Captulo II Marco Terico

2.1. Antecedentes.2.2 Bases Tericas.2.2.1. Etileno

El Etileno es el compuesto ms sencillo de la familia de los alquenos, es conocido como eteno, los cuales son hidrocarburos con enlaces dobles carbono-carbono, denominados olefinas. Este compuesto puede encontrarse en diversas fuentes naturales, tales como el aire y las frutas ya que interviene en su proceso de maduracin, a su vez se puede encontrar como sub-producto derivado del proceso de refino de petrleo; es producido en grandes cantidades a lo largo del mundo entero debido a que es utilizado como base para diferente productos sintticos en la industria petroqumica, tales como: plsticos, solventes, cosmticos, neumticos, pinturas, entre otros (UNEP, 2006).

Tabla 2.1. Propiedades Fsicas del Etileno.Punto de ebullicinDensidad lquida en el punto de ebullicin

-154,79 F (-103,7 C)35.3 lb/ft3 (566 kg/m3 )

Presin de vapor a 70F (21,1 C)Densidad gaseosa a 70F (21,1 C). 1 atm

Encima de la Temperatura Crtica0,073 lb/ft3 (1,169 kg/m3)

Porcentaje de evaporacinPunto de congelacin

No (gas)-272,6 F (-169,2 C)

Solubilidad del aguaGravedad especfica (Aire=1) 70F (21,1 C)

Despreciable0,97

Apariencia y Olor

Gas incoloro de olor levemente dulce. El lquido lmpido e incoloro

Fuente (AGA, 1998).

Tabla 2.2. Datos de riesgo de fuego y explosin.Punto de inflamacinTemperatura de auto ignicinLmite de inflamabilidadPorcentaje en volumen (%)

-213 F (-136C)-968F (520 C)LEL: 3,1 UEL: 32

Medio de extincinClasificacin elctrica

Dixido de carbono, polvo qumico, spray de aguaGrupo C Ver NFPA N 70

Procedimientos especiales para combatir el fuego

Si es posible detenga el flujo de gas y permita que el combustible se consuma. Use spray de agua para enfriar las reas adyacentes.

Riesgo inusuales de fuego y explosin

Explota espontneamente cuando se mezcla con cloro a la luz solar.

Fuente (AGA, 1998).Tabla 2.3. Datos de reactividad.EstabilidadCondiciones que se deben evitar

Inestable-----N / A

EstableX

Incompatibilidad (materiales que se deben evitar)

Cloro, dixido de nitrgeno, cloruro de aluminio, tetracloruro de carbono

Productos de descomposicin riesgosa

Ninguna

Polimerizacin riesgosaCondiciones que se deben evitar

Puede ocurrirNoAltas temperaturas y presiones causan polimerizacin del etileno a polietileno

No puede ocurrir-----

Fuente (AGA, 1998).

2.2.2. Produccin de etileno en la industria petrolera.

El etileno es el compuesto de mayor importancia dentro de la manufactura de productos qumicos, los mayores licenciantes en plantas para la produccin de esta olefina son: KBR, Technip, Linde, Shaw, Stone & Webster y Lummus. Este se obtiene de los lquidos del gas natural, de las naftas, de los gasleos y del metano; la seleccin de estas fuentes depende de las posibilidades y confiabilidad del suministro y del costo. (EMERSON, 2010)Una vez seleccionada la materia prima, el tratamiento de esta carga de hidrocarburos para la obtencin del etileno se basa en la pirlisis en presencia de vapor de agua, o sea la descomposicin qumica u otro cambio qumico logrado por la accin del calor, sin considerar la temperatura envuelta en el proceso. Segn el tipo de carga, diseo y especificaciones de la planta, la temperatura impartida a la carga en el horno al comienzo del proceso puede estar en el rango de los 220 a 920 C.Los hornos o calentadores son del tipo serpentn y la carga conjuntamente con el vapor fluye por los tubos. Al salir la carga del horno entra a un reactor, el cual tpicamente es tubular, donde es calentado a una temperatura de craqueo de 750C a 875C, seguido a esto es sometido a los diferentes pasos requeridos por el determinado proceso seleccionado: enfriamiento, fraccionamiento, catlisis, separacin, compresin, remocin, recirculacin u otros para obtener por operaciones intermedias coproductos olefnicos y aromticos conjuntamente con el etileno. Para la produccin de xido de etileno y glicoles se emplean, con el etileno, el aire o el oxgeno como agentes oxidantes (Barberii, 1988).

Figura 2.1. Procesos del Etileno y productos derivados. (Barberii, 1988)2.2.2.1 Descripcin de la patente US4720293 para la Purificacin y Recobro de etileno.

