Transferencia De Masa Hysys Avanzado

5. SIMULACIÓN DE EQUIPOS PARA TRANSFERENCIA DE MASA 5.1 Divisor de Flujo (Component Splitter)

Es necesario especificar -Fracción en la cual la corriente de entrada se divide.

- Este equipo puede usarse para simular procesos de separación no estándares que no se encuentran en Hysys.

Ejercicio 5. Se desea dividir 226000 lb/h de Amoniaco (-9 F y 225 psig) en dos corrientes una con 30 % y otra con 70 % de la cantidad de masa. Solución 1. Adicionar el componente Amoniaco. Crear la lista de componentes: Lista Divisor – ID 2. Seleccionamos el paquete Peng Robinson y darle nombre: Divisor – ID

3. Exportamos el paquete : Divisor – ID 4. Ingresamos al espacio de la simulación (Enter Simulation Environment)

5. Vamos a la paleta de unidades de equipo y seleccionamos Component Spliter (divisor de corriente) y hacemos clic sobre el icono

6. Vamos al espacio de simulación y hacemos clic con lo cual queda seleccionada esta unidad de equipo

7. Definimos las corrientes de entrada y salida, para lo cual hacemos doble clic en la unidad de operación. Clic en Connections y nombramos a la unidad como Divisor-1 y a las corrientes Alimentación, Salida-1 y Salida-2

Y vemos que estos nombres aparecen en las corrientes del diagrama de flujo en el espacio de la simulación.

8. Especificar la corriente alimentación con la siguiente información Especificación Cantidad Temperatura

-9 F

Presión

225 Psig

Flujo másico

226000 lb/h

Fracción molar

1

Al especificar lo anterior, vamos a Conditions y vemos que la barra inferior ha cambiado a verde y se han completado los parámetros que faltaban

Si hay otras alimentaciones podemos hacer clic en Define from Other Stream para especificarlas

Al volver al Diagrama de Flujo, la corriente Alimentación ha cambiado a color Azul lo cual indica que ha sido especificada completamente.

9. Especificaciones de parámetros de operación del equipo: Doble clic en el equipo y en la pagina de parámetros seleccionar Equal Temperatures.

El programa nos indica que no se ha definido la fracción dividida

Para especifica la fracción dividida por lo que pasamos a Splits y especificamos 0.3 Para la Salida-1 y 0.7 para la Salida-2

Pero aún falta especificar otro parámetro y este puede ser la presión

En Parameters y especificamos la presión en cada corriente de salida de 225 psig. Como este valor es igual al de la alimentación también se logran los mismos valores empleando el radio botón Equalize All Stream Pressures

La barra verde indica que se han especificado todos los parámetros para la unidad. Los resultados lo podemos ver en la etiqueta Worksheet.

Y volviendo al PDF vemos todas las corrientes de Azul

5.1.1 Manipulando el Diagrama de Flujo Hysys permite al usuario ver las propiedades y tablas e imprimir información para el PFD, operaciones unitarias y corrientes. 1. Para el PFD, clic derecho del mouse y seleccionar Add Workbook Table

Aparece la ventana deseamos mostrar

para

seleccionar

lo

que

Al hacer clic en Select aparece una tabla con los valores seleccionados

1. También se puede mostrar la información de forma individual para cada corriente. Seleccionar la corriente, hacer clic derecho y hacer clic en Show Table

Y aparece la tabla adjunta para la corriente seleccionada

Este mismo procedimiento lo podemos usar para mostrar información de la Unidades de Proceso

5.2 Mezclador (Mixer) El MEZCLADOR combina varias corrientes de materia de entrada para producir una corriente de salida. Calcula rigurosamente la temperaturas, entalpías, presión, composición que no se conocen. - Calcula la temperatura teniendo en cuenta el calor de mezclado

Ejercicio 6. Se desean mezclar tres corrientes para encontrar la composición de la corriente mezclada.

