrada trabaja mejor en un nodo conectado a una corriente de alimentación pero este puede ser colocado en otro sitio en el flowsheet. Si el flujo de salida es especificado, entonces la especificación libre de la alimentación permite calcular la alimentación para mantener el balance de masa. Solamente una especificación libre de entrada es permitida por corriente de alimentación. La corriente libre de la salida para un nodo es similar a la entrada libre establecida. Usando salida libre especifica que el caudal de la corriente de producto es una variable calculada. El nodo manipulará el caudal de la corriente de producto para resolver el sistema. La especificación libre de salida trabaja mejor en un nodo conectado a una corriente de producto pero este puede ser colocado en otro sitio en el flowsheet.
189
Si el flujo de la entrada para un sistema es especificado, entonces la especificación libre de la conexión de salida permite calcular el producto para mantener balance de masa. Solamente una especificación libre es permitida para la corriente de producto. Si usted trata de especificar demasiadas salidas libres corrientes de entrada libres, entonces CHEMCAD emitirá un mensaje de advertencia y volverá a arrancar la lista de requisitos adicional para establecer el flujo para la UnitOp. El flujo establecido por UnitOp indica que el caudal se controla por la UnitOp adyacente. La UnitOp puede calcular caudal como una función de presión. La UnitOp puede usar el caudal calculado por otra UnitOp. Limitaciones de Balance de Masa para Calculos de caudal Solamente una UnitOp en una rama de la red puede calcular caudal. Si los nodos adyacentes para una UnitOp ambos usan, flow set by UnitOp y Fixed pressure , el caudal calculado puede ser utilizado como el caudal en un free inlet or free outlet node . Si
los nodos son adyacente a una UnitOp usar flow set by UnitOp, pero no ambos con fijar
presión, entonces el caudal a través del UnitOp está calculado a otro sitio en el flowsheet. El comportamiento de Flow set by UnitOp depende de las especificaciones del caudal de otros nodos en la rama. Para ilustrar, consideramos un sistema de la Fig. 6.5 La entrada para el SEGUNDO NODO es Flow set by UnitOp . El nodo usará el caudal de la tubería. Si la corriente del alimentación es fijada en la entrada, entonces éste es el caudal para la tubería. Si la corriente del alimentación es libre en la entrada y las corrientes del producto son caudales fijados, entonces el caudal libre de la alimentación de la entrada es establecida por el balance de masa. La entrada libre es el flujo a través de la tubería. Si la corriente de la alimentación es entrada libre, entonces una corriente del producto es de salida libre, y ambos nodos tienen presión fija, la entrada libre y la salida libre son establecidos por el caudal de la tubería. El caudal de la tubería es establecido por el caudal crítico para la tubería dada con las presiones de la entrada y salida especificadas. El trabajo de ejemplo demuestra comportamientos diversos de trasfondos de flujo para nodos. Fig 6.5 muestra el flowsheet para este trabajo.
6.6 NODO COMO DIVISOR Un nodo puede ser utilizado como un divisor. Las corrientes de la de salida del nodo quedarán a la presión del nodo.
190
Las corrientes de salida todas tendrán la misma temperatura y la composición pero los caudales puede diferir. Los caudales pueden ser especificados ya sea determinados por tubería /válvula o caudales fijos. Solamente
un caudal de corriente de salida puede ser de salida libre. Un Nodo especificado como un divisor es mostrado en la Fig. 6-6. El segundo nodo actúa como un divisor (dos corrientes de producto). Para N corrientes de entrada y salida hay que especificar N-1 valores. Para el segundo nodo en la Fig. 6-6, especificar los caudales de dos de las tres corrientes conectadas. Permite a la tercera corriente a ser libre por requerimientos de balance de masa.
Fig. 6-6 Si ambos caudales de la conexión de salida son especificados, entonces la corriente de entrada debe ser calculada como entrada libre al nodo 1 para mantener el balance de masa. Si una conexión de salida está calculada como conexión de salida libre por el nodo, entonces la corriente de la entrada puede ser flujo determinado por la tubería si ambos nodos están a presión fija.
6.7 VENTANA DE DIALOGO DE PRESION EN EL NODO Modo Seleccionar F i x e d p r e s s u r e para establecer la presión en el nodo y permitir que el flujo sea variable. Seleccionar Variable Pressur e para salir presión variable en el nodo. Presión sobre el Nodo Especifique la presión para el modo Fixed Pressure . Para el modo Variable Pressure la presión calculada es desplegada. Opcionalmente usted puede especificar un estimado para el modo Variable Pressur e . La estimación será reemplazada con resultado calculado. Presión Mínima Especifique superior con respecto a la presión en el nodo para el modo Variable Pressur e .Especificar presión mínima y máxima acelerará cálculos. Presión Máxima
191
Especificar una presión más baja para la presión en el nodo para el modo Variable Pressu re . Especificar presión mínima y máxima acelerará cálculos. Elevación Especificar la elevación en el nodo. La elevación adicionará una contribución de presión basada en la altura. Especificaciones son absolutas. Le elevación por defecto es cero. Son permitidas elevaciones positivas y negativas. Opciones de caudal (Entrada) Número de Corriente CHEMCAD despliega el número para la corriente de entrada Opción de Caudal Seleccione la especificación para la corriente Fixed Mole Rate/Fixed Mass Rate/Fixed Volu me Rate
El caudal de la corriente es una variable conocida. El caudal de la corriente es puesto como un valor especificado durante los cálculos. Flow set by Pipe/Valve/Pump
El caudal de la corriente es una variable dependiente. El caudal de la corriente será calculado por la UnitOp adyacente (corriente posterior) para satisfacer los requerimientos de presión. Free Inlet Stream
Especifica que la corriente de entrada al nodo es una variable dependiente. El caudal de la corriente de entrada será calculado mediante un balance de masa en el nodo. Solamente una entrada al nodo puede ser Free inlet . Especificación de Free inlet no son permitidas para corrientes que vienen de otro nodo. Usar Free inlet Stream para especificar una corriente de alimentación variable. Use Current Stream Rate
El caudal es una variable conocida. El caudal se fija como el caudal actual de la corriente Valor Especifique un caudal fijo para F i x e d m o l e r a t e , f i x e d m a s s r a t e , or f i x e d v o l u m e r a t e . F i x e d v o l u m e rate especifica la Tasa total Actual de Volumen d e la corriente. Las unidades
de ingeniería para el flujo son
desplegadas; las unidades del flowsheet de tasa molar, tasa de masa, y el caudal de líquido son usadas. 6.8 SIMULADOR DE TUBERIA Descripción
192
La UnitOp simulador de tubería en CHEMCAD es usada para modelar caída de presión de un fluido a través de una tubería. Modos de Tubería del Simulador de Tubería Sizing Option 5 (Given Size Pin and P o u t c a l c u l a t e f l o w r a t e ) de la UnitOp de tubería permite cálculos de caudal a través de la tubería como función de la geometría, presión de entrada y salida. La presión de salida de una tubería conocida es una función de la presión de entrada y d el caudal. Cualquiera de estas dos variables es variable independiente. Un UnitOp NODO puede usar (o calcular) el caudal desde una tubería adyacente como el caudal para una corriente conectada al nodo. Use la opción de corriente F l o w s e t b y p i p e / v al v e para el nodo. El uso de Sizing Option 5 para una UnitOp de tubería conectada a un nodo crea una variable en la red de tubería. La variable puede ser el caudal a través de la tubería o la presión a cualquier extremo de la tubería. Si el nodo es f i x e d p r e s s u r e , la presión del nodo será usada por la presión de la tubería adyacente. Si los nodos en cualquier lado de la tubería son f i x e d p r e s s u r e con F l o w s e t b y p i p e para las corrientes de la UnitOp tubería, el caudal a través de la tubería es calculado en base a las presiones de entrada y salida. Si uno de los nodos en cualquier lado de la tubería es v a r i a b l e p r e s s u r e , la presión variable es calculada en base a la presión fijada (desde el otro nodo) y caudal. El caudal puede ser un valor fijo dado por cualquier nodo, o este puede ser especificado en cualquier otro lugar en el flowsheet. 6.8.1 BOMBA Descripción La UnitOp Bomba tiene un modo de ecuación característica que calcula la presión de salida como como una función de la presión de entrada y el caudal. Modos de UnitOp Bomba en Red de tubería Una UnitOp NODO puede usar (o calcular) el caudal desde una bomba adyacente así como el caudal para una corriente conectada al nodo. Use la opción de corriente Flow set by pip e/valve para el nodo. El uso del modo de la ecuación característica especifica una incógnita en la red de tubería. La incógnita puede ser el caudal a través de la tubería o la presión en cualquier lado de la bomba. El nodo co nectado a la bomba actúa como restricción para la incógnita. 6.8.2 VALVULAS Descripción Existen dos UnitOps que pueden ser usadas para representar válvulas en la simulación de una red de tubería. La UnitOp válvula (VALV) permite un cambio arbitrario de presión adiabática entre nodos. Modos de UNITOP Válvula en Red de Tubería
193
Use una UnitOp válvula cuando una válvula cambia hacia o desde un nodo de presión variable. La UnitOp válvula es usada para cambiar la presión de la corriente para alcanzar la presión calculada por el nodo de presión. La válvula no ajusta caudal a menos que este cerrada. No especifique una presión de salida para la válvula. 6.8.3 VÁLVULA DE CONTROL Descripción La válvula de control PID puede ser usada en un modo de control manual en una red de tubería. El coeficiente de flujo de la válvula (Cv) debe ser especificado. La UnitOp de Válvula de Control (CVAL) tiene tres modos para control manual. Modos de Control de Válvula para Red de Tubería Modo F i x v a l v e p o s i t i o n and a d j u s t f l o w rate es usado para calcular el caudal como una función de Cv, posición de la válvula, presión de entrada, y presión de salida. La corriente después del nodo es f i x e d P y free inlet corriente, o variable P y free outlet corriente con entrada f l o w s e t b y U n i t O p . 6.8.4 COMPRESOR Modos de Compresor en Red de Tubería La UnitOp compresor en modo 5 S p e c i f y P e r f o r m a n c e C u r v e s calcula la presión de salida como una función del caudal volumétrico, eficiencia, y columna de gas. El caudal volumétrico y la columna para el compresor son funciones del caudal de masa y la presión de entrada del compresor. 6.8.5 NODO COMO MEZCLADOR Un nodo puede ser usado como un mezclador. Las corrientes de entrada al nodo todas tendrán la misma presión igual a la del nodo. Solamente un caudal de corriente de entrada puede ser free inlet . 6.8.6 UNITOPS AL ESTADO ESTACIONARIO UnitOps al estado estacionario estable pueden ser usadas en un diagrama de red de tubería.Una caída de presión constante puede ser introducida para una (no escalar) UnitOp al estado estacionario. Los nodos adyacentes reconocerán especificaciones de caída de presión en la UnitOp.Entre dos nodos debe haber un escalador de caudal. Un cambiador de calor y una tubería pueden estar en medio dos nodos, como el cambiador de calor no calcula caudal como una función de presión. Una caída de presión constante puede ser especificada para el cambiador de calor y eso afectará la caída de presión entre los dos nodos. Un cambiador de calor no puede ser la única UnitOp entre dos nodos, ya el cambiador de calor no tiene efecto sobre presión. 6.9 DIMENSIONAMIENTO DE VALVULAS DE CONTROL Tópicos Cubiertos · Dimensionamiento de Válvulas de Control · Válvula de Control · Uso de Nodos Establecimiento del Problema
194
Ejemplo 1 El ejemplo es para dimensionar una válvula de control para manipular un flujo de 113,000 lb/hr de Amoniaco Líquido en cada línea provenientes del tanque D-1. Nosotros debemos seleccionar el tamaño apropiado de las válvulas y luego determinar el porcentaje de abertura para cada válvula al servicio dado.
Este ejemplo esta localizado en la carpeta Simulad ores de Proceso s\
Tutorial
CHEMCAD\Ejemplo s\
Tub ería\Ejem pl o1.
Para dimensionar las válvulas usando CHEMCAD, debemos convertir el problema en una simulación. Permitiendo que CHEMCAD calcule las propiedades por nosotros, y luego hacer que CHEMCAD calcule los requerimientos de la válvula. La Simulación Para hacer el dimensionamiento inicial, todo lo que nosotros necesitamos son las corrientes con las propiedades correctas. Esto no es necesario para modelar los tanques: a) Nuevo trabajo b) Sistema de unidades: SISTEMA INGLES, (diámetro y espesor en pulgadas) c) Componenentes y PFD
195
d) Corriente de entrada -9 ºF, 225 psig y 226000 lb/hr e) Especificar el divisor (mitad para cada corriente de salida) y correr esta unidad En el flowsheet mostrado antes, las corrientes 1, 2 y 3 están a las condiciónes de entrada de -9 grados F, 225 psig. El divisor divide el flujo de 226,000 lb/hr en dos flujos iguales de 113,000 lb/hr de amoniaco.
Dimensionamiento de la Válvula de Control Para hacer el dimensionamiento inicial, efectuar la simulación del divisor de corriente, para calcular la información de flujo para las corrientes 2 y 3. Ambas corrientes deben estar a - 9 grados F, 225 psig y 113,000 lb/hr de amoniaco. Seguidamente ir al Menú Sizing , y seleccionar C o n t r o l v a l v e .
Seleccionamos la corriente 2
Aparece el siguiente cuadro de diálogo:
Ingresar 15 psig para Downstream pressure y presione el botón OK. Sobre la pantalla aparece el siguiente reporte: CHEMCAD 5.2.0
Page 1
196
Job Name: Ejemplo1 Date: 06/19/2007 Time: 07:10:34 Control Valve Sizing for Stream # 2 Loadings and Properties Vapor
Liquid
Flowrate
0.0000 lb/h
Flowrate
0.0000 ft3/hr
2710.1208 ft3/hr
Density
0.0000 lb/ft3
41.6956 lb/ft3
Total flow
113000.0078 lb/h
113000.0078 lb/h
Upstream pressure
225.0000 psig
Downstream pressure
15.0000 psig
Critical flow factor
0.9800
Corr. factor for reducers Static head
1.0000 0.0000 ft
Seat type
Single-Seat
Flow type
Critical flow
Calc. coefficient Cvc
19.0972
Capacity coefficient Cv Cvc / Cv ratio
36.0000 0.5305
Valve size
2.0000 in
CHEMCAD reporta las propiedades de la corriente y los parámetros calculados para la válvula. Repetimos el procedimiento para la corriente 3. En este caso la presión es 0.2 psig . CHEMCAD 5.2.0
Page 1
Job Name: Ejemplo1 Date: 06/19/2007 Time: 07:20:45 Control Valve Sizing for Stream # 3 Loadings and Properties Vapor
Liquid
Flowrate
0.0000 lb/h
Flowrate
0.0000 ft3/hr
2710.1208 ft3/hr
Density
0.0000 lb/ft3
41.6956 lb/ft3
Total flow
113000.0078 lb/h
113000.0078 lb/h
Upstream pressure Downstream pressure
225.0000 psig 0.2000 psig
197
Critical flow factor
0.9800
Corr. factor for reducers Static head
1.0000 0.0000 ft
Seat type
Single-Seat
Flow type
Two phase flow
Calc. coefficient Cvc Capacity coefficient Cv Cvc / Cv ratio Valve size
25.7685 54.0000 0.4772 2.5000 in
Evaluando un Caso Nuestra siguiente tarea es evaluar estas válvulas en una simulación. Queremos saber cual es el por ciento de abertura para estas válvulas en este servicio a 113,000 lb/hr . Desde Que esta tarea modela el comportamiento de las válvulas de control necesitaremos un flowsheet ligeramente mayor:
El divisor es fijado a 113,000 lb/hr y los tanques flash son determinados por el modo 2 (specify T and P) La UnitOp # 4 es colocada a -1 grado F, 15 psig
198
y la unidad Flash UnitOp # 5 es fijada a -28 grados F, 0 .2 psig.
Especificación de Válvulas de Control Válvula de control 1 UnitOp# 2 haciendo doble clic en ella. La pantalla de la válvula de control es mostrada debajo:
Ingrese Valve flow coefficient de 36 ,
199
Downstream pressure a 15 psig , Flow Manual Control Fix flow rate, adjust valve position. Presione OK y aparecerá el siguiente mensaje de advertencia, el cual podemos ignorarlo.
Válvula de control 2 UnitOp# 3 haciendo doble clic en ella. La pantalla de la válvula de control es mostrada debajo: Valve flow coefficient de 45, Downstream pressure de 0.2 psig, y Flow Manual Control fix flow rate, adjust valve position.
De igual manera que en el caso anterior aparece un mensaje de advertencia que podemos ignorarlo
200
Efectuar la simulación yendo al menú R u n y seleccionando R u n A l l . Apareciendo los dos mensajes de advertencia anteriores los cuales lo podemos ignorar
Para visualizar sus resultados, ir a al menú Results , y seleccionar las UnitOp’s . Usted deberá ver este diálogo preguntando por cual UnitOps quiere ver:
Si usted no ve esto, entonces luego usted ya tiene una unidad seleccionada en el flowsheet, y le exterioriza un informe para esa unidad. Cierre el reporte, no reelija como candidato a los UnitOps presionando la tecla de mayúsculas mientras hace clic sobre las unidades, regresar Results, UnitOp’s. Usted también puede deseleccionar UnitOps haciendo clic izquierdo sobre una sección libre del espacio de trabajo. Seleccione unidades # 4 y 5 y presione el botón OK. Usted verá el siguiente reporte: CHEMCAD 5.2.0
Page 1
Job Name: Ejemplo1 Date: 06/19/2007 Time: 08:48:12
201
Equip. No.
2
3
Name Valve flow coefficient Rangeability
36.0000
54.0000
10.0000
10.0000
0.9800
0.9800
Critical flow factor Downstream pressure
15.0000
0.2000
(psig) Calc. flow rate lb/h 113000.0078 113000.0078 Calculated Pout psig Valve position %
15.0000 72.5341
0.2000 53.3338
Valve Av
0.0625
0.0625
Valve Bv
-0.2500
-0.2500
Steady state position P crit. psig
72.5341
53.3338
7.3388
Este reporte muestra que la válvula #2 está 72.53% abierta, y la válvula #3 está 53.33% abierta. Nota: Con estas posiciones de la válvulas se consiguen las condiciones de llegada a los separadores Haciendo Clic derecho sobre la Válvula de Control Unit OP#3, y seleccionando View stream properties , nosotros podemos ver cuanto de vaporización ocurre a través de la válvula: CHEMCAD 5.2.0
Page 1
Job Name: Ejemplo1 Date: 06/19/2007 Time: 08:58:14 Stream No.
3
5
Name - - Overall - Molar flow lbmol/h
6634.9600
6634.9600
Mass flow lb/h
113000.0078 113000.0078
Temp F
-9.0000
-26.3670
202
Pres psig
225.0000
Vapor mole fraction Enth MMBtu/h Tc F
0.2000
0.0000
0.03331
-203.23 270.5000
Pc psig
-203.23
270.5000
1621.1091
1621.1091
Std. sp gr. wtr = 1
0.619
0.619
Std. sp gr. air = 1
0.588
0.588
96.9616
96.9616
Degree API Average mol wt
17.0310
17.0310
Actual dens lb/ft3
41.6956
1.6019
Actual vol ft3/hr Std liq ft3/hr
2710.1208 70542.4453 2925.1545
Std vap 60F scfh
2925.1545
2517825.5000 2517825.5000
- - Vapor only - Molar flow lbmol/h
221.0272
Mass flow lb/h
3764.3186
Average mol wt
17.0310
Actual dens lb/ft3
0.0554
Actual vol ft3/hr
67969.8438
Std liq ft3/hr
97.4443
Std vap 60F scfh Cp Btu/lbmol-F
83875.1797 8.2921
Z factor
0.9853
Visc cP
0.008052
Th cond Btu/hr-ft-F
0.0109
- - Liquid only - -
203
Molar flow lbmol/h
6634.9600
Mass flow lb/h
6413.9328
113000.0078 109235.6892
Average mol wt
17.0310
17.0310
Actual dens lb/ft3
41.6956
42.4612
Actual vol ft3/hr Std liq ft3/hr
2710.1208
2572.5989
2925.1545
Std vap 60F scfh
2827.7102
2517825.5000 2433950.2500
Cp Btu/lbmol-F
19.2296
19.0625
Z factor
0.0257
0.0016
Visc cP
0.2235
0.2521
Th cond Btu/hr-ft-F
0.3402
0.3529
Surf tens dyne/cm
31.6287
33.8028
Este cambio de volumen es porque CHEMCAD escogió una válvula mayor para la tercera corriente.Con la vaporización ocurriendo en la válvula, una válvula más pequeña de 2 pulgadas menos de cuerpo podría aproximar a la velocidad sónica a través del cuerpo de la válvula.
6.10 CAUDAL COMO FUNCIÓN DE PRESIÓN En simulaciones típicas en CHEMCAD la información fluye en una dirección: en sentido de la corriente. Condiciones arriba de la corriente determinan las condiciones de la corriente. En la mayoría de las simulaciones simplemente establezca las condiciones de las corrientes de alimentación. Las caída de presión son calculadas ya sea en base al flujo o especificadas en las UnitOps. Las presiones corriente abajo, presiones, etc., son calculados cuando se efectúa la simulación. Para simulaciones de tubería, el flujo y la presión son dependientes uno del otro. La contrapresión sobre válvulas, tubería y otras UnitOps afectan al caudal a través de la válvula. De otro modo, el caudal a través de una válvula (o tubería o bomba) determina la presión corriente abajo. En los modelos de flujo la válvula de control se clasifica según el tamaño modelo, algunas veces es útil para permitir que el caudal cambie como una función de la presión.
204
Ejemplo 2 Por ejemplo, asuma que una perturbación de proceso causada por la presión en el tanque D-2 para elevarse de 15 psig a 30 psig. ¿Asumiendo que la posición de la válvula no se altera, cual es el nuevo caudal desde D-1?
Este ejemplo esta localizado en la carpeta Simulad ores de Proceso s\
Tutorial
CHEMCAD\Ejemplo s\
Tub ería\Ejem pl o1.
En orden a responder esta pregunta, necesitamos introducir a UnitOp especial llamada nodo. Un nodo es un punto en la simulación que tiene una presión, flujo entra y sale. La unidad nodo crea una red, resolviendo para caudales a cada punto basado en las presiones fijadas. Los nodos son colocados en el diagrama antes de las válvulas de control. Para nuestro sistema, el flowsheet es modificado y mostrado a continuación:
La función del divisor (para dividir el flujo de entrada) es ahora manipulada por el NODO #1. El nodo balanceará los flujos de tal manera que todas las corrientes entrando y saliendo del nodo están a la misma presión. Los nodos son también colocados entre los tanques flash y las válvulas de control. En los nodos podemos fijar las presiones, y hacer que los caudales varíen como una función de la posición de la válvula y la diferencia de presión. Abriendo el NODO #1 haciendo doble clic en el:
205
Estamos asumiendo que la presión en este nodo es fijada a 225 psig. El flujo de entrada es puesto a Free inlet stream y
las dos corrientes de salida son dadas como F l o w s e t b y p i p e / v al v e. El flujo entrando a cada Válvula de
Control será determinado por la válvula de control Cv posición de abertura de la válvula, y la diferencia de presión a través de la válvula. Las otras dos UnitOps NODE son dadas de igual manera.
