Curso básico de simulación de procesos con aspen hysys 2006.5

Aspen HYSYS

Tutorials and Applications

CURSO BÁSICO DE SIMULACIÓN DE
PROCESOS CON ASPEN HYSYS 2006

CONTENIDO:

Modelos Termodinámicos, Componentes y Propiedades
Paquete Fluido
Corrientes y Mezclas
Propiedades de Mezclas

Simulación de Unidades de Proceso
Corrientes: División, Mezcla y Fraccionamiento
Ciclo de Refrigeración
Separación de Fases
Separador de Tres Fases

Simulación de Procesos con Corrientes de Recirculación
Procesos con Reciclo
Compresión en tres etapas
Ajuste de Variables

Simulación de Reactores
Reactor de Conversión
Relación no lineal entre variables
Reactor de Mezcla Completa
Reactor Flujo Pistón
Reactor Catalítico Heterogéneo

Balances de Materia y Calor
Balance de Materia
Balances de Calor
Balances de Materia y Energía
Balance General
Planta de Producción de Gas de Síntesis
Planta de Enfriamiento de un Gas

Simulación de Columnas de Destilación y Absorción
Columna de Destilación Simplificada
Columna Despojadora de Agua Acida
Columna de Destilación Desbutanizadora
Separación de una Mezcla Propileno-Propano
Planta de Gas Natural Licuado
Planta de Producción de Etanol

_____________________________________________________________________
Simulación de Procesos con Aspen Hysys 2006

1. ADMINISTRADOR BÁSICO DE LA SIMULACIÓN

1. OBJETIVOS

1.1. Seleccionar los elementos básicos requeridos para desarrollar la simulación de un
proceso químico en HYSYS
1.2. Manejar algunas herramientas incluidas en el simulador que posibilitan la
determinación de propiedades de componentes

2. BASES PARA UNA SIMULACION

Paquete Fluido

HYSYS utiliza el concepto de paquete fluido o “Fluid Package” como el contenido de
toda la información necesaria para desarrollar cálculos de propiedades físicas y
evaporaciones espontáneas de corrientes. El paquete fluido permite definir toda la
información (propiedades, componentes, componentes hipotéticos, parámetros de
interacción, reacciones, datos tabulados, etc) dentro de un archivo muy sencillo. Son
tres las ventajas de esto, a saber:

1. Toda la información asociada se define en una sola localidad, lo que permite la fácil
creación y modificación de la información
2. Los paquetes fluidos pueden almacenarse como un archivo completo para usarlos en
cualquier simulación
3. Pueden usarse varios paquetes fluidos en una misma simulación. Sin embargo,
todos los paquetes definidos se encuentran dentro del administrador básico de la
simulación

Administrador del Paquete Básico de la Simulación

El “Administrador Básico de la Simulación” o “Simulation Basis Manager” es una
ventana que permite crear y manipular cada paquete fluido en la simulación. Para
desplegar esta ventana, abra un nuevo caso, haciendo clic en el botón “New Case” de la
barra estándar de HYSYS. Observe en la Figura 1 que, por defecto, el “Administrador
Básico de la Simulación” se despliega con la pestaña “Components” activa.

En el “Administrador Básico de la Simulación”, el grupo “Component Lists” contiene
los botones “View”, “Add”, “Delete”, “Copy”, “Import”, “Export” y “Refresh” con los
cuales se observan, añaden, borran, copian, importan, exportan y refrescan los
componentes incluidos en el paquete fluido. Acerque el puntero del Mouse a cada uno
de estos botones y observe la anotación que aparece en la barra de estado.

Debajo se observan las pestañas “Components”, “Fluid Pkgs”, “Hypotheticals”, “Oil
Manager”, “Reactions”, “Component Maps” y “UserProperty”. En cada una de las
ventanas correspondientes a las anteriores pestañas se agregan los componentes, las

Ing. José Luis Aguilar Salazar

_____________________________________________________________________

ecuaciones y las reacciones químicas que intervienen en el proceso químico a simular
con el paquete fluido construido.

Definición del Paquete Básico de la Simulación

1. Abra un nuevo caso seleccionando el botón “New Case” localizado en el extremo
izquierdo de la barra estándar. Se desplegará la ventana “Simulation Basis
Manager” como se observa en la Figura 1

Figura 1. Administrador del Paquete Básico de la Simulación

2. Haga clic sobre la pestaña “Fluid Pkgs” para desplegar la ventana que permite la
creación o instalación del paquete fluido a utilizar en la simulación y que se observa
en la Figura 2.

Figura 2. Ventana para la creación o instalación del paquete fluido

Ing. José Luis Aguilar Salazar 2

_____________________________________________________________________

Esta ventana contiene los grupos “Current Fluid Packages” y “Flowsheet-Fluid Pkg
Associations”. Se pueden usar varios paquetes fluidos dentro de una simulación,
asignándolos a diferentes diagramas de flujo y enlazándolos. El botón “Import”
permite la importación de un paquete fluido predefinido y que haya sido
almacenado en el disco duro del computador. Los paquetes fluidos tienen la
extensión .fpk

3. Haga clic sobre el botón “Add” para crear un nuevo paquete fluido en la ventana
desplegada con el nombre de “Fluid Package: Basis-1” y que se observa en la
Figura 3. Por defecto, se despliega activa la pestaña “Set Up”

Figura 3. Ventana para la definición del paquete fluido

4. Seleccione la ecuación de Peng-Robinson ya sea buscándola directamente en el
grupo “Property Package Selection” o haciendo previamente un clic sobre el radio
botón que permite la selección de solo ecuaciones de estado o “EOSs” que se
encuentra en el grupo filtro o “Property Package Filter”

5. En el cuadro localizado en la parte inferior con el título “Name” Cambie el nombre
por defecto “Basis-1” e introduzca “Planta de Gas”. Observe la Figura 4.

6. Haga clic sobre el botón “View” para añadir los componentes incluidos en el paque
fluido

7. Seleccione los componentes de la librería N2, H2S, CO2, C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5,
n-C5, C6 y H2O. La selección se puede hacer ya sea digitando los nombres sobre el
cuadro “Match”, resaltando el compuesto de la lista o haciendo uso del filtro y a
continuación la adición al grupo “Selected Components” se hace ya sea
presionando la tecla “Enter” o el botón “Add Pure” o haciendo doble clic sobre el
componente a seleccionar. Observe la selección de los componentes en la ventana
“Component List View” de la Figura 5.


_____________________________________________________________________

Figura 4. Ecuación y nombre del paquete fluido

Figura 5. Selección de los componentes que aparecen en la librería de HYSYS

8. En el árbol que aparece con el título de “Add Component” seleccione la opción
“Hypothetical” para añadir un componente hipotético al paquete fluido en la
ventana desplegada como se observa en la Figura 6. Un componente hipotético
puede usarse para modelar componentes que no se encuentran en la librería,
mezclas definidas, mezclas indefinidas o sólidos. Utilizaremos un componente
hipotético para modelar los componentes mas pesados que el hexano en la mezcla
gaseosa. Para crear este componente hipotético, seleccione el botón “Quick Create
A Hypo Component” y se desplegará una ventana de título Hypo2000* donde se
introducirán las especificaciones del componente hipotético


_____________________________________________________________________

Figura 6. Ventana para la creación de un componente hipotético

9. Sobre la pestaña ID de la ventana de propiedades del componente hipotético
introduzca C7+ como nombre de este en el cuadro “Component Name”. Observe
Figura 7. En este caso, no se conoce la estructura del componente hipotético y se
modela una mezcla de tal manera que no se usará la opción “Structure Builder”

Figura 7. Nombre de un compuesto hipotético

10. Haga clic en la pestaña “Critical” de la ventana de propiedades del compuesto
hipotético. Solo se conoce el punto de ebullición normal del C7+, es decir, “Normal


_____________________________________________________________________

Boiling Pt”. Introduzca un valor de 110°C (230°F). Presione el botón “Estimate
Unknown Props” para estimar todas las propiedades del componente hipotético y
definirlo completamente, como se observan en la Figura 8.

Figura 8. Estimación de Propiedades desconocidas del componente hipotético

11. Cuando haya sido definido el componente hipotético, cierre la ventana y regrese a la
ventana “Component List View”. Seleccione el componente hipotético C7+ que
aparece en el grupo “Available Hypo Components” y haga clic sobre el botón “Add
Hypo” para añadirlo a la lista de componentes agrupados en “Selected
Components”, como se observa en la Figura 9.

Figura 9. Inclusión del componente hipotético dentro de la lista de componentes


_____________________________________________________________________

Cada hipocomponente que se cree es parte de un “Hypo Group”. Por defecto, este
hipocomponente es colocado en el “HypoGroup1”. Se pueden añadir grupos
adicionales y mover hipocomponentes entre grupos. Ya se ha completado la
instalación de un paquete fluido. Se pueden ver los coeficientes binarios de Peng-
Robinson para los componentes, haciendo clic en la pestaña “Binary Coeffs” de la
ventana titulada “Fluid Package: Planta de Gas”, como se observan en la Figura 10.

