Simulación en Aspen Hysys Del Proceso de Criogenización de Turb1
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SIMULACIN EN ASPEN HYSYS DEL PROCESO DE CRIOGENIZACIN DE TURBO-
EXPANSIN PARA OPTIMIZAR LA SEPARACIN DE LQUIDOS DEL GAS NATURAL
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CAPITULO 1
INTRODUCCIN
1.1. ANTECEDENTESExiste escasa documentacin en la facultad de tecnologa que abarque el uso de
simuladores, pero en los ltimos aos tanto la universidad como las empresas
estatales vienen auspiciando cursos de capacitacin como diplomados y
masterados en simulacin de procesos para proyectos en hidrocarburos.
Al contrario del anterior punto el proceso de turbo-expansion fue estudiado como
por ejemplo: Optimizacin de la recuperacin de hidrocarburos licuables del gas
natural en un proceso criognico de turbo-expansin de David Acho desarrollado
en la UMSA.
1.2. IDENTIFICACIN DEL PROBLEMAGeneralmente uno de los objetivos en el rea de procesamiento del gas natural es
optimizar el proceso para recuperar la mayor cantidad de hidrocarburos lquidos
debido a su mayor valor comercial, con este criterio Es posible optimizar
mediante la simulacin el proceso de criogenizacin de turbo-expansin para la
separacin de lquidos del gas natural?
1.3. OBJETIVOS1.3.1 OBJETIVO GENERAL
Simular en Aspen HYSYS el proceso de criogenizacin de turbo-expansin
para optimizar la separacin de lquidos del gas natural.
1.3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS Simular en Aspen HYSYS las unidades bsicas de los proceso de
criogenizacin de turbo-expansin.
Realizar balances de materia y energa con el simulador AspenHYSYS.
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Estudiar las bases tericas y principios de funcionamiento de lasunidades del proceso de turbo-expansin.
Realizar la sensibilizacin de la simulacin a diferentes condicionesde operacin para optimizar el proceso.
1.4. JUSTIFICACINPara la separacin de lquidos del gas natural mediante el proceso crigeno de
turbo-expansin se deben realizar clculos de balance de materia/energa y
modificaciones en las variables de operacin de los diferentes equipos que forman
parte de dicho proceso. Existe una variedad de simuladores como el Aspen HYSYS
capaces de obtener instantneamente resultados en un ordenador de las
modificaciones que se realicen, con la ayuda de esta herramienta el profesional deprocesos puede mejorar la operacin y el control del proceso.
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CAPITULO 2
2. FUNDAMENTO TEORICO2.1. SIMULADOR DE PROCESOS QUMICOS
Un simulador de procesos qumicos es un programa de computador utilizado para
modelar el comportamiento en estado estacionario y dinmico de un proceso
qumico, mediante la determinacin de las presiones, temperaturas y velocidades
de flujo.
2.2. SIMULADORES DE PROCESOS EN LA INDUSTRIA QUMICAEl uso de los simuladores est orientado fundamentalmente a la industria con el
objetivo de mejorar e incrementar la eficiencia de las mismas, a permitir hacer
simulaciones de diferentes procesos antes de que ocurran en realidad, las cuales
producen resultados que pueden ser analizados para una futura realizacin de los
mismos. Existe una gran variedad de simuladores de procesos, como por ejemplo
Hysy, Aspen Plus, CHEMCAD,etc., estas son poderosas herramientas de clculo,
con inmensos bancos de datos que contienen las propiedades fsicas de miles de
compuestos y sustancias qumicas, seleccin de modelos termodinmicos, clculos
de equipos (terico y real), anlisis de costo, estado de agregacin y condiciones
de operacin, que le dan al simulador la ventaja de una gran versatilidad.
2.3. SIMULADOR HYSYSHYSYS es un software para la simulacin de plantas petroqumicas y afines. Incluye
herramientas para estimar:
Propiedades fsicas Equilibrios lquidos vapor Balances de materias y energa Simulacin de equipos en ingeniera qumica Simula procesos en estado estacionario y dinmico
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Utiliza datos experimentales para sus correlaciones. La mayora de losdatos experimentales, aunque algunos son estimados (La mayora de los
simuladores usa modelos predictivos como UNIFAC.
2.4. GAS NATURALEl gas natural es un compuesto no txico, incoloro e inodoro, constituido por una
mezcla de hidrocarburos en la que su principal componente es el metano (CH4).
Su composicin qumica, no obstante vara sensiblemente segn su procedencia,
ya que acostumbra a ir asociada a otras molculas o elementos como el cido
sulfhdrico (H2S), el anhdrido carbnico (CO2), el nitrgeno (N2) o el helio (He)
que se extrae cuando el gas natural se destina a usos industriales y domsticos.
2.5. CARACTERSTICAS DEL GAS NATURALEl gas natural se consume tal y como se encuentra en la naturaleza, no pasa por
ningn proceso de transformacin. La estructura molecular ms simple del gas
natural facilita que se queme limpiamente, por ello su combustin no produce
partculas slidas ni azufre. El gas natural es una de las fuentes de energa ms
limpia ya que es la que emite menos gases contaminantes (SO2, CO2, NOx y CH4)por unidad de energa producida.
Tabla N 1 Composicin de gas natural de un pozo de petrleo.
Categora Componente Cantidad %
Parafinados Metano
etano
Propano
ButanoPentano
Hexano
Heptano hipottico
70-98
1-10
5
21
0.5
rastro 0.9
Cclicos Ciclo propano Rastros
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Ciclo hexano rastros
Aromticos Benceno y otros Rastros
No hidrocarburos Nitrgeno
Dixido de carbonocido sulfhdrico
Helio
otros componentes N, H
Agua
15
1ocasionalmente
5
Ocasionalmente
5
Fuente:
Ingeniera del gas y comportamiento de los hidrocarburos, autor: Ramiro Prez
Palacio Marcias J. Martinez.Pag. 60.
2.6. PRESINTratando con lquidos y gases, generalmente hablamos de la presin; para slidos
hablamos de tensiones. La presin en un fluido en reposo a un punto dado es el
mismo en todas las direcciones, y definimos la presin como el componente
normal de la fuerza por unidad de rea.
Ec. 2.1.2.7. TEMPERATURA
En fsica, se define como una magnitud escalar relacionada con la energa interna
de un sistema termodinmico, definida por el principio cero de la termodinmica.
2.8. VOLUMENEl volumen (V) es el espacio ocupado por un fluido. El gas es compresible y su
volumen estar determinado por el espacio ocupado. Si un gas se comprime, su
presin y volumen se modificaran de acuerdo a las leyes de los gases.
2.9. ECUACIN DE GAS IDEAL
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Un gas ideal es un gas terico compuesto de un conjunto de partculas puntuales
con desplazamiento aleatorio que no interactan entre s. El concepto de gas ideal
es til porque el mismo se comporta segn la ley de los gases ideales, una
ecuacin de estado simplificada es:
Ec.2.2Donde:
P=presin
V=Volumen
n= Nmero de moles
R= Constante universal de los gases
T=Temperatura
2.9.1. CARACTERSTICAS DEL GAS IDEALSe considera que un gas ideal presenta las siguientes caractersticas:
El nmero de molculas es despreciable comparado con el volumen totalde un gas.
No hay fuerza de atraccin entre las molculas. Las colisiones son perfectamente elsticas. Evitando las temperaturas extremadamente bajas y las presiones muy
elevadas, podemos considerar que los gases reales se comportan como
gases ideales.
2.10. GAS REALLos gases reales son los que en condiciones ordinarias de temperatura y presin se
comportan como gases ideales; pero si la temperatura es muy baja o la presinmuy alta, las propiedades de los gases reales se desvan en forma considerable de
las de los gases ideales.
Para corregir esa desviacin se introduce un nuevo trmino a la ecuacin del gas
ideal llamado factor de compresibilidad (z).
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2.11. FACTOR DE COMPRESIBILIDAD DEL GAS (Z)Es un factor de correccin introducido en la ecuacin general de los gases y ser
obtenido experimentalmente dividiendo el volumen real de n moles de un gas a
presin y temperatura, por el volumen ideal ocupado por la misma masa de gas a
iguales condiciones de presin y temperatura.
La ecuacin a usar ser la de los gases ideales pero con el factor Z como
correccin:
Ec. 2.3.El factor Z, es funcin de propiedades pseudoreducidas, es decir, Z= f (Ppr , Tpr )
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Fig. 1 Curvas de las propiedades crticas para leer el factor de compresibilidad.
Fuente: Gases y vapores, Dept. de ing. Qumica Pag. 7
Para hallar las propiedades pseudocrticas se pueden determinar a travs de las
composiciones molares de cada componente del gas natural a travs de la
gravedad especfica del mismo.
Para determinar Z, por la grfica es necesario conocer algunos parmetros que se
enuncian a continuacin:
Ec. 2.4.
Ec. 2.5. Ec.2.6. Ec.2.7.Con las propiedades pseudocrticas hallamos las pseudoreducidas y con stas el
valor de Z de la grfica. Ec. 2.8. Ec. 2.9.2.12. COMPRESIBILIDAD ISOTRMICA DEL GAS (CG)
La variacin de la compresibilidad de un fluido con la presin y temperatura es de
gran importancia para los clculos de ingeniera de yacimientos. Para una faseliquida, la compresibilidad es pequea y se asume en ocasiones constante, pero
para los gases no sucede lo mismo. La compresibilidad isotrmica del gas es el
cambio en el volumen por unidad de cambio de presin. Para gas ideal, Z=1
constante, y la compresibilidad es Cg= 1/P
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Ec. 2.10. *
+ Ec.2.11.