Procedimiento: 1. Adicionar la lista de componentes: Benceno, Tolueno y Xileno. 2. Seleccionar Peng Robinson como Fluid package Mezclador-1 3. Insertar en el PFD un mezclador:

4. Dar nombre a las corrientes de entrada y salida

5. Si deseamos podemos aumentar o disminuir el tamaño de las unidades y la corrientes con la opción Size Mode

6. Especificamos las corrientes de alimentación • Todas las corrientes de alimentación están a temperatura ambiente (25 oC) y presión atmosférica (1 atm). • Las composiciones están en Flujo molar (Kmol/h) y son: Componentes Corriente benceno Corriente Tolueno Corriente Xileno

Benceno

10

20

30

Tolueno Xileno

0.5 0.25

1 0.5

1.5 0.75

5.3 Destilación Continua 5.3.1 Columna de Destilación por métodos corto (Shotcut column)

La Shortcut Column desarrolla los cálculos no rigurosos para torres simples con el método Fenske-Underwod. Con el método de Fenske se calcula el número mínimo de platos y el de Underwood calcula la relación de reflujo mínima. Con la Shortcut Column se estiman además: los flujos de vapor y líquido en la sección rectificadora y despojadora, el Qcondensador y Qrehervidor, plato de alimentación óptimo y número de platos ideal.

- Esta unidad da valores iniciales para las torres rigurosas - Está limitado para torres simples.

Ejercicio 7. Destilación Una corriente a razón de 100 kmol/hr con un composición molar de 50% etanol y 50% n-propanol, es alimentada a una columna de destilación continua a temperatura ambiente (298 K) y presión atmosférica (1 atm).

La caída de presión a través de la columna es despreciable y se usa una relación de reflujo de 1.5. Se quiere que el destilado tenga un 93% en mol del etanol y un 5% mol del npropanol de la corriente de alimentación. Diseñar una columna de destilación continua para conseguir las especificaciones deseadas usando una Shortcut column en HYSYS y reportar el número total de etapas, número mínimo de etapas, ubicación de la etapa de alimentación, relaciones de reflujo mínimo y calculado, concentraciones del destilado final y corriente de fondo, y cargas de calor del rehervidor (reboiler) y condensador.

Solución

1. Adicionar etanol y n-propanol en una component list. 2. Adicionar como Fluid package (Destilación-1) el paquete Geneal NRTL con modelo de vapor SRK 3. Clic en el icono de Short Cut Distillation de la paleta de objetos y crear el PDF.

4. Especificar la corriente de alimentación Especificación Valor Temperatura 24.85 °C Presión 101.3 kPa Flujo molar 100 Kgmole/h El flujo de alimentación es equimolar

5. Definir los parámetros de equipo en la página Parameters Parámetros

Valor

Light key Ethanol in Bottoms

0.07

Heavy Key n-Propanol in Distillate

0.05

Condenser Pressure

1 atm

Reboiler Pressure

1 atm

Al especificar lo anterior se obtiene la relación minima de reflujo (1.610)

6. A partir de la relación minima de reflujo (Rmin) se calcula por regla de dedo la relación de reflujo externa (Eternal Relux Ratio) que es R = 1.5 Rmin Para este caso R = 1.5 (1.610) Esto completa el diseño de la columna de destilación usando un método corto.

Los resultados del balance de materiales lo podemos ver haciendo clic en la etiqueta Worksheet

Los resultados para el número de etapas así como el condensador y rehervidor pueden verse haciendo clic en la etiqueta performance.

5.3.1 Columna de Destilación por método Riguroso

Ejercicio 8. El Propano y Propileno son muy difíciles de separar uno de otro, ya que son componentes con puntos de ebullición cercanos. No obstante, la destilación a presión elevada es una tecnología común, con tal que exista suficiente número de platos en la columna de destilación. En este ejemplo, se presentan cálculos de una torre con 148 platos reales. El modelo de destilación SCDS (Método de corrección simultánea) se usa para acomodar un número grande de platos, y dar explicación sobre platos reales. El equilibrio liquido-vapor Propane/propylene y ethane/ethylene son afectados por interacciones entre los componentes. Se usan los parámetros especiales de interacción binaria para la Ecuación de Estado de Peng-Robinson para reflejar estas no idealidades

1. Compuestos: Propileno, Propano, Etano y n-Butano 2. Crear el Fluid package (Destilación-2) Peng Robinson 3. Colocar la corriente de Alimentación con las siguientes especificaciones

Componente Etano Propileno

Flujo molar (lbmol/h) 0.3 550

Propano N-Butano

200 5 Fracción de vapor

0

Presión

1655 kPa

Ir a la paleta de unidades de equipo, seleccionar Columna de destilación

Hacer doble clic en la columna y aparecerá el Distillation Column Input Expert a fin de guiar en el llenado de los datos que definen a este sistema: En la página 1 de 4 ingresar los siguientes datos: · Número de etapas : 150 · Plato de alimentación: 110 · Nombre de la alimentación: Alimentación · Tipo de condensador: Total · Nombres de las corrientes de materia y energía según se muestra en la Fig.