Figura 10. Coeficientes binarios entre los componentes del paquete fluido

Selección de un sistema de unidades

En HYSYS, es posible cambiar el sistema de unidades utilizado para desplegar en
las diferentes variables.

1. Despliegue el menú “Tools” y seleccione la opción “Preferences”
2. Haga clic sobre la pestaña “Variables”, haga clic en “Units” que aparece
en el grupo “Variables” y seleccione el sistema SI. Observe la Figura 11

Figura 11. Selección del sistema de unidades


_____________________________________________________________________

3. Cierre esta ventana para regresar a la simulación

Exportación de paquetes fluidos

HYSYS permite exportar paquetes fluidos para usarlos en otras simulaciones. Esta
funcionalidad permite crear un paquete fluido sencillo y común que puede utilizarse
en múltiples casos.

1. Sobre la pestaña “Fluid Pkgs” de la ventana “Simulation Basis Manager”
resalte el paquete fluido “Planta de Gas” que aparece en el grupo
“Current Fluid Packages”. Observe Figura 12

2. Presione el botón “Export” y se desplegará una ventana que le permitirá
guardar el paquete fluido

3. Introduzca el nombre “Planta de Gas” para el paquete fluido y presione
el botón “Guardar”. Observe la extensión .fpk al nombre del paquete

Figura 12. Exportación de un paquete fluido

Al definir completamente el paquete fluido, se tiene todo listo para comenzar la
simulación. Para ingresar a la ventana donde construir el diagrama de flujo de
proceso o PFD a simular, presione el botón “Enter Simulation Environment” que se
encuentra en la parte inferior derecha del Administrador Básico de la Simulación o
haga clic sobre el icono que se encuentra dentro de la barra estándar con el mismo
nombre.

3. PROPIEDADES DE LOS COMPONENTES

Algunas propiedades de los componentes seleccionados que han sido calculadas por
HYSYS de acuerdo a la ecuación seleccionada se pueden visualizar en la ventana
correspondiente a cada uno de ellos. Para ello:


_____________________________________________________________________

1. Haga clic en la pestaña “Set Up” de la ventana “Fluid Package: Planta de
Gas” y haga clic en el botón “View” que permite desplegar la lista de
componentes seleccionados en el cuadro “Component List Selection” con el
nombre de “Component List-1”. Observe que la ventana desplegada se titula
“Component List View” y que, además, se encuentran activos los botones
“Add Group”, “Add Hypo”, “Remove”, “Sort List” y “View Component”.
Mediante la opción “Sort List” se ordenan los componentes según lo desee
el usuario.
2. Seleccione el componente C7+ y haga clic sobre el botón “View
Component” para que se despliegue la ventana de propiedades.
3. Haga clic en la pestaña “Critical” y se observará nuevamente la Figura 7,
que muestra algunas propiedades básicas en el grupo “Base Propierties” y
algunas propiedades críticas en el grupo “Critical Properties”.
4. Haga clic en la pestaña “Point” y observe las propiedades físicas,
termodinámicas y moleculares del componente seleccionado
5. Haga clic en la pestaña “TDep” y observe las tres ecuaciones propuestas por
HYSYS para el cálculo, respectivo, de la entalpía del vapor, la presión de
vapor y la energía libre de Gibbs del componente seleccionado.

Tabulación de propiedades físicas y termodinámicas de los componentes

HYSYS facilita en la pestaña “Tabular” de la ventana “Fluid Package: Planta de
Gas”, correlaciones matemáticas para calcular algunas propiedades físicas y
termodinámicas como densidad, viscosidad, conductividad térmica, entalpía,
entropía y otras

1. Haga clic en la pestaña “Tabular” Se desplegará una ventana que contiene
un grupo con el título de “Tabular Package” y que muestra un árbol de
opciones.
2. Haga clic sobre el cuadro con un signo más a la izquierda de “Options”. Se
desplegarán todas las propiedades físicas y termodinámicas disponibles en
HYSYS para correlacionarlas con otras variables físicas.
3. Haga clic en el botón “Edit Properties” que se encuentra en la esquina
inferior derecho y detalle las propiedades físicas y termodinámicas para cada
uno de los componentes del sistema
4. Cierre la ventana anterior, seleccione la propiedad “Latent Heat” que
aparece en el cuadro derecho de la ventana “Tabular Package”
5. Haga clic sobre el cuadro con un signo más a la izquierda de “Information” y
seleccione la opción “Latent Heat”.
6. Seleccione en el cuadro “Equation Shape” la opción polimérica o “Poly1”.
Observe su escritura en el cuadro de abajo.
7. Haga clic en el botón “Cmp Plots”. Se desplegará una ventana con el título
“LatentHeat” que muestra las curvas de calor latente en función de la
temperatura para cada uno de los componentes de la lista.
8. Cierre la ventana anterior y haga clic sobre el botón “Cmp. Prop. Detail”
para conocer mas detales sobre la propiedad. Se desplegará una ventana con


_____________________________________________________________________

el título “PropCurve: LatentHeat_Nitrogen” y con las pestañas “Variables”,
“Coeff”, “Table”, “Plots” y “Notes”. Haga clic sobre cada una de ellas y
detalle la información suministrada en cada una de ellas

3. CASO DE ESTUDIO

A continuación, despliegue la ventana “Component List View”, haga clic en la
opción “Components” del grupo “Add Component”, seleccione los componentes n-
heptano y n-octano y agréguelos a la lista de componentes seleccionados. Compare
las propiedades del componente hipotético C7+ con las del n-C7 y n-C8 llenando
la Tabla 1.

Tabla 1. Propiedades del n-Heptano, n-Octano y el compuesto hipotético C7+

PROPIEDAD C7+ C7 C8

Normal Boiling Point

Ideal Liquid Density

Molecular Weight


_____________________________________________________________________

2. CORRIENTES Y MEZCLAS

1. OBJETIVOS

1.1. Especificar corrientes de materia y energía para desarrollar una simulación de un
proceso químico en HYSYS
1.2. Manejar algunas herramientas incluidas en el simulador que posibilitan la
determinación de propiedades de mezclas

2. INTRODUCCION

Clases de corrientes en HYSYS

HYSYS utiliza el concepto de corrientes de materia y corrientes de energía. Las
corrientes de materia requieren, para su completa definición, de la especificación del
flujo y de aquellas variables que permitan la estimación de todas sus propiedades físicas
y termodinámicas. Las corrientes de energía se utilizan para representar los
requerimientos energéticos en unidades como intercambiadores de calor, bombas, etc. y
se especifican, completamente, con solo la cantidad de energía intercambiada o
transferida en dichas unidades. En HYSYS, la corriente de materia se observa, por
defecto, de color azul, mientras que la corriente de energía es de color rojo.

Corrientes de materia

El elemento mas simple que un diseñador de proceso debe especificar es una simple
corriente homogénea. Las variables que definen a una corriente que contiene C
componentes son:

Variables Cantidad

Concentraciones C
Temperatura 1
Presión 1
Flujo 1

Total de Variables C+3

Expresando las concentraciones en fracciones molares, Xi, se cumple una restricción de
suma entre ellas, es decir que:

N

∑X
i =1
i =1 (2.1)


_____________________________________________________________________

Por lo tanto, el número de variables de diseño, N ie , que se requieren para especificar
completamente una corriente de materia es la diferencia entre el número de variables y
el número de restricciones, es decir:

N ie = C + 2 (2.2)

De acuerdo a la ecuación (2.2), se define el estado termodinámico de una corriente de
materia al conocerse la composición de una corriente de materia y otras dos
propiedades, (fracción de vapor, temperatura, presión, entalpía o entropía) una de las
cuales debe ser o la temperatura o la presión.

Evaporación espontánea de una corriente de materia

Cuando se especifica una corriente de materia con la información suficiente, HYSYS
hace los cálculos apropiados de la evaporación espontánea. Es decir, si se especifican,
por ejemplo, temperatura y presión calcula si la corriente es de una fase (líquida o
vapor) o de dos fases líquido y vapor, etc. Dependiendo de las dos propiedades
conocidas de la corriente de materia, HYSYS desarrolla uno de los siguientes cálculos
de evaporación espontánea:

1. Isotérmica: T-P
2. Isoentálpica: T-H o P-H
3. Isoentrópica: T-S o P-S
4. Fracción de vaporización conocida: T-VF o P-VF

En la evaporación espontánea a una fracción de vaporización conocida entre 0.0 y 1.0,
HYSYS calcula la presión o la temperatura dependiendo de la que sea especificada
como variable independiente. Si se despliega un error, en este tipo de cálculo, significa
que la fracción de vapor especificada no existe a las condiciones de presión o
temperatura especificadas. Es decir, la presión especificada es mayor que la presión
cricondenbárica o la temperatura especificada es de un valor a la derecha de la
temperatura cricondentérmica sobre la envolvente estándar de presión – temperatura

Punto de rocío de una corriente de materia

Si, además de la composición de una corriente de materia, se especifica una fracción de
vapor de 1.0 y su temperatura HYSYS calculará la presión del punto de rocío. En forma
similar, si en vez de especificar la temperatura se especifica la presión HYSYS
calculará la temperatura del punto de rocío de la mezcla. Los puntos de rocío
retrógrados se pueden calcular especificando una fracción de vapor de -1.0.

