simulación en aspen hysys del proceso de criogenización de turb1

5/21/2018 Simulaci n en Aspen Hysys Del Proceso de Criogenizaci n de Turb1

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SIMULACIN EN ASPEN HYSYS DEL PROCESO DE CRIOGENIZACIN DE TURBO-

EXPANSIN PARA OPTIMIZAR LA SEPARACIN DE LQUIDOS DEL GAS NATURAL



2

CAPITULO 1

INTRODUCCIN

1.1. ANTECEDENTESExiste escasa documentacin en la facultad de tecnologa que abarque el uso de

simuladores, pero en los ltimos aos tanto la universidad como las empresas

estatales vienen auspiciando cursos de capacitacin como diplomados y

masterados en simulacin de procesos para proyectos en hidrocarburos.

Al contrario del anterior punto el proceso de turbo-expansion fue estudiado como

por ejemplo: Optimizacin de la recuperacin de hidrocarburos licuables del gas

natural en un proceso criognico de turbo-expansin de David Acho desarrollado

en la UMSA.

1.2. IDENTIFICACIN DEL PROBLEMAGeneralmente uno de los objetivos en el rea de procesamiento del gas natural es

optimizar el proceso para recuperar la mayor cantidad de hidrocarburos lquidos

debido a su mayor valor comercial, con este criterio Es posible optimizar

mediante la simulacin el proceso de criogenizacin de turbo-expansin para la

separacin de lquidos del gas natural?

1.3. OBJETIVOS1.3.1 OBJETIVO GENERAL

Simular en Aspen HYSYS el proceso de criogenizacin de turbo-expansin

para optimizar la separacin de lquidos del gas natural.

1.3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS Simular en Aspen HYSYS las unidades bsicas de los proceso de

criogenizacin de turbo-expansin.

Realizar balances de materia y energa con el simulador AspenHYSYS.



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Estudiar las bases tericas y principios de funcionamiento de lasunidades del proceso de turbo-expansin.

Realizar la sensibilizacin de la simulacin a diferentes condicionesde operacin para optimizar el proceso.

1.4. JUSTIFICACINPara la separacin de lquidos del gas natural mediante el proceso crigeno de

turbo-expansin se deben realizar clculos de balance de materia/energa y

modificaciones en las variables de operacin de los diferentes equipos que forman

parte de dicho proceso. Existe una variedad de simuladores como el Aspen HYSYS

capaces de obtener instantneamente resultados en un ordenador de las

modificaciones que se realicen, con la ayuda de esta herramienta el profesional deprocesos puede mejorar la operacin y el control del proceso.



4

CAPITULO 2

2. FUNDAMENTO TEORICO2.1. SIMULADOR DE PROCESOS QUMICOS

Un simulador de procesos qumicos es un programa de computador utilizado para

modelar el comportamiento en estado estacionario y dinmico de un proceso

qumico, mediante la determinacin de las presiones, temperaturas y velocidades

de flujo.

2.2. SIMULADORES DE PROCESOS EN LA INDUSTRIA QUMICAEl uso de los simuladores est orientado fundamentalmente a la industria con el

objetivo de mejorar e incrementar la eficiencia de las mismas, a permitir hacer

simulaciones de diferentes procesos antes de que ocurran en realidad, las cuales

producen resultados que pueden ser analizados para una futura realizacin de los

mismos. Existe una gran variedad de simuladores de procesos, como por ejemplo

Hysy, Aspen Plus, CHEMCAD,etc., estas son poderosas herramientas de clculo,

con inmensos bancos de datos que contienen las propiedades fsicas de miles de

compuestos y sustancias qumicas, seleccin de modelos termodinmicos, clculos

de equipos (terico y real), anlisis de costo, estado de agregacin y condiciones

de operacin, que le dan al simulador la ventaja de una gran versatilidad.

2.3. SIMULADOR HYSYSHYSYS es un software para la simulacin de plantas petroqumicas y afines. Incluye

herramientas para estimar:

Propiedades fsicas Equilibrios lquidos vapor Balances de materias y energa Simulacin de equipos en ingeniera qumica Simula procesos en estado estacionario y dinmico



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Utiliza datos experimentales para sus correlaciones. La mayora de losdatos experimentales, aunque algunos son estimados (La mayora de los

simuladores usa modelos predictivos como UNIFAC.

2.4. GAS NATURALEl gas natural es un compuesto no txico, incoloro e inodoro, constituido por una

mezcla de hidrocarburos en la que su principal componente es el metano (CH4).

Su composicin qumica, no obstante vara sensiblemente segn su procedencia,

ya que acostumbra a ir asociada a otras molculas o elementos como el cido

sulfhdrico (H2S), el anhdrido carbnico (CO2), el nitrgeno (N2) o el helio (He)

que se extrae cuando el gas natural se destina a usos industriales y domsticos.

2.5. CARACTERSTICAS DEL GAS NATURALEl gas natural se consume tal y como se encuentra en la naturaleza, no pasa por

ningn proceso de transformacin. La estructura molecular ms simple del gas

natural facilita que se queme limpiamente, por ello su combustin no produce

partculas slidas ni azufre. El gas natural es una de las fuentes de energa ms

limpia ya que es la que emite menos gases contaminantes (SO2, CO2, NOx y CH4)por unidad de energa producida.

Tabla N 1 Composicin de gas natural de un pozo de petrleo.

Categora Componente Cantidad %

Parafinados Metano

etano

Propano

ButanoPentano

Hexano

Heptano hipottico

70-98

1-10

5

21

0.5

rastro 0.9

Cclicos Ciclo propano Rastros



6

Ciclo hexano rastros

Aromticos Benceno y otros Rastros

No hidrocarburos Nitrgeno

Dixido de carbonocido sulfhdrico

Helio

otros componentes N, H

Agua

15

1ocasionalmente

5

Ocasionalmente

5

Fuente:

Ingeniera del gas y comportamiento de los hidrocarburos, autor: Ramiro Prez

Palacio Marcias J. Martinez.Pag. 60.

2.6. PRESINTratando con lquidos y gases, generalmente hablamos de la presin; para slidos

hablamos de tensiones. La presin en un fluido en reposo a un punto dado es el

mismo en todas las direcciones, y definimos la presin como el componente

normal de la fuerza por unidad de rea.

Ec. 2.1.2.7. TEMPERATURA

En fsica, se define como una magnitud escalar relacionada con la energa interna

de un sistema termodinmico, definida por el principio cero de la termodinmica.

2.8. VOLUMENEl volumen (V) es el espacio ocupado por un fluido. El gas es compresible y su

volumen estar determinado por el espacio ocupado. Si un gas se comprime, su

presin y volumen se modificaran de acuerdo a las leyes de los gases.

2.9. ECUACIN DE GAS IDEAL



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Un gas ideal es un gas terico compuesto de un conjunto de partculas puntuales

con desplazamiento aleatorio que no interactan entre s. El concepto de gas ideal

es til porque el mismo se comporta segn la ley de los gases ideales, una

ecuacin de estado simplificada es:

Ec.2.2Donde:

P=presin

V=Volumen

n= Nmero de moles

R= Constante universal de los gases

T=Temperatura

2.9.1. CARACTERSTICAS DEL GAS IDEALSe considera que un gas ideal presenta las siguientes caractersticas:

El nmero de molculas es despreciable comparado con el volumen totalde un gas.

No hay fuerza de atraccin entre las molculas. Las colisiones son perfectamente elsticas. Evitando las temperaturas extremadamente bajas y las presiones muy

elevadas, podemos considerar que los gases reales se comportan como

gases ideales.

2.10. GAS REALLos gases reales son los que en condiciones ordinarias de temperatura y presin se

comportan como gases ideales; pero si la temperatura es muy baja o la presinmuy alta, las propiedades de los gases reales se desvan en forma considerable de

las de los gases ideales.

Para corregir esa desviacin se introduce un nuevo trmino a la ecuacin del gas

ideal llamado factor de compresibilidad (z).



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2.11. FACTOR DE COMPRESIBILIDAD DEL GAS (Z)Es un factor de correccin introducido en la ecuacin general de los gases y ser

obtenido experimentalmente dividiendo el volumen real de n moles de un gas a

presin y temperatura, por el volumen ideal ocupado por la misma masa de gas a

iguales condiciones de presin y temperatura.

La ecuacin a usar ser la de los gases ideales pero con el factor Z como

correccin:

Ec. 2.3.El factor Z, es funcin de propiedades pseudoreducidas, es decir, Z= f (Ppr , Tpr )



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Fig. 1 Curvas de las propiedades crticas para leer el factor de compresibilidad.

Fuente: Gases y vapores, Dept. de ing. Qumica Pag. 7

Para hallar las propiedades pseudocrticas se pueden determinar a travs de las

composiciones molares de cada componente del gas natural a travs de la

gravedad especfica del mismo.

Para determinar Z, por la grfica es necesario conocer algunos parmetros que se

enuncian a continuacin:

Ec. 2.4.

Ec. 2.5. Ec.2.6. Ec.2.7.Con las propiedades pseudocrticas hallamos las pseudoreducidas y con stas el

valor de Z de la grfica. Ec. 2.8. Ec. 2.9.2.12. COMPRESIBILIDAD ISOTRMICA DEL GAS (CG)

La variacin de la compresibilidad de un fluido con la presin y temperatura es de

gran importancia para los clculos de ingeniera de yacimientos. Para una faseliquida, la compresibilidad es pequea y se asume en ocasiones constante, pero

para los gases no sucede lo mismo. La compresibilidad isotrmica del gas es el

cambio en el volumen por unidad de cambio de presin. Para gas ideal, Z=1

constante, y la compresibilidad es Cg= 1/P



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Ec. 2.10. *

+ Ec.2.11.

