• 1. SIMULACIÓN DE PROCESOS Casos de estudioHYSYS
  • 2. Arquitectura Básica de HysysArquitectura Básica de Hysysa) Conceptos básicos en HYSYS1. Arquitectura Multi-Flowsheet.Método flexible e intuitivo que permite: - Descomponer un proceso complejo en procesos menores con componentes más concisos. - Simular cada unidad del proceso en forma independiente del proceso completo, pero ligado a él, construyendo un sub-flowsheet con sus corrientes y operaciones unitarias accesorias. - Usar paquetes termodinámicos independientes para cada flowsheet.2. El concepto de Medio Ambiente (Environment).Hysys Environments permite acceder e ingresar información en una cierta y determinada área o “medio ambiente” del programa, mientras que las otras áreas están en modo hola (“esperando”) hasta que se finalice la tarea en el área de interés. Hay 5 Environments:- Basis (se crean, definen y modifican los Paquetes de Fluidos a ser utilizados –incluyen, como mínimo, el paquete de propiedades y los componentes-) - Oil Characterization (se caracterizan cortes de petróleo) - Main Flowsheet (se define mayoritariamente la topología del flowsheet principal) - Sub-Flowsheet (se define la topología del sub-flowsheet) - Column (se define la topología de una particular Columna Sub-Flowsheet)b) Herramientas - Cálculos interactivos y acceso instantáneo de la información. - Inteligencia incorporada al programa que le permite conocer cuando la información disponible es suficiente para efectuar un cálculo y corregir los cálculos flash en forma automática. - Operación modular: Todas las operaciones unitarias y/o corrientes pueden realizar todos los cálculos siempre que se especifique la información mínima necesaria en cada caso o la misma se transmita a través de las corrientes ligadas. La información, completa o parcial, se transmite en forma bi-direccional.c) Elementos de Interfase Primarios Formas alternativas para acceder e ingresar información del proceso a HYSYS. - El Diagrama de Flujo de Proceso (The Process Flow Diagram -PFD-) - Workbook. - Property View.
  • 3. Problema 1. Simulación estacionaria de una planta de tratamiento de gasEn este ejemplo se simula una planta de tratamiento de gas por refrigeración. Las condiciones de la alimentación a la planta son las siguientes: ComposiciónFeed 1Feed 20.01 (fracción molar) 0.02 (fracción masa)N2 0.010.00 CO20.60.40C10.20.20C20.10.20C3 0.040.10 i-C4 0.040.08n-C4CondicionesFeed 1Feed 260 ºF 60 ºFTemperatura41.37 bar 600 psia Presión6 MMSCFD4 MMSCFD Flujo molarLa alimentación ingresa a un separador de entrada (InletSep), en él se separan los líquidos que ingresan a la planta y son alimentados a la columna depropanizadora. El gas del separador es enfriado a través de un intercambiador Gas/Gas y de un enfriador de propano (Chiller). La caída de presión en el intercambiador de calor es de 10 psi, tanto del lado de la coraza como de los tubos. El intercambiador Gas/Gas posee un paso de los tubos por la coraza y funciona en contracorriente. La diferencia de temperaturas entre la corriente caliente SepVap y la corriente fría OutletGas, no debe ser inferior a 10 ºF. La temperatura del enfriador deberá ser ajustada hasta que la temperatura del punto de rocío del gas tratado cumpla con la especificación del gasoducto. La caída de presión en el enfriador es de 10 psi. Los líquidos condensados en el enfriador se separan en el separador de baja temperatura (LTS), mientras el gas es retornado al intercambiador Gas/Gas para pre-enfriar la alimentación. Los líquidos provenientes del separador de baja temperatura LTSep se mezclan con los provenientes del separador de entrada y se alimentan a la columna depropanizadora en la etapa 5. La función de la columna es separar los componentes más livianos. La columna tiene 10 etapas ideales y las presiones de tope y fondo son 200 y 205 psia respectivamente. El objetivo de este proceso es obtener un gas tratado con una temperatura máxima de punto de rocío de 15 ºF a 800 psia, y un producto (corriente LiquidProd) con una concentración máxima de 2% (fracción molar) de propano. En la Figura se muestra el flowsheet propuesto para la planta de tratamiento. (1 MMSCFD=1000000 Standard Cubic Feet per Day = 28316.8 m3/Dia)
  • 4. TAREAS PROPUESTAS 1. Verificación de la temperatura de punto de rocío. La verificación de la temperatura de punto de rocío de hidrocarburo se realiza utilizando la operación BALANCE (BAL-1) que transfiere los flujos molares de los componentes de la corriente de gas tratado a una corriente DewPt. Se efectúa un cálculo de punto de rocío sobre la corriente DewPt especificando su fracción de vapor en 1.0 y su presión en 800 psia. Si no se ha logrado la temperatura de punto de rocío buscada con la temperatura seleccionada para el Enfriador, la operación ADJUST (ADJ-1) permite ajustar la temperatura del Enfriador (corriente ColdGas) hasta que sea alcanzada la temperatura del punto de rocío de 15 F en la corriente DewPt. En este ejemplo, se sugiere proporcionar un valor inicial de 10 F para la temperatura del Enfriador, y luego usar la operación ADJUST para converger al valor correcto de temperatura de punto de rocío de hidrocarburo.Informe técnico Confeccionar un Informe Técnico que incluya: 1. Informar la temperatura que se debe especificar a la salida del enfriador para asegurar la temperatura de punto de rocío de hidrocarburo deseada.
  • 5. Problema 2. Simulación dinámica y control de una planta de tratamiento de gas En este ejemplo se simula una planta de tratamiento de gas por refrigeración. Se parte de las condiciones de estado estacionario descritas en el problema 1. Se desea analizar la conducta dinámica del sistema y diseñar un sistema de control automático. Se plantea el esquema de control descrito en la figura. Los datos de válvulas, controladores, servicios y utilidades son los siguientes: VálvulasNombre VLV-Sep∆P 10 psi Corriente de entradaLiqSepCorriente de salidaLiqExit
  • 6. Nombre VLV-LTSep∆P 5 psi Corriente de entradaLTSepLiqCorriente de salidaLTSepLiqExitNombre VLV-Tower∆P 363 psi Corriente de entrada TowerInletCorriente de salidaTowerInCalentadorNombre Heater∆P 9 psi Corriente de entradaTowerInCorriente de salida TowerFeed Corriente de energíaHeater QCorriente de proceso: TowerFeed Temperatura: 24.73 ºFVálvula del rehervidorNombreVLV-Reboiler∆P 25 psi Corriente de entradaLiquidExitCorriente de salidaLiquidProduct Dimensiones de los platos en la columna de destilaciónTipo: Válvula Corriente: Ovhd P = 202.6 psiaControladores Controlador de nivel (separador InletSep)Acción Direct Kc 2 PV Minimun0% PV Maximun 100 %Set Point 50 %
  • 7. Controlador de nivel (separador LTSep)Acción Direct Kc 2 PV Minimun0% PV Maximun 100 %Set Point 50 % Controlador de nivel (condensador de la columna de destilación)AcciónDirect Kc1 Ti5 minPV Minimun0%PV Maximun100 %Set Point50 % Process Variable Source Condenser, liquid percent levelOutput Target ObjectReflux Válvula de control del condensadorTipo de flujoFlujo molarMin. Flujo 0 lb/hMax. Flujo 500 lb/h Controlador de nivel (Reboiler) AcciónDirectKc 0.1Ti3 min PV Minimun0% PV Maximun100 % Set Point50 %Process Variable SourceReboiler Liquid Percent Output Target ObjectReb DutyCarga del ReboilerTipo de flujoFlujo molarMin. Available0 Btu/hMax. Available6E6 Btu/hControlador de temperatura (Cold gas) AcciónDirectKc1Ti 10 PV Minimun-20 ºF PV Maximun 20 ºF Set Point9.123 ºFProcess Variable SourceColdGas Temperatura Output Target ObjectC3Duty
  • 8. Carga calorífica del Chiller Min. Available0 Btu/hMax. Available 2E6 Btu/h Controlador de temperatura (Etapa superior de la torre depropanizadora) Acción DirectKc 1Ti 5 PV Minimun50 ºF PV Maximun 130 ºF Set Point86 ºFProcess Variable Source Main TS, Top Stage Temperature Output Target Object C3DutyCarga calorífica del condensador Min. Available0 Btu/hMax. Available 3E6 Btu/h Controlador de temperatura (9º etapa de la columna de destilación) Acción DirectKc 2Ti 5 PV Minimun 110 ºF PV Maximun 260 ºF Set Point184 ºFProcess Variable SourceMain TS, StageTemperature, 9_Main TS Output Target Object VLV-Reboil Tareas propuestas 1. Monitorear la conducta dinámica de las variables de proceso: flujo molar de la corriente TowerFeed, % de nivel de líquido en el separador InletSep, % de nivel de líquido en el separador LTSep, temperatura de la corriente ColdGas.