12


_____________________________________________________________________

Punto de burbuja de una corriente de materia / Presión de vapor

Una especificación de una fracción de vapor de 0.0 para una corriente define un cálculo
de punto de burbuja. Si además se especifica o la temperatura o la presión, HYSYS
calculará la variable desconocida presión o temperatura. Al fijar una temperatura de 100
°F la presión correspondiente al punto de burbuja es la presión de vapor a 100 °F

2. INSTALACION DE UNA CORRIENTE DE MATERIA EN HYSYS

Para la instalación de corrientes de materia en HYSYS realice las siguientes
instrucciones:

1. Abra un nuevo caso e importe el paquete fluido “Planta de Gas” construido
y almacenado en la Práctica 1.
2. Haga clic en el botón “Enter Simulation Environment”. HYSYS por defecto
despliega la ventana titulada “PFD – Case (Main)” y la denominada “Paleta
de objetos. En la primera se construye el diagrama de flujo del proceso a
simular y en la segunda se incluyen las unidades u operaciones a seleccionar
para instalarlas en el proceso a simular
3. Haga doble clic sobre el icono de la corriente de materia (flecha de color
azul). Se despliega, sobre el PFD, una flecha de color azul claro, numerada
con “1” y, además, la ventana de especificación de propiedades de dicha
corriente, con la pestaña “Worksheet” activa, por defecto, como lo muestra
la Figura 1. La instalación de corrientes puede hacerse de varias formas
como presionando la tecla clave <F11> o seleccionando la opción “Add
Stream” del menú “Flowsheet”

Figura 1. Ventana de propiedades de una corriente de materia

13


_____________________________________________________________________

4. En la celda “Stream Name” de la página “Conditions” asigne como nombre
a la corriente la palabra “Gas”
5. Para desplegar la ventana donde se introducen las composiciones, haga clic
en “Composition” o doble clic en una de las celdas correspondientes a
especificaciones de flujos de la corriente. En este caso, haga doble clic en la
celda “Mass Flow” y se desplegará una ventana como la que muestra la
Figura 2

Figura 2. Ventana para especificar la composición de la corriente “Gas”

6. Haga clic en el radio botón “Mole Fractions” en el grupo “Composition
Basis” para cambiar la base de la fracción en masa a fracción en moles
7. Introduzca las siguientes composiciones que aparecen en la Figura 3.

Figura 3. Composición de la corriente “Gas”

14


_____________________________________________________________________

8. Presione el botón OK cuando se hayan introducido todas las fracciones
molares
Evaporación espontánea isotérmica, T-P, de la corriente “Gas”

9. Asigne una presión de 7500 kPa y una temperatura de 10 °C. ¿Cuánto es la
fracción vaporizada? ¿Por qué la corriente “Gas” no está completamente
especificada?
10. Asigne un flujo molar de 100 kgmol/h y observe el “OK” que aparece en la
banda verde que significa que la corriente “Gas” se encuentra
completamente especificada”

Evaporación isoentálpica, T-H o P-H, de la corriente “Gas”

11. Borre la temperatura y mantenga la presión asignada en el punto 9.
Especifique una entalpía molar de -15000 kJ/kgmole. ¿Cuánto es la
temperatura, la fracción de vapor, y la entropía molar de la corriente?
12. Borre la presión asignada en el punto 9 y mantenga la entalpía molar.
Especifique una temperatura de de 980 °C. ¿Cuánto es la presión, la fración
de vapor y la entropía molar de la corriente?
13. Borre la temperatura anterior y asigne un valor de 2000 °C. ¿Cómo se
explica el error que reporta HYSYS?

Punto de rocío de la corriente “Gas”

14. Asigne una fracción de vapor de 1.0 y una presión de 7500 kPa. ¿Cuánto es
la temperatura de rocío de la corriente “Gas” a la presión de 7500 kPa?
15. Borre la presión asignada y mantenga la fracción de vapor. Asigne una
temperatura de 100 °C. ¿Cuánto es la presión de rocío a la temperatura de
100 °C?
16. Asigne una fracción de vapor de -1.0 y una presión de 5000 kPa. ¿Cuánto y
qué significado tiene la temperatura calculada?

Punto de burbuja de la corriente “Gas”

17. Asigne una fracción de vapor de 0.0 y una presión de 7500 kPa. ¿Cuánto es
la temperatura de burbuja de la corriente “Gas” a la presión de 7500 kPa?
18. Borre la presión asignada y mantenga la fracción de vapor. Asigne una
temperatura de -30 °C. ¿Cuánto es la presión de vapor de la corriente “Gas”
a una temperatura de -30 °C?
19. Cambie la temperatura asignada en el punto 18 y asigne el valor de 100 °C.
¿Cómo se explica el error reportado por el simulador?

GUARDAR LA CORRIENTE “GAS”

Se puede utilizar uno de varios métodos diferentes para guardar un caso en HYSYS

15


_____________________________________________________________________

1. Despliegue el menú “File” y seleccione la opción “Save As” para guardar el
caso en una cierta localización y con el nombre “Gas”
2. Despliegue el menú “File” y seleccione la opción “Save” para guardar el caso
con el mismo nombre y en la misma localización
3. Presione el botón “Save” en la barra estándar para guardar el caso con el mismo
nombre

3. INSTALACION DE UNA CORRIENTE DE ENERGIA EN HYSYS

Una corriente de energía se instala mediante el mismo procedimiento que una corriente
de materia y solo necesita de una especificación que es el flujo calórico correspondiente

1. Si la paleta de objetos no está abierta sobre el escritorio, presione la tecla clave
<F4> para abrirla
2. Haga doble clic sobre el botón “Energy Stream” para desplegar la corriente de
nombre “Q-100” y su ventana de propiedades, como se observa en la Figura 4.

Figura 4. Ventana de propiedades de una corriente de energía

3. En el cuadro “Stream Name” cambie el nombre de la corriente a “QHeat” e
introduzca el valor de -10000 kJ/h en el cuadro “Heat Flow (kJ/h)” . Observe la
banda verde que indica que la corriente está completamente especificada

16


_____________________________________________________________________

3. PROPIEDADES DE CORRIENTES DE MATERIA

1. OBJETIVOS

1.1. Construir diagramas de propiedades de estado de una mezcla
1.2. Determinar las propiedades críticas de una mezcla
1.3. Estimar propiedades físicas, termodinámicas y de transporte de una mezcla

2. INTRODUCCION

HYSYS dispone de la opción “Utilities”, que es un conjunto de herramientas que
interactúan con una corriente de materia suministrando información adicional para su
análisis, como los diagramas presión-volumen-temperatura y otros. Después de
instalada, la información anexada se convierte en parte del diagrama de flujo de tal
manera que cuando cambian las condiciones de la corriente, automáticamente calcula
los otros cambios en las condiciones afectadas.

Los diagramas líquido-vapor disponibles para una corriente de composición
desconocida son: Presión-Temperatura, Presión-Volumen, Presión-Entalpía, Presión-
Entropía, Temperatura-Volumen, Temperatura-Entalpía y Temperatura-Entropía.
Algunas otras facilidades incluidas dentro de la opción “Utilities” son las propiedades
críticas, el diámetro o caída de presión en tuberías, tablas de propiedades, etc.

3. DIAGRAMAS DE PROPIEDADES DE UNA CORRIENTE

Para anexar un diagrama de propiedades a una corriente:

1. Instale un nuevo caso importando el paquete fluido “Planta de Gas” definido en la
Práctica 1
2. Instale una corriente de materia con el nombre de “Gas”, 10 °C, 7500 kPa, 100
kgmol/h y composición especificada como lo muestra la Figura 1.
3. Haga clic sobre la pestaña “Attachments” y luego haga clic sobre la página
“Utilities”
4. Dentro de la ventana desplegada, presione el botón “Create” para acceder a la
ventana “Available Utilities” que se observa en la Figura 2
5. Seleccione la opción “Envelope” y entonces presione el botón “Add Utility”. Se
desplegarará la ventana de título “Envelope: Envelope Utility-1” que se observa en
la Figura 3. La página “Connections” de la pestaña del mismo nombre, muestra los
valores máximos (Cricondenbárico y Cricondentérmico) y críticos de presión y
temperatura para la envolvente de la corriente “Gas”
6. Haga clic en la pestaña “Performance” y luego clic en la página “Plots” para
observar el diagrama presión-temperatura que aparece por defecto, como se observa
en la Figura 4. Compare los valores máximos y críticos de temperatura y presión de
la Figura 3 con los determinados en el gráfico PT


_____________________________________________________________________

Figura 1. Composición de la corriente de materia “Gas”

Figura 2. Facilidades disponibles para la corriente “Gas”