1/p Ec.2.12.2.13. PESO MOLECULAR DEL GAS (PMG)

Es la unin de la de los pesos atmicos de cada elemento que conforman el gas

natural. Las unidades del peso molecular son: Kgr/Kmol Lb/lbmol.

El gas natural, es una mezcla de componentes y es por ello que el peso moleculardel gas se obtiene sumando la fraccin molar de cada i-esimo componente por su

respectivo peso molecular.

Ec. 2.13.Dnde:

2.14. GRAVEDAD ESPECFICA (GE)

Es la relacin de la densidad de una sustancia a la densidad de una sustancia de

referencia. Para efectuar la relacin entre ambas sustancias, es necesario que

ambas se encuentren a la misma presin y temperatura. Si asumimos uncomportamiento de gas ideal para ambas sustancias, la gravedad especfica se

puede expresar en funcin de los pesos moleculares de cada sustancia.

GE = GEgas / GEaire o GE = PMg / PMaire Ec. 2.14.



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Dnde:

GE: Gravedad especfica.

GEgas: gravedad especifica del gas.

GEaire: gravedad especifica del aire.

2.15. CONSIDERACIONES TERMODINMICAS

2.15.1.VOLUMEN ESPECFICO Y DENSIDADEl volumen especfico de una sustancia es definido como el volumen por unidad de

masa o mol y es representado por el smbolo v. La densidad de una sustancia es

definida como la masa por unidad de volumen, y es por lo tanto el recproco del

volumen especfico. La densidad es designada por el smbolo . El volumen

especfico y la densidad son propiedades intensivas.

Ec.2.15.

Ec.2.16.2.15.2.SISTEMA

Un sistema es la regin del espacio, definida por un observador, que se desea

estudiar. Est rodeada por una superficie denominada frontera o lmite. Estos

lmites pueden ser reales o ficticios, fijos o mviles. La regin exterior a los lmites

de un sistema y contigua a l constituye sus alrededores. El conjunto de sistema,

frontera y alrededores se conoce usualmente como universo.

Los sistemas termodinmicos generalmente se clasifican en dos grandes

categoras: sistemas cerrados y abiertos.

Sistemas cerrados:son aquellos en los cuales NO hay flujo de materia a travs de

los lmites del sistema. El sistema cerrado siempre contiene la misma cantidad de



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materia. No intercambian masa pero s pueden intercambiar energa. Un caso

particular de sistema cerrado es el que se llama aislado, el cual no intercambia

materia ni energa con otro sistema o con sus alrededores.

Sistemas abiertos: son aquellos en los cuales existe intercambio de materia a

travs de las fronteras. Puede ser que en un sistema abierto el cambio neto de

masa sea igual a cero, es decir, que el flujo de masa que entra al sistema sea igual

al flujo de masa que sale del mismo. En el caso de los sistemas abiertos la frontera

o lmite suele llamarse volumen de control.

De acuerdo a los intercambios con los alrededores se pueden clasificar los lmites

de un sistema como:

Impermeables o permeables: de acuerdo a que haya o no flujo de masa atravs de ellos

Rgidos o mviles: si se efecta o no trabajo. Adiabticos o diatrmicos: cuando no se transfiere calor o la transferencia

de calor es instantnea

2.15.3.FASE Y ESTADOUna fase est definida como una cantidad de materia homognea en todas suspartes. En la naturaleza existen comnmente cuatro fases: slida, lquida, gaseosa

y plasma.

El estado de una sustancia est conformado por el conjunto de parmetros fsicos

que describen por completo la forma en que existe dicha sustancia.

2.15.4.PROCESO Y CICLOUn proceso ocurre cuando el sistema pasa de un estado termodinmico a otro.Existen procesos termodinmicos donde una de las propiedades permanece

constante, ellos reciben nombres especficos, a saber:

Propiedad constante:



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Temperatura Proceso Isotrmico

Presin Proceso Isobrico

Volumen Proceso Isocrico o Isomtrico

Un ciclo es un proceso o conjunto de procesos que hacen regresar al sistema a su

estado original.

2.15.5. DIAGRAMA P,V,TLos estados de equilibrio de una sustancia simple compresible pueden

representarse como superficie tridimensional. La figura 2 muestra un diagrama

cualitativo de una sustancia.

Fig.2. Diagrama P,V,T para una sustancia que se contrae al solidificar

Fuente: Termodinmica tcnica. Carlos Cruz, Pag.23



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Un punto de estado representado en la figura 2 sobre la lnea de separacin de

una regin monofsica a otra bifsica se conoce como estado de saturacin. La

lnea curva que separa de la regin liquido vapor, lnea a-m-c, se conoce como

lnea de lquido saturado y cualquier estado representado por un punto sobre esta

lnea se conoce como un estado lquido saturado. De igual manera, los estados

representados sobre la curva c-n-b, son estados de vapor saturado.

El punto de estado donde la lnea de lquido saturado y vapor saturado se llama

punto crtico. La existencia del punto crtico demuestra que la distincin entre la

fase liquida y gaseosa.

2.15.6.DIAGRAMA PRESIN-TEMPERATURALa superficie P-V-T puede proyectarse sobre el plano p-v y el plano T-v, y el p-T

En la figura 3 un punto de estado a lo largo de la curva de vaporizacin la presin y

la temperatura en este estado se conoce como la presin de saturacin y la

temperatura de saturacin, la presin de saturacin se conoce como la presin de

vapor. Otro estado nico de la materia est representado por el punto triple y

sealado como estado triple, implica que en este estado coexisten las tres fases.



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Fig.3 Diagrama P-T para una sustancia pura

Fuente: Termodinmica tcnica, Carlos Cruz. Pag.24

2.15.7.DIAGRAMA PRESIN-VOLUMEN ESPECFICOEn la figura 4 se muestra la proyeccin de la superficie P, V, T sobre el plan P-V.

Donde se puede representar un punto en la regin bifsica indicando que es una

mezcla lquido y vapor saturado.

En el diagrama presin volumen se observa las regiones de lquido comprimido,

zona de lquido-vapor y la regin de vapor sobrecalentado.

Se denomina lquido comprimido o lquido sub enfriado, a un lquido que est

sometido a una presin mayor de equilibrio lquido-vapor correspondiente a la

temperatura que se encuentra, es decir cuando no est a punto de evaporarse.

Un lquido a punto de evaporarse se llama lquido saturado, se encuentra en

condiciones de equilibrio con su vapor.

Un vapor que est a punto de condensarse se llama vapor saturado.

Se denomina vapor sobrecalentado a un vapor que se encuentra a una

temperatura superior a la de equilibrio con su lquido correspondiente a la presina que est sometido.



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Fig.4 Diagrama P-V

Fuente: Termodinmica Tcnica, Carlos Cruz. Pag.24

2.15.8.TRABAJOSe define el trabajo (w) como la transferencia de energa, sin transferencia de

masa, a travs de la frontera de un sistema debido un gradiente de potencial

distinto a la temperatura, y se dice que el trabajo es ejecutado por un sistema

sobre su entorno si el nico efecto externo en el sistema fuera el movimiento

mecnico.

Trabajo realizado sobre el sistema:- (negativo)

Trabajo realizado por el sistema: + (positivo)

2.15.9.CALOREl calor es una forma de energa que se transfiere debido a una diferencia de

temperatura.

Calor que entra al sistema:+ (positivo)

Calor que sale del sistema: -(negativo)



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2.16. LIQUIDOS DEL GAS NATURALLos lquidos del gas natural comprenden los componentes que se pueden extraer

de una corriente de gas rico; Estos, comnmente llamados lquidos del gas natural

(LGN, en ingles NGL), incluyen etano, propano, butanos, y gasolina natural

(condensado). Para producir el LGN se requiere un seco (Metano) puro, que solo

puede ser obtenido en una planta de extraccin de lquidos. La recuperacin de los

componentes del NGL en el gas no solo se realiza como mtodo de control del

punto de roci de la corriente de gas natural, ya que el LGN generalmente tienen

un valor ms alto como productos separados que como parte de la corriente del

gas natural. Las fracciones LGN ms livianas, como el etano, propano y los butanos,

pueden venderse como combustibles o materias primas de refineras y plantas

petroqumicas, mientras que las porciones ms pesadas pueden utilizarse como

cortes en el blending de naftas.

Del gas natural, se extrae el Etano, Propano y Butano, que son la materia prima

para la industria petroqumica que trasforma mediante procesos industriales

producen plsticos, accesorios, etc. El Etileno es introducido a un proceso de

polimerizacin, as convirtindose en polietileno de alta densidad (PEAD) el

Polietileno de Baja Densidad (PEBD); el Policloruro de Vinilo (PVC); el Polipropileno(PP) y el Polietileno Teraftalato (PET). GLP (Propano + Butano).