La presión se fija en 30 psig para el NODE #6, 0.2 psig para el NODE #7. El flujo entrando al nodo es controlado por la válvula de control ( Flow set by Pipe/valve), el flujo saliendo es un Free Outlet Stream.
206
Las válvulas de control necesitan ser cambiadas para fijar la posición de la válvula; y calcular el caudal. Para válvula 2 (Borramos la Downstream Pressure). Necesitamos dar el Valve mode para cada válvula como Fix valve position, adjust flowrate en orden a cambiar el caudal.
Y para la válvula 3
207
Ahora podemos efectuar la simulación. Ir al menú Run, seleccionar Run All. Podemos ver las corrientes alrededor del NODE #1 haciendo clic-derecho sobre el nodo y seleccionando V i ew s t r e a m c o m p o s i t i o n s del menú. Aparece el siguiente reporte: CHEMCAD 5.2.0
Page 1
Job Name: Ejemplo2 Date: 06/19/2007 Time: 21:28:12 Stream No.
1
2
3
Name - - Overall - Molar flow lbmol/h
13043.2031
6408.2427
6634.9600
Mass flow lb/h
222139.0000 109138.7813 113000.0078
Temp F
-9.0000
Pres psig
225.0000
Vapor mole fraction
-9.0000
-9.0000
225.0000
0.0000
225.0000
0.0000
0.0000
- - Liquid only - Molar flow lbmol/h Mass flow lb/h
13043.2031
6408.2427
6634.9600
222139.0000 109138.7813 113000.0078
El caudal de la corriente 2 disminuyó desde 113,000 lb/hr hasta 109138 lb/hr. Así es como podemos ver el efecto de contrapresión en los caudales a través de las válvulas.
208
6.11 SIMULACIÓN DE SISTEMAS DE BOMBEO Ejemplo 3 a) Enunciado del problema De un tanque cerrado provisto de un respiradero a la atmósfera se desea bombear agua a 20 °C (68 °F), hacia una torre de absorción. El nivel de liquido en el tanque se encuentra a 7,0 m (19,7 pies) sobre el eje de la bomba, el caudal es de 20,0 m 3 /h (88 gpm). La conexión de entrada del agua en el tope de la torre se halla a 20,0 m (65,6 pies) sobre el nivel del eje de la bomba. La línea de succión consiste de tubería de acero estándar de 2" (5,08 cm) de diámetro nominal, No. de cédula 40S y 40,0 m (131,2 pies) de longitud, posee 4 codos estándar y una válvula de compuerta ("gate") abierta. La línea de descarga también es de acero estándar de 2" (5,08 cm) de diámetro nominal, No. de cédula 40S y 60,0 m (198,6 pies) de longitud, tiene 2 codos estándar, 2 T usadas como codo y una válvula de control, la presión manométrica en la torre de absorción es de 137,9 kPa (20 psig).
b) Confección del diagrama de flujo 1. Abrir CHEMCAD 2. Seleccionar Nuevo trabajo 3. Hacer el diagrama de flujo y guardarlo con el nombre de SISBOMBEO 4. Seleccionar Pipe Simulator
209
5. Colocar la alimentación, el producto y las líneas de corriente, con lo cual se tiene:
Este ejemplo esta localizado en la carpeta Simuladores de Procesos\ Tutorial CHEMCAD\Ejemplos\ Bombas1\Bombas1 c) 62
Definir Componentes Water
d) Unidades de Ingeniería Format – Engineering Units : ENGLISH y cambiar Mass/Mole : Kg Temperatura: F Presión
: psia
e) Opciones Termodinámicas
210
Thermophysical:
K-Values: SRK
f) Opciones para Balance de Energía Thermophysical:
Entalphy: No entalphy (no hacemos balance de energía)
g) Editar las Corrientes 1.
Editar corriente 1: Temperatura: 68 F Presión: Water:
1.
14.7 psia 20000 kg/h
Editar Otras corrientes: En este caso no editamos ninguna otra corriente y nos limitaremos a simular el sistema para que se cumpla las condiciones de salida Temperatura: 68 F Presión: Water:
20 psig + 14.7 = 34.7 psia (sin usar válvula de control) 20000 kg/h
h) Especificaciones del Simulador de tubería 1
Pipe Sizing and Rating (PIPE) Method (fluid flow): 4. Water (Hazen-Williams) Sizing Option
factor:
0
Rating (default). El usuario debe ingresar el tamaño de la tubería
1
Design Single phase flow. El programa selecciona el tamaño de la tubería
Factor usado en le Ec. de Hazen-William. El valor por defecto es 120. El usuario puede especificar este valor para el Method 4: Hazen-Williams.
ipe diameter: Diámetro nominal de la tubería (Cuando se selecciona la Sizing Optión 0). Ingresamos 2 “ P/100 ft. (for sizing): Si se usa opción (Size Option 2) ingresar la caída de presión por 100 ft a ser usada Pipe length: Longitud de la tubería (no incluye accesorios) Pipe schedule: Opcional
211
Roughness: El valor por defecto es 0.00015 feet. El usuario puede sobrescribir este valor si desea. vation Change: Carga de elevación (Columna estática) Valor positivo (+) indica que el fluido está yendo hacia arriba y Valor negativo (-) indica que el fluido va hacia abajo
212
Recomendable correr esta unidad para tener una idea de la caída de presión y verificar la corriente 2
Vemos que la presión con la que llega a la Bomba es de 5.28 psia (En caso contrario especificar corriente 2) Simulador de tubería 2
213
Bomba1 L presión de salida de la bomba debe ser mayor que la presión de salida del sistema para compensar las pérdidas de presión en el lado de la succión. Especificamos una Presión de salida de 90 psia como un primer intento, una eficiencia de 70 %
Simulamos todo el sistema y verificamos la presión en la corriente 4 (salida del sistema de tubería de la descarga) Vemos que la presión de salida es: 41.15 psia, lo cual quiere decir que hay una caída de presión de: 90 – 41.15 = 48.85 psia Por lo tanto debemos especificar una presión de salida de la bomba de: 34.7 + 48.85 = 83.55 psia Simulamos todo el sistema y verificamos la Presión de salida en la corriente 4.
Se ha conseguido la presión deseada y se tienen los datos de consumo de potencia y otros para la bomba
214
NPSH (CSPN) A = hes –
hf s –
2,31 P v /SG
Viendo propiedades de la corriente 2 Stream No.
2
Pres psia Std. sp gr.
5.2888 wtr = 1
1.001
Vpres psia
0.341
(CSPN)A = 5.2888 –
2,31 *0.341 /1.00
(CSPN)A = 4.50
= 22.45
pies de líquido
USO DE CONTROLADORES Ahora usamos un controlador para ajustar la presión en la bomba hasta obtener la presión de salida deseada 1. Modificamos el diagrama de flujo agregándole un controlador
215
2. Especificamos la bomba dejando en blanco el espacio para la presión
Al hacer OK hay un mensaje de advertencia que podemos ignorar 3. Especificamos el controlador: Especificar el Controller mode como un feedback controller . Ajustar la presión de salida de la bomba hasta que la presión de la corriente 4 sea igual a un valor constante de 34.7 psia. Cuando usted finalice, la pantalla del controlador mostrará lo siguiente:
216
Luego correr el programa y ver los resultados
DIMENSIONAMIENTO DE TUBERÍA Y USO DE VÁLVULA DE CONTROL 1. Agregamos la válvula de control a la corriente en el lado de la descarga
2. Determinamos el tamaño de tubería 1: Zizing/Pipes
217
CHEMCAD 5.2.0 1
Page
Job Name: Bombas2
Date: 06/22/2007
Time: 13:33:50
Line Sizing for Stream 1 Stream Properties: Flowrate
Viscosity
kg/h Vapor
Density
cP
0.000
0.000
0.000 lb/ft3
Liquid
20000.000
1.033
62.293 lb/ft3
Total
20000.000
62.293 lb/ft3
Pipe Parameters: Vapor
Liquid
Reynolds
Friction
Press Drop
Reynolds
Number
Factor
psi/100 ft 0.0000
0.0 Pipe ID in 3.068 Flow Regime:
0.0000 Nominal Dia.
Schedule
in 3.000
Friction
Press Drop
Number
Factor
psi/100 ft
87853.0
0.0211
0.8151
Total Press Drop psi/100 ft
40
0.8151
Velocity ft/sec 3.8276
Single phase flow
218
2. Dimensionamos el medidor de orificio: Zizing/Orifice Seleccionamos Corriente: 4
CHEMCAD 5.2.0 1 Job Name: Bombas2
Page
Date: 06/22/2007
Orifice Sizing for Stream #
Time: 13:47:35
4
Loadings and Properties Vapor
Liquid
Flowrate kg/h
0.0000
kg/h
Flowrate ft3/hr
0.0000
ft3/hr
707.8459
Density lb/ft3
0.0000
lb/ft3
62.2910
Pressure taps Differential pressure Reynolds No.
20000.0003
D and D/2 100.0000
in of water
88211.3399
Sm factor
0.1654
Discharge coefficient
0.6068
Beta ratio, d/D
0.5127
Pipe inside diameter
3.0680
in
219
Bore size
1.5731
in
3. Válvula de control: Damos una caída de presión de 10 psia
CHEMCAD 5.2.0 1 Job Name: Bombas2
Page
Date: 06/22/2007
Control Valve Sizing for Stream #
Time: 13:52:10 1
Loadings and Properties Vapor
Liquid
Flowrate kg/h
0.0000
kg/h
Flowrate ft3/hr
0.0000
ft3/hr
707.8192
Density lb/ft3
0.0000
lb/ft3
62.2934
Total flow
20000.0003
kg/h
Upstream pressure
14.7000
psia
Downstream pressure
10.0000
psia
Critical flow factor
20000.0003
0.9800
220
Corr. factor for reducers
1.0000
Static head
0.0000
ft
Seat type
Single-Seat
Flow type
Subcritical flow
Calc. coefficient Cvc
40.6582
Capacity coefficient Cv
54.0000
Cvc / Cv ratio Valve size
0.7529 2.5000
in
4. Especificamos la válvula de control: colocamos 50 % abierta
4. Volvemos a especificar el controlador
221
Efectuar la simulación y comparar la potencia requerida sin Válvula y la necesaria con Válvula de control
INGRESO DE CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LA BOMBA Volvemos a la Figura 1
Ingresamos la curva característica de la bomba: ΔP = a - b*Q2 : psi
a = 75 Psi Q = 0.0016 psi/(gpm)2
222
Efectuamos la simulación Con esta bomba solamente podemos alcanzar una presión en la salida de 18.98 psia Debemos de probar con una bomba más grande DIMENSIONAMIENTO CORRECTO DE LA TUBERIA CHEMCAD 5.2.0 1
Page
Job Name: Bombas5
Date: 06/22/2007
Time: 14:41:39
Line Sizing for Stream 1 Stream Properties: Flowrate kg/h Vapor
Viscosity
Density
cP
0.000
0.000
0.000 lb/ft3
Liquid
20000.000
1.033
62.293 lb/ft3
Total
20000.000
62.293 lb/ft3
Pipe Parameters: Vapor Reynolds
Friction
Liquid Press Drop
Reynolds
Friction
Press Drop
223
Number 0.0 Pipe ID
Factor
psi/100 ft
Number
Factor
psi/100 ft
0.0000
87853.0
0.0211
0.8151
0.0000 Nominal Dia.
in 3.068 Flow Regime:
Schedule
Total Press Drop
in 3.000
psi/100 ft 40
0.8151
Velocity ft/sec 3.8276
Single phase flow
Reemplazando el diámetro correcto de 3 pulg en los simuladores de tubería y efectuando a simulación, se tiene que con la bomba propuesta se puede alcanzar 49.52 paia en la descarga y un consumo de 4.6021 Hp Cambiemos la eficiencia de la bomba a 50 % Que efecto tiene este cambio? EJEMPLO 4: FLUJO SIMPLE CON VÁLVULA DE CONTROL Y ORIFICIO Tópicos Cubiertos · Dimensionamiento de Valvulas de Control · Controladores Feedback · NPSH · Orifice Sizing/Rating · Pipe Sizing/Rating · Pipe UnitOp Enunciado del Problema El sistema de tubería mostrado debe ser diseñado para transportar 120 gpm de ácido acético glacial entre 70 y 140 ºF. La presión de entrada es dada como 20 psia, la de salida debe ser no menor que 20 psia. El sistema de tubería y sus elementos individuales deben ser dimensionados para condiciones de diseño y luego evaluadas a condiciones de operación. Nuestra meta es determinar la NPSHa y los requerimientos de columna para selección futura de la bomba.
224
Este ejemplo esta en Simuladores de Procesos\Tutorial\CHEMCAD\Ejemplos\ Bombas2.
CREANDO LA SIMULACION 1) Convertir la tubería isométrica aun flowsheet CHEMCAD. UnitOps de tubería son usadas para representar secciones enteras de tubería incluyendo accesorios:
2) Fijar unidades, (SISTEMA INGLES, Tiempo en Minutos) establecer el flujo total en gpm. Fijar la lista de componentes y las condiciones de la corriente 1:
3) Tamaño de tubería: Usando las herramientas CHEMCAD’s para dimensionar tubería ( Sizing Menu>Pipes) dimensionar la tubería en la red para el caudal de diseño de 120 gpm, a 70 F.
225
Seleccionar Corriente 1 Use tubería estándar de cédula 40. Como el fluido en este sistema está como liquido subenfriado y todos los flujos son constantes, esto requiere hacer solamente un cálculo para el lado de la descarga. Como un método corto, use 1 tamaño mayor de tubería en el lado de la succión de la bomba.
Al hacer clic en OK aparece los valores calculados: CHEMCAD 5.2.0 1
Page
Job Name: Sisbombeo2
Date: 06/18/2007
Time: 20:22:25
Line Sizing for Stream 1 Stream Properties: Flowrate lb/min Vapor
0.000
Viscosity
Density
cP 0.000
0.000 lb/ft3
226
Liquid
1055.485
Total
1055.485
1.182
65.297 lb/ft3 65.297 lb/ft3
Pipe Parameters: Vapor
Liquid
Reynolds
Friction
Press Drop
Reynolds
Number
Factor
psi/100 ft 0.0000
0.0 Pipe ID in 3.068 Flow Regime:
0.0000
Nominal Dia.
Schedule
in 3.000
Friction
Press Drop
Number
Factor
psi/100 ft
110272.1
0.0206
1.5604
Total Press Drop
Velocity
psi/100 ft 40
1.5604
ft/sec 5.2447
Single phase flow
El programa Recomienda un Tamaño de 3.0 pulgadas de Diámetro Nominal Tubo IPS C-40
Aleación 6063 Temple 6 Según norma DGN W-28-1956
Seleccionamos tubo de 3 1/2 " cuyo Diámetro interior es: 3.548 pulg 4) Tamaño del Medidor de Orificio (Sizing menu>Orifice) en el lado de descarga de la bomba.
227
Use 120 gpm, el tamaño de tubería determinado en el paso 2 anterior, la opción D and D/2 y presión diferencial de 100 pulgadas de agua .
Al hacer clic en OK aparecen los valores calculados:
CHEMCAD 5.2.0 1 Job Name: Bombas2
Page
Date: 06/21/2007
Orifice Sizing for Stream #
Time: 07:21:43
4
Loadings and Properties Vapor
Liquid
Flowrate lb/h
0.0000
lb/h
Flowrate ft3/hr
0.0000
ft3/hr
969.8646
Density lb/ft3
0.0000
lb/ft3
65.2969
Pressure taps Differential pressure
63329.1289
D and D/2 100.0000
in of water
228
Reynolds No.
95353.9537
Sm factor
0.1734
Discharge coefficient
0.6072
Beta ratio, d/D
0.5241
Pipe inside diameter
3.5480
in
Bore size
1.8595
in
En el reporte para el dimensionamiento del medidor de orificio se da el valor del coeficiente de descarga y podemos usar este valor en la caja de diálogo del simulador de tubería. 5) Dimensionamiento de la Válvula de Control (Sizing menu>Control valve) usando: Downstream Pressure 15 psia Opción : Single seat (de asiento simple)
Como la corriente #1está a 20 psia, simplemente estamos calculando una válvula de control para darnos una caída de presión de 5 psi. CHEMCAD 5.2.0 1 Job Name: Bombas2
Page
Date: 06/20/2007
Control Valve Sizing for Stream #
Time: 09:16:13 1
Loadings and Properties Vapor
Liquid
229
Flowrate
0.0000
lb/h
63329.1289
Flowrate ft3/hr
0.0000
ft3/hr
969.8646
Density lb/ft3
0.0000
lb/ft3
65.2969
lb/h
Total flow
63329.1289
lb/h
Upstream pressure
20.0000
psia
Downstream pressure
15.0000
psia
Critical flow factor
0.9800
Corr. factor for reducers
1.0000
Static head
0.0000
ft
Seat type
Single-Seat
Flow type
Subcritical flow
Calc. coefficient Cvc
55.3001
Capacity coefficient Cv
75.0000
Cvc / Cv ratio Valve size
0.7373 3.0000
in
6) Ingrese el coeficiente de flujo de la válvula Cv, del reporte de dimensionamiento, fijar la posición de la válvula a 50% abierta, y fijar Valve mode a Fix flow, valve position, calculate Pout.
230
7) Asuma una caída de presión en el intercambiador de 2 psi. Fijar la temperatura de salida en 140 ºF.
8) Tabular las válvulas, accesorios, longitudes de tubería, y cargas de el evación de cada sección de tubería. Todas las tuberías usarán el método Single phase, y el modo deberá ser fijado enrating. Usaremos ajustes uniones bridadas. Pipe #1 35 feet piping -8 foot elevation change 2 ball valve 4 std elbow 90 degree 1 tee, flow through branch 1 entrance, well rounded
231
Pipe #2 (before control valve) 14 feet piping 14 foot elevation change 2 ball valves 1 swing check valve, clearaway 2 tee, flow through run 1 orifice plate (as determined above)
232
Además Pipe #3 (after control valve) 24 feet piping 2 foot elevation change
233
2 ball valve 2 tee, flow through run 3 Std elbow 90 degree 1 exit from pipe
Pipe #4 (after E-1515) 157 feet piping 5 foot net elevation change 1 Ball valve 4 std elbow 90 degree 1 tee 100% flow through run 1 well rounded entrance 1 exit from pipe 7)
Especificar la presión de salida de la bomba en algún valor arbitrario (50 psia) y hacer una corrida de prueba. Verificar la presión de salida calculada, Podemos iterar para encontrar la columna de la bomba requerida.
Podemos ver que con una presión de descarga de la bomba de 61.5 psi, la presión de salida del sistema es 20.32 psi (cercano al valor especificado). Ejemplo 5 USO DE CONTROLADORES Al cambiar manualmente la presión de la conexión de salida de la bomba nos traerá donde necesitamos estar, es más fácil dejar que el programa haga el trabajo. Vamos a usar una UnitOp llamada un controlador de retroalimentación (CONT) para ajustar esta presión por nosotros. Un controlador Feedback en CHEMCAD no tiene nada que ver con válvulas de control de proceso o ajustes PID. En un modelo CHEMCAD el modelo es de estado estable, cuando usamos
234
el término “control de retroalimentación” hablamos de un controlador matemático. Es una
herramienta de matemáticas usada para ajustar una variable en un flowsheet hasta que un valor cumple nuestro valor especificado. Este ejemplo esta en Simuladores de Procesos\Tutorial\CHEMCAD\Ejemplos\ Bombas3. Cambie el flowsheet para incluir un controlador de retroalimentación ajusto antes de la flecha de producto.
Especificar el Controller mode como un feedback controller . Ajustar la presión de salida de la bomba hasta que la presión de la corriente 8 sea igual a un valor constante de 20 psia. Cuando usted finalice, la pantalla del controlador mostrará lo siguiente:
Cuando usted efectué la simulación, el controlador variará automáticamente la presión de salida de la bomba hasta que la presión saliendo de la última unidad de tubería sea igual a 20 psia. Nosotros ahora conocemos los requerimientos de columna para nuestra bomba.
235
6.12
Columna de Succión Positiva Neta Disponible (NPSHA)
NPSH es la Columna de Succión Positiva Neta, y se define como la presión total disponible en la succión de la bomba menos la presión de vapor del fluido que se está bombeando. Es a menudo reportada en pies de fluido que se está bombeando o pies de agua. Cada bomba tiene un requerimiento específico de NPSH (NPSHr) a una velocidad de operación dada. Para conseguir una operación segura la NPSH disponible (NPSHa) debe ser mayor que la NPSHr. En caso contrario, se puede producir la cavitación y fallas en el servicio. (CSPN) A = hes – hf s – 2,31 Pv /SG Presión total,Gravedad específica y Presión de vapor
CHEMCAD 5.2.0 1
Page
Job Name: Bombas4
Date: 06/21/2007
Stream No.
Time: 12:04:03
1
Name - - Overall - Pres psia Std. sp gr. Vpres psia
20.0000 wtr = 1
1.055 0.241
(CSPN) A = 22.9804 – 2,31 *0.241 /1.055 = 22.45
236
Calcular NPSHa. Para versiones 5.4 para adelante, calcular la columna de succión positiva neta en CHEMCAD es una tarea fácil. Abrir el diálogo con la bomba y colocar un checkmark donde dice Check here to Calculate NPSHa. Correr nuevamente la simulación, y aparecerá la NPSHa calculada. Es importante que para calcular la NPSHa debe ser correctamente especificada la tubería de entrada a la bomba. Si la tubería no es correcta, entonces la presión a la entrada de la bomba puede no ser correcta, y la NPSHa puede no ser correcta.
6.13
FLUJO BIFURCADO
Ejemplo 5: Flujo Bifurcado Tópicos Cubiertos • UnitOp Nodo • Red de Tuberias • Criterio de selección de la Bomba • Curvas de Operación de la UnitOp Bomba
Establecimiento del problema El sistema de tubería de la sección previa ha sido cambiado. Debido a la bifurcación del flujo hacia dos intercambiadores de calor, El problema no es tan simple ahora.
Este ejemplo esta en Simuladores de Procesos\Tutorial\CHEMCAD\Ejemplos\ Bombas4. El flujo bifurcado es un problema difícil para resolver usando nuestra aproximación de controlador. Los dos intercambiadores tienen diferente tubería, las cuales dan diferentes
237
caudales. Lo que necesitamos es una aproximación donde dividamos y recombinemos los flujos, y hacer que la simulación calcule la presión y caudales en una manera iterativa. La UnitOp “Node” da esta flexibilidad.
Un nodo es un punto donde la presión es uniforme. Puede haber múltiples entradas y salidas. Los flujos para cada corriente serán balanceados por CHEMCAD para alcanzar una presión uniforme. La presión puede ser especificada o permitida a variar.
Creando la simulación 1. Convertir los dibujos isométricos de tubería a un diagrama de flujo CHEMCAD
2. UnitOps Pipe (Tubería) son usadas para representar secciones enteras de tubería, incluyendo accesorios. Unit Ops NODE son colocadas donde la presión o caudal son desconocidos 3. Medidor de orificio: En corriente 7
CHEMCAD 5.2.0 1 Job Name: Bombas4
Page
Date: 06/21/2007
Orifice Sizing for Stream #
Time: 15:30:07
7
238
Loadings and Properties Vapor
Liquid
Flowrate lb/h
0.0000
lb/h
Flowrate ft3/hr
0.0000
ft3/hr
1008.9437
Density lb/ft3
0.0000
lb/ft3
62.7678
Pressure taps Differential pressure Reynolds No.
