21Practica21 - Noemi Rizo

Vista previa del material en texto

21. PLANTA DE ENFRIAMIENTO DE UN GAS 
 
1. OBJETIVOS 
 
1.1. Simular, en estado estacionario, una versión simplificada de una planta de 
enfriamiento de un mezcla de hidrocarburos gaseosa 
1.2. Ajustar la temperatura la corriente de alimento a un separador de fases al valor del 
punto de rocío de otra corriente a una determinada presión 
1.3. Especificar un intercambiador de calor de carcasa y tubos para completar sus 
grados de libertad 
1.4. Analizar relaciones entre variables del proceso mediante la opción Databook del 
HYSYS 
 
2. INTRODUCCION 
 
En este ejercicio se modelará una versión simplificada de una planta de gas refrigerada. 
Una mezcla gaseosa que contiene hidrocarburos, agua, sulfuro de hidrógeno, nitrógeno 
y dióxido de carbono a 15 °C y 6200 kPa se enfría hasta conseguir condensarlo 
completamente a una temperatura de 15.18 °C. Se utiliza como medio enfriante una 
fracción fría del mismo alimento que es recirculada para extraer calor del vapor en un 
intercambiador de calor. Después de un segundo enfriamiento, dicho vapor se condensa 
parcialmente, la mezcla de dos fases se separa, se recoge el líquido como el producto 
enfriado y se aprovecha el vapor para el primer enfriamiento. 
 
Grados de libertad de un intercambiador de calor incluyendo su configuración 
 
Las variables del sistema son las 4(C + 2) de las cuatro corrientes de materia, el flujo 
calórico intercambiado entre ellas y las dos variables de dimensionamiento del 
intercambiador (coeficiente global y área de transferencia de calor), es decir, 4C + 11. 
 
Las ecuaciones del sistema son C balances de materia, C igualdades en concentraciones 
en ambas corrientes intercambiando calor, un balance de energía y una ecuación de 
diseño, es decir, 2C +2. Las variables de diseño son, por lo tanto, 2C + 9 
 
Si se especifican las dos corrientes de entrada, se reducen a cinco los grados de libertad 
requeridos para especificar completamente al intercambiador. HYSYS, en su ventana de 
propiedades, asiste para la introducción de estas cinco especificaciones faltantes. 
 
3. PROCESO ESTUDIADO 
 
La corriente “Alimento” a 15 °C y 6200 kPa, se somete a una separación de fases, en el 
recipiente V-100, incluido para eliminar la posible formación de condensado. El vapor 
“VaporV-100” se enfría en dos intercambiadores en serie, E-100 y E-101, condensando 
una fracción de dicho vapor. La mezcla líquido-vapor, “LiquidoVapor”, a una 
temperatura de -15.18 y 6130 kPa °C se separa en el recipiente V-101, recogiéndose el 
líquido como el producto enfriado y el vapor se recircula como medio enfriante en el 
intercambiador E-100. El intercambiador E-101 es un enfriador de especificaciones 
simplificadas disponible en HYSYS. Un objetivo de la simulación es ajustar la 
temperatura de la corriente, “LiquidoVapor”, que alimenta al separador V-101 a la 
temperatura de rocíode la corriente “Vapor”. El punto de rocío de la corriente gaseosa 
producto “Vapor” no debe exceder de – 15°C a 6000 kPa. Una operación Balance se 
utilizará para evaluar el punto de rocio del producto gaseoso “Vapor” a 6000 kPa. 
 
4. PAQUETE FLUIDO 
 
4.1.1. COMPONENTES: Nitrógeno, Sulfuro de Hidrógeno, Dióxido de 
carbono, Metano, Etano, Propano, i-Butano, n-Butano, i-Pentano, n-Pentano, 
n-Hexano, Agua y C7+ (Hipotético, Temperatura de ebullición Normal 110 
°C, (230 °F)) 
4.1.2. ECUACION: Peng-Robinson 
4.1.3. REACCIONES: No hay 
4.1.4. SISTEMA DE UNIDADES: SI 
 
5. SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO 
 
Corriente de alimentación: Instale la corriente de nombre “Alimento” e introduzca en su 
ventana de propiedades las siguientes especificaciones: 
 
