Contenido - Teórico Introducción Indicador del Estado de la Simulación Beneficios de Usar PRO/II Arranque de PRO/II Explorando PRO/II Compatibilidad de los Archivos de PRO/II Temas de Apoyo Como hacer una Simulación Construcción del Diagrama de Flujo de Proceso (DFP) Configuración de las Unidades de Medición de los datos de Entrada Definición de los Componentes Selección del Método Termodinámico Especificación de las Líneas de Procesos Especificaciones de Operación de las Unidades de Proceso Introduciendo Casos de Estudio Arranque de la Simulación Generación de Salida (Resultados)
Introducción PRO/II® es un programa de simulación de proceso comprensivo, se combina con todas las simulaciones poderosas mayormente conocidas. Debido a su fácil manejo, PRO/II® es utilizado por ingenieros de todo el mundo gracias a la facilidad de la interfaz para Windows. PRO/II® trabaja con diagramas de flujos de procesos, que incluyen unidades como columnas de destilación rigurosas, compresores, reactores, intercambiadores de calor, mezcladores, etc., y estos a su vez pueden ser construidos y simulados. También dicho simulador cuenta con bases de datos de componentes químicos, métodos termodinámicos y una serie de herramientas de mucha utilidad para resolución de problemas de ingeniería. Los usuarios de PRO/II® se verán beneficiados enormemente al trabajar utilizando las instrucciones de este manual básico, ya que dicho manual cuenta con explicaciones detallas del uso y funcionamiento de PRO/II®. Este manual cuenta con diferentes secciones que van desde informaciones de conocimiento previo al uso de dicho simulador como ayudas, inicio del programa entre otros y hasta problemas propuestos con la finalidad de que el usuario desarrolle los conocimientos adquiridos al utilizar dicho manual. Teniendo en cuenta que cada problema propuesto contara con una parte teórica que permita al usuario refrescar dichos conocimientos para luego poder afrontar la resolución del problema. La finalidad de este manual es que los nuevos usuarios de PRO/II® adquieran los conocimientos básicos más importantes de una manera agradable, sencilla y rápida.
Indicador del Estado de la Simulación PRO/II® gracias a su diseño dinámico e interactivo emplea un sistema de ayuda al usuario a medida que se vaya desarrollando el diagrama de flujo de proceso, basado en que los botones, iconos, y en algunos casos pantallas enteras son bordeados en uno de los seis colores; rojo, verde, amarillo, azul, gris o negro. Los colores son usados para indicar el estado de datos al usuario. A continuación se presentaran el significado de cada color.
Tabla 1: Significado de Colores. Color Rojo Verde Amarillo
Significado Dato requerido. Opcional o dato por defecto. Dato cuestionable. Alerta porque el dato suministrado esta fuera del rango normal.
Azul
Dato suministrado.
Gris
Campo de dato no disponible para el usuario.
Negro
Entrada de dato no requerida.
Beneficios de Usar PRO/II ® PRO/II® posee un motor de cálculo sofisticado, que le permite al usuario obtener mejores resultados y optimizar el tiempo necesario para resolver los problemas. PRO/II® se adapta a futuras necesidades, ya que no hay ningún límite al número de componentes, corrientes, unidades y reciclar lazos que este simulador no puede manejar. Cuenta también con bancos de datos de componentes, datos de métodos termodinámicos para la sustancia química, para la refinería y para sistemas de tratamiento de gas; manejo de sólidos, herramientas de regresión lineal, permite calcular las composiciones de las fases en líneas de procesos de forma rápida y muchas cosas más. PRO/II® cuenta con la capacidad de generar gráficos, tablas y exportar los resultados a Microsoft Excel, AutoCAD y al portapapel de Windows. Visualizar varias ventanas a la vez y permite imprimir los diagramas de flujo e resultados, estos son unos de los tantos beneficios que el usuario de PRO/II® obtendrá y que a medida de que vaya introduciéndose en el entorno del programa irá descubriendo nuevos e interesantes beneficios.
Arranque de PRO/II ® Para iniciar una sesión de PRO/II® : o Hacer clic en el botón de Inicio ubicado en la barra de tareas, luego seleccione Programas y entonces SIMSCI. o Hacer Clic sobre PRO/II®. Otra forma de iniciar es hacer clic en el icono de PRO/II® ubicado en el escritorio.
La Bienvenida de PRO/II® describe a través de un cuadro de dialogo, como los colores indican el estado de entrada de los datos. Figura 1: Cuadro de dialogo de bienvenida a PRO/II®.
o Hacer Clic sobre OK para cerrar la ventana, y luego aparecerá la ventana principal de PRO/II®.
Explorando PRO/II ® La ventana PRO/II® ofrece muchos rasgos que le permiten personalizar su aspecto y otros usos. Gracias a su practico manejo PRO/II® tiene la facilidad de que el usuario pueda modificar a su gusto las herramientas de la ventana principal, los colores indicador, los PDF entre otras cosas permitiendo esto que el usuario se sienta cómodo y pueda trabajar con mucha más eficiencia. Figura 2: Ventana Principal de Componentes
Tabla 2: Identificación de los Componentes de la Ventana Principal. Identificación y Color Amarillo Naranja Verde Rojo Azul Morado
Descripción Barra de Titulo. Identifica la aplicación y el nombre del archivo abierto. Barra de Menú. Identifica los menús disponibles para PRO/II. Barra de herramientas. Provee de iconos de acceso rápido a las opciones de archivo, editar, entradas, salidas,…, ayuda. Botones de Minimizado, Maximizado y cierre de la ventada de PRO/II. Ventana Principal de PDF. Provee de los equipos, conexiones de líneas, adición de textos entre otros. Barra de Estado. Visualiza el estado de la corrida, mensajes de errores u otra información necesaria.
Tabla 3: Barra de Menú de PRO/II®. Menú Ingles / Español
Descripción
File / Archivo
Operaciones de archivo: abrir, cerrar, guardar, importar, etc.
Edit / Editar
Manipula los objetos en la ventana principal.
Input / Entrada
Nueva entrada de datos – todos los datos se introducen por este menú.
Output / Salida
Define, crea y visualiza los resultados de la simulación.
