MODELAJ E DE PROCESOS MEDIAN TE EL USO DEL SIMULADOR ASPEN HYSYS
Realizado por: Wilfredo J. Ruiz R. Puerto La Cruz, febrero de 2017
Introducción ¿Qué hace u n simula dor de procesos? Un simulador de procesos resuelve balances demasa y energía, plantea relaciones de equilibrio tales como líquido-vapor (L-V) y líquido-líquido (L-L), modela operaciones unitarias y/o reactores a partir de las ecuaciones de transferencia de masa y energía, y reacciones químicas. Un simulador de procesos es una herramienta útil; sin embargo, simular no es diseñar. Los parámetros de diseño como número de tubos de un intercambiador de calor, diámetro de laHysys carcasa y número de platos de una columna no pueden calculados por Hysys. es una herramienta que proporciona una simulación de unser sistema que se describe con anterioridad, es decir, puede emplearse como herramienta de diseño probando varias configurac iones del sistema para optimizarlo. Se debe tener en cuenta que los resultados de una simulación no son siempre fiables y estos se deben analizar críticamente, los resultados dependen de la calidad de los datos de entrada (Garbage in-Garbage out ).
1. INTRODUCCIÓN AL ENTORNO DE HYSYS Antes de empezar a crear el ambiente de simulación, se debe c ontar con toda la información necesaria para la caracterización termodinámica de las corrientes involucradas, tipo de paquete termodinámico a utilizar de acuerdo al sistema que se está trabajando, especificaciones y características de los equipos involucrados, diagrama de flujo del proceso y toda la información relacionada con el proceso que se pueda alimentar al simulador con la finalidad de obtener mejores resultados. Hay que tener en cuenta que los resultadosdependen de la calidad de los datos de entrada.
1.1 Iniciar un nuevo caso Para crear un nuevo archivo en Hysys es necesario hacer clic sobre el ícono representado por una hoja en blanco colocado en la parte superior izquierda de la ventana. Otra forma es mediante la ruta de menús: File/New/Case o el comando Ctrl + N. También se pueden ubicar archivos previamentealmacenados en cualquier memoria del computador a través del ícono de la carpeta, por la ruta File/Open/Case o el comando Ctrl + O. Una vez iniciado un nuevo caso, aparecerá la ventana del administrador básico de simulación (Simulation Basis Manager ).
1.1.1 Administrador básico de simulación Aspen Hysys utiliza el concepto de paquete de fluidos para contener toda la información necesaria para realizar cálculos flash y determinación de propiedades físicas. El administrador básico de simulación permite definir todala información (paquete de propiedades, componentes, componentes hipotéticos, parámetros de interacción, reacciones, datos tabulares, etc.) dentro de una sola entidad. Hay cuatro ventajas clave de este enfoque:
Toda la información asociada se define en una única ubicación, lo que permite la fácil creación y modificación de la información. Los paquetes de fluidos se pueden almacenar como entidades completamente definidas para su uso en cualquier simulación Las listas de componentes se pueden almacenar por separado de los paquetes de fluidos como entidades completamente definidas para su uso en cualquier simulación Pueden usarse múltiples paquetes de fluidos en la misma simulación. Sin embargo, todos ellos deben estar definidos dentro del administrador básico.
El administrador básico de simulación es un ambiente que permite crear y manipular múltiples paquetes de fluidos o listas de componentes en la simulación. Para volver a introducir el gestor de base de simulación desde cualquier punto de lasimulación, utilice la tecla de acceso directo Ctrl + B o haga clic en el icono del entorno base (Basis Environment) en la barra de herramientas.
1.2 Ingreso de com ponente s La primera pestaña en el Administrador básico de simulación es la de componentes. En ella se pueden crear las listas de componentes, se hace click en Add como se muestra en la figura 1.1 con lo cual aparecerá la librería de componentes. En esta librería observaremos dos conceptos en el menú a la izquierda: Components (componentes que están en la base de datos del programa) e Hypothetical (componentes creados por el usuario).
Figur a 1.1 Administ r ador básico de simulación, pest aña de componen tes Para ubicar y seleccionar los componentes de la simulación se puede utilizarMatch “ ” para ubicarlo los según su nombrepor enfamilias la baseode datos, View “ filtros Filters ” para utilizar que agrupen componentes simplemente desplazándose en la lista de componentes disponibles y haciendo doble clic o “Add pure ” para incluirlo. En la figura 1.2 se muestra el menú para crear la lista de componentes.
Figura 1.2 Creación de la lista de componentes
Se pueden seleccionar varios componentes en la lista, y añadirlos al mismo tiempo presionando el botón “Add pure ”. El filtro “Recomended only” mostrará solo los compuestos que son recomendados para un paquete termodinámico previamente definido. En la parte inferior de la ventana podemos indicar el nombre de la sta li de componentes para identificarlos y que sea más fácil su manejo en caso de utilizar varias listas de componentes y paquetes.
1.3 Paquete de fluidos (Fluid Package) Fluid Package . La selección de este El segundo paso para la simulación es definir el paquete es muy importante y no se debe tomar a la ligera, ya que definirá la base de la simulación. Si tenemos una buena base, tendremos una buena simulación, pero si seleccionamos un paquete erróneo o incompatible desde el principio, este error se agravará con el desarrollo de la simulación. En el Simulation Basis Manager seleccione la pequeña Fluid Pkgs y haga clic en el botón Add, como se muestra en la figura 1.3. Una vez dentro de esta interfaz, se debe seleccionar el paquete de fluidos que más se ajuste a los componentes con los que se trabajará en el ambiente de simulación. Los paquetes de fluidos con los que cuenta el simulador se encuentrna clasificados en: Ecuaciones de estado EOSs ( ), Modelos de actividad (Activity Models ), Modelos Chao Seader, Modelos de presión de vapor y algunos misceláneos para aminas, electrolitos, entre otros, en la figura 1.4 se muestran algunos de los paquetes disponibles.
