Curso de simulaciCurso de simulacióón de n de Procesos en Aspen PlusProcesos en Aspen Plus

Por: Dr. Edgar Omar CastrejPor: Dr. Edgar Omar Castrejóón Gonzn Gonzáálezlez

Objetivo: Proporcionar los conocimientos básicos empleados en simulación de procesos utilizando Aspen Plus.

Análisis de grados de libertad.Descripción general del simulador.Simulación de Procesos de Separación.

Introducción a los modelos de Columnas en AspenSimulación de Columnas de DestilaciónSimulación de Columnas de ExtracciónSimulación de Columnas de Absorción

Simulación de reactores químicosIntroducciónModeladoEfecto de P y T.

…Contenido

Simulación de equipo auxiliarSimulación de bombas y compresores.Simulación de intercambiadores de calor.Simulación de válvulas, mezcladores y divisores.

Análisis de sensibilidad.Análisis de casos de estudio mediante simulación (Planta completa).

Duración

Miércoles.Horario: 17:00 – 21:00 hrs.

Contacto para comprar licencia:AspenTech de Mexico S. de R.L. de C.V. Av. Paseo de la Reforma 350, Col. Juarez10th floor, Office 10027 Mexico City, 06600Phone: 5255 91711368 Fax: 5255 91711499

Análisis de grados de libertad

En un sistema multifásico y multicomponente, se requieren resolver cientos de ecuaciones simultáneas o de manera iterativa

Se necesita especificar un número suficiente de variables de diseño de manera que el número de incógnitas sea igual al número de ecuaciones independientes

La elección de las variables de diseño es primordial para facilitar el proceso numérico de resolución.

Análisis de grados de libertad

D V EN N N= −donde:

ND: Número de grados de libertadNV: Número de variablesNE: Número de ecuaciones

Ejemplo:

( )3

2

ln 3 2.55

cos( ) 5.355x

x y sen z

e y z

− + =

+ − =

( )

( )

3

2

ln 3 2.55

cos( ) 5.355tan 2 ln( ) 7.455

x

y

x y sen z

e y zx e z

− + =

+ − =

− + =

ND= 1 ND= 0

Análisis de grados de libertadEn un separador tipo Flash

Nv: 3C + 10

Ne: 2C + 5

Variables

EcuacionesM: CE: CS: 2H: 1

TV = TL : 1PV = PL: 1

EspecificacionesAlimentación: C+3

ND: 2 T,P,y1,Q,x1,V,L

Análisis de grados de libertadEn una columna multietapa:

Análisis de grados de libertadAnalizando por etapa:

NV: 3C + 12

NE: 2C + 5

Variables por etapa:

EcuacionesM: CE: CS: 2H: 1

TV = TL : 1PV = PL: 1

Variables por columna:NV: 3NC+12N+2

ND: NC+7N+2

Etapa j

Fj

Zij

TFj

PFj

Wj

Vj

yij

TVj

PVj

UjLj

xij

TLj

PLj

Qj

Ecuaciones por columna:NE: 2NC+5N

Análisis de grados de libertadND: NC+7N+2

NC+7N+2Total1Tipo de condensador

2NTodas las salidas laterales

1Flujo de Destilado o fondos

1Relación de reflujo

N-2Calor en todas las etapas excepto condensador y rehervidor

1Número de Etapas

NPresión en toda la columna

NC+3NTodas las alimentaciones conocidas

NúmeroVariable

Generalidades

Significado: Sistema Avanzado para Ingeniería de Procesos -Advanced System for Process Engineering (ASPEN).

Software sofisticado que puede ser usado en casi todos los aspectos de ingeniería de proceso desde la etapa del diseño hasta el análisis de costos y rentabilidad.

Tiene una biblioteca modelo incorporada para columnas de destilación, separadores, intercambiadores de calor, reactores, etc.

Generalidades

Los modelos de comportamiento o propiedades pueden extenderse dentro de su biblioteca mediante subrutinas Fortran u hojas de trabajo Excel.