Esta tecnologa tiene como finalidad introducir una mejora en un proceso para la recuperacin y purificacin de etileno, en el cual la corriente de alimentacin que contiene etileno se enfra en dos etapas de intercambiadores de calor para condensar la mayor parte de etano y de cualquier material ms pesado (C2+) presente en la corriente alimentada; el material C2+ condensado se alimenta hacia una primera columna de destilacin, el demetanizador, para eliminar cualquier gas liviano remanente por el tope de la primera columna de destilaci y una corriente C2+ demetanizada se alimenta, a una segunda columna de destilacin para eliminar la porcin C3+ de la corriente C2+ demetanizada, produciendo, por lo menos, una corriente de etileno-etano por el tope de la segunda columna de destilacin y una corriente C3+ como fracciones inferiores de la segunda columna de destilacin. La corriente de etileno-etano se alimenta a una columna de fraccionamiento etileno-etano, para separar la corriente en por lo menos, una corriente de etileno y una corriente de etano en estado lquido como subproducto. La mejora al proceso consiste en la utilizacin de tres ciclos de refrigeracin integrados con la disposicin de refrigeracin de bajo nivel para la segunda etapa de intercambio calorfico mediante expansin de trabajo, en una o ms etapas, de por lo menos una porcin de la corriente del gas liviano no condensado eliminando del extremo fro de la segunda etapa de intercambio de calor y, de modo opcional, de por lo menos una porcin de la corriente de gas liviano procedente del tope de la primera columna de destilacin.Con la disposicin de refrigeracin de nivel intermedio para el condensador de la primera columna de destilacin y para el extremo fro de la primera etapa de intercambio calrico, mediante la mezcla de una porcin licuada de la corriente de etano como subproducto procedente del fraccionador etano-etileno, con por lo menos parte de la corriente de gas liviano procedente del extremo fro de la segunda etapa de intercambio calrico, o con parte o con la totalidad de la corriente de gas liviano procedente del tope de la primera columna de destilacin, o con ambas, y con la disposicin de refrigeracin de alto nivel para el extremo calrico de la primera etapa de intercambio calrico mediante un sistema de refrigerante mixto. A su vez esta invencin aporta un proceso, eficiente desde un punto de vista energtico, a partir de un gas de alimentacin tal como el gas craqueado o diversos tipos de gases residuales de refinera. (Air Products and Chemicals & Allentown, 1988)2.2.3. Destilacin. La operacin unitaria de destilacin es un mtodo que se usa para separar los componentes de una mezcla, la cual depende de la distribucin de sus componentes entre una fase de vapor y una fase lquida por vaporizacin en el punto de ebullicin. El requisito bsico para la separacin los componentes por destilacin consiste en que la composicin de vapor sea diferente a la composicin del lquido con el cual est en equilibrio en el punto de ebullicin de este ltimo. La destilacin es, por mucho, la tcnica de separacin ms comn en la industria de procesos qumicos, con ella se realizan del 90 al 95% de las separaciones en la industria. (Geankoplis, 2007)2.2.3.1. Torres de destilacin.Las columnas de destilacin son cilindros verticales en donde el lquido y el gas se ponen en contacto ntimo en los platos o empaques facilitado as la transferencia de masa entre las dos (2) fases en cada etapa. El lquido entra por la parte superior del plato y fluye de forma descendente por gravedad. El gas asciende, a travs de los orificios del plato evitando el goteo del lquido, entonces burbujea a travs del lquido para formar una espuma, este ltimo mantiene un nivel necesario sobre el plato mediante el vertedor metlico el cual funciona como una represa; el vapor se separa y pasa a la etapa superior (Wankat, 2008).El espaciado sobre el plato permite la separacin del lquido y del vapor, necesita tener una altura suficiente para evitar un arrastre de lquido excesivo a una siguiente etapa. El efecto global es un contacto mltiple a contracorriente entre el gas y el lquido, aunque por cada plato se caracteriza por el flujo transversal de estos. Cada plato en la torre es una etapa, puesto que sobre el plato se ponen los fluidos en contacto ntimo ocurriendo la difusin interfacial y su separacin (Treybal, 2001).2.2.3.2. Platos.La particularidad que tiene la seleccin y diseo de platos en cualquier tipo de material puede afectar el desempeo obtenido en la destilacin, absorcin y sistema de despojamiento. Cada plato debera estar diseado para otorgar una superficie de contacto eficiente entre la fase del lquido y del vapor tanto como sea posible, dentro de lmites econmicos razonables. Mientras ms diseo de platos individuales tenga una columna mayor ser su costo (Ludwing, 1997).Los platos perforados y de vlvula son ms usados que los platos bubble cap en la actualidad, esto es debido a su bajo costo y alta capacidad. Los platos perforados son los ms ampliamente y deberan ser elegidos primero debido a su bajo costo en su instalacin, amplio conocimiento en procedimiento de diseo, baja tendencia a la formacin de espuma, alta capacidad y eficiencia. (Silla, 2003)

Figura 2.2. Seccin esquemtica a travs de una torre de platos perforados. (Treybal, 2001)

2.2.3.2.1. Bubble CapEn los platos Bubble cap, el vapor pasa a travs de los agujeros, llamados elevadores, cubierto por un casquete con un borde dentado o muescado. Los platos bubble cap son tradicionales puesto que son los ms antiguos en los platos de tipo de flujo cruzado y muchos diseos diferentes han sido desarrollados. Los diseos estndar de este tipo de platos en la actualidad son especificados para la mayora de las aplicaciones. La caracterstica ms significativa de los platos copa de burbujeo es el uso de elevadores para asegurar que el nivel del lquido se mantenga en el plato a cualquier flujo de vapor (Towler & Sinnot, 2008).

