SIMULACION

1. UNIVERSIDAD DE AQUINO BOLIVIA
FACULTAD DE TECNOLOGIA
Facultad de Ingeniería
Ingeniería en Gas y Petróleo
ASIGNATURA: MAT -502
SIMULACIÓN Y MODELOS
Cochabamba – Bolivia
2021

2. CAPITULO I
UNIDAD I “INTRODUCCIÓN Y CONCEPTUALIZACIÓN”
TEMA I: INTRODUCCIÓN
1. INTRODUCCIÓN
El desarrollo de modelos de balances de materia y energía es la base para la evaluación de procesos
y la toma de decisiones en el diseño de nuevas plantas o modificaciones de las ya existentes. El
modelo del diagrama de flujo comprende un conjunto grande de ecuaciones no lineales que
describen:
1. Las condiciones de las unidades del proceso mediante corrientes de proceso.
2. Las ecuaciones específicas de cada unidad (leyes de conservación y ecuaciones de diseño
específicas).
3. Los datos y relaciones de éstos con las propiedades físicas de las sustancias procesadas
Los modelos detallados se basan en relaciones de equilibrio entre fases (para lo cual se repasarán
algunos conceptos termodinámicos) y balances de materia y energía.
Los cálculos en los simuladores comerciales se simplifican bastante al no incluir en muchos casos las
propiedades de transporte. Es decir, se aprovecha la posibilidad de llevar a cabo los balances de
materia y energía sin conocer la capacidad o geometría de las unidades. Esto implica que para llevar
a cabo una estimación económica del proceso, tras la simulación se tiene que llevar a cabo un diseño
de las unidades, que incluya su dimensionado y estimación de coste. Los simuladores comerciales
tienen esta opción disponible, habitualmente como un paquete informático adicional, al que se
pueden incorporar los datos obtenidos en la simulación.
Una vez que se tienen las ideas de simulación de procesos y de la estructura de los modelos de
proceso, se va a considerar un aspecto clave en diseño de procesos. El objetivo de muchas
simulaciones en Ingeniería es el desarrollo de un modelo predictivo que se pueda usar en mejorar el
proceso. Con esta idea se verán las estrategias de optimización para procesos químicos con
variables continuas.
TEMA II: CONCEPTOS GENERALES
LA SIMULACIÓN DE PROCESOS EN LA INDUSTRIA QUÍMICA ACTUAL
En un proceso químico, la transformación de materias primas en los productos deseados
habitualmente conlleva más de una etapa. El proceso suele constar de una serie de etapas de
transformación intermedias que involucran, por ejemplo, reacción, separación, mezcla, calentamiento,
enfriamiento, cambio de presión, reducción o aumento del tamaño de partícula, etc. Una vez que se
han seleccionado las etapas individuales, es necesario interconectarlas para llevar a cabo la
transformación global.

3. Figura 1. Esquema genérico del diseño de un proceso químico.
El diseño de un proceso involucra una descripción abstracta de lo que se quiere, y otra descripción
más detallada (esto es, más refinada) en cada una de las etapas del diseño, construcción y operación
del proceso. Por ejemplo, la dirección de la empresa desea mejorar el valor futuro de la empresa, lo
que constituye la descripción abstracta de sus deseos. En consecuencia genera y selecciona entre
las alternativas posibles a llevar a cabo en la empresa para lograr este fin; esto representa una
descripción más detallada de lo que se quiere llevar a cabo. Esta descripción se transforma en la
descripción abstracta para aquellos que trabajan en las siguientes etapas del diseño. Por ejemplo, en
el diseño preliminar del proceso, la descripción abstracta podría ser convertir el exceso de etileno de
la planta en alcohol etílico. La descripción más detallada será el diseño preliminar necesario para
llevar a cabo este fin.

4. MODELIZACIÓN EN PROCESOS QUÍMICOS
Es sabido que el procedimiento metodológico fundamental para resolver un problema en ingeniería
consiste en representarlo de una manera adecuada, para lograr una sustitución del sistema real
(equipo, proceso, etc.) por uno más adecuado para su tratamiento formal. Por lo general, las
herramientas lógico-matemáticas nos brindan un marco útil para representar mediante un sistema de
símbolos y reglas, el comportamiento de los sistemas reales.
Bajo el método científico, por ejemplo, se consolidan leyes y teorías en diversas ramas del
conocimiento, las cuales son expresables por medio de sistemas de ecuaciones diferenciales. En
otras palabras, se logra construir un nuevo sistema, del cual conocemos sus reglas de juego y
símbolos, como un resultado de un proceso de abstracción de la realidad. Obviamente, dado la
infinita complejidad de los fenómenos fisicoquímicos, estas construcciones abstractas, conocidas
genéricamente como modelos, son sólo meras aproximaciones de la realidad. En efecto, no es otra
cosa lo que se realiza cuando en física utilizamos ecuaciones para describir el movimiento de una
partícula, o resolvemos los balances correspondientes aplicando las leyes de conservación de la
materia, energía o cantidad de movimiento; o bien cuando nos enfrentamos al diseño de un equipo
según los procedimientos que conocemos a partir del campo de las operaciones unitarias.
De aquí se desprende que si bien el sistema real a estudiar es único, puede existir un número muy
grande de modelos asociados al mismo. En efecto, para obtener un modelo que pueda resolverse (es
decir que sea útil), resulta necesario adoptar un conjunto de hipótesis. Por ejemplo, si consideramos
la fricción, si es importante o no contemplar el intercambio de energía por radiación, etc. Las
necesidades de exactitud que el problema a resolver nos impone, determinan el conjunto de hipótesis
a utilizar. En resumen, dado el sistema real y los objetivos tecnológicos perseguidos, existirá un
conjunto de hipótesis adecuadas que determinarán las características del modelo, o sistema de
ecuaciones a resolver. Resulta evidente que no todo sistema de ecuaciones puede resolverse
fácilmente, al menos desde el punto de vista analítico. Esto impuso a lo largo de la historia
limitaciones importantes al tipo de modelos que podían resolverse, o de otra forma, la necesidad de
recurrir a hipótesis inadecuadas o restrictivas (supersimplificaciones) para al menos poder tratar el
problema. Es por ello también que en los orígenes de las ciencias tecnológicas los modelos podían
ser considerados en gran medida como empíricos, esto es, con parámetros incorporados que surgían
de experiencias, y no a partir de los primeros principios o leyes fundamentales. No debe extrañar que
aún hoy, pese a todos nuestros avances, exista la necesidad de utilizar permanentemente parámetros
en nuestros modelos, que no son otra cosa que la medida de nuestra ignorancia, y por lo tanto,
implican la necesidad de reemplazar las leyes básicas por aproximaciones causales obtenidas de
datos experimentales. Este es el caso, por ejemplo, de la estimación de las propiedades de equilibrio
de mezclas de comportamiento altamente no ideal.
A medida que evolucionaron las diversas ramas de las matemáticas y con la incorporación de la
ciencia de la computación, poderosa herramienta complementaria al análisis numérico y simbólico, se
abrieron caminos revolucionarios. Contar con herramientas más potentes para resolver sistemas de
ecuaciones, o lo que es lo mismo, relativizar la necesidad de adoptar hipótesis inadecuadas al
plantear modelos para resolver problemas complejos, resultó un gran paso adelante.

