intercambiadores de calor (1)

IQUI 2003-2-26
SIMULACION DE DISTINTOS MODELOS DE INTERCAMBIADORES DE
CALOR EN “ASPEN PLUS”
ANDREA ZÁRATE VELOZA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA
BOGOTÁ, ENERO 2004
IQUI 2003-2-26
SIMULACION DE DISTINTOS MODELOS DE INTERCAMBIADORES DE
CALOR EN “ASPEN PLUS”
ANDREA ZÁRATE VELOZA
TRABAJO DE GRADO
Profesor
EDGAR MAURICIO VARGAS
Ingeniero Químico
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA
BOGOTÁ, ENERO 2004
IQUI 2003-2-26
AGRADECIMIENTOS
El autor expresa sus agradecimientos a:
Edgar Mauricio Vargas, Ingeniero Quimico, Profesor de la Universidad de los Andes
y Asesor del Trabajo de Grado, por su orientación y confianza puesta en la elaboración
de este trabajo.
Néstor Rojas, Ingeniero Químico, Profesor de la Universidad de los Andes, por su
aporte y motivación a este trabajo.
Iván Darío Gil, Ingeniero Químico, por su dedicación, orientación, motivación y
paciencia para la culminación exitosa de este trabajo.
IQUI 2003-2-26
TABLA DE CONTENIDO
Pag.
INTRODUCCION
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
18
2. SOLUCION
18
3. OBJETIVOS
18
3.1 OBJETIVO GENERAL
18
3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
20
4. DESARROLLO DEL MANUAL Y EL CD
20
INTERACTIVO
20
5. TEORIA
20
5.1 PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
20
5.1.1 Transferencia de Calor
21
5.1.2
Teorías de Calor
21
5.1.3
Mecanismos de Transferencia de Calor
21
•
Conducción
22
•
Convección
23
•
Radiación
24
5.1.4
Diferencia de Temperatura
25
•
Coeficientes Totales de Transferencia de Calor
25
•
Promedio Logaritmico de la Diferencia de Temperatura
26
•
Fluido en Contracorriente
26
•
Fluido en Paralelo
26
5.1.5
Flujo en Contracorriente
•
Coeficientes de Película para Fluidos en Tuberías y Tubos
•
Fluidos que Fluyen en un Anulo: Diámetro Equivalente
•
Coeficientes de Película en Anulos
•
Factores de Obstrucción
27
27
27
28
29
IQUI 2003-2-26
•
Caídas de Presión en Tuberías y Anulos
30
•
Intercambiadores con Corrección por Viscosidad
30
5.1.6
Intercambiadores de Tubo y Coraza
30
•
Tubos para Intercambiadores de Tubo y Coraza
31
•
Espaciado de los Tubos
31
•
Corazas
31
•
Deflectores
31
•
Diámetro Equivalente al Lado de la Coraza
32
•
Caída de Presión al Lado de la Coraza
•
Caída de Presión en los Tubos
6. GENERALIDADES DE ASPEN PLUS
6.1 ¿QUE ES ASPEN PLUS?
6.1.1 Como Trabaja Aspen Plus
6.1.2 Modelo de Bloques
6.1.3 Componentes de Aspen Plus
6.1.4 Librerías de Aspen Plus
6.1.5 Propiedades Físicas de Aspen Plus
7. ASPEN PLUS PARA INTERCAMBIADORES DE CALOR
33
33
34
34
34
35
35
35
38
39
8. MODELOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
DESARROLLADOS EN ASPEN PLUS
8.1 MODELO HEATER
8.1.1 Corrientes
8.1.2 Características
8.1.3 Formatos
8.2 MODELO HEATX
8.2.1 Corrientes
8.2.2 Características
8.2.3 Formatos
8.3 MODELO MHEATX
41
42
42
43
43
47
47
48
48
52
IQUI 2003-2-26
8.3.1 Corrientes
8.3.2 Características
8.3.3 Formatos
9. FAMILIARIZACON CON EL AMBIENTE DE ASPEN
53
PLUS
54
9.1 HOJAS DE PROCESO
9.2 VENTANA PRINCIPAL
58
9.3 INTRODUCCIÓN AL USO DE ASPEN PLUS
58
10. DESARROLLO DE EJERCICIOS PRACTICOS
59
10.1 MODELO 1
60
10.1.1 Descripción del Proceso
61
10.1.2 Modelo del Proceso
61
10.1.3 Resumen de la Información
61
10.1.4. Diagrama en Aspen Plus
61
10.1.5 Explicación Paso a Paso de la Simulación
62
10.1.6. Resultados del Proceso
62
10.1.7 Comparación con Excel
63
10.2 MODELO 2
84
10.2.1 Descripción del Proceso
86
10.2.2 Modelo del Proceso
86
10.2.3 Resumen de la Información
87
10.2.4. Diagrama en Aspen Plus
87
10.2.5 Explicación Paso a Paso de la Simulación
87
10.2.6. Resultados del Proceso
88
10.2.7 Comparación con Excel
88
10.3 MODELO 3
102
10.3.1 Descripción del Proceso
102
10.3.2 Modelo del Proceso
103
10.3.3 Resumen de la Información
103
10.3.4. Diagrama en Aspen Plus
104
IQUI 2003-2-26
10.3.5 Explicación Paso a Paso de la Simulación
104
10.3.6. Resultados del Proceso
107
10.3.7 Comparación con el desarrollo del problema
108
IQUI 2003-2-26
LISTA DE FIGURAS
Pag.
Figura 1. Variación de la temperatura en un tubo concentrico para
flujos en paralelo y contracorriente con respecto a la longitud del
tubo.
25
Figura 2. Diámetros de los ánulos y localizacion de coeficientes.
28
Figura 3. Arreglos más usados en el diseño de intercambiadores de
calor.
31
Figura 4. Deflector más usado con corte de 25%.
32
Figura 5. Diagrama del modelo usado por Aspen Plus.
35
Figura 6. Ecuaciones de Efectividad Termica.
40
Figura 6.1. Ecuaciones para el Factor de Correccion.
40
Figura 7. Hoja de Conectividad para el modelo Heater.
42
Figura 8. Hoja de Conectividad para el modelo MHeatX
47
Figura 9. Hoja de Conectividad para el modelo MHeatX
53
Figura 10. Comparación Entre la Hoja de Proceso y el Diagrama
de Proceso en Aspen Plus
58
Figuraa 11. Ventana principal de Aspen Plus.
59
IQUI 2003-2-26
Figura 12. Modelo del problema 9.3
62
Figura 13. Diagrama del problema 9.3 en Aspen Plus.
63
Figura 14. Pantallas de acceso al programa Aspen Plus
63
Figura 15. Ventana pricipal de Aspen Plus
64
Figura 16. Ventana de muestra para mezcladora
65
Figura 17. Muestra del mezclador tipo Mixer
65
Figura 18. Diagrama del mezclador
66
Figura 19. Modelos para la librería tipo Flash2
66
Figura 20. Librería de compresores en Aspen Plus
70
Figura 21. Tipos de intercambiadores de calor para el Modelo
HeatX
70
Figura 22. Primera etapa del problema 9.3 en Aspen Plus
72
Figura 23. Proceso en Aspen Plus para el problema 9.3
72
Figura 24. Barra de herramientas de Aspen Plus
72
Figura 25. Componentes del problema 9.3
73
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Figura 26. Cuadro de especificación de propiedades
70
Figura 27. Formato de especificación para corrientes.
70
Figura 28. Formato “Flash Options”
71
Figura 29. Especificacin para separadores y compresores
72
Figura 30. Formato para la especificación de métodos de cálculo
y arreglo del flujo
72
Figura 31. Muestra de los formatos para LMTD y caida de presión
73
Figura 32. Formato de coraza para intercambiadores de calor
74
Figura 33. Formato de tubos para intercambiadores de calor
74
Figura 34. Ventana de tipo de deflectores y boquillas
75
Figura 35. Aspen Plus realizando la simulación
75
Figura 36. Resultados obtenidos por Aspen Plus
76
Figura 37. Resultado para el compresor 1
77
Figura 38. Eliminación del equipo de intercambio de calor
78
Figura 38.1. Diagrama del proceso una vez eliminado el equipo
78
Figura 39. Diagrama de reconección de corrientes
79
IQUI 2003-2-26
Figura 40. Diagrama completo del problema 9.3
80
Figura 41. Ventanas de cambio de datos para intercambiadores
81
Figura 42. Hoja de proceso del problema 9.3
81
Figura 43. Diagrama total del proceso
81
Figura 44. Ventana de resultados generales para el problema
desarrollado en Aspen Plus.
82
Figura 45. Ventana de resultados para el problema
desarrollado cambiando el intercambiador de tipo HeatX al tipo
83
Heater.
Figura 46. Ventana de resultados en Aspen Plus,
para el ejercicio con el modelo Heater para el problema 9.3
84
Figura 47. Modelo del Problema 8.2
85
Figura 48. Diagrama del problema en Aspen Plus
86
Figura 49. Librería de modelos para el intercambiador tipo HeatX
87
Figura 50. Ventana de
88
la unidad de proceso en Aspen Plus
Figura 51. Ventana de intercambiador de calor para el
problema a desarrollar
88
IQUI 2003-2-26
Figura 52. Ventana “Setup” para ingresar datos generales del
89
problema
Figura 53. Ventana de compuestos con el buscador de elementos
90
Figura 54. Ventana de compuestos
91
Figura 55. Ventana de propiedades
93
Figura 56. Cuadro que indica que se ha completado las
especificaciones necesarias de entrada para el simulador.
94
Figura 57. Ventana de muestra para especificación de corrientes
94
Figura 58. Ventana para corriente
95
Figura 59. Ventana de especificación para la unidad de proceso
96
Figura 60. Ventana para las especificiones de la geometría del
intercambiador de calor
97
Figura 61. Ventana para especificación de tubos
98
Figura 62. Ventana para especificaron de deflectores
99
Figura 63 Ventana para especificación de boquillas en el
intercambiador
99
Figura 64. Ventana de resultados para las corrientes
98
IQUI 2003-2-26
99
Figura 65. Cuadro de especificación de formatos
Figura 66. Ventana de especificación del intercambiador en tipo
“Rating”
99
Figura 67. Ventana de Resultados para el problema desarrollado
100
Figura 68. Modelo del problema a desarrollar
101
Figura 69. Diagrama en Aspen Plus del problema a desarrollar
102
Figura 70. Librería de modelos para MHeatX
102
Figura 71. Diagrama del modelo en Aspen Plus
103
Figura 72. Tabla de los compuestos del problema
103
Figura 73. Formato de especificación de modelos de cálculo
104
Figura 74. Especificación de corrientes
104
Figura 75. Formatos de especificación de corrientes
105
Figura 76. Formato de especificación del intercambiador
105
Figura 77. Formato de especificación del intercambiador
106
IQUI 2003-2-26
Figura 78. Aviso para correr la simulación
106
Figura79. Resultados de las corrientes
106
Figura 80. Resultados de Balance de masa y energía del problema
107
Figura 81. Resultados de la simulación
107
IQUI 2003-2-26
LISTA DE TABLAS
Pag.
38
Tabla 1. Librerías en Aspen Plus con sus modelos
38
Tabla 2. Métodos para el valor de Kq dentro de Aspen Plus
Tabla 3. Datos de bancos que dan parámetros para los distintos
39
compuestos.
Tabla 4. Formatos para el modelo Heater
43
Tabla 5. Formato para el modelo HeatX.
49
Tabla 6. Formato de entrada del modelo MHeatX
55
Tabla 7. Information del ejercicio para el modelo 3
85
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LISTA DE ANEXOS
Pag.
ANEXO A. Gráfica de factores de fricción para lado de tubo
109
ANEXO B Tolerancias de entrada en la numeración de tubos
110
ANEXO C Ejemplo 8.2
111
ANEXO D “Modeling of plate heat exchangers with generalized
114
configurations”
IQUI 2003-2-26
RESUMEN
El principal objetivo para la elaboración de este trabajo, es lograr manejar el simulador
Aspen Plus para el diseño de intercambiadores de calor obteniendo como resultado un
manual físico y en forma digital que sustente el aprendizaje por parte del autor. En
consecuencia
se
tendrán
una
serie
de
ejercicios
y
ejemplos
explicados de forma didáctica y breve para su correcto funcionamiento en la plataforma
Aspen Plus.
La metodología básica que se llevo a cabo para el éxito de este trabajo fue de tipo
investigativo, debido a que dentro de la Universidad de los Andes, no existía una
tradición en el manejo de este simulador.
Se realizaron investigaciones sobre el
simulador, se hizo una revisión a fondo de la información básica en transferencia de
calor y finalmente se entró a explorar el programa.
Finalmente se hizo un estudio a conciencia de los posibles problemas que pudieran ser
integrados al manual, teniendo en cuenta parámetros como: tipo de intercambiador de
calor, dificultad del problema y manejo flexible en el simulador principalmente. Se
determinó que existen una serie de problemas convenientes para la realización del
manual, optando por no solamente dejar tres problemas básicos como se había
planteado en un principio, sino una serie de ellos.
Como resultado surgió este manual con su CD interactivo anexo, que comparte con el
usuario toda la información recolectada durante este proceso. Modelando tres tipos de
intercambiadores de calor en Aspen Plus con sus explicaciones referentes, además de
ideas, sugerencias y datos esenciales que ayudan al correcto funcionamiento del
programa y la comodidad del usuario para su uso.
IQUI 2003-2-26
INTRODUCCION
Hoy las ciencias computacionales se han convertido en parte de la vida diaria y
la ingeniería no se queda atrás. El desempeño de computadoras han hecho que la vida
sea más versátil, rápida y cambiante.
La Universidad de los Andes como institución educativa cuenta con una
herramienta computacional como Aspen Plus, que ayuda al estudiante ha mejorar la
comprensión con respecto a muchos de los procesos químicos que en el transcurso de
sus estudios a desarrollado. Sin embargo este tipo de herramientas son inutilizadas por
la falta de manuales y ejercicios prácticos que muestren al alumno su importancia y
manejo adecuado.