Nombre: Alimento 
Temperatura: 15°C (60°F) 
Presión: 6200 kPa (900 psia) 
Flujo Molar: 1440 kgmole/hr (3175 lbmole/hr) 
Composición (Fracción Molar: 
N2 0.0066 
H2S 0.0003 
CO2 0.0003 
C1 0.7575 
C2 0.1709 
C3 0.0413 
i-C4 0.0068 
n-C4 0.0101 
i-C5 0.0028 
n-C5 0.0027 
C6 0.0006 
C7+ 0.0001 
H2O 0 
 
Separador de fases V-100: Instale un separador de fases seleccionándolo de la paleta de 
objetos, colóquele nombre “V-100”, e introduzca la siguiente información en la ventana de 
la página “Connections” de su pestaña “Design” 
 
Inlets Alimento 
Vapour Outlet VaporV-100 
Liquid Outlet Residuo 
 132
Enfriador E-100: Instale un intercambiador de calor de carcasa y tubo haciendo un doble 
clic en el icono “Heat Exchanger” que se encuentra en la paleta de objetos, colóquele 
nombre “E-100” e introduzca la información que aparece en las páginas “Connections”, 
Figura 1, y “Parameters”, Figura 2, de la pestaña “Design” de su ventana de propiedades. 
 
El modelo para el cálculo del intercambiador de calor es el ponderado o “Weighted” porque 
es el disponible solo para intercambiadores en contracorriente. El modelo de cálculo se 
selecciona en el cuadro “Heat Exchanger Model” de la página “Parameters”. ¿Cuántas 
especificaciones se requieren para que el intercambiador converja satisfactoriamente? 
 
 
 
 
Figura 1. Corrientes en el intercambiador E-100 
 
 
Especificaciones adicionales en el enfriador E-100: Se introducirá como especificación 
adicional que la aproximación mínima global entre las temperaturas en el intercambiador E-
100 sea de 5°C. Para ello despliegue la página para completar las especificaciones del 
intercambiador o “Specs” y se desplegará la ventana que aparece en la Figura 3. Es 
necesario que se desactive la especificación UA haciendo clic en la caja de verificación 
“Active” para dicha especificación. El simulador por defecto especifica un “Heat Balance = 
0” que es necesario asegurar para el cumplimiento de los balances de calor y, por lo tanto, 
no se necesita suministrarla. Presione el botón “Add” para añadir las especificaciones 
necesarias para completar los grados de libertad y el simulador pueda resolver al 
intercambiador de calor. La ventana de especificación del intercambiador se desplegará y 
por defecto aparece para añadir una especificación de diferencia de temperaturas entre dos 
corrientes. En el cuadro desplegable “Type” seleccione la opción “MinApproach” e 
introduzca la especificación como aparece en la Figura 4. Observe en la Figura 3 que la 
especificación añadida se ha fijado como activa verificando el cuadro en la columna 
“Active”. Observe el flujo del gas enfriado que sale del intercambiador E-100 
 
 
 133
 
 
Figura 2. Parámetros especificados en el intercambiador E-100 
 
 
 
 
Figura 3. Ventana para agregar las especificaciones en el intercambiador E-100 
 
 
Enfriador GG-2: Instale un intercambiador de calor de especificaciones simplificadas 
haciendo un doble clic en el icono “Cooler” que se encuentra en la paleta de objetos, 
colóquele nombre “E-101” e introduzca la información que aparece a continuación 
 
Pestaña Design: Página Connections 
 
Nombre E-101 
Inlet SalidaE-100 
 134
Outlet LiquidoVapor 
Energy Q2 
 
Pestaña Design: Página Parameters 
 
Delta P 35 kPa (5 psia) 
 
 
 
 
Figura 4. Especificación de la mínima aproximación de temperatura entre las corrientes en 
el intercambiador E-100 
 
 
 
Separador de fases V-101: Instale un separador de fases, asígnele como nombre “V-101” 
e introduzca la siguiente información en su ventana de propiedades 
 
Pestaña Design: Página Connections 
 
Nombre V-101 
Inlets LiquidoVapor 
Vapour Outlet VaporV-101 
Liquid Outlet Liquido 
 
La temperatura del alimento al separador de fases V-101, se variará utilizando la operación 
Ajuste para hallar una temperatura en la cual se cumpla la restricción de que se encuentre 
en su punto de rocío. Por el momento, especifique que la temperatura de la corriente 
“LiquidoVapor” es de – 20°C (- 4°F), ¿Por qué converge satisfactoriamente la planta de 
refrigeración? 
 
