hysys. destilación atmosférica de crudo...

Hysys. Destilación Atmosférica de crudo Petrolífero. Miguel Ángel García Gallego

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5.- ASPEN HYSYS. DEST. ATMOS. DE CRUDO PETROLÍFERO.

En este apartado desarrollaremos el alcance y objetivo del proyecto, así que este será

el capítulo más importante del trabajo.

Como ya hemos dicho anteriormente, simulamos una torre de destilación atmosférica

de crudo petrolífero y realizamos un análisis de resultados sirviéndonos de la herramienta

Aspen Hysys del simulador AspenONE AspenTech.

La simulación de la torre se realiza en dos partes, la primera parte consiste en el

desarrollo de la simulación estática de la planta y la segunda en la simulación dinámica.

5.1.- INTRODUCCIÓN A ASPEN HYSYS.

Una vez conocida la herramienta a utilizar para la simulación de la torre de destilación

lo primero que tenemos que hacer es respondernos a dos preguntas; ¿Qué es? y ¿Para qué

sirve Aspen Hysys?

Aspen Hysys es una herramienta de simulación de procesos de aspenONE AspenTech

que sirve para el diseño conceptual, la optimización, planificación empresarial, gestión de

activos y la supervisión del rendimiento de petróleo y gas, procesamiento de gas, refinación de

petróleo y las industrias de separación de aire.

Aspen Hysys ha sido creada teniendo en cuenta lo siguiente:

Arquitectura de programa.

Diseño de interface.

Capacidades ingenieriles.

Operación interactiva.

Este software permite simulaciones tanto estáticas como dinámicas. Sus operaciones y

propiedades permiten modelar una amplia gama de procesos con confianza, tiene una gran

base termodinámica y sus paquetes de propiedades llevan a la presentación de un modelo más

realista.

Aspen Hysys se ha establecido como un simulador de procesos intuitivo y fácil de usar

en la industria de petróleo y gas. Ofrece una base termodinámica completa para el cálculo

preciso de las propiedades físicas, propiedades de transporte y el comportamiento de fase para

el petróleo y las industrias del gas y la refinación.


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5.2.- SIMULACIÓN ESTÁTICA.

En este apartado explicaremos la construcción de la simulación en modo estacionario.

En el Anexo V de este proyecto podemos ver cómo realizar todo lo explicado aquí paso por

paso.

El caso de estudio de este trabajo es la simulación de una torre de destilación

atmosférica de crudo, en la cual se diferencian dos partes claramente. La primera parte, el tren

de calentamiento, está compuesta por un separador flash y un horno, y su función es

acondicionar la corriente de alimentación de crudo a las condiciones de entrada en la columna.

La segunda parte es la torre de destilación propiamente dicha que separará el crudo en

fracciones más ligeras.

5.2.1.- Creación de una nuevo caso.

Lo primero que tenemos que hacer al abrir Aspen Hysys es crear un nuevo caso y nos

aparecerá la ventana que se muestra en la siguiente figura.

Figura 5.1. - Ventana Simulation Basis Manager.

Esta ventana está compuesta de una serie de pestañas en las que introduciremos los

componentes que participarán en la simulación y el método termodinámico que se utilizara, en

nuestro caso debemos introducir un crudo y para ello Hysys dispone de la pestaña Oil Manager

donde se podrá caracterizar nuestro crudo.

Otras pestañas dentro de esta ventana son las de Hipotéticos, que sirve para crear

pseudocomponentes o compuestos hipotéticos, y la pestaña de Reacciones, que se utiliza para

definir las reacciones que se produzcan en la simulación. En nuestro caso ninguna de estas

pestañas será utilizada, ya que no tendremos reacción en la simulación y aunque si

necesitamos de compuestos hipotéticos o pseudocomponentes, estos serán creados en la

caracterización del crudo.


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Antes de comenzar a introducir cualquier información es importante ver el menú de

preferencias de Hysys desde el menú Tools. La ventana que nos aparece es la siguiente:

Figura 5.2.- Ventana de preferencias de Hysys.

Igual que la ventana anterior, y la mayoría de las ventanas que aparecen en Hysys,

muestran varias pestañas en donde podemos ver y cambiar las preferencias que el programa

tiene establecidas por defecto. A su vez, cada pestaña está compuesta de una serie de

páginas de entre las que destacamos Options y Dynamics dentro de la pestaña Simulation y la

pagina Units dentro de la pestaña Variables.

La página Options nos sirve principalmente para seleccionar las opciones generales

que queremos que Hysys tenga activas, para nuestro caso no cambiaremos nada, solamente

tener en cuenta que esté activa la opción Use Input Experts, que nos servirá de gran ayuda a la

hora de definir la columna.

La pagina Dynamics será utilizada en la simulación dinámica. La pagina Units nos sirve

para seleccionar el set de unidades que queremos emplear. La base de datos del programa

contiene tres sistemas de unidades, todas inmodificables, pero podemos cambiar las unidades

de alguna propiedad copiando uno de los set de unidades y modificando las unidades que nos

interesen. En el caso hemos copiado el sistema de unidades Field y hemos modificado las

unidades de algunas variables.

En la siguiente tabla podemos ver la utilidad de algunas de las paginas que aparecen

en la ventana de preferencias y que pueden ser modificadas.

La mayoría de las opciones que aparecen en preferencias pueden ser modificadas

desde otras páginas conforme avancemos en la simulación o volviendo a esta ventana llegado

a un punto donde queramos modificar alguna cosa.


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Pestaña Página Utilidad

Simulation Naming

Formato del nombre y comienzo de la numeración de las unidades que se pueden usar en Hysys.

Performance Velocidad de la memoria utilizada.

Variables Formats Formato de las cifras significativas para las propiedades.

Report Company info Información personal o de una empresa para que aparezcan

en la impresión de los documentos.

Resources

Colours Color y tipo de letras de las diferentes funciones.

Fonts

Icons Iconos de las funciones y operaciones.

Extensions Registration Registrar alguna extensión de Hysys.

Oil Input Assay Options Métodos de conversión y extrapolación de la creación de un

crudo. Tabla 5.1.- Utilidades de las páginas de preferencias.

5.2.2.-Introduccion de componentes y elección del modelo termodinámico.

El siguiente paso en la simulación es añadir los componentes. Los compuestos

añadidos inicialmente serán los compuestos no aceitosos (agua) y los ligeros finales (propano,

isobutano, n-butano, isopentano y n-pentano) y lo hacemos desde la pestaña Components.

Una vez introducido estos compuestos iniciales y antes de empezar con la definición

del crudo debemos elegir el método termodinámico a usar en la pestaña Fluid Pkgs. El modelo

termodinámico es una parte fundamental de la simulación.

En la simulación encontraremos compuestos no polares y una mezcla no ideal de

compuestos, por lo tanto nos tendremos que servir de modelos basados en ecuaciones de

estado y más concretamente en las ecuaciones cúbicas.

En la industria petroquímica las ecuaciones de estado se utilizan entre muchas

aplicaciones para: predecir con alta precisión entalpias para así optimizar el diseño de

intercambiadores de calor; determinar datos de equilibrio vapor/liquido de los gases para los

procesos de separación; predicción precisa de la densidad de liquido para conocer la masa o el

volumen, etc.

Dentro del grupo de las ecuaciones cúbicas de estado, las más usadas y que mejor

predicen el comportamiento de las mezclas liquido-gaseosas de este tipo son la ecuación de

Peng-Robinson (PR) y la ecuación de Soave-Redlich-Kwong (SRK), y particularmente la

primera de ellas. Ambas fueron desarrolladas de forma explícita para cálculos de equilibrio

vapor/líquido.


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En la siguiente tabla podemos ver un resumen de algunos sistemas típicos y de sus

modelos recomendados a usar en Hysys.

Tabla 5.2.- Sistemas típicos y modelos relacionados.

Ecuación de Peng-Robinson (PR).

La ecuación de PR fue desarrollada para cumplir los siguientes objetivos:

1. Los parámetros habían de poder ser expresados en función de las propiedades

críticas y el factor acéntrico.

2. El modelo debía ser razonablemente preciso cerca del punto crítico,

particularmente para cálculos del factor de compresibilidad y la densidad de

líquidos.


