Ingeniería y Arquitectura · 06
INTRODUCCIÓN A ASPEN-HYSYS Juan José Santana Rodríguez Vicente Fernando Mena González
UNIVERSIDAD DE LAS PALMAS DE GRAN CANARIA
Servicio de Publicaciones y Difusión Científica
2016
COLECCIÓN: CUADERNOS PARA LA DOCENCIA RAMA DE CONOCIMIENTO: INGENIERÍA Y ARQUITECTURA· 06 INTRODUCCIÓN A ASPEN-HYSYS
SANTANA RODRÍGUEZ, Juan José Introducción a ASPEN-HYSIS / Juan José Santana Rodríguez, Vicente Fernando Mena González. — Las Palmas de Gran Canaria : Universidad de Las Palmas de Gran Canaria, Servicio de Publicaciones y Difusión Científica, 2016 328 p. ; 24 cm. — (Cuadernos para la docencia. Ingeniería y Arquitectura ; 06) ISBN 978-84-9042-299-1 1. ASPEN-HYSIS (Programa de ordenador) 2. Ingeniería química - Simulación por ordenador 3. Ingeniería de procesos - Simulación por ordenador I. Mena González, Vicente Fernando, coaut. II. Universidad de Las Palmas de Gran Canaria, ed. III. Título IV. Serie 66.01:004.94
La publicación de esta obra ha sido aprobada, tras recibir dictamen favorable en un proceso de evaluación interno, por el Consejo Editorial del Servicio de Publicaciones y Difusión Científica de la ULPGC © del texto: Juan José Santana Rodríguez, Vicente Fernando Mena González © de la edición: Universidad de Las Palmas de Gran Canaria Servicio de Publicaciones y Difusión Científica www.ulpgc.es/publicaciones serpubli@ulpgc.es 1ª edición, 2016 ISBN: 978-84-9042-299-1 Depósito Legal: GC 1014-2016 IBIC: TDCB / UFP / 4GE Impresión: Servicio de reprografía, encuadernación y autoedición de la ULPGC Producido en España. Produced in Spain Reservados todos los derechos por la legislación española en materia de Propiedad Intelectual. Ni la totalidad ni parte de esta obra puede reproducirse, almacenarse o transmitirse en manera alguna por medio ya sea electrónico, químico, óptico, informático, de grabación o de fotocopia, sin permiso previo, por escrito de la editorial.
ÍNDICE
PPESENTACIÓN............................................................................. 13 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A ASPEN-HYSYS ............................................................. 17 1. Introducción a ASPEN-HYSYS ...................................................... 19 1.1. Acceso al programa ........................................................... 20 1.2. Creando una nueva simulación .............................................. 21 1.3. Como añadir compuestos químicos a la simulación ...................... 22 1.4. Fluids Package (paquete de fluido) ......................................... 27 1.4.1. Guía para la selección del Fluid Package ............................. 31 1.4.2. Exportación de paquetes fluidos ....................................... 33 1.5. Selección de un sistema de unidades ...................................... 35 1.6. Propiedades de los componentes ........................................... 37 1.6.1. Tabulación de propiedades físicas y termodinámicas de los componentes ...................................................................... 38 1.7.Simulation Environment ....................................................... 41 1.7.1. Objeto Palette ............................................................ 41 1.8.Ecuaciones de estado (EOS) .................................................. 42 1.8.1. Formulaciones matemáticas de las ecuaciones de estado ......... 42 1.8.2. Análisis de la variación de propiedades .............................. 47
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1.8.3. Cambio del paquete de Fluido ......................................... 51 1.9.Ejercicios. ....................................................................... 52 CAPÍTULO 2 INSTALACIÓN Y DEFINICIÓN DE CORRIENTES ................................................. 55 2. Intalación y definición de corrientes ........................................... 57 2.1.Introducción..................................................................... 58 2.1.1. Corrientes de materia ................................................... 58 2.1.2. Instalación de una corriente de materia en HYSYS ............... 60 2.1.3. Corriente de energía .................................................. 6 5 2.2. Ejercicios ....................................................................... 66 CAPÍTULO 3 ESTIMACIÓN DE PROPIEDADES DE UNA CORRIENTES DE MATERIA .............................. 67 3. Estimación de propiedades de una corriente materia ........................ 69 3.1. Introducción .................................................................... 69 3.2. Diagramas de propiedades de una corriente .............................. 70 3.3. Propiedades críticas de una corriente ..................................... 74 3.4. Tabla de propiedades (Property Table) de una corriente .............. 7 5 3.5. Dimensionamiento de una tubería .......................................... 79 3.6. Ejercicios ....................................................................... 81 CAPÍTULO 4 DIVISORES, MEZCLADORES Y FRACCIONADORES .............................................. 83