2.17. PROCESOS DE SEPARACIN DE LQUIDOS DEL GAS NATURALLos procesos de remocin de los hidrocarburos pesados de la corriente de gas

natural se conocen como extraccin de lquidos del gas natural. Estos

hidrocarburos lquidos, conocidos como lquidos del gas natural (LGN) estn

conformados principalmente por etano, propano, butanos y gasolina natural. Larecuperacin de dichos componentes se requiere no solo para el control de punto

de roco de hidrocarburos en la corriente de gas natural, con el fin de evitar la

formacin de una fase lquida durante el transporte y asegurar la especificacin

para una entrega y combustin segura, sino tambin debido a que estos



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componentes son una fuente atractiva de ingresos, ya que tienen un valor

significativamente ms grande cuando son vendidos por separados.

El nivel deseado de recuperacin de LGN es establecido muchas veces por la

diferencia entre el precio de venta de este como lquido y como combustible, lo

que se conoce como valor de reduccin.

El comportamiento de fases del gas natural es funcin de la presin y temperatura.

Cualquier enfriamiento que se realice fuera de la zona de condensacin

retrgrada, inducir la condensacin y llevar a la obtencin de lquidos del gas

natural (Mokhatab, Poe & Speight, 2006). Basados en este comportamiento se

describen los diferentes procesos.

2.17.1.REFRIGERACIN MECNICALa refrigeracin mecnica es el proceso ms simple y ms directo para la

recuperacin de LGN. La refrigeracin mecnica o externa es suplida por un ciclo

de refrigeracin y compresin de vapor que utiliza propano como el refrigerante y

compresores centrfugos o reciprocantes para mover el refrigerante desde las

condiciones de operacin de baja presin a las de alta presin.

En la figura 5 se presenta un esquema de este tipo de proceso, en este esquemapuede verse que el gas de entrada es pre-enfriado en el intercambiador de calor

gas-gas usando la corriente de gas de salida del separador, para as de este modo

aprovechar parte de la energa utilizada para la refrigeracin. El enfriador es una

unidad de tubo y carcasa tipo Kettle, en el cual el gas pasa por los tubos y le

transmite la energa al lquido refrigerante que rodea los tubos. El refrigerante se

vaporiza y deja el enfriador esencialmente como vapor saturado. Si hay presente

agua, la formacin de hidratos es prevenida por la inyeccin de un inhibidor dehidratos, como el metanol.



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Figura 5. Esquema del proceso de refrigeracin mecnica

Fuente: Geist, 1985, citado en Mokhatab, Poe & Speight, 2006

2.17.2.AUTO-REFRIGERACINComo se observa en la figura 6 en oposicin a la refrigeracin externa, en los

procesos de auto-refrigeracin el gas de entrada es pre-enfriado usando el gas

tratado, a travs de un intercambiador gas-gas, y luego se enfra an ms por una

expansin isoentlpica, o expansin Joule-Thomson, a travs de una vlvula, esto

produce que los hidrocarburos pesados y el agua condensen. En este proceso el

comportamiento no ideal del gas de entrada causa que la temperatura del gas

disminuya con la reduccin de presin, y el cambio de temperatura depende

principalmente de la cada de presin.

Los lquidos condensados son removidos en uno o ms separadores para alcanzar

las especificaciones de presin de vapor y composicin, el gas de salida del

separador de baja temperatura, que satisface dichas especificaciones es calentado

usando el gas de entrada. En muchos casos el gas tratado debe ser comprimido



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nuevamente a la presin de la lnea de distribucin requerida, ya que ha sido

expandido hasta una presin ms baja, esto penaliza el proceso debido a que tiene

que tomarse en cuenta el requerimiento de potencia de recompresin. Por esto el

proceso es favorecido cuando el gas es producido a una muy alta presin y puede

ser expandido hasta la presin de la lnea de distribucin sin necesidad de

compresin.

Figura 6. Esquema del proceso de auto-refrigeracin

Fuente: Brands & Rajani, 2001, citado en Mokhatab, Poe & Speight, 2006

El enfriamiento en este proceso est limitado con frecuencia por la temperatura de

formacin de hidratos a la presin aguas arriba de la planta de extraccin, a menos

que se le inyecte un inhibidor de hidratos, como por ejemplo, el metanol o glicol.

En este caso, el condensado compuesto de hidrocarburos y glicol hmedo son

calentados y separados en un separador trifsico, luego de esto el glicol puede ser

regenerado en una columna despojadora.

Este proceso es muy efectivo si el objetivo es recobrar etano o mayor cantidad de

propano que la obtenida por refrigeracin mecnica, la auto-refrigeracin es

aplicable particularmente para volmenes de gas pequeos, de 5 a 10 MMSCFD.



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2.17.3.REFRIGERACIN CRIOGNICACuando la presin disponible es insuficiente para alcanzar el punto de roco

requerido con el proceso de auto-refrigeracin, la refrigeracin criognica puede

ser considerada. Los procesos de refrigeracin criognica se usan tradicionalmente

para la recuperacin de lquidos del gas natural, debido a que an cuando tienen

un alto costo de capital poseen bajos costos operacionales; sin embargo,

contienen numerosas partes movibles y son complicadas de operar (Ewan et al.,

1975)

En la figura 7 se muestra un esquema de este tipo de plantas, las mismas se

caracterizan por el uso de una turbina de expansin, en sustitucin del enfriador y

de la vlvula JT usada en la refrigeracin mecnica y la auto-refrigeracin

respectivamente, por lo cual son conocidas como plantas turbo-expansoras.

Figura 7 Esquema del proceso refrigeracin criognica

Fuente: Ewan et al., 1975, citado en Mokhatab, Poe & Speight, 2006



22

El gas que entra a la planta se expande, esta energa proporcionada por la

expansin es suplida en forma de trabajo a la turbina, lo que produce una

reduccin de la entalpa del gas, y de esta manera se alcanza una disminucin de la

temperatura an mayor que la alcanzada por el procesos JT simple (entalpa

constante). La turbina puede estar conectada a un compresor, el cual vuelve a

comprimir el gas con una pequea prdida en la presin total.

2.17.4.PROCESOS DE ABSORCIN EN ACEITE POBREEl mtodo de absorcin para recuperacin de lquidos del gas natural es muy

similar al usado para endulzamiento y para deshidratacin. En este caso se utiliza

un aceite pobre como medio de absorcin, el cual tiene una gran afinidad por los

hidrocarburos pesados (C3 C7+). En la figura 8 se muestra un esquema de este

tipo de plantas, el gas a ser procesado es puesto en contacto con el aceite de

absorcin (aceite pobre) en una columna empacada o de platos, la cual opera

tpicamente a la temperatura ambiente y a una presin cercana a la del gas de

venta.



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Figura 8. Esquema de una planta de absorcin con aceite

Fuente: Rojey et al., 1997, citado en Mokhatab, Poe & Speight, 2006

El gas que sale por el tope es enviado hacia los consumidores finales, mientras que

el aceite ahora rico en hidrocarburos pesados se expande para liberar la mayor

parte del metano absorbido, y luego se dirige hacia el sistema de regeneracin. La

recuperacin de lquidos es tpicamente 99% del butano y la gasolina natural, 65-

75% del propano, y 15-25% del etano contenido en el gas.

2.17.5.PROCESOS DE ADSORCIN EN LECHO SLIDOEste mtodo usa adsorbentes, como slica gel o carbn activado para adsorber los

hidrocarburos pesados presentes en el gas natural. El esquema de procesos de

este tipo de plantas se presenta en la figura 9.



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Figura 9. Esquema de una planta de adsorcin en lecho slido

Fuente:Foglietta, 2004, citado en Mokhatab, Poe & Speight, 2006.

El proceso es continuo respecto al gas, pero cclico respecto al lecho adsorbente,

debido a que este debe ser regenerado cuando se satura con los hidrocarburos. La

regeneracin se hace utilizando gas caliente reciclado, los lquidos del gas natural

es recuperado de ste mediante el enfriamiento, condensacin y separacin de

fases. Este proceso es apropiado para concentraciones bajas de hidrocarburos

pesados en el gas de alimentacin, o para gas a presiones cercanas a la

cricondenbara.

2.17.6.PROCESOS DE SEPARACIN POR MEMBRANAS



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Los procesos de separacin por membrana ofrecen una solucin simple y de bajo

costo, como alternativa a los procesos de refrigeracin y criognicos, para la

remocin y recuperacin de los LGN. En la figura 10 se muestra un esquemtico de

este tipo de plantas, en esta membranas pernean selectivamente los

hidrocarburos pesados en comparacin al metano. Los hidrocarburos perneados

son recuperados como lquidos despus de la recompresin y condensacin. La

corriente retenida, baja en contenido de hidrocarburos pesados es enviada como

la corriente de gas a venta.

Figura 10 esquema de una planta de separacin por membranasFuente: Foglietta, 2004, citado en Mokhatab, Poe & Speight, 2006

Las membranas utilizadas para este tipo de procesos son hechas principalmente de

polmeros vtreos, los cuales exhiben una buena selectividad difusional; sin

embargo, se han desarrollado y comercializado nuevas membranas de tipo elstica



26

(Lokhandwala & Jacobs, 2000, citado en Mokhatab, Poe & Speight, 2006). Estos

sistemas son estos sistemas son muy adecuados para aplicaciones costa afuera.

2.18. PRODUCCIN DE GLP EN BOLIVIA.

Tabla N2. Produccin de GLP en la plantas de Bolivia criogenizacin, absorcin,

refrigeracin)

.

Fuente: cmara Hidrocarburifera de Bolivia.

Para ms detalle ver anexo N1.