Debido a todo lo anterior, es necesario desarrollar una guía muy bien
estructurada sobre los diferentes modelos en Aspen Plus que ayude a los estudiantes de
la carrera de Ingeniería Química y otras ingenierías a consolidar los conocimientos
adquiridos durante su estudio académico y de una forma didáctica. Entender que Aspen
Plus es una herramienta que ayuda para la simulación de los procesos químicos actuales
que ayudan al desarrollo de la industria.
La propuesta conduce a la creación de un tutorial o una guía basada en tres tipos
de modelos en Aspen Plus (Heater, HeatX, MHeatX) sobre intercambiadores de calor.
Esta guía será realizada por medio de dos opciones: manual paso a paso y
CD
interactivo. Con una teoría básica sobre transferencia de calor, generalidades del
programa Aspen Plus, teoría de los modelos a manejar y finalmente una serie de
ejercicios prácticos para cada uno de los modelos.
IQUI 2003-2-26
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Básicamente este proyecto se desarrolló debido a que en el momento dentro de la
universidad, Aspen Plus esta siendo subutilizado o inutilizado, esto ya que no hay
herramientas que ayuden a entender el manejo sencillo de Aspen Plus y pues más
específicamente en los modelos de intercambiadores de calor. Además de esto, hoy la
competencia laboral tanto a nivel nacional como internacional es difícil para los recién
graduados y a esto se le suma el hecho de que los graduados no poseen conocimientos
en herramientas computacionales. Finalmente se esta viendo la necesidad, a nivel
nacional, de poseer herramientas que ayuden al desarrollo industrial y económico del
país, siendo los simuladores una de ellas.
2. SOLUCION
Para lograr que estudiantes tomen conciencia e interés en simuladores como Aspen
Plus, se propone diseñar una guía basada únicamente en la simulación de
intercambiadores de calor, y con base en esto la creación de un curso que se enfoque en
simulación de procesos.
3. OBJETIVOS
3.3 OBJETIVO GENERAL
Manejar el simulador Aspen Plus para el diseño de intercambiadores de calor.
3.4 OBJETIVOS ESPECIFICOS
•
Conocer el manejo de Aspen Plus.
•
Manejar los diferentes modelos de Aspen Plus para intercambiadores de calor
(sencillos y rigurosos).
IQUI 2003-2-26
•
Elaborar un manual para estudiantes de Ingeniería Química, donde se les muestre en
forma sencilla, rápida y didáctica el uso de Aspen Plus para los modelos propuestos.
•
Evaluar los diferentes modelos escogidos por medio de distintos ejemplos.
•
Recopilar la información en forma digitalizada para facilitar al usuario (estudiante)
su manejo.
•
Comparación con Excel del modelo
4. DESARROLLO DEL MANUAL Y EL CD INTERACTIVO
A continuación se desarrollará el manual paso a paso con el cual se desea que los
estudiantes y profesores de la universidad de los Andes puedan de una forma sencilla y
didáctica manejar el simulador Aspen Plus para procesos de intercambio de calor. En
este documento también se podrá encontrar el CD interactivo el cual ha sido realizado
por medio de hipervínculos en el programa PowerPoint para poder ser usado en
cualquier computador dentro de las instalaciones de la universidad.
5. TEORIA
5.1 PROCESOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR
En este capítulo se entrara a describir de una forma concisa y general, aquellos
procesos de intercambio de calor que deben ser entendidos por el usuario antes de entrar
a manejar el simulador.
5.1.1 Transferencia de Calor
La transferencia de calor esta definida como: la razón de intercambio de calor
entre cuerpos calientes y fríos llamados fuente y recibidor.
IQUI 2003-2-26
5.1.7
Teorías de Calor
Es necesario entender la naturaleza del calor para entender los procesos de
transferencia de calor, sin embargo es difícil debido a las muchas formas que tiene este
y por lo tanto no se pueden abarcar con una sola teoría.
Para entender la transferencia de calor es necesario estudiar los fenómenos
básicos. Todos los materiales existentes sobre la tierra poseen una fase física, ya sea
sólida, liquida o gaseosa que están asociadas a su nivel de energía. Si se encuentra en
un estado sólido, esto significa que las moléculas o átomos están muy cercanos,
mientras que para el estado liquido estas tienen la suficiente energía térmica para
extender la distancia entre las molécula y en un estado gaseoso la separación es
relativamente completa.
Se ha establecido que, dondequiera que ocurra un cambio de fase fuera de la
región critica, se involucra una gran cantidad de energía en esa transición. La región
crítica de una sustancia es
Para una misma sustancia en sus diferentes fases, sus varias propiedades
térmicas
tienen diferente orden de magnitud. Así mismo, en cualquier cuerpo que
absorba o pierda calor, deben guardarse especiales consideraciones respecto a si el
cambio es de calor latente, sensible o de ambos.
5.1.8
Mecanismos de Transferencia de Calor
Existen 3 formas diferentes como el calor puede pasar de la fuente al recibidor:
conducción, convección y radiación. Siendo las dos primeras las mas usadas en
ingeniería.
IQUI 2003-2-26
•
Conducción La conducción esta relacionada con el flujo de calor a
través de una material fijo. Si existe una fuente de calor de lado de una pared, se sabe
que el flujo de calor por hora es proporcional al cambio de temperatura a través de la
pared y el área de la pared, conocida como∂Tla Ley de Fourier.
J =K
(1)
∂x
Es de conocimiento que la cantidad de flujo de fluido es directamente
proporcional a la diferencia de potencia e inversamente proporcional a la resistencia en
el sistema.
Flujo ∝
Potencial
Re sistencia
(2)
Por otra parte la conductancia es la recíproca de la resistencia al flujo de calor,
Flujo ∝ Conductacia × Potencial
(3)
Cuando la conductancia se reporta para una cantidad de material de un pie de
grueso con un área de flujo de un pie 2, la unidad de tiempo 1 hora y la diferencia de
temperatura en 1 ºF se llama conductividad térmica k, entonces
Conductacia =
Q=k
kA
L
A
∆t
L
(4)
(5)
Siendo la resistencia
R=k
A
(6)
L
La transferencia de calor en una pared plana es constante en toda su trayectoria
del flujo de calor. Si existe una pared compuesta, la resistencia va a estar en serie ya que
IQUI 2003-2-26
el calor debe atravesar cada una de las pareced con sus grosor especifico, dando de esta
forma una diferencia total de temperatura a la resistencia total.
En un tubo el área de la trayectoria del flujo de calor aumenta con el radio. Para
tuberías, se asume siempre que la superficie externa fría se mantiene a temperatura
constante. La temperatura de la pared exterior depende de la resistencia entre la
superficie fría y la caliente y la habilidad de la atmósfera más fría que rodea al tubo para
remover el calor.
•
Convección La convección por otro lado es la trasferencia de calor entre
partes relativamente calientes y frías de un fluido por medio de mezcla. Existen dos
tipos de convección: la natural donde no existe un movimiento mecánico y la forzada
provocada por un agitador.
Q = hA∆t
Ley de enfriamiento de Newton (6)
Donde h es un término sobre el cual tiene influencia la naturaleza del fluido y la
forma de agitación, es llamado el coeficiente de transferencia de calor. Para el caso de
la convección se tiene que existe una serie de resistencia que pueden ser medidas
independientemente como resistencia interior, resistencia exterior de un tubo o pared. El
inverso de estas resistencias es lo que se conoce como coeficientes individuales de
película o coeficiente de película. Este es una medida del flujo de calor por unidad de
superficie y por unidad e diferencia de temperatura BTU/ (h) (pie2) (ºF), incida la razón
o velocidad a la cual fluido tiene una variedad de propiedades físicas bajo distintos
grados de agitación para transferir calor. Para el caso de tubos, influye sobre h el
tamaño del tubo y si el fluido esta dentro o no del tubo.
h=
1
R
(7)
IQUI 2003-2-26
Para el estudio de los mecanismos de transferencia de calor, es necesario
conocer una de las propiedades más importantes, la viscosidad. Se asume que donde
existe una fase sólida y liquida no hay corrimiento entre el sólido y el líquido, que el
esfuerzo de corte es proporcional al esfuerzo en dirección perpendicular al movimiento
(Regla de Newton).
µ=
gramos − masa
centimetro × segundo
µ=
libra − masa
pie × hora
poise
(8)
(9)
centipoise
El poise o centipoise son conocidos como viscosidad absoluta, mientas que la
viscosidad cinemática el la división de esta viscosidad absoluta en la gravedad
especifica.
Como la convección se realiza por medio de mezcla de fluidos, existen dos tipos
de flujos que hacen parte de la convección. El flujo turbulento que como su nombre lo
indica es en forma de torbellino o turbulencia y el flujo laminar o paralelo que es el
deslizamiento de cilindros concéntricos donde la distribución de velocidades es
parabólica, siendo el máximo en el centro y cero e las paredes del tubo.
El tipo de flujo depende de: velocidad, densidad, viscosidad, diámetro de tubo.
Para determinar si un fluido posee un flujo turbulento o laminar, se usa la ecuación de
Reynolds.
Re =
DVρ
µ
(10)
Donde el flujo es turbulento si esta por encima de 2300. Cabe notar que la
convección solamente esta dada por el flujo turbulento mas no por el laminar.
IQUI 2003-2-26
•
Radiación La radiación por otros lado, a diferencia de la conducción y
la convecino que necesitan de un material para ser transmitidos, no requiere de la
intervención de un medio y puede transmitirse a través de el vacío absoluto.
5.1.9
Diferencia de Temperatura
La diferencia de temperatura es la fuerza motriz, mediante la cual el calor se
transfiere. En un proceso, las temperaturas del proceso son aquellas temperaturas de
entrada y salida de los fluidos. Cuando dos flujos viajan en direcciones opuestas al
mismo lado de un tubo se conoce como flujo en contracorriente, mientras que si van
hacia un mismo lado es un flujo en paralelo.
•
Coeficientes Totales de Transferencia de Calor Por lo general se
conocen las temperaturas del proceso de entrada y salida, es así como se calcula la
diferencia de temperatura entre las dos, dando una temperatura general T para el fluido
caliente y una temperatura t para el fluido frío. En la Figura 1. se puede ver como es la
variación de la temperatura con respecto a la longitud del tubo para flujo paralelo y flujo
en contracorriente.
T1
T1
T2
T2
t2
t2
t1
t1
X
Flujo en Paralelo
X
Flujo en Contracorriente
IQUI 2003-2-26
Figura 1. Variación de la temperatura en un tubo concéntrico para flujos en paralelo
y contracorriente con respecto a la longitud del tubo (Fuente: Kern, Donald,
Procesos de Transferencia de Calor, Vigésima segunda Edición – 1990.)
Cuando se tienen tubos concéntricos para el fluido en paralelo o en contracorriente,
las resistencias van a ser la suma de la resistencia de película del fluido en el tubo, la
resistencia de la pared del tubo y la resistencia de la película del fluido en el anulo, de
tal forma que
1
1 Lm 1
= +
+
U hi Km ho
(11)
donde U es denominada Coeficiente total de transferencia de calor.
•
Promedio Logarítmico de la Diferencia de Temperatura El promedio
logarítmico de la diferencia de temperatura o LMTD se debe a que por lo general los
fluidos experimentan un cambio de temperatura no lineales cuando se grafica la
temperatura contra la longitud como en la grafica anterior. Debido a esto el LMTD es
distinto para el fluido en paralelo y el fluido en contracorriente.
•
Fluido en Contracorriente Para este tipo de fluidos se debe tener en
cuenta las siguientes suposiciones:
a. El coeficiente total de transferencia de calor U es constante en toda la trayectoria
b. Las libras por hora de fluido que fluye son constantes, obedeciendo a los
requerimiento s de estado estable
c. El calor especifico es constante sobre toda la trayectoria
d. No hay cambios parciales de fase en el sistema.
e. Las perdidas de calor son despreciables.
El calculo de este se realiza como:
IQUI 2003-2-26
∆t =
∆t 2 − ∆t1
∆t 2
Ln
∆t1
∆t1 = T1 − t 2
∆t 2 = T 2 − t1
(12)
• Fluido en Paralelo En este caso las suposiciones son iguales pero los fluidos
fluyen ambos en la misma dirección, se tiene entonces que:
∆t =
∆t 2 − ∆t1
∆t 2
Ln
∆t1
∆t1 = T 2 − t 2
∆t 2 = T 1 − t1
(13)
5.1.10 Flujo en Contracorriente
Se entrará a analizar más a fondo este tipo de flujo ya que la mayoría de
intercambiadores de calor usa este tipo.
Como se sabe los intercambiadores son
maquinas que recuperan calor entre dos corriente en un proceso.
• Coeficientes de Película para Fluidos en Tuberías y Tubos El flujo laminar
esta dado cuando
DG
µ
< 2100 en la forma de la ecuación
⎡⎛ DG ⎞⎛ cµ ⎞⎛ D ⎞ ⎤
hiD
= 1.86 ⎢⎜⎜
⎟⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎥
k
⎣⎝ µ ⎠⎝ k ⎠⎝ L ⎠ ⎦
1/ 3
⎛ µ
⎜⎜
⎝ µw
⎞
⎟⎟
⎠
0.14
(14)
µ w es la viscosidad del fluido a la temperatura T del tubo.
En el caso de que
DG
µ
ecuación estaría descrita como:
sea mayor a 2300, significaría flujo turbulento y la
IQUI 2003-2-26
0 .8
⎛ DG ⎞ ⎛ cµ ⎞
hiD
⎟⎟ ⎜ ⎟
= 0.027⎜⎜
k
⎝ µ ⎠ ⎝ k ⎠
1/ 3
⎛ µ
⎜⎜
⎝ µw
⎞
⎟⎟
⎠
0.14
(15)
• Fluidos que Fluyen en un Anulo: Diámetro Equivalente En el caso de que un
fluido viaje por un conducto de sección distinta a la circular, como en un anulo se
deben expresar los coeficientes de transferencia de calor y factores de fricción por
medio de los mismas ecuaciones y curvas usadas para tubería y tubos. Se maneja por lo
tanto el Diámetro Equivalente De el cual es cuatro veces el radio hidráulico, siendo este
la razón del área de flujo al perímetro húmedo.
