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IQUI 2003-2-26

SIMULACION DE DISTINTOS MODELOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR EN “ASPEN PLUS”

ANDREA ZÁRATE VELOZA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA

BOGOTÁ, ENERO 2004

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SIMULACION DE DISTINTOS MODELOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR EN “ASPEN PLUS”

ANDREA ZÁRATE VELOZA

TRABAJO DE GRADO

Profesor EDGAR MAURICIO VARGAS

Ingeniero Químico

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA

BOGOTÁ, ENERO 2004

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AGRADECIMIENTOS

El autor expresa sus agradecimientos a:

Edgar Mauricio Vargas, Ingeniero Quimico, Profesor de la Universidad de los Andes

y Asesor del Trabajo de Grado, por su orientación y confianza puesta en la elaboración

de este trabajo.

Néstor Rojas, Ingeniero Químico, Profesor de la Universidad de los Andes, por su

aporte y motivación a este trabajo.

Iván Darío Gil, Ingeniero Químico, por su dedicación, orientación, motivación y

paciencia para la culminación exitosa de este trabajo.

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TABLA DE CONTENIDO

Pag.

INTRODUCCION

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

2. SOLUCION

3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL

3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

4. DESARROLLO DEL MANUAL Y EL CD

INTERACTIVO

5. TEORIA

5.1 PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

5.1.1 Transferencia de Calor

5.1.2 Teorías de Calor

5.1.3 Mecanismos de Transferencia de Calor

• Conducción

• Convección

• Radiación

5.1.4 Diferencia de Temperatura

• Coeficientes Totales de Transferencia de Calor

• Promedio Logaritmico de la Diferencia de Temperatura

• Fluido en Contracorriente

• Fluido en Paralelo

5.1.5 Flujo en Contracorriente

• Coeficientes de Película para Fluidos en Tuberías y Tubos

• Fluidos que Fluyen en un Anulo: Diámetro Equivalente

• Coeficientes de Película en Anulos

• Factores de Obstrucción

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• Caídas de Presión en Tuberías y Anulos

• Intercambiadores con Corrección por Viscosidad

5.1.6 Intercambiadores de Tubo y Coraza

• Tubos para Intercambiadores de Tubo y Coraza

• Espaciado de los Tubos

• Corazas

• Deflectores

• Diámetro Equivalente al Lado de la Coraza

• Caída de Presión al Lado de la Coraza

• Caída de Presión en los Tubos

6. GENERALIDADES DE ASPEN PLUS

6.1 ¿QUE ES ASPEN PLUS?

6.1.1 Como Trabaja Aspen Plus

6.1.2 Modelo de Bloques

6.1.3 Componentes de Aspen Plus

6.1.4 Librerías de Aspen Plus

6.1.5 Propiedades Físicas de Aspen Plus

7. ASPEN PLUS PARA INTERCAMBIADORES DE CALOR

8. MODELOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

DESARROLLADOS EN ASPEN PLUS

8.1 MODELO HEATER

8.1.1 Corrientes

8.1.2 Características

8.1.3 Formatos

8.2 MODELO HEATX

8.2.1 Corrientes

8.2.2 Características

8.2.3 Formatos

8.3 MODELO MHEATX

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8.3.1 Corrientes

8.3.2 Características

8.3.3 Formatos

9. FAMILIARIZACON CON EL AMBIENTE DE ASPEN

PLUS

9.1 HOJAS DE PROCESO

9.2 VENTANA PRINCIPAL

9.3 INTRODUCCIÓN AL USO DE ASPEN PLUS

10. DESARROLLO DE EJERCICIOS PRACTICOS

10.1 MODELO 1

10.1.1 Descripción del Proceso

10.1.2 Modelo del Proceso

10.1.3 Resumen de la Información

10.1.4. Diagrama en Aspen Plus

10.1.5 Explicación Paso a Paso de la Simulación

10.1.6. Resultados del Proceso

10.1.7 Comparación con Excel

10.2 MODELO 2

10.2.1 Descripción del Proceso

10.2.2 Modelo del Proceso

10.2.3 Resumen de la Información

10.2.4. Diagrama en Aspen Plus

10.2.5 Explicación Paso a Paso de la Simulación

10.2.6. Resultados del Proceso

10.2.7 Comparación con Excel

10.3 MODELO 3

10.3.1 Descripción del Proceso

10.3.2 Modelo del Proceso

10.3.3 Resumen de la Información

10.3.4. Diagrama en Aspen Plus

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10.3.5 Explicación Paso a Paso de la Simulación

10.3.6. Resultados del Proceso

10.3.7 Comparación con el desarrollo del problema

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LISTA DE FIGURAS

Pag.

Figura 1. Variación de la temperatura en un tubo concentrico para

flujos en paralelo y contracorriente con respecto a la longitud del

tubo.

Figura 2. Diámetros de los ánulos y localizacion de coeficientes.

Figura 3. Arreglos más usados en el diseño de intercambiadores de

calor.

Figura 4. Deflector más usado con corte de 25%.

Figura 5. Diagrama del modelo usado por Aspen Plus.

Figura 6. Ecuaciones de Efectividad Termica.

Figura 6.1. Ecuaciones para el Factor de Correccion.

Figura 7. Hoja de Conectividad para el modelo Heater.

Figura 8. Hoja de Conectividad para el modelo MHeatX

Figura 9. Hoja de Conectividad para el modelo MHeatX

Figura 10. Comparación Entre la Hoja de Proceso y el Diagrama

de Proceso en Aspen Plus

Figuraa 11. Ventana principal de Aspen Plus.

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Figura 12. Modelo del problema 9.3

Figura 13. Diagrama del problema 9.3 en Aspen Plus.

Figura 14. Pantallas de acceso al programa Aspen Plus

Figura 15. Ventana pricipal de Aspen Plus

Figura 16. Ventana de muestra para mezcladora

Figura 17. Muestra del mezclador tipo Mixer

Figura 18. Diagrama del mezclador

Figura 19. Modelos para la librería tipo Flash2

Figura 20. Librería de compresores en Aspen Plus

Figura 21. Tipos de intercambiadores de calor para el Modelo

HeatX

Figura 22. Primera etapa del problema 9.3 en Aspen Plus

Figura 23. Proceso en Aspen Plus para el problema 9.3

Figura 24. Barra de herramientas de Aspen Plus

Figura 25. Componentes del problema 9.3

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Figura 26. Cuadro de especificación de propiedades

Figura 27. Formato de especificación para corrientes.

Figura 28. Formato “Flash Options”

Figura 29. Especificacin para separadores y compresores

Figura 30. Formato para la especificación de métodos de cálculo

y arreglo del flujo

Figura 31. Muestra de los formatos para LMTD y caida de presión

Figura 32. Formato de coraza para intercambiadores de calor

Figura 33. Formato de tubos para intercambiadores de calor

Figura 34. Ventana de tipo de deflectores y boquillas

Figura 35. Aspen Plus realizando la simulación

Figura 36. Resultados obtenidos por Aspen Plus

Figura 37. Resultado para el compresor 1

Figura 38. Eliminación del equipo de intercambio de calor

Figura 38.1. Diagrama del proceso una vez eliminado el equipo

Figura 39. Diagrama de reconección de corrientes

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Figura 40. Diagrama completo del problema 9.3

Figura 41. Ventanas de cambio de datos para intercambiadores

Figura 42. Hoja de proceso del problema 9.3

Figura 43. Diagrama total del proceso

Figura 44. Ventana de resultados generales para el problema

desarrollado en Aspen Plus.

Figura 45. Ventana de resultados para el problema

desarrollado cambiando el intercambiador de tipo HeatX al tipo

Heater.

Figura 46. Ventana de resultados en Aspen Plus,

para el ejercicio con el modelo Heater para el problema 9.3

Figura 47. Modelo del Problema 8.2

Figura 48. Diagrama del problema en Aspen Plus

Figura 49. Librería de modelos para el intercambiador tipo HeatX

Figura 50. Ventana de la unidad de proceso en Aspen Plus

Figura 51. Ventana de intercambiador de calor para el

problema a desarrollar

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Figura 52. Ventana “Setup” para ingresar datos generales del

problema

Figura 53. Ventana de compuestos con el buscador de elementos

Figura 54. Ventana de compuestos

Figura 55. Ventana de propiedades

Figura 56. Cuadro que indica que se ha completado las

especificaciones necesarias de entrada para el simulador.

Figura 57. Ventana de muestra para especificación de corrientes

Figura 58. Ventana para corriente

Figura 59. Ventana de especificación para la unidad de proceso

Figura 60. Ventana para las especificiones de la geometría del

intercambiador de calor

Figura 61. Ventana para especificación de tubos

Figura 62. Ventana para especificaron de deflectores

Figura 63 Ventana para especificación de boquillas en el

intercambiador

Figura 64. Ventana de resultados para las corrientes

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Figura 65. Cuadro de especificación de formatos

Figura 66. Ventana de especificación del intercambiador en tipo

“Rating”

Figura 67. Ventana de Resultados para el problema desarrollado

Figura 68. Modelo del problema a desarrollar

Figura 69. Diagrama en Aspen Plus del problema a desarrollar

Figura 70. Librería de modelos para MHeatX

Figura 71. Diagrama del modelo en Aspen Plus

Figura 72. Tabla de los compuestos del problema

Figura 73. Formato de especificación de modelos de cálculo

Figura 74. Especificación de corrientes

Figura 75. Formatos de especificación de corrientes

Figura 76. Formato de especificación del intercambiador

Figura 77. Formato de especificación del intercambiador

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Figura 78. Aviso para correr la simulación

Figura79. Resultados de las corrientes

Figura 80. Resultados de Balance de masa y energía del problema

Figura 81. Resultados de la simulación

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LISTA DE TABLAS

Pag.

Tabla 1. Librerías en Aspen Plus con sus modelos

Tabla 2. Métodos para el valor de Kq dentro de Aspen Plus

Tabla 3. Datos de bancos que dan parámetros para los distintos

compuestos.

Tabla 4. Formatos para el modelo Heater

Tabla 5. Formato para el modelo HeatX.

Tabla 6. Formato de entrada del modelo MHeatX

Tabla 7. Information del ejercicio para el modelo 3

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LISTA DE ANEXOS

Pag.

ANEXO A. Gráfica de factores de fricción para lado de tubo

ANEXO B Tolerancias de entrada en la numeración de tubos

ANEXO C Ejemplo 8.2

ANEXO D “Modeling of plate heat exchangers with generalized

configurations”

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RESUMEN

El principal objetivo para la elaboración de este trabajo, es lograr manejar el simulador

Aspen Plus para el diseño de intercambiadores de calor obteniendo como resultado un

manual físico y en forma digital que sustente el aprendizaje por parte del autor. En

consecuencia se tendrán una serie de ejercicios y ejemplos

explicados de forma didáctica y breve para su correcto funcionamiento en la plataforma

Aspen Plus.

La metodología básica que se llevo a cabo para el éxito de este trabajo fue de tipo

investigativo, debido a que dentro de la Universidad de los Andes, no existía una

tradición en el manejo de este simulador. Se realizaron investigaciones sobre el

simulador, se hizo una revisión a fondo de la información básica en transferencia de

calor y finalmente se entró a explorar el programa.

Finalmente se hizo un estudio a conciencia de los posibles problemas que pudieran ser

integrados al manual, teniendo en cuenta parámetros como: tipo de intercambiador de

calor, dificultad del problema y manejo flexible en el simulador principalmente. Se

determinó que existen una serie de problemas convenientes para la realización del

manual, optando por no solamente dejar tres problemas básicos como se había

planteado en un principio, sino una serie de ellos.

Como resultado surgió este manual con su CD interactivo anexo, que comparte con el

usuario toda la información recolectada durante este proceso. Modelando tres tipos de

intercambiadores de calor en Aspen Plus con sus explicaciones referentes, además de

ideas, sugerencias y datos esenciales que ayudan al correcto funcionamiento del

programa y la comodidad del usuario para su uso.

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INTRODUCCION

Hoy las ciencias computacionales se han convertido en parte de la vida diaria y

la ingeniería no se queda atrás. El desempeño de computadoras han hecho que la vida

sea más versátil, rápida y cambiante.

La Universidad de los Andes como institución educativa cuenta con una

herramienta computacional como Aspen Plus, que ayuda al estudiante ha mejorar la

comprensión con respecto a muchos de los procesos químicos que en el transcurso de

sus estudios a desarrollado. Sin embargo este tipo de herramientas son inutilizadas por

la falta de manuales y ejercicios prácticos que muestren al alumno su importancia y

manejo adecuado.

Debido a todo lo anterior, es necesario desarrollar una guía muy bien

estructurada sobre los diferentes modelos en Aspen Plus que ayude a los estudiantes de

la carrera de Ingeniería Química y otras ingenierías a consolidar los conocimientos

adquiridos durante su estudio académico y de una forma didáctica. Entender que Aspen

Plus es una herramienta que ayuda para la simulación de los procesos químicos actuales

que ayudan al desarrollo de la industria.

La propuesta conduce a la creación de un tutorial o una guía basada en tres tipos

de modelos en Aspen Plus (Heater, HeatX, MHeatX) sobre intercambiadores de calor.

Esta guía será realizada por medio de dos opciones: manual paso a paso y CD

interactivo. Con una teoría básica sobre transferencia de calor, generalidades del

programa Aspen Plus, teoría de los modelos a manejar y finalmente una serie de

ejercicios prácticos para cada uno de los modelos.