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3. Las técnicas de mezclado no debían de emplear más que un parámetro sobre

las iteraciones binarias, que debían ser independientes de la presión,

temperatura y composición.

4. La ecuación debía ser aplicable a todos los cálculos de todas las propiedades

de los fluidos en procesos naturales de gases.

Generalmente la ecuación de PR da unos resultados similares a la de SRK, aunque es

bastante mejor en la predicción de las regiones críticas de fase y de densidades de líquidos de

cualquier material, especialmente los no polares.

La ecuación requiere el uso de tres propiedades por compuesto: temperatura crítica,

presión crítica y el factor acéntrico.

La ecuación de PR representa también una mejora cualitativa importante, ya que

reduce los promedios de las desviaciones relativas hasta aproximadamente la mitad de los

logrados con la ecuación de SRK. La ecuación de PR soporta un amplio rango de condiciones

de operación y una gran variedad de sistemas.

La ecuación de PR representa el mejor compromiso entre complejidad de cálculo y la

bondad de sus resultados. Para petróleo, gas y aplicaciones petroquímicas esta ecuación es

generalmente la recomendada.

Ecuación de Soave-Redlich-Kwong (SRK).

La ecuación de Soave o SRK es la ecuación modificada de Redlich-Kwong a la que se

le incluye el parámetro ω (factor acéntrico), que es característico de la estructura molecular del

fluido.

Esta ecuación permite mejorar los resultados entregados por la ecuación RK, sin

embargo aun no logra representar fielmente el comportamiento de un fluido para grandes

intervalos de presión y temperatura.

La ecuación de SRK no es muy exacta cerca del punto crítico, pero da buenos

resultados a altas presiones y temperaturas superiores a la crítica.


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La función (T, ω) fue concebida para cuadrar con los datos de las presiones de vapor

de los hidrocarburos, esta ecuación describe adecuadamente el comportamiento de estas

sustancias. Tanto esta ecuación como la de PR generan directamente todas las propiedades

de equilibrio y termodinámicas.

Viendo la bibliografía de estos dos modelos el elegido para nuestro caso será la

ecuación de PR, ya que es la recomendada por los tutoriales de Hysys y por la información

bibliográfica consultada, ya que esta ecuación mejora los resultados de la ecuación de SRK.

Por lo tanto el siguiente paso en la simulación es elegir el modelo Peng-Robinson de la lista de

métodos termodinámicos disponibles en la pestaña Fluid Pkgs.

Cuando queremos añadir el modelo termodinámico, Hysys nos abre la ventana que

aparece en la siguiente figura.

Figura 5.3.- Ventana para la elección del método termodinámico.

En esta ventana se dispone de varias pestañas, en la primera de ellas se selecciona el

modelo termodinámico y también debemos seleccionar la lista de componentes en la que

queremos aplicar el método, en nuestro caso solo hemos definido una lista de componentes y

Hysys la selecciona por defecto.

Otras pestañas de interés de esta ventana son la de Coeficientes Binarios (Binary

Coeffs) y la de Reacciones (Rxns). La segunda de estas sirve para introducir las reacciones

que se regirán por el modelo seleccionado, al no tener reacciones en nuestro sistema esta

pestaña no tendrá utilidad para este caso. En la pestaña Binary Coeffs podemos ver los

parámetros de interacción entre los diferentes compuestos de nuestra lista. En la siguiente

figura se refleja esta ultima pestaña.


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Figura 5.4.- Pestaña de los parámetros de interacción de los compuestos.

5.2.3.- Definición del crudo.

Una vez creados los componentes ligeros y el paquete de fluido, nos queda introducir

nuestro crudo para proceder a la simulación. En refino de crudo trabajamos con componentes

ficticios o pseudocomponentes, no con compuestos conocidos y definidos, cuyas propiedades

son determinadas por procedimientos de caracterización.

El crudo es un mezcla homogénea de compuestos orgánicos muy similar en

propiedades y características que hace muy difícil la separación completa unos de otros que

tengan simular rango de temperatura de ebullición. Debido a esto y a la multitud de

compuestos diferentes presentes en el crudo se deben crear pseudocomponentes, que no

serán más que una agrupación de compuestos que están dentro de un rango de temperatura

de ebullición o a una determinada temperatura.

Hysys crea estos compuestos con solo la introducción de una serie de datos fácilmente

obtenibles por ensayos en laboratorio de una muestra del crudo. En nuestro caso de lo que

disponemos es de una curva de destilación TBP y a partir de esta y como se indica en el Anexo

IV se obtienen los datos que necesita Hysys para crear y caracterizar el crudo. En la tabla 5.3

se recogen los datos necesarios que Hysys necesita para la creación del crudo.

Para trasformar estos datos en la caracterización del crudo Hysys disponen de la

pestaña Oil Manager. En esta pestaña se nos indica que antes de crear y caracterizar el crudo

debemos seleccionar el modelo termodinámico y este debe ser capaz de manejar los

pseudocomponentes que se van a crear, por este motivo hemos definido antes el paquete de

fluido.


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PROPIEDADES DEL CRUDO

COMPOSICION LIGEROS FINALES %VOL.

MW 282,62

PROPANO, C3 0,306

API Gravity 33,9

i-BUTANE, Ic4 0,224

n-BUTANE, Nc4 1,18

ENSAYO DE DESTILACION TBP

i-PENTANE, Ic5 0,954

% DESTILADO TEMPERATURA (ºF) MW

n-PENTANE,nc5 1,201

0,855 5 -

5,4 115 75,34

DATOS DE GRAVEDAD API

10,5 199 97,58

% DESTILADO API

20 299 127,11

10,5 67

30 456 185,52

30 44

42 596 251,07

54,8 27

54,8 700 307,32

70 23,2

70 835 405,32

87,2 16

87,2 1115 591,7

DATOS DE VISCOSIDAD

% DESTILADO VISCOSIDAD A 100ºF (cP) VISCOSIDAD A 210ºF (cP)

10,5 0,319 0,214

20 0.627 0.337

30 1,464 0,650

54,8 25,918 4,680

70 89,046 9,128

Tablas 5.3.- Datos para introducir en la simulación.

Para crear el crudo utilizado nos servimos de la ventana que aparece en la siguiente

figura. La mayoría de las pestañas de esta ventana son útiles para nuestro propósito, ya bien

sea para la introducción de los datos (Input Data y Calculation Defaults) o para la visualización

de los resultados.

Figura 5.5.- Ventana para la caracterización del crudo.


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Aquí introducimos nuestros datos obtenidos del laboratorio y Hysys con los puntos que

hemos introducido crea las curvas de las características de laboratorio. Lo primero que

debemos definir será el método de extrapolación para el cálculo de los puntos y dicho método

es el de Lagrange para todas las curvas y será definido en la pestaña Calcultion Defaults. Una

vez hecho esto debemos introducir la composición de los ligeros finales y los datos extraídos

del ensayo de laboratorio en la pestaña Assay tal y como se indica en el tutorial de refino

(Anexo V).

Llegado a este punto y antes de seguir avanzando debemos explicar lo que en Hysys

se conoce como color de estatus. En muchas ventanas y pestañas (en todas en las que Hysys

debe realizar cálculos) aparece un mensaje en un recuadro con fondo coloreado, normalmente

en la parte inferior de la ventana o pestaña. Si el fondo del recuadro es de color rojo Hysys no

nos deja simular porque hay errores o la solución es imposible. Si el estatus es de color

amarillo nos puede indicar que falta algún dato para que la simulación pueda progresar o que la

simulación puede dar resultados con posibles errores, o simplemente que aun no se ha

simulado. Si el estatus es de color verde nos indica que Hysys ha simulado y calculado con

éxito y no ha detectado errores apreciables.

Aunque saber esto agiliza mucho la operación es conveniente leer el mensaje del

estatus porque nos puede indicar que es lo que nos falta para poder simular o cual puede ser el

fallo que no nos permite simular o que dará una simulación errónea.

Una vez introducido todos los datos y que Hysys haya calculado los resultados

pertinentes podemos verlos en la pestaña Working Curves en forma de tabla, o en la pestaña

Plots en forma de grafica. Aquí simplemente se crean las curvas de datos del ensayo y estos

datos a su vez serán los datos de los que se servirá Hysys para crear y caracterizar el crudo.