Figura 1. 3 Menú para a ñadir un paquete de fluido s
Figura 1. 4 Interfaz para la selección de los paquetes de fluidos en el Aspen Hysys Para una correcta selección del paquete de fluidos a utilizar, se debe conocer la naturaleza y tipo de interacciones de los componentes definidos en la simulación, en la figura 1.5 se muestra un algoritmo para la selección del paquete más acorde al modelo de simulación. En la tabla 1.1 se muestran algunos sistemas típicos y los métodos recomendados para la estimación de propiedades.
Tabla 1.1 Sistemas típicos y métodos recomendados para la estimación de propiedades Tipo de Sistema
Método recomenda do para las propiedades
Deshidratación TEG PR Agua agria PR, Sour PR Procesamiento de Gas Criogénico PR, PRSV Separación de aire PR, PRSV Torres de crudo atmosféricas PR, PR Options, GS Torres a vacío PR, PR Options, GS, Braun K10, Esso K Torres de etileno Lee Kesler Plocker Sistemas de alto H2 PR, ZJ o GS (ver límites T/P) Sistemas de depósito PR, PR Options Sistemas de vapor Steam package, CS o GS Inhibición de hidratos PR Sistemas químicos Modelos de actividad, PRSV Alquilación de HF PRSV, NRTL Deshidratación TEG con aromáticos PR Sistemas de hidrocarburos donde la Kabadi Danner solubilidad del agua en HC es importante Sistemas con gases seleccionados e MBWR hidrocarburos ligeros
Figur a 1.5 Algo rit mo para la selecc ión de l paquete termodi námic o más acorde al modelo de simulación 1.4 Creación de un componente hipotético Para ingresar a la interfaz para la creación de componentes hipotéticos se hace clic en la pestaña “Hypotheticals ” en el Simulation Basis Manager, y luego en “Add”. Una vez en este ambiente se debe definir la clase de componente que se está creando (Component Class ), identificar el grupo de hipotéticos con algún nombre para ubicarlo
Group name en la lista de componentes ( ), definir parahipotético la estimación de las propiedades (Estimation Methods ), para añadirlos un métodos componente al grupo se debe hacer clic en “Add Hypo”, una vez creado se debe especificar al menos una de las seis propiedades que allí aparecen, mientras más información se disponga sobre estas propiedades del componente la estimación será más exacta, una vez definidas las propiedades se hace clic en “Estimate Unknown Props ” y se calcularán las demás,
en la figura 1.6 se muestran los pasos para lacreación del componente hipotétic o . Para añadir el componente creado a la lista de componentes de la simulación, regresamos al menú Components y seleccionamos a la izquierda “Hypothetical” para ubicar y añadir el componente creado. a)
b)
c)
Figura 1. 6 Pasos para la c reación de com ponente s hipoté ticos Una vez bien definidas las listas de componentesy los paquetes de fluidos a utilizar en el ambiente de simulación, podemos avanzar al ambiente de simulac ión (Simulation Environment).
1.5 Ambiente de simulación Al entrar en el ambiente de simulación, se debe definir el sistema de unidades a emplear, para esto vamos al menúTools en la parte superior y hacemos clic en Preferences , una vez dentro de este menú, nos ubicamos en la pestaña Variables donde podremos observar los sistemas de unidades ya definidos como el Sistema Internacional (SI), Sistema inglés (Field ) y el Sistema Internacional Europeo (EuroSI ) como se muestra en la figura 1.7, además de los sistemas predefinidos con los que cuenta el simulador se pueden crear sistemas de unidades personalizados haciendo clic en Clone en alguno de ellos para tomarloscomo base, y posteriormente en el menú Display Units modificar las unidades para las magnitudes, características o propiedades de interés.
Figura 1.7 Sistemas de unidades en Aspen Hysys En el ambiente de simulación tendremos un diagrama de flujo (DFP) y una paleta (para hacer aparecer la paleta, se debe presionar F4) en ella están las corrientes de materia, energía, operaciones unitarias y herramientas que se pueden definir en el ambiente de simulación, en la figura 1.8 se muestra el DFP y la paleta en el ambiente de simulación. Para añadir una corriente de materia, c orriente de energía o alguna operación unitaria, se puede hacer clic en la paleta en los iconos correspondientes a cada una de ellas y luego clic sobre el DFP, o simplemente doble clic sobre el icono y aparecerá automáticamente en algún lugar del DFP. Cuando unacorriente de materia noestá bien definida, aparecerá en color azul claro, para defin ir una corriente de materia se deben especificar la composición de la corriente (a partir de los componentes definidos anteriormente), al menos dos propiedades termodinámicas para su caracterización y el flujo de la corriente a menos que esté unida a alguna operación unitaria y esta se pueda calcular mediante un balance de materia. Cuando una operación unitaria no cuenta con suficientes especificaciones ni las corrientes de materia o energía necesarias, aparecerá en rojo, en la figura 1.9a se muestran corrientes de materia y un separador subespecificados, para unir las corrientes de materia a las operaciones unitarias se puede hacer clic en el botón Attach mode en la parte superior izquierda del DFP o hacer doble clic en laoperación unitaria y especificar en la ventana Connections las
corrientes de materia o energía involucradas con ese equipo. Una vez suministrada suficiente información al simulador, las corrientes de materia aparecerán en azul oscuro, las de energía en rojo y los equipos en gris metálico como se muestra en la figura 1.9b.