Tools / Herramientas
Proporciona corrientes flash, curvas binarias VLE, resultados de las hojas de cálculos entre otras.
Draw / Dibujo View / Ver
Agrega textos, líneas y otros objetos para dibujar. Específica la forma como quiero ver la ventana principal y la simulación.
Options / Opciones
Modificar el ambiente de trabajo.
Window / Ventana
Crea y controla las visualizaciones de las simulaciones.
Help / Ayuda
Accesa a las funciones de ayuda.
A continuación se le explicara algunas de las ventanas más utilizadas de la barra de menú. Barra desplegable File / Archivo La barra de archivo proporciona al usuario las herramientas basicas para el arranque, respaldo, impresión, configuracion de la impresora y cierre de la simulacion. En esta barra tambien se puede visualizar los iconos correspondientes a cada opcion y de esta manera por identificarlos e utilizarlos en la barra de herramientas ubicada en la ventana principal.
Figura 3: Barra desplegable File / Archivo.
Tabla 4: Opciones de la Barra desplegable de File / Archivo. Opción Ingles / Español
Icono
Función
New / Nuevo
Inicializa una nueva simulación.
Open / Abrir
Abre una simulación existente.
Close / Cerrar
Cierra la simulación Activa.
Save and Save as / Guardar y Guardar como Delete / Borrar Copy / Copiar Import / Importar Export / Exportar Run Bacth / Correr Lote Page Setup / Configuración de Pagina Print and Print Setup / Imprimir y Configuración de Impresión Exit / Salir
Guarda la simulación activa con el nombre predeterminado o con un nombre diferente. Borra una simulación existente. Crea una nueva simulación como la copia en una existente. Especificar la forma como quiero ver la ventana principal y la simulación. Modifica el ambiente de trabajo. Corre datos de entrada bajo texto en PRO/II. Permite configurar los márgenes, orientación y tipo de pagina. Imprime los diagramas de flujos de la simulación y los resultados de la corrida. Cierra la simulación activa y se sale del programa.
Barra desplegable Edit / Editar La barra desplegable de editar proporciona al usuario las herramientas para la edicion del diagrama de la simulacion. En esta barra no todas las opciones estan activas debido a que se deben agregar algun equipo, linea u otro objeto en la hoja de la simulacion para que estas se activen y se puedan ser utilizar.
Figura 4: Barra desplegable Edit / Editar.
Tabla 5: Opciones desplegable de Edit /Editar. Opción Ingles / Español Undo / Deshacer Cut / Cortar Copy / Copiar
Paste / Pegar Paste Special / Pegado Especial Select All / Seleccionar Todo Insert Object / Insertar Objeto
Icono
Función Regresa a la acción anterior, siempre que sea posible. Remueve el objeto seleccionado de la hoja de simulación y puede ser colocado en el porta papeles. Copia los datos de la corriente de alimentación seleccionada o la tabla de propiedades de la corriente en el portapapeles. Coloca los datos de la corriente de alimentación seleccionada o la tabla de propiedades de la corriente copiadas anteriormente en el portapapeles. Coloca los datos de la corriente de alimentación seleccionada o la tabla de propiedades de la corriente copiadas. Copia todos objetos de la hoja de simulación. Inserta una imagen u otro objeto en la hoja de simulación.
Delete / Borrar
Borra el objeto seleccionado de la hoja de simulación.
Rotate / Rotar
Rota el objeto seleccionado en la hoja de simulación
Flip / Voltear
Voltea o cambia de sentido el objeto seleccionado.
Restore Icon Size / Restaurar Tamaño del Icono Align Text / Alinear Texto Display Style / Estilo de la Pantalla Rename / Renombrar Move Up and Down / Voltear
Reinicia el tamaño de los iconos (PDF) ubicados en la hoja de simulación. Alinea el texto seleccionado. Cambia el estilo de los iconos de las unidades de operación. Cambia el nombre de los diagramas de bloques seleccionado. Mueve las Corrientes hacia arriba o hacia abajo con la finalidad de conectarlas con unidades libres.
Barra desplegable Input / Entrada La barra desplegable de Input proporciona al usuario las maneras para introducir toda la informacion necesaria para desarrollar la simulacion. En esta barra no todas las opciones estan activas debido a que se deben agregar algun equipo, linea u otro objeto en la hoja de la simulacion para que estas se activen y se puedan ser utilizar. Figura 5: Barra desplegable de Input / Entrada.
Tabla 6: Opciones de la Barra desplegable de Input /Entrada. Opción Ingles / Español Problem descriptive information / Informacion descriptiva del problema Unit of Measure / Unidad de Medidas Component Selection / Selección de Componentes Component Properties / Propiedad de los Componentes Thermodynamic Data / Datos Termodinamicos Assay Characterization /Caracterizacion de Assay Reaction Data/ Datos de Reaccion Procedure Data/ Datos de Procedimientos Casestudy Data/ Datos de Casos de Estudio
Icono
Función El usuario puede introducir cierta información del problema, como identificadores, nombre del usuario, fecha y breve descripción del problema. Permite modificar las unidades de medida. Permite seleccionar y añadir los componentes a utilizar en una lista. Permite agregar o modificar las propiedades de los componentes agregados. Permite agregar o modificar los modelos termodinámicos. Permite agregar datos proporcionados de curvas de caracterización o puntos de corte TBP. Permite agregar reacciones , datos de calores de reacción, equilibrio datos de reacciones cinéticas, Permite crear o borrar bloques de procedimientos en orden a los valores de las reacciones cinética. Permite modificar parámetros para generar una serie de repeticiones y observar el comportamiento de la simulación.
Compatibilidad de los Archivos de PRO/II PRO/II® tiene la capacidad de leer archivos creados en versiones anteriores, siendo esta una de las ventajas que posee este programa. Cuando el usuario abre un archivo creado en versiones anteriores este automáticamente es convertido a la versión que se está utilizando y paralelamente el programa hace una copia del archivo original guardándolo con otro nombre. Ejemplo: Si se abre un archivo creado en una versión 6 ¨Nuevo.prz¨ de PRO/II este es convertido a la versión a la cual se está trabajando, cuando se guarda en la nueva versión el programa guarda a la vez una copia original ¨Nuevo_v60.prz¨.