  • 9. Anexo. Problema 2 Especificaciones dinámicas Streams Tab Pressure Flor Specs Unknown sizes
  • 10. Problema 3. Simulación estacionaria de una planta para la producción de propilenglicolEl óxido de propileno es combinado con agua para producir propilenglicol en un reactor de tanque con agitación continua (CSTR). La corriente de salida del reactor es luego alimentada a una columna de destilación, donde la mayoría del glicol es recuperado en la base de la torre. El diagrama de flujo para éste proceso es mostrado a continuación: El óxido de propileno y el agua son combinados en un mezclador. La corriente mezclada es alimentada a un reactor que opera a presión atmosférica, en el cual se produce el propilenglicol. La corriente de productos del reactor es luego alimentada a una torre de destilación donde se recupera esencialmente todo el propilenglicol.Corrientes de proceso: Componente PropOxideWaterFeed Propylene Oxide 1 (fracción molar)0 Propylene Glycol 00 Water0 1 (fracción molar)PropiedadesPropOxideWaterFeed Temperatura75 ºF75 ºFPresión1.1 atm16.17 psiaFlujo molar 150 lbmol/h Flujo másico11000 lb/h Datos del reactor:H 2O + C3H 6O → C3H8O 2 Cinética : rC3H8O 2 = k[C 3 H 6 O] k = A·e − E / RT T β = (1.7 E13)·e −32400 / RT ≡ lbmol / ft 3 hRxn Phase: CombinedLiquid Volumen del reactor: 280 ft3, Nivel del líquido: 85%. Reactor isotérmico Los productos del reactor son enviados a una columna de destilación con 10 etapas. La alimentación ingresa por el quinto plato. La presión en el condensador es 15 psia, y en el rehervidor es de 17 psia. La razón de reflujo en el condensador es 1 (base molar). El flujo de salida de vapor del condensador es despreciable. La fracción molar de agua en el producto no debe ser superior a 0.005.
  • 11. Informe técnico 1. Especifique la temperatura de operación del reactor para alcanzar una conversión del 95 % deoxido de propileno. 2. Estudiar el efecto de la temperatura del reactor sobre la carga calorífica del refrigerante en elreactor y la producción de propilenglicol (Flujo molar).
  • 12. Problema 4. Simulación dinámica y control de una planta para la producción de propilenglicolEl óxido de propileno es combinado con agua para producir propilenglicol en un reactor de tanque con agitación continua (CSTR). La corriente de salida del reactor es luego alimentada a una columna de destilación, donde la mayoría del glicol es recuperado en la base de la torre. Para la simulación dinámica, se partirá del caso resuelto en estado estacionario. El flowsheet se muestra en la figura: Datos: Temperatura ambiente: 77 ºF Difusión de N2 hacia el reactor desde la corriente de ventilaciónSe plantea el siguiente sistema de control automático: Los parámetros para los controladores son los siguientesControlador de nivel:Acción Direct Kc2 Ti 10 minutes PV Minimun 0% PV Maximun 100 %Set Point85 %
  • 13. Controlador de flujo de óxido de propileno:Acción Reverse Kc 0.1 Ti5 minutes PV Minimun0 lb/h PV Maximun18000 lb/hSet Point8712 lb/h PV PropOxide (Mas Flow) OTVLV-PropOxide Controlador de flujo de agua:Acción Reverse Kc 0.1 Ti5 minutes PV Minimun0 lb/h PV Maximun22000 lb/hSet Point11000 lb/h PV WaterFeed (Mas Flow) OT VLV-WaterFeed Controlador de temperatura: Acción Direct Kc 1.75 Ti5 minutes PV Minimun0 lb/h PV Maximun 70 ºF Set Point 300 ºFPV Reactor (Vessel Temperatura)OTCoolant Coolant (min duty) 0 Btu/h Coolant (max duty)1E7 Btu/h Monitorear la conducta dinámica de las variables porcentaje de nivel de líquido, temperatura del reactor y composición molar del propilenglicol en la corriente de productos, flujo molar de agua de alimentación y flujo molar de óxido de propileno de alimentación.
  • 14. Anexo Problema 4. Asistente dinámico Streams Tab Others Tab
  • 15. Problema 5En una refinería se usa una torre desmetanizadora para separar el gas natural de una corriente gaseosa de hidrocarburos ligeros mezclados (1) con la composición que se da a continuación. Sin embargo, los cálculos indican que se desperdicia una cantidad importante de energía en el proceso. En la figura se presenta un sistema mejorado propuesto. Calcule la temperatura (ºF), la presión (psig) y la composición de todas las corrientes de proceso. La corriente de gas de entrada está a 120 ºF y 588 psig y se enfría en los tubos de un intercambiador de calor gas-gas de flujo paralelo haciendo pasar la corriente del domo de la torre (8) por el lado de la coraza. La diferencia de temperatura entre las corrientes de salida (2) y (4) del intercambiador de calor debe ser de 10 ºF. Observe que la caída de presión a través de los tubos es de 10 psia, y de 5 psia en el lado de la coraza. La corriente de alimentación (2) se pasa por un enfriador en el que la temperatura baja hasta -84 ºF y hay una pérdida de presión de 5 psi. Se utiliza un separador instantáneo adiabático para separar el vapor parcialmente condensado del gas remanente. El vapor pasa después por una turbina de expansión y se alimenta al primer plato de la torre a 125 psig. La corriente líquida (5) se pasa por una válvula que reduce la presión a la del tercer plato inferior. La turbina de expansión transfiere el 90% de su energía al compresor. La eficiencia respecto a una compresión adiabática es del 80% para el expansor y del 75% para el compresor. Las necesidades del proceso son tales que la razón metano-etano en los líquidos del desmetanizador (flujo L) debe ser de 0.015 por volumen. El requerimiento de calor sobre la caldera es variable a fin de lograr ésta razón. La corriente de alimentación al proceso es de 1 x 106 lb-mol por día.ComponenteMol % Nitrógeno7.91 Metano73.05 Etano7.68Propano 5.96 Isobutano0.99n-butano2.44Isopentano0.69 n-pentano0.82 C6 0.42 C7 0.31Total100.00La torre tiene 10 platos. La corriente (8) ingresa al plato (1) y la corriente (9) ingresa al plato (3). Los platos se cuentan de arriba hacia abajo. La razón de reflujo en el condensador es 1 (Molar).