Figura 2.3. Desempeo del plato bubble cap. (Ludwing, 1997)

2.2.3.3. Eficiencia global de platos.La eficiencia global de platos (Eo) se refiere a la totalidad de la torre y es de uso muy simple, aunque es la menos fundamental. Se define como la relacin entre el nmero de platos tericos o ideales necesarios en una torre y el nmero de platos reales usados (Geankoplis, 2007).Para el clculo de la eficiencia global se emplea la siguiente frmula: (Ec. 1)

2.2.3.4. Parmetros operacionales.2.2.3.4.1. Relacin de Reflujo.La relacin de reflujo es definida como la relacin de flujo molar del lquido que retorna a la torre dividido entre la cantidad molar del producto sobrecalentado. Una columna de destilacin solo puede producir una separacin entre los lmites de reflujo mnimo y mnimo nmeros de etapas. A un reflujo mnimo un infinito nmero de etapas es requerido, a reflujo total un mnimo nmero de etapas es requerido. Ninguna de estas situaciones representa una operacin real pero son lmites extremos de posibles configuraciones. Se han desarrollado diferentes mtodos para calcular ambos casos de una manera rigurosa, sin embargo, estos mtodos requieren una solucin computarizada de clculos de etapa por etapa (GPSA, 2004).La ecuacin de la relacin de reflujo, R, es la siguiente: (Ec. 2)El nmero de etapas requeridas para una separacin dada ser dependiente de la relacin de reflujo de operacin de la columna. En una columna operativa, la efectividad de la relacin de reflujo ser incrementada por el vapor condensado dentro de la columna debido a la perdida de calor a travs de las paredes. Una columna con un buen aislamiento, la perdida de calor ser mnima, por esto no se tiene en cuenta normalmente este efecto debido al incremento flujo de vapor en los clculos de diseo. Si la columna no est bien aislada, ocurren cambios en el reflujo interno de la columna debido a los repentinos cambios en las condiciones externas, como por ejemplo una tormenta de lluvia puede tener un efecto notable sobre el funcionamiento y control de la columna (Coulson, Richardson, Blackhurst, & Harker, 2005). 2.2.3.4.2. Boil-up.El lquido que abandona el fondo de la columna es recalentado en el rehervidor, este es un intercambiador de calor especial que provee el calor necesario para la destilacin. Parte del lquido del fondo de la columna es vaporizado y este vapor es inyectado en la columna a esto se le denomina boil-up. La temperatura del fondo de la torre de destilacin se ve afectada dependiendo del flujo que el boil-up pueda tener. El lquido remanente es retirado de la columna como un producto de fondo o residuo (Liptk, 2006).2.2.3.4.3. Localizacin del plato de alimentacin.La localizacin exacta del plato de alimentacin puede afectar el nmero de etapas requeridas para la especificacin de separacin y la subsecuente operacin de la columna. Como regla general la alimentacin debera entrar a la columna en el punto donde se obtenga la menor diferencia entre las composiciones de la alimentacin (vapor y lquido si tiene dos (2) fases) y el vapor y el lquido en la corriente de la columna. En la prctica, es aconsejable proporcionar dos o tres boquillas de alimentacin en el punto de alimentacin seleccionado para tomar en cuenta la incertidumbre en los clculos de diseo, los datos y posibles cambios en la composicin de la alimentacin despus del arranque (Coulson, Richardson, Blackhurst, & Harker, 2005).2.2.3.4.4. Nmeros de etapas tericas y reales.2.2.3.4.4.1. Nmero de etapas tericas.El nmero de etapas tericas opera en estado estacionario, tiene un producto de vapor y uno de lquido, todo el vapor y el lquido entrante a la etapa entran en contacto ntimo y son perfectamente mezclados, el vapor total saliente de la etapa est en equilibrio con el lquido saliente de esta etapa. La cantidad total de etapas tericas son las mnimas necesarias para que ocurra la separacin entre los componente claves de una mezcla, en donde, existe un derrame equimolar a travs de la columna entre la entrada de alimentacin y el plato superior e inferior (Kister, 1992). 2.2.3.4.4.2. Nmero de etapas reales.Segn lo expuesto sobre paltos tericos o etapas de destilacin, se supuso que el vapor que sale de un plato est en equilibrio con el lquido que sale del mismo. Sin embargo, si el tiempo de contacto y el grado de mezclado en el plato son insuficientes, las corrientes no estn en equilibrio. Como resultado, la eficiencia del plato o etapa no es del 100 %. Esto significa que, en una separacin cualquiera, se necesitan usar una mayor cantidad de etapas, estas son denominadas platos reales determinados por el clculo a travs de la eficiencia de la columna. Se utilizan tres (3) tipos de eficiencia de platos o de etapas, entre ellos se encuentran la eficiencia global de platos (Eo), eficiencia de platos de Murphree (Em) y la eficiencia puntual o local (Emp) llamada a veces eficiencia puntual de Murphree. Estas eficiencias se consideran de forma individual (Geankoplis, 2007). 2.2.3.4.5. Punto de inundacin.La inundacin es la excesiva acumulacin de lquido dentro de la columna. Esto es generalmente causado en una torre de platos bubble cap cuando la espuma del bajante se regresa al plato y se suma a la que se encuentra en este producindose una acumulacin. El bajante contiene una mezcla de menor densidad que la del lquido claro saliente de este, su capacidad posee un lmite, el desempeo es reducido y el nivel aumenta en el bajante. Este nivel finalmente se extiende hacia el plato superior, esta condicin progresar hasta llenar la columna, si no es detectada y las cargas de lquido y vapor no son reducidas. La inundacin es generalmente asociada con la alta carga de lquido a travs de una amplia rango de flujos de vapor. La tendencia a formar espuma del lquido influencia esta accin en el plato. La condiciones de diseo para la altura del lquido claro en el bajante por inundacin son usualmente del 60% al 80% (Hw + St) (Ludwing, 1997).