De =4rh =
4π (D22 − D12 ) D22 − D12
4 × area.de. flujo
=
=
perimetro.humedo
D1
4πD1
(16)
Para la caída de presión, existe no solamente fricción por la resistencia del tubo
exterior sino también por la superficie exterior del tubo interior, quedando
D´e =
4π (D22 − D12 )
4 × area.de. flujo
=
= D2 − D1
perimetro.humedo.de. friccion 4π (D2 − D1 )
(17)
En la Figura 2. se puede observar los distintos diámetros que se necesitan para el
desarrollo de la ecuaciones descritas anteriormente.
ho
hi
hio
tc
D2
Tc
D1
tw
IQUI 2003-2-26
Figura 2. Diámetros de los ánulos y localización de coeficientes. (Fuente: Kern,
Donald, Procesos de Transferencia de Calor, Vigésima segunda Edición – 1990)
• Coeficientes de Película en Anulos Debido a que para intercambiadores de
doble tubo se utiliza la superficie exterior del tubo interior como la superficie de
referencia en Q = UA∆t , y como hi se ha determinado para Ai y no para A, toca que
esta sea corregida como el diámetro exterior hio.
hio = hi
Ai
DI
= hi
A
DE
(18)
donde DI y DE son para el tubo interior.
• Factores de Obstrucción Los coeficientes totales de transferencia de calor
requeridos se obtienen independientemente de los dos coeficientes de película,
despreciando la resistencia del tubo.
h h
1
1
1
= Rio + Ro =
+
= io o
UC
hio ho hio + ho
Coeficiente limpio (19)
Este coeficiente limpio no tiene en cuenta aquellas incrustaciones o basuras que
después de entrar en uso el intercambiador quedan en su interior. Por lo tanto se debe
manejar un factor de obstrucción Rd con Rdi como factor de obstrucción del tubo interior
en el diámetro interior y Rdo como el factor de obstrucción del tubo interior en el
diámetro externo. De esta forma se llega al Coeficiente de Diseño,
1
1
1
=
+ Rd i + Rd o =
+ Rd
U D UC
UC
(20)
IQUI 2003-2-26
• Caídas de Presión en Tuberías y Anulos La caída de presión que se permite es
aquella presión estática que
se debe gastar
para mover el fluido a través del
intercambiador. Para las tuberías la caída de presión esta descrita por la Ecuación de
Fanning,
∆F =
4 fG 2 L
2 gρ 2 D
(21)
donde f es el factor de fricción y esta descrito para flujo laminar como f =
16
y para
DG
µ
flujo turbulento como f = 0.00140 +
0.125
⎛ DG ⎞
⎟⎟
⎜⎜
⎝ µ ⎠
0.32
.
La caída de presión para un anulo difiere de aquellas en tuberías, siendo
representada por,
∆F =
4 fG 2 L
2 gρ 2 D ' e
(22)
Para este tipo de intercambiadores la caída de presión a la entrada debe ser
tomada en cuenta por medio de la ecuación de Cabeza de Velocidad siempre y cuando
la velocidad sea mayor a 3 ft/sg, pues a menores se considera despreciable.
V2
2g'
(23)
• Intercambiadores con Corrección por Viscosidad Cuando la temperatura de
la pared del tubo es bastante distinta a la temperatura calorica del fluido controlante y
⎛ µ ⎞
⎟⎟
este es viscoso, se debe tomar en cuenta φ = ⎜⎜
⎝ µw ⎠
0.14
, de lo contrario como siempre se
ha hecho este valor es igual a 1. De esta forma se llega a la forma corregida de los
coeficientes de película.
IQUI 2003-2-26
⎛h ⎞
ho = ⎜⎜ o ⎟⎟φ a
⎝ φa ⎠
(24)
⎛h
ho = ⎜ o
⎜φ
⎝ p
(25)
⎞
⎟φ p
⎟
⎠
5.1.11 Intercambiadores de Tubo y Coraza
Estos intercambiadores son los más usados en la industria ya que mejoran la
transferencia de calor con respecto a otros equipos. De todas formas aunque estos
equipos mejoran la transferencia de calor, es necesario tener grandes superficies,
haciendo que estos también tengan más puntos de fuga.
• Tubos para Intercambiadores de Tubo y Coraza Por lo general en este tipo
de intercambiadores el diámetro exterior del tubo es dado como el diámetro real en
pulgadas, sin embargo existe otra nominación llamada BWG o calibrador Birgmingham
que determina el grueso de la pared.
• Espaciado de los Tubos Los tubos están organizados por medio de una serie de
arreglos entre los tubos que permiten mayor transferencia de calor dependiendo del
fluido. La distancia mas corta entre 2 orificios adyacentes se denomina claro o ligadura
(C) y por lo general es estándar. PT significa el espaciado entre tubos que es medido
como la menor distancia de centro a centro de tubos adyacentes. Los arreglos que se
usan generalmente son de tipo:
IQUI 2003-2-26
Figura 3. Arreglos más usados en el diseño de intercambiadores
de calor. (Fuente: Kern, Donald, Procesos de Transferencia de
Calor, Vigésima segunda Edición – 1990)
Donde el espaciado cuadrado es de fácil limpieza y tiene poca caída de presión,
los mas usados son ¾ plg DE en espaciado de 1plg y de 1plg DE en espaciado de 1 ¼
plg. Sin embargo los arreglos triangulares también son de uso general con
especificaciones de ¾ plg DE en espaciado de 1 plg y 1 plg DE en espaciado de 1 ¼ plg.
• Corazas Existen corazas hasta de 12 plg de diámetro IPS en tubo de acero,
aquellas corazas sobre 12 plg incluyendo la de 24 plg, el DE y el diámetro nominal son
los mismos. El grueso estándar para corazas es de 3/8 plg con DI de 12 plg a 24 plg
incluyendo esta.
• Deflectores Estos son discos que están colocados en el interior de la coraza y
por fuera de los tubos para inducir turbulencia y de esta forma elevar la transferencia de
calor. La distancia de centro a centro entre deflectores es llamado el espaciado de
deflectores. Usualmente el espaciado entre deflectores no es mayor a una distancia igual
al diámetro interior de la coraza o menos a 1/5 de este. El espaciado es el que determina
la velocidad efectiva del fluido en la coraza.
Los deflectores que se usan con mayor regularidad son aquellos que poseen una
IQUI 2003-2-26
altura equivalente al 75% de la altura del diámetro interior de la coraza o deflectores
con 25% de corte, con el la Figura 4.
Figura 4. Deflector más usado con corte de 25%. (Fuente: Kern,
Donald, Procesos de Transferencia de Calor, Vigésima segunda
Edición – 1990)
• Diámetro Equivalente al Lado de la Coraza El diámetro equivalente se toma
como 4 veces el radio hidráulico obtenido, teniendo en cuenta que do es el diámetro
exterior del tubo.
De =
4 × area.libre
perimetro.humedo
⎛
πd 2 ⎞
4 × ⎜ PT2 − o ⎟
4⎠
⎝
de =
πd o
1 πd 2
⎛
⎞
4 × ⎜ 12 PT × 0.86 PT − 2 o ⎟
4
⎝
⎠
de =
1 πd
2
o
(26)
Arreglo cuadrado (27)
Arreglo triangular (28)
IQUI 2003-2-26
• Caída de Presión al Lado de la Coraza La caída de presión en la coraza es
proporcional al número de veces que el fluido cruza el haz entre los deflectores y la
distancia a través del haz.
Numero.cruces = N + 1 =
Longitud .del.tubo
Espaciado.de.deflectores
(29)
N es el número de deflectores.
•
Caída de Presión en los Tubos Se usa la ecuación
∆F =
4 fG 2 L
2 gρ 2 D
(30)
siendo ∆P = ∆Fρ . Esta se puede usar siempre y cuando el fluido sea isotérmico,
pero para aquellos fluidos que no lo son se puede relacionar con la ecuación
∆Pt =
fGt2 Ln
5.22 × 1010 De sφ t
(31)
Donde n es el número de pasos, L la longitud del tubo y Ln es la longitud total de la
trayectoria en pies, cuyas correlaciones están graficadas en el Anexo A de este
documento.
Debido a que este intercambiador puede llegar a posee cambios de dirección, se
introduce una nueva caída de presión ∆Pr con la ecuación
∆Pr =
4n V 2
s 2g '
V = velocidad (pie/seg)
S = gravedad específica
g’ = aceleración de la gravedad (pie/plg2)
Lb/plg2 (32)
IQUI 2003-2-26
Dando de esta forma una caída de presión para los tubos de:
∆PT = ∆Pt + ∆Pr
Lb/plg2 (33)
6. GENERALIDADES DE ASPEN PLUS
A continuación, se explicará de una forma breve y sencilla el software “ASPEN
PLUS”, el cual ha sido utilizado para el desarrollo de esta tesis.
6.1 ¿QUE ES ASPEN PLUS?
Aspen es un programa de computador para la simulación de procesos en estado
estable por medio un “flowsheet”.
Dentro de los programas de simulación se
encuentran otros que están comercialmente disponibles como: PRO II ( Simulation
Sciences), HYSIM (Hyprotech) y ChemCad (Chemstation), siendo Aspen Plus uno de
los mejores.
El programa ha sido desarrollado para la simulación de:
a. Procesos químico y petroquímicos
b. Procesos basados en carbón
c. Refinación de Petróleos
d. Procesos poliméricos
6.1.1 Como Trabaja Aspen Plus
La unidad básica de trabajo para Aspen Plus son los Modelos de Bloques. Aspen
Plus cuenta dentro de su modelos con: operaciones unitarias (columnas de destilación,
reactores, intercambiadores de calor, etc.) y operaciones relacionadas a tuberías.
IQUI 2003-2-26
Para el usuario es importante lograr un arreglo adecuado de todas las distintas
operaciones para la simulación efectiva del modelo.
Un usuario ensambla un
“flowsheet” seleccionando y conectando apropiadamente los modelos de bloques y
especificando los parámetros para estos modelos. Además Aspen Plus logra solucionar
de forma secuencial las corrientes de salida una vez dadas las especificaciones para las
corrientes de entrada y los parámetros de los modelos de bloques.
6.1.2 Modelo de Bloques
Corrientes de Entrada
Corrientes de Salida
Parámetros del Modelo
Propiedades Físicas
Figura 5. Diagrama del modelo usado por Aspen Plus. (Fuente: AspenTech, Manual
del Usuario en Aspen Plus)
6.1.3 Componentes de Aspen Plus
Aspen Plus tiene dentro de su programa una librería que cuenta con todos los
distintos modelos de operaciones unitarias. Además cuenta en su interior con sistema
de propiedades físicas y modelos como densidad, entalpía, equilibro liquido-liquido,
equilibrio vapor-liquido, etc.; bases de datos para componentes puros y binarios, y
cuenta con la capacidad de estimar valores que falten por medio de interpolaciones o
IQUI 2003-2-26
extrapolaciones. Las hojas de cálculo tienen la capacidad de hacer converger aquellos
procesos de reciclaje para lograr una simulación acertada.
Aspen Plus tiene algunas características importantes que deben ser tomadas en
cuenta a la hora de la realización de una simulación. Además de contar con operaciones
básicas para los distintos procesos, Aspen Plus es capaz de realizar análisis de
sensibilidad y estimación y evaluación de costos y rentabilidad. Aspen Plus logra la
optimización de procesos, genera los respectivos diagramas de flujo y muestra al
usuario: "physical properties data regression”.
6.1.4 Librerías de Aspen Plus
Dentro del simulador existen una serie de librerías que especifican el tipo de
unidades de proceso que se pueden simular.
LIBRERÍA I
MEZCLADORES Y DIVISORES
MIXER
Suma dos o mas corrientes
FSPLIT
Toma una corriente y la divide en dos
SEP
Separa un componente de una corriente
“FLASHERS” E INTERCAMBIADORES DE CALOR
FLASH2
Dos flash de salida
FLASH3
Tres flash de salida
HEATER
Calentadores y Refrigeradores
HEATX
Intercambiador de Calor de dos corrientes
MHEATX
Intercambiador de Calor multicorrientes
DECANTER
Decantador liquido-liquido
LIBRERÍA II
REACTORES
RSTOIC
Reactor Estequiométrico
RYIELD
Reactor “yield”
IQUI 2003-2-26
REQUIL
Reactor de Equilibrio
RGIBBS
Reactor de Equilibrio
RCSTR
Reactor de tipo CSTR (requiere modelo
cinético)
RPLUG
Reactor de flujo “plug” (requiere modelo
cinético)
RBATCH
Reactor tipo Batch (requiere modelo cinético)
LIBRERÍA III
SEPARADORES
DISTIL
Diseño corto de destilación
DISTWU
“shorcut distillation rating”
RADFRAC
Destilación rigurosa
EXTRACT
Extracción liquido-liquido rigurosa
RATEFRAC
Destilación basada en “rate” (requiere licencia
especial)
BATCHFRAC
Destilación
en
batch
(requiere
licencia
especial)
PETROFRAC
Destilación rigurosa para el petróleo
LIBRERÍA IV
PROCESOS DE SÓLIDOS
CYCLONE
ciclón separador
VSCRUB
“ventury scrubber”
CRYSTALLIZER
Cristalizador para remoción de productos
mezclados en una suspensión mezclada
CRUSHER
“crusher”de sólidos
SCREEN
Separador de sólidos
FABL
Filtro “Fabric”
IQUI 2003-2-26
HYCYC
Hidrociclón
CFUGE
Centrifuga
FILTER
Filtro de rotación al vacío.
SWASH
Limpiador de una sola etapa para sólidos
LIBRERÍA V
“FLUID MOVERS”
COMPR
Compresor o Turbina
MCOMPR
Compresor o Turbina multietapas
PUMP
Bomba/ “hydraulic”
TUBERIAS
PIPELINE
Tuberías de múltiples segmentos
PIPE
Tubería de un solo segmento
VALVE
Válvulas
Tabla 1. Librerías en Aspen Plus con sus modelos. (Fuente: AspenTech, Manual del
Usuario de Aspen Plus)
6.1.5 Propiedades Físicas de Aspen Plus
Aspen Plus tiene dentro de sus sistemas un colección de métodos para evaluar
las propiedades termodinámicas como la entalpía, densidad y los valores de K así como
las propiedades de transporte como la viscosidad. Estos métodos son llamados dentro
del programa como Option Set.
