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SIMULACIÓN DE PROCESOS CON S U C Ó OC SOS CO ASPEN HYSYS 2006 Ing. José Luis Aguilar Salazar CURSO BÁSICO DE SIMULACIÓN DE PROCESOS CON ASPEN HYSYS 2006 Objetivos Básicos: Una vez concluido el curso el estudiante será capaz de: • Comprender el entorno en el que se maneja Aspen Hysys.p q j p y y • Ingresar componentes y definir un paquete de fluidos. • Realizar cálculos termodinámicos. • Hacer balances de materia y energía. • Simular equipos de transferencia de masa y calor. • Simular reactores químicos. • Simular plantas químicas, petróleo y gas natural. ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved INTRODUCCIÓN La simulación de procesos se ha convertido en una herramienta básica y fundamental para los ingenieros en la etapa de formación y en el ejercicio de su profesión. Los simuladores de procesos se utilizan en las industrias para: Elaboración de proyectos. Diseño y especificación de equipos. Localización y resolución de problemas. Control de procesos. Optimización ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved Optimización. Análisis de riesgos operativos (HAZOP). INTRODUCCIÓN Se aplica a todo tipo de industrias : - Exploración & Producción. - Plantas de separación y tratamiento de gas - Refinación del petróleo - Petroquímica.Petroquímica. - Química y Farmacéutica. Metalúrgica- Metalúrgica - Aceitera ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved - Azucarera INTRODUCCIÓN La simulación es la representación de un proceso o fenómeno mediante un modelo que permite analizar sus característicasmediante un modelo, que permite analizar sus características. A través del modelo se trata de explicar el comportamiento de un proceso sistema o unidad industrialproceso, sistema o unidad industrial. Los modelos se establecen a través de ecuaciones basadas en Leyes Fundamentales:y 1. Continuidad (Balance de Materia) 2 B l d E í2. Balance de Energía 3. Balance de Cantidad de Movimiento ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved 4. Ecuaciones de Transporte INTRODUCCIÓN Leyes Fundamentales (Cont) 5. Ecuaciones de Estado 6. Equilibrio 7. Actividad 8 Cinética Química8. Cinética Química Con el fin de que el modelo se aproxime más a la realidad, éste se torna complejo en su formulación y difícil en su resolución. De ahí la necesidad de emplear métodos numéricos ya sean programados por el usuario o Simuladores de Procesos comerciales Los simuladores de procesos son paquetes computacionales que resuelven ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved Los simuladores de procesos son paquetes computacionales que resuelven los modelos utilizando métodos numéricos INTRODUCCIÓN Los simuladores de procesos se han convertido en una herramienta básica para los estudiantes de Ingeniería e Ingenieros que se desempeñan l den la industria. Existen muchos simuladores comerciales para diferentes aplicaciones:Existen muchos simuladores comerciales para diferentes aplicaciones: mecánicas, procesos, hidráulica, estructural, etc. Los simuladores comerciales enfocados a los procesos son: APSEN HYSYS- APSEN HYSYS - CHEMCAD - PRO II / PROVISION/ - PIPE-FLOW - PIPESIM ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved - OLGA CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE SIMULACIÓN Los simuladores más empleados son: 1. Simuladores globales u orientados a ecuaciones. - Las ecuaciones que rigen cada equipo se integran entre sí, dando origen a un gran sistema de ecuaciones algebraicas que representan a todo el conjunto ogran sistema de ecuaciones algebraicas que representan a todo el conjunto o planta a simular. - La solución del problema consiste en resolver un gran sistema de ecuaciones algebraicas, por lo general, altamente no lineal. Desventajas - Problemas de convergencia - Existencia de varias soluciones matemáticamente factibles, por ser el sistema fuertemente no lineal. é ó ó ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved - Pérdida de la asociación entre la ecuación y el equipo correspondiente CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE SIMULACIÓN 1. Simuladores globales u orientados a ecuaciones. (Cont.) VentajasVentajas - La velocidad de convergencia es cuadrática es decir mayor que en los modulares secuencialeslos modulares secuenciales. - Permite aproximar ecuaciones de restricción y funciones objetivos, por lo que la tarea de optimización se puede realizar en formapor lo que la tarea de optimización se puede realizar en forma directa. ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE SIMULACIÓN 2 Simuladores Secuenciales2. Simuladores Secuenciales - Estos simuladores resuelven cada tipo de equipo por separado usando las técnicas que son adecuadas para el mismo. - El flujo de información coincide con el “flujo físico” de la planta. - Para cada módulo de simulación (equipos) deberá plantearse su modeloPara cada módulo de simulación (equipos) deberá plantearse su modelo matemático. - El enfoque en la teoría secuencial modular impone conocer las condiciones de l d dlas corrientes de entradas - Calculan las condiciones de las corrientes de salida y los correspondientes parámetros de operación ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved parámetros de operación CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE SIMULACIÓN 2. Simuladores Secuenciales (Cont.) Ventajas - Convergencia rápida. - Existe asociación entre la ecuación y el equipo. Desventajas - No permite adosar ecuaciones de restricción y funcionesNo permite adosar ecuaciones de restricción y funciones objetivos, por lo que la tarea de optimización no se puede realizar en forma directa. ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE SIMULACIÓN 2. Simuladores Secuenciales (Cont.) Elementos de un Simulador Secuencial - Corriente: Mezcla de multicomponentes caracterizadas por el caudal, composición y estado termodinámico - Modulo: Representa un equipo, unidad de proceso o una operación matemática C i t d MODULO Parámetros Corriente de Entrada Corriente de Salida ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved del Modulo CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE SIMULACIÓN 2. Simuladores Secuenciales (Cont.) Resolución de los modelos de los módulos una a la vez en una determinada secuencia Conociéndose las alimentaciones el modulo es calculado y sus salidas determinadas ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved DISEÑO DE PROCESOS Los ingenieros deben producir documentos que definan y describan el sistema aque definan y describan el sistema a diseñar El diseño de plantas de procesos lleva varias etapas, pero los Ingenieros Químicosvarias etapas, pero los Ingenieros Químicos están mas inmersos en dos que son: Ingeniería Básica Ingeniería de Detalle ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved INGENIERÍA BÁSICA Es realizado principalmente por Ingenieros Q í iQuímicos. Define los aspectos centrales de la planta Genera los siguientes documentos: Descripción del procesop p Diagrama de entrada y salida Diagrama de bloques genéricos Di d Fl j d Bl (BFD)Diagramas de Flujo de Bloques (BFD) Diagrama de Flujo de Proceso (PFD) Hojas de datos (Data Sheet) ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved Hojas de datos (Data Sheet) INGENIERÍA BÁSICA Diagrama de flujo del proceso: Documento que d ib l i d idescribe la secuencia de operaciones que conforman el proceso Di d t d lidDiagrama de entrada y salida: Diagrama de bloques genéricos: Basado en el anterior, incluye nuevos bloques que representan ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved las áreas de las plantas (Separación, Reacción….) INGENIERÍA BÁSICA Diagramas de Flujo de Bloques (BFD): Incluye di i i i l d ió i f iócondiciones principales de operación, información importante (rendimiento, conversiones….), balances de materia y energía preliminaresde materia y energía preliminares Diagrama de Flujo de Proceso (PFD): Incluye loslazos de controles principales, balances de materialazos de controles principales, balances de materia y energía definitivos y especificación de equipos. (Este tipo de diseño se lleva a cabo en hysys) Hoja de datos (Data Sheet): Especifica los equipos durante la Ingeniería Básica ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved INGENIERÍA DE DETALLE Características: Se lleva a cabo en un grupo interdisciplinario de ingenieros Se genera toda la documentación para la construcciónSe genera toda la documentación para la construcción física de la planta Diagrama de tuberías e Instrumentación (PID o P&ID) Se basa en el PFD y especifica además diámetro ySe basa en el PFD y especifica además diámetro y longitudes de tuberías, servicios industriales, drenajes, espesores, materiales, instrumentos de control. ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved INGENIERÍA DE DETALLE Diagrama de tuberías e Instrumentación (PID o P&ID)P&ID) ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved INGENIERÍA DE DETALLE ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved INGENIERÍA DE DETALLE Hojas de datos (Data Sheet): Especificaciones é i d l itécnicas de los equipos. ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved ASPEN HYSYS HYSYS es un simulador de Procesos, estático secuencial modular, í í ó óaplicado a la industria química, petroquímica, refinación, exploración & producción, farmacéutica y ambiental Permite realizar simulaciones en estado estacionario y dinámicoPermite realizar simulaciones en estado estacionario y dinámico, calculo de propiedades Fisicoquímicas, dimensionamiento de equipos incluyendo costos. Calculo de cargas de calor, requerimientos de energía equilibrio químicos y de fasesenergía, equilibrio químicos y de fases Herramienta de apoyo en la elaboración de proyectos en todas sus etapas (Conceptual, Básica, Detalle)etapas (Conceptual, Básica, Detalle) Herramienta para Optimizar Procesos existentes e incrementar la rentabilidad ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved ASPEN HYSYS BASE DE DATOS - Contiene mas de 1500 componentes sólidos, líquidos y gaseosos - Propiedades Fisicoquímicas de las sustancias puras. - Parámetros de Interacción Binaria para el calculo de coeficiente de actividad - Electrolitos. BASE DE CRUDOS - Contiene propiedades de muchos Crudos a partir de datos experimentales CARACTERIZACIÓN DE FRACCIONES DE PETRÓLEO - Correlaciones especificas para fracciones livianas y pesadas. - Modelos de interconversión de curvas de destilación ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved ASPEN HYSYS MODELOS TERMODINÁMICOS Contiene mas de 35 modelos matemáticos para equilibrios L V; L L y calculo deContiene mas de 35 modelos matemáticos para equilibrios L-V; L-L y calculo de Entalpías Modelos de actividad Ecuaciones de estado Miselaneos ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved ASPEN HYSYS OPERACIONES UNITARIAS HYSYS posee un integración grafica que permite modelar mas de 40 diferentes operaciones Unitarias: Acumuladores Flash Columnas de Destilación, azeotropica, Columnas de Extracción . Reactores Continuos y BatchReactores Continuos y Batch Compresores Turbinas Bombas Intercamabiadores de Calor Separador Mezcladores Controladores ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved Controladores Tuberías Válvulas de bloqueo y Control ASPEN HYSYS MÓDULOS ADICIONALES HYSYS contiene módulos adicionales como ser: - RefSYS Opsp - Upstream Ops - HTFS, HTFS+ (intercambiadores de Calor) - PIPESYS (Tuberías) - SPS-HYSYS Tuberias (Cristalización - Secado – Ciclones) OLGA- OLGA - SULSIM - HYSIM ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved - HYSIM ASPEN HYSYS DEFINIR SELECCIONAR LOS SELECCIONAR EL MODELO DEFINIR UNIDADES COMPONENTES TERMODINAMICO COMPONENTES INTRODUCIRINTRODUCIR FLUJOS Y CONDICIONES DE LAS CORRIENTES DE ENTRADA HACER DIAGRAMA DE PROCESO INTRODUCIR PARAMETROS DE DISEÑO O DE EVALUACION HACER AJUSTE ADICIONALES INTERPRETAR RESULTADOS ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved (CONTROLADOR) RESULTADOS MODELOS TERMODINÁMICOS Antes de la era de la computadora el 40% del tiempo de un proyecto era invertido en validar los modelosde un proyecto era invertido en validar los modelos termodinámicos. La selección de un Modelo Termodinámico adecuadoLa selección de un Modelo Termodinámico adecuado para la predicción de la Entalpia (H) y la Constante de Equilibrio (K) es fundamental para el proceso de simulación.s u ac ó La selección de un modelo inapropiado puede resultar en problemas de convergencia y resultados erróneos. Cada modelo es apropiado solamente para ciertos tipos de compuestos y limitado a ciertas condiciones de operación ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved operación MODELOS TERMODINÁMICOS El proceso de selección debe hacerse tomando en cuenta las siguientes consideraciones:las siguientes consideraciones: Componentes del proceso y composiciónComponentes del proceso y composición Rangos de Presión y Temperatura Fases involucradas Naturaleza de los componentes Disponibilidad de Información El proceso de selección es “Profesional” no computacional ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved MODELOS TERMODINÁMICOS Hay 4 categorías de Modelos Termodinámicos: Ecuaciones de Estado (E-o-S) Modelos de Actividad (Coeficiente de Actividad) Empíricos Especial para Sistemas Específicos Modelos EOS Modelos de Actividad Habilidad limitada para representar líquidos no- ideales Pueden representar líquidos altamente No-Ideales Consistentes en la región crítica Inconsistentes en