Apunte Simulación

2010 Curso Electivo: “Simulación de procesos en Aspen HYSYS®” Laboratorio de Simulación de Procesos Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria - UNCuyo Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® INTRODUCCIÓN A ASPEN HYSYS® .........................................................................................3 ¿QUÉ ES ASPEN HYSYS®? .......................................................................................................3 OBJETIVOS DEL CURSO ELECTIVO ..........................................................................................3 INICIANDO ASPEN HYSYS® .....................................................................................................4 CONFIGURANDO LAS PREFERENCIAS DE LA SESIÓN ...............................................................4 CREANDO UNA NUEVA SIMULACIÓN – SIMULATION BASIS MANAGER ...................................5 ADICIONANDO COMPONENTES A LA SIMULACIÓN....................................................................... 7 SELECCIONANDO UN PAQUETE DE FLUIDOS ................................................................................. 8 SELECCIÓN DEL MODELO TERMODINÁMICO ................................................................................ 9 ENTRANDO AL AMBIENTE DE SIMULACIÓN ......................................................................... 13 TRABAJANDO EN EL DIAGRAMA DE FLUJOS DE PROCESOS (PFD) ............................................... 13 VOLVIENDO A INGRESAR AL SIMULATION BASIS MANAGER ...................................................... 15 CERRAR ACCIDENTALMENTE EL PFD ........................................................................................... 15 PALETA DE OBJETOS .................................................................................................................... 15 AGREGANDO CORRIENTES DE MATERIALES ................................................................................ 15 ESPECIFICANDO CORRIENTES DE MATERIALES ........................................................................... 16 GUARDANDO LA SIMULACIÓN ........................................................................................... 19 FINALIZANDO LA INTRODUCCIÓN ....................................................................................... 19 APLIQUEMOS LO APRENDIDO ............................................................................................ 19 APLICACIONES ................................................................................................................... 20 BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA..................................................................................... 20 BALANCES DE MASA SIN REACCIÓN QUÍMICA ............................................................................ 21 EJERCICIO Nº2 – TRABAJO PRÁCTICO Nº1 .................................................................................. 21 BALANCES DE MASA Y ENERGÍA CON REACCIÓN QUÍMICA ......................................................... 26 EJERCICIO Nº2 – TRABAJO PRÁCTICO Nº5 .................................................................................. 26 EJERCICIOS PROPUESTOS ............................................................................................................ 31 EJERCICIO Nº5 – TRABAJO PRÁCTICO Nº2 .................................................................................. 31 EJERCICIO Nº4 – TRABAJO PRÁCTICO Nº5 .................................................................................. 32 TERMODINÁMICA.............................................................................................................. 32 CICLO RANKINE ............................................................................................................................ 32 EJERCICIO Nº1 – TRABAJO PRÁCTICO Nº14 ................................................................................ 32 EJERCICIOS PROPUESTOS ............................................................................................................ 35 EJERCICIO Nº3 – TRABAJO PRÁCTICO Nº 16 (Ciclo frigorífico) .................................................... 35 OPERACIONES UNITARIAS I ................................................................................................ 35 INSTALACIONES DE BOMBEO ...................................................................................................... 35 EJERCICIO Nº1 – TRABAJO PRÁCTICO Nº5 .................................................................................. 35 EJERCICIOS PROPUESTOS ............................................................................................................ 40 EJERCICIO Nº2 – TRABAJO PRÁCTICO Nº5 .................................................................................. 40 1 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® TECNOLOGÍA DEL CALOR .................................................................................................... 41 VERIFICACIÓN (RATING) DE UN INTERCAMBIADOR .................................................................... 41 EJERCICIO Nº4 – TRABAJO PRÁCTICO Nº5 .................................................................................. 41 EJERCICIOS PROPUESTOS ............................................................................................................ 45 OPERACIONES UNITARIAS II ............................................................................................... 46 DISEÑO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN.............................................................................. 46 EJERCICIO Nº5 – UNIDAD Nº2 ..................................................................................................... 46 DISEÑO DE UNA COLUMNA DE ABSORCIÓN DE GASES ............................................................... 55 EJERCICIO Nº4 – UNIDAD Nº4 ..................................................................................................... 55 EJERCICIOS PROPUESTOS ............................................................................................................ 57 EJERCICIO Nº4 – UNIDAD Nº2 ..................................................................................................... 57 EJERCICIO Nº8 – UNIDAD Nº4 ..................................................................................................... 57 CINÉTICA QUÍMICA Y CATÁLISIS .......................................................................................... 58 REACTOR TUBULAR DE FLUJO PISTÓN......................................................................................... 58 EJEMPLO Nº4 – UNIDAD Nº4 (Apunte de cátedra) ..................................................................... 58 REACTOR TANQUE AGITADO ....................................................................................................... 66 EJEMPLO Nº2 – UNIDAD Nº3 (Apunte de cátedra) ..................................................................... 66 CONVERTIDOR AGUA-GAS .......................................................................................................... 70 EJERCICIOS PROPUESTOS ............................................................................................................ 75 EJEMPLO Nº3 – UNIDAD Nº4 (Apunte de cátedra) ..................................................................... 75 EJEMPLO 8-5 PRODUCCIÓN ADIABÁTICA DE ANHÍDRIDO ACÉTICO (ELEMENTOS DE INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS – H. SCOTT FOGLER) ................................................................. 76 REFERENCIAS ..................................................................................................................... 77 LIBROS, APUNTES, PAPERS Y MANUALES ............................................................................ 77 INFORMACIÓN GENERAL............................................................................................................. 77 SELECCIÓN DE PAQUETES TERMODINÁMICOS ........................................................................... 77 OPERACIONES UNITARIAS ........................................................................................................... 77 MATERIAL EN INTERNET ..................................................................................................... 77 2 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® INTRODUCCIÓN A ASPEN HYSYS® ¿QUÉ ES Aspen HYSYS®? Aspen HYSYS® es una herramienta de simulación de procesos muy poderosa, ha sido específicamente creada teniendo en cuenta lo siguiente: arquitectura de programa, diseño de interfase, capacidades ingenieriles, y operación interactiva. Este software permite simulaciones tanto en estado estacionario como en estado transitorio. Los variados componentes que comprende Aspen HYSYS® proveen un enfoque extremadamente poderoso del modelado en estado estacionario. Sus operaciones y propiedades permiten modelar una amplia gama de procesos con confianza. Para comprender el éxito de Aspen HYSYS® no se necesita mirar más allá de su fuerte base termodinámica. Sus paquetes de propiedades llevan a la presentación de un modelo más realista. En los últimos años, este programa ha sido ampliamente usado en la industria para: investigación, desarrollo, simulación y diseño. Aspen HYSYS® sirve como plataforma ingenieril para modelar procesos como: procesamiento de gases, instalaciones criogénicas, procesos químicos y de refinación, etc. También ha sido utilizado en universidades en cursos introductorios y avanzados, especialmente en ingeniería química. OBJETIVOS DEL CURSO ELECTIVO Considerando lo anteriormente mencionado, la importancia que tiene la simulación de procesos en la industria actual y la poca disponibilidad horaria que tienen las cátedras de la facultad para dedicar a la simulación de procesos, la cátedra “Laboratorio de Simulación de Procesos” resolvió dictar un curso de carácter electivo sobre el tema. El objetivo es que el alumno aprenda los conceptos básicos del manejo de esta herramienta de una forma interesante: simulando una serie de problemas que ha tenido que resolver “a mano” a lo largo del cursado de distintas materias troncales de la carrera. Las materias que se tratan de cubrir son: Balances y fenómenos de transporte, Termodinámica, Físicoquímica, Operaciones Unitarias I y II, Tecnología del Calor, Cinética Química y Catálisis. Si bien Aspen HYSYS® contiene una infinidad de posibilidades, nos centraremos en la simulación estacionaria y de tipo elemental, abriéndole el camino a los alumnos para adentrarse más en el mundo de la simulación si lo desean. 