  • 16. Problema 6. Planta de producción de Etilenglicol.El Etilen Glicol (EGlycol) se obtiene por reacción del Oxido de Etileno (C2Oxide) y agua, y posterior separación en una columna de destilación. En la Fig. se presenta el flowsheet del proceso. La columna de destilación opera a presión atmosférica, posee 10 etapas ideales. La fracción (molar) de agua en la corriente de fondo debe ser inferior a 0.002 Las condiciones de las corrientes de alimentación al sistema, se indican en la Tabla Las corrientes de alimentación se mezclan previamente en un Mixer. La corriente resultante ingresa a un reactor tanque agitado continuo que funciona a temperatura constante y a 10 atm de presión. Las reacciones, que se describen en Tabla, ocurren en fase líquida. El reactor tiene un volumen de 8 m3, se supone caída de presión nula y mantiene un nivel de líquido de 85 %. En la Tabla se indican los datos cinéticos. Tareas Propuestas
  • 17. 1. Resuelva el balance de materia y energía asociado al proceso. 2. Sabiendo que el Databook es una facilidad del HYSYS que permite registrar el valor de las variables claves de un proceso ante diferentes escenarios, utilice esta herramienta para examinar como varían la carga de enfriamiento al reactor y la velocidad de producción del etilen glicol con la temperatura del reactor, cuando ésta asume el valor de 98ºC, 180ºC y 271ºC. 3. Utilizando la operación lógica SET, compare la calidad del producto obtenido cuando se establece la relación molar de los reactivos OE/H2O en la entrada al Mixer en: 0.2; 1 y 1.5. Sugerencia: Utilizar además la herramienta Case Study (Databook). 4. Calcule el caudal de agua necesario para producir 10000 Kg/h de Eglicol, si la relación de reactivos OE/H2O es 0.2. Utilice la operación lógica ADJUST. 5. Considere que el agua separada en la torre de destilación se recicla al reactor y se mezcla con una corriente fresca, como se muestra en la Fig. 2. Se debe utilizar la operación lógica RECYCLE. Datos necesarios: Corriente AliFresca: T = 25º C, Caudal molar: 200 kmol/h, Presión: 1atm. Bomba: Presión de la corriente de salida (Reciclo): 10 atm. INFORME TÉCNICO Confeccione un Informe Técnico que incluya: 1. Las hipótesis, consideraciones y/o datos utilizados para ingresar la información del proceso al modelo estacionario que construyó con HYSYS. 2. Informe los resultados en forma de tabla, indicando las condiciones para las corrientes de entrada y salida (materiales y energía) para cada equipo, obtenidos durante la simulación estacionaria. 3. Informe como afecta la temperatura del reactor a la velocidad de producción del producto, y el requerimiento de enfriamiento en el reactor. 4. Analice el impacto de la relación de reactivos sobre el rendimiento del proceso.
  • 18. Problema 6. Transporte de gas natural La siguiente figura muestra la configuración física de un sistema para el transporte de gas natural sobre un mapa topográfico. El sistema consiste de una red de tuberías distribuidas sobre un área de aproximadamente 1 milla cuadrada que se conectan con una planta de tratamiento de gas. Las presiones especificadas en cada poza son 1060 psia. Los datos muestran que cada pozo produce las siguientes tasas de flujo de gas: Los flujos de gas de los tres pozos poseen la misma composición. El residuo de todos los componentes pesados en el condensado tiene un peso molecular de 122 y una densidad de 760 kg/m3. Las características de los componentes pueden ser estimados mediante el uso de la herramienta “hypotetical component” de HYSYS. El análisis de la composición del gas condensado proporcionó la siguiente información para el pozo A, B y C: Los diámetros de las tuberías de cada uno de los ramales son los siguientes:
  • 19. Se utiliza tubería de acero calibre 40. Todas las tuberías no están aisladas. La siguiente tabla resume los datos de elevación para cada uno de los ramales: Para cada uno de los ramales, los datos de distancia y elevación, han sido obtenidos del mapa topográfico. La temperatura ambiente es de 40ºF. Simular el funcionamiento del sistema mediante la herramienta PIPESYS (una de las extensiones de HYSYS) y calcule los parámetros importantes de funcionamiento tales como las caidas de presión y los cambios de temperatura. El PDF generado en HYSYS para el sistema propuesto se muestra en la gráfica.
  • 20. Problema 6Sea el flash de la siguiente figura donde la alimentación es una corriente de hidrocarburos de la siguiente composición en base molar. La corriente de alimentación (F) esta definida a P=35 atm y T=380 ºK. Considere como valores iniciales para definir el sistema propuesto T=400 ºK y P=20 atm en la corriente de salida liquida del separador (L). ¿Cuál es la presión y temperatura de trabajo que permite obtener la mayor cantidad de n- heptano en la corriente de fondo?Definición del problema de optimización Variables manipuladas: P y T de la corriente L Cotas a utilizar en la simulación: Tmin = 300 ºK ; Tcondec =Temperatura de condensación crítica. Pmin = 1 atm ; Pcondec =Presión de condensación crítica.Para estimar las Temperatura y Presión de condensación crítica de la mezcla utilizar la Utilidad Envelope incluida en HYSYS (ir a Tools/Utilities/Envelope). Esta utilidad permite graficar la envolvente de fases que contiene a los puntos de burbujas y puntos de rocío de la mezcla. Tarea Propuestas 1. Defina el problema en HYSYS. Pruebe con los diferentes métodos de optimización provistos por el simulador. ¿Hacia que solución converge el simulador? 2. Defina una restricción al problema anterior considerando que la fracción de n-heptano en la corriente líquida deba ser mayor a un determinado valor. (X n-heptano > 0.4). Tomando como valor
  • 21. inicial para P y T los considerados anteriormente. ¿Que resultado muestra el simulador? 3. Considere como valores iniciales P=5 atm y T=350 ºK. ¿Qué nuevo resultado obtiene el simulador? Justifique el resultado obtenido. ¿Cómo inciden los valores de inicialización en la obtención del óptimo?. 4. Redefina el problema anterior considerando como función objetivo Máx (Xn-heptano ). Considere como valores iniciales T=400 ºK y P=20 atm. ¿Hacia que solución converge el simulador?
  • 22. Problema 7Separar los butanos de una mezcla de hidrocarburos en una columna desbutanizadora, a la que ingresan 2 corrientes de alimentación, cuya composición se indica en la tabla I. La columna de destilación desbutanizadora tiene 15 platos y un condensador parcial. Las corrientes de alimentación A1 y A2, ingresan a las etapas 4 y 8, respectivamente. La presión de operación del condensador es de 205 psi y se considera nula su caída de presión. La presión en el rehervidor es 215 psi. a. Si la fracción másica de pentanos (i-pentano y n-pentano) en el líquido del condensador debe ser inferior a 0.050 y la recuperación de butanos (i-butano, n-butano y i-buteno) en el producto de tope de 0.950; calcular la relación de reflujo y las cargas calóricas en el condensador y rehervidor utilizando el simulador HYSYS. b. Idem al punto anterior, pero con una fracción másica de pentanos en tope de 0.0075 y una recuperación de butanos de 0.990
  • 23. Problema 8. Simulación de un Proceso de Separación de Mezclas de Comportamiento Altamente no Ideal. Planta de EtanolTípicamente un proceso de obtención de etanol por fermentación genera diversos subproductos en pequeñas cantidades; metanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 3-metil-1-butanol, 2-pentanol, ácido acético, y CO2. Los productos provenientes del fermentador se envían al separador CO2Vent, en el que el CO2 se separa como producto de cabeza. Esta corriente de CO2 arrastra algo de etanol, por lo que es enviada a una torre de lavado (CO2 Wash), donde es lavada con agua para recuperar el Etanol, el cual es reciclado al fermentador. El líquido de fondo, rico en Etanol, es enviado a la torre de concentración (Conc), donde se elimina la mayor parte del metanol. Para representar esta torre se utilizará un absorbedor con una extracción lateral de vapor. El vapor de tope es alimentado a una torre de purificación de livianos (Lights), donde la mayor parte del CO2 remanente y algo de metanol es venteado. El producto de fondo de esta torre de livianos se envía al Rectificador. La extracción lateral de vapor del Concentrador es la principal alimentación para el Rectificador. El rectificador se opera con un condensador parcial y un rehervidor. El principal producto de la planta es la mezcla azeotrópica etanol/agua, que se extrae del plato 2 y no del condensador, para así obtener un producto con menor contaminación en metanol. El metanol se concentra hacia los platos superiores, por lo que se provee al condensador de una pequeña extracción de destilado. También se provee al condensador de un pequeño venteo para eliminar CO2. Otro punto interesante es la concentración de alcoholes pesados en el interior del Rectificador. Estos alcoholes son generalmente denominados aceite de Fusel, y son una mezcla de isómeros de propanol, butanol y pentanol. La acumulación de estos compuestos en la torre puede dar lugar a la formación de una segunda fase líquida, con la consecuente pérdida de eficiencia de la torre, por lo que se provee al Rectificador de una pequeña extracción lateral de líquido para recuperar estos componentes.