Temas de Apoyo. SIMULACION Es la representación de un proceso o fenómeno mediante otro más simple, que permite analizar sus características. Intenta reproducir la realidad a partir de resolución numérica, mediante una computadora, de las ecuaciones matemáticas que describen dicha realidad. La simulación es tan exacta como sean las ecuaciones de partida y la capacidad de las computadoras para resolverlas, lo cual fija límites a su utilización Componentes de una Simulación Identificación del problema Unidades de medición (Units of measure) Componentes (Component Data) Termodinámica (Thermodynamic Method) Construcción del diagrama de flujo (PFD) Datos de las corriente (Stream Data) o Ensayos de caracterización (Assay Data) (Si es aplicable) Condiciones del Proceso (Process Conditions)
INTERCAMBIADORES DE CALOR Un intercambiador de calor es un aparato que facilita el intercambio de calor entre dos fluidos que se encuentran a temperaturas diferentes evitando que se mezclen entre sí.
ALGUNOS TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR TUBO DOBLE. Es el tipo más sencillo de intercambiador de calor. Está constituido por dos tubos concéntricos de diámetros diferentes. Uno de los fluidos fluye por el tubo de menor diámetro y el otro fluido fluye por el espacio anular entre los dos tubos. En este tipo de intercambiador son posibles dos configuraciones en cuanto a la dirección del flujo de los fluidos: contraflujo y flujo paralelo. En la configuración en flujo paralelo los dos fluidos entran por el mismo extremo y fluyen en el mismo sentido. En la configuración en contraflujo los fluidos entran por los extremos opuestos y fluyen en sentidos opuestos. En un intercambiador de calor en flujo paralelo la temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. En un intercambiador de calor en contraflujo la temperatura de salida del fluido frio puede ser superior a la temperatura de salida del fluido caliente. El caso límite se tiene cuando la temperatura de salida del fluido frio es igual a la temperatura de entrada del fluido caliente. La temperatura de salida del fluido frio nunca puede ser superior a la temperatura de entrada del fluido caliente. En la figura siguiente se muestran esquemas de las dos configuraciones así como la evolución de la temperatura de los fluidos en cada una de ellas: Figura 6. Evolución de la Temperatura en dos Configuraciones.
COMPACTOS. Son intercambiadores diseñados para lograr un gran área superficial de transferencia de calor por unidad de volumen. La razón entre el área superficial de transferencia de calor y su volumen es la densidad de área b. Un intercambiador con b > 700 m2/m3 se clasifica como compacto. Ejemplos de intercambiadores de calor compactos son los radiadores de automóviles, los intercambiadores de calor de cerámica de vidrio de las turbinas de gas, el regenerador del motor Stirling y el pulmón humano. En los intercambiadores compactos los dos fluidos suelen moverse en direcciones ortogonales entre sí. Esta configuración de flujo recibe el nombre de flujo cruzado. El flujo cruzado se clasifica a su vez en mezclado (uno de los fluidos fluye libremente en dirección ortogonal al otro sin restricciones) y no mezclado (se disponen una placas para guiar el flujo de uno de los fluidos). En la figura siguiente se muestran esquemas de ambos tipos de flujo: Figura 7. Esquemas de dos Configuraciones Tipo Compacto.
TUBO y CARCASA. Es el tipo más común de intercambiador de calor en las aplicaciones industriales. Este tipo de intercambiadores están
compuestos por gran cantidad de tubos (a veces varios cientos) contenidos en un casco. Los tubos se disponen con sus ejes paralelos al eje del casco. La transferencia de calor tiene lugar a medida que uno de los fluidos se mueve por el interior de los tubos mientras que el otro se mueve por fuera de éstos, por el casco. Este tipo de intercambiadores se clasifican por el número de pasos por el casco y por el número de pasos por los tubos. En la figura siguiente se muestran dos ejemplos:
Figura 8. Intercambiador de Tubo y Carcasa.
Figura 9. Pasos en dos Configuraciones de Intercambiadores de Tubo y Carcasa.
DESTILACION La destilación es un método para separar los componentes de una solución; depende de la distribución de las sustancias entre una fase gaseosa y una líquida, y se aplica a los casos en que todos los componentes están presentes en las dos fases. En vez de introducir una nueva sustancia en la mezcla, con el fin de obtener la segunda fase (como se hace en la absorción o desorción de gases) la nueva fase se crea por evaporación o condensación a partir de la solución original. La destilación se refiere a separar soluciones en que todos los componentes son apreciablemente volátiles. Mediante la manipulación adecuada de las fases, o mediante evaporaciones y condensaciones repetidas, es generalmente posible lograr una separación tan completa como se requiera y recobrar, en consecuencia, los dos componentes de la mezcla con la pureza deseada. En la destilación, la nueva fase difiere de la original por su contenido calorífico, pero el calor se incrementa o se elimina sin dificultad; por supuesto, debe considerarse inevitablemente el costo de aumentarlo o eliminarlo. Al mismo tiempo, la destilación posee ciertas limitaciones como proceso de separación. El gas que puede crearse a partir de un líquido mediante la aplicación de calor, consta, inevitablemente, solo de los componentes que se encuentran en el líquido. Por lo tanto, ya que el gas es químicamente muy similar al líquido, el cambio de composición resultante por distribuir los componentes entre las dos fases generalmente no es muy grande. Es más, en algunos casos el cambio de composición es tan pequeño que el proceso no es práctico; más aún, puede suceder que no haya ningún cambio en la composición. No obstante la separación directa que comúnmente es posible por destilación, en productos puros que no requieren procesamiento posterior, tal vez ha hecho de ésta la más importante de todas las operaciones de transferencia de masa.