Completada la página 1 se habilitará el botón Next. Presionando este pasaremos a la página siguiente

En la página 2 de 4 se define el perfil de presión dentro de la columna. Los valores son: · Presión en el condensador: 220 psia · Presión en el rehervidor: 250 psia · Caída de presión en el condensador: 0 psia

En la página siguiente 3 de 4 se pueden ingresar estimaciones. Estos valores son opcionales y no se consideran en este ejemplo.

En la página siguiente 4 de 4 ingresamos: Cantidad de destilado liquido: 550 lbmol/hr (el equivalente a todo el propileno) Razón de reflujo: 20

Flow basis: molar

Al terminar presionamos DONE

Los datos del sistema quedan completamente definidos.

Una vez posicionados en el libro de cálculo correspondiente a la columna en la hoja Specs se debe notar que las especificaciones establecidas deben ser tales que garanticen que los grados de libertad sean igual a 0 indicando que la columna ya esta lista para ser resuelta

El proceso exige obtener un destilado en el cual la fracción molar de propano no sea mayor a 0.04

Presionando el botón ADD aparece una ventana con todas las posibles variables que pueden ser especificadas.

Cerramos la ventana y hacemos clic en Run Durante la simulación puede aparecer algún mensaje de advertencia el cual podemos omitir

Cuando termina la simulación aparece la barra verde que nos indica que la simulación ha terminado y se ha logrado convergencia.

Ahora pasamos a revisar los resultados de la simulación Notar que la mayoría de los datos de interés aparecen en la hoja MONOITOR así como los perfiles de las variables tales como temperatura, presión, flujos de líquido y vapor se hallan presentados en PROFILE

Los resultados del caso principal pueden verse en el WORKBOOK desplegando la información detallada:

LAS COMPOSICIONES DE LA CORRIENTES SON:

Con lo cual la columna completamente especificada

esta

5.4 DESTILACIÓN FLASH (SEPARATOR)

La operación de Separación (Separator) permite varias entradas y produce una corriente de vapor y una de líquido con diferentes concentraciones. En estas unidades también se llevan a cabo reacciones.

Ejercicio 9: 1 kmol/hr de una corriente que contiene: Benceno (40 mol%) Toluene (30 mol%) O-xylene (30 mol%)

Ingresa a una unidad flash a 373 K y 1 atm. Seleccione el paquete termodinámico.

A continuación se introducen las corrientes de entrada y salida del separador

Una vez se especifican las composiciones, P, T y Flujo molar de la corriente de alimentación se especifica completamente el separador.

Además de calcular las condiciones de salida, además se dimensiona el equipo. Observe que se puede seleccionar 3 tipos de separadores.

Los Separadores de 3 Fases permite varias alimentaciones y produce una salida de vapor y dos de líquido, una fase pesada y una líviana. Esta corrinete tiene un icono diferente en la barra de objetos.

Si se elije la opción Separador de 3 fases se requiere insertar una nueva corriente para que se especifique toda la unidad.

Los Separadores permite varias alimentaciones produce una salida de vapor y una líquida en equilibrio.

y

Los Tanques permite varias alimentaciones y produce una salida de vapor y una líquida en equilibrio.

Si se elije la opción tank no se requieren nuevas especificaciones.

Además de calcular las condiciones de salida, además se dimensiona el equipo.

Dimensionamiento básico Se debe especificar la orientación del separador: Horizontal o vertical en la pestaña Rating

Selecionar la geometría del contenedor :

Dependiendo de la orientación seleccionada algunas de las geometrías no estarán disponibles. Los contenedores Ellipsoidal and Hemispherical cylinder solo están disponibles para la orientación horizontal.

Especificar algunas de las siguientes medidas: Volumen, Diámetro, o altura (la longitud se emplea cuando la orientación del tanque es horizontal).