Figura 1.8 Ambiente de simulación Aspen Hysys
a)
b)
Figura 1. 9 Corrient es de materia y equipos antes y después de especificar en el ambiente de simulación
2. Sistema de aceite para cale ntamiento Se quiere diseñar un sistema de aceite caliente para suministrar calor a los rehervidores de las columnas de destilación e intercambiadores de calor complementarios de una planta. El sistema consta de un tambor acumulador de 10000 galones de capacidad que se mantiene a 5 psig por inyección de gas de combustible, tres bombas centrifugas dos en operación y una en reserva, una válvula de control de flujo en ladescarga de las bombas con una caída de presión de 18 psi y un horno de fuego directo cuya caída de presión es de 61 psi (ver figura 1). Se requieren diferentes temperaturas en cada uno de los servicios mencionados, por lo que se proveen dos cabezales con dos temperaturas diferentes de aceite para calentamiento. El primer cabezal de 490 °F y es utilizado para los rehervidores que se encuentran. Las corrientes de aceite para calentamientoque salen de estos equipos se combinan y la temperatura resultante es de 340 °F. El segundo cabezal tiene una temperatura de 340 °F, el cual suministra aceite para calentamiento al resto de los intercambiadores de calor. Todos los intercambiadores de calor tienen una caída de presión de 10 psi. Luego de su salida de este segundo grupo de intercam biadores de calor, el aceite para calentamiento se dirige al tambor de compensación. La demanda total de calor es de 310,14 MMBTU/h. FH01
Gas combustible
247 °F 125 psig
P01/02/03
Venteo
247 °F 143 psig
V01
Gas combustible
247 °F 5 psig
490 °F 64 psig
325 °F 30 psig
E01 204 °F
490 °F 54 psig
490 °F 54 psig
RB01
54 psig 381 °F
152 °F
316 °F
289 °F
204 °F
490 °F
RB03
E03
RB02
381 °F
E04 490 °F 54 psig
E02
RB04
289 °F
RB01 39,23 MMBTU/h RB02 60,82 MMBTU/h RB03 39,23 MMBTU/h RB04 60,82 MMBTU/h
E05 152 °F
E06 316 °F
E01 23,55 MMBTU/h E02 25,00 MMBTU/h E03 6,47 MMBTU/h
Figura 2.1 Sistema de aceite para calentamiento
E04 23,55 MMBTU/h E05 25,00 MMBTU/h E06 6,47 MMBTU/h
Tabla 2.1 Destilación del aceite para calentamiento (ASTM D2887) Masa (%) T (°F) Masa (%) T (°F) Masa (%) T (°F) Masa (%) T (°F) Masa (%) T (°F) Masa (%) T (°F) Masa (%) T (°F) Masa (%) T (°F) Masa (%) T (°F) Masa (%) T (°F)
IBP
1
2
3
4
5
6
7
8
9
649,9
666,5
682,7
692,6
699,98
705,56
710,06
714,38
718,16
721,58
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
724,64
727,52
730,22
732,92
735,62
738,14
740,48
742,82
744,98
747,14
20
21
22
23
749,12
751,1
753,08
754,88
24
30
31
32
33
766,76
768,2
769,82
771,26
40
41
42
43
781,16
782,6
783,86
785,12
50
51
52
53
793,94
79 5,2
796,46
797 ,9
60
61
62
63
806,72
807,98
809,24
810,5
70
71
72
73
819,5
820,94
822,2
823,64
80
81
82
83
84
85
86
834,44
836,06
837,86
839,48
841,46
843,44
845,42
90
91
92
93
94
95
96
97
98
EBP
856,22
859,82
864,14
869,54
876,02
884,3
895,64
910,4
929,48
984,38
756,68 34 772,7 44 786,38 54 799,16 64 811,76 74 825,08
25 758,48 35 774,14 45 787,64 55 800,42 65 813,02 75 826,52
26
27
760,28
761,9
36
37
775,58
777,02
46
47
788,9
790,16
56
57
801,68
802,94
66
67
814,28
815,54
76
77
38 778,46 48 791,42
29 765,14 39 779,9 49 792,5
58
59
804 ,2
805,46
68
69
816,8
818,24
78
79
831,2
832,82
87
88
89
847,76
850,28
852,98
828,14
829,58
Calcule:
28 763,52
La potencia de la bomba en HP La capacidad de calentamiento del horno en MMBTU/h La temperatura del aceite llegando al tambor acumulador El caudal de aceite caliente La velocidad del aceite en la tubería de 6”
El primer paso es añadir a la lista de componentes todos los involucrados en el proceso, sin embargo, para este sistema no hay componentes puros que añadir, el aceite se caracteriza a través de un ensayo de destilación típico para hidrocarburos. Accedemos al Oil Environment, después de seleccionar el paquete de fluidos (Peng Robinson), como se muestra en la figura 2.
Figura 2.2 Administ r ado r de las bases de simulación Una vez en el ambiente de caracterización de crudo, presionamos el botón Add para añadir un nuevo ensayo de destilación, como se muestra en la figura 3.
Figura 2.3 Ambiente para la caracterización de crudo Se debe escoger el tipo de ensayo de destilación, si se conocen propiedades adicionales de la mezcla, o curvas de propiedades como peso molecular, densidad o viscosidad en función del porcentaje vaporizado durante el ensayo. Una vez seleccionado el tipo de ensayo, se introducen todos los datos en la tabla como se muestra en la figura 4, y se presiona el botón Calculate.
