MANUAL DE INTRODUCCIN A ASPEN HYSYS CARLOS M. CELIS C.

MANUAL DE INTRODUCCIN A ASPEN HYSYS

Curso de Termodinmica II Carlos Mauricio Celis Cornejo

Universidad Industrial de Santander, UIS

Bucaramanga, 26 septiembre de 2010

TERMODINMICA II Pgina 1

Manual de introduccin a Aspen HYSYS Carlos M. Celis C. Sept 26, 2010

Universidad Industrial de Santander, UIS.

Resumen

El documento consta de una breve explicacin del fenmeno a estudiar, el planteamiento del problema y el desarrollo de la simulacin junto con el respectivo anlisis, todo enfocado al curso de termodinmica II (equilibrio de fases para mezclas multicomponente).

Destilacin Flash

La destilacin es un mtodo de separacin de lquidos (dos o ms sustancias) muy empleado en la industria, el fenmeno consta en aprovechar la diferencia en los puntos de ebullicin de las sustancias para separar las mezclas. Ms particularmente la destilacin flash es la separacin de las fases lquido y vapor de la mezcla de sustancias, cuando alcanza el equilibrio a condiciones de presin (P) y temperatura (T) determinadas. Como se sabe, una mezcla de sustancias no se comporta como una sustancia pura debido a las distintas interacciones moleculares que all ocurren, por eso es posible que cuando se est vaporizando la sustancia ms voltil, se vayan con sta cantidades tambin de los otros componentes. Basndose en lo anterior, podemos definir que si la mezcla de i componentes se encuentra en una sola fase (lquida por ejemplo) cada sustancia se encontrar en una composicin determinada, llamada comnmente composicin global del componente i (zi); luego cuando las fases lquido y vapor se separan y alcanzan un equilibrio a condiciones de P y T determinadas se puede decir que en cada fase (lquido o vapor) habr una composicin determinada de cada sustancia, diferente a la composicin global ya que en la fase vapor se encontrar ms concentrada la cantidad de sustancia voltil, que en la fase lquida. Entonces se tiene una composicin del componente i en la fase vapor (yi) y una composicin del componente i en la fase lquida (xi).

Haciendo un balance de masa total y por componente:

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! = ! + ! ! !! = ! !! + ! !! Donde F es la cantidad de materia que se encontraba inicialmente en una sola fase, V y L son la cantidad de vapor y lquido respectivamente, que se encuentran en equilibrio al cambiar las condiciones a P2 y T2.

La ley de Raoult establece que: !! !!!"# = !! ! Para un sistema ideal en donde el coeficiente de actividad (i) y el factor de fugacidad (i) equivalen a la unidad (i =1 ^ i=1). Ahora, se define un trmino (ki), como el coeficiente de reparto que es simplemente una relacin entre la composicin de cada componente en la fase vapor y lquida: !! = !!!! Luego reordenando la ecuacin de Raoult se obtiene:

!! = !!!! = !!!"#! La presin de saturacin de cada componente se puede determinar, empleando por ejemplo la ecuacin de Antoine. Tomando el balance de masa total:

! = ! + ! 1 = !! + !! Si definimos el trmino L/F como la fraccin de lquido entonces: !! = 1 ! Segn esto tomamos el balance de masa por componente: ! !! = ! !! + ! !! !! = ! !! + (1 !) !! Tomando la definicin del coeficiente de reparto tenemos que yi = kixi !! = ! !! + (1 !) !!!! Factorizando se obtiene: !! = !!! + !!(1 !) Por definicin se tiene que:

(2)

(1)

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!! = 1 1 = !!! + !!(1 !) Para la fraccin de vapor tambin se puede obtener:

!! = 1 1 = !!!!! + !!(1 !) Restando las dos ecuaciones:

0 = !!! + !!(1 !) !!!!! + !!(1 !) = !!(1 !!)! + !!(1 !) Luego conociendo las condiciones de presin y temperatura de la mezcla, empleando la ecuacin de Antoine se puede determinar las presiones de vapor de cada componente, y por ende se puede determinar los coeficientes de reparto con la ecuacin (1). Luego con la ecuacin (3) se determina la fraccin de lquido (), y finalmente se puede determinar la cantidad de cada componente en su respectiva fase empleando la ecuacin (2).

