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La Figura 41 muestra un diagrama de bloques con los pasos para desarrollar la simulación del sistema de Tea en estado estacionario en Aspen Hysys.

Figura 41. Etapas para desarrollar la simulación del sistema de Tea en Estado Estable. Fuente: Autores

1) Para realizar la simulación del proceso, el primer paso es abrir el simulador Aspen HYSYS®, y se selecciona la siguiente ruta File>New>Case.

2) Automáticamente se abre una ventana con el nombre de Simulation Basis Manager (ver Figura 42), en esta ventana que se abre se puede especificar los componentes, el modelo

Figura 42. Ventana Simulation Basis Manager. Fuente: Adaptado de Aspen HYSYS®.

Para definir los componentes con los cuales se va a trabajar se hace clic en la pestaña components y en el botón Add, posteriormente aparece una lista con todos los componentes disponibles en la base de datos del simulador, de esta manera se seleccionan los componentes que aparecen en la Figura 43

Figura 43. Ventana de selección de componentes en Aspen HYSYS®. Fuente: Adaptado de Aspen HYSYS® A continuación, se selecciona el modelo termodinámico que permite realizar el cálculo en las diferentes corrientes y en los equipos del proceso. Para ello, la ventana donde se especificó los componentes se cierra y se hace clic en la pestaña inferior Fluid Pkgs y en el botón Add, donde permite agregar el paquete de propiedades, se despliega una lista de diferentes modelos

termodinámicos, para este proceso se usa la ecuación de estado de Peng Robinson como se muestra en la Figura 44.

Figura 44. Ventana de selección del modelo termodinámico. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

Para ingresar las tres reacciones químicas anteriormente mencionadas se cierra la ventana Fluid Package y se dirige a la pestaña Reactions, estando en esta ventana se da clic en el botón Add Rxn que permite seleccionar el tipo de reacción (Ver Figura 44). Se despliega una lista de diferentes tipos de reacciones, ahí se selecciona la opción conversion y se hace clic en el botón Add Reaction donde se procede a ingresar los datos requeridos en las pestañas Stoichiometry y Basis.

Figura 45. Ventana de ingreso de reacciones. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

En la ventana Stoichiometry se introducen los coeficientes estequiométricos de la reacción, siendo negativo para los reactivos y positivo para los productos, posteriormente se pasa a la pestaña Base en esta se especifica la fase reaccionante y la conversión con respecto a uno de los

reactivos en este caso el reactivo limitante (ver Figura 46). Finalmente se cierra esta ventana y de esta manera se definió completamente la reacción. De la misma manera se especifican las otras dos reacciones para la conversión de etano y propano.

Figura 46. Izquierda: ventana de definición de la estequiometria de una reacción de conversión en Aspen HYSYS®. Derecha: definición de la base de una reacción de conversión en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®. Ya teniendo especificadas las tres reacciones es necesario configurar el conjunto de reacciones, que en este caso está constituido por tres reacciones (conversión de Metano, Etano y Propano) y se le asigna a este conjunto el paquete de propiedades termodinámicas. Para esto se ha clic en la pestaña Reactions Set que nos permite crear un nuevo set que es el que agrupa las reacciones que se configuraron. En la sub-ventana de la parte derecha de la Figura 47, se puede observar cuál de las reacciones están activas. Posteriormente se cierra la sub-ventana.

Figura 47. Ventana de especificaciones de sets de reacciones en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS® Para asociar el set de reacciones con el paquete termodinámico, se selecciona el conjunto de reacciones y dando clic en el botón Add to FP, ahí aparece una sub-ventana (ver Figura 48) donde se selecciona el paquete de propiedades dando clic en Add Set to Fluid Package, esto con el fin de que el simulador encuentre las herramientas suficientes para poder realizar los cálculos correspondientes. Finalmente se cierran las ventanas y se hace clic en Ruturn to Simulation Envionment.

