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Simulación y diseño de procesos industriales por ordenador. 3. Base de datos.
TEMA 3. BASE DE DATOS DE CHEMCAD
1. INTRODUCCIÓN
La base de datos estándar de Chemcad contiene las propiedades de una serie de compuestos puros. Se puede acceder a todos ellos o limitar el acceso a ciertas clases de compuestos como alcoholes o aldehídos. Además de las propiedades físicas estándar, hay datos para los parámetros de interacción binaria para alrededor de 6000 pares de compuestos, para los modelos NRTL, UNIQUAC, Margules, Wilson, y Van Laar. Estos datos son accesibles directamente desde cualquier simulación. Además se pueden visualizar o imprimir datos individuales de compuestos o grupos de compuestos.
Los datos almacenados por el programa son sólo accesibles para su lectura o para su uso en una simulación, pero no pueden modificarse, aunque si pueden modificarse si se añaden como nuevos componentes por parte del usuario.
1.1. Acceso a la base de datos
Se accede desde el comando Thermophysical, seleccionando Databank. En el menú correspondiente se puede añadir nuevos componentes o editar las propiedades de los ya existentes.
La mayoría de los datos se refieren a ecuaciones de la “biblioteca” de Chemcad (accesible desde la ayuda del programa), aunque también se dan valores para otros métodos.
ViewEdit – Una vez seleccionado el componente, permite ver y, opcionalmente cambiar, los valores de distintas propiedades físicas y químicas.
2. BASE DE DATOS DE COMPONENTES
Chemcad contiene propiedades de 1743 compuestos puros. Además se incluyen alrededor de 6000 BIP’s para diversos modelos de coeficiente de actividad, a los que puede accederse directamente en cualquier simulación. Pueden visualizarse o imprimirse los datos de compuestos individuales o de grupos de componentes.
El acceso a Databank permite añadir nuevos componentes al banco de datos, o editar las propiedades de los compuestos ya existentes. Sólo pueden cambiarse directamente los valores referentes a compuestos añadidos por el usuario, y no los valores originales incluidos en Chemcad. Si se desea cambiar algún valor de éstos, se debe duplicar el compuesto y editarlo luego como componente definido por el usuario.
El comando View/edit permite, una vez seleccionado el componente, acceder a una lista de propiedades almacenadas en la base de datos.
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Sinónimos Fórmulas Clases Datos mínimos necesarios para todos los componentes Datos básicos Densidades Vps + HOVs (coeficientes y límites para las ecuaciones de presión de vapor y de calor de vaporización). Capacidad calorífica Viscosidad Conductividad térmica y tensión superficial Grupos Unifac Datos de electrolitos Otros datos
La correlación utilizada para la capacidad calorífica del gas ideal:
Cp = A + BT + CT^2 + DT^3 + ET^4 + FT^5 T en K Cp en cal/gmol.K
Mientras que para el resto de propiedades se hace referencia al tipo de ecuación mediante un código, cuya equivalencia se puede consultar en la ayuda del programa. A continuación se indican propiedades físicas que son calculadas por Chemcad a partir de diversas correlaciones en función de la temperatura. Se muestran también las unidades correspondientes a cada propiedad; la temperatura siempre se expresa en K:
Propiedad dependiente de la temperatura Unidades Solid density (kmol/m3) Liquid density (kmol/m3) Vapor pressure (Pa) Heat of vaporization (J/kmol) Solid heat capacity (J/kmol-K) Liquid heat capacity (J/kmol-K) Ideal gas heat capacity (J/kmol-K) Liquid viscosity (Pa-sec) Vapor viscosity (Pa-sec) Liquid thermal conductivity (W/m-K) Vapor thermal conductivity (W/m-K) Surface Tension (N/m)
Ecuación 100: Y = A + B·T + C·T^2 + D·T^3 + E·T^4 Se puede especificar cualquier número de coeficientes.
Ecuación 101: Y = exp(A + B/T + C·Ln(T) + D·TE^ ) Se han de especificar 2, 3, o 5 coeficientes.
Ecuación 102: Y = A·TB^ / (1 + C/T + D/T^2 ) Se han de especificar 2, 3, o 4 coeficientes.
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2.1.1. Definición de un componente puro (entrada mediante el teclado)
1. New component
2. Teclear el nombre del componente y presionar Ctrl + Enter
3. Seleccionar Minimum data e introducir los datos.
2.1.2. Definición de un pseudo-hidrocarburo
1. New Component. Introducir el nombre del componente, su punto de
ebullición normal y su densidad. El campo de “pseudocomponent” ha de contener un *. Presionar Ctrl + Enter.
2. Elegir la correlación para la estimación de la masa molecular.
3. Elegir el método para las propiedades críticas
4. Ctrl + Enter.
5. Utilizar el menú Edit Component para revisar los datos generados por el
programa y cambiar, si procede, los valores estimados por los datos experimentales.
