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TALLER 1 INTRODUCCIN AL ENTORNO HYSYS

1. Teclas rpidas

ARCHIVO (File) Crear New Case Ctrl. + N Abrir Case Ctrl. + O Guardar Case actual Ctrl. + S Guardar como Ctrl. + Shift + S Cerrar Case actual Ctrl. + Z Salir de HYSYS Alt + F4 SIMULACIN Ir a Basis Manager Ctrl + B Salir del ambiente actual (retornar al previo)

Ctrl + L

Propiedades principales Ctrl + M Abrir optimizador F5 Intecambiar Modos Estado estacionario/Dinmico

F7

Intercambiar clculos F8 Parar clculos Ctrl + Break Diagrama de flujo (Flowsheet) Agregando corriente de matria F11 Agregando operacin F12 Navegador de objetos F3 Mostrar/Ocultar Paleta de objetos F4 Vista de composicin (Workbook) Ctrl + K

Caractersticas nicas del HYSYS. HYSYS versus otros simuladores. El ambiente de trabajo. La importancia del Fluid Package WorkBook DataBook Aplicaciones de TERMODINMICA I

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2. Empezando la simulacin Enunciado.- Calcular la temperatura de burbuja del sistema etanol(1)/agua(2) a 1 atm, usando los modelos UNIQUAC, NRTL, Wilson, Van Laar y Margules. El valor experimental es 85.3 C 2.1 Abrir HYSYS

2.2 Seleccionar el botn New Case

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2.3 Seleccionar el botn Add del Simulation Basis Manager

2.4 Elegir los componentes Ethanol y Water en Component List View. Luego Cerrar la ventana.

2.5 Seleccionar la etiqueta Fluid Pkgs (Fluid Packages) y presionar el botn Add. Luego Elegir el modelo de actividad UNIQUAC.

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2.6 Cerrar y regresar a Simulation Basis Manager y Guarda tu aplicacin con el nombre: taller1_etanolagua.hsc

3.0 Instalando corrientes y operaciones Object Palette (Objeto Paleta) El objeto Paleta puede ser usado para instalar corrientes y operaciones directamente en HYSYS Instalar una corriente Material Stream y llenar en Conditions como se muestra a continuacin:

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2. Generar una grfica de temperatura de burbuja y roco a presin atmosfrica con el modelo de actividad asignado en el taller.

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rbol de decisin del modelo termodinmico

Si

Si

Clasificar los componentes en tu proceso: gases, no polar, asociacin, solvatacin, electrlito

Todos son gases o no polares?

Probar Peng-Robinson, SRK, API

Electrolitos

Probar NRTL, Pitzer, o Bromley, siempre que se tenga todos los BIPs

Cualquier gas?, por ejm. NH3 o CO2 o P>10bar

Probar NRTL, UNIQUAC, FH, Wilson, o Van Laar, siempre que se tenga todos los BIPs

BIPS son todos conocidos?

Probar UNIFAC. Si es posible estimar BIPs slo para componentes faltantes. Hay polmeros?

P < 10 bar?

Probar SAFT, ESD

Probar Ley de Henry

No

No

Si

No Si

No

Probar ESD, SAFT, MHV2, Wong Sandler

No

Si

Si

No

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EJERCICIOS PROPUESTOS 1.1 En una turbina adiabtica ingresa vapor de agua a 5 MPa y 450 C y sale a una presin de 1.4 MPa. Determine la salida de trabajo de la turbina por kilogramo de vapor que fluye por sta si el proceso es reversible.

1.2. Determinar el trabajo necesario para comprimir vapor isoentrpicamente de 100 kPa a 1MPa, suponer que el vapor existe como a) lquido comprimido y b) vapor saturado en l estado inicial.