  • 24. Datos de las Corrientes de Entrada Especificaciones de la columna Rectificadora. Ubicación de la extracción lateral de la corriente FuselDe los compuestos que forman el Fusel, el 2-propanol se extrae junto al etanol en la corriente 1stProd, mientras que los alcoholes más pesados como el 1-butanol y el 2-pentanol se extraen por el fondo de la torre, por lo que el objetivo principal de la extracción lateral será la eliminación de 1-propanol. La ubicación de dicha extracción se fija en el plato 20. Para determinar si este es un lugar apropiado para recuperar los alcoholes pesados se puede ver el perfil de composición plato a plato, teniendo en cuenta que el 1-Propanol tiene la mayor concentración entre los alcoholes pesados en la corriente Fusel. Para examinar esta información ir a la página Profiles en la ventana de la columna. Seleccione Composition en Tray by Tray properties, y presione el botón View Table.
  • 25. TAREAS PROPUESTAS 1.- Converger la columna Rectificadora. 2.- Analizar si el plato de extracción de la corriente de fusel es el adecuado. 3.- Graficar las cargas del condensador y rehervidor variando la relación de reflujo dentro del rango de 2300 a 10000, por medio de la función Case Study del Databook.
  • 26. Problema 9 En una planta de cloración de Propeno (C3H6), reacciona Cl2 con Propeno para producir Cloruro de Propeno (ClC3H5), 1,2-Dicloro Propano (Cl2C3H6) y 2,3-Dicloro Propeno (Cl2C3H4). La reacción tiene lugar en un reactor tanque agitado continuo y los productos resultantes se separan aguas abajo en una columna fraccionadora. Las condiciones de la corriente de alimentación se indican en la Tabla I. La corriente de alimentación ingresa al reactor, que opera a 73.50 psia y 800ºF, y tiene un volumen de 10 ft3. Las reacciones ocurren en fase vapor. Los productos del reactor se enfrían a 50ºF. El intercambiador de calor tiene una caída de presión de 0.30 psi. La corriente que sale del enfriador ingresa a una columna de destilación que principalmente separa los componentes reactivos de los compuestos clorados, obtenidos como productos de la reacción. Para conocer el número de etapas de la columna y determinar el plato de alimentación de la misma se deberá diseñar la torre con el auxilio de un modelo shortcut. La corriente de tope de la columna de destilación está en fase vapor (condensador: Full Reflux). El condensador opera con una presión de 20 psia y tiene una pérdida de carga de 0.20 psi, mientras que la presión es de 27 psia. La composición molar de propeno en el producto de tope es del 92%, mientras que la composición de cloruro de propeno en la corriente de fondo (producto formado por los propilenos clorados), asciende al 65%.
  • 27. Actividades: 1. Construir el flowsheet usando el simulador HYSYS. 2. Diseñar la columna de destilación en base al modelo de una columna de destilación shortcut, siendo la presión de tope = 20 psia y la presión de fondo = 27 psia, y sabiendo que, la fracción molar del componente clave liviano en el fondo es de 0.004 y la del clave pesado en el tope es de 0.014. Asumir que la relación de reflujo es 5. 3. Determinadas las características de diseño que debe reunir la columna separadora de propeno, instalar una columna de destilación y determinar las condiciones operativas (relación de reflujo, cargas calóricas en condensador y rehervidor, etc.), en que estará funcionando la columna en base a la especificación dada de productos. 4. Comparar los resultados obtenidos en base a dos tipos de paquetes de propiedades diferentes: Soave- Redlich-Kwong y/o Peng Robinson y un paquete de actividad (Uniquac o Unifac).Informe Técnico Confeccione un Informe Técnico que incluya: 1.- Las hipótesis, consideraciones y/o datos que tuvo que proponer/calcular para ingresar la información del proceso al modelo que construyó con Hysys. 2.- Informe los resultados parciales en forma de tabla, indicando las condiciones para las corrientes de entrada y salida (materiales y energía) para cada equipo, obtenidos durante la simulación estacionaria. Determine la velocidad de producción de productos. 3.- Grafique los perfiles de temperatura y composición para la columna de destilación. 4.- Impacto de la elección de diferentes bases termodinámicas sobre los resultados obtenidos. 5.- Considerando la relación del flujo molar de los reactivos Cl2 y propene y de los productos obtenidos, que modificación introduciría en el presente flowsheet simplificado para aumentar el rendimiento del proceso.
  • 28. Problema 10. Ciclo de refrigeración.Dado el siguiente ciclo de refrigeración: Siendo, Temperatura en el evaporador: -10°F Carga calórica en el evaporador: 106 Btu/hr y, suponiendo una temperatura de 110°F a la salida del condensador (vapor saturado) y una perdida de carga de 0.3 atm en los equipos de intercambio calórico determinar: A) Los niveles de presión y la velocidad de flujo de refrigerante para una mezcla de 5% de etano y 95% de propano en base molar. (Use la menor cantidad de equipo posibles en la simulación). Utilizar Peng Robinson. B) Si se dispone de dos mezclas refrigerantes alternativas. − 20% de etano y 80% propano en base másica. − Amoníaco puro. Diseñe el equipo económicamente más rentable.
  • 29. Problema 11. Simulación de un Proceso de Refinación de Petróleo. Sea la siguiente instalación para fraccionamiento de petróleo, en la que se procesan 100 000 barriles/día de petróleo crudo para producir nafta, kerosene, diesel, gasoil atmosférico y productos de residuo atmosféricos. El petróleo crudo (precalentado aguas arriba a 450ºF y a una presión de 75 psia) se alimenta a un tanque separador pre-flash, donde los vapores se separan del líquido. El líquido es calentado en el horno a 650ºF, mientras que los vapores, sin pasar por el horno, se vuelven a mezclar con el crudo caliente proveniente del mismo. Esta corriente combinada es finalmente alimentada a la columna de fraccionamiento atmosférica. A continuación se muestra el flowsheet principal del proceso. La columna principal consiste de 29 platos teóricos y un condensador parcial de 3 fases, 3 columnas laterales despojadoras y 3 circuitos refrigerados de recirculación (pump around), como se observa en el sub-flowsheet correspondiente. La alimentación (TowerFeed) entra en el plato 28 (junto a la corriente de energía TrimDuty), mientras que por el fondo de la columna se alimenta vapor sobrecalentado. Del condensador se extrae el agua (WasteH2O) y Nafta, de las columnas despojadoras se obtienen Kerosene, Diesel y AGO (atmospheric gas oil), y del fondo de la torre se obtiene un Residuo del crudo.