Figura 5.6.- Curva de Densidad API calculada por Hysys.


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Punto Moles Cum. Moles NBP [F] Peso Molecular Densidad [API] Viscosidad 1 [cP] Viscosidad 2 [cP]

0 0,0000 0,0000 96,9 90,8 84,9 0,228 0,177

1 0,0257 0,0257 114,9 95,4 81,1 0,241 0,182

2 0,0249 0,0506 132,2 100,0 77,7 0,254 0,188

3 0,0242 0,0748 148,7 104,6 74,6 0,269 0,194

4 0,0235 0,0983 164,5 109,1 71,7 0,286 0,200

5 0,0229 0,1212 179,7 113,5 69,1 0,303 0,208

6 0,0223 0,1435 191,9 117,7 67,1 0,322 0,215

7 0,0217 0,1652 200,9 121,9 65,6 0,343 0,224

8 0,0211 0,1863 209,0 126,2 64,4 0,365 0,233

9 0,0205 0,2068 219,7 130,5 63,2 0,390 0,243

10 0,0200 0,2267 230,7 134,9 62,0 0,416 0,253

11 0,0464 0,2731 255,4 147,4 59,2 0,493 0,284

12 0,0433 0,3164 277,7 162,5 53,9 0,590 0,322

13 0,0401 0,3565 304,5 178,8 50,3 0,707 0,370

14 0,0370 0,3934 339,2 195,8 48,5 0,870 0,428

15 0,0343 0,4278 377,4 213,1 46,7 1,061 0,501

16 0,0321 0,4599 415,9 229,8 45,1 1,292 0,591

17 0,0303 0,4902 453,0 246,3 43,2 1,637 0,706

18 0,0288 0,5190 485,8 262,5 41,0 2,120 0,853

19 0,0275 0,5465 515,2 278,1 38,9 2,774 1,036

20 0,0265 0,5730 543,0 291,6 37,0 3,664 1,262

21 0,0257 0,5987 569,0 303,6 35,2 4,870 1,540

22 0,0250 0,6238 593,1 315,4 33,6 6,493 1,880

23 0,0243 0,6481 614,9 327,4 32,0 8,662 2,288

24 0,0237 0,6717 635,0 339,8 30,6 11,529 2,771

25 0,0229 0,6946 654,2 354,0 29,3 15,265 3,335

26 0,0221 0,7167 672,7 370,1 28,2 20,051 3,979

27 0,0212 0,7379 690,8 387,6 27,1 26,007 4,688

28 0,0203 0,7582 709,0 406,6 26,4 32,436 5,342

29 0,0194 0,7776 727,4 427,2 25,7 39,876 6,007

30 0,0185 0,7961 746,6 449,4 25,2 48,533 6,691

31 0,0176 0,8137 766,8 475,3 24,6 58,544 7,389

32 0,0166 0,8303 788,5 504,0 24,1 70,109 8,105

33 0,0157 0,8460 811,8 534,2 23,6 83,484 8,843

34 0,0149 0,8610 838,1 565,7 22,7 99,014 9,612

35 0,0142 0,8752 868,6 598,2 21,9 117,154 10,424

36 0,0135 0,8887 902,3 631,5 21,2 138,515 11,297

37 0,0129 0,9016 938,3 665,3 20,2 163,917 12,254

38 0,0124 0,9139 976,9 699,3 19,2 194,470 13,323

39 0,0119 0,9258 1017,0 733,2 18,1 231,682 14,543

40 0,0115 0,9373 1067,1 766,9 16,9 277,621 15,961

41 0,0067 0,9440 1099,9 786,8 16,1 310,523 16,933

42 0,0066 0,9506 1128,1 806,4 15,3 348,379 18,015

43 0,0065 0,9571 1157,8 825,7 14,5 392,175 19,228

44 0,0064 0,9635 1188,4 844,7 13,7 443,131 20,596

45 0,0063 0,9698 1220,0 863,1 12,8 502,760 22,145

46 0,0062 0,9759 1252,4 881,1 11,9 572,955 23,911

47 0,0061 0,9821 1285,8 898,5 10,9 656,092 25,935

48 0,0060 0,9881 1320,2 915,3 9,9 755,172 28,268

49 0,0060 0,9941 1355,4 931,4 8,9 874,013 30,970

50 0,0059 1,0000 1391,6 946,8 7,9 1017,501 34,119

Tabla 5.4.- Puntos calculados para las gráficas de propiedades.


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Las gráficas que aparezcan en Hysys pueden ser modificadas haciendo clic con el

botón derecho del ratón y seleccionando la opción Graph Control, aquí podemos cambiar el

color de la curva, cambiar titulo, ejes, modificar tipo de letra y todo lo relacionado con el formato

de la gráfica.

Ahora es el momento de crear nuestro crudo sirviéndonos como hemos dicho de los

datos calculados anteriormente. Para crear el crudo Hysys lo que hará será crear componentes

ficticios según una temperatura de ebullición dada y características de densidad, peso

molecular y viscosidad dados. El simulador realiza cortes dependiendo del rango de

temperaturas en el que estemos, aunque dicho numero de cortes o rango de temperaturas

pueden ser modificados tomaremos los cortes que el software toma por defecto que se basan

en lo siguiente:

Desde la temperatura inicial hasta 800ºF crea un pseudocomponentes por cada

intervalo de 25ºF.

Desde 800ºF hasta 1200ºF crea un pseudocomponete cada 50ºF.

Desde 1200ºF hasta 1400ºF crea 2 pseudocomponentes.

Una vez añadida las curvas Hysys crea 38 pseudocomponentes. En la siguiente tabla

se pueden ver estos componentes ficticios creados y sus propiedades más importantes.

Componente NBP [F] Peso Molecular Densidad [API] Viscosidad 1 [cP] Viscosidad 2 [cP]

NBP_113 113,2 93,0 83,1 0,233 0,179

NBP_135 134,6 98,6 78,8 0,249 0,186

NBP_160 159,8 105,7 73,9 0,272 0,195

NBP_187 186,7 113,9 69,0 0,304 0,208

NBP_208 208,4 124,0 65,0 0,352 0,227

NBP_234 233,7 134,0 62,2 0,409 0,250

NBP_262 262,4 144,7 59,9 0,475 0,277

NBP_285 284,5 159,3 55,0 0,566 0,313

NBP_310 309,9 173,7 51,2 0,665 0,353

NBP_336 335,6 186,0 49,4 0,768 0,392

NBP_361 360,7 197,5 48,3 0,883 0,433

NBP_386 385,9 208,7 47,1 1,004 0,479

NBP_411 411,1 219,8 46,0 1,139 0,532

NBP_436 436,3 230,9 44,9 1,304 0,596

NBP_462 461,6 242,8 43,6 1,540 0,675

NBP_487 486,8 255,5 41,9 1,875 0,780

NBP_512 511,7 269,1 40,1 2,344 0,917

NBP_537 536,9 282,6 38,3 2,993 1,093

NBP_562 562,1 295,0 36,5 3,906 1,320

NBP_587 587,3 307,3 34,7 5,235 1,620

NBP_612 612,5 320,6 32,9 7,249 2,027

NBP_637 637,4 335,7 31,1 10,354 2,579

NBP_662 662,5 354,0 29,3 15,039 3,303

NBP_688 687,5 376,3 27,7 21,834 4,201

NBP_713 712,5 401,5 26,5 30,411 5,147

NBP_738 737,6 428,8 25,7 40,166 6,032

NBP_763 762,6 457,8 24,9 51,371 6,898

NBP_788 787,8 489,5 24,3 63,758 7,723

NBP_824 823,9 534,6 23,5 83,152 8,826

NBP_875 874,7 589,1 22,1 111,133 10,163

NBP_925 924,8 637,3 21,0 141,644 11,419

NBP_975 975,3 682,3 19,7 177,174 12,727

NBP_1023 1023,3 722,1 18,4 216,932 14,068

NBP_1077 1076,6 759,5 17,2 264,314 15,558

NBP_1125 1124,5 795,9 15,8 324,157 17,327

NBP_1175 1174,8 828,6 14,4 394,927 19,303

NBP_1251 1251,3 873,4 12,3 533,922 22,936

NBP_1356 1356,5 925,8 9,3 815,272 29,646

Tabla 5.5.- Datos de los pseudocomponentes creados.