1/p Ec.2.12.2.13. PESO MOLECULAR DEL GAS (PMG)
Es la unin de la de los pesos atmicos de cada elemento que conforman el gas
natural. Las unidades del peso molecular son: Kgr/Kmol Lb/lbmol.
El gas natural, es una mezcla de componentes y es por ello que el peso moleculardel gas se obtiene sumando la fraccin molar de cada i-esimo componente por su
respectivo peso molecular.
Ec. 2.13.Dnde:
2.14. GRAVEDAD ESPECFICA (GE)
Es la relacin de la densidad de una sustancia a la densidad de una sustancia de
referencia. Para efectuar la relacin entre ambas sustancias, es necesario que
ambas se encuentren a la misma presin y temperatura. Si asumimos uncomportamiento de gas ideal para ambas sustancias, la gravedad especfica se
puede expresar en funcin de los pesos moleculares de cada sustancia.
GE = GEgas / GEaire o GE = PMg / PMaire Ec. 2.14.
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Dnde:
GE: Gravedad especfica.
GEgas: gravedad especifica del gas.
GEaire: gravedad especifica del aire.
2.15. CONSIDERACIONES TERMODINMICAS
2.15.1.VOLUMEN ESPECFICO Y DENSIDADEl volumen especfico de una sustancia es definido como el volumen por unidad de
masa o mol y es representado por el smbolo v. La densidad de una sustancia es
definida como la masa por unidad de volumen, y es por lo tanto el recproco del
volumen especfico. La densidad es designada por el smbolo . El volumen
especfico y la densidad son propiedades intensivas.
Ec.2.15.
Ec.2.16.2.15.2.SISTEMA
Un sistema es la regin del espacio, definida por un observador, que se desea
estudiar. Est rodeada por una superficie denominada frontera o lmite. Estos
lmites pueden ser reales o ficticios, fijos o mviles. La regin exterior a los lmites
de un sistema y contigua a l constituye sus alrededores. El conjunto de sistema,
frontera y alrededores se conoce usualmente como universo.
Los sistemas termodinmicos generalmente se clasifican en dos grandes
categoras: sistemas cerrados y abiertos.
Sistemas cerrados:son aquellos en los cuales NO hay flujo de materia a travs de
los lmites del sistema. El sistema cerrado siempre contiene la misma cantidad de
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materia. No intercambian masa pero s pueden intercambiar energa. Un caso
particular de sistema cerrado es el que se llama aislado, el cual no intercambia
materia ni energa con otro sistema o con sus alrededores.
Sistemas abiertos: son aquellos en los cuales existe intercambio de materia a
travs de las fronteras. Puede ser que en un sistema abierto el cambio neto de
masa sea igual a cero, es decir, que el flujo de masa que entra al sistema sea igual
al flujo de masa que sale del mismo. En el caso de los sistemas abiertos la frontera
o lmite suele llamarse volumen de control.
De acuerdo a los intercambios con los alrededores se pueden clasificar los lmites
de un sistema como:
Impermeables o permeables: de acuerdo a que haya o no flujo de masa atravs de ellos
Rgidos o mviles: si se efecta o no trabajo. Adiabticos o diatrmicos: cuando no se transfiere calor o la transferencia
de calor es instantnea
2.15.3.FASE Y ESTADOUna fase est definida como una cantidad de materia homognea en todas suspartes. En la naturaleza existen comnmente cuatro fases: slida, lquida, gaseosa
y plasma.
El estado de una sustancia est conformado por el conjunto de parmetros fsicos
que describen por completo la forma en que existe dicha sustancia.
2.15.4.PROCESO Y CICLOUn proceso ocurre cuando el sistema pasa de un estado termodinmico a otro.Existen procesos termodinmicos donde una de las propiedades permanece
constante, ellos reciben nombres especficos, a saber:
Propiedad constante:
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Temperatura Proceso Isotrmico
Presin Proceso Isobrico
Volumen Proceso Isocrico o Isomtrico
Un ciclo es un proceso o conjunto de procesos que hacen regresar al sistema a su
estado original.
2.15.5. DIAGRAMA P,V,TLos estados de equilibrio de una sustancia simple compresible pueden
representarse como superficie tridimensional. La figura 2 muestra un diagrama
cualitativo de una sustancia.
Fig.2. Diagrama P,V,T para una sustancia que se contrae al solidificar
Fuente: Termodinmica tcnica. Carlos Cruz, Pag.23
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Un punto de estado representado en la figura 2 sobre la lnea de separacin de
una regin monofsica a otra bifsica se conoce como estado de saturacin. La
lnea curva que separa de la regin liquido vapor, lnea a-m-c, se conoce como
lnea de lquido saturado y cualquier estado representado por un punto sobre esta
lnea se conoce como un estado lquido saturado. De igual manera, los estados
representados sobre la curva c-n-b, son estados de vapor saturado.
El punto de estado donde la lnea de lquido saturado y vapor saturado se llama
punto crtico. La existencia del punto crtico demuestra que la distincin entre la
fase liquida y gaseosa.
2.15.6.DIAGRAMA PRESIN-TEMPERATURALa superficie P-V-T puede proyectarse sobre el plano p-v y el plano T-v, y el p-T
En la figura 3 un punto de estado a lo largo de la curva de vaporizacin la presin y
la temperatura en este estado se conoce como la presin de saturacin y la
temperatura de saturacin, la presin de saturacin se conoce como la presin de
vapor. Otro estado nico de la materia est representado por el punto triple y
sealado como estado triple, implica que en este estado coexisten las tres fases.
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Fig.3 Diagrama P-T para una sustancia pura
Fuente: Termodinmica tcnica, Carlos Cruz. Pag.24
2.15.7.DIAGRAMA PRESIN-VOLUMEN ESPECFICOEn la figura 4 se muestra la proyeccin de la superficie P, V, T sobre el plan P-V.
Donde se puede representar un punto en la regin bifsica indicando que es una
mezcla lquido y vapor saturado.
En el diagrama presin volumen se observa las regiones de lquido comprimido,
zona de lquido-vapor y la regin de vapor sobrecalentado.
Se denomina lquido comprimido o lquido sub enfriado, a un lquido que est
sometido a una presin mayor de equilibrio lquido-vapor correspondiente a la
temperatura que se encuentra, es decir cuando no est a punto de evaporarse.
Un lquido a punto de evaporarse se llama lquido saturado, se encuentra en
condiciones de equilibrio con su vapor.
Un vapor que est a punto de condensarse se llama vapor saturado.
Se denomina vapor sobrecalentado a un vapor que se encuentra a una
temperatura superior a la de equilibrio con su lquido correspondiente a la presina que est sometido.
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Fig.4 Diagrama P-V
Fuente: Termodinmica Tcnica, Carlos Cruz. Pag.24
2.15.8.TRABAJOSe define el trabajo (w) como la transferencia de energa, sin transferencia de
masa, a travs de la frontera de un sistema debido un gradiente de potencial
distinto a la temperatura, y se dice que el trabajo es ejecutado por un sistema
sobre su entorno si el nico efecto externo en el sistema fuera el movimiento
mecnico.
Trabajo realizado sobre el sistema:- (negativo)
Trabajo realizado por el sistema: + (positivo)
2.15.9.CALOREl calor es una forma de energa que se transfiere debido a una diferencia de
temperatura.
Calor que entra al sistema:+ (positivo)
Calor que sale del sistema: -(negativo)
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2.16. LIQUIDOS DEL GAS NATURALLos lquidos del gas natural comprenden los componentes que se pueden extraer
de una corriente de gas rico; Estos, comnmente llamados lquidos del gas natural
(LGN, en ingles NGL), incluyen etano, propano, butanos, y gasolina natural
(condensado). Para producir el LGN se requiere un seco (Metano) puro, que solo
puede ser obtenido en una planta de extraccin de lquidos. La recuperacin de los
componentes del NGL en el gas no solo se realiza como mtodo de control del
punto de roci de la corriente de gas natural, ya que el LGN generalmente tienen
un valor ms alto como productos separados que como parte de la corriente del
gas natural. Las fracciones LGN ms livianas, como el etano, propano y los butanos,
pueden venderse como combustibles o materias primas de refineras y plantas
petroqumicas, mientras que las porciones ms pesadas pueden utilizarse como
cortes en el blending de naftas.
Del gas natural, se extrae el Etano, Propano y Butano, que son la materia prima
para la industria petroqumica que trasforma mediante procesos industriales
producen plsticos, accesorios, etc. El Etileno es introducido a un proceso de
polimerizacin, as convirtindose en polietileno de alta densidad (PEAD) el
Polietileno de Baja Densidad (PEBD); el Policloruro de Vinilo (PVC); el Polipropileno(PP) y el Polietileno Teraftalato (PET). GLP (Propano + Butano).
2.17. PROCESOS DE SEPARACIN DE LQUIDOS DEL GAS NATURALLos procesos de remocin de los hidrocarburos pesados de la corriente de gas
natural se conocen como extraccin de lquidos del gas natural. Estos
hidrocarburos lquidos, conocidos como lquidos del gas natural (LGN) estn
conformados principalmente por etano, propano, butanos y gasolina natural. Larecuperacin de dichos componentes se requiere no solo para el control de punto
de roco de hidrocarburos en la corriente de gas natural, con el fin de evitar la
formacin de una fase lquida durante el transporte y asegurar la especificacin
para una entrega y combustin segura, sino tambin debido a que estos
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componentes son una fuente atractiva de ingresos, ya que tienen un valor
significativamente ms grande cuando son vendidos por separados.