Figura 2.4. Esquema de una operacin dinmica para plato bubble cap. (Ludwing, 1997)

2.2.3.4.6. Presin y temperatura. La temperatura y la presin en equipos de procesos son una funcin de las condiciones del proceso y las propiedades de compuestos utilizadas. Por el momento, la mayor temperatura en una columna de destilacin puede ser estimada mediante el conocimiento del punto de ebullicin de los componentes claves a la presin de operacin. El mayor punto de ebullicin ser cercano a la mayor temperatura que puede darse en el interior de la columna. (Baasel, 1976)Para obtener una composicin constante del producto de vapor del top de la fraccionadora, se debe controlar la presin por medio de la manipulacin del producto de vapor o una corrientes de venteo de no condensables, a su vez la temperatura de salida tambin necesita ser controlada en sistemas donde se utiliza condensador parcial. Para sistemas de condensador total, una vlvula de mariposa debe ser colocada en la lnea de vapor del tope de la columna de destilacin, otra forma comn de controlar el enfriamiento del condensador es por medio de la manipulacin del fluido de enfriamiento.La temperatura es controlada en la seccin de tope o fondo de la columna dependiendo sobre cual especificacin de producto es ms relevante. Para plantas de destilacin en refinacin o gas, donde los puntos de cortes extremadamente puros no son requeridos, la temperatura en el tope y de fondo son controladas con frecuencia. Para una operacin de alta pureza la temperatura ser posiblemente controlada en un punto intermedio en la columna. El punto donde ocurra una variacin de la temperatura y de la concentracin de los componentes claves es mxima, generalmente es el mejor lugar para controlar la temperatura. La temperatura es el parmetro ms difcil de controlar en un sistema de fraccionamiento. La temperatura puede ser tambin ambigua como una medida de la composicin. Los cambios de presin son reflejados rpidamente en el tope y en el fondo de la columna, por el contrario a los cambios de temperatura. (Branan, 1994)

2.2.3.4.7. Carga de calor o rendimiento La carga de calor en un intercambiador de calor (rehervidor y condensador) es usualmente determinada por la condicin del servicio de proceso. Por ejemplo, la carga de calor en un condensador para un vapor partiendo de una columna de destilacin es determinada por medio de la cantidad y calor latente del vapor a condiciones de condensamiento o por gases de enfriamiento, como el flujo el gas y rangos de temperatura requeridos para el enfriamiento (Ludwing, 1997).

2.2.4. Equipos de transferencia de calor.Los equipos de transferencia de calor son definidos de acuerdo a las funciones que desempean en un proceso. Los intercambiadores recuperan calor entre dos corrientes de un proceso, donde el vapor y el agua son servicios y no se consideran en un mismo sentido que las corrientes de proceso recuperables. A parte de los intercambiadores de calor de acuerdo a su funcin se entran tambin los calentadores, enfriadores, condensadores, hervidores, evaporadores y vaporizadores (Kern, 1999).Para el anlisis del diseo y desempeo de los intercambiadores de calor, as como tambin la determinacin de la factibilidad del uso de estos equipos en nuevos servicios el ingeniero de procesos frecuentemente es requerido. La transferencia de calor haca y desde los fluidos de procesos son parte esencial de la mayora de los procesos qumicos. El tipo de equipo ms utilizado para la transferencia de calor es el intercambiador de tubo y carcaza. Tal como en la destilacin, en la actualidad se trabaja en el desarrollo de diseos de mtodos rentables para intercambiadores de calor, en aos recientes, las organizaciones comerciales de investigacin dominantes en esta rea son: Heat Transfer Research Inc. (HTRI), en Estados Unidos de Amrica, Heat Transfer and Fluid Flow Service (HTFS) en Reino Unido. HTFS ha sido desarrollado por el United Kingdom Atomic Energy Authority y el National Physical Laboratory, pero esta tambin disponible en Aspentech (Coulson, Richardson, Blackhurst, & Harker, 2005).

Algunos de los principales tipos de intercambiadores de calor ms usados en procesos qumicos e industrias afines son: Intercambiador doble tubo y carcazaIntercambiador de tubo y carcazaIntercambiadores de placa y armaznIntercambiadores de placa y aletas Intercambiadores espiralesEnfriadores de aireDe contacto directoTambores agitadosHornos

2.2.4.1. Principios de transferencia de calor.Las definiciones bsicas y ecuaciones que son empleadas en el clculo de intercambio de calor son las siguientes:

Balance de calorPara sistemas sin cambio de fase del fluido caliente:

Para condensamiento isotrmico de fluido caliente: Para sistemas sin cambio de fase del fluido fro:

Para ebullicin isotrmica de fluido fro:

Dnde: 1= primer valor2= segundo valorT= temperaturaQ= flujo de transferencia de calor= flujo msicoCp= calor especfico = calor latentec= fluido froh= fluido caliente