Tiene un banco de datos de propiedades incorporado para los parámetros termodinámicos y físicos.

Generalidades: VentajasReduce el tiempo de diseño de una planta.

Permite al diseñador examinar rápidamente varias configuraciones de planta.

Ayuda a mejorar procesos actuales.

Responde a las interrogantes en el proceso.

Determina condiciones óptimas del proceso dentro de las restricciones dadas.

Asiste en localizar las partes que restringen un proceso.

ASPEN: IntroducciónLa ventana principal de ASPEN Plus

Ejemplo 1: MezcladoDe acuerdo al siguiente esquema, determine:

MIXER

T = 30 °CP =1 atmF1 = 50 kmol/hr agua

T = 60 °CP =1 atmF2 = 70 kmol/hr etanol

a) flujo, composición y temperatura en 3

2

1

3

b) Efectuar un diagrama T-x-y considerando solución ideal y gas ideal.

c) Efectuar un diagrama T-x-y con los modelos NRTL para la fase líquida y Redlich-Kwong para la fase vapor.

Ejemplo 2: Separador FlashLa mezcla obtenida en el ejemplo 1, se introduce como líq. Saturado (en su T de burbuja) a un separador Flash donde se requiere vaporizar el 30% de la mezcla y P=1atm. Determine:

a) Flujos, composiciones, temperaturas de V y L (ideal y NTRL-RK).b) La cantidad de calor agregado.c) La T de rocío de la alimentación.

Redlich – Kwong:

( )0.5ˆ ˆ ˆRT aP

V b T V V b= −

− +

2 2.5

0.4278 c

c

R TaP

=

0.0867 c

c

RTbP

=

NRTL(Non-Random Two Liquid):

( ) ( )12 21 12 12

12 21 12 12

22

1 2 21 122 2

1 2 2 1

ln e exx x e x x e

α τ α τ

α τ α τγ τ τ

− −

− −

⎧ ⎫⎪ ⎪= +⎨ ⎬

+ +⎪ ⎪⎩ ⎭

( ) ( )12 12 12 21

12 12 12 21

22

2 1 12 212 2

2 1 1 2

ln e exx x e x x e

α τ α τ

α τ α τγ τ τ

− −

− −

⎧ ⎫⎪ ⎪= +⎨ ⎬

+ +⎪ ⎪⎩ ⎭

Comportamiento termodinámico

T-xy for AGUA/ETANOL

Liquid/Vapor Molefrac ETANOL

Tem

pera

ture

K

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 1

355

360

365

370

375

LiquidoVapor

Ejemplo 3: Separadores FlashSe tienen disponibles cuatro separadores Flash con la finalidad de obtener la mayor pureza de etanol en una mezcla equimolarde etanol – agua a T = Tburb y P = 1atm; Investigue dos configuraciones con la finalidad de obtener la mayor pureza. Use NTRL-RK.

Ejemplo clásico de simulaciónEl sistema que se representa seguidamente se utiliza para enfriaEl sistema que se representa seguidamente se utiliza para enfriar el r el efluente de una reactor y separar los gases ligeros de los hidroefluente de una reactor y separar los gases ligeros de los hidrocarburos carburos mmáás pesados. Calcule la composicis pesados. Calcule la composicióón y la velocidad de flujo del vapor n y la velocidad de flujo del vapor que sale de la cque sale de la cáámara de flash. mara de flash. ¿¿Influye sobre el resultado la velocidad Influye sobre el resultado la velocidad de flujo de lde flujo de lííquido agotado?quido agotado?