7. Para incluir la curva de calidad 0.4, digite este valor en el cuadro “Quality 1” del
grupo “Curves” que se encuentra en la parte superior derecha
8. Para observar los datos numéricos de presión-temperatura, haga clic sobre la página
“Table”. Observe en la Figura 5, en el cuadro “Table Type” que los datos que
aparecen tabulados corresponden a la sección del punto de burbuja de la corriente
“Gas.
9. Despliegue el cuadro “Table Type” y seleccione las opciones que le permitan
observar los datos numéricos de presión y temperatura para el punto de burbuja y la
gráfica de calidad constante de la corriente “Gas”


_____________________________________________________________________

Figura 3. Valores Máximos y Críticos de temperatura y presión de la corriente “Gas”

Figura 4. Diagrama Presión-Temperatura de la corriente “Gas”

10. Seleccione nuevamente la opción “Plots” y en el grupo “Envelope Type” seleccione
el radio botón P-H para desplegar el diagrama presión-entalpía de la corriente.
11. En el cuadro “Isotherm 1” del grupo “Curves” digite el valor -14 °C para incluir
una línea isoterma de dicha temperatura, como se observa en la Figura 6
12. Para editar el gráfico, presione el botón derecho del Mouse y seleccione la opción
“Graph Control” del menú contextual desplegado. Se desplegará la ventana que le
permite hacer cambios que modifiquen la presentación del gráfico como los
observados en la Figura 6.


_____________________________________________________________________

13. Observe los gráficos presión – volumen, presión – entropía, temperatura –
volumen, temperatura – entalpía y temperatura – entropía disponibles en el grupo
“Envelope Type”

Figura 5. Datos numéricos de Punto de burbuja de la corriente “Gas”

Figura 6. Diagrama Presión – Entalpía de la corriente “Gas”

4. PROPIEDADES CRITICAS DE UNA CORRIENTE

Las propiedades críticas y seudocríticas de una mezcla son estimadas por HYSYS de
acuerdo a la ecuación elegida en el paquete fluido. La opción “Critical Property” de la
herramienta “Utilities” facilita dicha información para la corriente seleccionada

1. Haga doble clic sobre la corriente “Gas” que aparece en el PFD para
desplegar su ventana de propiedades


_____________________________________________________________________

2. Repita los pasos 3 y 4 del inciso anterior (3)
3. En la ventana “Available Utilities”, seleccione la opción “Critical Property”
y presione el botón “Add Utility”. Se desplegará la ventana que aparece en
la Figura 7 y que despliega las propiedades críticas y seudocríticas de la
corriente “Gas”

Figura 7. Propiedades críticas de la corriente “Gas”

5. TABLA DE PROPIEDADES DE UNA CORRIENTE

La herramienta “Property Table” permite examinar las tendencias de una propiedad,
dentro de un intervalo de condiciones, tanto en forma tabular como gráfica. Esta
facilidad calcula variables dependientes para un intervalo o conjunto de valores de
variable independiente especificada

Una Tabla de Propiedades se añadirá a la corriente “Gas” desde el menú “Tools” con el
siguiente procedimiento:

1. Utilice la tecla clave <Ctrl><U> para abrir la ventana Available Utilities
2. Seleccione la opción “Property Table” y presione el botón “Add Utility”. Se
desplegará una ventana como la que muestra la Figura 8. El botón “Select Stream”
permite seleccionar la corriente a la que se le va a anexar la tabla de propiedades.
En nuestro caso se omite, porque solo se tiene una corriente que aparece
seleccionada
3. Seleccione la Temperatura como la primera Variable independiente
4. Cambie el límite inferior y superior a 0 y 100 ° C respectivamente. En el cuadro “#
of increments” digite el numero 4
5. Seleccione la Presión como la segunda Variable independiente
6. Cambie al modo “State”
7. En la matriz “State Values” introduzca los valores 2500, 5000, 7500 y 9000 kPa


_____________________________________________________________________

8. Haga clic en la página “Dep. Prop” de la pestaña “Design”. Es posible escoger
varias propiedades dependientes. Además, pueden ser propiedades globales o
propiedades de fases diferentes
9. Presione el botón “Add” para desplegar la ventana “Variable Navigator”. Observe
Figura 9

Figura 8. Ventana para la construcción de una Tabla de Propiedades

Figura 9. Navegador de variables

10. Seleccione la opción “Mass Density” a partir de la lista del grupo “Variable” y
presione el botón “OK”
11. Seleccione la opción “Thermal Conductivity” y presione el botón “OK”
12. Presione el botón “Calculate” para calcular las propiedades densidad másica y
conductividad térmica a presiones de 2500, 5000, 7500 y 9000 kPa manateniendo
temperaturas constantes de 0, 25, 50, 75 y 100 °C


_____________________________________________________________________

13. Haga clic en la pestaña “Performance” para desplegar la ventana, Figura 10, donde
se pueden seleccionar los datos calculados para visualizarlos tabulados
numéricamente o gráficamente.

Figura 10. Tabla de propiedades

14. Haga clic sobre la página “Table” para desplegar los datos calculados en forma
numérica y tabular. Observe Figura 11

Figura 11. Densidad y Conductividad térmica de la corriente “Gas”


_____________________________________________________________________

15. Haga clic en la página “Plots”, seleccione la propiedad “Mass Density” y presione
el botón “View Plot” que se encuentra a la derecha. Las gráficas de los cálculos
realizados se observan en la Figura 12.

Figura 12. Gráficas de densidad versus Presión para la corriente “Gas”

16. Cierre la gráfica anterior, seleccione la propiedad “Thermal Conductivity” y
presione el botón “View Plot”. Las gráficas de los cálculos realizados se observan
en la Figura 13.

6. DIMENSIONAMIENTO DE TUBERIA DE CORRIENTE

Dentro de la herramienta “Utilities” se encuentra una opción denominada “Pipe Sizing”
que estima el Régimen de Flujo de una corriente a las condiciones especificadas. Se
calcula el diámetro máximo conociendo la caída de presión por unidad de longitud y
viceversa y, adicionalmente, propiedades de flujo como velocidad, factor de fricción,
viscosidad, etc.

1. Utilice la tecla clave <Ctrl><U> para abrir la ventana Available Utilities
2. Seleccione la opción “Pipe Sizing” y presione el botón “Add Utility”. Se desplegará
una ventana como la que muestra la Figura 14. El botón “Select Stream” permite
seleccionar la corriente a la que se le va a anexar la tabla de propiedades. En nuestro
caso se omite, porque solo se tiene una corriente que aparece seleccionada


_____________________________________________________________________

3. En el cuadro “Pressure Drop (kPa/m)” digite el valor 10. Observe que HYSYS ha
calculado el diámetro máximo catálogo 40, seleccionados en los cuadros
“Calculation Type” y “Schedule”

Figura 13. Conductividad Térmica versus Presión para la corriente “Gas”

Figura 14. Dimensionamiento de una tubería


_____________________________________________________________________

4. Haga clic en la pestaña “Performance” y observe el cálculo del Régimen de Flujo
(Estratificado) de la corriente “Gas” a las condiciones especificadas que incluye
propiedades de transporte (fases, viscosidad, densidad, flujo y densidad) y
parámetros adicionales del régimen de flujo (Número de Reynolds y factor de
fricción). Observe la Figura 15

Figura 15. Régimen de Flujo de la corriente “Gas”

7. CASOS DE ESTUDIO

Utilizando el simulador HYSYS

1. Determine las propiedades críticas del benceno
2. Construya el diagrama P-T y P-H del amoníaco
3. Construya gráficos de densidad de una mezcla equimolar de metano y etano a
presiones entre 2000 kPa y 9000 kPa a temperaturas de 30, 50 y 100 °C
4. Determine el régimen de flujo de una mezcla equimolar de acetona y agua a 40
°C, 110 kPa y un flujo de 100 kmol/h


_____________________________________________________________________

4. DIVISORES, MEZCLADORES Y FRACCIONADORES

1. OBJETIVOS

1.1. Determinar las variables de diseño de un divisor, un mezclador y un fraccionador
de corrientes
1.2. Simular el desempeño de un mezclador, un fraccionador y un divisor de corrientes
1.3. Comparar las especificaciones requeridas en la simulaciones de divisores,
mezcladores y fraccionadores con las variables de diseño estimadas en 1.1

2. INTRODUCCION

Divisor de corrientes

Un divisor de corrientes simula el fraccionamiento del flujo de una corriente que fluye a
través de una tubería en varias corrientes. Un diagrama para un divisor de corrientes en
dos corrientes se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Divisor de Corrientes

Siendo z, las composiciones en la corriente de alimento, y X’s las composiciones en las
corrientes de salida, el balance de materia para cada uno de los C componentes es

Fzi = F1 X 1i + F2 X 2
i
(4.1)

F, es el flujo de la corriente de entrada y F1 y F2, son los flujos de las corrientes de
salida, i, es el número relativo a cada uno de los C componentes.