¿Cuál es la presión y la temperatura de la corriente producto gaseoso “Vapor”? 
 
_______________________ y _____________________________ 
 
 
 135
ESTIMACIÓN DE LA TEMPERATURA DE ROCÍO DE LA CORRIENTE 
“VAPOR” 
 
Se quiere estimarel punto de rocío de la corriente “Vapor” a una presión de 6000 kPa (875 
psia). Para ello se introduce un botón Balance que conecte a dicha corriente con otra de 
nombre “VaporRocio” y que se especifica de la siguiente manera: 
 
Página Connections: Pestaña Connections 
 
Inlet Streams Vapor 
Outlet Streams VaporRocio 
 
Página Parameters: Pestaña Parameters 
 
Balance Type Mole 
En la página “Conditions” de la pestaña “Worksheet” especifique una presión de 6000 kPa 
(875 psia) a la corriente “VaporRocio” y asigne el valor de la fracción de vapor 
correspondiente a temperatura de punto de rocío, es decir uno (1.0) 
 
¿Cuánto es la temperatura de rocio de la corriente “Vapor”? _____________________ 
 
La temperatura de rocío requerida es de – 15°C. El obtenido a 6000 kPa es mayor o menor? 
 
______________________________________________________________________ 
 
Asumiendo que se fija la presión, ¿Qué otro parámetro afecta a la temperatura de rocío? 
 
¿Cómo se puede cambiar la temperatura de rocío en la simulación? 
 
 
 
AJUSTE DE LA TEMPERATURA DE LA CORRIENTE “LIQUIDOVAPOR” QUE 
ALIMENTA AL SEPARADOR V-101 
 
Un objetivo de la simulación es alimentar al separador de fases V-101 a una temperatura 
correspondiente al punto de rocío de la corriente “Vapor” a 6000 kPa, es decir, -19.48 °C. 
Para ello se introduce un botón de ajuste y se despliega su ventana de propiedades para la 
introducción de sus especificaciones 
 
En la página “Connections” de la pestaña del mismo nombre, seleccione la variable a 
ajustar presionando el botón “Select Var...” en el grupo “Adjusted Variable” para abrir el 
navegador de variables o “Variable Navigator”. De la lista de objetos u “Object” seleccione 
la corriente “LiquidoVapor”. De la lista de variables o “Variable” que está ahora visible 
seleccione la temperatura y presione OK para aceptar la variable y regresar a la vista de 
propiedades del botón de ajuste. 
 
 136
Para seleccionar la variable objetivo presione ahora, el botón “Select Var...” en el grupo 
“Target Variable” para desplegar la ventana “Select Target Variable for ADJ-1”, seleccione 
“VaporRocio” en la lista de objetos u “Object” y Temperatura en la lista de variable o 
“Variable” y presione OK para aceptar la variable y regresar a la vista de propiedades del 
botón de ajuste. Escribe el valor de – 19.48 °C en el cuadro “Specified Target Value”. Abra 
la página “Parameters”, mantenga los parámetros que aparecen por defecto y presione el 
botón “Start” para empezar los cálculos. Para observar el progreso de la operación ajuste 
abra la pestaña “Monitor”. La Figura 5 muestran las especificaciones introducidas para la 
operación de ajuste 
 
¿Cuánto es la temperatura de la corriente de salida del E-100 para alcanzar la especificación 
del punto de rocío? 
 
 
 
El diagrama de flujo final de la planta de gas refrigerada incluyendo las operaciones 
Balance y Adjust se muestra en la Figura 6. 
 
