Mono02 criogenetica

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, 50015Zaragoza (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 simuladorde procesos 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 procesopara estudiar 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 aesta industria 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 cantidadesde argón, 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 deesta tecnología 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 partede estos 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.

AIRE ASP (a)

NITRÓGENO

AIRE ASP

OXÍGENO

NITRÓGENO

(b)

NITRÓGENO ARGÓN ASP

AIRE ASP (c) OXÍGENO

AIRE(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,...