UNIDAD 3 Simulación Modular (Presentación)

UNIDAD 3

Simulación Modular

Las columnas de destilación constituyen un gran campo en la industria de procesos, ya que es una de las operaciones de separación por excelencia. Uno de los principales usos de la destilación es la refinación del petróleo, razón por la cual la literatura es más amplia para el modelamiento, el análisis y las recomendaciones para la operación. La industria del alcohol carburante y muchas otras industrias requieren operaciones de destilación un poco más exigentes, como es el caso de la destilación extractiva, la destilación azeotrópica y la destilación reactiva.

Columnas de destilación


Desde comienzos del siglo XX, se tenía conocimiento de los métodos cortos y rigurosos para el cálculo de columnas de destilación. En ese entonces, los métodos cortos se constituían en la herramienta primaria de diseño, ya que era necesario realizar los cálculos a mano y la implementación de métodos rigurosos era una tarea compleja que podía demandar varias días y algunas veces, semanas. El error derivado de la aplicación de métodos cortos era compensado con factores de sobrediseño.

La aparición de los computadores permitió dar el salto a la utilización de los métodos rigurosos y a un rápido desarrollo de los mismos con el fin de aplicarlos en el diseño de las columnas complejas. Los métodos rigurosos demostraron tener mayor exactitud, y por tanto en la actualidad son la herramienta más aplica de diseño, restringiendo el uso de los métodos cortos a cálculos preliminares que permitan determinar los valores aproximados de las principales variables de diseño (relación de reflujo, número de etapas teóricas , etapa de alimentación, etc.).


El concepto de etapa de equilibrio ha sido utilizado en el cálculo riguroso de columnas de destilación y aplicado en el modelamiento de operaciones de destilación, absorción, extracción líquido-líquido.En 1963, se desarrollaron modificaciones a dichos métodos que mostraron un considerable éxito, denominándolas el método teta. Posteriormente aparecieron los llamados métodos de punto de burbuja (BPM), los métodos de suma de flujo (SRM), los métodos de corrección simultánea (SCM) entre otros.


Columnas de destilación Módulos disponibles en Aspen Plus

La simulación de columnas comprende las operaciones de destilación, absorción y extracción líquido-líquido. Los simuladores cuentan con diferentes módulos para desarrollar estos cálculos, que de manera análoga a los equipos de transferencia de calor, emplean estrategias de cálculo corto y detallado de los equipos de separación.Así pues, con esta herramienta es posible desarrollar el diseño de equipos desde el análisis conceptual hasta el diseño de los internos y la evaluación detallada de equipos ya existentes.

Columnas de destilación Módulos disponibles en Aspen Plus

En conclusión, estos módulos pueden llegar a simular operaciones tan complejas como las destilaciones asistidas, absorbedores y destilaciones de crudo.Aspen Plus cuenta con una gran variedad de modelos para realizar los cálculos de columnas. Son nueve modelos, los cuales permiten desarrollar desde cálculos cortos hasta destilaciones complejas. Cada uno de ellos cuenta con diferentes opciones de convergencia y métodos de cálculo para las diferentes operaciones por simular.

Columnas de destilación Módulos disponibles en ASPEN PLUS

Métodos

Cortos

Métodos

Rigurosos

Rad Frac

Módulos disponibles en Aspen PlusMétodos Cortos

Los métodos cortos son procedimientos de cálculo sencillos desarrollados para relacionar las corrientes que entran y salen con el número de etapas de equilibrio especificadas teniendo en cuenta el equilibrio de fases del sistema. Se llaman así, debido a que implican un tratamiento global de las etapas sin considerar detalladamente los cambios de temperatura y composición en cada una de ellas, es decir, no se calculan perfiles internos.


Los métodos cortos permiten tener una idea aproximada del número de etapas necesarias, la relación de reflujo, la posición de la etapa de alimentación y la distribución de los componentes.Aspen Plus tiene implementados tres módulos para los cálculos cortos; estos son el DSTWU, el DISTL y el SCFrac. A continuación se presentan las características de cada uno de los módulos.

Ver tabla


Nombre Aplicación

DSTWU

Este módulo utiliza el método corto de Winn – Underwood – Gilliland para columnas simples. En este se especifica la recuperación deseada de los componentes definidos como clave liviano y clave pesado, y con estos parámetros definidos el método calcula: el número de etapas teóricas necesarias para la separación, la relación de reflujo mínima, la etapa de alimentación y las cargas caloríficas necesarias. Así mismo, es posible obtener gráficas de relación de reflujo contra número de etapas teóricas, para poder proponer un diseño en donde se cuente con los menores costos totales.


Nombre Aplicación

DISTL

Este módulo permite simular columnas multietapa con una corriente de alimento y dos productos (Rating). También se puede especificar si el condensador es total o parcial. El cálculo de las composiciones de salida se hace mediante la aproximación de Edmister; adicionalmente se suponen flujos equimolares y volatilidades relativas constantes.