5. TEMA III: MODELOS DE PREDICCIÓN DE PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS
MODELOS DE ECUACIONES DE ESTADO
Los procedimientos de diseño del equipo para las operaciones de separación requieren el
conocimiento de entalpías y densidades, además de las relaciones de equilibrio entre fases. La
termodinámica clásica proporciona un medio de obtener todas estas magnitudes a partir de las
relaciones P-v-T, que se conocen como ecuaciones de estado. Si bien se han propuesto un gran
número de ecuaciones de estado, la mayoría para la fase vapor, relativamente pocas resultan
adecuadas para los cálculos prácticos de diseño. Algunas de éstas se indican en la Tabla 1.
Todas las ecuaciones de estado se pueden aplicar a mezclas utilizando reglas de mezcla para
combinar constantes de las especies puras.
Tabla 1.Ecuaciones de estado de mayor utilidad en cálculos de ingeniería química.
La ecuación del gas ideal se utiliza ampliamente, tanto para gases puros como para mezclas
gaseosas. Cuando cada una de las especies de una mezcla, así como la mezcla misma, sigue la ley
de los gases ideales, se cumplen la ley de Dalton de la aditividad de las presiones parciales y la ley
de Amagat de la aditividad de los volúmenes de las especies puras. La ecuación de mezcla en
función de la densidad molar, ρ/M, es:
La ecuación de estado generalizada define el factor de compresibilidad, Z, el cual es función de la
temperatura absoluta reducida Tr = T/Tc, de la presión absoluta reducida Pr = P/Pc y del factor de

6. compresibilidad crítica, Zr, o del factor acéntrico, el cual se determina a partir de datos experimentales
P-v-T. El factor acéntrico, introducido por Pitzer y col., tiene en cuenta las diferencias de forma
molecular y se determina a partir de la curva de presión de vapor:
Esta definición conduce a un valor de ω prácticamente igual a cero para moléculas de simetría
esférica (gases nobles, por ejemplo). Algunos valores típicos de ω son 0, 0.263, 0.489 y 0.644, para
metano, tolueno, n-decano y alcohol etílico, respectivamente.
En 1949, Redlich y Kwong publicaron una ecuación de estado que, como la de van der Waals,
solamente tiene dos constantes que pueden determinarse directamente a partir de la temperatura y
presión críticas. Además, la ecuación R-K tiene una exactitud comparable a otras ecuaciones más
complejas y es capaz de aproximar la región líquida. La ecuación de van der Waals falla
considerablemente en este aspecto. Sin embargo, la ecuación R-K presenta la desventaja de que su
aplicabilidad se restringe a sistemas que no se desvíen mucho de la idealidad.
Cuando la ecuación R-K se aplica a mezclas, se utiliza la expresión indicada en la Tabla 1, o bien se
transforma y combina con la ecuación de estado generalizada para llegar a la ecuación siguiente:
La resolución analítica de esta ecuación lleva a la obtención de tres raíces. En general, para
temperaturas supercríticas, donde solo existe una fase, se obtiene una raíz real y dos raíces
complejas. Por debajo de la temperatura crítica, donde pueden coexistir una fase líquida y una vapor,
se obtienen tres raíces reales, correspondiendo el mayor valor de Z (mayor v) a la fase vapor (ZV), y
el menor valor de Z (menor v) a la fase líquida (ZL). El valor intermedio no tiene uso práctico.
Para aplicar la ecuación R-K a mezclas, se necesitan reglas de mezcla para obtener los valores
medios de las constantes A y B para cada componente en la mezcla:

7. La principal dificultad de la ecuación R-K es su incapacidad para predecir con exactitud la presión de
vapor. Tomando como base el trabajo realizado por Wilson, Soave adicionó un tercer parámetro, el
factor acéntrico de Pitzer, a la ecuación R-K y obtuvo una concordancia casi exacta con los datos de
presión de vapor de hidrocarburos puros, al mismo tiempo que mejoraba la capacidad de la ecuación
para predecir propiedades de la fase líquida. Esta ecuación de estado fue aceptada de inmediato
para su aplicación a mezclas conteniendo hidrocarburos y/o gases ligeros, debido a su simplicidad y
precisión.
La modificación de Soave de la ecuación R-K, denominada ecuación de estado S-R-K (o R-K- S), es
la siguiente:
Cuatro años después de la publicación de la ecuación S-R-K, Peng y Robinson presentaron una
modificación adicional a las ecuaciones de estado R-K y S-R-K, en un intento de mejorar el ajuste a
los valores experimentales en la región crítica y para volúmenes molares de líquidos. En la Tabla 2 se
muestra esta ecuación de estado junto a la S-R-K.