SISTEMA I
IDEAL
Gases ideales/ Ley de Raoult y Ley de
Henry
RK-SOAVE
Ecuación de Redlich-Kwong-Soave
PENG-ROB
Ecuación de Peng-Robinson
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WILSON
Ecuación de Redlich-Kwong/ NTRL
NTRL
Ecuación Redlich-Kwong/ UNIFAC
UNIFAC
Ecuación Redlich-Kwong/UNIFAC
UNIQUAC
Ecuación Redlich-Kwong/UNIQUAC
Tabla 2. Métodos para el valor de Kq dentro de Aspen Plus. (Fuente: AspenTech,
Manual del Usuario de Aspen Plus)
SISTEMA II
PURECOMP
Parámetros para 1550 compuestos (casi
todos orgánicos)
INORGANIC
Datos para 2450 compuestos (casi todos
inorgánicos)
AQUEAOUS
Datos para 900 especies iónicas
SOLIDS
Datos para 3314 compuestos sólidos
COMBUST
Banco de datos especiales para altas
temperaturas, realización de cálculos
para la fase gaseosa (59 compuestos y
radicales libres)
Tabla 3. Datos de bancos que dan parámetros para los distintos compuestos. (Fuente:
AspenTech, Manual del Usuario de Aspen Plus)
¿Pero que sucede si dentro de Aspen Plus no existe un banco de datos que tenga
los datos necesitados por el cliente? Pues Aspen posee un SISTEMA III que tiene la
capacidad de extraer un dato específico a partir de otros datos impuestos al sistema, esto
lo puede hacer por medio de una regresión de datos o la estimación de alguno de ellos.
Sin embargo hay unos límites para esto, solamente logra estimar datos para
componentes puros y aquellos que se encuentren en equilibrio vapor-liquido o líquido –
liquido por medio de la utilización del método UNIFAC.
IQUI 2003-2-26
Por otra lado Aspen Plus cuenta con una librería donde se encuentran todos los
compuestos químicos con sus formulas. Aspen provee al usuario de un buscador donde
se puede buscar el compuesto por nombre genérico o formula química.
7. ASPEN PLUS PARA INTERCAMBIADORES DE CALOR
La metodología con la cual Aspen Plus realiza sus cálculos, esta basada en la
lógica dictada por Donald Kern en su libro “Procesos de transferencia de calor”.
En seguida se verán los pasos que Aspen Plus modela.
a.
Balance de calor
Q = M × Cp × ∆T
b.
LMTD
Q = U × A × F × LMTD
(34)
(35)
Figura 6. Ecuaciones de
Efectividad Térmica.
(Fuente: Kern, Donald,
Procesos de Transferencia de
IQUI 2003-2-26
Calor, Vigésima segunda Edición – 1990)
Donde
F= Factor de corrección LMTD.
R: Razón de las capacidades (WCpf)/ (WCpc)
P*: Efectividad térmica por unidad de área.
Figura 6.1. Ecuaciones para el Factor de
Corrección. (Fuente: Kern, Donald,
Procesos de Transferencia de Calor,
Vigésima segunda Edición – 1990)
c.
Calculo coeficientes transferencia de calor
U=
hh × hc
hh + hc
(35)
d.
Calculo del coeficiente total de diseño
U = Q × A × ∆T
(36)
e.
Calculo caídas de presión
∆P = f ( geometria) (37)
de Aspen Plus
8. MODELOS DE TRANSFERENCIACorrelaciones
DE CALOR
DESARROLLADOS EN ASPEN PLUS
Dentro del programa Aspen Plus, existe una librería de modelos para la producción
de procesos químicos. Uno de ellos son los INTERCAMBIADORES DE CALOR.
Aspen Plus en su interfase posee distintos modelos de intercambiadores de calor, cada
uno de ellos con un propósito y uso especifico. En esta guía se trataran a fondo los tres
(3) primeros modelos propuestos por Aspen Plus: Heater, HeatX y MHeatX.
Aspen Plus posee una gama de distintos modelos para la simulación de
intercambiadores de calor:
a. Heater
b. HeatX
IQUI 2003-2-26
c. MHeatX
d. Heatran
e. Aerotran
f. HxFlux
g. HTRIXist
En esta guía se trataran a fondo los tres (3) primeros modelos propuestos por Aspen
Plus: Heater, HeatX y MHeatX.
8.1 MODELO HEATER
Este tipo de modelo esta diseñado para la simulación de calentadores y
refrigeradores, donde se determinan las condiciones térmicas y de fase de la corriente de
salida.
Es usualmente utilizado para calentadores, refrigeradores, condensadores,
válvulas, bombas (siempre y cuando no se exija una respuesta en relación al trabajo
hecho) y compresores (donde no sea necesario una respuesta con relación al trabajo
hecho). Da como resultados la condición térmica y el equilibrio de fases en la corriente
de salida.
Cuando se especifican las condiciones de salida, el modelo determina las
condiciones térmicas y de fase de una mezcla de uno o varias corrientes de entrada.
Las distintas corrientes se muestra en la Figura 7 de la forma como el simulador
las toma para realizar sus calculos internos.
IQUI 2003-2-26
Calor (opcional)
Material (varios)
Material
Calor (opcional)
Agua (opcional)
Figura 7. Hoja de Conectividad para el modelo Heater. (Fuente: AspenTech, Manual
del Usuario de Aspen Plus)
8.1.4 Corrientes
En la entrada de materiales, al menos se debe especificar una corriente. Las
corrientes de decantación de agua y de calor, son opcionales.
a. In: Mínimo requiere T o P y carga calorífica.
b. Out: Estado termodinámico de una corriente (T y equilibrio de fases).
8.1.5 Características
Si se le da una especificación (temperatura o presión), Heater usa la suma de las
corrientes de entrada de calor como una especificación de trabajo, sino usa estas
corrientes de entrada para calcular el calor neto.
Calor neto = Σ corrientes de entrada – calor calculado
8.1.6 Formatos
IQUI 2003-2-26
Para lograr ver los resultados, es necesario entrar las especificaciones necesarias.
Aspen Plus posee un formato donde se puede lograr entrar condiciones de operación,
tablas para tabulación de resultados, etc. Cada una de las operaciones posee su propio
formato en Aspen Plus:
a. 1. Input
Entra condiciones de operación y parámetro para la convergencia
flash
b. 2. Hcurves
Especifica las tablas de curvas para calentamiento o enfriamiento
y tabula los resultados mostrándolos.
c. 3. Block Options
Override global values for physical properties, simulation
options, diagnostic message levels, and report options for this block
d. 4. ResultsView
Resultados del modelo Heater
A continuación se mostraran los formatos en forma general con su uso y
especificaciones:
Formato para Entrada de Heater Setup
Se usa esta hora para entrar las condiciones de operación. Dentro de este formato
existen dos hojas:
Specifications
Flash Options
Condiciones y fases validas para el Estimativos de temperatura y presión,
modelo Heater. Se usa esta hoja para parámetros de convergencia flash.
especificar: las condiciones del modelo
Heater y las fases validas. Se pueden
realizar combinaciones para la operación
requerida
entre
distintas
especificaciones.
Formato Hcurve
Se utiliza este tipo de formato para especificar los parámetros para la realización de
curvas, tablas o graficas para el intercambiador de calor o refrigeradores. Cada una
de estas tablas y graficas pueden incluir: temperatura, presión, fracción de vapor y
IQUI 2003-2-26
otras propiedades que se encuentren entre los puntos de salida y entrada o una lista
de puntos especificados. Se usa esta este formato para:
Setup
Additional Properties
Especificar variables independientes, el Otras
propiedades
que
pueden
ser
rango de las variables y un perfil de calculadas y que se encuentran dentro de
presiones.
un grupo existente de propiedades en
Aspen Plus.
Result
Muestra
los
incluyendo:
ebullición,
resultados
errores,
punto
de
tabulados
puntos
de
evaporación,
presiones, temperatura, fracción de vapor
entre otros.
Formato Block Options
Se usa para dar un vistazo general a todos los valores de propiedades físicas,
opciones de simulación, niveles de diagnostico, opciones de orientación de
ecuaciones y reportes. Aquellas especificaciones que se hagan en este formato solo
serán aplicadas a este bloque específico. Este formato contiene las siguientes hojas:
Properties
Property
Simulation Options
Opciones para el cálculo de electrolitos y Simulación de cálculos, ya sea para
petróleo. Esta posee métodos para el especificar un balance de calor como
cálculo de: componentes de Henry, para reiniciar el criterio de cálculos de un
reacción
química
para
electrolitos, bloque.
método para cálculo de propiedades
físicas para fases libres de agua, pero
también
método
de
cálculo
para
solubilidad del agua en fases orgánicas.
Diagnostics
EO Options
Da un diagnostico en todos los niveles Utilizado para orientar la solución de
IQUI 2003-2-26
por
medio
de
propiedades
mensajes,
físicas,
ya
sean ecuaciones, aquí se puede especificar los
corrientes, componentes activos dentro de un grupo
de componentes, describir el método
simulación.
usado. Cualquier opción especificada en
esta hoja va a anular aquellas hechas en
otro
EO
Options
para
el
bloque
específico.
EO Var/Vec
Report Options
Variables secuénciales modulares para Usada para incluir o no información en
exponer como variables en una ecuación el reporte generado.
orientada.
Se utiliza esta opción para
poder manipular una variable que ha sido
especificada en un bloque en particular.
Por ejemplo, si se especifica una variable
fija en un bloque y se quiere manipular
esta desde la ejecución, usted especifica
la variable desde esta hoja. EO Var se
utiliza para especificar una variable para
un bloque escalar o EO Vec para
especificar un vector de un bloque.
Formato de Heater Results
Esta hoja es usada para ver los resultados de un bloque. Existen distintos tipos de
hojas para verlo.
IQUI 2003-2-26
Summary
Balance
Es un resumen de todas los resultados en Da el balance de energía y masa
un bloque, dentro de ellas tenemos: alrededor de un bloque. Esta se puede
temperatura de salida, presión de salida, presentar
en
fracción de vapor, transferencia de Componentes
3
formas:
Total,
convencionales
y
calor, trabajo total y la proporción molar Componentes no convencionales. En el
de la primera fase liquida cuando existen total se presentan flujo molar, el flujo
cálculos de 3 fases o libres de agua.
másico,
y
la
entalpía,
para
los
componentes convencionales los flujos y
para los no convencionales solo el flujo
másico.
Phase Equilibrium
Equilibrio de la alimentación, fracciones molares liquido/vapor y valores para K
cuando existen dos o 3 fases de cálculos flash.
Tabla 4. Formatos para el modelo Heater (Fuente: AspenTech, Manual del Usuario de
Aspen Plus)
8.2 MODELO HEATX
Este diseñado para la modelación de intercambiadores de calor entre dos
corrientes y posee una serie de cálculos: corto, detallado y riguroso. Dentro del calculo
detallado existen 3 tipos de simuladores: Design, Rating y Simulation. En este modelo,
si se conoce la geometría del intercambiador se puede modelar una variedad de ellos:
contracorriente y paralelo, tipo de coraza, tipo de tubos, etc. Calcula los coeficientes de
película, análisis de vibraciones y estimación de factores de ensuciamiento, además de
determinar su condición térmica y el equilibrio.
IQUI 2003-2-26
8.2.1 Corrientes
Para este tipo de intercambiador, existen dos corrientes de entrada mínimas: el
material de entrada frío y el material de entrada caliente. En este modelo por cada
corriente de entrada, existe una corriente de salida.
Además HeatX posee dos corrientes opcionales:
a. Agua de decantamiento para el lado caliente
b. Agua de decantamiento para el lado frío
La Figura 7 muestra las corrientes que este tipo de modelo trabaja.
Material Frío
Agua (opcional)
Material Caliente
Material Caliente
Agua (opcional)
Material Frío
Figura 8. Hoja de Conectividad para el modelo MHeatX. (Fuente: AspenTech, Manual
del Usuario de Aspen Plus)
8.2.2 Características
HeatX puede modelar una gran variedad de tipos de coraza y tubos incluyendo,
paralelo y contracorriente, baffles segmentados con tipos de coraza TEMA E, F, G, H, J
y X, baffles tipo “Rod” para corazas TEMA E y F y tubos con o sin aletas. Además
HeatX puede realizar un análisis de toda la zona estimando los coeficientes de
transferencia de calor y caídas de presión para corrientes de una o dos fases. Para
IQUI 2003-2-26
cálculos de caída de presión y transferencia de calor rigurosa, se debe entrar la
geometría del intercambiador. Sin embargo cuando la geometría del intercambiador no
se sabe o no es importante, HeatX puede realizar cálculos simples por medio del tipo
Shortcut.
HeatX puede realizar cálculos de diseño, análisis de vibración mecánica,
estimación de factores Fouling y posee correlaciones para estimar el calor sensible y
coeficientes de película.
8.2.3 Formatos
Al igual que el modelo Heater, HeatX posee una serie de formatos que el usuario
debe llenar para la simulación exitosa. Algunos de estos formatos serán usados
dependiendo del tipo de cálculos que se vayan a llevar a cabo. Los formatos para este
modelo son:
a. Setup
Aquí se especifica el tipo de cálculo (corto, detallado o riguroso), la
dirección del flujo, caídas de presión, método de cálculo para el coeficiente de
transferencia de calor y los coeficientes de película.
b. Options Especifica distintos parámetros de convergencia flash y las fases validad
para los lados caliente y frío, también los parámetros de convergencia y la opción
para reportar un bloque especifico.
c. Hetran Options Especifica el nombre del archivo Hetran entrado, los parámetros
para el calculo de las curvas de propiedades y otras opciones del programa.
d. Hetran Browser
Especifica los datos cuando se usa el tipo de calculo
Hetran riguroso.
e. Geometría
Muestra las configuraciones de la coraza y los tubos.
f. Hot-Hcurves
Especifica las tablas de curvas calientes y frías para la corriente
caliente y muestra resultados tabulados.
g. User Subroutines
Especifica los parámetros cuando se define la subrutina
Fortran para calcular el coeficiente de transferencia de calor total, el factor de
IQUI 2003-2-26
corrección LMTD, retención de liquido en el lado de los tubos o la caída de
presión en este mismo lado.
h. Dynamic
Especifica los parámetros para simulaciones dinámicas
i. Block Options Prevalecen los valores globales para la propiedades física,
opciones de simulación, mensajes de diagnostico y reporta las opciones para este
bloque.
j. Thermal Results
Muestra el resumen de los resultados para masa, balances
de energía, caídas de presión, velocidades y perfiles de análisis por zonas.
k. Geometry Results
Muestra los resultados a detalle de la coraza y los tubos y
toda su información.
l. Hetran Thermal Results
Muestra los resultados generales y detallados para
el lado de la coraza y los tubos cuando se realizan cálculos de tipo Hetran
riguroso.