2.2.4.2. Recobro energtico.Los altos costos de energa observados durante las dcada de los setenta motivaron el desarrollo de procesos con un uso eficiente de energa. En la actualidad, para las nuevas plantas de procesos es analizado cuidadosamente el uso de la energa para reducirla al mnimo, para lograr esto, el ingeniero de proceso debe estar al tanto de todos los lugares dentro de la planta donde se necesita energa y de todas las fuentes disponibles. La planta ms eficiente en trminos energticos es la que usa esta una y otra vez. Por ejemplo, el empleo de la corriente del fondo de una columna para el calentamiento de una corriente de alimentacin lo cual ayuda a reducir el gasto energtico, otro uso podra ser el empleo de hornos en donde los gases calientes salientes pueden transferir su energa a otra corriente de proceso e inclusive al vapor entrante (Baasel, 1976).Continuando lo anteriormente expuesto, las corrientes de procesos a altas temperaturas y presiones, junto con las que contienen material combustible pueden ser usadas para el recobro energtico. La recuperacin energtica de una corriente en particular puede depender del valor energtico que debiera ser extrado de esta corriente de manera til y el costo de la recuperacin. Esto puede requerir un nmero adicional de intercambiadores de calor, sin embargo, el ahorro en los costos de requerimiento energtico en la mayora de los casos compensa en exceso el costo adicional del equipo (Coulson, Richardson, Blackhurst, & Harker, 2005). Si la cantidad total de energa que podra ser transferida fuese transferida, sera necesario un intercambiador de gran tamao. Como regla general se tiene que, la mayor diferencia de temperatura entre dos (2) corrientes de procesos en un intercambiador de calor donde una gana y la otra pierde energa, ser de 36 F (20C) y la mnima diferencia es de 10F (5C); a menor diferencia de temperatura entre las corrientes de procesos mayor ser el tamao del intercambiador lo cual no es viable econmicamente. Mientras que la temperatura constituye una medida del nivel de energa trmica, la presin es una medida del nivel de energa mecnica o cintica. Siempre que hay corrientes con altas presiones, estas se pueden utilizar para producir electricidad por medio de dispositivos de corrientes directa, ya que es ms eficiente alimentar directamente una bomba o un compresor, pero esto requiere una correcta adaptacin de la potencia disponible a la potencia requerida. En la mayora de los casos para la optimizacin de sistemas de intercambio de energtico es requerido una modificacin con respecto a las condiciones de operacin, as como tambin el balance de materia. En efecto, algunas empresas sugieren que el diagrama de flujo de energa sea desarrollado antes que el diagrama de flujo materia (Baasel, 1976).

2.2.5. Simulador de procesos.

Un simulador de procesos es una poderosa herramienta en ingeniera qumica que tiene un amplio uso en la industria de procesos qumicos y si su uso es el adecuado facilita el diseo, optimizacin y solucin de unidades de proceso, bajo directrices de diseo en la ingeniera. Es importante recordar que los avances de hardware solo han mejorado la velocidad del clculo, a pesar de esto y las mejoras de interface del usuario, la comprensin de las reglas y limitaciones de las herramientas de simulacin sigue siendo un requisito previo para obtencin de resultados cercano a los reales. El ingeniero debe suministrar los datos de entrada correctos e interpretar errores que se puedan producir, con lo cual, deber hacer un juicio crtico sobre los resultados. El dominio de estas tcnicas a menudo requiere de experiencia y prctica de cambio considerable (Kolmetz, Mardikar, Gulati, Kiong Ng, & Lim, 2005).2.2.5.1. Simulador PRO/II con PROVISION PRO/II es un programa de simulacin de procesos comprensivo en estado estacionario que realiza rigurosos balances de materia y energa para un amplio rango de proceso en la industria qumica, de petrleo, gas natural, procesamiento de slidos e industria de polmero. Este simulador de procesos es utilizado por ingenieros de todo el mundo gracias a la facilidad de su interfaz. PRO/II trabaja con diagramas de flujos de procesos, que incluyen unidades como columnas de destilacin rigurosas, compresores, reactores, intercambiadores de calor, mezcladores, entre otros, y estos a su vez pueden ser construidos y simulados. Tambin dicho simulador cuenta con bases de datos de componentes qumicos, mtodos extensivos para la prediccin de propiedades termodinmicas y una serie de herramientas de mucha utilidad para la resolucin de problemas de ingeniera (SIMCSI-ESSCO, 2007).

2.2.5.2. Herramientas empleadas en la simulacin.

El programa de simulacin PRO/II posee herramientas que le permiten modelar mltiples unidades de operacin que son encontradas en varios procesos de la industria de refinacin, petroqumica o qumica, entre ellas se encuentran los shorcuts, las columnas de destilacin rigurosas: de platos, empaques (aleatorios y estructurados) as como columnas de extraccin lquido-lquido, reactores, tambores, compresores, bombas, entre otros (SimSci-Esscor, 2013).

2.2.5.2.1. Tambor Flash.Al realizar los clculos de diseos o solucionar un proceso, es posible que se necesite saber el comportamiento de fase de mezcla en cierta condiciones, o tal vez, lo que se necesite para la recuperacin de una cierta cantidad de componente en una mezcla. Por lo general, se debe contar un simulador de procesos para obtener este tipo de informacin. Adicional a esto para cualquier tipo de unidad de operacin PRO/II tambin ejecuta clculo de flash en la corriente de producto a las condiciones de salida. La diferencia de entalpa entre la alimentacin y la corriente de producto constituyen el calor necesario para la unidad de operacin. La siguiente figura muestra el esquema general de la unidad de tambor flash en PRO/II para un sistema vapor-lquido, este simulador de procesos permite 3 corrientes de productos a partir de un nmero ilimitado de corrientes de alimentacin.

Figura 2.5. Esquema general de un tambor flash trifsico (SIMCSI-ESSCO, 2007). Dnde:Fj = Corriente de alimentacin V = Producto de vaporL = Producto de lquidoW = Agua decantada o producto lquido secundariozji, yi, x1i = Componentes en fraccin mol con respecto a una corriente2.2.5.2.2. Vlvulas, mezcladores y separadores.Estas unidades tambin realizan clculos de equilibrios en fase. Cada uno es equivalente a un flash adiabtico sin cambio de entalpa (Carga de calor = 0). La temperatura siempre es calculada ms no se especifica y PRO/II permite un nmero ilimitado de corrientes de alimentacin a estas unidades. Se puede configurar la cada de presin o presin, de lo contrario el simulador asume una cada de presin de cero (0) y utiliza la presin de alimentacin ms baja para las corrientes de productos, las siguientes figuras muestran los esquemas para estas unidades.