63329.1289
D and D/2 100.0000
in of water
160481.3886
Sm factor
0.1769
Discharge coefficient
0.6063
Beta ratio, d/D
0.5293
Pipe inside diameter
3.5480
in
Bore size
1.8778
in
3. Válvula de control como se ha visto en los ejemplos anteriores: Tomando datos de corriente 1
239
CHEMCAD 5.2.0
Page
1 Job Name: Bombas4
Date: 06/21/2007
Control Valve Sizing for Stream #
Time: 15:23:39 1
Loadings and Properties Vapor Flowrate
Liquid
0.0000
lb/h
63329.1289
Flowrate ft3/hr
0.0000
ft3/hr
969.8646
Density
0.0000
lb/ft3
65.2969
lb/h
lb/ft3 Total flow
63329.1289
lb/h
Upstream pressure
20.0000
psia
Downstream pressure
15.0000
psia
Critical flow factor
0.9800
Corr. factor for reducers
1.0000
Static head
0.0000
ft
Seat type
Single-Seat
Flow type
Subcritical flow
Calc. coefficient Cvc
55.3001
Capacity coefficient Cv
75.0000
Cvc / Cv ratio Valve size
0.7373 3.0000
in
Luego dimensionando la válvula a 50 % abierta
240
4. Asuma una caída de presión a través de cada intercambiador de 2 psi. Con esto la especificación de los intercambiadores será:
5. Tabular las válvulas, accesorios, longitudes de tubería y cambios de elevación para cada sección de tubería. Usaremos uniones completamente bridadas. En todas usar: Method: 2 Single phase flow Sizing Option: 5 Given size, Pin and Pout Calc flowrate Thermal mode: Adiabatic Pipe diameter: 3.548 pulg Pipe schedule: 40
241
Además los datos de longitud y accesorios para cada Unit Op tubería 5.1 Tubería: UnitOP 1 1 entrance, well rounded 2 ball valve 4 std elbow 90 degree 1 tee, flow through branch 35 feet piping 5.2 Tubería: Unit Op 4 (Antes de la válvula de Control) 1 swing check valve, clearaway 2 ball valves 2 tee, flow through run 1 orifice plate (as determined above) 14 feet piping 14 foot elevation change 5.3 Tubería: UnitOp 8 (Después de la válvula de control:) 1 ball valve 1 tee, flow through run 2 Std elbow 90 degree 10 feet piping 5.4 Tubería: UnitOp 10 (Al intercambiador superior) 1 tee, flow through branch 1 ball valve 1 exit from pipe 3 std elbow 90 degree 24 feet piping
242
5.5 Tubería: UnitOp 13 (Después del intercambiador superior) 1 ball valve 1 well rounded entrance 3 std elbow 90 degree 1 tee, flow through branch 30 feet piping 4.6 Tubería: UnitOp 14 (Al intercambiador inferior) 1 ball valve 1 exit from pipe 1 tee flow through run 1 std elbow 90 degree 14 feet piping 5.7 Tubería: UnitOp 17 (Después del intercambiador inferior ) 1 std elbow 90 degree 1 ball valve 1 well rounded entrance 1 tee flow through run 10 feet piping 5.8 Tubería: UnitOp 19 (Salida del sistema) 3 std elbow 90 degree 1 exit from pipe 147 feet piping 6. Bomba – En este momento no conocemos las especificaciones de la bomba, de tal manera que estableceremos para la bomba “Specify Outlet Pressure” y dejaremos en blanco la especificación para la presión. Las UnitOps NODE calculan para los incrementos de presión, y fijan la presión de salida adecuadamente.
243
7. Fijar los nodos con la información adecuada Node 3 Mode: Variable pressure Inlet streams. 4 stream: flow set by pipe/valve Outlet Streams. 5 stream: flow set by pipe/valve Elevation = 20 feet Node 5 Mode: Variable pressure Inlet streams. 6 stream: flow set by pipe/valve Outlet Streams. 7 stream: flow set by pipe/valve Elevation = 34 feet Node 7 Mode: Variable pressure Inlet streams. 8 stream: flow set by pipe/valve Outlet Streams. 22 stream: flow set by pipe/valve Elevation = 34 feet Node 9 Mode: Variable pressure
244
Inlet streams. 21 stream: flow set by pipe/valve Outlet Streams. 16 stream: flow set by pipe/valve 9 stream: flow set by pipe/valve Elevation = 34 feet Node 12 Mode: Variable pressure Inlet streams. 18 stream: flow set by pipe/valve Outlet Streams. 19 stream: flow set by pipe/valve Elevation = 50 feet. Node 16 Mode: Variable pressure Inlet streams. 11 stream: flow set by pipe/valve Outlet Streams. 15 stream: flow set by pipe/valve Elevation = 38 feet. Node 18 Mode: Variable pressure Inlet streams. 3 stream: flow set by pipe/valve 20 stream: flow set by pipe/valve Outlet Streams. 12 stream: flow set by pipe/valve Elevation = 42 feet. Node 20 (Último nodo) Mode: Fixed pressure Pressure at node: 20 psia Inlet streams. 13 stream: flow set by pipe/valve Outlet Streams. 14 stream: Free outlet stream Elevation = 43 feet.
245
Efectuando la simulación Para efectuar la simulación, presionar el Run All o ir a R en el meú Run, y seleccionar Run All . Si la simulación no converge, verificar todos los valores ingresados y correr nuevamente. La simulación puede ser sensible a estimados iniciales y ajustes min/max en los nodos. La convergencia es también un proceso iterativo, de esta manera usted puede necesitar incrementar el número máximo de iteraciones para un flowsheet dado. Cambiamos el número máximo de Iteraciones a 100 y Corremos el programa. Los resultados son los siguientes BOMBA CHEMCAD 5.2.0 1
Page
Job Name: Bombas4
Date: 06/21/2007
Time: 16:43:03
Pump Summary Equip. No.
2
Name Output pressure
psia
178.9701
Calculated power
hp
24.6829
Calculated Pout
psia
178.9701
Head
ft
344.0061
Vol. flow rate
ft3/hr
Mass flow rate
lb/h
2174.2273 141970.1719
Luego de efectuada la simulación, verificar el incremento de presión en la UnitOp’s Pump. Esto
nos da los requerimientos de columna de nuestra bomba. Usando esta información y nuestro caudal de (120 gpm) podemos consultar un manual de bombas para determinar el tamaño correcto de la bomba. Ejemplo 6 Enunciado del problema:
246
Este ejemplo esta en Simuladores de Procesos\Tutorial\CHEMCAD\Ejemplos\ Bombas4.
En la red de tubería anterior, Agua (water) a 77F y 14.7 psi es alimentada a 2509 lbmol/h a una bomba cuya ecuación característica es mostrada a continuación:
Las secciones de tubería A, B y C son hechas de acero comercial número de cédula 40, los parámetros de la línea de tubería y elevaciones son mostrados a continuación:
Node
Elevation, ft
1
0
2
0
3
25
4
80
5
60
Pipe
D, in
L, ft
A
3.068
80
B
2.067
300
C
2.067
500
247
Si la presión en la entrada de los dos tanques de descarga (nodos 4 y 5 en el diagrama anterior) es 14.7 psi, reportar los flujos y presiones en cada uno de los 5 nodos usando una simulación en CHEMCAD. Procedimiento: Paso 1: Crear el flow sheet
Paso 2: Ingreso de componentes y unidades de ingeniería Seleccionar de la lista de componentes: Water y adicionarlo a Component list Mantener la opción predeterminada de unidades de ingeniería: ENGLISH
Paso 3: Ingresar la composición de la alimentación Temperature=77 F, Pressure=14.7 psi, water flow rate=2509 lbmol/h, dado en el enunciado del problema. Clic en Flash Para obtener la entalpía de la corriente y fracción de vapor en la alimentación a condiciones de alimentación.
248
Paso 4: Especificaciones de la bomba En
la
characteristic página de especificaciones, seleccionar Enter eqn for mode. Seleccionar psia paraPressure units y gpm para liq. vol. rate units. Ingresar 72 para A y 0.0042 para B. Eficiencia puede ser dejada en blanco ya que esta información no es dada en el enunciado del problema. (el valor por defecto para la eficiencia es 100%). Clic en OK para continuar.
Paso 5: Especificaciones del simulador de tubería Primer simulador (Tubería A de acuerdo al enunciado del problema y unidad de operación 4 en el flow sheet CHEMCAD). Especificaciones: Method: Seleccione la opción 2, Single phase flow Sizing option: Seleccione la opción 5, Given size, Pin and Pout, calc flow rate Pipe Diameter: Convertir el diámetro dado para la Tubería usando F6 y luego ingrese este valor
en el campo correspondiente (0.256 ft) Pipe Schedule: Ingrese 40 Pipe Length: Ingrese 80 ft Elevation change: Dejar en blanco , CHEMCAD calculará esto automáticamente basándose en las
especificaciones dadas en los nodes. Roughness factor: Dejar en blanco Pipe Material: Seleccione commercial steel (opción disponible en versión 5.3)
249
Clic sobre OK para continuar.
De manera similar, completar el paso 5 para tuberías B y C.
Paso 6: Especificaciones para Nodos Hay cinco nodos en nuestro flow sheet, las especificaciones de cada uno de los cinco son diferentes y dependientes de las dos unit ops a las que está conectado. Usualmente, cuando los nodos están en medio del flow sheet, es preferido Flow set by unit op como la flowrate
250
options. Cuando el nodo está al comienzo o al final de la línea de flujo, se puede seleccionar Free inlet stream y Free outlet stream respectivamente. Si el flujo de entrada al nodo es el mismo que el de salida de la Unit Op previa, se prefiere Use current stream rate. Para mayor información consultar la ayuda.Proporcionar 0.001 psi y 100 psi como los límites mínimo y máximo para la presión cuando sea aplicable. Proporcionando límites máximo y mínimo se aceleran los cálculos. Sin embargo, esta es una entrada opcional y puede dejarse en blanco. Primer nodo (Unit Op 1 en el flow sheet):
6.15 BOMBEO DE GASES Estaciones de Compresión La presión del gas fluyendo a través de líneas de tubería disminuirá en la dirección del flujo a lo largo de la tubería. El propósito de la estación del compresión es devolver la presión del gas a la presión de operación máxima. Las descripciones de la configuración general de una estación de compresión con sistema de refrigeración de propano, acondicionamiento de combustible, consumo de potencia en una estación de compresión, y otras facilidades son contenidas en las siguientes secciones. Diseño conceptual de estaciones de compresión Dependiendo del modo de operación de la tubería, un sistema de refrigeración puede ser requerido para enfriar el gas de descarga del compresor hasta una temperatura debajo de 32 ºF antes que el gas reingrese la tubería. La simulación Térmica-Hidráulica de la tubería es necesaria para determinar las cargas estacionales de refrigerante desde la operación tanto de la compresión del gas y el sistema de refrigeración variará estacionalmente. La carga de refrigerante será más grande durante los períodos más calientes del año y las cargas mínimas (o sin refrigerante) durante el invierno.
251
Un diagrama de flujo general de proceso para un sistema típico de compresión del gas con refrigeración de propano del gas de descarga es mostrado en Figure 4.1. Las condiciones de operación contenidas en la siguiente descripción se usaron para determinar las cargas de refrigerante y los costos de capital para la los sistemas de refrigeración especificados a lo largo de este estudio. La simulación de un proceso del lazo de refrigerante se ha preparado basado en condiciones de operación hipotéticas las cuales consisten de gas llegando a la entrada de la estación a 20 ºF y 1,515 psia, y luego es comprimido hasta 2,530 psia. La presión en la entrada es consistente con la presión de operación mínima necesaria para permanecer fuera de la región de dos fases de la envolvente para el gas del escenario 3 del ejemplo anterior. El gas será comprimido hasta 2,530 psia para permitir una caída de presión de 15 psi a través del enfriador y la tubería de la estación de descarga. Se ha asumido que el gas de la descarga del compresor podría ser enfriado hasta 28 ºF antes de reingresar a la línea de tubería (gasoducto).
La temperatura del gas en la descarga del compresor (etiquetada “Descarga de Gas” en la figura) variará dependiendo de la eficiencia del compresor, la razón de presionesde descarga y succión, y la temperatura del gas de succión. Un enfriador el cual es un intercambiador de calor consistiendo de numerosos tubos inmersos en un baño de propano líquido como refrigerante. El gas caliente de descarga fluye a través del lado de los tubos del enfriador (“enfriador_C3”)
donde es enfriado hasta 28 ºF mientras el refrigerante líquido se vaporiza. El refrigerante vaporizado (“C3_del enfriador”) es comprimido hasta la presión necesaria para condensarlo usando aire a la temperatura ambiente como medio de enfriamiento (“C3_salida compresor”). El refrigerante condensado saliendo del enfriador de aire (“C3_a la válvula”) pasa
a través de una válvula reductora de presión (“Válvula Reductora de Presión") y es retornado al enfriador. Una porción del refrigerante se vaporiza a medida que la presión es reducida a través de la válvula y este vapor pasa a través del enfriador a la succión del compresor de refrigerante. Las condiciones de operación del propano dentro del enfriador dependen de la temperatura especificada para el gas comprimido entrando a la línea de tubería ("Gasoducto"). Típicamente, la temperatura del refrigerante es mantenida a aproximadamente 5 ºF debajo de la temperatura especificada para el gas enfriado entrando a la línea de tubería. Por ejemplo, enfriando el gas de la línea de tubería hasta 28 ºF se requerirá que el refrigerante sea mantenido a 23 ºF. Hay una presión única a la cual el refrigerante propano hervirá a 23 ºF, por lo tanto fijando la
252
temperatura del refrigerante también se establece la presión de operación en el lado del refrigerante en el enfriador. La presión de evaporación del refrigerante en el enfriador es aproximadamente 57 psia. El vapor desde el compresor de refrigerante (“C3 Salida Compresor”) es condensado pasándolo
a través de numerosos tubos contenidos en un banco de tubos mientras que grandes ventiladores impulsan el aire del ambiente a través del exterior de los tubos (“Condensador de C3”). Los condensadores de refrigerante son diseñados para permitir una diferencia de
temperatura entre el refrigerante condensado y el aire del ambiente siendo usado como medio de enfriamiento. Estos condensadores son tipicamente especificados basados en una diferencia de 15 a 20 ºF, o “aproximación,” entre la temperatura del aire ambiente y el refrigerante
condensado. La presión a la cual los vapores de refrigerante deben ser comprimidos es en razón ser condensado ante incrementos de temperatura del aire ambiente. Las cargas de refrigerante en este estudio se basan en una temperatura ambiental de aire de 70 ºF, una aproximación de temperaturas en el condensador de 20 ºF, y por lo tanto una temperatura de condensación de refrigerante de 90 º F. Basado en la composición de refrigerante asumida en este estudio, el refrigerante enteramente se condensará a un líquido a 90 º F y una presión de aproximadamente 179 psia. Se había asumido que habría una caída de presión 10 psi a través del condensador de refrigerante enfriado por aire, así el vapor de refrigerante saliendo del enfriador a 57 psia debe ser comprimido hasta aproximadamente 189 psia en orden a que el refrigerante sea condensado a 90 ºF. El sistema de refrigeración operará mas eficientemente durante el invierno debido a que la temperatura ambiente del aire de enfriamiento permitirá que el vapor del del refrigerante condense a menor temperatura, y correspondientemente una menor presión que durante el verano. La presión de operación en el lado del refrigerante en el enfriador, sin embargo no cambiará estacionalmente, a medida que que la temperatura dada del gas de descarga reentrando a la línea de tubería permanezca a 28 ºF. La presión diferencial entre la succión y la descarga del compresor de refrigerante disminuirá durante el invierno, por consiguiente reduciendo la carga en el compresor de refrigerante y el consumo de combustible. La temperatura de la tierra rodeando la tubería corriente arriba de la estación se enfriará durante el invierno resultando en una correspondiente reducción de la temperatura del gas en la succión del compresor debido a la transferencia de calor a través de la pared de la tubería. Una reducción en la temperatura de succión del compresor resultará en un gas más frío de descarga del compresor y una reducción de la carga de refrigerante. Las cargas de refrigerante serán inferiores durante la primavera y el otoño con esencialmente ninguna carga encontrada durante el invierno debido a la combinación de temperaturas más frescas del gas de descarga y eficiencia aumentada del sistema de refrigeración. La simulación del sistema de refrigeración fue ajustada para determinar la potencia de operación (Hp) a 27 ºF de temperatura del aire del ambiente, el cual es el promedio anual de temperatura. Los resultados de simulación demuestran que el refrigerante tendría que ser comprimido hasta
253
aproximadamente 107 psia para ser condensado a 47 ºF (20 º F aproximado a 27 ºF). La potencia (Hp) de compresión de refrigerante requerido en las condiciones ambientales comunes es aproximadamente 42 por ciento de la potencia instalada del refrigerante basada en la condensación del refrigerante a 90 º F.
La potencia instalada para los sistemas de refrigeración en este estudio está basada en la condensación del refrigerante usando
aire caliente del ambiente durante el verano y
condensación del refrigerante a 90 ºF. El promedio anual de consumo de combustible del sistema de refrigeración está basado
en una temperatura promedio de condensación del
refrigerante de 47 ºF y operación del compresor de refrigerante a 42 por ciento de la potencia instalada.
Una distribución conceptual de una estación de compresión "típica" con refrigeración es mostrada en la Figura 5.2. El propósito es mostrar la configuración general de un estación de compresión típica. 1 milla 5280 pies Requerimientos de potencia Los requerimientos de potencia en la estación de compresión consiste en la compresión del gas, compresión del refrigerante y generación de potencia para utilitarios. Las evaluaciones contenidas en este trabajo están basadas en el uso de equipo de quemado de gas natural como combustible extraído de la línea de gas. Cálculos hidráulicos de la línea de tubería El modelo propuesto consiste de un segmento de tubería, una válvula, y un compresor de gas. Las condiciones del gas a la entrada de la línea se han establecido en 28 ºF y 2,515 psia (2,500 psig) para todas las corridas hidráulicas. 1. Tomamos la mezcla del Escenario 3 del ejemplo anterior: tomamos las composiciones dadas en el ejemplo anterior
2. Confeccionamos el diagrama de flujo mostrado en la figura
254
3. Especificamos las características del segmento de tubería
Longitud del segmento: 150 Millas 1 milla 5280 pies 4. Mediante un análisis de sensibilidad determinamos el flujo de gas necesario para obtener una presión de 1,515 psia en la descarga del segmento de tubería. Esto determina el máximo flujo a través de la tubería como una función de la distancia entre estaciones de compresión. El flujo de gas debe ser de 701 MMscfd Fijamos la temperatura de entrada: 28 ºF Presión de entrada al segmento: 2515 psia
255
Otra posibilidad es para mantener un caudal dado de gas y ajustar las longitudes de los segmentos para dar una presión de aproximadamente 1,515 psia a la salida del segmento. Una presión máxima de operación (MOP) de 2,515 psia se ha seleccionado ya que provee una rigidez de la tubería esto es ampliamente considerada en la industria como favorable para resistir los efectos de movimiento diferencial de la tubería. Una presión en la entrada de la estación de 1,515 psia se habia seleccionado para evitar el área de dos fases sobre la envolvente para la mezcla del escenario 3 del ejemplo anterior. 5. Usamos una válvula para simular una caída de presión de 5 psi a través de la tubería entre la entrada a la estación y la succión del compresor.
6. Especificación del compresor.- La descarga desde el compresor de gas fue establecida a 15 psi sobre la MOP de la línea de tubería para compensar la caída de presión a través de los enfriadores del gas (modelado separadamente). Una eficiencia promedio del compresor de 77.5 por ciento (adiabatica) fue usada para los cálculos de compresión del gas.
Simulamos el proceso y tenemos las propiedades de las corrientes
256
Job Name: ttrabajo
Date: 01/22/2007
Stream No.
Time: 16:29:51
1
2
3
4
76969.6250
76969.6250
76969.6250
76969.6250
28.0000
28.0000
27.9666
45.5488
2515.0000
1514.6245
1510.0000
2530.0000
Name
- - Overall - Molar flow lbmol/h Temp F Pres psia
Y las características de compresor CHEMCAD 5.2.0
Page 1
Job Name: ttrabajo
Date: 01/22/2007
Time: 16:32:29
Compressor Summary Equip. No.
3
Name Pressure out
psia
2530.0000
Type of Compressor
1
Efficiency
0.7750
Actual power
hp
8290.4434
Cp/Cv
1.9549
Theoretical power Ideal Cp/Cv Calc Pout
hp
6425.0933 1.0932
psia
Calc. mass flowrate
2530.0000 2286272
(lb/h)
257
Predicción de la formación de hidratos Ejemplo: Petroxxxx - Gas
258
CHEMCAD 5.2.0 1 Job Name: Gas
Page
Date: 01/23/2007
Time: 18:51:21
Hydrate Prediction Stream
1
Actual Hydrate point
Temp
Press
F
psia
68.000
964.730
62.941
964.730
Se tiene el punto de hidrato.
259
7. SIMULACION DINÁMICA Y CONTROL DE PROCESOS CHEMCAD puede usarse para hacer simulaciones dinámicas y diseñar sistemas de control. Esto lo ilustraremos con los siguientes casos: 7.1 TANQUE MEZCLADOR Considerar un proceso de mezclado en el cual una corriente de solución conteniendo sal disuelta fluye a un flujo volumétrico constante de 1000 lbs/h. Si inicialmente se tiene: En el tanque: 15000 lb totales 10000 lb de agua 5000 lb de sal 120 oF Determinar el cambio de concentración en el tanque cuando la alimentación cambia a: 1000 lb/h de agua pura 120 oF Solución Para obtener la ecuación que relacione la concentración de sal en el tanque en función del tiempo.
Sistema de mezclado
260
USO DE CHEMCAD 1. Diagrama de flujo Creamos un diagrama de flujo en CHEMCAD, el cual represente al tanque mezclador:
El diagrama de flujo mostrado es una representación del problema de sal. Una alimentación se enviará a un tanque de cierto volumen. El tanque tendrá una cantidad inicial de sal. El propósito del problema es monitorear la cantidad de sal en el tanque a medida que la operación progresa. El Metodo Dinámico tiene su propia flexibilidad de asignación. El reciclo representa el contenido del tanque. Esto necesitará establecer la condición inicial para cada simulación. La corriente 1 es la alimentación para el tanque y La corriente 3 es el producto del tanque. 2. Lista de componentes:
3. Unidades de Ingeniería Dejamos el sistema Ingles (predeterminado) y solamente cambiamos las unidades de masa a lb
261
4.
Opciones Termodinámicas Valores K: Ideal Vapor Pressure Entalpía: Latent Heat 5. Seleccionamos la corriente de reciclo (cut Stream)
6. Editamos condiciones de alimentación
262
7.
Editamos corriente de reciclo
O directamente haciendo doble clic sobre la corriente
263
Para este problema, estamos claramente interesados en la sal y agua. Hemos especificado la sal como un sólido. Usamos Calor Latente para la entalpía y presión de vapor ideal para Valor K.Notar que los contenidos del tanque son especificados. También hemos especificado que la corriente 4 es la corriente de reciclo. Esto es necesario para asegurar que los cálculos comienzan con estas especificaciones. Esto es hecho accediendo al Menú Specifications y seleccionando el submenú Cut Streams. 8.