Figura 2.4 Ensayo de destilación Volvemos al menú principal del ambiente de caracterización de crudo, y seleccionamos la pestaña Cut/Blend (ver figura 5) donde escogeremos el ensayo anteriormente introducido y seleccionaremos que tipo de corte utilizaremos para crear los componentes hipotéticos resultantes de este ensayo. Una vez creado los componentes hipotéticos, volvemos al menú principal y seleccionamos la pestaña Install Oil para asignar esta caracterización a una corriente de materia en elambiente de simulación.
Figura 2.5 Creación de la mezcla hipotética de aceite Con la corriente de aceite creada, entramos al ambiente de simulación y se colocan los equipos involucrados en el sistema siguiendo lasecuencia mostrada en el diagrama. El primer equipo en configurar es el tambor de compensación, en él colocaremos la corriente de aceite creada, una corriente de vapor y una corriente de salida de líquido que será la succión a las bombas, todo a las condiciones de operación, en la bomba se especificará la presión de descarga, como se muestra en la figura 6.
Figura 2.6 Configuración de la bomba Posteriormente se colocará la válvula de control de flujo ne la entrada al horno, se utilizará como “horno” la operación “heater”, se hacen las especificaciones en la válvula y en el horno como se muestra en la figura 7 y la corriente resultante es separada en 4 corrientes con la operación Tee.
Figura 2.7 Configuración del horno Cada corriente a la salida de la Tee , se alimentará a uno de los rehervidores y se especificará en cada uno el calor transferido y la temperatura del aceite a la salida, como se muestra en la figura 8, las corrientes a la salida de cada intercambiador se mezclan con la operación Mixer.
Figura 2 .8 Configur ación del primer grup o de inter cambiadores de calor La corriente de salida del Mixer, pasa a través de una válvula de control de flujo yse ramifica para alimentar a cada uno de los intercambiadores de calor restantes como se muestra en la figura 9, estos intercambiadores de configuran de la misma manera que los anteriores, todo el aceite es recolectado en un mismo cabezal y enviado nuevamente al tambor de compensación.
Figura 2 .9 Configur ación del segundo grupo de inter cambiadores de calor
3. Tren de refri geración Se desea diseñar un sistema de refrigeración mecánica con tres niveles de refrigeración para el enfriamiento de 1255 lbmol de normal-butano desde 109°F hasta 32 °F, 795 lbmol de iso-butano desde 86°F hasta 10 °F y 4020 lbmol de propano desde 106 °F hasta -47 °F. El nivel de refrigerante es ajustado en los chiller según los requerimientos de enfriamiento, estos intercambiadores son tipo Kettle por lo que se utilizan principalmente paravaporización en el lado de la carcasa , la caída de presión a través de ellos en el lado de la carcasa es despreciable. La caída de presión a través del condensador es de 6 psi (ver figura).
57 °F
32 °F nC4 57 °F 55 psia
nC4 109 °F 60 psia 57 °F
10 °F
iso- C4
86 °F 60 psia
iso- C4
57 °F
57 °F 55 psia
C3 106 °F 260 psia
-2 °F
C3 -2 °F 58 psia
-47 °F
C3 22 °F 60 psia
Figura 3.1 Tren de refrig eración mecánica Determine: Flujo de refrigerante, lb/h Presión a la succión de cada etapa de compresión, psig Temperatura a la descarga de cada etapa de compresión, ºF Potencia del compresor, HP Calor retirado en el condensador, MMBTU/h Calor total transferido por el refrigerante, MMBTU/h
Tabla 3.1 Composición de las corri entes en el sistema de refriger ación Refrigerante Fracción molar Etano Propano iso-butano n-butano iso-pentano n-pentano
0,0147 0,9853 0 0 0 0
Producto propano Fracción molar 0,0154 0,9633 0,0196 0,0016 0 0
Producto iso-butano Fracción molar 0 0,0291 0,9550 0,0159 0,0291 0
Producto n-butano Fracción molar 0 0 0,0343 0,9531 0,0114 0,0012
Inicialmente añadimos a la lista todos os l componentes involucrados en el proceso como se muestra en la figura 2 y luego se selecciona el paquete de fluidos Peng Robinson.
Figura 3.2 Lista de componentes En el ambiente de simulación se colocan los equipos involucrados en el sistema de refrigeración siguiendo la secuencia mostrada en el diagrama. Una vez caracterizada la corriente de alimentación de refrigerante al primer tambor, se hace pasar a través de una válvula para disminuir la presión hasta la presión de operación del recipiente, la corriente de vapor del tambor es mezclada con la corriente de vapor de la etapa de compresión anterior y alimentada al compresor siguiente, una fracción de la corriente de producto de líquido es enviada a los chiller del primer nivel de refrigeración, el refrigerante a la salida de estos equipos es mezc lado y enviado al siguiente ambor, t la otra fracción de líquido pasa a través de una válvula y es alimentada directamente siguiente tambor, como se muestra en la figura 3, de la misma forma se configuran los demás tambores.
Figura 3. 3 Configuración de tambores
En los intercambiadores de calor, se debe especificar que fluido pasa por ellado de los tubos y cual pasa por el lado de la carcasa, además se deben especificar las caídas de presión en cada uno de los lados y las temperaturas de entrada y salida de ambos fluidos, como se muestra en la figura 4. El producto enfriado en cada uno de los niveles de refrigeración es enviado al siguiente nivel, y los vapores generados de refrigerante son enviados al tambor correspondiente.