Formato de entrada HeatX Setup
Se utiliza este formado para entrar todos los parámetros generales de la simulación.
Existen 5 hojas que están contenidas en este formato:
Specifications
LMTD
Especificar los parámetros de dirección Especificar el método de calculo usado
de
flujo,
especificación
del para LMTD o hacer que HeatX
intercambiador, tipo de calculo (diseño, Realice un análisis por intervalos cuando
evaluación o simulación), factor de se calcula LMTD para el tipo corto.
corrección LMTD y método de calculo
(corto, detallado o riguroso)
Pressure Drop
U Methods
Método de cálculo para las caídas de Se usa para especificar como se quiere
presión de las corrientes frías y calientes. que
se
calcule
Se puede especificar una constante de transferencia
de
el
coeficiente
calor
para
de
el
IQUI 2003-2-26
caída de presión, hacer que HeatX intercambiador. Se pueden elegir las
calcule la caída de presión por medio de siguientes opciones: un valor constante
la geometría del intercambiador o que que se entra, un valor calculado de la
esta
sea
usando
una
correlación geometría del intercambiador, o un valor
dependiente del flujo basado en un dado por una subrutina hecha por el
parámetro de entrada dado.
usuario.
Para cada lado del intercambiador se
pueden especificar todos los parámetros
anteriores.
Film Coefficients
Se puede especificar los coeficientes de película para el lado caliente y el lado frío
independientemente. Las opciones de cálculo son: un valor constante dado por el
usuario, un valor calculado por medio de la ley de los exponentes, valores distintos
para cada posible fase y un valor calculado de la geometría del intercambiador.
Formato “Options”
Este formato contiene las siguientes formas:
Flash Options
Covergence
Especificaciones de tipo flash para las Contiene los parámetros de convergencia
dos
corrientes
de
salida
del para
la
tolerancia,
algoritmo
de
intercambiador. Este formato contiene: convergencia, el número de iteraciones y
los estimativos de presión y temperatura, la temperatura mínima aproximada.
el máximo número de iteraciones y el
error de tolerancia. Para cada uno de los
lados del intercambiador se puede
especificar estos datos.
Report
Un reporte de todos los perfiles calculados en el bloque
Formato HeatX Hetran Options
IQUI 2003-2-26
Hetran file
Property Curves
Se utiliza esta hoja para especificar el Por medio de esta hoja se puede
nombre que se le va a dar al archivo que controlar como Aspen Plus calcula las
contiene la información de la geometría curvas de propiedades, los parámetros
del intercambiador. También se puede para generar estas curvas y que tan
especificar si la corriente y la curva de seguido se deben actualizar. Se puede
datos de
propiedades generada por especificar
los
parámetros
Aspen Plus se escribirá en el archivo que independientemente para las corrientes
se entra al final de la simulación. Se frías y calientes.
puede decidir o no escribir en el archivo
los parámetros y la geometría final al
final de la simulación.
Hetran Parameters
Shell
Para realizar cambiar ciertas entradas en En esta hoja se especifica la información
el programa incluyendo el factor de de la coraza del intercambiador, HeatX
Fouling y la rutina del intercambiador de usa esta información APRA calcular los
calor. Cada vez que se cambian estos coeficientes de película y las caídas de
parámetros, Aspen Plus rehace toda la presión.
simulación con esta información y son
guardados en el archivo al final de la
simulación.
Formato HeatX Geometry
Tubes
Tube Fins
Se especifica la información de los tubos Especifica las aletas externas de los
incluyendo, numero, tamaño, material. tubos y usa la información para calcular
Heat X toma esta información y la usa los coeficientes de película y las caídas
para calcular los coeficientes de película de presión.
y las caídas de presión.
Baffles
Nozzle
Para especificar la información de los Aquí se entra los diámetros internos de
IQUI 2003-2-26
deflectores en el lado de la coraza del las boquillas de entrada y salida del
intercambiador. En HeatX el tipo de intercambiador. HeatX permite tan solo
deflectores puede ser segmentado o no una boquilla de salida y una boquilla de
(“Rod”). HeatX usa esta información entrada en cada lado del intercambiador.
para calcular los coeficientes de película Este parámetro es usado para calcular las
y caídas de presión en el lado de la caídas de presión en el lado de la coraza
coraza.
y de los tubos.
Tabla 5. Formato para el modelo HeatX. (Fuente: AspenTech, Manual del usuario para
Aspen Plus)
8.4 MODELO MHEATX
Este modelo representa el intercambio de calor entre múltiples corrientes frías y
calientes. Permite realizar un balance global de energía pero no toma en cuenta la
geometría del intercambiador. Aquí se puede realizar un análisis detallado y
riguroso de zonas para determinar los puntos “pinch”, curvas de enfriamiento y
calentamiento de todas las corrientes del intercambiador.
Calcula los coeficientes
globales y lanza como resultado las temperaturas en las corrientes de salida. Este tipo
de modelo es una serie de intercambiadores de calor de tipo Heater.
8.3.1 Corrientes
Las corrientes de entrada en el modelo MHeatX debe ser por lo menos una para
el lado frío y para el lado caliente.
Al igual que para los otros modelos, por cada corriente de entrada existe una corriente
de salida y además hay la opción de modelar con una corriente de decantación de agua
por cada corriente que salga. Las corrientes se muestran a continuación para este
modelo.
IQUI 2003-2-26
Corrientes de entrada frías (varias)
Corrientes de
entrada calientes
(varias)
Corrientes de
salida caliente
Agua
(opcional)
Corrientes de
salida caliente
Agua
(opcional)
Corrientes de salida
frías
Agua (opcional)
Figura 9. Hoja de Conectividad para el modelo MHeatX. (Fuente: AspenTech, Manual
del usuario de Aspen Plus)
Usted debe dar datos específicos de salida para cada corriente sobre un lado del
intercambiador de calor. En el otro lado se puede especificar cualquiera de
las
corrientes de salida, pero debe dejar al menos una corriente sin especificar. Corrientes
diferentes
pueden asume
tener los
diferentes
de datos
MHeatX
quetipos
todas
las corrientes
queespecíficos.
no han sido especificadas tienen la
misma salida de temperatura. Un equilibrio de energía total determina la temperatura de
cualquier corriente (s) no especificada.
Usted puede usar un método de propiedades diferente para cada corriente en
MHeatX. Especifique los métodos de propiedades sobre el BlockOptions en la Hoja de
propiedades.
8.3.2 Características
MHeatX puede realizar un análisis detallado, riguroso interno de una zona
determinada. Este análisis incluye:
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a. Puntos “pinch” internos
b. UA y LMTD de cada zona
c. Total UA del cambiador
d. Un promedio general de LMTD
Para obtener un análisis de la zona, especifique el número de zonas mayor que 0
sobre la hoja de Análisis de Zona de Entrada de MHeatX. Durante análisis de la zona
MHeatX usted puede añadir:
a. Puntos de entrada en las corrientes si todas tienen distintas temperaturas
b. Puntos de salida en las corrientes si son distintas temperaturas en los productos
c. Puntos que cambian de fase, cuando es interno
MHeatX también puede considerar perfiles no lineales en las zonas dividiendo estas
zonas en aquellas que puedan ser adaptables para perfiles lineales. MHeatX puede
realizar un análisis de la zona para intercambiadores de calor en contracorriente y
paralelo.
MHeatX puede simular fases fluidas con alimentos sólidos cuando la corriente
contiene subcorrientes sólidas, o cuando usted solicita cálculos químicos con
electrólitos.
Todas las fases están en el equilibrio térmico. Los alimentos sólidos salen a la
misma temperatura que los fluidos. Sin embargo los materiales en las subcorrientes
sólidas no participan en los cálculos de equilibrio de fase.
8.3.3 Formatos
MHeatX usa múltiples bloques de intercambiadores de calor y corrientes de calor para
realizar la convergencia en la hoja de proceso. Aspen Plus automáticamente hace en las
secuencias y la convergencia de las corrientes a no ser que usted especifique otra
secuencia.
IQUI 2003-2-26
Use las formas siguientes para entrar
datos específicos y ver los resultados para
MHEATX:
a. Input
Especifica las condiciones de funcionamiento, parámetros de
convergencia tipo “flash”, parámetros para el análisis de zonas, tablas tipo
“flash”, parámetros de convergencia para MHeatX, y opciones específicas de
informe para cada bloque.
b. Hcurves
Especifica las tablas para las curvas de calentamiento o
refrigeración y muestra sus resultados tabulados.
c. Block Options
Reestablece valores globales para propiedades físicas,
opciones de simulación, niveles de mensaje diagnósticos y opciones de informe
para este bloque.
d. Results View
Muestra los resultados del intercambiador, division de
perfiles de cada zona, perfiles de corriente, perfiles tipo “flash”, corrientes de
material y resultados de equilibrio de energía.
Formato MHeatX Input
Specifications
Zone Analysis
Salida de datos específicos para cada
Análisis interno de cada una de las zonas
corriente sobre un lado del
intercambiador de calor, y para
cualquier corriente (al menos una) del
otro lado del intercambiador de calor
Flash Table
Options
Tablas de entalpia y/o temperatura para Informe de parámetros de convergencia y
análisis de zonas
cualquier opción específica de cada
bloque
Formato HCurve
IQUI 2003-2-26
HCurve Setup
HCurve Additional Properties
Use esta hoja para especificar la curva Use esta hoja para seleccionar juegos de
la variable independiente, la gama para característica(propiedad) adicionales de
la variable independiente, y el perfil de juegos
de
característica(propiedad)
presión. Las variables independientes disponibles y entrar en datos específicos
incluyen: Deber(impuesto) de calor, para mesas en el informe
Temperatura, y Fracción de Vapor.
La Fracción de Vapor no está disponible
para la Ampolla que calienta curvas.
HCurve Results
Use esta hoja para ver la calefacción generada y mesas de curva de refrigeración,
incluyendo:
Numero de Datos: muestra el numero de datos de la tabla
Estado: indica si existe un error, punto de rocío, o el punto de burbuja
Trabajo: muestra el trabajo realizado por el calor
Presión: muestrala presión
Temperatura: muestra las temperaturas
Fracción de vapor: muestra la fracción de vapor
Formato Block Options
Block Options Properties
Block Options Simulation Options
Use esta hoja para anular los valores Use esta hoja para especificar si los
globales de propiedades físicas.
cálculos de equilibrio de calor deben ser
realizados alrededor del bloque. Esta
hoja no contiene la caja de comprobación
para excluir o incluir cálculos de
equilibrio de calor si los equilibrios de
energía ya son hechos como la parte de
cálculos de bloque. Use esta hoja
también para especificar criterios de
IQUI 2003-2-26
cálculos de nuevo principio para el
bloque.
Block Options Diagnostics
Block Options EO Options
Use esta hoja para anular faltas para la Use esta hoja para especificar las
historia de simulación, niveles de opciones siguientes para la ecuación de
mensaje diagnósticos, y el panel de este bloque:
control niveles de mensaje diagnósticos
para el bloque.
· Componentes activos
· Ociones adicionales orientadas a la
ecuación y sus variables
Block Options EO Var / Vec
Block Options Report Options
Use esta hoja para especificar variables Use las hojas siguientes para ver los
secuenciales modulares (SM) para ser resultados obtenidos para MHEATX, de
expuestas como orientado por ecuación equilibrio de materia y energía, análisis
(EO) variables cuando este bloque está de zonas, perfiles del analisis de zonas,
siendo controlado vía la capa de perfiles
perturbación.
de
temperatura
para
cada
corriente y tablas de tipo “flash”
Formato MHeatX Results
MHeatX Results Stream
Results Balance
Use esta hoja para ver este bloque que Esta hoja muestra el material y el cierre
maneja resultados para cada corriente de equilibrio de energía alrededor del
de admisión.
bloque. Los resultados de equilibrio son
así:
Total
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Componentes convencionales.
Componentes no convencionales.
HeatX Results Exchanger
MHeatX Results Zone Profiles
Use esta hoja para ver los resultados de Use esta hoja para ver los resultados de
análisis totales de la zona para el perfil de análisis de la zona a lo largo del
transformador de calor.
transformador de calor.
MHeatX Results Stream Profiles
MHeatX Results Flash Table
Use esta hoja para ver los perfiles Use esta hoja para ver la tabla de tipo
finales par alas corrientes a lo largo del “flash”para cada corriente cuando se
intercambiador.
interpolan en esta.
Tabla 6. Formato de entrada del modelo MHeatX (Fuente: AspenTech, Manual del
usuario de Aspen Plus)
9. FAMILIARIZACON CON EL AMBIENTE DE ASPEN PLUS
En esta sección usted podrá observar mas a fondo como es Aspen Plus, haciendo
que usted, el usuario, conozca la interfaz que muestra Aspen Plus para que al realizar
ejercicios se sienta cómodo trabajando y de la misma forma sepa donde encontrar
iconos, formatos, modelos y demás dentro de la ventana de Aspen.
Se entrara adelante a describir en forma general lo que posee Aspen Plus en su
interfaz.
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9.1 HOJAS DE PROCESO
Una hoja de proceso es la reunión de una serie de iconos para representar una
unidad de proceso y flechas para representar flujos.
Para los procesos químicos, estas hojas de proceso se enfatizan en el flujo de material y
energía.
S1
Batch 1
S2
Batch 2
S3
Batch 3
S4
Figura 10. Comparación Entre la Hoja de Proceso y el Diagrama de Proceso en Aspen
Plus.