  • 30. Los ensayos de laboratorio proporcionaron los siguientes datos respecto al petróleo: (1) la densidad API (American Petroleum Institute) se relaciona con el peso específico por medio de la siguiente ecuación:
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    • 1. SIMULACIÓN DE PROCESOS Casos de estudioHYSYS
  • 2. Arquitectura Básica de HysysArquitectura Básica de Hysysa) Conceptos básicos en HYSYS1. Arquitectura Multi-Flowsheet.Método flexible e intuitivo que permite: - Descomponer un proceso complejo en procesos menores con componentes más concisos. - Simular cada unidad del proceso en forma independiente del proceso completo, pero ligado a él, construyendo un sub-flowsheet con sus corrientes y operaciones unitarias accesorias. - Usar paquetes termodinámicos independientes para cada flowsheet.2. El concepto de Medio Ambiente (Environment).Hysys Environments permite acceder e ingresar información en una cierta y determinada área o “medio ambiente” del programa, mientras que las otras áreas están en modo hola (“esperando”) hasta que se finalice la tarea en el área de interés. Hay 5 Environments:- Basis (se crean, definen y modifican los Paquetes de Fluidos a ser utilizados –incluyen, como mínimo, el paquete de propiedades y los componentes-) - Oil Characterization (se caracterizan cortes de petróleo) - Main Flowsheet (se define mayoritariamente la topología del flowsheet principal) - Sub-Flowsheet (se define la topología del sub-flowsheet) - Column (se define la topología de una particular Columna Sub-Flowsheet)b) Herramientas - Cálculos interactivos y acceso instantáneo de la información. - Inteligencia incorporada al programa que le permite conocer cuando la información disponible es suficiente para efectuar un cálculo y corregir los cálculos flash en forma automática. - Operación modular: Todas las operaciones unitarias y/o corrientes pueden realizar todos los cálculos siempre que se especifique la información mínima necesaria en cada caso o la misma se transmita a través de las corrientes ligadas. La información, completa o parcial, se transmite en forma bi-direccional.c) Elementos de Interfase Primarios Formas alternativas para acceder e ingresar información del proceso a HYSYS. - El Diagrama de Flujo de Proceso (The Process Flow Diagram -PFD-) - Workbook. - Property View.
  • 3. Problema 1. Simulación estacionaria de una planta de tratamiento de gasEn este ejemplo se simula una planta de tratamiento de gas por refrigeración. Las condiciones de la alimentación a la planta son las siguientes: ComposiciónFeed 1Feed 20.01 (fracción molar) 0.02 (fracción masa)N2 0.010.00 CO20.60.40C10.20.20C20.10.20C3 0.040.10 i-C4 0.040.08n-C4CondicionesFeed 1Feed 260 ºF 60 ºFTemperatura41.37 bar 600 psia Presión6 MMSCFD4 MMSCFD Flujo molarLa alimentación ingresa a un separador de entrada (InletSep), en él se separan los líquidos que ingresan a la planta y son alimentados a la columna depropanizadora. El gas del separador es enfriado a través de un intercambiador Gas/Gas y de un enfriador de propano (Chiller). La caída de presión en el intercambiador de calor es de 10 psi, tanto del lado de la coraza como de los tubos. El intercambiador Gas/Gas posee un paso de los tubos por la coraza y funciona en contracorriente. La diferencia de temperaturas entre la corriente caliente SepVap y la corriente fría OutletGas, no debe ser inferior a 10 ºF. La temperatura del enfriador deberá ser ajustada hasta que la temperatura del punto de rocío del gas tratado cumpla con la especificación del gasoducto. La caída de presión en el enfriador es de 10 psi. Los líquidos condensados en el enfriador se separan en el separador de baja temperatura (LTS), mientras el gas es retornado al intercambiador Gas/Gas para pre-enfriar la alimentación. Los líquidos provenientes del separador de baja temperatura LTSep se mezclan con los provenientes del separador de entrada y se alimentan a la columna depropanizadora en la etapa 5. La función de la columna es separar los componentes más livianos. La columna tiene 10 etapas ideales y las presiones de tope y fondo son 200 y 205 psia respectivamente. El objetivo de este proceso es obtener un gas tratado con una temperatura máxima de punto de rocío de 15 ºF a 800 psia, y un producto (corriente LiquidProd) con una concentración máxima de 2% (fracción molar) de propano. En la Figura se muestra el flowsheet propuesto para la planta de tratamiento. (1 MMSCFD=1000000 Standard Cubic Feet per Day = 28316.8 m3/Dia)
  • 4. TAREAS PROPUESTAS 1. Verificación de la temperatura de punto de rocío. La verificación de la temperatura de punto de rocío de hidrocarburo se realiza utilizando la operación BALANCE (BAL-1) que transfiere los flujos molares de los componentes de la corriente de gas tratado a una corriente DewPt. Se efectúa un cálculo de punto de rocío sobre la corriente DewPt especificando su fracción de vapor en 1.0 y su presión en 800 psia. Si no se ha logrado la temperatura de punto de rocío buscada con la temperatura seleccionada para el Enfriador, la operación ADJUST (ADJ-1) permite ajustar la temperatura del Enfriador (corriente ColdGas) hasta que sea alcanzada la temperatura del punto de rocío de 15 F en la corriente DewPt. En este ejemplo, se sugiere proporcionar un valor inicial de 10 F para la temperatura del Enfriador, y luego usar la operación ADJUST para converger al valor correcto de temperatura de punto de rocío de hidrocarburo.Informe técnico Confeccionar un Informe Técnico que incluya: 1. Informar la temperatura que se debe especificar a la salida del enfriador para asegurar la temperatura de punto de rocío de hidrocarburo deseada.
  • 5. Problema 2. Simulación dinámica y control de una planta de tratamiento de gas En este ejemplo se simula una planta de tratamiento de gas por refrigeración. Se parte de las condiciones de estado estacionario descritas en el problema 1. Se desea analizar la conducta dinámica del sistema y diseñar un sistema de control automático. Se plantea el esquema de control descrito en la figura. Los datos de válvulas, controladores, servicios y utilidades son los siguientes: VálvulasNombre VLV-Sep∆P 10 psi Corriente de entradaLiqSepCorriente de salidaLiqExit
  • 6. Nombre VLV-LTSep∆P 5 psi Corriente de entradaLTSepLiqCorriente de salidaLTSepLiqExitNombre VLV-Tower∆P 363 psi Corriente de entrada TowerInletCorriente de salidaTowerInCalentadorNombre Heater∆P 9 psi Corriente de entradaTowerInCorriente de salida TowerFeed Corriente de energíaHeater QCorriente de proceso: TowerFeed Temperatura: 24.73 ºFVálvula del rehervidorNombreVLV-Reboiler∆P 25 psi Corriente de entradaLiquidExitCorriente de salidaLiquidProduct Dimensiones de los platos en la columna de destilaciónTipo: Válvula Corriente: Ovhd P = 202.6 psiaControladores Controlador de nivel (separador InletSep)Acción Direct Kc 2 PV Minimun0% PV Maximun 100 %Set Point 50 %
  • 7. Controlador de nivel (separador LTSep)Acción Direct Kc 2 PV Minimun0% PV Maximun 100 %Set Point 50 % Controlador de nivel (condensador de la columna de destilación)AcciónDirect Kc1 Ti5 minPV Minimun0%PV Maximun100 %Set Point50 % Process Variable Source Condenser, liquid percent levelOutput Target ObjectReflux Válvula de control del condensadorTipo de flujoFlujo molarMin. Flujo 0 lb/hMax. Flujo 500 lb/h Controlador de nivel (Reboiler) AcciónDirectKc 0.1Ti3 min PV Minimun0% PV Maximun100 % Set Point50 %Process Variable SourceReboiler Liquid Percent Output Target ObjectReb DutyCarga del ReboilerTipo de flujoFlujo molarMin. Available0 Btu/hMax. Available6E6 Btu/hControlador de temperatura (Cold gas) AcciónDirectKc1Ti 10 PV Minimun-20 ºF PV Maximun 20 ºF Set Point9.123 ºFProcess Variable SourceColdGas Temperatura Output Target ObjectC3Duty
  • 8. Carga calorífica del Chiller Min. Available0 Btu/hMax. Available 2E6 Btu/h Controlador de temperatura (Etapa superior de la torre depropanizadora) Acción DirectKc 1Ti 5 PV Minimun50 ºF PV Maximun 130 ºF Set Point86 ºFProcess Variable Source Main TS, Top Stage Temperature Output Target Object C3DutyCarga calorífica del condensador Min. Available0 Btu/hMax. Available 3E6 Btu/h Controlador de temperatura (9º etapa de la columna de destilación) Acción DirectKc 2Ti 5 PV Minimun 110 ºF PV Maximun 260 ºF Set Point184 ºFProcess Variable SourceMain TS, StageTemperature, 9_Main TS Output Target Object VLV-Reboil Tareas propuestas 1. Monitorear la conducta dinámica de las variables de proceso: flujo molar de la corriente TowerFeed, % de nivel de líquido en el separador InletSep, % de nivel de líquido en el separador LTSep, temperatura de la corriente ColdGas.