3 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® INICIANDO Aspen HYSYS® La primera tarea a la hora de emprender una simulación es conocer la ruta para acceder al programa, familiarizarse con el entorno y configurar las preferencias de simulación. El programa de instalación crea la siguiente ruta de acceso: 1. Click en Inicio. 2. Seleccionar Programas/ AspenTech/ Aspen Engineering Suite /Aspen HYSYS/ Aspen HYSYS. El escritorio de ASPEN HYSYS® luce así: Figura 1 CONFIGURANDO LAS PREFERENCIAS DE LA SESIÓN Previo a comenzar a trabajar, es conveniente fijar nuestras preferencias de trabajo. La interfaz de trabajo de Aspen HYSYS® es muy personalizable respecto a la simulación, las variables, los reportes de resultados, etc. Nosotros nos centraremos aquí en la configuración del sistema de unidades. Para ello: 1. Hacer click en Tools, que se encuentra en la barra de menús, y luego en Preferences.. Aparecerá una pantalla (ver figura 2) donde existen varias pestañas de configuración (Simulation, Variables, Results, etc.) 4 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® 2. Hacer click sobre la pestaña Variables. Allí puede observarse que el programa tiene 3 sistemas de unidades cargados: EuroSI, Field y SI (Predeterminado).Haciendo click en cada uno de ellos se puede ver una lista de magnitudes con sus respectivas unidades en cada sistema. (Observar que las unidades están en rojo, lo que quiere decir que no pueden editarse) 3. En caso que se desee cambiar alguna de esas unidades, debe utilizarse la herramienta Clone. Seleccionamos el sistema de unidades a clonar y cliqueamos en Clone. Aparecerá un nuevo sistema con el nombre NewUser y tanto el nombre como sus respectivas unidades aparecen en color azul. Esto indica que pueden ser editadas a gusto del usuario. 4. Una vez realizados los cambios deseados puede guardarse el sistema de unidades cliqueando Save Preferences Set.., que posteriormente podrá ser cargado desde esta misma ubicación. 5. Luego de seleccionar sistema de unidades a utilizar, cerrar la ventana. Figura 2 CREANDO UNA NUEVA SIMULACIÓN – SIMULATION BASIS MANAGER Una vez fijadas las preferencias, tenemos que especificar los componentes, paquetes de propiedades y de ser necesario reacciones, compuestos hipotéticos, etc. Para ello tenemos que crear una nueva simulación. Hay 3 maneras de hacerlo: 5 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Seleccionar File/New/Case. Presionar Crtl+N. O bien cliquear New Case en la barra de herramientas. Cualquiera de estas acciones abrirá una ventana denominada Simulation Basis Manager (Administrador base de simulación) que es donde se especifican todos los componentes y propiedades a utilizar. Figura 3 En el Simulation Basis Manager se pueden observar pestañas como: o o o o o Components: permite cargar los compuestos químicos a utilizar en la simulación. La versión más reciente del soft (Aspen HYSYS V7.1) permite no solo utilizar la base de compuestos propia, sino también la de Aspen. Fluid Pkgs: aquí se selecciona el paquete termodinámico que utilizará el programa para estimar las propiedades de las sustancias. Su selección es muy importante para que la simulación sea lo más real posible. Más adelante veremos los criterios a tener en cuenta. Hypotheticals: permite crear componentes hipotéticos y estimar sus propiedades. (Por ejemplo un carbocatión C5+) Oil manager: es una herramienta que permite cargar datos experimentales de hidrocarburos y con estos genera componentes hipotéticos.(Ejemplo una nafta) Reactions: esta pestaña brinda la posibilidad de cargar reacciones químicas (conversión, equilibrio, cinética, catálisis heterogénea) con sus respectivos datos cinéticos, que luego utilizará el programa para simular. 6 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® ADICIONANDO COMPONENTES A LA SIMULACIÓN Es el primer paso para establecer las bases de simulación. Los pasos a seguir son: 1. Seleccionar la pestaña Components, hacer click en el botón Add. 2. Esto llevará a la ventana Component List View (Lista de componentes) que es la lista de todos los compuestos disponibles en HYSYS. Figura 4 3. Seleccionar los componentes deseados para la simulación. Pueden buscarse de acuerdo a 3 criterios: a. Sim Name (Nombre en el simulador) b. Full Name (Nombre completo) c. Formula Tildando la opción deseada y escribiendo en el casillero al lado de Match, el software buscará el compuesto en su base de datos. 4. Una vez localizado el componente deseado, se puede hacer doble click sobre él o bien sobre el botón <---Add Pure para agregarlo en la lista de componentes de la simulación. 5. Al fondo de la página de componentes, puede dársele un nombre a la lista de componentes. 6. Una vez completado, cerrar simplemente la ventana. Esto llevará de regreso al Simulation Basis Manager. 7 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® SELECCIONANDO UN PAQUETE DE FLUIDOS Una vez que se han especificado los componentes, se debe especificar el paquete de fluidos. El paquete de fluidos se utiliza para calcular las propiedades termodinámicas y de transporte de los componentes y mezclas de la simulación (como entalpía, entropía, densidad, calor específico, equilibrio L-V, etc.) Por lo tanto, es muy importante la correcta selección del paquete de fluidos. Ahora veremos el procedimiento y luego dedicaremos tiempo a formar criterios de selección. 1. Seleccionar la pestaña Fluid Pkgs en el Simulation Basis Manager (figura 2) 2. Cliquear en el botón Add para crear una paquete de fluidos nuevo como se muestra: Figura 5 3. A partir de la lista de paquetes de fluidos, seleccionar el paquete termodinámico deseado. La lista puede reducirse seleccionando un filtro (EOSs, activity models, etc.) 4. Una vez localizado el modelo deseado, seleccionarlo por medio de un click. 5. Puede nombrarse el paquete de fluidos al fondo de la pantalla. (Ej. El nombre en la figura 5 es Basis-1) 6. Finalmente, cerrar la ventana. 8 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® SELECCIÓN DEL MODELO TERMODINÁMICO La selección del modelo termodinámico tal vez sea la decisión más importante que debe tomar el usuario a la hora de realizar una simulación. Los errores en la simulación por una mala selección del modelo de propiedades físicas no se pueden detectar o prevenir fácilmente, los resultados parecen correctos, pero no lo son. Por lo tanto, es de vital importancia desarrollar criterios que ayuden a elegir el o los modelos más adecuados a un problema específico. En general, las propiedades se calcular con Ecuaciones de estado: Modelos EOS, Modelos de coeficiente de actividad: Modelos (gamma) y modelos especiales (correlaciones teóricas, empíricas o híbridas). En la siguiente tabla se muestran algunos modelos que pueden encontrarse en un simulador comercial. Los modelos EOS pueden representar fases líquidas y vapor, mientras que los modelos gamma representan solamente la fase líquida del sistema. Por esta razón, se utilizan junto con una ecuación de estado para representar el vapor. Los criterios de selección se basan en el grado de no idealidad del sistema en estudio y de las condiciones de operación. Veamos algunos sencillos: 9 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Las EOS se aplican a sistemas no polares o ligeramente polares en todo el intervalo de presión. Los modelos de coeficiente de actividad se usan en sistemas que contienen sustancias polares a presiones bajas (<10 bar). Se utilizan para la fase líquida y se complementan con EOS para la fase de vapor. Si la presión es menor a 5 bar, se emplea la ecuación de los gases ideales, en cambio, si la presión está entre 5 y 10 bar, se suele preferir Peng Robinson. Para modelar sistemas polares a presiones altas, lo recomendable es usar EOS y cambiar las reglas de mezclado clásicas por reglas de mezclado basadas en modelos de coeficiente de actividad (energía libre en exceso). E.C. Carlson, un ingeniero que integra el staff de AspenTech, en su paper titulado “Don’t Gamble with Physical Properties for Simulations” (No apueste con las propiedades físicas para simulaciones) propone un método de selección basado en árboles de decisión. Estos se presentan a continuación: 10 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® 11 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Otro diagrama útil es el que aparece en “Introductory Chemical Engineering Thermodynamics” de Elliot y Lira: Para profundizar en el tema sugerimos consultar la siguiente bibliografía: o o o E.C. Carlson. “Don’t Gamble with Physical Properties for Simulations” Chem. Eng. Prog. (Octubre 1996) pág 35-46. R. Agarwal; Y.K. Li, M.A. Satyro; A. Vieler. “Uncovering the realities of simulation” Chem. Eng. Prog. (Mayo 2001 y Junio 2001) V.H. Martinez Sifuente; P.A. Alonso Dávila; J. López Toledo; M. Salado Carbajal; J.A. Rocha Uribe “Simulación de procesos en ingeniería química”. Plaza y Valdez Editores. México, D.F. Año 2000. 12 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® o J.R.Elliot; C.T. Lira. “Introductory Chemical Engineering Thermodynamics”. Prentice Hall. Año 1999. En los manuales de los simuladores de procesos, por lo general, se halla una sección dedicada a los paquetes de propiedades termodinámicas y sus respectivas aplicaciones. Además, las últimas versiones de Aspen HYSYS® incluyen una aplicación que facilita la selección del paquete de acuerdo a la aplicación específica (Launch Property Wizard). ENTRANDO AL AMBIENTE DE SIMULACIÓN Ya se tiene la información mínima para comenzar la simulación. En caso de existir reacciones químicas deben cargarse previamente, pero esto lo veremos durante el desarrollo de los problemas. Para entrar en el ambiente de simulación hacer click en el botón Enter Simulation Environment o bien en el ícono que se encuentra en la barra de herramientas. Figura 6 TRABAJANDO EN EL DIAGRAMA DE FLUJOS DE PROCESOS (PFD) Una vez que se han especificado los componentes y el paquete de fluidos, y entrado al ambiente de simulación, se tendrá una vista como la siguiente: 13 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 7 Antes de proceder, es importante destacar algunas características de la ventana de simulación: 1. Aspen HYSYS®, a diferencia de la mayoría de los simuladores, resuelve el diagrama de flujo luego de cada cambio en él. Esta característica puede ser desactivada cliqueando el botón Solver Holding (el botón de luz roja ) localizado en la barra de herramientas (ver figura 7). Si se selecciona este botón, Aspen HYSYS® no resolverá la simulación. Para retornar al modo de resolución, se debe seleccionar el botón Solver Active (el botón de luz verde ). 