Figura 48. Ventana de selección del paquete termodinámico para el set de reacciones en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

3) Para instalar una corriente, se selecciona de la paleta de equipos el componente Material Stream, para definir la composición de cada componente es necesario dar doble click al componente e ir a la pestaña Worksheet y hacer clic en la pestaña composition, en la parte inferior hacer clic en el botón Edit en la ventana que se despliega se selecciona la opción Mole Fractions y se ingresan los valores reportados en la Tabla 2 (ver Figura 49), ya definidas las composiciones y las condiciones de operación de la corriente de entrada al proceso, la parte inferior de la ventana se pone de color azul oscuro, esto quiere decir que la corriente está completamente especificada. Las otras entradas (cuatro entradas de hidrocarburos, entradas de aire, entrada de vapor, entrada de agua al sello hidráulico) que hacen parte del proceso se especifican de la misma manera que se especificó la entrada 1.

Figura 49. Ventana izquierda: composición de la corriente Entrada 1 en Aspen HYSYS®. Ventana derecha: Condiciones de la corriente Entrada 1 en Aspen HYSYS®.

4) Luego de definir la entrada 1 al proceso, se toma una válvula de la paleta de equipos (llamada valve), y se conecta la corriente entrada 1 a la entrada de la válvula (para conectar la corriente se hace doble clic en el equipo y se ingresa a la pestaña Desing > Connections donde en la casilla Inlet de despliega las corrientes que están disponibles para entrar a la válvula, aquí se selecciona la entrada 1), luego se especifica la corriente de salida de la válvula esto se hace en la casilla Outlet, esta corriente por defecto, se llama, F-01. Posteriormente en la pestaña Parameters se especifica la caída de presión en la válvula (ver Figura 50). Los valores de caída de presión para cada una de las válvulas del proceso se presentan en la Tabla 8. El resto de válvulas se configuran de la misma forma como se configuro la válvula V-1.

Figura 50. Ventana izquierda: Ventana de la válvula V-1 en Aspen HYSYS®. Ventana Derecha: Especificación de caída de presión para la Válvula V-1. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

Especificadas todas las entradas y su correspondiente válvula se puede introducir las diferentes líneas de tubería que albergan los hidrocarburos gaseosos de diferentes áreas del proceso que van a ser quemados en la Tea, la primera línea por especificar es la línea 1. Para ello desde la paleta de equipos se toma un módulo de tubería (llamado pipe segment), al módulo seleccionado se le hace doble clic y en la pestaña Design>Connections se denomina línea 1 (en la casilla Name), y también se define la corriente de entrada que será la correspondiente F-01 que sale de la válvula V-1, su corriente de salida es F-02 y su corriente de energía es Q-01 (ver Figura 51). Ahora se pasa a la página Parameters donde se puede ver las diferentes correlaciones con las que cuenta Aspen HYSYS® para calcular la tubería y los accesorios. Para este caso se usa la correlación de Beggs y Brill.

Figura 51. Conectividad para el módulo de tubería en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®. Posteriormente se ingresan las condiciones de la tubería correspondiente a la línea 1. Para esto se debe ir a la pestaña Rating y a la página Sizing. Ahora se procede a agregar el segmento (para agregar el segmento se hace clic en el botón Append Segment) de acuerdo a las especificaciones del proceso, (ver Tabla 4) para la línea 1. Para especificar el diámetro mediante la cedula, se hace doble clic en la casilla de diámetro y aparece una ventana Pipe Info, en esta ventana se especifica la cedula, el diámetro nominal y el material del tubo tal como se muestra en la Figura 52. Para configurar las demás líneas del proceso, se sigue el mismo procedimiento que se hizo para la línea 1.

Figura 52. Izquierda: Pestaña Rating del módulo de tuberías en Aspen HYSYS®. Derecha: Selección del diámetro nominal de la sección de tubería en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

Especificada correctamente la línea 1, se procede a especificar la trasferencia de calor de la línea 1, para ello se hace clic en la página Heat Transfer, y teniendo en cuenta que los tubos no tienen aislamiento y se encuentran sobre la superficie del suelo se especifica cada una de estas condiciones en la opción Estimate HTC, se asume heurísticamente una temperatura ambiente de 30ºC y que sea un cálculo global. La Figura 53. muestra cómo debe quedar especificada esta pestaña.