 
 
 
Figura 5. Ventana de especificaciones del botón de ajuste 
 
 
Dimensionamiento y desempeño del intercambiador E-100 
 
HYSYS estima un dimensionamiento y configuración para este tipo de intercambiador de 
carcasa y tubo 
 
1. Despliegue la ventana de propiedades del intercambiador y haga clic en la pestaña 
“Rating” y observe el dimensionamiento global en cuanto a configuración de la 
unidad y la información calculada sobre la geometría y el coeficiente global de 
transferencia que HYSYS está proponiendo 
 
 137
 
 
Figura 6. Diagrama de flujo de una planta de enfriamiento de gas 
 
 
2. Haga clic sobre el radio botón “Shell” y observe la información sugerida por 
HYSYS sobre el banco de tubos, la carcasa y los bafles 
3. Haga clic sobre el radio botón “Tube” y observe la información sugerida por 
HYSYS sobre las dimensiones y las propiedades de los tubos 
4. Haga clic sobre la pestaña “Performance” y observe en la página “Details” 
información global y detallada sobre el desempeño del intercambiador 
5. Haga clic sobre la página “Plots” y observe el gráfico de Flujo calórico versus 
Temperatura de las corrientes que intercambian calor a través del intercambiador 
6. Despliegue el cuadro “Plot Type” y observe los diferentes gráficos que muestran el 
desempeño del intercambiador 
7. Haga clic sobre la página “Tables” y observe la información numérica 
correspondiente al perfil de las corrientes por carcasa y tubo 
8. Haga clic en la pestaña “Worksheet” y observe las condiciones de las corrientes de 
entrada y salida y verifique que se cumplen las especificaciones introducidas para la 
simulación de la operación del intercambiador 
 
CASO DE ESTUDIO: Variación de la temperatura de la corriente “VaporRocío” 
debida a cambios en la temperatura de la corriente “LiquidoVapor” 
 
La herramienta “Case Study” de HYSYS permite monitorear la respuesta en estado 
estacionario de variables de proceso claves ante cambios en otras variables en el proceso. 
Se seleccionan las variables independientes a cambiar y las variables dependientes a 
monitorear. HYSYS varia las variables independientes al mismo tiempo y con cada cambio 
calcula los valores de las variables dependientes. 
 
En vez de utilizar la operación Ajuste para hallar la temperatura de la corriente 
“LiquidoVapor” requerida para alcanzar el punto de rocío del producto gaseoso “Vapor” se 
 138
puede utilizar la herramienta “Case Study” para examinar un intervalo de valores de 
temperaturas de la corriente “LiquidoVapor” y de temperaturas de punto de rocío. 
 
Antes de instalar el “Case Study”, el botón Ajuste tiene que desactivarse de tal manera que 
no cause conflictos con el Case Study. Para ello abra la ventana de propiedades del botón 
Ajuste, señale el cuadro de verificación correspondiente a la opción “Ignored” y cierre la 
ventana 
 
Del menú “Tools” seleccione la opción “Databook”, para abrir su ventana de 
especificaciones. En la página “Variables” presione el botón “Insert” para abrir la ventana 
“Variable Navigator”. 
 
Seleccione “LiquidoVapor” de la lista de objetos u “Object” y Temperatura de la lista de 
variables y presione OK para completar la selección de la primera variable. Repita la 
operación anterior para seleccionar la temperatura de la corriente “VaporRocio” como la 
segunda variable. Observe la Figura 7 
 
En la ventana “Databook”, haga clic en la página “Case Studies” y presione el botón “Add” 
para añadir un nuevo caso de estudio. Seleccione la Temperatura de “LiquidoVapor” como 
la variable independiente y la temperatura de “VaporRocio” como la variable dependiente. 
Observe la Figura 8 
 
 
 
 
Figura 7. Selección de variables para el caso de estudio 
 
 
Presione el botón “View...” para completar la información para el caso de estudio. Ingrese 
los valores para el límite inferior (Low Bound), límite superior (High Bound) y tamaño del 
paso (Step Size) de – 25°C (- 20°F), 5°C (10°F) y 5°C (10°F) respectivamente. Presione el 
botón Start para empezar los cálculos. Observe la Figura 9. 
 
Para observar los resultados en forma gráfica o numérica, presione el botón “Results” y 
escoja la opción “Graph o Table” , Observe los resultados gráficos en la Figura 10 
 
 139
Habiendo terminado el estudio de caso, active la operación Adjust eliminando la 
verificación en la opción Ignored en la página Parameters de la operación 
 
 
 
 
Figura 8. Selección de las variables independiente y dependiente 
 
 
 
 
Figura 9. Especificaciones del intervalo de valores a analizar 
 
 
 
 
Figura 10. Resultados gráficos del caso de estudio 
 140