CAPITULO 3



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3. PROCESO CRIOGNICO DE TURBO EXPANSIN PARA LA SEPARACIN DE LQUIDOSDEL GAS NATURAL.

3.1. SEPARACIN DEL GAS NATURAL DE SUS LQUIDOSEl gas natural, al igual que el petrleo, es una combinacin de hidrocarburos. En un

yacimiento de gas natural es posible encontrar gas natural combinado con petrleo,

con otros hidrocarburos e incluso en algunos casos con agua. No obstante, para que el

gas natural extrado del yacimiento pueda ser usado por los consumidores finales este

debe pasar por un proceso para obtener lo que se conoce como gas natural seco, es

decir, un gas natural al cual se le han extrado ciertos componentes que en conjunto

formarn lo que se conoce como lquidos de gas natural. Existen 3 tipos de

procedimientos para realizar esta separacin: el de absorcin, el de refrigeracin y el

de criogenizacin, siendo este ltimo el ms eficiente aunque es un poco ms costoso

que las opciones anteriores. Aun cuando el proceso de criogenizacin para la

separacin del gas natural de sus lquidos es un proceso complejo, presentamos una

breve descripcin del proceso:

Una vez extrado el gas natural (compuesto de metano, etano y lquidos en fasevaporizada) del yacimiento, el producto es trasladado hasta la unidad de

deshidratacin, en la cual se reduce la cantidad de agua presente en l a

pequeas cantidades (incluso partculas por milln).

Seguidamente, el gas natural pasa a un separador de baja temperatura, delcual se obtiene como resultado final gas natural hmedo por un lado y los

lquidos ms pesados de gas natural por otro.

El gas natural hmedo es enviado a una des-etanizadora tras haber pasado porun Turbo Expander en el cual se reduce la presin y la temperatura del

mismo. Producto de este proceso se obtienen el gas natural seco y lquidos

livianos de gas natural.

El gas natural es reducido en volumen para poder ser enviado a su siguientedestino.



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Por su parte los lquidos de gas natural resultantes estn listos para serenviados a almacenar, o en caso contrario, para ser enviados a la planta de

procesamiento respectiva.

3.1.1. IDENTIFICACIN DEL PROBLEMA DEL PROCESO CRIOGNICO.El problema esencial es el desabastecimiento de GLP en el mercado nacional, debido

al crecimiento significativo en la demanda de GLP y a la cada en la produccin del

energtico. Segn reportes del Instituto Nacional de Estadstica (INE), analizados por el

instituto Boliviano de Comercio Exterior (IBCE), Bolivia erog $us 1.390 millones para

importar combustibles y ($us 1.4 millones) se gast en GLP desde enero del 2006

hasta agosto del 2009. Los mayores abastecedores de GLP en el pas son Argentina y

Per.Despus de tener identificado el problema, se plantean algunas posibles soluciones

para cubrir el dficit de carburantes en el pas, entre estas rutas de solucin se tienen:

Aumentar la produccin del GLP Aumentar la produccin de Gasolina Aumentar la produccin del Diesel Utilizar GNC.

La materia prima necesaria para la recuperacin de GLP es el Gas Natural de la PlantaMargarita. La disponibilidad de la materia prima y la recuperacin requerida de GLP

para cubrir el mercado, hace que sea necesaria la construccin y puesta marcha de

una planta recuperadora de GLP en la Planta Margarita, que est ubicado en

Caipipendi en la jurisdiccin del departamento de Tarija.

El procesamiento del gas natural, consiste en separar las molculas de metano de las

otras molculas de hidrocarburos ms pesados como por ejemplo el etano, propano,

butano y pentano. La separacin de las molculas se la realiza sometiendo el

hidrocarburo producido a diferentes presiones y temperaturas y en base a la

diferencia de sus propiedades fsicas de cada uno de los componentes.



29

Esta separacin se la realiza principalmente para facilitar el transporte de los

productos que se encuentran en distintas fases y para producir productos con

diferentes.

3.1.2. PROCESO DE FRACCIONAMIENTO DEL LGN.Consiste en varias etapas de separacin que se logran a travs de la destilacin, en la

que se produce la separacin de cada uno de los productos, como se muestra en el

diagrama de flujo N1 de Repsol YPF. En la columna De etanizadora se separa el etano,

en la De propanizadora se separa el propano, y en la columna De butanizadora por la

parte superior se obtiene el Gas Licuado de Petrleo y por la parte inferior la Gasolina

Natural10.

Fig. 11 Proceso de fraccionamiento del LNG.

Fuente: Estudio tcnico de la recuperacin del LNG, Villa montes.



30

3.1.3. PROCESO DE ABSORCIN Y RECTIFICACIN.La disolucin de una parte o toda una mezcla gaseosa en un lquido se llama

absorcin. Uno de los procesos ms importantes para la Recuperacin de GLP es el de

absorcin en columnas de bandeja de burbujeo en las que circula a contra corriente el

absorbente (se usa gas ol o Kerosene como absorbente). El aceite absorbente rico en

hidrocarburos livianos es despojado de propano, butano y componentes de la gasolina

natural en otra columna llamada rectificadora (Stripper) y enviado de vuelta al

absorvedor. El gas natural libre de compuestos licuables es apto para ser bombeado a

los mercados previa eliminacin de vapor de agua contenido en el mismo para evitar

la formacin de hidratos. La deshidratacin se efecta por absorcin en soluciones de

glicol o por desecantes slidos.

Los lquidos recuperados por el proceso de absorcin son fraccionados en productos

estables, gas licuado, propano y butano, gasolina natural o condensado estabilizado.

Fig.12 Proceso de a absorcin y rectificacin.

Fuente: Estudio tcnico de la recuperacin del LNG, Villa montes.



31

3.1.4. PROCESO CRIOGNICOLa planta criognica que se muestra en el diagrama de bloque, trabaja a

temperaturas muy bajas para que ciertos componentes del gas se condensen a

lquido. Los componentes del gas que se condensan forman una mezcla de

hidrocarburos lquidos conocidos como lquidos del gas natural (LGN), que

contienen valiosos hidrocarburos que pueden separarse en productos como el

propano- butano (GLP) y gasolina natural.

El proceso criognico es uno de los ms econmicos, es utilizado para la

recuperacin de etano y los hidrocarburos ms pesados, como el propano, butano

(GLP) y pentanos, hexanos componentes de la gasolina natural. Con este proceso

se obtiene ms del 85% de etano y todos de los hidrocarburos ms pesados

encontrados en el gas natural producido. La ventaja principal de la planta

criognica es su capacidad de recuperar un alto contenido de etano, propano y

butano.

El corazn de la planta criognica es una mquina llamada Turbo Expander o

simplemente expander.

El expander es una turbina que trabaja a presiones altas, para poder mover el eje

de la mquina, este emplea ciertos principios termodinmicos para producirtemperaturas sumamente fras, aproximadamente a -84C o -109C (-120 a -165

F). El gas que se extiende por la turbina que funciona movindose el eje, hace

que su energa interior se reduzca causando temperaturas y presiones muy bajas.

Las

temperaturas producidas son tan fras que pueden condensar los hidrocarburos

lquidos del gas natural (LGN), incluso el etano.

El eje de la turbina transmite el trabajo al compresor que se encuentra en el otroextremo del eje. El trabajo de este compresor es aumentar la presin del gas de

presin baja, despus de que el lquido del gas natural se ha condensado. Este gas,

llamado gas de residuo es el metano con una composicin > , es enviado a los

compresores para el transporte en tuberas o a reinyeccin.



32

El resto de la planta criognica consiste en una torre fraccionadora que estabiliza

los productos recuperados del lquido del gas natural (LGN), separando cualquier

componente disuelto como el metano.

En el siguiente diagrama de bloque el gas a la entrada de la planta es un gas rico,

hmedo, saturado con vapor de agua debe deshidratarse para quitar

prcticamente todo el vapor de agua que contiene. Este debe alimentar a las

partes ms fras de la planta criognica que est seca y rica en hidrocarburos

lquidos del gas natural.

El flujo de gas a travs del fro se condensa y luego se bombea fuera como un

producto lquido. El gas residual est seco y pasa por el recompresor donde su

presin se aumenta para entrar en una lnea de transmisin de gas. Algunas

plantas criognicas requieren adicionalmente de refrigeracin para condensar

LGN. Un sistema de refrigeracin mecnico el cual se usa para este propsito.

Tabla N 3 Ventajas y desventajas de la separacin del LNG.

Fuente: Alternativas tecnolgicas para la recuperacin licuable del GN.

De la tabla anterior se puede observar que el proceso de fraccionamiento tiene 13

equipos. Este proceso requiere de presiones bajas de 86 a 411 PSIG y el gas de

alimento del proceso debe ser rico en hidrocarburos lquidos, libre de agua y debe

poseer un rendimiento del 80 %, por lo que este proceso resulta econmico.



33

El proceso de Absorcin y rectificacin tiene 10 equipos. Este proceso requiere de

absorbentes como gasoil o kerosene y presiones de 250 a 450 PSIG. El gas de

alimento del proceso tiene un alto contenido de agua y de hidrocarburos lquidos,

y su capacidad de recuperacin de GLP es del 80 %, por lo que este proceso

resulta el ms caro. El proceso criognico es el ms completo, contiene 21 equipos

y opera a temperaturas bajas y presiones mayores a 1.200 PSIG. El gas de

alimento del proceso est libre de agua, con bajo contenido de hidrocarburos

licuables y posee una recuperacin de GLP mayor al 85 %. Por lo tanto este

proceso es el de mayor eficiencia y el ms econmico.