Especificaciones de las UnitOP Necesitamos ajustar la especificación para el divisor. Podemos hacer esto especificando un flujo de salida (la Corriente 3) o los contenidos del tanque. En este caso, el tanque se echa a andar lleno. Así es que, la Corriente 4 está especificada. Ajustamos la Corriente 3, flujo de la conexión de salida como 1000 lb/hr. Notar que esta especificación debe ser consistente con su paso de tiempo. En el ejemplo, simularemos con un paso de tiempo igual a una hora. Si comenzaríamos con el tanque vacío, deberíamos especificar la Corriente 4. El divisor tratará de hacer la especificación. Si no puede, reciclará a toda la Corriente 2 hasta conseguir las especificaciones del reciclo y, luego permitir la salida de material a través de la Corriente 3.
9.
Acceder a la Simulación Dinámica El Metodo Dinámico requiere seleccionar ‘ Dynamic ’ en lugar de la condición estable.
Acceder al menú Run. Seleccionar el submenú Convergence.
264
La pantalla resultante es mostrada en la figura. Una vez que se selecciona, usted podrá ejecutar una simulación dinámica de su flowsheet. Usted introdujo la tasa de alimentación en lb/h. Esto es lo que queremos para esta simulación. Sin embargo, si quisieramos simular intervalos más de más cortos por la iteración, entonces necesitaría ingresar una alimentación diferente. El tanque, sin embargo,todavía sería 15000 lb. Para ambas entradas, las unidades en la corriente todavía serían lb/h.Entonces, usted necesita mentalmente seguir la pista a las unidades de flujo con las que usted está trabajando. Referente a su balance de materiales no estacionario desarrollado.
10. Parámetros para Simulación Dinámica Una corrida dinámica es seleccionada del menú Run usando el submenú Dynamic.
265
Si el submenú Dynamic no es resaltado, entonces la opción Dinámica no ha sido seleccionada adecuadamente bajo el submenú Convergence. El submenú DYnamic levantará una página de multiopción.
Ésta es la página multiopción bajo Dynamics. Usted necesita establecer quiere monitorear durante el curso de la corrida. Esto está hecho bajo Record Steams.
lo
que
Usted también necesitará ajustar el Tiempo De Ejecución. Si usted ha hecho una corrida y quiere probar trasfondos nuevos, entonces usted puede empezar la corrida de la condición del archivo corriente o usted automáticamente puede comenzar de la condición inicial. Usted también puede reanudar para la condición inicial. Reanudar para la condición inicial es precisado antes de que usted ajuste flujos de corriente. En este caso estamos interesados en el contenido del tanque
11. Método Dinámico: f(t)
266
Bajo la opción Set Run Time, necesitamos primero establecer el número de operaciones diferentes que vamos a mirar. Para los propósitos de este problema, queremos monitorear la operación sobre un período de diez horas pero no tenemos a la vista cualquier otra operación diversa. Entonces, queremos un paso de operación.
Una vez que hemos ajustado el tiempo de ejecución, necesitamos ajustar la información del paso (Step). Entonces, seleccionamos un Step 1. En este caso, solamente corremos para 10 horas o 600 minutos. Sin embargo, podría marcar el tiempo de simulación basada en lograr un cierto valor de propiedad de corriente o del equipo. Notar que tuvimos que introducir el paso de tiempo de 60 minutos. Esto debe estar consistente con su tasa de alimentación. Así, hemos introducido 1000 lb/h como la alimentación. Ésta es la tasa del alimentación de cada hora. Por consiguiente, necesitamos ajustar el paso de tiempo para 60 minutos.
12. Efectuando la Simulación En la página multiopción hacemos clic sobre Run from Inicial State para efectuar la simulación y cuando esta ha concluido aparece el siguiente mensaje
267
La simulación también podemos efectuarla haciendo clic sobre los iconos de la barra de menú correspondientes a simulación dinámica, los cuales se activan al seleccionar la opción Dynamics en lugar de state stable.
13. Accediendo a los resultados Accedemos a los resultados a través del Menú Plot Menu y submenú Dynamic Stream History como se muestra.
El submenú es mostrado y podemos seleccionar lo que queremos ver.
268
Estos resultados son equivalentes a los obtenidos resolviendo la Ec. Diferencial. Ya que CHEMCAD usa el método de Euler, hay un error de integración asociado con esta simulación dinámica. Suponemos que cambiando el problema para simular con pasos de tiempo de 6 minutos. Necesitamos volver a especificar la alimentación como 1000/10 lb/hr La corriente 1 es colocada para 100 lb/hr aún cuando realmente es 100 lb / (seis minutos). Necesitamos resetear el divisor a 100 lb/h de flujo de la conexión de salida (realmente 100 lb / (seis minutos). ¡No se olvide de resetear la condición inicial antes de los cambios! Necesitamos igualmente, resetear el tiempo de simulación para intervalos de tiempo de 6 minutos. Los resultados están en la siguiente figura. Vea si usted reproduce esos resultados.
269
En este caso, el intervalo de tiempo de 6 minutos reporta 2572 lb de sal en el tanque al final de la simulación. Usando el paso de tiempo de una hora, el resultado fue 2622. La ecuación diferencial reporta 2567 lb de sal después de 10 horas. Los resultados tabulares se obtienen a partir del Menú Results y el submenú Dynamic Stream History.
7.2 Módulo Controlador 7.2.1 Introducción El módulo controlador es colocado en el diagrama de flujo entre otros módulos de unidades de operación y tiene los dos modos siguientes: Modo Feed forward: Este modo le permite a usted pasar la información calculada de la corriente o equipo a un equipo especificado. Por ejemplo, el controlador feed foward puede ser usado para enviar el trabajo calculado de un expansor a un compresor como el trabajo disponible, o pasar la carga de calor de un intercambiador de calor a un rehervidor de una columna de destilación. Controlador Feedback: Este modo le permite a Ud. ajustar una variable de equipo hasta que una condición especificada es lograda. Por ejemplo, usted puede ajustar la tasa de flujo de corriente variando la fracción dividida de un divisor para responsabilizarse de la carga de calor de un cambiador de calor que acepta la corriente ajustada como la entrada. Cualquier variable de corriente o variable de equipo puede ser controlada o ajustada con el controlador. Fisicamente, El controlador es una unidad de operación abstracta en ChemCAD que no representa una pieza física de equipo o hardware. Como será mostrado, su uso en ChemCAD es hacer que el usuario ejecute menos cálculos manualmente y ayudar a hacer derivaciones obsoletas de prueba y error de soluciones. Este trabaja examinando una variable de proceso en una Corriente o Unidad de Equipo (CUE). Regulará una variable de proceso en una CUE hasta que las especificaciones de otra (o la misma) variable de proceso en una CUE esté dentro de la tolerancia de su resultado deseado. Mientras esto puede parecer confuso, los siete ejemplos previstos en este capítulo y los dos ejemplos previstos en el guía del usuario oficial sacarán un poco de luz en el tema. Todos los siete ejemplos usarán al controlador en el modo del controlador de retroalimentación. El controlador opera en cada modo idénticamente. Los primeros cuatro ejemplos usarán al
270
controlador para regular corrientes de proceso y los últimos tres ejemplos lo usarán para regular operaciones de la unidad.
7.2.2 Como se usa el Controlador Los primeros cuatro ejemplos usarán el mismo PFD estructural y las mismas alimentaciones. Confeccionar el siguiente PFD para tener dos alimentaciones que se conectan a un mezclados(mixer). Conectar el mezclador a un controlador (corriente #3) y el controlador al icono de producto (corriente #4). Ingresar los siguientes datos para las variables de las corrientes. Los números a la derecha de los componentes químicos son sus números ID en ChemCAD. No asuma caída de presión a través del mezclador. Conseguir la página de especificación del equipo del controlador antes de continuar.
Corrientes de alimentación Nombre de la Corriente Flujo Temperatura Presión Argon (98) Nitrogen (46) Oxygen (47) N-Octane (12) Water (62)
Lbmol/hr o F psi % molar % molar % molar % molar % molar
Corriente 1 Aire 100 50 16 1.00 78.5 19.5 0 1.00
Corriente 2 Combustible 100 500 16 0 11.14 0 87.67 1.19
El Diagrama de flujo (PFD) será:
7.2.3 Ejemplo 1
271
Use el controlador en el PFD dado para ajustar la corriente de aire de tal manera que sea cuatroveces el flujo de masa total de la corriente de combustible. Mantener la corriente de combustible en una proporción de 100 lbmole/hr. Hay varias formas para solucionar este problema. Nosotros podemos resolver este problema ajustando el flujo de masa de aire, Corriente #1, hasta que el flujo de masa de la corriente mezclada, Corriente #3, sea cinco veces el flujo de masa del combustible, Corriente #2. 1. Controller Mode: Ajustar el controlador en modo "Feed-backward". 2. Adjust This Variable: En esta parte especificamos cual variable debe ser ajustada, ingresar 1en el campo "Stream ID Number". Esto dirá al programa que allí haga algo acerca de la corriente # 1 que queremos ajustar. En el campo que corresponde a Variable definir: 6 Total mass rate Los demás campos son para ajustar el proceso de iteración. Usualmente pueden ser ignorados. 3. Until This: En este campo es donde decimos el programa para medir la tasa de flujo de la corriente mezclada, la cual es la corriente #3. Seleccionamos la palabra “Stream” y en el campo ID Number colocamos 3 En el campo que corresponde a Variable definir: 6 Total mass rate El campo scale representa el escalar. Por defecto es 1. 4. Is equal this target. Para la corriente que estamos evaluando. la cual es la corriente #2. Seleccionamos la palabra “Stream ” y en el campo ID Number colocamos 2 En el campo que corresponde a Variable definir: 6 Total mass rate El campo scale colocamos 5. El flujo de masa de la corriente 3 debe ser cinco veces el flujo de masa de la corriente 2 Con lo cual la ventana de especificación de parámetros del controlador quedará:
272
Al efectuar la simulación se tiene el siguiente resultado para las corrientes:
Viendo la salida. El flujo de masa (en lb/hr) de la corriente#1, el aire, es 41392.8281. El flujo de masa de la corriente #2, el combustible, es 10348.1455. La corriente #1 es cuatro veces la corriente #2. nuestra simulación ha trabajado. Conceptualmente, hemos ajustado el flujo de masa de la corriente #2 hasta que el flujo de masa de la corriente #3 sea cinco veces la de la corriente #1.
7.2.4 Ejemplo 2 Antes de iniciar el ejemplo 2, volver al flujo molar total en Stream # 1, la alimentación de aire, al valor anterior de 100, de 1436.7267. Esto puede hacerse haciendo clic derecho sobre la corriente y seleccionar { Edit Stream }.
273
Use al controlador en el PFD dado para ajustar la tasa molar de flujo de la corriente de aire de tal manera que en la corriente corriente mezclada haya 10.0 veces veces más oxígeno que octano en una una base molar. Nota: Ajustar el flujo molar de una corriente es escencialmente igual que ajustar el flujo total de masa de la corriente.
1. Controller Mode: Mode: Ajustar el controlador controlador en modo "Feed-backward "Feed-backward". ". 2. Adjust This Variable: Variable : En esta parte parte especificamos especificamos cual variable debe debe ser ajustada, ingresar ingresar 1en el campo "Stream ID Number". Esto dirá al programa que que allí haga algo acerca de la corriente # 1 que queremos ajustar. En el campo que corresponde a Variable definir: 5 Total mole rate Los demás campos son para ajustar el proceso de iteración. Usualmente pueden ser ignorados. 3. Until This: This: En este campo es donde decimos el programa para medir la tasa de flujo de la corriente mezclada, la cual es la corriente #3. Seleccionamos la palabra “Stream” y en el campo ID campo ID Number colocamos 3 En el campo que corresponde a Variable definir: Comp mole rate El campo campo scale representa scale representa el escalar. Por defecto es 1. En el campo Componente: 4 N - Octane 4. Is equal this target. target . Para la corriente que estamos evaluando. la cual es la corriente #2. Seleccionamos la palabra “Stream ” y en el campo campo ID ID Number colocamos colocamos 3 3 En el campo que corresponde a Variable definir: Component mole rate En el campo campo scale colocamos scale colocamos 10 10.. En el campo Component Colocamos: 3 Oxygen
274
Estas especificaciones hacen que se ajuste el flujo molar total de la corriente 1 de tal manera que: Se ajustado el flujo molar total de la corriente #1 hasta que el flujo molar del N-Octane N-Octane en la corriente #3 sea sea 10.0 veces veces el flujo molar de oxygen oxygen en la corriente #2. #2.
Efectuar la simulación Para ver los flujos molares de las corrientes vamos a Results - Set Flow Units Units con lo cual aparece la siguiente ventana:
275
En la cual seleccionamos las unidades para reportar las composiciones de las corrientes, y obtenemos:
Ver la salida. El salida. El flujo molar total (en lbmol/hr) de la corriente #1, el, es 44.9470. El flujo molar de la corriente #2, el combustible, permanece en 100. En la corriente mezclada hay 87.67 lbmol/hr N-Octane N-Octane y 8.7647 lbmol/hr of of oxygen. Conceptualmente, hemos hemos ajustado el flujo de masa de la corriente #1 hasta que el flujo molar del N-Octane en la corriente corriente #3 sea 10.0 veces veces el flujo molar de oxygen oxygen en la corriente corriente #2.
7.2.5 Ejemplo 3 Antes de iniciar este ejemplo, regresar el flujo molar de la corriente #1, el aire alimentado a 100 100,, desde 44.9470. Esto puede hacerse haciendo clic derecho sobre la corriente y seleccionar { EditStream }. Use al controlador en el PFD dado para ajustar la tasa molar de flujo de la corriente de alimentación del combustible de tal manera que la corriente mezclada sea 345 ° F. 1. Controller Mode: Mode: Ajustar el controlador controlador en modo " Feed-backward Feed-backward". ". 2. Adjust This Variable: Variable : Como queremos ajustar la corriente corriente 2, En esta parte especificamos especificamos cual variable debe ser ajustada, ingresar 2 en el campo "Stream ID Number". Esto dirá al programa que allí haga algo acerca de la corriente # 2 que queremos ajustar. En el campo que corresponde a Variable definir: 5 Total mole rate Los demás campos son para ajustar el proceso de iteración. Usualmente pueden ser ignorados. 3. Until This: This: Necesitamos medir la temperatura en la corriente 3. por lo que. Seleccionamos la palabra “Stream” y en el campo campo ID ID Number colocamos 3 En el campo que corresponde a Variable definir: 1 Temperature El campo campo scale representa scale representa el escalar. Por defecto es 1. Los demás campos lo dejamos
276
4. Is equal this target. target . Necesitamos que la temperatura sea igual a un valor constante de 345 F. Por lo que definimos en el campo Constant: 345 En el campo Units: 2 Temperature Con lo cual la ventana de especificaciones del controlador quedará:
Al efectuar la simulación se tiene:
Observando la salida vemos que la temperatura de la Corriente #3 es 345.2546. El flujo molar de la corriente #2, el combustible, es reducido a 22.3517. La corriente corriente #1 permanece constante a 100lbmol/hr. 7.2.6
Ejemplo 4
Antes de iniciar este ejemplo, regrasar el flujo molar de la corriente #2, el combustible alimentado a100 a100.. Esto puede hacerse haciendo clic derecho sobre la corriente y seleccionar { Edit Stream }.
277
Use al controlador en el PFD dado para ajustar la tasa molar de flujo de la corriente de aire a fin de que 5 veces la tasa molar de flujo de Argón en la corriente de aire más 10 veces la tasa molar de flujo del nitrógeno en la corriente de combustible sea igual a 25 veces tasa molar de flujo del oxígeno oxígeno en la corriente mezclada. mezclada. 1. Controller Mode: Mode: Ajustar el controlador controlador en modo " Feed-backward Feed-backward". ". 2. Adjust This Variable: Variable : Como queremos ajustar la corriente 1, En esta parte especificamos especificamos cual variable debe ser ajustada, ingresar 1 en el campo "Stream ID ID Number". En el campo que corresponde a Variable definir: 5 Total mole rate Los demás campos son para ajustar el proceso de iteración. Usualmente pueden ser ignorados. 3. Until This: This: Seleccionamos la palabra “Stream” y en el campo campo ID ID Number colocamos 1 En el campo que corresponde a Variable definir: Comp mole rate El campo scale: 5 (5 veces el flujo molar de Argón) En el campo Component: Argón A esto debemos adicionar por lo que en el campo Arithmetic Operador: 1 Add Seleccionamos la palabra “Stream” y en el campo campo ID ID Number colocamos 2 En el campo que corresponde a Variable definir: Comp mole rate El campo scale: 10 (10 veces el flujo molar de Nitrógeno) En el campo Component: Nitrogen
4. Is equal this target. target . sea igual a 25 veces tasa molar de flujo del oxígeno oxígeno en la corriente mezclada. mezclada. Seleccionamos la palabra “Stream” y en el campo campo ID ID Number colocamos 3 En el campo que corresponde a Variable definir: Comp mole rate El campo scale: 25 (25 veces el flujo molar de Oxígeno) En el campo Component: Oxigen Con lo cual la ventana de especificaciones del controlador quedará:
278
Simulación: Al efectuar la simulación simulación las composiciones de de las corrientes serán:
Observando esta tabla se tiene que 5 veces la composición composición de argón en la corriente corriente 1 más 10 veces la composición de nitrógeno en la corriente 2 es igual a 25 veces la composición de oxígeno en la corriente 3: 5 x 0.2308 + 10 x 11.14
= 25 x 4.5007
1.154 + 111.4 = 112.5175
Lo cual cumple con lo especificado y para esto se ajusta la corriente 1, quedando la corriente 2 (combustible) en 100 lbmol/hr 7.2.7 Ejemplo 5 Conectar una corriente de alimentación a un divisor. Conectar una de las corrientes de salida del divisor a un calentador y la otra a un mezclador. Conectar la salida del calentador a una entrada de del mezclador. Conectar la salida del mezclador a un controlador el cual se conectará a la corriente de producto. Deben haber seis corrientes en total. Para continuar este tutorial, asegurarse de que la corriente que conecte conecte al divisor y al mezclador sea la #4. Etiquetar las otras corrientes en orden a que vayan de alimantación a producto.
279
Las propiedades de la corriente de alimentación son dadas a continuación y son las mismas que en la Corriente #1 de los ejemplos previos. Asegurarse que las Unidades de Operación sean numeradas adecuadamente.
Establecer el divisor de tal mera que en las corrientes de salida vayan cantidades iguales. i guales. Fijar la temperatura de salida del calentador en 1000° F. Usar el controlador en el PFD para regular el divisor de tal manera que la corriente de producto sea 500° F. 1. Controller mode: "Feed-backward Feed-backward". ". 2. Adjust This Variable . Como será ajustado el divisor, seleccionar UnitOp UnitOp y y seleccionar ID Number :1 :1 Variable: 3 Output stream # 1 (Debe 1 (Debe ser ajustada la primera corriente de salida del divisor) 3. Until this: Hasta que la temperatura de la corriente 5 ..... Seleccionar: Stream
ID:
5
Variable: 1 Temperature
4. Is equal This target: Sea igual a..... Constante: 500 500
Units: Temperature
280
5. Efectuar la simulación 6. Ver la salida: La temperatura de las corrientes #5 y #6 es 499.9173°F. Los flujos molares de las corrientes de salida del divisor son: 46.14677 y 53.85323 lbmol/hr.
7.2.8 Ejemplo 6 Usando el mismo PFD del Ejemplo 5, y las mismas condiciones iniciales (salida del divisor 50 lbmol en cada corriente), use el controlador para regular el Calentador de tal manera que la corriente de producto esté a 800° F. 1. Controller mode: "Feed-backward". 2. Adjust This Variable . Como será ajustado el Calentador, seleccionar UnitOp y seleccionar ID Number : 2 Variable: 4 T Out Str 1 (Debe ser ajustada la Temperatura de la primera corriente de salida del divisor) 3. Until this: Hasta que la temperatura de la corriente 5 ..... Seleccionar: Stream
ID:
5
Variable: 1 Temperature
4. Is equal This target: Sea igual a..... Constante: 800
Units: Temperature
281
5. Efectuar la simulación 6. Ver la salida: La temperatura del producto es 800° F. La temoeratura de la corriente saliendo del intercambiador es 1492.727° F. Probar con otras cantidades para las corrientes saliendo del divisor. 7.2.9 Ejemplo 7 Enunciado del problema: Una corriente que tiene 24% mol de N 2 y 76% mol de H2 la cual está a una presión de 750,000 Pa y a una temperatura de 100 K fluye a una razón de 100 kmol/Hr. Esta corriente irá a través de tres reactores estequiométricos en serie en los cuales reaccionará N 2 + 3H2 para formar 2NH3. Asumir que en los reactores, la conversión fraccional de paso simple del nitrógeno es 20%. El producto saliendo del tercer reactor debe tener una temperatura de 873 K. Sin embargo las cargas de calor de los tres reactores debe ser exactamente la misma. Use tres controladores para diseñar tres reactores que puedan efectuar esta tarea. Encontrar cuanta energía debe ser adicionada o removida de cada reactor en MJ/h para conseguir esto. 1. Establecer las unidades de operación en el siguiente orden: Alimentación, Reactor, Reactor, Controlador, Reactor, Controlador, Controlador, y Producto. Deben haber siete corrientes en total. Asegurarse que las corrientes están numeradas en orden. Este Ejemplo está con el nombre de:Ejemplos CHEMCAD / Control2
282
2. Cambiar el sistema de unidades a SI. 3. Establecer el modelo termodinámico, listar los componentes, y especificar la corriente de alimentación.
4. Para cada uno de los tres reactores: Specify Thermal Mode : 3 Heat duty. Key Component : 1 Nitrogen Frac. Conversion: 0.2 y luego ingresar los coeficientes estequiométricos.
283
5. El último controlador será usado para regular la carga de calor del primer reactor para asegurar que la corriente pasando por el último controlador sea 873 Kelvin. Por lo tanto especificar el controlador de la siguiente manera: Controller Mode: Feed- backward. Adjust This variable: Seleccionar Unit Op y colocar en ID number 1. Para la variable a ser ajustada seleccionar 4 heat duty. Until this: Seleccionar Stream y colocar en ID number 6. Para la variable a ser ajustada seleccionar 1 Temperature. Is equal to this target: Constant to 873 y Units 2 temperature.
6. El controlador medio fijará la carga de calor del tercer reactor igual a la carga de calor del segundo reactor. (El primer controlador fijará la carga de calor del segundo reactor igual a la carga de calor del primer reactor.) Controller Mode: Feed- backward. Adjust This variable: Seleccionar Unit Op y colocar en ID number 4. Para la variable a ser ajustada seleccionar 4 Heat duty. Until this: Seleccionar UnitOp y colocar en ID number 4. Para la variable a ser ajustada seleccionar 4 Heat Duty. Is equal to this target: Seleccionar UnitOp y colocar en ID number 2. Para la variable a ser ajustada seleccionar 4 Heat Duty..