TIPOS DE DESTILACION Destilación Fraccionada Destilación por Vapor Destilación al Vacio Destilación Molecular Centrifuga Sublimación Destilación Destructiva Entre las operaciones de destilación más importantes se encuentra: DESTILACION MEDIANTE TORRE DE PLATOS. Dicha destilación consiste en una columna conformada con varios platos en los cuales se lleva a cabo el contacto entre la fase líquida y vapor. El vapor es generado por medio de calentamiento del líquido de fondos que se compone básicamente de la sustancia menos volátil del sistema y por tanto está a la mayor temperatura de la torre, mientras que el líquido que va descendiendo a través de la torre desde el primer plato, el cual es más rico en el componente más volátil y está con la menor temperatura de la torre, es obtenido del condensado del vapor más ligero. La a1imentación de la torre puede consistir desde líquido subenfriado hasta vapor sobrecalentado, lo cual modifica el número de platos necesarios para la separación deseada. La sección por encima del plato de alimentación se denomina sección de absorción, enriquecimiento o rectificadora; mientras que la que se encuentra debajo de éste se denomina como desorberdora, o de agotamiento. Estos términos se vuelven bastante indefinidos en columnas con alimentaciones múltiples y en aquellas en que se retira una corriente lateral de producto en algún punto a lo largo de la columna, además de las dos corrientes de productos de los extremos. Otro factor importante que modifica las condiciones de operación de la torre es la razón de reflujo alimentado a la torre, R
L0 D
ya que un valor muy alto hace que el número de platos necesarios para la operación disminuye, aunque el diámetro de la misma aumenta; por lo tanto, para encontrar el arreglo óptimo de la torre se debe buscar la menor cantidad de platos y de reflujo al costo mínimo. El diseño de columnas de etapas múltiples se puede realizar por técnicas gráficas, cuando la mezcla de alimentación contiene sólo dos componentes. El diagrama de McCabe -Thiele utiliza sólo las relaciones de equilibrio y balances de materia, se acerca a lo riguroso sólo para los pocos sistemas en que los efectos de la energía, son mínimos. El diagrama de Entalpía - Concentración de Ponchon-Savarit utiliza un balance de energía riguroso cuando se dispone de suficientes datos calorimétricos para construir el diagrama sin suposiciones. En los sistemas que contienen dos o tres componentes, el número de etapas ideales requeridas es necesario encontrarlo por medio de cálculos algebraicos. Las torres de platos son cilindros verticales en los que un líquido y un vapor se ponen en contacto en forma de pasos sobre platos. El líquido entra en la parte superior de la torre y fluye en forma descendente por gravedad. El vapor pasa hacia arriba, a través de orificios en el plato; burbujea en el líquido para formar una espuma y pasa al plato superior. El efecto es un contacto múltiple a contracorriente entre el vapor y el líquido. Cada plato en la torre es una etapa al ponerse en contacto los fluidos, al realizar un cambio en la concentración de los componentes de cada fluido. El número de platos teóricos en una columna sólo depende de lo complejo de la separación, que se va a utilizar y únicamente esta determinado por el balance de materia y las consideraciones de equilibrio. La eficiencia de la etapa se determina por el diseño mecánico utilizado y las condiciones de operación. Por otra parte, el diámetro de la columna depende de las cantidades de líquido y vapor que fluyen a través de la torre por unidad de tiempo. El número de platos utilizados en la torre será mayor al calculado teóricamente, y
estos tienen eficiencias que varían entre el 40 al 90%, dependiendo de la hidrodinámica del equipo, características del sistema y condiciones de operación. La determinación de las eficiencias de cada plato se puede realizar mediante distintos métodos. La eficiencia de Muphree E MG es muy conveniente para diagramas de McCabe-Thiele, para la fase vapor se define como: E MG
yn yn
*
yn
1
yn
1
en donde: yn* es la composición de vapor que estaría en equilibrio con el líquido que sale de la etapa n, yn+1 y yn son los valores reales para las corrientes de vapor en las etapas n+1 y n respectivamente. Otro método para describir el funcionamiento de una torre de platos es mediante la eficiencia total de la columna: E
Número de platos ideales requeridos Número de platos reales requeridos
Estrictamente, esta eficiencia sólo tiene significado cuando la eficiencia de Murphee es la misma para todos los platos y cuando las líneas en el equilibrio y de operación son rectas en las concentraciones consideradas. Método de McCabe-Thiele Este método no requiere datos detallados de entalpía. Excepto cuando las pérdidas de calor o los calores de solución son extraordinariamente grandes, el método se adecua a la mayoría de los fines. Su adecuación depende de que, como aproximación, Las líneas de operación sobre el diagrama xy puedan considerarse rectas
para cada sección de un fraccionador entre puntos de adición o eliminación de corrientes. Sección de enriquecimiento Considérese una sección del fraccionador totalmente debajo del punto de introducción de la mezcla de alimentación. El condensador elimina todo el calor latente del vapor principal, pero no enfría más el líquido resultante. Por lo tanto los productos de reflujo y destilado son líquidos en el punto de burbuja y y1 = yD = x0. Los platos que se muestran son platos teóricos, de forma que la composición y n del vapor del plato n-simo está en equilibrio con el líquido de composición xn que sale del mismo plato. Por lo tanto, el punto (xn, yn) sobre coordenadas x, y, cae sobre la curva en el equilibrio. Un balance total de materia para el entorno de la figura 9-17 del Treybal es:
G = L + D = D (R + 1) Para el componente A,
Gyn+1 = Lxn + DxD De donde la línea de operación de la sección de enriquecimiento es: yn
yn
1
1
L xn G R xn R 1
D xD G xD R 1
Esta es la ecuación de una línea recta sobre coordenadas x, y, de pendiente L/G = R/(R+1) y con una y igual a x D /(R+1). Haciendo xn = xD se tiene yn+1 = xD, de manera que la línea pasa a través del punto y = x = xD sobre la diagonal de 45º. Este punto, junto con la y, permite construir fácilmente la línea. Se muestra la concentración de los líquidos y vapores para cada plato y se ve que la construcción usual de “escalera” entre la línea de operación y la curva en el equilibrio proporciona la variación teórica de la concentración del plato.
Al graficar la curva de equilibrio en la figura, generalmente se supone que la presión es constante en toda la torre. Si es necesario se puede permitir la variación de la presión de plato a plato después de determinar el número de platos reales, pero esto requiere de un procedimiento de prueba y error. Generalmente no es necesario, excepto para la operación a presiones muy bajas.