49

Unos datos que podemos obtener con Hysys y que nos servirán de gran ayuda a la

hora del diseño de la columna es la distribución de los productos en nuestro crudo en

composición volumétrica, en la siguiente tabla se refleja dicha composición y los rangos de

temperaturas de los cortes.

Producto TBI (ºF) TBF (ºF) % Vol

Fuel Gas 96,9 158,0 0,069

Nafta 158,0 356,0 0,161

Keroseno 356,0 464,0 0,069

Diesel Ligero 464,0 554,0 0,074

Diesel Pesado 554,0 644,0 0,097

AGO 644,0 698,0 0,070

Residuo 698,0 1407,0 0,459

Tabla 5.6.- Distribución de los productos en el crudo.

Los datos creados se pueden ver de forma grafica en % en volumen, molar o en masa

y también se pueden ver graficados la comparación entre las curva de datos introducidas y la

curva de propiedades del crudo creada por Hysys.

El último paso en la caracterización es la instalación del crudo dentro del entorno de

simulación que se realiza mediante la creación de una corriente (Crudo Precalentado) dentro

de la pestaña Install Oil de la ventana de caracterización.

Si volvemos a la ventana del asistente de Simulación Básico y nos vamos moviendo

por las diferentes pestañas antes vistas observamos que los pseudocomponentes han sido

agregados a la lista de componentes y que el paquete de fluido ahora trata 44 componentes (6

introducidos anteriormente mas los 38 pseudocomponentes creados), calculando también los

parámetros de interacción entre cada par de componentes.

Llegado hasta aquí Hysys está listo para poder realizar los cálculos de los diferentes

equipos y funciones que instalemos y debemos pasar al entorno de simulación donde iremos

construyendo la planta a simular.

5.2.4.- Entorno de simulación.

Al entrar en el entorno de simulación nos aparece la imagen que se muestra en la

figura siguiente.


50

Figura 5.7.- Imagen inicial del entorno de simulación (PFD).

Observamos que en el plano de simulación aparece la corriente creada en la

instalación de nuestro crudo, que es la que abastecerá de la información de la alimentación al

sistema. Hysys es un programa visualmente intuitivo y muestra diferente color dependiendo si

la corriente está completamente definida o no, en nuestro caso aun no lo está y aparece en

color celeste y cuando terminemos de definirla cambiara a color azul.

La ventana que nos aparece a la derecha es la denominada paleta de objetos, de

donde se pueden instalar las corrientes, los equipos y las operaciones lógicas necesarias. Nos

aparece una ventana interior (PFD) donde aparecen una serie de iconos que sirven para

conexiones de corrientes de equipos y ajustes de tamaño principalmente. El nombre de cada

icono aparece dejando el puntero fijo sobre ellos y sabiendo su nombre nos podemos hacer

una idea de la utilidad de cada uno de ellos.

Dentro de la ventana principal han aparecido una serie de iconos de relevante

importancia para el manejo de la simulación. La siguiente tabla refleja las funciones más

importantes de algunos de ellos.


51

Nombre Icono Función

Workbook

Principalmente usado para instalar y definir corrientes y equipos.

Object Navigator

Buscar cualquier tipo de información sobre corrientes, equipos y funciones.

Flowsheet Summary

Refleja de forma tabulada un resumen de las condiciones y composición de

corrientes y equipos.

Steady State Mode

La simulación transcurra en régimen estático.

Dynamics Mode

La simulación transcurra en régimen dinámico.

Dynamics Assistant

Sirve para activar la ayuda del asistente dinámico.

Tabla 5.7.- Utilidades de algunos de los Iconos del PFD.

5.2.5.- Creación de las corrientes de alimentación.

El primer paso dentro de la simulación es crear las corrientes de alimentación al

sistema, en nuestro caso habrá que crear tres corrientes más y definir sus condiciones y

composición. Estas corrientes estarán compuestas solamente por vapor de agua y serán

utilizadas para administrar calor al sistema y para el arrastre de ligeros en la columna y los

stripper laterales.

Existen dos formas principalmente de introducir las corrientes, igual que las unidades

de operación, una es seleccionándola desde la paleta de objetos y otra a través del Workbook.

Para instalar una sola corriente es mas cómodo hacerlo desde la paleta, pero cuando vamos a

crear varias, el Workbook es la mejor opción ya que desde una sola ventana se pueden crear y

definir todas las corrientes y su composición. A parte de la composición, las corrientes

necesitan datos de temperatura, presión y caudal para su completa definición.

5.2.6.- Definicion de los equipos del tren de calentamiento.

Una vez creadas las corrientes de alimentación el siguiente paso es comenzar con la

instalación de los equipos. Al igual que ocurre con las corrientes, Hysys da diferentes colores al

equipo dependiendo si está completamente definido o no. Si el equipo no está definido o no

tiene las corrientes conectadas aparecerá de color rojo, si el equipo está definido pero no ha

simulado por algún motivo aparecerá de color gris con borde de color amarillo y si el equipo

está correctamente definido y simulado aparecerá de color gris con bordes en negro. Los

colores de las opciones pueden ser cambiados en el menú de preferencias.


52

Separador Flash.

Hemos iniciado la simulación suponiendo que la corriente de alimentación de crudo

esta precalentada por los diversos intercambiadores de calor con las corrientes de productos,

como se explica en la parte teórica de una planta de refino. Esta corriente suponemos que

también ha pasado la operación de desalado y viene exenta de agua. Por lo tanto la primera

unidad de operación que debemos encontrarnos en la simulación es un separador flash. La

función del separador es separar la alimentación en dos corrientes, una liquida y otra gas, para

posteriormente calentar la corriente liquida hasta la temperatura de entrada de la alimentación

a la torre. En la siguiente imagen podemos ver la pagina de diseño de un separador.

Figura 5.8.- Ventana de diseño del separador flash.

Para su diseño el separador necesita de una o varias corrientes de alimentación y dos

corrientes productos, una líquida y otra gas (ambas corrientes se crean desde esta ventana de

diseño). La creación del separador requiere de dos parámetros: la perdida de presión y el nivel

de líquido, que en nuestro caso serán los marcados por defectos por Hysys, 0 para la perdida

de carga y 50% para el nivel de líquido dentro del separador.

Hysys va realizando los cálculos a medida que vamos añadiendo los equipos y pueden

ser visualizados desde el Workbook, donde aparecen todas las corrientes y equipos existentes,

o desde la pestaña Worksheet de la ventana de diseño de cada equipo, donde solo se

visualizan las condiciones de las corrientes involucradas en el equipo.


53

Figura 5.9.- Corrientes involucradas en el separador flash.

Figura 5.10.- Todas las corrientes existentes hasta la creación del flash.

Horno.

El siguiente equipo que debe ser instalado es el calentador, su función es el

acondicionamiento térmico del crudo hasta una temperatura determinada para que cuando la

corriente gaseosa del flash y la que salga del horno se mezclen tenga la temperatura deseada


54

para la alimentación de la torre. La clase de horno instalada necesita la especificación de la

corriente de entrada, de salida y una corriente de calor (estas dos últimas creadas desde la

ventana de diseño del horno).

Figura 5.11.- Ventana de diseño del horno.

Al igual que el equipo anterior el horno necesita dos especificaciones de diseño, la

perdida de carga (para este equipo supondremos que es 10 psi) y el calor proporcionado por la

corriente de energía (desconocido). Esta última especificación puede ser calculada por Hysys

si especificamos la temperatura de salida del horno, pero resulta que esta temperatura también

es desconocida para nosotros, así que por ahora dejaremos esta parte sin terminar de definir y

en el diagrama el horno aparecerá de color amarillo y la corriente de salida de color celeste, lo

que indica lo anteriormente dicho.

Figura 5.12.- Diagrama de flujo hasta la instalación del horno.


55

Mezclador.

El último equipo a instalar que conforma el tren de calentamiento del crudo será un

mezclador que una las corrientes, la gaseosa que sale del flash y la corriente de salida del

horno.

Figura 5.13.- Ventana para el diseño del mezclador.