8. Las principales características de la ecuación P-R se indican a continuación:
• Intervalo más amplio de condiciones de operación
• Mayor número de componentes, tanto hidrocarburos como no hidrocarburos.
• En reglas de mezcla emplea coeficientes de interacción binarios (kij), obtenidos de datos
experimentales.
• Genera, al igual que la ecuación S-R-K, todos los valores de las propiedades termodinámicas y
datos de equilibrio directamente.
• No se puede emplear con mezclas líquidas no ideales de compuestos polares.
S-R-K P-R
Tabla 2.Comparación entre las ecuaciones de estado S-R-K y P-R
MODELOS DE COEFICIENTES DE ACTIVIDAD
Los coeficientes de actividad pueden calcularse experimentalmente cuando se conoce el equilibrio
vapor-líquido. Pero habitualmente lo que se pretende es predecir dicho equilibrio, sobre todo para
sistemas multicomponentes, por medio de los coeficientes de actividad.
Existen diferentes métodos o correlaciones basados en la energía libre de Gibbs en exceso con la
cual se pueden obtener los coeficientes de actividad. Estas correlaciones expresan la influencia de la
composición y de la temperatura en los coeficientes de actividad. La influencia de la presión sólo se
hace efectiva cuando se opera a presiones elevadas, circunstancia que impide el empleo de estos
modelos termodinámicos para la determinación del equilibrio a presiones elevadas.

9. Inicialmente se emplearon las ecuaciones de Van Laar y de Margules, descritas en trabajos y libros
de Termodinámica, las cuales son correlaciones puramente empíricas que dan buenas descripciones
del equilibrio vapor-líquido de mezclas binarias. En el caso de mezclas multicomponentes, se requiere
un mayor número de parámetros, con lo que su complejidad aumenta sin conseguir mejoras
apreciables con respecto a otras correlaciones.
Las ecuaciones que mejores ajustes presentan para mezclas multicomponentes, sin aumentar el
número de parámetros requerido, son cuatro: Scatchard-Hildebrand, que se basa en el concepto de
disoluciones regulares y sólo requiere propiedades de los componentes puros; y Wilson, NRTL y
UNIQUAC, que se basan en la existencia de interacciones entre las distintas moléculas de las que
consta la mezcla. Estas, al igual que las ecuaciones de Van Laar y de Margules, derivan de las
energías libres de Gibbs en exceso necesitando, al menos un dato experimental de equilibrio líquido-
vapor, para determinar los parámetros binarios de interacción.
Por otra parte, la ecuación de Scatchard-Hildebrand también puede resultar de utilidad para sistemas
en los que no se dispone de datos experimentales. En este sentido, sin embargo, se emplean más las
correlaciones basadas en contribuciones de grupos, como UNIFAC y ASOG.
TEMA IV: MÉTODOS DE PROPIEDADES IMPLEMENTADOS EN HYSYS
4.1 ECUACIONES DE ESTADO
HYSYS ofrece actualmente la ecuación de estado mejorada de Peng-Robinson (PR), y la de Soave-
Redlich-Kwong (SRK). Además, ofrece varios métodos que son modificaciones de éstas, tales como
Zudkevitch-Joffe (ZJ) y Kabadi-Danner (KD). Lee-Kesler-Plocker (LKP) es una adaptación de la
ecuación para mezclas de Lee-Kesler, que a su vez es una modificación de la ecuación Benedit-
Webb-Rubin (BWR). De éstas, la de Peng-Robinson es la que presenta un intervalo mayor de
aplicación y una mayor variedad de sistemas a los que es aplicable. Las ecuaciones de estado de
Peng-Robinson y Soave-Redlich-Kwong proporcionan directamente todas las propiedades
termodinámicas y de equilibrio requeridas. Aunque las formas de estas ecuaciones son comunes a
otros simuladores comerciales, han sido mejoradas significativamente por Hyprotech para extender
su intervalo de aplicabilidad.
PR y SRK
Los métodos PR y SRK contienen parámetros de interacción binaria mejorados para todos los pares
hidrocarburo-hidrocarburo, así como para la mayoría de sistemas binarios hidrocarburono
hidrocarburo.
Para los componentes no presentes en la base de datos de HYSYS o para pseudocomponentes de la
clase hidrocarburo, los parámetros de interacción HC-CH se generan automáticamente para mejorar
las predicciones del equilibrio L-V.
La ecuación PR aplica un tratamiento especial en los parámetros de interacción de ciertos
componentes como He, N2, H2, CO2, H2S, H2O,CH3OH, EG y TEG.
Kabadi-Danner (KD)

10. Este modelo es una modificación de la ecuación original SRK, modificada para mejorar el equilibrio L-
V de los sistemas H2O-hidrocarburo, particularmente en la región diluida. La modificación está
basada en una regla de mezcla asimétrica, donde la interacción en la fase acuosa (con fuerte
presencia de puentes de hidrógeno) se calcula basada tanto en la interacción entre los hidrocarburos
y el agua, como en la perturbación provocada por el hidrocarburo en la interacción H2O-H2O.
Lee-Kesler-Plöcker (LKP)
Esta ecuación es un método general exacto para las sustancias no polares y para las mezclas.
Plöcker aplicó la ecuación de Lee-Kesler a las mezclas, desarrollando reglas de mezclas para las
propiedades pseudocríticas.
Peng-Robinson Stryjek-Vera (PRSV)
Es una doble modificación de la ecuación de estado PR, que extiende su aplicabilidad a sistemas
moderadamente no ideales. Se ha demostrado que reproduce las curvas de presión de vapor de
componentes puros y mezclas de forma más exacta que el método de PR, especialmente a bajas
presiones de vapor.
Se ha extendido satisfactoriamente para manejar sistemas no ideales, dando resultados tan buenos
como los obtenidos usando funciones de energía de Gibbs en exceso, tales como Wilson, NRTL o
UNIQUAC.
Una de las modificaciones de la ecuación de PR introducidas por Stryjek-Vera es la expansión del
término α que se transforma en una función del factor acéntrico y de un parámetro empírico κ usado
para ajustar las presiones de vapor de los componentes puros. Para los pseudocomponentes
generados para representar las fracciones de petróleo, HYSYS regresiona automáticamente este
término para cada pseudocomponente frente a las curvas de presión de vapor de Lee-Kesler. La
segunda modificación consiste en un nuevo conjunto de reglas de mezcla. De las dos reglas de
mezcla propuestas en el artículo original, HYSYS solamente ha incorporado la expresión de Margules
para el término cruzado.
Aunque solamente se han ajustado en HYSYS un número limitado de pares binarios, la experiencia
aunque limitada sugiere que PRSV se puede emplear como modelo para sistemas moderadamente
no ideales, tales como los sistemas agua-alcohol, y algunos sistemas hidrocarburo-alcohol. También
se puede emplear para sistemas de hidrocarburos con buena exactitud.
Opciones de aguas ácidas
La opción de aguas ácidas está disponible para las ecuaciones de estado PR y SRK. La opción Sour
PR combina la ecuación de estado PR con el modelo API Sour de Wilson para el manejo de sistemas
de aguas ácidas, mientras que el Sour SRK utiliza la ecuación SRK con el modelo de Wilson.
Las opciones Sour emplean la ecuación de estado correspondiente para calcular las fugacidades de
las fases liquida y vapor de hidrocarburos, así como la entalpía para las tres fases. Los valores de la
constante de equilibrio para la fase acuosa se calcula con el método API Sour de Wilson que toma en
consideración la ionización en la fase acuosa del H2S, CO2 y NH3. El modelo original es aplicable
para temperaturas entre 20 ºC y 140 ºC, y hasta presiones de 50 psi. El empleo de las ecuaciones de
estado PR o SRK para corregir la no idealidad de la fase vapor extiende su intervalo de aplicación,