284
7. El primer controlador fijará la carga de calor del segundo reactor igual a la carga de calor del primer reactor. Recordar que la carga de calor al primer reactor está siendo controlada por la temperatura de salida del corriente de producto. Controller Mode: Feed- backward. Adjust This variable: Seleccionar Unit Op y colocar en ID number 2. Para la variable a ser ajustada seleccionar 4 Heat duty. Until this: Seleccionar UnitOp y colocar en ID number 2. Para la variable a ser ajustada seleccionar 4 Heat Duty. Is equal to this target: Seleccionar UnitOp y colocar en ID number 1. Para la variable a ser ajustada seleccionar 4 Heat Duty..
285
8. Efectuar la simulación. 9. Ver los resultados. Si se ha efectuado la simulación correctamente se observará que a cada reactor se añade alrededor de 332.233 MJ/hr de energía para que se realice el proceso, como se muestra en la tabla de resultados
7.3 Módulo Controlador PID Ejemplo Dinámico Simple en CHEMCAD Los módulos dinámicos de CHEMCAD (CC-ReACS y CC-DCOLUMN) permiten solucionar problemas simples y complicados. Debajo, presentamos un problema simple típico que puede ser solucionado con CHEMCAD Dynamics: Problem: Tenemos la intención de llenar un tanque de 12 m3 de D = 1500 mm con agua, de tal manera que el nivel de líquido alcance 2 metros. Luego, comenzará el flujo a través del tanque, una
286
válvula de control en la conexión de salida del líquido y un controlador de nivel serán responsables para mantener 2 m de nivel de líquido en el tanque. Entretanto, habría un ingreso de flujo en la cantidad 4 veces excediendo la cantidad normal de flujo de entrada fijada en 4000 kg/hr, continuando por 30 minutos. Preguntas: Cuál deberá ser el tamaño de la Válvula de Control? Cómo sería el trabajo de control de nivel con un controlador PID? Solution: Ahora mostraremos como es solucionado este problema con CHEMCAD Dynamycs 1. Diagrama de Flujo Construya un flowsheet como se muestra debajo. Normalmente en un flowsheet el sensor de nivel está en el tanque y el controlador actúa sobre la válvula. En el modelo CHEMCAD, el símbolo del sensor/controlador debe estar localizado en la misma corriente en la que actúa la válvula de control. Este ejemplo está con el nombre: Ejemplos CHEMCAD/Tanque
2. Uidades de Ingeniería:
3. Definimos Lista de Componentes: Water 4. Definimos condiciones de alimentación:
287
4. No se preocupe por opciones termodinámicas. Para sustancias tales como agua, aire, etc., La termodinámica predeterminada es apropiada. 5. Definimos los parámetros de operación de las UnitOps: RAMP controller 5 (Controlador de Rampa):
Entónces, el itinerario de alimentación al tanque con agua será: Time [min] Value [kg/h] 0
4000.0000
59.0000
4000.0000
60.0000
16000.0000
89.0000
16000.0000
90.0000
4000.0000
360.0000
4000.0000
288
Dynamic Vessel 1 (Tanque Dinámico):
Así, hemos especificado los siguientes parámetros: Geometría del tanque: D=1500 [mm], H = 5000 [mm], Cabezales elípticos 2:1 Presión: 1.4 bar, Proceso adiabático a presión fija Nivel inicial de liquido es cero Flujo de salida de liquido controlado por CV 4 No hay flujo de vapor o gas Todos los parámetros grabados durante la simulación. Control Valve 4 (Válvula de Control): Usted debe calcular el tamaño adecuado de la válvula de control. Para hacer esto, especifique el flujo máximo asumido en la corriente 5 que precede a la válvula:
Luego hacer clic en la corriente 5 y cuando esté marcada seleccionar Sizing – Control Valve
289
Apareciendo la siguiente ventana de diálogo:
Al hacer clic en OK, CHEMCAD calculará Cv para la válvula apareciendo la tabla siguiente:
Las especificaciones para la Válvula de control son las siguiente: Cv = 36.0 es un valor seleccionado de la librería de valores. El Cv calculado es 23.6, así la válvula tiene mayor capacidad. CHEMCAD también ha calculado el tamaño de la válvula como 50 mm. Estos valores serán escritos automáticamente en CV 4.
290
Al seleccionar la válvula para especificar sus parámetros de operación, debemos especificar el controlador PID para esta válvula
PID Controller 3 (Controlador PID): La especificación de los parámetros será:
El Set point del nivel es 2000 expresado en milimetros El Objeto medido (Measured object) es el nivel de liquido en la UnitOP con ID 1 La válvula sobre la que actúa este controlador (Control Valve), tiene ID 4 Definición de error:
291
Calibración:
6. Pasar a Dynamics en el menú Run Convergence
Luego en el Menú Run seleccionar Dynamics:
292
Apareciendo el siguiente menú:
Establecer el Run Time:
7. Run from Initial State (Ignorando las advertencias de peligro). Resultados: Flujo de entrada definido por el controlador de Rampa (Corriente 3)
293
Nivel líquido en vasija versus el tiempo
También podemos obtenerlo en forma tabular: CHEMCAD 5.2.0 1 Job Name: Tanque Dynamic Time: 360.00 min Equip. No. 1 Name Pressure bar 1.4000 Recorder option: 1 Diameter mm 1500.0000 Cylinder length mm 5000.0000 Head ratio 2.0000 Liq flow 1 mode 3 Liq flow 1 spec. 4.0000 Vap flow mode 1 Calc temp. C 20.0003 Calc press. bar 1.4000 Calc lev 1 mm 2000.0000 Vessel vol. m3 12.3700 Calc L vol.1 m3 2.6507 Calc Vap vol m3 9.7193 Liq1 mole kmol 146.8222
Page
Date: 03/19/2005
294
Liq1 mass
kg
2645.0024
Posición de la válvula en por ciento versus el tiempo
Flujo de salida de líquido versus el tiempo
Salida del controlador en el miliamperio Versus el tiempo
Integral (Errot * dt)
295
Resultados para el Controlador y la Válvula al cabo de 6 horas CHEMCAD 5.2.0 1 Job Name: Tanque
Page
Dynamic Time:
Equip. No. Name PB (Proportional Band) Ti (Integral time, min) P0 Steady state output Set point Control valve ID. Measured object Measured object ID. Measured variable Variable unit State Integral (Error * Dt) Ctrl output Variable Min Variable Max Ctrl input min Ctrl input max
Equip. No. Name Valve flow coefficient Rangeability Critical flow factor
360.00 min
Date: 03/19/2005
3 10.0000 5.0000 4.0000 2000.0000 4 1 1 43 18 1 1.3140 6.6280 1000.0000 5000.0000 4.0000 20.0000
4 36.0000 10.0000 0.9800
296
Downstream pressure (bar) Calc. flow rate Calculated Pout Controller ID
1.0130
kg/hr bar
Valve position % Valve Av Valve Bv Controller output Controller output SS Static head mm P crit. bar
3999.9880 1.0130 3 16.4249 0.0625 -0.2500 6.6280 4.0000 4000.0000 0.0225
7.4 COLUMNA DINÁMICA SIN CONTROLADOR Iniciemos el estudio de técnicas cálculos dinámicos de la columna con un problema típico de destilación. Escojamos una situación donde la alimentación de una columna que trabaja adecuadamente se altera y cambia las propiedades de alimentación de la siguiente manera: La alimentación cambia al inicio del estudio desde Alimentación_1 a Alimentación_2 según: -------------------------------------------------------------------Corriente Nombre
Alimentación_1
Alimentación_2
------------------------------------------------------------------Temp
C
50.0000
50.0000
Pres
bar
15.0000
15.0000
------------------------------------------------------------------Total kg/h
19800.0000
20000.0000
------------------------------------------------------------------Componente
Kg/hr
Kg/hr
Ethane
1200
1473
Propane
3400
3156.4
I-Butane
4000
3787.7
N-Butane
4100
4839.8
I-Pentane
2500
2314.7
N-Pentane
2000
1893.8
N-Hexane
1300
1262.6
N-Heptane
800
841.7
N-Octane
500
430.3
-------------------------------------------------------------------
Este trabajo es instalado conjuntamente con otros ejemplos durante la instalación de CHEMCAD. El nombre del Trabajo es C:/CC5DAT/Ejemplos CHEMCAD/Col_Dinamica. Contiene los datos de puesta en marcha y la información.
297
7.4.1. Diagrama de Flujo Abrimos CHEMCAD, seleccionamos NEW JOB, y de la paleta de iconos de equipo seleccionamos el icono de Ramp Control y SCDS column
Luego confeccionamos el diagrama de flujo de la siguiente manera:
y guardamos el trabajo con un nombre adecuado: Col_Dinamica
7.4.2. Ingreso de Componentes Los componentes son los siguientes: ID #
Nombre
1
3
Ethane
2
4
Propane
3
5
I-Butane
4
6
N-Butane
5
7
I-Pentane
6
8
N-Pentane
7
10
N-Hexane
8
11
N-Heptane
9
12
N-Octane
298
7.4.3. Unidades de Ingeniería
7.4.4. Termodinámica
Los métodos termodinámicos de cálculo son los siguientes K-value model : SRK Enthalpy model : SRK Liquid density : Library
7.4.5. Parámetros de operación de la columna La columna está al estado estacionario antes de cambiar la alimentación y trabaja adecuadamente con los siguientes parámetros: Condenser type
1
Top pressure
15.0000
No. of stages
30
Feed tray for stream 5
15
Partial condenser P_top, bar
Condenser mode:
1
Reflux Ratio (R/D)
Specification
3.0000
Rr = R/D
299
Reboiler mode Spec. Temperature
3 157.0000
Bottom product temperature T_bottom, C
Al colocar todos los parámetros anteriores para la columna, aparecerá un mensaje con 4 advertencias
300
7.4.6. Valores al estado estacionario 1.- Operación con Alimentación_1 Ingresamos las condiciones y composición de la alimentación 1:
Y mantenemos en 0 la Alimentación 2 Al seleccionar Run All aparece una caja de diálogo con advertencia. Ignorando estas advertencias y efectuando la simulación se tiene:
Las condiciones de operación de la columna son: Equip. No.
4
301
Name No. of stages
30
1st feed stage
15
Condenser type
1
Condenser mode
1
Condenser spec. Reboiler mode
3
Reboiler spec. Top pressure Cond duty
bar
MJ/h
Reblr duty
MJ/h
Reflux mole
kmol/h
Reflux ratio Reflux mass
3.0000 157.0000 15.0000 -12516.1260 18951.2578 771.3433 3.0000
kg/h
41738.7383
Es bueno conocer la condición final de la columna (o, en otras palabras: Para saber la respuesta a la pregunta) antes de que usted inicie la simulación dinámica. ¿Cuáles parámetros deberían servir para este cálculo? Si usted mantiene los parámetros operativos originales, esto es, R/D y temperatura en el fondo, entonces la pregunta es: “¿Cuál es la capacidad de la columna?”
2.- Operación con Alimentación_2 Colocamos en 0 las condiciones y composición de la Alimentación_1 Ingresamos las condiciones y composición de la alimentación 2:
302
Esta es la respuesta: (Ponga a cero los parámetros en la UnitOp Rampa) Al efectuar la simulación se tiene la siguiente respuesta:
7.4.7. Cambio de Condición de alimentación La nueva alimentación contiene nuevas concentraciones de componentes y produce corrientes nuevas de producto. Del punto de vista de la separación requerida, usted debería comprobar solamente los componentes claves:
Antes ( wt. %)
Después ( wt. %)
303
N - Pentane (top) I – Butane (bottom)
0.01789
0.000815
0.002876
0.012166
Los resultados reflejan el cambio de concentración componentes en la alimentación y anticipan suficiente capacidad pero el destilado no necesariamente proporciona un cuadro adecuado de la operación de la columna. La razón es que los parámetros especificados para la simulación no son para operaciones de la columna. Parámetros de operación, R/D y temperatura del fondo, son parámetros típicos de diseño para estado estable, pero selecciones de operación más apropiadas para la condición inicial de la columna podrían ser los parámetros reales de operación, tales como la carga de calor del rehervidor y la carga de calor del condensador. Según el primer cálculo al estado estable estos valores serían: Cond duty MJ/h -12516.1260 (Carga de calor del condensador) Reblr duty MJ/h 18951.2578 (Carga de calor del rehervidor) Ahora, usted puede repetir el cálculo al estado estacionario con la alimentación 2, manteniendo los datos anteriores como parámetros de operación a valores constantes.
Las corrientes principales son ahora:
304
Examinando el producto del fondo, usted puede ver que sin cualquier modificación la columna no puede producir ya mas pureza aceptable del fondo; La temperatura disminuyó en 3.24 C, y la concentración de I-Butane aumenta a 0.10 %w. Usted puede estudiar este comportamiento de la columna usando el modelo dinámico de la columna de CHEMCAD 7.4.8. Uso de Módulos RAMP Usted puede implementar el cambio de alimentaciones con el uso de un simple módulo RAMP con los siguientes parámetros:
RAMP Comentarios
on
Alimentación_1
Stream ID
RAMP
on
Alimentación_2
1
2
Variable No.
6
6
Mass flow rate
Variable unit
1
1
Mole / Mass
Time
Value
Value
(min)
(kg/h)
(kg/h)
0.0
19800.00
1.0000e-06
0.001
1.0000e-06
20000.00
300.000
1.0000e-06
20000.00
Las cajas de diálogo son: RAMP_1
305
RAMP_2:
7.4.9. Operación al Estado no Estacionario Seleccionando esta opción en el sub-menú “Run/Convergency”
306
Usted ahora necesita usar modulos RAMP. RAMP_1:
RAMP_2:
7.4.10. Parámetros para la Operación Dinámica En dinámica, normalmente usted no puede usar las especificaciones del condensador y rehervidor en la misma forma que en el estado estacionario. Por lo tanto, nosotros seleccionaremos flujo de masa del fondo y razón de reflujo para las especificaciones de la columna.
307
Al hacer clic en OK de la ventana para especificar parámetros de la columna, aparece el menú para la columna dinámica
7.4.11. Menú para la columna Dinámica Al ingresar todos los parámetros para la operación de la columna, aparece el siguiente Menú:
308
Initial Condition
Deshabilitamos la opción: Display plot during simulation Column Holdups
Record Stages
309
Plot Options
7.4.12. Simulación Dinámica Para la simulación dinámica, debemos especificar el tiempo de duración de la simulación y el tamaño de incremento del tiempo. Seleccionando el sub-menú: “Run/Dynamics”
Set Run Time General
Step 1
310
Record Streams
Al ir a Dynamic Menu y seleccionar Run from Inicial State, se efectuará la simulación y se iran visualizndo las composiciones del destilado
Luego seleccionando la opción: Plot – Dynamic Stream History aparece la ventana para colocar la información de la corriente deseada (Siempre y cuando haya sido grabada en las opciones del Menú Dinámico)
311
Al hacer clic en OK aparece la gráfica que muestra la fracción molar de I-Butane en los fondos en función del tiempo
Si usted retorna a los parámetros originales de R/D = 3 y T_bottom = 157 C, y luego repite la simulación dinámica, usted conseguirá información acerca de los parámetros de operación necesarios para el condensador y el rehervidor. 7.5 DOS TANQUES MEZCLADORES Considerar los dos tanques en cascada mostrados en la Figura
312
Asumiendo que el flujo volumétrico a través del sistema es constante con q = 5 gal/s. Con un flujo constante, los volúmenes del tanque 1 y el tanque 2 también son constantes con V 1 = 100 gal y V2= 200 gal. Si la entrada al tanque 1 es agua pura y las masas iniciales de sal disuelta en los tanques son m10 = m20 = 50 lbm, determinar la cantidad de sal en cada tanque versus el tiempo. Así mismo determinar el tiempo y la magnitud de la masa en el tanque 2 cuando m2 está a su más alto valor.
USO DE CHEMCAD 1. Diagrama de flujo Creamos un diagrama de flujo en CHEMCAD, el cual represente al tanque mezclador:
El diagrama de flujo mostrado es una representación de los dos tanques mezcladores. Cada reciclo corresponde a un tanque. Este ejemplo esta en C:/CC5DATA/Ejemplos CHEMCAD/ Tanques_Mezc. 2. Lista de componentes:
3. Unidades de Ingeniería
313
Dejamos el sistema Ingles (predeterminado) y solamente cambiamos las unidades de tiempo (sec), masa a (lb), Temperatura (C), Presión (atm) y Volumen de liquido (gal) 4.
Opciones Termodinámicas Valores K: Ideal Vapor Pressure Entalpía: Latent Heat
5. Seleccionamos las corrientes de reciclo (cut Stream) Specifications – Select Cut Streams: 6 y 7 6. Editamos condiciones de alimentación
7.
Editamos corrientes de reciclo Specifications - Cut Streams O directamente haciendo doble clic sobre cada corriente
314
8.
Notar que los contenidos iniciales de los tanques son especificados. También hemos especificado que las corrientes 6 y 7 son las corrientes de reciclo. Esto es necesario para asegurar que los cálculos comienzan con estas especificaciones. Esto es hecho accediendo al Menú Specifications y seleccionando el submenú Cut Streams. Especificaciones de las UnitOP Necesitamos ajustar la especificación para los divisores. Podemos hacer esto especificando un flujo de salida (la Corriente 3) o los contenidos del tanque. En este caso, el tanque se echa a andar lleno. Así es que, la Corriente 4 está especificada. Ajustamos la Corriente 3, flujo de la conexión de salida como 1000 lb/hr. Notar que esta especificación debe ser consistente con su paso de tiempo. En el ejemplo, simularemos con un paso de tiempo igual a una hora. Si comenzaríamos con el tanque vacío, deberíamos especificar la Corriente 4. El divisor tratará de hacer la especificación. Si no puede, reciclará a toda la Corriente 2 hasta conseguir las especificaciones del reciclo y, luego permitir la salida de material a través de la Corriente 3. Divisor 1 (UnitOp 2) Especificamos la cantidad de masa de salida (corriente 3) igual a la cantidad de masa de entrada al sistema: 41.7 lb/sec
315
Divisor 2 (UnitOp 4) Igual que en el caso anterior, especificamos la cantidad de masa de salida (corriente 5) igual a la cantidad de masa de entrada al sistema: 41.7 lb/sec
9.
Acceder a la Simulación Dinámica Acceder al menú Run - Convergence y cambiar al modo Dynamics
316
10. Parámetros para Simulación Dinámica Una corrida dinámica es seleccionada del menú Run - Dynamic . Si el submenú Dynamic no es resaltado, entonces la opción Dinámica no ha sido seleccionada adecuadamente bajo el submenú Convergence. El submenú Dynamic levanta una página de multiopción.
Set run time: General: Number of operation steps: 1
317
Record Streams: Seleccionamos las corrientes para las cuales deseamos que se guarde la información
11. Efectuando la Simulación En la página multiopción hacemos clic sobre Run from Inicial State para efectuar la simulación y cuando esta ha concluido aparece el mensaje: Dynamic run finished . Hacemos clic en Aceptar 12. Accediendo a los resultados Accedemos a los resultados a través del Menú Plot y submenú Dynamic Stream History El submenú es mostrado y podemos seleccionar lo que queremos ver (Corriente 6).
Corriente 6 (Tanque 1).- Seleccionamos lo que deseamos que se muestre para esta corriente
318
Al hacer clic en OK aparece la gráfica que muestra la variación de la cantidad de sal en el tanque 1 en función del tiempo
Corriente 7 (tanque 2). Seguimos el mismo procedimiento anterior y tenemos la siguiente gráfica:
Estos resultados son similares a los obtenidos en el texto Modelamiento y Simulación de Procesos del mismo autor.
7.6 REACTOR SEMIBATCH Considerar el caso reactor diseñado para clorar benceno con cloruro férrico como catalizador. El reactor es semibatch conteniendo una carga inicial de benceno puro dentro del cual se alimenta cloro gaseoso a un estado estacionario. El tanque de reacción es operado a presión constante de 2 atm y está equipado con enfriadores para mantener una temperatura de 55oC. El liquido es agitado para dar una mezcla homogénea. La unidad contiene un condensador de reflujo el cual retorna todo el benceno y los clorobencenos vaporizados hacia el reactor mientras que permite que todo el cloruro de hidrógeno generado y el exceso de cloro en el reactor salgan del sistema. Monoclorobenceno, diclororbenceno y triclorobenceno son producidos mediante reacciones en serie siguientes:
Las constantes específicas de velocidad de reacción son:
319
k 1 = 510 (lb mol/pie3)-1(h)-1 k 2 = 64 (lb mol/pie 3)-1(h)-1 k 3 = 2.1 (lb mol/pie3)-1(h)-1
Para este reactor semibatch se desea conocer en que tiempo se debe detener la reacción en razón a obtener el máximo rendimiento de monoclorobenceno.
La velocidad de alimentación de cloro seco es 1,4 (lbmol de cloro)/(h).(lbmol de benceno inicial cargado) Se desprecia la retención de liquido y vapor en el condensador de reflujo. El cambio de volumen de la mezcla reaccionante es despreciable, y el volumen de liquido en el reactor permanece constante e igual 1.46 pies 3 /lbmol de benceno cargado inicialmente. El cloruro de hidrógeno tiene una solubilidad despreciable en la mezcla liquida. El cloro gas alimentado al sistema, inmediatamente ingresa a la solución, pero su solubilidad limite es 0,12 lbmol de cloro/lbmol de benceno inicial, y este valor permanece constante. Cada reacción es de segundo orden.
USO DE CHEMCAD 1. Diagrama de flujo Creamos un diagrama de flujo en CHEMCAD, el cual represente al Reactor:
320
La corriente 1 es la alimentación de cloro al reactor y La corriente 2 es el HCl que sale del reactor. 2. Lista de componentes:
3. Unidades de Ingeniería Dejamos el sistema Ingles (predeterminado) y solamente cambiamos las unidades de Temperatura (C) y Presión (atm)
4. Opciones Termodinámicas Valores K: Ideal Vapor Pressure Entalpía: Latent Heat
321
5. Condiciones de la alimentación
6. Parámetros de operación del reactor Al hacer doble clic sobre el reactor aparece el menú para los parámetros de operación:
Inicial Chargue:
322
General information Page1:
Page 2
323
Rate equations
Reaction Kinetics Reacción 1:
324
Reacción 2:
Reacción 3:
7. Parámetros para la simulación dinámica Run – Convergence: Seleccionamos la opción Dynamics para la simulación Run – Dynamics: Aparece el menú multiopción siguiente
325
Set run time: General: Number of operation steps 1
Record Unit Operations
8.
Efectuando la Simulación En la página multiopción hacemos clic sobre Run from Inicial State para efectuar la simulación y cuando esta ha concluido aparece el mensaje: Dynamic run finished . Hacemos clic en Aceptar
9.
Accediendo a los resultados
326
Accedemos a los resultados a través del Menú Plot y submenú Batch Reactor/DVSL History como se muestra.
El submenú es mostrado y podemos seleccionar lo que queremos ver.
Y aparece la gráfica con las cantidades molares de los componentes en el reactor en función del tiempo
Estos resultados son similares a los obtenidos en el texto Modelamiento y Simulación de Procesos del mismo autor.