Debemos especificar las corrientes de entrada y crear la corriente de salida

(Alimentación Torre). Para especificar la presión de la corriente de salida Hysys toma por

defecto (puede ser modificada dentro de los parámetros de diseño del mezclador) la menor

presión de las de las corrientes de entradas. Observamos que la corriente de salida del

mezclador esta sin especificar completamente debido a que una de las corrientes de entrada

no lo está aun. En este punto si sabemos la temperatura de la corriente Alimentación Torre, y

especificando esta temperatura desde la ventana de diseño del mezclador Hysys realiza los

cálculos anteriores (Corriente Crudo Calentado y horno).

5.2.7.- Instalacion de la columna de fraccionamiento.

Llegamos a la parte más importante de la simulación, la instalación de la torre de

fraccionamiento del crudo, pero antes debemos crear una corriente de energía que entrará en

la torre junto con la alimentación de crudo y que su función es la de proporcionar el calor

necesario para crear el reflujo suficiente en el punto de alimentación y en los platos por debajo

de esta. El calor necesario que debe aportar esta corriente será calculado con el diseño de la

columna.

Hysys dispone de un numero de columnas predefinidas que se pueden instalar y definir

completamente. La columna elegida es un Refluxed Absorber. Al instalar dicha columna y


56

usando la opción Use Input Expert Hysys te guía en la especificación de esta columna en una

especie de tutorial de 4 ventanas, dejándote acceder a la ventana siguiente solo si la ventana

anterior esta correctamente completada.

En la primera ventana debemos definir lo siguiente:

Numero de platos teóricos: 29.

Corrientes de alimentación (Alimentación Torre y Q-Alimentación) y plato de

entrada (28).

Vapor que entra por cola (Vapor Fondo).

Tipo de condensador (Parcial).

Crear las corrientes productos (Off Gas, Nafta, Agua y Residuo).

El condensador elegido será parcial aunque no tendremos salida gaseosa, lo que

tendremos finalmente serán dos corrientes líquidas: una de agua y otra que contendrá la nafta

y los ligeros finales. El condensador actuara como uno total con un caudal 0 en la corriente

gaseosa. Además de las corrientes productos aquí creadas se crearan tres más, pero estas

serán creadas con la introducción de los equipos laterales.

Figura 5.14.- 1ª Ventana para instalar la columna.

El programa también te da la opción de poder comenzar la numeración de los platos

por donde queramos, por arriba o por abajo.

En la siguiente página hay que definir los valores estimados de presión de salida del

condensador, salida por cola y perdida de presión en el condensador. Con estos datos

ayudamos a Hysys a realizar la distribución de presiones a lo largo de la columna.


57


Un rango de valor típico de pérdida de presión en los condensadores de estos equipo

es de 7-11 psi, nosotros marcamos como 9 psi la perdida de presión en el condensador.

La tercera de las ventanas nos pide la estimación de las temperaturas en el

condensador, en el plato superior y la temperatura del último plato. Aunque estos datos son

opcionales y no seria estrictamente necesario especificarlos, nosotros marcaremos estas

temperaturas para facilitar la convergencia de la columna.



58

Las torres de este tipo (con condensador parcial) tienen 2 grados de libertad y Hysys

proporciona dos especificaciones por defecto (Ratio de Vapor y Ratio de Reflujo) que es lo que

nos aparece en esta última ventana. Marcamos el ratio de vapor como 0, ya que solo queremos

obtener corrientes líquidas del condensador y marcamos como 1 el ratio de reflujo.

Figura 5.17.- Última ventana para instalar la columna.

Concluyendo estos 4 pasos correctamente habremos introducido las especificaciones

necesarias para el diseño de la columna y nos aparecerá la siguiente ventana.

Figura 5.18.- Ventana de diseño de la columna.


59

El estatus de la columna aparece en color rojo, lo cual indica que aun no está lista para

ser simulada. En esta ventana nos aparecen una serie de páginas, clasificadas dentro de su

pestaña correspondiente, de gran importancia en el diseño y simulación de la columna; unas ya

vistas anteriormente (Worsheet, Performance, Parameters, Reactions…) y con igual función

que en las demás ventanas anteriormente vistas, y otras nuevas (Monitor y Spec dentro de la

pestaña Design y la pestaña Side Ops) que deben ser explicadas su funcionalidad.

Monitor: podemos ver los cálculos de las iteraciones que hace el sistema y la

evolución gráfica de estos cálculos de presión, temperatura y caudal. Ver los

grados de libertad que posee el sistema y activar o desactivar las

especificaciones existentes.

Specs: desde esta página podemos ver, modificar, borrar o crear

especificaciones para el correcto funcionamiento de la columna.

Side Ops: desde esta página se realiza la adicción de equipos laterales a la

torre de destilación.

Como observamos en la pagina Monitor tenemos dos especificaciones activas, que han

sido creadas en la instalación de la columna, los grados de libertad deberían ser 0, pero esto

no es así debido a que en la creación de la corriente de energía de entrada se creó un grado

de libertad, ya que es desconocido su valor. Para que la torre pueda ser simulada por Hysys

los grados de libertad deben ser 0 y por lo tanto una especificación más debe ser activada.

Figura 5.19.- Ventana de la página Monitor.

Creamos una nueva especificación llamada WasteH2O para hacer los grados de

libertad 0, Hysys activará esta especificación una vez sea creada. Con los grados de libertad a

0 pasamos a la instalación de los equipos laterales. Como ya comentamos anteriormente

crearemos 3 corrientes productos más (Keroseno, Diesel y AGO) que serán obtenidas de la

instalación de 3 stripper laterales. Estos equipos serán creados desde la pestaña Side Ops.


60

Figura 5.20.- Ventana para la instalación de equipos laterales.

5.2.7.1.- INSTALACIÓN DE STRIPPER LATERALES.

En la instalación de los stripper laterales debemos especificar el plato de extracción y el

plato de la corriente de regreso, el número de platos del stripper, debemos crear una corriente

producto y especificar su caudal e instalar un reboiler o una corriente vapor.

Figura 5.21.- Ventana de instalación de un stripper lateral.

En nuestro caso el stripper del Keroseno usará un reboiler como fuente de calor al

sistema y por lo tanto tendremos que especificar el ratio de hervido. En los otros dos strippers

tendremos arrastre con vapor, ambas corrientes (Vapor Diesel y Vapor AGO) deben ser

creadas antes de la instalación de sus strippers.


61

Respecto al número de platos, sabemos que bibliográficamente oscilan entre 3 y 6

platos, el número elegido para nuestro caso será de 3 platos en todos los strippers. Para la

especificación de los caudales de las corrientes productos nos debemos fijar en los datos que

nos dio Hysys en la creación del crudo (Tabla 5.6), multiplicando estos porcentajes por el

caudal de alimentación. En la siguiente figura se muestra el resumen que recoge la página Side

Strippers de estos 3 equipos instalados.

Figura 5.22.- Cuadro resumen de los strippers laterales.

Si observamos el diagrama de flujo (PFD) vemos que Hysys ha creado y dibujado las

nuevas corrientes productos y que se encuentran en color celeste porque aun no han sido

calculadas.

Figura 5.23.- Diagrama de flujo con los strippers laterales instalados.

Con la adicción de los 3 strippers se han creado 4 grados de libertad nuevos, uno por

cada especificación de caudal y uno más por el reboiler del stripper del Keroseno. Tenemos un

total de 7 grados de libertad y debemos tener 7 especificaciones activas y así se puede ver si

volvemos a la pagina Monitor.


62

5.2.7.2.- INSTALACIÓN DE LOS PUMP AROUND.

Al realizar una extracción lateral, hacerla pasar por un stripper y devolver parte de esta

corriente a la torre, la temperatura de la corriente de regreso es superior a la temperatura de la

mezcla en el plato de regreso, lo cual implica menor fase liquida e influye en la cantidad de

reflujo que puede ser inferior a la necesaria para el mejor funcionamiento de la torre. Para

subsanar esto es necesario incluir 3 pump around, uno por cada extracción lateral, para

garantizar el reflujo en todos los platos de la columna. Estos pump around pueden ser

instalados bien en el mismo plato que los stripper o en platos superiores. Consisten en extraer

una parte del caudal que pasa por el plato, hacerlo pasar por un intercambiador de calor y

devolverlo un plato más arriba a inferior temperatura.