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Básicamente este proyecto se desarrolló debido a que en el momento dentro de la

universidad, Aspen Plus esta siendo subutilizado o inutilizado, esto ya que no hay

herramientas que ayuden a entender el manejo sencillo de Aspen Plus y pues más

específicamente en los modelos de intercambiadores de calor. Además de esto, hoy la

competencia laboral tanto a nivel nacional como internacional es difícil para los recién

graduados y a esto se le suma el hecho de que los graduados no poseen conocimientos

en herramientas computacionales. Finalmente se esta viendo la necesidad, a nivel

nacional, de poseer herramientas que ayuden al desarrollo industrial y económico del

país, siendo los simuladores una de ellas.

2. SOLUCION

Para lograr que estudiantes tomen conciencia e interés en simuladores como Aspen

Plus, se propone diseñar una guía basada únicamente en la simulación de

intercambiadores de calor, y con base en esto la creación de un curso que se enfoque en

simulación de procesos.

3. OBJETIVOS

3.3 OBJETIVO GENERAL

Manejar el simulador Aspen Plus para el diseño de intercambiadores de calor.

3.4 OBJETIVOS ESPECIFICOS

• Conocer el manejo de Aspen Plus.

• Manejar los diferentes modelos de Aspen Plus para intercambiadores de calor

(sencillos y rigurosos).

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• Elaborar un manual para estudiantes de Ingeniería Química, donde se les muestre en

forma sencilla, rápida y didáctica el uso de Aspen Plus para los modelos propuestos.

• Evaluar los diferentes modelos escogidos por medio de distintos ejemplos.

• Recopilar la información en forma digitalizada para facilitar al usuario (estudiante)

su manejo.

• Comparación con Excel del modelo

4. DESARROLLO DEL MANUAL Y EL CD INTERACTIVO

A continuación se desarrollará el manual paso a paso con el cual se desea que los

estudiantes y profesores de la universidad de los Andes puedan de una forma sencilla y

didáctica manejar el simulador Aspen Plus para procesos de intercambio de calor. En

este documento también se podrá encontrar el CD interactivo el cual ha sido realizado

por medio de hipervínculos en el programa PowerPoint para poder ser usado en

cualquier computador dentro de las instalaciones de la universidad.

5. TEORIA

5.1 PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

En este capítulo se entrara a describir de una forma concisa y general, aquellos

procesos de intercambio de calor que deben ser entendidos por el usuario antes de entrar

a manejar el simulador.

5.1.1 Transferencia de Calor

La transferencia de calor esta definida como: la razón de intercambio de calor

entre cuerpos calientes y fríos llamados fuente y recibidor.

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5.1.7 Teorías de Calor

Es necesario entender la naturaleza del calor para entender los procesos de

transferencia de calor, sin embargo es difícil debido a las muchas formas que tiene este

y por lo tanto no se pueden abarcar con una sola teoría.

Para entender la transferencia de calor es necesario estudiar los fenómenos

básicos. Todos los materiales existentes sobre la tierra poseen una fase física, ya sea

sólida, liquida o gaseosa que están asociadas a su nivel de energía. Si se encuentra en

un estado sólido, esto significa que las moléculas o átomos están muy cercanos,

mientras que para el estado liquido estas tienen la suficiente energía térmica para

extender la distancia entre las molécula y en un estado gaseoso la separación es

relativamente completa.

Se ha establecido que, dondequiera que ocurra un cambio de fase fuera de la

región critica, se involucra una gran cantidad de energía en esa transición. La región

crítica de una sustancia es

Para una misma sustancia en sus diferentes fases, sus varias propiedades

térmicas tienen diferente orden de magnitud. Así mismo, en cualquier cuerpo que

absorba o pierda calor, deben guardarse especiales consideraciones respecto a si el

cambio es de calor latente, sensible o de ambos.

5.1.8 Mecanismos de Transferencia de Calor

Existen 3 formas diferentes como el calor puede pasar de la fuente al recibidor:

conducción, convección y radiación. Siendo las dos primeras las mas usadas en

ingeniería.

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• Conducción La conducción esta relacionada con el flujo de calor a

través de una material fijo. Si existe una fuente de calor de lado de una pared, se sabe

que

xTKJ

∂∂

= (1)

Es de conocimiento que la cantidad de flujo de fluido es directamente

proporcional a la diferencia de potencia e inversamente proporcional a la resistencia en

el sistema.

sistenciaPotencialFlujo

Re∝ (2)

Por otra parte la conductancia es la recíproca de la resistencia al flujo de calor,

PotencialaConductaciFlujo ×∝ (3)

Cuando la conductancia se reporta para una cantidad de material de un pie de

grueso con un área de flujo de un pie 2, la unidad de tiempo 1 hora y la diferencia de

temperatura en 1 ºF se llama conductividad térmica k, entonces

LkAaConductaci = (4)

tLAkQ ∆= (5)

Siendo la resistencia

LAkR = (6)

La transferencia de calor en una pared plana es constante en toda su trayectoria

del flujo de calor. Si existe una pared compuesta, la resistencia va a estar en serie ya que

que el flujo de calor por hora es proporcional al cambio de temperatura a través de la

pared y el área de la pared, conocida como la Ley de Fourier.

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el calor debe atravesar cada una de las pareced con sus grosor especifico, dando de esta

forma una diferencia total de temperatura a la resistencia total.

En un tubo el área de la trayectoria del flujo de calor aumenta con el radio. Para

tuberías, se asume siempre que la superficie externa fría se mantiene a temperatura

constante. La temperatura de la pared exterior depende de la resistencia entre la

superficie fría y la caliente y la habilidad de la atmósfera más fría que rodea al tubo para

remover el calor.

• Convección La convección por otro lado es la trasferencia de calor entre

partes relativamente calientes y frías de un fluido por medio de mezcla. Existen dos

tipos de convección: la natural donde no existe un movimiento mecánico y la forzada

provocada por un agitador.

thAQ ∆= Ley de enfriamiento de Newton (6)

Donde h es un término sobre el cual tiene influencia la naturaleza del fluido y la

forma de agitación, es llamado el coeficiente de transferencia de calor. Para el caso de

la convección se tiene que existe una serie de resistencia que pueden ser medidas

independientemente como resistencia interior, resistencia exterior de un tubo o pared. El

inverso de estas resistencias es lo que se conoce como coeficientes individuales de

película o coeficiente de película. Este es una medida del flujo de calor por unidad de

superficie y por unidad e diferencia de temperatura BTU/ (h) (pie2) (ºF), incida la razón

o velocidad a la cual fluido tiene una variedad de propiedades físicas bajo distintos

grados de agitación para transferir calor. Para el caso de tubos, influye sobre h el

tamaño del tubo y si el fluido esta dentro o no del tubo.

Rh 1

= (7)

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Para el estudio de los mecanismos de transferencia de calor, es necesario

conocer una de las propiedades más importantes, la viscosidad. Se asume que donde

existe una fase sólida y liquida no hay corrimiento entre el sólido y el líquido, que el

esfuerzo de corte es proporcional al esfuerzo en dirección perpendicular al movimiento

(Regla de Newton).

segundocentimetromasagramos

×−

=µ poise (8)

horapiemasalibra

×−

=µ centipoise (9)

El poise o centipoise son conocidos como viscosidad absoluta, mientas que la

viscosidad cinemática el la división de esta viscosidad absoluta en la gravedad

especifica.

Como la convección se realiza por medio de mezcla de fluidos, existen dos tipos

de flujos que hacen parte de la convección. El flujo turbulento que como su nombre lo

indica es en forma de torbellino o turbulencia y el flujo laminar o paralelo que es el

deslizamiento de cilindros concéntricos donde la distribución de velocidades es

parabólica, siendo el máximo en el centro y cero e las paredes del tubo.

El tipo de flujo depende de: velocidad, densidad, viscosidad, diámetro de tubo.

Para determinar si un fluido posee un flujo turbulento o laminar, se usa la ecuación de

Reynolds.

µρDV

=Re (10)

Donde el flujo es turbulento si esta por encima de 2300. Cabe notar que la

convección solamente esta dada por el flujo turbulento mas no por el laminar.

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• Radiación La radiación por otros lado, a diferencia de la conducción y

la convecino que necesitan de un material para ser transmitidos, no requiere de la

intervención de un medio y puede transmitirse a través de el vacío absoluto.

5.1.9 Diferencia de Temperatura

La diferencia de temperatura es la fuerza motriz, mediante la cual el calor se

transfiere. En un proceso, las temperaturas del proceso son aquellas temperaturas de

entrada y salida de los fluidos. Cuando dos flujos viajan en direcciones opuestas al

mismo lado de un tubo se conoce como flujo en contracorriente, mientras que si van

hacia un mismo lado es un flujo en paralelo.

• Coeficientes Totales de Transferencia de Calor Por lo general se

conocen las temperaturas del proceso de entrada y salida, es así como se calcula la

diferencia de temperatura entre las dos, dando una temperatura general T para el fluido

caliente y una temperatura t para el fluido frío. En la Figura 1. se puede ver como es la

variación de la temperatura con respecto a la longitud del tubo para flujo paralelo y flujo

en contracorriente.

Flujo en Paralelo Flujo en Contracorriente

t1

T1

T2

t2

T2

t1

T1

t2

X X

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Figura 1. Variación de la temperatura en un tubo concéntrico para flujos en paralelo

y contracorriente con respecto a la longitud del tubo (Fuente: Kern, Donald,

Procesos de Transferencia de Calor, Vigésima segunda Edición – 1990.)

Cuando se tienen tubos concéntricos para el fluido en paralelo o en contracorriente,

las resistencias van a ser la suma de la resistencia de película del fluido en el tubo, la

resistencia de la pared del tubo y la resistencia de la película del fluido en el anulo, de

tal forma que

hoKmLm

hiU111

++= (11)

donde U es denominada Coeficiente total de transferencia de calor.

• Promedio Logarítmico de la Diferencia de Temperatura El promedio

logarítmico de la diferencia de temperatura o LMTD se debe a que por lo general los

fluidos experimentan un cambio de temperatura no lineales cuando se grafica la

temperatura contra la longitud como en la grafica anterior. Debido a esto el LMTD es

distinto para el fluido en paralelo y el fluido en contracorriente.

• Fluido en Contracorriente Para este tipo de fluidos se debe tener en

cuenta las siguientes suposiciones:

a. El coeficiente total de transferencia de calor U es constante en toda la trayectoria

b. Las libras por hora de fluido que fluye son constantes, obedeciendo a los

requerimiento s de estado estable

c. El calor especifico es constante sobre toda la trayectoria

d. No hay cambios parciales de fase en el sistema.

e. Las perdidas de calor son despreciables.

El calculo de este se realiza como:

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ttLn

ttt

∆∆

∆−∆=∆ 211 tTt −=∆ 122 tTt −=∆ (12)

• Fluido en Paralelo En este caso las suposiciones son iguales pero los fluidos

fluyen ambos en la misma dirección, se tiene entonces que:

12

12

ttLn

ttt

∆∆

∆−∆=∆ 221 tTt −=∆ 112 tTt −=∆ (13)

5.1.10 Flujo en Contracorriente

Se entrará a analizar más a fondo este tipo de flujo ya que la mayoría de

intercambiadores de calor usa este tipo. Como se sabe los intercambiadores son

maquinas que recuperan calor entre dos corriente en un proceso.

• Coeficientes de Película para Fluidos en Tuberías y Tubos El flujo laminar

esta dado cuando 2100<µ

DG en la forma de la ecuación

14.03/1

86.1 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

wLD

kcDG

khiD

µµµ

µ (14)

wµ es la viscosidad del fluido a la temperatura T del tubo.

En el caso de que µ

DG sea mayor a 2300, significaría flujo turbulento y la

ecuación estaría descrita como:

Page 28: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

14.03/18.0

027.0 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

wkcDG

khiD

µµµ

µ (15)

• Fluidos que Fluyen en un Anulo: Diámetro Equivalente En el caso de que un

fluido viaje por un conducto de sección distinta a la circular, como en un anulo se

deben expresar los coeficientes de transferencia de calor y factores de fricción por

medio de los mismas ecuaciones y curvas usadas para tubería y tubos. Se maneja por lo

tanto el Diámetro Equivalente De el cual es cuatro veces el radio hidráulico, siendo este

la razón del área de flujo al perímetro húmedo.

( )1

21

22

1

21

22

44

...44

DDD

DDD

humedoperimetroflujodearearDe h

−=

−=

×==

ππ

(16)

Para la caída de presión, existe no solamente fricción por la resistencia del tubo

exterior sino también por la superficie exterior del tubo interior, quedando

( )( ) 12

12

21

22

44

.....4´ DD

DDDD

fricciondehumedoperimetroflujodeareaeD −=

−−

=ππ

(17)

En la Figura 2. se puede observar los distintos diámetros que se necesitan para el

desarrollo de la ecuaciones descritas anteriormente.

D2

D1

tc

Tc

tw

hio

ho

hi

Page 29: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

Figura 2. Diámetros de los ánulos y localización de coeficientes. (Fuente: Kern,

Donald, Procesos de Transferencia de Calor, Vigésima segunda Edición – 1990)

• Coeficientes de Película en Anulos Debido a que para intercambiadores de

doble tubo se utiliza la superficie exterior del tubo interior como la superficie de

referencia en tUAQ ∆= , y como hi se ha determinado para Ai y no para A, toca que

esta sea corregida como el diámetro exterior hio.

DEDIh

AA

hh ii

iio == (18)

donde DI y DE son para el tubo interior.