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1.3. Ciclo Rankine ideal simple. Una planta de energa de vapor opera en el ciclo Rankine ideal simple. El vapor entra a la turbina a 3 MPa y 350 C y es condensado a una presin de 75 kPa. Determinar la eficiencia trmica de este ciclo

Adicional Representar en la curva envolvente del agua los puntos de operacin del ciclo Ranking

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Envolvente del agua con NBS Steam

6.74, 91.78

6.74, 350.00

1.21, 91.97

0

100

200

300

400

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10S(kJ/kg.C)

C

1.4. El ciclo Rankine ideal regenerativo Una planta de energa opera en un ciclo Rankine ideal regenerativo con un calentador abierto de agua de alimentacin. El vapor entra a la turbina a 15 MPa y 600 C y se condensa a 10 kPa. Sale un poco

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de vapor de la turbina a una presin de 1.2 MPa e ingresa al calentador abierto de agua de alimentacin. Determinar: a) La fraccin de vapor extrado de la turbina. b) La eficiencia trmica del ciclo. c) Trabajos de las bombas I y II. d) La calidad en el estado 7.

y

1

2

3

6

Bomba II

5

Bomba I

Condensador

CAA abierto

4

Caldera Turbina

7

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1.5. Anlisis de segunda ley de un ciclo Rankine ideal Determinar la destruccin de exerga del ciclo Rankine ideal (la totalidad de los cuatro procesos, as como el ciclo) analizado en el problema 1.3. Suponer que el calor se transfiere al vapor en un horno a 1600 K y que el calor se rechaza hacia un medio de enfriamiento a 290 K y 100 kPa. Determinar tambin la exerga del vapor que sale de la turbina Solucin:

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1.6. Ciclo de potencia combinado gas-vapor Se tiene un ciclo de potencia combinado gas vapor. El ciclo superior es un ciclo de turbina de gas que tiene una relacin de presin de 8. El aire ingresa al compresor a 300K y a la turbina a 1300 K. La eficiencia isoentrpica del compresor es de 80 % y la de la turbina de gas de 85 %. El ciclo inferior es un ciclo Rankine ideal sencillo que opera entre los lmites de presin de 7 MPa y 5kPa. El vapor se calienta en un intercambiador de calor por medio de los gases de escape hasta una temperatura de 500 C. Los gases de escape salen del intercambiador de calor a 450 K. Determinar a) la razn de los flujos msico de vapor y los gases de combustin y b) la eficiencia trmica del ciclo combinado.

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1.7. Ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor Un refrigerador usa refrigerante 134a como fluido de trabajo y opera en un ciclo ideal de refrigeracin por compresin de vapor entre 0.14 y 0.8 MPa. El flujo msico del refrigerante es 0.05 kg/s, determinar a) la velocidad de remocin de calor del espacio refrigerado y la entrada de potencia al compresor, b) la velocidad de liberacin de calor al ambiente y c) el CDF del refrigerador.

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Solucin:

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Ejercicios 1.8 Una mezcla de amoniaco y agua en fase vapor saturada a 250 psia y conteniendo 80% de amonio en peso, es pasado a travs de un condensador a una velocidad de flujo a 10000 lb/h, donde el calor es removido a una tasa de 5.8E6 Btu/h. El efluente es expandido a una presin de 150 psia y alimentado a una cmara flash. Despreciar las prdidas de calor del equipamiento a los alrededores y la cada de presin en el condensador. Se desea determinar la composicin en masa de la corriente lquida saliente del separador. 1.9 Una corriente consistente de 50% de metano, 20% de propano, 20 % de n-butano molar a 95F, 300 psia y 150 kmol/h ingresa a un separador que opera a 80F y 250 psia. Para la corriente de entrada calcular el (a) punto de roco a 40 C, (b) presin de burbuja a 40 C, temperatura de roco a 30 kgf/cm2, (c) temperatura de roco a 30 kgf/cm2, (d) Plotear el flujo molar de etano en la fase gas versus la temperatura de la cmara, (e) (d) Plotear el flujo molar de etano en la fase gas versus la presin de la cmara. 1.10 Considerar una corriente equimolar de metano, etano, propano, n-butano e i-butano a 50 C y 25 psia. Calcular la presin y temperatura en que la fraccin de vapor es 47% y 70 % respectivamente. 1.11 Una corriente de metano, 10 % de etano, 20 % de propano y 20% molar de n-butano a 95F y 300 psia es alimentado a un separador. Plotear la viscosidad y tensin superficial del n-hexano y ciclohexano versus la fraccin molar de n-hexano.