4. Divisores, mezcladores y fraccionadores ....................................... 85 4.1. Introducción .................................................................... 86 4.1.1. Divisor de corrientes ..................................................... 86 4.1.2. M ezclador de corrientes ................................................. 87 4.1.3. Fraccionador de corrientes ............................................. 89 4.2. Ejercicios .......................................................................96 CAPÍTULO 5 BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA ..........................................................97 5. Balances de materia y energía ...................................................99 5.1. Introducción ....................................................................99
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5.2. Operación Mass Balance .................................................... 100 5.2.1. Ejemplo práctico de operación con Mass Balance .............. 100 5.3. Operación Mole Balance .................................................... 103 Ejemplo práctico de operación con Mole Balance ........................ 103 5.4. Operación Heat Balance .................................................... 105 5.5. Casos prácticos .............................................................. 108 5.5.1. Enfriadores .............................................................. 108 5.5.2. Reformador de gas de síntesis.........................................112 5.5.3. Columna de destilación azeotrópica .................................116 5.6. Ejercicios ..................................................................... 117 CAPÍTULO 6 SEPARADOR DE FASES INSTANTÁNEO ...................................................... 119 6. Separador de fases instantáneo ................................................ 121 6.1. Introducción .................................................................. 121 6.1.1. Tipos de recipientes ................................................... 123 6.2.Caso práctico ................................................................. 124 6.3. Ejercicios ..................................................................... 128 CAPÍTULO 7 SEPARADOR DE TRES FASES ............................................................... 131 7. Separador de tres fases .......................................................... 133 7.1. Introducción .................................................................. 1 33 7.2. Simulación de un separador de tres fases ............................... 1 33 7.3. Ejercicios ..................................................................... 138 CAPÍTULO 8 BOMBAS ................................................................................. 139 8. Bombas ............................................................................. 141 8.1. Introducción .................................................................. 141 8.2. Simulación de una bomba .................................................. 141 8.2.1. Especificación de la eficiencia de la bomba..................... 14 3 8.3. Ejercicios ..................................................................... 14 5 CAPÍTULO 9
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COMPRESORES Y EXPANSORES ............................................................ 147 9. Compresores y expansores ...................................................... 149 9.1. Introducción .................................................................. 149 9.2. Simulación de un compresor ............................................... 149 9.3. Simulación de un expansor ................................................ 152 9.4. Ejercicios ..................................................................... 15 5 CAPÍTULO 10