O use el botón Quick Size que establece valores predeterminados

En la opción de dimensionamiento se pueden ingresar los datos o con la opción Quick Size se obtiene la estimación.

Seleccione según el caso si el contenedor tiene un desnebulizador.

Se debe especificar el diámetro y altura del Desnebulizador. O se puede calcular con el botón Quick Size que por defecto: Calcula la altura del desnebulizador como 1/3 de la altura del tanque. Calcula el diámetro del desnebulizador como 1/3 del diámetro del tanque.

Active el botón Weir para adicionar un Weir al tanque. Esta opción solo está disponible para la geometría Flat cylinder.

En la pestaña Rating en la página C. Over Setup. Allí puede seleccionar el tipo de Carry Over Model Carry Over Model se refiere a las condiciones en las cuales el líquido entra en la fase vapor o el vapor entra en la fase líquida. Esto es causado por la turbulencia que causa la corriente de entrada al contenedor. En Hysys se puede modelar este efecto especificando la fracción de la corriente de entrada o de salida, o empleando la correlación disponible.

En la página C.Over Setup se puede escoger seis tipos de modelos de flujo carryover en la alimentación o productos: Light liquid in gas, Heavy liquid in gas, Gas in light liquid, Heavy liquid in light liquid, Gas in heavy liquid, Light liquid in heavy liquid. The C.Over Setup page allows you to model six types of carryover flow in the feed, and product stream: · · · · · ·

Light liquid in gas Heavy liquid in gas Gas in light liquid Heavy liquid in light liquid Gas in heavy liquid Light liquid in heavy liquid

Notas: Si solo se especifica el volumen cilíndrico total, la relación L/D es por defecto 3:2. La altura de líquido en un tanque cilíndrico vertical se relaciona linealmente con el volumen del líquido. No hay una relación lineal en el caso de tanques esféricos y cilíndricos horizontales.

En el área Liquid Level, especifique el nivel del líquido como un porcentaje del volumen total del contenedor. El valor predeterminado es 50%. El volumen de liquido se calcula el producto del volumen del tanque y la fracción de nivel de líquido.

Para adjuntar una corriente de energía a uno se estos equipo se debe presionar Crtl y acercar el puntero al equipo en el cuadro rojo y arrastrar

Si se adjunta una corriente de energía a un Separador, separador de tres fases o tanque seleccionar si es calentamiento o enfriamiento. Si conoce este valor especifíquelo en Duty field.

Se alimenta la siguiente corriente alimentación a una unidad flash (separator): 1 kmol/hr de una corriente que contiene: Benceno (40 mol%) Toluene (30 mol%) O-xylene (30 mol%) Considere que no hay caída de presión. No hay entrada de calor. Responder las siguientes preguntas:

1. Si la alimentación está a 385 K y 1 atm. ¿Cuál es la composición de las corrientes de salida? 2. Si la alimentación está a 385 K y tiene una fracción de vapor de 40% p/p. ¿Cuál es la presión a la cual opera la unidad flash? y ¿Cuál es la composición de las corrientes de salida?

3. La unidad flash opera a 1 atm y tiene una fracción de vapor de 30%. ¿Cual es la temperatura a la cual opera la unidad flash? y ¿Cúal es la composición de las corrientes de salida? 4. La unidad flash opera a 1 atm y se desea que la fracción separada de tolueno en la fase líquida sea 0.65. Computar la temperatura a la cual opera la unidad flash y la composición de las corrientes de salida?

Respuestas

Pregunta 1:

Pregunta 2:

Pregunta 3:

Pregunta 4:

No es posible separar el 65% del tolueno para que salga por la corriente líquida a una presión de 1 atm. La máxima separación que se logra es de 0.15 kmol/h es decir del 50% a una temperatura de 99.7349C

Vessel Sizing Utility La Vessel Sizing utility permit dimensionar y costear separaores, tanques y reactores. Para obtener mejores resultados Hysys permite realizar cambios en los parámetros La utilidad Vessel Sizing sirve para dimensionar equipos a partir de condiciones de operación dadas o también a partir de modelos propios de dimensionamiento. Esta utlility reporta datos sobre la geometría del equipo (diámetro, altura..), las especificaciones de los materiales de construcción (espesor, esfuerzos,….) y los costos de construcción en dólares (a partir de una ecuación propia con coeficientes definidos por el usuario).