2.1.3. Introducción de una curva de destilación. Comp/Distillation curve
Permite introducir la curva de destilación a partir de la que el programa establecerá fracciones que serán tratadas como componentes puros. La primera vez que se usa este comando, va conduciendo al usuario paso a paso. En los usos siguientes, proporciona un menú que permite la selección de cada comando individualmente. Para introducir una curva de destilación:
1. Definir los componentes puros de la forma habitual en que se hace al
construir los diagramas de flujo (thermophysical/component list). Si la curva se va usar en un problema en el que se usa vapor directo como agente de calefacción en la destilación, debe añadirse agua a la lista de componentes. Los hidrocarburos ligeros que constituyen la cola de ligeros de la curva también deben incluirse.
2. Activar el comando Distillation Curve. Se piden los números de identificación
de las corrientes a caracterizar. Si se introduce más de un número, posteriormente se podrá elegir la opción de “mezclar” las propiedades de ambas corrientes para crear un conjunto común de pseudocomponentes.
3. Seleccionar qué correlación se va a utilizar para estimar la masa molecular y
las propiedades críticas de los pseudocomponentes.
4. Indicar las temperaturas de corte para definir las fracciones y el número de
pseudo-componentes a definir en cada fracción.
5. Introducir las siguientes propiedades de la corriente global:
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Tipo de curva de destilación P Tipo de densidad especificada Densidad del material en bloque Unidades para el flujo total Caudal total Unidades de flujo para los componentes ligeros unidades para la curva de destilación
6. Introducción de los puntos de la curva.
7. La siguiente pantalla permite introducir una curva de densidad para la curva
completa. Si se ha introducido la densidad para el material en bloque, este dato es opcional. Sin embargo, si se dan ambos datos, el programa ajusta la curva de densidad para hacerla coincidir con la densidad global del material.
8. Aparece en pantalla un análisis de la cola de productos ligeros (sólo si en el
alimento hay agua o hidrocarburos ligeros)
9. Utilizar la opción Edit Curve Data para retroceder y cambiar, si procede,
algún dato de la curva.
10. Save, Exit: inicio de los cálculos.
Al finalizar el proceso, en la lista de componentes se habrán añadido los pseudo-componentes obtenidos a partir de la curva de destilación y en el cuadro de diálogo de la corriente correspondiente aparecerá también la concentración que les haya sido asignada por el programa.
2.2. Comandos adicionales
Edit BIP’s permite visualizar o introducir/modificar (para componentes añadidos por el usuario) BIP’s. Primero se selecciona el tipo de BIP’s a considerar y luego el par de componentes.
Pick Solids permite que el usuario escoja qué componentes deben ser tratados como sólidos. Para éstos se puede introducir la distribución de tamaño de partícula (PSD) para uno o más componentes que hayan sido definidos como sólidos con el comando Pick Solids. Cuando se ejecuta por primera vez, pide la selección de las corrientes para las que se va a especificar la PSD. A continuación se solicitan los datos de PSD para todos los componentes de cada corriente seleccionada que hubieran sido definidos como sólidos.
Se pueden importar propiedades físicas de un fichero o fuente externo, utilizando un formato de “fichero neutro”. El procedimiento está descrito en el manual de Chemcad.
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3.1.2. Métodos para el cálculo de la entalpía
Ecuaciones de estado Redlich-Kwong Soave-Redlich-Kwong Peng-Robinson API Soave-Redlich-Kwong Lee-Kesler
Métodos químicos Calor latente
Sistemas especiales Tabla de vapor No entalpía (sólo balance de materia)
Datos introducidos por el usuario Polinomio Tablas Datos de calor de solución Subrutina
3.1.3 Métodos para calcular la densidad Cavett API Librería Rackett
3.1.4. Métodos para calcular la densidad del vapor
Soave-Redlich-Kwong Peng-Robinson API Soave-Redlich-Kwong Lee-Kesler
3.1.5. Métodos para calcular la presión de vapor
Antoine Antoine extendido (DIPPR) API
3.1.6. Métodos para calcular la entropía
Redlich-Kwong Soave-Redlich-Kwong
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Peng-Robinson API Soave-Redlich-Kwong Lee-Kesler Tabla de vapor
3.1.7. Métodos para calcular la viscosidad
CIPPR Chapman y Enskog Neufeld Brokaw Thodos Wilkes Dean y Steil Letsou-Steil ASME para hidrocarburos
Las ecuaciones a aplicar en cada caso y las características principales de cada método pueden consultarse en la bibliografía o en la ayuda de Chemcad.