Todo lo anterior para sistemas de mezclas ideales y gases ideales, cuando se trabajan sistemas reales se hace necesario trabajar con la ecuacin de Raoult modificada: !!!!!!!"# = !!!!! !! 1 !! 1 Entonces se hace necesario determinar los coeficientes de actividad y fugacidad para cada sustancia. Para determinar los coeficientes de actividad se emplean los modelos de actividad (Van Laar, Margules, Wilson, NRTL, UNIQUAC, etc), y para determinar el factor de fugacidad se emplean las ecuaciones de estado (EOS: Peng-Robinson [PR], Soave-Redlich-Kwong [SRK], Benedict-Webb-Rubin-Starling [BWRS], Virial, Modelo ideal, etc). Quien desee profundizar sobre los mtodos, algoritmos y modelos mencionados para resolver sistemas reales, puede remitirse a las referencias [1 y 2].

Destilacin flash del etanol

Las mezclas binarias etanol y agua son un caso muy estudiado en el mbito de la ingeniera qumica, por ejemplo en los ingenios azucareros que emplean las mieles agotadas del proceso de cristalizacin del azcar para fermentarlas y producir bioetanol. De los reactores biolgicos (fermentadores) se obtiene una mezcla de etanol muy diluido en agua, para llevar este etanol a las estaciones de servicio, es necesario purificar el etanol hasta requerimientos de un 95% de pureza o ms altos niveles. Para efectos pedaggicos de la simulacin que se explica a continuacin no se plantean unos requerimientos tan elevados de pureza, sino se plantea un problema ms que todo acadmico.

(3)

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- Separacin flash EtOH-H2O

De un proceso determinado se obtiene un flujo de 100 kmol/h de una mezcla etanol-agua con una composicin del componente voltil de 0.25 (fraccin molar), el flujo pasa por una bomba que eleva la presin del flujo hasta 1.5 [atm]. Enseguida el fluido entra a un tanque de separacin Lquido-Vapor que opera isotrmicamente con una cada de presin a la entrada del flujo de 0.5 [bar]. Cul debe ser la temperatura de operacin del tanque, para que la composicin de livianos en el flujo de destilado (vapor) sea de 0.47? Determine el calor requerido para que la operacin sea isotrmica, la composicin de componente liviano en los fondos (XB) y los flujos molares de cada corriente. Adicionalmente calcule un rendimiento de la operacin.

El diagrama del problema es el siguiente:

Primero debemos definir en HYSYS los componentes con los que vamos a trabajar que son el etanol y el agua, para ello creamos un nuevo caso y en donde aparece la pestaa Components damos clic al botn para agregar una lista; enseguida se ejecuta la ventana que vemos a continuacin:

TERMODINMICA II Pgina 5

En donde dice Match digitamos el nombre del compuesto en ingls, para este caso: Ethanol. Podemos buscar tambin por la frmula del compuesto seleccionando el botn Formula y digitando H2O, para agregar el componente basta con darle doble clic o dar clic en . Una vez creada la lista debemos seleccionar el paquete termodinmico con el que se va a simular la fase lquida y la fase vapor, debido a que queremos estudiar un sistema real es necesario seleccionar un modelo de actividad para la fase lquida y una ecuacin de estado para la fase vapor. As, cerramos la ventana y nos dirigimos a la pestaa de Fluid Pkg, donde agregaremos el paquete de fluidos (los modelos y ecuaciones de la simulacin).

Cuando le demos clic en Add, basta con buscar en la lista del lado el modelo que se desea emplear, para nuestra simulacin utilizaremos NRTL para la fase lquida y la ecuacin de estado de SRK para la fase vapor, para ello procedemos como se indica en la imagen.

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En esta etapa del procedimiento ya hemos creado el paquete de fluidos para la simulacin, de modo que podemos empezar ya a definir nuestro sistema a simular, para ello damos clic en el botn .

