3. PROPIEDADES DE CORRIENTES DE MATERIA

1. OBJETIVOS 1.1. Construir diagramas de propiedades de estado de una mezcla 1.2. Determinar las propiedades críticas de una mezcla 1.3. Estimar propiedades físicas, termodinámicas y de transporte de una mezcla 2. INTRODUCCION HYSYS dispone de la opción “Utilities”, que es un conjunto de herramientas que interactúan con una corriente de materia suministrando información adicional para su análisis, como los diagramas presión-volumen-temperatura y otros. Después de instalada, la información anexada se convierte en parte del diagrama de flujo de tal manera que cuando cambian las condiciones de la corriente, automáticamente calcula los otros cambios en las condiciones afectadas. Los diagramas líquido-vapor disponibles para una corriente de composición desconocida son: Presión-Temperatura, Presión-Volumen, Presión-Entalpía, PresiónEntropía, Temperatura-Volumen, Temperatura-Entalpía y Temperatura-Entropía. Algunas otras facilidades incluidas dentro de la opción “Utilities” son las propiedades críticas, el diámetro o caída de presión en tuberías, tablas de propiedades, etc. 3. DIAGRAMAS DE PROPIEDADES DE UNA CORRIENTE Para anexar un diagrama de propiedades a una corriente: 1. Instale un nuevo caso importando el paquete fluido “Planta de Gas” definido en la Práctica 1 2. Instale una corriente de materia con el nombre de “Gas”, 10 °C, 7500 kPa, 100 kgmol/h y composición especificada como lo muestra la Figura 1. 3. Haga clic sobre la pestaña “Attachments” y luego haga clic sobre la página “Utilities” 4. Dentro de la ventana desplegada, presione el botón “Create” para acceder a la ventana “Available Utilities” que se observa en la Figura 2 5. Seleccione la opción “Envelope” y entonces presione el botón “Add Utility”. Se desplegarará la ventana de título “Envelope: Envelope Utility-1” que se observa en la Figura 3. La página “Connections” de la pestaña del mismo nombre, muestra los valores máximos (Cricondenbárico y Cricondentérmico) y críticos de presión y temperatura para la envolvente de la corriente “Gas” 6. Haga clic en la pestaña “Performance” y luego clic en la página “Plots” para observar el diagrama presión-temperatura que aparece por defecto, como se observa en la Figura 4. Compare los valores máximos y críticos de temperatura y presión de la Figura 3 con los determinados en el gráfico PT

Figura 1. Composición de la corriente de materia “Gas”

Figura 2. Facilidades disponibles para la corriente “Gas”

7. Para incluir la curva de calidad 0.4, digite este valor en el cuadro “Quality 1” del grupo “Curves” que se encuentra en la parte superior derecha 8. Para observar los datos numéricos de presión-temperatura, haga clic sobre la página “Table”. Observe en la Figura 5, en el cuadro “Table Type” que los datos que aparecen tabulados corresponden a la sección del punto de burbuja de la corriente “Gas. 9. Despliegue el cuadro “Table Type” y seleccione las opciones que le permitan observar los datos numéricos de presión y temperatura para el punto de burbuja y la gráfica de calidad constante de la corriente “Gas”

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Figura 3. Valores Máximos y Críticos de temperatura y presión de la corriente “Gas”

Figura 4. Diagrama Presión-Temperatura de la corriente “Gas”

10. Seleccione nuevamente la opción “Plots” y en el grupo “Envelope Type” seleccione el radio botón P-H para desplegar el diagrama presión-entalpía de la corriente. 11. En el cuadro “Isotherm 1” del grupo “Curves” digite el valor -14 °C para incluir una línea isoterma de dicha temperatura, como se observa en la Figura 6 12. Para editar el gráfico, presione el botón derecho del Mouse y seleccione la opción “Graph Control” del menú contextual desplegado. Se desplegará la ventana que le permite hacer cambios que modifiquen la presentación del gráfico como los observados en la Figura 6.

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13. Observe los gráficos presión – volumen, presión – entropía, temperatura – volumen, temperatura – entalpía y temperatura – entropía disponibles en el grupo “Envelope Type”

Figura 5. Datos numéricos de Punto de burbuja de la corriente “Gas”

Figura 6. Diagrama Presión – Entalpía de la corriente “Gas”

4. PROPIEDADES CRITICAS DE UNA CORRIENTE Las propiedades críticas y seudocríticas de una mezcla son estimadas por HYSYS de acuerdo a la ecuación elegida en el paquete fluido. La opción “Critical Property” de la herramienta “Utilities” facilita dicha información para la corriente seleccionada 1. Haga doble clic sobre la corriente “Gas” que aparece en el PFD para desplegar su ventana de propiedades

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2. Repita los pasos 3 y 4 del inciso anterior (3) 3. En la ventana “Available Utilities”, seleccione la opción “Critical Property” y presione el botón “Add Utility”. Se desplegará la ventana que aparece en la Figura 7 y que despliega las propiedades críticas y seudocríticas de la corriente “Gas”

Figura 7. Propiedades críticas de la corriente “Gas”