Figura 53. Especificaciones de la trasferencia de calor para la línea 1 en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

Luego se toma un mezclador de la paleta de equipos (llamado Mixer) y se conecta la corriente F- 02 a la entrada del mezclador (para ello se hace doble clic en el mezclador y en la pestaña Desing, en la página Connetions y en la casilla de Inlets se selecciona la corriente F-02). Posteriormente, se especifica la corriente de salida del mezclador en la casilla Outlet. Esta corriente se nombra F-05. Como se muestra en la Figura 54, el mezclador queda calculado con su correspondiente corriente de entrada y salida.

Figura 54. Ventana del módulo del mezclador MIX-100 en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS® Hasta este punto queda especificada la entrada 1, válvula V-1, Línea 1 y mezclador M-100 como se muestra en la Figura 55, lo siguiente es especificar las cuatro entradas restantes, la válvula V-2, V-3, V-4, V-5, la Línea 2, Línea 3, Línea 4, Línea 5. La corriente de salida de las Líneas 2, 3, 4 y 5, no se especifican como corriente de entrada en los mezcladores que hacen parte del proceso en estado estable, Dichas entradas se especifican para el mezclador cuando la simulación este en estado dinámico.

Figura 55. Línea del proceso especificada. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

Una vez se tiene especificado lo anterior y los equipos configurados se procede a especificar la Línea 6, que entra la corriente F-05 y la corriente que sale por defecto se llama F-08, esta corriente es la que entra al mezclador M-101, y de esta manera se sigue configurando cada uno de los equipos, para ello ver la Figura 36 que muestra la red de tuberías del proceso planteado.

5) Lo siguiente es instalar el Knock-out drum que es el equipo que permite separar los hidrocarburos gaseosos de los condensados que se generan en las entradas y líneas del proceso

para luego ser llevados al quemador donde son eliminados. Este equipo se representa en este trabajo como un separador (V-100).

La corriente F-018 que sale del ultimo módulo de tubería se conecta a un separador de fases (en la paleta de quipos se llama Separator), del mismo modo también se toman dos salidas, una por la parte inferior (salida de condensados, corriente liquida) y otra por la parte superior (salida del gas, corriente de vapor). Esto se hace dando doble clic en el separador y se ingresa a la pestaña Desing y en la página Connetions como se muestra en la Figura 56 . Allí se especifican las condiciones de operación del separador (ver Tabla 5), inicialmente se especifica la temperatura de alguna de las corrientes de salida y una caída de presión, ese valor se digita en la pestaña Worksheet.

Figura 56. Ventana del módulo de separador de fases en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS® Luego a la corriente de salida (Corriente F-020) de la parte superior del separador (ver Figura 57) es necesario agregarle un módulo de tubería, esto con el fin de transportar los hidrocarburos gaseosos que van hacer eliminados hasta el sello hidráulico, esta línea se especifica siguiendo los mismos pasos para la especificación de la línea 1, pero con los datos de la Tabla 3. De esta forma, se tiene que el sistema está calculado hasta este punto.

Figura 57. Representación del Tanque K.O Drum. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

6) La paleta de equipos de Aspen HYSYS no tiene un equipo de sello hidráulico, este equipo en el sistema, es el que tiene la función de que no haya retroceso de hidrocarburos gaseosos que salen del separador y que luego son eliminados en el quemador. Está ubicado antes de la tea, después de la línea 10. Para representar este equipo en la simulación del proceso se hace uso de un separador, las consideraciones a tener en cuenta para este equipo es que debe mantener un 80% de volumen líquido y la temperatura debe estar entre 30º𝐶 y 40º𝐶, esto con el fin de evitar que el agua que está en el interior del separador V-101(Sello Hidráulico) sea arrastrada con la corriente de hidrocarburos gaseosos que entran en la corriente F-021.

