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UTN Facultad Regional Rosario Departamento de Ing. Qumica
Ctedra: Integracin IV Ao 2008
Sandra Godoy, Paola Biscotti, Nstor Rodrguez y Nicols Scenna
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UNIVERSIDAD TECNOLGICA NACIONAL - FACULTAD REGIONAL ROSARIO
Departamento de Ingeniera Qumica
INTEGRACIN IV
Introduccin al diseo de columnas de destilacin mediante el uso
del simulador HYSYS
Se presenta a continuacin una gua paso a paso para realizar el
diseo bsico y de detalle de
una torre de destilacin, con objeto de introducir al alumno en
el ambiente del simulador de
procesos HYSYS.
HYSYS es una herramienta que proporciona una simulacin de un
sistema del cual se
conocen los parmetros que lo describen. Por lo tanto es
importante destacar que si bien se lo
utiliza como herramienta de diseo, probando varias
configuraciones del sistema para optimizarlo,
es el ingeniero quien efecta el diseo, al comparar los
resultados de cada simulacin.
Por otro lado, los resultados de una simulacin no son siempre
fiables y estos se deben
analizar crticamente, ya que los mismos dependen de la calidad
de los datos de entrada, que las
correlaciones de las propiedades termodinmicas utilizadas sean
las apropiadas, y de la adecuada
eleccin de los niveles de complejidad o hiptesis adoptadas al
seleccionar cada equipo/modulo en
el diagrama de flujo de informacin (mdulo en el simulador)
versus la planta real.
Arquitectura Bsica de HYSYS a) Conceptos bsicos en HYSYS
1.- Arquitectura Multi-Flowsheet: El concepto de Fowsheets y
Sub-Flosheets.
HYSYS proporciona un mtodo flexible e intuitivo que permite:
Descomponer un proceso complejo en procesos menores con
componentes ms concisos. Simular cada unidad del proceso en forma
independiente del proceso completo, pero ligado
a l, construyendo un sub-flowsheet con sus corrientes y
operaciones unitarias accesorias.
Usar paquetes termodinmicos independientes para cada
flowsheet.
2.- El concepto de Medio Ambiente (Environment).
HYSYS Environments permite acceder e ingresar informacin en una
cierta y determinada rea o
medio ambiente del programa, mientras que las otras reas estn en
modo hold (esperando)
hasta que se finalice la tarea en el rea de inters. Hay 5
Environments:
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Basis (se crean, definen y modifican los Paquetes de Fluidos a
ser utilizados incluyen,
como mnimo, el paquete de propiedades y los componentes-)
Oil Characterization (se caracterizan cortes de petrleo) Main
Flowsheet (se define mayoritariamente la topologa del flowsheet
principal) Sub-Flowsheet (se define la topologa del sub-flowsheet)
Column (se define la topologa de una particular Columna
Sub-Flowsheet)
b) Herramientas
Clculos interactivos y acceso instantneo de la informacin.
Inteligencia incorporada al programa que le permite conocer cuando
la informacin
disponible es deficiente parra efectuar un clculo y corregir los
clculos flash en forma
automtica.
Operacin modular: Todas las operaciones unitarias y/o corrientes
pueden realizar todos los clculos siempre que se especifique la
informacin mnima necesaria en cada caso o la
misma se transmita a travs de las corrientes ligadas. La
informacin, completa o parcial, se
transmite en forma bi-direccional.
Algoritmos de solucin No Secuenciales: Ellos operan en forma
independiente del orden en que se construye el flowsheet.
c) Elementos de Interfase Primarios
Formas alternativas para acceder e ingresar informacin del
proceso a HYSYS.
El Diagrama de Flujo de Proceso (The Process Flow Diagram -PFD-)
Workbook. Property View.
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Caso en estudio: Diseo de columna de destilacin
Se requiere que la columna a disear obtenga los componentes con
un 99% de pureza,
adoptando platos perforados.
Se pretende que opere a una presin de 1 atmsfera. Se utilizar un
condensador total, con
una relacin de reflujo de 1,45 veces la relacin de reflujo
mnima.