327
8. SIMULACION DE UN PROCESO 8.1 DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA DEL TUTORIAL El problema se ilustra en la Fig. 1. Se trata de una planta de estabilización de condensado. El gas entra al sistema con las condiciones de alimentación mostradas. Nuestro trabajo es tomar esta unidad existente y determinar nuevas condiciones de operación y cualquier modificación necesaria. Los requerimientos de diseño son los siguientes: 1.
El punto de rocío del gas debe ser 20º F o menor.
2.
El condensado estabilizado (corriente 9) debe tener un contenido máximo de propano de 1%
Fig. 1 Estabilizador de condensado
Alimentación T = 75 oF P = 200 psia N2 = 100.19 lbmol/hr C1 = 4505.48
HX-1 Pdrop1 = 5 psi
HX-2 Pdrop = 5 psi
Pdrop2 = 5 psi
T out = -5 oF
Valv e Pout = 125 psia
Vap. Frac.(1) = 1.0
C2 = 514.00 C3 = 214.00 iC4 = 19.20 nC4 = 18.18 iC5 = 26.40 nC5 = 14.00 nC6 = 14.00
Stabilizer 12 stages Feed stage = 1 Bottom draw = 30 lbmoles/hr Column Pdrop = 5 Psi
8.2. SELECCIONANDO UNIDADES DE INGENIERIA El primer paso en todo trabajo en CHEMCAD es la selección de unidades de ingeniería.
328
Para seleccionar unidades una vez que se ha dado el nombre del trabajo, seleccione el comando Format ya sea presionando [ALT+ M] o haciendo clic con el ratón. Aparecerá el siguiente menú:
Fig. 5 Unidades de Ingeniería Ahora seleccionamos la opción Engineering Units haciendo clic con el ratón y aparece la siguiente caja de diálogo:
Fig. 6 Engineering Units
Por defecto se tiene el sistema INGLES (ENGLISH) de unidades y es frecuente mente resaltado. Usted puede cambiar el sistema de unidades haciendo clic sobre English, Alt SI, SI , oMetric , o usted puede cambiar cualquier unidad individualmente, haciendo clic en el item individual y seleccionando de la lista presentada. Para este tutorial usaremos el sistema de Unidades de Ingeniería INGLES, por lo que salimos de la caja de diálogo haciendo clic en el botón Cancel.
329
8.3 DIBUJO DEL FOLWSHEET (DIAGRAMA DE FLUJO) Para dibujar el diagrama de flujo usted deberá trabajar con la paleta de flowsheet la cual muestra lo siguiente:
Fig. 7 Paleta de flowsheet La paleta de Flowsheet se activa a través de la Barra de Menu – View – Main Palette , haciendo clic en Edit Flowsheet Palette Flowsheet o haciendo clic en el icono S/G S/G de la Barra de herramientas mostrado herramientas mostrado en la figura. Notar lo siguiente a cerca de la Paleta de Flowsheet:
La primera caja abre un menú menú para llamar a las unidades de de operación igual igual que con la paleta principal.
La segunda caja faculta al usuario a rotarr rotarr objetos en el flowsheet. flowsheet.
Las siguientes cinco cajas facultan al usuario a hacer los arreglos necesarios en
el flowsheet. -
La caja marcada con “ ab” permite colocar texto sobre el dibujo
-
La segunda caja de la primera fila permite rotar objetos sobre el flowsheet
-
Las siguientes 5 cajas de la primera fila permite al usuario dibujar lo indicado sobre el flowsheet
330
-
Punteando sobre la caja y haciendo clic con el lado izquierdo del ratón se activará la correspondiente correspond iente función
-
Punteando sobre la caja y haciendo clic derecho sobre cada icono de esta paleta aparecerá una segunda paleta (subpaleta) con el icono de funciones. Haciendo nuevamente clic derecha esta sub-paleta desaparec desaparecerá. erá.
-
Múltiples sub-paletas pueden ser desplegadas simultáneamente.
-
La paleta principal puede ser cambiada a través de la Barra de Menu – View – Main Palette , haciendo clic en Edit Flowsheet o haciendo clic en el icono S/G Palette S/G de laBarra laBarra de herramientas
-
El tamaño y forma de órdenesView\Palette órdenes View\Palette Settings.
-
En icono desplegado, las entradas están indicadas por cuadrados azules pequeños y las conexiones de salida por cuadrados café pequeños.
la
paleta
principal
pueden
controlarse
usando
las
Nuestro propósito ahora es establecer la topología del flowsheet. Crear un flowsheet es el proceso de colocación en la pantalla de iconos de la unidad de operaciones, conectándolos a ellos con corrientes, y entonces añadiendo objetos gráficos diversos para realzar el dibujo. Todo esto puede puede hacerse usando la paleta. FEED (ALIMENTACIÓN) Comenzaremos colocando iconos de las unidades de operaciones en el flowsheet. Por la convención, CHEMCAD requiere requiere que cada corriente salga salga de una unidad de de operación y vaya a una unidad de operación. Por consiguiente, debemos colocar un icono Feed en el flowsheet para servir de unidad "fuente" para la corriente de alimentación. Éste es un buen lugar para echar a andar, así es que apunte hacia la caja Feed así:
Fig. 8 Alimentación
331
Seguir el procedimiento dado a continuación: 1.
Clic derecho en la caja del icono de alimentación. Aparecerá la sub-paleta sub-paleta de alimentación. Ahora nuevamente clic derecho en el icono alimentación de la caja principal. principal . La sub-paleta desaparecerá. Esto es como Ud. llama y cierra los iconos de las unidades de operación de la subpaleta.
2.
Ahora clic izquierdo izquierdo sobre el icono alimentación (sobre la paleta principal). La paleta desaparecerá y aun pequeño cuadrado aparecerá sobre la pantalla. Este es el cursor usado para colocar en su lugar a los iconos de las unidades de operación.
3.
Mover el cursor cursor a una posición posición que este aproximadament aproximadamentee en el centro centro izquierda izquierda de la la pantalla. Luego hacer clic izquierdo del ratón. El icono i cono alimentación aparecerá sobre la pantalla y la paleta reaparece. Notar que como nosotros hemos seleccionado el icono alimentación de la paleta principal, el icono desplegado es el mismo de la paleta. Para seleccionar un icono diferente debemos debemos hacer la selección del icono de la sub-paleta. Esto completa la colocación colocación de la alimentación a una Unidad de Operación, que de aquí aquí en adelante denominaremos (UO) Para propósitos de instrucción exploraremos algunas opciones asociadas con el icono alimentación:
1.
-
Para mover el símbolo Colocar la flecha del ratón sobre el icono
-
Mantenga apretado el botón izquierdo. Aparecerá un rectángulo rodeando al objeto marcando 4 vértices
-
Manteniendo apretado el botón izquierdo, arrastre el icono una pulgada hacia la izquierda, luego al soltar el botón vera que la l a posición del icono ha cambiado.
2.
Puede ser necesario mover la paleta a otro lado durante la elaboración del diagrama de flujo. Esto puede hacerlo colocando la flecha del ratón en la barra superior de la paleta y efectuando la misma operación anterior.
3.
Para ver las opciones de edición del objeto: Colocar la flecha del ratón sobre el icono (en el flowsheet no en la paleta) y presionar el botón derecho del mouse.
4.
Para mover o alargar un objeto: Clic izquierdo sobre el icono del objeto hasta que se despliegue la caja con los 4 vértices alrededor del icono. Clic y arrastrar sobre uno de los vértices. El icono se agrandará o reducirá de acuerdo al movimiento del mouse. Ahora llevemos los dos intercambiadores sobre el flowsheet. Seguir el procedimiento dado a continuación:
332
1.
Apunte hacia la caja del del intercambiador intercambiador de calor y deje el cursor cursor allí hasta que el mensaje de la etiqueta aparezca. Usando esta etiqueta, asegúrese que usted apunta hacia la caja del intercambiador de calor.
2.
Clic derecho sobre la caja. Aparecerá la sub-paleta
3.
Ahora puntear sobre el icono de intercambiador intercambiador por los dos dos lados (Heat exchanger exchanger # 5)
Fig. 9 Intercambio por los dos lados 4.
Clic izq izquierdo uierdo sobre este icono. icono. La paleta desaparece, y un un pequeño pequeño cuadrado como cursor reaparece sobre la pantalla
5.
Colocar el cursor cursor a una distancia distancia de 1.5 pulgadas pulgadas del del icono de alimentación. alimentación. Hacer Hacer clic izquierdo nuevamente. El icono del intercambiador será desplegado sobre el flowsheet y la paleta reaparece.
6.
Ahora puntear el icono para intercambiador de 1 solo lado lado orientado horizontalmente (Heat exchanger # 1), como se muestra en la figura
Fig. 10 Intercambiador de calor 7.
Clic izquierdo sobre el icono. La paleta desaparece y el cuadrado pequeño reaparece.
333
8.
Colocar el cursor cursor a una distancia de 1.5 pulgadas a la derecha derecha del icono del del primer primer intercambiador. Nuevamente Nuevamente clic izquierdo. El icono del intercambiador de calor será desplegado sobre el flowsheet y nuevamente aparece la paleta.
9.
Ahora cierre la sub-paleta sub-paleta haciendo haciendo clic derecho sobre el icono de intercambiador de calor de la paleta principal. Su flowsheet deberá ahora verse algo así como:
Fig. 11 Flowsheet
Por conveniencia mover la paleta hacia un lado haciendo clic y avanzando lentamente sobre la barra color café sobre el tope de la paleta Ahora siga el procedimiento delineado anteriormente para para colocar el tanque flash, la válvula y las UO sobre la pantalla.
Fig. 12
334
Para el estabilizador de condensado si queremos usar un módulo de columna de destilación. Se deberá tener cuidado de que en la paleta hay múltiples módulos de destilación disponibles en CHEMCAD. Una explicación de cada una de estas opciones está disponible en el manual de ayuda en línea. Usted puede tener acceso a este manual en cualquier momento haciendo clic en el comandoHelp comandoHelp en la barra de menús. Por ahora, sin embargo aceptamos de que el módulo que queremos usar es el módulo riguroso de destilación llamado Tower. Esta UO se encuentra en su paleta como se muestra a continuación.
Fig. 13 Torre Como queremos usar un icono Tower que tiene un rehervidor pero no condensador, debemos usar la sub-paleta para seleccionar el icono adecuado. Entonces haciendo clic derecho sobre el icono de la caja Tower. Aparecerá la sub-paleta. Seleccionando el icono Tower indicado a a continuación haciendo clic sobre el.
Fig. 14 Torre con rehervidor y sin condensador Ahora adicionarlo al flowsheet
335
Fig. 15 Icono torre Cerrar la sub-paleta haciendo clic derecho sobre el icono Tower de la paleta principal. Finalmente debemos colocar tres iconos de Producto Producto sobre sobre el flowsheet uno para cada corriente de producto. El icono de Producto Producto está está localizado ligeramente a la derecha y al centro de la paleta principal como se muestra en la Fig. 16 (de color violeta).
Fig. 16 Icono de Product A la vez haciendo clic derecho sobre el icono Product de la paleta principal aparece aparece la sub-paleta mostrado en la Fig. 17.
336
Fig. 17 Sub-paleta de la corriente Product De esta sub-paleta se extrae los tres iconos para las tres corrientes de producto. Cuando se haya finalizado, la pantalla se verá de la siguiente manera:
Fig. 18 Todos los iconos del Flowsheet
8.4 COLOCANDO LAS CORRIENTES SOBRE EL FLOWSHEET Ahora es tiempo de conectar las UO con las corrientes. Para hacer esto colocar el puntero en el icono de la caja Streams sobre la paleta principal como se muestra en la Fig. 19.
337
Fig. 19 Icono de la caja Stream En este caso no hay sub-paleta. Existen unas cuantas reglas generales que debemos recordar cuando dibujemos las corrientes sobre el Flowsheet. 1.
Cada corriente va desde una unidad fuente a una unidad destino.
2.
Cada unidad tiene posiciones de entrada y salida. Estas son establecidas cuando es creado el símbolo. El programa siempre corta las corrientes en estas posiciones. Durante la simulación una corriente de proceso siempre fluye desde una posición de salida de una unidad fuente hacia una posición de entrada en una unidad destino, pero cuando se dibuja el flowsheet, una corriente puede ser trazada en cualquier dirección. Esto es, desde una posición de salida hacia una posición de entrada así como también desde una posición de entrada hacia una posición de salida.
3.
Cuando se inicia una corriente, el cursor tendrá una pequeña cruz. Cuando el cursor se acerca a una posición de salida, mutará hacia una flecha negra. Cuando esto ocurre usted deberá hacer clic izquierdo en el ratón para echar a andar la corriente si esa es la posición de inicio que usted desea.
4.
Al completar la corriente para una unidad, el cursor permanecerá como una flecha negra. Cuando el cursor está cerca de una posición de entrada o salida, aparecerá una etiqueta indicando la posición y número de posición.
5.
Una vez que la posición deseada ha sido ubicada (como se indica por la aparición de la etiqueta), usted deberá hacer clic izquierdo del ratón para completar la corriente.
6.
Mientras se dibuja una corriente, la paleta desaparecerá. Reaparecerá sólo cuando haga clic izquierdo en alguna parte del flowsheet la cual no sea un punto de entrada o salida de una UO. Usted no esta obligado a hacer clic sobre el icono de la corriente (link) cada vez que usted inicia una corriente.
7.
Usted puede alternar entre colocar unidades de operación en la pantalla y conectarlas con corrientes tan largas mientras que sean seguidas las reglas anteriores.
8.
La primera vez que usted cambie direcciones de una corriente, CHEMCAD le permitirá hacer eso sin ningún problema. Cada vez adicional que usted cambie direcciones, usted debe primero presionar el clic izquierdo del ratón para identificar la latitud o la longitud a través de la cual usted quiere pasar la corriente. Hacer esto creará un punto de ancla para fijar la longitud o la latitud sobre la pantalla.
9.
Usted puede cancelar la acción de dibujar la corriente haciendo doble clic en el botón izquierdo del ratón durante el dibujado de la corriente. Con estas reglas en mente, conectaremos ahora las unidades de operación con corrientes.
338
Hacer clic sobre el icono Streams Streams en en la paleta principal. La paleta paleta desaparece y aparece el el cursor en forma de cruz. Mover el cursor cerca de la punta de la flecha de alimentación. Cuando el cursor cambie a una flecha negra, presione el botón izquierdo del ratón, trace la corriente hacia la derecha con el ratón, cuando aparezca la etiqueta de entrada sobre el primer intercambiador, presione el botón izquierdo del ratón. CHEMCAD dibujará la corriente y colocara un número ID sobre la corriente. CHEMCAD colocará los números ID secuencialmente, así este ID será el número 1. Usted puede cambiar esto usando el menú EDIT STREAM (invocado al hacer clic derecho sobre la corriente) si usted desea hacer esto. Dibujemos la segunda corriente. Mover el cursor hacia el punto del lado derecho del primer intercambiador, cuando usted este cerca del punto de la salida de la unidad, el cursor nuevamente cambiará a una flecha negra. Presione el botón izquierdo del ratón, trace la corriente hacia la entrada del segundo intercambiador, y cuando aparezca la etiqueta de entrada, hacer clic izquierdo nuevamente. Esto completará la corriente 2. A continuación dibujar la corriente desde el segundo intercambiador hacia el t anque flash , localizar el punto de salida del lado derecho del intercambiador de calor. Cuando aparezca la flecha negra, hacer clic izquierdo. Ahora dibujar la corriente hacia e l tanque flash hasta que aparezca la etiqueta de la primera entrada. Presione el botón izquierdo del ratón para completar la corriente 3. Tracemos la corriente 4 desde el tope del tanque flash. Mover el cursor cerca del tope del tanque flash hasta que aparezca la flecha negra. Presione el botón izquierdo del ratón. Ahora trazar la corriente verticalmente hacia arriba aproximadamente 1 pulgada, hacer clic izquierdo y luego trazar la corriente horizontalmente hasta la dirección de la entrada superior del intercambiador, hacer clic y continuar el trazo verticalmente hacia abajo hasta aproximarse a la entrada del intercambiador. Cuando aparezca la etiqueta de entrada aparezca hacer clic izquierdo. Usando este procedimiento completar el resto de corrientes hasta que el flowsheet aparezca como:
Fig. 20 Flowsheet
8.5 SELECCIÓN DE COMPONENTES A continuación seleccinaremos los componentes a ser usados en esta simulación.
339
Primero verificar que este activo el comando S / /G G de la barra de herramientas. Luego, seleccionando el comando ThermoPhysical ThermoPhysical ,, nuevamente, esto puede hacerse presionando [Alt + L]. Hacer esto. Se desplegará el siguiente menú:
Fig. 21 Selección de componentes
Para seleccionar los componentes del banco de datos estándar de CHEMCAD, hacer clic en la opción Component List , apareciendo la siguiente caja de diálogo di álogo de componentes:
Fig. 22 Lista de componentes Esta lista también aparece aparece directamente haciendo clic con con el ratón en el icono de la barra de herramientas “Selected Components” área: La actual lista de componentes será desplegada en esta área. “Component Databank” área: Todos los componentes almacenados en la base de datos son
listados aquí. Los componentes son listados de acuerdo a su número de identificación (ID number). Cuando esta área está activa, una barra azul identifica a cada uno de los componentes. “Selected Components”: Este campo se usa para localizar un componente en el
databank. Una vez que el componente deseado se ha estado ubicado, se agrega a la lista de los
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componentes del flowsheet haciendo doble dando un clic sobre ella o resaltándola y entonces dando un clic sobre el botón Add botón Add . Search for: for: usado para ayudar a ubicar el componente. e l programa localiza componentes haciendo juego con la cadena introducida en este campo. La cadena puede ser cualquier combinación alfanumérica. La cadena será con la que se hizo juego para cualquier parte de un número ID,fórmula, o el sinónimo (el nombre nombre del componente) componente) listado en el databank. databank. Next button: button: Si el componente actual no es el componente que esta usted buscando, hacer clic ennext en next button para button para encontrar la siguiente cadena que haga juego. Add button: button: Haciendo clic en next button, button , se agregará el componente resaltado a la lista de componentes del flowsheet. Los componentes también pueden ser adicionados haciendo doble clic en estos . el componente seleccionado aparecerá aparecerá en el area de Selected Components. Components. Insert button: button: Este botón se usa para insertar un componente en alguna parte de la lista componente, en vez de anexar hasta el fin de la lista. Clear button: button: Este botón se usa para suprimir la lista entera de componentes. Cuando se hace clic sobre Next buttón son borrados todos los componentes de área Selected Components. Components. Delete button. button. El botón Delete Delete es es usado para borrar componentes individuales de la lista de componentes. Para usar este botón, seleccionar el componente en el área Selected Components y Components y hacer clic en Delete Para mostrar como un componente es seleccionado, seleccionaremos nitrógeno. Primero escribimos en Search for la la palabra “Nitrogen”, a medida que vayamos construyendo la cadena Nitrogen, el programa ubicará y resaltará al componente nitrogen. Para agregar este componente a la lista hacer doble clic sobre él o hacer clic en el botón Add botón Add . El componente aparecerá en el área deSelected de Selected Componen Components ts.. El nitrógeno también podría haber sido fácilmente localizado introduciendo la cadena N2 en el campo de Search for. Lo mismo podría haberse hecho con la cadena “46” el cual es su número ID para el nitrógeno. También pueden usarse cadenas que comprendan parte de la palabra, número o fórmula. También es posible resaltar directamente el componente haciendo clic sobre el y luego hacer clic en el botón Add Add.. 2 Methane Ahora seleccionaremos los siguientes componentes. Recordar que si la primera búsqueda no localiza al componente deseado, hacer clic en Next, para encontrar la siguiente cadena. Ahora encontremos los siguientes componentes y adicionémoslos adicionémoslos a la lista. 3 Ethane 4 Propane 5 I-butane 6 N-butane 7 I-pentane
341
8 10
N-pentane N-hexane
La caja de diálogo se verá ahora:
Fig. 23 Lista de componentes Ahora guardemos la lista haciendo clic en el botón [Save].
8.6 SELECCI SELECCIONANDO ONANDO OPCIONES TERMODINÁMICAS La selección de opciones termodinámicas, básicamente permite seleccionar un modelo o método para calcular el equilibrio de fases liquido-vapor (o vapor-liquido-liquido vapor-liquido-liquido), ), denominada la opción de valores-K, valores-K, y seleccionar un método o modelo para calcular el balance de calor (llamada la opción de entalpía). Usted hace esto usando el comando ThermoPhysical ThermoPhysical localizado localizado en la barra de menú (Este es el mismo comando que usó anteriormente para acceder a Component List ). ). Haga clic en esta opción ahora. El menú ThermoPhysical deberá aparecer como antes. CHEMCAD tiene una librería con alrededor de 5º modelos para valores-K con una variedad de opciones, y alrededor de doce modelos para entalpía. Hacer la selección adecuada a partir de estas librerías puede a veces ser dificultosa. Los tópicos relacionados y las adecuadas técnicas de selección son descritas en la sección Termodynamics del manual en línea. En adición, CHEMCAD tiene un sistema disponible para asistir al usuario hacer esta selección. Este tópico denominado Termo Wizard, es también descrito en la sección Thermodynamics del manual en línea. Debido a que los aspectos involucrados en hacer selecciones termodinámicas y el uso de Thermo Wizard están más allá del alcance de este manual de instrucción, permítannos asumir que queremos usar el método de Peng-Robinson Peng-Robinson tanto para los valores-K y los cálculos de entalpía. En este caso deberemos proceder como se indica a continuación. Primero, nosotros necesitamos seleccionar nuestra opción de valores-JK punteando y haciendo clic sobre la opción K-values K-values sobre sobre el menú desplegado. Por favor hacer esto. La caja de dialogo deK-value de K-value Option será desplegada, la cual esta actualmente resaltada. Abra esta ventana haciendo clic en ella. Su pantalla ahora mostrará lo siguiente:
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Fig. 24 Valores-K
Usted notará la presencia de una barra de desplazamiento en la derecha de esta lista señalando que todas las opciones disponibles no podrían caber dentro de esta área. Por consiguiente, el usuario puede optar por cualquiera de ellos, usando cualquiera de los métodos descritos anteriormente en este manual de instrucción. Nosotros vamos a usar el método de Peng-Robinson. Para hacer esta selección, desplazarse a través de esta lista, puntear la opción Peng-Robinson y hacer clic izquierdo en el botón del mouse. Esta caja será cerrada y Peng-Robinson será ahora desplegada en este campo. Las demás opciones en esta pantalla no son importantes para usarlas por ahora. Luego guardemos nuestra selección punteando y haciendo clic en el botón [OK] en la esquina inferior derecha. Esto retornará a usted a la Barra del Menú de Simulación (Simulation Simulación (Simulation Menu Bar). Ahora seleccionemos nuestro modelo para entalpía. Hagamos esto haciendo nuevamente clic sobre el comando Thermophysical , luego haciendo clic en la opción Entalpy . La caja de diálogoEntalpy diálogo Entalpy Options será desplegada. Usted notará sobre la pantalla que el método Peng Robinson ya ha sido escogido. El programa automáticamente ha seleccionado el modelo para la entalpía cuando usted seleccionó el modelo Peng-Robinson para los valores-K. Si la elección es errónea, usted puede sobrescribirlo ahora. En nuestro caso nosotros mantenemos el modelo Peng-Robinson. Luego punteemos y hagamos clic en el botón [OK] de la esquina inferior derecha. Esto cerrará la caja de dialogo Entalpy Options guardando Options guardando la opción seleccionada. Para los propósitos de nuestro tutorial, las opciones termodinámicas están ahora completas.