2. Aspen HYSYS® es capaz de resolver de forma simultánea la información que se encuentra tanto corriente abajo como corriente arriba. Por lo tanto, es muy importante prestar atención a las especificaciones de todo el diagrama para asegurarse de que no se le está proveyendo al programa información conflictiva. De modo contrario, se obtendrá un error. 14 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® VOLVIENDO A INGRESAR AL SIMULATION BASIS MANAGER Si se desea re ingresar al Simulation Basis Manager para cambiar alguna información, solo basta con hacer click en el botón de la barra de herramientas superior. CERRAR ACCIDENTALMENTE EL PFD Suele suceder que se cierra accidentalmente el diagrama de flujos. Para regresar ir a Tools/PFDs, y asegurarse que esté seleccionado Case, y luego click en View. PALETA DE OBJETOS Es la barra vertical que puede observarse a la derecha en la Figura 7. En ella se hallan corrientes de materia y energía y muchas de las operaciones unitarias que iremos utilizando a lo largo del curso. Se recomienda explorarla un poco para ir familiarizándose con ella. En caso de no estar visible, presionar F4 o bien ir a Flowsheet y seleccionar Palette. AGREGANDO CORRIENTES DE MATERIALES Las corrientes de materiales se utilizan para transportar componentes de una unidad de proceso a otra en la simulación. Se pueden agregar de 3 maneras: 1. Click en la flecha azul de la paleta de objetos. 2. Seleccionar el menú Flowsheet y luego hacer click en Add Stream. 3. Presionar F11. 15 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 8 ESPECIFICANDO CORRIENTES DE MATERIALES Para ingresar información en una corriente de materiales, hacer doble click sobre la corriente que se muestra en la Figura 8. Dentro de esta ventana es donde el usuario especifica los detalles de la corriente. Para una corriente de material necesitamos especificar 4 variables. Las 4 variables necesarias para especificar una corriente de entrada son: composición, flujo, y dos de las siguientes: temperatura, presión o fracción de vapor. Vemos la ventana donde se ingresan los datos de la corriente: 16 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 9 En la figura 9, se observa una barra amarilla de advertencia que indica la información que se necesita. El programa va computando los grados de libertad de acuerdo a la información que requiere para que se especifique la corriente. Cuando los grados de libertad son 0, entonces la barra se pone de color verde y con un mensaje de OK. Para completar la información sólo basta con seguir las ordenes que da Aspen HYSYS®. Seleccionar la opción Composition de la lista que muestra la ventana. La composición se puede especificar de distintas maneras cliqueando en el botón Basis… Luego se requiere especificar la temperatura, para ello regresamos a la opción Conditions, hacemos click en Temperature y escribimos el valor deseado. Nótese que se despliega una lista donde puede elegirse la unidad. Luego se solicita la presión (Pressure) y finalmente el flujo (Flow Rate). Se procede de la misma manera. Una vez finalizado el soft indicará OK. 17 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 10 Los valores mostrados en azul han sido especificados por el usuario y pueden modificarse, mientras que los valores en negro fueron calculados por Aspen HYSYS® y no se pueden modificar. El siguiente código de color para las corrientes de materiales indican si Aspen HYSYS® tiene la información suficiente como para caracterizar completamente la corriente: Azul oscuro = correctamente especificada y completamente resuelta. Azul claro = especificada incompletamente, las propiedades no han sido resueltas. 18 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® GUARDANDO LA SIMULACIÓN Guardar la simulación es muy sencillo: Ir a File/Save As, elegir una ubicación y darle el nombre deseado. O bien puede hacerse click en el botón . FINALIZANDO LA INTRODUCCIÓN De esta manera finaliza la introducción a Aspen HYSYS®. Ahora el alumno es capaz de: o o o o o o o Iniciar Aspen HYSYS® y reconocer su pantalla. Configurar las preferencias de sesión. Crear una nueva simulación y manipular el Simulation Basis Manager. Reconocer la importancia de las propiedades físicas, termodinámicas y de transporte en la simulación de procesos. Seleccionar las opciones termodinámicas más adecuadas a cada aplicación. Entrar al ambiente de simulación y reconocer sus opciones. Agregar y especificar corrientes de materiales. APLIQUEMOS LO APRENDIDO Problema adaptado de V.H. Martinez Sifuente y otros, en su libro “Simulación de procesos en ingeniería química” (México, Plaza y Valdez editores, problema 2, pág. 136). Se dispone de los datos experimentales para el sistema metanol-benceno a 1 atm mostrados en la siguiente tabla: x1 0.0 0.026 0.05 0.088 0.164 0.333 0.549 0.699 0.782 0.898 0.973 1.0 y1 0.0 0.267 0.371 0.457 0.526 0.559 0.595 0.633 0.665 0.76 0.907 1.0 T (K) 353.1 343.67 339.44 335.87 333.2 331.64 331.02 331.1 331.47 332.9 335.7 337.7 El azeótropo ocurre a 61,4 % mol de metanol y 58, 3ºC (331.45K) a 1 atm. 19 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® a) Analice varios modelos termodinámicos (Al menos Wilson, NRTL, UNIQUAC con EOS ideal y determine cuál es el mejor para representar este sistema y construya el diagrama T vs x,y. b) Utilice Peng Robinson (PR) y compare con el mejor modelo del inciso a. Para resolver el problema anterior puede hacer uso de la operación Equilibrium Plots. Ir a Flowsheet/Add Operation (o bien F12), seleccionar Extensions y luego Equilibrium Plots. APLICACIONES Como se mencionó en los objetivos del curso, se pretende que el alumno aprenda el uso de este simulador por medio de problemas resueltos en las distintas cátedras de la carrera. Por lo tanto, se presentarán ejercicios que permitan aplicar varias herramientas del simulador. En caso que se crea conveniente se seleccionaran problemas de otras fuentes. BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA Aspen HYSYS® permite la resolución de balances de materia y energía de dos formas distintas: La forma clásica, es decir, resolviendo el diagrama de procesos. O bien, empleado una herramienta lógica llamada Balance. Si bien ambas son similares, muchas veces, la primera no permite una resolución rápida de los balances de materia y energía porque se debe especificar todos los parámetros del proceso. Por ejemplo, si estamos modelando una torre de destilación, el balance de masa y energía no se resuelve hasta que se hayan especificado el numero de platos, la relación de reflujo, etc. Esto último no es muy práctico si lo que uno desea es un balance rápido. Por lo tanto, utilizaremos la operación lógica Balance. Puede encontrarse en la paleta de objetos con el siguiente logo: 20 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® BALANCES DE MASA SIN REACCIÓN QUÍMICA EJERCICIO Nº2 – TRABAJO PRÁCTICO Nº1 Puede recuperarse acetona de un gas portador, disolviéndola en una corriente de agua pura en una unidad llamada absorbedor. En el diagrama de flujo de la figura, 200 mol/h de una corriente con 20% de acetona se tratan con 1000 mol/h de una corriente de agua pura, lo que produce un gas de descarga libre de acetona y una solución de acetona en agua. Supóngase que el gas portador no se disuelve en agua. Realice la tabla de grados de libertad, exprese las ecuaciones de balance de materia y calcule todas las variables de corrientes desconocidas. 1) Para resolver el balance anterior comenzaremos creando una simulación con lo siguiente: o Sistema de unidades: Flujo molar en gmol/h. o Componentes: acetona (acetone), agua (water) y aire (air). Si bien el problema dice gas, nosotros lo modelaremos como aire. A fines prácticos no hay diferencias. o Paquete de fluidos: no tiene importancia porque sólo realizaremos un balance de masa. Igualmente proponemos al alumno elegir un paquete acorde a fin de seguir desarrollando criterios de selección. 2) Una vez ingresado al ambiente de simulación, tendremos que crear 4 corrientes con las composiciones mencionadas. En el caso de la corriente Solución verá que no es posible asignarle 0 a la composición de aire y dejar las otras vacías. Por ahora dejar todas vacías, luego nos encargaremos de eso. 3) En la paleta de objetos hacemos click en balances. para agregar la herramienta de 21 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 11 4) Hacemos doble click en la unidad de balances (BAL-1) y aparecerá la siguiente ventana: Figura 12 En la pestaña Connnections podemos cambiar su nombra a Absorbedor y especificamos las corrientes entrantes: Mezcla Gas y Agua y las corrientes salientes: Aire y Solución. 22 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Pasando a la pestaña Parameters seleccionar el tipo de balance, en este caso, Mole. Figura 13 5) Como podrán observar la unidad nos arroja una advertencia de Not Solve. Esto se debe a que tenemos 1 grado de libertad. Ya que no pudimos especificar como 0 la composición del aire en la solución de salida. Este problema lo solucionaremos con otra operación lógica llamada Adjust. Adjust, permite ajustar una variable de alguna corriente para una variable objetivo tenga un valor determinado. En nuestro caso la variable objetivo será la composición de aire en la solución, cuyo valor es nulo. Elegiremos como variable a modificar el flujo molar de aire que sale. 6) Hacer click en el botón de la paleta de herramientas y colocar la operación en el diagrama. 7) Doble click en ella, y aparecerá la siguiente pantalla: 23 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 14 8) Primero seleccionaremos la variable a ajustar (Adjusted Variable). Para ello hacer click en Select Var… En la ventana, seleccionar la corriente Aire, luego la variable a ajustar Molar Flow. Y finalmente OK. Figura 15 9) Repetimos el procedimiento con la variable objetivo (Target Variable). En este caso será la corriente Solución, la variable Master Comp Mole Fraction y el componente Air. 10) Donde dice Specified Target Value (Valor objetivo especificado) colocar 0. 