Lo siguiente que vemos es el ambiente de simulacin de HYSYS:

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A la derecha se observa la barra de herramientas con los equipos disponibles, para nuestra simulacin basta con agregar un solo equipo un separador, procedemos dndole clic al equipo mencionado y luego situando el cursor en la ventana verde, ah damos clic nuevamente donde queremos que quede el equipo.

Luego debemos definir las corrientes del equipo, para ello damos clic en la herramienta attach mode ( ) que se encuentra en la parte superior izquierda de la pantalla. Una vez seleccionada la herramienta nos situamos sobre el equipo para observar azules las corrientes de materia y rojo las corrientes de energa (verde los operadores lgicos). Ahora, para definir las corrientes de materia damos clic a los puntos azules y arrastramos fuera del equipo y soltamos, hacemos lo mismo con la corriente de energa:

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Ahora definimos las condiciones de la corriente de alimento dando clic en la corriente , la ventana que se despliega es el worksheet, ahora introducimos la informacin que conocemos de la corriente teniendo sumo cuidado al fijarnos que las unidades sean las indicadas.

Para indicar las composiciones, en la ventana worksheet damos clic en la pestaa Composition:

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De este modo definimos la composicin de etanol (0.25) y la de agua (0.75). Ahora debemos definir la temperatura de la corriente de alimento, para ello buscamos la informacin en un diagrama de equilibrio de fases para el etanol y el agua [3].

Observamos que para obtener una fraccin de vapor de 0.47, aproximadamente se requiere una temperatura de 85.3 [C]. De este modo insertamos esa temperatura en el worksheet de la corriente (la de alimento), y debido a que el proceso es isotrmico indicamos la misma temperatura en cualquier corriente de salida (destilado) o (fondos). Finalmente indicamos la cada de presin en el equipo de 0.5 [bar], para ello damos doble clic en el equipo y vamos a la pestaa parameters, incluimos el dato de 0.5 [bar] en la casilla inlet (Delta P).

70

75

80

85

90

95

100

105

110

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Tempe

ratura [C]

Composicin (x,y)

P = 101.3 [kPa]

TEMPERATURE MOLE FRACTION

[C] LIQUID (X) VAPOUR (Y)

100 0 0

95.5 0.019 0.17

89 0.072 0.389

86.7 0.097 0.438

85.3 0.124 0.47

84.1 0.166 0.509

82.7 0.234 0.545

82.3 0.261 0.558

81.5 0.327 0.583

80.7 0.397 0.612

79.8 0.508 0.656

79.7 0.52 0.66

79.3 0.573 0.684

78.74 0.676 0.739

78.24 0.747 0.782

78.15 0.894 0.894

78 1 1

VAPOR

LQUIDO

L+V

TERMODINMICA II Pgina 10

- Anlisis de resultados

La informacin que se puede leer de cada corriente en el worksheet es la mostrada: Alimento (F) Destilado (D) Fondos (B) Fraccin de vapor 0 1 0 Temperatura [C] 85.3 85.3 85.3 Presin [Kpa] 152.0 102.0 102.0

Flujo Molar [Kmol/h] 100 35.47 64.53 Fraccin molar del liviano 0.2500 0.4757 0.1260 Entalpa molar [KJ/Kmol] -277392.20 -235608.62 -278848.08

Realizamos un balance de energa: ! = ! + ! + !! + !! ! = !! + !! !! ! = 35.47 2.3510! + 64.53 2.7810! 100 2.7710! = 1.38810! !"

Este valor podemos verificarlo dando doble clic en la corriente de energa.

Finalmente el rendimiento de la operacin es:

%!"#$ = !!!!!! 100 = 67.49%

0 0 0

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Referencias

[1]. Aristbulo Centeno Hurtado. Bases de termodinmica en ingeniera qumica. UIS Departamento de Ingeniera Qumica. (1992)

[2]. J. M. Smith, H. C. Van Ness, M. M. Abbott. Introduccin a la termodinmica en ingeniera qumica. 7 ED, Editorial MCGraw Hill. (2007)

[3] Robert H. Perry, Don W. Green. Perrys Chemical Engineers handbook. Cap 13, tabla 13-1. McGraw Hill. (1999)