Adems se especifica la corriente de alimentacin segn:
Flujo msico 10000 kg/h
Presin 1 atm
Temperatura 25 C
40% benceno Composicin molar 60% tolueno
Tareas propuestas:
1- Utilizar la herramienta Short cut para obtener:
i. La relacin de reflujo mnima
ii. Nmero de etapas mnima
iii. Asumiendo una relacin de reflujo de 1,45 de la mnima,
determinar el
nmero de etapas correspondientes y el plato apropiado para
ingreso de la
alimentacin.
2- Con los datos obtenidos en el short cut instalar una columna
con rehervidor y condensador
total y lograr su convergencia.
i. Presentar en forma tabular las corrientes de salida
especificando sus
principales parmetros.
ii. Graficar el perfil de temperaturas, composiciones y flujos a
lo largo de la
columna.
iii. Comparar las temperaturas y cargas del condensador y
reboiler calculadas en
la torre con las del short cut.
3- Utilizando la herramienta Tray Sizing dimensionar la torre y
detallar,
i. Dimetro de la torre.
ii. Altura total de la torre.
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iii. Verificar que no existan advertencias de mal funcionamiento
de la torre.
4- El condensador se alimenta con agua, proveniente de una torre
de enfriamiento, la cual
acondiciona su temperatura a 27 C. No hay cada de presin en este
equipo.
i. Determinar el caudal necesario de agua de enfriamiento si se
asume una
variacin de temperatura del agua de 20C.
ii. Obtener el (UA) necesario para este intercambio.
5- Si el rehervidor se alimenta con vapor saturado, cuya
temperatura es 20 C mayor a la salida
del tolueno y no hay cada de presin en este equipo:
i. Determinar la presin del servicio de vapor.
ii. Calcular el flujo de vapor necesario para cumplir con los
requerimientos
energticos del rehervidor.
iii. Obtener el (UA) necesario para este intercambio.
Cmo se crea un nuevo caso en HYSYS?
Para comenzar a crear un caso de HYSYS se debe presionar el botn
( ) New Case, a
continuacin aparece la ventana Simulation Basis Manager en donde
se deben seleccionar los
componentes, paquetes de propiedades, reacciones qumicas y dems
caractersticas del caso a
simular.
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1- Ingreso de componentes
Para seleccionar los componentes, en la pestaa Components se
debe presionar Add,
luego de lo cual aparece una nueva ventana que permite buscar
componentes dentro de una librera
de compuestos ya almacenados (Tradicional, ya contenidos en
HYSYS, Hipothetical, creados
y definidos por el usuario y Other.
Dentro de la opcin Tradicional se puede observar, desplegada en
la parte derecha de la
pantalla, la tabla Components Available in the Component Library
que contiene un listado de los
compuestos que posee almacenado HYSYS en su base de datos.
La bsqueda de los compuestos se puede realizar segn varios
criterios (por ejemplo nombre
o frmula) colocando parte de la expresin en la casilla Match.
Luego deben ser agregados al
listado de componentes presionando el botn Add Pure o realizando
doble clic sobre el
compuesto.
Si se desea reducir el espectro sobre el cual se realiza la
bsqueda, se puede utilizar el botn
View Filtres, el cual permite seleccionar una familia de
compuestos (funcin qumica) o
seleccionar elementos que sean compatibles con la utilizacin de
cierto paquete de propiedades.
En la parte inferior de la ventana aparece la casilla Name, la
cual permite el ingreso de un
nuevo nombre a la serie de componentes seleccionados. Por
defecto ya posee un nombre asignado.
Nombre de la lista que se esta generando
Criterio de bsqueda
Selec. de filtros
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En este caso se deben seleccionar: benceno, tolueno y agua. Una
vez que se hayan
seleccionado todos los componentes cerrar la ventana para
regresar a la ventana original
del Simulation Basis Manager
NOTA:
La base de datos de compuestos incorporada en HYSYS es muy
grande, pero como es un
simulador muy orientado a la industria petroqumica, es difcil
encontrar componentes de otro tipo
de industrias, como por ejemplo los sulfatos, xidos y dems
componentes inorgnicos en solucin.
Las ltimas versiones de HYSYS incluyen el paquete de
electrolitos, lo que permite incluir tales
sustancias y por lo tanto, variar las propiedades coligativas de
la mezcla.