3.1.5. DESCRIPCIN GENERAL DEL PROCESO CRIOGNICO.El gas deshidratado ingresa al sistema y pasa por el intercambiador gas-gas y el

intercambiador gas-lquido y es enfriado por intercambio de calor con el gas

residual fro. La corriente de dos fases liquidovapor entra en el separador donde

se recupera el condensado y el gas se dirige al expander donde tiene lugar el

proceso de expansin sin adicin ni remocin de calor al sistema (proceso

isentrpico). La presin disminuye hasta igualar la presin de diseo del de

metanizador y el enfriamiento para alcanzar la temperatura de cabeza del demetanizador, generando trabajo que un compresor directamente acoplado al eje

del expander recupera para recomprimir el gas procedente de la cabeza del de

metanizador. El gas residual puede ser recomprimido adicionalmente hasta

alcanzar la presin de entrada al gasoducto.

El uso del Turbo expander para recuperar la energa del gas, permite

materialmente incrementar la refrigeracin y bajar la temperatura por debajo de

las condiciones que se puede obtener de un proceso adiabtico. El lquidocondensado en el separador de baja temperatura y el gas de descarga del

expander son enviados al de metanizador, el producto de fondo de esta columna

se enva al sistema de fraccionamiento de la planta para la recuperacin de gas

licuado y gasolina natural.



34

La recuperacin de etano puede alcanzar el 90% o ms del contenido en la carga.

Virtualmente se puede recuperar el 100% de propano-butano e hidrocarburos ms

pesados contenidos en el gas de carga.

Fig.14 Diagrama de flujo del proceso criognico para la recuperacin del GLP.

Fuente: http://es.scribd.com/doc/90082499/recuperacion-de-glp, viernes 4- julio,

12:00a.m.

3.1.6. CONDICIONES DE OPERACINEnfriamiento del Gas: Para cumplir con una de las condiciones requeridas por el

proceso antes de la entrada del gas a la turbina de expansin, se debe enfriar el

gas a -40 F (40 C). Esta operacin se efecta por intercambio de calor con

corrientes de condensado y gases fros, provenientes del acumulador del

condensado frio, en los intercambiadores de gas gas y gas - condensado.

Expansin Isentrpica: La operacin se efecta en la turbina de expansin, la

corriente de gas que se encuentra a 1.000 PSIG, y a sufre una cada de presin a

500 PSIG y la temperatura baja a -100F (-73C).
http://es.scribd.com/doc/90082499/recuperacion-de-glphttp://es.scribd.com/doc/90082499/recuperacion-de-glphttp://es.scribd.com/doc/90082499/recuperacion-de-glp



35

La mayor parte del propano y los hidrocarburos ms pesados se condensan. La

expansin isentrpica produce energa que se utiliza para recomprimir el gas

residual. De etanizacin: El lquido acumulado en el separador de condensado fro

que contiene el propano y superiores (C3 y extrados de la corriente de gas por

enfriamiento, contiene adems un apreciable volumen de etano que debe ser

eliminado por no estar prevista su recuperacin en el diseo de la planta. Este

trabajo se efecta en la torre de etanizadora. Por la parte superior se recupera

etano y metanos contenidos en la carga, el producto de cabeza est constituido

por estos componentes. El producto de fondo constituye la carga de la torre

debutanizadora.

Fraccionamiento de Gas Licuado y Gasolina Natural: La corriente de condensado

procedente de la de etanizadora es enviada a la torre de butanizadora en calidad

de carga, por la parte superior de esta unidad se separa el GLP y por el fondo la

Gasolina Natural. Recompresin del Gas Residual: El gas seco residual procedente

del separador de condensado fro que luego de ser usado como medio de

enfriamiento en varios intercambiadores de calor, es recomprimido primero en el

compresor accionado por la turbina de expansin y luego en el recompresor, cuya

presin de descarga es de 1.440 PSIG, que es la presin de cabecera delgasoducto.

A continuacin se detalla de los principios bsicos tericos de cada equipo que

forman parte del proceso de turbo-expansin.

3.2. BASES TERICAS Y PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS EQUIPOS DELPROCESO DE TURBO-EXPANSIN

3.2.1. PAQUETE TERMODINMICO

ECUACIN DE PENG ROBINSON



36

Ec. 3.1.

Ec.3.2.

Ec.3.3.Reglas de mezclado:

( ) Ec. 3.4. Ec.3.5.Dnde:

= Coeficiente de mezclado

= Coeficiente de mezclado

Ec.3.6. Ec. 3.7 Ec.3.8. Ec.3.9. Ec. 3.10



37

Ec.3.11. Ec.3.12.

Dnde:

Z = Factor de compresibilidad (adimensional)

A,B= Parmetros de la ecuacin de Z (adimensional)

P = presin de operacin (atm, psia)

T= temperatura de operacin (k, F)

a, b = parmetro de la correspondiente de la ecuacin de Peng Robinson

m, = parmetro de la correspondiente de la ecuacin de Peng Robinson

3.2.2. TRANSFERENCIA DE CALORExisten 3 mecanismos de transferencia de calor, estos son: Conduccin,

Conveccin y radiacin.

3.2.2.1. TRANSMISIN DE CALOR POR CONDUCCINLa conduccin es el nico mecanismo de transmisin del calor posible en los

medios slidos opacos; cuando en estos cuerpos existe un gradiente de

temperatura, el calor se transmite de la regin de mayor temperatura a la de

menor temperatura, siendo el calor transmitido por conduccin Qk,

proporcional al gradiente de temperatura dT/dx, y a la superficie A, a travs de

la cual se transfiere, Fig. 1 es decir:

Ec. 3.13.



38

Fig. 15. Convenio de signos para la transmisin del calor por conduccin.

Fuente: apuntes de transferencia de calor, autor: Pedro Fernandez Dez, pag. 7.

El sistema cuando este transporte de energa ocurre debido a una diferencia de

temperatura entre el sistema y su entorno. La segunda ley de termodinmica.

Estados de los que el calor siempre conoce sobre el lmite del sistema en la

direccin. El calor en el que la conduccin es la transferencia de la energa.

En metales los electrones trasladan su energa. En cuerpos slidos que no

transmiten la radiacin, la conduccin de calor lo es el solamente proceso para

la transferencia de energa. En gases y lquidos la conduccin de calor es

superpuesta.

La conductividad trmica de los lquidos decrece a medida que aumenta su

temperatura, pero el cambio es tan pequeo que en la mayor parte de las

situaciones prcticas, la conductividad trmica se puede suponer constante

para ciertos intervalos de temperatura; asimismo, en los lquidos no hay una

dependencia apreciable con la presin, debido a que stos son prcticamente

incompresibles.



39

Fig. 16 Conductividad trmica de metales. Fig. 17 Conductividad trmica delquidos, slidos y gases.

Fuente: apuntes de transferencia de calor, autor: Pedro Fernandez Dez, pag. 10

3.2.2.1.1. TRANSMISIN EN UNA PARED PLANAUna aplicacin inmediata de la ley de Fourier corresponde al caso de la

transmisin del calor a travs de una pared plana, Fig I.2. Cuando las

superficies de la pared se encuentran a temperaturas diferentes, el calor fluyeslo en direccin perpendicular a las superficies. Si la conductividad trmica es

uniforme, la integracin de la ecuacin anterior proporciona:

Ec.3.14.En la que L es el espesor de la pared, T1 es la temperatura de la superficie de

la izquierda x = 0, y T2 es la temperatura de la superficie de la derecha x = L



40

Fig. 18 Pared plana y pared compuesta


3.2.2.1.2. TRANSMISIN DE PAREDES EN SERIESi el calor se propaga a travs de varias paredes en buen contacto trmico,

como por ejemplo, en la construccin de capas mltiples, el anlisis del flujo de

calor en estado estacionario a travs de todas las secciones tiene que ser el

mismo.

Sin embargo, y tal como se indica en la Fig. 17 en un sistema de tres capas,

los gradientes de temperatura en stas son distintos. El calor transmitido se

puede expresar para cada seccin y como es el mismo para todas las

secciones, se puede poner:

Ec.3.15.Si se considera un conjunto de n etapas en perfecto contacto trmico el flujo

de calor es:



41

Ec.3.16.3.2.2.1.3. TRANSMISIN DE CALOR DE PAREDES EN PARALELO

Las ecuaciones anteriores se pueden utilizar tambin en la resolucin de

problemas ms complejos, en los que la conduccin tiene lugar en paredes

dispuestas en paralelo. La Fig. 1.4 muestra un bloque formado por dos

materiales de reas A en paralelo; para su resolucin hay que tener en cuenta

que para una determinada diferencia de temperaturas a travs del bloque,

cada capa del conjunto se puede analizar por separado, teniendo presentes las

condiciones impuestas para el flujo unidimensional a travs de cada una de las

dos secciones.

Si la diferencia de temperaturas entre los materiales en contacto es pequea,

el flujo de calor paralelo a las capas dominar sobre cualquier otro flujo normal

a stas, por lo que el problema se puede tratar como unidimensional sin

prdida importante de exactitud. Como el calor fluye a travs de los dos

materiales segn trayectorias separadas, el flujo total de calor (que ser lasuma de los flujos:

Ec.3.17.En la que el rea total de transmisin del calor es la suma de las dos reas

individuales y la inversa de la resistencia total es igual a la suma de las inversas

de todas las resistencias individuales.