El balance de energía es dado por

Fh + Q = F1 h1 + F 2 h 2 (4.2)


_____________________________________________________________________

Para una corriente de entrada y dos corrientes de salida, el sistema consta de las
siguientes variables y ecuaciones

Variables Cantidad

Corrientes de entrada y salida 3(C + 2)
Corriente de energía 1
Total Variables 3(C + 2) + 1 = 3C + 7

Ecuaciones o Restricciones Cantidad

Balances de materia C
Balance de energía 1
Igualdades entre las concentraciones de F y F1 C–1
Igualdad de temperaturas 1
Igualdad de presiones 1
Total Ecuaciones 2C + 2

Total de variables de diseño C+5

Al disminuir las C + 2 especificaciones de la corriente de entrada, resulta un faltante de
tres especificaciones. El divisor de HYSYS es considerado adiabático, es decir, Q = 0 y,
además, le asigna la presión de la corriente de entrada. Por lo tanto, requiere de la
especificación de la relación entre los flujos de una corriente de salida con respecto al
flujo de la corriente de entrada. Para “n” corrientes de salida, se requieren “n – 1”
relaciones de flujo

Mezclador de corrientes

Los mezcladores de corrientes representan la operación de suma de corrientes cuyos
fluidos pueden tener distintas composiciones, temperaturas y estados de agregación. Un
diagrama de un mezclador de corriente se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Mezclador de corrientes


_____________________________________________________________________

Siendo X, fracción molar, i, el primer número del subíndice relativo al componente y el
segundo número relativo a la corriente, el balance de materia para cada uno de los C
componentes es

F1 X 1i + F2 X 2 = FX i
i
(4.3)

El balance de energía en el proceso de mezclado simplificado es

F1 h1 + F 2 h 2 + Q = Fh (4.4)

Siendo h, las entalpías específicas correspondientes a cada una de las corrientes.

El análisis para los grados de libertad es el siguiente:

Variables Cantidad

Corrientes de entrada y salida 3(C + 2)
Corriente de energía 1
Total Variables 3(C + 2) + 1 = 3C + 7

Ecuaciones o Restricciónes Cantidad

Balance de energia 1
Total Ecuaciones C+1

Total de variables de diseño 2C + 6

Al disminuir las 2C + 4 especificaciones de las dos corrientes de entrada, resulta un
faltante de dos especificaciones. El mezclador de HYSYS es considerado adiabático, es
decir, Q = 0 y, por lo tanto, requiere de una especificación adicional para completar los
grados de libertad.

La variable que usualmente se fija en el diseño de un mezclador es la presión de la
corriente de salida. Se sugiere asignar, a la corriente de salida, la menor presión entre
las de las corrientes de entrada


_____________________________________________________________________

Fraccionador de corrientes

HYSYS dispone de un fraccionador de corrientes o “Splitter” cuya simulación
representa la separación de una corriente en dos corrientes que requieren de la
especificación de las fracciones de recuperación de cada componente en una de ellas,
ademas de otros cuatro parámetros. Un esquema de este fraccionador se muestra en la
Figura 3.

Figura 3. Fraccionador de corrientes o “Splitter”

Siendo F’s los flujos de las corrientes, “z”, “y” e “x” las fracciones molares de los
componentes en cada una de las corrientes y “Q” el calor requerido

Un balance de materia de componente “i” se expresa mediante la ecuación

Fzi = F1 yi + F2 xi (4.5)

Para C componentes, i = 1,…,C y, por lo tanto, se plantean C ecuaciones de balance de
materia de componentes

Un balance de energía se expresa mediante la ecuación

Fh F + Q = F1 h1 + F2 h2 (4.6)

El análisis de variables de diseño en un fraccionador de corrientes es el siguiente:


_____________________________________________________________________

Variables Cantidad

Corrientes de salida 3(C +2)
Flujo calórico 1
Total Variables 3C + 7

Ecuaciones Cantidad

Balances de energía 1
Total Ecuaciones C+1

Total de variables de diseño 2C + 6

Al disminuir las C + 2 variables de la corriente de entrada, las variables que usualmente
se fijan son “C” fracciones de recuperación de componentes en una corriente (por
ejemplo, F1) y cuatro parámetros adicionales como las presiones o las temperaturas o
las fracciones de vapor, Vf, de las corrientes de salida.

3. SIMULACION DE UN FRACCIONADOR DE CORRIENTES

1. Abra un nuevo caso, y defina el siguiente paquete fluido

a. Ecuación: Peng Robinson
b. Componentes: Etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano,
n-pentano y n-hexano
c. Sistema de unidades: Field

2. Instale una corriente con las siguientes especificaciones:

a. Nombre: Uno
b. Temperatura: 200 °F
c. Presión: 500 psia
d. Flujo molar: 1000 lbmol/h
e. Composición (Fracción Molar)
i. Etano 0.2
ii. Propano 0.6
iii. i-Butano 0.1
iv. n-Butano 0.1
v.
3. Instale otra corriente con las siguientes especificaciones:

a. Nombre: Dos
d. Flujo molar: 800 lbmol/h
e. Composición (Fracción Molar)


_____________________________________________________________________

i. n-Butano 0.8
ii. i-Pentano 0.1
iii. n-Pentano 0.05
iv. n-Hexano 0.05

4. Instale un mezclador de corrientes (Mixer) y en la página “Connections” de la
pestaña “Design” de su ventana de propiedades introduzca los siguiente:

a. Nombre: M-100
b. Entradas: Uno, Dos
c. Salida: Alimento

5. Haga clic en la página “Parameters” y observe que HYSYS, por defecto, sugiere
que asigne a la corriente de salida la menor presión entre las de las corrientes de
entrada

6. Instale un “Splitter” con el nombre de “X-100” y conéctelo como muestra la
Figura 4

Figura 4. Conexiones de un “Splitter”

7. Haga clic en la página “Parameters” y especifique las fracciones de vapor y las
presiones en las corrientes de producto como se observan en la Figura 5.

8. Haga clic en la página “Splits” para especificar las fracciones de recuperación
cada uno de los componentes en la corriente “Pro 1”. Observe en la Figura 6 que
HYSYS calcula las fracciones correspondientes a la corriente “Pro 2”


_____________________________________________________________________

Figura 5. Especificaciones de presiones y fracciones de vapor en el “Splitter”

Figura 6. Fracciones de recuperación de cada uno de los componentes

9. Haga clic en la pestaña “Worksheet” y observe las condiciones y las
composiciones de las corrientes productos del fraccionador. Observe las Figuras
7y8

10. Instale un divisor de corrientes (Tee) y en la página “Connections” de la pestaña
“Design” de su ventana de propiedades introduzca los siguiente:

a. Nombre: D-100
b. Entrada: Pro 2
c. Salida: Tres, Cuatro


_____________________________________________________________________

Figura 7. Condiciones de las corrientes del “Splitter”

Figura 8. Concentraciones de las corrientes del “Splitter”

11. Haga clic en la página “Parameters” y especifique con un valor de 0.5, la
fracción de la corriente de entrada que saldrá como la corriente “Tres”.
12. Observe las especificaciones de las corrientes en el divisor


_____________________________________________________________________

5. CICLO DE REFRIGERACIÓN

1. OBJETIVOS

1.1. Determinar los grados de libertad en los elementos de un ciclo de refrigeración
1.2. Simular un ciclo de refrigeración
1.3. Determinar los requerimientos energéticos en un ciclo de refrigeración

2. INTRODUCCION

Los elementos de un ciclo de refrigeración simple son un condensador, una válvula de
Joule-Thompson, un evaporador y un compresor, además del medio refrigerante. En el
ciclo de refrigeración mostrado en la Figura 1, la corriente “1” contiene propano líquido
saturado a una temperatura de 122 °F y se expande isoentalpicamente en la válvula. La
mezcla líquido-vapor en la corriente “2” es vaporizada completamente a una temperatura de
0 °F y, a su vez, dicho vapor es comprimido y condensado para regenerar la corriente “1”
en estado de líquido saturado

Figura 1. Ciclo de refrigeración

Válvula de Joule-Thompson

En este tipo de válvula, los grados de libertad son de un total de C + 4. Si se fija la
temperatura, la fracción de vapor y la composición de la corriente “1” HYSYS hace un
cálculo de evaporación espontánea T-Vf y especifica completamente dicha corriente. En
una válvula de Joule-Thompson como la que muestra la Figura 1 la expansión es
isoentálpica, los flujos y las composiciones de las corrientes “1” y “2” también son iguales
y, por lo tanto, hay un grado de libertad. Si se fija la caída de presión permisible en la


_____________________________________________________________________

válvula, HYSYS calcula la presión de la corriente “2” y completa su especificación
mediante un cálculo de evaporación espontánea P-H

Evaporador

En el calentador que muestra la Figura 1, el propósito es vaporizar completamente la
corriente “2”. Las corrientes “2” y “3” son de flujos y composiciones iguales, pero el calor
suministrado a través del intercambiador de calor hace que sus temperaturas y presiones
sean diferentes. Un balance de energía en el evaporador es el siguiente.