El nivel deseado de recuperacin de LGN es establecido muchas veces por la
diferencia entre el precio de venta de este como lquido y como combustible, lo
que se conoce como valor de reduccin.
El comportamiento de fases del gas natural es funcin de la presin y temperatura.
Cualquier enfriamiento que se realice fuera de la zona de condensacin
retrgrada, inducir la condensacin y llevar a la obtencin de lquidos del gas
natural (Mokhatab, Poe & Speight, 2006). Basados en este comportamiento se
describen los diferentes procesos.
2.17.1.REFRIGERACIN MECNICALa refrigeracin mecnica es el proceso ms simple y ms directo para la
recuperacin de LGN. La refrigeracin mecnica o externa es suplida por un ciclo
de refrigeracin y compresin de vapor que utiliza propano como el refrigerante y
compresores centrfugos o reciprocantes para mover el refrigerante desde las
condiciones de operacin de baja presin a las de alta presin.
En la figura 5 se presenta un esquema de este tipo de proceso, en este esquemapuede verse que el gas de entrada es pre-enfriado en el intercambiador de calor
gas-gas usando la corriente de gas de salida del separador, para as de este modo
aprovechar parte de la energa utilizada para la refrigeracin. El enfriador es una
unidad de tubo y carcasa tipo Kettle, en el cual el gas pasa por los tubos y le
transmite la energa al lquido refrigerante que rodea los tubos. El refrigerante se
vaporiza y deja el enfriador esencialmente como vapor saturado. Si hay presente
agua, la formacin de hidratos es prevenida por la inyeccin de un inhibidor dehidratos, como el metanol.
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Figura 5. Esquema del proceso de refrigeracin mecnica
Fuente: Geist, 1985, citado en Mokhatab, Poe & Speight, 2006
2.17.2.AUTO-REFRIGERACINComo se observa en la figura 6 en oposicin a la refrigeracin externa, en los
procesos de auto-refrigeracin el gas de entrada es pre-enfriado usando el gas
tratado, a travs de un intercambiador gas-gas, y luego se enfra an ms por una
expansin isoentlpica, o expansin Joule-Thomson, a travs de una vlvula, esto
produce que los hidrocarburos pesados y el agua condensen. En este proceso el
comportamiento no ideal del gas de entrada causa que la temperatura del gas
disminuya con la reduccin de presin, y el cambio de temperatura depende
principalmente de la cada de presin.
Los lquidos condensados son removidos en uno o ms separadores para alcanzar
las especificaciones de presin de vapor y composicin, el gas de salida del
separador de baja temperatura, que satisface dichas especificaciones es calentado
usando el gas de entrada. En muchos casos el gas tratado debe ser comprimido
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nuevamente a la presin de la lnea de distribucin requerida, ya que ha sido
expandido hasta una presin ms baja, esto penaliza el proceso debido a que tiene
que tomarse en cuenta el requerimiento de potencia de recompresin. Por esto el
proceso es favorecido cuando el gas es producido a una muy alta presin y puede
ser expandido hasta la presin de la lnea de distribucin sin necesidad de
compresin.
Figura 6. Esquema del proceso de auto-refrigeracin
Fuente: Brands & Rajani, 2001, citado en Mokhatab, Poe & Speight, 2006
El enfriamiento en este proceso est limitado con frecuencia por la temperatura de
formacin de hidratos a la presin aguas arriba de la planta de extraccin, a menos
que se le inyecte un inhibidor de hidratos, como por ejemplo, el metanol o glicol.
En este caso, el condensado compuesto de hidrocarburos y glicol hmedo son
calentados y separados en un separador trifsico, luego de esto el glicol puede ser
regenerado en una columna despojadora.
Este proceso es muy efectivo si el objetivo es recobrar etano o mayor cantidad de
propano que la obtenida por refrigeracin mecnica, la auto-refrigeracin es
aplicable particularmente para volmenes de gas pequeos, de 5 a 10 MMSCFD.
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2.17.3.REFRIGERACIN CRIOGNICACuando la presin disponible es insuficiente para alcanzar el punto de roco
requerido con el proceso de auto-refrigeracin, la refrigeracin criognica puede
ser considerada. Los procesos de refrigeracin criognica se usan tradicionalmente
para la recuperacin de lquidos del gas natural, debido a que an cuando tienen
un alto costo de capital poseen bajos costos operacionales; sin embargo,
contienen numerosas partes movibles y son complicadas de operar (Ewan et al.,
1975)
En la figura 7 se muestra un esquema de este tipo de plantas, las mismas se
caracterizan por el uso de una turbina de expansin, en sustitucin del enfriador y
de la vlvula JT usada en la refrigeracin mecnica y la auto-refrigeracin
respectivamente, por lo cual son conocidas como plantas turbo-expansoras.
Figura 7 Esquema del proceso refrigeracin criognica
Fuente: Ewan et al., 1975, citado en Mokhatab, Poe & Speight, 2006
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El gas que entra a la planta se expande, esta energa proporcionada por la
expansin es suplida en forma de trabajo a la turbina, lo que produce una
reduccin de la entalpa del gas, y de esta manera se alcanza una disminucin de la
temperatura an mayor que la alcanzada por el procesos JT simple (entalpa
constante). La turbina puede estar conectada a un compresor, el cual vuelve a
comprimir el gas con una pequea prdida en la presin total.
2.17.4.PROCESOS DE ABSORCIN EN ACEITE POBREEl mtodo de absorcin para recuperacin de lquidos del gas natural es muy
similar al usado para endulzamiento y para deshidratacin. En este caso se utiliza
un aceite pobre como medio de absorcin, el cual tiene una gran afinidad por los
hidrocarburos pesados (C3 C7+). En la figura 8 se muestra un esquema de este
tipo de plantas, el gas a ser procesado es puesto en contacto con el aceite de
absorcin (aceite pobre) en una columna empacada o de platos, la cual opera
tpicamente a la temperatura ambiente y a una presin cercana a la del gas de
venta.
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Figura 8. Esquema de una planta de absorcin con aceite
Fuente: Rojey et al., 1997, citado en Mokhatab, Poe & Speight, 2006
El gas que sale por el tope es enviado hacia los consumidores finales, mientras que
el aceite ahora rico en hidrocarburos pesados se expande para liberar la mayor
parte del metano absorbido, y luego se dirige hacia el sistema de regeneracin. La
recuperacin de lquidos es tpicamente 99% del butano y la gasolina natural, 65-
75% del propano, y 15-25% del etano contenido en el gas.
2.17.5.PROCESOS DE ADSORCIN EN LECHO SLIDOEste mtodo usa adsorbentes, como slica gel o carbn activado para adsorber los
hidrocarburos pesados presentes en el gas natural. El esquema de procesos de
este tipo de plantas se presenta en la figura 9.
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Figura 9. Esquema de una planta de adsorcin en lecho slido
Fuente:Foglietta, 2004, citado en Mokhatab, Poe & Speight, 2006.
El proceso es continuo respecto al gas, pero cclico respecto al lecho adsorbente,
debido a que este debe ser regenerado cuando se satura con los hidrocarburos. La
regeneracin se hace utilizando gas caliente reciclado, los lquidos del gas natural
es recuperado de ste mediante el enfriamiento, condensacin y separacin de
fases. Este proceso es apropiado para concentraciones bajas de hidrocarburos
pesados en el gas de alimentacin, o para gas a presiones cercanas a la
cricondenbara.
2.17.6.PROCESOS DE SEPARACIN POR MEMBRANAS
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Los procesos de separacin por membrana ofrecen una solucin simple y de bajo
costo, como alternativa a los procesos de refrigeracin y criognicos, para la
remocin y recuperacin de los LGN. En la figura 10 se muestra un esquemtico de
este tipo de plantas, en esta membranas pernean selectivamente los
hidrocarburos pesados en comparacin al metano. Los hidrocarburos perneados
son recuperados como lquidos despus de la recompresin y condensacin. La
corriente retenida, baja en contenido de hidrocarburos pesados es enviada como
la corriente de gas a venta.
Figura 10 esquema de una planta de separacin por membranasFuente: Foglietta, 2004, citado en Mokhatab, Poe & Speight, 2006
Las membranas utilizadas para este tipo de procesos son hechas principalmente de
polmeros vtreos, los cuales exhiben una buena selectividad difusional; sin
embargo, se han desarrollado y comercializado nuevas membranas de tipo elstica
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(Lokhandwala & Jacobs, 2000, citado en Mokhatab, Poe & Speight, 2006). Estos
sistemas son estos sistemas son muy adecuados para aplicaciones costa afuera.
2.18. PRODUCCIN DE GLP EN BOLIVIA.
Tabla N2. Produccin de GLP en la plantas de Bolivia criogenizacin, absorcin,
refrigeracin)
.
Fuente: cmara Hidrocarburifera de Bolivia.
Para ms detalle ver anexo N1.
CAPITULO 3
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3. PROCESO CRIOGNICO DE TURBO EXPANSIN PARA LA SEPARACIN DE LQUIDOSDEL GAS NATURAL.