Ejemplo 4: Diseño de una columna de Destilación

La siguiente mezcla se separa por destilación ordinaria a 120 psi para recuperar 92.5% del butano alimentado en el líquido del destilado y recuperar el 82% del Isopentano en el fondo. Use: Peng-Robinson

Componente Flujo Kmol/hrPropano 2.27

Isobutano 6.8Butano 11.34

Isopentano 9.07Pentano 15.88

a) Estimar el número mínimo de etapas de equilibrio requeridas aplicando la ecuación de Fenske. 6.37911305

b) Asumiendo que la alimentación se encuentra en el punto de burbuja, utilizar elmétodo de Underwood para estimar la relación mínima de reflujo. 1.09371566

c) Determinar el número de etapas teóricas requeridas por la correlación deGuilliland asumiendo una relación de reflujo 20% superior a la mínima. 14.0239204

d) Encontrar la localización de la etapa de alimentación usando la correlación deKirkbride 6.57944101

Ejercicio 5: Diseño de una columna¿Cuántas etapas se requieren para separar 100 Kmol/s de una mezcla equimolar de alcohol etílico en agua? Suponga alimentación como líquido saturado a presión atmosférica. La relación de reflujo es 1.3 Rmin.a) Para una pureza de 0.85 de alcohol en el destilado.b) Para una pureza de 0.89 de alcohol en el destilado.c) Para una pureza de 0.9 de alcohol en el destilado.

Ejemplo 6: Simulación de una columnaUtilizando los datos obtenidos en el diseño preliminar del ejemplo 4, determine los perfiles de Flujos, Composiciones y Temperaturas inter-etapas.

Ejercicio 7: Simulación de una columnaUtilizando los datos correspondientes al inciso a) obtenidos en el diseño preliminar del ejemplo 5, determine los perfiles de Flujos, Composiciones y Temperaturas inter-etapas.

Ejercicio 8: Extracción liquido liquido

Ejercicio 8: Extracción liquido liquido

Pag. 347

Ejercicio 8: Extracción liquido liquidoCorrientes implicadas:

Alimentación (F): Disolución cuyos componentes se desean separar.

Disolvente (S): Líquido utilizado para separar el componente deseadoRefinado (R): Corriente de alimentación ya tratada

Extracto (E): Disolución con el soluto recuperado.

Ejercicio 8: Ejemplo300 kg/h de una solución acuosa de ácido acético de composición 40% en peso de ácido se extraen en contracorriente con éter isopropílico para reducir la concentración del ácido en el producto refinado al 6% en peso Calcular:

a) El número de etapas y la cantidad de solvente necesariab) Flujos y composiciones de E y R

Ejercicio 9: Destilación ExtractivaEl MCH y tolueno forman un sistema de punto de ebulliciEl MCH y tolueno forman un sistema de punto de ebullicióón cercano que es n cercano que es

difdifíícil de separar por destilacicil de separar por destilacióón binaria simple. En la columna de n binaria simple. En la columna de recuperacirecuperacióón de la figura, el Fenol es usado para extraer el Tolueno, n de la figura, el Fenol es usado para extraer el Tolueno, permitiendo recuperar permitiendo recuperar methylcyclohexanemethylcyclohexane relativamente puro en el relativamente puro en el producto del tope. La pureza del producto del tope. La pureza del methylcylohexanemethylcylohexane recuperado depende recuperado depende del flujo de entrada de fenol. En esta seccidel flujo de entrada de fenol. En esta seccióón, crear una simulacin, crear una simulacióón en n en Aspen Plus que permita investigar el funcionamiento de la columnAspen Plus que permita investigar el funcionamiento de la columna.a.

a) Efectúe la separación por destilación ordinariab) Utilice destilación extractiva y compare los resultados

Ejercicio 10: Mezcla Etanol AguaDe la mezcla equimolar correspondiente a 100 Kmol/s de alcohol etílico en agua, utilice la información proporcionada para mejorar la pureza de etanol. Suponga alimentación como líquido saturado a presión atmosférica. La relación de reflujo es 1.3 Rmin.

AbsorciónEs la operaciEs la operacióón unitaria que consiste en la separacin unitaria que consiste en la separacióón de uno o mn de uno o máás s componentes de una mezcla componentes de una mezcla gaseosagaseosa con la ayuda de un con la ayuda de un solventesolvente llííquidoquidocon el cual forma con el cual forma solucisolucióónn (un (un solutosoluto A, o varios solutos, se absorben de la A, o varios solutos, se absorben de la fase gaseosa y pasan a la lfase gaseosa y pasan a la lííquida).quida).