8.7 DEFINIENDO LAS CORRIENTES DE ALIMENTACIÓN Nosotros estamos ahora en condiciones de definir las corrientes de alimentación. Esto puede hacerse usando el comando Specifications Specifications sobre la barra de menú o directamente haciendo
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doble clic sobre la corriente que queremos especificar. Hacer doble clic directamente sobre la corriente obviamente es más simple, así hagamos esto ahora. Doble clic en la corriente 1 y aparece la caja de diálogo Edit Streams mostrada Streams mostrada a continuación:
Fig 25. Corrientes de alimentación Por favor notar los siguientes aspectos de esta caja de diálogo: El primer campo, denominado Stream Name Name le permite a usted ingresar una etiqueta de la corriente o nombre. Este nombre puede tener 16 caracteres alfanuméricos y aparecerá sobre el flowsheet cuando usted cierre esta caja de diálogo.
Nota:: el ingreso y/o edición de las etiquetas de corrientes también pueden hacerse de otras formas. Nota
Los siguientes cuatro campos: Temperatura, presión, fracción de vapor y entalpía son las propiedad propiedades es termodinámica termodinámicass de la corriente. Acorde con la Regla de Fases de Gibb, cuando la composición es dada, especificando dos propiedades termodinámicas cualquiera de una mezcla se definen las otras dos. Entonces definiendo la composición, temperatura, y presión, automáticamente definimos la fracción de vapor y entalpía igualmente (esto es para una mezcla solamente). Alternativamente, definiendo la presión, composición y entalpía automáticamente definimos la fracción de vapor y temperatura. CHEMCAD, sin embargo, por convención no permite esto muy libremente. Como las entalpías son calculadas respecto a un valor de referencia, el cálculo de la entalpía de cualquier corriente dada es un proceso iterativo el cual está propenso a errores. Por esta razón, CHEMCAD no le permite a usted ingresar la entalpía de la corriente. (Hay una excepción para esta regla cuando el flujo total de componentes en la corriente es cero, ingresar una entalpía de la corriente puede servir como una vía alternativa de adicionar una carga de calor a una unidad). Entonces, para definir automáticamente una corriente en CHEMCAD, el usuario debe definir la composición de la corriente y cualquiera dos de la temperatura, presión y fracción de vapor. Esto es para una mezcla. Para un componente puro todas las tres propiedades son a veces requeridas.
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Los campos Total Flow Units y Comp Units trabajan Units trabajan juntos para proporcionar al usuario con una variedad de formas para definir la composición de la corriente. Si el Camp Units es establecido como mole, mass o volume fraction (el cual puede ser hecho globalmente o localmente) entonces la caja de diálogo Total Flow Units Units se pondrá disponible. Si el Comp Units es Units es establecido como una opción flow o o amount , , entonces el flujo total será la suma de los flujos de los componentes y la caja de diálogo Total Flow Units no Units no estará disponible para editar.
Si el Comp Units es Units es fijado para una cantidad de flujo unitaria (en oposición a fracciones molares, de masa o volumen), entonces a medida que son introducidos los valores de los flujos de componentes, estos son automáticamente sumados y la suma es desplegada en el campo Total Flow .
En la esquina superior izquierda de la caja de diálogo está el botón Flash Flash.. Haciendo clic en este botón en cualquier instante hace que el programa realice un calculo flash usando la especificación de composición actual y las propiedades termodinámicas. Esto permite cálculos flash rápidos sin salir de la caja de diálogo.
Las fracciones que no suman 1.0 son automáticamente normalizadas sobre el flash o saliendo de la caja de diálogo.
Ahora ingresemos los datos. Iniciemos con la temperatura. Ir al campo de la temperatura temperatura y y hacer clic sobre el. Una vez que el campo está resaltado, escribir 75 [down arrow].. Cuando usted presione la tecla [down arrow] , arrow] arrow] , el resaltador se moverá hacia abajo hacia el campo de la presión presión..Ingresar 200 en este en este campo. Ahora movámonos hacia abajo al campo del Nitrógen Nitrógen , mover el cursor hasta que se resalte el campo del Nitrogen, y hacer clic izquierdo en el botón del mouse. Ingresar 100.19 en este campo. De manera similar ingresar los siguientes números en sus correspondientes campos. Methane
4505.48
Ethane
514
Propane
214
I-butane
19.2
N-butane
18.18
I-pentane
26.4
N-pentane
14
N-hexane
14
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Guarde esta información haciendo clic en el botón [OK] en la esquina superior izquierda de la caja de diálogo. Ahora estamos listos para ingresar los parámetros de equipo.
8.8 INGRESO DE PARÁMETROS DE EQUIPO Especificación del primer Intercambiador de Calor De manera similar a las corrientes, los parámetros de equipo pueden ser ingresados ya sea usando el comando Specifications de la barra de menú o haciendo doble clic directamente sobre la UO que queremos especificar. Nuevamente, lo segundo es más fácil. Entonces puntear y hacer doble clic sobre el primer intercambiador de calor. Una caja de diálogo específica para el equipo se abrirá.
Fig. 26 Intercambiador de calor 1 La pantalla para el ingreso de datos puede ser de tamaño mayor a una página. Los botones denominados Specifications, Misc. Settings, y Cost Estimations indican las páginas para esta caja de diálogo. Usted puede hacer una lectura ligera a través de ellas haciendo clic sobre la etiqueta.
AHORA PERMITANOS RELLENAR LA HOJA La caída de presión para ambos lados del intercambiador es 5 psi, por lo tanto introduzca el valor 5 en el campo numerado como 1, luego haga clic en el otro campo numerado como 4, e ingrese el valor de 5 nuevamente. Nosotros necesitamos especificar la primera corriente para que esté a su punto de roció. Hacemos esto especificando una fracción de vapor de salida igual a 1. por lo tanto vamos al campo Vapor Fracction Stream 2, ya se con Tab hacia abajo o haciendo clic directamente sobre este campo e ingresamos el valor de 1. Esto completa la entrada para esta unidad. Con lo cual quedará esta caja de diálogo de la manera siguiente:
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Fig. 26b Ahora necesitmos guardar esta información y cerrar la caja de diálogo. Usted puede hacer esto haciendo clic sobre el botón [OK].
Especificación del segundo Intercambiador de Calor Ahora seleccionamos la segunda unidad para el ingreso de datos. Movemos el cursor hacia el segundo intercambiador y hacemos doble clic sobre el. Aparece el menú para un intercambiador de un solo lado:
Fig. 27 Intercambiador de un lado simple La temperatura de salida de este intercambiador determinara que cantidad de liquido es removido del tanque flash. Esto, a su vez, determinará el punto de rocío del gas producto. Por lo tanto su especificación es uno de los parámetros claves de nuestro Diseño. Como un primer intento, nos permitimos estimar la temperatura de salida en –5 oF. Por consiguiente, ingrese 5 en el campo de Pressure Drop y –5 en el campo de Temperatura of Stream 3. Ir hacia [OK] y hacer clic para guardar los datos y cerrar la caja de diálogo.
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Especificación del Tanque Flash En nuestro ejemplo el tanque flash es un separador liquido vapor y no requiere especificación. Por consiguiente no necesitamos hacer ninguna entrada para esta unidad.
Especificación de la Válvula Debemos ingresar la presión de salida de la válvula. Mover el cursor hacia la válvula y hacer doble clic sobre ella. Aparece la caja de diálogo de la válvula:
Fig. 28 Ingreso de datos para válvula Como nuestra presión de salida para esta unidad es 125 psia, ingresar 125 en el campo Pressure Out. Luego hacer clic en [OK]. Esto completa el ingreso de datos para la válvula.
Especificación de la Torre Estabilizadora Ahora hacer doble clic sobre la unidad de la torre. Aparece la caja de diálogo TOWR Distillation Column esta tiene 5 páginas para la pantalla y están indicadas por las etiquetas: General, Specifications, Convergence, Cost Estimation 1 y Cost Estimation 2.
Fig. 29 Columna de destilación
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Sobre la primera página, necesitamos ingresar la presión en el tope (Top pressure), la cual es 125 psia; la caída de presión en la columna (Colm press drop), la cual es 5 psi; el número de etapas (No. Of stages), el cual es 12, y la ubicación de la etapa de alimentación (Feed stages), la cual es la etapa número 1. Entonces completar la caja de diálogo como se muestra a continuación:
Fig. 29b
Ahora continuemos el ingreso de datos en la siguiente página. Hacer clic sobre la etiqueta Specifications. Haremos las epecificaciones para nuestra columna en esta pantalla. No tenemos condensados ni corrientes laterales para esta columna, por lo tanto solamente haremos las especificaciones para el rehervidor. Primero necesitamos especificar la forma de nuestro rehervidor. En razón a determinar cual opción es, colocar el puntero sobre la flecha que sigue a la columna etiquetada con Select Reboiler Mode y hacer clic en el botón izquierdo del mouse. Se desplegará una lista con las opciones disponibles. Como se indica en la Figura 1, necesitamos especificar la razón de flujo del fondo para esta unidad, la cual es el Modo No. 4 (4 Botton mole flowrate). Por consiguiente, llevar el cursor a 4 Botton mole flowrate y hacer clic en el botón izquierdo del mouse. Esta lista se cerrará y ahora en el campo deberá leerse 4 Botton mole flowrate. Ahora necesitamos especificar el valor numérico de la razón de flujo. Esto se hace en el campo inmediato al lado derecho, el cual se abre cuando hemos realizado la selección del modo. Por favor marcar el campo y hacer clic izquierdo, apareciendo el marcador de caracteres y podemos ingresar el valor en este caso 30.
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Fig. 29c Ahora vayamos a la siguiente página, hagamos esto haciendo clic en la etiqueta Convergence y aparecerá la siguiente caja de diálogo:
Fig. 29d Como usted puede ver en la pantalla, el total de entradas en esta página son opcionales. Sin embargo para propósitos de demostración, ingresemos un estimado de 50 oF para la temperatura del tope y 150 oF para la temperatura del fondo. Por favor puntear y hacer clic en el campo T top e ingresar un valor de 50, y en el campo T botton e ingresar el valor de 150. Ahora hemos completado el ingreso de datos para la unidad de torre. Guardemos estos datos haciendo clic en el botón [OK]. Cuando usted hace esto recibirá un mensaje de advertencia, diciendo que no ha ingresado un estimado para la razón de destilado. En una caja de diálogo, el programa le pregunta si usted quiere ignorar esta advertencia.
350
Fig. 30 Los mensajes de advertencia, son para su información y pueden normalmente ser ignorados; por lo tanto hacer clic en [Yes]. Esto retornará a usted a la ventana de simulación. El total de los datos de entrada al flowsheet están ahora completos.
8.9 EFECTUANDO LA SIMULACIÓN Para efectuar la simulación puntear y hacer clic sobre el comando Run de la barra de menú. Esto hace que se abra el menú Run de la manera siguiente:
Fig. 31 Menú Run Nosotros queremos hacer un análisis de estado estacionario, así seleccionamos la opción Run All. El programa primero chequeará los datos y listar cualquier error y/o advertencia en la pantalla. En este caso no debemos tener errores, aun cuando nos de mensajes de advertencia que no hemos hecho ciertos estimados
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Fig. 32 Nosotros podemos ignorar estas advertencias y proceder haciendo clic en el botón [Yes]. Los cálculos se efectuarán. Cuando se han finalizado los cálculos aparece en la pantalla CHEMCAD Messaje Box con el mensaje: “Recycle calcultion has converged”
Fig. 33 Para cerrar esta caja de diálogo y limpiar la pantalla, debemos hacer clic en [OK] 8.10 REVISANDO LOS RESULTADOS INTERACTIVAMENTE Verificando el punto de rocío Criocondentherm Si hemos seleccionado la adecuada temperatura de salida para el intercambiador número 2, el punto de rocío para la corriente gas producto (Stream 5) será 20 oF o menor. El punto de rocío, usted recordará, es la mayor temperatura de punto de rocío de una mezcla a cualquier presión. La forma más simple para identificar la temperatura de punto de rocío más alta del gas 352
producto es graficando todas las temperaturas del punto de rocío del gas producto es decir graficar una envolvente de fases. Hagámoslo ahora.
Para graficar en cualquier instante en CHEMCAD, debemos iniciar con el comando Plot de la barra de menú. Seleccionar esta opción haciendo clic en ella. Cuando usted hace esto aparece el MENU PLOT. Sobre este menú usted vera una lista de categorías generales de graficas disponibles en CHEMCAD. Seleccionar Envelopes haciendo clic sobre ella como se muestra en la Fig. 34 o presionando la tecla [E].
Fig. 34 Aparecerá la caja de diálogo Select streams. Mostrada en la Fig. 35
Fig. 35
353
Movemos el cursor a la corriente 5 (la corriente gas producto saliendo por el fondo del intercambiador No. 1) y hacemos clic aquí. El número 5 aparece en el campo de la caja de diálogo Select streams como muestra la Fig. 36
Fig. 36
Ahora hacemos clic en [OK] para cerrar el proceso de selección de la corriente con lo que aparecerá la caja de diálogo Phase envelope
Fig. 37
354
No son necesarias entradas en esta pantalla ya que nosotros solamente necesitamos ver la línea de punto de rocío (Dew point). Sin embargo para hacer la gráfica más interesante permítanos desplegar las líneas de 0.25 y 0.50 de fracción de vapor en adición a la envolvente de los limites normales de fases. Entonces completamos la caja de diálogo como se muestra en la Fig. 38.
Fig. 38 Ahora hacemos clic en el botón [Save] para guardar estas entradas. CHEMCAD ejecuta los cálculos flash necesarios para generar la envolvente de fase como se ha especificado anteriormente. Los resultados de la envolvente de fases son producidos en dos formatos: 1. Una tabulación numérica (Tabla) de la temperatura, presión, fracción de vapor, factor de compresibilidad del vapor, y el factor de compresibilidad del líquido. 2. Una gráfica de temperatura y presión para cada línea de fracción de vapor requerida. La primera es desplegada en una ventana de notas (Notepad), la segunda en una ventana de gráficos. Como los datos para estas ventanas son generados simultáneamente, ambas ventanas son abiertas. Por lo tanto cuando los cálculos son completados, CHEMCAD rápidamente despliega la ventana de gráficos, luego es desplegada la ventana Notepad.
355
Fig. 39
Como nosotros no vamos a usar los resultados tabulados, cerramos la ventana de Notepad, y aparecerá la gráfica siguiente:
Fig. 40 Usted está ahora en una ventana de gráficos, y sus comandos disponibles han cambiado. Realmente esta ventana puede ser considerada como una ventana de edición de gráficos porque es la misma para cada gráfico. Esta tiene los siguientes comandos:
File
Este comando es para manejo de archivos y para control de impresión como en todas las ventanas de CHEMCAD
Edit
Contirnr los comandos Undo ,Cut, Copy y Paste
View
Controla el estado de despliegue de Toolbar y Status Bar
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Graph
Proporciona acceso a las facilidades de zoom y editing
Window
Para arreglo de ventanas e iconos
Help
Proporciona acceso a la ayuda en línea.
En este punto permítannos notar algunos puntos importantes referentes a las gráficas en CHEMCAD. 1.
Para ver aumentada (Zoom) cierta sección de la gráfica, hacer clic izuierdo con elmouse y sombrear con un cuadrado la sección que desea hacer Zoom, al dejar de presionar el botón izquierdo automáticamente aparecera aumentada en tamaño la zona sombreada de la gráfica, para regresar al tamaño anterior hacer clic derecho en el botón del mouse o ir a l menú de la gráfica Graph – Zoom out. Este proceso puede hacerlo también para la sección que ha sido aumentada previamente (hacer un nuevo Zoom)
2.
El texto del título para la gráfica (en este caso Envolvente de Fase para Corriente 5) puede ser editado usando la facilidad Chart Explorer dentro de CHEMCAD. Esta es accesada haciendo clic en el comando Graph y seleccionando la opción Edit.
3.
El color, tamaño, distribución y varios otros aspectos de la presentación de la gráfica tambien pueden ser editados usando la función Chart Explorer.
4.
Una copia de esta gráfica puede obtenerse haciendo clic en el comando Print. Usemos algunas de estas características para ver como ellas trabajan. Primero recordemos que hemos probado para calcular el Cricondentherm Punto de Rocío de la corriente 5 es 20 oF o menos. Hagamos Zoom en el lado derecho de la gráfica.
a.
Coloquemos el cursor en el punto de la intersección de 1000 psia y 0 oF en la gráfica.
b.
Ahora, presionemos el boton izquierdo del mouse y arrastemos el puntero hasta la intersección de 400 psia y 30 oF.
c.
Soltar el botón izquierdo. El programa hará Zoom en el área seleccionada y mostrará la gráfica siguiente:
357
Fig. 41 De aquí podemos ver que el Punto de Rocío más alto de esta mezcla es un poco menos que 20 oF. Por consiguiente, cricondentherm Punto de Rocío de esta mezcla está ciertamente en o menos de nuestra especificación del gas del producto. Nuetra gráfia está ahora terminada. Para imprimir lo desplegado, presionar el comando Print. Esto termina nuestro ejercicio con gráficas. Regresar a la ventana principal cerrando la ventana actual haciendo clic en x de la segunda barra de herramientas. Con esto retornará Usted a la ventana principal de CHEMCAD
Verificando la pureza de la corriente del fondo Nuestra segunda especificación requiere que el porcentaje de propano en la corriente del fondo sea 1 por ciento. Nosotros podemos ver y verificar si hemos conseguido esta especificación usando el comando Results. Por favor puntear y hacer clic en el comando Results o presionar [Alt + U] ahora. Cuando usted haga esto aparecerá el menú de Results. Nosotros queremos verificar la composición de las corrientes, y queremos hacerlo en porcentaje molar. Entonces, debemos establecer primero nuestras unidades de flujo. Por favor puntear y hacer clic sobre la opción Set Flor Units. Aparecerá la caja de diálogoReport Flor Rate Units. De la siguiente manera:
358
Fig 42 Por favor recorrer hacia abajo y hacer clic en la opción la cual dice Mole %. Luego haciendo clic en [OK], usted deberá retornar a la ventana principla de CHEMCAD. Ahora hacer clic nuevamente en Results sobre el Menú de Results, resaltar Stream Compositions. Sobre el MENU DE STREAM COMPOSITIONS, el cual aparece, hacer clic en Select Streams. Aparecerá la caja de diálogo Select Streams. Como antes, puntear con el Mouse sobre la corriente 9 y hacer clic. La caja de diálogo Selec Streams quedará:
Fig. 43 Ahora hacer clic en [OK]. Aparecerá la siguiente caja de diálogo. 359
Fig 44 Podemos ver de este despliegue que el propano está muy por debajo de nuestra especificación de 1 %. Esto quiere decir que nuestro diseño es demasiado conservador. Para corregir esto, permitanos volver y reespecificar la columna para producir precisamente 1 % de propano en el fondo. Por favor hacer clic en el botón cerrar. Ahora que la simulación se ha completado, debemos revisar los resultados antes de imprimirlos o hacer una copia. Hacemos esto usando los comandos Results y Plot de la barra de menú. Con estos comandos, inspeccionamos si hemos conseguido nuestros criterios de diseño. 8.11 RE-EFECTUANDO LA SIMULACION Re-efectuar el estabilizador especificando que nosotros queremos 1 % de propano en el fondo. Para hacer esto, hacer clic sobre la Unidad de Operación Torre. Aparecerá la caja de diálogo TOWR Distillation Column Ahora hacemos clic en la hoja Specifications de la caja de diálogo. Nosotros queremos cambiar nuestra especificación de Bottom mole flowrate a una especificación de pureza (Purity). Entonces, debemos comenzar por cambiar el modo de la especificación. Hacer esto, puntear y hacer clic sobre el campo siguiente a la opción Select reboiler mode y seleccionar el Modo 6. En este campo deberá ahora leerse 6 Bottom component mole fraction. Para completar nuestras especificaciones, nosotros debemos identificar cual pureza es y para que componente esta siendo especificada. En el campo Specification del lado derecho, debemos ingresar .01 en lugar del valor actual de 30. Por favor hacer esto. A continuación, debemos identificar el componente para el cual estamos haciendo una especificación de la pureza. Para
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hecer esto, hacer clic en el campocomponent . Se abrirá una lista de todos los componentes en la lista de componentes. Hacer clic en propane. La lista se cerrará.
Fig. 45 Luego hacer clic en la tercera página de la pantalla. Como nosotros hemos efectuado este estabilizador de condensado anteriormente, queremos instruir al programa, para mejorar lo que quedó al final de la última simulación. Hacemos esto realizando la selección adecuada en el campo etiquetado con Initial flag bajo Convergence parameters. Hacer clic en esta opción. Se abrirá una lista desplegando las opciones disponibles. La opción que nosotros queremos es la opción número uno, Reload column profile. Nosotros hemos realizado ahora todos los cambios requeridos para re-efectuar el estabilizador de condensado. Guardemos esto punteando y haciendo clic sobre el botón [OK].
Fig. 46 Ahora puntear y hacer cic en la opción Run de la barra de menú. Esto causará que aparezca elRun Menu. Por favor notar en este punto que como la única unidad afectada por nuestros cambios es el estabilizador de, no es necesario re-efectuar todo el flowsheet. Entonces, permítanos efectuar solamente la Unidad 5 , el estabilizador de condensado. Hacemos
361
esto punteando y haciendo clic sobre la opción Run selected Units. Por favor hacer esto ahora. Cuando nosotros abrimos la caja de diálogo Toser, nosotros "seleccionamos" la Unidad de Operación Torre (UnitOp No. 5). Cuando nosotros cerramos la caja de diálogo, la Unidad de Operación No. 5 permanece seleccionada aún cuando esta caja de diálogo haya sido cerrada. Entonces, cuando nosotros decimos al programa para "Run selected units" , este inmediatamente corrió a la Unidad de Operación No. 5 porque esta estaba "selecionada". Los objetos seleccionados son indicados por los cuatro cuadrados en las esquinas alrededor de ellos. Cuando el cálculo es finalizado, el mensaje "Calc Unit 5 TOWR " aparecerá en la izquierda sobre la línea del fondo de la ventana CHEMCAD. Esto deberá ocurrir casi inmediatamente ya que la corrida del estabilizador es muy rápida. Nosotros queremos ahora garantizar que tenemos propane en la corriente del fondo en una cantidad de 1 %. Nosotros hecemos nuevamente esto con el comando Results. Por favor puntear y hacer clic sobre el comando Results sobre la barra de menu. Esto causará que aparezca el Results Menu. Ahora, resaltemos la opción Stream Compositions y despleguemos la corriente 9 usando los siguientes pasos: 1. Puntear sobre la opción Select Streams. 2. Mover el mouse hacia la corriente 9 y presionar el boton izquierdo del mouse. 3. Hacer clic en [OK]. La corriente 9 deberá ahora ser desplegada en una Notepad Window . Nosotros podemos ver que el propano es ahora 1%, como se deseaba. Ahora hacemos clic para cerrar Notepad con la composición de la corriente desplegada .