11) Pasar a la pestaña Parameters y especificar las características de la iteración. 24 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Method: Secant Tolerance: 1e-6 Step Size: 10 gmol/h Maximum Iterations: 1000 Si se desea pueden especificarse los límites de iteración. 12) Aún así no se resolverá el sistema, tenemos que darle un valor al flujo de aire para que comience la iteración. Cerrar la ventana y abrir la de la corriente Aire, especificar una corriente de 100 gmol/h. Rápidamente se observará como se ajusta al valor de 160 gmol/h. Esto quiere decir que el ajustador está activo y el sistema resuelto. 13) Pueden verse los resultados del flujo de aire y de las composiciones de la solución inspeccionando las corrientes o bien la pestana Worksheet de la operación Balance. Pero ahora vamos a aprender a colocar tablas de resultados: Click con el botón derecho en el fondo del diagrama de procesos e ir al final de la ventana desplegable, a donde dice: Add Workbook Table. Una vez esto nos dará a eligir el tipo de tabla. En este caso seleccionaremos Compositions y Material Streams. Ahora podemos visualizar los resultados. Figura 16 14) Comparar resultados con los obtenidos cuando cursó Balances y Fenómenos de Transporte. 25 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® BALANCES DE MASA Y ENERGÍA CON REACCIÓN QUÍMICA EJERCICIO Nº2 – TRABAJO PRÁCTICO Nº5 La temperatura de un reactor de conversión de CO puede moderarse mediante la inyección de un exceso de vapor de agua. Suponga una alimentación de 30% de CO, 20% de H2 y 50% de agua a 280ºC, y que se convierte el 90% del CO. Se mantiene una temperatura de salida del reactor de 400 ºC mediante el agregado de vapor adicional, y la estequiometria de la reacción es: ( ) + ( ) ⇌ ( ) + ( ) a) Calcule cuánto vapor adicional a 260ºC será necesario (por mol de alimentación) para mantener la temperatura de salida del reactor a 400ºC. b) Calcule los flujos de salida del reactor. Para resolver este problema utilizaremos un tipo de reactor llamado Conversion Reactor. Se utiliza cuando se conoce cuanto de los reactivos se transforma en productos. Este tipo de reactor trabaja con reacciones de Conversión. Este tipo de reacciones no requiere ningún tipo de conocimiento termodinámico ni cinético. Se debe especificar la estequiometria y la conversión respecto a un reactivo. Necesitaremos aprender cómo se carga una reacción o un conjunto de reacciones en el Simulation Basis Manager y cómo se anexa a un paquete de propiedades. 1) o o o Crear un caso de simulación con lo siguiente: Sistema de unidades: Flujo molar en gmol/h. Componentes: CO, H2O, CO2, H2. Paquete de fluidos: El reactor trabajará a presión atmosférica y altas temperaturas (260-400ºC). El CO2 y el H2 son no polares, mientras que el H2O y el CO son polares. Sin embargo, al trabajar a presión baja y altas temperaturas el efecto de la polaridad no es muy marcado y podemos modelar el sistema con una ecuación de estado. En este caso elegir Peng Robinson (PR). 2) En el Simulation Basis Manager, ir a la pestaña Reactions. Para agregar una reacción hacer click en el botón Add Rxn… 26 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 17 3) Aparecerá una ventana que indica el tipo de reacción que se desea agregar. Seleccionar Conversion y hacer click en Add Reaction. 4) En la nueva ventana, debemos cargar la estequiometria de la reacción. Seleccionar los componentes que participan de la reacción y asignarle su coeficiente estequiométrico. Se sigue la misma nomenclatura que habitualmente utilizamos, negativo para reactantes y positivo para productos. (ver Figura 19) Figura 18 Figura 19 27 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® 5) El estado indica Not Ready, pues todavía nos falta especificar la pestaña Basis. Completar la pestaña como se indica en la figura 20. Figura 20 6) Volviendo a la pestaña Reactions, ir al ítem Reaction Set. Allí se puede ver el conjunto de reacciones, en caso de haber más de una, y establecer si son simultáneas, consecutivas, etc. En nuestro caso hay sólo una reacción. Debemos anexar la reacción al paquete de propiedades, para ello hacer click en Add to FP. Y luego en Add Set to Fluid Package. Figura 21 Podemos ingresar entonces al ambiente de simulación. 7) Crear las corrientes de alimentación con los datos indicados. 28 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® 8) Insertar un reactor de conversión haciendo click en el botón de la paleta de objetos, y luego en . 9) Entrar a las especificaciones del reactor. En la pestaña Design seleccionar las corrientes de alimentación. Podrá observar que el reactor tiene dos salidas: una de fase gaseosa y otra de fase líquida. Escribir Salida en la de vapor y – en la de líquido. La reacción ocurre en fase gaseosa por lo tanto los datos de la salida líquida no tendrán significado. Figura 22 10) Pasar a la pestaña Reactions. En Reaction Set, seleccionar Global Rxn Set. Figura 23 29 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® El reactor sigue sin ser resuelto, porque no hemos especificado la temperatura de salida. Lamentablemente, por más que la especifiquemos en la corriente salida, el reactor no va a ser resuelto. Esto se debe a que Aspen HYSYS® resuelve el balance de energía una vez que resolvió el balance de masa y como la corriente de salida no está especificada no puede resolverlo. (Nota: No tiene la capacidad de resolver balances combinados, sino que lo hace de forma independiente. Recuerde que cuando resolvió el problema a mano, tomó una temperatura de referencia para eliminar la corriente de salida.) 11) Para poder solucionar el problema tendremos que recurrir una herramienta antes vista: Adjust. Esto permitirá que el software resuelva el balance de masa y seguidamente el de energía hasta llegar a los valores especificados. Le diremos que ajuste el flujo de alimentación de vapor para que la temperatura de la corriente de salida sea 400 ºC. Deberá proceder de la forma antes vista. Figura 24 12) En caso que no se resuelva, darle click al botón Start. Los resultados se detallan a continuación. Compare los resultados con la resolución “a mano”. 30 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® EJERCICIOS PROPUESTOS EJERCICIO Nº5 – TRABAJO PRÁCTICO Nº2 Una corriente de gas de proceso a 400°C se debe enfriar rápidamente hasta 200°C, poniéndola en contacto directo con benceno líquido frío a 20°C. Si la composición de la corriente caliente es: 40% de C6H6, 30% de C6H5CH3, 10% de CH4 y 20% de H2; calcule el flujo necesario de benceno para una alimentación de gas de 1000 kgmol/h, suponiendo que el proceso es adiabático. Resuelva el problema anterior haciendo uso de la operación lógica Balance. También va a necesitar utilizar la operación Adjust. ¿Qué paquete utilizaría? Compare los resultados con la resolución de su carpeta de balances. 31 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® EJERCICIO Nº4 – TRABAJO PRÁCTICO Nº5 A un reactor se alimenta amoníaco a 450°C y 5 bar, en donde 90% del NH3 reacciona para formar NO, de acuerdo a la siguiente reacción: 4 ( ) +5 ( ) →4 ( ) +6 ( ) Suponiendo que se alimentan 1,5 moles de oxígeno y 5 moles de nitrógeno (que actúa como diluyente) a 450°C y 5 bar, por cada mol/h de NH3, calcule la temperatura de salida del reactor si el mismo opera adiabáticamente. Utilice un reactor de conversión para resolver el problema. Justifique el paquete termodinámico usado. Compare los resultados. TERMODINÁMICA Comenzaremos las aplicaciones termodinámicas con la simulación de un ciclo Rankine. Veremos cómo cargar los distintos elementos de ciclo y cómo especificar sus corrientes. Tomaremos de ejemplo un problema de la carpeta de Termodinámica. Finalmente se le propone al alumno la simulación de un ciclo frigorífico con NH3. CICLO RANKINE EJERCICIO Nº1 – TRABAJO PRÁCTICO Nº14 Un generador de vapor (economizador – recalentador – caldera) produce vapor a 450 ºC y 16 Kg/cm2, que usado en un ciclo Rankine produce 8000 CV, siendo el vapor de escape saturado y seco a 45 ºC. a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) Esquematizar la instalación y graficar en coordenadas T-S. Determinar cada uno de los estados por los que pasa el vapor (T, P, V, H, S). Calor absorbido en cada parte y en todo el generador. Trabajo producido por la turbina por Kilo de vapor. Cantidad de vapor que circula por hora. Temperatura integral media en el generador. Coeficiente de expansión politrópica equivalente. Calor cedido en el condensador. Trabajo de la bomba. Potencia de la bomba (CV, watt, Kcal/h). 1) Crear una simulación con lo siguiente: a) Sistema de unidades: Presión en kg/cm2, Potencia en HP, Entalpía másica en Kcal/kg, Entropía másica en Kcal/kgK, Temperatura en ºC, Energía en Kcal/h. b) Componentes: H2O. 32 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® c) Paquete de fluidos: El programa tiene dos paquetes termodinámicos para el agua: ASME Steam y NBS Steam. ASME Steam: presenta los datos de la tabla de vapor ASME de 1967. Las limitaciones de este paquete son las mismas que las de la tabla original: o Presiones menores de 15.000 lb/pulg2 o Temperaturas mayores a 0°C y menores a 815 ºC. NBS Steam: presenta los datos de la tabla de vapor NBS de 1984. Tiene mejores cálculos cerca del punto crítico. Elegir el que sea de su agrado. 2) Dentro del ambiente de simulación, colocar los siguientes elementos: o 3 Calentadores (Heaters) . Nombrarlos Precalentador, Caldera y Recalentador. En Parameters especificar caída de presión nula para cada uno. (Delta P = 0). o 1 Enfriador (Cooler) carga nula. o 1 Bomba (Pump) . Nombrarlo Condensador y especificar perdida de . 1 Expansor (Expander) . Nombrarlo Turbina y en Parameters borrar los datos de Adiabatic Efficiency y Polytropic Efficiency. 