Figura 2.6. Esquema general de una vlvula (SIMCSI-ESSCO, 2007).

Figura 2.7. Esquema general de un mezclador (SIMCSI-ESSCO, 2007).

Figura 2.8. Esquema general de separador (SIMCSI-ESSCO, 2007).

La vlvula puede tener hasta tres (3) productos, la designacin y manejo de estos es tan flexible como para la unidad de tambor flash. La unidad de mezclado solo puede tener un producto, sin embargo, PRO/II siempre determina la fase de este, independientemente de la fase (V, L, W o M) designada por el usuario. La unidad de separacin combina cualquier nmero de corrientes de alimentacin y la divide en productos de composicin y condicin trmica idnticas, bien sea vapor, lquido o mezcla. Si se designa una fase errnea el simulador de procesos PRO/II lo corregir, al igual que con las otras unidades de clculo de equilibrio. Adems se debe definir el flujo utilizado bajo las especificaciones de las corrientes generalizadas para todos menos uno de los productos deseados. El separador permite evaluar especificaciones de corrientes de manera dependiente, es decir, que el flujo de un componente o grupo de componentes en un producto es una especificacin dependiente del flujo en total, y la recuperacin de una fraccin de alimentacin neta tambin es una especificacin dependiente del flujo total entrante (SIMCSI-ESSCO, 2007).

2.2.5.2.3. Compresores.El comprensor simula una sola etapa de comprensin isoentrpica. Las condiciones de salidas y trabajo se pueden determinar utilizando una eficiencia adiabtica o politrpica. Los datos de entrada opcionales se pueden utilizar para la determinacin del rendimiento de las curvas suministradas por la presin de salida o la relacin de la presin, cabezal, trabajo y eficiencia. Tambin se puede incluir como condicin opcional un enfriador despus de la etapa de compresin. Los clculos de equilibrio vapor-lquido y equilibrio lquido-lquido-vapor son viables. Lo cual conlleva a que compresores de mltiples etapas puedan ser modelados mediantes la vinculacin de unidades de comprensin simple (SIMCSI-ESSCO, 2007).

Figura 2.9. Esquema general de un compresor (SIMCSI-ESSCO, 2007).

Una operacin de compresin puede llegar a tener mltiples alimentaciones, en cuyo caso la presin de entrada es asumida como la menor entre las corrientes entrantes. Los comprensores pueden llegar a tener una o ms corrientes de productos. La fase del producto donde hay una corriente de producto es asumida automticamente por PRO/II, para compresores con dos (2) o ms corrientes de productos, la fase de estas deben ser especificadas. Para los comprensores con enfriadores, las condiciones de salidas de los productos van a corresponder a la salida del enfriador. Las fases de los productos permitidas son: vapor, lquido, agua decantada, lquidos pesados y fase de mezclas (vapor ms lquido). La fase de mezcla es exclusiva con productos en fase lquida y vapor, ms no es permitido cuando cuatro corrientes de productos son especificadas. Las especificaciones necesarias para un compresor varan entre la presin, el trabajo o el cabezal, para lo cual al menos una de estas debe ser seleccionada; en adicin, la eficiencia o la temperatura de salida pueden ser especificadas para que la simulacin del compresor pueda darse con xito. (SIMCSI-ESSCO, 2007) 2.2.5.2.4. Intercambiadores de calor simples.El intercambiador de calor simple puede ser utilizado para calentar o enfriar una corriente de proceso, llevar a cabo un intercambio de calor entre dos (2) corrientes de procesos o entre una corriente de proceso y una corriente de servicio. Cuando se simular sistemas de equilibrio vapor-lquido-lquido (VLLE) pueden llevarse a cabo clculos rigurosos. Es tambin posible conectar un intercambiador a cualquier platos de una columna de destilacin o un intercambiador de calor entre corrientes de procesos y una corriente interna de columna ya sea lquida o en fase de vapor.

Figura 2.10. Esquema general de un intercambiador simple (SIMCSI-ESSCO, 2007).Las corrientes de alimentacin y de productos son agrupadas de acuerdo al lado caliente o fro del intercambiador cuando las corrientes de entrada en el lado caliente son enfriadas y las de entrada en el lado fro son calentadas. Un proceso en el cual se tengan mltiples alimentaciones puede llevarse a cabo, donde la corriente con la menor presin ser utilizada como la presin de entrada del intercambiador de calor simple.El producto de cada lado del intercambiador puede ser separado en corriente de salida de diferente fase si es deseado, donde las fases de los productos pueden ser: vapor, lquido, agua decantada (solo para sistemas de hidrocarburos) y fase de mezcla. La fase de mezcla es exclusiva con productos en fase lquida y vapor ms no es permitido cuando cuatro corrientes de productos son especificadas. El agua que sale como corriente de producto puede ser tambin representada como una fase de lquido secundara en la cual se considerar un modelado termodinmico riguroso de ELLV. La condicin de la fase en el producto dentro de las unidades que solo tiene una corriente de producto es automticamente colocado por PRO/II. Para intercambiadores de calor simple con dos (2) o ms corrientes de productos la condicin de la fase debe ser especificada. Para intercambiadores de calor simple como una unidad de proceso, una corriente de servicio bien sea de calentamiento o enfriamiento son definidas. El flujo de servicio para la transferencia de calor es siempre computado y esta corriente puede ser especificada. Para un servicio de enfriamiento se cuenta con distintas opciones como el agua y el aire a la cual se debe especificar la temperatura de entrada y salida, tambin se cuenta con la opcin de refrigerante al cual se le debe designar el componente que es vaporizado a presin o temperatura de saturacin. Para un servicio de calentamiento se cuenta con las opciones de vapor y medio de calentamiento, a la primera de ellas se le debe especificar la temperatura y presin de saturacin, y a la segunda se le debe especificar el componente que es condensado a su temperatura y presin de saturacin (SIMCSI-ESSCO, 2007).