42

Fig.19 Transmisin de calor a travs de una pared en paralelo.


3.2.2.2. TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCINLa propiedad fsica de los materiales que determina su capacidad para conducir

el calor es la conductividad trmica. La propiedad inversa de la conductividad

trmica es la resistividad trmica, que es la capacidad de los materiales para

oponerse al paso del calor, es el intercambio de energa interna, que es una

combinacin de la energa cintica y energa potencial de sus partculas

microscpicas: molculas, tomos y electrones.

Para el caso simplificado de flujo de calor estacionario en una sola direccin, el

calor transmitido es proporcional al rea perpendicular al flujo de calor, a la

conductividad del material y a la diferencia de temperatura, y es inversamente

proporcional al espesor:

Ec.3.18.



43

3.2.2.3. TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIN.Tipos de procesos: conduccin, conveccin y radiacin trmica. De hecho, la

emisin de radiacin puede llegar a ser el proceso dominante cuando los

cuerpos estn relativamente aislados del entorno o cuando estn a

temperaturas muy elevadas. As, un cuerpo muy caliente emitir, por norma

general, gran cantidad de ondas electromagnticas.

* Ec.3.19.Dnde:

P= Es la potencia radiada.

= es un coeficiente que depende de la naturaleza delcuerpo negro perfecto.

S = es el rea de la superficie que radia.

= es la constante de Stefan-Boltzmann, que tiene un valor de 5,67 10-8

W/mK4

T = es la temperatura absoluta

3.2.2.4. ECUACIONES DE CLCULO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR.Transferencia por conveccin

Ec.3.20.Dnde:

q: Calor transferido

h: Coeficiente de conveccin.

A: rea de transferencia de calor: Delta de TemperaturaEcuaciones para tubos concntricos



44

Ec.3.21Dnde:


: Coeficiente global de transferencia de calor.A: rea de transferencia de calor

DTLM: Diferencia de temperatura logartmica media.

Ec.3.22.Dnde:


w: Caudal de flujo por interior

Cp: Capacidad calorfica: Temperatura de salida del fluido frio: Temperatura de entrada del fluido frio

Ec.3.23.Dnde:


W: Caudal de flujo por interior

Cp: Capacidad calorfica

: Temperatura de salida del fluido caliente

: Temperatura de entrada del fluido caliente Ec. 3.24.



45

Dnde:

A: rea : Pid: dimetro l: longitud.

Diferencia de temperatura logartmica media

Flujo en Contracorriente

Ec.3.25Flujo en Paralelo

Ec.3.26.

Vapor saturado como fluido calefactor

Ec.3.27.Vapor saturado

Ec.3.28Dnde:: Temperatura de entrada del fluido frio: Temperatura de salida del fluido frio: Temperatura de entrada del fluido caliente

Temperatura de salida del fluido caliente

: Temperatura de vapor saturado (fluido caliente)calor latente del vapor.Longitud total



46

Ec.3.29 Ec.3.30Dnde:= longitud total= longitud de paso= Nmero de horquillasCoeficiente de ensuciamiento global

Ec.3.31. Ec.3.32.Dnde:

= Coeficiente de ensuciamiento global

= Coeficiente de ensuciamiento interior= Coeficiente de ensuciamiento exterior= coeficiente de conveccin interior= coeficiente de conveccin exteriorCoeficiente global de transferencia de calor

Ec.3.33. Ec. 3.34.



47

Dnde: Coeficiente global de transferencia de calor sucio

: Coeficiente global de transferencia de calor limpio

: dimetro externo del tubo: dimetro interno del tubo : coeficiente de conveccin lado interior: coeficiente de conveccin lado exteriork=coeficiente de transferencia de calor por conduccin.

Coeficiente de conveccin interior Re>2100

Ec.3.35 Ec.3.36.

Ec.3.37.Coeficiente de conveccin exterior

Ec.3.36 Ec.3.37. Ec.3.38. Ec.3.39.



48

Ec.3.40.

()

Ec.3.41.

Dnde:= Coeficiente de conveccin exteriorRe= Nmero de reynols.

Pr = Nmero de prant.

= viscosidad

= Dimetro equivalente

Di= Dimetro tubo exterior lado interno

Do= Dimetro tubo exterior lado externo

3.2.2.5. LNG INTERCAMBIADOR MULTI-PASOSEl modelo de intercambiador de LNG (gas natural licuado) soluciona el calor y

los balances materia y energa, para intercambiadores de calor multipasos de

flujos y redes de intercambiador de calor. Se puede especificar varios

parmetros, Incluyendo la prdida o fuga de calor, coeficiente global de

transferencia de calor UA. Dos enfoques de una solucin son empleados, la

solucin es calculada directamente de una energa que mantiene en el

equilibrio. En el otro caso un enfoque iterativo puede ser usado para intentar

determinar la solucin que no satisface solamente el balance de energa,

adems algunas restricciones, El LNG tiene en cuenta flujos mltiples mientras

el cambia este calor admite solamente un flujo de equipo caliente y un flujo de

equipo frio. El modelo de intercambiador de LNG dinmico lleva a cabo la

energa y el material mantiene el equilibrio para un intercambiador de calor de

tipo de placa - aleta de clasificacin modelo. El LNG dinmico es caracterizado

como tener un rea de alta densidad, admitiendo el intercambio de calor

tpicamente incluso cuando bajan las pendientes de temperatura y coeficientes



49

de transferencia de calor existen entre las capas en la operacin de LNG.

Algunas caractersticas muy importantes en el modelo dinmico de operacin

incluye:

Una alternativa de especificacin de presin. Los modelos circulan a travs de la operacin de LNG. Un modelo dinmico, que explica la demora de energa hacia dentro Las paredes de metal y las capas de torrente materiales. Transferencia de calor entre las capas depende del arreglo de los

torrentes,

Propiedades de metal, y eficiencia de aleta y bypass. Operacin de LNG de zona mltiple. Es posible hacer un modelo de cruz

y la circulacin de mostrador, las configuraciones de multi-paso dentro

de la operacin de LNG.

Un modelo de prdida de calor, que da cuenta de la conveccin y latransferencia de calor conductora que ocurre al otro lado de la pared.

Los clculos en el LNG estn basados en el balance de energa para los fluidos

caliente y frio. La siguiente relacin general es aplicada en la unidad de

operacin del LNG. Ec. 3.42.Dnde:

M = flujo de fluido= densidadH = Entalpia

= calor ganado en el interior por conveccin= calor ganado en el exterior por conveccinV = volumen



50

En el LNG la dinmica construye y forma las ecuaciones de transferencia de

calor conductoras en los clculos dinmicos para explicar la fase trmica del

metal para tantas placas como aletas.

Ec. 3.43. Ec. 3.44Dnde:= Masa de la pared

= Capacidad calorfica

= Temperatura de paredt = tiempo= calor de entrada o salida= Conductividad de transferencia de calork = Conductividad del metal

A = rea de transferencia de calor

= Temperaturas en la pared.

3.2.2.5.1. CADA DE PRESIN DEL LNGLa cada de presin se da por una prdida significativa de presin en relacin

de entrada y salida del intercambiador multipasos esto se da en cada capa

hacia dentro el LNG la operacin puede ser determinad de dos maneras:

Especificar la cada de presin. Definir la relacin de presin en el flujo para cada punto especificando

el valor.

Si la alternativa de circulacin de presin es elegida por la cada de presin la

determina en el LNG, un valor de k es usado de relacionarse la prdida de

presin de friccin y circulacin a travs del intercambiador.



51

Esta relacin es similar a la ecuacin general de una vlvula.

Ec.3.44.Esta ecuacin general de flujo es usada en la cada de presin a travs del

intercambiador de calor haciendo las contribuciones de cabeza estticas la

cantidad debe ser definido como la prdida de presin de friccin que es usada

a la medida del LNG con el valor respectivo. Lo importante para este valor no

es un valor de UA en conjunto que est en estado regular excepto que

simplemente para la transferencia de calor por conveccin del torrente

especial en cuestin con su entorno inmediatos.

3.2.2.5.2. ESPECIFICACIONES DINMICAS MNIMAS PARA RESOLVER LA UNIDAD DEOPERACIN LNG

Tabla N 4 Especificaciones en el LNG

Especificacin Descripcin

Zona del tamao Las dimensiones de cada zona del

LNG es una especificacin de la

operacin, toda la informacin en

el tamao puede ser ms

completada. El tamao se puede

modificar en el nmero de zonas.

Clasificacin de capa o entrada La clasificacin individual de cada

parmetro en la zona debe ser

especificada. Toda la informacin

en la clasificacin puede ser



52

completada en la pgina de

configuracin.

Transferencia de calor Especificar todos los coeficientes

de transferencia de calor U, UA.

Esta especificacin puede

realizarse en la configuracin de la

pgina del intercambiador de

calor.

Cada de presin Debe especificarse toda delta P

(dP), todo valor de presin del

LNG.

Especificar la cada de presin o

verificar con detalle en la

configuracin de la pgina.

Conexiones Cada etapa en cada zona debe ser

especificada con una alimentacin

y un producto. Completar lasconexiones de cada zona de

grupo.

Fuente: AspenTech\Documentation\Aspen Engineering V7_3\Aspen HYSYS. Pag.