11. pero debido a la falta de datos experimentales, no se puede fijar un intervalo exacto. El intervalo de
presión aceptable para el modelo empleado en HYSYS depende de la concentración de gases ácidos
y agua, pero funciona bien para presiones parciales de agua menores de 100 psi. Esta opción se
puede emplear en desorbedores de aguas ácidas, procesos de hidrotratamiento, columnas de crudo,
o cualquier proceso que contenga hidrocarburos, gases ácidos y agua.
Cálculo de la entalpía con modelos de ecuaciones de estado
Con cualquiera de los modelos de ecuaciones de estado, excepto LKP se puede especificar si la
entalpía se calcula mediante la ecuación de estado correspondiente o bien se hace a través del
método de Lee-Kesler.
La opción de cálculo de entalpía mediante la ecuación de Lee-Kesler, resulta en um modelo
combinado en el que los valores del equilibrio L-V se hacen mediante la ecuación de estado
correspondiente, mientras que los cálculos de entalpías y entropías se hacen mediante la ecuación
de Lee-Kesler.
Las entalpías calculadas mediante la ecuación de Lee-Kesler pueden ser ligeramente más exactas
para los hidrocarburos pesados, pero requieren más recursos computacionales debido a que se tiene
que emplear un método separado.
4.2 MODELOS DE ACTIVIDAD
Aunque las ecuaciones de estado han demostrado ser muy fiables en la predicción de las
propiedades de los sistemas constituidos por hidrocarburos en un amplio intervalo de condiciones de
operación, su aplicación ha quedado limitada a los componentes no polares o ligeramente polares.
Los sistemas químicos polares o no ideales tradicionalmente se han tratado con modelos duales. En
estos modelos se emplea una ecuación de estado para predecir los coeficientes de fugacidad de la
fase vapor, y un modelo de coeficientes de actividad para la fase líquida. Aunque se ha hecho un
esfuerzo considerable para extender las ecuaciones de estado a este tipo de sistemas (por ejemplo,
PRSV), la predicción de las propiedades en sistemas químicos está dominada principalmente por los
modelos de actividad.
Los modelos de actividad son de naturaleza mucho más empírica que los modelos de ecuaciones de
estado. Por ejemplo, no se pueden usar de una forma tan fiable como las ecuaciones de estado para
aplicaciones generalizadas o para extrapolar fuera de las condiciones ensayadas.
En la siguiente Tabla se resume los modelos recomendados para diferentes aplicaciones.

12. La no idealidad de la fase vapor se puede tener en cuenta para cada modelo de actividad
seleccionando las ecuaciones de estado de Redlich-Kwong, PR, o SRK como modelo para la fase
vapor. Cuando se usa alguna de estas ecuaciones de estado para la fase vapor, siempre se corrige la
fase líquida con el factor de Poynting. Si se produce dimerización en la fase vapor, se debería
emplear la ecuación de Virial como ecuación de estado.
Hay que tener en cuenta, que todos los parámetros binarios de interacción en la base de datos de
HYSYS están obtenidos usando el modelo de gas ideal para la fase vapor, por lo que debería
emplearse este modelo.
Observaciones generales
Estos modelos duales no se pueden emplear con el mismo grado de flexibilidad y fiabilidad con que
las ecuaciones de estado se pueden emplear en sistemas de hidrocarburos. Para asegurar un buen
nivel de fiabilidad, se debe tener en cuenta algunas observaciones:
• Comprobar que el modelo seleccionado es aplicable al sistema considerado, y comprobar que tal
ajusta las presiones de vapor de los componentes puros. Aunque las presiones de vapor de los
componentes puros normalmente ajustan de manera aceptable, los parámetros se han ajustado en
un intervalo amplio de temperaturas. Se puede mejorar la exactitud ajustando los parámetros en el
intervalo de temperatura deseado.
• La generación automática de parámetros de interacción mediante UNIFAC es una herramienta muy
útil y disponible para todos los modelos de actividad. Sin embargo, se debe usar con precaución. Los
valores estándar ajustados en HYSYS producen resultados mucho mejores en los sistemas binarios
que los parámetros generados por UNIFAC.
• Siempre que sea posible se deben usar parámetros de interacción obtenidos por regresión de datos
experimentales. Los parámetros de interacción en HYSYS se han obtenido ajustando datos
experimentales, sin embargo, es posible mejorar los resultados ajustando los parámetros con datos