En el caso de las hojas de proceso para la simulación, estas son una serie de
subrutinas que contiene el programa para emular unidades de proceso y flechas que
representan flujos con información que se comparte entre las unidades.
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9.2 VENTANA PRINCIPAL
Barra de titulo
Barra de menú
Barra de trabajo
Espacio de trabajo donde se
dibuja el proceso
Paleta de modelos
Área rápida
Menú de modelos
Figura 11. Ventana principal de Aspen Plus. (Fuente: AspenTech, Simulador
Aspen Plus)
9.3 INTRODUCCIÓN AL USO DE ASPEN PLUS
Aspen Plus es un simulador de práctica constante para su ideal manejo. Para
aquellos principiantes en este ámbito, existen seis (6) pasos básicos:
a. Uso del “Model Manager”para especificar el problema.
b. Seleccionar el equipo necesario del modelo de bloques, tomarlo y arrastrarlo
hasta el área de trabajo.
c. Conectar las corrientes necesarias al modelo.
d. Bajar los formatos y llenarlos.
e. Correr el problema.
IQUI 2003-2-26
f. Analizar y reportar los resultados.
Aspen Plus cuenta con un operador lógico
, que lleva al usuario paso a paso
por todos los formatos que deben ser llenados para la correcta simulación.
Los formatos requeridos son:
TÍTULO
Título para el problema a tratar.
COMPONETES
Especificación de los componentes químicos que son
incluidos en la simulación.
PROPIEDADES
Dentro del menú “Option Set” especificar las propiedades
a usar.
BLOQUES
Dar las especificaciones de datos para cada unos de los
bloques incluidos en la simulación, cada bloque tiene su
propio grupo de datos.
CORRIENTES
Especificar cada una de las corrientes. En cada una se
debe especificar el estado, la composición y el flujo.
10. DESARROLLO DE EJERCICIOS PRACTICOS
Se realizara el modelamiento detallado de tres ejercicios que se han dispuesto
para este fin. El objetivo principal es que usted una vez haya terminado de realizar los
ejercicios que se proponen, tenga la capacidad de utilizar Aspen Plus para modelar
ejercicios semejantes. Todos los ejemplos que usted encontrará a continuación han sido
tomados del libro “Procesos de Transferencia de Calor” de Donald Kern, con el fin de
comparar el modelo propuesto por Aspen Plus, el ejercicio desarrollado en el libro y
aquel con Excel.
IQUI 2003-2-26
10.1 MODELO 1
A continuación se desarrollará el problema 9.3.
10.1.1 Descripción del Proceso
5.000 cpm de aire saturado a 100ºF entran al primer paso de un compresor que tiene
una razón de compresión de 2.33:1. El aire está a presión atmosférica. a) Cuánto calor
debe eliminarse después de cada uno de los cuatro pasos, suponiendo una caída de
presión de 2 lb/plg2 en cada interenfriador. b) Para el primer interenfriador se dispone
de un intercambiador de 29 plg DI con 508 tubos de ¾ plg DE, 14 BWG, 12´0” largo,
arreglados en ocho pasos y dispuestos en paso triangular de 1 plg. El espaciado de los
deflectores está a 24 plg. Usando agua con una temperatura de entrada de 85ºF, ¿cuáles
son las caídas de presión y los factores de obstrucción?
10.1.2 Modelo del Proceso
A continuación se muestra un modelo general del problema.
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5000 cpm
aire saturado
100ºF
P = atm.
Agua
T= 85ºF
2.45:1
Agua
T= 85ºF
Agua
T= 85ºF
Agua
T= 85ºF
Figura 12. Modelo del problema 9.3
10.1.3 Resumen de la Información
Aire saturado
Primer interenfriador
5000 cpm
29plg DI
100ºF
508 tubos ¾ plg DE 14 BWG 12ft largo
Presión atmosférica
8 pasos
2.33:1
1plg en triangulo
4 pasos
Espaciado deflectores 24 plg
Caída de presión 2 lb/plg2
Agua entrada 85ºF
IQUI 2003-2-26
10.1.4 Diagrama en Aspen Plus
Figura 13. Diagrama del problema 9.3 en Aspen Plus. (Fuente: AspenTech, Aspen
Plus)
IQUI 2003-2-26
10.1.5 Explicación Paso a Paso de la Simulación
Lo primero es cargar el programa. Para esto es necesario ir a Inicio, luego
programas, AspenTech, Aspen Engineering Suite, Aspen Plus 11.1. Aspen Plus User
Interface.
Figura 14. Pantallas de acceso al programa Aspen Plus. (Fuente: AspenTech, Aspen
Plus)
Aparecerá esta pantalla, asegurarse de colocar template para iniciar una nueva
simulación.
Luego es colocar Aceptar y OK para que el programa se conecte
directamente al servidor.
La ventana que se muestra corresponde a la ventana principal de Aspen.
IQUI 2003-2-26
Figura 15. Ventana pricipal de Aspen Plus (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
Debido a que el
programa no
cuenta
con aire saturado como
compuesto,
debemos
realizar esta sustancia,
para esto es necesario
realizar una mezcla de
aire-agua, saturarla y
luego separar el aire
del sobrante de agua
para así tener el aire
saturado que entra a las
Figura 16. Ventana de muestra para mezcladora. (Fuente:
bombas e intercambiadores.
AspenTech, Aspen Plus)
IQUI 2003-2-26
Se entra por lo tanto al menú de mezcladores o MIXERS y se escoge
TRIANGLE, ya que este modelo permite mezclar dos o más corrientes y sacar solo una.
Una vez escogemos el modelo, lo arrastramos hasta la hoja de proceso y se le da clic
para pegarlo a esta. Luciendo de la siguiente forma:
Figura 17. Muestra del mezclador tipo Mixer. (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
Ahora entraremos a colocarle nombres a cada una de las corrientes de entrada y
salida. Para esto se le da clic encima de la corriente que se quiere nombrar. De la
misma forma si usted lo desea puede darle nombre al bloque que esta trabajando.
Figura 18. Diagrama del mezclador (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
Como se mencionó, una vez mezclado el aire y el agua, se necesitará una
separación, para esto se utilizara dentro de la librería de SEPARATORS el modelo VDRUM cuya especificación es separar una corriente a varias.
IQUI 2003-2-26
Figura 19. Modelos para la librería tipo Flash2 (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
Y de igual forma se le da nombres a las corrientes de entrada y salida, al igual
que a la unidad de proceso. Una vez se ha finalizado este paso, empezamos con el
ejercicio.
Como
primera
medida
existe un compresor, por lo que
en la librería de PRESSURE
CHANGERS se elige ICON2,
siendo este un compresor como
el exigido por el problema. Se
llenan sus corrientes y se procede
IQUI 2003-2-26
al colocar el intercambiador de calor.
Figura 20. Librería de compresores en Aspen Plus
(Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
En este caso será de tipo HeatX, ya que se ha dado la geometría del equipo.
Se elige el tipo GEN-HS, pues se hará
que el fluido caliente vaya por la
coraza. Al igual que los otros se
nombran sus corrientes de entrada y
salida, además del bloque.
Figura 21. Tipos de intercambiadores de calor para el
Modelo HeatX (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
¡DATO!
Aspen Plus dentro de sus librerías de modelos muestra el nombre de cada uno de
estos para que el usuario se lleve una idea general de su uso.
Esta primera parte queda en la hoja de procesos de la siguiente forma:
IQUI 2003-2-26
Figura 22. Primera etapa del problema 9.3 en
Aspen Plus (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
Este proceso se debe repetir cuatro veces como indica el problema. El proceso
final se muestra como,
Aquí cada una de las corrientes
posee su propio nombre al
igual que los equipos.
Figura 23. Proceso en Aspen Plus para el problema
9.3 (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
DATO.
Aspen Plus posee un sistema contra errores de nombramiento, que le avisa si el
nombre que ha colocado ya existe en ese mismo proceso.
Ahora se ingresa a cada uno de los formatos que se necesitan llenar para la
simulación. Se usará el BOTÓN EXPERTO que se encuentra en la barra de botones.
IQUI 2003-2-26
Figura 24. Barra de herramientas de Aspen Plus (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
Este los llevará dentro de todos los formatos que se necesiten para el correcto
modelamiento.
Como primer formato que se encuentra esta el de información general, donde se
provee el nombre del ejercicio y las unidades con las cuales se van a trabajar. Una vez
llenos estos, se prosigue con el botón experto hacia el formato de componentes del
sistema. En este caso agua y aire.
Figura 25. Componentes del problema 9.3 (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
¡IDEA!
Usted puede encontrar todos los elementos y compuestos que tiene Aspen Plus
en su interior, para esto haga clic en Find, donde le saldrá un buscador, coloque el
nombre común o la formula química el compuesto y en Find Now, ahí se muestran
IQUI 2003-2-26
todos los resultados posibles. Elija el necesario y déle doble clic para añadirlo a su tabla
de compuestos.
Siguiendo con el botón experto, se entra al formato de PROPERTIES,
SPECIFICATIONS, donde se muestran los modelos y métodos para el cálculo
adecuado.
Figura 26. Cuadro de especificación de
propiedades (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
En este ejercicio se usara el como método base Peng-Robinson.
¡IDEA!
En el CD anexo a este manual usted puede encontrar un árbol de decisión donde
podrá hallar el método que se ajuste a su problema.
Siguiendo con el botón experto se entra al formato de las corrientes o STREAMS, aquí
Aspen Plus pide los datos de ingreso de algunas corrientes.
IQUI 2003-2-26
¡OJO! No es necesario
llenar cada una de las
corrientes pues se deben
dejar unas en blanco para
que Aspen pueda realizar
los cálculos, si usted sigue
siempre
con
el
botón
experto, Aspen solamente
mostrara las corrientes que
desea que usted especifique.
Figura 27. Formato de especificación para corrientes.
(Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
Llene las corrientes que Aspen Plus le muestra. Una vez se han llenado todas las
corrientes, se entra al formato de unidades de proceso o BLOCKS, de la misma forma
como hizo para las corrientes, Aspen le muestra los equipos que se deben especificar.
Para este caso en concreto, el primer equipo que se pide especificar es el
mezclador:
IQUI 2003-2-26
Figura 28. Formato “Flash Options” (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
Luego se entra a especificar los distintos separadores y compresores.
Figura 29. Especificacin para separadores y compresores (Fuente: AspenTech, Aspen
Plus)
IQUI 2003-2-26
¡OJO!
Para el compresor tenga en cuenta que es de tipo isentrópico y la eficiencia de un
0.8 general.
Ahora se entra a la parte con más
detalle
de
este
problema,
el
intercambiador de calor. Como se ve en
la ventana, aquí se dará la especificación
de metodología de cálculo. En este
debido a que se nos ha dado la geometría
completa, se realizara una modelación
tipo simulación detallada.
Figura 30. Formato para la especificación
de métodos de cálculo
y arreglo del flujo. (Fuente: AspenTech,
Aspen Plus)
DATO.
Como se observa en esta ventana esta el arreglo del fluido caliente en el
intercambiador, pero si usted desea cambiar la opción no es necesario cambiar la unidad
de proceso, aquí lo puede hacer.
Una vez realizado este paso, seguimos con el botón experto, el cual lo llevará a
la opción de cálculo de LMTD.
¡IDEA!
IQUI 2003-2-26
Por lo general el cálculo de LMTD se basa en la geometría del intercambiador.
Figura 31. Muestra de los formatos para
LMTD y caida de presión (Fuente:
AspenTech, Aspen Plus)
La caída de presión se selecciona tanto para el lado caliente como para el lado
frío, de la misma forma que el LMTD se puede hacer que la caída de presión sea
calculada por la geometría, siendo esta la forma más común. En esta ventana se da la
especificación de máxima caída de presión.
¡OJO!
En la caída de presión no se olvide de hacer los cambios para el lado frío y el
lado caliente.
Siguiendo con las especificaciones del intercambiador y el botón experto, se
entra a la ventana de métodos para el coeficiente de transferencia de calor. Se elegirá
usar el método de cálculo por la geometría del intercambiador como en las ventanas
anteriores.
Si usted desea puede cambiar el método para el cálculo de coeficientes de
película, sin embargo siguiendo con el botón experto, esta opción no es tomada por
Aspen Plus.
IQUI 2003-2-26
Se ha completado el formato de cálculos y métodos, ahora se entra a especificar la
geometría del intercambiador. Como primera
medida se tiene la coraza, aquí se puede
cambiar el tipo, el número de pasos, la
orientación,
diámetro
interno
y
demás
características.
Por favor entre la información que ha sido
provista por el problema, luego se sigue con el
botón experto.
Figura 32. Formato de coraza
para intercambiadores de calor.
(Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
Se llega al formato de tubos, donde se
selecciona el tipo y sus medidas.
Figura 33. Formato de tubos para
intercambiadores de calor. (Fuente:
AspenTech, Aspen Plus)
¡OJO!
Mientras usted no seleccione los tubos aleteados, la ventana de estos no se
activará. Lo mismo sucede en otros formatos.
IQUI 2003-2-26
Se entrara ahora a la característica de los deflectores. En esta ventana es
necesario hacer por lo menos 3 entradas en el sistema.
Una vez entrados los parámetros para los
deflectores. La ventana de las boquillas
Figura 34. Ventana de tipo de deflectores y boquillas. (Fuente:
AspenTech, Aspen Plus)
¡IDEA!
Por lo general los ejercicios no poseen la información de las boquillas pero en el
Anexo B de este manual podrá encontrar tablas que relacionan los diámetros de entrada
y salida de las boquillas con el diámetro de la coraza y los tubos.
Se ha terminado la entrada para el primer intercambiador, usted debe repasar los
mismos pasos con los demás intercambiadores. Al final y una vez han sido completados
todos los formatos, la ventana para correr el programa aparecerá.
Oprima RUN
SIMULATION para empezar el modelamiento.
Una vez se ha completado la simulación, el sistema muestra la ventana de
errores, donde le dice al usuario las posibles fallas o advertencias que han surgido
durante la simulación.
IQUI 2003-2-26
Figura 35. Aspen Plus realizando la simulación (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
Para ver los resultados desplace el puntero hacia el árbol de resultados.