Un ejemplo es la absorciUn ejemplo es la absorcióón de amonn de amonííaco A del aire B por medio de agua laco A del aire B por medio de agua lííquida C.quida C.

Este proceso implica una Este proceso implica una difusidifusióón molecular turbulenta o n molecular turbulenta o una transferencia de masa del una transferencia de masa del soluto A a travsoluto A a travéés del gas B, que s del gas B, que no se difunde y estno se difunde y estáá en reposo, en reposo, hacia un lhacia un lííquido C, tambiquido C, tambiéén en n en reposo.reposo.

Pag. 351

Ejercicio 11Se disponen de 100 Se disponen de 100 kmolkmol/h de una mezcla gaseosa amoniaco /h de una mezcla gaseosa amoniaco –– aire de aire de composicicomposicióón 15% en mol de amoniaco, la cual se introduce a una n 15% en mol de amoniaco, la cual se introduce a una columna de absorcicolumna de absorcióón de 15 etapas ten de 15 etapas teóóricas en contracorriente con 150 ricas en contracorriente con 150 kmolkmol/h de agua. Las corrientes se introducen a una presi/h de agua. Las corrientes se introducen a una presióón de 5 n de 5 atmatm y y temperatura de 20 temperatura de 20 °°CC. . Reporte el perfil de composiciones y flujos.Reporte el perfil de composiciones y flujos.¿¿CuCuáánto amoniaco fue absorbido?nto amoniaco fue absorbido?

La presiLa presióón en la columna varn en la columna varíía linealmente de 5 a linealmente de 5 atmatm en el domo hasta 1 en el domo hasta 1 atmatm en el fondo.en el fondo.

ReactoresTipos de reactores en ASPEN:Tipos de reactores en ASPEN:

Reactores batch o semicontinuos con una, dos, o tres fases con reacciones de equilibrio o controladas en alguna fase basado en estequiometría o cinética

modela reactores batch o semicontinuosReactor BatchRBATCH

Reactores de tanque agitados con una, dos, o tres fases con reacciones de equilibrio o controladas en alguna fase basado en estequiometría o cinética

modela reactor de tanque agitadoReactor continuo de tanque agitadoRCSTR

Calculo de equilibrios de fase para soluciones con sólidos y sistemas vapor-liquido-solido

con minimización de energía de GIBBS

Reactores con simultáneos equilibrios químicos y de fases.realiza equilibrio químico y de

fases por minimización de la energía de GIBBS

Reactor de equilibrio

RGIBBS

Reactores con simultáneos equilibrios químicos y de fases

realiza equilibrio químico y de fases por cálculos estequiométricos

Reactor de equilibrioREQUIL

Reactores donde la estequiometría y la cinética son desconocidas o poco importantes pero la distribución

de rendimiento es conocida

modela reactor con una producción específicaReactor de producciónRYIELD

Reactores donde la cinética es desconocida o poco importante pero la estequiometria y extensión son

conocidas

modela reactores estequiometricos con extensión o

conversión especificada

Reactor estequiométricoRSTOIC

UTILIDADPROPÓSITODESCRIPCIÓNMODELO

ReactoresTipos de reactores en ASPEN:Tipos de reactores en ASPEN:

ReactoresModelado:Modelado:

Ejercicio 12- RSTOICEn un reactor estequiomEn un reactor estequioméétrico adiabtrico adiabáático se lleva a cabo la tico se lleva a cabo la

producciproduccióón de metanol, con una conversin de metanol, con una conversióón del 100%. La mezcla n del 100%. La mezcla reactante consta de 1 reactante consta de 1 lbmollbmol/h de CO, 2 /h de CO, 2 lbmollbmol/h de H/h de H22 y 5 y 5 lbmollbmol/h /h de de DodecanoDodecano. Las condiciones son P = 1 . Las condiciones son P = 1 atmatm y y TTentradaentrada = 25= 25°°CC

a) Calcule las composiciones en la corriente de salida, asa) Calcule las composiciones en la corriente de salida, asíí como el como el calor de la reaccicalor de la reaccióón. Use el modelo termodinn. Use el modelo termodináámico mico PredictivePredictiveRedlichRedlich KwongKwong SoaveSoave (PSRK)(PSRK)

2 32CO H CH OH+ →

b) Si existen dos fases, conecte un Flash adiabb) Si existen dos fases, conecte un Flash adiabáático a P = 1 tico a P = 1 atmatm y y reporte las composiciones L y V.reporte las composiciones L y V.