Sección de agotamiento Ahora considérese una sección del fraccionador abajo del punto de introducción de l mezcla de alimentación, los platos son teóricos. Los flujos de L y G son constantes de plato a plato, pero no son necesariamente iguales a los valores en la sección de enriquecimiento. Un balance total de materia: L
G W
y para el componente A Lxm
Gym
1
Wxw
Estas ecuaciones proporcionan la ecuación de la línea de operación de la sección de agotamiento,
ym
ym
1
L xm G
L xm L W
1
W xw G W xw L W
Si el vapor rehervido yw está en equilibrio con el residuo xw, el primer escalón en la construcción de escalera representa el rehervidor.
Introducción de la mezcla de alimentación La introducción de la mezcla de alimentación modifica al cambio en las pendientes de la línea de operación cuando se pasa de la sección de enriquecimiento a la de agotamiento del fraccionador. La cantidad q es el calor necesario para convertir un mol de la mezcla de alimentación de su condición HF hasta un vapor saturado, dividido entre el calor latente molal HG-HL. La mezcla de alimentación puede introducirse en cualquiera de las diferentes condiciones térmicas, desde un líquido por debajo de su punto de burbuja hasta un vapor sobrecalentado; para cada una de esas condiciones, el valor de q será diferente. L L F
HG HG
HF HL
q
El lugar de intersección de las líneas de operación (la línea q), en una línea recta de pendiente q/(q-1) y puesto que y = zF cuando x = zF, pasa a través del punto x = y = zF sobre la diagonal a 45º. y
q q 1
x
zF q 1
Es claro que, para una condición dada de alimentación, el hecho de fijar la relación de reflujo en la parte superior de la columna establece automáticamente la relación líquido/vapor en la sección de agotamiento y la carga térmica del rehervidor.
Localización del plato de alimentación La línea q es útil para simplificar la localización gráfica de la línea de agotamiento, pero el punto de intersección de las dos líneas de operación no establece necesariamente la delimitación entre las secciones de enriquecimiento y de agotamiento de la torre. Más bien, es la introducción de la mezcla de alimentación la que gobierna el cambio de una línea de operación a la otra y establece la delimitación; además, en el diseño de una nueva columna, por lo menos se tiene cierta amplitud en la introducción de la alimentación.
Como hacer una Simulación. Para realizar una simulación debemos seguir estrictamente los pasos a continuación:
1.- Construcción del Diagrama de Flujo de Proceso (DFP) Seleccionamos de la paleta de PFD las unidades de operación a ser utilizadas en la simulación y se colocan en la hoja de dibujo. Debemos tener en cuenta que hacer una simulación muy grande o larga al agregar o relacionar unidades innecesariamente causaría un retardo de respuesta (Resultados). PRO/II® es un simulador en estado estacionario por lo que las simulaciones son independientes del tiempo, por esa razón a la hora de construir el diagrama de flujo de proceso debemos omitir todos aquellas unidades de control (Válvulas de control, indicadores de presión y temperatura entre otros). Diagrama de Flujo del Proceso Original:
Diagrama de Flujo del Proceso Simplificado:
PRO/II® permite también simplificar aun más el DFP, esto se hace colocando el compresor que haga la función del intercambiador al mismo tiempo. Y de esa manera reducir el tiempo de respuesta de la simulación.
2.- Configuración de las Unidades de Medición de los datos de Entrada. Mediante seleccionamos la unidades de medidas. PRO/II® inicialmente posee unidades de medidas estándar pre-establecidas: Inglesas, Métricas y Sistema Internacional. También los usuarios pueden modificar dichas unidades por separado a través de la extensa librería de unidades que posee PRO/II® para que posteriormente se guarde esa configuración y pre-establecerla como unidades iníciales. Figura 10: Ventana de Unidades de Medidas de Entrada por Defecto.
PRO/II® permite también seleccionar las unidades de medidas globales tanto para los datos de entrada como para los de salida como se muestra en la siguiente figura.
Figura 11: Ventana de Unidades de Medidas Globales por Defecto.
En ocasiones nos encontramos que la unidad de medida del dato de entrada no coincide con la unidad preestablecida, para esto nos situamos en la celda donde se va a introducir el dato y luego seleccionamos convertir la unidad de medida apropiada.
para
Figura 12: Ventana para convertir las Unidades de Medidas.
Figura 13: Unidades de Medidas Estándar.
3.- Definición de los Componentes. PRO/II® permite al usuario introducir mediante el icono de especies y componentes químicos, a partir de:
Componentes de Librería Componentes de Petróleo (o curvas de ensayos) Componentes definidos por el usuario Componentes de Polímero Componentes Iónicos
una serie
Figura 14: Ventana de Selección de Componentes.
Componentes de Librería La librería de componentes de PRO/II® provee un acceso fácil a las propiedades de más de 2000 componentes puros. Dichos componentes se encuentran en la base de datos de PRO/II® y pueden ubicarse mediante su nombre o alias, que en algunos casos hay componentes que tienen más de un alias. Por ejemplo, el Metano se conoce como (C1, CH4, METH y METHANE). En muchos casos PRO/II® las propiedades de los componentes están incompletas por lo que el usuario de suministrar para tener un mejor predicción de los resultados de lo contrario el sistema hará una mejor aproximación con los datos de entrada suministrado.
Nota: Si tenemos que utilizar agua en nuestra simulación, debe ser agregada como el primer componente.
Figura 15: Ventana de Selección de Componentes en lista.
Componentes de Petróleo (o curvas de ensayo) Los componentes extraídos del petróleo presentan distintas composiciones. Debido a esto las corrientes de hidrocarburo son caracterizados en términos de laboratorios cuando se desconoce los datos de ensayos. PRO/II® deriva los componentes de petróleo para datos ensayos para técnicas de caracterización estándar usados en industrias. PRO/II® permite introducir componentes individuales, estos representan un corte o sección de la corriente de hidrocarburo, y se debe definir el punto de ebullición, la gravedad especifica y otra propiedad termo física. Se debe de especificar dos de tres propiedades especificadas a continuación: Punto de Ebullición Normal (NBP) Gravedad Especifica (Sp) Peso Molécula
Componentes definidos por el Usuario En ocasiones se presenta problemas en los que los componentes no se encuentran definidos en la extensa librería de PRO/II® por lo que el usuario debe crear y suministrar todas las propiedades requerida por la simulación.