• Factores de Obstrucción Los coeficientes totales de transferencia de calor

requeridos se obtienen independientemente de los dos coeficientes de película,

despreciando la resistencia del tubo.

oio

oio

oiooio

C hhhh

hhRR

U +=+=+=

111 Coeficiente limpio (19)

Este coeficiente limpio no tiene en cuenta aquellas incrustaciones o basuras que

después de entrar en uso el intercambiador quedan en su interior. Por lo tanto se debe

manejar un factor de obstrucción Rd con Rdi como factor de obstrucción del tubo interior

en el diámetro interior y Rdo como el factor de obstrucción del tubo interior en el

diámetro externo. De esta forma se llega al Coeficiente de Diseño,

RdU

RdRdUU C

oiCD

+=++=111 (20)

Page 30: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

• Caídas de Presión en Tuberías y Anulos La caída de presión que se permite es

aquella presión estática que se debe gastar para mover el fluido a través del

intercambiador. Para las tuberías la caída de presión esta descrita por la Ecuación de

Fanning,

DgLfGF 2

2

24

ρ=∆ (21)

donde f es el factor de fricción y esta descrito para flujo laminar como µ

DGf 16= y para

flujo turbulento como 32.0

125.000140.0

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

µDG

f .

La caída de presión para un anulo difiere de aquellas en tuberías, siendo

representada por,

eDgLfGF'2

42

2

ρ=∆ (22)

Para este tipo de intercambiadores la caída de presión a la entrada debe ser

tomada en cuenta por medio de la ecuación de Cabeza de Velocidad siempre y cuando

la velocidad sea mayor a 3 ft/sg, pues a menores se considera despreciable.

'2

2

gV (23)

• Intercambiadores con Corrección por Viscosidad Cuando la temperatura de

la pared del tubo es bastante distinta a la temperatura calorica del fluido controlante y

este es viscoso, se debe tomar en cuenta 14.0

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

wµµφ , de lo contrario como siempre se

ha hecho este valor es igual a 1. De esta forma se llega a la forma corregida de los

coeficientes de película.

Page 31: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

aa

oo

hh φ

φ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (24)

pp

oo

hh φ

φ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= (25)

5.1.11 Intercambiadores de Tubo y Coraza

Estos intercambiadores son los más usados en la industria ya que mejoran la

transferencia de calor con respecto a otros equipos. De todas formas aunque estos

equipos mejoran la transferencia de calor, es necesario tener grandes superficies,

haciendo que estos también tengan más puntos de fuga.

• Tubos para Intercambiadores de Tubo y Coraza Por lo general en este tipo

de intercambiadores el diámetro exterior del tubo es dado como el diámetro real en

pulgadas, sin embargo existe otra nominación llamada BWG o calibrador Birgmingham

que determina el grueso de la pared.

• Espaciado de los Tubos Los tubos están organizados por medio de una serie de

arreglos entre los tubos que permiten mayor transferencia de calor dependiendo del

fluido. La distancia mas corta entre 2 orificios adyacentes se denomina claro o ligadura

(C) y por lo general es estándar. PT significa el espaciado entre tubos que es medido

como la menor distancia de centro a centro de tubos adyacentes. Los arreglos que se

usan generalmente son de tipo:

Page 32: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

Figura 3. Arreglos más usados en el diseño de intercambiadores

de calor. (Fuente: Kern, Donald, Procesos de Transferencia de

Calor, Vigésima segunda Edición – 1990)

Donde el espaciado cuadrado es de fácil limpieza y tiene poca caída de presión,

los mas usados son ¾ plg DE en espaciado de 1plg y de 1plg DE en espaciado de 1 ¼

plg. Sin embargo los arreglos triangulares también son de uso general con

especificaciones de ¾ plg DE en espaciado de 1 plg y 1 plg DE en espaciado de 1 ¼ plg.

• Corazas Existen corazas hasta de 12 plg de diámetro IPS en tubo de acero,

aquellas corazas sobre 12 plg incluyendo la de 24 plg, el DE y el diámetro nominal son

los mismos. El grueso estándar para corazas es de 3/8 plg con DI de 12 plg a 24 plg

incluyendo esta.

• Deflectores Estos son discos que están colocados en el interior de la coraza y

por fuera de los tubos para inducir turbulencia y de esta forma elevar la transferencia de

calor. La distancia de centro a centro entre deflectores es llamado el espaciado de

deflectores. Usualmente el espaciado entre deflectores no es mayor a una distancia igual

al diámetro interior de la coraza o menos a 1/5 de este. El espaciado es el que determina

la velocidad efectiva del fluido en la coraza.

Los deflectores que se usan con mayor regularidad son aquellos que poseen una

Page 33: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

altura equivalente al 75% de la altura del diámetro interior de la coraza o deflectores

con 25% de corte, con el la Figura 4.

Figura 4. Deflector más usado con corte de 25%. (Fuente: Kern,

Donald, Procesos de Transferencia de Calor, Vigésima segunda

Edición – 1990)

• Diámetro Equivalente al Lado de la Coraza El diámetro equivalente se toma

como 4 veces el radio hidráulico obtenido, teniendo en cuenta que do es el diámetro

exterior del tubo.

humedoperimetrolibreareaDe

..4×

= (26)

o

oT

e d

dPd

π

π ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −×

=44

22

Arreglo cuadrado (27)

o

oTT

e d

dPPd

π

π

21

22

12

1486.04 ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −××

= Arreglo triangular (28)

Page 34: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

• Caída de Presión al Lado de la Coraza La caída de presión en la coraza es

proporcional al número de veces que el fluido cruza el haz entre los deflectores y la

distancia a través del haz.

sdeflectoredeEspaciadotubodelLongitudNcrucesNumero

....1. =+= (29)

N es el número de deflectores.

• Caída de Presión en los Tubos Se usa la ecuación

DgLfGF 2

2

24

ρ=∆ (30)

siendo ρFP ∆=∆ . Esta se puede usar siempre y cuando el fluido sea isotérmico,

pero para aquellos fluidos que no lo son se puede relacionar con la ecuación

te

ntt sD

LfGP

φ10

2

1022.5 ×=∆ (31)

Donde n es el número de pasos, L la longitud del tubo y Ln es la longitud total de la

trayectoria en pies, cuyas correlaciones están graficadas en el Anexo A de este

documento.

Debido a que este intercambiador puede llegar a posee cambios de dirección, se

introduce una nueva caída de presión rP∆ con la ecuación

'24 2

gV

snPr =∆ Lb/plg2 (32)

V = velocidad (pie/seg)

S = gravedad específica

g’ = aceleración de la gravedad (pie/plg2)

Page 35: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

Dando de esta forma una caída de presión para los tubos de:

rtT PPP ∆+∆=∆ Lb/plg2 (33)

6. GENERALIDADES DE ASPEN PLUS

A continuación, se explicará de una forma breve y sencilla el software “ASPEN

PLUS”, el cual ha sido utilizado para el desarrollo de esta tesis.

6.1 ¿QUE ES ASPEN PLUS?

Aspen es un programa de computador para la simulación de procesos en estado

estable por medio un “flowsheet”. Dentro de los programas de simulación se

encuentran otros que están comercialmente disponibles como: PRO II ( Simulation

Sciences), HYSIM (Hyprotech) y ChemCad (Chemstation), siendo Aspen Plus uno de

los mejores.

El programa ha sido desarrollado para la simulación de:

a. Procesos químico y petroquímicos

b. Procesos basados en carbón

c. Refinación de Petróleos

d. Procesos poliméricos

6.1.1 Como Trabaja Aspen Plus

La unidad básica de trabajo para Aspen Plus son los Modelos de Bloques. Aspen

Plus cuenta dentro de su modelos con: operaciones unitarias (columnas de destilación,

reactores, intercambiadores de calor, etc.) y operaciones relacionadas a tuberías.

Page 36: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

Para el usuario es importante lograr un arreglo adecuado de todas las distintas

operaciones para la simulación efectiva del modelo. Un usuario ensambla un

“flowsheet” seleccionando y conectando apropiadamente los modelos de bloques y

especificando los parámetros para estos modelos. Además Aspen Plus logra solucionar

de forma secuencial las corrientes de salida una vez dadas las especificaciones para las

corrientes de entrada y los parámetros de los modelos de bloques.

6.1.2 Modelo de Bloques

Figura 5. Diagrama del modelo usado por Aspen Plus. (Fuente: AspenTech, Manual

del Usuario en Aspen Plus)

6.1.3 Componentes de Aspen Plus

Aspen Plus tiene dentro de su programa una librería que cuenta con todos los

distintos modelos de operaciones unitarias. Además cuenta en su interior con sistema

de propiedades físicas y modelos como densidad, entalpía, equilibro liquido-liquido,

equilibrio vapor-liquido, etc.; bases de datos para componentes puros y binarios, y

cuenta con la capacidad de estimar valores que falten por medio de interpolaciones o

Corrientes de Entrada Corrientes de Salida

Parámetros del Modelo Propiedades Físicas

Page 37: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

extrapolaciones. Las hojas de cálculo tienen la capacidad de hacer converger aquellos

procesos de reciclaje para lograr una simulación acertada.

Aspen Plus tiene algunas características importantes que deben ser tomadas en

cuenta a la hora de la realización de una simulación. Además de contar con operaciones

básicas para los distintos procesos, Aspen Plus es capaz de realizar análisis de

sensibilidad y estimación y evaluación de costos y rentabilidad. Aspen Plus logra la

optimización de procesos, genera los respectivos diagramas de flujo y muestra al

usuario: "physical properties data regression”.

6.1.4 Librerías de Aspen Plus

Dentro del simulador existen una serie de librerías que especifican el tipo de

unidades de proceso que se pueden simular.

LIBRERÍA I

MEZCLADORES Y DIVISORES

MIXER Suma dos o mas corrientes

FSPLIT Toma una corriente y la divide en dos

SEP Separa un componente de una corriente

“FLASHERS” E INTERCAMBIADORES DE CALOR

FLASH2 Dos flash de salida

FLASH3 Tres flash de salida

HEATER Calentadores y Refrigeradores

HEATX Intercambiador de Calor de dos corrientes

MHEATX Intercambiador de Calor multicorrientes

DECANTER Decantador liquido-liquido

LIBRERÍA II

REACTORES

RSTOIC Reactor Estequiométrico

RYIELD Reactor “yield”

Page 38: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

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REQUIL Reactor de Equilibrio

RGIBBS Reactor de Equilibrio

RCSTR Reactor de tipo CSTR (requiere modelo

cinético)

RPLUG Reactor de flujo “plug” (requiere modelo

cinético)

RBATCH Reactor tipo Batch (requiere modelo cinético)

LIBRERÍA III

SEPARADORES

DISTIL Diseño corto de destilación

DISTWU “shorcut distillation rating”

RADFRAC Destilación rigurosa

EXTRACT Extracción liquido-liquido rigurosa

RATEFRAC Destilación basada en “rate” (requiere licencia

especial)

BATCHFRAC Destilación en batch (requiere licencia

especial)

PETROFRAC Destilación rigurosa para el petróleo

LIBRERÍA IV

PROCESOS DE SÓLIDOS

CYCLONE ciclón separador

VSCRUB “ventury scrubber”

CRYSTALLIZER Cristalizador para remoción de productos

mezclados en una suspensión mezclada

CRUSHER “crusher”de sólidos

SCREEN Separador de sólidos

FABL Filtro “Fabric”

Page 39: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

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HYCYC Hidrociclón

CFUGE Centrifuga

FILTER Filtro de rotación al vacío.

SWASH Limpiador de una sola etapa para sólidos

LIBRERÍA V

“FLUID MOVERS”

COMPR Compresor o Turbina

MCOMPR Compresor o Turbina multietapas

PUMP Bomba/ “hydraulic”

TUBERIAS

PIPELINE Tuberías de múltiples segmentos

PIPE Tubería de un solo segmento

VALVE Válvulas

Tabla 1. Librerías en Aspen Plus con sus modelos. (Fuente: AspenTech, Manual del

Usuario de Aspen Plus)

6.1.5 Propiedades Físicas de Aspen Plus

Aspen Plus tiene dentro de sus sistemas un colección de métodos para evaluar

las propiedades termodinámicas como la entalpía, densidad y los valores de K así como

las propiedades de transporte como la viscosidad. Estos métodos son llamados dentro

del programa como Option Set.

SISTEMA I

IDEAL Gases ideales/ Ley de Raoult y Ley de

Henry

RK-SOAVE Ecuación de Redlich-Kwong-Soave

PENG-ROB Ecuación de Peng-Robinson

Page 40: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

WILSON Ecuación de Redlich-Kwong/ NTRL

NTRL Ecuación Redlich-Kwong/ UNIFAC

UNIFAC Ecuación Redlich-Kwong/UNIFAC

UNIQUAC Ecuación Redlich-Kwong/UNIQUAC

Tabla 2. Métodos para el valor de Kq dentro de Aspen Plus. (Fuente: AspenTech,

Manual del Usuario de Aspen Plus)

SISTEMA II

PURECOMP Parámetros para 1550 compuestos (casi

todos orgánicos)

INORGANIC Datos para 2450 compuestos (casi todos

inorgánicos)

AQUEAOUS Datos para 900 especies iónicas

SOLIDS Datos para 3314 compuestos sólidos

COMBUST Banco de datos especiales para altas

temperaturas, realización de cálculos

para la fase gaseosa (59 compuestos y

radicales libres)

Tabla 3. Datos de bancos que dan parámetros para los distintos compuestos. (Fuente:

AspenTech, Manual del Usuario de Aspen Plus)

¿Pero que sucede si dentro de Aspen Plus no existe un banco de datos que tenga

los datos necesitados por el cliente? Pues Aspen posee un SISTEMA III que tiene la

capacidad de extraer un dato específico a partir de otros datos impuestos al sistema, esto

lo puede hacer por medio de una regresión de datos o la estimación de alguno de ellos.