Ejercicio 13- RSTOICSe produce cloro mediante la reacciSe produce cloro mediante la reaccióón:n:

La composiciLa composicióón del flujo de alimentacin del flujo de alimentacióón al reactor es de 60% mol de n al reactor es de 60% mol de HClHCl, 36% mol de O, 36% mol de O22 y 4% mol de Ny 4% mol de N22, la cual entra al reactor a , la cual entra al reactor a 550550°°CC. Si la conversi. Si la conversióón a n a HClHCl es de 75% y si el proceso es es de 75% y si el proceso es isotisotéérmico, rmico, ¿¿cucuáánto calornto calor debe transferirse del reactor por cada debe transferirse del reactor por cada mol de la mezcla gaseosa que entra en mol de la mezcla gaseosa que entra en éél?l?

( ) 2 2 ( ) 24 2 2ggHCl O H O Cl+ → +

Ejercicio 13¿¿CuCuáál es la temperatura ml es la temperatura mááxima que puede alcanzarse por la xima que puede alcanzarse por la

combusticombustióón del metano con un exceso de 20% de aire? El metano n del metano con un exceso de 20% de aire? El metano y el aire entran al quemador a una temperatura de 25C. La y el aire entran al quemador a una temperatura de 25C. La reaccireaccióón es:n es:

( )4 2 2 22 2 gCH O CO H O+ → +

Ejercicio 14Pirolisis de BencenoPirolisis de Benceno

Se trata de una reacciSe trata de una reaccióón de pirolisis de benceno en un reactor de flujo en tapn de pirolisis de benceno en un reactor de flujo en tapóón. n. DipfenilDipfenil (C(C1212HH1010) es un importante intermedio industrial. Un esquema de ) es un importante intermedio industrial. Un esquema de producciproduccióón implica la n implica la deshidrogenacideshidrogenacióónn pirolpirolííticatica de benceno (Cde benceno (C66HH66). Durante el ). Durante el proceso, tambiproceso, tambiéén se forma el n se forma el trifenilotrifenilo (C(C1818H1H144) por una reacci) por una reaccióón secundaria. Las n secundaria. Las reacciones son las siguientes:reacciones son las siguientes:

0.30400.078100.14770.47000.00261265

0.29600.074000.14770.42800.00301265

0.28470.069100.14580.49900.00351265

0.24400.051900.14000.56500.00531265

0.20850.038150.132220.62200.00701265

0.15900.022970.11300.70400.01051265

0.09000.008120.07370.82800.02101265

0.08300.006800.06950.84100.06821400

yDyCyByAFlujo

(lbmol/hr)Temperatura

(°F)

Continuación Ejercicio 14Dimensiones del Reactor Tubular:L = 37.5 in, D = 0.5 in

Valores de los Parámetros:

E1 = 30190 cal/mol A1 = 7.4652E6 E2 = 30190 cal/mol A2 = 8.6630E6

A’ = -19.76 A’’ = -28.74B’ = -1692 B’’ = 742C’ = 3.13 C’’ = 4.32

D’ = -1.63E-3 D’’ = -3.15E-3E’ = 1.96E-7 E’’ = 5.08E-7

P = 14.69595 psi R = 1.987 cal/mol/K

K1 = 3.235E-6K1’ = 1.0205E-5

K2 = 3.7545E-6K2’ = 7.954E-6

Continuación Ejercicio 14a) Usando la ley de la potencia (POWER–LAW) utilice ASPEN Plus para

duplicar los datos presentados en la Tabla, para T = 1400 °F y P = 1 atm ¿Cuál es la diferencia por ciento entre las fracciones molares experimentales y simuladas?. Modelo termodinámico SYSOP0

b) Escoja otro conjunto de datos experimentales para ser comparados por simulación.