5. TABLA DE PROPIEDADES DE UNA CORRIENTE La herramienta “Property Table” permite examinar las tendencias de una propiedad, dentro de un intervalo de condiciones, tanto en forma tabular como gráfica. Esta facilidad calcula variables dependientes para un intervalo o conjunto de valores de variable independiente especificada Una Tabla de Propiedades se añadirá a la corriente “Gas” desde el menú “Tools” con el siguiente procedimiento: 1. Utilice la tecla clave para abrir la ventana Available Utilities 2. Seleccione la opción “Property Table” y presione el botón “Add Utility”. Se desplegará una ventana como la que muestra la Figura 8. El botón “Select Stream” permite seleccionar la corriente a la que se le va a anexar la tabla de propiedades. En nuestro caso se omite, porque solo se tiene una corriente que aparece seleccionada 3. Seleccione la Temperatura como la primera Variable independiente 4. Cambie el límite inferior y superior a 0 y 100 ° C respectivamente. En el cuadro “# of increments” digite el numero 4 5. Seleccione la Presión como la segunda Variable independiente 6. Cambie al modo “State” 7. En la matriz “State Values” introduzca los valores 2500, 5000, 7500 y 9000 kPa

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8. Haga clic en la página “Dep. Prop” de la pestaña “Design”. Es posible escoger varias propiedades dependientes. Además, pueden ser propiedades globales o propiedades de fases diferentes 9. Presione el botón “Add” para desplegar la ventana “Variable Navigator”. Observe Figura 9

Figura 8. Ventana para la construcción de una Tabla de Propiedades

Figura 9. Navegador de variables

10. Seleccione la opción “Mass Density” a partir de la lista del grupo “Variable” y presione el botón “OK” 11. Seleccione la opción “Thermal Conductivity” y presione el botón “OK” 12. Presione el botón “Calculate” para calcular las propiedades densidad másica y conductividad térmica a presiones de 2500, 5000, 7500 y 9000 kPa manateniendo temperaturas constantes de 0, 25, 50, 75 y 100 °C

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13. Haga clic en la pestaña “Performance” para desplegar la ventana, Figura 10, donde se pueden seleccionar los datos calculados para visualizarlos tabulados numéricamente o gráficamente.

Figura 10. Tabla de propiedades

14. Haga clic sobre la página “Table” para desplegar los datos calculados en forma numérica y tabular. Observe Figura 11

Figura 11. Densidad y Conductividad térmica de la corriente “Gas”

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15. Haga clic en la página “Plots”, seleccione la propiedad “Mass Density” y presione el botón “View Plot” que se encuentra a la derecha. Las gráficas de los cálculos realizados se observan en la Figura 12.

Figura 12. Gráficas de densidad versus Presión para la corriente “Gas”

16. Cierre la gráfica anterior, seleccione la propiedad “Thermal Conductivity” y presione el botón “View Plot”. Las gráficas de los cálculos realizados se observan en la Figura 13. 6. DIMENSIONAMIENTO DE TUBERIA DE CORRIENTE Dentro de la herramienta “Utilities” se encuentra una opción denominada “Pipe Sizing” que estima el Régimen de Flujo de una corriente a las condiciones especificadas. Se calcula el diámetro máximo conociendo la caída de presión por unidad de longitud y viceversa y, adicionalmente, propiedades de flujo como velocidad, factor de fricción, viscosidad, etc. 1. Utilice la tecla clave para abrir la ventana Available Utilities 2. Seleccione la opción “Pipe Sizing” y presione el botón “Add Utility”. Se desplegará una ventana como la que muestra la Figura 14. El botón “Select Stream” permite seleccionar la corriente a la que se le va a anexar la tabla de propiedades. En nuestro caso se omite, porque solo se tiene una corriente que aparece seleccionada

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3. En el cuadro “Pressure Drop (kPa/m)” digite el valor 10. Observe que HYSYS ha calculado el diámetro máximo catálogo 40, seleccionados en los cuadros “Calculation Type” y “Schedule”

Figura 13. Conductividad Térmica versus Presión para la corriente “Gas”

Figura 14. Dimensionamiento de una tubería

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4. Haga clic en la pestaña “Performance” y observe el cálculo del Régimen de Flujo (Estratificado) de la corriente “Gas” a las condiciones especificadas que incluye propiedades de transporte (fases, viscosidad, densidad, flujo y densidad) y parámetros adicionales del régimen de flujo (Número de Reynolds y factor de fricción). Observe la Figura 15

Figura 15. Régimen de Flujo de la corriente “Gas”

7. CASOS DE ESTUDIO Utilizando el simulador HYSYS 1. Determine las propiedades críticas del benceno 2. Construya el diagrama P-T y P-H del amoníaco 3. Construya gráficos de densidad de una mezcla equimolar de metano y etano a presiones entre 2000 kPa y 9000 kPa a temperaturas de 30, 50 y 100 °C 4. Determine el régimen de flujo de una mezcla equimolar de acetona y agua a 40 °C, 110 kPa y un flujo de 100 kmol/h

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