Sin embargo hay unos límites para esto, solamente logra estimar datos para

componentes puros y aquellos que se encuentren en equilibrio vapor-liquido o líquido –

liquido por medio de la utilización del método UNIFAC.

Page 41: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

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Por otra lado Aspen Plus cuenta con una librería donde se encuentran todos los

compuestos químicos con sus formulas. Aspen provee al usuario de un buscador donde

se puede buscar el compuesto por nombre genérico o formula química.

7. ASPEN PLUS PARA INTERCAMBIADORES DE CALOR

La metodología con la cual Aspen Plus realiza sus cálculos, esta basada en la

lógica dictada por Donald Kern en su libro “Procesos de transferencia de calor”.

En seguida se verán los pasos que Aspen Plus modela.

a. Balance de calor TCpMQ ∆××= (34)

b. LMTD LMTDFAUQ ×××= (35)

Figura 6. Ecuaciones de

Efectividad Térmica.

(Fuente: Kern, Donald,

Procesos de Transferencia de

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Calor, Vigésima segunda Edición – 1990)

Donde

F= Factor de corrección LMTD.

R: Razón de las capacidades (WCpf)/ (WCpc)

P*: Efectividad térmica por unidad de área.

Figura 6.1. Ecuaciones para el Factor de

Corrección. (Fuente: Kern, Donald,

Procesos de Transferencia de Calor,

Vigésima segunda Edición – 1990)

c. Calculo coeficientes transferencia de calor ch

ch

hhhhU

= (35)

d. Calculo del coeficiente total de diseño TAQU ∆××= (36)

e. Calculo caídas de presión )(geometriafP =∆ (37)

8. MODELOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

DESARROLLADOS EN ASPEN PLUS

Dentro del programa Aspen Plus, existe una librería de modelos para la producción

de procesos químicos. Uno de ellos son los INTERCAMBIADORES DE CALOR.

Aspen Plus en su interfase posee distintos modelos de intercambiadores de calor, cada

uno de ellos con un propósito y uso especifico. En esta guía se trataran a fondo los tres

(3) primeros modelos propuestos por Aspen Plus: Heater, HeatX y MHeatX.

Aspen Plus posee una gama de distintos modelos para la simulación de

intercambiadores de calor:

a. Heater

b. HeatX

Correlaciones de Aspen Plus

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IQUI 2003-2-26

c. MHeatX

d. Heatran

e. Aerotran

f. HxFlux

g. HTRIXist

En esta guía se trataran a fondo los tres (3) primeros modelos propuestos por Aspen

Plus: Heater, HeatX y MHeatX.

8.1 MODELO HEATER

Este tipo de modelo esta diseñado para la simulación de calentadores y

refrigeradores, donde se determinan las condiciones térmicas y de fase de la corriente de

salida. Es usualmente utilizado para calentadores, refrigeradores, condensadores,

válvulas, bombas (siempre y cuando no se exija una respuesta en relación al trabajo

hecho) y compresores (donde no sea necesario una respuesta con relación al trabajo

hecho). Da como resultados la condición térmica y el equilibrio de fases en la corriente

de salida.

Cuando se especifican las condiciones de salida, el modelo determina las

condiciones térmicas y de fase de una mezcla de uno o varias corrientes de entrada.

Las distintas corrientes se muestra en la Figura 7 de la forma como el simulador

las toma para realizar sus calculos internos.

Page 44: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

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Figura 7. Hoja de Conectividad para el modelo Heater. (Fuente: AspenTech, Manual

del Usuario de Aspen Plus)

8.1.4 Corrientes

En la entrada de materiales, al menos se debe especificar una corriente. Las

corrientes de decantación de agua y de calor, son opcionales.

a. In: Mínimo requiere T o P y carga calorífica.

b. Out: Estado termodinámico de una corriente (T y equilibrio de fases).

8.1.5 Características

Si se le da una especificación (temperatura o presión), Heater usa la suma de las

corrientes de entrada de calor como una especificación de trabajo, sino usa estas

corrientes de entrada para calcular el calor neto.

Calor neto = Σ corrientes de entrada – calor calculado

8.1.6 Formatos

Material (varios)

Calor (opcional)

Material

Calor (opcional) Agua (opcional)

Page 45: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

Para lograr ver los resultados, es necesario entrar las especificaciones necesarias.

Aspen Plus posee un formato donde se puede lograr entrar condiciones de operación,

tablas para tabulación de resultados, etc. Cada una de las operaciones posee su propio

formato en Aspen Plus:

a. 1. Input Entra condiciones de operación y parámetro para la convergencia

flash

b. 2. Hcurves Especifica las tablas de curvas para calentamiento o enfriamiento

y tabula los resultados mostrándolos.

c. 3. Block Options Override global values for physical properties, simulation

options, diagnostic message levels, and report options for this block

d. 4. ResultsView Resultados del modelo Heater

A continuación se mostraran los formatos en forma general con su uso y

especificaciones:

Formato para Entrada de Heater Setup

Se usa esta hora para entrar las condiciones de operación. Dentro de este formato

existen dos hojas:

Specifications

Condiciones y fases validas para el

modelo Heater. Se usa esta hoja para

especificar: las condiciones del modelo

Heater y las fases validas. Se pueden

realizar combinaciones para la operación

requerida entre distintas

especificaciones.

Flash Options

Estimativos de temperatura y presión,

parámetros de convergencia flash.

Formato Hcurve

Se utiliza este tipo de formato para especificar los parámetros para la realización de

curvas, tablas o graficas para el intercambiador de calor o refrigeradores. Cada una

de estas tablas y graficas pueden incluir: temperatura, presión, fracción de vapor y

Page 46: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

otras propiedades que se encuentren entre los puntos de salida y entrada o una lista

de puntos especificados. Se usa esta este formato para:

Setup

Especificar variables independientes, el

rango de las variables y un perfil de

presiones.

Additional Properties

Otras propiedades que pueden ser

calculadas y que se encuentran dentro de

un grupo existente de propiedades en

Aspen Plus.

Result

Muestra los resultados tabulados

incluyendo: errores, puntos de

ebullición, punto de evaporación,

presiones, temperatura, fracción de vapor

entre otros.

Formato Block Options

Se usa para dar un vistazo general a todos los valores de propiedades físicas,

opciones de simulación, niveles de diagnostico, opciones de orientación de

ecuaciones y reportes. Aquellas especificaciones que se hagan en este formato solo

serán aplicadas a este bloque específico. Este formato contiene las siguientes hojas:

Properties Property

Opciones para el cálculo de electrolitos y

petróleo. Esta posee métodos para el

cálculo de: componentes de Henry,

reacción química para electrolitos,

método para cálculo de propiedades

físicas para fases libres de agua, pero

también método de cálculo para

solubilidad del agua en fases orgánicas.

Simulation Options

Simulación de cálculos, ya sea para

especificar un balance de calor como

para reiniciar el criterio de cálculos de un

bloque.

Diagnostics

Da un diagnostico en todos los niveles

EO Options

Utilizado para orientar la solución de

Page 47: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

por medio de mensajes, ya sean

propiedades físicas, corrientes,

simulación.

ecuaciones, aquí se puede especificar los

componentes activos dentro de un grupo

de componentes, describir el método

usado. Cualquier opción especificada en

esta hoja va a anular aquellas hechas en

otro EO Options para el bloque

específico.

EO Var/Vec

Variables secuénciales modulares para

exponer como variables en una ecuación

orientada. Se utiliza esta opción para

poder manipular una variable que ha sido

especificada en un bloque en particular.

Por ejemplo, si se especifica una variable

fija en un bloque y se quiere manipular

esta desde la ejecución, usted especifica

la variable desde esta hoja. EO Var se

utiliza para especificar una variable para

un bloque escalar o EO Vec para

especificar un vector de un bloque.

Report Options

Usada para incluir o no información en

el reporte generado.

Formato de Heater Results

Esta hoja es usada para ver los resultados de un bloque. Existen distintos tipos de

hojas para verlo.

Page 48: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

Summary

Es un resumen de todas los resultados en

un bloque, dentro de ellas tenemos:

temperatura de salida, presión de salida,

fracción de vapor, transferencia de

calor, trabajo total y la proporción molar

de la primera fase liquida cuando existen

cálculos de 3 fases o libres de agua.

Balance

Da el balance de energía y masa

alrededor de un bloque. Esta se puede

presentar en 3 formas: Total,

Componentes convencionales y

Componentes no convencionales. En el

total se presentan flujo molar, el flujo

másico, y la entalpía, para los

componentes convencionales los flujos y

para los no convencionales solo el flujo

másico.

Phase Equilibrium

Equilibrio de la alimentación, fracciones molares liquido/vapor y valores para K

cuando existen dos o 3 fases de cálculos flash.

Tabla 4. Formatos para el modelo Heater (Fuente: AspenTech, Manual del Usuario de

Aspen Plus)

8.2 MODELO HEATX

Este diseñado para la modelación de intercambiadores de calor entre dos

corrientes y posee una serie de cálculos: corto, detallado y riguroso. Dentro del calculo

detallado existen 3 tipos de simuladores: Design, Rating y Simulation. En este modelo,

si se conoce la geometría del intercambiador se puede modelar una variedad de ellos:

contracorriente y paralelo, tipo de coraza, tipo de tubos, etc. Calcula los coeficientes de

película, análisis de vibraciones y estimación de factores de ensuciamiento, además de

determinar su condición térmica y el equilibrio.

Page 49: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

8.2.1 Corrientes

Para este tipo de intercambiador, existen dos corrientes de entrada mínimas: el

material de entrada frío y el material de entrada caliente. En este modelo por cada

corriente de entrada, existe una corriente de salida.

Además HeatX posee dos corrientes opcionales:

a. Agua de decantamiento para el lado caliente

b. Agua de decantamiento para el lado frío

La Figura 7 muestra las corrientes que este tipo de modelo trabaja.

Figura 8. Hoja de Conectividad para el modelo MHeatX. (Fuente: AspenTech, Manual

del Usuario de Aspen Plus)

8.2.2 Características

HeatX puede modelar una gran variedad de tipos de coraza y tubos incluyendo,

paralelo y contracorriente, baffles segmentados con tipos de coraza TEMA E, F, G, H, J

y X, baffles tipo “Rod” para corazas TEMA E y F y tubos con o sin aletas. Además

HeatX puede realizar un análisis de toda la zona estimando los coeficientes de

transferencia de calor y caídas de presión para corrientes de una o dos fases. Para

Material Caliente Material Caliente

Agua (opcional)

Agua (opcional)

Material Frío

Material Frío

Page 50: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

cálculos de caída de presión y transferencia de calor rigurosa, se debe entrar la

geometría del intercambiador. Sin embargo cuando la geometría del intercambiador no

se sabe o no es importante, HeatX puede realizar cálculos simples por medio del tipo

Shortcut.

HeatX puede realizar cálculos de diseño, análisis de vibración mecánica,

estimación de factores Fouling y posee correlaciones para estimar el calor sensible y

coeficientes de película.

8.2.3 Formatos

Al igual que el modelo Heater, HeatX posee una serie de formatos que el usuario

debe llenar para la simulación exitosa. Algunos de estos formatos serán usados

dependiendo del tipo de cálculos que se vayan a llevar a cabo. Los formatos para este

modelo son:

a. Setup Aquí se especifica el tipo de cálculo (corto, detallado o riguroso), la

dirección del flujo, caídas de presión, método de cálculo para el coeficiente de

transferencia de calor y los coeficientes de película.

b. Options Especifica distintos parámetros de convergencia flash y las fases validad

para los lados caliente y frío, también los parámetros de convergencia y la opción

para reportar un bloque especifico.

c. Hetran Options Especifica el nombre del archivo Hetran entrado, los parámetros

para el calculo de las curvas de propiedades y otras opciones del programa.

d. Hetran Browser Especifica los datos cuando se usa el tipo de calculo

Hetran riguroso.

e. Geometría Muestra las configuraciones de la coraza y los tubos.

f. Hot-Hcurves Especifica las tablas de curvas calientes y frías para la corriente

caliente y muestra resultados tabulados.

g. User Subroutines Especifica los parámetros cuando se define la subrutina

Fortran para calcular el coeficiente de transferencia de calor total, el factor de

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IQUI 2003-2-26

corrección LMTD, retención de liquido en el lado de los tubos o la caída de

presión en este mismo lado.

h. Dynamic Especifica los parámetros para simulaciones dinámicas

i. Block Options Prevalecen los valores globales para la propiedades física,

opciones de simulación, mensajes de diagnostico y reporta las opciones para este

bloque.

j. Thermal Results Muestra el resumen de los resultados para masa, balances

de energía, caídas de presión, velocidades y perfiles de análisis por zonas.

k. Geometry Results Muestra los resultados a detalle de la coraza y los tubos y

toda su información.

l. Hetran Thermal Results Muestra los resultados generales y detallados para

el lado de la coraza y los tubos cuando se realizan cálculos de tipo Hetran

riguroso.

Formato de entrada HeatX Setup

Se utiliza este formado para entrar todos los parámetros generales de la simulación.

Existen 5 hojas que están contenidas en este formato:

Specifications

Especificar los parámetros de dirección

de flujo, especificación del

intercambiador, tipo de calculo (diseño,

evaluación o simulación), factor de

corrección LMTD y método de calculo

(corto, detallado o riguroso)

LMTD

Especificar el método de calculo usado

para LMTD o hacer que HeatX

Realice un análisis por intervalos cuando

se calcula LMTD para el tipo corto.