  • 9. Anexo. Problema 2 Especificaciones dinámicas Streams Tab Pressure Flor Specs Unknown sizes
  • 10. Problema 3. Simulación estacionaria de una planta para la producción de propilenglicolEl óxido de propileno es combinado con agua para producir propilenglicol en un reactor de tanque con agitación continua (CSTR). La corriente de salida del reactor es luego alimentada a una columna de destilación, donde la mayoría del glicol es recuperado en la base de la torre. El diagrama de flujo para éste proceso es mostrado a continuación: El óxido de propileno y el agua son combinados en un mezclador. La corriente mezclada es alimentada a un reactor que opera a presión atmosférica, en el cual se produce el propilenglicol. La corriente de productos del reactor es luego alimentada a una torre de destilación donde se recupera esencialmente todo el propilenglicol.Corrientes de proceso: Componente PropOxideWaterFeed Propylene Oxide 1 (fracción molar)0 Propylene Glycol 00 Water0 1 (fracción molar)PropiedadesPropOxideWaterFeed Temperatura75 ºF75 ºFPresión1.1 atm16.17 psiaFlujo molar 150 lbmol/h Flujo másico11000 lb/h Datos del reactor:H 2O + C3H 6O → C3H8O 2 Cinética : rC3H8O 2 = k[C 3 H 6 O] k = A·e − E / RT T β = (1.7 E13)·e −32400 / RT ≡ lbmol / ft 3 hRxn Phase: CombinedLiquid Volumen del reactor: 280 ft3, Nivel del líquido: 85%. Reactor isotérmico Los productos del reactor son enviados a una columna de destilación con 10 etapas. La alimentación ingresa por el quinto plato. La presión en el condensador es 15 psia, y en el rehervidor es de 17 psia. La razón de reflujo en el condensador es 1 (base molar). El flujo de salida de vapor del condensador es despreciable. La fracción molar de agua en el producto no debe ser superior a 0.005.
  • 11. Informe técnico 1. Especifique la temperatura de operación del reactor para alcanzar una conversión del 95 % deoxido de propileno. 2. Estudiar el efecto de la temperatura del reactor sobre la carga calorífica del refrigerante en elreactor y la producción de propilenglicol (Flujo molar).
  • 12. Problema 4. Simulación dinámica y control de una planta para la producción de propilenglicolEl óxido de propileno es combinado con agua para producir propilenglicol en un reactor de tanque con agitación continua (CSTR). La corriente de salida del reactor es luego alimentada a una columna de destilación, donde la mayoría del glicol es recuperado en la base de la torre. Para la simulación dinámica, se partirá del caso resuelto en estado estacionario. El flowsheet se muestra en la figura: Datos: Temperatura ambiente: 77 ºF Difusión de N2 hacia el reactor desde la corriente de ventilaciónSe plantea el siguiente sistema de control automático: Los parámetros para los controladores son los siguientesControlador de nivel:Acción Direct Kc2 Ti 10 minutes PV Minimun 0% PV Maximun 100 %Set Point85 %
  • 13. Controlador de flujo de óxido de propileno:Acción Reverse Kc 0.1 Ti5 minutes PV Minimun0 lb/h PV Maximun18000 lb/hSet Point8712 lb/h PV PropOxide (Mas Flow) OTVLV-PropOxide Controlador de flujo de agua:Acción Reverse Kc 0.1 Ti5 minutes PV Minimun0 lb/h PV Maximun22000 lb/hSet Point11000 lb/h PV WaterFeed (Mas Flow) OT VLV-WaterFeed Controlador de temperatura: Acción Direct Kc 1.75 Ti5 minutes PV Minimun0 lb/h PV Maximun 70 ºF Set Point 300 ºFPV Reactor (Vessel Temperatura)OTCoolant Coolant (min duty) 0 Btu/h Coolant (max duty)1E7 Btu/h Monitorear la conducta dinámica de las variables porcentaje de nivel de líquido, temperatura del reactor y composición molar del propilenglicol en la corriente de productos, flujo molar de agua de alimentación y flujo molar de óxido de propileno de alimentación.
  • 14. Anexo Problema 4. Asistente dinámico Streams Tab Others Tab
  • 15. Problema 5En una refinería se usa una torre desmetanizadora para separar el gas natural de una corriente gaseosa de hidrocarburos ligeros mezclados (1) con la composición que se da a continuación. Sin embargo, los cálculos indican que se desperdicia una cantidad importante de energía en el proceso. En la figura se presenta un sistema mejorado propuesto. Calcule la temperatura (ºF), la presión (psig) y la composición de todas las corrientes de proceso. La corriente de gas de entrada está a 120 ºF y 588 psig y se enfría en los tubos de un intercambiador de calor gas-gas de flujo paralelo haciendo pasar la corriente del domo de la torre (8) por el lado de la coraza. La diferencia de temperatura entre las corrientes de salida (2) y (4) del intercambiador de calor debe ser de 10 ºF. Observe que la caída de presión a través de los tubos es de 10 psia, y de 5 psia en el lado de la coraza. La corriente de alimentación (2) se pasa por un enfriador en el que la temperatura baja hasta -84 ºF y hay una pérdida de presión de 5 psi. Se utiliza un separador instantáneo adiabático para separar el vapor parcialmente condensado del gas remanente. El vapor pasa después por una turbina de expansión y se alimenta al primer plato de la torre a 125 psig. La corriente líquida (5) se pasa por una válvula que reduce la presión a la del tercer plato inferior. La turbina de expansión transfiere el 90% de su energía al compresor. La eficiencia respecto a una compresión adiabática es del 80% para el expansor y del 75% para el compresor. Las necesidades del proceso son tales que la razón metano-etano en los líquidos del desmetanizador (flujo L) debe ser de 0.015 por volumen. El requerimiento de calor sobre la caldera es variable a fin de lograr ésta razón. La corriente de alimentación al proceso es de 1 x 106 lb-mol por día.ComponenteMol % Nitrógeno7.91 Metano73.05 Etano7.68Propano 5.96 Isobutano0.99n-butano2.44Isopentano0.69 n-pentano0.82 C6 0.42 C7 0.31Total100.00La torre tiene 10 platos. La corriente (8) ingresa al plato (1) y la corriente (9) ingresa al plato (3). Los platos se cuentan de arriba hacia abajo. La razón de reflujo en el condensador es 1 (Molar).