K1 = 3.235E-6K1’ = 1.0205E-5

K2 = 3.7545E-6K2’ = 7.954E-6

ResultadosPerfil de composiciones

Longitud, ft

Frac

ción

Mol

ar

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

C6H6C12H10C18H14H2

Resultados

0.1780833930.179401450.466913680.402956180.27923730.3559266Agua

0.155170710.156488770.443762380.379804870.5294370.33277529Acetato

0.3411161580.33979810.057693040.121650540.02281840.16868013Acido

0.325629740.324311680.03163090.09558840.168507280.14261798Etanol

YYYXYX

CSSRTPFRRGIBBSRSTOIC

Selectividad

DeseadoDDU

U NoDeseado

PFS selectividadF P

= = =

A B DA B U+ →+ →

Ejercicio 15: Producción de Cumeno

Reporte los productos obtenidos

Ejercicio 16: Destilación Reactiva

Reporte los productos obtenidos.

Platosreactivos

Condensador total

Rehervidor

Acido Acético

Metanol

6

21

27

R = 2.2D

B

Cambie la alimentación de ácido a la etapa 3 y verifique los resultados

Efectúe un análisis de sensibilidad variando la relación de reflujo entre 2.0 - 4.0 y verifique como cambia la composición del Acetato en D

Intercambiadores de Calor

Interfase al programa Xist shell and tube heatexchanger de Heat Transfer Research Institute

(HTRI). Modela intercambiadores de calor, incluyendo hervidores tipo calderin.

HTRI-Xist

Modelo de cálculo de transferencia de calor. Modela transferencia de calor convectiva entre un receptor

de calor y una fuente de calor.HXFlux

Interfase al programa de transferencia de calor B-JAC Hetran. No está disponible.Aerotran

Interfase al programa de transferencia de calor B-JAC Hetran. No está disponible.Hetran

Similar al bloque previo pero aceptará más corrientes de procesoMheatX

Algoritmos fundamentales de transferencia de calor, usados en diseños rigurosos, calcula balances de

energía, caídas de presión, área de transferencia, velocidades, etc.; requiere dos corrientes de

proceso —una caliente y una fría. Este bloque seráusado para nuestros cálculos de diseño

HeatX

Intercambiador de calor básico, este efectúa cálculos simples de balance de energía; requiere solamente

una corriente de procesoHeater

DescripciónTipo de intercambiador

Intercambiadores de Calor

Intercambiadores de CalorEcuación diferencial

Donde:Ud0: Coeficiente global de transferencia de calor referido al diámetro exterior(BTU/h °F ft2)ATC0: Área de transferencia de calor referida al diámetro exterior (ft2)Cp : Capacidad calorífica (BTU/lb °F)tv : Temperatura del vapor (°F)te : Temperatura del agua a la entrada (°F)ts : Temperatura del agua a la salida (°F)(te+ ts) / 2 :Temperatura del agua dentro de tubos (°F)tref : Temperatura de referencia (°F)w : Flujo de agua (lb/h)m : Cantidad de agua dentro de tubos (lb)

: Valores en condiciones establesTv , Ts , W Variables de desviación

twtstv ,,

Ejercicio 17Freon-12 (CCl2F2) desde 240 K hasta 300 K. Como medio de calentamiento se dispone de Etilen glicol (Ethylene glycol) a 350 K.

Será usado un intercambiador típico de casco y tubo. El gerente de fábrica recomienda que el acercamiento mínimo de temperatura debería ser por lo menos 10 K. Él también recomienda usar tubos de acero al carbono 20 BWG (Birmingham Wire Gauge) con una caída de presión que no exceda 10 psig (0.67 atm) para cada uno de los lados casco o tubos.