F2 h2 + Q = F3 h3 (5.1)

Siendo F’s y h’s , los flujos de las corrientes y las entalpías de las corrientes y Q el flujo
calórico cedido a la corriente “2”

El análisis entre variables, ecuaciones y especificaciones nos muestra que en un
vaporizador hay C + 4 grados de libertad. Especificada la corriente de entrada, si se fija la
caída de presión en el intercambiador, su especificación completa es posible alcanzarla de
dos maneras a saber:

1. Fijando el valor de “Q”, la ecuación (1) permite el cálculo de la entalpía de la
corriente “3” y HYSYS realiza un cálculo de evaporación espontánea P-H para
su especificación completa
2. Fijando el valor de la temperatura de la corriente “3”, HYSYS realiza un cálculo
de evaporación espontánea T-P y, por lo tanto, de su entalpía. Con la ecuación
(1) se calcula, entonces, el flujo calórico requerido en el evaporador

Compresor

El compresor que muestra la Figura 1 opera isoentrópicamente. Las corrientes “3” y “4”
son de flujos y composiciones iguales pero se requiere un trabajo de compresión que se
calcula con la siguiente ecuación

⎡ k −1
⎤
⎛P ⎞
P3V3 ⎢⎜ 4 − 1⎥
k k
− Ws = ⎟
k −1 ⎢⎜ P3 ⎟ ⎥ (5.2)
⎢⎝
⎣
⎠ ⎥
⎦

Siendo k = Cp/Cv,, P’s las presiones de las corrientes de entrada y salida y V3, el volumen
específico de la corriente de entrada


_____________________________________________________________________

Pero el trabajo real se calcula fijando una eficiencia isoentrópica para el compresor o
mediante el cambio de entalpía entre las corrientes de salida y entrada en el compresor, es
decir

− Ws
− Ws ,real = = H 4,real − H 3
η isoentrópica (5.3)

En este tipo de compresor el número de grados de libertad es C + 4. Si se especifica
completamente la corriente de entrada, el número de variables de diseño requeridas es dos

Si se fija la presión de la corriente de salida (o el ∆P en el compresor) y la eficiencia del
compresor, se calcula su trabajo isoentrópico con la ecuación (5.2) y su trabajo real con la
primera igualdad de la ecuación. La entalpía de la corriente “4” se calcula con la segunda
igualdad de la ecuación (5.3). HYSYS realiza un cálculo de evaporación espontánea P-H
para la especificación completa de la corriente “4”.

Condensador

El análisis de los grados de libertad el condensador del ciclo de refrigeración de la Figura 1
es el mismo del evaporador, es decir, C + 4. En este caso, se especifica la caída de presión y
el ciclo converge satisfactoriamente. ¿Por qué converge con solo una especificación si se
requieren dos adicionales a las C + 2 de la corriente de entrada?

3. SIMULACION DEL CICLO DE REFRIGERACION

1. Abra un nuevo caso y añada el siguiente paquete fluido
b. Componente: Propano
c. Unidades Field

2. Haga clic sobre el botón “Enter Simulation Environment” cuando esté listo para
empezar a construir la simulación

3. Presione la tecla clave F11 instalar una corriente y desplegar su vista de propiedades

4. Introduzca las siguientes especificaciones
a. Nombre 1
b. Fracción de vapor 0.0
c. Temperatura 120 °F
d. Flujo molar 100 lbmol/h
e. Composición (Fracción molar) 1.0


_____________________________________________________________________

5. Instale una válvula de Joule-Thompson seleccionando de la paleta de objetos el
icono de nombre “Valve” y conéctela como se observa en la Figura 2.

Figura 2. Conexiones de la válvula en el ciclo de refrigeración

6. Instale un evaporador seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre
“Heater” y conéctelo como se observa en la Figura 3. ¿Cuántas variables se
necesitan introducir para que el conjunto Válvula-Evaporador quede completamente
especificado?

Figura 3. Conexiones del evaporador en el ciclo de refrigeración

7. Haga clic sobre la página “Parameters” e introduzca una caída de presión de 1 psi
en el cuadro “Delta P”.


_____________________________________________________________________

8. Haga clic en la pestaña “Worksheet” y en la columna de la corriente “3” introduzca
una fracción de vapor de 1.0 y una temperatura de 0 °F ¿Cuánto es el calor
requerido en el evaporador?

9. Instale un compresor seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre
“Compressor” y conéctelo como se observa en la Figura 4. ¿Cuántas variables se
requieren para especificar completamente el compresor?. Si usted introduce una
presión de 200 psia a la corriente “4” ¿Por qué converge la simulación del
compresor?

Figura 4. Conexiones del compresor en el ciclo de refrigeración

10. Borre la presión de 200 psia introducida en la corriente “4” e instale un condensador
seleccionando de la paleta de objetos el icono de nombre “Cooler” y conéctelo
como se observa en la Figura 5. ¿Cuántas variables se requieren especificar para que
converja el conjunto Compresor-Condensador?

11. Haga clic sobre la página “Parameters” e introduzca una caída de presión de 6.5 psi
en el cuadro “Delta P” ¿Por qué converge el conjunto Compresor-Condensador con
solo especificar la caída de presión en el condensador?

12. Haga clic en la pestaña “Performance” para que observe el comportamiento entre
algunas variables a través del intercambiador. En la página perfiles o “Profiles” se
observan los estados de temperatura, presión, fracción de vapor y entalpía molar de
la corriente enfriada. En la página Gráficos o “Plots” se observa, por defecto, la
variación de la entalpía con la temperatura y se dispone de otras opciones de análisis
entre variables. En la página Tablas o “Tables” se observa información similar

13. Despliegue la ventana de propiedades de la Válvula y verifique si su operación es
isoentálpica


_____________________________________________________________________

14. Despliegue la ventana de propiedades del Compresor y verifique si su operación es
isoentrópica. Si no es isoentrópica, entonces, ¿Qué tipo de operación se realizó en el
compresor?

Figura 5. Conexiones del condensador en el ciclo de refrigeración

4. CASO DE ESTUDIO

El distribuidor local propone a su planta la venta de una mezcla propano/etano de 95/5 (%
molar). ¿Qué efecto, si lo hay, provoca esta nueva composición en el ciclo de refrigeración?

Utilice el caso base para comparación y llene la siguiente tabla:

Propiedad Caso Base: 100 % C3 Caso Nuevo: 5% C2, 95% C3

Flujo, kgmol/h _________________ ________________________

Condensador, kJ/h _________________ ________________________

Evaporador, kJ/h _________________ ________________________

Compresor, hp _________________ ________________________


_____________________________________________________________________

6. SEPARACION DE FASES INSTANTANEO

1. OBJETIVOS

1.1. Determinar el número de grados de libertad en un separador de fases instantáneo
1.2. Simular un separador de fases isotérmico adiabático y no adiabático
1.3. Verificar las ecuaciones del modelo matemático estacionario de un separador de
fases isotérmico

2. INTRODUCCION

Un separador de fases instantáneo simula la evaporación súbita de una (o varias corrientes).
El caso típico es el flujo a través de una restricción cuya caída de presión en forma
adiabática provoca una vaporización parcial, debido a lo cual en un tanque posterior puede
lograrse la separación en las fases líquido y vapor, respectivamente. Observe la Figura 1
con la válvula como restricción y el tanque V-100.

En el modelamiento de un separador de fases se asume que:

1. El líquido y el vapor tienen el tiempo de contacto suficiente para lograr el
equilibrio
2. La presión de líquido y vapor son las del tanque separador, es decir, que no hay
caída de presión
3. Existe solo una fase líquida y vapor y
4. No existen reacciones químicas

Figura 1. Separador de fases instantáneo

Las ecuaciones de un modelo, en estado estacionario, para un separador instantáneo son

Balances de materia para cada uno de los C componentes (C ecuaciones)


_____________________________________________________________________

Fzi = Vyi + Lxi (6.1)
Balance de energía

Fh F + Q = Vh V + Lh L (6.2)

Relaciones de equilibrio (N ecuaciones)

yi = K i xi (6.3)

Restricciones

PV = PL = P (6.4)

TV = TL = T (6.5)

El análisis de grados de libertad es el siguiente:

Variables Cantidad

Corriente Vapor C+2
Corriente Líquido C+2
Corriente Calor 1
Total Variables 2C + 5

Ecuaciones y Restricciones Cantidad

Relaciones de equilibrio C
Balance de energía 1
Restricciones 2
Total Ecuaciones y Restricciones 2C + 3

Total grados de libertad 2

Una especificación común es la que corresponde a una separación isotérmica. En este caso,
se especifican la presión y la temperatura del separador.

Separación instantánea isotérmica

El cálculo de las corrientes de vapor y líquido para este tipo de separación suelen realizarse
utilizando la ecuación (6) propuesta por Rachford y Rice (1952) que permite calcular la
fracción de alimento vaporizado, V/F, suponiendo que las constantes de equilibrio son
independientes de las concentraciones y solo dependen de la temperatura y la presión.