Figura 16: Ventana de Componentes Definidos por el Usuarios.
Figura 17: Ventana de Propiedades de los Componentes Definidos.
Al igual que los componentes definidos por el usuario, también podemos trabajar con componentes de polímero y componentes Iónicos.
4.- Selección del Método Termodinámico La selección apropiada del modelo termodinámico es una decisión muy importante. Debido a que una selección equivocada del método termodinámico acarreara resultados inválidos o errores en la simulación. Por esta razón es recomendado siempre verificar que el método seleccionado es el correcto a las condiciones del proceso a simular. PRO/II® proporciona a los usuarios una serie de métodos termodinámicos que se adaptan a diferentes procesos y que el usuarios debe de seleccionar según su criterio.
En Procesamiento de Hidrocarburos: Grayson – Streed: Para sistemas ricos en hidrógeno, crudo, sistemas de vacío, tratamiento de coque, torres de FCC. SRK (Soave-Redlich-Kwong), PR (Peng-Robinson): Columnas de cortes livianos, Despojadores, Plantas de recuperación de gas, Sistemas ricos en hidrógeno (SRKM). SOUR, GPSWATER: Sistemas de aguas amargas. SRKK, SRKM, SRKS, IGS: Son utilizados si la solubilidad del hidrocarburo (H/C) en agua es importante (Sistemas VLLE).
En procesamiento de Gas: SKR y PR: para todos los tipos de planta de procesamiento y sistemas criogénicos. SKRM, PRM y SRKS: Sistemas con agua, metanol, y/o otros componentes polares. GLYCOL: Deshidrogenación con TEG. Mejorado para emisiones con componentes aromáticos. Está basado en SRKM. AMINE: “Endulzamiento” de gas natural SRKK, IGS, SRKM y SRKS: Se utiliza si la solubilidad del gas natural (livianos) es importante, con presencia entonces de sistemas con VLLE. Para seleccionar el método termodinámico hacemos click en el icono , donde podemos seleccionar el método primario y secundario como también podemos modificarlos haciendo click en . Figura 18: Ventana de Selección de Métodos Termodinámicos.
Figura 19 Diagrama para la Selección de Métodos Termodinámicos.
5.- Especificaciones de las Líneas de Procesos. Se debe tener en cuenta que para cada unidad de operación se de definir por lo mínimo una corriente de alimentación y una de salida (producto), por lo que el usuario establece las conexiones entre las unidades de operación. Debemos tener en cuenta a la hora de establecer las corrientes de proceso que existen diferentes tipos.
Tipos de Corriente Corriente de Alimentación Externa: Las corrientes de alimentación externas provienen fueras del diagrama de flujo, donde el
usuario debe establecer las condiciones; como temperatura, presión, las composiciones y los flujos. Los componentes de la corriente de alimentación pueden venir de la biblioteca de componentes de PRO/II®, componentes definidos por el usuario o componentes de petróleo.
Corriente de Alimentación Interna: Las corrientes de alimentación interna son el producto de una unidad de operación y una alimentación de otra. Las propiedades son calculadas por PRO/II® y aunque el usuario pueda proporcionar los datos, PRO/II® cambiara los datos en cuanto la operación de la unidad de proceso se haya solucionado.
Corriente de Producto: Las corrientes de producto salen de las unidades de operación. No es necesario que el usuario proporciones algún dato de lo contrario, PRO/II® cambiara los datos por unos mas ajustados.
Corriente de Reciclo: Las corrientes de reciclo son las corrientes de alimentación espacial interna, ya que une la corriente inferior de una unidad de operación con las corriente superior de otra. Siempre son
calculadas por PRO/II® por lo que no es necesario proveer las propiedades de dicha corriente.
Propiedades de Corriente Antes de que el usuario pueda definir las propiedades de una corriente, tiene que haber agregado la unidad de operación en el diagrama de flujo y ha colocado una corriente de alimentación. También tuvo que haber declarado los componentes que estarán en la simulación y el método termodinámico. Para que el usuario defina completamente una corriente debe especificar: Condiciones Térmicas Composiciones Flujos Para especificar debemos entrar en la ventana de datos de corrientes haciendo doble click sobre la línea de corriente o click derecho sobre la línea de corriente y seleccionar entrar datos.
Figura 20: Ventana de Datos de Corrientes.
Figura 21: Ventana de Composiciones y Flujos.
Corriente de Ensayo de Petróleo (Petroleum Assay) Las corrientes de Ensayo se diferencian de las corrientes de composición porque no se introducen datos de composiciones si no datos de referencias provenientes de situaciones experimentales. PRO/II® usa esos datos para caracterizar la composición de corrientes en términos de componentes de petróleo. Típicamente un análisis de destilación a escala de laboratorio, como el procedimiento ASTM D86 es realizada para caracterizar una corriente de crudo. Para introducir estos datos seleccionamos Petroleum Assay dentro de la ventana donde introducimos los datos de corrientes. Y hacemos click en
.
Figura 22: Ventana de Datos de Flujos y Ensayos.
Luego entramos en tipo de destilación, entre ellos están:
para seleccionar el
Verdadero Punto de Ebullición (TBP) ASTM D86 ASTM D1160 ASTM D2887 Opcionalmente el usuario puede agregar datos como: Análisis de los Livianos Peso Molecular Propiedades de Inspección de Refinería y Propiedades definidas por el Usuario.
Figura 23: Datos Opcionales en la Ventana de Datos de Ensayos.
6.- Especificaciones de Operación de las Unidades de Proceso. PRO/II® es un simulador secuencial por módulos, donde cada unidad de operación es calculado por separado con procedimientos de cálculos paso a paso entre cada unidad. PRO/II® usa el concepto de unidades de operación para la construcción de el diagrama de flujo (Flowsheet), y a dichas unidades el usuario les define las condiciones de operación.
Para suministrar los datos a las unidades de operación debemos hacer doble click sobre el símbolo del equipo presente en el Flowsheet.