8.12 PRODUCIENDO UN REPORTE Para obtener una copia de cualquier tipo, usar la opción Output sobre la barra de menú. Hacer clic en Output o presionar [ALT + O]. Aparecerá el MENU DE SALIDA, y usted tendrá las siguientes opciones: Report
Para generar una copia tabular de las salidas.
Main PFD
Para producir y editar el principal diagrama de flujo del proceso.
New PFD
Para producir diagramas de flujo adicionales.
Open PFD
Para editar diagramas de flujo de procesos diferentes al principal PFD.
Seleccionemos la opción Report presionando la tecla [R]. Esto causará que aparezca elReport Menu.
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Fig. 47 Para propósitos de esta demostración, permítanos asumir que nosotros queremos imprimir la siguiente información: 1. Para las Corrientes 1, 5, 8 y 9, imprimiremos las composiciones de las corrientes en flujos de masa y fracciones molares, así como por defecto las propiedades de las corrientes. 2. El resumen de equipo para cada pieza de equipo en el flowsheet. 3. Perfiles de la torre para el estabilizador de condensado. Comencemos con el Item 1 anterior. Nosotros debemos primero especificar cuales corrientes queremos imprimir. Para hacer esto, use la opción Select Streams sobre el Report Menu. Por favor puntear y hacer clic en esta opción ahora. Aparecerá la caja de diálogo Select Streams y le permitirá a usted identificar las corrientes deseadas.
Fig. 48.
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Ya sea con el uso del mouse, o mediante el ingreso de los números ID de las corrientes en las cajas dadas. Usando el mouse emplee el mismo procedimiento de selección de las corrientes ilustrado anteriormente, entonces, permítanos tipear en los números de las corrientes deseados ahora. Hacer esto, siguiendo el procedimiento dado a continuación: 1. Selecionar "No" en la pequeña caja adjunta a la etiqueta Print ALL streams ? 2. Selecionar "Yes" en el campo etiquetado Select Streams from flowsheet ? 3. Ahora necesitamos identificar las corrientes 1, 5, 8, y 9 como las corrientes seleccionadas. Primero, hacer clic sobre la caja ID de la corriente en la esquina superior izquierda debajo de la etiqueta E nter the stream ID’s . 4. Tipear el número 1 dentro de este campo. 5. Ahora, dé un clic sobre otro campo y mecanografíe el número 5. No tiene importancia cuál caja usted selecciona. Cualquier caja hará lo mismo, aun si no está contiguo a la primera caja. 6. Seleccione las cajas para las otras corrientes, e ingrese los número 8 y 9 7. Para cerrar la caja de diálogo Select Streams, clic en el botón [OK] .
Ahora debemos regresar a Report Menu. Nuestro siguiente paso será seleccionar las unidades de flujo para la composición de de las corrientes que deseamos imprimir. Para hacer esto, usamos la opción Stream Flowrate/Composition sobre el Report Menu. Por favor seleccionar esta opción ahora. Su pantalla deberá mostrar lo siguiente:
Fig. 49 Usted notará que por defecto la condición de las composiciones de las corrientes se imprimirán en unidades de flujo molar (molar flowrate). Para Tutor1, no queremos flujos molares, nosotros queremos flujos de masa (mass flowrates) y fracciones molares (mole fractions). Entonces, necesitamos primero desactivar la opción Mole flow rate. Usted puede hacer esto punteando y hacienda clic en la caja a la izquierda de la etiqueta. Esta caja
364
corrientemente tiene una marca de chequeo indicando que, en este momento, mole flowrates es una selección activada. Por favor puntear y hacer clic en esta caja ahora. Ahora, seleccionaremos la opción flujo de masa. Puntear y hacer clic en la caja de Mass flowrate ahora. Finalmente, seleccionemos la opción Mole Fractions punteando y hacienda clic en dicha opción. Su pantalla deberá mostrar lo siguiente:
Fig. 50 Guardar estas entradas punteando y hacienda clic en el botón [OK] en la parte inferior derecha de esta caja de diálogo. Esto nos regresará a Report Menu. Ahora, seleccionaremos las propiedades de las corrientes. Por favor seleccionar la opción Stream Properties sobre el Report Menu. Aparecerá la caja de diálogo Property Options.
Fig. 51
Por favor notar que esta caja de diálogo tiene dos páginas .
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También notará que esta es una pantalla de selección on/off similar a la caja de diálogo Flowrate/Composition options. Cualquiera de las opciones que tengan un checkmark en la caja al lado de ellas será impresa. El usuario puede cambiar estas opciones on/off punteando u haciendo clic dentro de la caja al lado izquierdo de cada etiqueta. Para los propósitos de esta demostración usaremos las selecciones predeterminadas para la salida de l as propiedades de las corrientes. Entonces, salir de esta ventana haciendo clic en [CANCEL] en la parte inferior de esta ventana. Esto nos retornará a Report Menu. Ahora seleccionaremos cuales piezas de equipo o Unidades de Operación queremos incluir en nuestro reporte. Para hacer esto, seleccionar la opción Select Unit Operations del menú. Por favor haga esto ahora. Aparecerá la ventana de diálogo de datos Select Unit Operations.
Fig. 52 Como usted puede ver, esta ventana de diálogo es muy parecido a la ventana de diálogo Select Streams, la cual encontramos anteriormente. En la condición por defecto, todas las Unidades de Operación son dadas. Si el usuario hace una selección diferente a la opción por defecto, lo puede hacer ya sea ingresando los ID’s de las unidades de operación mediante el teclado o haciendo clic sobre la opción Select from flowsheet graphics en la pantalla. Entonces aparecerá el cursor de selección y las unidades de operación serán seleccionadas de la misma manera como se seleccionarón las corrientes anteriormente. En nuestro caso, vamos a imprimir todas las unidades de operación. como esta es la selección por defecto, no haremos cambios. Apuntar y hacer clic sobre [OK] . Para nuestra selección final, vamos a especificar cual información va a ser impresa para la columna de destilación del estabilizador de condensado. Para esto, por favor seleccione la
366
opción Distillation Summaries del menu. Aparecerá la ventana de diálogo Distillation Options
Fig. 53
y permitirá a usted que haga lo siguiente: 1.
Tray profile – Imprimir un resumen tabular de los perfiles por plato para la columna, es decir, para cada etapa el programa imprimirá la temperatura, presión, flujo de vapor, flujo de li quido y cualquier alimentación o producto yendo hacia o desde la etapa.
2.
Tray properties – Un resumen tabular de las propiedades de transporte del vapor y el liquido en cada etapa de la columna.
3.
Tray sizing – Resultados de los cálculos de tamaño de los platos para cada etapa de la colomna. El usuario puede seleccionar platos a válvula, perforados o con casquetes de burbujeo.
4.
Packed column sizing – Dimensiones de las columnas empacadas y resultados de los cálculos de caída de presión.
5.
Tray compositions – Composiciones por etapa pueden ser impresas en flujos de masa o molares así como también en fracciones molares o de masa. Solamente una puede ser seleccionada. Vamos a imprimir solamente los perfiles de los platos descritos en el item 1 anterior. Así como usted puede ver del checkmark sobre la ventana de diálogo, esta es la opción por defecto. Entonces por favor hacer clic en [OK] para retornar al Report Menu. Estamos ahora en condiciones de generar nuestro informe. Por favor puntear y hacer clic en la opción la cual dice Calculate and Give Results del Report Menu. Cuando usted hace esto, el reporte será desplegado en una ventana de notas (Notepad) y si tiene instalado el Word, aparecerá en Word.
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Este será formateado exactamente como aparece. Para imprimir estos resultados hacer clic en el botón Print. Como ya hemos finalizado con el reporte, cerrar la ventana de notas. Aparece la ventana principal de CHEMCAD. Usted puede generar más reportes yendo a Output y Report, cuando acaba de hacer sus reportes puede cerrar la ventana de Report Menu hacienda clic en End Report . Y retornará a la ventana principal de CHEMCAD.
8.13 GENERANDO EL DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROCESO Otra vía para obtener una copia impresa de la salida es crear un diagrama de flujo del proceso (PFD). Seleccione la opción Main PFD del Menu Output . (para esto debe estar activo el comando S /G.
Fig. 54 El programa ingresara al modo PFD "PFD mode", el cual permite abrir ciertos commandos y características que hasta ahora no se han aprovechado. Estas son:
Fig. 55
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Stream Box – El comando Add Stream Box es usado para crear ventanas de datos de corrientes. Las ventanas de datos de las corrientes pueden ser usadas para desplegar el balance de materiales y calor y las propiedades de las corrientes. Tantas ventanas de datos de corrientes como se desee pueden ser trazadas sobre un PFD. Este comando está localizado en el menú Format . nitOp Box - El comando Add UnitOp Box es usado para crear ventanas de datos de Unidades de Operación.Las ventanas de datos de las Unidades de Operación pueden ser usadas para desplegar la input y/o output de Unidades de Operación en el flowsheet. Tantas ventansa de datos de Unidades de Operación como se desee pueden ser desplegadas sobre un PFD. Este comando está localizado sobre el menú Format . sh Data Boxes – El comando Refresh Data Boxes es usado para actualizar la ventana de datos de corriente y Unidades de Operación después de de que ha sido hecha una nueva corrida. Este esta localizado en el menú View . FD palette – La PFD palette como se muestra al lado derecho de la figura anterior es una pequeña paleta la cual contiene aquellas funciones gráficas las cuales son relevantes para crear un PFD. Estas son las funciones select , rotate,rectangle, ellipse, line, multiline, text , y Job box functions. Estas son descritas a continuación y en las secciones "Drawing with the Palette" y"How to put text on a drawing" de esta guia del usuario. El proceso de crear PFD’s consiste de las siguientes actividades:
1. Crear y colocar Ventanas de datos de las Corrientes sobre el dibujo. Las ventanas de datos de las corrientes son tabulaciones de los balances de materiales y calor y propiedades de las corrientes. El contenido y estilo de estas ventanas está dentro del control del usuario. 2. Crear y colocar Ventanas de datos para las Unidades de Operación sobre el dibujo. Las ventanas de datos de las Unidades de Operación son tabulaciones de los valores de entrada y salida para cada Unidad de Operación en el flowsheet. Nuevamente, el estilo y contenido de estas ventanas de datos está dentro del control del usuario. 3. Adicionar texto al dibujo. Usando las facilidades de texto de CHEMCAD, pueden ser colocados Títulos, notas, y varios otros textos sobre el PFD. 4. Colocar símbolos en el PFD. El usuario puede crear y almacenar símbolos, tales como logos de la compañía, en una librería de símbolos para después recuperarlos y colocarlos sobre los dibujos de CHEMCAD. 5. Dibujos primitivos de objetos (es decir, simples). Una variedad de objetos 2D están disponibles para usarlos para la creación de objetos a pulso. Par ver como trabaja esto dibujareos el PFD En razón a tener espacio adecuado para colocar información adicional sobre el PFD, lo primero que necesitamos hacer es reducir el tamaño del flowsheet. Hacer clic en l a opción Zoom Outlocalizado en la barra de menú.
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El flowsheet se reducirá a la mitad.
Fig. 56 Creando una ventana de datos de Corrientes Ahora, colocaremos el balance de materiales y calor para el flowsheet sobre la pantalla. Esta información está contenida en una ventana de datos de corriente. Una ventana de datos de la corriente es creada usando el siguiente procedimiento. 1.
Clic en el comando Format en la barra de menú. La ventana del menú Formataparecerá.
2.
Clic en la opción Add Stream Box del Menú Format. Aparecera la ventana de diálogo Select Streams.
Fig. 57
370
Normalmente esta ventana de diálogo se usaría para listar las corrientes que deben ser incluidas en la ventana de datos de corrientes. En nuestro caso sin embargo incluiremos todas las corrientes en la ventana de datos, así es que no tenemos que listar las corrientes.Por defecto están incluidas todas las corrientes. Por consiguiente, dé un clic sobre el botón[OK] para cerrar la ventana de diálogo. Aparecerá la ventana de diálogo Databox Property Options. 3.
La ventana de diálogo Databox Property Options, se mostrará de la siguiente manerá:
Fig. 58 4.
5.
Esta ventana de diálogo es usada para seleccionar que ítems (para cada corriente) debe ser incluido en la ventana de datos. Los ítems son seleccionados haciendo clic en el cuadrado junto a ellos. Una checkmark indicara el item que debe ser incluído. Un cuadrado vacío indica que el ítem no será incluido. Para propositos de esta demostración aceptmos lo establecido por defecto. Entonces hacer clic en el botón [OK] para cerrar esta ventana y guardar los items establecidos. Aparecerá una ventana Data Box Settings para determinar la forma y el tamaño de letra
Fig. 59
371
Guardamos los valores establecidos por defecto y cerramos la ventana haciendo clic en [OK]. Aparecerá la tabla con los datos de las corrientes la cual se mostrará de la siguiente manera:
Fig. 60 6. Ahora podemos mover nuestra ventana de datos haciendo clic izquierdo y arrastrarla hacia donde deseemos colocarla. 7.
Aumentar o disminuir el tamaño de la ventana haciendo clic izquierdo y luego colocando el puntero del mouse en cualquiera de las esquinas de la ventana y aumentarla o disminuirla.
8.
También podemos hacer zoom del comando View, (Zoom In para aumentar al doble y Zoom Out para disminuir a la mitad), en este caso se hará conjuntamente con el PFD Nuestra ventana de datos de las corrientes ha sido exitosamente completada. Usted puede colocar tantas ventanas de datos sobre un PFD como lo desee, así una ventana de datos podría contenet el balance de materia y calor, mientras otro conteniendo las propiedades de transporte de cada corriente. Alternativamente una ventana de datos puede contener corrientes desde la uno a la veinte, mientras otra contener corrientes de treinta a cincuenta. La colocación de corrientes es extremadamente flexible. Las ventanas de datos de las Unidades de Operación pueden ser creadas usando el mismo proceso delineado anteriormente. Estas ventanas de datos pueden contener datos de entrada y/o salida para cualquier unidad seleccionada del flowsheet. Colocando texto sobre el PFD
Fig. 61 Texto y otros símbolos y objetos pueden ser colocados sobre el PFD usando tambien la paleta PFD. Para llamar a la paleta PFD, hacer clic sobre el comando Output sobre la barra de Menú,
372
luego seleccione el comando Main PFD. Aparecerá una pequeña paleta en la parte superior derecha de la ventana. El texto puede ser creado y colocado sobre el PFD usando el cuadrado "ab" de la parte derecha de la paleta. Por favor hacer clic en el cuadrado ahora. La paleta desaparecerá y el cursor del texto aparecerá. Localizar el cursor en la parte superior izquierda del PFD en una posición apropiada para un titulo, luego presione el botón izquierdo del mouse. Ahora tipee el título del PFD, "Estabilizador de Condensado PFD". Cuando termine hacer doble clic sobre alguna parte libre del letrero. La paleta reaparecerá. Si deseamos datos sobre la compañía y otros podemos colocarlos con el cuAdro inferior mostrado en la Figura
Fig. 62 Haciendo clic en este cuadro, el cursor se transformará en un cuadrado, luego ubicamos donde queremos colocar los datos y hacemos clic sobre este lugar en el PFD, apareciendo un recuadro de mostrado en la figura 63. Este recuadro se llena usando l mismo procedimiento para colocar texto.
Ahora hemos completado el proceso para el PFD. Podemos generar una copia de este PFD haciendo clic en el botón Print . Para salir de la sesión con Tutor1 ir al comando File de la barra de menú y seleccionar Close. Cuando usted haga esto CHEMCAD le preguntará si desea guardar los cambios en el PFD. Sirvase contestar "yes". La ventana de trabajo de este ejemplo se cerrará y aparecerá la ventana principal de CHEMCAD. Para salir de CHEMCAD puede hacerlo
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directamente de la ventana de trabajo haciendo clic en la parte superior derecha o a través del menú File y Exit. Para salir de la ventana principal hacer lo mismo descrito anteriormente. Nosotros ahora hemos finalizado nuestra demostración.
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9. CASOS DE ESTUDIO. 9.1 Combustión de 3-Methyl-1-Pentene Plan: Usar CHEMCAD para mezclar, calentar y reaccionar dos corrientes para combustión completa de 3-Methyl-1-Pentene sin reciclo. Las variables de la corriente de alimentación son dadas a continuación. La reacción en el reactor es: 1C6H12 + 9O2 --------------> 6H2O + 6CO 2 todo lo demás es inerte. La corriente mezclas alimentada al reactor debe estar a 250°F y a una presión de 300 libras por pulgada cuadrada (absoluta). La conversión del hidrocarburo es 75%. Asumimos una caída de presión de 30 psi en el intercambiador de calor. El reactor opera adiabáticamente. Corrientes de Alimentación Nombre de la Corriente Flujo en lbmol/hr Temperatura (0F) Presión (psi) Nitrógen % mol Oxygen % mol 3-Methyl-1Pentene % mol Helium % mol Water % mol Carbon Dioxide % mol Total %
Corriente 1 Aire
Corriente 2 Combustible 200 100 200 79 21 0 0 0 0 100
100 125 300 0 0 45 55 0 0 100
La siguiente es una lista de los pasos que debe seguir para la simulación: 1. Crear un nuevo trabajo y archivo El Caso lo guardaremos con el nombre Combust3M1P . 2. Establecer el sistema de Unidades de Ingeniería ENGLISH 3. Confeccionar el diagrama de Flujo (Flowsheet)
Las UnitOps usadas son: Mixer (use Mixer #1 o #4), Pump, Heat Exchanger (Use Heat Exchanger #1 o #2), Reactor (Use Stoichometric Reactor #2), este es el tipo mas simple de reactor. 4. Lista de Componentes
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46
Nitrogen
47
Oxygen
1352
3-Methyl-1-Pentene
551
Helium-3
62
Water
49
Carbon Dioxide
5. Selección de modelos termodinámicos para los K-Values y entalphy Seleccionamos K = SRK y H = SRK. Este es el modelo Soave Redlich Kwong. 6. Especificar propiedades de Alimentaciones (y corrientes laterales) Corriente 1
Corriente 2
Nota: La suma de las fracciones molares debe ser igual a 1.0000. Afortunadamente, si este no es el caso, cada entrada debe ser normalizada. La normalización permite que matemáticamente la computadora tome cada entrada y la divida por la suma de todas las entradas. Por ejemplo,
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que se tiene una corriente con cuatro componentes con el primer componente siendo 10%, el segundo, 20%; el tercero, 30%; y el cuarto 40%. Ingresando (1,2,3,4), (2,4,6,8), (10,20,30,40), o (501,1002,1503,2004) para las fracciones molares, ChemCAD podría entender cada uno de los cuatro conjuntos de fracciones molares como (.1,.2,.3,.4), las cuales suma 1.0000.
De otro
modo, suponer
una corriente con 1/33
de componente A, 2/33 de
componente B, 9/33 de componente t C, 10/33 de componente D, y 11/33 de componente E. En otra palabras, esta corriente es 1 parte de A, 2 partes de B, 9 partes de C, 10 partes de D, y 11 partes de E. Se hallaría una disposición para ingresar 1,2,9,10,11 para fracciones molares para los componentes A,B,C,D,E en ese orden ya que la computadora normalizará los datos ingresados.
7. Especificación de los parámetros de equipo Mixer: Para este equipo, la pantalla podría quedarse vacía y la simulación todavía surtiría efecto perfectamente. Colocar el cursor en el campo de dato en el banco en el tope y presione F1 para leer que. Dejando el campo de dato en la línea más alta de esta pantalla,en este caso, ajusta la presión de la corriente mezclada para la presión mas baja o mínima de corriente entrando en el mezclador.
Pump: Fijamos Mode: Specify Outlet Pressure Establecemos Output Pressure: 330 psia
Heat Exchanger: Pressure Drop: 30.0 Temp Out (Temperature of Stream 5): 250°F
Stoichiometric Reactor: El reactor estequiométrico es el tipo mas simple de reactor en CHEMCAD. Notar como este puede ser ajustado a ser un reactor isotérmico, adiabático o con carga de calor. If it Thermal Mode: Adabatic Key Component : 3-Methyl-1Pentene Frac. Conversion: 0.75 Stoichiometric coefficients: Para cada componente usando la guia dada en la nota siguiente. Nota: Coeficients son negativos si son reactantes, positivos si son productos y cero si son inertes. Los coeficientes no necesariamente tienen que ser enteros. Si cualquier campo de datos queda vacio el programa da por supuesto que tal componente es inerte.
Establecer los coeficientes estequiométricos de los componentes según lo listado por las siguientes razones:
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Componente 1 2 3 4 5 6
Coeficiente 0 -9 -1 0 6 6
Razón Nitrogen es inerte 9 moles Oxygen reaccionan 1 mole of Methyl-1Pentene reaccionan Helium es inerte 6 moles Water son producidos moles Carbon Dioxide son producidos
Luego la ventana de diálogo del Reactor quedará de la manera siguiente:
Al hacer clic en OK aparece un mensaje de advertencia para el intercambiador el cal lo podemos ignorar 8. Efectuar la Simulación Al efectuar la simulación aparece el siguiente mensaje:
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Los cuales podemos ignorar Una vez efectuada la simulación podemos colocar la tabla adjunta al DF o ver los reportes de la manera que deseemos.
9.2 Simulación Del Proceso Haber Usar CHEMCAD para mezclar, calentar y reaccionar dos corrientes para producir amoniaco sin usar reciclo. Las variables de las corrientes de alimentación son dadas a continuación. La reacción en el reactor es: N2 + 3H2 ----------> 2NH3. La corriente mezclada alimentada al reactor debe ser calentada como mínimo a 1550 K. Asumir que la conversión fraccional por paso del N 2 es 0.40. También asumir que hay una caida de presión de 2000 Pa en el intercambiador de calor. Corrientes de Alimentación Nombre Flujo Temperatura Presión % Molar % Molar
Kmol/h K Pa
Corriente 1 Nitrogen 15 300 150,000 0.0 100
Corriente 2 Hydrogen 45 400 250,000 100 0
Crear un archivo para un nuevo trabajo y denominarlo: Haber Unidades de ingeniería: Selecionar "SI" Crear el Flowsheet: Colocar los dos iconos de alimentación, un mezclador (mixer), un intercambiador de calor (heat exchanger), un reactor estequiométrico (stoichiometric) y un icono de producto. Conectar la Unidades de Operación con las corrientes Conectar las alimentaciones con el mezclador, el mezclador al intercambiador de calor, el intercambiador de calor al reactor estequiométrico, y el reactor estequiométrico al producto. Lista de Componentes Crear nuestra lista de componentes en el siguiente orden: 1
Hydrogen
46
Nitrogen
379
63
Ammonia
Seleccionar K-Values y Entalphy Mode Seleccionar K-Values = SRK y H = SRK. Especificaciones de Alimentaciones (y corrientes laterales) Alimentación 1:
Variable Temperatura Presión Hydrogen Nitrogen
Corriente 1 300 150,000 0.0 15
Unidades K Pa
Corriente 2 400 250,000 45 0.0
Unidades K Pa Kmol/h
Kmol/h
Alimentación 2:
Variable Temperatura Presión Hydrogen Nitrogen
Especificación de Parámetros de equipo
Intercambiador de calor (Calentador):
Caída de presión 2000 Pa
Temperatura de salida
1550 K.
Reactor estequiométrico:
Mantener en adiabatic.
The key component is 2.
The fractional conversion is 0.4.
And the stoichiometric coefficients are [-3,-1,2]. Efectuar la simulación
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