INTERCAMBIADORES DE CALOR ............................................................ 157 10. Intercambiadores de calor ..................................................... 1 59 10.6. Introducción ................................................................ 159 10.1. Simulación de un intercambiador de calor............................. 160 10.3. Ejercicios .................................................................... 162 CAPÍTULO 11 OPERACIONES LÓGICAS: RECYCLE, ADJUST Y SPREADSHEET ............................... 16 5 11. Operaciones lógicas: Recycle, Adjust y Spreadsheet ...................... 167 11.1. Operación Recycle ......................................................... 167 11.1.1. Simulación de un proceso con recirculación ...................... 168 11.2. Operación Adjust .......................................................... 173 11.2.1. Inclusión de la operación Adjust ................................... 174 11.3. Operación spreadsheet (relaciones no lineales) ...................... 177 11.3.1 Establecimiento de relaciones lineales. Operador Spreadsheet 179 11.4. Operación Set .............................................................. 18 5 CAPÍTULO 12 REACTOR DE CONVERSIÓN ................................................................ 187 12. Reactor de conversión .......................................................... 189 12.1. Introducción ................................................................ 189 12.2. Simulación de un reactor de conversión ............................... 190 12.3. Ejercicios .................................................................... 196 CAPÍTULO 13 REACTOR CSTR ......................................................................... 199 13. Reactor CSTR .................................................................... 201
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13.1. Introducción ................................................................ 201 13.2. Simulación de un reactor CSTR .......................................... 202 13.3. Ejercicios .................................................................... 207 CAPÍTULO 14 REACTOR PFR ........................................................................... 209 14. Reactor PFR ...................................................................... 211 14.1. Introducción ................................................................ 211 14.2. Simulación de un reactor PFR. ........................................... 211 14.3. Ejercicios .................................................................... 216 CAPÍTULO 15 REACTOR CATALÍTICO HETEROGÉNEO ..................................................... 217 15. Reactor catalítico heterogéneo ............................................... 219 15.1. Introducción ................................................................ 219 15.2. Simulación de un reactor catalítico ..................................... 219 CAPÍTULO 16 COLUMNA DE DESTILACIÓN SIMPLIFICADA ................................................. 22 5 16. Columna de destilación simplificada ......................................... 227 16.1. Introducción ................................................................ 228 16.2. Simulación de una columna de destilación simplificada ............. 228 16.3. Ejercicios .................................................................... 234 CAPÍTULO 17 COLUMNA DE DESTILACIÓN RIGUROSA ..................................................... 237 17. Columna de destilación rigurosa .............................................. 239 17.1. Introducción ................................................................ 239 17.2. Simulación rigurosa de una columna de destilación .................. 240 17.3. Automatización de la simulación ........................................ 250 17.4. Ejercicios .................................................................... 252 CAPÍTULO 18 ABSORBEDOR ............................................................................ 25 5 18. Absorbedor ....................................................................... 257 18.1. Introducción. ............................................................... 259
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18.2. Simulación de una columna de absorción. ............................. 257 18.3. Ejercicios .................................................................... 26 5 ANEXO 1 SELECCIÓN DEL MODELO TERMODINÁMICO ................................................. 267 A1-1. Selección del modelo termodinámico ................................. 269 A1-2. Guía para la selección de modelos para el cálculo de la entalpía y de la entropía ..................................................................... 280 ANEXO 2 PRESIÓN CRICONDENBÁRICA Y TEMPERATURA CRICONDENTÉRMICA ......................... 283 A2-1. Introducción ................................................................ 28 5 A2-2. Factores físicos que controlan el comportamiento de fases ........ 28 5 A2-3. Diagrama presión-temperatura de mezclas de hidrocarburos ...... 286 A2-4. Comportamiento retrógrado de mezclas de hidrocarburos ......... 