3) Crear las corrientes de materia y energía. Pero esta vez lo realizaremos de forma alternativa. Hacer doble click en cada uno de los elementos y especificar las corrientes materiales de entrada y salida y las de energía como sigue: o Elemento Precalentador Caldera Recalentador Turbina Condensador Bomba Entrada A B C D E F Salida B C D E F A Energía Qp Qcald Qr Lt Qcond Lb El ambiente de simulación deberá verse como sigue: 33 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 25 4) El siguiente paso es cargar los datos que brinda el enunciado. Especificar en la corriente D, T=450ºC, P=16 kg/cm2 y composición de H20 = 1. En Lt, Heat Flow = 7890 HP (8000 CV). Recordar: 1CV = 0.9863 HP. En E, T=45ºC y X=1 (Vapor Fraction). En F y B, X=0. Y En C, X=1. 5) De esta manera queda resuelto todo el ciclo. Ahora vamos a aprender cómo cambiar los datos que presenta la Workbook Table. Ir a Tools/Workbooks. Luego cliquear View. Una vez abierto el Workbook. Ir a Workbook/Setup. Seleccionando Material Streams, en Variables se pueden agregar y quitar las variables que uno desee. En este caso: Vapour Fraction, Temperature, Pressuare, Mass Flow, Mass Enthalpy, Mass Entropy. De igual manera para Energy Streams: Heat Flow, Power. 6) Agregar las tablas y comparar resultados. Figura 26 34 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® EJERCICIOS PROPUESTOS EJERCICIO Nº3 – TRABAJO PRÁCTICO Nº 16 (Ciclo frigorífico) Un ciclo frigorífico real de régimen seco que opera con amoníaco, se realiza entre las temperaturas t2 = -20 ºC y t1 = 20ºC. Se requiere un efecto frigorífico de 100.000 Frigorias/hora. Determinar: a) b) c) d) e) f) Cada uno de los estados por los que pasa el fluido; Trabajo de compresión; Peso de amoníaco que circula por hora; Potencia para accionar el compresor; Calorías que debe retirar el agua de refrigeración; Coeficiente de efecto frigorífico. Elegir un paquete de propiedades adecuado, simular y comparar resultados. OPERACIONES UNITARIAS I Operaciones Unitarias I comprende el estudio de los fenómenos de transferencia de cantidad de momento. A fines de simulación nos centraremos en el estudio de circulación de fluidos, analizando pérdida de carga, potencias de bombeo requeridas, etc. INSTALACIONES DE BOMBEO EJERCICIO Nº1 – TRABAJO PRÁCTICO Nº5 Se tiene una instalación de bombeo como la de la figura. Circula agua a 20 ºC, con un caudal de 250 m3/h. Se utiliza una cañería de acero nueva. Determinar el diámetro de la tubería y la potencia de la bomba. Estudiar el NPSH y extraer conclusiones. 35 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Para simular el sistema de bombeo anteriormente indicado debemos seguir en siguiente procedimiento: 1) Crear un nuevo caso con: o Componentes: H2O o Paquete de propiedades: ASME Steam o NBS Steam o Sistema de unidades: SI o EuroSI. 2) Crear una corriente de material con la siguiente información: o Nombre = Alimentación o Composición H2O = 1 o Presión = 1atm o Temperatura = 20ºC o Std Ideal Liq Vol Flow = 250 m3/h* *En realidad debería cargarse el Actual Volume Flow, que utiliza la densidad calculada por un método riguroso, en cambio el anterior es de tipo empírico. Sin embargo, Aspen HYSYS® en sus últimas versiones no lo incluye como parámetro para introducir. En el manual, recomienda cargarlo como flujo másico utilizando la densidad real que brinda el programa para realizar la conversión. En este caso, lo introduciremos de esta manera porque no hay diferencias. Verificar en Properties donde dice Act Volume Flow. 3) Ahora utilizaremos una nueva operación llamada Pipe Segment. Hacer click en el botón de la paleta de objetos. 4) Antes de adentrarnos en la especificación de la operación, deberemos resolver una cuestión, el diámetro de la tubería. Esto lo debe proponer el usuario, utilizando una velocidad de circulación típica del agua, por ejemplo 1,5 m/s. Recordando un poco de Operaciones Unitarias: = En este caso: = 4 1ℎ ℎ 3600 ≅ 242,8 1.5 / 4 250 & 10′′ 5) Entrar a la ventana de la operación Pipe Segment. En Connections introducir lo que se ve en la figura 27. 36 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 27 6) Como en este caso, no nos interesan las pérdidas térmicas, en Parameters diremos que no hay pérdida de calor. Figura 28 7) Ahora procederemos a introducir los elementos previos a la bomba, es decir, una válvula de retención tipo bisagra y una tubería de 8 m de largo. Ir a la pestaña Rating, hacer click en Append Segment (Anexar segmento). Se cargará el segmento 1. En el especificar: a) Fitting/Pipe: Check Valve: Swing b) Material: Mild Steel (Acero dulce). En el enunciado dice acero nuevo que si miramos en algún libro corresponde con el valor de rugosidad. A continuación se detallan las rugosidades (m) de los materiales que presenta Aspen HYSYS®. 37 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® c) Inner diameter: 254.5 mm. Corresponde a una tubería de diámetro nominal 10’’ y número de cédula 40. De igual manera anexar otro segmento con lo siguiente: o Fitting/Pipe: Pipe o Length: 8 m o Elevation: 8 m o Inner diameter: Hacer click en View Segment, posteriormente seleccionar: Pipe Schedule: Sch 40 Available Nominal Diameters: 254 mm y click en Specify. Figura 29 Así concluye la especificación de ese tramo de tubería. La pantalla debería verse así: 38 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 30 8) Agregar una Bomba cuya entrada sea Salida 1 y su salida Entrada 2. Colocar la corriente de energía con el nombre W. 9) Con el procedimiento antes visto crear Tubería 2 con lo siguiente: a) Entrada: Entrada 2 b) Salida: Salida Final c) Energía: Q2 d) Flujo de calor (Duty) : 0 e) Segmentos: 6 (Válvula esférica, tubería tramo horizontal 90 m, 2 codos 90º, tubería tramo vertical 10 m, tubería tramo horizontal 1 m) Ver figura 31. 10) Finalmente especificar en la corriente Salida Final, temperatura 20ºC y presión 1 atm. Así queda resuelto el problema. 11) Ver la potencia de la bomba requerida, comparar. El estudio del NPSH puede hacerse yendo a Tubería 1, pestaña Performance, click en View Profile. (figura 32) Ver la presión previa al ingreso a la bomba y restar la presión de vapor. ¿A qué altura de columna de agua equivale? 39 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 31 Figura 32 EJERCICIOS PROPUESTOS EJERCICIO Nº2 – TRABAJO PRÁCTICO Nº5 Plantear la solución para el ejercicio anterior si el tanque donde se recepciona el fluido es cerrado y se encuentra a una presión manométrica de 2 Kg/cm2. Compare los resultados con la resolución manual. 40 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® TECNOLOGÍA DEL CALOR Sin duda, uno de los ejes centrales de tecnología del calor es el diseño de intercambiadores de calor. Nuestro objetivo en esta sección sería utilizar Aspen HYSYS® para resolver algún problema de diseño. Sin embargo, aquí nos encontraremos con uno de los pocos defectos que presenta el software. Aspen HYSYS® no es un programa de diseño de intercambiadores de calor, sólo presenta elementos básicos que permiten una estimación grosera del área necesaria y de algunos otros parámetros. Si se requiere un diseño detallado y completo se recomienda algún software específico en el tema, por ejemplo, Aspen Exchanger Desing & Rating®*, HTRI Xchanger Suite®, etc. *Nota: Las últimas versiones de Aspen HYSYS® tienen la posibilidad de diseñar intercambiadores de calor utilizando esta herramienta. Para introducirse en el diseño de intercambiadores con simuladores se recomienda consultar el libro “Process Heat Transfer” de Robert W. Serth. Aclarado esto, utilizaremos el simulador para realizar una verificación (o Rating) de un intercambiador diseñado previamente en la carpeta de Tecnología del Calor. VERIFICACIÓN (RATING) DE UN INTERCAMBIADOR EJERCICIO Nº4 – TRABAJO PRÁCTICO Nº5 Una corriente de metanol líquido con caudal de 50000 Kg/h se debe enfriar desde 55 ºC hasta 32 ºC. Se dispone como fluido de enfriamiento agua de río a 12 ºC, que no puede calentarse por encima de 40 ºC. Especifique un equipo para esta necesidad térmica que tenga tubos ¾” BWG 14 y 4.00 m de longitud. El equipo especificado en la carpeta de Tecnología del Calor fue el siguiente: Número de intercambiadores en serie Diámetro de carcasa Número de tubos por carcasa Número de pasos por carcasa Número de pasos por tubos Longitud de tubos Diámetro exterior de tubos Diámetro interior de tubos Disposición de tubos Paso entre tubos Fluido en tubos Fluido en carcasa 2 23 1/4” (590.55 mm) 372 1 6 4m 19.05 mm 14.80 mm Δ 15/16” (23.8 mm) H2O Metanol 41 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Resistencia ensuciante en tubos Resistencia ensuciante en carcasa Separación entre baffles Segmentación de baffles 4.10-4m2K/W 1.10-4m2K/W 300 mm 25% 1) Crear una simulación con: Componentes: Agua y Metanol. Crear cada uno en una lista independiente. Paquete de propiedades: Para el agua, ASME Steam y para el metanol, algún modelo de coeficiente de actividad, por ejemplo NRTL, Wilson, etc. Sistema de unidades: Fouling (Ensuciamiento) en m2C/W, Ht.Tran. Coeff en W/m2C, Heat Flux en W/m2. 2) Previo a comenzar detener el Solver . 3) Agregar la operación Heat Exchanger, haciendo click en el botón . 4) Ingresar a las especificaciones de la operación y en la pestaña Design completar con lo siguiente: Figura 33 Nota: Asegurarse de haber especificado bien el paquete de propiedades para cada fluido. 5) En Parameters, seleccionar donde dice Heat Exchanger Model, Steady State Rating. Lo que quiere decir que vamos a hacer una verificación en estado estacionario. 6) Pasar a la pestaña Worksheet, y especificar únicamente las condiciones de las corrientes de entrada. Justamente lo que queremos saber son las condiciones de 42 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® salida con el intercambiador diseñado. La pestaña deberá verse como muestra la figura 34. Nota: No olvidarse de especificar composición unitaria en ambas corrientes. Fíjese que en la presión de las corrientes de entrada se especificó 1 atm, lo cual está lejos de ser cierto. Igualmente a fines prácticos lo consideraremos así. Figura 34 7) Finalmente pasar a la pestaña Rating. Allí tendremos que especificar todos los datos de diseño. En Sizing Data, verificar que esté tildado Overall. Completar como se muestra en la figura 35. 43 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 35 8) Ahora tildar Shell y completar con los datos conocidos. Figura 36 9) De la misma manera, realizar lo mismo con Tube. 44 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 37 10) Para concluir la verificación, volver a activar el Solver. De esta manera se habrá resuelto la verificación y podemos observar las condiciones de los fluidos a la salida, las pérdidas de carga, etc. Una buena manera de visualizar esto, es utilizar la hoja de especificaciones de equipos que tiene Aspen HYSYS®. Para ello, botón derecho en el equipo, ir a Print Datasheet, luego tildar Rating y Worksheet, y cliquear Preview (Previsualizar) o Print (Imprimir) de acuerdo a lo que se desee. 