Tambin es posible incluir componentes que no estn en la base de
datos, ingresando
algunos de sus parmetros caractersticos.
2- Seleccin del paquete de propiedades para los fluidos
A continuacin en la pestaa Fluid Pkgs, presionar Add para que se
despliegue una
nueva ventana, la cual permitir seleccionar un paquete de
propiedades de los fluidos acorde a las
caractersticas del sistema formado por los componentes
anteriormente seleccionados.
Este paso es muy importante, ya que definir la base de la
simulacin. Si se tiene una buena
base, se tendr una buena simulacin, pero si se introduce un
error desde el principio, ste se
agravar con el desarrollo de la simulacin.
En este ejemplo seleccionamos Antoine. Luego cerrar esta
ventana
Permite filtrar por tipo de paquetes de
propiedades
Si existen reacciones qumicas se deben
especificar aqu
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Este caso al ser muy sencillo (mezcla con comportamiento ideal)
no requiere la definicin
de ningn otro parmetro en esta etapa, por lo cul, presionando el
botn Enter Simulation
Environment se ingresa a una interfase que permite crear el
diagrama de flujo del proceso (Process
Flow Diagram, PFD) y comenzar con la simulacin.
En otros casos puede ser necesario definir los coeficientes
binarios de los pares de los
diversos componentes, parmetros para las reacciones qumicas,
etc., antes de cerrar la ventana
Fluid Pakage.
Cabe destacar que en sta etapa deben definirse los modelos para
el clculo de las entalpas
y dems propiedades.
3- El ambiente de simulacin
La funcin F4 permite visualizar u ocultar la paleta de
operaciones unitarias
La paleta se puede dividir en cuatro secciones:
Corrientes: Materia ( ) y Energa ( ).
Equipos de separacin de fases, presin, transferencia de calor y
reactores,
Paleta con operaciones
unitarias
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Equipos de transferencia de masa (destilacin, absorcin)
Operaciones lgicas
4- Seleccin de un Sistema de Unidades
El sistema de unidades predeterminado en HYSYS es el SI, pero es
posible cambiar el
sistema de unidades usado para exteriorizar las diferentes
variables.
Para esto del men Tools, seleccione Preferentes. Luego cambie a
la pestaa
variables, y a continuacin vaya a la opcin dentro de Variables
que se llama Units; aqu se
puede seleccionar el sistema deseado.
Una alternativa es crear uno nuevo con el conjunto de unidades
adecuadas para mostrar las
variables. Para ello seleccionar la pestaa Simulation, luego
presionar Tool Tips y a
continuacin seleccionar User Defined Unit Set.
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Pasar a la pestaa Variables, y al seleccionar Units aparecen los
sistemas de unidades
(Por ejemplo, la unidad por defecto para la presin es kPa. Y se
desea cambiar a atm.). Para crear el
nuevo conjunto presionar el botn Clone. NewUser aparecer
resaltado en azul en Unit Set
Name (este es el nombre que asigna por defecto HYSYS al nuevo
set de unidades); para cambiarlo
se debe ingresar el nombre a asignar al set de unidades en esta
casilla y al hacer Enter se actualiza el
nombre en el campo Available Unit Sets. A continuacin se pueden
modificar las unidades
asignadas a cada variable.
Por ejemplo al seleccionar la celda Pressure y al hacer click en
kPa se abre una lista
desplegable de las unidades disponibles, de la cual se
selecciona atm, haciendo clic.
Una vez definido el nuevo conjunto de unidades se debe presionar
el botn Close y se
regresa al entorno de simulacin.
Para guardar el sistema de unidades definido presionar Save
Preference Set.
Para cargar este sistema en un trabajo cualquiera Load Unit
Set.
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Luego cierre esta ventana haciendo clic en para volver a la
simulacin.
5- Definicin de las corrientes
Para comenzar con al creacin del diagrama de flujo, se inserta
una corriente (Material
Stream). Para realizar esto, de la paleta de operaciones
unitarias, se selecciona la flecha azul y
luego se hace clic con el mouse en el lugar en donde se quiere
colocar dicha corriente.
Realizando doble clic sobre la corriente se ingresa a una tabla
en donde se pueden definir
sus propiedades.