A la hora de instalar un pump around, Hysys nos va a pedir el plato de extracción y de

regreso y nos dará la posibilidad de introducir una pérdida de carga en el intercambiador (en

nuestro caso 0). Cada pump around genera dos grados de libertad sobre el sistema y por lo

tanto dos especificaciones deben ser introducidas; Hysys por defecto te pide el caudal y la

diferencia de temperatura; nosotros cambiaremos la diferencia de temperatura por el calor en el

intercambiador.

Figura 5.24.- Ventana instalación del pump around.

Figura 5.25.- Ventana para las especificaciones de los pump around.


63

Al igual que los strippers laterales, se puede ver un cuadro resumen de los pump

around que se muestra a continuación.

Figura 5.26.- Cuadro resumen de los pump arounds.

5.2.7.3.- ESPECIFICACIONES Y AJUSTE DE LOS GRADOS DE LIBERTAD.

Como hemos comentado ya, cada pump around genera 2 grados de libertad al sistema

y a los 7 que teníamos antes hay que sumarles estos 6 nuevos, por lo tanto debemos de tener

activas 13 especificaciones para cubrir todos los grados de libertad.

Figura 5.27.- Página Monitor con las especificaciones activas.


64

La página nos muestra que los grados de libertad son 0 y que la columna esta lista

para ser resuelta, sin embargo el estatus sigue de color rojo, lo cual indica todo lo contrario y

puede que algunas de las especificaciones tenga que ser cambiada. El conjunto de

especificaciones no nos permite poder darle un valor a la corriente Q-Alimentación, pero si

especificamos el reflujo en el plato superior a la alimentación e introducimos un valor del calor

empleado en el reboiler si puede ser calculado.

Creamos dos nuevas especificaciones (Overflash y Kero Reb Duty), la primera de ellas

estará relacionada con el reflujo del plato 27, y un valor típico está entre el 3 y el 5 % del caudal

de alimentación. La segunda será el calor usado en el reboiler. Al crear y activar dos nuevas

especificaciones debemos desactivar dos de las que ya estaban activas, una es KeroSS

BoilUP Ratio, ya que sino entraría en discordancia con la nueva creada. La segunda de las

especificaciones a desactivar es WasteH2O, ya que este valor me lo proporcionará el programa.

Por último hay que activar la especificación Vap Prod Rate (0 barril/día) y desactivar la

especificación de Reflujo, ya que no puede ser ese valor porque no obtendríamos caudal por

cabeza al recircularlo todo. La columna finalmente converge con esto cambios.

Figura 5.28.- Ventana Monitor con las especificaciones activas que convergen la simulación.

Es conveniente observar los resultados obtenidos antes de continuar, y para ello nos

situamos dentro de la pestaña Performance de la ventana de la columna. En la página Column

Profiles podemos ver tabulados los perfiles de presión, temperatura y caudal líquido y gaseoso

en cada plato.


65

Figura 5.29.- Distribución de presión, temperatura y caudal a lo largo de la columna.

Dentro de la página Plots pueden verse de forma tabular o gráfica propiedades como

presión, temperatura y caudal de cada etapa y también puede verse de forma tabular o gráfica

ensayos de destilación, peso molecular y densidad de una cierta etapa o de varias a la vez. En

la siguiente imagen se refleja las temperaturas de ebullición frente al porcentaje de destilado de

las 5 corrientes productos.

Figura 5.30.- Distribución de Temperatura de las corrientes productos.


66

Todos los resultados que se obtendrán serán visto y analizados con mas detalles mas

adelante en el punto de análisis de resultados.

En el diagrama de flujo que se nos muestra en el PFD no aparecen reflejados los

equipos laterales instalados, solo las corrientes de entrada y salida de la columna, pero Hysys

nos da la posibilidad de poder ver el sub-diagrama de la columna con todos sus detalles

haciendo clic en el recuadro Column Environment.

Figura 5.31.- Sub-diagrama de flujo de la columna de destilación.

Dentro del sub-diagrama tenemos todas las opciones posibles de ver resultados o

realizar alguna acción que en el diagrama principal. Volviendo al diagrama principal, usamos de

nuevo la herramienta Workbook para ver los resultados calculados para las corrientes y los

equipos. En la siguiente tabla se reflejan los datos de todas las corrientes participantes en el

diagrama principal.


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Nombre Crudo

Precalentado Vapor Fondo Vapor Diesel Vapor AGO PreFlash Vapor

Vapor 0,366 1,000 1,000 1,000 1,000

Temperatura [F] 450,0 375,0 300,0 300,0 450,0

Presión [psia] 50,0 150,0 50,0 50,0 50,0

Caudal Molar [lbmole/hr]

4411,89 416,32 166,53 138,77 1614,97

Caudal Másico [lb/hr]

1246889,41 7500,00 3000,00 2500,00 191581,15

Caudal Volumétrico [barril/día]

100000,00 514,58 205,83 171,53 18421,49

Caudal Calorífico [Btu/hr]

-8,535E+08 -4,237E+07 -1,703E+07 -1,419E+07 -1,204E+08

Nombre PreFlash Liquido

Crudo Calentado

Alimentación Torre

Off Gas Nafta

Vapor 0,000 0,434 0,682 1,000 0,000

Temperatura [F] 450,0 688,5 650,0 112,5 112,5

Presión [psia] 50,0 40,0 40,0 19,7 19,7


2796,92 2796,92 4411,89 0,00 1867,45


1055308,26 1055308,26 1246889,41 0,03 203643,51


81578,51 81578,51 100000,00 0,00 20000,08


-7,332E+08 -5,427E+08 -6,631E+08 -3,459E+01 -1,872E+08

Nombre Agua Residuo Keroseno Diesel AGO

Vapor 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000

Temperatura [F] 112,5 642,9 412,4 460,2 568,8

Presión [psia] 19,7 32,7 29,8 31,0 31,7


702,34 1181,70 402,60 738,00 241,36


12652,76 665233,86 80435,32 207646,26 90276,45


868,12 49021,95 7000,17 17000,90 7000,63


-8,596E+07 -3,770E+08 -5,766E+07 -1,440E+08 -5,637E+07

Tabla 5.8.- Características de las corrientes del diagrama de flujo.

Una de las herramientas muy útil en Hysys es el Objet Navigator. Con esta herramienta

podemos abrir rápidamente cualquier corriente o equipo para ver sus propiedades o

composición, o incluso instalar y ver curvas, como las vistas anteriormente de puntos de

ebullición de alguna etapa o corriente. Lo útil de esta herramienta es que podemos acceder con

ella a las corrientes y equipos internos de la columna, los que se reflejan en el sub-diagrama,


68

cosa que no se puede hacer con otra herramienta desde el diagrama principal. La siguiente

grafica representa la curva de destilación de la corriente de Keroseno.

Figura 5.32.- Curvas de destilación de la corriente Keroseno.

5.2.8.- Libro de Datos o Databook.

La ultima herramienta que veremos en esta parte de la simulación y la más importante

en lo que se refiere al análisis de resultados será el Libro de Datos o Databook.

Figura 5.33.- Ventana del Databook.


69

La simulación estática está concluida pero debemos ver si los resultados obtenidos son

aceptables o deben ser mejorados. Para mejorar los resultados debemos saber que variables

pueden ser modificadas y cómo influyen en el sistema, y esta es la principal función del

Databook.

Hay variables, como son los caudales de los productos, que han sido especificadas que

podemos ver si pueden ser mayores para maximizar la producción y a qué precio. Otras

variables deben estar dentro de un límite para obtener un buen producto como ocurre con la

composición de ligeros y pesados de las corrientes productos. Y por ultimo están las variables

que afectan al ahorro energético de la planta como pueden ser el consumo de vapor o los

calores empleados en la alimentación y en el condensador. Todas estas variables dependerán

en mayor o menor medida de las demás variables del sistema. El Databook nos ayuda a poder

ver la evolución del sistema, tanto de forma gráfica como tabular, y observar si la variación de

una o más variables produce un efecto positivo o negativo sobre las demás.