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TALLER 2

2.1. FLASH ISOTRMICO

Condiciones: 200 F, 100 psia, 100 kmol/h

Importancia del modelo termodinmico Primera y segunda ley de la Termodinmica en ciclos de vapor y refrigeracin Herramientas Spreadsheet, Record, DataBook Flash isotrmico y Adiabtico Divisor y Mezclador Condensador, Calentador e Intercambiador de Calor Reciclo Splitter Optimizador Aplicaciones de TERMODINMICA II Aplicaciones de TRANSFERENCIA DE CALOR

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2.2. Equilibrio lquido-lquido-vapor

Condiciones: 1 bar, 25 C

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2.3. Enfriamiento del efluente de un reactor de pirlisis El efluente de un reactor de pirlisis consiste de 58300 lb/h de HCl, 100000 lb/h de cloruro de vinilo y 106500 lb/h de 1,2 dicloroetano a 500 C y 26 atm. Antes de ingresar a una seccin de destilacin, esta corriente es enfriada y condensada a 6 C y 12 atm. Asumir que esto es hecho en tres pasos: (1) enfriamiento en un intercambiador de calor 1 a 26 atm a la temperatura de roco, (2) expansin adiabtica a travs de una vlvula hasta 12 atm, y (3) enfriamiento y condensacin en un intercambiador de calor 2 a 12 atm hasta 6 C.

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2.4. Separacin de amoniaco y agua Una mezcla de amoniaco y agua en la fase vapor, saturada a 250 psia y conteniendo 80% en peso de amoniaco, es pasada a travs de un condensador a un flujo de 10000 lb/h, donde el calor es removido a una velocidad 5.5x106 Btu/h. Su efluente es expandido a una presin de 150 psia y alimentado a una cmara flash. Despreciar la prdida de calor del equipamiento a los alrededores y la cada de presin en el condensador. Se desea determinar la composicin de la corriente lquida que sale del separador. Sugerencia: Usar SRK y PR

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2.5. TRANSFERENCIA DE CALOR Una mezcla de 100 lbmol/h de cloruro de etilo y 10 lbmol de etanol a 200 F y 35 psia es enfriada con 90 lbmol de etanol a 90 F y 100 psia en un intercambiador de calor a contracorriente. Determinar las condiciones de la corriente de salida y la carga de calor para una temperatura mnima de aproximacin de 10 F. Asumir una cada de presin de 5 psi en el lado caliente y 10 psi en el lado fro.

Solucin infactible

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Solucin factible

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2.6. Transferencia de calor entre tolueno y estireno

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TALLER 3

3.1. Produccin de tolueno a partir de n-heptano Tolueno es producido de n-heptano por la deshidrogenacin sobre catalizador Cr2O3 adsorbido en Al2O3:

CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH3 + 4H2 n-heptano es calentado desde 65 F hasta 800 F en un SUPERHEATER y luego alimentado a un CATALYTIC REACTOR, que opera isotrmicamente y convierte 15 % mol de n-heptano a tolueno. Su efluente es enfriado hasta 65 F y alimentado a un separador. Asumiendo que todas las unidaes operan a presin atmosfrica. Determinar las velocidades de flujo en cada corriente. La cmara flash remueve hidrgeno desde el efluente del reactor. Una torre de destilacin podra normalmente ser instalado para recuperar tolueno desde el producto lquido.