288 ANEXO 3 DESTILACIÓN MULTICOMPONENTE. MÉTODO FUG......................................... 291 A3-1. Introducción ................................................................ 293 A3-2. Equilibrios entre fases para la destilación multicomponente ....... 294 A3-3. Cálculo de la Tª de burbuja y de rocío ................................. 29 5 A3-4. Fraccionamiento de mezclas multicomponentes ..................... 296 A3-5. Método de Fenske-Underwood-Gilliland (FUG)........................ 297 A3-6. Cálculo de la correlación de reflujo mínima, RDmin. Correlación de Underwood ..................................................................... 300 A3-7. Número de etapas. Correlación de Gilliland .......................... 301 A3-8. Número mínimo de platos. Ecuación de Fenske ...................... 303 A3-9. Localización del plato óptimo de alimentación ....................... 304 A3-10. Estimación del nº de platos reales ..................................... 304 A3-11. Localización del plato de alimentación óptimo real ................ 30 5 A3-12. Diseño básico de la columna............................................ 30 5 A3-13. Especificación de la separación deseada ............................. 307 A3-14. Cálculo de la presión de operación .................................... 307 A3-15. Ejemplo práctico de cálculo de una columna de destilación multicomponente mediante el método FUG .................................. 3 08
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Índice
A3-15-1. Diseño básico de la columna ...................................... 309 A3-15-2. Especificación de la separación deseada ........................ 310
A3-15-4. Composiciones de equilibrio de cabeza y fondo................ 314 A3-15-5. Número mínimo de etapas. Ecuación de Fenske ............... 315 A3-15-6. Relación de reflujo mínima. Correlación de Underwood ..... 316 A3-16. Número de etapas. Correlación de Gilliland ......................... 318 A3-16-1. Localización del plato de alimentación óptimo ................ 319 A3-16-2. Estimación del número de platos reales ......................... 320 A3-16-3. Localización del plato de alimentación óptimo real ........... 321 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................ 323 A3-15-3. Cálculo de la presión de operación ............................... 310
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PRESENTACIÓN CUADERNOS PARA LA DOCENCIA La Universidad de Las Palmas de Gran Canaria puso en marcha, en 2001, una convocatoria anual dedicada a la publicación de manuales docentes para la enseñanza universitaria, realizados por el personal docente de nuestra institución. Esa iniciativa pretendía ofrecer unos manuales docentes que tuvieran un diseño uniforme y unos contenidos rigurosos, adaptados a las exigencias de nuestras titulaciones. De esa manera, la ULPGC mostraba y sigue mostrando su compromiso con la mejora de la calidad de la docencia, de la investigación y de los servicios que presta a la sociedad. Debemos, por ello, felicitarnos por el éxito alcanzado en el camino recorrido. Sin embargo, la experiencia acumulada a lo largo de estos años, así como la respuesta obtenida por parte del profesorado y la revisión de las publicaciones efectuadas, hace necesario que se introduzcan nuevas colecciones que dinamicen el sistema de publicación y que, al mismo tiempo, hagan más accesibles los materiales a los alumnos para garantizar que los recursos de apoyo al aprendizaje sean adecuados y se ajusten a sus necesidades. En esa línea trabajarán, en los próximos años, el Vicerrectorado de Comunicación, Calidad y Coordinación Institucional, el Vicerrectorado de Profesorado y Planificación Académica, y el Servicio de Publicaciones y Difusión Científica de esta Universidad para desarrollar todos los sectores relacionados con la calidad, la cualificación y el aprendizaje permanente. La nueva colección de Cuadernos para la docencia, editada por la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria, surge como una alternativa para la publicación de materiales docentes de las diferentes materias o asignaturas que se imparten en los títulos de la ULPGC, en su modalidad de
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Enseñanza Presencial para que haga más dinámico el desarrollo de la docencia y facilite el seguimiento de los contenidos por parte de los alumnos. Deseo agradecer a los autores de estas publicaciones su empeño por adaptar sus contenidos a las exigencias editoriales de esta colección, así como su generosa predisposición a redactar unos materiales docentes que se ajustan a los requisitos de este tipo de publicaciones. Espero y deseo que los estudiantes que van a utilizar estos cuadernos sepan apreciar el valor del trabajo bien hecho y el esfuerzo que sus autores han puesto en su realización. José Regidor García RECTOR
