Cc29 HYSCRY

I Encuentro Universitario sobre Simulación de Procesos
Julio 2001, Valencia

MODELIZACION Y SIMULACIÓN DE PLANTAS CRIOGENICAS DE
SEPARACION DE AIRE CON HYSYS
Pedro Luis Clavería Vila, Miguel Angel Lozano Serrano y Andrés Hombrados Sánchez
Area de Máquinas y Motores Térmicos - Departamento de Ingeniería Mecánica
Centro Politécnico Superior - Universidad de Zaragoza
María de Luna 3, 50015 Zaragoza(España)
Tel.: 976-762039 Fax: 976-761861 E-mail: mlozano@posta.unizar.es

Resumen
Los modelos matemáticos y la simulación por computadora son indispensables en el análisis y
diseño de plantas químicas en las que se desarrollan procesos complejos. En este articulo se
presenta la modelización y simulación, en estado estacionario, de una planta criogénica de
separación de aire con el simulador deprocesos HYSYS, para lo cual se han elaborado modelos
específicos de equipos especiales (compresores multietapa, intercambiadores multiflujo, columnas
de destilación criogénica, etc.) que facilitan el estudio de configuraciones alternativas de la planta
de separación de aire y favorecen la implantación de diferentes estrategias de operación. Se ha
realizado un análisis exergético del proceso paraestudiar las posibilidades de ahorro energético del
proceso simulado.
Palabras clave: separación de aire, modelización, simulación, análisis exergético, criogenia.

Introducción
La industria de producción de gases industriales (oxígeno, nitrógeno, argón, etc.) a partir del
aire es una actividad de enorme importancia económica. Las plantas criogénicas de separación
del aire han servido bien a estaindustria durante el siglo XX. Ahora sufren la competencia de
otras tecnologías en determinados segmentos de mercado pero también existen nuevas
oportunidades para su desarrollo formando parte de ciertos complejos industriales
(petroquímicas, centrales eléctricas IGCC, etc.).
El aire es una mezcla de gases formada mayoritariamente por nitrógeno y oxigeno. También
contiene pequeñas cantidades deargón, trazas de otros gases (CO2, Ne, He,...) y una cantidad
variable de vapor de agua. Aunque hoy día se emplean distintas tecnologías para separar el
aire en sus componentes las grandes plantas comerciales siguen utilizando el proceso
tradicional de destilación criogénica. Tanto el agua como el CO2 se eliminan en una fase
previa al proceso de separación de aire. El proceso más sencillo de estatecnología es el de
Linde con columna simple que fue utilizado por primera vez en 1902. Actualmente, las
grandes compañías productoras (AIR LIQUIDE, AIR PRODUCTS, BOC, LINDE,
PRAXAIR,...) emplean una gran variedad de procesos más complejos según sean los gases
que se desean producir (O2, N2, Ar), el grado de pureza de los mismos (90%; 99%; 99,9%;
99,99%) y su fase (liquido, gas). La mayor parte deestos procesos utilizan la columna doble
de Linde.
Las plantas criogénicas de separación de aire presentan varias dificultades en su modelización
y simulación, lo que representa un atractivo desafío para los ingenieros de diseño; estando
caracterizadas por: (1) complejos diagramas de flujo, con presiones, temperaturas y
composiciones químicas muy diferentes, (2) fuertes interacciones entre susequipos, tanto de
tipo térmico como mecánico y químico, (3) intercambios de calor y masa con pequeños
gradientes de temperatura, presión y potencial químico, (4) modos de operación muy
estrictos, (5) producción multiproducto con requerimientos de pureza muy elevados.

NITRÓGENO

AIRE

(a)

OXÍGENO

AIRE

ASP

ASP
NITRÓGENO

(b)

NITRÓGENO

AIRE

AIRE
ASP
(c)

ARGÓN
ASP

OXÍGENO

(d)

OXÍGENO

Fig. 1.Diferentes tipos de producción de ASP.

Las dificultades indicadas son a su vez la oportunidad de optimización de la planta, ya que
una pequeña modificación de su estructura puede proporcionar una substancial mejora de la
eficiencia global del proceso de producción. El análisis de los resultados de la simulación
puede aportar información importante sobre el proceso, la cual no podría obtenerse de...