11) El equipo especificado por diseño, ¿cumple con los requisitos del enunciado? (Aspectos térmicos), y ¿con los requisitos hidráulicos? ¿Cómo es la caída de presión tanto en tubos como en carcasa? ¿Coinciden los coeficientes peliculares con los utilizados para el diseño? EJERCICIOS PROPUESTOS Elija algún intercambiador diseñado en Tecnología del Calor e intente modelarlo con Aspen HYSYS®. Para especificar parámetros de carcasa como separación entre bafles, tipos de bafles, etc., utilice algún criterio visto en la materia. Luego analice el comportamiento del intercambiador desde el punto de vista térmico e hidráulico y especifique si cumple con las condiciones del problema en particular. En caso contrario, explique por qué. 45 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® OPERACIONES UNITARIAS II De todas las operaciones unitarias que han sido vistas en Operaciones Unitarias II haremos hincapié en algunas de las más importantes: Destilación y Absorción de gases. El objetivo es utilizar el software para diseñar tanto columnas de platos como de lecho relleno. Es probable que el alumno ya se encuentre familiarizado con este tipo de simulación porque en la cátedra Operaciones Unitarias II se trabaja con Aspen HYSYS®. DISEÑO DE UNA COLUMNA DE DESTILACIÓN EJERCICIO Nº5 – UNIDAD Nº2 Se desea diseñar una columna de rectificación continua para separar 15000 kg/h de una mezcla que contiene 40% de benceno y 60% de tolueno, con el fin de obtener un producto de cabeza de 97% de benceno y un producto de cola de 98% de tolueno. Todos los porcentajes son en peso. Se utilizará una relación de reflujo de 3,5 moles por mol de producto. Calcular: a) Producción horaria de productos de cabeza y cola. b) El número de platos y la situación del plato de alimentación, si la alimentación entra como líquido a temperatura de ebullición. c) Especificar el diámetro de la columna, distancia entre platos, longitud total de la columna y otros datos de diseño importantes suponiendo que se utilizaran platos perforados. d) Si se utiliza vapor de agua a la presión manométrica de 1,37 kg/cm2 como medio de calefacción, calcular la cantidad de vapor que se necesita por hora en el rehervidor. e) Si el agua de refrigeración llega al condensador a 25ºC y debe salir a 65ºC, calcular el consumo de agua. 1) Crear una simulación con lo siguiente: o Componentes: Benceno y Tolueno en una lista. En otra, Agua. o Paquete de propiedades: Peng Robinson para la mezcla a destilar. ASME Steam para el agua. o Sistema de Unidades: SI. 2) Crear una corriente de material con la siguiente información: o Nombre = Alimentación o Composiciones: Benceno = 0.40; Tolueno=0.60 (Fracciones másicas) o Presión = 1 atm 46 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® o Fracción de vapor = 0 o Flujo másico= 15000 kg/h 3) Antes de insertar la operación Distillation Column se deben conocer ciertos parámetros de la misma. Para ello se utiliza la operación Short Cut Distillation que permite realizar un cálculo preliminar. Para insertarla hacer click en el botón 4) La siguiente imagen muestra cómo debe completarse la pantalla Connections: Figura 38 5) En la pantalla Parameters se debe colocar la composición del componente clave liviano en los fondos y la del componente clave pesado en el destilado, siempre en base molar. Para pasar los valores de base másica a base molar puede utilizarse el siguiente recurso: Crear una corriente de materiales a la que solo se le definirá la composición en base másica y luego cambiar la base a molar. Se supone que la presión del condensador y del rehervidor es 1 atm, y se coloca el dato de relación de reflujo externo igual a 3,5. La pantalla se verá así: 47 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 39 6) En la pestaña Performance podemos observar los datos que necesitaremos para correr el método preciso. Anotar los datos de número mínimo de platos, número de platos necesarios y plato óptimo de alimentación. Figura 40 7) Ahora estamos listos para insertar la operación Distillation Column. Hacer click en el botón de la paleta. 48 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Para no crear nuevamente la corriente de alimentación utilizaremos la opción Clone (Clonar). Para ello botón derecho sobre la corriente, ir a Cut/Paste Objects y luego Clone Selected Objects. Se creará una corriente con el nombre Alimentación-2. 8) Ingresar a la pantalla de especificaciones de la columna y completar cómo se muestra en la figura siguiente: Figura 41 9) Hacer click en Next. La pantalla siguiente muestra la configuración del reboiler. En este caso dejarla en forma predeterminada y hacer click en Next. Figura 42 10) La nueva pantalla que se muestra requiere que se especifique el perfil de presión a lo largo de la columna. Consideraremos presión constante por lo tanto el reboiler y el condensador operaran a 1 atm. 49 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 43 11) La siguiente pantalla es para información opcional, por lo tanto hacer click en Next. La última pantalla corresponde a las Especificaciones, allí indicaremos la relación de reflujo de 3.5. Figura 44 12) Hacer click en Done. Acto seguido se abrirá otra pantalla donde se encuentran todas las especificaciones de la columna. Obsérvese que la columna no ha sido resuelta. Puede verse el cartel rojo que dice Unconverged. Esto quiere decir que faltan datos por especificar. 50 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® 13) Ir a la pantalla Monitor. Allí puede verse que los grados de libertad son cero, sin embargo la columna no está resuelta porque una de las especificaciones activas es Distillate Rate y se encuentra vacía. Destildar esta especificación donde dice Active. Figura 45 Ahora puede verse que los grados de libertad son 1, por lo tanto debemos especificar algo más. Las opciones a especificar son las composiciones de cabeza o de cola. 14) Supongamos que lo que queremos obtener son las composiciones de cabeza con la relación de reflujo fijada. Para agregar una especificación hacer click en Add Spec… luego seleccionar Column Component Fraction y hacer click en Add Spec(s)… 15) Completar la ficha como se muestra en la figura 47. Figura 46 Figura 47 51 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® 16) Ahora puede observarse que el estado de la columna cambió a Converged en fondo verde. Esto quiere decir que la columna ha sido resuelta. Puede verse entonces la producción horaria de productos de cabeza y cola, con sus respectivas composiciones y temperaturas. En las distintas pestañas de la columna pueden observase las temperaturas en cada plato y sus composiciones y otra infinidad de datos que pueden ser útiles. Recuerde también de utilizar la opción Print Datasheet si desea tener un resumen de todos los parámetros. 17) Para incrementar el diseño de la torre de destilación utilizaremos la herramienta Tray Sizing (Dimensionamiento de platos), la cual se encuentra seleccionando de la barra de menú Tools, Utilities y luego de la ventana desplegada que contiene todas las utilidades disponibles, seleccionar Tray Sizing y presionar el botón Add Utility. Figura 48 18) Seleccionar la operación sobre la cual se desea dimensionar. Para esto presionar el botón Select TS… Figura 49 52 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Luego seleccionar Columna Dest (o el nombre que haya elegido) y posteriormente Main TS y cliquear OK. 19) Para comenzar el diseño presionar el botón Auto Section. Al realizar esta acción se despliega una nueva ventana que permite adoptar un tipo de plato. Las opciones son: Platos con campanas de burbujeo (Bubble Cap) Platos con válvulas (Valve) Platos perforados (Sieve) Relleno (Packet) Figura 50 Elegir para este caso Sieve y presionar Next. Se mostrará una ventana que permite la especificación de algunas propiedades de los platos. (Se pueden modificar los valores sugeridos). Figura 51 53 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Mediante el botón Complete AutoSection se termina el cálculo de la torre. 20) En la pestaña Performance se pueden visualizar todos los parámetros del diseño. Figura 52 21) Para realizar el cálculo de servicios auxiliares agregar al PDF un enfriador (Cooler) y un calentador (Heater) . Además crear las corrientes de agua de enfriamiento, vapor y condensado según las especificaciones presentadas en el problema. A continuación conectar al Heater la corriente de energía vinculada al condensador de la torre y las dos corrientes de agua de enfriamiento. Por otra parte, vincular al Cooler las corrientes de vapor de agua, condensado y la de energía vinculada al reboiler de la torre de destilación. 22) Comparar resultados con la resolución “a mano”. 54 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® DISEÑO DE UNA COLUMNA DE ABSORCIÓN DE GASES EJERCICIO Nº4 – UNIDAD Nº4 Se desea diseñar una torre de relleno de anillos Raschig de 1” para absorber SO2 que forma una mezcla con aire sometiendo al gas a un lavado con agua. El gas contiene a la entrada 20% en volumen SO2 y se desea que a la salida no contenga más del 0,5% de SO2 en volumen. El agua que ingresa como alimentación no contiene SO2. La temperatura es de 30 ºC y la presión de 2 atm. El flujo del agua es el doble que el valor mínimo (1779 kmol/h). El flujo de gas de entrada es 1517 kg/h. Calcular la altura de relleno y el diámetro de la columna. 1) Crear un nuevo caso con: o Componentes: SO2, Aire, H2O o Paquete de propiedades: Algún modelo de coeficiente de actividad (NRTL, Wilson, etc.) o Sistema de unidades: SI o EuroSI. 2) Crear las siguientes corrientes de materiales : o Nombre = Gas entrada o Composición : SO2=0.20 Aire=0.80 o Presión = 2atm o Temperatura = 30ºC o Flujo másico= 1517 kg/h o o o o o Nombre = Agua Entrada Composición : H2O= 1 Presión = 2atm Temperatura = 30ºC Flujo molar = 1779 kmol/h 3) Adicionar al PFD un absorbedor. En la paleta de operaciones, cliquear . 