Otro aspecto a tener en cuenta para este mismo caso, es que la presión de la corriente de agua que está ingresando al separador, V-101, debe ser superior a la corriente F-021. Para la instalación del separador V-101 (Sello hidráulico) se selecciona el separador (llamado Separator) de la paleta de equipos, se hace doble clic y se especifican las entradas; corrientes F-021 y F-022, y las corrientes de salida; F-024 y corriente de despojo de agua. De esta manera queda especificado este equipo (Ver Figura 58).

Figura 58. Ventana del módulo de separador de fases en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS® Como se debe mantener una temperatura en el separador V-101 se hace uso de un servicio externo que permita mantener la temperatura entre el intervalo mencionado, para ello se implementa el servicio para el sello hidráulico, se elige desde la paleta de equipos un intercambiador de calor (llamado Cooler), se da doble clic sobre el equipo y se configura la corriente F-023 a la entrada y la corriente agua fría a la salida y la corriente de calor cedido por el servicio como se muestra en la Figura 59. Una vez se hayan conectado las corrientes, Se procede a especificar la caída de presión que es 0,3 bar, para esto se da click en la pestaña Worksheet, ver Figura 59. Una Vez especificado el intercambiador de calor, se dirige al separador V-101, se da doble clic sobre el equipo, en la pestaña Design y casilla Energy se elige la opción Q-013 que es la energía que necesita el separador para mantener la temperatura en el intervalo 30-40ºC.

Figura 59. Ventana del intercambiador de calor en Aspen HYSYS®. Fuente: Adaptado de Aspen HYSYS®

Figura 60. Especificación en el intercambiador de calor E-100 en Aspen HYSYS®. Fuente: Adaptado de Aspen HYSYS®

Figura 61. Representación del sello hidráulico. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

7) A continuación, se especifica el tubo por donde ascienden los gases para ser eliminados en el quemador, para ello se toma de la paleta de equipos un segmento de tubo (llamado Pipe segment), para definir las condiciones de operación se hace doble clic sobre el equipo y en la pestaña Design>Connetions, se selecciona la corriente F-024 en la casilla Inlet, en la casilla Outlet se establece la corriente F-025 y en la casilla Name, se asigna el monbre Stack como se muestra en la Figura 62 .

Posteriormente se ingresan las condiciones de operación del segmento de tubo, dichas condiciones de operación están en la Tabla 4. Para ello haga clic en la pestaña Rating y en la página Sizing, allí se puede agregar la longitud, el cambio de elevación, tipo de material, diámetro externo y diámetro interno (ver Figura 63). Especificadas correctamente las condiciones de operación, se procede a especificar la trasferencia de calor para ello heurísticamente se asume una temperatura ambiente de 30ºC.

Figura 63. Pestaña Rating del módulo de tubería en Aspen HYSYS®. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS® Para la configuración del reactor de conversión (equipo que representa el quemador de la Tea), se toma desde la paleta de equipo un reactor de conversión (llamado Conversion Reactor), se hace doble click sobre el equipo y en la pestaña Design y en la página Connections se configuran las corrientes de entrada, salida y una corriente de energía tal como se muestra en la Figura 64.

Posteriormente se relaciona el set de reacciones con el equipo, se selecciona la pestaña Reactions y asignando el conjunto de reacciones (casilla Reaction Set) en la parte superior. El conjunto de raciones configurado debe ser aquel que contiene las tres reacciones de conversión. Sin embargo, también es posible modificar la conversión fraccional definida en el ambiente base, esto se hace dando clic en el botón Conversion %( ver Figura 65). Para que quede especificado completamente el reactor se dirige a la pestaña Worksheet y en una de las corrientes de salida se digita la temperatura de la Tabla 7.

Figura 65. Pestaña Reactions del módulo del reactor de conversión en Aspen HYSYS® Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®.

La Figura 66 muestra la representación de la instalación de la Tea en Aspen Hysys.

Figura 66. Representación de la Tea. Fuente: adaptado de Aspen HYSYS®

De esta manera han quedado especificados todos los equipos del proceso en estado estable y el entorno de la simulación del proceso se muestra en la Figura 67.