3.2. Guía para la selección de los métodos termodinámicos
Dado que no existe una única ecuación para describir el comportamiento del equilibrio entre fases para cualquier tipo de mezclas y con cualquier tipo de componentes, hay que recurrir a modelos parciales que sólo pueden aplicarse a clases específicas de mezclas y de componentes. Para obtener el mejor resultado en la simulación, es necesario seleccionar el mejor método para una aplicación dada.
3.2.1. Recomendaciones
La primera recomendación a la hora de seleccionar el modelo termodinámico, es preguntarse qué ocurre en la fase líquida, es decir, si se trata de una disolución ideal, regular, polar (altamente no ideal) o especial. En función de esto:
1. Soluciones ideales (sistemas donde el vapor es esencialmente ideal (baja
presión) y todas las moléculas de la fase líquida son virtualmente del mismo tamaño y no hay fuerzas de atracción intermolecular). Para estos sistemas se puede usar el modelo VAP (vapor ideal) para los valores de K y SRK para la entalpía. El equilibrio V-L se determina mediante la ley de Raoult :
Ki =VPi /P (VPi es la presión de vapor del componente i)
2. Soluciones regulares (la no idealidad procede de interacciones físicas
moderadas). Se modelizan mejor con ecuaciones de estado como PR, SRK,
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• También existe la posibilidad de
a) Introducir los coeficientes de un polinomio (dependiente de
T para calcular K y H.
b) Introducir tablas con valores de K y H, en las que el programa
interpola durante la simulación.
c) Utilizar subrutinas introducidas por el usuario.
3.2.2. Modelos para el cálculo de la entalpía y de la entropía
Salvo excepciones, Chemcad calcula la entalpía y la entropía de una de estas dos formas:
a) utilizando un método basado en una ecuación de estado
b) utilizando un método de calor latente
En el caso a), se calculan las entalpías reales del líquido, calculando las desviaciones de la entalpía del gas ideal. El método b) integra el término que incluye la capacidad calorífica del líquido y lo suma al calor latente y la integral de la capacidad calorífica del gas ideal.
El estado referencia para todas las entalpías es el calor de formación del líquido a 298.15ºC (a menos que se especifique otra cosa).
3.2.3. Recomendaciones
Hidrocarburos
- Soave-Redlich-Kwong P y T moderadas
- API Soave General HC P y T moderadas y altas
- Peng-Robinson P y T moderadas y altas
- Benedict-Webb-Ruben-Starling P y T moderadas y altas
- Grayson-Streed P y T moderadas
- Maxwell-Bonnell K-charts Presiones bajas, materiales pesados
- ESD Hidrocarburos-agua; hidrocarburo-gas
- SAFT Hidrocarburos-agua; hidrocarburo-gas
Mezclas generales de compuestos químicos
- UNIFAC T = 275K - 475K; P = 0-4 atm.; dos fases líquidas. No ideal; contribución de grupos; predictivo.
- Wilson Altamente no ideal.
- Vapor Pressure Soluciones ideales.
- NRTL Altamente no ideal y 2 fases líquidas.
- UNIQUAC Altamente no ideal y 2 fases líquidas.
- Margules Altamente no ideal y 2 fases líquidas. (4 sufijos)
- T. K. Wilson Altamente no ideal y 2 fases líquidas.
- Hiranuma (HRNM) Altamente no ideal y 2 fases líquidas.
- Regular Solution Moderadamente no ideal (Predictivo).
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- Van Laar Moderadamente no ideal.
- Modified SRK (4 parameter) Compuestos polares en soluciones regulares.
- Predictive SRK Compuestos polares en soluciones no ideales. Mejor que UNIFAC a P elevadas.
- Wilson SALT Soluciones no ideales con sales disueltas.
Técnicas especiales
- Ley de Henry Gases disueltos en agua
- Amine (MEA DEA) Gas sweetening
- Sour Water gases ácidos y NH 3 disueltos en agua
- K Tables Valores de K introducidos por el usuario
- Polynomial Valores de K introducidos por el usuario
- User-Added Subroutine Valores de K introducidos por el usuario
- TSRK sistemas con methanol; particularmente con gases ligeros.
- PPAQ General, aunque su principal aplicación es para sistemas con electrolitos.
- TEG Deshidratación de corrientes de hidrocarburos con trietilénglicol
- FLOR Método de Flory-Huggins para polímeros
- UPLM UNIFAC para polymers
- ACTX coeficientes de actividad especificados por el usuario
- ESD Puentes de hidrógeno. Puentes de hidrógeno a alta presión.
- SAFT Puentes de hidrógeno. Puentes de hidrógeno a alta presión.