Para usar esta herramienta lo primero que tenemos que hacer es añadir las variables

que nos interesa ver su evolución, en nuestro caso serán los calores de alimentación y del

condensador y la composición de compuestos ligeros y pesados de las corrientes productos, ya

que daremos prioridad a una mejor distribución de los cortes que a una maximización de

alguno de los productos. Por lo tanto las variables creados son las siguientes:

Punto 90% de la curva TBP de Nafta.

Punto 10% de la curva TBP de Keroseno.

Punto 90% de la curva TBP de Keroseno.

Punto 10% de la curva TBP de Diesel.

Punto 90% de la curva TBP de Diesel.

Punto 10% de la curva TBP de AGO.

Punto 90% de la curva TBP de AGO.

Punto 10% de la curva TBP de Residuo.

Calor Q-Alimentación.

Calor Q-Condensador.

Para poder ver estos puntos de las TBP, antes han de crearse estas curvas como

utilidades del sistema. Una vez creadas las variables debemos crear un escenario (por ejemplo:

Caudal Vapor Fondo), seleccionamos las variables que queremos observar de las creadas y

grabamos el primer estado como el estado actual. Vamos cambiando el valor de esta variable

(Caudal Vapor Fondo) y vamos grabando los distintos estados. Por último queda ver cómo han

evolucionado las variables definidas en una tabla o en un gráfico y llegar a un consenso de cuál

es el mejor valor para la variable manipulada.


70

Las variables manipuladas para nuestro caso serán las siguientes:

Caudales de las corrientes productos.

Caudales, presión y temperatura de las corrientes de alimentación de vapor.

Temperatura y presión de la corriente de alimentación de crudo.

Caudal y calor empleado en los pump around.

Numero de platos de los strippers laterales.

Especificación Overflash.

El análisis de todos estos escenarios se verá en el apartado de análisis de resultados.

5.3.- SIMULACIÓN DINÁMICA.

Igual que ocurre con la simulación estática, lo expuesto en este apartado se recoge

paso por paso en el Anexo V pero continuando con las cambios realizados en el análisis de

resultados de la simulación estacionaria.

Un simple fraccionador facilita productos como naftas, keroseno, diesel y residuo

atmosférico a través de la alimentación de un crudo pesado. En el tutorial el crudo alimentado

fue calentado en el horno y vuelta a combinar con el vapor. La combinación de ambas

corrientes sirvió de alimentación a una columna de fraccionación atmosférica. En la parte

dinámica solo consideraremos la columna de crudo, es decir, eliminaremos el tren de

precalentamiento del diagrama de flujo.

El principal objetivo de esta parte del proyecto es ofrecer un conocimiento adecuado de

la transformación de una columna en estado estacionario a estado dinámico. El tutorial ofrece

una manera única de preparar un caso estático en dinámico, sin embargo, también puede optar

por utilizar el asistente dinámico para establecer especificaciones de presión, el tamaño de un

equipo de la planta o introducir un nuevo equipo. Este tutorial te guía a través de los pasos

necesarios para añadir la funcionalidad dinámica a una simulación de refinería de petróleo en

estado estacionario. La trasformación al modelo dinámico sigue los siguientes pasos:

1. Obtener un modelo simplificado del estado estacionario que se convierte en dinámico.

2. Implementar la utilidad de tamaño de equipo para el dimensionamiento de la columna y

de los equipos laterales.

3. Instalar y definir los controladores apropiados.

4. Añadir especificaciones de caudal o presión a las corrientes.

5. Establecer los datos habituales. Realizar cambios en las variables clave del proceso y

observar el comportamiento dinámico del modelo.


71

5.3.1.- Modelo Simplificado.

Como hemos dicho, solo nos centramos en la columna de destilación y sus equipos

laterales para el caso dinámico, por lo tanto el primer paso es eliminar las corrientes y los

equipos anteriores a la corriente de alimentación de la columna. Tenemos que tener en cuenta

que la corriente de alimentación de la columna está definida a partir de las corrientes y equipos

anteriores; así que antes de nada debemos crear una corriente con las mismas características

actuales que la corriente Alimentación Torre. Hysys, al crear una corriente, tiene la opción de

definir esta corriente a partir de otra ya existente (copia los datos), por lo tanto crearemos y

definiremos una nueva corriente usando la opción Define from Other Stream y la corriente

Alimentación Torre.

Figura 5.34.- Ventana para definir una corriente a partir de una existente.

Desde la ventana que se muestra en la figura podemos seleccionar la corriente y ver

las propiedades de esta. Una vez definida la nueva corriente borramos lo anteriormente dicho.

Por último paso para el acondicionamiento del sistema para la simulación dinámica falta definir

la corriente Alimentación Torre, que será definida a partir de la corriente antes creada.

Borramos la corriente antes creada y el diagrama de flujo está listo para comenzar con la

simulación dinámica.


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Figura 5.35.- Esquema de la planta para la simulación dinámica.

5.3.2.- Dimensionado de equipos.

En la preparación para la operación dinámica debemos conocer la dimensión de la

columna y de sus equipos laterales. Lo primero que debemos conocer es el tamaño de la

columna y sus platos, para ello debemos crear una utilidad llamada Tray Sizing, como hicimos

en la creación de las curvas TBP. Esta utilidad de Hysys nos va a calcular el tamaño de los

platos de la columna basándose en los parámetros estacionarios introducidos y el tipo de plato

seleccionado (Valve). Para nuestro caso Hysys distingue tres secciones diferentes en nuestra

columna ya que tendremos tres tipos de condiciones de flujo a lo largo de la columna. Desde

esta utilidad creada debemos obtener una serie de datos que deberán ser introducidos en el

PFD para pasar a la simulación dinámica, estos datos se recogen en la siguiente tabla.

Sección 1 Sección 2 Sección 3

Diámetro (m) 5,486 3,962 3,353

Distancia entre platos (mm) 50,8 50,8 50,8

Distancia entre poros (mm) 609,6 609,6 609,6

Numero de líneas de flujo 2 2 2

Altura total (m) 8,594 5,545 5,805

Max. DP/Plato (kPa) 0,893 0,916 0,641

Tabla 5.9.- Datos para definir el tamaño de la columna.

La altura total de nuestra columna será la altura total dividida por el número de líneas

de flujo (en nuestro caso 2) y la pérdida total de presión será la máxima perdida de carga por

plato multiplicada por el numero de platos. Estos datos de dimensión de la columna deben ser

introducidos en la página Sizing de la pestaña Rating de la columna.


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Figura 5.36.- Ventana para definir el tamaño de la columna.

También debemos cambiar la perdida de carga de la columna, cambiando la presión

del plato 29 por la suma de la perdida de carga total calculada y la presión en el plato 1.

Figura 5.37.- Ventana para definir la presión de la columna.

El siguiente paso es realizar los mismo descrito para la columna, pero ahora con los

strippers laterales. Para ello debemos crear tres nuevas utilidades, una por cada stripper lateral.

Obtenemos los datos de tamaño que se reflejan en la siguiente tabla.


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STRIPER KEROSENO

STRIPPER DIESEL LIGERO

STRIPPER DIESEL PESADO

Sección 1 Sección 2 Sección 1 Sección 2 Sección 1 Sección 2

Diámetro (m) 1,067 0,762 1,829 1,372 1,981 1,524

Distancia entre platos (mm) 50,8 50,8 50,8 50,8 50,8 50,8

Distancia entre poros (mm) 609,6 609,6 609,6 609,6 609,6 609,6

Altura total (m) 908,738 703,791 1303,530 999,031 1441,716 1168,883

Número de líneas de flujo 1 1 1 1 1 1

Longitud actual (m) 1,61 2,3 2,6

Tabla 5.10.- Datos de tamaño de los stripper laterales.

Estos datos serán introducidos en sus respectivos equipos igual que se ha hecho en la

columna.

El condensador y los intercambiadores de los pump around también requieren de

especificaciones de tamaño para operar eficientemente en modo dinámico.

Para el cálculo del volumen del condensador nos basaremos en un tiempo de

residencia de 10 minutos y un nivel de liquido del 50% del volumen total. Este volumen es

calculado manualmente aplicando la siguiente fórmula:

El caudal total de salida se halla sumando los caudales de las corrientes de salida del

condensador. El volumen calculado es introducido en las especificaciones dinámicas del

condensador. En este caso debemos elegir también la forma de nuestro condensador (cilindro

vertical).