1. Usar Heater.2. Usar HeatX y efectuar:

a) Diseño preliminarb) Diseño riguroso

Setup :(mostrado en la figura) esta página exterioriza el tipo de cálculo: preliminar o detallado (shortcut o detailed), la especificación del cambiador, ya sea que el cambiador este en contracorriente o corriente en paralelo (countercurrent o cocurrent ), y define cómo calculará Aspen los coeficientes de transferencia de calor.Options : muestra las fases válidas para cada corriente (por ejemplo. líquido-vapor), también define la convergencia para cálculos

Geometry: Muestra las páginas de entrada de entrada para la distribución: tubos, diámetros, deflectores (baffles), etc. Usado solamente en cálculos detallados.User Subroutine: Provee una interfaz de tal manera que el usuario puede crear un algoritmo para ejecutar cálculos para diseño (involucra programación FORTRAN).Hot H-curves: Muestra páginas de entrada a fin de que Aspen creará perfiles de entalpía para la corriente caliente, muy útil para los procesos de ebullición /condensación. Cold H-curves: Tal como la Hot H-curves , pero crea perfiles para la corriente fría.Block Options: Páginas que muestran los métodos de propiedades, y las opciones de simulación para el bloque.Dynamic: Usado solamente para el modo dinámico, no al estado estacionario.

Ecuaciones relevantes:

( )21

2 1

lnml TT

T TTΔ

Δ

Δ − ΔΔ = Esta se aplica en una conformación 1-1: un

paso por la coraza y un paso por los tubos, con un flujo en paralelo o en contracorriente.

Cuando se trata de otra configuración, es necesario deducir otra expresión que dependerá del número de pasos en cada sección del intercambiador.

mlQ U A T= ⋅ ⋅ΔDonde:Q = Calor transferido.U = Coeficiente global de transferencia de calor.A = Area de transferencia de calor.ΔTml = Dif. de temperatura media logaritmica

Ecuaciones relevantes:

( )1

nt

extND haz Dk

⎛ ⎞= ⋅⎜ ⎟⎝ ⎠

k y n son constantes dependientes del número de pasos en los tubos. Como este ejemplo usa dos pasos en el lado de los tubos : k = 0.249 y n = 2.207.

Estos cálculos solamente dan el tamaño del haz de tubos y no el diámetro del casco. El diámetro del casco es encontrado adicionando al haz de tubos la luz entre el haz de tubos y el casco. El espacio de luz depende del tipo de intercambiador de calor, pero típicamente los rangos van de 10 mm a 90 mm.

TEMA shell type —selecciona el tipo de cascol, un-paso, dos-pasos, flujo-dividido, etc.Ejemplos de cada tipo de casco pueden verse en las páginas 11-34 de Perry’s 7th edición.# of tube passes—selecciona el número de pasos en los tubos, generalmente son usasos dos pasosExchanger orientation—selecciona orientación vertical u horizontal de los tubos. (Nota* si se elige orientación vertical, el usuario también debe especificar la dirección de flujo del fluido)# of sealing strip pairs —no necesario para cálculosInside shell diameter—ingresa el diámetro del casco con las unidades adecuadasShell to bundle clearance—ingresa el espacio entre el interior del casco y el haz de tubos, referirse a la literatura para el espaciado adecuadoThe tube- muestra la pantalla de entrada. Los valores son ingresados en los espacios dados como se muestra a continuación.

Shell

Select tube type—ya sea bare (tubos lisos) o finned (tubos con superficie extendida); generalmente, se usan tubos lisos (bare)Total number—especifica el número total de tubosLength—especifica la longitud total de los tubos, incluídos todos los pasosPattern—especifica el arreglo de los tubos, ya sea triangular o cuadrado, generalmente se usa arreglo triangularPitch—ingresa la distancia entre centros de tubos; generalmente, el Pt es 1.25 veces el diámetro exterior de un tuboMaterial—selecciona el material de los tubos; Aspen tiene diferentes materiales para seleccionar o puede ser dado por el usuarioConductivity—ingresa la conductividad térmica del material seleccionado. Nota* si este espacio no se cambia, Aspen usará por defecto una conductividad de su base de datosTube size—especifica el diámetro exterior de un tubo. Notar que puede usarse el diámetro nominal de tubería; el usuario solamente necesita suministrar el tamaño y número de cédula. (Nota*: Aspen tiene un pequeño banco de datos de tamaños nominales de tubería, para otros tamaños ver: Perry, P.H. and Green, D. Perry’sChemical Engineering Handbook. 7th ed., McGraw-Hill Co., 1987. pg. 10-72 hasta 10-74)