Tabla 7: Tipos de Unidades de Operación de PRO/II® . Unidad de Operación
Símbolo
Función Cambio de Fase
Flash
Flash con Sólidos
Calcula el estado termodinámico de cualquier corriente cuando dan a dos variables, realizando cálculos de equilibrio de fase. Es idéntico al Flash Estándar a diferencia de que este acepta componentes sólidos.
Manipulación de Corrientes Mezclador
Splitter
Calculador de Corriente
Calcula el estado termodinámico de cualquier corriente cuando dan a dos variables, realizando cálculos de equilibrio de fase. Es una sola alimentación o una mezcla de dos o más corrientes con igual composición y fase. Mezcla cualquier número de corrientes de alimentación y produce productos con la composición definida. Nuevas corrientes también pueden ser creadas
Columnas Columna de Destilación
Calcula el estado termodinámico de cualquier corriente cuando dan a dos variables, realizando cálculos de equilibrio de fase.
Lado Columna
Incluye tanto la parte de rectificación como la de separación.
Destilación por Lote
Simula un rectificador por lote que comprende un stillpot, la columna, el condensador y el acumulador. Cambio de Presión
Compresor
Comprime la corriente de alimentación de acuerdo a las especificaciones dadas.
Expansor
Expande una corriente isotrópicamente a las condiciones especificadas y a las salidas del trabajo durante el proceso.
Bomba
Tubo
Despresurizador
Incrementa la presión a la corriente de proceso al valor requerido. Calcula una sola o mixta fase de la presión de la tubería presegida de una unidad de operación. También calcula el tamaño requerido para una presión máxima de tope y a una presión mínima de salida. Simula la relación tiempo-presión-temperatura cuando despresurizan un envase a través de una válvula de alivio.
Válvula
Simula la caída de presión a través de una válvula.
Intercambiadores de Calor Intercambiador de Calor
Intercambiador de Calor Riguroso
Intercambiador de Calor LNG
Calienta o enfría una corriente del proceso, el calor de intercambiado entre dos corrientes de proceso puede ser utilizada en otro proceso. Calcula el intercambio de temperaturas, la caída de presión, y el coeficiente de transferencia de calor tanto sobre la cáscara como sobre el lado de tubo del intercambiador de calor rigurosamente definido. Simula el intercambio de calor entre cualquier número de corrientes calientes y frías. Esto es usando la refrigeración criogénica en el gas natural e industrias de separación de aire y puede alcanzar cerrar accesos de temperaturas Reactores
Reactor de Conversión
Reactor en Equilibrio
Simula un reactor químico, calculando el calor y equilibrios de los materiales basados en la estequiometria de reacción suministrada y la conversión fraccionaria. Simula un reactor químico, calculando el calor y equilibrios de los materiales basados en la estequiometria de reacción suministrada y datos de reacciones en equilibrio.
Reactor Plug Flow
Reactor CST
Reactor Gibbs
Reactor para Polímeros Reactor para Polímeros
Simula un reactor químico tubular, calculando el calor y equilibrios de los materiales basados en la estequiometria de reacción suministrada y los datos cinéticos. . Simula un reactor químico tubular, calculando el calor y equilibrios de los materiales basados en la estequiometria de reacción suministrada y los datos cinéticos. Es un reactor de tanque continuo con agitador donde todas las reacciones ocurren en la fase líquida y sólo permiten a un producto en fase vapor. Simula un reactor químico, calculando el calor y equilibrios de los materiales basados en minimización de la energía libre de los componentes en la reacción. Estequiometria no es requerida. . Modela un reactor de tanque continuo con agitador o un reactor plug flow para sistemas de polímero, con diferentes modelos cinéticos. Simula la operación de un reactor por lote o semi-lote como una operación en estado no estacionario. Utilidades
Fase Envolvente
Genera envolvente de fase para corrientes multicomponentes que usan ecuaciones de estado como Peng-Robinson o SRK.
Curvas de Calentamiento
Genera las curvas de calefacción o de refrigeración que representan un compuesto de cálculos de Flash en Equilibrio, para cualquier corriente de proceso o una operación de unidad la corriente interna.
Diagrama de Bloque
Permite organizar un diagrama de flujo en una estructura jerárquica, Una o más unidades de operación de un diagrama de flujo pueden ser agrupadas en un icono simple, simplificando el diagrama principal.
Manejo de Sólidos Separador de Solidos
Separa materiales en fase solida de una corriente de alimentación en mezcla.
Cristalizador
Modela la transformación de una solución supersaturada en una mezcla de fase solida/liquida.
Desolvedor
Evaporador de Película
Ciclón Gas/Solido
Modela la disolución de cristales en un solvente en fase liquida de una mezcla de alimentación.
Separa solventes y/o monómeros de un polímero fundido. Un evaporador de película debe usarse cuando la remoción de compuestos volátiles de un polímero viscoso fundido es de difusión limitada. Proporciona la capacidad de separar materiales en fase solida con distribución de tamaño de partícula específica de una corriente de vapor.
Manipulación de Diagrama de Flujo Calienta o enfría una corriente del proceso, el calor de intercambiado entre dos corrientes de proceso puede ser utilizada en otro proceso. Controlador Controlador MultiVariable
Optimizador de Diagrama de Flujo
Calculadora
Calcula el intercambio de temperaturas, la caída de presión, y el coeficiente de transferencia de calor tanto sobre la cáscara como sobre el lado de tubo del intercambiador de calor rigurosamente definido. Simula el intercambio de calor entre cualquier número de corrientes calientes y frías. Esto es usando la refrigeración criogénica en el gas natural e industrias de separación de aire y puede alcanzar cerrar accesos de temperaturas Simula el intercambio de calor entre cualquier número de corrientes calientes y frías. Esto es usando la refrigeración criogénica en el gas natural e industrias de separación de aire y puede alcanzar cerrar accesos de temperaturas
Lineamientos comunes de todas las unidades de operación Todas las unidades de operación tienen algunos lineamientos comunes: Identificador de la unidad y descripción. identifica a la unidad dentro de los cálculos de PRO/II y es utilizado en arreglos y especificaciones. PRO/II proporciona identificadores automáticamente, Sin embargo, se puede rechazar. Múltiples alimentaciones.