1. En el meu Tool seleccionar Utilities ó presione CTRL+U 2. De la lista disponible seleccionar Vessel Sizing. 3. Click en el botón Add Utility button, aparece entonces el Vessel Sizing property view.

En esta ventana se debe seleccionar el objeto y se da el nombre de la Utility: Al resolver la simulación se debe desactivar esta Utility chequeand o Ignored checkbox

En la ventana Select Separator seleccionar el objeto y presionar OK con o cual la Utility queda totalmente especificada.

En la pestaña Design en la página Connections se encuentra el botón Set Default lo que quiere decir que se fijan los parámetros por defecto establecidos por Hysys

En la pestaña Design en la página Sizing se selecciona de la lista Avaliable Especification las especificaciones que se quieren usar. Seleccione de la lista la especificación Max Vap Velocity y presione el botón Add Spec con lo cual dicha especificación queda en la lista Active Specifications

El botón Remove Spec quita de la lista activa las especificaciones pero deben quedar siempre mínimo tres especificaciones. Esas especificaciones establecidas por Hysys son modificables.

La Utility se recalcula luego de realizar algún cambio en la simulación.

En la pestaña Design en la página Construction se especifican los siguientes parámetros:

En la pestaña Design en la página Costing se especifican los coeficientes para el análisis de costos

El botón Cost Equation Help muestra la ecuación de costos empleada en Hysys.

Los resultados de los costos despliegan los costos base del contenedor, plataforma, todo en US dollars.

Los resultados de dimensionamiento se presentan en la pestaña Performance en la página Sizing Results.

5.5 Columnas de Absorción de Gases La absorción de gases es una operación en la cual una mezcla de gases se pone en contacto con un líquido, a fin de disolver de forma selectiva uno o más componentes en el gas y obtener una solución de estos en el líquido. En Hysys están disponible columnas de absorción de gases. Este equipo en la paleta de objetos tiene el siguiente icono.

Ejercicio 10: El CO2 es absorbido (propylenecarbonato) .

en

carbonato

de

propileno

La corriente del gas de entrada es 20 % mol CO2 y 80 % mol metano, este fluye a razón de 2 m3/s y la columna funciona en 60°C y 60.1 atm. El flujo de solvente de la entrada es 2000 kmol/hr. Use HYSYS para determinar la concentración de CO2 (%mol) en la corriente del gas de la salida, la altura de la columna (m) y el diámetro de la columna (m).

Solución 1. Crear la lista de componentes y seleccione el paquete termodinámico SourPR. 2. Introduzca 4 corrientes de materia con los siguientes nombres y especificaciones: Entrada Solvente Gases entrada Presión

60.1 atm

60.1 atm

Temperatura

60°F

60°F

Flujo

2000 kmole/h

7200 m3/h

Xco2

0

0.2

XCH4

0

0.8

Xcarbonate

1

0

3. Introducir una Columna de absorción seleccionar el icono "Absorber“ de la paleta de objetos.

Hacer doble clic en la columna T-100 para abrir la ventana del ‘Absorber Column Input Expert’ la cual consta de 4 páginas.

En la primera página se asignan las corrientes de entrada y salida a la columna de absorción de gases. Se considerará una columna en contracorriente.

Cuando se ha completado la información, se activa el botón Next.

La opción Top Stage Reflux es para adicionar bombas laterales en la etapa seleccionada.

Se puede seleccionar el orden en el cual se numerar las etapas y el número de etapa (que por defecto son 10).

Haciendo clic en Next se abre la página 2. Colocar las presiones del tope y el fondo (60.1 atm) en cada lado.

En la página 3 se especifican las temperaturas del tope y el fondo (opcional), colocamos 60 ºC en cada lado.

Si se da clic en el botón Side Ops> aparece la siguiente ventana. En este caso no emplearemos esta opción.

Presionando Done aparece la siguiente ventana.

El color rojo de la barra inferior indica que los cálculos no se han efectuado, por lo que hacemos clic en el botón Run para efectuar la simulación.

Cuando terminan los cálculos esta barra se torna verde.

En la página monitor los perfiles.