13. experimentales en el intervalo de operación esperado. Dado que los datos de parámetros de
interacción presentes en HYSYS se han obtenido a partir de datos a presión atmosférica, se debe
tener precaución al extrapolar a presiones más altas o bajas.
• Hay que comprobar la exactitud de las predicciones (tanto en cuanto a temperatura como
composición) en el caso de sistemas con azeótropos.
• Si se sospecha la presencia de tres fases, se podrían requerir ajustes adicionales para reproducir de
forma fiable las condiciones de equilibrio LLV.
4.2.1 MODELOS DE ACTIVIDAD DISPONIBLES EN HYSYS
Margules
Las ecuación de Margules fue la primera representación desarrollada para la energía en exceso de
Gibbs, y no tiene ninguna base teórica, aunque es útil para estimaciones rápidas y para interpolación
de datos. HYSYS dispone de la ecuación de Margules extendida a sistemas multicomponentes con
hasta 4 parámetros ajustables por par binario (dos independientes de la temperatura, y otros
dependientes).
Van Laar
La ecuación de Van Laar fue la primera representación de la energía en exceso de Gibbs con
significado físico. La ecuación implementada en HYSYS es una versión modificada por Null, que es
bastante útil en muchos sistemas, particularmente para el equilibrio de distribución LL. Se puede usar
para sistemas con desviaciones positivas y negativas de la ley de Raoult, sin embargo, no permite
predecir máximos o mínimos en el coeficiente de actividad. Por tanto, no va bien en sistemas con
hidrocarburos halogenados y alcoholes. Tiene tendencia predecir dos fases líquidas, cuando en
realidad no existen.
Wilson
La experiencia demuestra que la ecuación de Wilson se puede emplear para extrapolar con razonable
fiabilidad a otras condiciones de operación empleando los mismos parámetros de interacción.
También representa satisfactoriamente casi todos las disoluciones liquidas no ideales, excepto
electrolitos y disoluciones con miscibilidad limitada. Por tanto, no se puede emplear en problemas que
involucren equilibrio L-L. Predice bastante bien los equilibrios ternarios usando parámetros ajustados
a partir de datos binarios.
La ecuación implementada en HYSYS contiene de 2 a 4 parámetros por par binario. Hay que tener en
cuenta que aún poniendo los 4 parámetros a cero no se reduce el par binario a una disolución ideal,
ya que mantiene un pequeño efecto debido a la diferencias de tamaño de las moléculas.
NRTL
Esta ecuación es una extensión de la ecuación de Wilson, que es capaz de representar los equilibrios
L-V, L-L y L-L-V. Como la ecuación de Wilson es termodinámicamente consistente y se puede aplicar
a sistemas ternarios o de orden superior usando parámetros ajustados a partir de datos de equilibrio
binarios. Contiene 5 parámetros por cada par binario (independientes y dependientes de la
temperatura). Debido a su estructura matemática puede producir intervalos falsos de miscibilidad.

14. Extended and General NRTL
Son variaciones del modelo NRTL, que emplean más parámetros binarios de interacción. Se aplican
a sistemas:
• Con un amplio intervalo de puntos de ebullición entre sus componentes.
• Cuando se necesite la solución simultánea de los equilibrios L-V y L-L, y exista entre los
componentes un amplio intervalo de puntos de ebullición o de concentración.
UNIQUAC
Es capaz de representar los equilibrios L-V, L-L y L-L-V con exactitud comparable a la ecuación
NRTL, pero sin necesidad del parámetro de aleatoriedad. Su principal ventaja es que se puede
obtener una buena representación de los equilibrios L-V y L-L para una amplia variedad de mezclas
de no electrolitos usando sólo dos parámetros por par binario. Parámetros que presentan muy poca
dependencia con la temperatura, lo que la hace más válida para extrapolaciones.
Chien-Null
En realidad no se trata de un nuevo modelo, sino de un marco para aplicar los modelos de actividad
existentes de un forma binario por binario. De esta forma, el modelo de Chien-Null permite
seleccionar para cada par binario el modelo de actividad que mejor se ajuste, independientemente de
los empleados en el resto de pares binarios.
Una precaución a tener con los modelos de Wilson, NRTL y UNIQUAC son las dimensiones de los
parámetros de interacción (cal/mol-g para el independiente de la temperatura, y cal/mol-g K para el
dependiente de la temperatura) ya que en la bibliografía pueden tener dimensiones diferentes al tener
integrada la constante universal de los gases R (por ejemplo, DECHEMA, Chemistry Data Series).
Ley de Henry
La ley de Henry no se puede seleccionar explícitamente como un método, aunque HYSYS la emplea
cuando se selecciona un modelo de actividad y entre los componentes se encuentra un componente
no condensable. HYSYS considera no condensables los siguientes componentes: metano, etano,
etileno, acetileno, hidrógeno, helio, argón, nitrógeno, oxígeno, óxido nítrico, sulfuro de hidrógeno,
dióxido de carbono, y monóxido de carbono.
4.2.1.1 MÉTODOS SEMIEMPÍRICOS
Los métodos de Chao-Seader (CS) y Grayson-Streed (GS) son métodos empíricos antiguos. La
correlación GS es una extensión del método CS con énfasis especial en el hidrógeno. HYSYS solo
obtienen los datos de equilibrio a partir de estos métodos, mientras que las entalpías y entropías se
obtienen, tanto para la fase vapor como la fase líquida mediante el método de Lee-Kesler.
La correlación GS se recomienda para simular sistemas de hidrocarburos pesados con alto contenido
en hidrógeno, tales como unidades de hidrotratamiento.
La siguiente tabla muestra los intervalos aproximados de aplicabilidad:

15. 4.3 SELECCIÓN DE MÉTODOS DE PROPIEDADES
En la siguiente tabla se muestran algunos sistemas típicos y las correlaciones recomendadas. Para
aceites, gases, y aplicaciones petroquímicas se recomienda la ecuación de estado de Peng-
Robinson (PR), ya que Hyprotech ha mejorado esta ecuación para ser exacta para una amplia
variedad de sistemas y en un amplio intervalo de condiciones. Resuelve rigurosamente sistemas de
una, dos o tres fases con un alto grado de eficacia y fiabilidad, y es aplicable en un amplio intervalo
de condiciones de presión (< 100 MPa) y temperatura (> -456 ºC). La misma ecuación predice
satisfactoriamente la distribución de componentes tales como aceites pesados, disoluciones acuosas
de glicoles y etanol, así como sistemas con gases ácidos o aguas ácidas, aunque existen modelos
específicos para las aguas ácidas (Sour PR y Sour SRK).
Aunque la ecuación de Soave-Redlich-Kwong (SRK) proporciona resultados comparables en
muchos casos a la ecuación PR, se ha constatado que su intervalo de aplicación es
significativamente más limitado, y nos es tan fiable para sistemas no ideales. Por ejemplo,
(temperaturas > -225 ºC, y presiones < 35 MPa) y no se debe emplear para sistemas con etanol y
glicoles.