Para este ejemplo se deben establecer nombre, flujo msico,
temperatura, presin y
composicin molar. Una vez que la corriente est adecuadamente
definida, la barra de estado
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(coloreada originalmente de amarillo), que se encuentra en la
parte inferior de la tabla, se vuelve
color verde y con al leyenda OK. Todas las operaciones que
presentan barra de estado obedecen
al mismo criterio.
Los valores que se encuentran en azul son los que fueron
ingresados por el usuario y se
pueden modificar. Los valores en negro son calculados por HYSYS
y no pueden ser modificados.
Las casillas con texto en rojo son de uso optativo por el
usuario (poseen un valor calculado por
defecto).
Todos los componentes deben ser especificados en todas las
corrientes (aun en el caso de no
estar presentes algunos de ellos se les debe asignar el valor
cero a su composicin). Para realizar
esto presionar en la leyenda Composition, luego de lo cual
aparece una nueva ventana la cual
contiene un listado de todos los componentes disponibles para
esta simulacin.
En HYSYS se puede seleccionar la base para definir las
composiciones haciendo clic en la
opcin Basis, apareciendo la siguiente ventana con opciones:
Si se desea definir una corriente exactamente igual a otra ya
definida, se utiliza el botn
Define from Other Stream el cual despliega una nueva ventana en
donde se selecciona la
corriente creada anteriormente del listado de todas las
disponibles. Luego de este paso la nueva
corriente queda totalmente definida.
En este caso se debe seleccionar Mole Fractions
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Se puede observar que las corrientes una vez definidas
convierten su color de celeste a azul.
6- Diseo bsico de la torre de destilacin
Antes de insertar la operacin Destillation Column en el diagrama
de flujos del proceso,
se deben conocer ciertos parmetros de la misma. Para ello se
utiliza la operacin Short Cut
Destillation como herramienta auxiliar. Por tal razn, a
continuacin vamos a insertar una
nueva corriente definida a partir de la creada en el paso 5,
para que sea exactamente
igual. Para ello se utiliza el botn Define from Other Stream el
cual despliega una nueva ventana en donde se selecciona la
corriente creada anteriormente del listado de todas las
disponibles. Luego
de este paso la nueva corriente queda totalmente definida.
Seguidamente se inserta la operacin Short Cut Destillation . Al
hacer doble clic sobre
esta operacin se despliega una ventana en la cual hay que
definir todas las corrientes que
intervendrn. Estas corrientes no forman parte del proceso en si,
sino que son auxiliares para lograr
el diseo de la torre. La siguiente figura se puede tomar de gua
para completar este paso.
Una vez completado el cuadro de conexiones, se habrn creado
nuevas corrientes de materia
y energa (esta es otra forma de definir nuevas corrientes).
Dentro de Parameters se definen los componentes claves liviano y
pesado, especificando
los lmites correspondientes a cada uno.
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Para este ejemplo la presin de trabajo del condensador y
reboiler es la
atmosfrica y la relacin de reflujo actual External Reflux Ratio
se define como 1,45
veces la relacin mnima (Minimum Reflux Ratio) calculada por
HYSYS.
En la pestaa Performance aparecen todos los parmetros calculados
por HYSYS, los
cuales a continuacin se utilizarn para definir la torre de
destilacin que formara parte del
diagrama de flujo y poder realizar as un diseo ms detallado.
7- Cmo se inserta una torre de destilacin en el diagrama de
flujo?
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Para esto se debe recurrir a insertar en el PFD la operacin
Destillation Column , la
cual tendr por alimentacin la corriente generada en un principio
(en este ejemplo lleva el nombre
alimentacin).
Al realizar doble clic sobre la torre se puede comenzar con las
especificaciones:
de las corrientes que van a formar parte de la operacin,
el nmero de platos que ha de constituir la torre
la ubicacin del plato de alimentacin y
las caractersticas del condensador (para este ejemplo se
utilizar un condensador
total).
Todos estos datos se extraen del diseo bsico realizado
anteriormente con la herramienta
Short Cut.
Cuando queda habilitado para ser presionado el botn Next, se est
en condiciones de
continuar con el siguiente paso, en donde se especifican las
presiones de trabajo del condensador y
reboiler (para este ejemplo ambas 1 atm).