Nombre Aplicación

SCFrac

Este módulo sirve para simular columnas de destilación complejas que cuenten con un único alimento; opcionalmente pueden tener corrientes de vapor de despojamiento y cuenta con cualquier cantidad de productos. Este modelo se utiliza principalmente para modelar unidades de crudo atmosféricas y a vacío. El cálculo asume volatilidades relativas constantes para cada sección y que el flujo del líquido de sección a sección es despreciable. Adicionalmente este módulo puede hacer cálculos para agua libre en el condensador.

Módulos disponibles en Aspen PlusMétodos Rigurosos

Un método riguroso modela una columna como un grupo de ecuaciones que son resueltas para calcular las condiciones de operación de la columna. Las especificaciones mínimas para el cálculo a través de un método riguroso son: Composición, flujo y condición termodinámica de las

corrientes de alimentación. Número de etapas de la columna. Requerimientos de separación.


Etapas de alimentación y las correspondientes facilidades de intercambio de calor, productos laterales, etc.

Perfil de presión de la columna.El grupo de ecuaciones por resolver se conoce como las ecuaciones MESH (Material, Equilibrium, Summation and Heat equations), y hacen referencia a las ecuaciones de balance de materia global y de componente, los balances de energía y las relaciones de equilibrio de fases.


Las ecuaciones MESH describen el comportamiento de una columna de destilación en estado estacionario y se obtienen a partir del concepto de etapa de equilibrio.Una etapa de equilibrio se asemeja a un separador de fases en estado estacionario que contiene corrientes de alimento líquido o vapor, cuya composición, temperatura y presión están definidas.


Las variables MESH, conocidas como las variables de estado de la columna, son: las temperaturas de las etapas, los flujos internos del líquido y vapor, y las composiciones de las corrientes de líquido y vapor que abandonan cada una de las etapas. Este conjunto de variables es el que se obtiene a partir de la resolución de las ecuaciones que describen la columna. En la siguiente figura se presenta una metodología breve con criterios de selección del algoritmo de cálculo para un problema específico.

Módulos disponibles en Aspen PlusRadFrac

Este es un modelo que permite simular todo tipo de operación de fraccionamiento vapor-líquido. Entre estas operaciones se incluyen:• Destilación simple.• Absorción.• Absorción con rehervidor.• Destilación extractiva y azeotrópica.• Destilación reactiva (equilibrio, conversión, electrolítica,

etc.).


Así mismo RadFrac puede calcular los siguientes sistemas:• Sistemas de dos fases.• Sistemas de tres fases.• Sistemas con puntos de ebullición muy cercanos o muy

alejados.• Sistemas que presentan un comportamiento fuertemente no

ideal.También puede manejar una fase de agua libre o una segunda fase líquida o sólidos en cualquier etapa de la columna.


Adicionalmente, el módulo permite realizar los siguientes cálculos:• Especificaciones de diseño sobre la columna.• Diseño y evaluación de platos y empaques de la columna.• Especificación de las eficiencias de Murphree para los cálculos

de las columnas.• Análisis térmico e hidráulico para una columna para modificar

las condiciones de operación y mejorar su desempeño.• Cuenta con algoritmos de convergencia: Inside-Out, Newton,

Sum-rates.

Columnas de destilación Módulos disponibles en ASPEN HYSYS

Columnas

Predeterminad

as

Cálculo Corto

Interfaz de

Columnas

Módulos disponibles en ASPEN HYSYSColumnas predeterminadas

Aspen HYSYS cuenta con diferentes columnas predeterminadas que corresponden a algunas de las configuraciones más frecuentes para las operaciones de separación.Todas estas columnas predeterminadas parten de los mismos modelos con los que cuenta la interfaz interna para columnas; sin embargo son ajustados según la aplicación para la que se necesite la columna junto con sus accesorios y modelos de convergencia, como se muestra en la siguiente tabla.


Icono Tipo de Columna

Columna con rehervidor y condensador (parcial o total)

Absorbedor con condensador (parcial o total)

Absorbedor


Icono Tipo de Columna

Absorbedor con rehervidor

Destilación de tres fases

Extractor líquido – líquido

Módulos disponibles en ASPEN HYSYSMódulo de Cálculo Corto

Aspen HYSYS cuenta también con un método para las columnas de destilación que utiliza el método de Fenske-Underwood para el cálculo de las columnas simples con reflujo. En este módulo se establece el reflujo mínimo de Underwood y el número mínimo de etapas de Fenske. Mediante una relación de reflujo especificada es posible calcular el flujo de vapor y líquido en las secciones de enriquecimiento y agotamiento, la carga del condensador y el rehervidor, el número de etapas ideales necesarias y la etapa óptima de alimentación.

Módulos disponibles en ASPEN HYSYSMódulo de Cálculo Corto

El método corto es solo un estimado del desempeño de la columna, y para este caso, está limitado únicamente a columnas con simple reflujo. Para obtener resultados más reales se debe usar un modelo riguroso de columna; sin embargo, el método corto calcula muy buenos estimativos previos para el uso de métodos rigurosos.

Módulos disponibles en ASPEN HYSYSInterfaz de Columna

En este módulo se presentan todos los equipos que podrían eventualmente, involucrar el diseño de una de estas mismas unidades de separación.

UNIDAD 3 Simulación Modular (Presentación)

Documents

Transcript of UNIDAD 3 Simulación Modular (Presentación)