Opciones termodinámicas Productos de fases
Múltiples alimentaciones Usted puede sustituir cualquier cantidad de alimentaciones por una sola. Excepciones de ésta aplicación son resaltadas cuando se describe la unidad de operación. Cuando no se proporciona una unidad de presión, PRO/II la introduce a la menor presión de alimentación y mezcla todas las presiones adiabáticamente a ésta presión.
Opciones termodinámicas Si usted ha definido más de un sistema termodinámico para su simulación, usted puede especificar cuál de los sistemas termodinámicos especificados será utilizado para los cálculos de una unidad de operación específica. Seleccione el modelo termodinámico de la lista de posibles opciones dentro de la unidad de operación. El sistema por defecto utilizado para los cálculos termodinámicos dentro de las unidades de operación individuales es el seleccionado como Default System en el cuadro de diálogo de los datos termodinámicos ó Thermodynamic Data. Si el sistema por defecto es modificado, las unidades de operación que tienen la opción por defecto seleccionada para los cálculos del método termodinámico, automáticamente usarán el nuevo sistema de respaldo.
Para las unidades de operación que han seleccionado un sistema termodinámico alternativo, al cambiar el sistema por defeccto en el cuadro de diálogo de los datos termodinámicos no se cambiará el método termodinámico usado dentro de la unidad de operación.
Productos de fase La mayoría de las unidades de operación permiten separar el producto en una o más corrientes. Usted puede asignar las siguientes fases a los productos de las corrientes: Vapor Líquido Sólido Agua decantada Líquido pesado Vapor + Líquido (mezcla) Excepciones de ésta regla: Intercambiador de calor simple – la regla aplica a ambos lados del intercambiador de calor. Intercambiador de calor riguroso – la regla aplica a ambos lados del intercambiador de calor riguroso. Intercambiados LNG – la regla aplica a todas las celdas de un intercambiados LNG Reactor de obturador de flujo (Plug Flow Reactor) – la regla aplica a ambos lados de la reacción y al lado del intercambio de calor Bomba – solo un producto permitido.
Depresurizador – tantos productos como intervalos de tiempo haya. Evaporador de limpiado de película – el fondo tiene polímero fundido, arriba se encuentra la corriente de vapor que contiene compuestos volátiles que fueron removidos.
7.- Introduciendo Casos de Estudio. Un caso de estudio permite cambiar el valor de una especificación pero no el tipo de especificación. un caso de estudio no permite cambiar el diagrama de flujo añadiendo o reemplazando las unidades de operación o corrientes. Terminología Para entender la función del caso de estudio apropiadamente, usted debe familiarizarse con la terminología: Usted solo puede tener un caso de estudio en un diagrama de flujo de PRO/II. Un caso de estudio consiste en un número de ciclos. Cada ciclo representa una solución del diagrama de flujo. Usted selecciona los parámetros que desea cambiar y para cada ciclo se introducen los cambios que se desea hacer a los parámetros. Usted selecciona la opción Resultados que necesita guardar para posterior revisión. Un resultado puede ser el valor de un parámetro del diagrama de flujo o una función de dos parámetros del diagrama de flujo. Puede cambiar tanto los parámetros guardados como los muchos resultados que necesite.
Entrada a los datos del caso de estudio Usted puede introducir los datos del caso de estudio antes de correr el caso base. Cuando se corre el programa, el caso base se ejecutará primero y el caso de estudio se ejecutará después. Alternativamente, usted puede correr el caso base primero, luego se introducen los datos del caso de estudio y se ejecuta el mismo. Puede abrir un diagrama de flujo ya solucionado, agregar los datos del caso de estudio a éste y ejecutarlo.
8.- Arranque de la Simulación. Usted puede arrancar una simulación PRO/II de varios modos: Modo Interactivo Modo Arranque por Lote
Modo Interactivo Para arrancar su simulación interactivamente, usted tiene dos opciones: el botón de arranque sobre la barra de tareas y el botón de arranque sobre la paleta de arranque como se muestra en la siguiente figura. Figura 24: Paleta de Arranque
Modo Arranque por Lote Usted puede ejecutar el archivo de entrada (.INP) y/o el archivo de simulación existente en el modo de arranque por lote controlado desde dentro PRO/II. Arrancar archivos en modo por lote genera reportes estándar de salidas para cada simulación. Para arrancar la simulación en modo arranque por lote se realiza lo siguiente: Cerrar todas las simulaciones abiertas Seleccionar de la barra de menú Files/Run Batch Cargar de la lista el archivo a usar o seleccione los archivos usted quiere simular haciendo click en Hacer click dos veces sobre para correr la simulación en modo arranque por lote.
Figura 25: Barra de menú Files/Run Batch
9.- Generación de Salida (Resultados). PRO/II ayuda a generar un reporte profesional y preciso. El formato de reporte estándar proporciona información amplia de las propiedades de todas las unidades de operación y corrientes. Usted puede mejorar sus propios reportes incluyendo gráficos, tablas y diagramas de flujo de PRO/II. Usted posee una amplia variedad de opciones a su alcance para la confección de los resultados de su simulación que a su vez permitirá conocer sus necesidades específicas incluyendo: uso del formato del reporte, creación de gráficos, tablas y anotación del diagrama de flujo.
Reportes de Salida PRO/II contiene una amplia variedad de opciones de informe para personalizarle el formato de salida. Para poner estas opciones, seleccione el Formato de Informe del menú de Salida. Del submenú escogido
:
Unidades de Medidas Datos Mixtos Propiedades de las Corrientes Operación de las Unidades
Generación de Graficas Se debe seleccionar Output/Generate Plot de la barra de menú, luego seleccionamos la unidad y la grafica, y seleccionamos Plot..
Exportando Datos Usted puede guardar el archivo de entrada (INP.), el diagrama de flujo, y la tabla de propiedades de corriente que usa la opción de exportación sobre el menú de archivo. Las graficas guardadas, propiedades, y resultados de los casos de estudio generados en PRO/II pueden ser redirigidas o utilizadas de otra forma.