El siguiente paso es de llenado opcional (se pueden especificar
las temperaturas de salida del
condensador y del reboiler)
En el ltimo paso se ha de ingresar la relacin de reflujo y luego
hacer clic en el botn
Done.
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A continuacin aparece una ventana en donde se muestra el resumen
de las especificaciones
establecidas en los pasos anteriores.
En casos ms complejos podran aparecer otras corrientes de
alimentacin las cuales pueden
ingresar en el mismo plato o en platos distintos (todo esto se
especifica en Inlet Streams)
La barra de estado en esta operacin permanecer en rojo y con al
leyenda Unconverged
hasta que se presione el botn Run y converja su clculo, momento
en el cual la barra de estado
se vuelve color verde y con la frase Converged.
Un error comn es no haber especificado la relacin de reflujo en
cuyo caso la torre dar un
mensaje de error. Para especificar este valor (si no se hizo
anteriormente o para cambiar su valor) se
debe ir a Monitor (en la barra a la izquierda de la pantalla).
En esta ventana tambin se pueden
observar los perfiles de temperatura, presin y flujo a lo largo
de toda la torre.
8- Cmo incrementar el detalle en el diseo de la torre de
destilacin?
Para esto se utiliza la herramienta Tray Sizing, la cual se
encuentra seleccionando de la
barra de men Tools; Utilities y luego de la ventana desplegada
que contiene todas las
utilidades disponibles seleccionar Tray Sizing y presionar el
botn Add Utility.
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Se comienza seleccionando la operacin sobre la cual se ha de
trabajar. Para esto se presiona
el botn Select TS, el cual despliega una ventana que permite al
seleccin del equipo sobre el
cual se va a trabajar.
Una vez seleccionado el equipo se presiona OK, luego de lo cual
se regresa a la venta
anterior.
Para comenzar con el diseo de detalle presionar el botn Auto
Section (el cual ahora esta
habilitado). Al realizar esta accin se despliega una nueva
ventana, la que permite la adopcin del
tipo de plato:
Las opciones son:
Platos con campanas de burbujeo (Bubble Cap)
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Platos con vlvulas (Valve)
Platos perforados (Sieve)
Relleno (Packet)
Al presionar Next, HYSYS muestra una ventana que permite la
especificacin de algunas
de las propiedades de las campanas, platos, etc. (Se pueden
modificar los valores sugeridos)
Mediante el botn Complete AutoSection se termina el clculo de la
torre.
Para poder revisar los valores calculados se debe ingresar en la
pestaa Performance
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9- Calculo de los requerimientos de servicios auxiliares
Para realizar esto se deben agregar al PFD un enfriador (Cooler)
y un calentador
(Heater) .
Adems se deben crear las corrientes de agua de enfriamiento,
vapor y condensado segn las
especificaciones presentadas para el caso en estudio.
A continuacin se deben conectar al Heater la corriente de energa
vinculada al
condensador de la torre y las dos corrientes de agua de
enfriamiento. Por otra parte, se deben
vincular al Cooler las corrientes de vapor de agua, condensado y
la de energa vinculada al
reboiler de la torre de destilacin.
Para ambos equipos se asume una cada de presin nula, la cual
debe ser especificada en la
opcin Parameter, dentro de la ventana Desing de cada uno de los
intercambiadores.
NOTA:
Si en vez de una mezcla ideal se procesara una no ideal, por
ejemplo azeotrpica (agua-
benceno-alcohol), deberan modificarse varios pasos de sta gua.
Adems de los cambios lgicos
(distintos componentes, otra columna, etc.), existen otros temas
conceptuales que seran diferentes.
Por ejemplo, la metodologa para estimar las propiedades
fisicoqumicas (K, H, etc.), sern las
apropiadas para tal mezcla.
Los clculos para estimar el mnimo reflujo, plato de alimentacin,
mnimo nmero de
etapas, ahora tampoco seran los adecuados, debido al error que
se introduce.
Podra ejercitar esto ejecutando por su cuenta un ejemplo para
separar dicha mezcla en una
columna, fijando una alimentacin y especificando la pureza
deseada por tope, y los dems
parmetros necesarios.