Figura 3.4 Configuración de los chiller Los compresores se configuran especificando la presión de descarga de esa etapa como se muestra en la figura 5, la alimentación a cada etapa de compresión es la mezcla de la salida de vapores en el tambor de esa etapa y los vapores comprimidos en la etapa anterior.
Figura 3 .5 Configu ración de compresor es Se coloca un aeroenfriador para alcanzar las condiciones de almacenamiento en el tambor de los vapores provenientes de la última etapa de compresión, el tambor acumulador de refrigerante cierra el ciclo de refrigeración, la corriente de líquido a la salida del recipiente se conecta al Recycle, como se muestra en la figura 6.
Figura 3.6 Configuración del aeroenfriador y tambor acumulador de refrigerante
4. Deshidratación con TEG Se requiere diseñar una planta de deshidratación de gas natural con TEGque remueva el contenido de agua en el gas hasta alcanzar un punto de rocío de 12 °Fa 900 psia. El gas natural alimentado a la planta tiene un flujo de 10 MMSCFD con una temperatura de 85 °F y 900 psia, la composición del gas natural se muestra en la tabla 1.
Tabla 4.1 Composició n del gas natur al Component e nitrógeno sulfuro de hidrógeno dióxido de carbono metano etano propano iso-butano Normal-butano iso-pentano normal-pentano agua
Fracción molar 0,0010 0,0155 0,0284 0,8989 0,0310 0,0148 0,0059 0,0030 0,0010 0,0005 saturado
La columna contactora tiene 8 etapas, el TEG alimentado al contactor se encuentra a 120 °F y 900 psia, con una composición de 99% masa de TEG y 1% masa de agua. El TEG a la salida de la columna contactora se expande en una válvula y luego es enviado a un intercambiador de TEG rico/TEG pobre donde es precalentadohasta 220 °F, el intercambiador de calor tiene una caída de presión 10 psi ne ambos lados. El TEG precalentado ingresa al regenerador con una presión de 16 psia, la presión de operación del regenerador es de 15 psia y el condensador tiene una caída depresión de 1 psia, en el regenerador la temperatura del producto de fondo no de be superar los 400 °F para evitar la descomposición térmica del TEG, el gas agrio en el tope de la columna se encuentra a temperaturas alrededor de 102 °C. Una bomba eleva la presión del TEG para enviarlo nuevamente a la torre contactora. Un segundo intercambiador de calor con el gas seco en el lado carcasa enfría el TEG hasta 120 °F antes de ingresar a la torre, la caída de presión en el lado carcasa es de 5 psi. En la figura 1 se muestra el diagrama del proceso. Determine:
Flujo de TEG requerido (gpm) Calor transferido enel rehervidor del regenerador (MMBTU/h) Potencia de la bomba (hp) Cantidad de agua removida (lbm) Temperatura a la salida del IC TEG rico/TEG pobre
897 psia
900 psia
Figur a 4.1 Diagrama d el pro ceso de deshi dratación del gas natur al con TEG. Inicialmente añadimos a la lista todos os l componentes involucrados en el proceso como se muestra en la figura 2 y luego se selecciona el paquete de fluidos Peng Robinson.
Figura 4.2 Lista de componentes Añadimos la corriente de materia de gas de entrada a la planta, como contamos con una composición en base seca y debemos saturar la corriente con agua, por lo que crearemos un “saturador” como se muestra en la figura 3.
Figura 4.3 Saturación del gas natural con agua Para simular la columna contac tora, se añade a la simulación el Absorber ubicado en la paleta de operaciones unitarias, para la configuración de este equipo se deben especificar las corrientes de entrada y salida de tope y fondo, el número de etapas y la presión de tope y fondo en la columna, en la figura 4 se muestran las especificaciones.
Figura 4.4 Confi gur ación de la colu mna cont actora Para alcanzar las condiciones de entrada en el regenerador se coloca una válvula de expansión antes del intercambiador de calor, donde se especifican las caídas de presión de cada lado y en la corriente de salida del intercambiador se especifica la temperatura y presión, como se muestra en la figura 5.
Figura 4. 5 Configuración de la válvu la e inter cambiador de calor El regenerador es simulado como una columna de destilación, el cual consiste en un condensador, un rehervidor y una etapa de equilibrio. Se añade la Columna de destilación al ambiente de simulación y se especifican el tipo de condensador, las corrientes de entrada y salida, presión de tope y fondo, caída de presión en el condensador y rehervidor como se muestra en la figura 6. Una vez configurada la columna, para iniciar el cálculo se deben añadir dos especificaciones adicionales, se tomarán las temperaturas de tope y fondo como especificaciones para cumplir con los grados de libertad (ver figura 7).
Figura 4.6 Configuración del regenerador Nota: En algunos casos la convergencia de este tipo de columnas es difí cil, por lo que se recomienda utilizar un Damping Factor del tipoAdaptativo, para modificar este factor se ingresa a la pestaña Parameters > Solver.
Figura 4.7 Especificaciones del regenerador Una vez convergido el regenerador conectados la corriente defondo al intercambiador de calor TEG rico/TEG pobre, como se muestra en la figura 8.
Figura 4.8 Configuración intercambiador de calor/regenerador Antes de llegar al cabezal de succión de la bomba, el TEG es mezclado con deshidratante fresco para reponer las posibles pérdidas en el sistema, esto se logra con un Mixer y una corriente adicional de TEG como se muestra en la figura 9.