Figura 5.38.- Ventana de especificaciones dinámicas del condensador.


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En el caso de los Cooler de los pump around, Hysys asigna un valor por defecto al

volumen del equipo (0.1 m3) y aunque queramos eliminar este valor observamos que seguirá

apareciendo, eso es debido a que necesita un valor para la simulación y toma el menor posible.

En nuestro caso dejaremos este valor por defecto que marca Hysys y comprobamos que no

esté activa ninguna de las especificaciones dinámicas tal como se muestra en la siguiente

figura, para los tres intercambiadores de las pump around.

Figura 5.39.- Ventana de especificaciones dinámicas del Cooler.

5.3.3.- Instalación de las unidades de control.

El siguiente paso es añadir controladores de nivel y caudal en la simulación. Hysys nos

permite añadir controladores tanto en modo dinámico como en estacionario, y estos podrían

ser introducidos después de la transición al modelo dinámico, pero nosotros los introduciremos

antes. Las variables serán identificadas y controladas mediante operaciones de control lógicas

PID. Estos controladores no requieren correr la simulación en modo dinámico para ser

instalados. Ellos introducirán el realismo al modelo y lo harán más estable.

Cuando introducimos un controlador tipo PID desde la paleta de objetos nos aparece la

siguiente ventana para poder definirlo.

Figura 5.40.- Ventana para la definición del controlador.


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En la pestaña Connections podemos cambiar el nombre que Hysys pone por defecto y

debemos introducir la variables que va a controlar (PV) y la variable que tiene que manipular

para controlar a la primera (OP). En la página Configuracion de la pestaña Parameters

debemos especificar si el controlador es de acción directa o inversa, el set point, el rango de la

variable a controlar y las características estáticas del controlador (Kc, Ti y Td). Para que el

controlador este completamente definido y pueda ejecutar su función solo falta introducir el

rango de la variable manipulada en la ventana que se abre al hacer clic en recuadro Control

Valve.

La pestaña Stripchart es utilizada para crear una gráfica de la evolución de las

variables controladas y manipuladas a lo largo del tiempo.

Crearemos 4 controladores de caudal para corrientes de productos y un controlador de

nivel para controlar el nivel de líquido del condensador. Los datos que deben ser introducidos

en los controladores se recogen en la siguiente tabla.

Controlador Cond LC Off Gas FC Keroseno FC Diesel Ligero FC Diesel Pesado FC

PV Nivel liquido condensador

Caudal Off Gas Caudal Keroseno Caudal Diesel

Ligero Caudal Diesel

Pesado

OP Caudal Nafta Calor Q-

Condensador Caudal extracción

plato 9 Caudal extracción

plato 17 Caudal extracción

plato 22

Acción Directa Directa Inversa Inversa Inversa

Kc 4 0,01 1 1 0,7

Ti 5 5 5 5 3

SP 50% 5 kgmol/h 46,31 m3/h 49,57 m

3/h 66,07 m

3/h

PV min. 0% 0 kgmol/h 0 m3/h 0 m

3/h 0 m

3/h

PV max. 100% 100 kgmol/h 100 m3/h 250 m

3/h 100 m

3/h

OP min 0 kgmol/h 0 kJ/h 0 kgmol/h 0 kgmol/h 0 kgmol/h

OP max 2000 kgmol/h 2*10e8 kJ/h 400 kgmol/h 1200 kgmol/h 500 kgmol/h

Tabla 5.11.- Datos de los controladores.

Los set point de los controladores son los valores de los que partimos del caso

estacionario, exceptuando el del controlador Off Gas FC, el caudal de la corriente a controlar es

casi nulo en caso estacionario y es difícil de controlar con el set point actual, ya que en las

oscilaciones hasta alcanzar el régimen permanente puede tomar valores negativos, por este

motivo tomamos un valor mayor en este caso.

5.3.4.- Especificaciones de presión y caudal de las corrientes.

Antes de poder comenzar la integración en aspen Hysys, los grados de libertad en

modo dinámico deben ser reducidos a cero añadiendo especificaciones de presión y caudal.

Normalmente se hace una especificación de presión o caudal por cada corriente, pero

necesitamos una especificación adicional por cada unidad lateral de la columna, estas


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especificaciones adicionales serán los caudales de los productos ya especificados en la

instalación de los controladores. Todas las corrientes de entrada y salida en el diagrama de

flujo principal deberán tener una especificación de corriente o de caudal, exceptuando la

corriente Nafta, ya que al especificar la presión de la corriente Off Gas y el caudal de la

corriente Agua queda implícito su presión y su caudal.

Dentro del subdiagrama de flujo tenemos las especificaciones que han sido añadidas

con los controladores (corriente de la variable manipulada y variable a controlar), pero los pump

arounds deben tener una especificación de flujo ya que la presión del flujo y la pérdida de

carga no están definidas.

Antes de empezar a introducir estas variables debemos pasar al modo dinámico

haciendo clic en el botón Dynamic Mode y Hysys nos indicara que es necesario una serie de

especificaciones y nos preguntara si queremos que el asistente nos ayude a solucionarlo. Si

pulsamos en SI Hysys automáticamente activará las especificaciones necesarias para poder

correr la simulación, en nuestro caso marcaremos la respuesta NO y si quisiéramos correr la

simulación en este punto Hysys te diría que no es posible y te indicaría unas pautas de lo que

haría falta especificar antes de poder simular. Marcaremos la opción NO e introduciremos las

especificaciones que se recogen en las siguientes tablas.

Corriente Presión Caudal Valor

Vapor Diesel Ligero Inactiva Activa, Molar Flow 377,7 kgmol/h

Alimentación Torre Inactiva Activa, Molar Flow 2001 kgmol/h

Vapor Fondo Inactiva Activa, Molar Flow 377,7 kgmol/h

Vapor Diesel Pesado Inactiva Activa, Molar Flow 377,7 kgmol/h

Vapor Keroseno Inactiva Activa, Molar Flow 75,54 kgmol/h

Off Gas Activa Inactiva 135,8 kPa

Agua Inactiva Activa, Ideal 21,61 m3/h

Keroseno Activa Inactiva 205,4 kPa

Diesel Ligero Activa Inactiva 212,8 kPa

Diesel Pesado Activa Inactiva 217,5 kPa

Residuo Activa Inactiva 224 kPa

Tabla 5.12.- Especificaciones introducidas en el diagrama principal.

Corriente Especificación Activa Valor

PA_1_Draw Caudal Molar 1496 kgmol/h

PA_2_Draw Caudal Molar 632,6 kgmol/h

PA_3_Draw Caudal Molar 544 kgmol/h

Reflux Caudal Molar 1,049*10e-4 kgmol/h

Keroseno_SS_Draw Caudal Molar 244,4 kgmol/h

Diesel Ligero_SS_Draw Caudal Molar 288,9 kgmol/h

Diesel Pesado_SS_Draw Caudal Molar 308,9 kgmol/h

Tabla 5.13.- Especificaciones introducidas en el sub-diagrama.


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El valor introducido para cada especificación es el obtenido del modelo estacionario,

para partir de una buena aproximación, ya que se supone que hemos realizado un buen ajuste

en el modelo estacionario.

Llegado a este punto, la planta está lista para ser integrada. Hacemos que estén visible

solamente los Face Plate de los controladores y las gráficas antes creadas y observamos la

evolución de las variables a controlar. Para correr la simulación hacemos clic en el botón Start

Integrator y observamos la evolución de la variables. Una vez trascurrido un tiempo

alcanzamos el régimen permanente y en la siguiente imagen podemos observar los Face Plate

de los controladores que han llegado al valor que le hemos marcado.

Figura 5.41.- Face Plate de los controladores al alcanzar el régimen permanente.

Observamos que no existe error en el régimen permanente, esto es debido al buen

ajuste de los controladores y que estamos simulando en los puntos obtenidos en la simulación

estática, pero debemos observar si estos controladores son buenos para distintos puntos

(seguimiento de la señal) y evolucionan bien frente a las perturbaciones. Todo esto se verá en

el apartado de análisis de resultados del modelo dinámico (apartado 6.2).

hysys. destilación atmosférica de crudo...

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