Tutorial 1. Iniciar Aspen .pdf

Tutorial Aspen Plus V8.8

Facultad de Química, UNAM

SANCHEZ MEDINA EDGAR IVAN ALVARADO VAZQUEZ ILSE ARACELI

PROFESORA: RODRIGUEZ CASTAÑEDA ILEANA

Prof. Rodríguez I., Sánchez E. y Alvarado I.

DISEÑO DE PROCESOS (1817)



Tutorial 1. Iniciar Aspen Objetivos: • • • • • • • • •

Obtener un primer acercamiento con Aspen Plus v8.8, un simulador de procesos químicos. Crear una nueva flowsheet. Añadir químicos. Escoger propiedades físicas. Insertar operaciones unitarias. Conectar corrientes. Introducir parámetros de los bloques. Efectuar una simulación exitosamente. Obtener resultados de una simulación.

Primeramente al abrir Aspen Plus v8.8, nos encontramos en la pantalla de inicio donde podemos escoger entre 1) abrir una simulación que ya habíamos comenzado o 2) comenzar una nueva simulación. Demos clic en “New” para comenzar una nueva simulación. Nosotros iniciaremos una “Blank simulation”.

Importancia: Este es el primer tutorial. Y como primer tutorial aprenderemos las cosas básicas necesarias para resolver cualquier problema usando el simulador (crear una nueva flowsheet, escoger paquetes de propiedades físicas, añadir químicos, correr la simulación exitosamente y obtener los resultados de la misma). Tutorial: Antes de comenzar debemos tener en cuenta que Aspen Plus es un simulador de Procesos Químicos en Estado Estacionario, es decir, usa varios métodos para converger a dicho estado estable. Por lo tanto, no podemos esperar obtener resultados o simulaciones fuera del estado estacionario usando Aspen Plus. Vamos a simular un proceso de separación de benceno y oxileno usando una columna de destilación a una presión alta.

En cada simulación debemos especificar los componentes, esto es, las especies químicas involucradas en el proceso a simular. De esta forma le indicamos a Aspen Plus que componentes debe tomar de su amplia base de datos y usarlos en la simulación. Aquí solo usaremos benceno y oxileno. Cuando especificamos los componentes en el programa, obtenemos muchas de sus propiedades como punto de ebullición, conductividad térmica, equilibrio de fases, pesos moleculares, tensiones superficiales. Te aconsejamos que guardes tu simulación frecuentemente porque los “crashes” pueden ocurrir y no vas a querer repetir todo de nuevo una y otra vez. Para esto usa “Save As” y guarda tu simulación como un nuevo archivo (.apw). Bien, vamos a empezar a especificar alguna información básica del proceso. Cuando la sección de “Properties” está resaltada, existen varias carpetas dentro del panel izquierdo: “Setup”, “Components”, “Methods”, “Chemistry”, etcétera. Estas son secciones donde debes introducir información sobre tu simulación. Debes notar que existen círculos azules con una palomita blanca y medios círculos rojos en algunas de las carpetas y secciones de este panel.



Figura 1. Diagrama de proceso de separación de una mezcla equimolar de benceno y o-xileno.

2

Prof. Rodríguez I., Sánchez E. y Alvarado I.

DISEÑO DE PROCESOS (1817)

Los círculos azules indican que Aspen Plus tienen la suficiente información de dicha sección para poder continuar con la simulación. Los medios círculos rojos indican que debes introducir más información en esa sección para que la simulación se lleve a cabo.

Las secciones sin marca son información extra y opcional que podemos ignorar por ahora. Primero vayamos a “Setup / Specifications”, aquí podemos establecer el sistema de unidades que se va a usar para especificar la simulación y para arrojar los resultados de la misma. Cabe mencionar, que también podemos cambiar las unidades más tarde. Usemos el conjunto de unidades MET (Sistema Métrico Decimal).