  • 16. Problema 6. Planta de producción de Etilenglicol.El Etilen Glicol (EGlycol) se obtiene por reacción del Oxido de Etileno (C2Oxide) y agua, y posterior separación en una columna de destilación. En la Fig. se presenta el flowsheet del proceso. La columna de destilación opera a presión atmosférica, posee 10 etapas ideales. La fracción (molar) de agua en la corriente de fondo debe ser inferior a 0.002 Las condiciones de las corrientes de alimentación al sistema, se indican en la Tabla Las corrientes de alimentación se mezclan previamente en un Mixer. La corriente resultante ingresa a un reactor tanque agitado continuo que funciona a temperatura constante y a 10 atm de presión. Las reacciones, que se describen en Tabla, ocurren en fase líquida. El reactor tiene un volumen de 8 m3, se supone caída de presión nula y mantiene un nivel de líquido de 85 %. En la Tabla se indican los datos cinéticos. Tareas Propuestas
  • 17. 1. Resuelva el balance de materia y energía asociado al proceso. 2. Sabiendo que el Databook es una facilidad del HYSYS que permite registrar el valor de las variables claves de un proceso ante diferentes escenarios, utilice esta herramienta para examinar como varían la carga de enfriamiento al reactor y la velocidad de producción del etilen glicol con la temperatura del reactor, cuando ésta asume el valor de 98ºC, 180ºC y 271ºC. 3. Utilizando la operación lógica SET, compare la calidad del producto obtenido cuando se establece la relación molar de los reactivos OE/H2O en la entrada al Mixer en: 0.2; 1 y 1.5. Sugerencia: Utilizar además la herramienta Case Study (Databook). 4. Calcule el caudal de agua necesario para producir 10000 Kg/h de Eglicol, si la relación de reactivos OE/H2O es 0.2. Utilice la operación lógica ADJUST. 5. Considere que el agua separada en la torre de destilación se recicla al reactor y se mezcla con una corriente fresca, como se muestra en la Fig. 2. Se debe utilizar la operación lógica RECYCLE. Datos necesarios: Corriente AliFresca: T = 25º C, Caudal molar: 200 kmol/h, Presión: 1atm. Bomba: Presión de la corriente de salida (Reciclo): 10 atm. INFORME TÉCNICO Confeccione un Informe Técnico que incluya: 1. Las hipótesis, consideraciones y/o datos utilizados para ingresar la información del proceso al modelo estacionario que construyó con HYSYS. 2. Informe los resultados en forma de tabla, indicando las condiciones para las corrientes de entrada y salida (materiales y energía) para cada equipo, obtenidos durante la simulación estacionaria. 3. Informe como afecta la temperatura del reactor a la velocidad de producción del producto, y el requerimiento de enfriamiento en el reactor. 4. Analice el impacto de la relación de reactivos sobre el rendimiento del proceso.
  • 18. Problema 6. Transporte de gas natural La siguiente figura muestra la configuración física de un sistema para el transporte de gas natural sobre un mapa topográfico. El sistema consiste de una red de tuberías distribuidas sobre un área de aproximadamente 1 milla cuadrada que se conectan con una planta de tratamiento de gas. Las presiones especificadas en cada poza son 1060 psia. Los datos muestran que cada pozo produce las siguientes tasas de flujo de gas: Los flujos de gas de los tres pozos poseen la misma composición. El residuo de todos los componentes pesados en el condensado tiene un peso molecular de 122 y una densidad de 760 kg/m3. Las características de los componentes pueden ser estimados mediante el uso de la herramienta “hypotetical component” de HYSYS. El análisis de la composición del gas condensado proporcionó la siguiente información para el pozo A, B y C: Los diámetros de las tuberías de cada uno de los ramales son los siguientes:
  • 19. Se utiliza tubería de acero calibre 40. Todas las tuberías no están aisladas. La siguiente tabla resume los datos de elevación para cada uno de los ramales: Para cada uno de los ramales, los datos de distancia y elevación, han sido obtenidos del mapa topográfico. La temperatura ambiente es de 40ºF. Simular el funcionamiento del sistema mediante la herramienta PIPESYS (una de las extensiones de HYSYS) y calcule los parámetros importantes de funcionamiento tales como las caidas de presión y los cambios de temperatura. El PDF generado en HYSYS para el sistema propuesto se muestra en la gráfica.
  • 20. Problema 6Sea el flash de la siguiente figura donde la alimentación es una corriente de hidrocarburos de la siguiente composición en base molar. La corriente de alimentación (F) esta definida a P=35 atm y T=380 ºK. Considere como valores iniciales para definir el sistema propuesto T=400 ºK y P=20 atm en la corriente de salida liquida del separador (L). ¿Cuál es la presión y temperatura de trabajo que permite obtener la mayor cantidad de n- heptano en la corriente de fondo?Definición del problema de optimización Variables manipuladas: P y T de la corriente L Cotas a utilizar en la simulación: Tmin = 300 ºK ; Tcondec =Temperatura de condensación crítica. Pmin = 1 atm ; Pcondec =Presión de condensación crítica.Para estimar las Temperatura y Presión de condensación crítica de la mezcla utilizar la Utilidad Envelope incluida en HYSYS (ir a Tools/Utilities/Envelope). Esta utilidad permite graficar la envolvente de fases que contiene a los puntos de burbujas y puntos de rocío de la mezcla. Tarea Propuestas 1. Defina el problema en HYSYS. Pruebe con los diferentes métodos de optimización provistos por el simulador. ¿Hacia que solución converge el simulador? 2. Defina una restricción al problema anterior considerando que la fracción de n-heptano en la corriente líquida deba ser mayor a un determinado valor. (X n-heptano > 0.4). Tomando como valor
  • 21. inicial para P y T los considerados anteriormente. ¿Que resultado muestra el simulador? 3. Considere como valores iniciales P=5 atm y T=350 ºK. ¿Qué nuevo resultado obtiene el simulador? Justifique el resultado obtenido. ¿Cómo inciden los valores de inicialización en la obtención del óptimo?. 4. Redefina el problema anterior considerando como función objetivo Máx (Xn-heptano ). Considere como valores iniciales T=400 ºK y P=20 atm. ¿Hacia que solución converge el simulador?
  • 22. Problema 7Separar los butanos de una mezcla de hidrocarburos en una columna desbutanizadora, a la que ingresan 2 corrientes de alimentación, cuya composición se indica en la tabla I. La columna de destilación desbutanizadora tiene 15 platos y un condensador parcial. Las corrientes de alimentación A1 y A2, ingresan a las etapas 4 y 8, respectivamente. La presión de operación del condensador es de 205 psi y se considera nula su caída de presión. La presión en el rehervidor es 215 psi. a. Si la fracción másica de pentanos (i-pentano y n-pentano) en el líquido del condensador debe ser inferior a 0.050 y la recuperación de butanos (i-butano, n-butano y i-buteno) en el producto de tope de 0.950; calcular la relación de reflujo y las cargas calóricas en el condensador y rehervidor utilizando el simulador HYSYS. b. Idem al punto anterior, pero con una fracción másica de pentanos en tope de 0.0075 y una recuperación de butanos de 0.990
  • 23. Problema 8. Simulación de un Proceso de Separación de Mezclas de Comportamiento Altamente no Ideal. Planta de EtanolTípicamente un proceso de obtención de etanol por fermentación genera diversos subproductos en pequeñas cantidades; metanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 3-metil-1-butanol, 2-pentanol, ácido acético, y CO2. Los productos provenientes del fermentador se envían al separador CO2Vent, en el que el CO2 se separa como producto de cabeza. Esta corriente de CO2 arrastra algo de etanol, por lo que es enviada a una torre de lavado (CO2 Wash), donde es lavada con agua para recuperar el Etanol, el cual es reciclado al fermentador. El líquido de fondo, rico en Etanol, es enviado a la torre de concentración (Conc), donde se elimina la mayor parte del metanol. Para representar esta torre se utilizará un absorbedor con una extracción lateral de vapor. El vapor de tope es alimentado a una torre de purificación de livianos (Lights), donde la mayor parte del CO2 remanente y algo de metanol es venteado. El producto de fondo de esta torre de livianos se envía al Rectificador. La extracción lateral de vapor del Concentrador es la principal alimentación para el Rectificador. El rectificador se opera con un condensador parcial y un rehervidor. El principal producto de la planta es la mezcla azeotrópica etanol/agua, que se extrae del plato 2 y no del condensador, para así obtener un producto con menor contaminación en metanol. El metanol se concentra hacia los platos superiores, por lo que se provee al condensador de una pequeña extracción de destilado. También se provee al condensador de un pequeño venteo para eliminar CO2. Otro punto interesante es la concentración de alcoholes pesados en el interior del Rectificador. Estos alcoholes son generalmente denominados aceite de Fusel, y son una mezcla de isómeros de propanol, butanol y pentanol. La acumulación de estos compuestos en la torre puede dar lugar a la formación de una segunda fase líquida, con la consecuente pérdida de eficiencia de la torre, por lo que se provee al Rectificador de una pequeña extracción lateral de líquido para recuperar estos componentes.