_____________________________________________________________________

N
( K i − 1) z i
∑ 1 + (V / F )(K − 1) = 0
i =1
(6.6)
i

Separación instantánea adiabática

Una especificación muy común es la que corresponde a una separación instantánea
adiabática (Q = 0). En este caso, fijado Q, solo queda por asignar una variable, por ejemplo,
la presión de operación del sistema. De esta manera, quedan por calcularse la temperatura y
demás propiedades de las corrientes de salida.

Dado que se desconoce la temperatura, el balance de energía queda acoplado y debe
resolverse simultáneamente con la ecuación (6.6). Para ello, la ecuación (6.2) se expresa
como una función de temperatura y fracción vaporizada de la siguiente manera:

hV h
g (T , V / F ) = 1 − (V / F ) − (1 − (V / F )) L (6.7)
hF hF

Para la solución simultánea de las ecuaciones (6.6) y (6.7) se puede proceder de la siguiente
manera

1. Se supone una temperatura
2. Se calcula la fracción de vaporización con la ecuación (6.6) y
3. Se verifican dichos resultados con la ecuación (6.7) definiendo un error para la
función g(T, V/F)

3. SIMULACION DE UN SEPARADOR DE FASES INSTANTANEO

1. Abra un nuevo caso y añada el siguiente paquete fluido
b. Componentes: Etano, Propano, n-Butano, n-Pentano, n-Hexano
c. Unidades: Field

2. Haga clic sobre el botón “Enter Simulation Environment” para desplegar la
ventana PFD de HYSYS

3. Presione con el botón derecho del Mouse el icono de la corriente de materia y en
forma sostenida arrastre el Mouse hasta la ventana del PFD

4. Introduzca las siguientes especificaciones


_____________________________________________________________________

a. Nombre: F
d. Composición (Fracción molar)
i. Etano 0.05
ii. Propano 0.15
iii. n-Butano 0.25
iv. n-Pentano 0.2
v. n-Hexano 0.35

5. Instale una válvula de Joule-Thompson, asígnele como nombre “VLV-100” y
conéctela con corriente de entrada “F” y corriente de salida “F1”

6. Haga clic en la página “Parameters” de su ventana de propiedades e introduzca
una caída de presión de 1 psi en el cuadro “Delta P”

7. Instale un separador de fases seleccionando de la paleta de objetos el icono de
nombre “Separator”, asígnele como nombre “V-100” y conéctelo como indica la
Figura 2.

Figura 2. Corrientes de materia y energía conectadas al separador

8. Haga clic en la página “Parameters” e introduzca una carga calórica de cero en
el cuadro de nombre “Duty” y seleccione el radio botón “Heating”, como se
observa en la Figura 3

9. Haga clic en la pestaña “Rating” para observar la ventana que permite definir
algunos aspectos geométricos corto del tanque separador. Observe que en el
grupo “Geometry” se elige la forma del tanque (Cilíndrica o Esférica), la


_____________________________________________________________________

orientación (Vertical u Horizontal) y un dimensionamiento de volumen, altura y
diámetro

10. Haga clic sobre el botón “Quick Size” y observará que HYSYS propone unas
medidas para el diámetro y la altura y calcula el correspondiente volumen. El
usuario puede modificar estas dimensiones especificando dos de ellas con las
cuales HYSYS calcula la tercera. Observe la relación altura/ diámetro definida
para el dimensionamiento en la Figura 4

Figura 3. Carga calórica asignada al separador

Figura 4. Dimensionamiento del tanque separador


_____________________________________________________________________

11. Haga clic en la pestaña “Worksheet” y observe los flujos y las entalpías de las
corrientes de producto del separador. Verifique el cumplimiento de la ecuación
(6.7)

12. Cambie la carga calórica al separador por un valor de 5e+5. ¿Qué cambios con
respecto a la operación adiabática se observan en los resultados de la
simulación?. Verifique dichos resultados con las ecuaciones

4. CASOS DE ESTUDIO

1. Borre la temperatura especificada para la corriente “F” e introduzca un valor de
65000 Btu/lbmole en el cuadro “Molar Enthalpy”. ¿Explique lo realizado y los
cambios observados en los resultados de la simulación?
2. Borre la presión especificada para la corriente “F” e introduzca un valor de 150 °F
para la temperatura manteniendo la entalpía molar introducida anteriormente.
¿Explique lo realizado y los cambios observados en la simulación?
3. Simule la separación para una presión de 50 psia y una fracción de vaporización de
0.4. Analice los resultados
4. Simule la separación para una tempertura de 150 °F y una fracción de vaporización
de 0.6. Analice los resultados


_____________________________________________________________________

7. SEPARADOR DE TRES FASES

1. OBJETIVOS

1.1. Separar en forma instantánea una corriente con un contenido de hidrocarburos y
agua
1.2. Determinar los puntos de rocío y burbuja para una mezcla de hidrocarburos - agua

2. INTRODUCCION

Una corriente que contiene hidrocarburos y agua puede presentarse en varias fases,
dependiendo de sus condiciones de estado. Los cálculos para determinar sus puntos de
rocío y burbuja se describen en libros como “Design of Equilibrium Stage Processes” de
Smith Buford D., McGraw-Hill (1963) y son de un relativo interés académico. HYSYS
dispone de una unidad para separar, en forma instantánea, una carga que se alimente con
tres fases, vapor, líquida y acuosa

3. SEPARACION DE UNA MEZCLA DE HIDROCARBUROS - AGUA

1. Abra un nuevo caso y defina el siguiente paquete fluido
2. Ecuación: Peng Robinson
3. Componentes: C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5, H2O
4. Unidades: SI
5. Entre al ambiente de simulación e instale una corriente con el nombre de
“Alimento” y las siguientes especificaciones
a. Temperatura: 20 °C
b. Presión: 200 kPa
c. Flujo: 100 kgmol/h
d. Composición (Fracción Molar)
i. Metano 0.10
ii. Etano 0.03
iii. Propano 0.04
iv. i-Butano 0.08
v. n-Butano 0.10
vi. i-Pentano 0.12
vii. n-Pentano 0.13
viii. Agua 0.40
6. Maximice la ventana de propiedades de la corriente “Alimento” y observe las
condiciones de las tres fases que la componen en la Figura 1
7. Haga clic en la página “Composition” y observe las composiciones
correspondientes a dicha corriente en la Figura 2.
8. Presione el icono de nombre “3-Phase Separator” que se encuentra en la paleta de
objetos y en forma sostenida desplace con el clic derecho del Mouse arrástrelo hasta
la ventana del PFD de HYSYS.
9. Seleccione el separador de 3 fases haciendo doble clic sobre el icono
correspondiente en la paleta de objetos.


_____________________________________________________________________

Figura 1. Especificaciones de la corriente “Alimento”

Figura 2. Composición de las tres fases de la corriente “Alimento”

10. En la página “Connections” de la pestaña “Design” introduzca los nombres de las
corrientes de entrada y salida como se observan en la Figura 3.
11. Haga clic en la página “Parameters” y observe que, por defecto, la caída de presión
es cero. Introduzca una caída de presión de 10 kPa y observe la diferencia en los
resultados.
12. Haga clic en la pestaña “Rating” y presione el botón “Quick Size” para
dimensionar, por defecto, el tanque cilíndrico horizontal correspondiente al
separador de tres fases


_____________________________________________________________________

13. Observe la verificación de la opción para seleccionar el anexo de una bota. Al
presionar el botón “Quick Size”, inmediatamente HYSYS también sugiere unas
dimensiones para la bota como se observan en la Figura 4.

Figura 3. Corrientes de entrada y salida al Separador de tres fases

Figura 4. Dimensionamiento del tanque Separador de Tres Fases

14. Haga clic sobre la pestaña “Worksheet” y observe las condiciones de las corrientes
de salida del Separador de Tres fases, Figura 5. Compárelas con las
especificaciones de las tres fases de la corriente “Alimento”.


_____________________________________________________________________

15. Haga clic sobre la página “Composition” y observe las concentraciones de las
corrientes de salida del Separador de Tres Fases, Figura 6. Compárelas con las
especificaciones de las tres fases de la corriente “Alimento”

Figura 5. Condiciones de las corrientes de salida del Separador de Tres Fases

Figura 6. Composición de las corrientes de salida del Separador de Tres Fases

3. CASOS DE ESTUDIO

3.1. Determine el punto de rocío de la corriente “Alimento” a 200 kPa? ¿Cuántas fases
se observan? Explique por qué la fase vapor contiene agua
3.2. Determine el punto de burbuja de la corriente “Alimento” a 200 kPa?. ¿Cuántas
fases se observan?. Explique por qué la fase líquida no contiene agua


_____________________________________________________________________

8. PROCESOS CON RECICLO

1. OBJETIVOS

1.1. Especificar una corriente a partir de las especificaciones de otra corriente
1.2. Utilizar el botón Reciclo para estimar las propiedades de una corriente de
recirculación dentro de un proceso químico

2. INTRODUCCION

Los simuladores de proceso pueden clasificarse en modulares y orientados a
ecuaciones. En el segundo modo de simulación, las ecuaciones de las unidades,
corrientes y modelos termodinámicos se ensamblan y se resuelven simultáneamente. En
el modo modular, los modelos termodinámicos y las ecuaciones de las unidades se
almacenan como subprogramas o procedimientos que son llamados o requeridos en el
orden de la conectividad de las corrientes para converger secuencialmente de acuerdo a
la topología del diagrama de flujo. Este cálculo secuencial requiere de un procedimiento
iterativo cuando existe una corriente de reciclo, dentro del proceso, que se asume como
una material corriente abajo que debe ser de las mismas especificaciones que un
material corriente arriba, conformándose lo que se denomina un lazo de reciclo o de
recirculación.