Ahora, vayamos a la carpeta “Components” (nota que tiene medio círculo rojo y por tanto DEBEMOS introducir cierta información allí). En “Specifications” (nota el medio círculo rojo en esta sección) podemos especificar los componentes a utilizar, en nuestro caso es benceno y oxileno. Para buscar los componentes demos clic en “Find” y busquemos los componentes por su nombre (como has notado ya, Aspen Plus está en inglés, así que debes introducir el nombre del compuesto en ese mismo idioma), busquemos “benzene” y da clic en “Find Now”.

Notarás que salieron un montón de compuestos en la lista de la parte inferior. Puedes escoger de la lista el compuesto correcto por su nombre completo, formula química, peso molecular, etcétera. Da clic en Benzene y da clic en “Add selected compounds”. Inmediatamente notarás que se añadió este compuesto en la lista de componentes seleccionados que anteriormente estaba vacía. Sigue el mismo procedimiento para añadir el o-xileno a la lista. Verás que el círculo rojo fue sustituido por un círculo azul en la carpeta de “Components”.

También puedes buscar componentes comunes tecleando su nombre en la sección de “Component ID”, esto funcionará como se espera si introduces por ejemplo: “water”, “h2”, “ch4”, etcétera. Sin embargo, siempre checa el nombre del compuesto y la fórmula química para estar seguro que se seleccionó el componente que quieres. Siempre puedes cambiar el “Component ID” de los compuestos que vas a usar. ¡Esto es muy útil! Es completamente confuso y poco profesional tener identificados al dióxido de carbono y al monóxido de carbono como “CARBO-01” y “CARBO-02” respectivamente solo porque agregaste primero al dióxido de carbono a la lista. Ahora veamos qué significan las columnas de nuestra lista de componentes seleccionados:

3



Prof. Rodríguez I., Sánchez E. y Alvarado I.

DISEÑO DE PROCESOS (1817)



•

•

• •

Component ID: Este es el nombre que Aspen usará en tú simulación. Puedes cambiarlo al nombre que tú quieras mientras que sea único dentro de la lista. ¡Recuerda! esto es muy útil. Type: Esta es la clasificación del modelo que se usará para representar este componente. “Conventional” es un componente puro típico y es el más comúnmente usado. Existen otros tipos como “Solid”, “Blend” y “Hypothetical”. Aspen es capaz de tratar mezclas de cosas (como polimeros, aire, etc) como si fueran un solo compuesto. Component name: Este es el nombre que Aspen Plus le da al componente y no es posible cambiarlo. Alias: Aquí se encuentra la fórmula química del compuesto. Tomando como ejemplo el o-xileno, el “-1” que viene al final de la fórmula química es para distinguir entre varios compuestos que poseen la misma fórmula química.

la simulación. Seleccionemos el apartado de “Simulation” en la parte inferior izquierda de la pantalla. En esta sección es donde construimos el diagrama de flujo de nuestro proceso a simular. Cuando nos ubicamos en esta sección podemos ver un “Model Palette” en la parte inferior de la pantalla. En este “Model Palette” se encuentran todos los modelos de operaciones unitarias que Aspen Plus contiene para construir nuestro proceso. Comencemos a construir el diagrama de flujo de nuestro proceso representado en la Figura 1. Para colocar la bomba tenemos que dar clic en “Model Palette / Pressure Changers / Pump” (esto seleccionará la bomba) y posteriormente damos clic en la sección blanca “Main Flowsheet” (donde construiremos nuestro proceso completo). Si presionamos la tecla ESC nuestro cursor volverá a la normalidad, es decir, dejará de seleccionar la bomba o cualquier otro modelo de operación unitaria.

Ahora vayamos a “Methods / Specifications”, aquí es donde especificamos el paquete de propiedades físicas que queremos usar para hacer la simulación. Los paquetes de propiedades físicas son colecciones de datos, ecuaciones y modelos que describen toda clase de información acerca de los compuestos que has seleccionado. La selección del modelo de propiedades físicas es sumamente importante para la validez de los resultados de nuestra simulación. Para esta simulación usemos el modelo NRTL (Nonrandom two-liquid model) como nuestro método base en la sección “Based Method”. Las secciones de la derecha se llenarán en automático. Estas secciones nos dicen que ecuación de estado, conjunto de datos y modelos de entalpía y volumen usará el método base que seleccionamos. Dejemos en esta sección lo que aparece por defecto.