Para la selección de los métodos de la entalpía se pueden tener en cuenta las siguientes recomendaciones:
Si el modelo para K es: Utilizar éste para la entalpía: PR PR BWRS BWRS SRK, APIS, MSRK, VAP SRK REGU, SOUR, TEG, TSRK SRK ESD, SAFT SRK Grayson-Streed, ESSO Lee-Kesler NRTL, UNIF, UNIQ, WILS, LATE VANL, MARG, HRNM, LATE T. K. Wilson, PSRK, FLOR, LATE UPLM, ACTX LATE AMIN AMIN PPAQ SRK or LATE w/HTSL
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R = 1.98721 cal/mol/deg K
Si se utilizan parámetros de otra procedencia distinta, se debe asegurar que se introducen en las unidades adecuadas.
De nuevo conviene recordar que la bondad de los resultados de la simulación dependerá fundamentalmente de la bondad de la predicción de los datos de equilibrio y por tanto es fundamental comprobar que los BIP (introducidos por el usuario o proporcionados por el sistema) son válidos mediante la comparación entre valores experimentales y calculados.
6. EL MENÚ DE HERRAMIENTAS
El menú de herramientas de Chemcad permite utilizar ciertos programas accesorios a la simulación de un cierto equipo (correlación de datos, informes medioambientales, cálculo de costes ...). A continuación se describen algunas de estas herramientas que son especialmente útiles.
6.1. Regresión de datos
Chemcad permite hacer regresiones para propiedades físicas de compuestos puros o para equilibrio entre fases. Los sistemas de equilibrio entre fases pueden ser L-L ó L-V y de hasta 4 componentes.
Además, también se hace regresión sobre datos generados por UNIFAC, para aquellos casos en que se necesite disponer de BIP’s para el sistema, pero no se disponga de datos experimentales para correlacionar. En este caso hay que tener en cuenta que:
1. Los datos para la regresión no los proporciona el usuario, sino el modelo
UNIFAC. Por tanto, constituyen sólo una estimación de los datos.
2. El modelo UNIFAC proporciona coeficientes de actividad estimados, no
composiciones. Luego Chemcad ajusta éstos en función de la ecuación seleccionada para ello.
El método utilizado es el del SIMPLEX flexible.
Los problemas de convergencia se pueden intentar seleccionar :
1. Expandiendo el área de búsqueda.
2. cambiando el punto de partida para la búsqueda.
3. Fijando uno de los parámetros.
4. Reduciendo la tolerancia en el cálculo.
5. Confirmando la región de datos de interés.
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Dentro del menú de herramientas se encuentra la posibilidad de correlacionar “datos puros” de ciertas propiedades físicas o “datos de equilibrio” para obtener los BIP’s correspondientes.
6.1.1. Regresión pura
Se puede hacer regresión para obtener los ,coeficientes de:
• Ec. de Antoine para la presión de vapor
• Presión de vapor mediante la correlación de la “librería” de Chemcad.
• Calor de vaporización
• Densidad del líquido
• Capacidad calorífica del líquido
• viscosidad del líquido
• Conductividad térmica del líquido
• Tensión superficial del líquido
• Capacidad calorífica del gas ideal
• Viscosidad del vapor
• Conductividad térmica del gas ideal
El procedimiento:
1. Añadir un nuevo componente a la base de datos
2. Seleccionar la propiedad sobre la que se va a hacer regresión
3. Seleccionar el compuesto en la lista de componentes
4. Completar las estimaciones iniciales
5. Introducir los datos experimentales
6. Ctrl + Enter: comienza el cálculo
7. Si hay un mensaje de convergencia, tomar los coeficientes de la regresión y
añadirlos al banco de datos
6.1.2. Regresión de datos de equilibrio para la obtención de BIP’s
a) Regresión a partir de VLE UNIFAC Se obtienen BIP’s para algún modelo cuando no se dispone de datos experimentales.
b) Regresión a partir de datos VLE TPXY Se introducen los datos de composición de la fase líquida (xi ) y de la fase vapor (y (^) i ).
c) Regresión de datos VLE TPX
Se introducen datos de P, T y xi.
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6.2. Otras herramientas
- Predicción del equilibrio sólido-gas en sistemas conteniendo CO 2.
- Predicción de las condiciones de formación de hidratos a partir de hidrocarburos y gases relacionados.
- Realización de balances rigurosos de materia y energía dependientes del tiempo para analizar el funcionamiento de sistemas de válvulas en condiciones de emergencia.
- TOC/COD: Permite calcular el carbono orgánico total y la demanda química de oxígeno de las corrientes del proceso.
- Regresión de datos de electrolitos
- Regresiones de datos en reactores discontinuos
- Herramienta para conversión de unidades.
- Cálculo del coste de equipos.
- Obtención de informes medioambientales (ejecución del algoritmo WAR de reducción de residuos).
- Calculadora
- Hojas de especificaciones para los equipos.
BIBLIOGRAFÍA
Manual del programa. Disponible en la ayuda en línea de CHEMCAD