3.1. SEPARACIN DEL GAS NATURAL DE SUS LQUIDOSEl gas natural, al igual que el petrleo, es una combinacin de hidrocarburos. En un
yacimiento de gas natural es posible encontrar gas natural combinado con petrleo,
con otros hidrocarburos e incluso en algunos casos con agua. No obstante, para que el
gas natural extrado del yacimiento pueda ser usado por los consumidores finales este
debe pasar por un proceso para obtener lo que se conoce como gas natural seco, es
decir, un gas natural al cual se le han extrado ciertos componentes que en conjunto
formarn lo que se conoce como lquidos de gas natural. Existen 3 tipos de
procedimientos para realizar esta separacin: el de absorcin, el de refrigeracin y el
de criogenizacin, siendo este ltimo el ms eficiente aunque es un poco ms costoso
que las opciones anteriores. Aun cuando el proceso de criogenizacin para la
separacin del gas natural de sus lquidos es un proceso complejo, presentamos una
breve descripcin del proceso:
Una vez extrado el gas natural (compuesto de metano, etano y lquidos en fasevaporizada) del yacimiento, el producto es trasladado hasta la unidad de
deshidratacin, en la cual se reduce la cantidad de agua presente en l a
pequeas cantidades (incluso partculas por milln).
Seguidamente, el gas natural pasa a un separador de baja temperatura, delcual se obtiene como resultado final gas natural hmedo por un lado y los
lquidos ms pesados de gas natural por otro.
El gas natural hmedo es enviado a una des-etanizadora tras haber pasado porun Turbo Expander en el cual se reduce la presin y la temperatura del
mismo. Producto de este proceso se obtienen el gas natural seco y lquidos
livianos de gas natural.
El gas natural es reducido en volumen para poder ser enviado a su siguientedestino.
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Por su parte los lquidos de gas natural resultantes estn listos para serenviados a almacenar, o en caso contrario, para ser enviados a la planta de
procesamiento respectiva.
3.1.1. IDENTIFICACIN DEL PROBLEMA DEL PROCESO CRIOGNICO.El problema esencial es el desabastecimiento de GLP en el mercado nacional, debido
al crecimiento significativo en la demanda de GLP y a la cada en la produccin del
energtico. Segn reportes del Instituto Nacional de Estadstica (INE), analizados por el
instituto Boliviano de Comercio Exterior (IBCE), Bolivia erog $us 1.390 millones para
importar combustibles y ($us 1.4 millones) se gast en GLP desde enero del 2006
hasta agosto del 2009. Los mayores abastecedores de GLP en el pas son Argentina y
Per.Despus de tener identificado el problema, se plantean algunas posibles soluciones
para cubrir el dficit de carburantes en el pas, entre estas rutas de solucin se tienen:
Aumentar la produccin del GLP Aumentar la produccin de Gasolina Aumentar la produccin del Diesel Utilizar GNC.
La materia prima necesaria para la recuperacin de GLP es el Gas Natural de la PlantaMargarita. La disponibilidad de la materia prima y la recuperacin requerida de GLP
para cubrir el mercado, hace que sea necesaria la construccin y puesta marcha de
una planta recuperadora de GLP en la Planta Margarita, que est ubicado en
Caipipendi en la jurisdiccin del departamento de Tarija.
El procesamiento del gas natural, consiste en separar las molculas de metano de las
otras molculas de hidrocarburos ms pesados como por ejemplo el etano, propano,
butano y pentano. La separacin de las molculas se la realiza sometiendo el
hidrocarburo producido a diferentes presiones y temperaturas y en base a la
diferencia de sus propiedades fsicas de cada uno de los componentes.
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Esta separacin se la realiza principalmente para facilitar el transporte de los
productos que se encuentran en distintas fases y para producir productos con
diferentes.
3.1.2. PROCESO DE FRACCIONAMIENTO DEL LGN.Consiste en varias etapas de separacin que se logran a travs de la destilacin, en la
que se produce la separacin de cada uno de los productos, como se muestra en el
diagrama de flujo N1 de Repsol YPF. En la columna De etanizadora se separa el etano,
en la De propanizadora se separa el propano, y en la columna De butanizadora por la
parte superior se obtiene el Gas Licuado de Petrleo y por la parte inferior la Gasolina
Natural10.
Fig. 11 Proceso de fraccionamiento del LNG.
Fuente: Estudio tcnico de la recuperacin del LNG, Villa montes.
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3.1.3. PROCESO DE ABSORCIN Y RECTIFICACIN.La disolucin de una parte o toda una mezcla gaseosa en un lquido se llama
absorcin. Uno de los procesos ms importantes para la Recuperacin de GLP es el de
absorcin en columnas de bandeja de burbujeo en las que circula a contra corriente el
absorbente (se usa gas ol o Kerosene como absorbente). El aceite absorbente rico en
hidrocarburos livianos es despojado de propano, butano y componentes de la gasolina
natural en otra columna llamada rectificadora (Stripper) y enviado de vuelta al
absorvedor. El gas natural libre de compuestos licuables es apto para ser bombeado a
los mercados previa eliminacin de vapor de agua contenido en el mismo para evitar
la formacin de hidratos. La deshidratacin se efecta por absorcin en soluciones de
glicol o por desecantes slidos.
Los lquidos recuperados por el proceso de absorcin son fraccionados en productos
estables, gas licuado, propano y butano, gasolina natural o condensado estabilizado.
Fig.12 Proceso de a absorcin y rectificacin.
Fuente: Estudio tcnico de la recuperacin del LNG, Villa montes.
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3.1.4. PROCESO CRIOGNICOLa planta criognica que se muestra en el diagrama de bloque, trabaja a
temperaturas muy bajas para que ciertos componentes del gas se condensen a
lquido. Los componentes del gas que se condensan forman una mezcla de
hidrocarburos lquidos conocidos como lquidos del gas natural (LGN), que
contienen valiosos hidrocarburos que pueden separarse en productos como el
propano- butano (GLP) y gasolina natural.
El proceso criognico es uno de los ms econmicos, es utilizado para la
recuperacin de etano y los hidrocarburos ms pesados, como el propano, butano
(GLP) y pentanos, hexanos componentes de la gasolina natural. Con este proceso
se obtiene ms del 85% de etano y todos de los hidrocarburos ms pesados
encontrados en el gas natural producido. La ventaja principal de la planta
criognica es su capacidad de recuperar un alto contenido de etano, propano y
butano.
El corazn de la planta criognica es una mquina llamada Turbo Expander o
simplemente expander.
El expander es una turbina que trabaja a presiones altas, para poder mover el eje
de la mquina, este emplea ciertos principios termodinmicos para producirtemperaturas sumamente fras, aproximadamente a -84C o -109C (-120 a -165
F). El gas que se extiende por la turbina que funciona movindose el eje, hace
que su energa interior se reduzca causando temperaturas y presiones muy bajas.
Las
temperaturas producidas son tan fras que pueden condensar los hidrocarburos
lquidos del gas natural (LGN), incluso el etano.
El eje de la turbina transmite el trabajo al compresor que se encuentra en el otroextremo del eje. El trabajo de este compresor es aumentar la presin del gas de
presin baja, despus de que el lquido del gas natural se ha condensado. Este gas,
llamado gas de residuo es el metano con una composicin > , es enviado a los
compresores para el transporte en tuberas o a reinyeccin.
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El resto de la planta criognica consiste en una torre fraccionadora que estabiliza
los productos recuperados del lquido del gas natural (LGN), separando cualquier
componente disuelto como el metano.
En el siguiente diagrama de bloque el gas a la entrada de la planta es un gas rico,
hmedo, saturado con vapor de agua debe deshidratarse para quitar
prcticamente todo el vapor de agua que contiene. Este debe alimentar a las
partes ms fras de la planta criognica que est seca y rica en hidrocarburos
lquidos del gas natural.
El flujo de gas a travs del fro se condensa y luego se bombea fuera como un
producto lquido. El gas residual est seco y pasa por el recompresor donde su
presin se aumenta para entrar en una lnea de transmisin de gas. Algunas
plantas criognicas requieren adicionalmente de refrigeracin para condensar
LGN. Un sistema de refrigeracin mecnico el cual se usa para este propsito.
Tabla N 3 Ventajas y desventajas de la separacin del LNG.
Fuente: Alternativas tecnolgicas para la recuperacin licuable del GN.
De la tabla anterior se puede observar que el proceso de fraccionamiento tiene 13
equipos. Este proceso requiere de presiones bajas de 86 a 411 PSIG y el gas de
alimento del proceso debe ser rico en hidrocarburos lquidos, libre de agua y debe
poseer un rendimiento del 80 %, por lo que este proceso resulta econmico.
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El proceso de Absorcin y rectificacin tiene 10 equipos. Este proceso requiere de
absorbentes como gasoil o kerosene y presiones de 250 a 450 PSIG. El gas de
alimento del proceso tiene un alto contenido de agua y de hidrocarburos lquidos,
y su capacidad de recuperacin de GLP es del 80 %, por lo que este proceso
resulta el ms caro. El proceso criognico es el ms completo, contiene 21 equipos
y opera a temperaturas bajas y presiones mayores a 1.200 PSIG. El gas de
alimento del proceso est libre de agua, con bajo contenido de hidrocarburos
licuables y posee una recuperacin de GLP mayor al 85 %. Por lo tanto este
proceso es el de mayor eficiencia y el ms econmico.