16. Lo que sigue es, en su mayor parte, una reelaboración de las recomendaciones realizadas por
G.J.Suppes del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Missouri-Columbia para la
selección de la metodología de cálculo del equilibrio líquido-vapor (ELV) o líquido-líquido (ELL)
1) Cuando la temperatura reducida de la mezcla, calculada como Tr = T /  zi Tci , es mayor que
0,75 y no se prevén fases líquidas inmiscibles, se debe usar una ecuación de estado como
SRK o PR, privilegiando aquellas que cuentan con datos experimentales en la base de datos
del simulador. De acuerdo a Hyprotech, PR es preferible a SRK, aunque existen opiniones en
contrario.
2) Cuando Tr es menor que 0,75 se debe usar un modelo de solución para la fase líquida y una
ecuación de estado para el vapor
3) Cuando sólo se prevé una única fase líquida, las mejores elecciones para los alternativas de
modelos de solución son
a. NRTL para mezclas orgánicas con presencia de agua
b. Wilson para el resto, aunque algunas fuentes (VirtualMaterials Group) recomiendan la
ecuación de Margules para mezclas de hidrocarburos aromáticos.

17. 4) En aquellas situaciones donde pueda producirse ELL debe usarse NRTL, siempre suponiendo
que se cuenta con coeficientes de interacción o se los puede estimar.
5) Cuando no se puede disponer de coeficientes de interacción (experimentales o estimados)
para usar con Wilson o NRTL, se debe utilizar el modelo de solución UNIQUAC con la
predicción de los coeficientes de interacción binaria mediante UNIFAC
El cuadro siguiente resume el modelo de coeficientes de actividad recomendado para distintos tipos
de mezclas por la empresa VirtualMaterials, proveedora de paquetes de propiedades para su uso en
simulación:
Tipo de mezcla Modelo recomendable
Compuestos orgánicos con presencia de agua NRTL
Alcoholes o en mezclas con fenoles Wilson
Alcoholes, cetonas y éteres Margules
Hidrocarburos C4 – C18 Wilson
Hidrocarburos aromáticos Margules
La tabla que sigue se refiere a la aplicabilidad de métodos de coeficientes de actividad en distintos
sistemas, así como la posibilidad de extender la información disponible a condiciones distintas de las
originales:
Aplicación Margules Van Laar Wilson NRTL UNIQUAC
Mezclas binarias A A A A A
Mezclas multicomponentes AL AL A A A
Sistemas azeotrópicos A A A A A
Equilibrio líquido-líquido A A NA A A
Sistemas diluidos ? ? A A A
Sistemas autoasociativos ? ? A A A
Polímeros NA NA NA NA A
Extrapolación ? ? B B B
Fuente: Honeywell
donde:
A: aplicable ; NA: no aplicable ;AL: aplicación limitada ;? ; cuestionable ;B: bueno

18. La tabla siguiente muestra los paquetes básicos recomendados en función del tipo de proceso.
Tipo de Proceso Paquete Termodinámico recomendado
Deshidratación de TEG PR
Acuoso ácido Sour PR
Procesamiento de gas criogénico PR, PRSV
Separación de aire PR, PRSV
Torres atmosféricas de crudo PR y sus variantes, Grayson Streed (GS)
Torres a vacío PR y sus variantes, GS, Braun K10, Esso
Torres de etileno Lee Kesler Plocker
Sistemas con alto contenido deH2 PR, Zudkevitch-Joffee (ZJ), GS
Reservorios PR y sus variantes
Sistemas de vapor ASME Steam, Chao Seader, GS
Inhibición de hidratos PR
Productos químicos Modelos de actividad, PRSV
Alquilación de HF PRSV, NRTL
Hidrocarburos-agua (alta solubilidad del
agua en HC)
Kabadi Danner
Separaciones de hidrocarburos PR, SRK
Aromáticos Wilson, NRTL, UNIQUAC
Hidrocarburos sustituidos (cloruro de
vinilo, acrilonitrilo)
PR, SRK
Producción de éter (MTBE, ETBE, ter-
amil metil eter TAME)
Wilson, NRTL, UNIQUAC
Plantas de etilbenceno / estireno PR, SRK o Wilson, NRTL, UNIQUAC (según la
tecnología de producción)
Producción de ácido tereftálico Wilson, NRTL, UNIQUAC
Planta de amoníaco PR, SRK
Fuente: Honeywell, ASPENTech
ASPENTech ha propuesto una guía para la selección de los paquetes de propiedades según el tipo
de compuestos y las condiciones operativas. Lo que sigue es un seudocódigo que hemos elaborado a

19. partir del esquema original de ASPEN, considerando los paquetes disponibles en UniSim Design
R390.
1.- Si los compuestos son no polares ir a 4.
2.- Si los compuestos son polares no electrolitos ir a 5.
3.- Con electrolitos, usar un paquete específico. Fin.
4.- No polares
a) Si la totalidad de los componentes no son hipotéticos, usar PR, SRK, Lee-Kesler-Plocker. Fin. Si
no
b) Si la presión de la mezcla de componentes reales y pseudocomponentes es
- Superior a 1 atm usar CHAO-SEADER, GRAYSON. Fin
- Menor a 1 atm usar IDEAL. Fin.