Tubes

Baffle type —selecciona segmental baffle o rod baffle; segmental baffles son típicas

No. of baffles, all passes—número de pantallas en el intercambiador, si no se conoce el número exacto de diseño, un buen valor de inicio es el doble de la longitud del intercambiador en metros, por ejemplo si la longitud de los tubos es cinco metros ingrese diez pantallas. Mas pantallas pueden adicionarse para incrementar los coeficientes de transferencia de calor, pero causarán que aumente la caída de presión, por lo que debe verificarse que esta caída esté dentro de los límites aceptables.

Baffle cut—especifica la fracción de área de sección transversal del casco para el flujo del fluido; por ejemplo, como se muestra anteriormente es un valor de 0.25 el cual hace que una pantalla cubra el 75% del área de sección transversal del casco mientras que el 25% se deja para el flujo del fluido. El baffle cut debe estar entre 0 y 0.5.

Tubesheet to 1st baffle spacing—ingresa la longitud entre la placa de tubos y la primera pantalla

Baffle to Baffle spacing—especifica el espaciado entre pantallas

Baffles

Last Baffle to tubesheet spacing—ingresa la distancia entre la última pantalla y la placa de tubos.(De un lado– en general el espaciamiento de pantallas— en el esquema previo de tres espacios de pantallas, dos de los tres espacios necesitan estar llenos para la simulación. Si el espaciamiento del deflector no se conoce en el inicio de la simulación, entonces la mejor forma es escoger espaciamiento entre la placa de tubos y el primer / último deflector. Luego Aspen automáticamente calculará el espaciando interior de las pantallas)

Shell-Baffle clearance—especifica la distancia entre el casco y el exterior de la pantalla; esta información no es necesaria para la simulación y puede dejarse en blanco

Tube-Baffle clearance—especifica la distancia entre el tubo y el hueco del tubo en la pantalla; esta información no es necesaria para la simulación y puede dejarse en blanco.

Cuando aparece un check mark azul cerca a la etiqueta “baffle”, la hoja de datos de entrada está completa.

Baffles

Shell inlet nozzle diameter—diámetro de la conexión de entrada al casco. Si no se tienen valores disponibles en la literatura, un buen valor de inicio es un cuarto el valor del diámetro del casco para líquidos y un medio el diámetro del casco para vapores.

Shell outlet nozzle diameter—diámetro de la conexión de salida del casco debe ser igual a la conexión de entrada cuando no hay cambio de fase.

Tube inlet nozzle diameter—diámetro de la conexión de entrada al tubo. Si no se tienen valores disponibles en la literatura, un buen valor de inicio es un quinto el valor del diámetro del casco para líquidos y un cuarto el diámetro del casco para vapores.

Tube outlet nozzle diameter—diámetro de la conexión de salida del tubo debe ser igual a la conexión de entrada cuando no hay cambio de fase

Nozzle

Ejercicio 18Freon-12 (CCl2F2) desde 240 K hasta 300 K. Como medio de calentamiento se dispone de Etilen glicol (Ethylene glycol) a 350 K.

Será usado un intercambiador típico de casco y tubo. El gerente de fábrica recomienda que el acercamiento mínimo de temperatura debería ser por lo menos 10 K. Él también recomienda usar tubos de acero al carbono 20 BWG (Birmingham Wire Gauge) con una caída de presión que no exceda 10 psig (0.67 atm) para cada uno de los lados casco o tubos.

1. Usar Heater.2. Usar HeatX y efectuar:

a) Diseño preliminarb) Diseño riguroso