la región críticaConsistentes en la región crítica Inconsistentes en la región crítica Pueden representar ambas fases líquida y gaseosa Representa solamente la fase líquida. La gaseosa debe ser representada aún por un modelo EOS Los parámetros se extrapolan bien con la Los parámetros binarios son altamente ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved Los parámetros se extrapolan bien con la temperatura Los parámetros binarios son altamente dependientes de la temperatura MODELOS TERMODINÁMICOS Ecuaciones de Estado (E-o-S) 1 P R bi (PR)1. Peng-Robinson (PR) ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved MODELOS TERMODINÁMICOS Ecuaciones de Estado (E-o-S) 2 L K l2. Lee-Kesler ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved MODELOS TERMODINÁMICOS Modelos de Actividad 1 M l1. Margules ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved MODELOS TERMODINÁMICOS Modelos de Actividad 2 NRTL (N R d T Li id E ti )2. NRTL (Non-Random Two Liquid Equation) ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved 1. HIDROCARBUROS MODELOS TERMODINÁMICOS 1. HIDROCARBUROS APLICACIÓN METODO PARA EL VALOR DE K METODO PARA LA ENTALPIA Hidrocarburos en General S R dli h K (SRK) SRKHidrocarburos en GeneralPresión > 1 bar Soave-Redlich-Kwong (SRK) SRK Hidrocarburos en General Presión > 1 bar Criogenicos < - 70°C Peng-Robinson (PR) PR g Compuestos Simples Presión > 1 bar Benedict-Webb-Ruben- Starlind (BWRS) BWRS Hidrocarburos PesadosHidrocarburos Pesados Presiones Moderadas 7 bar<P<200 bar Temperaturas -18°C a 430°C Grayson-Streed (GS) Lee Kessler (LK) Hidrocarburos Pesados Presiones Moderadas P< 7 bar ESSO LKes o es ode adas ba Temperaturas 90°C a 200°C SSO Hidrocarburos Pesados Presiones Bajas Maxwell-Bonell K-Charts LK Hidrocarburos - Agua Elli t S k D h (ESD) SRK ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved Hidrocarburos Agua Hidrocarburos - Gases Elliot-Suresk-Donohue (ESD) SRK Alifáticos Halogenados MSRK SRK MODELOS TERMODINÁMICOS 2. QUIMICOS APLICACIÓN METODO PARA EL VALOR DE K METODO PARA LA ENTALPIAVALOR DE K LA ENTALPIA Soluciones Ideales Presión de Vapor (VAP) SRK 2 fases líquidas No-Ideales Azeotropos Heterogéneos P (0 4 t ) T(275 475K) UNIFACLATE P (0-4atm) T(275-475K) Altamente No-Ideales Azeotropos Homogéneos Wilson LATE 2 fases líquidas Altamente No-Ideales NRTL LATEAzeotropos Heterogéneos NRTL LATE 2 fases líquidas Altamente No-Ideales Azeotropos Heterogéneos UNIQUAC LATE 2 fases líquidas Altamente No-Ideales Azeotropos Heterogéneos MARGULES LATE 2 fases líquidas Altamente No Ideales ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved 2 fases líquidas Altamente No-Ideales Azeotropos Heterogéneos TK WILSON LATE MODELOS TERMODINAMICOS 2. QUIMICOS (cont.) METODO PARA EL METODO PARAAPLICACIÓN METODO PARA EL VALOR DE K METODO PARA LA ENTALPIA Alifáticos Halogenados MSRK LATE Moderadamente No-Ideales Van Laars LATE Azeotropos Homogeneos Van Laars LATE Compuestos Polares en Soluciones Regulares MSRK (4 parámetros) LATE C t P l S l iCompuestos Polares en Soluciones No-Ideales SRK Predictivo LATE Soluciones No-Ideales con Sales Disueltas Wilson LATE ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved MODELOS TERMODINÁMICOS 3. ESPECIALES APLICACIÓN METODO PARA EL VALOR DE K METODO PARA LA ENTALPIAAPLICACIÓN VALOR DE K LA ENTALPIA Gases disueltos en Agua Ley de Henry Endulzamiento de Gases H2S-MEA- Amina AminaDEA Amina Amina H2S-CO2-NH3 disueltos en Agua Sour Water - PR SRK Metanol con Gases Livianos NRTL SRK Compuestos Ionicos disueltos en agua (HCL,NH3,HNO3) PPAQ SRK o LATE Deshidtratación de Hidrocarburos usando Tri-etilen glicol TEGV - PR SRK ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved Método para Polimeros Flory-Huggins (FLOR) LATE MODELOS TERMODINÁMICOS 4. MODELOS PARA SISTEMAS APLICACIÓN METODO PARA EL APLICACIÓN VALOR DE K Procesos con gases criogenicos PR Separación de Aire PR Torres de Crudo Atmosferico PR,GS Torres de Vacio PR,GS, ESSO Torres de Etileno Lee Kesler Plocker GSTorres de Crudo Atmosferico PR,GS Sistemas con alto contenido de H2 PR o GS Reservorios PR Vapor Paquetes de Vapor o GSVapor Paquetes de Vapor, o GS Inhibidores de humedad PR Sistemas Químicos Modelos de Actividad Alquilación con HF PR, NRTL ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved Alquilación con HF , Hidrocarburos donde la solubilidad del Agua es importante Kabadi Danner MODELOS TERMODINÁMICOS ©2008 José Luis Aguilar Salazar. All rights reserved
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