20. UNIDAD II: “EJERCICIOS DE APLICACIÓN”
Con HYSYS, los ingenieros sólo necesitan desarrollar un simple modelo del proceso que puede ser
usado desde diseños conceptuales, a diseños de mejoras, optimización de la producción y una mejor
toma de decisiones. HYSYS está diseñado para que el usuario lo pueda configurar a su medida. Esto
permite la interacción con otras aplicaciones para crear poderosos programas híbridos.
Algunas de las características más relevantes son:
Ambiente gráfico de operación.
Metodología de cálculo en estado estacionario: modular no secuencial. Los cálculos en el flowsheet
son realizados automáticamente cuando el usuario aporta información. Los resultados de cualquier
cálculo pasan automáticamente a otra corriente u operación que esté afectada por el cálculo,
propagando los resultados a través del flowsheet. La información parcial (insuficiente para permitir un
cálculo completo) también es dirigida bidireccionalmente a través del flowsheet.
Metodología de cálculo en estado dinámico: cada operación unitaria individual contiene la
información necesaria para calcular su respuesta dinámica, así como también integrar sus hold-ups, o
en el caso de operaciones sin hold-ups, algebraicamente.
Multi-Flowsheet: un número ilimitado de flowsheets pueden ser instalados en una simulación. La
información de cualquier locación es accesible en cualquier momento.
Sub-flowsheets y flowsheet templates: Cada flowsheet posee un paquete de fluidos (componentes,
propiedades, reacciones, etc.). Un sub-flowsheet aparece como una operación multi-input/output y es
resuelto automáticamente como cualquier otra operación. Los templates pueden ser construidos
específicamente: paquetes de fluidos, operaciones, corrientes, especificaciones del proceso, etc., y
guardados en disco.
Los cálculos de equilibrio de fase pueden ser automáticamente realizados por el método apropiado
para el flowsheet. Una vez que la composición y dos variables de estado (presión, temperatura,
fracción de vapor o entalpía) son conocidas para una corriente, esta es automáticamente calculada.
Los cálculos de las propiedades físicas son realizados automáticamente para cada fase.
Base de datos con más de 1500 compuestos puros: Hidrocarburos, Aminas, Alcoholes, Cetonas,
Aldehídos, Esteres, Acidos carboxílicos, Halógenos, Fenoles, Sólidos, etc.

21. Métodos de cálculo termodinámico: Peng-Robindon, Soave-Redlich-Kwong, Esso Tabular, Chao
Seader, etc.
Línea de soporte vía telefónica, On-Line (e-mail y Web) y en planta.
Cursos de entrenamiento para usuarios.
Acceso a documentos vía Web.
Licencias especiales para universidades.
Las operaciones unitarias y equipos disponibles son:
Separación: Separador de 2 fases, de 3 fases, Tanque
Separadores de sólidos: Ciclón, Hidrociclón, Filtro rotativo de vacío, Filtro de bolsa, Cristalizador
Destilación: Absorbedor, Absorbedor con rehervidor, Absorbedor con reflujo, Torre atmosférica de
crudo, Extractor Líquido-Líquido, Fraccionador.
Reactores: CSTR, PFR, Gibbs
Transferencia de calor: Intercambiador de calor, Condensador, Evaporador.
Distribución: Cañería, T, Mezclador
Incremento de Presión: Bomba, Compresor, Válvula, Expander.
Lógicas: Balance molar, Balance de masa, Balance de energía, Balance Gral., Adjust, Set,
Controlador PID, Selector de señal, Función de transferencia. Algunas herramientas de análisis con
las que cuenta son:
Case Study: Grabador de datos con el cual se pueden realizar varias simulaciones
simultáneamente.
Intercambio de calor: Análisis Pinch, curvas de calor.
Equilibrio de fase: tablas de propiedades, Hidratos, T-XY, P-XY.
Diseños de destilación: Mc Cabe - Thiele, síntesis de destilación binaria, síntesis de destilación
ternaria.
Cañerías: Dimensionamiento, caída de presión.
Arquitectura básica de HYSYS
Como se mencionó en el punto anterior, uno de los aspectos más útiles de HYSYS es su arquitectura
Multi-Flowsheet. El concepto de Fowsheets y Sub-Flosheets es un método flexible e intuitivo que
permite:
Descomponer un proceso complejo en procesos más pequeños con componentes más concisos:
Simular cada unidad del proceso en forma independiente del proceso completo, pero ligado a él,
construyendo un sub-flowsheet con sus corrientes y operaciones unitarias accesorias.

22. Usar paquetes termodinámicos independientes para cada flowsheet. El concepto de Medio
Ambiente (Environment), permite acceder e ingresar información en una determinada área o “medio
ambiente” del programa, mientras que las otras áreas están en modo hold (“esperando”) hasta que se
finalice la tarea en el área de interés. Hay 5 Environments:
Basis (se crean, definen y modifican los Paquetes de Fluidos a ser utilizados –incluyen, como
mínimo, el paquete de propiedades y los componentes)
Oil Characterization (se caracterizan cortes de petróleo)
Main Flowsheet (se define mayoritariamente la topología del flowsheet principal)
Sub-Flowsheet (se define la topología del sub-flowsheet)
Column (se define la topología de una particular Columna Sub-Flowsheet)
Entre las herramientas disponibles en HYSYS podemos mencionar:
Capacidad para realizar cálculos interactivos y acceso instantáneo de la información.
Inteligencia incorporada al programa que le permite conocer cuando la información disponible es
suficiente para efectuar un cálculo y corregir los cálculos flash en forma automática.
Operación modular: Todas las operaciones unitarias y/o corrientes pueden realizar todos los
cálculos siempre que se especifique la información mínima necesaria en cada caso o la misma se
transmita a través de las corrientes ligadas. La información, completa o parcial, se transmite en forma
bi-direccional.
Algoritmos de solución No Secuenciales. Ellos operan en forma independiente del orden en que se
construye el flowsheet.
HYSYS cuenta con Elementos de Interafase Primarios, los cuales son formas alternativas para
acceder e ingresar información del proceso. Estos son:
El Diagrama de Fujo de Proceso (The Process Flow Diagram -PFD-)
Workbook.
Property View.
Medio Ambiente Básico
Es la primer interface con la que nos encontramos al iniciar un nuevo caso en HYSYS. Las principales
tareas que se realizan dentro del mismo son:
Creación de lista de componentes
Selección de paquetes de propiedades asociados a cada lista (base)
Selección de reacciones químicas (tipo de cinética y parámetros de las misma)
Conformación del corte de un crudo a partir de sus propiedades
Inclusión de componentes hipotéticos ya seas estos fluidos o sólidos

23. Creación de un nuevo caso e ingreso de componentes
Para comenzar a crear un caso de HYSYS se debe presionar el botón ( ) “New Case”, a continuación
aparece la ventana “Simulation Basis Manager”.
Para seleccionar los componentes, en la pestaña “Components” se debe presionar “Add”, luego de lo
cual aparece una nueva ventana que permite buscar componentes dentro de unas librerías de
compuestos ya almacenados“Tradicionales”, ya contenidas en HYSYS, “Hipothetical”, creadas y
definidas por el usuario y “Other”