12.

3.2.2.6. ENFRIADOR DE AIRE COOLER (POR CONVECCIN FORZADA)La operacin de unidad ms fresca area usa una mezcla de aire ideal como un

eliminador de calor al transferir el medio para enfriar (o calentar) un fluido de

proceso de entrada requera la condicin de torrente de salida. Uno ms uno



53

los ventiladores circulan y al ventilarse a travs de manojos de tubos para

enfriar fluidos de proceso. La corriente de aire puede ser especificada o

calculada. El aire en el enfriador soluciona diferentes especificaciones por

ejemplo:

Coeficiente de transferencia de calor en conjunto, UA Flujo de aire total Temperatura en el flujo de salida

El enfriador de aire usa en alguna ecuacin bsica como los calentadores, la

operacin de unidad de intercambiador; sin embargo, la operacin ms fresca

ser poder hacer el clculo de la circulacin de aire sobre la base necesaria de

informacin clasificada. Los clculos ms frescos estn basados en un balancede energa entre el aire y el flujo de fluidos de proceso. Para un aire cruzado, el

balance de energa es calculado de la siguiente manera:

Ec.3.45.Dnde:

: Flujo de la corriente de aire: Flujo de corriente del procesoH : entalpia

El deber del aire en el enfriador es retirar calor por conveccin, la perdida de

calor del flujo de fluido es exotrmico, El rea disponible para el intercambio

de calor es muy importante ya que hace posible el retiro del calor necesario y

la diferencia de temperatura es media en relacin a las condiciones de

operacin.

Ec. 3.45.



54

Dnde:

U: coeficiente global de transferencia de calor.

A: rea de transferencia de calor.

DTLM: Diferencia media logartmica de diferencia de temperatura

f: Factor de correccin.

El DTLM tiene su factor de correccin, Ft es calculado de la geometra y

configuracin del enfriador con aire.

3.2.2.6.1. FUNCIONALIDAD DINMICAEl tubo ms fresco de aire es capaz de almacenar existencias de la misma

manera que las otras operaciones de unidad dinmicas. La direccin del calor a

travs de la heladera de aire por la que la operacin es gobernada. El enfriador

con aire utiliza las mismas ecuaciones de balance de energa bsica en las

unidades de operacin del intercambiador de calor, los clculos del enfriador

con aire estn basados en el balance de energa entre el aire y los flujos del

proceso.

Balance de energa en el enfriador (cooler)

( ) ( ) Ec.3.46Dnde:

M = flujo de masa (de entrada o salida)

H = entalpia (de entrada o salida)

Q = calor ganado o perdido.

3.2.2.6.2. ESPECIFICACIONES DINMICAS DEL ENFRIADOR (COOLER)HYSYS requiere todas las especificaciones en orden para la operacin unitaria

del enfriador de aire resuelve el modo dinmico.



55

Tabla N 5 Especificaciones dinmicas.

Descripcin Descripcin

Generales UA Lo general este producto del

coeficiente de transferencia (U) y

toda el rea viable para

transferencia de calor, tu puedes

especificar los valores de UA en la

pgina de parmetros designada

en la tabla.

Clasificacin de informacin

importante

La clasificacin de caracteres de

informacin, el flujo y

propiedades de enfriamiento.

HYSYS provee 2 metodos de

determinacin para clasificar la

informacin importante.

Para el enfriador con aire el

mtodo designado, especifica las

siguientes variables en el tamao

de la pgina clasificada.

- exigir velocidad

Velocidad designada

Flujo designado

Mxima aceleracin

La velocidad del flujo de masa de

aire

La variable sigue parmetros.



56

Cada de presin HYSYS provee dos opciones para

determinar la cada de presin

entre los flujos de entrada y salida

del proceso.

- especificacin de la cada de

presin (vlvula constante )

Calcula la cada de presin

Fuente: AspenTech\Documentation\Aspen Engineering V7_3\Aspen HYSYS. Pag.

12.

3.2.2.6.3. CADA DE PRESIN EN EL ENFRIADOR (COOLER)La cada de presin en el enfriador con aire se determinada por lo siguiente:

Especificar la cada de presin

Este mtodo asume que la diferencia de presin entre el flujo de entrada y el

flujo de salida. Estos mtodos son aplicados porque ambos estabilizan el

proceso en modo dinmico.

Define la relacin de recirculacin de presin en el aire ms fresco

Este mtodo asume que la diferencia de presin entre el flujo de entrada y el

flujo de salida vara en funcin del tiempo. Este mtodo es aplicado solo en

modo dinmico.

Si la alternativa de circulacin de presin es elegida para la determinacin de

presin en el aire ms fresca, es bueno relatar que la relacin es similar a la

ecuacin de vlvula general.

Ec.3.47.



57

La ecuacin de circulacin general usa el salto de presin a travs el

intercambiador de calor sin cualquier contribucin de cabeza esttica. La

cantidad , Est definido como la prdida de presin de friccin de lacul es usada para "Dimensionar" la heladera de aire.

La siguiente informacin que es requerida por el HYSYS a calcular el valor en

modo de estado federal regular.

Definicin completa de entrada y salida en los flujos del proceso (obtener la

circulacin y el valor variable de la densidad).

La diferencia de presin entre el flujo de entrada y salida.

Resolver la operacin del enfriador de aire.

Clculos del enfriador (cooler)

Velocidad del flujo del aire

El flujo de aire puede ser calculado por la siguiente relacin linear.

Ec. 3.48.

Solo en modo dinmico, la velocidad actual algunas veces no es equivalente a

la demanda de velocidad. La velocidad verdadera despus de cada integracin

de tiempo es calculado segn:

Ec. 3.49

Ec. 3.50Cada contribucin en el enfriador de aire es sumado en la siguiente ecuacin.

Ec. 3.51



58

3.2.2.6.4. ECUACIONES DEL INTERCAMBIADOR MULTIPASOS LNGCalculo de UA coeficiente global de transferencia de calor.

Ec. 3.52 Ec. 3.53Dnde:

: Coeficiente global de transferencia de calor sucio: Coeficiente global de transferencia de calor limpio: dimetro externo del tubo: dimetro interno del tubo : coeficiente de conveccin lado interior: coeficiente de conveccin lado exteriork=coeficiente de transferencia de calor por conduccinDiferencia de temperatura logartmica media

Flujo en Contracorriente

Ec.3.54Flujo en Paralelo

Ec. 3.55.Vapor saturado como fluido calefactor



59

Ec.3.56.Vapor saturado

Ec. 3.57Dnde:: Temperatura de entrada del fluido frio: Temperatura de salida del fluido frio: Temperatura de entrada del fluido caliente

Temperatura de salida del fluido caliente

: Temperatura de vapor saturado (fluido caliente)calor latente del vapor Ec. 3.58

Ec. 3.59

Dnde:= Masa de la pared= Capacidad calorfica= Temperatura de paredt = tiempo= calor de entrada o salida

= Conductividad de transferencia de calor

k = Conductividad del metal

A = rea de transferencia de calor= Temperaturas en la pared

3.2.2.6.5. MODELOS DE ENFRIADORES



60

El modelo permite que usted defina, En el modo dinmico los valores son

calculados por la siguiente ecuacin:

Ec. 3.60

Escala del factor de flujo. Ec. 3.61 Ec. 3.62 Ec.3.63Dnde:: Coeficiente global de transferencia de calor en modo dinmico. : Valor entero dentro de los parmetros de la pginadesignada.

Los parmetros dinmicos sobre los que grupo contiene la informacin delenfriador de aire, que es descrito en la siguiente tabla.

Tabla N 6 Parmetros dinmicos.

Parmetros dinmicos Descripcin

Volumen del fluido Especificar el volumen de flujo en

el enfriador de aire.

Flujo de masa El flujo de masa del proceso

puede ser calculado a travs del

enfriador de aire.



61

Temperatura de salida La temperatura del flujo de salida

del proceso.

3.2.3. EQUILIBRIO DE FASESEl conocimiento de los fundamentos de la termodinmica del equilibrio entre fases

es indispensable para poder discutir las operaciones unitarias de transferencia

de materia destinadas a la separacin de mezclas. De hecho, la transferencia de

materia ocurre debido a que el sistema no se encuentra en equilibrio y por tanto,

los componentes se transfieren entre las fases en contacto hasta alcanzar el

equilibrio. Las composiciones de equilibrio dependen de ciertas variables como la

presin, la temperatura y la naturaleza qumica y la composicin de la mezcla

global.

Con el fin de simplificar la ecuacin abstracta de igualdad de potenciales qumicos,

Lewis defini una funcin denominada fugacidad que permite transformar la

condicin de igualdad de potenciales qumicos en igualdad de fugacidades. De esta

manera, la aplicacin de la condicin de equilibrio entre las fases y , a P y T

constantes, sera:

Ec. 3.64.

Donde el subndice i hace referencia a cada uno de los componentes de la mezcla.