2.2.5.2.5. Bomba.

Figura 2.11. Esquema general de una bomba (SimSci-Esscor, 2013).

Una bomba puede tener mltiples corrientes de alimentacin, en cuyo caso la presin de entrada es asumida como la menor entre las corrientes entrantes. Un solo producto de salida en fase lquida es permitido para una bomba. Estas pueden tener diversas especificaciones tales como: la presin de salida, el aumento de la presin, la variacin de la presin a partir de la presin menor de las alimentaciones entrantes al equipo, el sistema termodinmico y la eficiencia de la bomba. En cuanto a esta ltima, puede ser suministrada para ser utilizada en los clculos de trabajo y de temperatura de salida, si no es suministrada el simulador lo asume como 100%.

2.2.5.2.6. Shortcut Distillation.

PRO/II contiene mtodos de clculo para determinar condiciones de separacin en la columna tales como: nmeros de platos mnimos y cantidad mnima de reflujo. El mtodo de shortcut asume que la columna posee una volatilidad relativa promedio. El mtodo Fenske es utilizado para obtener el nmero mnimo de etapas o platos requeridos para la separacin. La cantidad de reflujo mnimo es determinado a travs del mtodo de Underwood. El mtodo de Gilliland es usado para calcular el nmero terico de platos requeridos junto con la carga de calor en el condensador y el rehervidor para un reflujo comprendido entre la cantidad aproximada y la mnima requerida para que se lleve a cabo la separacin. Finalmente, el mtodo Kirkbride es utilizado para determinar la localizacin ptima del plato de alimentacin.

Figura 2.12. Esquema general de un Shortcut Distillation (SimSci-Esscor, 2013).

El modelo de shortcut distillation es una herramienta til para diseos preliminares cuando es apropiadamente empleada ya que no funciona para en todos los sistemas. Por ejemplo, para sistemas altamente no ideales, este mtodo puede arrojar resultados bastantes pobres o simplemente no arrojar ninguno, en particular para columnas donde la volatilidad relativa es muy variada ya que en los mtodos de Fenske y Underwood se asume que la columna posee una volatilidad relativa promedio para cada componente (SimSci-Esscor, 2013).

2.2.5.2.7. Distillation.

La herramienta distillation en PRO/II son modelos rigurosos de etapas de equilibrio. Cada modelo resuelve el calor, balances de materias y ecuaciones de equilibrio lquido-vapor. Esta herramienta cuenta con pumparounds, cinco (5) tipos de condensadores, especificaciones generalizadas, a su vez permite la interaccin con otras herramientas tales como controladores y optimizadores. Tambin est habilitada para la destilacin reactiva y la extraccin lquida. Aunado a esto permite el decantamiento de agua en sistemas de hidrocarburos que contengan agua. (SimSci-Esscor, 2013)

Figura 2.13. Esquema general de una columna de destilacin compleja (SimSci-Esscor, 2013).

Una columna de destilacin tpica puede tener mltiples alimentaciones, salidas laterales, un rehervidor, un condensador, pumparounds, adems de calentadores y enfriadores intermedios. La configuracin puede ser completamente definida; el nmero de platos, localizacin de todas las alimentaciones y salidas laterales, pumparounds, calentadores y enfriadores laterales. Los platos son enumerados desde el arriba hasta abajo, el condensador y el rehervidor son tratados como etapas tericas, siendo as que, el condensador sea la primera etapa. Todo esto es debido al sistema de manejo de memoria que posee PRO/II. (SimSci-Esscor, 2013)

2.2.5.2.8. Column Hidraulics.

PRO/II contiene mtodos de clculo para realizar rating y sizing en columnas de platos adems de poder simular columnas empacadas con empaques estructurados y aleatorios. Las columnas que contienen platos de vlvulas, perforados, y bubble cap pueden ser modelados por PRO/II utilizando diversos mtodos probados, entre ellos estn los desarrollados por Glitsch los cuales son los usados para obtener el punto de inundacin y la cada de presin para platos tipo vlvulas. Para platos bubble cap y perforados la capacidad tomada automticamente por el simulador va a ser de 85% y de 95% respectivamente. En cuanto a la cada de presin, va a ser calculada por el mtodo de Fair para platos perforados y por el mtodo de bolles para platos bubble cap. (SimSci-Esscor, 2013)

Figura 2.14. Column Tray Hydraulics (SimSci-Esscor, 2013). columnas (48 manual unit operation, 2.4.1, 2.4.3 y 2.4.4). En el kister shorcut es la 87, y 135 es el riguroso observar que este punto no coincida con el punto de columnas de destilacin2.2.6. Mtodos termodinmicosEl programa PRO/II ofrece mtodos termodinmicos adems un amplio rango de opciones simples y complejas. Los mtodos termodinmicos son agrupados en paquetes o sistemas que contienen un grupo de mtodos termodinmicos capaces de desempear todo los clculos termodinmicos necesarios. En la mayora de los casos un solo paquete termodinmico es requerido pero los diagramas de flujos de procesos complejos pueden llegar a ser modelados mejor con varios. El programa permite solo un mximo de 100 sistemas por archivo.Histricamente, las ecuaciones de estado han sido aplicadas con xito en la industria de petrleo, refinacin de sistemas de hidrocarburos y de gases ligeros. Las ecuaciones de regla de mezclado han sufrido numerosos avances en las ltimas dcadas extendiendo su aplicabilidad a sistemas no ideales. Estas son aplicadas en clculos de equilibrios de fase en amplios rangos de temperaturas y de presiones. Pueden ser usadas para calcular todas las propiedades termodinmicas tales como entalpa y entropa. El estado de referencia para ambas fases (vapor y lquido) es la de gas ideal, las desviaciones de la idealidad son determinadas a travs del clculo de los coeficientes de fugacidad para ambas fases. Para ecuaciones de estado cbicas, en particular, las condiciones crticas y supercrticas pueden ser predichas muy acertadamente (SimSci-Esscor, 2013).