DATO. En la
ventana de resultados
para las corrientes usted
puede organizarlas como
sea necesario. Solamente
seleccione la corriente
que desea ver haciendo
clic
en
la
casilla
correspondiente.
Figura 36. Resultados obtenidos por Aspen Plus
(Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
De clic en los resultados de las corrientes para ver todas la características de
cada una de ellas.
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Por último si usted desea ver la geometría de cualquiera de los equipos, vaya ala
casilla del árbol de resultados y seleccione BLOCKS, allí podrá ir a cada una de las
unidades involucradas en el proceso y se le muestra la ventana de SUMMARY,
BALANCE y PARAMETERS para ver lo que usted necesite.
Figura 37. Resultado para el compresor 1 (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
Este ejercicio se ha terminado con éxito, sin embargo para que usted pueda
observar las diferencias que existen entre los modelos Heater y HeatX, se va a seguir
adelante con otra simulación del mismo ejercicio. Lo que se hará es quitar el
intercambiador y reemplazarlo por el modelo Heater.
¡IDEA!
IQUI 2003-2-26
No es necesario reiniciar la simulación, simplemente vaya a la hoja de
PROCESS FLOWSHEET, seleccione el intercambiador que desea borrar, haga clic con
el botón derecho sobre el equipo y el menú para ese equipo aparecerá. Pulse Delete
Block, como puede observar este menú tiene distintas opciones con las que se puede
trabajar sobre la hoja de proceso.
Figura 38. Eliminación del equipo de intercambio de calor (Fuente: AspenTech, Aspen
Plus)
La hoja de proceso
debe lucir de la siguiente
forma:
Figura 38.1. Diagrama del proceso una vez
eliminado el equipo (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
Debido a que se va a pasar de un modelo riguroso a uno sencillo como Heater, es
necesario eliminar las corrientes
A1 y A2, que no son requeridas. Realice esta
IQUI 2003-2-26
operación al igual que en el intercambiador. Ahora inserte de la librería de HEAT
EXCHANGERS, el modelo HEATER, arrástrelo hacia su hoja de trabajo y suelte.
Como este ha quedado sin conexiones y se quiere seguir con las mismas
corrientes, de clic en cada corriente con el botón derecho y aparecerá RECONNECT
SOURCE o RECONNECT DESTINATION
y elija para la corriente que entra al
intercambiador esta ultima opción y para la que sale la primera.
Se realizan los mismos cambios
para los otros tres equipos.
Al final la pantalla deberá lucir
de la siguiente forma:
Figura 39. Diagrama de reconección de corrientes
(Fuente: ASpenTech, Aspen Plus)
IQUI 2003-2-26
Figura 40. Diagrama completo del problema 9.3 (Fuente: AspenTech, Aspen Pus)
Debido a que solamente se cambio el intercambiador, si se pulsa el botón
experto, automáticamente Aspen Plus lo llevará al formato de bloques y mas
exactamente a los intercambiadores. Indique las especificaciones.
Como
usted
puede
observar la temperatura y la
presión han sido tomadas de
los resultados arrojados por el
intercambiador de calor tipo
HeatX. De la misma forma se
entraran estos datos basados
en los resultados anteriores.
IQUI 2003-2-26
Figura 41. Ventanas de cambio de datos para
intercambiadores. (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
Ha terminado de entrar los datos necesarios y que fueron reemplazados, ahora corra
la simulación y observe los resultados. Verá que son bastante parecidos a los resultados
de de intercambio de calor y trabajo por cada etapa arrojados con la otra simulación. La
principal diferencia radica en que la simulación anterior es de tipo riguroso, mostrando
la geometría del intercambiador, mientras que Heater es sencillo, no posee geometrías.
De todas formas al haber entrado los resultados obtenidos en la primera simulación,
hace que la simulación converja de la misma forma para los dos casos.
IQUI 2003-2-26
Figura 42. Hoja de proceso del problema 9.3
(Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
Se realizará otro cambio, pasando del modelo de compresores al tipo Heater,
igual al anterior. Realice los cambios de la misma forma y conecte las corrientes, la
pantalla al final debe quedar de la siguiente forma:
Figura 43. Diagrama total del proceso (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
IQUI 2003-2-26
Pulse el botón experto y este lo llevará a llenar los formatos de los nuevos
compresores. Siga el mismo esquema anterior teniendo en cuenta los resultados
arrojados en la simulación anterior. Finalmente corra la simulación. Compare los
resultados.
Finalmente se cambiara la simulación a un solo intercambiador tipo Heater, que hará las
veces de compresor e intercambiador. Para esto debe eliminar los compresores e
intercambiadores.
10.1.6. Resultados del Proceso
PRIMERA SIMULACION
IQUI 2003-2-26
Figura 44. Ventana de resultados generales para el problema desarrollado en Aspen
Plus. (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
SEGUNDA SIMULACION
Figura 45. Ventana de resultados para el problema desarrollado cambiando el
intercambiador de tipo HeatX al tipo Heater. (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
IQUI 2003-2-26
TERCERA SIMULACION
Figura 46. Ventana de resultados en Aspen Plus, para el ejercicio con el modelo
Heater para el problema 9.3 (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
10.1.7 Comparación Con Excel
IQUI 2003-2-26
Ver los resultados en el CD anexo a este manual.
10.2. MODELO 2
Ejemplo 8.2 del libro “Procesos de Transferencia de Calor” de Donald Kern, en el
Anexo C se encuentra el ejercicio desarrollado por el autor.
10.2.1 Descripción del Proceso
Acetona a 250ºF debe enviarse a almacenaje a 100ºF a razón de 60.000 lb/h. El
calor será recibido por 185.000 lb/h de ácido acético de 100% que se calentara de 90 a
150ºF. Se dispone de una caída de presión de 10.0 lb/plg2 para ambos fluidos, y un
factor de obstrucción combinado de 0.004.
Se dispone para este servicio de gran numero de intercambiadores 1-2 que tienen
21 ¼ plg DI en la coraza con 270 tubos de ¾ plg DE, 14 BWG y 16´0” de largo,
colocados en cuadro con 1 plg de paso. Los haces de tubos están arreglados para dos
pasos con deflectores segmentados espaciados a 5 plg. ¿Cuántos intercambiadores 1-2
deberán instalarse en serie?
10.2.2 Modelo del Proceso
Acetona: 250ºF,
60.000lb/h
Ácido acético:
150ºF,
185.000lb/h
Acetona: 100ºF,
60.000lb/h
Ácido acético:
90ºF,
185.000lb/h
IQUI 2003-2-26
Figura 47. Modelo del Problema 8.2
10.2.3 Resumen de la información
Acetona
Ácido Acético
T entrada = 250 ºF
t entrada = 90ºF
T salida = 100ºF
t salida = 150ºF
W = 60.000 lb/h
w = 185.000 lb/h
Caída presión: 10.0 lb/plg2
Caída presión: 10.0 lb/plg2
Rd = 0.004 combinado
Coraza
Tubos
DI = 21 ¼ plg
Numero = 270
Espaciado deflectores = 5 plg
Longitud = 16´0”
Pasos = 1
DE = ¾ plg
BWG = 14
Paso = 1plg en cuadrado
Pasos = 2
IQUI 2003-2-26
10.2.4 DIAGRAMA EN ASPEN PLUS
Figura 48. Diagrama del problema en Aspen Plus (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
IQUI 2003-2-26
10.2.5 Explicación Paso a Paso de la simulación
Como en el ejercicio anterior lo primero es cargar el programa.
Se va al menú
de
intercambiadores
de
calor
y
se
selecciona la opción
GEN-HS (general hot
shell).
Figura 49. Librería de modelos para el intercambiador tipo HeatX
(Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
Ahora se procede a realizar el modelo correspondiente al ejercicio, para esto una
vez seleccionado el intercambiador a utilizar, se arrastra el puntero hasta el área de
trabajo.
Una vez puesto la unidad de operación, se realizan las conexiones necesarias o
se entran las corrientes.
IQUI 2003-2-26
¡OJO!
Las
líneas
de
color ROJO son
corrientes
necesarias,
mientras que las
líneas AZULES
son opcionales.
Figura 50. Ventana de la unidad de proceso en Aspen Plus (Fuente: AspenTech, Aspen
Plus)
DATO.
Para llenar las corrientes, se debe seleccionar la corriente que se desea haciendo
clic en ella, se arrastra hasta que adquiere la forma que se quiere. Se suelta y se le da
nombre a la corriente.
La ventana debe
lucir
de
siguiente
forma:
la
IQUI 2003-2-26
Figura 51. Ventana de intercambiador de calor para el
problema a desarrollar (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
Ahora hacemos clic sobre el botón experto. Quien nos guiara para la correcta
introducción de los datos para la simulación.
DATO.
Usted puede ir llenando cada uno de los parámetros de las corrientes y las
unidades de operación, haciendo doble clic sobre cada una de ellas.
Una vez le damos botón experto, aparece el primer formato que se debe llenar.
Figura 52. Ventana “Setup” para ingresar datos generales del problema (Fuente:
AspenTech, Aspen Plus)
IQUI 2003-2-26
En este formato le entramos el nombre con el cual quedara grabado el archivo de
la simulación, también podemos seleccionar las unidades en las cuales queremos ver
nuestros datos, así como algunas especificaciones globales de la simulación como: tipo
de corriente, presión del ambiente entre otros. Una vez completamos este formato
hacemos clic en el botón experto.
La siguiente pantalla que aparece es para la especificación de los componentes.
Aquí se deberá entrar el número de compuestos requerido, en este caso: acetona y ácido
acético.
Buscador. Aquí se
define
por
formula
nombre
química
o
el
compuesto que se requiere.
Haga clic en Find para abrir
el buscador.
Figura 53. Ventana de compuestos con el buscador de
elementos (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
¡OJO!
Tenga en cuenta que Aspen Plus es un programa diseñado en inglés, por lo tanto
todas sus propiedades y compuestos se encuentran en este idioma.
La ventana al final deberá lucir de la siguiente forma:
DATO.
Aspen Plus posee dentro de su librería de compuestos como formulas químicas y por
sus nombres generales. Se puede realizar la búsqueda por cualquiera de estos dos.
IQUI 2003-2-26
Formula
Nombre General
Figura 54. Ventana de compuestos (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
¡IDEA!
No es necesario escribir completamente el nombre o la formula química del
compuesto a entrar, con solo una de sus palabras o una parte de su formula química se
pueden hallar todos los elementos que contengan esa palabra o el componente escrito.
Ejemplo: Ácido Acético = Acetic Acid, buscar acetic o acid.
Una vez ingresados los dos compuestos, le damos clic sobre el botón experto.
Esta siguiente ventana nos enseña el formato de especificaciones, aquí como se ha dicho
anteriormente se puede especificar el tipo de método de calculo y el tipo de proceso que
se quiere usar.
IQUI 2003-2-26
En este caso se usara como tipo de proceso ALL, ya que este intercambiador
puede ser utilizado en todos los procesos químicos. Por otro lado su método para el
cálculo de propiedades va a ser de tipo SRK.
Cada vez que se para
en uno de los cuadros
de datos dentro de un
formato, Aspen Plus le
da información sobre
ese dato en particular.
Figura 55. Ventana de propiedades (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
¡IDEA!
Si usted no sabe que tipo de método elegir para su simulación, refiérase al
capitulo Familiarización con Aspen Plus de este tutorial, allí encontrara un árbol de
decisión que le ayudara a saber que método seleccionar.
En este punto usted a terminado de entrar los datos básicos del problema. Cada
vez que un conjunto de variables ha sido completado exitosamente, Aspen Plus deja ver
la siguiente ventana para continuar con el proceso.
IQUI 2003-2-26
Aquí se muestra los distintos caminos
que el usuario puede tomar una vez se halla
finalizado la entrada de datos. Si todos los
datos han sido entrados correctamente, darle
OK.
Figura 56. Cuadro que indica que se ha
completado las especificaciones
necesarias de entrada para el simulador.
(Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
El siguiente conjunto de formatos, es donde se va a especificar los datos dados
por el problema para cada una de las corrientes. Figura 57. Ventana de muestra para
especificación de corrientes (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
IQUI 2003-2-26
Como se ve en la ventana anterior, los datos que se entran se refieren al ácido
acético de entrada. Por favor inserte los datos de temperatura (90ºF), presión (75psi),
flujo másico (185.000 lb/h) y composición de la corriente.
¡OJO!
Aspen Plus puede entrar la composición del flujo en distintas formas, elija la
mejor opción. En este caso será de forma Mass-flow o Molar-flow = 1 para el ácido
acético, que indica que la corriente es solamente ácido acético. Tenga también cuidado
con la entrada de flujo total ya que Aspen Plus también posee distintas formas de
entradas.
Seguimos con el botón
experto y procedemos a llenar
de
igual
forma
los
datos
requeridos para la acetona de
entrada, temperatura de 250ºF,
presión 150psi, Flujo
total
60.000 lb/h y compuesto como
acetona total.
Figura 58. Ventana para corriente (Fuente:
AspenTech, Aspen Plus)
Ya han sido llenados todos los datos de corrientes, ahora lo que precede es entrar
a detallar el equipo o la unidad de proceso. Damos clic en el botón experto y aparece la
siguiente ventana:
IQUI 2003-2-26
Para este ejercicio en
particular, como se da la
geometría
del
intercambiador, el modo
que se va a realizar el
ejercicio
es
en
tipo
simulación detallada.
Aquí
se
puede
especificar el arreglo de
los flujos, ya sea caliente
en la coraza o por lo
tubos.
Figura 59. Ventana de especificación para la unidad de proceso (Fuente: AspenTech,
Aspen Plus)
Damos clic en el botón experto
. En esta siguiente etapa se define la geometría
del intercambiador, se tiene la coraza, los tubos, los deflectores y las boquillas.
DATO.
Existe una hoja opcional para los tubos aleteados, pero solamente se muestra
cuando este tipo de tubos es especificado en la hoja de tubos.
IQUI 2003-2-26
En este ejercicio tenemos:
coraza tipo E-one pass, No. de
pasos por los tubos 2, orientación
del intercambiador horizontal, DI
coraza 1.77 ft.
Estos son los datos mínimos de
entrada.