3.1.5. DESCRIPCIN GENERAL DEL PROCESO CRIOGNICO.El gas deshidratado ingresa al sistema y pasa por el intercambiador gas-gas y el
intercambiador gas-lquido y es enfriado por intercambio de calor con el gas
residual fro. La corriente de dos fases liquidovapor entra en el separador donde
se recupera el condensado y el gas se dirige al expander donde tiene lugar el
proceso de expansin sin adicin ni remocin de calor al sistema (proceso
isentrpico). La presin disminuye hasta igualar la presin de diseo del de
metanizador y el enfriamiento para alcanzar la temperatura de cabeza del demetanizador, generando trabajo que un compresor directamente acoplado al eje
del expander recupera para recomprimir el gas procedente de la cabeza del de
metanizador. El gas residual puede ser recomprimido adicionalmente hasta
alcanzar la presin de entrada al gasoducto.
El uso del Turbo expander para recuperar la energa del gas, permite
materialmente incrementar la refrigeracin y bajar la temperatura por debajo de
las condiciones que se puede obtener de un proceso adiabtico. El lquidocondensado en el separador de baja temperatura y el gas de descarga del
expander son enviados al de metanizador, el producto de fondo de esta columna
se enva al sistema de fraccionamiento de la planta para la recuperacin de gas
licuado y gasolina natural.
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La recuperacin de etano puede alcanzar el 90% o ms del contenido en la carga.
Virtualmente se puede recuperar el 100% de propano-butano e hidrocarburos ms
pesados contenidos en el gas de carga.
Fig.14 Diagrama de flujo del proceso criognico para la recuperacin del GLP.
Fuente: http://es.scribd.com/doc/90082499/recuperacion-de-glp, viernes 4- julio,
12:00a.m.
3.1.6. CONDICIONES DE OPERACINEnfriamiento del Gas: Para cumplir con una de las condiciones requeridas por el
proceso antes de la entrada del gas a la turbina de expansin, se debe enfriar el
gas a -40 F (40 C). Esta operacin se efecta por intercambio de calor con
corrientes de condensado y gases fros, provenientes del acumulador del
condensado frio, en los intercambiadores de gas gas y gas - condensado.
Expansin Isentrpica: La operacin se efecta en la turbina de expansin, la
corriente de gas que se encuentra a 1.000 PSIG, y a sufre una cada de presin a
500 PSIG y la temperatura baja a -100F (-73C).
http://es.scribd.com/doc/90082499/recuperacion-de-glphttp://es.scribd.com/doc/90082499/recuperacion-de-glphttp://es.scribd.com/doc/90082499/recuperacion-de-glp -
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La mayor parte del propano y los hidrocarburos ms pesados se condensan. La
expansin isentrpica produce energa que se utiliza para recomprimir el gas
residual. De etanizacin: El lquido acumulado en el separador de condensado fro
que contiene el propano y superiores (C3 y extrados de la corriente de gas por
enfriamiento, contiene adems un apreciable volumen de etano que debe ser
eliminado por no estar prevista su recuperacin en el diseo de la planta. Este
trabajo se efecta en la torre de etanizadora. Por la parte superior se recupera
etano y metanos contenidos en la carga, el producto de cabeza est constituido
por estos componentes. El producto de fondo constituye la carga de la torre
debutanizadora.
Fraccionamiento de Gas Licuado y Gasolina Natural: La corriente de condensado
procedente de la de etanizadora es enviada a la torre de butanizadora en calidad
de carga, por la parte superior de esta unidad se separa el GLP y por el fondo la
Gasolina Natural. Recompresin del Gas Residual: El gas seco residual procedente
del separador de condensado fro que luego de ser usado como medio de
enfriamiento en varios intercambiadores de calor, es recomprimido primero en el
compresor accionado por la turbina de expansin y luego en el recompresor, cuya
presin de descarga es de 1.440 PSIG, que es la presin de cabecera delgasoducto.
A continuacin se detalla de los principios bsicos tericos de cada equipo que
forman parte del proceso de turbo-expansin.
3.2. BASES TERICAS Y PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LOS EQUIPOS DELPROCESO DE TURBO-EXPANSIN
3.2.1. PAQUETE TERMODINMICO
ECUACIN DE PENG ROBINSON
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Ec. 3.1.
Ec.3.2.
Ec.3.3.Reglas de mezclado:
( ) Ec. 3.4. Ec.3.5.Dnde:
= Coeficiente de mezclado
= Coeficiente de mezclado
Ec.3.6. Ec. 3.7 Ec.3.8. Ec.3.9. Ec. 3.10
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Ec.3.11. Ec.3.12.
Dnde:
Z = Factor de compresibilidad (adimensional)
A,B= Parmetros de la ecuacin de Z (adimensional)
P = presin de operacin (atm, psia)
T= temperatura de operacin (k, F)
a, b = parmetro de la correspondiente de la ecuacin de Peng Robinson
m, = parmetro de la correspondiente de la ecuacin de Peng Robinson
3.2.2. TRANSFERENCIA DE CALORExisten 3 mecanismos de transferencia de calor, estos son: Conduccin,
Conveccin y radiacin.
3.2.2.1. TRANSMISIN DE CALOR POR CONDUCCINLa conduccin es el nico mecanismo de transmisin del calor posible en los
medios slidos opacos; cuando en estos cuerpos existe un gradiente de
temperatura, el calor se transmite de la regin de mayor temperatura a la de
menor temperatura, siendo el calor transmitido por conduccin Qk,
proporcional al gradiente de temperatura dT/dx, y a la superficie A, a travs de
la cual se transfiere, Fig. 1 es decir:
Ec. 3.13.
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Fig. 15. Convenio de signos para la transmisin del calor por conduccin.
Fuente: apuntes de transferencia de calor, autor: Pedro Fernandez Dez, pag. 7.
El sistema cuando este transporte de energa ocurre debido a una diferencia de
temperatura entre el sistema y su entorno. La segunda ley de termodinmica.
Estados de los que el calor siempre conoce sobre el lmite del sistema en la
direccin. El calor en el que la conduccin es la transferencia de la energa.
En metales los electrones trasladan su energa. En cuerpos slidos que no
transmiten la radiacin, la conduccin de calor lo es el solamente proceso para
la transferencia de energa. En gases y lquidos la conduccin de calor es
superpuesta.
La conductividad trmica de los lquidos decrece a medida que aumenta su
temperatura, pero el cambio es tan pequeo que en la mayor parte de las
situaciones prcticas, la conductividad trmica se puede suponer constante
para ciertos intervalos de temperatura; asimismo, en los lquidos no hay una
dependencia apreciable con la presin, debido a que stos son prcticamente
incompresibles.
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Fig. 16 Conductividad trmica de metales. Fig. 17 Conductividad trmica delquidos, slidos y gases.
Fuente: apuntes de transferencia de calor, autor: Pedro Fernandez Dez, pag. 10
3.2.2.1.1. TRANSMISIN EN UNA PARED PLANAUna aplicacin inmediata de la ley de Fourier corresponde al caso de la
transmisin del calor a travs de una pared plana, Fig I.2. Cuando las
superficies de la pared se encuentran a temperaturas diferentes, el calor fluyeslo en direccin perpendicular a las superficies. Si la conductividad trmica es
uniforme, la integracin de la ecuacin anterior proporciona:
Ec.3.14.En la que L es el espesor de la pared, T1 es la temperatura de la superficie de
la izquierda x = 0, y T2 es la temperatura de la superficie de la derecha x = L
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Fig. 18 Pared plana y pared compuesta
Fuente: apuntes de transferencia de calor, autor: Pedro Fernandez Dez, pag. 18
3.2.2.1.2. TRANSMISIN DE PAREDES EN SERIESi el calor se propaga a travs de varias paredes en buen contacto trmico,
como por ejemplo, en la construccin de capas mltiples, el anlisis del flujo de
calor en estado estacionario a travs de todas las secciones tiene que ser el
mismo.
Sin embargo, y tal como se indica en la Fig. 17 en un sistema de tres capas,
los gradientes de temperatura en stas son distintos. El calor transmitido se
puede expresar para cada seccin y como es el mismo para todas las
secciones, se puede poner:
Ec.3.15.Si se considera un conjunto de n etapas en perfecto contacto trmico el flujo
de calor es:
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Ec.3.16.3.2.2.1.3. TRANSMISIN DE CALOR DE PAREDES EN PARALELO
Las ecuaciones anteriores se pueden utilizar tambin en la resolucin de
problemas ms complejos, en los que la conduccin tiene lugar en paredes
dispuestas en paralelo. La Fig. 1.4 muestra un bloque formado por dos
materiales de reas A en paralelo; para su resolucin hay que tener en cuenta
que para una determinada diferencia de temperaturas a travs del bloque,
cada capa del conjunto se puede analizar por separado, teniendo presentes las
condiciones impuestas para el flujo unidimensional a travs de cada una de las
dos secciones.
Si la diferencia de temperaturas entre los materiales en contacto es pequea,
el flujo de calor paralelo a las capas dominar sobre cualquier otro flujo normal
a stas, por lo que el problema se puede tratar como unidimensional sin
prdida importante de exactitud. Como el calor fluye a travs de los dos
materiales segn trayectorias separadas, el flujo total de calor (que ser lasuma de los flujos:
Ec.3.17.En la que el rea total de transmisin del calor es la suma de las dos reas
individuales y la inversa de la resistencia total es igual a la suma de las inversas
de todas las resistencias individuales.