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La simulación de procesos empleando software específico de uso industrial es una opción cada vez más presente en los proyectos docentes de las distintas titulaciones relacionadas con la ingeniería de procesos, tanto a nivel nacional como internacional. Son múltiples los softwares disponibles, existiendo una variada oferta de licencias para su uso docente. Entre ellos, destacamos ASCEND, Aspen Hysys, Aspen Plus, CHEMCAD, COCO simulator, Design II, Dymola, SimSci-Esscor DYNSIM, EMSO, GIBBSim, gPROM, OpenModelica, Petro-SIM, SimSci-Esscor PRO/II, ProMax, SysCA, UniSim Design y VMGSim, entre otros. La casa AspenTech® [1] oferta una suite de programas encaminados a la simulación de procesos, destacando entre ellos ASPEN-HYSYS y ASPEN-PLUS. HYSYS es ampliamente utilizado en universidades, tanto a nivel introductorio como a nivel avanzado y en el campo de la investigación en ingeniería química. En la industria el software es usado en investigación, desarrollo, modelado y diseño. HYSYS es una potente herramienta de simulación de ingeniería que oferta el poder trabajar tanto en estado estacionario como en régimen dinámico, donde un mismo modelo puede ser evaluado desde cada perspectiva con intercambio completo de información del proceso, representando un avance importante en la industria de software de ingeniería. HYSYS presenta un entorno de trabajo muy versátil, cómodo e intuitivo, ya que está basado en pantallas de entorno Microsoft Windows®. Esto permite que sea un software fácilmente asimilable, que nos permite ir generando una simulación de forma progresiva e interactiva con los cambios que se vayan acometiendo. La solidez de las simulaciones parte de una vasta oferta de modelos termodinámicos, abarcando tanto el poder trabajar con sólidos, líquidos y
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mezclas gaseosas. La flexibilidad inherente contribuida a través del diseño, combinado con una precisión incomparable y robustez proporcionada por sus cálculos de paquete de propiedad lleva a la obtención de un modelo más realista. Existen en la bibliografía textos referentes al empleo de HYSYS destacando en primer lugar los manuales aportados por la propia casa [2,3], así como la colección de casos que se pone a disposición del público de forma abierta en internet, siendo algunas de las simulaciones presentadas en el presente manual adaptaciones de casos previamente desarrollados para versiones más antiguas del software [4-6]. Sin embargo, es difícil encontrar un texto que se adapte a las necesidades específicas de cada curso y titulación, debido fundamentalmente al nivel de preparación previo y de conocimientos que se le ha de exigir al alumnado. El presente manual está diseñado para ofertar un curso de introducción básico a HYSYS en su versión 8.8, que es la última adquirida por el Departamento de Ingeniería de Procesos de la Escuela de Ingenierías Industriales y Civiles de la Universidad de Las Palmas de Gran Canaria para las titulaciones de Grado en Ingeniería Química y Grado en Ingeniería Química Industrial, así como para trabajos fin de grado en dichas titulaciones. En los cursos en los cuales se imparte, el alumnado se enfrenta por primera vez a un software de simulación de procesos, por lo que tienen poca o nula experiencia en el uso de los mismos. Por otro lado, nos enfrentamos al problema del diferente currículum que posee el alumnado en función del grado en el que se imparta la asignatura, por lo que la profundidad en el tratamiento y análisis de las operaciones básicas difiere. Por todo ello, con este manual se pretende dar una visión básica sobre el uso de un simulador de procesos, analizando los aspectos básicos de su manejo e introduciendo al alumnado en la implementación y configuración de aquellas operaciones básicas más representativas de un proceso, desde la incorporación de corrientes de materia y energía, pasando por bombas, compresores, reactores químicos, y la implementación de columnas, bien para configurar operaciones de destilación como de absorción. Los temas se presentan en un orden que permite a los estudiantes progresar capítulo tras capítulo, de forma ascendente en complejidad. Continuamente se está desarrollando el programa HYSYS, como la mayoría de otro software. Este manual cubre HYSYS en su versión 8.8 (2016) para universidades, que opera bajo Windows® 10 en su versión de 64 bits.
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