En HYSYS, un simulador modular secuencial, este procedimiento iterativo se realiza
mediante la introducción de un bloque lógico denominado “Reciclo”, que se alimenta
de la corriente abajo o “Corriente de Recirculación Calculada” y descarga la corriente
arriba o “Corriente de Recirculación Asumida”.

Los siguientes pasos se llevan a cabo durante el proceso de convergencia de un lazo de
recirculación:

1. HYSYS utiliza las condiciones de la corriente asumida y resuelve el diagrama de
flujo hacia delante hasta la corriente calculada
2. HYSYS, entonces, compara los valores de la corriente calculada con los de la
corriente asumida
3. Basado en la diferencia entre los valores, HYSYS modifica los valores en la
corriente calculada y traslada los valores modificados a la corriente asumida
4. El proceso de cálculo se repite hasta que los valores en la corriente calculada se
diferencien de los de la corriente asumida dentro de las tolerancias especificadas

Para instalar la operación Reciclo en un proceso químico, seleccione el botón
“Recycle” en la paleta de objetos, o haga clic sobre la opción Add Operation del menú
Flowsheet y seleccione la opción Recycle


_____________________________________________________________________

3. PROCESO ESTUDIADO

En el siguiente ejemplo, una corriente bifásica, F1, es mezclada con una corriente de
recirculación, RC, y alimentada al separador V-100. El vapor del V-100 es alimentado
al expansor E-100 y vaporizado nuevamente en el separador V-101. La mitad del
líquido que sale de este separador es alimentado a la bomba P-100 y recirculada y
mezclada con el alimento fresco.

4. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO

1. Abra un nuevo caso, seleccione el siguiente paquete fluido

A. Ecuación: Peng Robinson
B. Componentes: Nitrógeno, bióxido de carbono, metano, etano,
propano, i-butano, n-butano, i-pentano, n-pentano, n-hexano, n-heptano y n-
octano
C. Unidades: Field

2. Instale una corriente de materia con nombre “F” y las siguientes
especificaciones

Pestaña Worksheet Página Conditions

Temperature 60°F
Pressure 600 psi
Molar Flow 1 MMSCFH

Pestaña Worksheet Página Compositions

Nitrogen Mole Frac 0.0069 n-Butane Mole Frac 0.0552
CO2 Mole Frac 0.0138 i-Pentane Mole Frac 0.0483
Methane Mole Frac 0.4827 n-Pentane Mole Frac 0.0414
Ethane Mole Frac 0.1379 n-Hexane Mole Frac 0.0345
Propane Mole Frac 0.0690 n-Heptane Mole Frac 0.0276
i-Butane Mole Frac 0.0621 n-Octane Mole Frac 0.0206

3. Instale un separador de fases con el nombre de “V-100” y las siguientes
especificaciones

Pestaña Design Página Connections

Inlets F1
Vapour Outlet V
Liquid Outlet L


_____________________________________________________________________

Pestaña Design Página Parameters

Pressure Drop 0 psi

4. Instale un expansor con el nombre de “E-100” y las siguientes especificaciones


Inlet V
Outlet V1
Energy Qe

Pestaña Worksheet Página Conditions

Corriente V1 300 psi

5. Instale un separador con el nombre de “V-101” y las siguientes especificaciones


Inlets V1
Vapour Outlet V2
Liquid Outlet L2


Pressure Drop 1.45 psi

6. Instale una Tee con el nombre de “TE-100” y las siguientes especificaciones


Inlet L2
Outlets P, L3


Flow Ratio 0.5

7. Instale una bomba con el nombre de “P-100” y las siguientes especificaciones


Inlet P
Outlet Rc
Energy Qp


_____________________________________________________________________


Efficiency 75%

Pestaña Worksheet Páagina Conditions

Corriente Rc 600 psi

8. Instale una corriente de nombre “Ra” asumiendo las mismas especificaciones de
la corriente calculada o “Rc”. Para ello despliegue la ventana de propiedades de
la corriente “Ra” y presione el botón que se encuentra en la parte inferior con el
título de “Define from other Stream” y seleccione la corriente “Rc” en el cuadro
titulado “Available Streams” que se encuentra en la ventana titulada “Spec
Stream As”. Presione el botón OK. Conecte la corriente como una entrada al
separador V-100. En la Figura 1 se pueden ver las condiciones para la corriente
calculada “Rc” y cuyos valores se toman para asumirlas como las
especificaciones de la corriente “Ra”, antes de introducir el botón de Reciclo.

Figura 1. Especificaciones asumidas para la corriente Ra

9. Instale un botón de reciclo seleccionando el icono de nombre “Recycle” que se
encuentra en la paleta de objetos

10. Despliegue su ventana de propiedades y en la pestaña “Connections” introduzca
en el cuadro “Inlet” la corriente calculada o “Rc” y en el cuadro “Outlet” la
corriente asumida o “Ra”. El botón reciclo se encargará de hacer los cálculos
iterativos hasta igualar las especificaciones entre las dos corrientes y alcanzar la


_____________________________________________________________________

convergencia de todo el proceso. La Figura 2 muestra el diagrama de flujo final
del proceso

Figura 2. Diagrama de flujo final del proceso

11. Despliegue la ventana de propiedades del botón de Reciclo y haga clic sobre la
pestaña “Worksheet” y observe en la Figuras 2 y 3 que las condiciones y
composiciones finales de la corriente calculada “Rc” y la corriente asumida
“Ra” son iguales. Compare estos datos con los observados en la Figura 1

Figura 2. Condiciones finales de las corrientes asumida y calculada


_____________________________________________________________________

Figura 3. Composiciones finales de las corrientes asumida y calculada


_____________________________________________________________________

9. COMPRESION DE UN GAS EN TRES ETAPAS

1. OBJETIVOS

1.1. Especificar una corriente a partir de las especificaciones de otra corriente
1.2. Utilizar el botón Reciclo para calcular una corriente de recirculación dentro de un
proceso químico
1.3. Simular, en estado estacionario, un proceso de compresión de un gas en varias
etapas

2. PROCESO ESTUDIADO

La corriente gaseosa de entrada y de nombre “Alimento” se encuentra a 50°F y 80 psia
y se comprime hasta 1000 psia en tres etapas. En cada una de las etapas de compresión
el líquido que resulta después de un enfriamiento y separación de fases es recirculado a
la entrada de la etapa de compresión que le antecede. Las condiciones de temperatura y
presión son 120°F y 200 psia después de la primera etapa de compresión, 120°F y 500
psia después de la segunda etapa y 120°F y 1000 psia después de la tercera etapa. La
Figura 1 muestra el diagrama de flujo del proceso de compresión multietapa

3. PAQUETE FLUIDO

COMPONENTES: Nitrógeno, Dióxido de carbono, Metano, Etano, Propano, i-
Butano, n-Butano, i-Pentano, n-Pentano, n-Hexano, n-Heptano y n-Octano.
ECUACION: Peng-Robinson
REACCIONES: No hay
SISTEMA DE UNIDADES: Field

4. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO

Corriente de alimentación: Instale la corriente “Alimento” con las siguientes
especificaciones en la página “Conditions” de la pestaña “Worksheet”

Temperatura 50 °F
Presión 80 psia
Flujo molar 250 lbmole/h

En la página “Composition” de la pestaña “Worksheet” especifique las siguientes
concentraciones para el alimento en fracciones molares:

Nitrogen Mole Frac 0.0069 n-Butane Mole Frac 0.0552
CO2 Mole Frac 0.0138 i-Pentane Mole Frac 0.0483
Methane Mole Frac 0.4827 n-Pentane Mole Frac 0.0414
Ethane Mole Frac 0.1379 n-Hexane Mole Frac 0.0345
Propane Mole Frac 0.0690 n-Heptane Mole Frac 0.0276
i-Butane Mole Frac 0.0621 n-Octane Mole Frac 0.0206


Curso básico de simulación de procesos con aspen hysys 2006.5

Curso básico de simulación de procesos con aspen hysys 2006.5

Recomendados

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados

Mais procurados (20)

Semelhante a Curso básico de simulación de procesos con aspen hysys 2006.5

Semelhante a Curso básico de simulación de procesos con aspen hysys 2006.5 (20)

Último

Último (10)

Curso básico de simulación de procesos con aspen hysys 2006.5