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Fig.19 Transmisin de calor a travs de una pared en paralelo.
Fuente: apuntes de transferencia de calor, autor: Pedro Fernandez Dez, pag. 23
3.2.2.2. TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCINLa propiedad fsica de los materiales que determina su capacidad para conducir
el calor es la conductividad trmica. La propiedad inversa de la conductividad
trmica es la resistividad trmica, que es la capacidad de los materiales para
oponerse al paso del calor, es el intercambio de energa interna, que es una
combinacin de la energa cintica y energa potencial de sus partculas
microscpicas: molculas, tomos y electrones.
Para el caso simplificado de flujo de calor estacionario en una sola direccin, el
calor transmitido es proporcional al rea perpendicular al flujo de calor, a la
conductividad del material y a la diferencia de temperatura, y es inversamente
proporcional al espesor:
Ec.3.18.
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3.2.2.3. TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACIN.Tipos de procesos: conduccin, conveccin y radiacin trmica. De hecho, la
emisin de radiacin puede llegar a ser el proceso dominante cuando los
cuerpos estn relativamente aislados del entorno o cuando estn a
temperaturas muy elevadas. As, un cuerpo muy caliente emitir, por norma
general, gran cantidad de ondas electromagnticas.
* Ec.3.19.Dnde:
P= Es la potencia radiada.
= es un coeficiente que depende de la naturaleza delcuerpo negro perfecto.
S = es el rea de la superficie que radia.
= es la constante de Stefan-Boltzmann, que tiene un valor de 5,67 10-8
W/mK4
T = es la temperatura absoluta
3.2.2.4. ECUACIONES DE CLCULO DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR.Transferencia por conveccin
Ec.3.20.Dnde:
q: Calor transferido
h: Coeficiente de conveccin.
A: rea de transferencia de calor: Delta de TemperaturaEcuaciones para tubos concntricos
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Ec.3.21Dnde:
q: Calor transferido
: Coeficiente global de transferencia de calor.A: rea de transferencia de calor
DTLM: Diferencia de temperatura logartmica media.
Ec.3.22.Dnde:
q: Calor transferido
w: Caudal de flujo por interior
Cp: Capacidad calorfica: Temperatura de salida del fluido frio: Temperatura de entrada del fluido frio
Ec.3.23.Dnde:
q: Calor transferido
W: Caudal de flujo por interior
Cp: Capacidad calorfica
: Temperatura de salida del fluido caliente
: Temperatura de entrada del fluido caliente Ec. 3.24.
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Dnde:
A: rea : Pid: dimetro l: longitud.
Diferencia de temperatura logartmica media
Flujo en Contracorriente
Ec.3.25Flujo en Paralelo
Ec.3.26.
Vapor saturado como fluido calefactor
Ec.3.27.Vapor saturado
Ec.3.28Dnde:: Temperatura de entrada del fluido frio: Temperatura de salida del fluido frio: Temperatura de entrada del fluido caliente
Temperatura de salida del fluido caliente
: Temperatura de vapor saturado (fluido caliente)calor latente del vapor.Longitud total
-
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Ec.3.29 Ec.3.30Dnde:= longitud total= longitud de paso= Nmero de horquillasCoeficiente de ensuciamiento global
Ec.3.31. Ec.3.32.Dnde:
= Coeficiente de ensuciamiento global
= Coeficiente de ensuciamiento interior= Coeficiente de ensuciamiento exterior= coeficiente de conveccin interior= coeficiente de conveccin exteriorCoeficiente global de transferencia de calor
Ec.3.33. Ec. 3.34.
-
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Dnde: Coeficiente global de transferencia de calor sucio
: Coeficiente global de transferencia de calor limpio
: dimetro externo del tubo: dimetro interno del tubo : coeficiente de conveccin lado interior: coeficiente de conveccin lado exteriork=coeficiente de transferencia de calor por conduccin.
Coeficiente de conveccin interior Re>2100
Ec.3.35 Ec.3.36.
Ec.3.37.Coeficiente de conveccin exterior
Ec.3.36 Ec.3.37. Ec.3.38. Ec.3.39.
-
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Ec.3.40.
()
Ec.3.41.
Dnde:= Coeficiente de conveccin exteriorRe= Nmero de reynols.
Pr = Nmero de prant.
= viscosidad
= Dimetro equivalente
Di= Dimetro tubo exterior lado interno
Do= Dimetro tubo exterior lado externo
3.2.2.5. LNG INTERCAMBIADOR MULTI-PASOSEl modelo de intercambiador de LNG (gas natural licuado) soluciona el calor y
los balances materia y energa, para intercambiadores de calor multipasos de
flujos y redes de intercambiador de calor. Se puede especificar varios
parmetros, Incluyendo la prdida o fuga de calor, coeficiente global de
transferencia de calor UA. Dos enfoques de una solucin son empleados, la
solucin es calculada directamente de una energa que mantiene en el
equilibrio. En el otro caso un enfoque iterativo puede ser usado para intentar
determinar la solucin que no satisface solamente el balance de energa,
adems algunas restricciones, El LNG tiene en cuenta flujos mltiples mientras
el cambia este calor admite solamente un flujo de equipo caliente y un flujo de
equipo frio. El modelo de intercambiador de LNG dinmico lleva a cabo la
energa y el material mantiene el equilibrio para un intercambiador de calor de
tipo de placa - aleta de clasificacin modelo. El LNG dinmico es caracterizado
como tener un rea de alta densidad, admitiendo el intercambio de calor
tpicamente incluso cuando bajan las pendientes de temperatura y coeficientes
-
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de transferencia de calor existen entre las capas en la operacin de LNG.
Algunas caractersticas muy importantes en el modelo dinmico de operacin
incluye:
Una alternativa de especificacin de presin. Los modelos circulan a travs de la operacin de LNG. Un modelo dinmico, que explica la demora de energa hacia dentro Las paredes de metal y las capas de torrente materiales. Transferencia de calor entre las capas depende del arreglo de los
torrentes,
Propiedades de metal, y eficiencia de aleta y bypass. Operacin de LNG de zona mltiple. Es posible hacer un modelo de cruz
y la circulacin de mostrador, las configuraciones de multi-paso dentro
de la operacin de LNG.
Un modelo de prdida de calor, que da cuenta de la conveccin y latransferencia de calor conductora que ocurre al otro lado de la pared.
Los clculos en el LNG estn basados en el balance de energa para los fluidos
caliente y frio. La siguiente relacin general es aplicada en la unidad de
operacin del LNG. Ec. 3.42.Dnde:
M = flujo de fluido= densidadH = Entalpia
= calor ganado en el interior por conveccin= calor ganado en el exterior por conveccinV = volumen
-
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En el LNG la dinmica construye y forma las ecuaciones de transferencia de
calor conductoras en los clculos dinmicos para explicar la fase trmica del
metal para tantas placas como aletas.
Ec. 3.43. Ec. 3.44Dnde:= Masa de la pared
= Capacidad calorfica
= Temperatura de paredt = tiempo= calor de entrada o salida= Conductividad de transferencia de calork = Conductividad del metal
A = rea de transferencia de calor
= Temperaturas en la pared.
3.2.2.5.1. CADA DE PRESIN DEL LNGLa cada de presin se da por una prdida significativa de presin en relacin
de entrada y salida del intercambiador multipasos esto se da en cada capa
hacia dentro el LNG la operacin puede ser determinad de dos maneras:
Especificar la cada de presin. Definir la relacin de presin en el flujo para cada punto especificando
el valor.
Si la alternativa de circulacin de presin es elegida por la cada de presin la
determina en el LNG, un valor de k es usado de relacionarse la prdida de
presin de friccin y circulacin a travs del intercambiador.
-
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Esta relacin es similar a la ecuacin general de una vlvula.
Ec.3.44.Esta ecuacin general de flujo es usada en la cada de presin a travs del
intercambiador de calor haciendo las contribuciones de cabeza estticas la
cantidad debe ser definido como la prdida de presin de friccin que es usada
a la medida del LNG con el valor respectivo. Lo importante para este valor no
es un valor de UA en conjunto que est en estado regular excepto que
simplemente para la transferencia de calor por conveccin del torrente
especial en cuestin con su entorno inmediatos.
3.2.2.5.2. ESPECIFICACIONES DINMICAS MNIMAS PARA RESOLVER LA UNIDAD DEOPERACIN LNG
Tabla N 4 Especificaciones en el LNG
Especificacin Descripcin
Zona del tamao Las dimensiones de cada zona del
LNG es una especificacin de la
operacin, toda la informacin en
el tamao puede ser ms
completada. El tamao se puede
modificar en el nmero de zonas.
Clasificacin de capa o entrada La clasificacin individual de cada
parmetro en la zona debe ser
especificada. Toda la informacin
en la clasificacin puede ser
-
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completada en la pgina de
configuracin.
Transferencia de calor Especificar todos los coeficientes
de transferencia de calor U, UA.
Esta especificacin puede
realizarse en la configuracin de la
pgina del intercambiador de
calor.
Cada de presin Debe especificarse toda delta P
(dP), todo valor de presin del
LNG.
Especificar la cada de presin o
verificar con detalle en la
configuracin de la pgina.
Conexiones Cada etapa en cada zona debe ser
especificada con una alimentacin
y un producto. Completar lasconexiones de cada zona de
grupo.
Fuente: AspenTech\Documentation\Aspen Engineering V7_3\Aspen HYSYS. Pag.