Ahora, ya tenemos puros círculos azules en las secciones del apartado “Properties”, esto indica que podemos seguir con

El nombre por defecto de la bomba que acabamos de agregar es B1, podemos cambiar el nombre al dar clic derecho en el icono de la bomba que acabamos de agregar y dar clic en “Rename Block”, ponle el nombre que tú quieras.

4

Prof. Rodríguez I., Sánchez E. y Alvarado I.

DISEÑO DE PROCESOS (1817)

Bien, prosigamos a conectar las corrientes de entrada y salida de nuestra bomba. Da clic en “Model Palette

/ Material” para seleccionar una corriente material (existen corrientes de calor y trabajo, puedes desplegarlas en la flechita del lado derecho de “Material”) y situa el cursor en cualquier parte del “Main Flowsheet”, notarás que aparecen dos flechas rojas en la bomba y una azul. Las flechas rojas significan corrientes que necesitas especificar para poder simular dicha operación unitaria y la flecha azul es una corriente opcional que puedes especificar en caso de requerirla. Puedes colocar el cursor por encima de estas flechas para ver el significado de cada corriente. Ok, da clic en cualquier parte del “Flowsheet” para colocar el inicio de la corriente de entrada y después da clic sobre la flecha roja en la bomba para conectar esa corriente con la bomba.

Podemos cerrar esta pestaña correspondiente a la corriente de entrada haciendo clic sobre la x en el título de la pestaña (personalmente nos resulta conveniente la mayoría de las veces para no tener muchas cosas abiertas que terminan haciendo todo más confuso). Después tenemos que especificar la bomba, de forma similar podemos hacer doble clic sobre ella en el diagrama de flujo y nos aparecerá una sección donde tenemos que especificar ciertos datos sobre ella.

Ahora la corriente de entrada está colocada y conectada a la bomba. De la misma forma podemos conectar la corriente de salida (clic en flecha roja y clic en cualquier parte del “Flowsheet”). De la misma forma que la bomba podemos renombrar las corrientes si así lo deseamos. Si por alguna razón no diste clic sobre las flechas rojas puedes dar clic derecho sobre la corriente y seleccionar “Reconnect”. Alternativamente, para reconectar una corriente puedes dar doble clic en la flecha al inicio o al final de ésta.

Ahora, especifiquemos las condiciones de la corriente de entrada a la bomba. Da doble clic sobre la primer corriente. Aquí es donde especificas las variables de estado de la corriente. Especifica la temperatura, presión y flujo total de la corriente de acuerdo a la Figura 1, así mismo especifica la composición de la corriente (puedes escoger entre concentración, flujo o fracción másica, molar o volumétrica). Al momento de especificar estos datos notaremos que tenemos un circulo azul en la pestaña “Mixed” y en la carpeta del lado derecho “Streams / 1 “. Ahora tenemos nuestra corriente de entrada totalmente especificada.

Para especificar una bomba hace falta un solo dato: la presión de descarga, el incremento en la presión, la razón de cambio de la presión o el poder requerido por la bomba. Especifiquemos la presión de descarga como se indica en la Figura 1. Nota que el mensaje de la parte inferior izquierda cambió de a . Dado que Aspen Plus siempre calcula las corrientes subsecuentes a la corriente de entrada (corrientes de salida) no es necesario especificar la corriente 2, es decir, Aspen calculará esta corriente tomando la información necesaria de la corriente de entrada y el bloque usado (la bomba en este caso). ¡Perfecto, ahora estamos listos para correr la simulación! Presiona el botón de Run o presiona la tecla F5. Si hiciste todo correctamente obtendras el bello mensaje de . Ahora has hecho algo útil, has calculado una bomba para mover el fluido a las condiciones especificadas.