Pressure Drop

Método de cálculo para las caídas de

presión de las corrientes frías y calientes.

Se puede especificar una constante de

U Methods

Se usa para especificar como se quiere

que se calcule el coeficiente de

transferencia de calor para el

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IQUI 2003-2-26

caída de presión, hacer que HeatX

calcule la caída de presión por medio de

la geometría del intercambiador o que

esta sea usando una correlación

dependiente del flujo basado en un

parámetro de entrada dado.

Para cada lado del intercambiador se

pueden especificar todos los parámetros

anteriores.

intercambiador. Se pueden elegir las

siguientes opciones: un valor constante

que se entra, un valor calculado de la

geometría del intercambiador, o un valor

dado por una subrutina hecha por el

usuario.

Film Coefficients

Se puede especificar los coeficientes de película para el lado caliente y el lado frío

independientemente. Las opciones de cálculo son: un valor constante dado por el

usuario, un valor calculado por medio de la ley de los exponentes, valores distintos

para cada posible fase y un valor calculado de la geometría del intercambiador.

Formato “Options”

Este formato contiene las siguientes formas:

Flash Options

Especificaciones de tipo flash para las

dos corrientes de salida del

intercambiador. Este formato contiene:

los estimativos de presión y temperatura,

el máximo número de iteraciones y el

error de tolerancia. Para cada uno de los

lados del intercambiador se puede

especificar estos datos.

Covergence

Contiene los parámetros de convergencia

para la tolerancia, algoritmo de

convergencia, el número de iteraciones y

la temperatura mínima aproximada.

Report

Un reporte de todos los perfiles calculados en el bloque

Formato HeatX Hetran Options

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IQUI 2003-2-26

Hetran file

Se utiliza esta hoja para especificar el

nombre que se le va a dar al archivo que

contiene la información de la geometría

del intercambiador. También se puede

especificar si la corriente y la curva de

datos de propiedades generada por

Aspen Plus se escribirá en el archivo que

se entra al final de la simulación. Se

puede decidir o no escribir en el archivo

los parámetros y la geometría final al

final de la simulación.

Property Curves

Por medio de esta hoja se puede

controlar como Aspen Plus calcula las

curvas de propiedades, los parámetros

para generar estas curvas y que tan

seguido se deben actualizar. Se puede

especificar los parámetros

independientemente para las corrientes

frías y calientes.

Hetran Parameters

Para realizar cambiar ciertas entradas en

el programa incluyendo el factor de

Fouling y la rutina del intercambiador de

calor. Cada vez que se cambian estos

parámetros, Aspen Plus rehace toda la

simulación con esta información y son

guardados en el archivo al final de la

simulación.

Shell

En esta hoja se especifica la información

de la coraza del intercambiador, HeatX

usa esta información APRA calcular los

coeficientes de película y las caídas de

presión.

Formato HeatX Geometry

Tubes

Se especifica la información de los tubos

incluyendo, numero, tamaño, material.

Heat X toma esta información y la usa

para calcular los coeficientes de película

y las caídas de presión.

Tube Fins

Especifica las aletas externas de los

tubos y usa la información para calcular

los coeficientes de película y las caídas

de presión.

Baffles

Para especificar la información de los

Nozzle

Aquí se entra los diámetros internos de

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IQUI 2003-2-26

deflectores en el lado de la coraza del

intercambiador. En HeatX el tipo de

deflectores puede ser segmentado o no

(“Rod”). HeatX usa esta información

para calcular los coeficientes de película

y caídas de presión en el lado de la

coraza.

las boquillas de entrada y salida del

intercambiador. HeatX permite tan solo

una boquilla de salida y una boquilla de

entrada en cada lado del intercambiador.

Este parámetro es usado para calcular las

caídas de presión en el lado de la coraza

y de los tubos.

Tabla 5. Formato para el modelo HeatX. (Fuente: AspenTech, Manual del usuario para

Aspen Plus)

8.4 MODELO MHEATX

Este modelo representa el intercambio de calor entre múltiples corrientes frías y

calientes. Permite realizar un balance global de energía pero no toma en cuenta la

geometría del intercambiador. Aquí se puede realizar un análisis detallado y

riguroso de zonas para determinar los puntos “pinch”, curvas de enfriamiento y

calentamiento de todas las corrientes del intercambiador. Calcula los coeficientes

globales y lanza como resultado las temperaturas en las corrientes de salida. Este tipo

de modelo es una serie de intercambiadores de calor de tipo Heater.

8.3.1 Corrientes

Las corrientes de entrada en el modelo MHeatX debe ser por lo menos una para

el lado frío y para el lado caliente.

Al igual que para los otros modelos, por cada corriente de entrada existe una corriente

de salida y además hay la opción de modelar con una corriente de decantación de agua

por cada corriente que salga. Las corrientes se muestran a continuación para este

modelo.

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IQUI 2003-2-26

Figura 9. Hoja de Conectividad para el modelo MHeatX. (Fuente: AspenTech, Manual

del usuario de Aspen Plus)

Usted debe dar datos específicos de salida para cada corriente sobre un lado del

intercambiador de calor. En el otro lado se puede especificar cualquiera de las

MHeatX asume que todas las corrientes que no han sido especificadas tienen la

misma salida de temperatura. Un equilibrio de energía total determina la temperatura de

cualquier corriente (s) no especificada.

Usted puede usar un método de propiedades diferente para cada corriente en

MHeatX. Especifique los métodos de propiedades sobre el BlockOptions en la Hoja de

propiedades.

8.3.2 Características

MHeatX puede realizar un análisis detallado, riguroso interno de una zona

determinada. Este análisis incluye:

Corrientes de salida caliente

Agua (opcional)

Corrientes de salida caliente

Agua (opcional)

Corrientes de salida frías

Agua (opcional)

Corrientes de entrada frías (varias)

Corrientes de entrada calientes

(varias)

corrientes de salida, pero debe dejar al menos una corriente sin especificar. Corrientes

diferentes pueden tener los tipos diferentes de datos específicos.

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IQUI 2003-2-26

a. Puntos “pinch” internos

b. UA y LMTD de cada zona

c. Total UA del cambiador

d. Un promedio general de LMTD

Para obtener un análisis de la zona, especifique el número de zonas mayor que 0

sobre la hoja de Análisis de Zona de Entrada de MHeatX. Durante análisis de la zona

MHeatX usted puede añadir:

a. Puntos de entrada en las corrientes si todas tienen distintas temperaturas

b. Puntos de salida en las corrientes si son distintas temperaturas en los productos

c. Puntos que cambian de fase, cuando es interno

MHeatX también puede considerar perfiles no lineales en las zonas dividiendo estas

zonas en aquellas que puedan ser adaptables para perfiles lineales. MHeatX puede

realizar un análisis de la zona para intercambiadores de calor en contracorriente y

paralelo.

MHeatX puede simular fases fluidas con alimentos sólidos cuando la corriente

contiene subcorrientes sólidas, o cuando usted solicita cálculos químicos con

electrólitos.

Todas las fases están en el equilibrio térmico. Los alimentos sólidos salen a la

misma temperatura que los fluidos. Sin embargo los materiales en las subcorrientes

sólidas no participan en los cálculos de equilibrio de fase.

8.3.3 Formatos

MHeatX usa múltiples bloques de intercambiadores de calor y corrientes de calor para

realizar la convergencia en la hoja de proceso. Aspen Plus automáticamente hace en las

secuencias y la convergencia de las corrientes a no ser que usted especifique otra

secuencia.

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IQUI 2003-2-26

Use las formas siguientes para entrar datos específicos y ver los resultados para

MHEATX:

a. Input Especifica las condiciones de funcionamiento, parámetros de

convergencia tipo “flash”, parámetros para el análisis de zonas, tablas tipo

“flash”, parámetros de convergencia para MHeatX, y opciones específicas de

informe para cada bloque.

b. Hcurves Especifica las tablas para las curvas de calentamiento o

refrigeración y muestra sus resultados tabulados.

c. Block Options Reestablece valores globales para propiedades físicas,

opciones de simulación, niveles de mensaje diagnósticos y opciones de informe

para este bloque.

d. Results View Muestra los resultados del intercambiador, division de

perfiles de cada zona, perfiles de corriente, perfiles tipo “flash”, corrientes de

material y resultados de equilibrio de energía.

Formato MHeatX Input

Specifications

Salida de datos específicos para cada

corriente sobre un lado del

intercambiador de calor, y para

cualquier corriente (al menos una) del

otro lado del intercambiador de calor

Zone Analysis

Análisis interno de cada una de las zonas

Flash Table

Tablas de entalpia y/o temperatura para

análisis de zonas

Options

Informe de parámetros de convergencia y

cualquier opción específica de cada

bloque

Formato HCurve

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IQUI 2003-2-26

HCurve Setup

Use esta hoja para especificar la curva

la variable independiente, la gama para

la variable independiente, y el perfil de

presión. Las variables independientes

incluyen: Deber(impuesto) de calor,

Temperatura, y Fracción de Vapor.

La Fracción de Vapor no está disponible

para la Ampolla que calienta curvas.

HCurve Additional Properties

Use esta hoja para seleccionar juegos de

característica(propiedad) adicionales de

juegos de característica(propiedad)

disponibles y entrar en datos específicos

para mesas en el informe

HCurve Results

Use esta hoja para ver la calefacción generada y mesas de curva de refrigeración,

incluyendo:

Numero de Datos: muestra el numero de datos de la tabla

Estado: indica si existe un error, punto de rocío, o el punto de burbuja

Trabajo: muestra el trabajo realizado por el calor

Presión: muestrala presión

Temperatura: muestra las temperaturas

Fracción de vapor: muestra la fracción de vapor

Formato Block Options

Block Options Properties

Use esta hoja para anular los valores

globales de propiedades físicas.

Block Options Simulation Options

Use esta hoja para especificar si los

cálculos de equilibrio de calor deben ser

realizados alrededor del bloque. Esta

hoja no contiene la caja de comprobación

para excluir o incluir cálculos de

equilibrio de calor si los equilibrios de

energía ya son hechos como la parte de

cálculos de bloque. Use esta hoja

también para especificar criterios de

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IQUI 2003-2-26

cálculos de nuevo principio para el

bloque.

Block Options Diagnostics

Use esta hoja para anular faltas para la

historia de simulación, niveles de

mensaje diagnósticos, y el panel de

control niveles de mensaje diagnósticos

para el bloque.

Block Options EO Options

Use esta hoja para especificar las

opciones siguientes para la ecuación de

este bloque:

· Componentes activos

· Ociones adicionales orientadas a la

ecuación y sus variables

Block Options EO Var / Vec

Use esta hoja para especificar variables

secuenciales modulares (SM) para ser

expuestas como orientado por ecuación

(EO) variables cuando este bloque está

siendo controlado vía la capa de

perturbación.

Block Options Report Options

Use las hojas siguientes para ver los

resultados obtenidos para MHEATX, de

equilibrio de materia y energía, análisis

de zonas, perfiles del analisis de zonas,

perfiles de temperatura para cada

corriente y tablas de tipo “flash”

Formato MHeatX Results

MHeatX Results Stream

Use esta hoja para ver este bloque que

maneja resultados para cada corriente

de admisión.

Results Balance

Esta hoja muestra el material y el cierre

de equilibrio de energía alrededor del

bloque. Los resultados de equilibrio son

así:

Total

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Componentes convencionales.

Componentes no convencionales.

HeatX Results Exchanger

Use esta hoja para ver los resultados de

análisis totales de la zona para el

transformador de calor.

MHeatX Results Zone Profiles

Use esta hoja para ver los resultados de

perfil de análisis de la zona a lo largo del

transformador de calor.

MHeatX Results Stream Profiles

Use esta hoja para ver los perfiles

finales par alas corrientes a lo largo del

intercambiador.

MHeatX Results Flash Table

Use esta hoja para ver la tabla de tipo

“flash”para cada corriente cuando se

interpolan en esta.

Tabla 6. Formato de entrada del modelo MHeatX (Fuente: AspenTech, Manual del

usuario de Aspen Plus)

9. FAMILIARIZACON CON EL AMBIENTE DE ASPEN PLUS

En esta sección usted podrá observar mas a fondo como es Aspen Plus, haciendo

que usted, el usuario, conozca la interfaz que muestra Aspen Plus para que al realizar

ejercicios se sienta cómodo trabajando y de la misma forma sepa donde encontrar

iconos, formatos, modelos y demás dentro de la ventana de Aspen.

Se entrara adelante a describir en forma general lo que posee Aspen Plus en su

interfaz.

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9.1 HOJAS DE PROCESO

Una hoja de proceso es la reunión de una serie de iconos para representar una

unidad de proceso y flechas para representar flujos.

Para los procesos químicos, estas hojas de proceso se enfatizan en el flujo de material y

energía.

Figura 10. Comparación Entre la Hoja de Proceso y el Diagrama de Proceso en Aspen

Plus.

En el caso de las hojas de proceso para la simulación, estas son una serie de

subrutinas que contiene el programa para emular unidades de proceso y flechas que

representan flujos con información que se comparte entre las unidades.

Batch 1

Batch 2

Batch 3

S1 S2 S3 S4

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9.2 VENTANA PRINCIPAL

Figura 11. Ventana principal de Aspen Plus. (Fuente: AspenTech, Simulador

Aspen Plus)

9.3 INTRODUCCIÓN AL USO DE ASPEN PLUS

Aspen Plus es un simulador de práctica constante para su ideal manejo. Para

aquellos principiantes en este ámbito, existen seis (6) pasos básicos:

a. Uso del “Model Manager”para especificar el problema.

b. Seleccionar el equipo necesario del modelo de bloques, tomarlo y arrastrarlo

hasta el área de trabajo.

c. Conectar las corrientes necesarias al modelo.

d. Bajar los formatos y llenarlos.

e. Correr el problema.