Se pueden hacer diferentes desde aquí:

especificaciones

Se observan los perfiles por etapa de los flujos de vapor y liquido.

Se observa la composición del líquido o del vapor en cada etapa o se pueden especificar de allí.

Se especifica la eficiencia por etapa, puede ser global o por componente. Por defecto la eficiencia es 1.

Especificando la eficiencia por etapa para cada componente.

En esta página se especifican las opciones del método numérico para solucionar la columna.

En esta página se especifican valores de diseño de la torre:

Hysys permite especificar allí : Tipo de columna: empacada, vacía etc. Diámetro de la columna. Volumen empacado de columna Volumen vacío de columna Si se consideran o no pérdidas de calor y seleccionar el modelo para esto. Entre otros.

En esta página se especifican los parámetros de diseño de la columna de absorción:

Aquí se manipulan las opciones de solución del perfil de presión en la columna

En la pestaña performance hay varias páginas que muestran los resultados de los cálculos:

En estos equipos también se llevan a cabo reacciones:

Vamos al Workbook y vemos la composición de las corrientes.

5.5.1 Dimensiones de los platos Vamos al menú 'Tools' y seleccionamos 'Utilities'. Desplegamos la barra y seleccionamos 'Tray Sizing'.

Clic en el botón 'Add Utilities' y se abre una ventana 'Tray Sizing'

Con la Utility Try Sizing se pueden realizar los cálculos de diseño y dimensionamiento en parte o en toda la columna ya calculada. La información de la torre y el empaque se puede especificar. Los resultados incluyen el diámetro de la torre, caída de presión, flujos y dimensiones de a torre.

Esta Utility esta disponible solo para las columnas con flujos de vapor-liquido. Por lo tanto no se puede usar para columnas de extracción líquido-líquido

Clic en el botón Select TS

Aparece la siguiente ventana para elegir la columna a dimensionar: Hacemos la selección y luego clic en OK

Clic en el botón Auto Section

Aparece la siguiente ventana para seleccionar el tipo de plato. En este caso seleccionamos platos perforados (Sieve) y aparece una ventana con las dimensiones de los platos.

Para más información presionar el botón Next

Aparece esta ventana con toda la información de dimensionamiento la cual puede modificarse si se conservan las relaciones entre los parámetros. Presionar el botón Complete Autosection

Para ver los parámetros internos de la columna.

En la pestaña Design en la página Specs : En la sección Name field se especifica el nombre de cada sección. De la lista desplegable End Tray seleccione el número de la etapa donde la sección empieza De la lista desplegable End Tray seleccione la etapa donde termina a sección. De la lista desplegable Internal seleccione el tipo de plato usado en esa sección. La opciones son: Sieve, Valve, Packed or Bubble Cap.

De la lista desplegable Mode selección alguno de los modelos de cálculo: Design and Rating.

5.5.2 Columna con Relleno Seguimos el procedimiento anterior hasta simular la columna con Platos Luego vamos al menú 'Tools' y seleccionamos 'Utilities'. Desplegamos la barra y seleccionamos 'Tray Sizing'. Clic en el botón Select TS , hacemos la selección y luego clic en OK Clic en el botón Auto Section y seleccionar el tipo de plato. En este caso seleccionamos platos empacados (Packed) . Se debe escoger de la lsta desplegable el tipo de empaque a emplear :

Clic en Next

Y aparece una ventana con las dimensiones de los platos. Presionar el botón Complete Autosection

Seleccionamos la etiqueta Performance.

Vemos un diámetro de 1.524 m

Ejercicio 11: Absorción de acetona en una torre con etapas a contracorriente. Se desea absorber 90% de la acetona de un gas que contiene 1% mol de acetona en aire en una torre de etapas a contracorriente. El flujo gaseoso total de entrada a la torre es 30.0 kg mol/h, y la entrada total de flujo de agua pura que se usará para absorber la acetona es 90 kg mol H2O/h. No hay caída de presión. El número de etapas requeridas para esta separación es 20.

A que temperatura y presión debe trabajar la torre?

Referencias: Copyright © 2004 Hyprotech, a subsidiary of Aspen Technology Inc. All rights reserved. HYSYS 2004 Hysys. User Guide. MONCADA, Luis. Simulación de Procesos con HYSYS. 2006.