Figura 4.9 Reposición de TEG
Se añade una bomba cuya succión es la corriente de TEG a la salida del mezclador y se especifica la presión de descarga. El TEG a la salida de la bomba pasa por los tubos de un intercambiador de calor con el gas seco, como se muestra en la figura 10, donde alcanza la temperatura con la que entra nuevamente a la columna contactora.
Figur a 4.10 Conf igu ración de la bomba e int ercambiador Gas seco/TEG pobr e Para cerrar el sistema, se conectan a la operación Recycle la corriente que sale del intercambiador y la alimentación de TEG a la columna contactora, en la figura 11 se muestra el ambiente de simulación completo.
Figura 4.11 Planta de deshidratación de gas natural con TEG
5. Endulzamiento con DEA Se requiere diseñar una planta de endulzamiento de gas natural con DEA, una instalación típica en el tratamiento de gas agrio. La corriente de gas na tural que alimenta al contactor con amina está saturado con agua, tiene un flujo de 25 MMSCFD y se encuentra a 25 °C y 6900 kPa, la DEA usada en elmedio absorbente tiene una concentración de 28% en peso en solución acuosa, la corriente de amina se encuentra a 35 °C y 6850 kPa. El contactor iene t 20 etapas reales. La amina rica proveniente del contactor es flasheada desde 6900 kPa hasta 620 kPa antes de entrar en el intercambiador de calor de amina rica/amina pobre, donde la corriente es calentada hasta 95 °C para alimentar al regenerador, con una caída de presión de 10 psi en ambos lados. El regenerador tiene 20 etapas reales, el gas ácido expulsado desde el regenerador se encuentra a 50 °C, el rehervidor de esta columna transfiere calor a una razón de 12 MMBTU/h, y la amina pobre producida está aproximadamente a 125 °C. La amina pobre es enfriada y recirculada al contactor. El gas dulce no debe contener 2. H2S y menos de 150 lb/hr de CO
Tabla 5.1 Composició n del gas natur al Component e nitrógeno sulfuro de hidrógeno dióxido de carbono metano etano propano iso-butano Normal-butano iso-pentano normal-pentano Hexano agua
Fracción molar 0,0016 0,0172 0,0413 0,8692 0,0393 0,0093 0,0026 0,0029 0,0014 0,0012 0,0018 0,0122
Determine:
Flujo de DEA requerido (gpm) Calor transferido enel rehervidor del regenerador (MMBTU/h) Potencia de la bomba (hp) Cantidad de H 2S y CO2 removido (lbm)
Inicialmente añadimos a la lista todos os l componentes involucrados en el proceso como se muestra en la figura 1 y luego se selecciona el paquete de fluidos de Aminas, usando los modelos de Kent-Eisenberg y No-ideal.
Figura 5.1 Lista de componentes Añadimos la corriente de materia de gas de entrada a la planta, y la especificamos con las condiciones del proceso, de igual forma con la corriente de amina. Una vez especificadas las corrientes, el gas agrio se hace pasar por un tambor separador para remover el agua libre. Se añade la torre contactora (Absorbedor) a la simulación, para la configuración de este equipo se deben especificar las corrientes de entrada ysalida de tope y fondo, el número de etapas y la presión de tope y fondo en la columna, en la figura 2 se muestran las especificaciones. Adicionalmente el paquete de aminas requiere que se especifiquen las dimensiones de las etapas reales usadas en el contactor y en el regenerador, en la pestaña Parameters > Amines, se espec ificarán Weir Height en 0,082 ft; Weir Length en 3,3 ft y Diameter 4 ft.
Figura 5.2 Confi gur ación de la colu mna cont actora
Para alcanzar las condicionesde entrada en el tanque de flasheo se coloca una válvula a la salida de al columna, donde se especifica la presión en la corriente que va al separador, la corriente de líquido del separador es alimentada al intercambiador de amina rica/amina pobre, en el intercambiador se especifican las caídas de presión en el lado tubo y lado carcasa, en la corriente de salida del intercambiador se especifica la temperatura y presión, como se muestra en la figura 3.
Figura 5. 3 Configuración de la válvu la, sepa rador e inter cambiador de calor El regenerador es simulado como una columna de destilación, el cual consiste en un condensador, un rehervidor y 18 platos. Se añade la Columna de destilación al ambiente de simulación y se especifican el tipo de condensador, las corrientes de entrada y salida, presión de tope y fondo, caída de presión en el condensador y rehervidor como se muestra en la figura 4. Además, la eficiencia por componente en la torre se asumirá constante e igual a 0,8 para H2S y 0,15 para CO2.Una vez configurada la columna, para n i iciar el cálculo se deben añadir dos especific aciones adicionales, se tomarán las temperaturas de tope y fondo como especificaciones para cumplir con los resolución “Modified grados de libertad (ver figura 5). Se utilizará como método de HYSIM Inside-Out” y un factor Damping de 0,4 para una convergencia más rápida y estable.
Figura 5.4 Configuración del regenerador
Figura 5.5 Especificaciones del regenerador Una vez convergido el regenerador conectados la corriente defondo al intercambiador de calor amina rica/amina pobre, como se muestra en lafigura 6.
Figura 5.6 Configuración intercambiador de calor/regenerador Antes de llegar al enfriador, la DEA es mezclado con agua para reponer las posibles pérdidas en el sistema, esto se logra con un Mixer y una corriente adicional de agua pura a 77 °F como se muestra en la figura 7.