Espacio de trabajo donde se dibuja el proceso

Barra de titulo

Barra de menú Barra de trabajo

Área rápida Paleta de modelos

Menú de modelos

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IQUI 2003-2-26

f. Analizar y reportar los resultados.

Los formatos requeridos son:

TÍTULO Título para el problema a tratar.

COMPONETES Especificación de los componentes químicos que son

incluidos en la simulación.

PROPIEDADES Dentro del menú “Option Set” especificar las propiedades

a usar.

BLOQUES Dar las especificaciones de datos para cada unos de los

bloques incluidos en la simulación, cada bloque tiene su

propio grupo de datos.

CORRIENTES Especificar cada una de las corrientes. En cada una se

debe especificar el estado, la composición y el flujo.

10. DESARROLLO DE EJERCICIOS PRACTICOS

Se realizara el modelamiento detallado de tres ejercicios que se han dispuesto

para este fin. El objetivo principal es que usted una vez haya terminado de realizar los

ejercicios que se proponen, tenga la capacidad de utilizar Aspen Plus para modelar

ejercicios semejantes. Todos los ejemplos que usted encontrará a continuación han sido

tomados del libro “Procesos de Transferencia de Calor” de Donald Kern, con el fin de

comparar el modelo propuesto por Aspen Plus, el ejercicio desarrollado en el libro y

aquel con Excel.

Aspen Plus cuenta con un operador lógico , que lleva al usuario paso a paso

por todos los formatos que deben ser llenados para la correcta simulación.

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10.1 MODELO 1

A continuación se desarrollará el problema 9.3.

10.1.1 Descripción del Proceso

5.000 cpm de aire saturado a 100ºF entran al primer paso de un compresor que tiene

una razón de compresión de 2.33:1. El aire está a presión atmosférica. a) Cuánto calor

debe eliminarse después de cada uno de los cuatro pasos, suponiendo una caída de

presión de 2 lb/plg2 en cada interenfriador. b) Para el primer interenfriador se dispone

de un intercambiador de 29 plg DI con 508 tubos de ¾ plg DE, 14 BWG, 12´0” largo,

arreglados en ocho pasos y dispuestos en paso triangular de 1 plg. El espaciado de los

deflectores está a 24 plg. Usando agua con una temperatura de entrada de 85ºF, ¿cuáles

son las caídas de presión y los factores de obstrucción?

10.1.2 Modelo del Proceso

A continuación se muestra un modelo general del problema.

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Figura 12. Modelo del problema 9.3

10.1.3 Resumen de la Información

Aire saturado Primer interenfriador

5000 cpm

100ºF

Presión atmosférica

2.33:1

4 pasos

Caída de presión 2 lb/plg2

29plg DI

508 tubos ¾ plg DE 14 BWG 12ft largo

8 pasos

1plg en triangulo

Espaciado deflectores 24 plg

Agua entrada 85ºF

5000 cpm aire saturado 100ºF P = atm.

2.45:1

Agua T= 85ºF

Agua T= 85ºF

Agua T= 85ºF

Agua T= 85ºF

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10.1.4 Diagrama en Aspen Plus

Figura 13. Diagrama del problema 9.3 en Aspen Plus. (Fuente: AspenTech, Aspen

Plus)

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10.1.5 Explicación Paso a Paso de la Simulación

Lo primero es cargar el programa. Para esto es necesario ir a Inicio, luego

programas, AspenTech, Aspen Engineering Suite, Aspen Plus 11.1. Aspen Plus User

Interface.

Figura 14. Pantallas de acceso al programa Aspen Plus. (Fuente: AspenTech, Aspen

Plus)

Aparecerá esta pantalla, asegurarse de colocar template para iniciar una nueva

simulación. Luego es colocar Aceptar y OK para que el programa se conecte

directamente al servidor.

La ventana que se muestra corresponde a la ventana principal de Aspen.

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Figura 15. Ventana pricipal de Aspen Plus (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Debido a que el

programa no cuenta

con aire saturado como

compuesto, debemos

realizar esta sustancia,

para esto es necesario

realizar una mezcla de

aire-agua, saturarla y

luego separar el aire

del sobrante de agua

para así tener el aire

saturado que entra a las Figura 16. Ventana de muestra para mezcladora. (Fuente:

bombas e intercambiadores. AspenTech, Aspen Plus)

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Se entra por lo tanto al menú de mezcladores o MIXERS y se escoge

TRIANGLE, ya que este modelo permite mezclar dos o más corrientes y sacar solo una.

Una vez escogemos el modelo, lo arrastramos hasta la hoja de proceso y se le da clic

para pegarlo a esta. Luciendo de la siguiente forma:

Figura 17. Muestra del mezclador tipo Mixer. (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Ahora entraremos a colocarle nombres a cada una de las corrientes de entrada y

salida. Para esto se le da clic encima de la corriente que se quiere nombrar. De la

misma forma si usted lo desea puede darle nombre al bloque que esta trabajando.

Figura 18. Diagrama del mezclador (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Como se mencionó, una vez mezclado el aire y el agua, se necesitará una

separación, para esto se utilizara dentro de la librería de SEPARATORS el modelo V-

DRUM cuya especificación es separar una corriente a varias.

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Figura 19. Modelos para la librería tipo Flash2 (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Y de igual forma se le da nombres a las corrientes de entrada y salida, al igual

que a la unidad de proceso. Una vez se ha finalizado este paso, empezamos con el

ejercicio.

Como primera medida

existe un compresor, por lo que

en la librería de PRESSURE

CHANGERS se elige ICON2,

siendo este un compresor como

el exigido por el problema. Se

llenan sus corrientes y se procede

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al colocar el intercambiador de calor.

Figura 20. Librería de compresores en Aspen Plus

(Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

En este caso será de tipo HeatX, ya que se ha dado la geometría del equipo.

Se elige el tipo GEN-HS, pues se hará

que el fluido caliente vaya por la

coraza. Al igual que los otros se

nombran sus corrientes de entrada y

salida, además del bloque.

Figura 21. Tipos de intercambiadores de calor para el

Modelo HeatX (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

¡DATO!

Aspen Plus dentro de sus librerías de modelos muestra el nombre de cada uno de

estos para que el usuario se lleve una idea general de su uso.

Esta primera parte queda en la hoja de procesos de la siguiente forma:

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Figura 22. Primera etapa del problema 9.3 en

Aspen Plus (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Este proceso se debe repetir cuatro veces como indica el problema. El proceso

final se muestra como,

Aquí cada una de las corrientes

posee su propio nombre al

igual que los equipos.

Figura 23. Proceso en Aspen Plus para el problema

9.3 (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

DATO.

Aspen Plus posee un sistema contra errores de nombramiento, que le avisa si el

nombre que ha colocado ya existe en ese mismo proceso.

Ahora se ingresa a cada uno de los formatos que se necesitan llenar para la

simulación. Se usará el BOTÓN EXPERTO que se encuentra en la barra de botones.

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Figura 24. Barra de herramientas de Aspen Plus (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Este los llevará dentro de todos los formatos que se necesiten para el correcto

modelamiento.

Como primer formato que se encuentra esta el de información general, donde se

provee el nombre del ejercicio y las unidades con las cuales se van a trabajar. Una vez

llenos estos, se prosigue con el botón experto hacia el formato de componentes del

sistema. En este caso agua y aire.

Figura 25. Componentes del problema 9.3 (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

¡IDEA!

Usted puede encontrar todos los elementos y compuestos que tiene Aspen Plus

en su interior, para esto haga clic en Find, donde le saldrá un buscador, coloque el

nombre común o la formula química el compuesto y en Find Now, ahí se muestran

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todos los resultados posibles. Elija el necesario y déle doble clic para añadirlo a su tabla

de compuestos.

Siguiendo con el botón experto, se entra al formato de PROPERTIES,

SPECIFICATIONS, donde se muestran los modelos y métodos para el cálculo

adecuado.

Figura 26. Cuadro de especificación de

propiedades (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

En este ejercicio se usara el como método base Peng-Robinson.

¡IDEA!

En el CD anexo a este manual usted puede encontrar un árbol de decisión donde

podrá hallar el método que se ajuste a su problema.

Siguiendo con el botón experto se entra al formato de las corrientes o STREAMS, aquí

Aspen Plus pide los datos de ingreso de algunas corrientes.

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Figura 27. Formato de especificación para corrientes.

(Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Llene las corrientes que Aspen Plus le muestra. Una vez se han llenado todas las

corrientes, se entra al formato de unidades de proceso o BLOCKS, de la misma forma

como hizo para las corrientes, Aspen le muestra los equipos que se deben especificar.

Para este caso en concreto, el primer equipo que se pide especificar es el

mezclador:

¡OJO! No es necesario

llenar cada una de las

corrientes pues se deben

dejar unas en blanco para

que Aspen pueda realizar

los cálculos, si usted sigue

siempre con el botón

experto, Aspen solamente

mostrara las corrientes que

desea que usted especifique.

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Figura 28. Formato “Flash Options” (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Luego se entra a especificar los distintos separadores y compresores.

Figura 29. Especificacin para separadores y compresores (Fuente: AspenTech, Aspen

Plus)

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¡OJO!

Para el compresor tenga en cuenta que es de tipo isentrópico y la eficiencia de un

0.8 general.

Ahora se entra a la parte con más

detalle de este problema, el

intercambiador de calor. Como se ve en

la ventana, aquí se dará la especificación

de metodología de cálculo. En este

debido a que se nos ha dado la geometría

completa, se realizara una modelación

tipo simulación detallada.

Figura 30. Formato para la especificación

de métodos de cálculo

y arreglo del flujo. (Fuente: AspenTech,

Aspen Plus)

DATO.

Como se observa en esta ventana esta el arreglo del fluido caliente en el

intercambiador, pero si usted desea cambiar la opción no es necesario cambiar la unidad

de proceso, aquí lo puede hacer.

Una vez realizado este paso, seguimos con el botón experto, el cual lo llevará a

la opción de cálculo de LMTD.

¡IDEA!

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Por lo general el cálculo de LMTD se basa en la geometría del intercambiador.

Figura 31. Muestra de los formatos para

LMTD y caida de presión (Fuente:

AspenTech, Aspen Plus)

La caída de presión se selecciona tanto para el lado caliente como para el lado

frío, de la misma forma que el LMTD se puede hacer que la caída de presión sea

calculada por la geometría, siendo esta la forma más común. En esta ventana se da la

especificación de máxima caída de presión.

¡OJO!

En la caída de presión no se olvide de hacer los cambios para el lado frío y el

lado caliente.

Siguiendo con las especificaciones del intercambiador y el botón experto, se

entra a la ventana de métodos para el coeficiente de transferencia de calor. Se elegirá

usar el método de cálculo por la geometría del intercambiador como en las ventanas

anteriores.

Si usted desea puede cambiar el método para el cálculo de coeficientes de

película, sin embargo siguiendo con el botón experto, esta opción no es tomada por

Aspen Plus.

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Se ha completado el formato de cálculos y métodos, ahora se entra a especificar la

geometría del intercambiador. Como primera

medida se tiene la coraza, aquí se puede

cambiar el tipo, el número de pasos, la

orientación, diámetro interno y demás

características.

Por favor entre la información que ha sido

provista por el problema, luego se sigue con el

botón experto. Figura 32. Formato de coraza

para intercambiadores de calor.

(Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Se llega al formato de tubos, donde se

selecciona el tipo y sus medidas.

Figura 33. Formato de tubos para

intercambiadores de calor. (Fuente:

AspenTech, Aspen Plus)

¡OJO!

Mientras usted no seleccione los tubos aleteados, la ventana de estos no se

activará. Lo mismo sucede en otros formatos.

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IQUI 2003-2-26

Se entrara ahora a la característica de los deflectores. En esta ventana es

necesario hacer por lo menos 3 entradas en el sistema.

Figura 34. Ventana de tipo de deflectores y boquillas. (Fuente:

AspenTech, Aspen Plus)

¡IDEA!

Por lo general los ejercicios no poseen la información de las boquillas pero en el

Anexo B de este manual podrá encontrar tablas que relacionan los diámetros de entrada

y salida de las boquillas con el diámetro de la coraza y los tubos.

Se ha terminado la entrada para el primer intercambiador, usted debe repasar los

mismos pasos con los demás intercambiadores. Al final y una vez han sido completados

todos los formatos, la ventana para correr el programa aparecerá. Oprima RUN

SIMULATION para empezar el modelamiento.

Una vez se ha completado la simulación, el sistema muestra la ventana de

errores, donde le dice al usuario las posibles fallas o advertencias que han surgido

durante la simulación.

Una vez entrados los parámetros para los

deflectores. La ventana de las boquillas

Page 81: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

Figura 35. Aspen Plus realizando la simulación (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Para ver los resultados desplace el puntero hacia el árbol de resultados.

Figura 36. Resultados obtenidos por Aspen Plus

(Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

De clic en los resultados de las corrientes para ver todas la características de

cada una de ellas.

DATO. En la

ventana de resultados

para las corrientes usted

puede organizarlas como

sea necesario. Solamente

seleccione la corriente

que desea ver haciendo

clic en la casilla

correspondiente.

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IQUI 2003-2-26

Por último si usted desea ver la geometría de cualquiera de los equipos, vaya ala

casilla del árbol de resultados y seleccione BLOCKS, allí podrá ir a cada una de las

unidades involucradas en el proceso y se le muestra la ventana de SUMMARY,

BALANCE y PARAMETERS para ver lo que usted necesite.