24. Dentro de la opción “Tradicional” se puede observar, desplegada en la parte derecha de la pantalla, la
tabla “Components Available in the Component Library” que contiene un listado de los compuestos
que posee almacenado HYSYS en su base de datos.
La búsqueda de los compuestos se puede realizar según varios criterios (por ejemplo nombre o
fórmula) colocando parte de la expresión en la casilla “Match”. Luego deben ser agregados al listado
de componentes presionando el botón “Add Pure” o realizando doble clic sobre el compuesto.
Si se desea reducir el espectro sobre el cual se realiza la búsqueda, se puede utilizar el botón “View
Filtres”, el cual permite seleccionar una familia de compuestos (función química) o seleccionar
elementos que sean compatibles con la utilización de cierto paquete de propiedades.
En la parte inferior de la ventana aparece la casilla “Name”, la cual permite el ingreso de un nuevo
nombre a la serie de componentes seleccionados. Por defecto ya posee un nombre asignado.
Una vez que se hayan seleccionado todos los componentes cerrar la ventana para regresar a la
ventana original del “Simulation Basis Manager”.
NOTA:La base de datos de compuestos incorporada en HYSYS es muy grande, pero como es un
simulador muy orientado a la industria petroquímica, es difícil encontrar componentes de otro tipo de
industrias, como por ejemplo los sulfatos, óxidos y demás componentes inorgánicos en solución. Las
últimas versiones de HYSYS incluyen el paquete de electrolitos, lo que permite incluir tales sustancias
y por lo tanto, variar las propiedades coligativas de la mezcla.
También es posible incluir componentes que no estén en la base de datos, ingresando algunos de
sus parámetros característicos.
Selección de paquetes de propiedades asociados a cada lista
En la pestaña “Fluid Pkgs”, presionar “Add” para que se despliegue una nueva ventana, la cual
permitirá seleccionar un paquete de propiedades de los fluidos acorde a las características del
sistema formado por los componentes seleccionados en el paso anterior.Este paso es muy
importante, ya que definirá la base de la simulación. Si se tiene una buena base, se tendrá una buena
simulación, pero si se introduce un error desde el principio, éste se agravará con el desarrollo de la
simulación.

25. Medio ambiente de simulación
Aquí se realiza el armado del flowsheet a partir de los objetos básicos de la paleta de operaciones
unitarias. Simulation Environment es la pantalla principal de HYSYS donde realizaremos las
simulaciones. En este medio la simulación se hace muy visual y fácil de llevar. Hay otro medio de
simulación en HYSYS que veremos más adelante: el Workbook.

26. La Paleta de Objetos se usa para seleccionar el equipo o el tipo de corriente que queremos introducir
en el sistema de simulación La función “F4” permite visualizar u ocultar la paleta de operaciones
unitarias
La paleta se puede dividir en cuatro secciones:
Corrientes: Materia y Energía
Equipos de separación de fases, presión, transferencia de calor y reactores,
Equipos de transferencia de masa (destilación, absorción…)
Operaciones lógicas
Ingreso de corrientes desde la paleta de objetos
Seleccionar mediante un click en la paleta de objetos la flecha azul o roja, según se desee incorporar
una corriente de materia o energía, y volver a clickear en el PFD. Se puede visualizar la corriente
representada mediante una flecha celeste.
Para dar especificaciones a la corriente debemos hacer doble click en la corriente y aparecerá el visor
de propiedades de las corrientes. Se puede cambiar el nombre de la corriente simplemente
escribiendo un nombre nuevo en la caja Stream Name.

27. La barra amarilla en la parte inferior indica la falta de información para definir completamente la
corriente.
En HYSYS se puede seleccionar la base para definir las composiciones. Dentro de la opción
Compositions haciendo clic en el botón Basis, aparece la caja de diálogo que permite elegir una base
entre las diferentes opciones.

28. APLICACIONES A LA TERMODINÁMICA E HIDRÁULICA

30. FLUJO 1000 BBL/H

32. Ejerciciós.
1.- Tenemos un corriente al 20% (masa) de sacarosa (sucrose) (100 m3/h, 1 bar, V/F de 0,2), la
concentración para vender este producto debe ser como mínimo del 75% ( fracción en masa). Para comenzar el
estudio nos plantean en subir la concentración de forma inicial al 50% mediante dos evaporadores en serie.
Disponemos de vapor de alimentación de 3.5 bar a la temperatura de saturación. ( Usar Van Laar como
fluidpackage)
Calcular: El caudal de vapor necesario, concentración intermedia, temperaturas de todas las corrientes y
caudales de condensados.
2.-

33. Pag 15 , Problemas de IngenierÍa QuÍmica ; Operaciónes Básicas –Tomo I – OCON TOJO

34. PROBLEMA 1
Calcular las propiedades que se enumeran a continuación para el propano y el n-octano puros
a 25 ºC y 1 atm, empleando la ecuación de estado de Peng Robinson: Densidad, viscosidad,
capacidad calorífica, conductividad térmica, entalpía y entropía. Calcular las propiedades
anteriores, así como la fracción de vapor de las mezclas de propano y n-octano con: 25, 50 y
75 % (porcentaje en moles) del componente más volátil a 25 ºC y 1 atm.
PROBLEMA 2
Calcular el factor de compresibilidad para el isopropanol a 200 ºC y 10 bar.
PROBLEMA 3
Determine el volumen molar, volumen específico y el factor de compresibilidad del n-butano
a 510 K y 25 bares.
PROBLEMA 4
Se mezclan dos flujos para formar un solo flujo. En el estado 1 es agua a razón de 1.5 kg/s a
400 kPa, 200 ºC y para el estado 2 se encuentra a 500 kPa, 100 ºC. Cuál es el flujo másico en
el estado 2 para producir una temperatura de salida de 150 ºC manteniendo la presión de
salida a 300 kPa.
PROBLEMA 5
Una corriente de agua caliente a 80 ºC entra a una cámara de mezcla con una tasa de flujo
másico de 0.5 Kg/s donde se mezcla con una corriente de agua fría a 20 ºC. Se desea que la
mezcla salga de la cámara a 42 ºC, determine la tasa de flujo másico de la corriente de agua
fría. Considere que todas las corrientes están a la misma presión de 250 KPa.

47. E200 = Q (HEAT FLOW) 50000 KJ/H