Figura 5.7. Reposición de agua Se añade un cooler, con una caída de presión de 5 psi y una bomba cuya succión es la corriente de salida del cooler yse especifica la temperatura y presión a la descarga de la bomba igual a al s condiciones de entrada en el contactor (35 °C y 6850 kPa) como se muestra en la figura 8.
Figur a 5.8 Confi gur ación de la bomba y enfri ador de DEA Para cerrar el sistema, se conectan a la operación Recycle la corriente que sale de la bomba y la alimentación de DEA a la columna contactora, en la figura 9 se muestra el ambiente de simulación completo.
Figura 5.9 Planta de endulzamiento de gas natural con DEA
6. Despropanizadora Se requiere diseñar una columna de destilación para eparar s el propano de una corriente de LGN (líquidos del gas natural). La composición de la corriente de alimentación se muestra a continuación:
Tabla 1. Composició n de los líquidos del gas na tural Componente Fracción molar Etano 0,0084 Propano 0,5280 iso-butano normal-butano iso-pentano normal-pentano
Hexano Heptano Octano Nonano Decano
0,1206 0,1799 0,0584 0,0467 0,0315 0,0198 0,0043 0,0017 0,0006
La corriente de LGN con un flujo molar de 7358 lbmol/h se encuentra a una temperatura de 186 °F y una presión de 262psig. Se quiere recuperar el 99,4% del propanopresente en la corriente de alimentación por el tope y el 91,15% del flujo molar deiso-butano por el fondo. Determinar: 1) Presión de tope y fondo en la columna, usando el algoritmo mostrado en la figura 1. Suponga una caída de presión de 10 psien el condensador de tope y 0,1 psi por plato. 2) El número de etapas teóricas de separación realizando un shorcut. 3) El calor en el condensador y el rehervidor (MMBTU/h), la relación de reflujo (L/D), reflujo (gpm), temperatura de tope y fondo, y la ubicación del plato de alimentación.
Figur a 6.1 Algo rit mo para la det erminar la pre sión de oper ación y tip o de condensador en columna s de destilación
Primero añadimos a la lista de componentes todos los componentes involucrados en el proceso, como se muestra en la figura 2.
Figura 6.2 Lista de componentes Luego debemos elegir el paquete de fluidos, para hidrocarburos y componentes ligeramente polares el paquete recomendado es Peng-Robinson (ver figura 3).
Figura 6. 3 Selección del paquete d e fluidos En el ambiente de simulación se creará y especificará la corriente de alimentación (LGN) como se muestra en la figura 4.
Figura 6. 4 Caracterización de la corrie nte de L GN Para resolver el balance de materia y obtener las fracciones molares en las corrientes de tope y fondo a partir de los porcentajes de recobro requeridos, se utilizará la operación unitaria “Component Splitter” ubicada en la paleta junto con las columnas. Para configurar esta operación unitaria es necesario conectar una corriente de alimentación y dos corrientes de salida (tope y fondo). En la pestaña “Splits” dentro de la operación unitaria, especificaremos la fracción del flujo de alimentación de cada uno de los componentes en las corrientes de tope y fondo como se muestra en la figura 5.
Figura 6.5 Configuración del componente splitter
A pesar de que la operación unitaria continua en amarillo (hacen falta especificaciones para completar su convergencia) el balance de materia fue resuelto yes posible obtener las composiciones de las corrientes de tope y fondo como se muestra en la figura 6.
Figura 6.6 Fracciones molares de las corrientes de tope y fondo Para determinar la presión de tope y fondo es necesario conocer las composiciones de las corrientes, como se muestra en el algoritmo (figura 1). A partir de la corriente de tope en el componente splitter, determinaremos la presión de burbuja con ayuda del simulador, para la corriente de tope la presión de burbuja a 120°F es 233,3 psig (compruebe) a pesar de ser mayor a 200 psig (215psia) para este tipo de columnas es común el uso de condensador total, por lo tanto continuaremos el algoritmo asumiendo condensador total, para calcular la presión del fondo consideraremos una caída de presión de 10 psi en el condensador y 0,1 en cada plato, asumiendo 40 platos la presión en el fondo es de 247,3 psig, a esta presión la temperatura de ebullición en el fondo de la columna es de 295,4 °F (calculado con el simulador con la composición de la corriente de fondo obtenida).
Para determinar si la temperatura de ebullición en el fondo es menor ala temperatura crítica o de descomposición de la mezcla, utilizamos la herramienta “Critical properties”, para acceder a esta utilidad seleccionamos la pestaña “Attachments” y luego “Utilities” sionando el botón “Create” añadimos la utilidad y calculará en la corriente de fondo, pre las propiedades de la corriente como se muestra en la figura 7.
Figura 6.7 Utilidad para la determinación de las propiedades críticas de una corriente La temperatura de ebullición es menor que la temperatura crítica de la corriente, por lo tanto, la presión de operación de la columna es 247,3 psig (262 psia). Para poder simular una columna con el modelo riguroso es necesario especificar parámetros tales como presión de tope y fondo, número de platos, platode alimentación, como no se dispone de esta informaciónse estimará a partir del modelo “shortcut” de destilación ubicado en la paleta de operaciones unitarias. Para la configuración esta operación unitaria, es necesario unacorriente de alimentación (corriente de LGN), dos corrientes materia de salida (tope yfondo) y dos corrientes de energía (condensador y rehervidor) como se muestra en la figura 8.
Figura 6.8 Ventana de conexiones en el modelo shortcut de destilación
En la ventana de parámetros se especificará el componente clave liviano y sufracción molar en el fondo, el componente clave pesado y su fracción molar en el destilado. Las presiones de operación del condensador y rehervidor de la columna y la relación de reflujo externo (L/D) como se muestra en la figura 9.Para la relación de reflujo externo, se utilizó una relación de 1,3 con respecto a la relación mínima de reflujo determinada por el simulador.