  • 24. Datos de las Corrientes de Entrada Especificaciones de la columna Rectificadora. Ubicación de la extracción lateral de la corriente FuselDe los compuestos que forman el Fusel, el 2-propanol se extrae junto al etanol en la corriente 1stProd, mientras que los alcoholes más pesados como el 1-butanol y el 2-pentanol se extraen por el fondo de la torre, por lo que el objetivo principal de la extracción lateral será la eliminación de 1-propanol. La ubicación de dicha extracción se fija en el plato 20. Para determinar si este es un lugar apropiado para recuperar los alcoholes pesados se puede ver el perfil de composición plato a plato, teniendo en cuenta que el 1-Propanol tiene la mayor concentración entre los alcoholes pesados en la corriente Fusel. Para examinar esta información ir a la página Profiles en la ventana de la columna. Seleccione Composition en Tray by Tray properties, y presione el botón View Table.
  • 25. TAREAS PROPUESTAS 1.- Converger la columna Rectificadora. 2.- Analizar si el plato de extracción de la corriente de fusel es el adecuado. 3.- Graficar las cargas del condensador y rehervidor variando la relación de reflujo dentro del rango de 2300 a 10000, por medio de la función Case Study del Databook.
  • 26. Problema 9 En una planta de cloración de Propeno (C3H6), reacciona Cl2 con Propeno para producir Cloruro de Propeno (ClC3H5), 1,2-Dicloro Propano (Cl2C3H6) y 2,3-Dicloro Propeno (Cl2C3H4). La reacción tiene lugar en un reactor tanque agitado continuo y los productos resultantes se separan aguas abajo en una columna fraccionadora. Las condiciones de la corriente de alimentación se indican en la Tabla I. La corriente de alimentación ingresa al reactor, que opera a 73.50 psia y 800ºF, y tiene un volumen de 10 ft3. Las reacciones ocurren en fase vapor. Los productos del reactor se enfrían a 50ºF. El intercambiador de calor tiene una caída de presión de 0.30 psi. La corriente que sale del enfriador ingresa a una columna de destilación que principalmente separa los componentes reactivos de los compuestos clorados, obtenidos como productos de la reacción. Para conocer el número de etapas de la columna y determinar el plato de alimentación de la misma se deberá diseñar la torre con el auxilio de un modelo shortcut. La corriente de tope de la columna de destilación está en fase vapor (condensador: Full Reflux). El condensador opera con una presión de 20 psia y tiene una pérdida de carga de 0.20 psi, mientras que la presión es de 27 psia. La composición molar de propeno en el producto de tope es del 92%, mientras que la composición de cloruro de propeno en la corriente de fondo (producto formado por los propilenos clorados), asciende al 65%.
  • 27. Actividades: 1. Construir el flowsheet usando el simulador HYSYS. 2. Diseñar la columna de destilación en base al modelo de una columna de destilación shortcut, siendo la presión de tope = 20 psia y la presión de fondo = 27 psia, y sabiendo que, la fracción molar del componente clave liviano en el fondo es de 0.004 y la del clave pesado en el tope es de 0.014. Asumir que la relación de reflujo es 5. 3. Determinadas las características de diseño que debe reunir la columna separadora de propeno, instalar una columna de destilación y determinar las condiciones operativas (relación de reflujo, cargas calóricas en condensador y rehervidor, etc.), en que estará funcionando la columna en base a la especificación dada de productos. 4. Comparar los resultados obtenidos en base a dos tipos de paquetes de propiedades diferentes: Soave- Redlich-Kwong y/o Peng Robinson y un paquete de actividad (Uniquac o Unifac).Informe Técnico Confeccione un Informe Técnico que incluya: 1.- Las hipótesis, consideraciones y/o datos que tuvo que proponer/calcular para ingresar la información del proceso al modelo que construyó con Hysys. 2.- Informe los resultados parciales en forma de tabla, indicando las condiciones para las corrientes de entrada y salida (materiales y energía) para cada equipo, obtenidos durante la simulación estacionaria. Determine la velocidad de producción de productos. 3.- Grafique los perfiles de temperatura y composición para la columna de destilación. 4.- Impacto de la elección de diferentes bases termodinámicas sobre los resultados obtenidos. 5.- Considerando la relación del flujo molar de los reactivos Cl2 y propene y de los productos obtenidos, que modificación introduciría en el presente flowsheet simplificado para aumentar el rendimiento del proceso.
  • 28. Problema 10. Ciclo de refrigeración.Dado el siguiente ciclo de refrigeración: Siendo, Temperatura en el evaporador: -10°F Carga calórica en el evaporador: 106 Btu/hr y, suponiendo una temperatura de 110°F a la salida del condensador (vapor saturado) y una perdida de carga de 0.3 atm en los equipos de intercambio calórico determinar: A) Los niveles de presión y la velocidad de flujo de refrigerante para una mezcla de 5% de etano y 95% de propano en base molar. (Use la menor cantidad de equipo posibles en la simulación). Utilizar Peng Robinson. B) Si se dispone de dos mezclas refrigerantes alternativas. − 20% de etano y 80% propano en base másica. − Amoníaco puro. Diseñe el equipo económicamente más rentable.
  • 29. Problema 11. Simulación de un Proceso de Refinación de Petróleo. Sea la siguiente instalación para fraccionamiento de petróleo, en la que se procesan 100 000 barriles/día de petróleo crudo para producir nafta, kerosene, diesel, gasoil atmosférico y productos de residuo atmosféricos. El petróleo crudo (precalentado aguas arriba a 450ºF y a una presión de 75 psia) se alimenta a un tanque separador pre-flash, donde los vapores se separan del líquido. El líquido es calentado en el horno a 650ºF, mientras que los vapores, sin pasar por el horno, se vuelven a mezclar con el crudo caliente proveniente del mismo. Esta corriente combinada es finalmente alimentada a la columna de fraccionamiento atmosférica. A continuación se muestra el flowsheet principal del proceso. La columna principal consiste de 29 platos teóricos y un condensador parcial de 3 fases, 3 columnas laterales despojadoras y 3 circuitos refrigerados de recirculación (pump around), como se observa en el sub-flowsheet correspondiente. La alimentación (TowerFeed) entra en el plato 28 (junto a la corriente de energía TrimDuty), mientras que por el fondo de la columna se alimenta vapor sobrecalentado. Del condensador se extrae el agua (WasteH2O) y Nafta, de las columnas despojadoras se obtienen Kerosene, Diesel y AGO (atmospheric gas oil), y del fondo de la torre se obtiene un Residuo del crudo.
  • 30. Los ensayos de laboratorio proporcionaron los siguientes datos respecto al petróleo: (1) la densidad API (American Petroleum Institute) se relaciona con el peso específico por medio de la siguiente ecuación:
  • Volar