4) Completar las especificaciones como se muestra en la siguiente figura. Nótese que Aspen HYSYS® resuelve de forma predeterminada suponiendo que es una columna de platos. Posteriormente veremos cómo se cambia a lecho relleno. A diferencia de Destilación, Aspen HYSYS® no posee un método corto, así que para obtener una composición determinada debe procederse mediante “prueba y error”, cambiando el número de platos. 55 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 53 5) Pasar a la siguiente pantalla. Especificar la presión en cabeza y en fondos, en este caso ambas 2 atm. Figura 54 6) La pantalla posterior es para especificar parámetros opcionales. Hacer click en Done (Hecho). 7) Abrir nuevamente la pantalla de especificaciones. Ir a la pestaña Performance y verificar que la composición de SO2 sea cercana al valor de consigna. Puede probar cambiando el número de platos. Luego de cambiar este dato, recuerde “correr” la columna (Run). 8) Ahora veremos cómo se reemplazan los platos por lecho relleno. Ir a Tools/Utilities (o bien Ctrl+U). Agregar, como hizo en destilación, la utilidad Tray Sizing. 56 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® 9) Seleccionar el Absorbedor en Select TS… Ir a Auto Section… Seleccionar lecho relleno (Packed) y luego el tipo de empaque Raschig Rings (ceramic) 1_inch (Glitsch). Finalmente Complete AutoSection. 10) En la pestaña Performance, tildar Packed en Section Results. Observar los resultados de diseño. (ver figura 55) 11) Comparar los resultados con los dados en el cuadernillo. Figura 55 EJERCICIOS PROPUESTOS EJERCICIO Nº4 – UNIDAD Nº2 Una mezcla equimolecular de heptano – octano, entra como alimentación en un plato intermedio de una columna de rectificación que trabaja a presión atmosférica normal. Se desea obtener un producto destilado que contenga 98% de moles de heptano y un producto de cola que contenga 5% de moles de heptano. La alimentación entra en la columna a su temperatura de ebullición. El vapor procedente del plato 1 entra en el condensador de reflujo. La relación de reflujo es () = ) = + . Determinar el número de platos teóricos necesarios y la * posición del plato de alimentación. Se tomará como base de cálculo un caudal de alimentación de 100 moles/h. Especificar además parámetros de diseño. EJERCICIO Nº8 – UNIDAD Nº4 El gas procedente de un reactor tiene 3.0% de óxido de etileno (OE) y 10% de CO2, siendo el resto nitrógeno. Se desea recuperar el 98% de OE por absorción en agua. El absorbedor operará a 20 atm utilizando agua con 0.04 moles% de OE a 30ºC y el gas entra a 30ºC saturado con agua. El flujo total de gas de alimentación es 10 kmol/h y se utilizan 1.4 moles de H2O por mol de gas seco. 57 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Calcular: a) El diámetro de la columna. b) La altura de relleno, si se utilizan anillos Pall de 1 ½”. CINÉTICA QUÍMICA Y CATÁLISIS En esta sección del curso nos abocaremos a la Ingeniería de las Reacciones Químicas. Primero simularemos reactores homogéneos tipo flujo pistón y tanque agitado. Y posteriormente, nos encargaremos de las reacciones catalíticas en reactores de lecho estático. Los ejemplos han sido tomados del apunte de Cinética Química y de otras fuentes. Además, completaremos el uso de la herramienta para cargar reacciones químicas al ambiente de simulación, que comenzó con las reacciones de conversión en el apartado de Balances de Materia y Energía. REACTOR TUBULAR DE FLUJO PISTÓN EJEMPLO Nº4 – UNIDAD Nº4 (Apunte de cátedra) Una compañía desea producir difenilo por deshidrogenación pirolítica del benceno, según: 2 -,./, ⇌ -13.312 /+ 5 0 6 4 Para tal dispone de un reactor adiabático tubular, tipo multitubo, formado por 500 tubos de 1.5 cm de diámetro y 1 metro de longitud, además de instalaciones como para poder alimentar a dicho reactor con 6000 gmol/h de benceno vaporizado a 1 atm y 800ºC. Se conoce que: >−80 ? = @ &A B ℎ >;C ? = DE >9? = @ &A B ℎ DE −80 = 9 :;0 − ;4 ;6 = < 9 = 1.2 × 10G H I 21J2 KL >MN ? = BDA/@ &A 58 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® ln < = 29.0455 − 2045.001 − 4.977009 ln R + 6.1254 × 10I R R La caída de presión a lo largo del reactor puede considerarse despreciable. Se desea: a) Conocer la conversión y la producción que se alcanzará. b) Representar el camino seguido por la velocidad de reacción en función de la longitud del reactor. o o o 1) Crear un caso de simulación con lo siguiente: Sistema de unidades: Flujo molar en gmol/h, presión en atm. Componentes: Benceno (C6H6), Hidrógeno (H2) y Difenilo (C12H10) Paquete de fluidos: El reactor trabajará a presión atmosférica y altas temperaturas (alrededor de 800ºC) y además la reacción será en fase gaseosa. Podemos modelar el sistema con una ecuación de estado. Elegir Peng Robinson o SRK. 2) En el Simulation Basis Manager, ir a la pestaña Reactions. Para agregar una reacción hacer click en el botón Add Rxn… Figura 56 59 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® 3) Aparecerá una ventana que indica el tipo de reacción que se desea agregar. Seleccionar Simple Rate y hacer click en Add Reaction. Nota: El tipo de reacción se elige en base a los datos cinéticos que se tengan. En este caso contamos con los parámetros cinéticos de la constante directa y con la constante de equilibrio, por lo tanto la constante inversa puede derivarse con las dos anteriores. En casos como este, se utiliza Simple Rate. Figura 57 4) En la nueva ventana, debemos cargar la estequiometria de la reacción. Seleccionar los componentes que participan de la reacción y asignarle su coeficiente estequiométrico. Se sigue la misma nomenclatura que habitualmente utilizamos, negativo para reactantes y positivo para productos. Figura 58 El estado indica Not Ready, pues todavía nos falta especificar las pestañas Basis y Parameters. 5) En la pestaña Basis, completar la magnitud de concentración, el componente base de la ecuación cinética, la fase de reacción y las unidades de la magnitud de concentración y de la velocidad. (ver figura 59) 60 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 59 6) El Parameters, completar con los parámetros cinéticos que se daban en el enunciado. (figura 60) Figura 60 7) Volviendo a la pestaña Reactions, ir al ítem Reaction Set. Allí se puede ver el conjunto de reacciones, en caso de haber más de una, y establecer si son simultáneas, consecutivas, etc. En nuestro caso hay sólo una reacción. Debemos anexar la reacción al paquete de propiedades, para ello hacer click en Add to FP. Y luego en Add Set to Fluid Package. 61 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 61 Podemos ingresar entonces al ambiente de simulación. 8) Crear la corriente de alimentación con los datos indicados. 9) Insertar un reactor flujo pistón haciendo click en el botón de la paleta de objetos. 10) Entrar a las especificaciones del reactor. En la pestaña Design seleccionar la corriente de alimentación y crear la de Productos escribiendo su nombre en salida. Figura 62 11) En Parameters, especificar pérdida de carga nula a lo largo del reactor. 62 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 63 12) Pasar a la pestaña Reactions. En Reaction Set, Seleccionar Global Rxn Set. Figura 64 Nota: Aspen HYSYS® resuelve los reactores flujo pistón como si fueran varios reactores de tanque agitado en serie. En esta pestaña, puede cambiarse el número de segmentos en los que divide la longitud del reactor. 13) La información que falta completar es la referente al reactor en sí, para ello ir a la pestaña Rating y completar con los datos del reactor a verificar. 63 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 65 Al finalizar esto, puede observarse como el estado del reactor cambia a OK. Esto quiere decir que el mismo ha sido resuelto. 14) Para observar la conversión y la producción ir a la pestaña Reactions y al ítem Results. Se encuentra tildado Reaction Extents. Allí puede verse la conversión de benceno (figura 66). Si se tilda Reaction Balance, puede verse la producción de bifenilo (figura 67). Figura 66 64 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 67 15) Para obtener la gráfica de velocidad de reacción vs. longitud de reactor ir a la pestaña Performance, tildar Rxn Rates y posteriormente cliquear Plot. Figura 68 65 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® REACTOR TANQUE AGITADO EJEMPLO Nº2 – UNIDAD Nº3 (Apunte de cátedra) Se desea producir ácido acético mediante hidrólisis de anhídrido acético en un reactor tanque continuo operando a 50ºC (isotérmico). La alimentación consiste en 1000 kg/h de una solución acuosa de anhídrido al 35.8 % en masa. Calcular el volumen del reactor necesario si la conversión exigida es del 95%. Se conoce además que la cinética de la reacción es de primer orden respecto a la concentración de anhídrido y que los datos cinéticos son los siguientes: ( ) + →2 ln 9 > TUI1 ? = 17.387 − 5745.2 R><? Nota: El enunciado ha sido adaptado para facilitar la simulación, pero es esencialmente lo mismo. o o o 1) Crear un caso de simulación con lo siguiente: Sistema de unidades: SI Componentes: Ácido acético, anhídrido acético y agua. Paquete de fluidos: el sistema posee especies polares en solución acuosa, podría emplearse cualquier método de coeficiente de actividad, sin embargo algunos no presentan los coeficientes binarios para todas las especies, en este caso elegiremos van Laar. 2) En la pestaña Reactions, hacer click en Add Rxn… y luego en Kinetic. Ahora veremos otra modalidad para cargar datos cinéticos a una reacción específica. 3) De la misma manera que se hizo en el ejemplo anterior, cargar la estequiometria de la reacción. Sin embargo, ahora puede verse que existen dos columnas adicionales: Fwd Order y Rev Order. Que representar el orden cinético de la especie en la reacción directa e inversa respectivamente. Como la reacción es irreversible y de primer Figura 69 orden respecto al anhídrido, completar como se ve en la figura 70. 66 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 70 4) Pasar a la pestaña Basis y completar como se muestra a continuación: Figura 71 5) Con los datos que se brindan en el enunciado completar los parámetros de la ecuación de Arrhenius. (ver figura 72) 67 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 72 6) Volviendo a la pestaña Reactions, ir al ítem Reaction Set. Anexar la reacción al paquete de propiedades, para ello hacer click en Add to FP. Y luego en Add Set to Fluid Package. Ingresar luego al ambiente de simulación. 