CH3

Aplicaciones de TRANSFERENCIA DE CALOR Aplicaciones de INGENIERA DE REACCIONES QUMICAS

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3.2. Produccin de cloruro de etilo Una de las rutas para producir cloruro de etilo es por medio de la reaccin en fase gas de HCl con etileno sobre catalizador de cloruro de cobre soportado en silica:

C2H4 + HCl C2H5Cl La corriente de alimentacin est compuesta de 50 % mol HCl, 48 % mol C2H4 y 2% mol N2 a 100 kmol/h, 25 C y 1 atm. Debido a que las reacciones alcanzan solo 90 % de conversin, el producto cloruro de etilo es separado de los reagentes no reaccionados que son reciclados. La separacin es alcanzada usando una columna de destilacin, donde se asume que se alcanza la separacin perfecta. El proceso es operado a presin atmosfrica y las cadas de presin son ignoradas. Para prevenir la acumulacin de inertes en el sistema, 10 kmol/h es separado en una corriente de purga, W. De particular inters es el efecto de la magnitud de W en el reciclo y en la composicin de la alimentacin del reactor.

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3.3. Optimizacin del proceso de proceso de produccin de cloruro de etilo La ganancia del proyecto en el proceso de cloruro de etilo desarrollado en el ejercicio anterior es maximizada ajustando el flujo de la purga (W). Para estimar la ganancia se tienen los siguientes datos:

Costo instalado del equipamiento 0.6330 2450

1000 Rx F

unidades

Costo de etileno 1.5x10-3 unidades/kg Costo de HCl 1.0x10-3 unidades/kg

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Ingresos por el cloruro de etilo 2.5x10-3 unidades/kg Donde FR es la velocidad de alimentacin del reactor en kg/h. La ganancia del proyecto es formulada (en unidades monetarias) asumiendo un 10% de retorno de la inversin y 330 das/ao de operacin.

( )0.6330 24330 24 2.5 1.5 1.0 0.1 50

1000Et HCl RxVP x P X X F F

= +

Donde FR es el flujo de la alimentacin al reactor en kg/h.

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TALLER 4

5.1. Mtodo Shorcut: Fenske, Underwood, Gilliland y Kirkbridi y Mtodo de McCabe Thiele Una torre de platos va a ser diseada para destilar continuamente 450 lbmol/h de una mezcla binaria de 60% mol de benceno y 40% mol de tolueno. Se produce un destilado lquido y un producto de fondos lquido de 95% mol y 5% mol de benceno respectivamente. La alimentacin es precalentada de modo que ingresa a la columna con vaporizacin porcentual molar igual a la razn destilado a alimentacin. Usar el mtodo de McCabe Thiele para calcular lo siguiente: a. El mnimo nmero de etapas tericas, Nm; b. Mnima razn de reflujo, Rmin; c. Nmero de etapas de equilibrio N, para una razn de reflujo, R/Rmin de 1.3 y d. la ubicacin ptima de la etapa de alimentacin.

Mtodo Shortcut Mtodo de McCabe-Thiele Aplicaciones de DESTILACIN Aplicaciones de ABSORCIN

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5.2. Columna Convencional Componente FXi Especificaciones CH4 2 C2H6 10 C3H6 6 C3H8 12.5 i-C4H10 3.5 n-C4H10 15.0 c-C5H12 15.2 c-C6H14 11.3 n-C7H16 9 n-C8H18 8.5 400 * 7.0

D=31.6, V2=94.8 (todas las velocidades de flujo se dan en lbmol/h) alimentacin lquida a su punto de ebullicin, condensador parcial, presin de la columna = 300 psia, N=12 y f=5. El perfil de temperatura se supondr lineal respecto al nmero de platos entre T1 = 610 R y T13 = 910 R

* Se conoce como la fraccin de ebullicin normal o de 400 F

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5.3 DESTILACIN CON CORRIENTE LATERAL Flujo vapor Topes: 93.25 lbmol/h f=6

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5.4. ABSORCIN MULTICOMPONENTE Datos Corrientes de Gas empobrecido y Aceite empobrecido Especificaciones: T0=2.9 F, TN+1=0 F, N=8 y P=800 psia

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5.5. Absorcin de n-pentano con un aceite parafnico