2.2.6.2-Peng-Robinson.Peng-Robinson desarrollo una ecuacin de estado de dos constantes en la cual el trmino de presin de la semi-emprica ecuacin de Van Der Waals ha sido modificado. Ejemplifico el uso de esta ecuacin para la prediccin de la presin de vapor, el comportamiento volumtrico de sistemas de un solo componente y el comportamiento de fases junto con el comportamiento volumtrico de sistemas binarios, ternarios y multicomponente. La ecuacin propuesta por PR combina simplicidad y precisin. Esta se comporta tan bien como o mejor que la ecuacin de estado de SRK en todos los casos probados y mostrados, presentando grandes avances en la prediccin de la fase lquida. Sin una modificacin significativa, esta ecuacin de estado es generalmente poco til para sistemas altamente no ideales.

Existen defectos en comn que poseen las ecuaciones de Soave-Redlich-Kwong y Redlich-Kwong, el ms evidente es el fracaso para general satisfactoriamente valores para la densidad del lquido, incluso la densidad del vapor son generalmente aceptables, por el contrario la ecuacin de Peng-Robinson arroja mejores valores en la densidad del lquido tan precisos como la presin de vapor y las relaciones de equilibrio (Peng & Robinson, 1976).

2.2.6.2.1-Peng-Robinson modificado por Huron-Vidal (Huron-Vidal modifications to PR).Buenas correlaciones del ELV pueden ser obtenidas mediante la aplicacin de los mismos dos (2) parmetros en la ecuacin cbica de estado de las dos fases. Huron y Vidal en el 1979 plantearon el uso de una relacin termodinmica simple para equipar la expresin de la energa de Gibbs en exceso con el coeficiente de fugacidad, esta ecuacin es vlida a cualquier presin, pero no puede ser evaluada a menos que algunas asunciones sean hechas, tales como, que sean evaluadas a presin infinita y la mezcla debe ser debe ser similar a un lquido o muy denso (Huron & Vidal, 1979).

La regla de mezclado de Huron-Vidal es de naturaleza altamente emprica. Sin embargo, la prediccin del equilibrio a baja densidades es razonables, y la ecuacin de estado arrojara un mejor rendimiento en los resultados a bajas presiones, porque la regla de mezcla ha sido derivada a presin infinita para limitar la energa libre de Gibbs en exceso. Una limitacin de este modelo es que no puede utilizar directamente parmetros correlacionados con el mtodo NRTL a partir de datos a bajas temperaturas. Esto es debido a que el modelo de la energa libre de Gibbs que da la ecuacin de estado no puede ser equiparado con el coeficiente de actividad dado por dicho modelo a bajas presiones (SimSci-Esscor, 1994)

2.2.6.2.2. Panagiotopoulos-Reid Modificado (Modified Panagiotopoulos-Reid modifications to PR):

En 1986 Panagiotopoulos y Reid propusieron una regla de mezcla asimtrica la cual contena dos parmetros para las ecuaciones de estado de PR y SRK, esta definicin mejora significativamente la precisin en los datos de correlacin binaria y ternaria de equilibrio de fases para sistemas altamente polares y asimtricos. Los resultados presentados fueron para sistemas con agua y fluidos supercrticos a altas presiones as como sistemas no ideales a bajas presiones. Sin embargo, esta regla de mezcla es fundamentalmente inconsistente para sistemas multicomponente. SimSci modifico esta regla de mezcla con el fin de eliminar la inconsistencia en sistemas multicomponente, mejorando as la prediccin de las propiedades para estos sistemas. (SimSci-Esscor, 1994).

2.2.6.2.3-Peng-Robinson Predictivo 78 (Predictive Peng-Robinson 78).Esta ecuacin de estado ha sido desarrollada desde el ao 2004, combina el modelo propuesto por Peng-Robinson en 1978 con la ecuacin de estado clsica de Van der Waals, envolviendo los parmetros de interaccin binaria dependiente de la temperatura, esta ecuacin de estado predice los valores de K, entalpia, entropas y densidades de vapor. Es usada para la prediccin de la fase de equilibro en mezclas binarias tanto en regiones crticas como subcrticas con bastante precisin (SimSci-Esscor, 2013).

En la actualidad, el modelo PPR78 es capaz de representar el comportamiento de fases de fluido que contengan alcanos, alquenos, aromticos, cicloalcanos, gases permanentes (CO2, N2, H2S, H2), mercaptanos y agua. En orden para probar las capacidades predictivas de este modelo, el comportamiento de la fase de fluidos de crudos sintticos incluyendo gas natural, gas condensable, aceites crudos, entre otros, son estimados. En muchos casos este modelo permite una buena prediccin del comportamiento de fases de fluido con una gran precisin cercana a la incertidumbre experimental (Jaubert, Privat, & Mutelet, 2011).