7) Crear una corriente de material con las siguientes características: o Nombre: Alimentación o Temperatura: 50ºC o Presión: 1 atm o Flujo másico: 1000 kg/h o Composiciones: Agua: 0.642 Anhídrido: 0.358 8) Insertar un reactor tanque agitado haciendo click en el botón de la paleta de objetos. 9) Especificar la entrada y salida del reactor. También la corriente de energía. Obsérvese que, como en el caso del reactor de conversión, existen dos salidas. En nuestro caso sólo tendrá sentido la líquida. Figura 73 68 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® 10) En Parameters, tildar Single Phase (fase única) y especificar el porcentaje del tanque que ocupa el líquido: en este caso supondremos 100%. Figura 74 11) Pasar a la pestaña Reactions y seleccionar el set de reacciones que se especificó (Global Rxn Set). 12) En la corriente Salida, indicar temperatura de 50ºC 13) Para hallar el volumen necesario, tendremos que recurrir a la operación lógica Adjust. Como ya fue explicada en la sección de Balances de Materia y Energía no haremos mención aquí. Colocar un ajustador donde la variable a ajustar sea el volumen del reactor y la variable objetivo sea la conversión, cuyo valor debe ser 95%. (Ver figura 75) Figura 75 69 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Aumentar el número de iteraciones y dar click en Start. 14) Para que comience a trabajar el ajustador, volver a la pantalla del reactor e indicar un volumen cualquiera en la pestaña Rating, por ejemplo 100 L. Rápidamente observará como ese valor se ajusta llegando al resultado esperado. 15) Ver resultado y comparar con el dado en el apunte de Cinética Química. CONVERTIDOR AGUA-GAS Este ejemplo nos llevará a través del proceso completo para especificar reacciones múltiples en un reactor de flujo pistón de lecho catalítico. Las reacciones que vamos a modelar son aquellas que se encuentran en las primeras etapas de la producción de algunos compuestos químicos como amoníaco y metanol, es decir, en el proceso de reformado con vapor. (1) (2) + + + →3 ⇌ + + La primera reacción es la reacción de reformado con vapor en la cual el gas natural (modelado enteramente como metano) reacciona con vapor de agua para dar hidrógeno y monóxido de carbono. La segunda reacción es la reacción de sustitución agua-gas en la cual se produce más hidrógeno y el CO se convierte en CO2. Esta reacción es particularmente importante en la síntesis de amoníaco ya que tanto el CO como el CO2 envenenan al catalizador utilizado en el convertidor de amoníaco y el CO es más difícil de eliminar que el CO2. El reactor que modelaremos es uno de los convertidores agua-gas del proceso de producción de amoníaco. Más específicamente el que sigue luego del reformador. Como opera a temperaturas relativamente bajas comparadas con este último, es de esperar que predomine la reacción número (2) y sólo se observe algo de la (1). La alimentación del convertidor agua-gas (2110 moles/s) se encuentra a 350ºC y 30 atm de presión y su composición es la siguiente: 9.8% CO, 30.7% H2O, 4% CO2, 30.5% H2, 10% CH4, 15% N2. El convertidor consiste en un reactor tubular de 10 metros de largo y de 2.21 m de diámetro y a fines de una primera estimación puede suponerse caída de presión nula. Los datos cinéticos obtenidos experimentalmente para ambas reacciones se detallan a continuación: YZ[ (−8V ) = WX 9V H I KL YZa \ ]V 1 + <^ \ ]^ (−8_ ) = WX `H I KL b]_ ]c − ]d g <ef 70 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Siendo: Variable Densidad del lecho Factor de frecuencia 1 Energía de activación 1 Constante de los gases Presión Parámetro de adsorción Fracción molar de CH4 Fracción molar de H2 Fracción molar de CO Fracción molar de H2O Fracción molar de CO2 Factor de frecuencia 2 Energía de activación 2 Constante de equilibrio o o o Abreviación WX 9V MN1 ( \ <^ ]V ]^ ]_ ]c ]d ` MN <ef Valor 1200 5.517x106 1.849x108 8.314 30.0 4.053 Variable Variable Variable Variable Variable 4.95 x108 1.163x105 H I+.J+,h+iJj/L Unidades kg/m3 mol/kg s atm J/mol J/K mol atm atm-1 mol/kg s J/mol - 1) Crear un caso de simulación con lo siguiente: Sistema de unidades: SI. Componentes: CO, CO2, H2O, H2, N2, CH4. Paquete de fluidos: Los componentes son todos gases y, salvo el agua y el monóxido, no polares. Puede usarse con confianza alguna ecuación de estado. Esta vez utilizaremos una variante de Peng Robinson que tiene en cuenta desvíos generados por sustancias polares: PRSV. 2) Para cargar las reacciones químicas proceder de la misma forma que anteriormente. La reacción de conversión agua-gas puede ser modelada mediante una reacción de velocidad simple (Simple Rate) como se vio en el ejemplo de RFP, por lo que no se entrará en detalles. En cambio, la reacción de reformado corresponde a una cinética de tipo Langmuir-Hinshelwood, por lo tanto explicaremos la forma de proceder. Finalmente se verá como incluir varias reacciones dentro de un mismo reactor. 3) En la pestaña Reactions, hacer click en Add Rxn… luego seleccionar Heterogeneous Catalytic y Figura 76 cliquear Add Reaction. 4) Llenar la pestaña Stoichimetry de la misma manera que para otras reacciones. (ver figura 77) 71 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 77 5) Pasar a Basis y completar de acuerdo a la reacción. La base de concentración será presión parcial con unidad atm, el componente base metano, la fase de reacción vapor y las unidades de la reacción kgmol/m3-s.(según los datos tendríamos que utilizar gmol/m3-s, sin embargo Aspen HYSYS® no nos da la opción, tendremos que ajustar luego la constante de reacción) Figura 78 6) La próxima pestaña corresponde al numerador de la ecuación de velocidad de L-H. En nuestro caso, sólo está integrado por la presión parcial de metano, lo que indica además que la reacción se considera irreversible. Además se deben introducir los parámetros de Arrhenius. Tener en cuenta que el factor de frecuencia A es el producto entre WX y 9V y debe dividirse por 1000 para adecuar las unidades. 72 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 79 Nótese que el estado cambió a Ready (Listo), sin embargo, todavía debemos especificar el denominador. 7) En la pestaña Denominator, puede verse una matriz que nos permite cargar los datos del denominador. En nuestro caso, sólo aparece en el denominador el hidrógeno así que debemos completar como sigue: Figura 80 De esta manera hemos cargado la reacción 1. 8) Cargar la segunda reacción de la misma manera que se hizo en el ejemplo del reactor de flujo pistón. Utilizar Simple Rate y nombrarla SustituciónAG. A continuación se detallan las imágenes de las pantallas. 73 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® Figura 81 Figura 82 Figura 83 74 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® 9) Ahora que se crearon las reacciones, debemos agregarlas al conjunto de reacciones (Reaction Set), donde pueden exportarse e importarse reacciones. También deben ser adjuntadas al paquete de fluidos para poder utilizarlas en la simulación. Pasar a Reaction Set. En View Set… pueden verse las reacciones cargadas. Luego de comprobarse que ambas estén activas, adjuntarlas al paquete de propiedades haciendo click en Add to FP y luego en Add Set to Fluid Package. Ahora estamos listos para entrar al ambiente de simulación. 10) Crear la corriente Alimentación con los datos brindados en el enunciado. 11) Agregar un reactor de flujo pistón y completar: corriente de salida Productos, perdida de presión 0, dimensiones y seleccionar el set de reacciones. 12) Observar los resultados: temperatura final, composición de la corriente, conversión de CO, etc. EJERCICIOS PROPUESTOS EJEMPLO Nº3 – UNIDAD Nº4 (Apunte de cátedra) Se propone diseñar un reactor de planta piloto para la oxidación de SO2, según: 1 kl + 5 ⇌ kl 2 0 4 6 La reacción se conducirá adiabáticamente en fase gaseosa. Para el catalizar de pentóxido de vanadio a utilizar, la cinética responde a: (−80 )m = noH I 1GG22 h1 2j L p ;0 ;4 − oH I ;01/ ,i22 h L jG ;_ ;4 1/ n p ;01/ Estando expresados (−80 )m en gmol/g cat s, las presiones parciales en atm y la temperatura en K. La alimentación del reactor consistirá en 100 gmol/h de gases disponibles a 400ºC y 1 atm, cuya composición es 8%SO2, 13%O2 y 79%N2 (en volumen). El diámetro interno del tubo a utilizar será 5 cm y la densidad del lecho catalíticoWX = 0.74@/B . Halle la longitud del reactor si se desea alcanzar una conversión del 70%. 75 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® EJEMPLO 8-5 PRODUCCIÓN ADIABÁTICA DE ANHÍDRIDO ACÉTICO (ELEMENTOS DE INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS – H. SCOTT FOGLER) Jeffreys, en el tratamiento de diseño de una industria de producción de anhídrido acético sostiene que uno de los pasos claves es el craqueo en fase de vapor de la acetona en cetena (ketene) o etenona y metano. ⟶ + + Indica que la reacción es de primer orden respecto a la acetona y que la velocidad de reacción específica puede ser expresada por: ln 9 = 34.34 − 34.222/R Donde k está en s-1 y T en K. En este diseño, se desea alimentar 8000 kg/h de acetona a un reactor tubular. Si el reactor es adiabático, la alimentación pura en acetona, la temperatura de entrada 1035 K, y la presión 162 kPa (1.6 atm), ¿qué volumen de reactor se requiere para alcanzar el 20% de conversión? Preparado por: Cristian F. González (Leg. Nº 3149), Manuel González Vital (Leg. Nº3152) Revisado por: Ing. Daniel A. Castro Mayo 2010 76 Universidad Nacional de Cuyo Facultad de Ciencias Aplicadas a la Industria Laboratorio de Simulación de Procesos Curso electivo: Simulación de Procesos en ASPEN HYSYS® REFERENCIAS LIBROS, APUNTES, PAPERS Y MANUALES INFORMACIÓN GENERAL Abd Hamid, M.K. “HYSYS®: An Introduction to Chemical Engineering Simulation”. Universiti Teknologi Malaysia. Año 2007. Manuales de Aspen HYSYS® 2004.2. “Simulation Basis”. “Operations Guide”. “Tutorials And Applications”.” User Guide”. Aspen Technology, Inc. Año 2005. SELECCIÓN DE PAQUETES TERMODINÁMICOS V.H. Martinez Sifuente; P.A. Alonso Dávila; J. López Toledo; M. Salado Carbajal; J.A. Rocha Uribe “Simulación de procesos en ingeniería química”. Plaza y Valdez Editores. México, D.F. Año 2000. E.C. Carlson. “Don’t Gamble with Physical Properties for Simulations” Chem. Eng. Prog. (Octubre 1996) pág 35-46. R. Agarwal; Y.K. Li, M.A. Satyro; A. Vieler. “Uncovering the realities of simulation” Chem. Eng. Prog. 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