12.
3.2.2.6. ENFRIADOR DE AIRE COOLER (POR CONVECCIN FORZADA)La operacin de unidad ms fresca area usa una mezcla de aire ideal como un
eliminador de calor al transferir el medio para enfriar (o calentar) un fluido de
proceso de entrada requera la condicin de torrente de salida. Uno ms uno
-
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los ventiladores circulan y al ventilarse a travs de manojos de tubos para
enfriar fluidos de proceso. La corriente de aire puede ser especificada o
calculada. El aire en el enfriador soluciona diferentes especificaciones por
ejemplo:
Coeficiente de transferencia de calor en conjunto, UA Flujo de aire total Temperatura en el flujo de salida
El enfriador de aire usa en alguna ecuacin bsica como los calentadores, la
operacin de unidad de intercambiador; sin embargo, la operacin ms fresca
ser poder hacer el clculo de la circulacin de aire sobre la base necesaria de
informacin clasificada. Los clculos ms frescos estn basados en un balancede energa entre el aire y el flujo de fluidos de proceso. Para un aire cruzado, el
balance de energa es calculado de la siguiente manera:
Ec.3.45.Dnde:
: Flujo de la corriente de aire: Flujo de corriente del procesoH : entalpia
El deber del aire en el enfriador es retirar calor por conveccin, la perdida de
calor del flujo de fluido es exotrmico, El rea disponible para el intercambio
de calor es muy importante ya que hace posible el retiro del calor necesario y
la diferencia de temperatura es media en relacin a las condiciones de
operacin.
Ec. 3.45.
-
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Dnde:
U: coeficiente global de transferencia de calor.
A: rea de transferencia de calor.
DTLM: Diferencia media logartmica de diferencia de temperatura
f: Factor de correccin.
El DTLM tiene su factor de correccin, Ft es calculado de la geometra y
configuracin del enfriador con aire.
3.2.2.6.1. FUNCIONALIDAD DINMICAEl tubo ms fresco de aire es capaz de almacenar existencias de la misma
manera que las otras operaciones de unidad dinmicas. La direccin del calor a
travs de la heladera de aire por la que la operacin es gobernada. El enfriador
con aire utiliza las mismas ecuaciones de balance de energa bsica en las
unidades de operacin del intercambiador de calor, los clculos del enfriador
con aire estn basados en el balance de energa entre el aire y los flujos del
proceso.
Balance de energa en el enfriador (cooler)
( ) ( ) Ec.3.46Dnde:
M = flujo de masa (de entrada o salida)
H = entalpia (de entrada o salida)
Q = calor ganado o perdido.
3.2.2.6.2. ESPECIFICACIONES DINMICAS DEL ENFRIADOR (COOLER)HYSYS requiere todas las especificaciones en orden para la operacin unitaria
del enfriador de aire resuelve el modo dinmico.
-
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Tabla N 5 Especificaciones dinmicas.
Descripcin Descripcin
Generales UA Lo general este producto del
coeficiente de transferencia (U) y
toda el rea viable para
transferencia de calor, tu puedes
especificar los valores de UA en la
pgina de parmetros designada
en la tabla.
Clasificacin de informacin
importante
La clasificacin de caracteres de
informacin, el flujo y
propiedades de enfriamiento.
HYSYS provee 2 metodos de
determinacin para clasificar la
informacin importante.
Para el enfriador con aire el
mtodo designado, especifica las
siguientes variables en el tamao
de la pgina clasificada.
- exigir velocidad
Velocidad designada
Flujo designado
Mxima aceleracin
La velocidad del flujo de masa de
aire
La variable sigue parmetros.
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Cada de presin HYSYS provee dos opciones para
determinar la cada de presin
entre los flujos de entrada y salida
del proceso.
- especificacin de la cada de
presin (vlvula constante )
Calcula la cada de presin
Fuente: AspenTech\Documentation\Aspen Engineering V7_3\Aspen HYSYS. Pag.
12.
3.2.2.6.3. CADA DE PRESIN EN EL ENFRIADOR (COOLER)La cada de presin en el enfriador con aire se determinada por lo siguiente:
Especificar la cada de presin
Este mtodo asume que la diferencia de presin entre el flujo de entrada y el
flujo de salida. Estos mtodos son aplicados porque ambos estabilizan el
proceso en modo dinmico.
Define la relacin de recirculacin de presin en el aire ms fresco
Este mtodo asume que la diferencia de presin entre el flujo de entrada y el
flujo de salida vara en funcin del tiempo. Este mtodo es aplicado solo en
modo dinmico.
Si la alternativa de circulacin de presin es elegida para la determinacin de
presin en el aire ms fresca, es bueno relatar que la relacin es similar a la
ecuacin de vlvula general.
Ec.3.47.
-
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La ecuacin de circulacin general usa el salto de presin a travs el
intercambiador de calor sin cualquier contribucin de cabeza esttica. La
cantidad , Est definido como la prdida de presin de friccin de lacul es usada para "Dimensionar" la heladera de aire.
La siguiente informacin que es requerida por el HYSYS a calcular el valor en
modo de estado federal regular.
Definicin completa de entrada y salida en los flujos del proceso (obtener la
circulacin y el valor variable de la densidad).
La diferencia de presin entre el flujo de entrada y salida.
Resolver la operacin del enfriador de aire.
Clculos del enfriador (cooler)
Velocidad del flujo del aire
El flujo de aire puede ser calculado por la siguiente relacin linear.
Ec. 3.48.
Solo en modo dinmico, la velocidad actual algunas veces no es equivalente a
la demanda de velocidad. La velocidad verdadera despus de cada integracin
de tiempo es calculado segn:
Ec. 3.49
Ec. 3.50Cada contribucin en el enfriador de aire es sumado en la siguiente ecuacin.
Ec. 3.51
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3.2.2.6.4. ECUACIONES DEL INTERCAMBIADOR MULTIPASOS LNGCalculo de UA coeficiente global de transferencia de calor.
Ec. 3.52 Ec. 3.53Dnde:
: Coeficiente global de transferencia de calor sucio: Coeficiente global de transferencia de calor limpio: dimetro externo del tubo: dimetro interno del tubo : coeficiente de conveccin lado interior: coeficiente de conveccin lado exteriork=coeficiente de transferencia de calor por conduccinDiferencia de temperatura logartmica media
Flujo en Contracorriente
Ec.3.54Flujo en Paralelo
Ec. 3.55.Vapor saturado como fluido calefactor
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Ec.3.56.Vapor saturado
Ec. 3.57Dnde:: Temperatura de entrada del fluido frio: Temperatura de salida del fluido frio: Temperatura de entrada del fluido caliente
Temperatura de salida del fluido caliente
: Temperatura de vapor saturado (fluido caliente)calor latente del vapor Ec. 3.58
Ec. 3.59
Dnde:= Masa de la pared= Capacidad calorfica= Temperatura de paredt = tiempo= calor de entrada o salida
= Conductividad de transferencia de calor
k = Conductividad del metal
A = rea de transferencia de calor= Temperaturas en la pared
3.2.2.6.5. MODELOS DE ENFRIADORES
-
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El modelo permite que usted defina, En el modo dinmico los valores son
calculados por la siguiente ecuacin:
Ec. 3.60
Escala del factor de flujo. Ec. 3.61 Ec. 3.62 Ec.3.63Dnde:: Coeficiente global de transferencia de calor en modo dinmico. : Valor entero dentro de los parmetros de la pginadesignada.
Los parmetros dinmicos sobre los que grupo contiene la informacin delenfriador de aire, que es descrito en la siguiente tabla.
Tabla N 6 Parmetros dinmicos.
Parmetros dinmicos Descripcin
Volumen del fluido Especificar el volumen de flujo en
el enfriador de aire.
Flujo de masa El flujo de masa del proceso
puede ser calculado a travs del
enfriador de aire.
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Temperatura de salida La temperatura del flujo de salida
del proceso.
3.2.3. EQUILIBRIO DE FASESEl conocimiento de los fundamentos de la termodinmica del equilibrio entre fases
es indispensable para poder discutir las operaciones unitarias de transferencia
de materia destinadas a la separacin de mezclas. De hecho, la transferencia de
materia ocurre debido a que el sistema no se encuentra en equilibrio y por tanto,
los componentes se transfieren entre las fases en contacto hasta alcanzar el
equilibrio. Las composiciones de equilibrio dependen de ciertas variables como la
presin, la temperatura y la naturaleza qumica y la composicin de la mezcla
global.
Con el fin de simplificar la ecuacin abstracta de igualdad de potenciales qumicos,
Lewis defini una funcin denominada fugacidad que permite transformar la
condicin de igualdad de potenciales qumicos en igualdad de fugacidades. De esta
manera, la aplicacin de la condicin de equilibrio entre las fases y , a P y T
constantes, sera:
Ec. 3.64.
Donde el subndice i hace referencia a cada uno de los componentes de la mezcla.