Figura 6.9 Vent ana de parámetr os para la conf igur ación del shor tcut En la pestaña “Performance” aparecen todos los parámetros calculados por este modelo número de platos teóricos, el plato óptimo de alimentación, temperaturas del
condensador y rehervidor, calor transferido en el condensador y el rehervidor y los flujos de líquido y vapor en las zonas de rectificación y agotamiento, como se muestra en la figura 10.
Figura 6.10 Parámetros calculados mediante el modelo shortcut de destilación
Con los parámetros obtenidos por el método corto, tenemos información suficiente para configurar el modelo riguroso de la columna de destilación, seleccionamos en la paleta de operaciones unitarias “Distillation column”, al ingresar en el modelo se muestra la primera ventana donde se debe especificar el tipo de condensador a utilizar, corriente y ubicación del plato dealimentación, número de etapas, corrientes de materia del tope y fondo y corrientes de energía del condensador y rehervidor, además de las corrientes laterales de la columna (opcional), el modelo shortcut estimó un número de platos ideales de 38,88 para este tipo de columnas (despropanizadoras) la eficiencia de platos se encuentra entre 80 y 90% (ver tabla 2), por lo tanto asumiendo una eficiencia de 80% el número de platos reales para nuestra columna es de 48,6, en la figura 11 se muestran los parámetros introducidos en la primera ventana de la columna.
Tabla 6.2 Parámetros típicos de fr accionadoras en la indu str ia del gas natural
Demethanizer Deethanizer Depropanizer Debutanizer Butane splitter
Operating pressure (psig) 200-400 375-450 240-270 70-90 80-100
Number of actual trays
Reflux ratio
18-26 25-35 30-40 25-35 60-80
Top feed 0,9-2,0 1,8-3,5 1,2-1,5 6,0-14,0
Tray efficiency (%) 45-60 50-70 80-90 85-95 90-110
Fuente: Alireza Bahadori (2014). Natural G as Proces sin g: Technology and Engineering D esign
Figura 6. 11 Primera v entana de configur ación en el modelo rigur oso de destilación
Luego de configurar la primera ventana, se habilitará el botón “Next”, al presionarlo debemos seleccionar el tipo configuración en el rehervidor, presionamos “Next” nuevamente y en la tercera ventana debemos especificar la presión enel condensador, presión del rehervidor y la caída de presión en ambos, como se muestra en la figura 12.
Figura 6. 12 Tercer a ven tana de configur ación en el modelo rigur oso de destilación Una vez especificada las presiones de operación en la columna, presionamos next y en la siguiente ventana podemos introducir las temperaturas en el condensador y rehervidor (opcional) las cuales se tomarán como valores iniciales, colocaremos las obtenidas mediante el modelo shortcut y presionaremos next. En la última ventana podemos especificar el flujo de la corriente de producto en el tope y la relación de reflujo también de forma opcional. Estos parámetros estimados son útiles como parámetros iniciales en la columna para ayudar a una convergencia más rápida. En la última ventana presionamos “Done” y aparecerá la ventana principal del modelo riguroso de destilación, como se muestra en la figura 13.
Figura 6.13 Ventana principal del modelo riguroso de destilación
En la pestaña “Design” seleccionamos “Specs” para configurar las especificaciones de nuestra columna. Las especificaciones que utilizaremos serán las fracciones molares de propano en las corrientes de tope y fondo, presionamos el botón “Add” y seleccionaremos “Column component fraction”, en la figura 14 se muestran las ventanas para la configuración de estas especificaciones.
Figura 6. 14 Especificac iones de la columna en el modelo rigur oso Después de añadir las especificaciones, debemos marcarlas como “activas” y no como estimados, para esto desmarcamos las especificaciones que estén “activas” por defecto y luego activamos las que acabamos de crear. El número de especificaciones activas necesarias para iniciar la resolución del modelo depende rá del número de grados de libertad en el sistema, el cual aparece en laparte inferior de las especificaciones de la
columna, debe cero grados de libertad para iniciar el cálculo. El número de grados de libertad en haber el sistema dependerá de: número de condensadores , número de rehervidores, operaciones laterales existentes (retiros laterales, “sidestrippers”, “pump around”, etc), cada uno añadirá un grado de libertad al sistema. Una vez que estén marcadas nuestras especificaciones, presionamos el botón “Run” y si ha sido correctamente configurada la columna, aparecerá el mensaje “Converged” en color verde en la parte inferior de la ventana. Seleccionamos “Monitor” en la misma pestaña, en esta ventana podemos observar los perfiles de temperatura, presión y flujo dentro de la columna, el número de iteraciones necesarias para la convergencia, las especificaciones activas y usadas como estimado (valor inicial), como se muestra en la figura 15.
Figura 6.15 Monitoreo de las variables y parámetros de la columna de destilación En la pestaña “Performance” seleccionamos “Summary” y podemos observar las composiciones, flujos y porcentaje de recobro en la columna como se muestra en la figura 16, seleccionando la ventana “Column profiles” podemos observar los valores de temperatura, presión, flujo neto de líquido y vapor en cada una de las etapas de la columna como se muestra en la figura 17.
Figura 6.16 Resumen del balance de materia en la columna
Figura 6. 17 Perfi les de tem peratura, p resión y flujo de l a columna de destilac ión
Figura 6.18 Ambiente de simulación completo