Figura 37. Resultado para el compresor 1 (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Este ejercicio se ha terminado con éxito, sin embargo para que usted pueda

observar las diferencias que existen entre los modelos Heater y HeatX, se va a seguir

adelante con otra simulación del mismo ejercicio. Lo que se hará es quitar el

intercambiador y reemplazarlo por el modelo Heater.

¡IDEA!

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IQUI 2003-2-26

No es necesario reiniciar la simulación, simplemente vaya a la hoja de

PROCESS FLOWSHEET, seleccione el intercambiador que desea borrar, haga clic con

el botón derecho sobre el equipo y el menú para ese equipo aparecerá. Pulse Delete

Block, como puede observar este menú tiene distintas opciones con las que se puede

trabajar sobre la hoja de proceso.

Figura 38. Eliminación del equipo de intercambio de calor (Fuente: AspenTech, Aspen

Plus)

La hoja de proceso

debe lucir de la siguiente

forma:

Figura 38.1. Diagrama del proceso una vez

eliminado el equipo (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Debido a que se va a pasar de un modelo riguroso a uno sencillo como Heater, es

necesario eliminar las corrientes A1 y A2, que no son requeridas. Realice esta

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IQUI 2003-2-26

operación al igual que en el intercambiador. Ahora inserte de la librería de HEAT

EXCHANGERS, el modelo HEATER, arrástrelo hacia su hoja de trabajo y suelte.

Como este ha quedado sin conexiones y se quiere seguir con las mismas

corrientes, de clic en cada corriente con el botón derecho y aparecerá RECONNECT

SOURCE o RECONNECT DESTINATION y elija para la corriente que entra al

intercambiador esta ultima opción y para la que sale la primera.

Figura 39. Diagrama de reconección de corrientes

(Fuente: ASpenTech, Aspen Plus)

Se realizan los mismos cambios

para los otros tres equipos.

Al final la pantalla deberá lucir

de la siguiente forma:

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IQUI 2003-2-26

Figura 40. Diagrama completo del problema 9.3 (Fuente: AspenTech, Aspen Pus)

Debido a que solamente se cambio el intercambiador, si se pulsa el botón

experto, automáticamente Aspen Plus lo llevará al formato de bloques y mas

exactamente a los intercambiadores. Indique las especificaciones.

Como usted puede

observar la temperatura y la

presión han sido tomadas de

los resultados arrojados por el

intercambiador de calor tipo

HeatX. De la misma forma se

entraran estos datos basados

en los resultados anteriores.

Page 86: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

Figura 41. Ventanas de cambio de datos para

intercambiadores. (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Ha terminado de entrar los datos necesarios y que fueron reemplazados, ahora corra

la simulación y observe los resultados. Verá que son bastante parecidos a los resultados

de de intercambio de calor y trabajo por cada etapa arrojados con la otra simulación. La

principal diferencia radica en que la simulación anterior es de tipo riguroso, mostrando

la geometría del intercambiador, mientras que Heater es sencillo, no posee geometrías.

De todas formas al haber entrado los resultados obtenidos en la primera simulación,

hace que la simulación converja de la misma forma para los dos casos.

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Figura 42. Hoja de proceso del problema 9.3

(Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Se realizará otro cambio, pasando del modelo de compresores al tipo Heater,

igual al anterior. Realice los cambios de la misma forma y conecte las corrientes, la

pantalla al final debe quedar de la siguiente forma:

Figura 43. Diagrama total del proceso (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

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Pulse el botón experto y este lo llevará a llenar los formatos de los nuevos

compresores. Siga el mismo esquema anterior teniendo en cuenta los resultados

arrojados en la simulación anterior. Finalmente corra la simulación. Compare los

resultados.

Finalmente se cambiara la simulación a un solo intercambiador tipo Heater, que hará las

veces de compresor e intercambiador. Para esto debe eliminar los compresores e

intercambiadores.

10.1.6. Resultados del Proceso

PRIMERA SIMULACION

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IQUI 2003-2-26

Figura 44. Ventana de resultados generales para el problema desarrollado en Aspen

Plus. (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

SEGUNDA SIMULACION

Figura 45. Ventana de resultados para el problema desarrollado cambiando el

intercambiador de tipo HeatX al tipo Heater. (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

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TERCERA SIMULACION

Figura 46. Ventana de resultados en Aspen Plus, para el ejercicio con el modelo

Heater para el problema 9.3 (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

10.1.7 Comparación Con Excel

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IQUI 2003-2-26

Ver los resultados en el CD anexo a este manual.

10.2. MODELO 2

Ejemplo 8.2 del libro “Procesos de Transferencia de Calor” de Donald Kern, en el

Anexo C se encuentra el ejercicio desarrollado por el autor.

10.2.1 Descripción del Proceso

Acetona a 250ºF debe enviarse a almacenaje a 100ºF a razón de 60.000 lb/h. El

calor será recibido por 185.000 lb/h de ácido acético de 100% que se calentara de 90 a

150ºF. Se dispone de una caída de presión de 10.0 lb/plg2 para ambos fluidos, y un

factor de obstrucción combinado de 0.004.

Se dispone para este servicio de gran numero de intercambiadores 1-2 que tienen

21 ¼ plg DI en la coraza con 270 tubos de ¾ plg DE, 14 BWG y 16´0” de largo,

colocados en cuadro con 1 plg de paso. Los haces de tubos están arreglados para dos

pasos con deflectores segmentados espaciados a 5 plg. ¿Cuántos intercambiadores 1-2

deberán instalarse en serie?

10.2.2 Modelo del Proceso

Acetona: 250ºF, 60.000lb/h

Ácido acético: 90ºF, 185.000lb/h

Acetona: 100ºF, 60.000lb/h

Ácido acético: 150ºF, 185.000lb/h

Page 92: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

Figura 47. Modelo del Problema 8.2

10.2.3 Resumen de la información

Acetona

Ácido Acético

T entrada = 250 ºF

T salida = 100ºF

W = 60.000 lb/h

Caída presión: 10.0 lb/plg2

t entrada = 90ºF

t salida = 150ºF

w = 185.000 lb/h

Caída presión: 10.0 lb/plg2

Rd = 0.004 combinado

Coraza Tubos

DI = 21 ¼ plg

Espaciado deflectores = 5 plg

Pasos = 1

Numero = 270

Longitud = 16´0”

DE = ¾ plg

BWG = 14

Paso = 1plg en cuadrado

Pasos = 2

Page 93: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

10.2.4 DIAGRAMA EN ASPEN PLUS

Figura 48. Diagrama del problema en Aspen Plus (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Page 94: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

10.2.5 Explicación Paso a Paso de la simulación

Como en el ejercicio anterior lo primero es cargar el programa.

Figura 49. Librería de modelos para el intercambiador tipo HeatX

(Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Ahora se procede a realizar el modelo correspondiente al ejercicio, para esto una

vez seleccionado el intercambiador a utilizar, se arrastra el puntero hasta el área de

trabajo.

Una vez puesto la unidad de operación, se realizan las conexiones necesarias o

se entran las corrientes.

Se va al menú

de intercambiadores

de calor y se

selecciona la opción

GEN-HS (general hot

shell).

Page 95: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

Figura 50. Ventana de la unidad de proceso en Aspen Plus (Fuente: AspenTech, Aspen

Plus)

DATO.

Para llenar las corrientes, se debe seleccionar la corriente que se desea haciendo

clic en ella, se arrastra hasta que adquiere la forma que se quiere. Se suelta y se le da

nombre a la corriente.

La ventana debe

lucir de la

siguiente

forma:

¡OJO!

Las líneas de

color ROJO son

corrientes

necesarias,

mientras que las

líneas AZULES

son opcionales.

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IQUI 2003-2-26

Figura 51. Ventana de intercambiador de calor para el

problema a desarrollar (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Ahora hacemos clic sobre el botón experto. Quien nos guiara para la correcta

introducción de los datos para la simulación.

DATO.

Usted puede ir llenando cada uno de los parámetros de las corrientes y las

unidades de operación, haciendo doble clic sobre cada una de ellas.

Una vez le damos botón experto, aparece el primer formato que se debe llenar.

Figura 52. Ventana “Setup” para ingresar datos generales del problema (Fuente:

AspenTech, Aspen Plus)

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IQUI 2003-2-26

En este formato le entramos el nombre con el cual quedara grabado el archivo de

la simulación, también podemos seleccionar las unidades en las cuales queremos ver

nuestros datos, así como algunas especificaciones globales de la simulación como: tipo

de corriente, presión del ambiente entre otros. Una vez completamos este formato

hacemos clic en el botón experto.

La siguiente pantalla que aparece es para la especificación de los componentes.

Aquí se deberá entrar el número de compuestos requerido, en este caso: acetona y ácido

acético.

Figura 53. Ventana de compuestos con el buscador de

elementos (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

¡OJO!

Tenga en cuenta que Aspen Plus es un programa diseñado en inglés, por lo tanto

todas sus propiedades y compuestos se encuentran en este idioma.

La ventana al final deberá lucir de la siguiente forma:

Buscador. Aquí se

define por nombre o

formula química el

compuesto que se requiere.

Haga clic en Find para abrir

el buscador.

DATO.

Aspen Plus posee dentro de su librería de compuestos como formulas químicas y por

sus nombres generales. Se puede realizar la búsqueda por cualquiera de estos dos.

Page 98: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

Figura 54. Ventana de compuestos (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

¡IDEA!

No es necesario escribir completamente el nombre o la formula química del

compuesto a entrar, con solo una de sus palabras o una parte de su formula química se

pueden hallar todos los elementos que contengan esa palabra o el componente escrito.

Ejemplo: Ácido Acético = Acetic Acid, buscar acetic o acid.

Una vez ingresados los dos compuestos, le damos clic sobre el botón experto.

Esta siguiente ventana nos enseña el formato de especificaciones, aquí como se ha dicho

anteriormente se puede especificar el tipo de método de calculo y el tipo de proceso que

se quiere usar.

Formula Nombre General

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IQUI 2003-2-26

En este caso se usara como tipo de proceso ALL, ya que este intercambiador

puede ser utilizado en todos los procesos químicos. Por otro lado su método para el

cálculo de propiedades va a ser de tipo SRK.

Figura 55. Ventana de propiedades (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

¡IDEA!

Si usted no sabe que tipo de método elegir para su simulación, refiérase al

capitulo Familiarización con Aspen Plus de este tutorial, allí encontrara un árbol de

decisión que le ayudara a saber que método seleccionar.

En este punto usted a terminado de entrar los datos básicos del problema. Cada

vez que un conjunto de variables ha sido completado exitosamente, Aspen Plus deja ver

la siguiente ventana para continuar con el proceso.

Cada vez que se para

en uno de los cuadros

de datos dentro de un

formato, Aspen Plus le

da información sobre

ese dato en particular.

Page 100: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

Figura 56. Cuadro que indica que se ha

completado las especificaciones

necesarias de entrada para el simulador.

(Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

El siguiente conjunto de formatos, es donde se va a especificar los datos dados

por el problema para cada una de las corrientes. Figura 57. Ventana de muestra para

especificación de corrientes (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Aquí se muestra los distintos caminos

que el usuario puede tomar una vez se halla

finalizado la entrada de datos. Si todos los

datos han sido entrados correctamente, darle

OK.

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Como se ve en la ventana anterior, los datos que se entran se refieren al ácido

acético de entrada. Por favor inserte los datos de temperatura (90ºF), presión (75psi),

flujo másico (185.000 lb/h) y composición de la corriente.

¡OJO!

Aspen Plus puede entrar la composición del flujo en distintas formas, elija la

mejor opción. En este caso será de forma Mass-flow o Molar-flow = 1 para el ácido

acético, que indica que la corriente es solamente ácido acético. Tenga también cuidado

con la entrada de flujo total ya que Aspen Plus también posee distintas formas de

entradas.

Seguimos con el botón

experto y procedemos a llenar

de igual forma los datos

requeridos para la acetona de

entrada, temperatura de 250ºF,

presión 150psi, Flujo total

60.000 lb/h y compuesto como

acetona total.

Figura 58. Ventana para corriente (Fuente:

AspenTech, Aspen Plus)

Ya han sido llenados todos los datos de corrientes, ahora lo que precede es entrar

a detallar el equipo o la unidad de proceso. Damos clic en el botón experto y aparece la

siguiente ventana:

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Figura 59. Ventana de especificación para la unidad de proceso (Fuente: AspenTech,

Aspen Plus)

Damos clic en el botón experto . En esta siguiente etapa se define la geometría

del intercambiador, se tiene la coraza, los tubos, los deflectores y las boquillas.

DATO.

Existe una hoja opcional para los tubos aleteados, pero solamente se muestra

cuando este tipo de tubos es especificado en la hoja de tubos.

Para este ejercicio en

particular, como se da la

geometría del

intercambiador, el modo

que se va a realizar el

ejercicio es en tipo

simulación detallada.

Aquí se puede

especificar el arreglo de

los flujos, ya sea caliente

en la coraza o por lo

tubos.

Page 103: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

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En este ejercicio tenemos:

coraza tipo E-one pass, No. de

pasos por los tubos 2, orientación

del intercambiador horizontal, DI

coraza 1.77 ft.

Estos son los datos mínimos de

entrada.

Figura 60. Ventana para las especificiones de la

geometría del intercambiador de calor (Fuente:

AspenTech, Aspen Plus)

DATO.

Por lo general los intercambiadores de calor se trabajan en forma horizontal, a

menos que se especifique lo contrario.