5

Prof. Rodríguez I., Sánchez E. y Alvarado I. Para ver los resultados de la bomba haz clic derecho sobre ella en el diagrama de flujo y selecciona “Results”. Puedes checar los resultados de las corrientes de la misma forma o tomar el atajo de presionar Control-R.

Reporta la electricidad necesaria para operar la bomba en Watts y el flujo volumétrico de esta bomba en litros por segundo. Esta simulación se ha ejecutado de forma exitosa, esto significa que todos los bloques y todas las corrientes han sido calculados y han convergido al Estado Estacionario.

DISEÑO DE PROCESOS (1817) Nota que el modelo RadFrac incluye el condensador y el rehervidor, es decir, calcula el modelo de la columna de destilación, el condensador y el rehervidor como un conjunto. Es posible modelarlo de forma separada, pero nosotros no queremos esto por ahora. Para ponerlo más claro, al seleccionar RadFrac estamos incluyendo condensador, columna y rehervidor. Ok, acabemos con esto. Conecta la corriente de entrada de la columna y las de salida (corriente de destilado y corriente de fondo).

Reporta la entalpía de la corriente de salida en cal/mol y la densidad molar en mol/cm3. Muy bien, para completar nuestro proceso necesitamos agregar una columna de destilación. Para esto vayamos a “Model Palette / Columns” aquí veremos varios modelos de columnas que usan distintos algoritmos para resolver los modelos (estos modelos los estudiaremos un poco más en un tutorial posterior). Por ahora escoge el modelo RadFrac. Introduce los parámetros de la columna en el bloque RadFrac (como hiciste con la bomba) de acuerdo a la Figura 1. Aspen Plus cuenta al condensador y al rehervidor como etapas, entonces hay 18 platos, un condensador y un rehervidor, esto es 20 etapas. Especifica el condensador como Total y el rehervidor como Kettle. El reflux ratio igual a 5.6 y el boilup molar ratio igual a 3.2. No importa el ícono del submodelo que uses (la pequeña flecha a la derecha de RadFrac), el modelo es exactamente el mismo sin importar el ícono que escojas. Si escoges el ícono incorrecto puedes cambiarlo después al dar clic derecho en él y seleccionar “Exchange Icon” o presionando Control-K hasta que obtengas el ícono que quieras. Aquí es muy importante mencionar que las personas que hacen simulación seria deberían estar seguros de que el ícono que seleccionen corresponda con la operación unitaria que intentan modelar, en términos del tipo y la posición del condensador o el rehervidor (si incluso existen). Esto ayuda a otros a evitar confusiones al hacer explícitamente claro qué operación unitaria existe en la planta real después de que miren nuestro diagrama de flujo. Escoger el ícono incorrecto es una gran forma de decirle a otros que tú no sabes bien lo que estás haciendo y que tu trabajo no debe ser un trabajo confiable.

En la pestaña de “Streams” coloca la alimentación en la etapa 9 (esto en el plato 8).

6

Prof. Rodríguez I., Sánchez E. y Alvarado I.

DISEÑO DE PROCESOS (1817)



En la pestaña de “Pressure” especifica la presión del condensador como 4.7 atm y deja todo lo demás en su valor por defecto.

En este punto toda la información necesaria para realizar nuestra simulación está completa y deberíamos tener el mensaje en la parte inferior izquierda de la pantalla. Vuelve a correr la simulación. Reporta el flujo total de benceno en la corriente de destilado y el servicio de calor en el rehervidor en GJ/h. Algo que también recomendamos, para evitar calcular las fracciones mol o masa o volumen de una corriente a mano, es ir a “Setup / Report Options / Stream” y selecciona las casillas (correspondientes a las fracciones que desees incluir en los resultados) en la sección de “Fraction Basis” y vuelve a correr la simulación. Reporta la fracción masa de benceno en la corriente de fondos.

7