Figura 60. Ventana para las especificiones de la
geometría del intercambiador de calor (Fuente:
AspenTech, Aspen Plus)
DATO.
Por lo general los intercambiadores de calor se trabajan en forma horizontal, a
menos que se especifique lo contrario.
Haciendo clic en
. Entramos a detallar los tubos, es en este punto donde se puede
decidir si usar tubos aleteados o lisos.
IQUI 2003-2-26
DATO.
Recuerde que los tubos
aleteados dan mayores
caídas de presión que
los tubos lisos.
Figura 61. Ventana para especificación de tubos (Fuente: AspenTech, AspenPlus)
En la ventana anterior si usted no cuenta con el diámetro nominal del tubo,
Aspen Plus posee parámetros para entrar las medidas reales del tubo. Simplemente
seleccione en Tube size, Actual.
Siguiendo con la geometría del intercambiador, indique los detalles para los baffles y
finalmente aquellos para las boquillas.
IQUI 2003-2-26
Figura 62. Ventana para especificaron de deflectores (Fuente:
AspenTech, Aspen Plus)
Aquí el número de deflectores se realizó por medio de dividir el largo del
intercambiador de calor y ajustarlo al espaciamiento entre bafles, hasta que se llego a
este número donde la simulación corre.
Figura 63 Ventana para especificación de boquillas en el
intercambiador (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
IQUI 2003-2-26
¡IDEA!
Si usted no cuenta con los datos para las boquillas, en el libro “Procesos de
Transferencia de Calor” de Donald Kern, existen tablas donde se muestra el diámetro
de la boquilla mas común que se utiliza con respecto al DI de la coraza.
Se ha llegado al final de la entrada de datos, en este punto se han llenado
correctamente todos los formatos necesarios y se puede proceder a simular. Haga clic en
y luego en Run Simulation.
DATO.
Mientras que el programa este simulando o corriendo los datos, no se pueden
realizar cambios.
Finalmente Aspen Plus da los resultados obtenidos pare este ejercicio en
particular. Para observar los resultados desplácese hacia el buscador de archivos dentro
de Aspen.
Buscador de
Archivos.
Este
menú
también
se
puede
visualizar
haciendo clic
sobre
.
IQUI 2003-2-26
Figura 64. Ventana de resultados para las corrientes (Fuente:
AspenTech, Aspen Plus)
Elija Streams con lo cual se mostraran todos los datos para cada una de las
corrientes. Como se puede observar en esta simulación, las condiciones de entrada y
salida para la corriente de acetona se cumple, mientras que para la del ácido acético no
es el esperado. Sin embargo hay que tener en cuenta que Aspen Plus ya posee todas las
propiedades de los compuestos en su interior, al igual que los métodos de cálculo, por lo
que se pueden presentar incorcondancias con el problema desarrollado por el libro. Aun
así estos datos se aproximan a la realidad y a los resultados obtenidos por el libro.
Ahora se entrará a cambiar el
tipo de simulación, para esto
vaya al cuadro de especificación
de formatos.
Figura 65. Cuadro de especificación de formatos
(Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
Elija el tipo “All”, y vaya en el arbol a “Blocks” y entre en “Setup”, ahora si
cambie el tipo de simulación a “Rating”, haciendo que la temperatura de salida sea de
150ºF.
IQUI 2003-2-26
Figura 66. Ventana de especificación del intercambiador en
tipo “Rating” (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
Termine la simulación haciendola correr.
10.2.6 Resultados del Proceso
IQUI 2003-2-26
Figura 67 Ventana de Resultados para el problema desarrollado (Fuente: AspenTech,
Aspen Plus)
Aquí el simulador comprueba que hay errores, sin embargo la simulación puede
ser hecha ya que es un error que puede ser arreglado. En este caso se podría pensar
debido al tipo de ejercicio que esto se debe a que es necesario una serie de
intercambiadores de calor para cumplir con las especificaciones requeridas. Una forma
de realizar esto es darle a aspen lo que se quiere como resultado, de la forma detail
simulation, para lograr que sea aspen quien nos de el equipo necesario.
10.2.7 Comparacion con Excel
Ver el CD anexo con este manual
10.3 MODELO 3
10.3.1 Proceso
Este modelo ha sido obtenido de un documento publicado por Jorge Gut y José
Pinto en el articulo nombrado “Modeling of plate heat exchangers with generalized
configurations”, publicado en ver Anexo D “International Journal of Heat and Mass
Transfer” del 2003.
Simulación de un proceso de refrigeración de una solución de sacarosa (60 Brix)
utilizando agua fría en un intercambiador con 36 canales y una configuración simétrica.
IQUI 2003-2-26
10.3.2 Modelo del Proceso
36 entradas
36 salidas
de material
de material
Figura 68. Modelo del problema a desarrollar
10.3.3 Resumen de la Información
Se requieren platos de acero inoxidable 360, tipo chevron. Configuración del equipo:
L = 74 cm
β = 45º
w = 23.6 cm
φ = 1.17
ϕ=3
φ=3
b = 2.7 mm
ερ = 0.7 mm
P I =2
Yh = 1
DP = 5.9 cm
kP = 17 W/mºC
PII = 2
Yf = 1
Fluido Caliente
Fluido Frio
Sucrosa sol 60 ºBrix
Agua Tin,cold = 1.0 ºC
Tin,hot = 35 ºC
Wcold = 1.30 kg/s
Whot = 1.30 kg/s
Rf,cold = 1.7 x 10-5 m2ºC/W
Rf,hot = 8.6X10-5 m2ºC/W
ρcold = 1000 kg/m3
ρhot = 1286 kg/m3
µcold = 1.33 x 10-2 Pas
µhot = 5.15 x 10-2 Pas
Cp cold = 4206 J/kgºC
Cp hot = 2803 J/kgºC
Kcold = 0.584 W/mºC
Khot = 0.407 W/mºC
A1, cold = 0.300
A1, hot = 0.400 W/mºC
A2, cold = 0.663
IQUI 2003-2-26
A2, hot = 0.598
A3, cold = 0.333
A3, hot = 0.333
A4, cold = 0.000
A4, hot = 0.000
A5, cold = 1.441
A5, hot = 18.29
A6, cold = 0.206
A6, hot = 0.652
Tabla 7. Information del ejercicio para el modelo 3 (Fuente: Gur, Jorge, Pinto, José,
Modeling of plate heat exchangers with generalized configurations, International
Journal of Heat and Mass Transfer – 2003)
10.3.4 Diagrama en Aspen Plus
Figura 69. Diagrama en Aspen Plus del problema a
desarrollar (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
10.3.5 Explicación Paso a Paso
Una vez se ha iniciado la sesión en Aspen Plus, deslice su puntero hacia la
librería de intercambiadores de calor e
indique el modelo ICON1. Una vez halla
colocado la unidad en la hoja de proceso,
entre las corrientes necesarias para el
ejercicio.
IQUI 2003-2-26
Figura 70. Librería de modelos para
MHeatX (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
Al final el intercambiador de calor deberá lucir de la siguiente forma,
Figura 71. Diagrama del modelo en Aspen Plus
(Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
Con el botón experto
, continúe para llenar los formatos necesarios. El primer
formato que usted podrá ver es el de “Specifications”, donde podrá entrar el titulo que
desea para su ejercicio y las unidades que desea manejar.
DATO
Recuerde que usted en cada uno de los formatos de Aspen Plus podrá realizar
todos los cambios que sean necesarios y con los cuales se sienta confortable.
Una vez termine con este formato, seguirá al siguiente tipo de formato el cual
corresponde a los compuestos que se requieren
en el problema.
Por lo tanto, entre los
compuestos con los que se va a trabajar.
Figura 72. Tabla de los compuestos
del problema (Fuente: AspenTech,
Aspen Plus)
IQUI 2003-2-26
¡IDEA!
En el caso en que no exista un compuesto para la realización de la simulación,
opte por descomponerlo en sus compuestos primarios. Recuerde en utilizar la
herramienta “Find” en esta ventana.
Una vez se han entrado los compuestos, el
formato para elección de los métodos de cálculo será
abierta.
En este caso se utilizará el método NRTL es
cual maneja como en la parte inferior de la ventana
lo indica, la ley de gases ideales y la ley de Henry.
Figura 73. Formato de
especificación de modelos de
cálculo (Fuente: AspenTech, Aspen
Plus)
¡OJO!
Para poder saber el tipo de método que se debe usar, refiérase al árbol de
decisión en este manual.
Una vez se ha terminado este
paso, se empieza a entrar a los
formularios del corrientes y bloques.
IQUI 2003-2-26
En este problema se entra a llenar cada uno de los datos específicos requeridos
por el simulador.
Fgura 74. Especificación de corrientes (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
DATO
Cada dato de entrada contiene una serie de directorios para la elección de
unidades. Recuerde en manejar siempre las mismas unidades
en todo el problema.
Para cada una de las corrientes de entrada, usted deberá especificar los datos del
problema.
Figura 75. Formatos de especificación de corrientes (Fuente:
AspenTech, Aspen Plus)
Siguiendo con el botón experto, se entra al formato de la unidad de proceso,
como a continuación
se muestra, este tipo
de bloque posee todas
las corrientes que se
le han ingresado.
IQUI 2003-2-26
FFFigura 76. Formato de especificación del intercambiador
(Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
¡OJO!
En este formato tenga en cuenta que se debe dejar al menos un dato no
especificado y tenga en cuenta las unidades utilizadas.
Como
en la
figura
se
muestra,
existe
un dato
especificación
no
e
la
corriente C2.
Figura 77. Formato de especificación del intercambiador (Fuente:
AspenTech, Aspen Plus)
Ahora estan todos los
datos necesarios para correr el
simulador, haga clic en “OK”
para que Aspen Plus comience
a realizar los cálculos correspondientes.
Figura 78. Aviso para correr la simulación (Fuente:
AspenTech, Aspen Plus)
Finalmente revise los resultados obtenidos, para esto desplace su puntero hacia
la ventana de vision global y haga clic en la carpeta que desea ver.
IQUI 2003-2-26
Como se
muestra, para
las corrientes
se ven los
resultados
obtenidos por
el simulador.
Figura79. Resultados de las corrientes (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
De la misma forma puede ver los resultados para la unidad de proceso.
Figura 80. Resultados de Balance de masa y energía del problema (Fuente: AspenTech,
Aspen Plus)
IQUI 2003-2-26
10.3.6
Resultados
Figura 81. Resultados de la simulación (Fuente: AspenTech, Aspen Plus)
Los datos arrojados por el simulador, se logran comparar con los descritos en el
problema y observar que aunque no son exactamente iguales, sus diferencias no varían
en rangos muy grandes. Esto ya que el simulador toma ecuaciones exactas, con números
de varias cifras decimales y teniendo en cuenta que se puede variar el método de calculo
utilizado en el problema, los resultados también pueden cambiar.
10.3.7 Comparación con el desarrollo del problema
En el Anexo D , Modeling of plate heat exchangers with generalized configurations
se encuentra el desarrollo del autor para el problema anterior.
IQUI 2003-2-26
CONCLUSIONES
• Se logró conocer el modo de operación de Aspen Plus para
intercambiadores de calor, generando una mayor confianza y
expectativa en el estudiante.
• El tutorial desarrollado es de gran utilidad para estudiantes y
profesores que quieran estudiar, analizar y optimizar operaciones
unitarias o procesos.
• El manual desarrollado fue probado por distintos miembros de la
Universidad de los Andes, quedando en un concepto de fácil manejo
y entendimiento para todos.
• Los distintos ejemplos y ejercicios que se van a presentar, son
interesantes para el usuario ya que presentan retos, captan la atención
y plantean interrogantes
• El estudio de la simulación, no solo genera en el estudiante una
ayuda para enfrentar retos, sino que desarrolla la lógica cognoscitiva
y hace que el usuario adquiera una perspectiva integrada de los
conocimientos adquiridos.
IQUI 2003-2-26
• El simulador junto con el manual, da un enfoque teórico-practico que
permite al usuario desarrollar una actitud innovadora frente a la
resolución u optimización de procesos u operaciones unitarias.
• Estudiantes de todas las carreras pueden encontrar en este manual
una guía fácil para el manejo del simulador Aspen Plus.
• Todos los ejercicios y ejemplos mostrados en el manual, han sido
verificados en Excel y simulados en Aspen Plus.
• Se sugiere promover más el uso de estos simuladores ya que ayudan
al estudiante a entender conceptos y canalizar la información
recibida.
• Tanto el manual como el CD interactivo, pueden servir como base
para la apertura de cursos en simulación.
IQUI 2003-2-26
BIBLIOGRAFIA
KERN, D. Procesos de Transferencia de Calor. vigesima segunda edicion. Compañía
Editorial Continental, S.A. de C.V., Mexico D.F., 1990, capitulo 1
KERN, D. Procesos de Transferencia de Calor. vigesima segunda edicion. Compañía
Editorial Continental, S.A. de C.V., Mexico D.F., 1990, capitulo 2
KERN, D. Procesos de Transferencia de Calor. vigesima segunda edicion. Compañía
Editorial Continental, S.A. de C.V., Mexico D.F., 1990, capitulo 3
KERN, D. Procesos de Transferencia de Calor. vigesima segunda edicion. Compañía
Editorial Continental, S.A. de C.V., Mexico D.F., 1990, capitulo 4
KERN, D. Procesos de Transferencia de Calor. vigesima segunda edicion. Compañía
Editorial Continental, S.A. de C.V., Mexico D.F., 1990, capitulo 5
KERN, D. Procesos de Transferencia de Calor. vigesima segunda edicion. Compañía
Editorial Continental, S.A. de C.V., Mexico D.F., 1990, capitulo 6
KERN, D. Procesos de Transferencia de Calor. vigesima segunda edicion. Compañía
Editorial Continental, S.A. de C.V., Mexico D.F., 1990, capitulo 7
GUT, Jorge y PINTO José. Modeling of plate heat exchangers with generalized
configurations. International Journal of Heat and Mass Transfer, Enero, 2003, p, 11–13
.
PICON NUNEZ, M. y POLLEY, G.T. Understanding Multi-Stream Heat Exchanger
Design. Febrero, 2001.
AspenTech. Manual de Referencia de Aspen Plus. 1998.