Haciendo clic en . Entramos a detallar los tubos, es en este punto donde se puede

decidir si usar tubos aleteados o lisos.

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Figura 61. Ventana para especificación de tubos (Fuente: AspenTech, AspenPlus)

En la ventana anterior si usted no cuenta con el diámetro nominal del tubo,

Aspen Plus posee parámetros para entrar las medidas reales del tubo. Simplemente

seleccione en Tube size, Actual.

Siguiendo con la geometría del intercambiador, indique los detalles para los baffles y

finalmente aquellos para las boquillas.

DATO.

Recuerde que los tubos

aleteados dan mayores

caídas de presión que

los tubos lisos.

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Figura 62. Ventana para especificaron de deflectores (Fuente:

AspenTech, Aspen Plus)

Aquí el número de deflectores se realizó por medio de dividir el largo del

intercambiador de calor y ajustarlo al espaciamiento entre bafles, hasta que se llego a

este número donde la simulación corre.

Figura 63 Ventana para especificación de boquillas en el

intercambiador (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

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¡IDEA!

Si usted no cuenta con los datos para las boquillas, en el libro “Procesos de

Transferencia de Calor” de Donald Kern, existen tablas donde se muestra el diámetro

de la boquilla mas común que se utiliza con respecto al DI de la coraza.

Se ha llegado al final de la entrada de datos, en este punto se han llenado

correctamente todos los formatos necesarios y se puede proceder a simular. Haga clic en

y luego en Run Simulation.

DATO.

Mientras que el programa este simulando o corriendo los datos, no se pueden

realizar cambios.

Finalmente Aspen Plus da los resultados obtenidos pare este ejercicio en

particular. Para observar los resultados desplácese hacia el buscador de archivos dentro

de Aspen.

Buscador de

Archivos.

Este menú

también se

puede

visualizar

haciendo clic

sobre .

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IQUI 2003-2-26

Figura 64. Ventana de resultados para las corrientes (Fuente:

AspenTech, Aspen Plus)

Elija Streams con lo cual se mostraran todos los datos para cada una de las

corrientes. Como se puede observar en esta simulación, las condiciones de entrada y

salida para la corriente de acetona se cumple, mientras que para la del ácido acético no

es el esperado. Sin embargo hay que tener en cuenta que Aspen Plus ya posee todas las

propiedades de los compuestos en su interior, al igual que los métodos de cálculo, por lo

que se pueden presentar incorcondancias con el problema desarrollado por el libro. Aun

así estos datos se aproximan a la realidad y a los resultados obtenidos por el libro.

Ahora se entrará a cambiar el

tipo de simulación, para esto

vaya al cuadro de especificación

de formatos.

Figura 65. Cuadro de especificación de formatos

(Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Elija el tipo “All”, y vaya en el arbol a “Blocks” y entre en “Setup”, ahora si

cambie el tipo de simulación a “Rating”, haciendo que la temperatura de salida sea de

150ºF.

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Figura 66. Ventana de especificación del intercambiador en

tipo “Rating” (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Termine la simulación haciendola correr.

10.2.6 Resultados del Proceso

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Figura 67 Ventana de Resultados para el problema desarrollado (Fuente: AspenTech,

Aspen Plus)

Aquí el simulador comprueba que hay errores, sin embargo la simulación puede

ser hecha ya que es un error que puede ser arreglado. En este caso se podría pensar

debido al tipo de ejercicio que esto se debe a que es necesario una serie de

intercambiadores de calor para cumplir con las especificaciones requeridas. Una forma

de realizar esto es darle a aspen lo que se quiere como resultado, de la forma detail

simulation, para lograr que sea aspen quien nos de el equipo necesario.

10.2.7 Comparacion con Excel

Ver el CD anexo con este manual

10.3 MODELO 3

10.3.1 Proceso

Este modelo ha sido obtenido de un documento publicado por Jorge Gut y José

Pinto en el articulo nombrado “Modeling of plate heat exchangers with generalized

configurations”, publicado en ver Anexo D “International Journal of Heat and Mass

Transfer” del 2003.

Simulación de un proceso de refrigeración de una solución de sacarosa (60 Brix)

utilizando agua fría en un intercambiador con 36 canales y una configuración simétrica.

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IQUI 2003-2-26

10.3.2 Modelo del Proceso

Figura 68. Modelo del problema a desarrollar

10.3.3 Resumen de la Información

Se requieren platos de acero inoxidable 360, tipo chevron. Configuración del equipo:

L = 74 cm β = 45º

w = 23.6 cm φ = 1.17 ϕ = 3 φ = 3

b = 2.7 mm ερ = 0.7 mm P I =2 Yh = 1

DP = 5.9 cm kP = 17 W/mºC PII = 2 Yf = 1

Fluido Caliente Fluido Frio

Sucrosa sol 60 ºBrix

Tin,hot = 35 ºC

Whot = 1.30 kg/s

Rf,hot = 8.6X10-5 m2ºC/W

ρhot = 1286 kg/m3

µhot = 5.15 x 10-2 Pas

Cp hot = 2803 J/kgºC

Khot = 0.407 W/mºC

A1, hot = 0.400 W/mºC

Agua Tin,cold = 1.0 ºC

Wcold = 1.30 kg/s

Rf,cold = 1.7 x 10-5 m2ºC/W

ρcold = 1000 kg/m3

µcold = 1.33 x 10-2 Pas

Cp cold = 4206 J/kgºC

Kcold = 0.584 W/mºC

A1, cold = 0.300

A2, cold = 0.663

36 entradas

de material

36 salidas

de material

Page 111: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

A2, hot = 0.598

A3, hot = 0.333

A4, hot = 0.000

A5, hot = 18.29

A6, hot = 0.652

A3, cold = 0.333

A4, cold = 0.000

A5, cold = 1.441

A6, cold = 0.206

Tabla 7. Information del ejercicio para el modelo 3 (Fuente: Gur, Jorge, Pinto, José,

Modeling of plate heat exchangers with generalized configurations, International

Journal of Heat and Mass Transfer – 2003)

10.3.4 Diagrama en Aspen Plus

Figura 69. Diagrama en Aspen Plus del problema a

desarrollar (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

10.3.5 Explicación Paso a Paso

Una vez se ha iniciado la sesión en Aspen Plus, deslice su puntero hacia la

librería de intercambiadores de calor e

indique el modelo ICON1. Una vez halla

colocado la unidad en la hoja de proceso,

entre las corrientes necesarias para el

ejercicio.

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IQUI 2003-2-26

Figura 70. Librería de modelos para

MHeatX (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Al final el intercambiador de calor deberá lucir de la siguiente forma,

Figura 71. Diagrama del modelo en Aspen Plus

(Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Con el botón experto , continúe para llenar los formatos necesarios. El primer

formato que usted podrá ver es el de “Specifications”, donde podrá entrar el titulo que

desea para su ejercicio y las unidades que desea manejar.

DATO

Recuerde que usted en cada uno de los formatos de Aspen Plus podrá realizar

todos los cambios que sean necesarios y con los cuales se sienta confortable.

Una vez termine con este formato, seguirá al siguiente tipo de formato el cual

corresponde a los compuestos que se requieren

en el problema. Por lo tanto, entre los

compuestos con los que se va a trabajar.

Figura 72. Tabla de los compuestos

del problema (Fuente: AspenTech,

Aspen Plus)

Page 113: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

¡IDEA!

En el caso en que no exista un compuesto para la realización de la simulación,

opte por descomponerlo en sus compuestos primarios. Recuerde en utilizar la

herramienta “Find” en esta ventana.

Una vez se han entrado los compuestos, el

formato para elección de los métodos de cálculo será

abierta.

En este caso se utilizará el método NRTL es

cual maneja como en la parte inferior de la ventana

lo indica, la ley de gases ideales y la ley de Henry.

Figura 73. Formato de

especificación de modelos de

cálculo (Fuente: AspenTech, Aspen

Plus)

¡OJO!

Para poder saber el tipo de método que se debe usar, refiérase al árbol de

decisión en este manual.

Una vez se ha terminado este

paso, se empieza a entrar a los

formularios del corrientes y bloques.

Page 114: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

En este problema se entra a llenar cada uno de los datos específicos requeridos

por el simulador.

Fgura 74. Especificación de corrientes (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

DATO

Cada dato de entrada contiene una serie de directorios para la elección de

unidades. Recuerde en manejar siempre las mismas unidades

en todo el problema.

Para cada una de las corrientes de entrada, usted deberá especificar los datos del

problema.

Figura 75. Formatos de especificación de corrientes (Fuente:

AspenTech, Aspen Plus)

Siguiendo con el botón experto, se entra al formato de la unidad de proceso,

como a continuación

se muestra, este tipo

de bloque posee todas

las corrientes que se

le han ingresado.

Page 115: ANDREA ZÁRATE VELOZA - Uniandes

IQUI 2003-2-26

FFFigura 76. Formato de especificación del intercambiador

(Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

¡OJO!

En este formato tenga en cuenta que se debe dejar al menos un dato no

especificado y tenga en cuenta las unidades utilizadas.

Como en la

figura se muestra,

existe un dato no

especificación e la

corriente C2.

Figura 77. Formato de especificación del intercambiador (Fuente:

AspenTech, Aspen Plus)

Ahora estan todos los

datos necesarios para correr el

simulador, haga clic en “OK”

para que Aspen Plus comience

a realizar los cálculos correspondientes.

Figura 78. Aviso para correr la simulación (Fuente:

AspenTech, Aspen Plus)

Finalmente revise los resultados obtenidos, para esto desplace su puntero hacia

la ventana de vision global y haga clic en la carpeta que desea ver.

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Como se

muestra, para

las corrientes

se ven los

resultados

obtenidos por

el simulador.

Figura79. Resultados de las corrientes (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

De la misma forma puede ver los resultados para la unidad de proceso.

Figura 80. Resultados de Balance de masa y energía del problema (Fuente: AspenTech,

Aspen Plus)

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10.3.6

Resultados

Figura 81. Resultados de la simulación (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)

Los datos arrojados por el simulador, se logran comparar con los descritos en el

problema y observar que aunque no son exactamente iguales, sus diferencias no varían

en rangos muy grandes. Esto ya que el simulador toma ecuaciones exactas, con números

de varias cifras decimales y teniendo en cuenta que se puede variar el método de calculo

utilizado en el problema, los resultados también pueden cambiar.

10.3.7 Comparación con el desarrollo del problema

En el Anexo D , Modeling of plate heat exchangers with generalized configurations

se encuentra el desarrollo del autor para el problema anterior.

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CONCLUSIONES

• Se logró conocer el modo de operación de Aspen Plus para

intercambiadores de calor, generando una mayor confianza y

expectativa en el estudiante.

• El tutorial desarrollado es de gran utilidad para estudiantes y

profesores que quieran estudiar, analizar y optimizar operaciones

unitarias o procesos.

• El manual desarrollado fue probado por distintos miembros de la

Universidad de los Andes, quedando en un concepto de fácil manejo

y entendimiento para todos.

• Los distintos ejemplos y ejercicios que se van a presentar, son

interesantes para el usuario ya que presentan retos, captan la atención

y plantean interrogantes

• El estudio de la simulación, no solo genera en el estudiante una

ayuda para enfrentar retos, sino que desarrolla la lógica cognoscitiva

y hace que el usuario adquiera una perspectiva integrada de los

conocimientos adquiridos.

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• El simulador junto con el manual, da un enfoque teórico-practico que

permite al usuario desarrollar una actitud innovadora frente a la

resolución u optimización de procesos u operaciones unitarias.

• Estudiantes de todas las carreras pueden encontrar en este manual

una guía fácil para el manejo del simulador Aspen Plus.

• Todos los ejercicios y ejemplos mostrados en el manual, han sido

verificados en Excel y simulados en Aspen Plus.

• Se sugiere promover más el uso de estos simuladores ya que ayudan

al estudiante a entender conceptos y canalizar la información

recibida.

• Tanto el manual como el CD interactivo, pueden servir como base

para la apertura de cursos en simulación.

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BIBLIOGRAFIA KERN, D. Procesos de Transferencia de Calor. vigesima segunda edicion. Compañía Editorial Continental, S.A. de C.V., Mexico D.F., 1990, capitulo 1 KERN, D. Procesos de Transferencia de Calor. vigesima segunda edicion. Compañía Editorial Continental, S.A. de C.V., Mexico D.F., 1990, capitulo 2 KERN, D. Procesos de Transferencia de Calor. vigesima segunda edicion. Compañía Editorial Continental, S.A. de C.V., Mexico D.F., 1990, capitulo 3 KERN, D. Procesos de Transferencia de Calor. vigesima segunda edicion. Compañía Editorial Continental, S.A. de C.V., Mexico D.F., 1990, capitulo 4 KERN, D. Procesos de Transferencia de Calor. vigesima segunda edicion. Compañía Editorial Continental, S.A. de C.V., Mexico D.F., 1990, capitulo 5 KERN, D. Procesos de Transferencia de Calor. vigesima segunda edicion. Compañía Editorial Continental, S.A. de C.V., Mexico D.F., 1990, capitulo 6 KERN, D. Procesos de Transferencia de Calor. vigesima segunda edicion. Compañía Editorial Continental, S.A. de C.V., Mexico D.F., 1990, capitulo 7 GUT, Jorge y PINTO José. Modeling of plate heat exchangers with generalized configurations. International Journal of Heat and Mass Transfer, Enero, 2003, p, 11–13 . PICON NUNEZ, M. y POLLEY, G.T. Understanding Multi-Stream Heat Exchanger Design. Febrero, 2001. AspenTech. Manual de Referencia de Aspen Plus. 1998.