La fugacidad de un gas puede interpretarse como una presin corregida, siendo
el coeficiente de fugacidad,i, el factor de correccin que recoge la desviacin del
gas de la idealidad. De esta manera, el clculo de la fugacidad vendra dado por la
siguiente expresin:
Ec.3.65
http://iq.ua.es/MetAprox/21_clculo_de_la_fugacidad_en_mezclas_gaseosas.html#apdo21http://iq.ua.es/MetAprox/21_clculo_de_la_fugacidad_en_mezclas_gaseosas.html#apdo21http://iq.ua.es/MetAprox/21_clculo_de_la_fugacidad_en_mezclas_gaseosas.html#apdo21http://iq.ua.es/MetAprox/21_clculo_de_la_fugacidad_en_mezclas_gaseosas.html#apdo21 -
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Resulta especialmente apropiada para calcular la fugacidad de fases no
condensadas (gases o vapores). En el caso de gases ideales, el coeficiente de
fugacidad es igual a la unidad y la fugacidad es igual a la presin parcial. En el caso
de gases no ideales, el coeficiente de fugacidad proporciona una medida de la
desviacin del comportamiento de gas ideal.
Por otro lado, se define la actividad de un componente, a i, como el cociente entre
la fugacidad de ese componente en la mezcla y la fugacidad en el estado de
referencia:
Ec.3.66
La temperatura del estado de referencia debe ser la misma que la del sistema, sin
embargo la composicin y la presin no tienen que ser necesariamente las mismas
(y de hecho generalmente no lo son). Tambin se define el coeficiente de
actividad (i), como la relacin entre la actividad del componente i y una medida
conveniente de la concentracin, que normalmente es la fraccin molar, y que
proporciona una medida de la desviacin del comportamiento del sistema con
respecto del comportamiento de mezcla ideal:
Ec. 3.67
Combinando las definiciones de actividad y coeficiente de actividad, se obtiene la
siguiente expresin para el clculo de la fugacidad, que ser especialmente
adecuada para el caso de fases condensadas:
Ec. 3.68
http://iq.ua.es/MetAprox/22_clculo_de_la_fugacidad_en_mezclas_lquidas.html#apdo22http://iq.ua.es/MetAprox/22_clculo_de_la_fugacidad_en_mezclas_lquidas.html#apdo22http://iq.ua.es/MetAprox/22_clculo_de_la_fugacidad_en_mezclas_lquidas.html#apdo22http://iq.ua.es/MetAprox/22_clculo_de_la_fugacidad_en_mezclas_lquidas.html#apdo22http://iq.ua.es/MetAprox/22_clculo_de_la_fugacidad_en_mezclas_lquidas.html#apdo22http://iq.ua.es/MetAprox/22_clculo_de_la_fugacidad_en_mezclas_lquidas.html#apdo22 -
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Por otro lado, cuando el equilibrio entre fases se calcula a travs de actividades,
como suele ocurrir en el caso de mezclas lquidas, se introduce el
denominadofactor de correccin de Poynting(i) para tener en cuenta el efecto
de la presin sobre la fugacidad del lquido. Esto debe hacerse ya que,
normalmente, el estado de referencia para los componentes de una fase lquida se
elige como el lquido puro a la temperatura del sistema, y el coeficiente de
fugacidad del lquido puro se evala para el vapor en equilibrio con ste que,
obviamente, se encuentra a una presin (la presin de vapor) que es diferente de
la del sistema. El factor de correccin de Poynting se calcula mediante la siguiente
expresin:
Ec. 3.69
Donde vi es el volumen especfico del lquido en el estado de referencia.
El factor de Poynting solo cobra importancia a presiones elevadas.
Utilizando todos estos conceptos, se define la relacin de equilibrio entre fases Ec.
Ki= yi/xi Ec.3.70
Siendo yiy xilas fracciones molares del componente i en cada una de las dos fases
en equilibrio, yi corresponde a la fase ligera y xia la fase pesada.
En el caso frecuente del clculo del equilibrio lquido-vapor, la expresin ms
conveniente de la relacin de equilibrio se obtiene combinando las ecuaciones,
para calcular la fugacidad del componente i en la fase vapor, para calcular la
fugacidad del componente i en la fase lquida:
Ec. 3.71.
http://iq.ua.es/MetAprox/2_clculos_de_equilibrio_entre_fases.html#ec6http://iq.ua.es/MetAprox/2_clculos_de_equilibrio_entre_fases.html#ec6http://iq.ua.es/MetAprox/2_clculos_de_equilibrio_entre_fases.html#ec6http://iq.ua.es/MetAprox/2_clculos_de_equilibrio_entre_fases.html#ec6 -
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la ecuacin puede simplificarse y, en el caso ms sencillo en que pueda
considerarse comportamiento de gas ideal y que la fase lquida se comporte como
una mezcla ideal, se obtiene la siguiente expresin, ampliamente conocida:
Ec.3.72
El clculo de la fugacidad en mezclas gaseosas se realiza a travs del coeficiente de
fugacidad, que proporciona una medida de la desviacin del comportamiento del
gas con respecto del gas ideal. De acuerdo con la termodinmica clsica, el
coeficiente ise puede obtener a partir de la siguiente ecuacin:
Ec.
3.73
Donde
Ec. 3.74
vi es el volumen molar parcial del componente i.
Como puede verse, se compara el volumen molar parcial del componente i con el
volumen molar del gas ideal. Esta ecuacin puede aplicarse sin problemas cuandose dispone de una ecuacin de estado, es decir, de la relacin matemtica entre V,
P, T y composicin, que permita evaluar el trmino correspondiente al volumen
molar.
Si se utiliza la ecuacin de estado peng robbinson, se llega a la siguiente expresin:
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Ec. 3.75
con Bmezcla dado por la ecuacin:
Ec. 3.76
con Bij= Bji.
Para gases puros no polares, puede usarse la correlacin propuesta por Pitzer y
Curl y por OConnell y Prausnitz para el clculo de Bij, en funcin de la temperatura
crtica, Tci, la presin crtica, Pci, y el factor acntrico, i.El factor acntrico tiene en
cuenta las diferencias en la forma de las molculas y es igual a cero para molculas
simtricas. Se calcula a partir de las curvas de presin de vapor y se define por la
siguiente ecuacin:
Ec.3.77
Donde Pioes la presin de vapor de i a la temperatura absoluta T = 0.7 Tci.
Segn esta correlacin, Biise calcula:
Ec.3.78
Donde los trminos f()y f(AS)representan, respectivamente, contribuciones
debidas a la polaridad de las molculas y la existencia de asociaciones o
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disociaciones entre stas. En el caso de gases puros polares, slo tendra un valor
distinto de cero el trmino f(NP). Para calcular cada uno de estos trminos:
Ec.3.79
Ec. 3.80.
Y, si el momento dipolar reducido es mayor o igual que 4, Ri 4:
Ec.3.81
Ec.3.82
y si Ri
-
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El momento dipolar reducido se calcula:
Ec.3.84
Donde i es el momento dipolar en Debye, Pci la presin crtica en atm y T ci la
temperatura crtica en K. ies un coeficiente que slo es distinto de cero para las
molculas que tienden a dimerizarse en fase vapor. Se obtiene por correlacin de
datos experimentales. Las contribuciones debidas al momento dipolar y a la
constante de disociacin son despreciables para TR> 0.95 ya que son muy dbiles
Para calcular los coeficientes Bijse utilizan las mismas ecuaciones de correlacin,pero reemplazando Pcipor Pcij, Tcipor Tcij, ipor ij, Ripor Rijy ipor ij. Las
nuevas constantes vienen dadas por las siguientes expresiones:
Ec. 3.85
Ec. 3.86
Ec. 3.87.
Donde Vcies el volumen crtico de i.
Ec. 3.86
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Ec. 3.87
Si una de las sustancias, i, es polar, y la otra, j, no, se aplica:
Ec. 3.88
Y si las dos son polares:
Ec. 3.89
Donde iHes el factor acntrico del homomorfo del cuerpo i, es decir, un
hidrocarburo con aproximadamente el mismo tamao y la misma forma que la
molcula polar.
El intervalo de validez de esta ecuacin es suficiente para los clculos de equilibrio
a presiones moderadas de mezclas que se desvan bastante de la idealidad. La
condicin, a menudo citada, de que el volumen molar de mezcla debe ser superior
a dos veces el volumen molar crtico, lleva normalmente a una presin mxima de
aplicacin del orden de 15 atm.
3.2.3.1. Clculo de la fugacidad en mezclas lquidasEl procedimiento ms til para calcular fugacidades de componentes de
mezclas lquidas consiste en definir una disolucin lquida ideal y utilizar el
coeficiente de actividad para proporcionar una medida cuantitativa de las
desviaciones de la idealidad. Se define una disolucin lquida ideal como
aqulla en que, a P y T constantes, la fugacidad de un componente es
proporcional a alguna medida de la concentracin:
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5/21/2018 Simulaci n en Aspen Hysys Del Proceso de Criogenizaci n de Turb1
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Ec. 3.90
Donde es una constante de proporcionalidad dependiente de P y T e
independiente de xi. Si la ecuacin se cumple para todo el intervalo decomposicin, se dice que la disolucin es ideal segn la Ley de Raoult, y la
constante de proporcionalidad es la fugacidad del componente puro a la T de la
disolucin (si el vapor se comporta como gas ideal, dicha constante de
proporcionalidad sera la presin de vapor). Una disolucin ideal es aquella en
que la fase vapor es un gas ideal (se encuentra a presin lo suficientemente
reducida), y todas las molculas de la fase lquida son virtualmente del mismo
tamao y entre ellas existen las mismas fuerzas intermoleculares de atraccin.Como consecuencia, la mezcla se desarrolla sin interacciones qumicas y la
entalpa molar parcial y el volumen molar parcial de cada componente son
iguales a la entalpa molar y al volumen molar correspondientes,
respectivamente