La fugacidad de un gas puede interpretarse como una presin corregida, siendo

el coeficiente de fugacidad,i, el factor de correccin que recoge la desviacin del

gas de la idealidad. De esta manera, el clculo de la fugacidad vendra dado por la

siguiente expresin:

Ec.3.65
http://iq.ua.es/MetAprox/21_clculo_de_la_fugacidad_en_mezclas_gaseosas.html#apdo21http://iq.ua.es/MetAprox/21_clculo_de_la_fugacidad_en_mezclas_gaseosas.html#apdo21http://iq.ua.es/MetAprox/21_clculo_de_la_fugacidad_en_mezclas_gaseosas.html#apdo21http://iq.ua.es/MetAprox/21_clculo_de_la_fugacidad_en_mezclas_gaseosas.html#apdo21



62

Resulta especialmente apropiada para calcular la fugacidad de fases no

condensadas (gases o vapores). En el caso de gases ideales, el coeficiente de

fugacidad es igual a la unidad y la fugacidad es igual a la presin parcial. En el caso

de gases no ideales, el coeficiente de fugacidad proporciona una medida de la

desviacin del comportamiento de gas ideal.

Por otro lado, se define la actividad de un componente, a i, como el cociente entre

la fugacidad de ese componente en la mezcla y la fugacidad en el estado de

referencia:

Ec.3.66

La temperatura del estado de referencia debe ser la misma que la del sistema, sin

embargo la composicin y la presin no tienen que ser necesariamente las mismas

(y de hecho generalmente no lo son). Tambin se define el coeficiente de

actividad (i), como la relacin entre la actividad del componente i y una medida

conveniente de la concentracin, que normalmente es la fraccin molar, y que

proporciona una medida de la desviacin del comportamiento del sistema con

respecto del comportamiento de mezcla ideal:

Ec. 3.67

Combinando las definiciones de actividad y coeficiente de actividad, se obtiene la

siguiente expresin para el clculo de la fugacidad, que ser especialmente

adecuada para el caso de fases condensadas:

Ec. 3.68
http://iq.ua.es/MetAprox/22_clculo_de_la_fugacidad_en_mezclas_lquidas.html#apdo22http://iq.ua.es/MetAprox/22_clculo_de_la_fugacidad_en_mezclas_lquidas.html#apdo22http://iq.ua.es/MetAprox/22_clculo_de_la_fugacidad_en_mezclas_lquidas.html#apdo22http://iq.ua.es/MetAprox/22_clculo_de_la_fugacidad_en_mezclas_lquidas.html#apdo22http://iq.ua.es/MetAprox/22_clculo_de_la_fugacidad_en_mezclas_lquidas.html#apdo22http://iq.ua.es/MetAprox/22_clculo_de_la_fugacidad_en_mezclas_lquidas.html#apdo22



63

Por otro lado, cuando el equilibrio entre fases se calcula a travs de actividades,

como suele ocurrir en el caso de mezclas lquidas, se introduce el

denominadofactor de correccin de Poynting(i) para tener en cuenta el efecto

de la presin sobre la fugacidad del lquido. Esto debe hacerse ya que,

normalmente, el estado de referencia para los componentes de una fase lquida se

elige como el lquido puro a la temperatura del sistema, y el coeficiente de

fugacidad del lquido puro se evala para el vapor en equilibrio con ste que,

obviamente, se encuentra a una presin (la presin de vapor) que es diferente de

la del sistema. El factor de correccin de Poynting se calcula mediante la siguiente

expresin:

Ec. 3.69

Donde vi es el volumen especfico del lquido en el estado de referencia.

El factor de Poynting solo cobra importancia a presiones elevadas.

Utilizando todos estos conceptos, se define la relacin de equilibrio entre fases Ec.

Ki= yi/xi Ec.3.70

Siendo yiy xilas fracciones molares del componente i en cada una de las dos fases

en equilibrio, yi corresponde a la fase ligera y xia la fase pesada.

En el caso frecuente del clculo del equilibrio lquido-vapor, la expresin ms

conveniente de la relacin de equilibrio se obtiene combinando las ecuaciones,

para calcular la fugacidad del componente i en la fase vapor, para calcular la

fugacidad del componente i en la fase lquida:

Ec. 3.71.
http://iq.ua.es/MetAprox/2_clculos_de_equilibrio_entre_fases.html#ec6http://iq.ua.es/MetAprox/2_clculos_de_equilibrio_entre_fases.html#ec6http://iq.ua.es/MetAprox/2_clculos_de_equilibrio_entre_fases.html#ec6http://iq.ua.es/MetAprox/2_clculos_de_equilibrio_entre_fases.html#ec6



64

la ecuacin puede simplificarse y, en el caso ms sencillo en que pueda

considerarse comportamiento de gas ideal y que la fase lquida se comporte como

una mezcla ideal, se obtiene la siguiente expresin, ampliamente conocida:

Ec.3.72

El clculo de la fugacidad en mezclas gaseosas se realiza a travs del coeficiente de

fugacidad, que proporciona una medida de la desviacin del comportamiento del

gas con respecto del gas ideal. De acuerdo con la termodinmica clsica, el

coeficiente ise puede obtener a partir de la siguiente ecuacin:

Ec.

3.73

Donde

Ec. 3.74

vi es el volumen molar parcial del componente i.

Como puede verse, se compara el volumen molar parcial del componente i con el

volumen molar del gas ideal. Esta ecuacin puede aplicarse sin problemas cuandose dispone de una ecuacin de estado, es decir, de la relacin matemtica entre V,

P, T y composicin, que permita evaluar el trmino correspondiente al volumen

molar.

Si se utiliza la ecuacin de estado peng robbinson, se llega a la siguiente expresin:



65

Ec. 3.75

con Bmezcla dado por la ecuacin:

Ec. 3.76

con Bij= Bji.

Para gases puros no polares, puede usarse la correlacin propuesta por Pitzer y

Curl y por OConnell y Prausnitz para el clculo de Bij, en funcin de la temperatura

crtica, Tci, la presin crtica, Pci, y el factor acntrico, i.El factor acntrico tiene en

cuenta las diferencias en la forma de las molculas y es igual a cero para molculas

simtricas. Se calcula a partir de las curvas de presin de vapor y se define por la

siguiente ecuacin:

Ec.3.77

Donde Pioes la presin de vapor de i a la temperatura absoluta T = 0.7 Tci.

Segn esta correlacin, Biise calcula:

Ec.3.78

Donde los trminos f()y f(AS)representan, respectivamente, contribuciones

debidas a la polaridad de las molculas y la existencia de asociaciones o



66

disociaciones entre stas. En el caso de gases puros polares, slo tendra un valor

distinto de cero el trmino f(NP). Para calcular cada uno de estos trminos:

Ec.3.79

Ec. 3.80.

Y, si el momento dipolar reducido es mayor o igual que 4, Ri 4:

Ec.3.81

Ec.3.82

y si Ri



67

El momento dipolar reducido se calcula:

Ec.3.84

Donde i es el momento dipolar en Debye, Pci la presin crtica en atm y T ci la

temperatura crtica en K. ies un coeficiente que slo es distinto de cero para las

molculas que tienden a dimerizarse en fase vapor. Se obtiene por correlacin de

datos experimentales. Las contribuciones debidas al momento dipolar y a la

constante de disociacin son despreciables para TR> 0.95 ya que son muy dbiles

Para calcular los coeficientes Bijse utilizan las mismas ecuaciones de correlacin,pero reemplazando Pcipor Pcij, Tcipor Tcij, ipor ij, Ripor Rijy ipor ij. Las

nuevas constantes vienen dadas por las siguientes expresiones:

Ec. 3.85

Ec. 3.86

Ec. 3.87.

Donde Vcies el volumen crtico de i.

Ec. 3.86



68

Ec. 3.87

Si una de las sustancias, i, es polar, y la otra, j, no, se aplica:

Ec. 3.88

Y si las dos son polares:

Ec. 3.89

Donde iHes el factor acntrico del homomorfo del cuerpo i, es decir, un

hidrocarburo con aproximadamente el mismo tamao y la misma forma que la

molcula polar.

El intervalo de validez de esta ecuacin es suficiente para los clculos de equilibrio

a presiones moderadas de mezclas que se desvan bastante de la idealidad. La

condicin, a menudo citada, de que el volumen molar de mezcla debe ser superior

a dos veces el volumen molar crtico, lleva normalmente a una presin mxima de

aplicacin del orden de 15 atm.

3.2.3.1. Clculo de la fugacidad en mezclas lquidasEl procedimiento ms til para calcular fugacidades de componentes de

mezclas lquidas consiste en definir una disolucin lquida ideal y utilizar el

coeficiente de actividad para proporcionar una medida cuantitativa de las

desviaciones de la idealidad. Se define una disolucin lquida ideal como

aqulla en que, a P y T constantes, la fugacidad de un componente es

proporcional a alguna medida de la concentracin:



69

Ec. 3.90

Donde es una constante de proporcionalidad dependiente de P y T e

independiente de xi. Si la ecuacin se cumple para todo el intervalo decomposicin, se dice que la disolucin es ideal segn la Ley de Raoult, y la

constante de proporcionalidad es la fugacidad del componente puro a la T de la

disolucin (si el vapor se comporta como gas ideal, dicha constante de

proporcionalidad sera la presin de vapor). Una disolucin ideal es aquella en

que la fase vapor es un gas ideal (se encuentra a presin lo suficientemente

reducida), y todas las molculas de la fase lquida son virtualmente del mismo

tamao y entre ellas existen las mismas fuerzas intermoleculares de atraccin.Como consecuencia, la mezcla se desarrolla sin interacciones qumicas y la

entalpa molar parcial y el volumen molar parcial de cada componente son

iguales a la entalpa molar y al volumen molar correspondientes,

respectivamente

simulación en aspen hysys del proceso de criogenización de turb1

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